KR102301223B1

KR102301223B1 - 대기압 플라즈마를 이용한 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법

Info

Publication number: KR102301223B1
Application number: KR1020200159933A
Authority: KR
Inventors: 박현배
Original assignee: 박현배
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-09-09

Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마를 이용해 인쇄회로기판을 표면 처리하여 도금 이후 남아 있는 오염물질을 단시간에 효과적으로 제거하고, 접합력을 향상시켜 전기적 특성이 우수한 반도체 패키지를 제조할 수 있는 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법은, (a) 회로패턴이 형성된 인쇄회로기판에 도금층을 형성시키는 단계; (b) 대기압 플라즈마를 이용해 상기 도금층이 형성된 인쇄회로기판을 표면처리하는 단계; 및 (c) 상기 표면처리한 인쇄회로기판에 반도체 소자를 부착하고, 상기 반도체 소자와 상기 인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결시키는 단계;를 포함한다.

Description

대기압 플라즈마를 이용한 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법{Method for manufacturing wire bonding joint structure using atmospheric pressure plasma}

본 발명은 대기압 플라즈마를 이용해 인쇄회로기판을 표면 처리하여 도금 이후 남아 있는 오염물질을 단시간에 효과적으로 제거하여 부착성 저하를 방지하고 전기적 특성이 우수하며 제조공정을 간소화를 통해 단시간에 와이어 본딩 결합 구조체를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 패키지는 반도체 소자를 실장하기 위한 와이어 본딩 영역, 외부 부품과의 결합을 위한 솔더링 영역, 회로패턴 영역이 형성된 연성인쇄회로기판을 제조하고, 제조한 기판에 반도체 소자 부착한 다음 반도체 소자와 기판 간에 전기적 신호 교환이 가능하게 와이어를 이용해 반도체 소자와 기판을 본딩하여 제조하고 있다.

와이어 본딩(wire bonding)이란 반도체 다이(die) 또는 소자(chip)과, 리드 프레임 또는 그와 유사한 역할을 하는 세라믹 패턴을, 20 내지 50 ㎛ 직경을 갖는 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 소재의 와이어를 이용해 전기적으로 연결하는 공정을 의미한다.

최근에는 상기와 같은 반도체 패키지를 제조하는 공정이 대부분 자동화되어 인쇄회로기판을 공정 순서에 따라 공정장비의 내부로 반입하고 공정을 마친 인쇄회로기판을 다시 반출하여 다음 공정장비로 이송하는 과정이 필수적으로 포함되며, 이송 중이나 공정 중에 발생한 오염 물질이 인쇄회로기판 상에 부착되면 제품불량의 위험이 높아지기 때문에 이를 적절히 제거해 줄 필요가 있고, 특히, 최근에는 전자제품의 소형화 집적화 경향에 따라 회로패턴이 갈수록 미세해지기 때문에 이물질 제거의 필요성이 갈수록 커지고 있다.

기존에는, 에어블로우어(air blower), 브러쉬 롤러 등을 이용하여 인쇄회로기판 상에 부착된 이물질을 제거하고 있으나, 이들 장비만으로는 오염물질을 효과적으로 제거하는데 한계가 있다.

한편, 대기압 플라즈마(atmosphere plasma)란 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 대기압 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다. 특히, 글로우 방전에 의한 대기압 플라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전계(RF)에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등의 반응성 핵종(active species)을 생성하고, 반응성 핵종은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성종(대기압 플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리(혹은 표면개질)'라고 한다.

하지만, 기존에는 와이어 본딩 공정을 통해 반도체 패키지 제조시 대기압 플라즈마 처리를 통해 반도체 패키지의 전기적 특성을 향상시키는 방안에 대한 연구가 미흡하여 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.

한국공개특허 제10-2015-0114045호 (공개일 : 2015.10.12) 한국등록특허 제10-0921397호 (공고일 : 2009.10.14) 한국공개특허 제10-2004-0080580호 (공개일 : 2004.09.20)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 대기압 플라즈마 처리를 통해 도금 이후 남아 있는 오염 물질을 효과적으로 제거하여 전기적 접속 불량을 방지하고, 와이어와 본딩 영역간의 접합력을 향상시켜 전기적 특성이 우수한 반도체 패키지를 제조할 수 있으며, 제조공정을 간소화시켜 와이어 본딩 결합 구조체인 반도체 패키지의 제조시간을 단축할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 회로패턴이 형성된 인쇄회로기판에 도금층을 형성시키는 단계; (b) 대기압 플라즈마를 이용해 상기 도금층이 형성된 인쇄회로기판을 표면처리하는 단계; 및 (c) 상기 표면처리한 인쇄회로기판에 반도체 소자를 부착하고, 상기 반도체 소자와 상기 인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결시키는 단계;를 포함하는 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 대기압 플라즈마는 압축 공기 및 수증기를 각각 90:10 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 공급하여 형성시킨 것을 사용할 수 있으며, 또는, 상기 대기압 플라즈마는 압축 공기 및 세슘염 포함 수용액을 이용해 형성시킨 수증기를 각각 90:10 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 공급하여 형성시킨 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 금속 와이어는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 제조한 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 표면처리는, 0.5 내지 5 L/분의 유량으로 상기 혼합 유체를 공급하고, 100 내지 2,000 mm/분의 속도로 표면 처리를 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 표면처리는, 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하며, 강관의 표면을 향하는 방향으로 일측이 개방되어 플라즈마를 토출하는 하우징, 상기 하우징 내부에 구비되고, 전극 및 유전체를 포함하여 전기적 방전을 통해 플라즈마를 생성하는 단위 전극 모듈, 상기 전극에 전압을 인가하는 전원 공급 수단 및 상기 플라즈마를 생성하기 위해 상기 하우징 내부에 아르곤 및 수증기를 포함하는 유체를 공급하는 유체 공급 수단을 포함하는 대기압 플라즈마 표면처리 장치를 이용해 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법은 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리를 통해 인쇄회로기판 상에 오염 물질을 단시간에 효과적으로 제거하여 접합력 저하와 전기적 접속 불량을 방지하여 전기적 특성이 우수한 와이어 본딩 결합 구조체를 제조할 수 있으며, 반도체 패키지 제조를 위한 공정시간을 단축시킬 수 있어 원가절감을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 표면 처리 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 표면 처리 장치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체의 와이어 본딩 구조를 나타낸 구조도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법은, 와이어 본딩 방식으로 기판과 반도체 소자를 전기적으로 연결하기 위해서, 도금층 상에 오염물질을 효과적으로 제거하여 부착성 저하를 방지할 수 있도록 하면서도, 기판 상에 형성된 도금층과 금속 와이어의 접합력을 향상시켜 전기적 특성이 향상된 와이어 본딩 결합 구조체, 즉, 전자 디바이스의 반도체 패키지를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법은 (a) 회로패턴이 형성된 연성인쇄회로기판에 도금층을 형성시키는 단계; (b) 대기압 플라즈마를 이용해 상기 도금층이 형성된 연성인쇄회로기판을 표면처리하는 단계; 및 (c) 상기 표면처리한 연성인쇄회로기판에 반도체 소자를 부착하고, 상기 반도체 소자와 상기 연성인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결시키는 단계를 포함한다.

