KR100292295B1 - 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 장치 및 방법 - Google Patents
레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 집적회로를 주변 환경에 의한 파손등으로부터 보호하기 위하여 에폭시 수지(Epoxy Resin) 또는 세라믹(Ceramic) 등으로 패키징(Packaging)을 하지 않은 상태인 웨이퍼 상태(Wafer Level)의 집적회로로부터 입출력되는 선로 단자에 금속사이의 용융접합을 용이하게 하는 플럭스(Flux)를 사용하지 않고 아르곤(Ar) 가스 분위기속에서 레이저를 사용하여 솔더 범프를 직접 접합하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 레이저 발생기에서 발생한 원형의 레이저 빔을 에너지 밀도가 선형으로 일정하도록 하는 실린더리컬 렌즈와, 전자 패키지의 패드부와 같은 위치에 같은 수의 구멍이 형성되어 상기 실린더리컬 렌즈를 통하여 생성된 레이저 빔이 그 위를 스캐닝하는 금속 마스크와, 상기 금속 마스크로부터 발생되는 열을 방열하는 다수개의 기둥을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 범프 형태 접합부를 가지는 전자 패키지의 패드부에 솔더를 코팅하여 코팅층부를 형성하는 코팅층부 형성 단계와, 상기 코팅층부에 코팅된 솔더 조성과 동일한 조성의 솔더 디스크 또는 솔더볼을 정렬하는 정렬 단계와, 상기 패드부와 같은 위치에 같은 수의 구멍이 형성된 금속 마스크를 상기 정렬된 솔더 디스크 또는 솔더볼 상부에 일정 간격으로 띄워서 위치시키는 금속 마스킹 단계와, 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 기체 분위기 속에서 연속파에 의해서 발생한 레이저 빔을 실린더리컬 렌즈를 통하여 에너지 밀도가 일정한 선형 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성 단계와, 상기 레이저 빔이 상기 금속 마스크 위를 이동 스캐닝하면서 상기 솔더 디스크 또는 솔더볼을 용융시켜 솔더 코팅층부와 결합되게 하여 상기 패드부 전체가 솔더로 완전히 젖은 상태의 솔더 범프를 생성하는 솔더 범프 생성 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 집적 회로(Integrated Circuit)로부터 신호를 입출력하는 단자에 솔더 범프(Solder Bump)를 접합하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 집적회로를 주변 환경에 의한 파손등으로부터 보호하기 위하여 에폭시 수지(Epoxy Resin) 또는 세라믹(Ceramic) 등으로 패키징(Packaging)을 하지 않은 상태인 웨이퍼 상태(Wafer Level)의 집적회로로부터 입출력되는 선로 단자에 금속사이의 용융접합을 용이하게 하는 플럭스(Flux)를 사용하지 않고 아르곤(Ar) 가스 분위기속에서 레이저를 사용하여 솔더 범프를 직접 접합하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 집적 회로는 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 등으로 이루어진 소규모의 웨이퍼 칩(Wafer Chip)에 많은 수의 회로 소자, 일예로서 트랜지스터(Transister), 저항(Resistor), 캐패시터(Capacitor), 인덕터(Inductor), 다이오드(Diode) 등의 전자 부품을 고밀도로 집적시켜 필요로 하는 회로 기능을 갖도록 한 것으로서, 그 집적도에 따라 VLSI(Very Large Scale Integrated Circuit), ULSI(Ultra Large Scale Integrated Circuit) 등의 명칭이 부여되고 집적된 회로의 특성에 의하여 신호 입출력 및 전원공급 등 많은 수의 단자가 필요하다.
이러한 단자를 종래에는 다수의 리드를 갖는 리드 프레임(Lead Frame)을 사용하여 웨이퍼 칩 또는 다이(Die)에 집적된 회로에서 처리된 신호 또는 데이터를 입출력시키거나 필요한 동작 전원을 공급하는 단자와 각각 연결시키고, 웨이퍼 칩 및 리드 프레임과 연결부 등을 보호하는 패키지(Package) 형태로 사용하였으나, 상기와 같이 반도체 제조기술의 향상으로 IC(Integrated Circuit)의 집적도가 급속히 증가되면서 단위 면적당 신호의 입출력에 사용되는 단자의 수가 더욱 많이 필요하게 되었다.
따라서, 패키징 기술도 신호 입출력 단자가 패키지의 가장자리에 배치되는 기존의 SIP(Single Inline Package), DIP(Dual Iinline Package), TSOP(Thin Small Outline Package), QFP(Quad Flat Package) 등을 거쳐서 근래에는 패키지의 밑면 전체로부터 다수의 단자를 인출하고, 리드 프레임 대신에 솔더 범프를 신호의 전달 통로로 사용하는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package) 및 C4(Controlled Collapsed Chip Connection) 기술등이 사용되고 있다.
