KR20000005463A - 세정 방법의 사용 방법, 세정 방법, 결합 방법 및 공작 재료 쌍 - Google Patents

Abstract

추후에 접합되는 표면을 활성 수소에 노출시키면, 심지어 공기에 저장된 후에도 여전히 추가적인 수단없이 접합될 수 있도록 표면이 보호된다.

Description

세정 방법의 사용 방법, 세정 방법, 결합 방법 및 공작 재료 쌍

EP- 0 371 693으로부터 금속 표면의 결합 방법의 범위 중에 속하는 세정 방법이 공지되어 있는데, 그 세정 방법에서는 나중에 에너지의 공급만에 의해 전술된 의미의 결합을 실시하려는 결합 대상 표면을 우선 수소 함유 분위기 중에서 마이크로파 플라즈마 방전에 노출시킨다. 그러한 방법에 따르면, 표면의 결합을 위해 마련된 땜납 층을 진공을 단절시킴이 없이 플라즈마 방전에 의해 용융시킨다. 따라서, 공기와의 접촉을 회피하는 것에 의해 연이은 결합 공정에서 장애를 일으키기 쉬운 오염된 표면 피복이 방지된다.

또한, US-5 409 543으로부터 납땜 과정에 대비하여 활성 수소를 사용하는 방법이 공지되어 있다. 그러한 활성 수소의 사용에 의해, 금속 표면에서의 납땜 과정에 대비한 조처로서 산화물 층이 분리된다.

또한, EP-A-0 427 020으로부터 접합 상대 재료의 부동태 층과 산화물 층을 고주파 플라즈마 예비 처리에 의해 공정 가스로 세척하는, 즉 분리시키는 방법이 공지되어 있다. 공정 가스로서는 특히 O₂, H₂, Cl₂, N₂O, N₂, CF₄로 이루어진 가스 또는 가스 혼합물이 사용된다.

전술된 세척은 US-A-5 409 543에서와 같이 납땜 과정의 직전에 실시되는 것이 아니기 때문에, 접합 상대 재료를 보호용 중간 저장소에 보관해야 하고, 그를 위해 보호 가스 하에 있는 적절한 용기를 마련하여 오염을 방지한다.

본 발명은 청구항 1에 따른 사용 방법, 청구항 2의 전제부에 따른 세정 방법, 청구항 3 또는 청구항 17의 전제부에 따른 결합 방법 및 청구항 14 또는 청구항 16에 따른 공작 재료 쌍 또는 청구항 15에 따른 공작 재료에 관한 것이다.

정의 :

밀접 결합 방법이란 접합(용접 또는 납땜) 및 접착을 의미한다. 표면은 금속의 표면, 특히 Cu, Ni, Ag, Au, Pd, Si의 표면이거나, 에폭시계 플라스틱 또는 에스터계 플라스틱과 같은 플라스틱의 표면일 수 있다. 그러한 표면은 흔히 산화물, 질화물 또는 폴리이미드에 의해 피복된다. 상기 결합을 위한 에너지는 근본적으로 열에 의한 형식으로 공급되고, 예컨대 가열된 공구, 주울 열(Joule heat), 자외선에 의해 또는 바람직하게는 초음파에 의해 결합 대상 표면에 공급되거나 접착 시의 반응 에너지에 의해 공급된다.

부동태화 또는 부동태 처리 : 슈투트가르트에 소재한 프랑크흐쉐(Franckh'sche) 출판사의 룀프스(Rompps) 화학 용어 사전, 제8판, 제3005면 참조.

부동태화란 모체의 표면에 종속되는 보호물을 피복하는 것을 의미한다. 청결한 모체의 표면은 대기 중의 공기의 영향으로부터 보호되어야 한다. 그것은 예컨대 산화물 층 또는 질화물 층의 형성에 의해 이루어진다. 전술된 형식의 결합을 이루기 위해서는, 우선 그러한 층이 오로지 그 목적으로 도입되는 에너지에 의해, 예컨대 고유의 결합 과정에 요구되는 것보다 더 높은 온도의 도입에 의해 분리되거나, 화학적으로 예컨대 플럭스(flux)의 사용에 의해 분리되어야 한다.

전술된 부동태화는 결합 시에 추가의 에너지에 의한 층의 분리를 해야 할 필요가 없는 보존화(보존 처리)와는 근본적으로 상이하다. 그러한 보존화는 본 발명과 관련하여, 그리고 본 발명에 의해 최초로 인지된 것이다.

본 발명은 집적 회로(IC)의 패킹에 사용되는 것이 특히 바람직하다.

