KR20090006865A - 솔더 플럭스 조성물 - Google Patents

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KR20090006865A
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안나 프라카쉬
바소우데바느 르보네르
스티븐 레흐만
폴 코닝
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인텔 코오퍼레이션
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Abstract

솔더 플럭스에 대한 조성물, 방법 및 시스템이 본 명세서에 개시된다. 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스는 계면 활성제 및 약 20% 미만의 카르복시산을 포함할 수 있다. 이러한 실시예 중 몇몇에서, 솔더 플럭스 조성물은 무연 솔더링 처리에 사용될 수 있다.
솔더 플럭스, 계면 활성제, 카르복시산, 솔더링

Description

솔더 플럭스 조성물{SOLDER FLUX COMPOSITION}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 집적 회로 패키징 분야와 관련되어 있고, 보다 구체적으로 솔더 플럭스와 연관되어 있고/있거나 솔더 플럭스를 사용하는 방법, 장치에 관련되어 있다.
집적 회로(integrated circuit: IC) 기술 분야에서, 마이크로 프로세서와 같은 IC 컴포넌트는 통상적으로 PCB(printed circuit board)와 같은 기판에 물리적 및 전기적으로 결합되는 패키지로 조립된다. 패키지는 일반적으로 하나 이상의 IC 컴포넌트 및 하나 이상의 기판을 자체적으로 포함한다. 이러한 컴포넌트들은 각각 통상적으로 다른 컴포넌트와 결합하는데 사용되는 복수의 전기적 접점 또는 도전성 패드를 포함한다. 예를 들어, 전자적 패키지는 일반적으로, 예를 들어, PCB 기판과 결합되는데 사용되는 복수의 접점 또는 도전성 패드를 구비할 것이다.
이들 전자적 패키지를 PCB 기판에 전기적으로 결합하기 위해서, 전자적 패키지의 접점 패드는 PCB 기판에 전기적으로 결합될 수 있는 솔더 범프, 핀 등과 같은 도전성 커넥터에 다시 결합될 수 있다. 솔더링에 있어서, 표면(예: 접점 패드) 및 솔더링 물질 간의 전기적 연결을 향상시키는데 플럭스가 사용될 수 있다.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 예시적인 실시예가 도시되어 있고, 본 명세서의 일부를 이루는 첨부된 도면이 참조된다. 다른 실시예들이 활용될 수도 있고, 본 발명의 범주 내에서 구조적 또는 논리적인 변경이 가해질 수 있음을 이해해야 할 것이다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적 의미로 해석되어서는 안 되고, 본 발명에 따른 실시예들의 범주는 첨부된 청구범위 및 그 동등물에 의해 정의된다.
다양한 동작은 복수의 개별적 동작으로서 본 발명의 실시예들을 이해하는데 도움이 될 수 있는 방식으로, 차례대로 기술될 수 있지만, 순서대로 기술함으로써 이 동작들이 순서 의존적임을 의미하고자 하는 것은 아니다.
본 상세한 설명은, 상면/하면, 후면/전면, 정면/저면과 같은, 사시도 기반 서술을 사용할 수 있다. 이러한 서술은 단지 설명을 용이하게 하고자 사용되는 것일 뿐 본 발명의 실시예의 적용예를 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 상세한 설명은 어구 "일 실시예에서" 또는 "실시예들에서"를 사용할 수 있는데, 각각의 어구는 하나 이상의 동일하거나 상이한 실시예를 지칭할 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시예와 관련하여 사용되는 "구비하는", "포함하는", "갖는" 등의 용어는 동의적(synonymous) 의미를 갖는다.