상기 단계 (a)는 회로패턴이 형성된 인쇄회로기판 상에 도금층을 형성시키는 단계이다.

구체적으로, 인쇄회로기판은 IC 소자, RAM 등과 같은 반도체 소자의 실장을 위하여 와이어 본딩이 필요한 와이어 본딩 영역, 외부 부품과 인쇄회로기판과의 실장을 위한 솔더링 영역과, 미리 설정된 형상의 회로패턴이 형성된 구조를 가지며, 와이어 본딩 영역, 솔더링 영역 및 회로 패턴은 각각 구리 또는 구리 합금 소재로 형성시킨 구리층에 의해 형성될 수 있다.

상기 인쇄회로기판은 금속 기판 또는 금속 피막을 갖는 기판일 수 있으며, 상기 금속은 구리, 또는 구리의 합금일 수 있고, 기판의 일부 또는 전부에 치환될 금속으로 된 표면을 갖는 기판, 즉 금속 표면을 갖는 기판으로 정의될 수도 있다.

또한, 상기 인쇄회로기판은 인쇄회로기판 또는 연성인쇄회로기판 제조를 위해 통상적으로 사용되는 공지된 다양한 소재로 제조한 것을 사용할 수 있고, 당업계에서 통상적으로 사용하는 공지된 다양한 인쇄회로기판의 제조방법으로 제조한 것을 사용할 수 있으며, 이를 제조하는 방법에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다. 바람직하게는, 상기 기판은 연성인쇄회로기판을 사용할 수 있다.

상기 도금층은 인쇄회로기판의 회로패턴인 구리층(2)을 보호하는 역할을 하며, 회로패턴 상에 형성된 금(Au)층 만을 포함하는 단일층 구조를 가질 수 있으나 이에 제한받지 않으며, 회로패턴 상 니켈(Ni)층 및 금(Au)층이 순차적으로 형성된 2중층 구조, 회로패턴 상에 니켈(Ni)층, 팔라듐(Pd)층 및 금(Au)층이 순차적으로 형성된 3중층 구조 등을 포함할 수 있으며, 두께가 0.01 내지 2 ㎛인 도금층을 형성시킬 수 있다.

바람직하게는, 본 단계에서는, 인쇄회로기판 상에 금도금액을 접촉시켜 구리층의 표면에 금도금층을 형성시킬 수 있으며, 금도금액은 시안계 금도금액, 비시안계 금도금액 등과 같이 인쇄회로기판 제조를 위해 통상적으로 사용되는 공지된 다양한 도금액을 사용할 수 있다.

본 단계에서는, 연성인쇄회로기판 상에 도금층을 형성시키기 위한 방법이 특별히 한정되지 않으나, 금도금층을 형성시키는 방법은 전해 금도금(electro gold plating), 무전해 금도금(immersion gold plating), 무전해 니켈도금/치환금도금(electroless nickel and immersion gold), DIG 도금(Direct Immersion Gold Plating), HASL(Hot Air Solder Levelling) 등에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는, DIG 도금 방법으로 금도금층을 형성시킬 수 있다.

구체적으로, 금도금액은 수용성 금화합물, 착화제, pH 조절제, 환원제, 완충제를 포함하는 혼합물을 사용할 수 있다.

수용성 금화합물은 시안화 금, 시안화 금 칼륨, 시안화 금 나트륨, 시안화 금 암모늄 등의 시안화 금염, 금의 티오황산염, 티오시안산염, 아황산금 나트륨(sodium gold sulfite), 포타슘골드설파이트(potassium gold sulfate) 및 암모늄골드설파이트(ammonium gold sulfate) 등의 황산염, 질산염, 메탄술폰산염, 테트라암민 착체, 염화물, 브롬화물, 아이오딘화물, 수산화물, 산화물 등을 사용할 수 있으며, 시안화 금염인 것이 바람직하다.

수용성 금화합물은 물에 용해된 금이 1 내지 2 g/L로 포함될 수 있으며, 상기 범위 미만이면 석출 속도가 저하할 우려가 있고, 상기 범위를 초과하면 제조원가가 증가하는 문제가 있다.

착화제는 인산, 붕산, 숙신산, 시트르산, 글루콘산, 타르타르산, 락트산, 말산, 옥살산, 에틸렌디아민, 트리에탄올아민, 에틸렌디아민아세트산(EDTA), 히드록시에틸렌디아민, 히드록시에틸렌디아민 아세트산, 에틸렌디아민프로피온산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 착화제는 물에 용해된 금 농도의 5 내지 10배의 비율로 혼합될 수 있다.

pH 조절제는 인산, 염산, 황산, 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

환원제는 아스코르빈산, 히드록실아민, 히드라진, 디메틸아민보레인, 티오우레아, 하이드로퀴논, 포름알데히드, 아세트알데히드, 글리옥사졸, 포름산, 포름산나트륨 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있고, 바람직한 환원제의 농도는 물에 대해 0.001 내지 0.3 mol/L일 수 있다.

완충제는 인산이수소칼륨, 인산이수소나트륨, 칼륨테트라보레이트, 나트륨테트라보레이트 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직한 완충제의 농도는 물에 대해 0.1 내지 0.5 mol/L로 포함될 수 있다.

또한, 금도금액은 안정제를 추가로 포함할 수 있고, 2-머캅토벤조티아졸, 2-머캅토벤조이미다졸, 머캅토아세트산, 머캅토숙신산, 티오황산, 티오글리콜, 티오우레아, 티오말산 등의 황 화합물, 벤조트리아졸, 1,2,4-아미노트리아졸 또는 이들의 혼합물을 안정제로 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 금 도금액은 기판과 접촉하여 치환형 무전해 금 도금을 수행하기 위해서, pH 5 내지 7인 것을 사용할 수 있으며, 금 도금 공정은 금 도금액을 70 내지 85 ℃의 온도로 가열하고, 무전해 금 도금 방법으로 형성시킬 수 있으며, 무전해 금 도금액은 구리의 국부 침식을 방지하여 형성되는 금 도금막과, 하지 금속인 구리 사이에 완전한 밀착이 이루어져 있어, 이를 사용하여 제조된 금 도금막은, 솔더 접합 강도 및 솔더 퍼짐성이 우수하며, 하지 금속으로부터 치환되어 용해된 금속을 용이하고 선택적으로 착화시킴으로써, 금과 함께 재석출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 금 도금욕의 안정성을 향상시키고, 금 도금욕의 사용 시간을 증가시킬 수 있어, 이에 따라 생산성 및 품질을 향상시키고 불량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 단계에서는 본 발명의 무전해 금도금욕을 이용하여 금속 표면을 무전해 금도금욕에 접촉시킴으로써 기체의 금속 표면을 무전해 금도금 처리할 수 있다. 이 경우, 예컨대 5 내지 60분의 접촉 시간으로 두께 0.01 내지 2 ㎛의 금도금 피막을 형성하는 것이 가능하며, 예컨대 0.002 내지 0.03 ㎛/분의 석출 속도로 금도금 피막을 성막할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 단계에서는 구리층 상면에 직접 금도금 피막을 형성하는 방법인 DIG(direct immersion gold) 방법을 통해 구리층의 상면에 금도금층을 형성시킬 수 있다.