소위 집적 회로의 패킹은 전술된 의미에서의 표면의 결합을 포함하는 다수의 작업 과정으로 구분된다:

1. 개개의 집적 회로를 실리콘 웨이퍼로부터 절단하고, HLST(반도체 시스템 지지체)에 장착하여 그에 결합시킨다(소위 다이 접합; die bonding). HLST의 표면은 통상적으로 구리, 니켈, 은 또는 금으로 이루어지거나, 에폭시계 재료, 일반적으로는 플라스틱으로 이루어진다. 그러한 HLST는 예컨대 스탬핑되거나 에칭된 금속제의 리드 프레임, 세라믹 기판 또는 플라스틱제의 볼 그리드 어레이(BGA; ball grid array) 기판 지지체이다. 결합 방법으로서는 경납땜, 연납땜 및 접착이 사용된다. 플립 칩 납땜 공정(flip chip soldering process)에서는 집적 회로를 기하학적으로 분할된 땜납 볼에 의해 HLST에 장착시키는데, 그 땜납 볼은 동시에 I/O 접점으로서 사용된다.

2. 집적 회로를 HLST, 예컨대 리드 프레임에 있는 접촉 지점과 결합시킨다: 결합에 참여하는 표면은 Al, Au, Cu, Ni, Pd와 같은 금속으로 이루어진다. 그 경우, 결합 기술로서는 주로 납땜 또는 용접이 사용되는데, 그 중에서도 특히 플럭스의 투입이 없는 납땜 또는 초음파 용접이 사용된다.

본 단계는 와이어 접합(wire bonding)으로서 지칭된다.

3. 성형(moulding) : 본 방법 단계에서는 와이어 접합 후에 HLST, 예컨대 리드 프레임 상에서 회로를 성형물에 의해 성형하는데, 성형물에 의한 성형에 참여하는 것은 HLST의 표면과 집적 회로이다.

이하, 본 발명을 바람직한 특정의 실시예에 의거하여 그 적합한 실시 형식 및 청구항 4 내지 청구항 13에 개시된 바와 같은 사용 방법과 함께 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면 중에서,

도 1 은 후술될 시험에 사용되는 것과 같은 본 발명에 따른 설비의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고;

도 2는 동일한 패킹 유닛으로부터 나온 것으로서, 패킹 재료까지의 간격이 상이한 연납땜 기판의 2개의 리드 프레임 표면의 오거 스펙트럼(Auger spectrum)을 나타낸 도표이며;

도 3은 연납땜 결합을 하기 위한 표면의 오거 스펙트럼으로서, (a)는 예비 처리되지 않은 표면의 오거 스펙트럼을, (b)는 본 발명에 따라 예비 처리된 표면의 오거 스펙트럼을, (c)는 본 발명에 따라 예비 처리된 이후에 공기에 노출된 표면의 오거 스펙트럼을 각각 나타낸 도표이고;

도 4는 와이어 접합되는 결합 부위의 전단 하중 및 인장 하중을 정의하기 위한 개략적인 도면이며;

도 5는 은 도금된 리드(접점)를 구비하고 본 발명에 따라 처리되어 공기에 저장된 후에 초음파에 의해 와이어 접합된 쿼드 플랫 팩(QFP; quad flat pack) Cu 리드 프레임의 표면의 인장 부하 능력을 본 발명에 따른 결합 대상 표면의 와이어 접합을 위한 처리 시간 및 본 발명에 따른 표면 처리에서의 압력의 함수로 나타낸 도표이고,

도 6은 예비 처리되지 않고 초음파에 의해 접합된 표면 및 본 발명에 따라 예비 처리되어 저장된 후에 초음파에 의해 접합된 표면의 인장 부하 능력을 접합 온도의 함수로 나타낸 도표이다.

본 발명은 제 1 측면에서 전술된 형식의 세정 방법이 근본적으로 표면을 여기된 수소를 수반하는 분위기, 바람직하게는 진공 분위기 중에서 세정하여 공기에 대해 보존 처리할 수 있다는 점을 그 기초로 하고 있다. 그러한 보존 처리에 의해, 세정 이후 및 공기에서의 결합 이전에 표면을 전술된 결합 성능에 관련된 단점을 일으킴이 없이 보관할 수 있다: 즉, 나중에 실시되는 결합이 세정 단계의 진공 중에서 직접 결합을 실시하는 경우 또는 일반적 방식으로 표면을 공기에 노출시킴이 없이 결합을 실시하는 경우에 비해 질적으로 덜 열악해진다.

