KR20030084513A - 발광 다이오드의 플립칩 공정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 플립칩 공정방법에 대해 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법은, 발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판상에 전극층을 형성하는 단계와; 상기 전극층을 둘러싸는 SiO₂의 절연막 댐을 생성하는 단계와; 상기 절연막 댐내의 솔더 패턴에 따라 솔더를 제공하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 서브마운트 전극상에 솔더를 형성함에 있어 상기 솔더 패턴을 다양화하여 표면 장력에 의해 솔더의 흘러내림을 방지하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명에 따른 발광 다이오드의 플립칩 공정은 Au/Sn 공융 솔더를 이용하여 발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판 위에서 플립칩 적용하는 것으로 플립칩 본딩 시 솔더의 흘러내림을 방지하여 열전도성이 좋게 하여 열을 하단의 서브마운트로 방출하게 하고, 발광 다이오드 소자의 신뢰성 및 특성을 개선할 수 있다.

Description

발광 다이오드의 플립칩 공정방법{METHOD OF FLIP-CHIP FABRICATION OF DIODE}

본 발명은 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법에 관한 것으로서, 특히 플립칩본딩 시 솔더볼의 흘러내림을 방지할 수 있는 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법에 관한 것이다.

최근들어 반도체 소자에 대한 고밀도 집적화기술이 발전되고 수요자들이 보다 컴팩트한 전자제품을 선호함에 따라 표면실장기술(SMT)이 널리 사용되고, 반도체 소자의 패키징 기술도 BGA(Ball Grid Array), 플립칩 본딩 등 설치공간을 최소화하는 기술이 채택되고 있다.

이와 같은 기술이 채택된 반도체 소자들을 PCB기판상에 접속하기 위해서는 솔더볼(solder ball)을 이용한다. 예컨데, BGA 패키지는 그 배면에 다수의 솔더볼 안착홀이 형성되어 있고, 전자제품 생산공정에서 PCB상에 패키지를 부착하기 위해 솔더볼 안착홀에 솔더볼을 안착하고 노(furnace)로 이송하여 이를 접속한다.

즉, 전자제품의 고성능화와 병행하여 소형화, 경량화된 외형에 더 많은 기능을 부가하는 추세에 따라 최근의 전자제품의 형상이나 실장방법도 와이어를 통한 삽입 실장형에서 표면실장형으로 변화되고 있는데, 표면실장형은 집적회로의 하부에 솔더볼을 배치하여 기판에 직접 접합한다.

따라서, 표면실장기술을 이용하면 직접회로칩 크기의 3배 이상인 현재의 실장 능력을 칩 크기의 1.2배 정도로 줄일 수 있어 일정한 칩 크기를 접합하기 위하여 요구되는 프린트 기판의 면적을 약 9분의 1로 줄일 수 있다. 이러한 표면실장기술에 사용되는 솔더볼을 제조하는 기술은 솔더볼의 크기가 작기 때문에 일반적인 가공방법으로는 제작하기가 어렵고, 진원의 형상과 균일한 크기가 특성을 유지하기 어렵다.

더욱이 솔더볼의 제조공정들을 매우 복잡하고, 수율이 낮아서 양산에 어려움이 많으며, 지속적인 전자산업의 발달과 더불어 소형화되고 있는 솔더볼의 크기를 정밀하게 만들 필요가 있다.

한편, 솔더볼을 제조하는 방법으로는 와이어 커팅방법, 디스크 커팅방법 및 펄스 미립화 방법 등이 있다. 상기 와이어 커팅방법은 와이어를 절단하여 가열로를 거치면 용융솔더 즉, 액체상태의 솔더가 된다. 액체상태의 솔더는 액체의 표면장력에 의하여 구형으로 변하게 되며, 이것을 다시 냉각시켜 솔더볼을 만드는 기술이다. 이러한 와이어 커팅방법은 재료로부터 포장까지 34공정을 요하는 번잡한 기술이다.

상기 디스크 커팅방법은 펀치로 판재의 솔더로부터 디스크를 일정한 크기로 만든 후 와이어 커팅방법에서와 같이 가열하여 솔더볼을 만드는 방법이다. 이러한 디스크 커팅방법은 19개의 공정으로 되어 있어 와이어 커팅공정보다는 개선되었으나 여전히 공정이 많을 뿐만 아니라 복잡하며, 제품의 크기, 진원도, 직경, 물성 등이 균일하여 생산성이 떨어지고 특히, 소형화되고 있는 솔더볼 크기의 감소 추세에 부응하기 어렵다.

