KR20100041854A - Pcb 기판 제조 공정에서의 마이크로비아 형성 평가 - Google Patents

Pcb 기판 제조 공정에서의 마이크로비아 형성 평가 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은 기판 제조 공정에서 마이크로비아 형성을 평가하는 방법 및 시스템을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로비아 개구는 다층 인쇄 회로 보드(PCB) 기판의 상부 유전층을 통해 드릴링되고, 마이크로비아 개구를 포함하는 다층 PCB 기판은 도전층 내 캡처 패드까지 디스미어되며, 마이크로비아 개구 바닥에 오염이 존재하는지를 결정하기 위해 마이크로비아 개구 내 캡처 패드 상에서 순차적 전기 화학 환원 분석이 수행된다. 오염물이 존재하면, 생산이 중단되고 적절한 조치가 취해져 오염의 원인을 알아낸다. 오염이 없으면, 마이크로비아가 PCB 기판의 나머지 회로부를 따라 무전해 도금의 시드층으로 도금되고, 이어서 전해 도금될 수 있다.

Description

PCB 기판 제조 공정에서의 마이크로비아 형성 평가{ASSESSING MICRO-VIA FORMATION IN A PCB SUBSTRATE MANUFACTURING PROCESS}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 인쇄 회로 보드(PCB)에 관한 것으로서, 특히 인쇄 회로 보드(PCB)의 기판에 마이크로비아(micro-via)를 형성하는 공정을 평가(assessing)하는 것에 관한 것이다.
제조 기술이 급속히 변화되어 집적 회로의 집적도가 높아짐에 따라, 높은 집적도를 제공하는 (인쇄 배선 보드로도 불리는) 인쇄 회로 보드의 제조는 천천히 발전되어 왔다. 예컨대 구리와 같은 도전성 물질로 이루어진, 둘 이상의 도전성 상호접속층을 가지는 다층 인쇄 회로 보드는 보편적이다.
인쇄 회로 보드의 제조에 있어서 하나의 기술적인 발전은 마이크로비아(micro-via 또는 microvia)(본 명세서에서는 간단히 uVia로 지칭되기도 함)이다. 마이크로비아는 인쇄 회로 보드의 외부 도전층을 가장 가까운 내부 도전층에 접속하는 홀(hole) 또는 개구(opening)이다. 마이크로비아와, 마이크로비아가 접속하는 패드의 작은 지름 때문에, 설계자들은 인쇄 회로 보드의 회로 집적도를 증가시킬 수 있다. 이로 인하여 전자 제품의 크기 및 원가가 감소될 수 있다.
마이크로비아로 인하여 회로 집적도가 높아지면서, 다층 인쇄 회로 보드 제조에 있어서 복잡성이 증대되어, 마이크로비아의 신뢰도(reliability)가 매우 중요해졌다. 마이크로비아의 신뢰도에 대한 전통적인 검사는 제조 공정 중 라인의 후단(end of the line, "EOL")에서 수행되었다. 라인 후단 검사(end of line testing)는 마이크로비아의 결함을 바로잡기 위해 수정 조치를 취하기에는 너무 늦을 수 있다. 그러한 경우, 라인의 후단에서 마이크로비아 결함을 가지는 인쇄 회로 보드가 폐기되어야 할 수 있다.
또한, 기판에 높은 열 충격이 가해지면, 약한 마이크로비아 인터페이스가 균열을 일으키고 층이 갈라지기 시작하여 개구 불량을 일으킬 수 있다. 약한 마이크로비아 인터페이스의 근원적인 원인은 보통 디스미어(desmear) 공정이 수행된 후 구리(Cu) 패드의 산화 또는 수지 잔여물에 기인한 마이크로비아 바닥에서의 오염 때문이다.
종래에는, 제조 공정에서 라인의 후단에 도달하기 전에, 이러한 마이크로비아 오염을 검출하고 실시간으로 임의의 오염 문제를 억제하는데 사용되는 매우 제한적인 모니터링 또는 모니터가 존재하였다. 즉, 종래에는 무전해(electroless, "Eless") 도금 전에 마이크로비아 패드의 오염을 검출하기 위한 인라인(inline) 모니터가 존재하지 않았다. 현재 마이크로비아 신뢰도에 대한 모니터, 즉 "Via Pop"과 "R-Shift"는 전형적으로 라인의 후단(EOL)에서 수행되어 실시간으로 편위(excursion)(예컨대, 오염 문제)를 억제하는 것을 어렵게 한다. "Via Pop"은 마이크로비아가 형성, 디스미어 및 도금된 후 벗겨지는 것에 의한 모니터이다. 어떠한 오염 때문에 마이크로비아가 캡처 패드(capture pad)에 헐겁게 고정되면(즉, 불완전하게 형성된 마이크로비아), 캡처 패드에 양호하게 고정된 양호한 마이크로비아에 비해 파손의 가능성이 높다. "R-Shift"(저항 이동)는 기판이 라인의 후단(EOL)에서 가압되는(stressed) 것에 의한 모니터이다. 마이크로비아의 저항은 기판의 스트레싱 전후에 측정된다. 마이크로비아의 저항이 10% 이상 바뀌면, 마이크로비아는 다이(die)가 부착될 때 신뢰도 저하 및 갈라짐(delamination)의 위험이 높은 것으로 간주된다. 전형적으로, PCB 기판에 대하여 마이크로비아 공정이 완료된 후 조립된 인쇄 회로 보드에 대한 제조 공정 라인의 후단(EOL)에 도달하는데에 4주 내지 5주가 걸린다. 또한, 현재 인라인 모니터가 항상 잠재적인 마이크로비아 관련 문제를 검출하는 것도 아니다. 라인의 후단에서 현재 사용되는 모니터는 dpm(Defects Per Million) 수준에서의 결함만을 검출할 수 있으며, 마이크로비아의 임의의 큰 오염을 감지 또는 검출할 수 없다.