본 발명은 전자제품의 경박단소화 추세에 발맞추어, 상기 BGA, CSP 및 C4 기술을 패키징되지 않은 웨이퍼 상태의 칩에 적용함에 있어서, 칩의 단자에 솔더볼 또는 솔더 디스크를 부착하여 솔더 범프를 형성시키는 과정 중 플럭스(Flux)를 사용하는 종래 기술의 문제점을 개선한 것으로, 특히 불활성 가스 분위기 하에서도 탄산가스(CO2)또는Nd:YAG레이저 장치를 이용하여 솔더를 웨이퍼 상태의 반도체 칩에 형성하는 무플럭스(Fluxless) 솔더 범프 형성 공정에 관한 것으로써, CSP나 C4의 솔더 범프 형성시 웨이퍼 상태(Wafer Level)의 칩(Chip) 하부에 솔더 범프를 형성하는 공정에도 적용된다.
이하 종래 기술에 의한 BGA의 솔더 범프 제조공정을 설명한다.
종래의 기술에 의한 집적 회로 패키지에 솔더 범프를 형성하는 제조공정은 패키지의 솔더 범프가 부착되는 패드(Pad)의 위치에 플럭스를 도포한 후, 솔더볼(Solder Ball)을 부착하여 리플로우(Reflow) 공정을 거침으로써 솔더 범프(Solder Bump)가 고정부착되었다.
상기 플럭스는 동(Cu) 또는 니켈(Ni)과 같은 금속 재료로 이루어진 집적회로 의 단자부인 패드와 솔더볼의 표면에 생성되어 있는 금속 산화막을 제거하는 강한 산성(Acid)을 포함하는 화학물질이다.
이러한 플럭스는 일반적인 전자부품 또는 회로의 납땜에 사용되는 것으로, 모든 솔더링(Soldering) 공정에 보편적으로 사용되어 왔다.
그러나, 상기와 같은 플럭스의 사용은 다음과 같은 많은 문제점을 야기 시킨다.
첫째, 접합 공정시에 플럭스가 가열됨에 따라 플럭스의 용매 성분인 솔벤트(Solvent)가 휘발되며, 기체화된 솔벤트가 접합부인 솔더볼과 피접합부인 금속 패드 사이의 접합 계면에 포집되고, 기포를 형성하며 이러한 접합 계면의 기포에 의한 공극(Void)은 접합부의 접합 강도를 저하시킴과 동시에 열주기 피로(Thermal Fatigue)등에 의한 접합부와 피접합부의 접합이 파괴되는 파단을 유발하여 제품의 신뢰도를 감소시키게 된다.
둘째, 접합 공정 후 집적회로 패키지에 잔류하는 플럭스 성분은 CFCs(Chloro Fluoro Carbons)를 함유한 유기 용매로 세척하게 되는 바, 패키지 소자가 소형화됨에 따라 세척 공정이 매우 어렵게 되고 상기 플럭스 성분이 세척후에도 잔류할 가능성이 있으며, 상기 플럭스의 강한 산성 물질은 강한 부식 특성을 가지므로 접합부를 부식시킴으로써, 장시간 사용에 의하여 집적회로에서 처리된 신호의 전달 특성이 부식부분에 의하여 나빠지거나 누설(Leakage) 등의 전기적 이동(Electromigration)을 일으킨다.
또한, 세척 공정에 사용되는 CFCs가 오존층에 해로운 물질임이 발표됨으로써 몬트리올(Montreal) 협약을 시작으로 CFCs의 사용이 선진국을 중심으로 제약되고 있는 상황에서 이에 대처하기 위한 방안으로 물세척 플럭스나 접합 후 세척 공정이 필요없는 No-Clean 플럭스 제품들이 개발되어 사용되고 있다.
그러나, 상기 물세척이 가능한 플럭스를 사용하는 경우 세척 공정 후, 세척용 물의 정화 과정이 매우 복잡하며, 처리 비용이 많이 소요되는 문제를 야기시킨다. 또한, No-Clean 플럭스 제품도 플럭스 잔유물에 의하여 여전히 솔더 접합부의 시각적인 검사가 용이하지 않으며, 플럭스의 잔류 성분에 의해 수분의 흡수 등 직,간접적으로 또한 장기적으로 접합부의 신뢰도를 저하시키는 문제를 야기시키게 된다.
이외에도, 상기 플럭스 잔류물들은 후공정 재료인 봉지재(underfill, encapsulant)의 흐름을 방해하거나 그 접착력을 저하시키게 된다.
따라서, 생산성과 생산 가격, 접합부의 신뢰도, 환경 보존 등의 문제를 고려하여 플럭스를 사용하지 않는 새로운 접합 방법의 개발이 요구되어 왔다.
