KR101811992B1 - 무플럭스 접합용 솔더볼, 그의 제조 방법 및 솔더 범프 형성 방법 - Google Patents

무플럭스 접합용 솔더볼, 그의 제조 방법 및 솔더 범프 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무플럭스 접합용 솔더볼, 그의 제조 방법 및 솔더 범프 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 솔더 코어; 상기 솔더 코어의 표면 상의 제 1 금속층; 및 상기 제 1 금속층 상의 제 2 금속층을 포함하고, 상기 제 1 금속층은 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금이고, 상기 제 2 금속층은 금(Au)인 무플럭스 접합용 솔더볼을 제공한다. 본 발명의 무플럭스 접합용 솔더볼을 이용하면 신뢰성 높은 솔더 범프를 더욱 짧은 시간 내에 저렴한 비용으로 더욱 간단한 공정을 통해 형성할 수 있다.

Description

무플럭스 접합용 솔더볼, 그의 제조 방법 및 솔더 범프 형성 방법 {Solder ball for fluxless bonding, method of manufacturing the same, and method of forming a solder bump}
본 발명은 무플럭스 접합용 솔더볼, 그의 제조 방법 및 솔더 범프 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 신뢰성 높은 솔더 범프를 더욱 짧은 시간 내에 저렴한 비용으로 더욱 간단한 공정을 통해 형성할 수 있는 무플럭스 접합용 솔더볼, 그의 제조 방법 및 솔더 범프 형성 방법에 관한 것이다.
솔더볼을 리플로우 공정을 통해 접합하고자 하는 경우 솔더볼 표면의 자연 산화막을 제거하기 위하여 플럭스를 사용하는 것이 필요하다. 하지만 플럭스를 사용한 후 세정 공정을 거치더라도 완전히 제거되지 않아 부식으로 인한 반도체 소자의 신뢰성 저하의 한 원인이 되었다. 또한, 플럭스는 고가이기 때문에 반도체 소자 단가 상승의 원인이 된다.
나아가 솔더볼을 기판 상에 안착시키는 픽업(pick-up) 장비의 경우 플럭스를 도팅(dotting)하는 툴이 있는데, 이는 주기적으로 세정해줘야 하는 문제점이 있어서 장비 다운타임의 한 원인이 되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 신뢰성 높은 솔더 범프를 더욱 짧은 시간 내에 저렴한 비용으로 더욱 간단한 공정을 통해 형성할 수 있는 솔더볼을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 신뢰성 높은 솔더 범프를 더욱 짧은 시간 내에 저렴한 비용으로 더욱 간단한 공정을 통해 형성할 수 있는 솔더볼의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 솔더볼을 이용하여 솔더 범프를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 솔더 코어; 상기 솔더 코어의 표면 상의 제 1 금속층; 및 상기 제 1 금속층 상의 제 2 금속층을 포함하고, 상기 제 1 금속층은 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금이고, 상기 제 2 금속층은 금(Au)인 무플럭스 접합용 솔더볼을 제공한다.
이 때, 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층의 두께의 합은 0.01㎛ 이상이고 1㎛ 미만일 수 있다. 또, 상기 제 2 금속층의 두께는 0.005㎛ 이상이고 0.9㎛ 이하일 수 있다. 또, 상기 솔더 코어의 녹는점이 180℃ 내지 250℃일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 무플럭스 접합용 솔더볼은 상기 솔더 코어의 내부에 지지용 코어볼을 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 지지용 코어볼은 300℃ 이하의 온도에서는 용융되지 않는 물질로 될 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 솔더 코어; 및 상기 솔더 코어의 표면 상의 산화 방지 금속층을 포함하고, 상기 산화 방지 금속층은 0.01㎛ 이상 1㎛ 미만의 두께를 갖는 금(Au) 층인 무플럭스 접합용 솔더볼을 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 솔더 코어를 제공하는 단계; 상기 솔더 코어 상에 제 1 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 금속층 상에 제 2 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 무플럭스 접합용 솔더볼의 제조 방법을 제공한다. 여기서 상기 제 1 금속층은 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금이고, 상기 제 2 금속층은 금(Au)일 수 있다.
또, 상기 제조 방법은 상기 제 1 금속층을 형성하는 단계에 앞서, 상기 솔더 코어의 표면을 산(acid)으로 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또, 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층의 두께의 합은 0.01㎛ 이상이고 1㎛ 미만일 수 있다.
또, 상기 제 1 금속층을 형성하는 단계 및 상기 제 2 금속층을 형성하는 단계는 전해 도금 또는 무전해 도금에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본딩 패드를 갖는 기판을 제공하는 단계; 상기 본딩 패드 상에 무플럭스 접합용 솔더볼을 제공하는 단계; 및 상기 무플럭스 접합용 솔더볼을 리플로우(reflow)시키는 단계를 포함하는 솔더 범프 형성 방법을 제공한다. 여기서, 상기 무플럭스 접합용 솔더볼은, 솔더 코어; 상기 솔더 코어의 표면 상의 제 1 금속층; 및 상기 제 1 금속층 상의 제 2 금속층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 금속층은 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 또는 이들의 합금이고, 상기 제 2 금속층은 금(Au)이다.