나중에 전술된 의미의 결합을 실시하려는 결합 대상 표면에 대해 적용되는 세정 방법은 흔히 관련 부분의 열 부하 능력에 의해 한계에 부딪친다. 특히, 결합 대상 표면 중의 하나가 전술된 집적 회로의 면인 경우가 바로 그러하다.

전술된 IC 패킹의 모든 공정은 특히 비용상의 이유로 특정의 HLST 재료를 사용해야 할 경우에는 그러한 열 부하에 취약하다. 유기 HLST 재료는 높은 온도에 노출되어서는 안된다. 또한, 집적 회로의 전기 접속부의 수는 지속적으로 증가되고 있는 동시에 접속 와이어의 횡단면은 축소되고 있는 추세에 있고, 그 때문에 개개의 결합의 높은 재현 가능성이 보장되어야 한다.

본 발명은 제 2 측면에서 전술된 기본 형식의 세정 방법으로부터 출발하여 결합의 높은 재현 기능성을 보장함과 동시에 효율적으로 여기되는 수소를 생성하고, 그와 함께 처리 표면의 열 부하를 최대한으로 낮게 유지시키는 것을 그 목적으로 하고 있다. 그러한 목적은 플라즈마 방전을 사용하여 수소를 활성화시킬 경우에 바람직하게는 그 플라즈마 방전을 저압 방전으로서 실현시키는 것에 의해 달성된다. 그러나, 수소는 에너지 또는 파장이 특정된 방사선, 특히 자외선에 의해 여기되는 것과 같이 다른 형식으로 여기될 수도 있다.

정의:

저압 방전이란 음극/양극의 전구간에 걸쳐 직류 방전이 이루어지고, 음극이 열전자 음극(가열 음극)으로서 작동되는 플라즈마 방전을 의미한다.

본 발명은 제 3 측면에서 바람직하게는 진공 공정으로 사전에 세정되어 본 발명에 따라 보존 처리된 표면을 전술된 결합 공정의 실시 이전에 공기에 노출시키는 서두에 언급된 형식의 결합 방법에 관한 것이다. 그러한 결합 방법에서는 제작의 융통성이 높아진다는 사실을 자연히 알 수 있을 것이다.

본 발명에 의해 제공되는 본 발명에 따른 공작 재료 쌍은 청구항 14 또는 청구항 16에 정의되어 있고, 본 발명에 따른 공작 재료는 청구항 15에 정의되어 있다.

다소의 거리가 있지만, 본 발명과 관련하여 다음의 문헌들이 참조될 수 있다:

- 경화 방법과 관련하여 음극선을 표면에 추진시켜 경질 층을 생성하는 방법을 개시하고 있는 연구 보고서 307 107;

- 플라즈마 방전, 바람직하게는 고주파 플라즈마 방전에 의해 세정하려는 대상물로서, 기계적 부하가 걸린 개폐기의 접촉면을 수소, 산소, 육불화탄소 등을 함유한 분위기 중에서 세정하는 방법을 개시하고 있는 GB-2 131 619;

- 고고학적 금속 발굴물의 표면을 수소 함유 분위기 중에서 플라즈마 방전으로 보존 처리하는 방법을 개시하고 있는, 플라즈마 화학 및 플라즈마 처리(Plasma Chemistry and Plasma Processing) 제8권 제4호(1988)에 수록된 에스. 베프렉(S. Veprek) 등의 "저압 플라즈마 처리에 의한 고고학적 금속 가공품 복원의 최신 발전(Recent progress in the Restoration of Archeological Metallic Artifacts by means of Low-Pressure Plasma Treatment)";

- Pb-Sn 납땜을 수소 함유 분위기 중에서 마이크로파 플라즈마로 처리하는 방법을 개시하고 있는, 미국 진공 학회(American Vacuum Society)의 진공 과학 기술 저널(J. Vac. Sci. Technol.) A8(3)(1990. 5/6)에 수록된 케이 피커링(K. Pickering) 등의 "플럭스의 투입이 없는 플립 칩 납땜 접합을 위한 수소 플라즈마(Hydrogen plasma for flux free flip-chip soldering bonding)";

- 수소 흡착에 의해 귀금속 표면이 부동태화되는 것을 확인하고 있는, 퍼가몬, 진공(Pergamon, Vacuum) 제47권 제1호(1995)에 수록된 브이. 츄코프(V. Zhukov) 등의 "은 단결정 표면에의 수소와 백금의 공동 흡착(Coadsorption of hydrogen and potassium on silver single crystal surface)";