플럭스를 사용하지 않는 솔더 접합을 위한 많은 방법의 개발 노력 및 결과가 있었으며, 그 중 하나가 수소와 같은 환원성 가스를 사용함으로써 접합부와 피접합부에 형성된 금속 산화물의 환원방법이다.
상기와 같은 방법은 매우 발화성이 큰 수소를 사용하므로 보관상의 어려움 및 폭발 등의 위험성이 있고, 일반적인 솔더링 온도인 235-250 ℃ 온도 범위에서 는 금속 산화물의 환원 속도가 매우 느리기 때문에 실제 접합 공정을 산업상 적용하기 곤란한 문제점이 있었다.
또한, 수소를 보다 활성화시켜 환원 속도를 증가시키기 위하여 파라듐(Pd) 또는 백금(Pt)을 촉매로 사용하거나 수소 플라즈마(Plasma)를 적용한 예(미국 특허 제 5,048,744호)도 있다.
그러나 이 경우에도 백금 및 파라듐의 고가 금속을 사용하는 부가 공정이 첨가되고, 접합 공정이 일체화(In-Situ)로 이루어져야 하는 등의 문제점이 있었다. 즉, 금속 산화물의 환원이 이루어지더라도 대기 중에 노출되는 경우 다시 빠른 속도로 금속 산화물이 형성되므로, 금속의 환원과 접합 공정이 대기와 차단된 수소 가스 분위기속에서 일괄적으로 이루어져야 하며 이러한 공정은 필수적으로 막대한 초기 투자비가 필요하고, 또한 생산성이 감소되는 문제점이 있었다.
이 이외에도 BF3, CF2Cl2(프레온 12), CF4(프레온 14), SF6와 같은 가스를 사용한 무플럭스 리플로우(Reflow)가 시도되었으나, 상기 가스에 의한 산화물이 환원되는 분해 온도가 350 ℃ 정도로 높아 레이저(Laser) 사용과 같은 국부적 급열 공정의 적용이 필요하였다.
상기의 경우 솔더 표면의 산화층인 주석 산화층(Tin Oxide)은 주석 불화층(Tin Fluoride)으로 변이된다. 공정의 온도를 낮추기 위하여 CF4, SF6가스와 레이저를 적용한 경우에는 성공적인 리플로우 솔더링이 수행되지만, 역시 생산 가격적인 부담과 함께 카보닐 불소화합물(Carbonyl Fluoride)과 같은 유해한 부산물의 생성 가능성이 여전히 문제점으로 남게 된다.
리플로우 공정에서 HF나(미국 특허 제 5,609,290호), 고순도의 불소(Fluorine) 가스를 사용한 경우에도(미국 특허 제 5,615,825호) 역시 상기 가스에 의한 위험성이 많고, 가격이 비싸므로 솔더링 제품의 생산 단가가 높아지는 문제점이 있었다.
또한, 진공 중에서의 플라즈마 형성에 의한 승온이나(미국 특허 제 5,345,056호), 스퍼터링(Sputtering)에 의한 금속 표면 산화막의 제거로 무플럭스 접합이 이루어진 보고도 있으나 이 역시 배치 형태의 공정으로 실제 공업적 생산 공정에 응용되기 어렵다.
실제 생산 공정으로의 응용에 가장 근접한 무플럭스 리플로우 솔더링 방법은 포름산(Formic Acid) 가스 분위기의 적용으로서, 포름산을 기체 상태로 분무시키기 위해서는 일반적으로 질소 가스를 이용하게 되는데, 포름산은 금속의 표면에 생성된 금속 산화물을 저온에서 환원시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 잇점으로 인하여 포밍(Forming) 가스 분위기에서 레이저를 적용시켜 무플럭스 접합을 수행한 많은 특허(미국 특허 제 4,700,044호, 제 5,227,604호, 제 5,604,831호, 제 5,742,025호, 제 5,763,854호, 제 5,852,257호)가 제시되고 있으나, 위 특허들 역시 비교적 고가의 공정이고 아직 검증되지 않은 잠재적인 위험성을 갖고 있다.
한편, 이에 비해 좀더 진보된 공정으로 PADS(Plasma-Assisted Dry Soldering)가 있다. 이 방법은 CF4나 SF6와 같은 가스 분위기를 마이크로웨이브(Microwave) 등으로 플라즈마(Plasma)화 시킨 후, 금속 표면에 생성된 금속 산화물을 금속 산불화물(Oxyfluoride)로 표면을 개질시키는 것(미국 특허 제 5,407,121호)이다.
