KR20070053555A - Flip chip bonding structure with barrier layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배리어층이 형성된 플립 칩 실장 구조에 관한 것으로, 종래의 경우, 기판에 형성된 솔더 범프와 반도체 칩에 형성된 금속 범프가 직접 접합됨으로써, 금속 범프의 금속 성분이 솔더 범프로 확산되고 솔더 범프의 솔더 성분과 반응하여 솔더 범프 내에 새로운 금속간 화합물을 두껍게 형성하기 때문에, 솔더 범프와 금속 범프의 접합력이 약화되는 문제가 발생된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 반도체 칩에 형성된 금속 범프 상에 배리어층이 형성되고, 배리어층 상에 접합층이 형성되며, 배리어층과 접합층을 매개로 솔더 범프와 금속 범프가 접합되는 배리어층을 갖는 플립 칩 실장 구조를 제공한다. 본 발명에 따르면, 배리어층에 의해 금속 범프의 금속 성분이 솔더 범프로 확산되지 못하여 솔더 범프에 금속간 화합물이 형성되는 것이 방지되고, 접합층이 솔더 범프의 솔더 성분과 반응하되 금속간 화합물을 두껍게 형성하지 않으면서 솔더 범프의 접합 강도를 향상시키기 때문에, 배리어층과 접합층을 매개로 접합되는 솔더 범프와 금속 범프의 접합력이 향상될 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flip chip mounting structure in which a barrier layer is formed. In the related art, a solder bump formed on a substrate and a metal bump formed on a semiconductor chip are directly bonded to each other, whereby a metal component of the metal bump is diffused into the solder bump and the solder bump is formed. Since a new intermetallic compound is thickly formed in the solder bumps by reacting with the solder component, a problem arises in that the bonding force between the solder bumps and the metal bumps is weakened. In order to solve this problem, the present invention is a barrier layer formed on the metal bump formed on the semiconductor chip, a bonding layer is formed on the barrier layer, the solder bump and the metal bump is bonded through the barrier layer and the bonding layer. Provided is a flip chip mounting structure having a barrier layer. According to the present invention, the barrier layer prevents the metal component of the metal bumps from diffusing into the solder bumps, thereby preventing the formation of the intermetallic compound in the solder bumps, and the bonding layer reacts with the solder components of the solder bumps, thereby increasing the intermetallic compound. Since the bonding strength of the solder bumps is improved without forming, the bonding force between the solder bumps and the metal bumps bonded through the barrier layer and the bonding layer can be improved.
플립 칩, 솔더 범프, 금속 범프, 배리어층, 접합층 Flip chip, solder bump, metal bump, barrier layer, junction layer
Description
도 1은 종래기술에 따른 플립 칩 실장 구조를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a flip chip mounting structure according to the prior art.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플립 칩 실장 구조를 나타내는 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a flip chip mounting structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3d은 본 발명의 실시예에 따른 플립 칩 실장 구조 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도들이다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating respective steps of a method of manufacturing a flip chip mounting structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 기판(substrate)10: substrate
12 : 기판 몸체(substrate body)12: substrate body
14 : 기판 패드(substrate pad)14: substrate pad
16 : 절연성 보호층(insulating protection layer)16: insulating protective layer
20 : 솔더 범프(solder bump)20: solder bump
30 : 반도체 칩(semiconductor chip)30: semiconductor chip
32 : 칩 몸체(chip body)32: chip body
34 : 칩 패드(chip pad)34: chip pad
36 : 불활성층(passivation layer)36 passivation layer
40 : 금속 범프(metal bump)40: metal bump
50 : 배리어층(barrier layer)50: barrier layer
60 : 접합층(bonding layer)60: bonding layer
100 : 플립 칩 실장 구조(flip chip bonding structure)100: flip chip bonding structure
본 발명은 반도체 소자의 실장 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 칩이 기판에 직접 실장되는 플립 칩 실장 구조에 관한 것이다. The present invention relates to a mounting structure of a semiconductor device, and more particularly, to a flip chip mounting structure in which a semiconductor chip is directly mounted on a substrate.