- 땜납 표면의 산화물이 산불화물로 변화되고, 그에 의해 공기에 대핸 높은 수준의 부동태화가 이루어져 처리 표면이 리플로우(reflow) 결합 이전에 1주일까지 공기에 저장될 수 있음을 개시하고 있는, 제43회 전자 부품 및 기술 회의(Electronic Components and Technology Conference; ECTC'93)의 1993년 국제 학회 회의록(카탈로그 번호 93CH3205/2)에 수록된 엔. 쿠프만(N. Koopman) 등의 "공기 및 질소 중에서의 플럭스의 투입이 없는 납땜(Fluxless Soldering in Air and Nitrogen)".

보존 처리에 사용되는 본 발명에 따른 세정 방법 및 본 발명에 따라 제안되는 결합 방법은 수소의 플라즈마 활성화에 의해 실시될 경우에는 근본적으로 DC 주파수, AC 주파수, 마이크로파 주파수까지에 이르는 주파수 또는 혼합된 주파수AC+DC로 유지되는 플라즈마 중에서 실시될 수 있다.

그러나, 그러한 플라즈마에는 저압 아크 방전이 사용되는 것이 바람직하다. 바람직하게 사용되는 형식의 설비는 예컨대 다음의 문헌들에 공지되어 있다:

- US-5 384 018에 대응되는 DE-OS-43 10 941;

- EP-478 909에 대응되는 DE-40 29 270 또는 US-5 336 326에 대응되는 DE-4 0 29 268;

- US-5 308 950에 대응되는 EP-510 340.

단지 일례로서 예시된 그러한 문헌들은 모든 공작 재료 처리실이 저압 아크 방전 하에 있음을 개시하고 있다. 그러한 문헌들은 처리실의 구성과 관련하여 본 명세서에 통합되는 일부분을 형성한다.

도 1 에는 본 발명에 따라 사용되는 바람직한 설비가 도시되어 있다. 음극실(1) 속에는 열전자 음극(3)이 절연된 채 장착된다. 음극실(1)의 일부분(17)은 셔터 개구부(9)의 테두리를 두르고 있다. 음극실(1)은 절연 지지체(22)에 의해 처리실(11)의 벽에 장착된다. 음극실(1) 및 처리실(11)에 대해 부동 전위가 걸린 채 작동되는 스크린(20)은 암실 간격(d)을 두고 바로 셔터 개구부(9)의 구역에 이르기까지 음극실의 일부분(17)을 둘러싼다. 열전자 음극(3)은 전원(24)에 의해 열전류(I_H)로 작동되고, 전압원(26 및 일반적으로 지칭된 유닛(28)을 경유하여 음극실의 벽의 적어도 일부, 바람직하게는 음극실의 벽 그 자체로 안내된다. 그러한 유닛(28)전류 제한기로서의 작용을 하고, 그 유닛(28)을 통해 흐르는 전류(i)의 함수로서 전압 강하(u)를 유발한다. 그러한 유닛(28)은 점선으로 도시된 바와 같이 전류를 제어하는 전압원에 의해 실현될 수 있지만, 수동 접속 소자, 특히 저항 소자(30)에 의해 실현되는 것이 바람직하다.

전압원(26)의 양극은 참조 전위, 단위 전위 또는 미리 주어진 다른 전위가 걸린 채 작동될 수 있거나, 가변 접속 스위치(32)에 의해 순전히 개략적으로 도시된 바와 같이 전위가 걸리지 않은 채 작동될 수 있다. 마찬가지로, 처리실(11)은 음극실(1)로부터 전기적으로 절연되어 있기 때문에 가변 접속 스위치(32)에 의해 순전히 개략적으로 도시된 바와 같이 단위 전위, 참조 전위 또는 필요에 따라서는 부동 전위가 걸린 채 작동될 수 있다. 처리실의 내벽(36) 또는 그 내벽(36)의 적어도 일부는 열전자 음극(3)에 대해 양극으로서 접속될 수 있다; 그러나, 점선으로 도시된 바와 같이 전압원(4)을 경유하여 열전자 음극(3)에 대해 양극, 즉 플러스극으로서 접속되는 별개의 양극(38)을 마련하는 것이 바람직하다. 그 경우, 그러한 양극(38)은 개략적으로 도시된 공작 재료(W)용의 공작 재료 지지체로서 사용되는 것이 바람직하다. 음극실에는 가스 첨가 파이프 라인(41)을 경유하여 작업 가스, 예컨대 바람직하게는 아르곤이 공급된다. 가변 접속 스위치(35)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 처리실(11)에 전위를 인가한 이후마다 전위가 걸릴 수 있는 추가의 가스 첨가 파이프 라인(43)을 경유하여 수소 함유 가스(G), 바람직하게는 수소가 공급된다. 그러한 가스(G)는 개략적으로 도시된 밸브(52)를 경유하여 유입된다.

