KR101038717B1

KR101038717B1 - 반도체 패키징 방법

Info

Publication number: KR101038717B1
Application number: KR1020080065561A
Authority: KR
Inventors: 서준모; 강병언; 김재훈; 성충현; 현순영; 김지은; 이준우; 김주혁
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2011-06-02
Also published as: KR20100005503A

Abstract

본 발명은 반도체 패키징 방법에 관한 것이다. 본 발명은, (S11) 액상 타입으로서, 전도성 및 비전도성 물질을 포함하며, 다이 접착용 페이스트를 인쇄기판에 도포하는 단계; (S12) 상기 인쇄기판에 도포된 다이 접착용 페이스트를 비스테이징하는 단계; (S13) 다이를 인쇄기판에 접착시키는 단계; (S14) 상기 접착된 다이에 대해 와이어 본딩하는 단계; 및 (S15) 상기 결과물에 대해 밀봉하는 단계;를 포함하여 진행하되, 상기 (S12)의 비스테이징 단계 진행 후, 다이 접착제의 두께, 다이 접착제의 저장탄성율, 박리접착강도(Peel strength), 수분흡수율을 제어하고, 상기 (S13)의 다이 접착 후의 다이 접착제는, 상온 다이 전단 강도(die shear strenth)를 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 다이 접착제를 이용하여 피접착 부재에 스크린 프린팅에 의한 도포 이후에 행해져야 하는 예비 건조 과정, 열적 큐어링 과정을 별도의 공정 단계로서 진행하지 않고도 다이 접착 후 곧바로 와이어본딩 공정 등의 후속 공정을 연속적으로 진행할 수 있어 공정 효율이 개선되며, 목적하는 다이 접착제의 성능이 그대로 발현됨으로써, 이를 이용하여 제조되는 반도체 제품의 품질 신뢰성을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.

다이, 접착제, 열경화, 비스테이징, 와이어본딩, 패키징, 점도, 박리강도

Description

반도체 패키징 방법{Method for packaging of semiconductor device}

본 발명은 반도체 패키징 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다이 접착에 사용되는 다이 접착용 페이스트의 점도, 비스테이징 공정 전후의 도포 두께 변화, 비스테이징 공정 후의 저장탄성율, 박리접착강도, 수분흡수율 등의 물성 조건을 만족하는 다이 접착용 페이스트를 이용함으로써 공정 간소화 등의 공정 효율을 개선시킬 수 있는 반도체 패키징 방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 패키징 공정에 있어서, 칩을 적층하거나 PCB 또는 리드-프레임(Lead-frame)과 같은 지지부재에 접착할 때 사용되는 접착제로 다이 접착 페이스트가 널리 사용되고 있다.

반도체 패키징의 한 형태에서, 반도체 다이 또는 칩은 기판에 전기적으로 접속되는 한편 접착제에 의해 기계적으로 접합된다. 기판은 다른 전기적 소자 또는 외부 파워 소스에 연결된다. 제조 공정은 연속적인 일련의 단계로 실행될 수 있고, 그렇지 않으면 기계적 부착을 위해 접착제를 사용하여 기판을 제조한 다음 추후 일정 시간까지 유지시킬 수 있다.

제조 공정이 연속적인 일련의 단계로 실행될 경우, 기판 상에 접착제가 도포 되고, 반도체 칩을 접착제와 접촉시키고, 접착제는 열 또는 열과 압력을 가함으로써 경화된다. 적합한 접착제는 무용매 액체 및 페이스트 또는 고체일 수 있다. 액체나 페이스트 형태일 경우, 접착제는 가열에 의해 경화와 함께 응고된다. 접착제를 기판에 도포한 후 제조 공정을 중단하고 최종 조립 공정을 추후 시점까지 보류해야 할 경우, 접착제는 온전히 보존되기 위해 응고된 형태로 존재해야 한다. 고체 접착제는 블리딩(bleeding)이 최소이거나 전혀 없는 이점 및 본드라인(bondline), 즉 칩과 접착제간 계면(interface)의 두께 및 틸트(tilt)를 양호하게 제어할 수 있는 이점을 제공한다.