특히, 상기 솔더 범프 형성 방법에서는 상기 솔더볼 상에 자연 산화막을 제거하기 위한 플럭스(flux)를 적용하는 단계가 포함되지 않을 수 있다. 나아가, 상기 리플로우시키는 단계는 180℃ 내지 300℃의 온도에서 약 1초 내지 약 1분 동안 수행될 수 있다. 또, 상기 리플로우시키는 단계는 프리-히팅(pre-heating) 구간을 갖지 않을 수도 있다.
또, 상기 리플로우시키는 단계는 상기 솔더볼의 온도를 실온으로부터 리플로우 온도로 승온시키는 단계를 포함한다. 이 때, 상기 솔더볼의 온도는 실온으로부터 리플로우 온도에 이르기까지 시간에 따라 선형적으로 증가하거나 위로 볼록한 형태의 프로파일을 가지면서 증가할 수 있다.
본 발명의 무플럭스 접합용 솔더볼을 이용하면 신뢰성 높은 솔더 범프를 더욱 짧은 시간 내에 저렴한 비용으로 더욱 간단한 공정을 통해 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼을 개념적으로 나타낸 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼을 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼의 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 범프 형성 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 범프 형성 방법을 순서에 따라 나타낸 측단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼을 이용할 때의 리플로우 온도 프로파일과 종래 기술에 따른 솔더볼을 이용할 때의 리플로우 온도 프로파일을 각각 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 솔더볼에 대하여 리플로우 공정에서 드웰 시간 동안의 모습 및 냉각 후 모습을 나타낸 이미지들이다.
도 8은 본딩 패드 상에 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼이 리플로우 후에 정상적으로 솔더 범프로 안착하는 모습을 보인 평면 이미지들이다.
도 9는 리플로우된 솔더볼의 바람직한 예와 바람직하지 않은 예의 프로파일들을 나타낸 측방향 개념도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 여기에 사용되는 모든 용어 "및/또는"은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "기판"은 기판 그 자체, 또는 기판과 그 표면에 형성된 소정의 층 또는 막 등을 포함하는 적층 구조체를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "기판의 표면"이라 함은 기판 그 자체의 노출 표면, 또는 기판 위에 형성된 소정의 층 또는 막 등의 외측 표면을 의미할 수 있다.
"주성분"이라 함은 원자%를 기준으로 그 성분이 전체 물질의 구성 물질들 중 가장 많은 원자%를 차지함을 의미한다.
본 발명은 솔더 코어 상에 제 1 금속층 및 제 2 금속층을 순차 포함하는 무플럭스 접합용 솔더볼을 제공한다. 여기서 "무플럭스 접합용"의 의미는 상기 솔더볼을 이용하여 기판과 반도체 장치, 기판과 기판, 또는 반도체 장치와 반도체 장치를 물리적으로 연결하고자 하는 경우, 도전체의 표면에 존재하는 자연산화막을 제거하기 위한 플럭스(flux)의 적용이 불필요함을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼(100)을 개념적으로 나타낸 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 무플럭스 접합용 솔더볼(100)은 솔더 코어(130) 상의 제 1 금속층(110), 및 상기 제 1 금속층(110) 상의 제 2 금속층(120)을 포함할 수 있다.
상기 솔더 코어(130)는, 전기 부품의 솔더링에 사용될 수 있는 임의의 솔더 조성물이면 되고 특별히 한정되지 않는다, 상기 솔더 코어(130)는, 예를 들면, 주석(Sn)-니켈(Ni) 합금, Sn-비스무트(Bi) 합금, Sn-은(Ag)-구리(Cu) 합금, Sn-Bi-Ag 합금, Sn-Cu 합금, Sn-Zn 합금, Sn-안티몬(Sb) 합금, Sn-Ag 합금, Sn-Ag-Cu-Bi 합금, Sn-Zn-Bi 합금, Sn-Ag-Cu-Sb 합금, Sn-Ag-Bi-In 합금, Sn-Ag-금(Au) 합금, Au-Sb 합금, Au-인듐(In) 합금, Zn-Al 합금, Au-저머늄(Ge)-Sn 합금, Bi-Sb 합금 등일 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 코어(130)는 주석을 주성분으로 갖는 주석계 솔더 코어일 수 있다.
상기 솔더 코어(130)의 녹는점은 약 180℃ 내지 약 250℃일 수 있다. 상기 솔더 코어(130)의 용융 온도가 일정하지 않은 경우에는 약 180℃ 내지 약 300℃의 온도 범위에서 용융 상태를 유지할 수 있다.