반도체 소자(semiconductor device)는 반도체 산업의 발전과 사용자의 고속화와 고집적화에 대한 요구에 따라 점차로 소형화되는 동시에 입출력 핀 수가 증가되고 있다. 이에 따라, 반도체 소자의 실장 기술로 플립 칩 실장 기술이 많이 적용되고 있다. 플립 칩 실장 기술은 도전성 재질의 범프를 이용하여 반도체 칩을 기판에 직접 실장하는 기술로서, 기존의 와이어 본딩(wire bonding) 기술 및 테이프 배선 기판을 이용한 탭(TAB;Tape Automated Bonding) 기술에 비하여 고속화와 고집적화 그리고 소형화 등에 있어서 우수한 효과를 갖는다. Semiconductor devices are becoming smaller and smaller according to the development of the semiconductor industry and the demand for high speed and high integration of users. Accordingly, a lot of flip chip mounting techniques have been applied as semiconductor device mounting techniques. Flip chip mounting technology is a technology that directly mounts a semiconductor chip to a substrate using a bump of a conductive material, and speeds up compared to a conventional wire bonding technology and a tape automated bonding (TAB) technology using a tape wiring board. It has excellent effects in high integration and miniaturization.
이러한 플립 칩 실장 기술에 의하여 형성되는 종래기술에 따른 플립 칩 실장 구조가 한국공개특허공보 제2003-0047514호에 개시되어 있다. 한국공개특허공보 제2003-0047514호에 개시된 플립 칩 실장 구조(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110)과 반도체 칩(130)을 포함한다. 기판(110)에는 복수개의 솔더 범프(120)들이 형성되어 있다. 반도체 칩(130)은 기판(110)의 대응하는 상부에 위치한다. 반도 체 칩(130)에는 솔더 범프(120)에 대응하는 복수개의 금속 범프(140)들이 형성되어 있다. 그리고, 각각 대응하는 솔더 범프(120)와 금속 범프(140)가 접합되어 있다. A flip chip mounting structure according to the prior art formed by such a flip chip mounting technique is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0047514. The flip
그런데, 이와 같은 종래기술에 따른 플립 칩 실장 구조(200)는, 금속 범프(140)로 사용되는 물질이 구리(Cu) 또는 금(Au) 중에 어느 하나인 경우, 솔더 범프(120)와 금속 범프(140)가 접합되는 과정에서 금속 범프(140)의 구리(Cu) 또는 금(Au) 성분이 솔더 범프(120)로 확산되고 솔더 범프(120)의 주석(Sn) 성분과 반응하여 솔더 범프(120) 내에 새로운 금속간 화합물이 두껍게 형성되는 문제가 발생된다. 이러한 금속간 화합물은 솔더 범프(120)와 금속 범프(140) 사이의 접합력을 약화시킨다. However, in the flip
따라서, 본 발명의 목적은 솔더 범프와 금속 범프를 접합하는 경우에 나타나는 금속간 화합물의 발생을 감소시킬 수 있는 배리어층이 형성된 플립 칩 실장 구조를 제공하는 데 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a flip chip mounting structure in which a barrier layer is formed that can reduce the generation of intermetallic compounds that appear when joining solder bumps and metal bumps.
본 발명의 다른 목적은 솔더 범프와 금속 범프의 접합력을 향상시킬 수 있는 배리어층이 형성된 플립 칩 실장 구조를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a flip chip mounting structure in which a barrier layer is formed to improve bonding strength between solder bumps and metal bumps.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 구성의 배리어층이 형성된 플립 칩 실장 구조를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a flip chip mounting structure in which a barrier layer having the following configuration is formed.
본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조는, 복수개의 솔더 범프들을 갖는 기판과, 솔더 범프드에 대응되는 위치에 형성되어 솔더 범프들에 각기 접합되는 복수개의 금속 범프들을 갖는 반도체 칩을 포함하는 플립 칩 실장 구조에 있어서, 금속 범프의 외부 표면에는 배리어층이 형성되는 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 플립 칩 실장 구조를 제공한다. The flip chip mounting structure according to the present invention includes a flip chip mounting structure including a substrate having a plurality of solder bumps and a semiconductor chip having a plurality of metal bumps formed at positions corresponding to the solder bumps and bonded to the solder bumps, respectively. In the structure, there is provided a flip chip mounting structure having a barrier layer, the barrier layer is formed on the outer surface of the metal bumps.
본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조에 있어서, 금속 범프는 구리(Cu) 또는 금(Au) 중에 어느 하나로 이루어진다. In the flip chip mounting structure according to the present invention, the metal bumps are made of either copper (Cu) or gold (Au).
