KR101228904B1 - 마이크로 볼을 이용한 범프 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 피치의 플립칩 실장이 가능하도록 마이크로 볼을 이용해서 범프를 제조하는 공법에 관한 것이다. 본 발명은 스텐실 마스크 없이 인쇄회로기판 전면에 플럭스를 도포한 후에, 클리닝 모듈을 이용해서 솔더레지스트 표면의 플럭스를 제거한다. 여기서, 클리닝 모듈의 파라미터를 조절해서 솔더레지스트 표면의 플럭스는 제거되지만, 솔더레지스트 개구부 속에 도포된 플럭스는 잔류하도록 클리닝을 실시하여야 한다. 스텐실 마스크 없이 마이크로 볼을 투입하면, 마이크로 볼은 접착력을 지닌 플럭스가 솔더레지스트 개구부 속에만 잔류하고 있으므로, 솔더레지스트 표면 위에는 고착하지 않고 오로지 개구부 속으로만 안착한다. 기판을 상하좌우로 요동하도록 함으로써 솔더레지스트 개구부 안으로 마이크로 볼이 쉽게 안착하도록 할 수 있다. 마이크로 볼들이 솔더레지스트 개구부 속으로 충분히 안착한 것으로 판단되면, 인쇄회로기판을 뒤집어 줌으로써 플럭스에 달라붙어 있지 않은 마이크로 볼이 기판으로부터 떨어져서 분리 낙하하도록 한다. SRO 개구부 속에 플럭스에 의해 안착하고 있는 마이크로 볼은 분리 낙하하지 않는다. 기판 솔더레지스트 표면에 잔류하고 있는 마이크로 볼을 완전히 제거하기 위해서 에어 블로우어를 사용해서 제거할 수 있다.

Description

마이크로 볼을 이용한 범프 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A BUMP BY EMPLOYING A MICRO-BALL SYSTEM}

본 발명은 패키지 기판 제조 방법에 관한 것으로, 특히 플립칩(flip chip) 실장을 위한 범프 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 미세 피치의 플립칩 실장이 가능하도록 마이크로 볼을 이용해서 범프를 제조하는 공법에 관한 것이다.

최근 들어 기판회로의 집적도가 증가하고 신호간섭을 최소화하기 위한 수단으로 기판표면에 범프(bump)를 형성해서 반도체 칩 단자와 범프를 직접 접속하는 플립 칩 기술이 통용되고 있다.

플립칩 실장을 위한 범프를 제작하기 위해서는, 기판의 동박회로 위에 솔더레지스트(SR; solder resist))를 도포하고, 범프를 형성할 위치를 식각하여 솔더레지스트 개구부(SRO; solder resist opening)를 형성하고, 메탈 마스크를 위에 올려 놓고 솔더 페이스트를 프린트하여 개구부에 솔더 페이스트를 채우고 나면, 리플로우(reflow), 디플럭스(deflux), 코이닝(coining)의 단계를 거침으로써, 동박패드 위에 구형으로 고착된 범프 상부를 평탄화하여 칩에 접속이 양호하게 되도록 한다.

그런데, 솔더 페이스트를 이용하여 범프를 제작하는 종래기술은 미세 피치 패키지 기판 제작에 적용하는데 기술적 한계가 있다. 즉, 종래기술에 따라 솔더 페이스트를 이용해서 범프를 제작하는 공정은, 솔더 페이스트 프린팅 → 리플로우(reflow) → 디플럭스(deflux) → 코이닝(coining) 공정으로 구성되는데, 솔더 페이스트가 솔더레지스트 개구부(SRO)에 페인트 되고 리플로우를 겪는 과정에서 솔더 페이스트의 체적이 약 1/2 정도로 감소하게 된다.