어구 "A/B"는 "A 또는 B"를 의미한다. 어구 "A 및/또는 B"는 "(A), (B), 또는 (A 및 B)"를 의미한다. 어구 "A, B 및 C 중 적어도 하나"는 "(A), (B), (C), (A 및 B), (A 및 C), (B 및 C) 또는 (A, B 및 C)"를 의미한다. 어구 "(A) B"는 "(B) 또는 (A B)"를, 즉, A가 선택적이라는 것을 의미한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 계면 활성제(surfactant) 및 산 첨가물(acid additive)을 포함하는 신규한 솔더 플럭스 조성물(solder flux composition) 및 솔더 플럭스 조성물을 사용하도록 설계된 컴포넌트를 구비하는 시스템이 제공된다.
다양한 실시예에서, 신규한 솔더 플럭스 조성물 또는 혼합 조성물은 다양한 집적 회로 소자를 형성하기 위한 솔더링 처리의 일부로서 사용될 수 있다. 본 실시예들에 있어서, 솔더 플럭스 조성물은 솔더링이 수행되는 표면으로부터 산화물을 제거함으로써 솔더가 기판 표면에 접착되는 능력을 향상시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 솔더링될 표면상에 산화물이 성장하는 것을 방지할 뿐만 아니라, 기판 표면의 오염물 및/또는 공기를 감소시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 (솔더 플럭스 조성물에 대하여) 낮은 중량 퍼센트의 산 첨가물을 포함할 수 있고, 그 중 몇몇 실시예에서, 낮은 중량 퍼센트로 인해 열 처리(예: 재용융(reflow)) 동안의 솔더 플럭스의 경화(hardnening), 디개싱(degassing) 및/또는 버블링(bubbling)의 양이 감소할 수 있다.
다양한 실시예에서, 산(acid)이 낮은 중량 퍼센트를 가지는 것은 무연(lead-free) 솔더링 처리에 일반적인 고온 재용융 처리에 특히 유리하다. 현재 솔더 플럭스 제품(formulation)에서는, 높은 산 비율로 인해, 어느 정도의 황폐화 문제(devastating problem)가 발생할 수 있다. 예를 들어, 디개싱, 버블링, 플럭스 경화가 발생할 수 있다. 디개싱 및/또는 버블링은 잠재적으로 다이(die) 오정렬을 초래할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 더욱이, 산이 솔더 플럭스의 다른 컴포넌트와 상호 작용하여 에스테르를 생성 및/또는 가교 결합(cross-linking)할 수 있고, 이로 인해 물로 제거하기 어려운 플럭스 잔류물이 생성될 수 있다는 점에서, 경화는 산이 높은 중량 퍼센트를 갖는 것과 관련된 문제일 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에서, 산의 낮은 중량 퍼센트로 인해 다이 오정렬이 감소되고/되거나 플럭스 잔류물의 세정 가능성(cleanability)이 향상될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 산 첨가물은 하나 이상의 카르복시산(carboxylic acid)일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 산 첨가물은 디카르복시산(dicarboxylic acid)일 수 있다. 그 중 다양한 실시예들에서, 디카르복시산은 예를 들어, 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 및/또는 타르타르산(tartaric acid) 중 임의의 하나일 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 산 첨가물은, 예컨대, 글리콜 산(glycolic acid)을 포함하는 기타 카르복시산 중 임의의 하나일 수 있다.
상기에 시사된 바와 같이, 다양한 실시예에 따른 산 첨가물은 낮은 중량 퍼센트를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 약 20 중량 % 미만의 카르복시산을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 재용융 온도에서 30 중량 % 미만인 중량 퍼센트를 갖는 산 첨가물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물이 약 1 내지 7 중량 % 사이의 카르복시산을 포함할 때, 최적의 결과를 얻을 수 있다. 그 중 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물이 대략 6.3 중량 %의 카르복시산을 포함할 때, 재용융 처리 동안의 플럭스 디개싱이 최소화될 수 있다.
