KR101093060B1 - 범프 부착 전자 부품의 실장 방법 및 구조 - Google Patents

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타다히코 사카이
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Abstract

다수의 전극이 형성된 기판 상에 다수의 금속 범프가 형성된 범프 부착 전자 부품을 실장하기 위한 실장 방법으로서, 상기 전자 부품과 기판사이에 열 경화성 수지가 개재된 상태에서, 상기 금속 범프를 상기 전극에 정렬시키고, 상기 전자 부품에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하면서 상기 전자 부품을 상기 기판에 압착함으로써 상기 금속 범프를 상기 전극에 접속시키기 위한 과정에서, 상기 전체의 금속 범프가 상기 전극에 접촉하여 전기적으로 접속되도록 하고, 또한 상기 금속 범프의 일부가 상기 전극에 금속 접합되는 경우 초음파 진동이 정지된다. 이에 의해, 금속 접합이 먼저 시작된 상기 금속 범프에 과도한 초음파 진동이 인가됨으로써 발생하는 손상을 방지할 수 있다.
범프 부착 전자 부품, 초음파 진동, 압력

Description

범프 부착 전자 부품의 실장 방법 및 구조{MOUNTING METHOD OF BUMP-EQUIPPED ELECTRONIC COMPONENT AND MOUNTING STRUCTURE OF THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 부품의 실장 방법을 설명하기 위한 단계 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 부품의 실장 구조의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 부품 실장 방법에 있어서 압착 하중 및 초음파 출력의 시간에 대한 타이밍도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
2 : 기판
3 : 전극
4 : 수지
5 : 전자 부품
6 : 금속 범프
본 발명은, 다수의 금속 범프를 구비한 범프 부착 전자 부품을 기판 상에 실 장하기 위한 범프 부착 전자 부품의 실장 방법 및 구조에 관한 것이다.
접속용 전극으로 금속 범프가 설치된 반도체 소자인 플립 칩 등의 범프 부착 전자 부품을 기판에 실장하기 위한 방법으로서, 초음파 접합에 의한 방법이 이용되고 있다(예를 들면, 일본 공개 특허 평 10-335373 호 및 일본 공개 특허 2001-298146호 참조). 이러한 실장 방법에 있어서, 범프 부착 전자 부품에 초음파 진동과 열과 압력을 인가하여 상기 범프 부착 전자 부품을 기판에 대해 압착함으로써, 금속 범프를 기판의 전극에 초음파 접합에 의해 금속 접합시키고, 상기 금속 범프가 상기 전극에 전기적으로 접속되도록 한다.
한편, 이러한 범프 부착 전자 부품에 형성된 금속 범프의 크기에는 소정의 차이가 존재하게 된다. 상기 초음파 접합에 있어서는, 크기가 큰 범프로부터 순차적으로 소정의 전극에 접촉하여 금속 접합된다. 또한 상기 접합 과정 동안, 금속 범프가 압력에 의해 일부 찌그러져서 모든 금속 범프가 전극에 금속 접합되고, 초음파 접합이 완료된다.
그러나, 종래의 범프 부착 전자 부품을 대상으로 하는 초음파 접합에 있어서, 범프의 크기가 상이하므로, 각각의 금속 범프에 대한 초음파 접합의 진행 정도는 다르게 된다. 따라서, 상기 금속 접합이 먼저 시작된 금속 범프에서는, 하부면측이 이미 전극에 금속 접합된 상태에서 초음파 진동이 계속적으로 인가되게 된다. 그리고 이와 같이 초음파 진동이 과도하게 인가된 금속 범프는, 범프 기저부에서의 진동 변위에 의해 과도한 응력이 발생하게 된다. 이러한 과도한 응력은, 초음파 접합 과정이 완료된 상태에서, 크랙과 같은 손상을 범프 기저부에 발생시키게 된다는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 과제는 소정의 초음파 접합 과정에서의 손상을 방지할 수 있는, 범프 부착 전자 부품의 실장 방법 및 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 범프 부착 전자 부품의 실장 방법은, 다수의 금속 범프룰 갖는 범프 부착 전자 부품을 다수의 전극이 형성된 기판에 실장하기 위한 범프 부착 전자 부품 실장 방법으로서, 상기 전자 부품과 상기 기판과의 사이에 열 경화성의 수지를 개재시킨 상태로 상기 다수의 금속 범프를 상기 다수의 전극에 정렬시키는 단계와, 상기 범프 부착 전자 부품 상에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하여 