상기 솔더 코어(130)는 약 100㎛ 내지 약 800㎛의 지름(D1)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 코어(130)의 지름(D1)은, 예를 들면, 약 100㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더 코어(130)의 지름(D1)은, 예를 들면, 약 200㎛ 내지 약 400㎛일 수 있다.
상기 솔더 코어(130)의 위에는 제 1 금속층(110)이 제공될 수 있다. 상기 제 1 금속층(110)은 상기 솔더 코어(130)의 직접 위에 형성될 수도 있고, 다른 물질층을 개재하여 상기 솔더 코어(130)의 위에 형성될 수도 있다. 상기 제 1 금속층(110)은, 예를 들면, 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al)과 같은 금속일 수 있다.
상기 제 1 금속층(110)의 두께는, 예를 들면, 약 0.002㎛ 내지 약 0.1㎛일 수 있다.
만일 상기 제 1 금속층(110)의 두께가 너무 얇으면 부분적으로 상기 솔더 코어(130)의 표면이 노출되는 부분이 발생할 수 있다. 상기 제 1 금속층(110)은 후술하는 제 2 금속층(120)이 솔더 코어(130)의 표면에 잘 부착되도록 하는 기능을 수행할 수 있다. 그렇기 때문에, 솔더 코어(130)의 표면이 상기 제 1 금속층(110) 외부로 노출되면 제 2 금속층(120)이 솔더 코어(130)와 잘 부착되지 않을 수 있다.
반대로 상기 제 1 금속층(110)의 두께가 너무 두꺼우면, 리플로우 시에 일어나는 제 1 금속층(110) 및 제 2 금속층(120)과 솔더 코어(130)의 융해(dissolution)가 불완전하게 일어날 수 있다.
상기 제 1 금속층(110)의 위에는 제 2 금속층(120)이 제공될 수 있다. 상기 제 2 금속층(120)은 상기 제 1 금속층(110)의 직접 위에 형성될 수 있다. 상기 제 2 금속층(120)은 금(Au) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있다. 상기 제 2 금속층(120)은 상기 제 1 금속층(110)과 상이한 금속일 수 있다. 상기 제 2 금속층(120)은 금(Au)인 것이 바람직하다. 그러나 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 2 금속층(120)의 두께는 약 0.005㎛ 내지 약 0.9㎛일 수 있다.
만일 상기 제 2 금속층(120)의 두께가 너무 얇으면 부분적으로 상기 솔더 코어(130) 및/또는 상기 제 1 금속층(110)의 표면이 노출되는 부분이 존재할 수 있다. 상기 제 2 금속층(120)은 상기 솔더 코어(130) 및 제 1 금속층(110)이 대기 중의 산소 등으로 인해 자연 산화되는 것을 방지하는 산화 방지 금속층으로서의 기능을 수행할 수 있다. 그렇기 때문에, 상기 솔더 코어(130) 및/또는 상기 제 1 금속층(110)의 표면이 상기 제 2 금속층(120)의 외부로 노출되면 표면이 변색되고 자연 산화막으로 인해 패드와의 접합력이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
반대로 상기 제 2 금속층(120)의 두께가 너무 두꺼우면, 리플로우 시에 일어나는 제 1 금속층(110) 및 제 2 금속층(120)과 솔더 코어(130)의 융해가 불완전하게 일어날 수 있다.
상기 제 1 금속층(110)의 두께와 상기 제 2 금속층(120)의 두께의 합은 약 0.01㎛ 이상일 수 있으며, 약 1㎛ 미만일 수 있다. 만일 상기 제 1 금속층(110)과 상기 제 2 금속층(120)의 두께들의 합이 0.01㎛ 미만이면 솔더볼(100)을 적용할 때 플럭스가 불필요하도록 하는 효과가 미흡해질 수 있다. 만일 상기 제 1 금속층(110)과 상기 제 2 금속층(120)의 두께들의 합이 1㎛ 이상이면 솔더볼(100)이 도전성 패드에 취약하게 접합되거나 접합되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 금속층(110)이 생략되고 제 2 금속층(120)만 존재할 수도 있다. 이 경우 상기 제 2 금속층(120)은 약 0.01㎛ 이상 약 1㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼(200)을 나타낸 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 무플럭스 접합용 솔더볼(200)은 솔더 코어(230) 위에 제 1 금속층(210) 및 제 2 금속층(220)을 순차로 포함할 수 있다. 또한, 상기 솔더 코어(230)의 내부에 지지용 코어볼(240)을 더 포함할 수 있다.
상기 지지용 코어볼(240)은 일반적인 금속 또는 유기재료로 이루어질 수도 있고, 유기/유기 복합재 또는 유/무기 복합재로 이루어질 수 있다. 상기 지지용 코어볼(240)의 재료는 특별히 한정되지 않으며 300℃ 이하의 온도에서는 용융되지 않는 물질로 될 수 있다.