마이크로비아 신뢰도는 결함의 원인을 판정하기 위해 인쇄 회로 보드 기판에 대한 제조 라인을 멈추어야 하는 문제일 수 있다. 또한, 허용한도에 가까운 유닛(marginal unit)이 최종 사용자에게 보내져 사용지에서 고장나면, 회사의 품질 기준에 큰 영향을 미칠 것이다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은 다층 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정에 있어서 마이크로비아 신뢰도를 모티터링 하기 위해 순차적 전기 화학 환원 분석(sequential electrochemical reduction analysis; SERA)을 사용한다. SERA는 집적 회로의 와이어 결합 패드에 대한 와이어 결합성(wirebondability) 및 인쇄 회로 보드의 관통공(through-hole) 및 표면 접촉부의 접합성(solderability)을 예측할 수 있는 다양한 코팅 파라미터(coating parameter)를 결정하는데 전형적으로 사용되는 전기 화학 공정이다. 전형적으로, 잘 정의된 작은 영역이 시험편(test piece) 상에서 분리되고, 표면종(surface species)을 산화시키도록 전류가 가해진다. 시간의 흐름에 따라 전위가 기록되며, 산화의 발생에 상응하는 일련의 평탄부(plateau)가 나타난다. 전압 레벨을 통해 어떤 종이 존재하는지 식별하고, 각 레벨에서의 시간을 통해 해당 종이 얼마나 존재하는지 그 양을 측정한다. 시간에 따른 전압 레벨을 도시함으로써, 코팅 오염, 코팅 두께 문제, 코팅 공극률(porosity), 또는 합성 문제가 존재하는지가 판정될 수 있다. 전통적으로, SERA 계측은 산화물, 황화물, 수지 잔여물 등과 같은 표면 조건을 검출 및 정량하기 위해 환원-산화(reduction-oxidation; Red-Ox) 반응을 사용하는 표면 분석 툴로서 간주되었다. SERA가 유기 오염 및 구리(Cu) 산화물(산화제이구리 CuO 및 산화제일구리 Cu2O 모두)을 검출하는데 사용될 수 있음은 잘 알려져 있다. 이제 SERA는 마이크로비아 신뢰도의 인라인 계측의 파괴적(destructive) 기술 또는 비파괴적(non-destructive) 기술로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다층 인쇄 회로 보드 기판의 최상부 유전층을 통해 마이크로비아 개구를 드릴링하는 단계, 마이크로비아 개구를 포함하는 다층 인쇄 회로 보드 기판을 도전층 내 캡처 패드까지 디스미어하는 단계, 및 마이크로비아 개구 내 캡처 패드 상에서 순차적 전기 화학 환원 분석을 수행하여 마이크로비아 개구에서 오염물이 발견되는지를 판정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 오염물이 발견되면, 상기 방법은 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정을 중단하는 단계, 수정 조치를 취하여 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정을 수정하는 단계, 및 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정을 재개하는 단계를 더 포함할 수 있다. 오염물이 발견되면, 상기 방법은 다층 인쇄 회로 보드 기판을 폐기(scrap)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마이크로 비아 개구에서 오염물이 발견되지 않으면, 상기 방법은 시드층(seed layer)을 사용하여 다층 인쇄 회로 보드 기판을 무전해 도금하고 무전해 시드층 위에 전해(electrolytic) 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 최상 유전층과 하부 유전층 사이에 끼워 넣어진, 마이크로비아 용의 캡처 패드를 포함하는 내부 도전층을 가지는 다층 인쇄 회로 보드 기판을 제공하는 단계, 캡처 패드 상에서 최상 유전층을 통해 마이크로비아 개구를 드릴링하는 단계, 마이크로비아 개구를 포함하는 다층 인쇄 회로 보드 기판을 캡처 패드까지 디스미어하는 단계, 마이크로비아 개구 내에서 순차적 전기 화학 환원 분석을 수행하는 단계, 및 순차적 전기 화학 환원 분석에 대한 응답으로 마이크로비아의 제조를 완료하도록 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정이 계속될 수 있을지를 판정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정이 계속될 수 없다고 판정되면, 상기 방법은 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정을 중단하는 단계, 수정 조치를 취하여 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정을 수정하는 단계, 및 인쇄 회로 보드 기판 제조 공정을 재개하는 단계를 더 포함할 수 있다. 오염물이 발견되면, 상기 방법은 다층 인쇄 회로 보드 기판을 폐기하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 다층 인쇄 회로 보드 기판 및 순차적 전기 화학 환원 분석(SERA) 장비를 포함하는 시스템이 제공된다. 다층 인쇄 회로 보드 기판은 도전층 내 캡처 패드 상에서 유전층 내 마이크로비아 개구를 가진다. SERA 장비는 캡처 패드 상의 마이크로비아 개구 내의 오염을 평가하는데 사용되며, 용기(vessel), 오링 실(o-ring seal), 용기 내의 환원 용액(reduction solution), 기준 전극(reference electrode), 동작 전극(working electrode), 및 분석기(analyzer)를 포함한다. 용기는 마이크로비아 개구를 둘러싸는 다층 인쇄 회로 보드 기판에 결합하기 위한 개구를 가진다. 오링 실은 개구의 가장자리와 다층 인쇄 회로 보드 기판 사이를 결합하여 리퀴드 실(liquid seal)을 제공한다. 용기 내의 환원 용액은 마이크로비아 개구 내의 캡처 패드와 접촉하는 다층 인쇄 회로 보드 기판 위에 있다. 기준 전극의 한쪽 단부는 환원 용액으로 뻗어 있다. 동작 전극의 한쪽 단부는 환원 용액으로 뻗어 있다. 분석기는 캡처 패드, 기준 전극 및 동작 전극에 전기적으로 결합한다. 분석기는, 분석기로부터 동작 전극, 환원 용액, 캡처 패드, 다시 분석기로 이루어지는 회로 내에 테스트 전류의 흐름을 발생시킨다. 분석기는 테스트 전류가 흐르는 시간 동안 기준 전극과 캡처 패드 사이의 전극 전위를 측정 및 기록한다. 테스트 전류는 캡처 패드 상의 오염물의 순차적 전기 화학 환원을 일으킨다. 오염물은 산화제이구리(cupric-oxide), 산화제일구리(di-cupric-oxide), 및 황화제일구리(cuprous sulfide) 중 하나 이상을 포함하는 산화된 구리의 형태이다. 환원 용액은 염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액, 또는 기타 유형의 환원 용액일 수 있다.