상기 방법은 공기중의 수분 농도만 기준값 이하로 제어되면, 표면이 개질된 상태에서 대기 중에 노출되어도 약 일주일 정도는 솔더의 젖음성이 저하되지 않는 장점을 가지나 금속 표면의 개질에 소요되는 시간이 약 15분 정도가 필요하므로, 공업상 이용하기 어려운 문제점이 있었다. 따라서 이 공정은 최근의 대량 생산 체제에서는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점과 필요성을 감안하여 창안된 것으로서, 플럭스의 사용을 배제하고, 불활성 가스 분위기속에서 탄산가스(CO2)또는Nd:YAG레이저 빔을 사용하여 솔더 디스크와 웨이퍼 상태 칩의 신호 입출력 단자인 패드부에 코팅된 솔더간의 접합이 이루어지도록 함으로써, 많은 시간과 비용이 소요되는 플럭스의 후세척 공정을 제거하고, 환경친화적 공정을 이룰 수 있으며, 보다 우수한 금속학적 미세조직을 얻을 수 있는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 장치 및 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
도 1a는 본 발명에 따른 무플럭스 접합 장치에서의 작업모식도이고,
도 1b는 본 발명에 따른 레이저 빔 조사 후, 용융접합된 솔더 범프의 정단면도이고,
도 2a는 본 발명의 일실시예에 의한 63 wt% Sn/37 Pb 조성의 솔더 사용으로서 50 W 레이저 빔을 조사한 용융 접합부의 전자현미경 관찰 사진이고,
도 2b는 본 발명의 일실시예에 의한 96.5 wt% Sn/3.5 Ag 조성의 솔더 사용으로서 50 W 레이저 빔을 조사한 용융 접합부의 전자현미경 관찰 사진이고,
도 3a는 본 발명에 의한 20 W 출력의 레이저 빔으로 조사되어 형성된 솔더 범프부의 전자현미경 관찰사진이고,
도 3b는 본 발명에 의한 20 W 출력의 레이저 빔으로 조사되어 형성된 용융 접합부의 확대사진이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 전자 패키지 2 : 패드부
3 : 코팅층부 4 : 솔더 디스크
5 : 금속 마스크 6 : 실린더리컬 렌즈
7 : 레이저 빔 8 : 기둥
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 발생기에서 발생한 원형의 레이저 빔을 에너지 밀도가 선형으로 일정하도록 하는 실린더리컬 렌즈와, 전자 패키지의 패드부와 같은 위치에 같은 수의 구멍이 형성되어 상기 실린더리컬 렌즈를 통하여 생성된 레이저 빔이 그 위를 스캐닝하게 하는 금속 마스크와, 상기 금속 마스크로부터 발생되는 열을 방열하는 다수개의 기둥을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합장치가 제공된다.
이와 같은 무플럭스 솔더 접합장치에서 상기 금속 마스크의 재질은 레이저 빔에 의한 열의 흡수율이 적은 스테인레스 또는 동 박판을 재료로 사용하고, 금속 마스크에 형성된 구멍은 상기 솔더 디스크의 지름보다 작게 형성되며, 상기 기둥은 금속 마스크에서 생성되는 열을 제거하는 방열핀이 다수개 포함되는 한편, 상기 레이저 빔은 CO2또는Nd:YAG레이저 빔인 것을 특징으로 한다.
또한, 범프 형태 접합부를 가지는 전자 패키지의 패드부에 솔더를 코팅하여 코팅층부를 형성하는 코팅층부 형성 단계와, 상기 코팅층부에 코팅된 솔더 조성과 동일 또는 유사한 조성의 솔더 디스크 또는 솔더볼을 정렬하는 정렬 단계와, 상기 패드부와 같은 위치에 같은 수의 구멍이 형성된 금속 마스크를 상기 정렬된 솔더 디스크 또는 솔더볼 상부에 일정 간격으로 띄워서 위치시키는 금속 마스킹 단계와, 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 기체 분위기 속에서 연속파에 의해서 발생한 레이저 빔을 실린더리컬 렌즈를 통하여 에너지 밀도가 일정한 선형 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성 단계와, 상기 레이저 빔이 상기 금속 마스크 위를 이동 스캐닝하면서 상기 솔더 디스크 또는 솔더볼을 용융시켜 솔더 코팅층부와 결합되게 하여 상기 패드부 전체가 솔더로 완전히 젖은 상태의 솔더 범프를 생성하는 솔더 범프 생성 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법이 제공된다.