일부 반도체 패키징 응용에 있어서, 공정상의 이유에서 페이스트 접착제가 필름 접착제보다 바람직하지만, 고체의 본드라인 및 필렛(fillet) 제어가 요구된다. 그러한 경우에, B-스테이지 가능형(B-stageable) 접착제로 알려진 접착제가 사용될 수 있다. 원료인 접착제 물질이 고체인 경우, 상기 고체는 용매에 분산되거나 용해되어 페이스트를 형성하고, 그 페이스트가 기판에 적용된다. 이어서, 용매를 증발시키기 위해 접착제를 가열하여, 고체 상태로서 경화되지 않은 접착제를 기판에 남긴다. 원료인 접착제 물질이 액체 또는 페이스트인 경우, 접착제는 기판 상에 분배되고, 접착제가 고체 상태로 부분 경화되도록 가열된다.

이러한 다이 접착제는 피접착부재에 스크린 프린팅 방법을 이용하여 일정한 패턴으로 도포된 후, 비스테이징 공정을 거친 후, 1일 이상 상온에서 방치한 후, 다이 접착을 하기 전에 잔류 수분을 제거하기 위한 예비 건조(pre dry) 공정을 진행한다. 이러한 예비 건조 공정은, 다이 접착제 내의 잔류 수분에 의해 후속되는 고온 공정에서 다이 접착제 내부에 보이드 발생을 방지할 수 있으므로, 종래의 공정에서는 필수적인 공정이라 할 것이다. 한편, 다이 접착이 완료된 이후, 다이 접착제의 내열성 및 신뢰성 향상을 위해 열처리에 의한 큐어링(curring) 공정도 반드시 요구되는 공정이다. 마지막으로 와이어 본딩이 완료된 이후, 접착 완료된 칩(chip)을 보호하기 위한 목적으로 행해지는 에폭시 몰딩 컴파운딩(EMC) 공정을 진행하며, 몰딩재의 내열성 및 접착력 향상을 위해 EMC에 대한 열적 큐어링 공정도 요구되고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 다이 접착제를 도포한 이후, 최종 밀봉(몰딩재에 의한 보호) 단계까지에서 수회의 열처리 공정이 요구되지만, 이는 공정 효율화와 부합되지 않는 비경제적인 측면이 있으므로, 공정 단순화를 위한 기술 개선의 노력이 관련업계에서 지속적으로 이루어지고 있다. 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래의 다이 접착제를 이용한 반도체 패키징 방법에서, 예비 건조 공정, 열적 큐어링 공정 등을 별도로 진행하지 않고도 제품의 안정성 및 신뢰성과 내열성 및 접착성이 확보될 수 있는 단순화된 공정 단계를 제공하는 것에 있다. 본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위하여, 하기와 같은 과제 해결 수단으로서 반도체 패키징 방법의 제공을 그 목적으로 한다.

전술한 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 반도체 패키징 방법은, (S11) 액상 타입으로서, 전도성 및 비전도성 물질을 포함하며, 인쇄 기판에 도포시 30℃, 1rpm 조건의 부룩필드(Brookfield) 점도계를 이용하여 측정된 점도가 20,000 내지 100,000 cps인 다이 접착용 페이스트를 인쇄기판에 도포하는 단계; (S12) 상기 인쇄기판에 도포된 다이 접착용 페이스트를 열 또는 UV 중 선택된 하나 또는 두가지 모두를 이용하여 비스테이징(B-staging)하는 단계; (S13) 다이를 인쇄기판에 접착시키는 단계; (S14) 상기 접착된 다이에 대해 와이어 본딩하는 단계; 및 (S15) 상기 결과물에 대해 밀봉하는 단계;를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 한다.

상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 두께가 상기 (S12)단계 진행 전의 도포 두께의 40 내지 95%로 유지되도록 진행하면 바람직하다. 상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 저장탄성율(Storage modulus)가 25 내지 150 ℃의 온도 범위에서 10⁴ 내지 10¹⁰ Pa가 유지되도록 진행하면 바람직하다. 상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 박리접착강도(Peel strength)가 300 gf/㎝ 이상이 유지되도록 진행하면 바람직하다. 상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 수분흡수율이 2% 이내로 유지되도록 진행하면 바람직하다. 상기 (S13)의 다이 접착 단계는, 상기 (S13)단계 후의 다이 접착제의 상온 다이 전단 강도(die shear strenth)가 5 kgf/(5㎜×5㎜ chip) 이상이 유지되도록 진행하면 바람직하다.