예를 들면, 상기 유기재료의 지지용 코어볼(240)은 플라스틱 재질의 코어볼(240)일 수 있으며, 상기 플라스틱 재질의 코어볼(240)은 에폭시계, 멜라민-포름알데히드계, 벤조구아나민-포름알데히드계, 디비닐벤젠, 디비닐에테르, 올리고 또는 폴리디아크릴레이트, 알킬렌비스아크릴아미드 수지와 같은 열경화성 수지를 포함하는 플라스틱 코어, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 나일론, 폴리아세탈 수지와 같은 열가소성 수지를 포함하는 플라스틱 코어, 천연고무와 합성고무와 같은 탄성체 코어 등을 포함할 수 있다. 또한 열경화성 수지와 열가소성 수지를 혼용한 수지로 형성된 플라스틱 코어를 포함할 수 있다.
상기 한편, 플라스틱 재질의 코어볼(240)은 중합체 합성방법 사용하여 형성될 수 있다. 일 예로서, 현탁, 유화, 분산중합법 등의 합성방법을 통해 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 지름을 갖도록 형성될 수 있다.
금속재질의 지지용 코어볼(240)은, 예를 들면, 순수 Cu 또는 Cu의 합금 등으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼의 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 솔더 코어(130)가 제공된다(S1). 상기 솔더 코어(130)는 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 솔더 코어(130)는 대기 상태에 보관하면 표면에 자연 산화막이 형성될 수 있다. 이러한 자연 산화막은 다른 금속 물질의 도금, 증착, 접합을 방해할 수 있으므로 산(acid) 처리를 통해 자연 산화막을 제거한다(S2).
상기 산은, 예를 들면, 불산(hydrofluoric acid), 염산(hydrochloric acid), 황산(sulfuric acid), 질산(nitric acid), 인산(phosphoric acid), 또는 이들의 조합일 수 있지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 상기 솔더 코어(130) 상에 제 1 금속층(110)을 형성한다(S3). 상기 제 1 금속층(110)은 도금(plating), 증착(deposition) 등의 방법에 의하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 금속층(110)은 전해 도금 또는 무전해 도금 방법을 수행하여 형성될 수 있다.
상기 제 1 금속층(110)을 형성할 때, 상기 제 1 금속층(110)의 표면의 조도(粗度, roughness)를 향상시키기 위하여 광택재(brightener)가 사용되기도 한다. 즉, 광택재를 사용함으로써 보다 매끈한 표면의 제 1 금속층(110)을 얻을 수도 있다. 상기 광택재는, 예를 들면, 폴리에틸렌글리콜 등의 폴리에테르계 화합물과 같은 산소 함유 유기화합물; 3급 아민 화합물, 4급 암모늄 화합물과 같은 질소 함유 유기화합물; 및/또는 술포네이트 기를 갖는 황 함유 유기화합물 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
그러나, 광택재를 사용하여 매끈하게 얻어진 제 1 금속층(110)으로 인해 오히려 상기 제 1 금속층(110)과 상기 제 2 금속층(120) 사이의 접착성이 열화될 수 있기 때문에 제 1 금속층(110)의 형성 시에 광택재의 사용이 생략될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제 1 금속층(110)은, 예를 들면, 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al)과 같은 금속일 수 있으며, 예를 들면, 약 0.002㎛ 내지 약 0.1㎛의 두께를 가질 수 있다.
다음으로 상기 제 1 금속층(110) 상에 제 2 금속층(120)을 형성한다(S4). 상기 제 2 금속층(120)은 도금, 증착 등의 방법에 의하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 금속층(120)은 전해 도금 또는 무전해 도금 방법을 수행하여 형성될 수 있다. 상기 제 2 금속층(120)은 금(Au) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있으며, 예를 들면, 약 0.005㎛ 내지 약 0.9㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제 1 금속층(110)을 형성하지 않고 제 2 금속층(120)만 형성하는 경우에는 상기 제 2 금속층(120)은 0.01㎛ 이상 1㎛ 미만의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이 제 2 금속층(120)의 형성을 완료한 후에는 세정 및 건조 공정을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 범프 형성 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 범프 형성 방법을 순서에 따라 나타낸 측단면도들이다.
도 4 및 도 5a를 참조하면, 본딩 패드(105)를 갖는 기판(101)이 제공된다(SP1).
상기 기판(101)은 패키지 기판일 수도 있고 반도체 기판일 수도 있다. 나아가, 상기 기판(101)은 유리 기판일 수도 있다.