상기 범프 부착 전자 부품을 기판에 대해 압착하는 단계와, 상기 모든 금속 범프가 상기 전극에 접촉되어 상호 전기적으로 접속되도록 하고, 상기 금속 범프 중의 일부가 상기 전극에 금속 접합되면 상기 초음파 진동을 정지하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 범프 부착 전자 부품의 실장 구조는, 다수의 금속 범프가 형성된 범프 부착 전자 부품에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하면서 상기 범프 부착 전자 부품을 다수의 전극이 형성된 기판에 대해 압착함으로써 상기 금속 범프를 상기 다수의 전극에 접촉시켜 전기적으로 접속하도록 하는 동시에, 상기 기판과 전자 부품을 열 경화성 수지로 접착한 범프 부착 전자 부품의 실장 구조로서, 상기 다수의 금속 범프 중의 일부의 금속 범프는 전극에 금속 접합으로 접속시키고, 나 머지 금속 범프들은 상기 전극에 접촉시켜 전기적으로 접속시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 범프 부착 전자 부품에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하면서 상기 기판에 대해 상기 범프 부착 전자 부품을 압착 처리하는 동안에, 상기 전체의 금속 범프를 상기 전극에 접촉시켜 전기적으로 상호 접속되도록 하고, 상기 금속 범프 중의 일부가 상기 전극에 금속 접합되는 경우, 초음파 진동을 정지한다. 이에 의해, 금속 접합이 먼저 시작된 금속 범프에 초음파 진동이 과도하게 인가됨으로써 발생되는 손상을 방지할 수 있게 된다.
다음으로 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 부품의 실장 방법의 단계 설명도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 부품의 실장 구조의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 부품 실장 방법에 있어서 압착 하중 및 초음파 출력의 타이밍도이다.
도 1을 참조하여, 전자 부품 실장 방법에 대해서 설명한다. 상기 전자 부품 실장 방법은, 다수의 금속 범프가 형성된 범프 부착 전자 부품을 다수의 전극이 형성된 기판에 실장하기 위한 것이다. 이러한 금속 범프는 금을 재료로 이용하고, 또한 전극으로서 표면에 금 도금에 의한 금층이 형성된 전극이 이용된다.
도 1(a)에 있어서, 기판 유지부(1)에는 상부면에 전극(3)이 형성된 기판(2)이 유지되어 있다. 기판(2)의 상부면에는, 미리 에폭시 수지와 같은 열 경화성의 수지(4)가 디스펜서에 의해 도포 등의 방법으로 공급되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 수지(4)를 공급하는 방법으로, 수지(40)를 시트 상태로 형성한 수지 시트를 기판(2)의 표면에 점착하는 방법이 이용되는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 하부면에 접속용 전극으로 금속 범프(6)가 형성된 소정의 범프 부착 전자 부품(5; 이하 간단히 "전자 부품(5)"으로 기재함)을 초음파 압착용 기구(7)에 유지시킨다. 즉, 전자 부품(5)의 배면(범프가 형성된 면의 반대면)을 상기 기구(7)의 유지면에 접촉시키고, 소정의 흡인공(7a)으로 진공 흡인함으로써 상기 전자 부품(5)을 흡착 유지한다.
상기 기구(7)가 장착된 압착 장치(도시되지 않음)는, 진동 인가 장치, 가열 장치 및 압착 기구를 구비하고 있다. 전자 부품(5)의 배면에 기구(7)가 접촉된 상태에서, 상기 압착 장치는 초음파 진동, 열 및 압력을 상기 기구(7)를 통해 상기 전자 부품(5)에 인가할 수 있다. 상기 진동 인가 장치는, 초음파 진동의 개시/정지 및 출력은 선택적으로 제어 가능하다. 또한, 상기 가열 장치도 소정의 가열 온도로 설정할 수 있으며, 상기 압착 기구 또한 소정의 압착 하중으로 설정할 수 있다.
전자 부품(5)을 유지하고 있는 상기 기구(7)는, 전극(3)상에 미리 수지(4)가 공급된 기판(2)상으로 이동한다. 그리고 전자 부품(5)과 기판(2)의 사이에 수지(4)를 개재한 상태에서, 다수의 금속 범프(6)를 상기 수지(4)로 덮여진 다수의 전극(3)에 정렬시킨다. 다음으로 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 상기 기구(7)를 전자 부품(5)과 함께 하강시켜 금속 범프(6)의 하부면을 전극(3)의 표면에 착지시키고, 초음파 진동(화살표 a 참조), 열(화살표 b) 및 압력(화살표 c 참조)에 의해, 금속 범프(6)를 상기 전극(3)에 접합시킨다.