이와 같은 무플럭스 솔더 접합 방법에서 상기 패드부에 솔더를 코팅하는 방법은 전기도금법 또는 스퍼터링법에 의해 코팅하고, 상기 솔더 디스크는 벌크 형태 이외에 솔더 분말과 플럭스가 혼합된 솔더 페이스트의 스텐실 프린팅법을 이용하여 정렬하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이와 같은 본 발명에서 상기 레이저 빔이 전자 패키지의 솔더 접합부를 이동하는 대신 레이저 빔을 고정하고, 전자 패키지가 놓인 이동 테이블을 이동시키면서 레이저 빔으로 스캐닝하며, 상기 레이저 빔에 의한 스캐닝시 불활성 가스는 측면에서 분사되거나 불활성 가스로 채워진 챔버내에서 수행되는 한편, 상기 솔더는 Sn 이외에 Pb, Bi, In, Ag, Sb, Cu, Zn을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이와 같은 본 발명에서 각각의 단계는 솔더 범프를 가지는 BGA, CSP 및 C4에 적용되고, 상기 솔더 범프 생성단계는 솔더 범프의 수가 작을 경우 원형의 레이저 빔을 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예에 의거 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 무플럭스 접합 장치에서의 작업모식도, 도 1b는 본 발명에 따른 레이저 빔 조사 후, 용융접합된 솔더 범프의 정단면도, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 의한 63 wt% Sn/37 Pb 조성의 솔더 사용으로서 50 W 레이저 빔을 조사한 용융 접합부의 전자현미경 관찰 사진이다.
또한, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 의한 96.5 wt% Sn/3.5 Ag 조성의 솔더 사용으로서 50 W 레이저 빔을 조사한 용융 접합부의 전자현미경 관찰 사진, 도 3a는 본 발명에 의한 20 W 출력의 레이저 빔으로 조사되어 형성된 솔더 범프부의 전자현미경 관찰사진, 도 3b는 본 발명에 의한 20 W 출력의 레이저 빔으로 조사되어 형성된 용융 접합부의 확대사진이다.
본 발명은 도 1에 도시되지 않은 레이저 발생기에서 발생한 원형의 레이저 빔(Laser Beam)(7)을 에너지 밀도가 선형으로 일정한 선형 레이저 빔(7-1)으로 변형시켜 생성하는 실린더리컬 렌즈(6)와, 전자 패키지(1)의 패드부(2)와 같은 위치에 같은 수의 구멍(5a)이 형성된 금속 마스크(5)와, 상기 금속 마스크(5)의 상부 측면에서 상기 금속 마스크(5)로부터 발생되는 열을 다수개의 방열핀(9)을 통해 방열하는 다수개의 기둥(8)을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 장치를 이용하여 범프(Bump) 형태 접합부를 가지는 전자 패키지(1)의 패드부(2)에 솔더(Solder)를 코팅(Coating)하여 코팅층부(3)를 형성하는 코팅층부 형성 단계와, 상기 코팅층부(3)에 코팅된 솔더 조성과 동일 또는 유사한 조성의 솔더 디스크(4) 또는 솔더볼을 정렬하는 단계와, 상기 패드부(2)와 같은 위치에 같은 수의 구멍(5a)이 형성된 금속 마스크(5)를 상기 정렬된 솔더 디스크(4) 또는 솔더볼 상부에 일정 간격으로 띄워서 위치시키는 단계와, 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)와 같은 불활성 기체 분위기 속에서 연속파에 의해서 발생한 레이저 빔(7)을 실린더리컬 렌즈(Cylinderical Lens)(6)를 통하여 에너지 밀도가 일정한 선형 레이저 빔(7-1) 생성 단계와, 상기 레이저 빔(7-1)이 상기 금속 마스크(5) 위를 이동 스캐닝하면서 상기 솔더 디스크(4) 또는 솔더볼을 용융시켜 솔더 코팅층부(3)와 결합되게 하여 상기 패드부(2) 전체가 솔더로 완전히 젖은 상태의 솔더 범프(Solder Bump)를 생성하는 솔더 범프 생성 단계로 구성된다.
이하, 상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 상세한 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 등의 웨이퍼(Wafer)를 사용하여 팹(Fab) 공정으로 제조된 집적회로(IC) 칩(Chip)인 전자 패키지(1)에는 주로 동(Cu) 또는 니켈(Ni)등으로 이루어지고, 상기 전자 패키지(1)에서 처리된 데이터 또는 신호의 입출력 및 전원공급 등의 단자 역할을 수행하는 패드부(2)가 있으며, 반도체 제조공정으로 형성된다.
상기 패드부(2)를 제외한 부분은 절연성의 물질로 보호층(Passivation Layer)(10)이 역시 반도체 제조공정으로 형성된다.
상기와 같이 제조된 웨이퍼 상태(Wafer Level)의 집적회로인 전자 패키지(1)의 패드부(2)에는 전기도금법 또는 스퍼터링(Sputtering)법을 사용하여 상기 패드부(2)에 부착될 솔더 디스크(4)와 동일 또는 유사한 조성의 솔더(Solder)를 이용하여 일정한 두께가 되도록 코팅함으로써, 상기 코팅층부(3)를 형성한다.
즉, 상기 코팅된 솔더의 조성은 솔더 범프가 될 솔더 디스크(4) 또는 솔더볼과 동일 또는 유사한 조성의 솔더를 사용한다. 또한, 칩보다 큰 웨이퍼의 기판(Substrate) 또는 인쇄회로 보드(Board)부에 형성된 패드 부분일 경우는 산업현장에서 사용되고 있는 HAL(Hot Air Levelling)법을 응용하여 보다 용이하게 솔더 코팅함으로써, 코팅층부(3)를 형성할 수 있다.
