KR20110107970A

KR20110107970A - 철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼 및 그 플립칩 범핑의 방법

Info

Publication number: KR20110107970A
Application number: KR1020100027191A
Authority: KR
Inventors: 시어우엔-셩 왕
Original assignee: 시어우엔-셩 왕
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-05

Abstract

본 발명은 철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼 및 그 플립칩 범핑(flip chip bumping)방법에 관한 것으로, 극소 철금속 입자를 솔더 합금볼 내에 첨가하여 철분을 함유하는 솔더 합금볼을 제작함으로써 자기성 장비를 이용하여 복합 솔더 합금볼을 효과적으로 흡인하여 플립칩 범핑의 제작과정에서 초미세 솔더 합금볼을 위치 고정시켜서 범핑 강판의 구멍 내에 견고하게 흡입하여 충전되도록 한다. 그리고 적절한 볼 제거 공정을 결합하여 잉여 솔더 합금볼을 제거함으로써 초미세 솔더 합금볼의 표면 습기흡수와 정전기 효과에 의해 생성되는 클러스터 집결현상에 저항하도록 하여 범핑 공정을 순조롭게 완성하여 미세 회로기판과 전자부품의 결합을 증강시킨다.

Description

철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼 및 그 플립칩 범핑의 방법{COMPOSITE SOLDER ALLOY BALL BASED ON IRON POWDER TIN AND METHOD FOR FLIP CHIP BUMPING THEREOF}

본 발명은 철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼 및 그 플립칩 범핑(flip chip bumping)의 방법에 관한 것으로, 특히 플리칩에 응용되는 기술로써 철분을 함유하는 솔더 합금볼을 이용하여 회로기판에 범핑하여 최고의 효과를 지니는 납땜(soldering) 기능을 수행하도록 한다.

고밀도 패키징에 있어, 플립칩 방식은 이미 제일 중요한 회로 연결방법이 되었다. 솔더(Soldering tin)는 자기 배열(self alignment) 및 리워크(rework) 특성을 구비하기 때문에 플립칩 돌기는 대부분 솔더 소재를 사용한다. 이 기술의 핵심은 솔더 돌기의 제작 및 조립에 있으나 종래 솔더 돌기의 제작방법은 주로 전기도금 및 솔더 페이스트 강판 인쇄의 두 가지 방법이 있다. 전기도금법은 환경오염 문제가 있을 뿐만 아니라 특정 솔더합금의 전기도금 어려움에 의해 발전이 더디다. 특히 유럽연합에서는 솔더에는 무연성분을 사용하도록 요구하고 있고 도금액 배합, 전기도금 파라미터 및 안정성이 모두 장악하기 어려운 사항이고 막대한 포토마스크 비용이 요구되기 때문에 원가절감이나 시장 보급성이 어려워서 근래에는 대부분의 패키징 업자들이 플립칩에서 점차 솔더 페이스트 강판 인쇄 공정을 채택하게 되었다. 그러나 플립칩 돌기의 크기가 0.1mm 이하로 요구될 때 직경 10μm의 주석 분말을 사용하더라도 단일점의 솔더 돌기는 약간의 주석 분말로 구성되기 때문에 리플로우 후에는 납땜점의 크기가 균일하지 않게 되어 웨이퍼 들뜸(Coplanarity) 현상이 나타난다. 더 작은 주석 분말을 제조하는 것은 분말 분사, 산화, 입경 선별 및 분진 오염 등의 문제점으로 인해 극복하기 매우 어렵다; 솔더 페이스트로 플립칩 돌기를 제작하는 공정은 솔더가 리플로우 후에 솔더 내부에서 캐비티가 발생하는 현상이 종종 나타나기 때문에 이러한 요인으로 인해 솔더 페이스트 강판 인쇄기술이 플립칩 돌기의 생산에 매우 큰 어려움에 봉착하고 있다. 따라서 솔더 페이스트가 미세 간격(0.1mm 이하)의 제조공정 능력이 부족하다는 문제점을 해결하기 위해, 최근의 발전 추세는 초미세 솔더 합금볼(0.1mm 이하)을 사용하여 범핑과 리플로우를 하여 플립칩 솔더 돌기를 형성하는 것이다. 그러나 초미세 솔더볼의 범핑 과정에서 솔더볼 표면의 습기 흡수 및 정전기의 영향을 극복하여 솔더볼을 정확한 위치에 정확하게 위치하도록 하는 것은 매우 큰 어려움이 따르고 현재에는 이것을 효과적으로 수행할 수 있는 관련 기술이 아직 개발되지 않았다.