그리고, 본 단계에서는, 금도금층을 형성시키기 전에 구리층의 상면에 무전해 니켈도금액을 도금하여 구리층의 상면에 니켈층을 형성시키는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 니켈층을 구리층의 상면에 형성시킨 다음 니켈층의 상면에 금도금층을 형성시키는 방법에도 활용할 수 있으며, 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리로 니켈층의 결합력을 향상시키도록 구성할 수 있고, 니켈층을 형성시킨 다음 대기압 플라즈마를 이용해 추가로 금도금액을 도포해 구리층, 니켈 도금층 및 금 도금층을 포함하는 구조의 연성인쇄회로기판을 제조하도록 구성할 수 있다. 즉, 도금층은 니켈 도금층 및 금 도금층을 모두 포함하는 2중층 구조이거나, 금 도금층을 포함하는 단일층 구조일 수 있다.

피도금 부분에 형성되는 도금층은 통상 0.01 내지 2 ㎛, 바람직하게는 0.03 내지 0.3 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 0.1 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 이와 같은 도금층에는 솔더볼이 탑재될 수 있다.

또한, 본 단계에서는, 연성인쇄회로기판 상에 도금층을 형성시키기 전에, 대기압 플라즈마로 전처리한 연성인쇄회로기판을 사용하도록 구성할 수 있으며, 이와 같이 대기압 플라즈마로 전처리한 연성인쇄회로기판은 도금층을 형성시키는 공정 전에 대기압 플라즈마를 이용해 표면처리하여 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 할 뿐만 아니라 도금 성분과 회로간의 접합력을 향상시켜 제조공정시간을 단축시킬 수 있고, 전기적 접속 불량이 쉽게 발생되지 않는 연성인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

또한, 대기압 플라즈마를 이용한 표면 처리를 통해 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있어 기존에 탈지, 산세, 연마 등의 공정을 도입하지 않아도 충분한 접합력을 부여할 수 있어 제조공정시간을 단축시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 도금 성분과 회로간의 접합력을 향상시켜 전기적 접속 불량이 쉽게 발생되지 않는 연성인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

상기 단계 (b)는 대기압 플라즈마를 이용해 상기 도금층이 형성된 연성인쇄회로기판을 표면처리하는 단계이다.

대기압 플라즈마 표면처리는 도금층 표면에 잔존하는 표면 유기물을 효과적으로 세정 및 제거하도록 하고, 도금층의 표면에너지를 활성화시켜 이종 소재로 이루어진 도금층과 금속 와이어 간의 접합력을 향상시키도록 하여 금속 와이어의 밀착성을 높일 수 있도록 하며, 인쇄회로기판 상에 형성된 와이어 본딩 영역과, 반도체 소자 상에 형성된 본딩부의 접합력을 향상시켜 전기적 특성이 향상된 와이어 본딩 결합 구조체를 제조할 수 있다.

상기와 같은 대기압 플라즈마는 코로나 방전(corona discharges), 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharges), 글로우 방전(glow discharges) 등과 같이 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 통상적인 다양한 형태의 플라즈마 표면 처리 장치를 사용하여 생성할 수 있다.

구체적으로, 플라즈마 표면 처리 장치는 가스, 액체, 수증기 등과 같은 유체를 공급받아 이온이나 라디칼과 같은 다량의 반응성 핵종(reactive species)을 발생시키는 플라즈마를 생성하고, 생성한 플라즈마를 기판의 표면에 토출하여 단시간에 표면에 유기물을 제거하고, 표면 전위를 균질화하며, 표면을 활성화시킴에 따라 자유 에너지를 증가시켜 접착력을 크게 강화시킬 수 있다.

상기 플라즈마 표면 처리 장치는 플라즈마 방전을 위해, 유체 공급 수단에서 공급되는 유체로 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 불활성 가스, 압축 공기, 산소(O₂), 오존(O₃), 질소(N₂), 수소(H₂) 또는 이들의 혼합물 등과 같은 반응 가스, 불활성 가스 및 반응 가스를 혼합한 혼합 가스를 사용하여 플라즈마를 생성하고, 생성한 플라즈마를 이용해 연성인쇄회로기판의 도금층을 단시간에 표면처리할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 플라즈마 표면 처리는 압축 공기를 반응 가스로 플라즈마 방전시켜 표면처리를 수행할 수 있으며, 이로 인해, 구리층 표면의 유기 오염물을 단시간에 세정하고, 구리층의 표면을 활성화시켜 구리층과 도금액의 접합력을 향상시킬 수 있다.

또는, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 본 발명에 따른 연성인쇄회로기판의 제조방법에서는, 압축 공기 및 물(H₂O)을 이용해 형성시킨 수증기를 이용해 연성인쇄회로기판을 표면 처리하도록 하며, 바람직하게는, 압축 공기 및 수증기(H₂O)를 각각 90:10 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 플라즈마 표면 처리 장치에 공급하고, 공급한 혼합 유체를 플라즈마 방전시켜 생성한 플라즈마를 이용해 연성인쇄회로기판의 도금층을 표면 처리하도록 하여 접합력이 더욱 향상된 인쇄회로기판을 이용해 제조할 수 있다.

특히, 인쇄회로기판을 표면 처리하는 단계는, 생성한 플라즈마에 인쇄회로기판 표면을 노출시켜 도금층을 표면 처리할 수 있으며, 압축 공기 및 수증기(H₂O)를 포함하는 혼합 유체를 공급하여 플라즈마를 생성시키는 경우, 플라즈마에는 수산화 이온, 수소 이온, 라디칼과 같은 다량의 반응성 핵종(reactive species)을 형성하며, 생성한 플라즈마를 인쇄회로기판 표면에 토출하여 단시간에 표면에 탄소 오염을 저하시키고, 표면 전위를 균질화하며, 인쇄회로기판 표면을 활성화시켜 자유 에너지를 증가시켜 이종 소재와의 접합력을 크게 강화시킬 수 있다.

본 단계에서는, 압축 공기 및 수증기(H₂O)를 각각 90:10 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 이용해 플라즈마를 생성하는 경우 플라즈마 표면 처리 장치는, 1 내지 10 L/분의 유량으로 상기 혼합 유체를 공급하여 플라즈마 방전을 수행하고, 100 내지 2,000 mm/분의 속도로 플라즈마 표면 처리를 수행할 수 있다.

상기와 같은 혼합 유체를 공급하여 플라즈마를 생성하고, 생성한 플라즈마를 토출하여 인쇄회로기판을 표면 처리하는 경우, 플라즈마 방전을 통해 수산화 이온, 수소 이온, 라디칼과 같은 다량의 반응성 핵종(reactive species)을 형성하고, 활성화된 이온은 금속 표면과 충돌하여 탄소 유기물 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 표면에 변형을 발생시키지 않는다. 그리고, 수산화 이온은 연성인쇄회로기판 표면에 수산기(OH^-) 등을 형성시켜 산화물층의 두께를 증가시키고 극성을 높이며, 표면 젖음성과 표면 자유 에너지를 증가시켜 이종성 소재와의 결합력을 크게 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 압축 공기 및 수증기(H₂O)를 각각 95:5 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 2 내지 5 L/분의 유량으로 플라즈마 표면 처리 장치에 공급하고, 공급한 혼합 유체를 이용해 생성한 플라즈마를 500 내지 1,000 mm/분의 속도로 인쇄회로기판 표면이 플라즈마에 노출되도록 표면처리할 수 있다.