본 명세서에 개시된 SERA 계측은 라인의 후단 전에 재공품(work in progress)으로서 제조 공정(즉, 인라인)에서 큰 오염물을 잡아내는데 도움을 준다. 즉, 본 발명의 실시예들은, 수리하기에는 너무 늦어버린 라인의 후단에서 신뢰성 없는 마이크로비아를 탐지하는 것과는 대조적으로, 인라인(in-line) 마이크로비아 신뢰도를 탐지할 것이다.
PCB 제조 라인에서 사용되는 종래의 모니터들은 PCB 기판의 완전한 제조를 필요로 하고, 마이크로비아 불량의 근본 원인을 탐지할 수도 없다. SERA 계측의 사용을 통해, 원하지 않는 물질로 인한 편위(excursion)가 재공품을 사용하여 제조 공정 내에서 실시간으로 탐지된다. 수지 잔여물 및/또는 산화된 구리로 인한 마이크로비아의 기저 구리 표면의 임의의 오염은 본 명세서에 개시된 SERA 계측을 사용하여 실시간으로 탐지될 것이다. 불량 물질은 4주에서 5주 후 라인 후단에서가 아니라 추가적인 제조 비용 없이 라인에서 억제될 것이다.
무전해 도금 이전에 마이크로비아 신뢰도를 판정하기 위한 SERA의 사용은 잠재적인 마이크로비아 신뢰도 문제를 갖고 있는 PCB 기판의 로트 제조를 차단할 수 있다. 오염되고 잠재적인 마이크로비아 불량을 발생시키는 것으로 분석된 제조 로트는 전형적으로 PCB 기판 제조 공정을 완료할 필요 없이 폐기된다. 제조 라인에서 잠재적인 마이크로비아 불량을 일찍 잡아내는 것은 라인 후단에서 마이크로비아 불량의 가능성이 높은 PCB 기판의 제조를 완료하는데 드는 추가적인 비용을 피하게 한다.
도 1a는 마이크로비아를 가지는 예시적인 다층 인쇄 회로 보드의 평면도.
도 1b는 마이크로비아를 가지는 다층 인쇄 회로 보드를 포함하는 예시적인 패키징된 집적 회로의 단면도.
도 2a는 다층 인쇄 회로 보드 내 마이크로비아의 확대된 평면도.
도 2b는 다층 인쇄 회로 보드 내 마이크로비아의 확대된 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로비아 형성 방법의 기능적 블록도.
도 4a 내지 4f는 마이크로비아의 구조 형성의 확대된 단면도.
도 5는 순차적 전기 화학 환원 분석(sequential electrochemical reduction analysis; SERA)을 사용하는 디스미어 후 상이한 시간 주기에 대한 구리 산화 측정을 나타내는 곡선을 포함하는 도표.
도 6은 오염 검출을 위해 순차적 전기 화학 환원 분석(SERA)을 사용하는 전형적인 측정을 나타내는 곡선을 포함하는 도표.
도 7은 순차적 전기 화학 환원 분석(SERA)을 사용하는 오염된 마이크로비아와 오염되지 않은 마이크로비아의 측정을 나타내는 한 쌍의 곡선을 포함하는 도표.
도 8은 마이크로비아 내 오염을 검출하는데 사용되는 예시적인 순차적 전기 화학 환원 분석(SERA) 시스템의 블록도.
이하의 본 발명의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해 여러 구체적인 세부사항이 개시된다. 그러나, 이러한 구체적인 세부사항 없이도 본 발명의 실시예들이 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에 있어서, 본 발명의 실시예들의 특징들을 불필요하게 흐리게 하지 않도록 공지된 방법, 절차, 부품 및 회로는 상세히 설명되지 않았다.
도 1a를 참조하면, 다층 인쇄 회로 보드(PCB)(100A)의 평면도가 도시되고 있다. 인쇄 회로 보드(100A)는 (일반적으로 마이크로비아(102)로 지칭되는) 마이크로비아(102A-102I)와 회로 부품(104A-104C)을 포함한다. 회로 부품(104A-104C)은 집적 회로, 저항, 캐패시터, 인덕터, 트랜스포머, 또는 기타 수동/능동 전기 회로 부품일 수 있다. 마이크로비아(102A-102I) 중 다수는 최소한의 크기로 형성되어, 마이크로비아(102A, 102B, 102D, 및 102G-102I)와 같은 실제 금속 상호접속부를 만들 수 있다. 이러한 마이크로비아는 상호접속 마이크로비아(interconnect microvia)로 지칭될 수 있다.