본 발명에 따르면, 다이 접착제를 이용하여 피접착 부재에 스크린 프린팅에 의한 도포 이후에 행해져야 하는 예비 건조 과정, 열적 큐어링 과정을 별도의 공정 단계로서 진행하지 않고도 다이 접착 후 곧바로 와이어본딩 공정 등의 후속 공정을 연속적으로 진행할 수 있어 공정 효율이 개선되며, 목적하는 다이 접착제의 성능이 그대로 발현됨으로써, 이를 이용하여 제조되는 반도체 제품의 품질 신뢰성을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명에서 제공하는 반도체 패키징용 접착 조성물을 이용하여 진행하는 반도체 패키징은 하기 표 1에 따라 구분된 물성 조건을 갖는 다이 접착 페이스트를 이용하여 첨부된 도 1에 따르는 (S11) 내지 (S15) 단계를 포함하여 진행하고, 각 공정별로 필요한 여러 특성 등을 비교 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 각각 나타내었다.

구분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2
페이스트 점도(at 30℃,1rpm)(cps)	30,000	21,000	90,000	19,000	62,000
비스테이징후저장탄성율(at 50℃)(Pa)	3×10⁷	6×10⁴	2×10⁹	10¹¹	7×10³
비스테이징후박리접착강도(gf/㎝)	600	1200	120	5	1800
비스테이징후 수분흡수율(%)	0.38	0.48	0.12	0.32	1.2
다이접착후 다이전단강도[kgf/(5㎜×5㎜ chip)]	17	15	11	8	10

도 1은 본 발명에 따르는 조성물을 이용하여 반도체 패키징을 진행하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.

다이 접착용 페이스트 도포단계( S11 )

피접착부재인 인쇄기판, 예컨대 PCB기판, 리드프레임 등의 상면에 스크린 프린팅 공정을 진행하여 다이 접착용 페이스트를 도포한다. 이때, 상기 다이 접착용 페이스트는, 액상 타입이면 바람직하며, 전도성 및 비전도성 물질을 포함하고, 상기 인쇄기판에 도포시 30℃, 1rpm 조건의 부룩필드(Brookfield) 점도계를 이용하여 측정된 점도가 20,000 내지 100,000 cps이면 바람직하다. 상기 다이 접착용 페이스트의 점도에 대한 수치범위와 관련하여, 하한에 미달하면 블리딩(bleeding) 및 클로깅(clogging) 현상에 의해 스크린 프린팅의 불량이 발생할 수 있어 바람직하지 못하며, 상한을 초과하면 테일링(tailing) 또는 도그 이어(dog ear)가 과다하게 발생하여 목적하는 패턴대로의 페이스트 도포가 이루어지지 않아 바람직하지 못하다.

비스테이징 단계( S12 )

이어서, 상기 다이 접착용 페이스트가 도포된 피접착부재에 대해 비스테이징 공정을 진행한다. 이러한 비스테이징 공정은, 열원, UV 광원을 각각 단독으로 이용하여 진행할 수 있으며, 이 둘을 혼합하여 순차 또는 동시에 진행할 수 있다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 열원에 의한 비스테이징 공정을 진행하였다. 이러한 비스테이징 공정 진행에 의해 다이 접착용 페이스트는 액상에서 고상으로 변화되며, 후속되는 다이 접착 공정을 진행하기 전까지 일정한 두께 유지, 접착력 유지, 내열성 유지 등의 주요한 물성이 결정된 다이 접착층으로 변화된다. 한편, 상기 비스테이징 공정을 진행한 후의 다이 접착층의 두께는 최초 도포된 다이 접착용 페이스트의 도포 두께에 비해 감소된다. 특히, BOC(Board On Chip )공정에서는 최초 도포되는 다이 접착용 페이스트의 두께는 20 내지 150 ㎛로 도포되고, 비스테이징이 진행된 후에는 최초 도포 두께의 40 내지 95% 정도로 감소된다.

상기 (S12)의 비스테이징 공정이 진행된 이후의 다이 접착층의 저장 탄성율(Storage modulus)은, 25 내지 150 ℃의 온도 범위에서 10⁴ 내지 10¹⁰ Pa가 유지되면 바람직하며, 그 박리접착강도(Peel strength) 300 gf/㎝ 이상이 유지되어야 바람직하고, 그 수분흡수율이 2% 이내로 유지되어야 바람직하다. 본 발명에 따른 실시예에서의 페이스트의 수분흡수율은 비스테이징 공정 후, 85℃/85% 쳄버 내에서 1일 간 방치후 무게변화를 측정하여 계산하였다. 종래의 통상적인 다이접착제의 수분흡수율은 완전 경화 후 수분흡수율을 측정하지만, 본 발명에서와 같이 큐어링 공정이 생략되는 페이스트의 경우에는 공정 특성을 고려하여 비스테이징 공정 ㅈ-지진행 후에 수분흡수율을 측정하는 것이 바람직하다.