전술한 바와 같이, 다양한 실시예에서 솔더 플럭스 조성물은 계면 활성제 첨가물을 포함할 수 있다. 그 중 다양한 실시예에서, 계면 활성제 첨가물은 플럭스 잔류물(예를 들어, 재용융 처리 뒤에 남아있는 잔류물) 및 물의 계면에서의 표면 장력을 감소시켜, 물이 플럭스 잔류물을 기판의 표면으로부터 효과적으로 제거하는 것을 가능하게할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 계면 활성제 첨가물은 하나 이상의 상업적으로 이용 가능한 계면 활성제일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 계면 활성제 첨가물로서 APCI(Air Products and Chemicals, Inc.) 사가 판매하는 Envirogem AD01 계면 활성제가 사용될 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 다른 계면 활성제가 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 약 10 중량 % 미만의 계면 활성제 첨가물을 포함할 수 있다. 그 중 다양한 실시예에서, 약 2 중량 %의 계면 활성제 첨가물을 포함하는 솔더 플럭스 조성물을 사용할 때, 최적의 결과를 얻을 수 있다.
다양한 실시예에 따른 솔더 플럭스 조성물은 아민 첨가물(amine additive)을 포함할 수 있다. 그 중 몇몇 실시예에서, 아민 첨가물은 하나 이상의, 예를 들어, 알킬 치환 아민(alkyl substituted amine), 에탄올 아민(ethanol amine), 에톡실화 아민(ethoxylated amine) 및/또는 프로폭실화 아민(propoxylated amine)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 약 40 중량 % 미만의 아민을 포함할 수 있고, 그 중 다양한 실시예에서, 약 20 중량 %의 아민을 사용할 때 최적의 결과를 얻을 수 있다.
다양한 실시예에 따른 솔더 플럭스 조성물은, 예컨대, 수지(resin), 용제(solvent) 등을 포함하는 다른 첨가물을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 약 40 중량 % 미만의 수지를 포함할 수 있고, 그 중 다양한 실시예에서, 약 30 중량 % 미만의 수지를 포함할 때 최적의 결과를 얻을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은, 예컨대, 하나 이상의 디올(diol), 에테르(ether) 및/또는 에테르 아세테이트(ether acetate)를 포함하는 용제 첨가물을 포함할 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 방법이 도시되어 있다. 다양한 실시예에서, 단계(10)에 도시되어 있듯이, 방법(100)은 기판을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(20)에 도시되어 있듯이, 솔더 플럭스 조성물은 기판 표면에 필요한 만큼 도포될 수 있고, 몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물이 도포되어 솔더링이 이루어지는 기판의 표면으로부터 산화물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 기판상의 개별 위치에 도포되거나, 기판상의 전체 표면에 도포될 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 기판의 표면에 솔더 플럭스 조성물을 직접 도포하는 대신에 또는 도포하는 것과 더불어 솔더 물질에 포함될 수 있다(예를 들어, 솔더 볼을 형성하는데 사용되는 솔더 물질에 혼합될 수 있다).
다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은, 예컨대, 산, 계면 활성제 등을 포함하는 임의의 수의 첨가물을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 산 첨가물은, 예컨대, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 타르타르산 및/또는 글리콜 산을 포함하는 하나 이상의 카르복시 산일 수 있다. 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 약 20 중량 % 미만의 카르복시산 및 약 10 중량 % 미만의 계면 활성제를 포함할 수 있다. 그 중 몇몇 실시예에서, 약 1 내지 7 중량 % 사이의 카르복시산 및/또는 약 2 중량 %의 계면 활성제를 사용할 때 최적의 결과를 얻을 수 있다.
다양한 실시예에서, 도 1의 단계(30)에 도시된 바와 같이, 솔더 플럭스 조성물을 도포함으로써 임의의 산화물이 제거된 후에, 기판의 표면상에 하나 이상의 솔더 볼이 배치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 솔더 볼은 무연 또는 실질적으로 무연인 솔더 볼을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 솔더 볼을 형성하는데 사용되는 솔더 물질 내에 혼합될 수 있다. 나아가, 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 솔더 볼의 표면에 직접 도포될 수 있다. 또 다른 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 기판의 표면에 직접 도포될 수 있다.