상기 접합 과정에 대해서, 도 3의 타이밍도를 참조하여 설명한다. 도 3은, 금속 범프(6)가 전극(3)으로 착지가 개시되는 시간 t1 이후의 압착 하중 및 초음파 출력의 변화를 시간 순서대로 보여주는 것이다. 또한, 도 3에 나타난 시간에서, 가열 장치를 온 상태로 하여, 기구(7)에 의해 전자 부품(5)의 가열을 지속적으로 수행한다. 따라서, 상기 기판(2)과 전자 부품(5)의 사이에 개재된 수지(4)는 시간 t1으로부터 가열되어 열 경화가 시작된다.
상기 금속 범프(6)는 조금씩 다른 크기를 갖는다. 따라서, 시간 t1에서, 다수의 금속 범프(6) 중에서 크기가 상대적으로 큰 일부의 금속 범프(6)가 먼저 상기 전극(3)의 표면에 착지한다. 그리고 시간 t1 이후, 기구(7)를 이용하여 전자 부품(5)을 아래쪽으로 압착함에 따라, 압착 하중이 증가하는 동시에, 먼저 전극(3)에 접촉한 금속 범프(6)는, 상기 증가하는 하중에 의해 조금씩 찌그러지게 되고, 아직 전극(3)에 접촉되지 않은 금속 범프(6)가 순차적으로 상기 전극(3)에 접촉하게 된다.
그리고 시간 t2에서, 상기 압착 하중이 대략 절반 정도의 금속 범프(6)가 초음파 접합되기에 충분한 압착 하중으로서 미리 설정된 소정의 제 1 하중(W1)에 도달하게 되는 경우, 상기 진동 인가 장치를 온으로 하여 규정 출력(P1)으로 초음파 진동의 인가를 시작한다. 시간 t2로부터 제 1의 압착 시간 t1이 경과하는 시간 t3 까지의 사이에서는, 제 1 하중 W1이 유지된다.
상기 시간 동안, 열, 압착 하중 및 초음파 진동이 상기 금속 범프(6)와 상기 전극(3) 사이의 접촉면에 인가된다. 이에 의해, 먼저 상기 전극(3)에 접촉한 금속 범프(6) 하단부의 금은, 상기 전극(3) 표면의 금층에 금속 접합된다. 그리고 초음 파 인가 시간 t2가 종료하는 시간 t5 까지 진동의 인가가 계속됨으로써, 상기 금속 범프(6)는 상기 전극(3)에 접촉한 순서대로 상기 전극(3)의 표면에 순차적으로 금속 접합된다. 또한, 본 발명에서의 금속 접합은, 본 실시예에 의한 금-금과 같은 동종 금속간의 접합 뿐만 아니라, 이종 금속간의 접합도 포함한다.
그리고 시간 t3에서, 상기 압착 하중은 제 1 하중 W1으로부터 증가된다. 상기 압착 하중이 모든 금속 범프(6)를 전극(3)에 접촉시키는 데에 충분한 압착 하중으로서 설정된 제 2 하중 W2에 도달할 때의 시간 t4으로부터 소정의 제 2 압착 시간 t3이 경과할 때까지의 시간 t6까지의 사이에서는, 제 2 하중 W2을 유지한다. 이에 의해, 금속 범프(6)의 하중에 의한 소성 변형의 정도가 증가하여 모든 금속 범프(6)가 상기 전극(3)에 접촉하게 된다.
그리고 이 후 상기 기구(7)를 상승시킴으로써, 시간 t7에서 압착 하중을 "0"으로 하고, 이상의 접합 과정을 종료한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 진동의 인가 시간 t2는, 시간 t5가 시간 t6 보다도 먼저 종료하여 이하의 조건을 만족하도록 설정된다. 즉, 초음파 진동의 인가 시간 t2는 상기 전체의 금속 범프(6)의 하부면의 금이 전극 표면의 금층에 금속 접합되기 전에 상기 초음파 진동의 인가를 정지하도록 설정되고, 바꾸어 말하면, 상기 초음파 진동의 인가는, 상기 전극(3)에 접촉한 금속 범프(6) 중의 단지 일부가 상기 전극(3)에 금속 접합되고 상기 금속 범프(6) 중의 나머지는 상기 전극(3)에 금속 접합되어 있지 않고 단지 접촉하고 있는 상태에서 정지된다. 이러한 초음파 진동의 인가 시간 t2는 대상이 되는 기판(2)과 전자 부품(5)의 종류에 따라 각각 설정된다. 또한, 상기 시간 t2는, 상기 제 1 하중 W1, 제 2 하중 W2 및 초음파 진동의 규정 출력 P1과 같은 조건을 다양한 값으로 변화시키면서 실험을 수행한 결과에 기초하여 실증적으로 결정된다.