상기 다이 접착층의 저장탄성율에 관한 수치 범위와 관련하여, 하한에 미달하면 비스테이징된 다이 접착층의 경도(rigidity)가 상대적으로 낮기 때문에 40 내지 220℃의 온도에서 5 내지 13 kgf 이상의 압력이 가해지면서 진행되는 다이 접착 공정시 다이 접착층의 과도한 용융흐름(melt flow)에 의해 다이 위로 다이 접착층의 일부가 넘쳐 와이어 패드를 덮는 현상이 발생하게 되어 와이어 본딩 불량을 일으키는 원인을 제공할 수 있어 바람직하지 못하며, 상한을 초과하면 경도가 과도하게 높아져 다이 접착시 다이 접착층이 잘 눌리지 않거나 다이와 다이 접착층 간에 접착면적이 작아 상대적으로 접착력이 저하되어 접착 불량이 발생할 수 있으며, 다이 접착층 표면의 평탄성의 확보되지 않아 불균일하게 돌출된 부분에 의해 다이가 깨지는 문제점이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.

일반적으로 반도체 패키징 업체에서는 스크린프린팅된 다이 접착 페이스트의 경우, 비스테이징 공정이 완료된 상태에서 상온 또는 질소 분위기의 드라이 박스 내에서 2주 이상 보관하는 경우가 있으며, 이 과정에서 공기 중에 존재하는 수분이 다이 접착 페이스트로 흡수될 수 있다. 이렇게 흡수된 수분은 다이 접착 페이스트의 내열성을 저하시키며, 높은 온도의 열경화 또는 와이어 본딩 공정시 잔류 수분이 끓게 되는 현상으로 인해 다이 접착 페이스트 내에 보이드(void)가 발생할 수 있다. 따라서, 비스테징 공정이 진행된 이후, 다이 접착 페이스트의 수분 흡수율을 1% 이내로 제한하는 것은 다이 접착 공정의 효율 개선을 위해 중요한 요소의 하나이다. 만일, 다이 접착 페이스트의 수분 흡수율 제한에 성공한다면, 종래에 행하던 다이 접착 공정 전의 프리드라이(predry) 공정을 생략할 수 있게 되어 공정 효율성이 개선될 수 있음은 자명하다.

다이 접착제에 대한 수분 흡수율의 측정은 85℃의 온도와 85%의 습도하에서 1일동안 항온항습기에 보관된 샘플의 보관 전과 후의 무게를 측정하여 그 차에 대한 비율로 환산하여 계산한다.

비스테이징이 완료된 다이 접착 페이스트에 대한 수분 흡수율이 1% 이내로 조절할 수 있다면, 다이 접착 공정 후, 종래와 같은 열경화공정을 추가로 진행하지 않고 곧바로 와이어본딩공정으로 진행할 수 있다.

다이 접착 단계( S13 )

상기 비스테이징 공정이 완료된 다이 접착층 상면에 다이를 접착시킨다.

와이어 본딩 단계( S14 )

다이 접착이 완료된 상태에 대해 추가적인 열경화 공정을 진행하지 않고 곧바로 상기 접착된 다이와 피접착부재 간을 통전시기키 위한 와이어 본딩공정을 진행한다. 와이어 본딩 공정은 일반적으로 150℃ 이상의 고온에서 진행되며, 미경화된 제품의 경우에는 내열성이 저하되기 때문에 다이 접착층의 용융흐름(melt flow)에 의한 제품 불량이나 다이 접착층 내에 보이드가 생성 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위한 다이 접착층은 그 저장 탄성율(Storage modulus)은, 25 내지 150 ℃의 온도 범위에서 10⁴ 내지 10¹⁰ Pa가 확보되어야 한다.