다양한 실시예에서 도 1의 단계(40)에 도시된 바와 같이, 솔더 볼은 재용융되고 산화물이 제거된(oxide-free) 기판 표면에 접착되도록 가열될 수 있다. 예를 들어, 그 중 다양한 실시예에서, 솔더 볼은 열 전도, 적외선, 레이저, 기상(vapor phase) 및/또는 기타 재용융 처리 기법을 사용하여 재용융될 수 있다.
다양한 실시예에서, 기판은 기판상에 남아 있는 임의의 잔류물을 제거하기 위하여 재용융 처리 후에 디플럭싱(deflux)될 수 있다(미도시). 다양한 실시예에서, 디플럭싱 단계는 기판을 물로 헹구는 단계를 포함할 수 있다. 그 중 몇몇 실시예에서, 뜨거운 물이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 디플럭싱을 필요로 하지 않거나, 공지의 헹굼 용액(rinsing solution)을 사용하여 디플럭싱될 수 있다.
이제 도 2로 넘어가면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시스템(200)이 도시되어 있다. 다양한 실시예에서, 도시된 바와 같이, 시스템(200)은 집적회로(50) 및 하나 이상의 집적회로(50)에 연결된 하나 이상의 대용량 저장 장치(80)를 포함할 수 있다. 그 중 다양한 실시예에서, 집적 회로(50)는 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 집적회로(50)는 기판(60) 및 기판(60)의 표면에 결합된 하나 이상의 솔더 범프(70)를 포함할 수 있고, 그 중 다양한 실시예에서, 본 발명의 다양한 실시예의 솔더 플럭스 조성물을 사용하여 기판의 표면에서 실질적으로 모든 산화물이 제거되도록 할 수 있다.
솔더 범프(70)에 대해 살펴보면, 몇몇 실시예에서, 솔더 범프는 다양한 방식으로 형성될 수 있고 기판(60)에 다양한 방식으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 솔더 범프는 재용융 무연 (또는 실질적으로 무연인) 솔더 볼을 형성할 수 있다. 나아가, 다양한 실시예에서, 솔더 범프는 약 20 중량 % 미만의 카르복시산 및 약 10 중량 % 미만의 계면 활성제를 포함하는 솔더 플럭스 조성물을 사용하여 실질적으로 모든 산화물이 제거되도록 하는 기판(60) 표면에 결합될 수 있다. 또 다른 다양한 실시예에서, 솔더 플럭스 조성물은 솔더 볼을 형성하는데 사용되는 솔더 물질에 혼합되거나/되고, 솔더 볼의 표면에 직접 도포되거나/되고 기판(60)의 표면에 직접 도포될 수 있다.
다양한 실시예에서, 대용량 저장 장치(80) 및 집적 회로(50)는, 본 발명의 실시예들에 통합된 본 발명의 사상인 부분을 제외하고는, 당업계에 알려진 광범위한 요소를 나타낸다. 예를 들어, 대용량 저장 장치(80)는 디스크 드라이브와 같은 자기 저장 장치 또는 광 저장 장치일 수 있다. 나아가, 시스템(200)은, 예컨대, 무선 어댑터, 무선 이동 전화, 셋탑박스, PDA, 태블릿 컴퓨팅 장치, 데스크톱 컴퓨팅 장치 및/또는 엔터테인먼트 컨트롤 유닛을 포함하는, 광범위한 범용 또는 특수 애플리케이션을 위한 광범위한 폼 팩터(form factor)로서 구현될 수 있다. 나아가, 시스템(200)은 다양한 컴퓨팅 문제를 풀기 위한 다양한 운영 체제 및/또는 애플리케이션에 부가될 수 있다.