상기 기판(101)이 반도체 기판인 경우, 상기 기판(101)은 III-V 족 물질 및 IV 족 물질 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 III-V 족 물질은 적어도 하나의 III 족 원소와 적어도 하나의 V족 원소를 포함하는 2 원계, 3 원계, 또는 4 원계 화합물일 수 있다. 상기 III-V 족 물질은 III 족 원소로서 In, Ga 및 Al 중 적어도 하나의 원소와, V 족 원소로서 As, P 및 Sb 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물일 수 있다. 예를 들면, 상기 III-V 족 물질은 InP, InzGa1-zAs (0 ≤ z ≤ 1), 및 AlzGa1-zAs (0 ≤ z ≤ 1)로부터 선택될 수 있다. 상기 2 원계 화합물은, 예를 들면 InP, GaAs, InAs, InSb 및 GaSb 중 어느 하나일 수 있다. 상기 3 원계 화합물은 InGaP, InGaAs, AlInAs, InGaSb, GaAsSb 및 GaAsP 중 어느 하나일 수 있다. 상기 IV 족 물질은 Si 및/또는 Ge일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 의한 박막을 형성하기 위해 사용 가능한 III-V 족 물질 및 IV 족 물질이 상기 예시한 바에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(101)이 패키지 기판인 경우, 상기 기판(101)은 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB), 세라믹 기판 또는 인터포저(interposer)일 수 있다. 상기 인쇄 회로 기판은 유연 인쇄 회로 기판(flexible PCB, FPCB) 또는 경질의(rigid) PCB일 수 있다.
상기 기판(101)이 인쇄회로기판인 경우, 상기 기판(101)은 기판 베이스, 그리고 상면 및 하면의 적어도 한 면에 형성된 본딩 패드(105)를 포함할 수 있다. 본딩 패드(105)는 기판 베이스의 상면 및 하면을 덮는 솔더레지스트층에 의하여 노출될 수 있다. 기판 베이스는 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판 베이스는 FR4, 사관능성 에폭시(tetrafunctional epoxy), 폴레페닐렌 에테르(polyphenylene ether), 에폭시/폴리페닐렌 옥사이드(epoxy/polyphenylene oxide), 비스말레이미드 트리아진(bismaleimide triazine, BT), 써마운트(Thermount), 시아네이트 에스테르(cyanate ester), 폴리이미드(polyimide) 및 액정 고분자(liquid crystal polymer) 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 본딩 패드(105)는 Ni/Au, Cu-OSP 베어(bare) 구리, ENIG, ENEPIG로 이루어질 수 있다. 기판 베이스에는 본딩 패드(105)와 전기적으로 연결된 내부 배선이 형성될 수 있다. 상기 내부 배선은 기판 베이스 내에 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 기판 베이스의 상면 및/또는 하면에 형성되어 상기 솔더레지스트층에 의하여 덮일 수도 있다. 본딩 패드(105)는 기판 베이스의 상면 및 하면에 동박(Cu foil)을 입힌 후 패터닝된 회로 배선 중 각각 상기 솔더레지스트층에 의하여 노출된 부분일 수 있다.
상기 기판(101)이 인터포저인 경우, 기판 베이스는 예를 들면, 실리콘 웨이퍼로부터 형성될 수 있다.
이어서, 상기 본딩 패드(105) 상에 무플럭스 접합용 솔더볼(100)이 제공된다(SP2). 상기 무플럭스 접합용 솔더볼(100)은 도 1을 참조하여 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도 5a에서는 도 1의 무플럭스 접합용 솔더볼(100)이 배치되는 것으로 도시되었지만, 도 2의 무플럭스 접합용 솔더볼(200)이 배치되어도 무방하다.
도 4 및 도 5b를 참조하면, 상기 솔더볼(100)을 리플로우시킬 수 있다(SP3).
상기 솔더볼(100)을 리플로우시키기 위하여 상기 솔더볼(100)의 온도 및/또는 상기 리플로우가 진행되는 공간의 온도를 상승시킨다. 상기 솔더볼(100)의 온도가 상기 솔더 코어(130)의 리플로우 온도 이상이 되면 솔더볼(100)의 형태가 변형되어 솔더 범프(100a)가 될 수 있다. 상기 솔더볼(100)이 충분히 리플로우된 다음, 온도를 하강시켜 솔더 범프(100a)를 경화시킬 수 있다.
상기 리플로우 시키는 단계는 상기 솔더볼(100)을 약 180℃ 내지 약 300℃의 온도 범위에서 약 1초 내지 약 1분 동안 가열함으로써 수행될 수 있다.
상기 무플럭스 접합용 솔더볼(100, 200)을 이용하여 본딩 패드 상에 솔더 범프를 형성하는 경우, 솔더볼 표면의 자연 산화막을 제거하기 위한 플럭스(flux) 적용 단계가 불필요하며 수행되지 않는다.
리플로우를 위하여 상기 솔더볼(100)의 온도를 상승시키면 용융점, 예컨대 SAC305 조성의 솔더 코어를 갖는 솔더볼의 경우 약 218℃의 온도에서 솔더 코어가 용융되기 시작하며, 제 1 금속층과 제 2 금속층의 금속층들이 상호 융해(dissolution)되어 상기 솔더 코어와 상호 혼합(intermix)된다.