이 과정에서, 범프 내부에 보이드(void)가 발생하게 되며, 피치 길이가 130 ㎛ 이하로 근접하는 경우 전술한 솔더 페이스트 공법을 적용할 수가 없게 된다. 즉, 솔더 페이스트를 프린트하는 과정에서 솔더 페이스트 위에 메탈 마스크를 올려놓고 프린트를 하게 되는데, 리플로우 과정에서 솔더 페이스트 체적이 수축하는 것을 감안해서 통상적으로 메탈 마스크의 개구부 사이즈는 솔더레지스트 개구부의 사이즈보다 크게 제작하여 사용한다. 이는 리플로우 공정 시에 솔더 페이스트의 체적이 반감하는 것을 미리 고려해서, 프린트 단계에서 충분한 용량의 솔더 범프를 확보하고자 하는 것이다.

예를 들어서, 130 ㎛ 피치의 디자인 룰을 적용할 경우, 솔더레지스트 개구부의 크기롤 80 ㎛로 한다면, 메탈 마스크의 크기를 좌우 양쪽으로 20 ㎛ 정도 더 크게 제작하게 되는데, 그렇다면 메탈 마스크의 개구부 사이의 간격이 30 ㎛가 되어야 한다. 현실적으로, 30 ㎛ 간격의 메탈 마스크를 제작하는 것이 용이하지 않으며, 게다가 설령 솔더 페이스트를 프린트한다고 하더라도 프린트 작업 후 메탈 마스트를 분리하는 과정에 인접하는 솔더 페이스트가 서로 브리지 될 위험이 있다.

따라서, 당업계에서는 피치 길이가 130 ㎛ 이하로 근접하는 경우 전술한 솔더 페이스트 공법을 더 이상 적용할 수 없는 것으로 판단하고 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여 당업계에서는 마이크로 볼 시스템을 이용해서 범프를 제작하는 기술을 제안하고 있다. 종래의 솔더 페이스트는 솔더 알갱이(파우더)와 로진('플럭스'라고 칭하기도 함)으로 형성되어 있는데, 마이크로 볼이란 하나의 알갱이(파우더)로서 다양한 조성이 가능하다. 즉, 마이크로 볼은 로진 성분이 없는 하나의 납덩어리, 또는 주석과 납의 덩어리로 이해하면 된다. 예를 들어, 130 ㎛ 피치에서 약 60 ㎛ 직경의 마이크로 볼을 제작하여 사용할 수 있다.

마이크로 볼에 의한 솔더 범프 제작방법은, 솔더레지스트 개구부(SRO)를 제작한 후 스텐실 마스크를 올려놓고 플럭스를 우선 프린트한 후에, 볼 프린트용 메탈 마스크를 사용해서 마이크로 볼을 SRO(솔더레지스트 개구부)에 도포하는 방식을 적용하고 있다. 그리고 나면, 리플로우와, 디플럭스 및 코이닝하는 공정을 진행한다.

도1a 내지 도1e는 종래기술에 따라 마이크로 볼 방식으로 솔더 범프를 제작하는 공정 순서를 나타낸 도면이다. 도1a를 참조하면, 종래기술은 기판에 솔더레지스트(100)를 도포하고 범프를 형성할 부위를 개구해서 개구부(SRO; 110)를 형성한다. 개구부(110)는 후속 공정에서 범프가 형성될 동박패드(120) 표면을 노출하고 있다.

이어서, 도1b를 참조하면, 개구부(110) 위치에 맞게 플럭스 프린트를 위한 메탈 마스크를 제작해서, 메탈 마스크(130)의 개구부와 솔더레지스트의 개구부를 서로 정렬한다. 앞서 지적한 대로, 메탈 마스크의 개구부 크기는 솔더레지스트 개구부의 크기보다 크게 제작된다. 정렬한 후 플럭스(140)를 도포해서, 도1c에 도시한 대로 솔더레지스트 개구부(110) 속에 플럭스가 가득 채워지도록 한다.