하나 이상의 마이크로비아는 상호접속 마이크로비아보다 크기가 커서, 도 1a에 도시된 마이크로비아(102C, 102E, 및 102F)와 같은 테스트 모니터(test monitor)로서 사용되도록 할 수 있다. 이러한 마이크로비아는 테스트 마이크로비아(test microvia)로 지칭될 수 있다. 테스트 마이크로비아는 상이한 위치에서의 마이크로비아 신뢰도 판정을 위해 인쇄 회로 보드(100A) 상의 상이한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 마이크로비아(102E)는 인쇄 회로 보드(100A)의 중심에 위치되고, 마이크로비아(102F)와 마이크로비아(102C)는 인쇄 회로 보드(100A)의 모서리에 위치된다. 큰 크기의 테스트 마이크로비아를 사용함으로써, 최소한의 크기를 가지는 상호접속 마이크로비아는 기술이 허용하는 한 더 작아질 수 있다. 즉, 큰 크기의 마이크로비아(즉, 테스트 마이크로비아)는 SERA 테스트 목적으로 사용을 계속할 수 있으며, 상호접속 마이크로비아는 그 크기가 감소된다. 또한, 전형적인 인쇄 회로 보드는 다수의 마이크로비아를 포함할 수 있다. 적은 수의 테스트 마이크로비아가 통계적 샘플로서 사용되어 전체 인쇄 회로 보드 내 모든 마이크로비아의 신뢰도를 특징짓도록 테스트될 수 있다.
이제 도 1b를 참조하면, 패키징된 집적 회로(packaged integrated circuit)(110)가 도시되고 있다. 패키징된 집적 회로(110)는 (일반적으로 마이크로비아(102)로 지칭되는) 상호접속 마이크로비아(112A) 및 테스트 마이크로비아(112B)를 가지는 다층 인쇄 회로 보드(100B)를 포함한다. 테스트 마이크로비아(112B)는 상호접속 마이크로비아(112A)보다 클 수 있다. 패키징된 집적 회로(110)는 집적 회로 다이(114), 집적 회로(114)와 인쇄 회로 보드(100B) 사이에 결합되는 솔더 범프(solder bump)(115), 및 인쇄 회로 보드(100A)와 같은 큰 인쇄 회로 보드에 결합하기 위한 솔더 볼(solder ball)(116)을 더 포함할 수 있다. 패키징된 집적 회로(110)는 도 1a와 관련하여 전술한 부품(104A-104C) 중 하나일 수 있다. 패키징된 집적 회로(110)는 집적 회로(114)와 인쇄 회로 보드(100B) 사이의 언더필(underfill) 물질(117)(예컨대, 에폭시)과, 집적 회로(114)와 인쇄 회로 보드(100B)를 덮어 물리적인 손상으로부터 보호하는 인캡슐런트(encapsulent)(118)를 더 포함할 수 있다.
또한, PCB(100B)는 기판 또는 인쇄 회로 보드 기판으로도 지칭될 수 있다. 임의의 경우에, PCB(100B)는 최상면(top surface)과 최상면 반대쪽의 바닥면(bottom surface)을 가진다. 상호접속 도전층에 대한 마이크로비아에 더하여, 기판(100B)은 하나 이상의 층에 라우팅 트레이스(routing trace), 전원/접지면 등을 포함할 수 있다.
집적 회로(114)는 복수의 솔더 범프(115)에 의해 기판(100B)의 최상면에 부착될 수 있다. 솔더 범프(115)는 보통 C4(controlled collapse chip connection)로 불리는 공정으로 집적 회로(114)와 기판(100B)에 2차원 어레이로 배열될 수 있다. 도전성인 솔더 범프(115)는 집적 회로(114)와 기판(100B) 사이에서 전류를 이동시킬 수 있다.
복수의 솔더 볼(116)은 기판(100B)의 바닥면에 부착될 수 있다. 솔더 볼(116)은 패키지(110)를 예컨대 인쇄 회로 보드(100A)와 같은 다른 인쇄 회로 보드에 부착하도록 리플로우(reflow)될 수 있다. 상호접속 도전층에 대한 마이크로비아에 더하여, 기판(100B)은 라우팅 트레이스, 전원/접지면 등을 포함할 수 있으며, 이는 기판의 최상면 상의 솔더 범프(115)를 기판(100B)의 바닥면 상의 솔더 볼(116)에 전기적으로 연결한다. 솔더 범프(115)가 집적 회로(114)에 전기적으로 연결되면서, 집적 회로(114)는 PCB 기판(100B)의 다중 층의 마이크로비아, 전원/접지면, 라우팅 트레이스를 통해 기판(100B)의 바닥면 상의 솔더 볼(116)에 전기적으로 연결될 수 있다.
인쇄 회로 보드(100A 및 100B)의 마이크로비아(102)는 높은 신뢰도로 형성되도록 본 발명의 실시예들에 따라 분석된다.
도 2a를 참조하면, 마이크로비아(102)의 확대된 평면도가 도시되어 있다. 마이크로비아(102)는 위에서 볼 때 2차원의 정사각형 모양으로 그려지거나 2차원의 직사각형 모양으로 늘여질 수 있다. 제조시, 마이크로비아는 위에서 볼 때 2차원의 좀더 원 모양으로 보이거나, 2차원의 둥근 모서리를 가지는 타원 모양으로 보일 수 있다.
마이크로비아(102)는 200 내지 300 ㎛ 정도일 수 있는 크기 D를 가진다. 기술이 발전함에 따라, 크기 D는 작아질 수 있다. 테스트 마이크로비아를 형성하기 위하여, 더 큰 지름의 마이크로비아가 사용될 수 있으며, 이에 따라 현재 SERA 장비가 작은 상호접속 마이크로비아에 대하여도 계속 사용될 수 있게 된다. 예를 들어, 상호접속 마이크로비아는 50 ㎛만큼 작은 크기를 가질 수 있으나, 테스트 마이크로비아는 250 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 크기의 차이를 제외하고는, 테스트 마이크로비아와 상호접속 마이크로비아는 구조적으로 유사하다.