본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조에 있어서, 배리어층은 니켈(Ni)로 이루어진다. In the flip chip mounting structure according to the present invention, the barrier layer is made of nickel (Ni).
본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조에 있어서, 배리어층의 외부 표면에는 접합층이 더 형성된다. In the flip chip mounting structure according to the present invention, a bonding layer is further formed on the outer surface of the barrier layer.
본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조에 있어서, 접합층은 금(Au)으로 이루어진다. In the flip chip mounting structure according to the present invention, the bonding layer is made of gold (Au).
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플립 칩 실장 구조를 나타내는 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a flip chip mounting structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조(100)는 기판(10)의 솔더 범프(20)와 반도체 칩(30)의 배리어층(50)이 접합되어, 기판(10)에 반도체 칩(30)이 직접 실장된 구조를 갖는다. Referring to FIG. 2, in the flip
기판(10)에는 복수개의 솔더 범프(20)가 형성된다. 이러한 기판(10)은 기판 몸체(12), 기판 패드(14), 절연성 보호층(16) 및 솔더 범프(20)를 포함한다. A plurality of
기판 몸체(12)는 절연성 소재로 이루어지며, 일정 두께를 갖는다. 기판 패드 (14)는 기판 몸체(12)의 상부면에 형성된다. 절연성 보호층(16)은 복수개의 기판 패드(14)들을 제외한 기판 몸체(12)의 상부면을 덮어 보호한다. 이와 같이, 절연성 보호층(16)에 의해 외부로 노출되는 복수개의 기판 패드(14)들은 기판 몸체(12)의 상부면에 규칙적으로 배열된다.The
솔더 범프(20)는 복수개의 기판 패드(14)들 상에 각각 형성된다. 이 때, 솔더 범프(20)는 절연성 보호층(16)의 두께보다 높게 형성된다. 이러한 솔더 범프(20)의 소재로는 주석(Sn)과 납(Pb)을 포함하는 전형적인 솔더 또는 무연 솔더 등이 가능하다.
반도체 칩(30)은 기판(10)에 대응하는 상부에 위치하며, 복수개의 금속 범프(40)가 형성되어 있다. 이러한 반도체 칩(30)은 칩 몸체(32), 칩 패드(34), 불활성층(36), 금속 범프(40) 및 배리어층(50)을 포함하며, 접합층(60)을 더 포함할 수 있다. The
칩 몸체(32)는 실리콘(Si) 소재로 이루어지며, 내부에 집적 회로가 형성되어 있다. 칩 패드(34)는 외부와의 전기적 연결을 위하여 칩 몸체(32)의 하부면에 형성된다. 불활성층(36)은 복수개의 칩 패드(34)들을 제외한 칩 몸체(32)의 하부면을 덮어 보호한다. 이러한 칩 패드(34)는 통상적으로 알루미늄(Al)으로 이루어지며, 불활성층(36)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 폴리이미드(polyimide) 등으로 이루어진다. The
이 때, 칩 몸체(32) 하부면의 칩 패드(34)의 배치 형태는 기판(10) 상부면의 솔더 범프(20)의 배치 형태, 즉, 기판 패드(14)의 배치 형태에 대응한다. At this time, the arrangement of the
금속 범프(40)는 복수개의 칩 패드(34)들 상에 각각 형성된다. 이 때, 금속 범프(40)의 높이는 불활성 층(36)보다 높게 형성된다. 이러한 금속 범프(40)는, 예컨대 구리(Cu) 또는 금(Au) 중에 어느 하나로 이루어지며, 전해도금(electroplating) 또는 스터드 범핑(stud bumping) 등의 방법을 이용하여 형성된다.