그리고 나면, 도1d에 도시한 바와 같이, 볼 프린트 메탈 마스크(메탈 마스크)를 정렬하고 마이크로 볼(160)을 솔더레지스트 개구부(110) 영역에 도포한다. 도1e는 개구부(110)에 프린트된 플럭스(140) 위에 마이크로 볼(160)이 안착한 모습을 나타낸 도면이다. 그리고 나면, 종래기술대로 리플로우와, 디플럭스 및 코이닝하는 공정을 진행한다.

그런데, 전술한 방법은 기판에 있어 약간의 신축이 발생하는 경우에 솔더레지스크 개구부에 마이크로 볼이 정확히 안착 되지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 이를 다시 설명하면, 마이크로 볼의 크기는 솔더레지스트 개구부의 크기에 정확히 정렬되도록 제작되는데, 기판이 약간 늘어나거나 수축해서 SRO(개구부)의 길이에 변형이 발생하는 경우, 사이즈가 맞지 않으므로 마이크로 볼이 정확하게 개구부 속으로 안착 되지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 그 결과, 마이크로 볼이 개구부에 안착하지 못해서 제품 불량이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 마이크로 볼을 이용해서 범프를 제조하되, 기판의 수축 또는 팽창문제로 인하여 마이크로 볼이 솔더레지스트 개구부에 정확히 안착하지 못하는 문제를 해결한 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 마이크로 볼 안착을 위해 종래기술이 사용하던 메탈 마스크(스텐실 마스크)를 생략할 수 있는 제조공법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 스텐실 마스크 없이 인쇄회로기판 전면에 플럭스를 도포한 후에, 클리닝 모듈을 이용해서 솔더레지스트 표면의 플럭스를 제거한다. 여기서, 클리닝 모듈의 파라미터를 조절해서 솔더레지스트 표면의 플럭스는 제거되지만, 솔더레지스트 개구부 속에 도포된 플럭스는 잔류하도록 클리닝을 실시하여야 한다. 이어서, 스텐실 마스크 없이 마이크로 볼을 투입하면, 마이크로 볼은 접착력을 지닌 플럭스가 솔더레지스트 개구부 속에만 잔류하고 있으므로, 솔더레지스트 표면 위에는 고착하지 않고 오로지 개구부 속으로만 안착한다. 이때에, 기판을 상하좌우로 요동(vibration)하도록 함으로써 솔더레지스트 개구부 안으로 마이크로 볼이 쉽게 안착하도록 할 수 있다. 마이크로 볼들이 SRO(솔더레지스트 개구부) 속으로 충분히 안착한 것으로 판단되면, 인쇄회로기판을 뒤집어(flip) 줌으로써 플럭스에 달라붙어 있지 않은 마이크로 볼이 기판으로부터 떨어져서 분리 낙하하도록 한다. 이때에, SRO 개구부 속에 플럭스에 의해 안착하고 있는 마이크로 볼은 분리 낙하하지 않는다. 기판 솔더레지스트 표면에 잔류하고 있는 마이크로 볼을 완전히 제거하기 위해서 에어 블로우어를 사용해서 제거할 수 있다.

본 발명은 종래기술과 달리 고비용의 스텐실 마스크를 제작할 필요가 없는 장점이 있다. 현재 스텐실 마스크로는 주로 메탈 마스크가 사용되는데, 제작 비용은 디자인별로 약 일천만 원 이상이 소요되므로, 본 발명에 따른 공법을 적용할 경우 제조비용을 상당히 절감하는 효과가 있다.

더욱이, 본 발명은 솔더레지스트 개구부 속에 마이크로 볼을 정확히 안착할 수 있도록 하기 때문에, 종래기술에서 스텐실 마스크와 기판의 스케일에 불일치가 발생하는 경우 마이크로 볼이 SRO에 정확히 안착하지 않아 겪었던 제품불량으로 인한 수율의 저하 문제를 해결할 수 있다.