또한, 본 단계에서는, 플라즈마 방전을 통해 고반응성 활성 이온을 생성하고, 생성한 활성 이온을 이용해 인쇄회로기판을 표면처리하여 단시간에 금속 와이어와 접합력이 향상된 도금층을 포함하는 인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

구체적으로, 대기압 플라즈마를 이용한 인쇄회로기판 표면 처리는 2 내지 5 L/분의 유량으로 혼합 가스를 공급하고, 대기압 플라즈마를 500 내지 1,000 mm/분의 속도로 연성인쇄회로기판 표면이 대기압 플라즈마에 노출되도록 표면 처리하고 있으며, 대기압 플라즈마 처리 속도가 낮아 인쇄회로기판 표면이 장시간 동안 플라즈마에 노출되는 경우 표면 전위가 낮아지는 경향을 나타내나, 이와 같은 처리 시간으로 인쇄회로기판 표면을 처리할 경우 처리 시간이 많이 소모되어, 유체의 사용량 또한 증가하는 문제가 있었다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 플라즈마 방전시, 부피가 큰 고반응성 활성 이온을 생성하고, 고반응성 활성 이온을 인쇄회로기판 표면에 토출하여 대기압 플라즈마 처리 시간을 단축할 수 있으면서도 적층물과의 접합력이 증가한 인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

이를 위해, 플라즈마 표면 처리 장치는 압축 공기 및 수증기(알칼리 금속염을 포함하는 혼합 수용액을 이용해 형성)를 각각 90:10 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 공급받아 플라즈마를 형성할 수 있으며, 혼합 수용액은 물 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부의 알칼리 금속염을 포함하는 것을 사용할 수 있다. 이때, 플라즈마 표면 처리 장치는, 2 내지 5 L/분의 유량으로 상기 혼합 유체를 공급하고, 100 내지 2,000 mm/분의 속도로 연성인쇄회로기판의 표면 처리를 수행할 수 있다.

구체적으로, 혼합 수용액에 포함되는 알칼리 금속염은 압축 공기 및 물과 함께 방전되어 고반응성 알칼리 이온을 생성하고, 생성한 고반응성 이온을 토출시켜 연성인쇄회로기판 표면 타격함에 따라 단시간에 금속과 탄소의 결합을 파괴하고 금속 표면의 중성자, 음전하가 배출되도록 하여 연성인쇄회로기판 표면에 수산기(OH^-) 등과 같은 극성 작용기의 반응성을 높여 단시간에 금속 표면의 극성을 높이는 역할을 한다. 특히, 세슘염 등과 같은 알칼리 금속염은 3,000 K 정도의 온도에서 쉽게 이온화되어 고반응성 알칼리 금속이온을 생성할 수 있어 플라즈마 생성을 위해 사용되는 에너지를 줄일 수 있다.

이를 위해, 혼합 수용액은 알칼리 금속염으로 세슘염을 포함할 수 있으며, 증류수 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부의 세슘염을 포함하는 혼합 수용액을 사용할 수 있으며, 세슘염의 함량이 0.1 중량부 미만일 경우 처리 시간 단축 효과가 미미하고, 10 중량부를 초과할 경우 세슘을 이온화시키기 위한 에너지 소모가 크게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

세슘을 포함하는 수증기는 세슘 입자가 플라즈마 방전에 의해 이온화되어 세슘 이온, 수산기 라디칼, 수소 라디칼, 중성자 등을 생성하며, 생성한 생성물이 연성인쇄회로기판 표면과 충돌하여 금속 표면과 산소와의 결합을 파괴하여 표면 산화를 방지할 수 있고, 탄소 유기물 등을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히, 세슘 이온은 연성인쇄회로기판 표면에 충돌 후 표면에 잔류하지 않고 이탈하는 특성을 나타내며, 금속 표면의 중성자, 음전하가 배출되도록 하여 연성인쇄회로기판 표면에 수산기(OH^-) 등과 같은 극성 작용기의 반응성을 높여 단시간에 금속 표면의 극성을 높이는 역할을 한다. 이로 인해, 표면 젖음성과 표면 자유 에너지를 증가시켜 에폭시 수지 도료 등과 같은 이종성 소재와의 결합력을 크게 향상시킬 수 있다.

세슘염은 탄산세슘, 수산화세슘, 중탄산 세슘 등을 대표적인 예로 들 수 있고, 바람직하게는, 물에 대한 용해도와 전도성이 높은 수산화세슘을 사용할 수 있다. 하지만, 상기와 같은 세슘염은 세슘 이온의 고반응성 이온화가 쉽지 않아 생성되는 세슘 이온의 이온화도가 낮은 문제점이 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 표면 처리 장치(100)를 나타낸 개념도이다.

도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플라즈마 표면처리 장치(100)에 대한 구조를 상세히 살펴보면, 플라즈마 표면처리 장치(100)는 플라즈마를 형성하기 위해 하우징(110), 단위 전극 모듈(130), 전원 공급 수단(150) 및 유체 공급 수단(170)을 포함하는 구조의 제1 플라즈마 표면처리 장치를 사용할 수 있으여, 하우징(110) 내부에 유입된 유체를 플라즈마 상태로 전환할 수 있고, 전환한 플라즈마에서 생성되는 라디칼, 반응성 이온 등을 이용해 인쇄회로기판의 표면을 전처리할 수 있다.

플라즈마 표면처리 장치(100)는 1개만 고정 형성시킬 수도 있으나 플라즈마 처리 시간을 단축하기 위해서 복수 개 설치할 수도 있으며, 이에 제한받는 것은 아니다.

구체적으로, 하우징(110)은 내부에 단위 전극 모듈(130)이 구비되고, 유체 공급 수단(170)과 연결되어 가스 또는 가스 및 수증기를 포함하는 혼합물이 유입되는 공간을 제공하며, 내부에 구비된 단위 전극 모듈(130)이 공간 내부로 유입된 유체를 플라즈마 방전시켜 플라즈마를 생성할 수 있고, 생성한 플라즈마를 토출할 수 있도록 노즐부(111)가 형성된 구조를 가질 수 있다.

또한, 하우징(110)은 이송 유닛(100)의 지지부재(150)에 별도의 수단을 이용해 고정되는 구조를 형성할 수 있으며, 지지부재(150)에 고정된 플라즈마 표면처리 장치(100)는 인쇄회로기판의 표면을 향하는 방향으로 개구된 구조의 노즐부(111)가 설치되어 인쇄회로기판(P) 내면에 플라즈마를 토출할 수 있다.