초음파 진동의 인가 시간 t2의 후반부에서, 수지(4)가 열 경화에 의해 경화됨에 따라, 기구(7)를 통해 전자 부품(5)의 금속 범프(6)로 전달되는 초음파 진동 에너지의 일부가 상기 금속 범프(6) 주위의 수지(4)에 의해서 흡수된다. 이에 의해, 금속 범프(6)의 주위에 초음파 진동이 과도하게 작용하여 상기 전자 부품(5)이 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 시간 t5로부터 시간 t6까지의 시간에 있어서, 도 1(d)에 도시된 바와 같이, 기구(7)에 의해 전자 부품(5)으로의 열 및 하중의 인가가 계속되면, 수지(4)의 열 경화가 계속되어 상기 수지(4)가 수축한다. 상기 수축은, 아직 금속 접합되지 않은 금속 범프(6)와 전극(3) 사이의 접촉면 압력을 증가시키고, 이에 의해 밀착성이 향상된다.
즉, 상기한 바와 같은 전자 부품 실장 방법에 있어서, 금속 범프(6)를 전극(3)에 접합하기 위한 과정은, 전자 부품(5)에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하면서 상기 전자 부품(5)을 기판(2) 상에 압착하는 단계와, 전체의 금속 범프(6)를 상기 전극(3)에 접촉시켜 전기적으로 접속하는 단계, 및, 상기 금속 범프(6) 중의 일부가 전극(3)에 금속 접합되는 경우 상기 초음파 진동의 인가를 정지하는 단계를 포함한다.
또한, 초음파 진동이 정지한 후에도, 열 및 압력이 계속적으로 상기 전자 부 품(5)에 인가되도록 한다. 초음파 진동의 정지는, 상기 금속 범프(6)에 대해 손상을 줄 우려가 있는 출력 레벨로 초음파 진동을 인가하는 것을 정지하는 것을 의미한다. 따라서, 시간 t5 이후에, 전자 부품(5)에 손상을 주지 않는 출력 레벨에서 초음파 진동을 계속하는 경우도, 초음파 진동의 정지에 해당한다.
이에 의해, 적정한 초음파 접합 시간을 초과한 동안에도, 접합 과정에 있어서 먼저 초음파 접합이 수행되어 상기 전극에 이미 접속된 금속 범프에 초음파가 과도하게 인가되는 사태를 유발하지 않는다. 따라서, 초음파 진동이 과도하게 인가되는 것에 기인하는 손상의 발생을 효율적으로 방지할 수 있다.
더욱, 이러한 전자 부품 실장 방법에 있어서, 다수의 금속 범프(6) 중의 일부는 상기 전극(3)에 금속 접합되기 때문에, 실장 과정에 있어서 수지(4)의 열 경화가 충분하지 않은 경우에도, 상기 전자 부품(5)은 이러한 금속 접합된 금속 범프(6)를 통해 기판(2)에 고착된다. 따라서, 상기 수지(4)를 충분하게 경화시키기 위한 목적으로 상기 기구(7)에 의한 압착 시간을 불필요하게 길게함으로써 발생하는 실장 시간의 지연이 방지되고, 효율적인 실장 작업을 실현할 수 있다.
도 2는, 상기한 전자 부품 실장 방법에 의해 얻어진 실장 구조, 즉, 다수의 금속 범프(6)가 형성된 전자 부품(5)에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하여, 상기 전자 부품(5)을 다수의 전극(3)이 형성된 기판(2)에 대해 압착함으로써, 금속 범프(6)를 다수의 전극(3)에 접촉시켜 전기적으로 접속하는 동시에, 기판(2)과 전자 부품(5)을 열 경화성 수지(4)로 접착한 범프 부착 전자 부품 실장 구조의 단면을 나타내고 있다.
상기 실장 구조에서, 다수의 금속 범프(6) 중의, 화살표 d가 가리키는 금속 범프(6)는, 상기 각각의 금속 범프 하단부 표면의 금이 상기 각각의 전극(3) 표면의 금층에 금속 접합된 결과로서 형성된 금속 접합층(8)을 통해 대응하는 전극(3)에 접속된다. 이와 같이 금속 접합된 금속 범프(6) 이외의 금속 범프(6)는, 상기 금속 범프의 하단부가 상기 전극(3) 표면에 접촉하는 것에 의해, 대응하는 전극(3)과 도통된다. 즉, 다수의 금속 범프(6) 중 일부의 금속 범프(6)를 전극(3)에 금속 접합으로 접속하는 동시에, 남아있는 금속 범프(6)를 전극(3)과 상호 접촉시켜 전기적으로 접속되도록 하는 구성으로 하고 있다.