도1a 내지 도1e는 종래기술에 따라 마이크로 볼 방식으로 솔더 범프를 제작하는 공정 순서를 나타낸 도면.
도2a 내지 도2h는 본 발명의 양호한 실시예를 나타낸 도면.

본 발명은 칩을 표면 실장하기 위한 마이크로 볼을 사용해서 범프를 제조하는 방법에 있어서, (a) 동박패드를 포함한 동박회로가 형성되어 있는 기판 표면에 솔더레지스트를 도포하고, 칩 단자가 접속될 동박패드 표면이 노출되도록 솔더레지스트를 선택적으로 식각하여 솔더레지스트 개구부(SRO)를 형성하는 단계; (b) 기판 전면에 플럭스를 스퀴즈로 프린트해서 솔더레지스트 개구부 속의 동박 표면 위에 플럭스를 채워넣어 도포하는 단계; (c) 클린 롤러를 사용해서 솔더레지스트 상부에 도포된 플럭스를 제거하되, 솔더레지스트 개구부 속에 도포된 플럭스는 잔류하도록 클리닝하는 단계; 및 (d) 마이크로 볼을 기판 표면에 투여해서, 솔더레지스트 개구부 속의 플럭스를 매개로 해서 마이크로 볼을 솔더레지스트 개구부 속에 안착하도록 하는 단계; 및 (e) 기판을 뒤집어 중력낙하시키거나 또는 에어 블로우어를 사용해서, 솔더레지스트 표면 상부에 잔류하고 있는 마이크로 볼을 분리 제거함으로써, 솔더레지스트 개구부 속의 동박 표면에만 플럭스를 매개로 해서 마이크로 볼이 잔류하도록 하는 단계를 포함하는 범프 제조방법을 제공한다.

이하에서는 도2a 내지 도2h를 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명한다.

도2a를 참조하면, 우선 동박회로(120)가 형성되어 있는 기판의 표면에 솔더레지스트(100)를 도포한다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 솔더레지스트(100)는 열경화성 또는 광경화성 잉크를 사용할 수 있다. 이때에 기판의 동박회로(120)는 솔더가 위에 형성될 동박패드를 포함할 수 있으며, 동박패드는 OSP 피니시 처리가 될 수 있다. 도포한 솔더레지스트(100)는 통상의 도포 → 노광 → 현상 → 경화의 과정을 거쳐 도포된다.

이어서, 솔더레지스트(100)에 레이저 다이렉트 어블레이션(LDA; laser direct ablation) 공정 또는 DI 공정으로 솔더 범프가 위치할 부위의 솔더레지스트를 제거함으로써 개구부(110; SRO)를 형성한다.

도2b를 참조하면, 스텐실 마스크(stencil mask) 없이 기판 표면 전면에 스퀴즈(squeegee)를 이용해서 플럭스(140)를 도포한다. 플럭스(flux)는 로진 성분으로 제조될 수 있으며, 스퀴즈를 이용해서 도포하면 솔더레지스트 개구부(110) 속의 동박 표면 위는 물론이고 솔더레지스트 표면 위에 전면 도포된다.

그리고 나면, 도2c에 도시한 바와 같이, 클린닝 롤러(200)를 사용해서 솔더레지스트 표면 위에 도포된 플럭스를 닦아낸다. 이때에, 클리닝 롤러(200)의 상하구동을 콘트롤 해서, 솔더레지스트(100) 표면 위에 도포된 플럭스는 닦아내지만, 개구부(110) 속 동박 표면 위에 도포된 플럭스는 잔류하도록 한다.

도2d를 참조하면, 스텐실 마스크 없이 마이크로 볼(160)을 투입한다. 이때에, 마이크로 볼(160)의 직경은 개구부(110)의 크기에 상응하며, 투입된 마이크로 볼(160)은 기판 위를 굴러다니다가, 개구부에 도포된 플럭스를 만나면 플럭스의 접착력으로 인해 개구부 속에 안착한다. 이때에, 도2e에 도시한 대로, 기판을 상하좌우로 진동(vibration)을 제공함으로써 마이크로 볼(160)이 제자리에 안착할 수 있도록 도와줄 수 있다. 도2e를 참조하면, 마이크로 볼(160)은 개구부 속에 안착하지만, 잉여 마이크로 볼들이 솔더레지스트 표면 위에 여전히 존재하고 있다.