상기 펄스 미립화방법은 용융로속에서 진동장치로 용융 솔더에 교란을 주어 이 교란에 의해 노즐로부터 흘러 나오는 용융액체를 구형화하는 기술이다. 이 방법은 상기한 커팅방법과 비교하여 개선된 기술이며, 공정수도 9단계로 축소시킨 방법이다. 그러나, 이 펄스 미립화방법은 용융로속의 용융솔더의 온도분포에 따라 영향을 받으며, 용융로 내의 마란고니 효과, 자연대류 등에 의하여 진동판에 불균일이일어날 수 있으며, 소형화 고성능화를 위해서는 용융솔더의 온도분포를 엄밀히 제어할 필요가 있다.

그리고, 상기 제조 방법들에 의해 형성되는 솔더볼의 본딩 공정을 설명하기로 한다.

도 1은 종래에 따른 Au/Sn형 솔더의 다이 본딩 공정을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, Au/Sn 솔더는 레이저 다이오드 소자의 서브마운트상의 다이 본딩 및 광통신용 파이버와의 능동 정렬 결합 공정에 적용되어 광부품이 접합에 가장 우수한 특성을 보이는 솔더이다.

또한, 도 2는 종래에 따른 납/주석 리플로우형 솔더볼의 본딩 공정을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 납/주석 솔더는 전기적인 패키지에 가장 널리 쓰이며 솔더볼을 이용하여 소자와 서브마운트 칩간에 플립칩 본딩을 한다. 솔더 볼을 형성하기 위해서 패턴 공정, 접착개선막, 확산방지막 및 도금, 리플로우 공정 등을 거쳐 솔더볼 형태로 소자나 마운트 위에 형성되며 이러한 납, 주석 계열의 솔더볼 플립칩 본딩은 흘러내림 발생이 없으며 기계적 강도가 우수한 특성을 보인다.

도 3은 종래에 따른 스터드 범프 공정을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 골드 스터드 범프 공정은 플립칩 범프 본더 장비에 의해 비교적 용이하게 발광다이오드 소자와 마운트간 플립칩 공정을 할 수 있는 장점이 있다.

여기서, 상기 납/주석계열의 플립칩 본딩은 공정 표준화 및 기계적 강도가 우수한 특성이 있으나 솔더볼을 형성하는 과정이 상대적으로 복잡하며 납계열이므로 본질적으로 환경규제 물질을 사용해야 하는 단점이 있다. 또한, 솔더 산화막을제거하는 액체상태의 플럭스를 필요로 하며 이것을 환경 유해 물질에 속하며 동시에 잔류 유기물에 의한 오염의 문제도 된다. AU 스터드 범프 공정의 경우 환경 오염 및 공정의 복잡성 문제는 없으나 추가적인 장비의 구입 문제가 발생된다.

또한, 상기 Au/Sn솔더를 이용한 플립칩 본딩은 발광 다이오드와 서브마운트간 플립칩 공정시 전극과 전극 사이의 솔더가 본딩 시에 액체상태이기 때문에 솔더가 전극이외의 한쪽 방향으로 흘러내리게 된다. 따라서, 이는 외관상 문제가 생기고, 심각한 경우 절연막 이외의 PN전극간 쇼트가 일어나게 되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, Au/Sn 공융 솔더를 이용하여 발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판 위에서 플립칩 적용하는 것으로 플립칩 본딩 시 솔더의 흘러내림을 방지하는 발광 다이오드 소자의 플립칩 공정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래에 따른 Au/Sn형 솔더의 다이 본딩 공정을 도시한 도면.

도 2는 종래에 따른 납/주석 리플로우형 솔더볼의 본딩 공정을 도시한 도면.

도 3은 종래에 따른 스터드 범프 공정을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 플립칩 공정시 Au/Sn 솔더에 절연막 댐을 형성하여 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 Au/Sn 솔더의 흐름 방지를 위한 절연막 댐의 형상 패턴을 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

401 --- 서브마운트 기판 402 --- 전극층

403 --- Au/Sn 솔더 404 --- 절연막 댐

405 --- 발광 다이오드

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법은,

발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판상에 전극층을 형성하는 단계와;

상기 전극층을 둘러싸는 SiO₂의 절연막 댐을 생성하는 단계와;

상기 절연막 댐내의 솔더 패턴에 따라 솔더를 제공하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 서브마운트 전극상에 솔더를 형성함에 있어 상기 솔더 패턴을 다양화하여 표면 장력에 의해 솔더의 흘러내림을 방지하는 점에 그 특징이 있다.