이러한 범프 부착 전자 부품의 실장 구조에 있어서, 전자 부품(5)은 열 경화된 수지(4)에 의해 기판(2)에 고착된다. 이러한 경우, 금속 범프(6)의 일부가 전극(2)에 금속 접합되기 때문에, 실장 후의 사용 상태에 따른 가열의 반복에 의해 상기 수지(4)와 전자 부품(5)의 박리가 발생한 경우에 있어서도, 상기 금속 범프(6)와 상기 전극(3)과의 도통이 끊기는 상태의 발생을 방지한다. 따라서, 신뢰성이 높은 실장 구조가 실현될 수 있다.
본 발명의 범프 부착 전자 부품의 실장 방법 및 구조는, 먼저 금속 접합이 시작된 금속 범프에 초음파 진동이 과도하게 작용하여 발생하는 손상을 방지할 수 있는 효과가 있고, 다수의 금속 범프가 형성된 전자 부품을 기판에 실장하는 용도에 효율적으로 이용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 복수의 금속 범프를 갖는 범프 부착 전자 부품을 복수의 전극이 형성된 기판에 실장하기 위한 방법으로서,
    상기 범프 부착 전자 부품과 상기 기판과의 사이에 열 경화성의 수지를 개재시킨 상태로 복수의 상기 금속 범프를 복수의 상기 전극에 정렬시키는 단계;
    상기 범프 부착 전자 부품에 초음파 진동, 열, 및 압력을 인가하여 상기 범프 부착 전자 부품을 상기 기판에 대해 압착하는 단계; 및
    복수의 상기 금속 범프 전체를 복수의 상기 전극에 접촉시켜 전기적으로 접속시킨 상태에서, 상기 전극에 접촉한 상기 금속 범프 중 적어도 하나가 상기 전극에 금속 접합되고 상기 금속 범프 중 나머지는 상기 전극에 단지 접촉할 뿐으로 금속 접합되지 않은 상태에서 상기 초음파 진동이 정지하도록 상기 초음파 진동의 인가를 실질적으로 정지시키는 단계를 포함하는 범프 부착 전자 부품의 실장 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동의 인가가 정지한 이후에도, 상기 열 및 압력을 상기 범프 부착 전자 부품에 계속적으로 인가하는 범프 부착 전자 부품의 실장 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동, 열, 및 압력을 상기 범프 부착 전자 부품을 유지하고 있는 소정의 기구를 통해 상기 범프 부착 전자 부품에 인가하는 범프 부착 전자 부품의 실장 방법.
  4. 제1항에 있어서, 복수의 상기 범프는 각각 금 범프인 범프 부착 전자 부품의 실장 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판의 복수의 상기 전극 상에 미리 상기 수지를 공급한 후, 복수의 상기 금속 범프를 상기 수지로 덮여진 복수의 상기 전극에 정렬시키는 범프 부착 전자 부품의 실장 방법.
  6. 크기의 편차를 갖는 복수의 금속 범프가 형성된 범프 부착 전자 부품에 초음파 진동, 열 및 압력을 인가하여 상기 범프 부착 전자 부품을 복수의 전극이 형성된 기판에 대해 압착할 때, 복수의 상기 금속 범프 중 상대적으로 크기가 큰 금속 범프가 먼저 상기 전극에 접촉한 후 찌그러져서 상대적으로 크기가 작은 금속 범프가 상기 전극에 접촉할 때까지 압착함으로써 복수의 상기 금속 범프 모두를 복수의 상기 전극에 접촉시켜 전기적으로 상호 접속시키고, 이때, 복수의 상기 금속 범프 중 상대적으로 크기가 큰 금속 범프가 찌그러지면서 상기 전극에 금속 접합되고 나머지의 상대적으로 크기가 작은 금속 범프가 상기 전극에 접촉하게 되는 시점에서 상기 초음파 진동의 인가를 정지하여 상기 기판과 상기 범프 부착 전자 부품을 열 경화성 수지를 통해 부착하는 범프 부착 전자 부품의 실장 구조로서,
    복수의 상기 금속 범프 중 상대적으로 크기가 큰 금속 범프는 금속 접합으로 상기 전극에 접속되고, 나머지의 상대적으로 크기가 작은 범프들은 접촉을 통해 상기 전극에 전기적으로 접속되는 범프 부착 전자 부품의 실장 구조.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 상기 금속 범프는 각각 금 범프인 범프 부착 전자 부품의 실장 구조.
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