제1 단위 전극 모듈(130)은 상기 하우징(110)의 내부에 구비되고, 제1 전극(131), 제2 전극(132) 및 유전체(133)를 포함하며, 내부에 유체 공급 수단으로부터 공급되는 유체 이동하는 경로를 제공하는 중공이 길이 방향을 따라 형성된 구조를 갖는다. 단위 전극 모듈(130)에서 양극 및 음극으로 작용하는 제1 전극(131) 및 제2 전극(132)은 서로 미리 설정된 간격만큼 이격되어 배치되고, 유전체(133)는 제1 전극(131) 및 제2 전극(132) 사이에 배치되며, 제1 전극(131) 및 제2 전극(132) 사이에서 공급되는 유체를 이용해 플라즈마 방전을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제1 단위 전극 모듈(130)은 제1 유체 공급 수단(170)과 제1 유체 공급 유로(171)를 통해 연결되고, 제1 유체 공급 유로(171)는 제1 전극(131), 제2 전극(132) 및 유전체(133) 사이를 관통하여 형성된 중공의 일단에 형성되어 플라즈마 방전을 위한 유체를 공급할 수 있으며, 유전체 내부에는 유체가 통과하는 통로를 제공하여 플라즈마 방전이 발생할 수 있는 영역이 형성되어 있으며, 제1 전극과 제2 전극이 각각 형성하는 영역과 유전체가 형성하는 영역이 서로 연결되어 중공을 형성한다.

제1 전극(131) 및 제2 전극(132)은 각각 전원 공급 수단(150)과 연결되어 가스 또는 가스 및 수증기를 포함하는 혼합물을 플라즈마 방전을 통해 이온화시켜 상압에서 글로우 방전 등을 통해 플라즈마를 생성할 수 있다. 이를 위해, 단위 전극 모듈(130)은 각각의 전극(131, 132)과 전원 공급 수단(150)을 연결하는 전원공급 캐이블 등을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 전극(131, 132)은 전기적 방전을 통해 플라즈마를 생성할 수 있고, 플라즈마를 생성하기 위해 사용되는 통상적인 다양한 전극을 활용할 수 있다.

또한, 유전체(133)는 석영(quartz), 고무(rubber), 테프론(teflon), 실리콘 수지, 알루미나, PZ㎜(납-지르코늄-티타늄 복합 산화물), 실리카, 산화주석, 이산화티탄, 산화지르코늄 등과 같은 세라믹 소재의 절연 물질을 이용하여 내부에 수용공간이 형성되도록 튜브형상으로 제조한 유전체 튜브를 사용할 수 있으며, 이와 같은 유전체 튜브는 내부에 형성된 통로를 통해 유체가 이동하며, 플라즈마 방전이 발생할 수 있는 영역을 제공한다.

전원 공급 수단(150)은 제1 전극(131) 및 제2 전극(132)과 각각 연결되고, 전극(131, 132)에 전압을 인가하며, 가스 또는 가스 및 수증기를 포함하는 혼합물을 이온화시켜 상압에서 플라즈마를 생성하는 역할을 하며, 전원 공급 수단(150)은 직류, 교류, 양방향 또는 단방향 펄스 전압을 인가할 수 있고, 마이크로파 또는 고주파 전원을 도입하여 사용할 수 있다. 특히, 전원 공급 수단(150)은 100 내지 500 V의 전압을 인가할 수 있는 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는, 150 내지 300 V의 전압을 인가하여 아르곤 및 알칼리 금속 포함 수증기를 플라즈마 방전처리할 수 있다.

제1 유체 공급 수단(170)은 제1 유체 공급 유로(171)를 통해 단위 전극 모듈과 연결되어 플라즈마 생성에 필요한 유체를 저장하기 위한 제1 및 제2 저장 탱크(172, 173)가 각각 구비되어 가스, 수증기, 액체 또는 이들의 혼합물을 각각 저장할 수 있고, 저장한 유체를 단위 전극 모듈(130)로 공급할 수 있고, 유체의 공급량을 제어할 수 있는 제어 수단(174a, 174b)이 구비될 수 있다.

플라즈마 방전을 위해, 유체 공급 수단(170)에서 공급되는 유체는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 또는 이들의 혼합물 등과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있고, 압축 공기, 산소(O₂), 오존(O₃), 수증기(H₂O), 질소(N₂), 수소(H₂) 또는 이들의 혼합물 등과 같은 반응 가스를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 제1 유체 공급 수단(170)은 압축 공기를 저장하는 제1 저장 탱크(172) 및 물을 저장하는 제2 저장 탱크(173)가 각각 구비되어 아르곤과 수증기를 포함하는 혼합 유체를 공급할 수 있으며, 혼합 유체는 압축 공기 및 수증기를 각각 90 : 10 내지 99 : 1의 부피비로 포함하여 연성인쇄회로기판 표면 처리를 수행할 수 있다. 또한, 제2 저장 탱크(173)는 가열 수단(175)이 구비되어 저장된 물을 가열해 수증기를 공급하도록 구성할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 제1 플라즈마 처리 장치는 제1 저장 탱크(172)를 통해 압축 공기를 공급하고, 제2 저장 탱크(173)는 워터 챔버로 구현하여 압축 공기가 워터 챔버를 통과하도록 설계하여 수증기가 첨가되도록 구현할 수 있고, 워터 챔버의 하부에 가열수단(175)이 구비된 구조를 갖도록 구현할 수도 있다.

상기와 같은 혼합 유체를 공급하여 플라즈마를 생성하고, 생성한 플라즈마를 토출하여 인쇄회로기판을 표면 처리하는 경우, 플라즈마 방전을 통해 수산화 이온, 수소 이온, 라디칼과 같은 다량의 반응성 핵종(reactive species)을 형성한다.

플라즈마 방전에 의해, 활성화된 이온은 금속 표면과 충돌하여 탄소 유기물 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 표면에 변형을 발생시키지 않는다. 그리고, 수산화 이온은 인쇄회로기판 표면에 수산기(OH^-) 등을 형성시켜 산화물층의 두께를 증가시키고 극성을 높이며, 표면 젖음성과 표면 자유 에너지를 증가시켜 이종성 소재와의 결합력을 크게 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 혼합 유체를 이용해 표면 처리한 인쇄회로기판은 표면 전위가 표면 처리하지 않은 인쇄회로기판과 이외의 가스를 이용해 형성시킨 플라즈마로 표면 처리하는 경우에 비해 현저히 낮아져 이종 소재와의 접합력이 크게 증가하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치(100)는 플라즈마 방전을 통해 고반응성 활성 이온을 생성하고, 생성한 활성 이온을 인쇄회로기판 표면에 토출하여 플라즈마 처리 시간을 단축하도록 구성할 수 있다.

구체적으로, 플라즈마를 이용한 연성인쇄회로기판 표면 처리는 2 내지 5 L/분의 유량으로 혼합 가스를 공급하고, 플라즈마를 500 내지 1,000 mm/분의 속도로 인쇄회로기판 표면이 플라즈마에 노출되도록 표면 처리하고 있으며, 플라즈마 처리 속도가 낮아 인쇄회로기판 표면이 장시간 동안 플라즈마에 노출되는 경우 표면 자유에너지가 증가하는 경향을 나타내나, 이와 같은 처리 시간으로 인쇄회로기판 표면을 처리할 경우 처리 시간이 많이 소모되어, 유체의 사용량 또한 증가하는 문제가 있었다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 플라즈마 방전시, 부피가 큰 고반응성 활성 이온을 생성하고, 고반응성 활성 이온, 즉, 알칼리 금속 이온을 인쇄회로기판 표면에 토출하여 플라즈마 처리 시간을 단축하도록 구성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제2 플라즈마 표면처리 장치를 나타낸 개념도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 플라즈마 표면처리 장치(100′)는 압축 공기를 저장하는 제1 저장 탱크(172) 및 알칼리 금속 포함 수용액을 저장하는 제3 저장 탱크(173′)가 각각 구비된 유체 공급 수단(170′)을 포함할 수 있다.