솔더레지스트(100) 표면에 올라가 있는 잉여 마이크로 볼들을 제거하기 위하여, 기판을 뒤집어서 위를 아래로 플립 할 수 있다. 도2f를 참조하면, 기판을 뒤집게 되면, 솔더레지스트 표면에 있는 마이크로 볼은 플럭스에 의해 접착되어 있지 않으므로 낙하하면서 분리된다. 이때에, 개구부 속에 안착하고 있는 마이크로 볼은 플럭스의 접착력에 의해 단단히 고착되어 있음은 물론이다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 도2g를 참조하면, 솔더레지스트 표면에 잔류하고 있는 마이크로 볼을 완전히 제거하기 위해서 에어 블로우어를 사용해서 잔여 마이크로 볼을 제거할 수도 있다. 도2h는 본 발명에 따른 공법에 따라 개구부에 안착된 마이크로 볼을 나타낸 도면이다.

이상과 같이, SRO 개구부에 마이크로 볼이 안착하고 나면 리플로우 공정을 진행해서 마이크로 볼을 용융시켜 동박패드 표면 위에 솔더를 견고하게 형성하고, 리플로우 공정 과정에서 사용되었던 플럭스를 제거하기 위한 디플럭스 공정과, 칩 단자와의 접속 특성을 향상시키기 위해 솔더의 상부면 형상을 플랫하게 만들기 위한 코이닝 공정을 진행한다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개선하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술 될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용될 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 진화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 종래기술과 달리 고비용의 스텐실 마스크를 생략할 수 있으므로, 매우 간편하게 고 신뢰성의 솔더 범프를 구현할 수 있다. 또한, 스텐실 마스크를 사용하지 않아도 되므로, 미세 피치의 플립칩 장착이 가능하게 되며 추가의 제품불량 발생을 사전에 차단 방지할 수 있을 수 있다.

100 : 솔더레지스트
110 : 개구부
120 : 동박패드
130 : 메탈 마스크
140 : 플럭스
150 : 볼 프린트 메탈 마스크
160 : 마이크로 볼

Claims (1)

1. 칩을 표면 실장하기 위한 마이크로 볼을 사용해서 범프를 제조하는 방법에 있어서,
   (a) 동박패드를 포함한 동박회로가 형성되어 있는 기판 표면에 솔더레지스트를 도포하고, 칩 단자가 접속될 동박패드 표면이 노출되도록 솔더레지스트를 선택적으로 식각하여 솔더레지스트 개구부(SRO)를 형성하는 단계;
   (b) 기판 전면에 플럭스를 스퀴즈로 프린트해서 솔더레지스트 개구부 속의 동박 표면 위에 플럭스를 채워넣어 도포하는 단계;
   (c) 클린 롤러를 사용해서 솔더레지스트 상부에 도포된 플럭스를 제거하되, 솔더레지스트 개구부 속에 도포된 플럭스는 잔류하도록 클리닝하는 단계; 및
   (d) 마이크로 볼을 기판 표면에 투여해서, 솔더레지스트 개구부 속의 플럭스를 매개로 해서 마이크로 볼을 솔더레지스트 개구부 속에 안착하도록 하는 단계; 및
   (e) 기판을 뒤집어 중력낙하시키거나 또는 에어 블로우어를 사용해서, 솔더레지스트 표면 상부에 잔류하고 있는 마이크로 볼을 분리 제거함으로써, 솔더레지스트 개구부 속의 동박 표면에만 플럭스를 매개로 해서 마이크로 볼이 잔류하도록 하는 단계;
   를 포함하는 범프 제조방법.

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