밀봉 단계( S15 )

상기 와이어 본딩이 완료된 결과물의 외부를 밀봉한다. 이러한 밀봉은 가장 일반적인 것이 에폭시 몰딩 컴파운딩(EMC) 공정으로서, 전술한 공정 조건 및 다이 접착제에 요구되는 물성 조건이 충족되면, 몰딩재 및 다이 접착제에 대한 내열성 향상을 위한 별도의 열적 큐어링 공정을 진행하지 않아도 요구되는 물성을 충족시킬 수 있다. 특히, 밀봉 공정의 고온 고압 조건에서 다이의 밀림 현상을 방지하기 위해서는 상기 다이 접착 공정(S14) 후의 다이 접착제는 상온에서의 다이 전단 강도(die shear strenth)가 5 kgf/(5㎜×5㎜ chip) 이상이 확보되어야 한다. 또한, 전술한 바와 같은 다이 접착제의 저장탄성율 조건을 만족하면, 다이와 다이 접착층 간의 계면 또는 다이 접착층의 내부, 다이 접착층과 피접착부재인 기판 계면 상에 잔존하는 보이드가 제거되는 것을 알 수 있다. 이러한 효과에 대해서는 초음파를 이용한 비파괴 검사 방법의 하나인 SAM(Scanning Acoustic microscope) 검사를 통해 밀봉 공정 전후의 샘플 상태를 관찰하여 확인할 수 있다. 만일, 밀봉 공정 후에도, 기 발생된 보이드가 제거되지 않은 상태로 잔존하게 되면, 제품 신뢰성 테스트 과정에서 크랙이 발생될 수 있다.

구분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2
스크린프린팅 특성	양호	양호	양호	블리딩, 클로징 발생	양호
다이접착후 틸팅 테스트	양호	양호	양호	다이플라잉 발생	양호
와이어본딩 불량유무	양호	양호	양호	양호	보이드, 용융흐름 발생
밀봉(EMC)시 보이드 제거 가부	가능	가능	가능	불가능	보이드 발생
수분저항 신뢰성 테스트(MRT)	합격	합격	합격	불합격	불합격

상기 표 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 실시예들(1~3)의 경우에는 공정 특성에서 요구되는 물성 조건을 충족하고 있음을 알 수 있다. 이와 달리, 비교예들(1~2)의 경우에는 일부 항목에서는 양호한 평가를 받고 있으나, 세부적으로 공정상 요구되는 항목을 완전하게 충족하고 있지 못하고 있음을 알 수 있다. 특히, 전술한 단계를 경유하여 제조된 본 발명에 따르는 실시예들의 경우에는 세계반도체표준협회(JEDEC, Joint Electron Device Engineering Council)의 수분 저항성 테스트(MRT, Moisture Resistance Test)에서 항온 항습 조건인 85℃ 온도 조건과 85%의 습도 조건 하에서, 1일, 2일, 7일 각각 보관 후, 260℃의 피크온도(Pb free)의 리플로우(reflow) 조건에서 내습, 내열성 테스트에 모두 합격하는 특성을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 전술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 보다 구체적으로 이해시키기 위한 자료로서 제시되는 것에 불과하므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항만으로 한정되어 해석되지 않아야 함은 자명하다.

Claims

(S11) 액상 타입으로서, 전도성 및 비전도성 물질을 포함하며, 인쇄 기판에 도포시 30℃, 1rpm 조건의 부룩필드(Brookfield) 점도계를 이용하여 측정된 점도가 20,000 내지 100,000 cps인 다이 접착용 페이스트를 인쇄기판에 도포하는 단계;

(S12) 상기 인쇄기판에 도포된 다이 접착용 페이스트를 열 또는 UV 중 선택된 하나 또는 두가지 모두를 이용하여 비스테이징(B-staging)하되,

상기 비스테이징은, 비스테이징 진행 후의 다이 접착제의 두께가 비스테이징 진행 전의 도포 두께의 40 내지 95%로 유지되도록 진행하는 단계;

(S13) 다이를 인쇄기판에 접착시키는 단계;

(S14) 상기 접착된 다이에 대해 와이어 본딩하는 단계; 및

(S15) 상기 와이어 본딩된 결과물의 외부를 밀봉하는 단계;를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징 방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 저장탄성율(Storage modulus)가 25 내지 150 ℃의 온도 범위에서 10⁴ 내지 10¹⁰ Pa가 유지되도록 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징 방법.
제1항에 있어서,

상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 박리접착강도(Peel strength)가 300 gf/㎝ 이상이 유지되도록 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징 방법.
제1항에 있어서,

상기 (S12)의 비스테이징 단계는, 상기 (S12)단계 진행 후의 다이 접착제의 수분흡수율이 2% 이내로 유지되도록 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징 방법.
제1항에 있어서,

상기 (S13)의 다이 접착 단계는, 상기 (S13)단계 후의 다이 접착제의 상온 다이 전단 강도(die shear strenth)가 5 kgf/(5㎜×5㎜ chip) 이상이 유지되도록 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징 방법.