제1 저장 탱크(172)는 전술한 제1 플라즈마 표면처리 장치와 동일한 구성이며, 제3 저장 탱크(173′)는 증류수 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부의 알칼리 금속염을 포함하는 알칼리 금속 포함 수용액을 공급할 수 있고, 가열 수단(175)을 통해 기화시켜 압축 공기와 함께 알칼리 금속염과 물을 방전시켜 고반응성 알칼리 이온을 생성하고, 생성한 고반응성 이온을 토출시켜 연성인쇄회로기판 표면 타격함에 따라 단시간에 금속과 탄소의 결합을 파괴하고 금속 표면의 중성자, 음전하가 배출되도록 하여 연성인쇄회로기판 표면에 수산기(OH^-) 등과 같은 극성 작용기의 반응성을 높여 단시간에 금속 표면의 극성을 높이는 역할을 한다. 특히, 세슘염 등과 같은 알칼리 금속염은 3,000 K 정도의 온도에서 쉽게 이온화되어 고반응성 알칼리 금속이온을 생성할 수 있어 플라즈마 생성을 위해 사용되는 에너지를 줄일 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 플라즈마 표면처리 장치(100′)는 플라즈마를 형성하기 위해 하우징(110), 단위 전극 모듈(130′), 전원 공급 수단(150) 및 유체 공급 수단(170′)을 포함하여, 알칼리 금속 수용액에 함유된 알칼리 금속의 이온화를 위해서 플라즈마 방전을 2단계로 수행할 수 있도록 하는 단위 전극 모듈(130′)을 도입할 수 있으며, 하우징 및 전원 공급 수단의 구성은 제1 플라즈마 표면처리 장치와 동일한 구조로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

구체적으로, 제2 단위 전극 모듈(130′)은 제1 전극(131), 제2 전극(132), 제3 전극(134), 제1 유전체 및 제2 유전체(133, 135)를 포함하며, 내부에 유체 공급 수단으로부터 공급되는 유체 이동하는 통로가 형성된 구조를 갖는다.

제2 단위 전극 모듈(130′)에서 양극 및 음극으로 작용하는 제1 전극(131) 및 제2 전극(132)은 서로 미리 설정된 간격만큼 이격되어 배치되고, 제1 유전체(133)는 제1 전극(131) 및 제2 전극(132) 사이에 배치되며, 제2 전극(132) 및 제3 전극(134)은 서로 미리 설정된 간격만큼 이격되어 배치되고, 제2 유전체(135)는 제2 전극(132) 및 제3 전극(134) 사이에 배치된다.

상기와 같은 구조를 갖는 제2 단위 전극 모듈(130′)은 알칼리 금속염을 포함하는 혼합 수용액이 제1 전극(131), 제2 전극(132), 제3 전극(134) 및 유전체(133, 135)를 관통하는 중공을 통해 공급되도록 하여 제1 전극(131) 및 제2 전극(132) 사이의 제1 유전체 영역에서 혼합 수용액에 포함된 반응성 알칼리 금속, 산소 이온, 수산화 라디칼, 압축 공기에 포함된 질소 기체 등을 여기시켜 이온화시키고, 제2 전극(132) 및 제3 전극(134) 사이의 제2 유전체(135)에서 여기된 반응성 알칼리 금속과 수산화 라디칼을 다시 여기시켜 이온화시킴에 따라 알칼리 금속, 즉, 세슘의 이온화율을 높일 수 있고, 이온 및 라디칼의 발생량을 크게 높일 수 있으며, 이를 위해, 각각의 전극(131, 132, 134)은 각각 전원 공급 수단(150)과 연결되어 전원을 공급받을 수 있다.

제2 유체 공급 수단(170′)은 유체 공급 유로(171)를 통해 제2 단위 전극 모듈과 연결되어 플라즈마 생성에 필요한 유체를 저장하기 위한 저장 탱크(172, 173′)가 각각 구비되어 압축 공기(Air) 및 혼합 수용액을 각각 저장할 수 있고, 저장한 유체를 단위 전극 모듈(130)로 공급할 수 있고, 유체의 공급량을 제어할 수 있는 제어 수단(174a, 174b)이 구비될 수 있다.

바람직하게는, 유체 공급 수단(170)은 압축 공기를 저장하는 제1 저장 탱크(172) 및 혼합 수용액을 저장하는 제3 저장 탱크(173′)가 각각 구비되어 압축 공기, 알칼리 금속염 포함 수증기를 포함하는 혼합 유체를 공급할 수 있으며, 혼합 유체는 압축 공기, 알칼리 금속염 포함 수증기를 각각 90 : 10 내지 99 : 1의 부피비로 포함하여 연성인쇄회로기판 표면 처리를 수행할 수 있다. 또한, 제3 저장 탱크(173′)는 가열 수단(175)이 구비되어 저장된 물을 가열해 수증기를 공급하도록 구성할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 제2 플라즈마 처리 장치는 제1 저장 탱크(172)를 통해 압축 공기를 공급하고, 제3 저장 탱크(173′)는 워터 챔버로 구현하여 압축 공기가 워터 챔버를 통과하도록 설계하여 알칼리 금속염 포함 수증기가 첨가되도록 구현할 수 있고, 워터 챔버의 하부에 가열수단(175)이 구비된 구조를 갖도록 구현할 수도 있다.

상기와 같은 혼합 유체를 이용해 표면 처리한 인쇄회로기판은 표면 전위가 표면 처리하지 않은 연성인쇄회로기판과 이외의 가스를 이용해 형성시킨 플라즈마로 표면 처리하는 경우에 비해 현저히 낮아져 접합력이 크게 증가하게 된다.

한편, 플라즈마 표면처리 장치(100, 100′)는 대기압 상태에서 플라즈마 방전을 수행하는 경우 진공 상태에서 플라즈마 방전을 수행하는 경우에 비해 플라즈마가 충분히 가속되지 않아 이온화된 입자들의 평균 자유 행정(mean free path) 거리가 짧기 때문에 표면 처리가 불균일한 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치(100, 100′)는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 자석 또는 전자석을 포함하는 가속 수단(190)을 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.

구체적으로, 가속 수단(190)은 플라즈마의 이동경로에 자기장을 형성하여 이동경로를 통과하는 이온들이 일정한 방향으로 이동하도록 하고, 자기장 내에서 이온들이 가속되어 이온의 이동속도를 높이도록 하며 이에 의해 이온이 표면에 강하게 충돌하여 자유에너지를 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 표면 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.