이와같은 본 발명에 의하면, Au/Sn 공융 솔더를 이용하여 발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판 위에서 플립칩 적용하는 것으로 플립칩 본딩 시 솔더의 흘러내림을 방지할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 플립칩 공정시 Au/Sn 솔더에 절연막 댐을 형성하여 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 서브마운트 기판(401)상에 전극층(402)을 적층한 후, 상기 전극층(402)을 둘러싸는 SiO₂의 절연막 댐(404)을 형성하고, 상기 절연막 댐(404)내에서 솔더 패턴을 따라 Au/Sn 솔더(403)를 적층하여 발광 다이오드(405)를 접착하여 구성된다.

먼저, 상기 서브마운트 기판(401)상에 상기 Au/Sn 솔더층을 제공하기 전에 본딩 시에 결합력 및 결합양상의 패턴 의존성 정도를 고려한 포토마스크 패턴설계가 수행된다(S401).

이어서, 상기 서브마운트 기판상에 전극층(402)을 접착하는 단계를 수행한다 (S402). 상기 전극층(402)을 접착한 후에, 상기 전극층(402)을 둘러싸는 형태의 SiO₂의 절연막 댐(404)을 생성하는 단계가 수행된다(S403). 이는 이후에 제공되는솔더가 흘러내리지 않도록 하기 위함이다.

여기서, 상기 SiO₂절연막 댐은 접착되는 LED의 사이즈나 그 형태에 따라 다층의 구조 등을 형성하여 제공할 수 있다.

이어서, 상기 생성된 SiO₂절연막 댐(404)내에서 솔더 패턴을 형성하고, 그 위에 상기 발광 다이오드 소자를 본딩하기 위해 솔더를 제공하는 단계를 수행된다 (S404). 여기서, 상기 솔더는 Au/Sn 솔더층을 이용하여 본딩을 하게 되는데, 상기 솔더층은 융점에서의 용융현상에 의존하므로 레이어의 패턴밖으로 솔더의 흐름이 쉽게 발생된다.

따라서, 상기에서 언급된 바와 같이, 상기 Au/Sn 솔더가 제공된 후, 상기 솔더가 패턴밖으로 흘러내리는 것을 방지하기 위해 상기 SiO₂의 절연막 댐(404)을 생성하는 단계(S403)가 제공되는 것이다.

여기서, 상기 SiO₂절연막 댐(404)은 솔더의 흘러내림을 막아 주면서 솔더의 흘러내림으로 인한 쇼트의 가능성을 훨씬 낮출 수 있고, 흐름방지의 개선 효과를 바탕으로 실제 제너 다이오드와 같은 서브마운트상에 제작하면 SiO₂절연막이 블럭 댐 역할을 하게 된다. 또한, 상기 SiO₂절연막 댐의 효과를 극대화하기 위해 절연막 패턴을 다층 구조로 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 Au/Sn솔더의 흐름 방지를 위한 절연막 댐의 형상 패턴을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 Au/Sn 솔더를 이용한 플립칩솔더 패턴 종류로는 결합양상을 고려한 솔더 패턴과 결합력증대를 고려하여 솔더의 면적을 증가시킨 벌크한 솔더 패턴형, 발광소자와 서브마운트 전극간을 고려한 인터 커넥션 솔더 패턴형, 그리고 다 패턴형 솔더 등으로 구성된다.

또한, 상기 플립칩 공정을 이용해 발광 다이오드와 실리콘 서브마운트의 플립칩 본딩 시에는 칩의 정렬 오차를 줄이기 위한 발광소자 패턴 사이즈를 고려한 서브마운트 패턴 설계가 필요하며 제작된 마스크 패턴에 따라 서브마운트 칩과 발광 다이오드 칩과의 결합도와 솔더의 흐름이 없는 최적 패턴을 고려하여 설계한다.

상기 패턴을 다양화하여 솔더와 솔더가 표면장력에 의해 자체적으로 칩간의 결합 시 솔더의 흐름을 방지하게 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 발광 다이오드의 플립칩 공정은 Au/Sn 공융 솔더를 이용하여 발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판 위에서 플립칩 적용하는 것으로 플립칩 본딩 시 솔더의 흘러내림을 방지하여 열전도성이 좋게 하여 발생되는 열을 하단의 서브마운트로 방출하게 하고, 발광 다이오드 소자의 신뢰성 및 특성을 개선할 수 있다.

Claims (3)

1. 발광 다이오드 소자를 서브마운트 기판상에 전극층을 형성하는 단계와;

   상기 전극층을 둘러싸는 절연막 댐을 생성하는 단계와;

   상기 절연막 댐내의 솔더 패턴에 따라 솔더를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 서브마운트 전극상에 솔더를 형성함에 있어 상기 솔더 패턴을 다양화하여 표면 장력에 의해 솔더의 흘러내림을 방지하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 절연막 댐은 LED의 사이즈나 그 형태에 따라 다층의 구조를 형성하여 제공하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 플립칩 공정 방법.