처리실(11) 및 필요에 따라서는 음극실(1)을 배기시키기 위해 펌프 장치(42)가 마련되는데, 음극실(1)을 별도로 배기시키기 위해 도시된 바와 같이 추가의 펌프 장치(42a)가 마련될 수도 있다. 셔터 개구부(9)를 구비한 셔터 장치는 음극실(1) 중의 압력과 처리실(11) 중의 압력과의 사이의 압력단으로서의 작용을 한다. 펌프 장치(42)에는 희석 가스, 예컨대 N₂가 첨가될 수 있다. 그에 의해, 가스 중의 수소를 4 체적 % 미만으로 감소시키거나 희석시켜서 가스를 아무런 우려가 없이 주위 환경으로 방출시킬 수 있도록 해주는 질소 흐름이 생성된다. 즉, 점화될 수 있는 폭발성 가스는 더 이상 존재하지 않는다.

수소 함유 가스(G)의 분압은 음극실(1) 중에서보다는 처리실(11) 중에서 현저히 더 높게 유지될 수 있고, 그에 의해 열전자 음극(3)의 내구 수명을 현저히 향상시킬 수 있다. 음극실(1)의 벽은 점화 전극을 형성한다: 저압 방전의 점화를 위해 열전자 음극(3)이 열전류(I_H)에 의해 가열되어 전자를 방출하고, 아르곤이 음극실(1) 중에 유입된다. 음극실(1)의 벽과 음극(3)과의 사이에 간격이 있는 관계로, 방전의 점화는 음극(3)에의 전위 인가에 의해 실시되고, 그에 따라 전류(i)가 유닛(28), 특히 저항(30)을 통해 흐르게 된다. 따라서, 사전에 점화 값으로 놓여 있던 음극실 벽(17)의 전위(Φ_Z)가 감소되고, 그로 인해 음극실(1)의 벽이 작업 시에 단지 무시될 수 있는 정도의 양극으로서만 작용하여 1차 방전이 개구부(9)를 구비한 셔터 장치를 통해 처리실측의 양극(38)으로 이동된다.

도 1에 도시된 바와 같은 처리실에 의해 결합 대상 공작 재료의 표면이 처리된다. 그러한 처리에는 예컨대 다음의 것들이 적용될 수 있다:

- 예컨대 Cu, 니켈 도금된 Cu, 은 도금된 Cu로 이루어진 금속제의 연납땜용 리드 프레임,

- 볼 그리드 어레이(BGA), 예컨대 에폭시계 또는 에스터계 멀티 칩 모듈(MCM; multi chip module) 및 인쇄 칩 기판(PCB; printed chip board)과 같은 유기 HLST 재료,

- 예컨대 Cu, 은 도금된 Cu, Pd 도금된 Cu로 이루어진 금속제의 쿼드 플랫 팩(QFP),

- 유기 HLST 재료 및 예컨대 은 도금된 Cu, 금 도금된 Cu, Au로 이루어진 QFP용 도체 트랙의 금속화,

- 예컨대 AgSn, PbSn, PbSnAg로 이루어진 땜납점이 형성되어 있는 플랫 칩으로서의 반도체 기판 지지체,

- 예컨대 산화알루미늄으로 이루어진 세라믹계 HLST 재료,

- 예컨대 질화규소, 산질화규소, 폴리이미드로 이루어진 칩의 표면 보호 층.

처리 공정의 설명

후술될 시험에 사용되는 도 1에 따른 처리실의 체적은 V = 60 L이다.

전술된 종류의 공작 재료를 처리실에 도입하고, 처리실을 다음과 같이 작동시킨다:

1. 약 10^-5mbar의 기준 압력으로 배기시킨다;

2. 약 150 A의 I_H로 음극(3)을 활성화시킨다;

가스 흐름을 유입한다:

- 파이프 라인(41)을 통해 아르곤을 유입한다,

흐름 Fl_Ar: 10 sccm ≤ Fl_Ar≤ 50 sccm

- 파이프 라인(43)을 통해 수소를 유입한다,

흐름 Fl_H2: 10 sccm ≤ Fl_H2≤ 50 sccm.