바람직한 실시예를 설명할 목적으로 본 명세서에 일정 실시예들이 예시되고 기술되었지만, 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 동일한 목적을 달성하도록 적용된 매우 다양한 대안적이고/이거나 동등한 실시예 또는 구현이, 도시되고 기술된 실시예를 대체할 수 있음을 당업자라면 인식할 수 있을 것이다. 당업자는 본 발명을 따른 실시예들이 매우 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 본 출원은 본 명세서에 설명된 실시예에 대한 임의의 부가 또는 변경도 포섭하도록 의도된 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 오직 청구범위 및 그 동등물에 의해서만 제한되도록 의도된 것임이 명백하다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명에 의해 용이 하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예들은 첨부된 도면의 도안에 예시로서 도시된 것일 뿐, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 본 발명의 사상이 통합된 솔더링 방법을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 본 발명의 사상이 통합된 시스템을 도시하는 도면.

Claims (20)

  1. 약 20 중량 % 미만의 카르복시산(carboxylic acid); 및
    약 10 중량 % 미만의 계면 활성제
    를 포함하는 솔더 플럭스 조성물(solder flux composition).
  2. 제1항에 있어서,
    약 2 중량 %의 상기 계면 활성제를 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    약 1 중량 % 내지 7 중량 %의 상기 카르복시산을 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카르복시산은 디카르복시산(dicarboxylic acid)을 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디카르복시산은 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 또는 타르타 르산(tartaric acid) 중에서 선택된 하나를 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 카르복시산은 글리콜 산(glycolic acid)을 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    아민(amine)을 더 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아민은 알킬 치환 아민(alkyl substituted amine), 에탄올 아민(ethanol amine), 에톡실화 아민(ethoxylated amine) 또는 프로폭실화 아민(propoxylated amine) 중에서 선택된 하나를 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  9. 제7항에 있어서,
    약 40 중량 % 미만의 상기 아민을 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    약 20 중량 %의 상기 아민을 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    수지(resin)를 더 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  12. 제11항에 있어서,
    약 40 중량 % 미만의 상기 수지를 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  13. 제12항에 있어서,
    약 30 중량 %의 상기 수지를 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    용제(solvent)를 더 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 용제는 디올(diol), 에테르(ether) 또는 에테르 아세테이트(ether acetate) 중 선택된 하나를 포함하는 솔더 플럭스 조성물.
  16. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 표면의 적어도 일부분에 솔더 플럭스 조성물을 도포(apply)하여 상기 기판으로부터 산화물을 제거하는 단계 - 상기 솔더 플럭스 조성물은 약 20 중량 % 미만의 카르복시산 및 약 10 중량 % 미만의 계면 활성제를 포함함 - ;
    상기 기판의 상기 산화물이 제거된(oxide-free) 표면상에 하나 이상의 솔더 볼(solder ball)을 배치하는 단계; 및
    상기 솔더 볼이 재용융되고 상기 기판의 상기 산화물이 제거된 표면에 접착되도록 상기 솔더 볼을 가열하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 솔더 볼을 가열하는 단계 후에 상기 기판상에 남아있는 임의의 잔류물을 물로 헹구는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 기판의 상기 산화물이 제거된 표면상에 하나 이상의 솔더 볼을 배치하는 단계는 하나 이상의 실질적으로 무연(lead-free)인 솔더 볼을 상기 기판의 상기 산화물이 제거된 표면상에 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 기판과,
    약 20 중량 % 미만의 카르복시산 및 약 10 중량 % 미만의 계면 활성제를 포함하는 솔더 플럭스 조성물을 사용하여 실질적으로 모든 산화물이 제거되도록 하는 상기 기판의 표면에 결합된 하나 이상의 솔더 범프
    를 포함하는 집적회로; 및
    상기 집적 회로에 연결된 하나 이상의 대용량 저장 장치
    를 포함하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 솔더 범프는 실질적으로 무연인 솔더 범프를 포함하는 시스템.
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