그러나 상기 코팅층부(3)는 장기간 사용되지 않을 경우, 젖음성(Wetting Property)의 감소가 일어나며, 이것은 상온에서도 구리(Cu)가 계속적으로 솔더쪽으로 확산되면서 접합 계면 부위로부터 Cu6Sn5와 같은 금속간 화합물층으로 성장하기 때문이다.
즉, 성장된 금속간 화합물이 코팅층부(3)의 외부까지 노출되면 Sn 과 더불어 Cu 가 계속적으로 산화되면서 젖음성을 감소시키기 때문이다. 이러한 영향을 막기 위해 상기 패드부(2)가 솔더 코팅된 전자 패키지(1) 들은 일반적으로 수분이 조절된 불활성 분위기에서 보관하여야 한다.
본 발명에서는 발생될 수 있는 이러한 문제점을 솔더내에 0.02-0.1 wt% 의 게르마늄(Ge)을 첨가하여 개선하였다. 이 경우 솔더 표면에는 게르마늄(Ge) 산화막이 형성되는 데, 이는 조직이 매우 치밀하여 계속적인 산화층의 성장을 막아준다.
상기와 같은 조성의 솔더 디스크(4) 또는 솔더볼(Ball)을 패드부(2)와 코팅층부(3)의 상부에 정렬함에 있어서, 벌크(Bulk) 형태의 솔더 디스크(4)를 사용하는 방법 이외에도 솔더 페이스트의 스텐실 프린팅(Stencil Printing) 방법을 이용하여 패드부(2)와 코팅층부(3)의 상부에 솔더 디스크(4)를 정렬시킬 수도 있다.
상기 정렬된 솔더 디스크(4) 상부와 일정 간격으로 띄어진 채 상기 패드부(2)와 같은 위치에 구멍(5a)이 형성된 금속 마스크(5)를 위치시킨다. 금속 마스크(5)의 재질로는 레이저 빔에 의한 열의 흡수율이 적고 가공성이 우수한 일실시예로서 스테인레스 또는 동 박판 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 금속 마스크(5)의 상부 측면에는 다수의 방열핀(9)이 달린 기둥(8)(도 1에는 기둥이 2개만 도시되어 있음)과 연결시켜 금속 마스크(5)에서 생성되는 열을 상기 다수의 기둥(8) 및 방열핀(9)을 통하여 신속하게 방열하게 된다.
또한, 상기 금속 마스크(5)의 구멍(5a)은 솔더 디스크(4)의 지름보다 작게 디자인하여 금속 마스크(5) 정렬상의 오차와, 구멍(5a)의 외곽부(Edge)에서의 레이저의 회절 특성에 의하여 전자 패키지(1)의 패드부(2) 이외의 부분을 보호하는 기능의 절연체로 구성된 보호층(10)에 손상이 발생되지 않도록 한다.
다음 도시되지 않은 레이저 발생기로부터 조사된 레이저 빔(7)을 정밀하게 설계되고 가공된 실린더리컬(Cylinderical) 렌즈(6)를 통하여 선(Line) 형태로 에너지 밀도가 균일하게 분포된 사각형의 레이저 빔(7-1)을 생성시킨 후, 천천히 금속 마스크(5) 위를 스캐닝(Scanning)하면서 솔더 디스크(4)를 용융시킨다. 경우에 따라서는 레이저 빔(7-1)을 고정시키고, 이동 테이블(Moving Table)을 사용하여 이동 테이블 위에 놓인 전자 패키지(1)를 이동시키면서 상기 레이저 빔(7-1)으로 스캐닝할 수도 있다.
레이저 빔(7-1)에 의한 스캐닝시, 아르곤과 같은 불활성 가스는 측면으로부터 분사되고, 이때 솔더 디스크(4)가 측면에서 분사되는 불활성 가스에 의해 지나치게 움직이지 않도록 분사 가스의 유량을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
상기 솔더 디스크(4)는 레이저 빔(7-1)에 의한 조사 후, 반구상태의 솔더 범프(Solder Bump)로 변형되며, 도 1b, 도 2a 및 도 3a에 잘 도시되어 있다.