3. 약 10 초의 가열 시간 이후에 음극(3)과 점화 전극(17)과의 사이에 점화 전압을 인가한다. 저항(30)을 약 20 Ω으로 선택하여 그 저항(30)에 단위 전위를 인가한다. 방전의 점화(점화 전압은 약 20 V 내지 30V) 이후에 음극(3)과 양극(38)과의 사이의 방전 전압을 40 A의 방전 전류에서 약 25 V로 설정하는데, 단위 전위가 걸린 용기 벽(11)을 양극(38)으로서 사용할 경우에는 용접 발전기를 사용하여 그와 같이 설정하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 이온 및 여기된 중성자가 생성되는데, 그것이 바로 전형적인 플라즈마 방출의 간접적 증거이다. 그와 같이 생성된 플라즈마로 처리 대상 공작 재료를 표면 처리한다. 수소 휘발성 화합물을 오염물과 함께 펌프 장치(42)에 의해 배기시킨다.

작업 압력은 약 6·10^-3mbar이다.

공작 재료를 단위 전위로 유지시킴과 함께 부동 전위 또는 참조 전위를 인가한 채 플라즈마 처리할 수도 있다. 전술된 저압 방전에서 단위 전위에 대한 공작 재료의 전위를 〈 30 V로 매우 낮게 하는 것에 의해, 소위 스퍼터링 시에 발생되는 바와 같이 재료가 공작 재료에 재용착되는 문제점 및 특히 전기적 전위차에 취약한 IC가 파괴되는 위험이 모두 배제된다. 세정 및 보존 처리는 전적으로 화학 공정에 의해 실시되는데, 그 화학 공정은 적절한 전위가 인가된 공작 재료에서는 전자에 의해, 또는 부동 전위로 작동되는 공작 재료에서는 이온 및 전자에 의해 실현된다.

플라즈마 중에 둘러싸이는 다수의 전자는 높은 반응성 및 그에 따른 짧은 처리 시간을 보장해주고, 그것은 본 발명에 따라 제안되는 방법의 경제성에 결정적인 기여를 한다. 그러한 방법의 다른 장점은 플라즈마가 매우 작은 중공 공간에 침투할 수 있다는 점에 있다. 그에 의해, 공작 재료가 해당 카세트 또는 매거진으로부터 빼내어질 필요가 없이 처리될 수 있어 매우 경제적이다.

결과:

도 2에는 다음의 것들의 오거 다이어그램이 도시되어 있다:

- (a) 패킹 재료와 접촉된 후의 미처리된 연납땜 결합용 리드 프레임의 구리 표면;

- (b) 동일한 패킹 유닛의 내부에 있지만, 패킹 재료와 접촉되지 않은 미처리된 연납땜 결합용 리드 프레임의 구리 표면.

패킹 재료와 접촉하고 있는 리드 프레임의 표면(a)은 오염이 매우 심하기 때문에 실제적으로 납땜될 수 없다.

도 3에는 다음의 것들의 오거 다이어그램이 도시되어 있다:

- (a) 미처리된 연납땜 결합용 리드 프레임의 표면;

- (b) 가공 직후에 전술된 방법에 따라 처리된 연납땜 결합용 리드 프레임의표면;

- (c) 약 1 시간 이상 동안 공기 중에 저장한 후의 곡선 (b)에 따른 연납땜 결합용 리드 프레임의 표면.

도 3으로부터 한편으로 미처리된 표면의 오거 다이어그램과 다른 한편으로 처리된 다음에 공기에 노출된 표면의 오거 다이어그램이 거의 구별되지 않음을 알 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 세정되지 않은 금속 표면의 오거 다이어그램과 전술된 방법에 따라 세정된 후에 다시 공기 중으로 옮겨진 금속 표면의 오거 다이어그램이 거의 구별되지 않음에도 불구하고, 땜납은 세정되지 않은 리드 프레임의 경우에서보다는 후자의 경우에 더 양호하게 적셔지고, 그에 의해 반도체와 지지체와의 사이에 밀접한 결합이 이루어진다. 그러한 세정의 효과는 와이어 접합 시의 부하 능력에 관한 양호한 결과로부터 정량적으로 매우 명료히 예시될 수 있다.

도 4에는 와이어 접합에 관한 시험 요건이 정의되어 있다. 표면의 결합 부위(5)가 리드 프레임(7a) 또는 칩(7b)의 표면과 결합되는 가느다란 와이어(3)의 하중 F_S는 전단 하중을 지시하는 반면에, 하중 F_P는 인장 하중을 지시한다.