이제 도 2b를 참조하면, 마이크로비아(102)를 포함하는 인쇄 회로 보드(100)의 단면도가 도시되어 있다. 인쇄 회로 보드(100)는 복수의 상호접속층(202A-202N)을 포함한다. 마이크로비아를 형성하기 위하여, 적어도 두 개의 상호접속층이 이용된다. 상호접속층(202A-202N) 사이에는 유전층(204A-204N)이 존재할 수 있다. 상호접속층(202A-202N)은 금속 또는 기타 도전체와 같은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전형적으로, 도전성 물질은 상호접속층을 형성하는데 사용되는 구리이다. 전형적인 유전층(204A-204N)은 일본의 아지노모토(Ajinomoto)사에 의해 제조된 ABF(Ajinomoto Buildup Film) 유전 물질(예컨대, ABF-SH, ABF-GX3 및 ABF-GX13) 또는 임의의 기타 유전 물질일 수 있다.
마이크로비아의 구조는 캡처 패드(212) 및 외부층 접촉층(210)을 가진다. 마이크로비아의 크기는 지름 D일 수 있으나, 캡처 패드(212)의 크기는 지름 D보다 클 수 있는 지름 L이다. 캡처 패드(212)는 도전층(202B)과 동일한 물질 중에서 형성된다. 마이크로비아(102)의 접촉층(210)을 형성하는 도전층(202A)을 사용(plying)하기 전에, 본 발명의 실시예들에 따라 SERA를 사용하여 캡처 패드(212)의 표면이 분석된다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 마이크로비아(102)를 형성하기 위한 공정 흐름도가 도시되고 있다. 블록(302)에서, 캡처 패드를 형성하는 도전층까지 다층 인쇄 회로 보드 기판에 개구를 드릴링함으로써 마이크로비아 형성이 시작된다. 개구의 드릴링은 레이저에 의해, 또는 대안적으로 반응성 이온 식각(reactive ion etching)을 사용하여 수행될 수 있다.
도 4a 내지 4b는 레이저 드릴링 공정을 도시하고 있다. 구리 캡처 패드(404) 상의 적층된 유전(ABF)층(402)은 레이저 빔(410)을 사용하여 드릴링된다. 구리 캡처 패드(404)는 하방의 ABF층(406)에 의해 지지된다.
블록(304)에서, 레이저 드릴링 후, 금속 접촉부 상에 남은 수지 잔여물과 스미어(smear)가 후속적인 금속 도금 전에 제거되어야 한다. 이는 디스미어(desmear)라고 불리는 전처리 공정에 의해 이루어진다. 디스미어는 단순히 넓은 구리 표면을 노출시키고 이후에 도금에 의해 만들어지는 상호접속부의 질을 높이기 위해 마이크로비아 개구로부터 유리 섬유와 (스미어를 포함하는) 에폭시 수지를 제거하는 공정이다. PCB 기판의 디스미어는 건식 플라스마 에칭 장비 또는 화학적 에칭과 같은 특수화된 디스미어 장비에 의해 수행될 수 있다. 디스미어 공정의 결과는 도 4c 내지 4e에 도시되어 있다.
레이저 드릴링 공정 후 도 4c에서는, 수지 잔여물/ABF 잔여물(412)이 남아 있다. 레이저 드릴링 공정에 의해 마이크로비아 개구가 형성되면, 무전해 구리의 시드층이 도금되기 전에, 캡처 패드를 포함하는 마이크로비아 바닥면의 세정이 중요해진다. 무전해 도금 전에 제거되지 않은 마이크로비아 바닥의 오염이 존재하면, 마이크로비아 결함을 일으키는 약한 인터페이스가 초래될 수 있다. 또한, 구리의 산화 정도가 마이크로비아 내에서 최소한으로 억제되는 것도 중요하다.
도 4d에서는, 수지/ABF 잔여물(412)의 상당 부분이 예비적으로 세정되고, 레이저 드릴링 공정 동안 있던 표면 오염물(414)로 감소된다.
디스미어링 공정의 결과로서, 도 4e에서는, 마이크로비아 개구(416)가 실질적으로 캡처 패드(404)까지 세정된다.
블록(308)에서, 인라인 모니터가 마이크로비아 품질 분석을 수행하는데 사용된다. 블록(304)의 디스미어 공정 후, 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로비아 표면/오염 분석이 수행된다. 일반적으로, 블록(308)에서의 마이크로비아 표면/오염 분석은 순차적 전기 화학 환원 분석(SERA)을 사용하여 수행된다. 인쇄 회로 보드 기판의 마이크로비아가 얼마나 오래 노출되는지에 따라, 비아 바닥면은 도 4d에 도시된 바와 같이 산화될 수 있다. 만일 그러하다면, 블록(308)에서 수행되는 마이크로비아 표면/오염 분석은 표면 오염물을 검출하여, PCB 기판 및 내부의 마이크로비아의 형성을 계속할지 여부를 판정할 수 있다.
다음, 판정 블록(309)에서, 블록(308)에서 수행된 마이크로비아 신뢰도 분석이 표면 오염물을 검출하였는지 여부에 관한 판정이 이루어진다. 판정 블록(309)에서 오염물이 발견되지 않으면, 공정은 무전해(Eless) 도금에 의해 외부 접촉층이 도금되는 블록(311)으로 그 흐름이 이동한다. 무전해 도금은 후속적인 전해 도금 공정을 허용하도록 도금의 시드층 사용을 포함한다.
도 4f는 캡처 패드(404)의 내부층에 외부층을 결합하도록 형성된 접촉층(418)을 도시하고 있다. 다층 인쇄 회로 보드 기판에서 마이크로비아(102)의 형성이 완료된 후, 다층 인쇄 회로 보드 기판에 다른 제조 공정이 이루어질 수 있다.