본 발명의 목적은 철분을 함유하는 솔더 합금볼을 제작하고 상기 솔더 합금볼을 플립칩 덤핑 공정에 이용함으로써 플립칩의 유효성을 구현하고 절차를 간단화 하고 또한 결합한 후의 회로기판과 구조의 결합강도를 증강시켜서 진보성과 신규성을 구현한다.

본 발명은 철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼 및 그 플립칩 범핑(flip chip bumping)의 방법에 관한 것으로, 극소 철금속 입자를 솔더 합금볼 내에 첨가하여 철분을 함유하는 솔더 합금볼을 제작함으로써 자기성 장비를 이용하여 복합 솔더 합금볼을 효과적으로 흡인한다. 이러한 특성을 이용하여 초미세 솔더 합금볼을 위치 고정시켜서 범핑 강판의 구멍 내에 견고하게 흡입하여 충전되도록 한다. 그리고 적절한 진공 볼제거 공정을 결합하여 잉여 솔더 합금볼을 흡수제거함으로써 초미세 솔더 합금볼의 표면 습기흡수와 정전기 효과에 의해 생성되는 클러스터 집결현상에 저항하도록 하여 범핑 공정을 순조롭게 완성한다.

본 발명은 주로 두 단계의 기술적 특징이 존재한다. 이 중의 하나는 철분을 솔더 합금볼 내에 혼합해서 복합 솔더 합금볼의 조합 구조를 형성하여 회로기판과 전자부품 간의 결합 강도를 높이고, 그러고 나서 솔더 합금볼을 플립칩 덤핑에 응용하는 기술로써 공정을 간단화 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플립칩 범핑 방식의 설명도다.

철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼의 제조방식에 있어서, 솔더에서 철의 용해도와 확산능력이 매우 낮기 때문에 거칠어지는 염려가 없다. 문헌에 따르면, 철을 첨가하면 솔더의 상온 인장강도를 높일 수 있고 특히 고온 크립(creep)에 대한 저항능력이 탁월하여 강화입자가 없는 솔더에 비해 5배 정도 높다. 철과 솔더의 습윤성을 높이기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에서는 철분 표면에다 먼저 주석층을 도금하여 표면에다 FeSn₂ 금속간 화합물을 형성한다. 비록 공정이 다소 번거롭지만 철분 분말과 주석 용액을 융합하기 쉽다; 또한 균일하게 분산되도록 하기 위해 자기장의 환경 작용을 응용한다. 그리고 본 발명에서는 화학도금법을 이용할 수 있는데, 이것의 주요 원인은 화학도금에서는 전류를 별도로 공급할 필요가 없고 전류 차단이나 분포가 균일하지 못하다는 문제점이 없어서 도금층이 비교적 균일하고 평탄하다는 것이다. 그리고 도금액 중의 환원제를 이용하여 주석 이온을 환원시켜서 철분 표면에다 침적할 때 상기 표면은 반드시 주석 도금 반응을 촉진시킬 수 있어야 한다. 제1금속주석층을 부착한 후 상기 주석층은 다음 주석층의 환원 침적을 계속 촉진하기 때문에 주석의 화학도금은 자동촉매도금(Autocatalytic Plating)이라고도 한다. 그리고, 본 발명은 철입자 강화 무연 복합 솔더를 제작할 때 Sn₃Ag_0.5Cu 주석봉과 표면에 주석을 미리 도금한 철입자를 배합하여 복합 솔더 합금볼 주석봉을 생성하여 철입자 함량의 비율이 서로 다른 복합 솔더를 제작하여 솔더의 열학적 및 기계학적 강도를 제고시키는 목적을 구현한다.

제조공정에서, 우선 철분 표면에다 화학주석 도금층(chemical plating)을 도금한다. 화학주석 도금은 수용액 속의 금속이온이 제어된 환경 하에 화학적 환원이 되도록 함으로써 전기 없이 주석을 철분에 도금할 수 있고 도금층이 연속적이고 자동 촉매(Autocatalytic)성을 구비한다. 화학도금액이 구비해야 되는 특성은 아래 사항을 포함한다: 환원제의 산화환원 전위는 반드시 금속이온을 충분히 환원하여 금속을 석출시킬 수 있어야 한다; 도금욕은 안정되어 있어서 사용하지 않을 때에는 작용을 하지 않아야 하고 촉매성 도금물체의 표면과 접촉할 때에만 신속히 작용하여 금속도금층을 석출한다; 석출 속도는 제어되어야 하고 pH 값과 온도는 석출속도를 조절할 수 있다; 석출된 금속은 자동 촉매 전기도금을 할 수 있도록 촉매작용을 지녀야 도금층을 연속적으로 형성하여 필요한 도금층 두께를 얻을 수 있다; 도금액 반응의 생성물은 도금액의 기능을 억제하지 않아야 도금액의 수명이 길어진다.