이를 통해 솔더볼이 본딩 패드(105)와 양호하게 접합될 수 있다. 보다 구체적으로, 흐름성을 띠는 솔더볼은 본딩 패드(105)와의 젖음성(wettability)을 가지게 되면서 본딩 패드(105)의 전체 상부 표면과 접촉하게 된다. 또한, 자유 표면 쪽은 자신의 표면 에너지를 최소화하기 위하여 둥근 형태를 띠게 되면서 솔더 범프(100a)를 형성하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼(100, 200)을 이용할 때의 리플로우 온도 프로파일과 종래 기술에 따른 솔더볼을 이용할 때의 리플로우 온도 프로파일을 각각 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래 기술에 따른 솔더볼을 이용하면 경로 O-A-B-C-D-O"의 온도 프로파일을 따라 리플로우시키는 것이 필요하다. 하지만 본 발명의 실시예들에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼(100, 200)을 이용하면 단지 O'-B-C-D-O"의 온도 프로파일을 따라 리플로우시키는 것으로도 충분할 수 있다.
보다 구체적으로, 종래 기술에 따른 솔더볼을 이용하면, 표면에 자연 산화막이 형성되기 때문에 이를 제거하기 위해 플럭스(flux)를 제공하는 단계가 리플로우 단계에 선행하여 필요하며, 리플로우 단계에서는 이러한 플럭스를 활성화하기 위한 프리-히팅(pre-heating) 타임이 필요하다.
즉, 솔더볼의 온도를 프리-히팅 온도까지 올리고(OA), 프리-히팅 시간 동안 이 온도를 유지한다(AB). 프리-히팅 타임(AB) 동안 솔더볼의 표면에 존재하던 플럭스가 활성화되어 자연 산화막을 제거할 수 있다. 자연 산화막이 충분히 제거된 다음, 다시 솔더볼의 온도를 리플로우 온도(Trf) 이상의 온도로 상승시킬 수 있다(BC). 상기 리플로우 온도(Trf)는 상기 솔더볼의 리플로우가 일어날 수 있는 최저 온도일 수 있다. 따라서 상기 솔더볼은 리플로우 온도(Trf) 또는 이보다 높은 온도에서 유동성을 가질 수 있다.
상기 솔더볼의 온도가 리플로우 온도(Trf) 이상으로 유지되는 리플로우 타임 동안, 상기 솔더볼은 리플로우될 수 있다. 상기 솔더볼의 온도와 리플로우 온도(Trf) 사이의 차이 및 냉각 속도 등을 고려하여 솔더볼에 대한 가열을 멈추면(D 시점), 리플로우되어 형성된 솔더 범프는 점차 냉각되고, 리플로우 온도(Trf) 미만으로 냉각되어 경화된다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼(100, 200)을 이용하면, 고가의 플럭스를 사용할 필요가 없기 프리-히팅 타임이 불필요하고 바로 리플로우 온도(Trf) 이상의 온도로 승온시키는 것만으로도 충분할 수 있다.
보다 구체적으로, 시간 O'에서 솔더볼의 온도를 실온으로부터 승온시키기 시작한다. 그런 다음 리플로우 온도(Trf) 이상으로 솔더볼의 온도를 상승시킨 후(O'C) 일정한 시간 동안 솔더볼이 리플로우되도록 할 수 있다(CD). 일부 실시예들에 있어서, 상기 솔더볼의 온도는 실온으로부터 리플로우 온도에 이르기까지 시간에 따라 선형적으로 증가할 수 있다. 도 6에 나타낸 온도 프로파일에서는 솔더볼의 온도를 상승시키는 O'C 구간에서 선형적으로 온도가 증가하는 것으로 도시되었지만, 일부 실시예들에 있어서, 위로 볼록한 형태의 온도 프로파일을 가지면서 온도가 상승할 수 있다. 여기서 어떤 온도 프로파일의 형태가 위로 볼록하다는 것은 프로파일 상의 임의의 두 점을 직선으로 연결하였을 때 그 사이의 온도 프로파일이 상기 직선보다 위에 위치하는 것을 의미한다.
솔더볼이 리플로우 온도 이상의 온도에서 머무르는 시간을 드웰 타임(dwell time)이라고도 한다. 즉, 도 6에서 리플로우 타임으로 표시된 시간은 드웰 타임으로 지칭될 수 있다. 솔더볼은 드웰 타임 동안 리플로우 되어 솔더 범프(100a, 도 5b 참조)를 형성할 수 있다.