블록(309)에서 오염물이 발견되는 것으로 판정되면, 공정은 PCB 기판 제조 공정이 중단되는 블록(313)으로 그 흐름이 이동한다. 이후, 블록(315)에서, 오염을 막기 위한 수정 조치가 공정 상에서 취해진다. 블록(317)에서, 오염물을 가지는 재공품(work-in-progress; WIP)인 PCB 기판의 로트(lot)는 폐기될 수 있다. 제조 공정을 수정하기 위해 블록(315)에서 수정 조치를 취한 후, PCB 기판 제조 공정이 재개될 수 있다. PCB 기판의 일부 로트는 제조 공정의 상이한 단계에서의 WIP일 수 있으며, 라인에서 PCB 기판의 다른 로트보다 앞선 지점에서 시작할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 도표(500)에 곡선(502, 504, 506 및 508)이 도시되고 있다. 곡선(502-505)은, 도 3에 도시된 바와 같은 블록(304)의 디스미어 후의 제조 공정에서 인쇄 회로 보드가 라인에서 대기할 수 있는 상이한 시간 주기를 도시한다. 곡선(502)은 2시간 후의 구리 산화물 형성에서의 SERA 분석을 도시하고 있다. 곡선(503)은 24시간 후의 구리 산화물의 SERA 분석을 나타낸다. 곡선(504)은 48시간 주기 후의 구리 산화물에 대한 SERA 분석을 도시한다. 곡선(505)은 60시간 주기 후의 구리 산화물에 대한 SERA 분석을 도시한다. 곡선(502-505)은 블록(304)의 디스미어 공정 후(즉, 디스미어 후), 인쇄 회로 보드가 더 오랜 시간을 대기할수록, 캡처 패드 상의 표면 오염물 및 구리 산화물의 양이 더 많아짐을 도시하고 있다. 즉, 개방된 캡처 패드를 가지는 미완성된 마이크로비아의 상태로 더 많은 시간을 대기할수록, 완성된 마이크로비아(102)의 신뢰도는 감소된다. 가능하다면, 디스미어 공정 이후 마이크로비아의 형성을 신속하게 완료하는 것이 바람직하다.
이제 도 6을 참조하면, 도표(600)는 곡선(601)에 의한 전형적인 SERA 분석을 도시한다. X축 상에서 시간이 증가함에 따라, 전위 또는 전압이 측정된다. 전압의 절대값이 증가함에 따라, 소정의 시간 주기에 걸쳐 저항이 증가함을 나타내고 있다. 이는 금속을 소모함으로써 금속 도전체의 두께가 줄어들고 있기 때문이다. 금속 단면의 감소는 저항의 증가를 가져온다. 그러나, 곡선(600)에서의 평탄부에 의해 도시된 것처럼 전압의 절대값이 소정의 시간 주기에 걸쳐 다소 일정하게 유지되는 경우, 이는 금속의 저항이 증가하고 있지 않는 동안 오염물의 감소가 일어나고 있는 중일 수 있다는 것을 나타낸다.
곡선(601)의 지점(602)에서, 반응제와의 반응이 시작된다. 곡선(601)을 따라 지점(604)에서의 평탄부 동안, 전이 시간에 걸쳐 오염물의 환원 공정이 일어난다. 지점(606)에서, 곡선(601)을 따라 전압 크기의 증가와 함께 반응 공정의 끝에 도달하게 되고 추가적인 금속이 소비된다. 곡선(601)을 따라 지점(608)에서의 마지막 평탄부에서, 더 이상 소비할 금속이 없으므로 수소 방출이 일어난다.
이제 도 7을 참조하면, 도표(700)는 곡선(701A 및 701B)을 도시한다. 처음에 곡선(701A 및 701B)은 SERA 분석을 사용하여 취해진 전압 측정과 동일한 경로를 따른다. 처음에 각각의 곡선은 지점(704)에서 평탄부를 따라 산화제일구리(cuprous oxide)의 환원을 경험한다. 이후, 각각은 곡선들이 분기되는 약 0.6 볼트 크기까지 저항이 증가함에 따라 전개된다.
SERA 분석의 곡선(701A)은 산화제이구리 및 황화제일구리의 근접한(close) 오염물 없는 신뢰할 수 있는 마이크로비아를 나타낸다. 곡선(701B)은 산화제이구리 및 황화제일구리의 큰(gross) 오염물을 포함하고 있어 신뢰할 수 없는 불량 마이크로비아를 나타낸다.
곡선의 분기점에서부터, 곡선(701A)은 약 100초에서 수소 방출 평탄부에 도달할 때까지 평탄부 없이 저항이 계속 증가한다. 이후, 상기 곡선은 평탄부(710)를 따라 수소 방출을 경험한다.
분기점에서 곡선(701B)은 평탄부(706)에서 산화제이구리의 큰 오염물을 나타내는 평탄부를 경험한다. 이후, 곡선(701B)은 황화제일구리(708)의 큰 오염이 감소하는 약 0.9 볼트 크기의 평탄부에 도달할 때까지 0.8 볼트 크기까지 저항의 증가를 경험한다. 이후, 곡선(701B)은 약 300초까지 저항이 증가하면서 전개되며, 평탄부(710)를 따라 수소 방출이 일어나고, 곡선(701A 및 701B)이 다시 합쳐진다. 도표(700)으로부터, 곡선(701A 및 701B)에서의 차이에 기초하여 마이크로비아가 신뢰도 있게 형성될 수 있는지 여부를 쉽게 탐지할 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 마이크로비아(102)의 신뢰도를 평가하기 위한 예시적 시스템이 도시되고 있다. 시스템은 PCB 기판(100)을 분석하기 위해 ECI 테크놀로지에 의해 제조된 모델 QC-100 SURFACESCAN 품질관리 장비와 같은 하나의 SERA 장비(800)를 포함한다. SERA 장비(800)는 마이크로비아 신뢰도에 대한 인라인 계측(inline metrology)으로서 매우 효율적으로 사용되는, 비교적 저렴한 장비이다.