본 발명은 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)와 같은 불활성 가스 분위기속에서의 레이저 빔(7-1) 조사시 상기 솔더 디스크(4)의 표면에 형성된 금속 산화막은 레이저 빔(7-1)에 의한 급격한 온도 상승에 의하여 상기 금속 산화막에 포함된 산소가 솔더 내부로 급격히 고용되는 용융이 일어나며, 이와 동시에 동일 또는 유사한 조성의 상기 솔더 디스크(4)와 코팅층부(3)는 무플럭스 솔더 접합이 이루어지고, 도 1b, 도 2a,b 및 도 3a,b에 솔더 접합이 이루어진 상태가 도시되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 또 다른 장점은 솔더 디스크(4)와 패드부(2) 상부에 위치한 코팅층부(3)가 정확하게 완전한 정렬이 이루어지지 않아도 상기와 같은 리플로우시 용융된 솔더 디스크의 젖음 거동과 표면장력에 의한 자체정렬(Self-Aligning)이 되며, 따라서 정렬된 패드부(2)의 전체를 솔더로 완전히 젖도록 한 솔더 범프의 생성이 가능하게 된다.
다시 설명하면, 원형의 일반적인 레이저 빔(7) 형태에서는 원형 레이저 중심의 에너지 밀도가 상대적으로 가장 높게 되므로 정밀한 설계와 가공에 의한 실린더리컬 렌즈(6)에 의하여 에너지 밀도가 선형으로 균일하게 분포된 레이저에 의하여 BGA(Ball Grid Array)와 CSP(Chip Scale Package)는 물론, FCB(Flip Chip Bonding), C4(Controlled Collapsed Chip Connection)와 같은 범프 형태 접합부를 가지는 모든 패키지의 웨이퍼 레벨 리플로우 솔더링이 가능하다.
이때, 상기 레이저 빔(7-1)이 연속파를 갖도록 한 것은 레이저 빔(7-1)이 펄스파나 Q-switch로 제어될 경우, 솔더 접합 공정이 하나하나 이루어져서 접합 공정이 연속성을 갖지 못함에 따라 시간 및 비용상으로 단점을 가지기 때문이다.
이중, 상기 C4 공정의 리플로우 접합시 솔더 범프의 수가 작을 경우는 상기 금속 마스크(5)의 사용없이 레이저 빔(7) 발생장치의 일반적인 원형 렌즈에 의한 포커싱(Forcusing)을 통하여 발생된 레이저 빔(7)으로 직접 솔더 디스크(4)를 조사할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같은 무플럭스 접합을 위해서 CO2레이저뿐만이 아니라 Nd:YAG(이트륨·알루미늄·가네트) 레이저의 적용도 가능하다.
Nd:YAG 레이저는 솔더의 Sn 성분에 매우 흡수율이 뛰어난 1.064 ㎛의 파장을 사용하므로 이 경우 CO2레이저보다 훨씬 적은 출력 파워의 사용이 가능하다.
본 발명에 의하여 용융접합된 솔더의 단면 상태가 도 2a,b와 도 3a,b를 통하여 전자현미경 SEM(Secondary Electron Microscope)의 사진 이미지로 명확하게 관찰된다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 의한 63 wt% Sn/37 Pb 조성의 솔더 사용으로서 50 W 레이저 빔을 조사한 용융 접합부의 전자현미경 관찰 사진이고, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 의한 96.5 wt% Sn/3.5 Ag 조성의 솔더 사용으로서 50 W 레이저 빔을 조사한 용융 접합부의 전자현미경 관찰 사진으로서, 솔더 디스크(4)를 각각 동일 또는 유사한 조성의 솔더 코팅층부(3)에 위치시킨 뒤 아르곤 가스 분위기에서 약 50 watts 의 에너지를 갖는 연속파(Continuous Wave) CO2레이저 빔(7-1)을 약 1-2초간 조사한 후의 솔더 디스크(4)가 솔더 범프 형태의 반구상태로 변형되고, 아래의 코팅층부(3)와 용융접합된 접합 단면 사진이다.
접합부의 계면은 공극(Void)이나 결함이 없는 완벽한 접합이 이루어졌으며, 접합시 레이저 빔(7-1)이 직접 조사되는 상부의 솔더 디스크(4)와 하부의 코팅층부(3)는 국부적으로 용해되어 결합되었음을 알 수 있다.
도 3a,b는 레이저 빔 발생장치의 집광 렌즈로부터 5㎝의 거리에서 포커싱되는 CO2레이저 장치에서 6㎝의 거리에 놓여 있는 솔더 디스크(4)부를 20 watts의 파워로서 약 2초간 연속파로 조사하여 형성시킨 솔더 범프(Solder Bump)의 SEM 단면 이미지 사진이다.
이에 나타난 바와 같이, 접합부에 결함 조직이 없는 완벽한 솔더 범프의 접합조직이 형성되었으며, 계면부에서는 취약한 금속간 화합물층의 형성이 상당히 억제된 모습을 보여준다.