종래 기술에 따른 솔더볼과 본 발명의 실시예들에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼을 비교하면, 종래 기술에 따른 솔더볼은 리플로우에 OO"의 시간이 필요한 반면, 본 발명의 실시예들에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼은 O'O"의 시간만으로 충분할 수 있다. 플럭스의 활성화에 요구되는 시간 OO'는 리플로우에 필요한 전체 시간 OO"의 약 1/3 내지 약 1/2에 달하기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼을 사용하면 상당한 시간을 절약하고 높은 생산성을 유지할 수 있다. 또한, 프리-히팅에 소비되는 에너지를 절약할 수 있어서 생산 코스트 저감에도 기여할 수 있다.
또한 플럭스를 사용하는 경우에는 리플로우가 완료된 후에 플럭스를 제거하기 위한 세정 공정이 별도로 필요하다. 또, 세정 공정을 거치더라도 미량의 플럭스가 잔존하여 제품 부식의 원인이 될 수 있다.
반면 본 발명의 실시예들에 따른 무플럭스 접합용 솔더볼을 이용하면, 플럭스를 제거하기 위한 세정 공정이 생략될 수 있고, 플럭스 잔사물이 가져오는 문제점이 방지되는 효과가 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
직경 250㎛의 3% Ag, 0.5% Cu를 포함하는 주석계 무연(lead free) 솔더볼 표면 위에 제 1 금속층과 제 2 금속층을 하기 표 1과 같이 형성하였다. 제 1 금속층과 제 2 금속층에 대하여 대응되는 금속층이 없는 경우에는 X로 표시하였다.
그런 다음 Ni/Au 패드 피시니(pad finish)에 대한 접합 성능 시험을 수행하였다. 접합 성능 시험을 수행하기 위하여 플럭스의 적용 없이 Ni/Au 패드 피시니 위에 솔더볼을 제공한 후 240℃에서 30초 동안 리플로우를 수행하였다.
<표 1>
Figure 112016011757259-pat00001

상기 접합 성능 시험을 수행한 결과, 상기 표 1에서 보는 바와 같이 제 1 금속층과 제 2 금속층의 어느 것도 존재하지 않는 솔더 코어 자체(비교예 1)는 플럭스 적용 없이는 접합이 불가한 것으로 나타났다. 또한 표면에 금(Au)의 제 2 금속층이 없는 솔더볼도 접합이 불가하거나(비교예 3 및 4) 접합이 일어나더라도 불안정성으로 인하여 접합이 취약한(비교예 5) 것을 알 수 있었다.
또, 제 1 금속층 없이 제 2 금속층(금)만이 존재하는 경우, 소정 두께 범위에서는 접합이 잘 되는 것으로 나타났지만(실시예 12 내지 14), 그 두께 범위를 벗어나 과도하게 두껍거나 얇은 경우에는 접합이 안되는 것으로 나타났다(비교예 6 및 7). 이는 제 2 금속층의 두께가 과도하게 얇으면 산화 방지 효과가 미흡하고, 과도하게 두꺼우면 리플로우시 솔더 코어와 제 2 금속층 사이의 상호 융해(dissolution)가 취약하게 이루어지기 때문인 것으로 추정된다.
또한 제 1 금속층과 제 2 금속층의 두께의 합이 과도하게 두꺼운 경우(비교예 2, 8 및 9), 마찬가지로 본딩 패드와의 접합이 불가한 것으로 나타났다. 이는 제 1 금속층과 제 2 금속층의 두께가 과도하게 두꺼워서 리플로우 시간 내에 미처 제 1 금속층과 제 2 금속층이 충분히 솔더 코어와 상호 융해를 이루지 못하였기 때문인 것으로 추정된다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 솔더볼에 대하여 리플로우 공정에서 드웰 시간 동안의 모습 및 냉각 후의 모습을 나타낸 이미지들이다. 특히 도 7b는 도 7a의 각 솔더볼들을 화살표 방향에서 바라본 모습이다.
실시예 1의 경우에는 리플로우 공정을 거치면서 솔더볼이 본딩 패드와 적절하게 접합되어 당초의 구형을 벗어난 것을 알 수 있었다. 비교예 1과 비교예 2의 경우에는 당초의 구형 형태를 거의 그대로 유지한 채 접합이 되지 않는 모습이 관찰되었다.
또한 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 9의 솔더볼들에 대하여 대기 조건의 고온(125℃)에서 48시간 방치한 후의 변색 여부를 관찰하는 고온 변색 실험을 수행하였다. 변색 여부는 초기의 조도값 및 48시간 경과 후의 조도값을 관찰하여 판단되었다. 조도값은 조도측정기를 이용하여 측정하였으며 방치 후의 조도값이 초기 조도값에서 0 내지 2 이내로 변화하였으면 변색이 실질적으로 없는 것("X")으로 판정하였다. 또, 조도값의 변화가 3 내지 9이면 약간의 변색이 있는 것("Δ")으로, 그리고 조도값의 변화가 10 이상이면 변색이 심한 것("O")으로 판정하였다.