PCB 기판(100)은 디스미어 후 및 무전해 도금 전에 도 3에 도시된 블록(308)에서 도 4e에 도시된 바와 같이 작업이 진행 중인 마이크로비아를 이용하여 분석된다. 도 8에 도시된 PCB 기판상의 참조번호는 도 4e에서 사용된 참조번호에 대응한다. 도 8에 도시된 PCB 기판(100)은 도전층(202B)의 캡처 패드(404)에 이르는 마이크로비아 개구(416)를 갖는다. 이러한 마이크로비아는 SERA 장비(800)가 연결될 수 있는 PCB 기판(100)의 접촉부(802)에 이르는 테스트 마이크로비아일 수 있음을 상기한다.
SERA 장비(800)는 하부 림(rim) 주위에 PCB 기판(100)에 대해 밀봉 가능한 오링(806)을 구비한 하부 개방 용기(open-bottom vessel)를 포함할 수 있다. 용기(804)는 기준 전극(824)을 부분적으로 절연시키기 위해 다공성 유리 프릿(porous glass frit)(822)을 가지는 연결 챔버(connected chamber)(820)를 더 포함할 수 있다. 용기(804)는 마이크로비아 개구(416) 주변의 PCB 기판(100) 상부에 위치하여, 오링(806)이 그 주위를 밀봉할 수 있게 된다. 용기(804)는 PCB 기판(100)에 튼튼하게 고정되어 SERA 분석 동안 마이크로비아 개구(416) 주위의 오링(806)에 의해 단단한 밀봉(tight seal)이 유지될 수 있다. 액상의 단단한 밀봉을 이용하여, 환원 용액(808)이 개구(810)를 통해 용기(804)에 추가될 수 있다.
환원 용액(808)은 Cu-Sn-Pb 시스템에 사용하기 적합한 붕산 버퍼 용액(예컨대, 9.55 g/L 나트륨 붕산염 및 pH 8.4의 6.18 g/L 붕산)과 같은 솔더링 시스템과 호환가능한 전해액(electrolyte)일 수 있다. 다양한 전해액들(예컨대, 붕산염, 구연산염, 황산염, 질산염 등) 역시 원하는 결과를 제공할 수 있다. 그러나, 강한 금속 착화제(예컨대, 염화물, 브롬화물 등)를 제외한, 중성 또는 알칼리성의 pH를 갖는 전해액은 가장 정확한 측정을 산출할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 환원 용액(808)은 염화칼륨(KCL)이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 환원 용액(808)은 염화나트륨(NaCl)이다.
다음, 개구(810)가 밀봉되고 불활성 기체(812)가 용기(804)에 공급된다. 불활성 기체(812)는 튜브(816)를 통해 기체 소스(814)로부터 공급될 수 있다. 밸브(817-818)는 개방되어, 기체 소스(814)로부터의 불활성 기체(812)가 용기(804)의 기체를 배출시키고 튜브(819)를 통해 통풍될(vent) 수 있도록 한다. 불활성 기체(812)는 산소의 존재로 인해 발생될 수 있는 잘못된 전기 화학적 환원을 제거하기 위하여 용기(804)로부터 공기를 배출하기 위해 사용된다. 기체 소스(814)는 용기(804)로부터 공기를 적절히 통풍시키기 위해 대기압보다 높은 압력을 갖도록 기체를 가압하기 위한 펌프(미도시)를 포함할 수 있다. 불활성 기체는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)일 수 있다.
시스템(800)은 SERA 분석을 수행하기 위해 3개의 전극을 사용할 수 있다. 마이크로비아 개구(416) 내의 캡처 패드(404)는 제1 전극으로 작용한다. SERA 장비(800)는, 종종 동작 전극이라고 불리는 불활성 카운터 전극(829) 및 기준 전극(824)을 제공한다. 일부 경우, SERA 장비(800)는 추가적인 측정을 수행하여 더 좋은 정확도를 얻을 수 있도록 보조 전극(미도시)을 가질 수 있다. 기준 전극(824)은, 본 발명의 일 실시예에서 포화 칼로멜 전극(SCE: saturated calomel electrode)일 수 있다. 기준 전극(824)은 환원 용액(808) 내로 연장된다. 불활성 카운터 전극(828)은 본 발명의 일 실시예에서 백금 전극일 수 있다. 불활성 카운터 전극(828)은 환원 용액(808) 내로 연장된다.
시스템(800)의 중심부에는 테스트 및 측정 분석기(850)가 있다. 테스트 및 측정 분석기(850)는 테스트를 제어하고 SERA 분석의 결과를 제공하기 위해 측정을 수행한다. 테스트 및 측정 분석기(850)는 전류원, 및 전극(824, 828)과 마이크로비아 캡처 패드와 연결된 전압계를 포함한다. 테스트 및 측정 분석기(850)는 시간에 따른 전류 및 전압 레벨을 기록하기 위한 기록 장치를 더 포함한다.
테스트 및 측정 분석기(850)는 캡처 패드(404) 상에 금속 산화물 및 다른 오염물이 존재하는 경우, 이들의 전기 화학적 환원을 위해 테스트 전류를 제공한다. 테스트 전류는 테스트 영역 1 제곱 센티미터 당 10-1000 마이크로암페어의 정도와 같은, 비교적 낮은 레벨의 전류 밀도일 수 있다. 더 높은 레벨의 전류 밀도를 사용하면 정확도는 희생되나 SERA 분석을 빠르게 할 수 있다. 대안적으로, 더 낮은 레벨의 전류 밀도를 사용하면 시간 지연을 희생하여 더 나은 SERA 분석을 얻을 수 있다. 테스트 전류는, 마이크로비아 캡처 패드(404)와 기준 전극(824) 사이의 전위가 시간의 함수로 기록되는 동안, 마이크로비아 캡처 패드(404)와 동작 전극(828) 사이를 지나는 음전류이다. 동작 전극(828)이 낮은 전류에서 안정적인 전압을 갖는 경우, 동작 전극(828)은 기준 전극의 기능을 하여 별도의 기준 전극(824)이 필요하지 않을 수도 있다.