은 도금된 Cu 리드를 구비한 QFP 리드 프레임의 표면으로서, 도 3의 (a)와 유사한 미처리된 표면과 도 3의 (c)에 따라 처리된 표면을 와이어 접합한다.

접합 파라미터로서는 100 ㎑의 초음파 주파수와 약 150 ℃의 접합 온도가 사용된다(도 6을 함께 참조).

도 3의 (a)에 따른 표면은 그와 같이 낮은 온도에서는 실제적으로 접합될 수 없는 반면에, 도 3의 (c)에 따른 표면의 경우에는 플라즈마 처리 시간 및 가스 유입 이전에 도 1에 따른 처리실을 배기시킨 후에 설정되는 초기 압력에 의존하여 변하는 도 5에 따른 인장 부하 능력이 부여된다. 한편으로, 도 5로부터 부하 능력이 처리 시간의 증가에 따라 미세한 정도로만 증가하고, 그 때문에 2 분 이하의 매우 짧은 처리 시간에서도 이미 두드러진 결과가 제공됨을 알 수 있다.

초기 압력과 관련하여서는, 예컨대 10^-3mbar로 압력을 상승시켜도 인장 부하 능력에는 미세한 영향만이 미쳐지고, 그 때문에 초진공 펌프용으로 사용되는 설비에 드는 비용이 감소될 수 있음을 알 수 있다.

도 6에는 도 3의 (c)에 따라 초음파 접합된 표면의 인장 부하 능력이 접합 온도의 함수로 도시되어 있는데, 초음파 접합은 도 3의 (a)에 따른 미처리된 표면도 접합될 수 있도록 강력하게 추진된다. 한편으로, 본 발명에 따라 처리된 표면의 경우에는 미처리된 동일한 공작 재료 표면의 경우에 비해 실질적으로 낮은 접합 온도로도 현저히 높은 인장 하중 능력을 얻는데 충분한 것을 명확히 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 처리된 표면의 접합 품질은 온도에 거의 의존하지 않고, 그 때문에 접합 시에 온도 제어에 드는 비용이 현저히 감소될 수 있다. 본 발명에 따라 낮은 접합 온도가 사용될 수 있다는 점은 예컨대 ≤ 150 ℃의 낮은 온도에서 접합되어야 하는 유기 재료로 이루어진 볼 그리드 어레이 HLST의 접합에 매우 중요한 의미를 부여한다.

도 6에서 채용될 수 있는 본 발명에 따른 접합 온도는 통상적으로 사용되는 접합 온도보다 현저히 더 낮다. 현재로서는, 금속 표면이 수소에 의해 포화되면, 표면 위의 오염물이 분리되어 실질적으로 수소 표층으로 부유되고, 그에 따라 오거 다이어그램(오거 다이어그램에서는 수소의 존재를 입증하는 것이 불가능하거나 간접적으로 어렵게 입증될 수 있을 뿐임)에서의 오염물의 특성 곡선이 마치 세정되지 않은 것처럼 보이지만, 접합 또는 결합의 경우에는 질적으로 매우 양호하게 세정된 것으로 나타나는 현상에 의해, 본 발명에 따른 처리가 보존 처리를 실현시킨다고 추정할 수밖에 없다. 접합 시에 결합 에너지, 예컨대 초음파를 공급하면, 보존된 수소 화합물이 매우 용이하게 파괴되어 결합하려는 순수한 금속 표면이 개방된다.

도 3의 (c)에 따른 도표는 도 5 및 도 6 에 따른 양질의 결합 능력과 함께 도 3의 (a)에 따른 표면 쌍 및 도 6에 따른 그 표면 쌍의 열악한 결합 능력에 비해 우수한 본 발명에 따른 표면 쌍의 특징을 명확히 보여주고 있다.

세정되지 않은 HLST에서는 접합된 와이어의 인장 하중 값이 5 cN 미만을 나타내는 반면에, 본 발명에 따라 표면 처리된 경우에는 6 cN을 초과하는 값이 관측된다. 대부분의 경우, 결합 부위의 파단이 일어나기 이전에 와이어가 파단된다.