이를 위해, 가속 수단(190)은 플라즈마가 이동하는 경로의 측면에 형성되어 자기장을 형성할 수 있도록 영구자석, 전자석 등을 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 표면 처리 장치(100, 100′)는 인쇄회로기판(P)에 코팅층을 형성시키기 전에 플라즈마 표면 처리하여 코팅층과 인쇄회로기판의 접착력을 크게 향상시켜 장시간 활용시에도 코팅층이 인쇄회로기판의 표면에서 쉽게 박리되지 않는 고내구성 피복 인쇄회로기판을 제조할 수 있도록 하며, 인쇄회로기판, 철관, 스테인리스관, 구리관, 황동관, 납관 등과 같은 금속관 등을 표면 처리하기 위한 용도로 활용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 표면 처리 장치는 대면적 인쇄회로기판에도 적용이 가능하도록 플라즈마 표면 처리 시간을 단축하여 가스 사용량을 줄일 수 있고, 균일한 표면 처리가 가능하다.

한편, 상기 단계 (c)는 표면처리한 인쇄회로기판에 반도체 소자를 부착하고, 상기 반도체 소자와 상기 인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결시키는 단계로서, 인쇄회로기판에 반도체 소자를 부착하여 와이어 본딩 결합 구조체를 제조할 수 있다.

구체적으로, 본 단계에서는, 인쇄회로기판상의 솔더링 영역에 반도체 소자를 부착하고, 반도체 소자의 본딩 영역과 기판의 솔더링 영역을 금속 와이어로 연결할 수 있으며, 반도체 소자는 인쇄회로기판 상에 접착제를 이용해 접착시켜 적층할 수 있다.

반도체 소자를 인쇄회로기판 상에 부착시킨 다음에 도금층과 반도체 소자는 금속 와이어를 이용해 와이어 본딩 결합시킬 수 있으며, 금속 와이어는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 금속으로 제조한 것을 사용할 수 있고, 직경이 10 내지 100 ㎛인 것을 사용할 수 있다.

와이어 본딩은 금속 와이어의 일단부를 반도체 소자의 본딩 영역 상에 본딩하거나, 연성인쇄회로기판의 도금층 상에 본딩하여 제1 본딩부를 형성시키고, 금속 와이어의 타단부를 연성인쇄회로기판의 도금층 상에 본딩하거나, 반도체 소자의 본딩 영역 상에 본딩하여 제2 본딩부를 형성시키는 방법으로 반도체 소자와 연성인쇄회로기판을 전기적으로 연결할 수 있다.

금속 와이어를 이용한 본딩 방법은 열과 압력을 이용해 금속 와이어의 일단에 볼(ball) 형상의 용접점을 생성해 본딩하는 볼 본딩, 웨지 툴(wedge tool)을 이용해 30 내지 60° 각도의 기울기로 금속 와이어를 공급하여 기판상에 배치하고, 금속 와이어에 일정한 힘을 가해 연성인쇄회로기판 상에 금속 와이어를 가압한 상태에서 초음파 에너지를 가해 결합시키는 웨지 본딩(wedge bonding), 스티치 본딩 또는 이들을 혼합한 방법을 활용할 수 있으며, 바람직하게는, 볼 본딩 방법을 사용할 수 있다.

구체적으로, 볼 본딩은 금속 와이어가 연속적으로 공급되는 와이어 본딩 캐필러리(wire bonding capillary)를 활용하고, 초음파 또는 아크 방전 방식으로 열을 가해 금속 와이어의 일단부에 볼(ball) 형상의 용접점(weld)를 생성하고, 생성된 용접점을 반도체 소자의 본딩 영역 상에 충돌시켜 접촉되도록 하고, 반도체 소자의 본딩 영역 상에 용접점을 경화시켜 금속 와이어가 반도체 소자의 본딩 영역에 고정되도록 1차로 본딩시킨 다음, 금속 와이어를 인출시켜 금속 와이어의 타단이 연성인쇄회로기판의 도금층 상에 위치되도록 하고 초음파 또는 아크 방전 방식으로 열을 가해 금속 와이어의 타단이 충돌 접촉되도록 하여 금속 와이어의 타단을 도금층 상에 고정시킨 다음 캐필러리와 연결된 금속 와이어를 절단하여 반도체 소자와 연성인쇄회로기판을 전기적으로 연결할 수 있다.

상기한 바와 같은 방법으로 반도체 소자와 인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결하여 제조한 와이어 본딩 결합 구조체(1)는, 도 4에 나타낸 바와 같은 구조를 가지며, 연성인쇄회로기판(10), 회로패턴(11), 도금층(12), 반도체 소자(20), 금속 와이어(30), 제1 본딩부(31), 제2 본딩부(32)를 포함하는 구조를 가지며, 금속 와이어(30)를 이용해 반도체 소자(20)와 연성인쇄회로기판(10)이 전기적으로 연결된 구조를 갖는다.

또한, 본 단계에서는, 반도체 소자와 상기 인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결하여 와이어 본딩 시킨 다음, 와이어 본딩된 인쇄회로기판을 대기압 플라즈마를 이용해 후처리하는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.

구체적으로, 와이어 본딩 결합 구조체의 제조공정은 대부분 자동화되어 있기 때문에 인쇄회로기판을 공정 순서에 따라 공정장비의 내부로 반입하고 공정을 마친 인쇄회로기판을 다시 반출하여 다음 공정장비로 이송하는 과정이 필수적으로 포함되며, 반도체 소자를 부착한 다음 와이어 본딩을 위해 이송하는 공정 과정 중 발생한 오염물질이나 파티클이 인쇄회로기판에 부착되면 제품불량의 위험이 높아지기 때문에 이를 적절히 제거해 줄 필요가 있다.

특히, 최근에는 전자제품의 소형화 집적화 경향에 따라 인쇄회로기판의 회로패턴이 갈수록 미세해지기 때문에 이물질 제거의 필요성이 갈수록 커지고 있다.

기존에는 에어블로우어(air blower), 브러쉬 롤러 등을 이용하여 연성인쇄회로기판 상에 부착된 이물질을 제거하고 있으나, 이들 장비만으로는 연성인쇄회로기판에 부착된 이물질을 효과적으로 제거하는데 한계가 있으며, 특히, 연성인쇄회로기판 상에 반도체 소자를 와이어 본딩시켜 연결한 다음 에어블로우어(air blower), 브러쉬 롤러 등으로 처리할 경우 금속 와이어가 손상될 위험이 있다.

이를 위해, 본 단계에서는, 와이어 본딩된 인쇄회로기판을 대기압 플라즈마를 이용해 후처리하는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 대기압 플라즈마를 이용하는 후처리는 상기 단계 (b)와 동일한 처리 조건에서 수행할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법은 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리를 통해 인쇄회로기판 상에 오염 물질을 단시간에 효과적으로 제거하여 접합력 저하와 전기적 접속 불량을 방지하여 전기적 특성이 우수한 와이어 본딩 결합 구조체를 제조할 수 있으며, 반도체 패키지 제조를 위한 제조공정시간을 단축시킬 수 있어 원가절감을 달성할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

<실시예 1 내지 3>

원판을 재단하여 기판을 제조하고, 제조한 기판을 동으로 도금한 다음, dry film을 이용해 패턴을 형성시켜 와이어 본딩 영역, 솔더링 영역 및 회로 패턴이 형성된 인쇄회로기판을 제조하였으며, 기판은 SMD(solder mask defined) 타입의 1 mm 두께의 FR-4 기판 원판을 사용하였다.