분석기(850)로부터의 테스트 전류는 와이어 도전체(826), 불활성 카운터 전극(828), 환원 용액(808), 캡처 패드(404), 접촉부(802) 및 와이어 도전체(830)를 거쳐 분석기(850)로 돌아온다. 분석기는 SERA 분석이 수행되는 시간 동안 테스트 전류의 변화를 측정하고 기록한다. 또한, 분석기(850)는 캡처 패드(404) 상에서 금속 산화물의 전기 화학적 환원 동안 캡처 패드(404) 및 기준 전극(824) 사이의 전극 전위를 시간의 함수로 측정하고 기록한다. 이는 분석기(850), 와이어 도전체(832), 기준 전극(824), 환원 용액(808), 캡처 패드(404), 접촉부(802) 및 와이어 도전체(803)를 거쳐 분석기(850)까지를 포함하는 회로에 의해 수행된다. 기준 전극(824)은 챔버(820) 내에서 사용되거나, 용기(804) 내 다른 곳에서 사용될 수 있다. 또한, 일부 경우, 전극(828)이 일부 환경에서 기준 전극의 기능을 제공할 수 있으므로 기준 전극(824)은 제거될 수 있다.
동작시에, 분석기(850)는 낮은 레벨의 일정한 테스트 전류를 제공한다. 그 전류는 캡처 패드의 노출된 구리 상의 산화물의 순차적 전기 화학적 환원을 발생시킨다. 일정한 테스트 전류를 공급하는 동안, 분석기는 캡처 패드와 기준 전극 사이의 전극 전위를 시간의 함수로 측정하고 기록한다. 전류 밀도를 경과 시간으로 곱함으로써 전류 밀도를 전하 밀도로 변환하는데 시간 인자(time factor)가 사용될 수 있다. 전극 전위 대 전하 밀도(또는 시간)의 측정은, 감소하고 있는 특정 산화물 뿐 아니라 다양한 산화물층의 두께를 나타내는 일련의 굴곡점 또는 평탄부를 생성한다. 그 결과는 캡처 패드 상에 존재하는 특정 산화물을 판정하기 위해 주지된 기준치 데이터와 비교될 수 있다.
도 7과 관련하여 전술한 바와 같이, 전극 전위 대 시간의 기록은 마이크로비아 캡처 패드가 만족스러운지, 그렇지 않다면 어느 종류의 산화물 또는 오염물이 마이크로비아 개구(416) 및 캡처 패드(404) 내에 존재하는지를 판정하기 위해 비교될 수 있다. 이러한 방식으로, 마이크로비아 신뢰도가 미리 결정되어 마이크로비아가 완전히 형성되기 이전에 수정(corrective) 측정이 이루어질 수 있다.
본 발명의 소정의 예시적인 실시예들이 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 다양한 다른 변경이 당업자에게 용이할 수 있기 때문에 그러한 실시예들은 단지 넓은 범위의 본 발명을 예시하기 위한 것이지 제한하고자 하는 것이 아니며, 본 발명이 도시되고 설명된 특정 구성 및 배열에 한정되는 것도 아님을 이해하여야 한다.
100A: 다층 인쇄 회로 보드(PCB)
110: 패키징된 집적 회로
114: 집적 회로 다이
115: 솔더 범프
118: 인캡슐런트

Claims (6)

  1. 도전층의 캡처 패드 위의 유전층에 마이크로비아 개구를 가지는 다층 인쇄 회로 보드 기판; 및
    접촉층 도금 전에 상기 캡처 패드 상의 상기 마이크로비아 개구 내의 오염을 평가하기 위한 순차적 전기 화학 환원 분석(SERA) 장비
    를 포함하고, 상기 SERA 장비는,
    상기 마이크로비아 개구를 둘러싸는 상기 다층 인쇄 회로 보드 기판에 연결되는 개구를 구비한 용기(vessel),
    액상 실(liquid seal)을 제공하기 위해, 상기 개구의 가장자리(edge)와 상기 다층 인쇄 회로 보드 기판 사이에 연결되는 오링 실(o-ring seal),
    상기 캡처 패드와 접촉하는 상기 다층 인쇄 회로 보드 기판 위의 상기 용기 내의 환원 용액(reduction solution),
    하나의 단부가 상기 환원 용액 내로 연장되는 기준 전극,
    하나의 단부가 상기 환원 용액 내로 연장되는 동작(working) 전극, 및
    상기 캡처 패드, 상기 기준 전극 및 상기 동작 전극에 전기적으로 연결된 분석기
    를 포함하며,
    상기 분석기는, 상기 분석기로부터 상기 동작 전극, 상기 환원 용액, 상기 캡처 패드를 거쳐 상기 분석기로 다시 돌아오는 회로에 테스트 전류의 흐름을 생성하고, 또한, 상기 테스트 전류가 흐르는 시간 동안 상기 캡처 패드와 상기 기준 전극 사이의 전극 전위를 측정하고 기록하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 전류는 상기 캡처 패드 상의 오염물들의 순차적 전기 화학 환원을 야기하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오염물들은 산화제이구리(cupric-oxide), 산화제일구리(di-cupric-oxide) 및 황화제일구리(cuprous-sulfide) 중 하나 이상을 포함하는 산화된 구리의 형태인 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분석기는 상기 테스트 전류를 생성시키기 위한 전류원, 및 상기 캡처 패드와 상기 기준 전극 사이의 전극 전위를 측정하기 위한 전압계를 포함하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 환원 용액은 염화칼륨(KCl) 용액인 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환원 용액은 염화나트륨(NaCl) 용액인 시스템.
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