표 1에서 보는 바와 같이 표면에 아무런 금속층이 형성되지 않은 비교예 1의 솔더볼은 약간의 변색이 관찰되었고, 표면에 니켈의 금속층이 형성된 비교예 3의 솔더볼은 상당한 변색이 관찰되었다. 이러한 변색은 산화에 기인한 것으로서 니켈의 금속층이 보통의 대기 상황에서는 솔더 코어보다 더욱 산화에 취약한 것을 알 수 있다.
나아가, 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 9의 솔더볼들에 대하여 고습(85%) 조건의 고온(125℃)에서 48시간 방치한 후의 변색 여부를 관찰하는 고온고습 변색 실험을 수행하였다. 조도값의 측정 방법과 판정 방법은 고온 변색 실험과 동일하게 수행되었다.
표 1에서 보는 바와 같이 고온 고습 조건에서는 솔더 코어(비교예 1)도 상당한 변색이 일어나는 것으로 나타났다. 특히 구체적인 실험 데이터를 참조하면 비교예 1의 솔더볼은 비교예 3의 솔더볼보다 더욱 변색이 심한 것으로 나타났다. 구체적으로 비교예 1의 솔더볼은 초기 조도값이 75였지만, 48시간 동안 방치한 후에는 43으로 저하되었다. 비교예 3의 솔더볼은 초기 조도값이 75였지만, 48시간 방치 후에는 51로 저하되었다. 따라서, 어떠한 금속층도 형성되지 않은 비교예 1의 솔더 코어는 고습 조건에 특히 더 취약한 것으로 나타났다.
도 8은 본딩 패드 상에 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼이 리플로우 후에 정상적으로 솔더 범프로 안착하는 모습을 보인 평면 이미지들이다. 도 9는 리플로우된 솔더볼의 바람직한 예와 바람직하지 않은 예의 프로파일들을 나타낸 측방향 개념도이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 솔더볼의 사이즈에 대하여 적절한 넓이보다 더 큰 넓이를 갖는 본딩 패드 상에 실시예 1의 솔더볼들을 배치한 후 이를 리플로우하였다. 그 결과 도 8의 (b)에서 보는 바와 같이 모두 전체 본딩 패드를 덮도록 알맞은 젖음성(wettability)을 보였다.
도 9에서 보는 바와 같이 솔더볼의 젖음성이 부족한 경우, 솔더볼에 비하여 비교적 큰 크기의 본딩 패드(305) 상에서 리플로우를 수행하면 본딩 패드(305)의 상부 표면의 일부에 대해서만 덮는 솔더 범프(100c)가 얻어진다. 반면, 솔더볼의 젖음성이 충분한 경우, 솔더볼에 비하여 비교적 큰 크기의 본딩 패드(305) 상에서도 리플로우에 의하여 본딩 패드(305)의 상부 표면의 전체를 덮는 솔더 범프(100b)가 얻어진다.
다시 도 8의 (b)를 참조하면, 리플로우 후에 상대적으로 넓은 본딩 패드 면적에 대하여 그 전체를 덮는 솔더 범프가 형성되는 점에서 본 발명의 실시예들에 따른 솔더볼들은 적절한 젖음성을 갖는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
100, 200: 솔더볼 100a, 100b, 100c: 솔더 범프 101, 301: 기판105, 305: 본딩 패드 110, 210: 제 1 금속층 120, 220: 제 2 금속층 130, 230: 솔더 코어 240: 지지용 코어볼

Claims (16)

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  11. 본딩 패드를 갖는 기판을 제공하는 단계;
    상기 본딩 패드 상에 무플럭스 접합용 솔더볼을 제공하는 단계; 및
    상기 무플럭스 접합용 솔더볼을 리플로우(reflow)시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 무플럭스 접합용 솔더볼은,
    솔더 코어;
    상기 솔더 코어의 표면 상의 제 1 금속층; 및
    상기 제 1 금속층 상의 제 2 금속층;
    을 포함하고,
    상기 리플로우시키는 단계는 프리-히팅(pre-heating) 구간 없이 상기 솔더볼의 온도를 실온으로부터 리플로우 온도로 승온시키는 단계를 포함하고,
    상기 솔더볼의 온도는 실온으로부터 리플로우 온도에 이르기까지 시간에 따라 선형적으로 증가하거나 위로 볼록한 형태의 프로파일을 가지면서 증가하고,
    상기 제 1 금속층은 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 이들의 합금 중의 1종이고,
    상기 제 2 금속층은 금(Au)인 솔더 범프 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 솔더볼 상에 자연 산화막을 제거하기 위한 플럭스(flux)를 적용하는 단계가 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 솔더 범프 형성 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 리플로우시키는 단계가 200℃ 내지 300℃의 온도에서 1초 내지 1분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 솔더 범프 형성 방법.

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