배리어층(50)은 금속 범프(40)의 외부 표면에 형성된다. 이러한 배리어층(50)은 금속 범프(40)의 금속 성분, 예컨대 구리(Cu) 또는 금(Au) 중에 어느 하나의 성분이 솔더 범프(20)로 침투되는 것을 차단하는 확산 방지의 역할을 한다. 이 때, 배리어층(50)은, 예컨대 니켈(Ni) 등의 물질로 이루어지며, 전해도금 또는 무전해도금 방법을 이용하여 형성된다. The
접합층(60)은 배리어층(50)의 외부 표면에 형성된다. 이러한 접합층(60)은 배리어층(50)이 산화되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 솔더 범프(20)와 배리어층(50) 사이의 접합 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이 때, 접합층(60)은, 예컨대 금(Au) 등의 물질로 이루어지며, 전해도금 또는 무전해도금 방법을 이용하여 형성된다. The
한편, 접합층(60)은, 솔더 범프(20)와 금속 범프(40)가 배리어층(50)과 접합층(60)을 매개로 접합되는 경우, 접합층(60)의 금(Au) 성분이 솔더 범프(20)의 솔더 성분과 반응하여 금속간 화합물을 두껍게 형성하지 않고 솔더 범프(20)와 접합될 수 있도록, 1㎛ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. On the other hand, the
이상 설명한 플립 칩 실장 구조(100)는 다음과 같은 방법에 의하여 제조된다. 도 3a 내지 도 3d은 본 발명의 실시예에 따른 플립 칩 실장 구조 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도들이다. The flip
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 제공하는 단계가 진행된다. 즉, 절연성 보호층(16)에 의해 노출되는 복수개의 기판 패드(14)들 상에 솔더 범프(20)를 각각 형성한다. First, as shown in FIG. 3A, a step of providing a
계속해서, 도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 반도체 칩(30)을 제공하는 단계가 진행된다. 즉, 불활성층(36)에 의해 노출되는 복수개의 칩 패드(34)들 상에 금속 범프(40)를 각각 형성한다. 금속 범프(40)의 외부 표면에 배리어층(50)를 형성한다. 그리고, 배리어층(50)의 외부 표면에 접합 층(60)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIGS. 3B to 3D, the step of providing the
마지막으로, 접합층(60)을 매개로 솔더 범프(20)와 금속 범프(40)를 접합하는 단계가 진행된다. 즉, 기판(10)에 대응하는 상부에 반도체 칩(30)을 위치시킨다. 솔더 범프(20)와 금속 범프(40)가 각각 대응되도록 위치시킨 다음, 리플로우(reflow) 과정을 통해 소정의 열과 압력을 가하여 배리어층(50)과 접합층(60)을 매개로 솔더 범프(20)와 금속 범프(40)를 접합시키면, 도 2에서와 같은 본 발명에 따른 플립 칩 실장 구조(100)가 형성된다. Finally, the bonding of the solder bumps 20 and the metal bumps 40 through the
따라서, 본 발명에 따르면, 금속 범프 상에 배리어층이 형성되기 때문에 금속 범프의 구리(Cu) 또는 금(Au) 성분이 솔더 범프로 확산되지 못한다. 이에 따라, 금속 범프의 구리(Cu) 또는 금(Au) 성분이 솔더 범프의 솔더 성분과 반응하는 것이 차단됨으로써, 솔더 범프에 금속간 화합물이 두껍게 형성되는 것이 방지된다. Therefore, according to the present invention, since the barrier layer is formed on the metal bumps, copper (Cu) or gold (Au) components of the metal bumps are not diffused into the solder bumps. Accordingly, the copper (Cu) or gold (Au) component of the metal bumps is prevented from reacting with the solder components of the solder bumps, thereby preventing thick formation of the intermetallic compound on the solder bumps.
또한, 금속 범프가 솔더 범프와 접합되는 경우 접합층의 금(Au) 성분이 솔더 범프의 솔더 성분과 반응하여 금속간 화합물을 두껍게 형성하지 않으면서 솔더 범프의 접합 강도를 향상시킨다. In addition, when the metal bumps are bonded to the solder bumps, the gold (Au) component of the bonding layer reacts with the solder components of the solder bumps to improve the bonding strength of the solder bumps without forming a thick intermetallic compound.
따라서, 배리어층과 접합층을 매개로 접합되는 솔더 범프와 금속 범프의 접합력이 향상된다. Thus, the bonding force between the solder bumps and the metal bumps bonded through the barrier layer and the bonding layer is improved.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9082680B2 (en) | 2011-06-29 | 2015-07-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Joint structures having organic preservative films |
US9142498B2 (en) | 2012-07-31 | 2015-09-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor devices having stacked solder bumps with intervening metal layers to provide electrical interconnections |
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2005
- 2005-11-21 KR KR1020050111447A patent/KR20070053555A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
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US9082680B2 (en) | 2011-06-29 | 2015-07-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Joint structures having organic preservative films |
US9142498B2 (en) | 2012-07-31 | 2015-09-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor devices having stacked solder bumps with intervening metal layers to provide electrical interconnections |
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