기판을 금 도금액이 담지된 도금조에 공급하고 75 ℃에서 무전해 금 도금하여 구리층의 상면에 금 도금층이 형성된 기판을 제조하였다. 이때, 금 도금액은 시안화 금 칼륨 1 g/L, EDTA-2Na 20 g/L, 3-피리딘카르복실산 2 g/L, 옥살산 40 g/L, 시트르산 5 g/L, 아황산 나트륨 5 g/L, 2,4(1H, 3H)-피리미딘-디온 1 g/L를 포함하고, pH 6인 혼합용액을 사용하였다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같은 구성의 플라즈마 표면처리 장치(100, 100′)를 각각 이용하고, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성의 반응 가스를 3 L/분의 유량으로 공급하여 드금층이 형성된 테스트 기판을 플라즈마 표면 처리하였으며, 처리 속도는 200 mm/분의 속도로 처리하였다.

혼합 수용액은 탄산세슘 2 중량부 및 증류수 100 중량부를 혼합한 혼합물을 공급하여 반응가스로 공급하였다.

표면 처리한 연성인쇄회로기판에 접착제를 도포한 다음 반도체 소자를 접착시키고, 반도체 소자와 연성인쇄회로기판의 도금층을 금 와이어로 연결하여 와이어 본딩 시켜 와이어 본딩 결합 구조체를 제조하였다.

금 와이어는 직경이 25 ㎛인 것을 사용하였고, 와이어 본딩 캐필러리(wire bonding capillary)를 활용해 금 와이어를 용융시켜 38 ㎛ 직경의 압착볼을 형성시키고, 180 ℃의 접합온도로 접합시켰다.

<실시예 4>

반도체 소자와 연성인쇄회로기판의 도금층을 금 와이어로 연결하여 와이어 본딩 시키고, 도 3의 플라즈마 처리 장치를 이용해 하고, 실시예 3-3과 동일한 조건으로 와이어 본딩 결합 구조체를 후처리 하였으며, 조성의 반응 가스를 3 L/분의 유량으로 공급하여 테스트 기판을 플라즈마 표면 처리하였으며, 처리 속도는 200 mm/분의 속도로 처리하였다.

<비교예>

대기압 플라즈마로 표면처리 하지 않는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 와이어 본딩 결합 구조체를 제조하였다.

<실험예>

(1) 와이어 본딩 강도 평가

실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체의 와이어 본딩 강도를 측정하였으며, 그 결과를 상기 표 2에 나타내었다. 와이어 본딩 강도는 직경 25 ㎛의 금 와이어를 와이어 본딩 장치로 접합하고, 풀테서트로 와이어를 잡아당겨, 와이어 본딩의 강도(단위 : g)를 측정하였으며, 5개의 시료로부터 얻어진 평균값을 산출하여 나타내었다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따른 방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체는 대기압 플라즈마 표면처리를 통해 접합력이 향상되어 우수한 와이어 본딩 강도를 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었으며, 높은 와이어 본딩의 접합 신뢰성을 실현할 수 있는 와이어 본딩 구조를 형성시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

(2) 전기적 특성 평가

실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체의 전기적 특성을 평가하였으며, 그 결과를 상기 표 2에 나타내었다.

전기적 특성 평가는 PCT(Pressure Cooker Test) 신뢰성 평가 방법을 통해 수행하였으며, PCT 신뢰성 평가 방법은, 실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체 시료 20개를, 상대 습도 100%, 2 atm의 고습 환경에서 120 ℃의 온도로 200 및 500 시간 동안 각각 가열한 다음, 가열한 시료의 전기 특성을 평가하는 방법으로 수행하였으며, 전기 저항이 초기의 3배 이상 증가한 와이어 본딩 결합 구조체의 비율이 30% 이상일 경우 접합 불량(X), 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 와이어 본딩 결합 구조체의 비율이 5% 내지 30% 미만일 경우 보통(△), 전기 저항이 3배 이상 증가한 와이어 본딩 결합 구조체의 비율이 5%미만이고, 또한, 전기 저항이 1.5배 이상으로 증가한 와이어 본딩 결합 구조체의 비율이 5% 내지 30% 미만인 경우에는, 양호(○), 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 5% 미만인 경우에는 우수(◎)로 표기하였다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예에 따른 방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체는 전기적 특성이 보통인 것을 확인할 수 있었던 반면에, 실시예에 따른 방법으로 제조한 와이어 본딩 결합 구조체는 대기압 플라즈마 표면처리를 통해 세정력과 접합력이 향상되어 우수한 전기적 특성을 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었으며, PCT 신뢰성이 우수한 것으로 확인되었다.

특히, 실시예 4의 경우를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 와이어 본딩 후 대기압 플라즈마 표면 처리에 의해 오염 물질이 효과적으로 제거되어 500 시간 동안 고온 고압에서 가열하는 경우에도 특성이 소실되지 않아전기적 특성이 더욱 향상되어 높은 와이어 본딩 접합 신뢰성을 갖는 와이어 본딩 결합 구조체를 제조할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

1 : 와이어 본딩 결합 구조체 10 : 연성인쇄회로기판
11 : 회로패턴 12 : 도금층
20 : 반도체 소자 30 : 금속 와이어
31 :　제1 본딩부 32 : 제2 본딩부
100 : 플라즈마 표면 처리 장치 110 : 하우징
111 : 노즐부 130 : 단위 전극 모듈
131 : 제1 전극 132 : 제2 전극
133 : 제1 유전체 134 : 제3 전극
135 : 제2 유전체 150 : 전원 공급 수단
170 : 유체 공급 수단 171 : 유체 공급 유로
172 : 제1 저장 탱크 173 : 제2 저장 탱크
190 : 가속 수단

Claims

(a) 회로패턴이 형성된 인쇄회로기판에 도금층을 형성시키는 단계;
(b) 대기압 플라즈마를 이용해 상기 도금층이 형성된 인쇄회로기판을 표면처리하는 단계; 및
(c) 상기 표면처리한 인쇄회로기판에 반도체 소자를 부착하고, 상기 반도체 소자와 상기 인쇄회로기판의 도금층을 금속 와이어로 연결시키는 단계;를 포함하고,
상기 대기압 플라즈마는 압축 공기 및 세슘염 포함 수용액을 이용해 형성시킨 수증기를 각각 90:10 내지 99:1의 부피비로 포함하는 혼합 유체를 공급하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법.
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제1항에 있어서,
상기 금속 와이어는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 제조한 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 표면처리는,
0.5 내지 5 L/분의 유량으로 상기 혼합 유체를 공급하고, 100 내지 2,000 mm/분의 속도로 표면 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 표면처리는,
플라즈마가 생성되는 공간을 제공하며, 강관의 표면을 향하는 방향으로 일측이 개방되어 플라즈마를 토출하는 하우징,
상기 하우징 내부에 구비되고, 전극 및 유전체를 포함하여 전기적 방전을 통해 플라즈마를 생성하는 단위 전극 모듈,
상기 전극에 전압을 인가하는 전원 공급 수단 및
상기 플라즈마를 생성하기 위해 상기 하우징 내부에 상기 혼합유체를 공급하는 유체 공급 수단을 포함하는 대기압 플라즈마 표면처리 장치를 이용해 수행하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 결합 구조체의 제조방법.