또한, 의도하는 결합을 위해 실시되는 표면 처리가 전술된 집적 회로 패킹 공정의 다른 단계에서도 매우 양호하게 작용하는 것으로 나타났다. 플라스틱계 HLST 재료의 경우에도, 단지 성형만 한 후에는 성형물이 단지 불충분하게만 HLST에 부착되지만, 본 발명에 따라 특히 플라즈마에 의해 활성화된 활성 수소 중에서 예비 처리되면 성형물과 활성 수소 중에서 세정된 HLST 표면과의 사이에 밀접한 결합이 이루어지는 것으로 관측되었다. 그 경우, 활성 수소로 처리됨에 따라 보존 처리 효과도 얻어짐을 관측할 수 있었다. 즉, 처리된 HLST는 세정된 후에 여러 날, 예컨대 5일이 지난 다음에도 양호하게 접합되고 성형될 수 있다.

Claims (18)

1. 표면을 활성 수소를 수반하는 분위기 중에서 세정하여 공기에 대해 보존 처리하는 세정 방법을 나중에 밀접하게 결합시키려는 표면에 사용하는 방법.
2. 표면을 수소 함유 분위기 중에서 플라즈마 방전에 노출시키는, 나중에 결합시키려는 표면의 세정 방법에 있어서, 플라즈마 방전을 저압 방전으로서 발생시키는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
3. 표면을 우선 활성 수소를 수반하는 분위기에 노출시키고 나중에 결합시키는 표면의 밀접 결합 방법에 있어서, 표면을 밀접 결합시키기 이전에 공기에 노출시키는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 분위기 중의 수소를 플라즈마 방전 또는 광선, 특히 자외선에 의해 활성화시키는 것을 특징으로 하는 사용 방법 또는 결합 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 금속 표면, 반금속 표면 또는 플라스틱 표면, 특히 금속 표면에 대해 적용하는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 밀접 결합은 접착, 납땜, 용접 또는 성형인 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 수소를 저압 방전에 의해 여기시키는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
8. 제7항에 있어서, 저압 방전을 전자 방출 음극에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 분위기는 진공 분위기이고, 수소를 바람직하게는 플라즈마 방전으로 여기시키며, 분위기는 추가의 작업 가스, 특히 아르곤을 함유하고, 바람직하게는 수소를 제외하고 작업 가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 수소를 방전 전압이 30 V 미만이고 방전 전류가 바람직하게는 10 A와 100A와의 사이에 있는 플라즈마 방전에 의해 여기시키는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 표면을 초음파 용접하는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 집적 회로를 HLST와 결합시키는 공정, 와이어 접합에 의해 집적 회로를 전기 접촉시키는 공정 또는 HLST와 결합되어 와이어 접합에 의해 접촉되는 전기 회로를 성형물로 패킹하는 공정에 적용되는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 결합시키고 위치시키려는 집적 회로와 HLST의 플립 칩을 집적 회로와 HLST의 땜납점의 용융에 의해 납땜하는 공정에 적용하는 것을 특징으로 하는 사용 방법, 세정 방법 또는 결합 방법.
14. 예컨대 실질적으로 동일한 오거 다이어그램을 나타내는 바와 같이 오염도가 실질적으로 동일한 동일 표면을 각각 구비하는 2쌍의 공작 재료 쌍 중의 어느 하나의 공작 재료 쌍에 있어서, 특히 접착, 납땜, 용접 또는 성형에 의해 동일하게 실현되는 밀접 결합에 대해 다른 공작 재료 쌍에서보다 더 높은 기계적 부하가 걸리는 것을 특징으로 하는 공작 재료 쌍.
15. 표면은 직접 생성된 공작 재료 표면보다 더 높은 수소 농도를 나타내는 재료로 이루어지고, 그러한 높은 수소 농도는 예컨대 "감쇠 전반사(attenuated total reflection)"를 수반하는 "푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infra-red spectroscopy)"(FTIR-ATR) 및/또는 "탄성 반동 검파(elastic recoil detection)"을 수반하는 "푸리에 변환 적외선 분광법"에 의해 입증될 수 있는 것을 특징으로 하는 공기 중에 저장되는 공작 재료.
16. 시효 처리되고 평탄하게 제조된 표면을 각각 구비하는 공기 중에 저장되는 2개의 공작 재료에 있어서, 시효 처리된 표면은 실질적으로 낮은 온도를 수반하는 결합 방법에 의해 시효 처리되지 않은 표면에 비해 양호하게 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 2개의 공작 재료.
17. 결합 시에 열작용에 의해 단지 150 ℃까지만 가열시킬 수 있는 2개의 공작 재료의 표면 사이의 밀접 결합 방법에 있어서, 결합을 공기 중에서 실시하는 것을 특징으로 하는 밀접 결합 방법.
18. 제17항에 있어서, 표면을 사전에 활성 수소에 노출시키는 것을 특징으로 하는 밀접 결합 방법.