주석의 화학도금 고정을 진행하기 전에 본 발명의 바람직한 일실시예는 먼저 탈지제로 철분을 청소하되, 탈지제는 산성과 계면활성제의 혼합액으로써 작업온도 50℃에서 1분동안 침지한 후 탈이온수로 세척한다. 그러고 나서 미세식각액으로 철입자 표면을 거칠게 하여 주석면의 흡착력을 높이되 미세식각 시간은 5초다. 침적주석 메인 배지액이 오염되거나 희석되는 것을 방지하기 위해 실온에서 침적주석액에다 1분동안 미리 침적하여 철분이 메인 배지액과 직접 반응하는 것을 저지하면서 주석침적액의 산 당량과 주석 당량을 유지한다. 침적주석은 치환반응을 통해 철분의 표면에 도금된다. 그러고 나서 화학도금이 완료된 시편을 알코올에 담궈서 2분동안 세척한 후 80℃의 뜨거운 물로 2~3번 세척하여 시편에 잔류된 침적주석액을 철저히 세척해 낸 후 마지막에는 철분을 건조시킨다. 철분의 주석도금을 완료한 후 융용 Sn₃Ag_0.5Cu 주석액과 균일하게 혼합하여 용해방식으로 복합 솔더 합금볼을 형성한다. 즉, 본 발명의 공정으로 형성된 솔더 합금볼은 내부에 철 성분이 들어 있다.

그리고 0.1mm 이하의 초미세 솔더볼의 범핑기술에서 현재 이미 알려진 방식은 강판으로 솔더를 스크린 인쇄한 후 스크린 날염(screen printing)하고 특수 기술을 사용하여 미세 솔더볼을 강판의 구멍 내에 충전하여 리플로우 범피 과정을 완료하고 웨이퍼에 솔더볼을 형성한다; 80μm/간격:150μm의 고밀도 접점; 또는 고정밀도의 초미세 덕트로 솔더볼을 전송하고 솔더볼이 출구의 솔더패드 위치에 도달한 후 레이저 빔은 솔더를 신속하게 가열하여 웨이퍼 솔더패드에 순조롭게 융용되도록 한다. 그러나 초미세 솔더볼을 범핑할 때의 가장 어려운 문제는 솔더볼이 미세화된 후 발생하는 표면 습기흡수 및 정전기 효과에 의한 클러스터 집결현상이다. 따라서 미세 솔더볼의 범핑 제어방법은 범핑 공정의 기술 발전에서 중요한 핵심 포인트가 되지만 종래의 방식은 효과적으로 제어할 수 없다. 초미세 솔더볼의 범핑이 어렵다는 문제점을 극복하기 위해 본 발명에서는 상술한 자기성을 받는 철금속입자 복합 솔더 합금볼을 채택하였다. 도 1에 제시된 바와 같이, 본 발명의 플립칩 범핑 방식은 아래와 같다: 범핑 과정에서 기판(1)의 밑면에 자기성 구성품(2)을 설치하여 자기성을 통해 솔더 합금볼(3)을 효과적으로 흡착함으로써 솔더 합금볼(3)이 강판(4)의 미세 구멍(41) 내에 위치하고 기판(1)의 솔더패드(11) 상방에 위치하도록 한다. 그러고 나서 진공 볼제거설비(5)나 스크래퍼(Scraper)를 이용하여 강판(4) 표면의 잉여 솔더 합금볼(3)을 제거함으로써 플립칩 범핑 공정을 완료한다. 상기 과정에서 자기성의 흡력 작용에 의해 초미세 솔더 합금볼(3) 표면의 습기 흡수 및 정전기 효과에 의한 클러스터 집결현상을 효과적으로 저지하여 기판(1)에 순조롭게 범핑할 수 있게 되어 후속 솔더링 작업에 유리하기 때문에 전체 후속 공정을 완료할 수 있게 된다.

1 : 기판
2 : 자기성 구성품
3 : 솔더 합금볼
4 : 강판
5 : 진공 볼제거 설비
11 : 솔더 패드
41 : 미세 구멍

Claims

솔더볼 내부에 미세 철입자를 결합한 것을 특징으로 하는 철분주석에 기반한 복합 솔더 합금볼
제1항의 솔더 합금볼을 범핑 기질로 삼고, 범핑 과정에서 기판의 밑면에 자기성 구성품을 설치하여 자기성을 통해 솔더 합금볼을 효과적으로 흡착함으로써 솔더 합금볼이 강판의 미세 구멍 내에 위치하고 기판의 솔더패드 상방에 위치하도록 하고, 그리고 볼제거설비나 장치를 이용하여 강판 표면의 잉여 솔더 합금볼을 제거함으로써 플립칩 범핑 공정을 완료하는 것을 특징으로 하는 플립칩 범핑 방법.