레이저 빔(7-1) 조사시 급격히 가열되면서 용융되는 솔더는 온도가 증가함에 따라 그 평형 산소 고용 농도 또한 급격히 증가하게 되는데, 이러한 효과로 레이저 빔(7-1) 조사 이전의 융점이 높은 표면 산화물은 신속하게 솔더 내부로 고용된다. 이때 먼저 용융된 솔더 디스크 (4)는 동일 또는 유사한 조성의 코팅층부(3)에 서서히 젖게 되면서 전도에 의한 열전달을 촉진하게 되고, 이어 아래 코팅층부(3)도 용융이 일어나면서 접합되게 된다.
본 발명의 기술을 불활성 가스 분위기속에서가 아닌 대기 중에서 운용하였을 경우 이러한 용융 접합 특성을 기대할 수 있으나, 솔더가 용융되는 과정중에서 산화가 계속 진행하므로 인하여 리플로우된 솔더의 표면이 매우 심하게 산화된다.
따라서 본 방법과 같은 아르곤(Ar), 또는 질소(N2)등의불활성 가스 분위기 속에서의 리플로우 솔더링이 반드시 필요하다.
상기와 같은 본 발명에서는 산소 친화도의 차이에 따라 우선적으로 산소와 반응하는 원소(Sn-Pb계에서는 Sn)가 솔더 표면에 산화막을 형성하게 되지만, 불활성 분위기에서의 급격한 온도 상승은 이러한 솔더 표면의 산화막에 포함되어 있는 산소를 솔더 내부로 급격히 고용시키므로 Sn 이외에도 Pb, Bi, In, Ag, Sb, Cu, Zn 등이 솔더의 성분으로 조성되어 사용이 가능하게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따르면 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)와 같은 불활성 분위기 속에서 레이저 빔에 조사에 의한 솔더 디스크의 급격한 온도 증가는 솔더 디스크의 산소 고용을 증가시키고, 플럭스를 사용하지 않은 상태에서 접합부 및 피접합부의 솔더가 용융 접합됨으로써, 많은 비용과 시간이 소요되는 플럭스 후세척 공정을 생략할 수 있으며, 환경친화적 공정이 되고 보다 우수한 금속학적 접합 조직을 얻을 수 있는 효과가 있다.
Claims (12)
- 레이저 발생기에서 발생한 원형의 레이저 빔을 에너지 밀도가 선형으로 일정하도록 하는 실린더리컬 렌즈와,전자 패키지의 패드부와 같은 위치에 같은 수의 구멍이 형성되어 상기 실린더리컬 렌즈를 통하여 생성된 레이저 빔이 그 위를 스캐닝하는 금속 마스크와,상기 금속 마스크로부터 발생되는 열을 방열하는 다수개의 기둥을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 마스크의 재질은 스테인레스 또는 동 박판으로 한 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 마스크의 구멍은 상기 솔더 디스크의 지름보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 기둥은 금속 마스크에서 생성되는 열을 제거하는 방열핀이 다수개 포함된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 레이저 빔은 CO2또는Nd:YAG레이저 빔인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 장치.
- 범프 형태 접합부를 가지는 전자 패키지의 패드부에 솔더를 코팅하여 코팅층부를 형성하는 코팅층부 형성 단계와,상기 코팅층부에 코팅된 솔더 조성과 동일 또는 유사한 조성의 솔더 디스크 또는 솔더볼을 정렬하는 정렬 단계와,상기 패드부와 같은 위치에 같은 수의 구멍이 형성된 금속 마스크를 상기 정렬된 솔더 디스크 또는 솔더볼 상부에 일정 간격으로 위치시키는 금속 마스킹 단계와,아르곤 또는 질소와 같은 불활성 기체 분위기 속에서 연속파에 의해서 발생한 레이저 빔을 실린더리컬 렌즈를 통하여 에너지 밀도가 일정한 선형 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성 단계와,상기 레이저 빔이 상기 금속 마스크 위를 이동 스캐닝하면서 상기 솔더 디스크 또는 솔더볼을 용융시켜 솔더 코팅층부와 결합되게 하여 상기 패드부 전체가 솔더로 완전히 젖은 상태의 솔더 범프를 생성하는 솔더 범프 생성 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 패드부에 솔더를 코팅하는 방법은 전기도금법 또는 스퍼터링법 또는 HAL(Hot Air Levelling)법에 의해 코팅하고,상기 솔더 디스크는 벌크 형태 이외에 솔더 페이스트의 스텐실 프린팅법을 이용하여 패드부에 정렬하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 레이저 빔이 전자 패키지의 솔더 접합부를 이동하는 대신 레이저 빔이 고정된 채 이동 테이블에 의하여 전자 패키지, 솔더 디스크 또는 솔더볼, 금속 마스크가 일체로 이동하면서 레이저 빔으로 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 레이저 빔에 의한 스캐닝시 불활성 가스는 측면에서 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 솔더는 Sn 이외에 Pb, Bi, In, Ag, Sb, Cu, Zn 성분이 조성 성분으로서 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
- 제 6항에 있어서, 각각의 단계는 솔더 범프를 가지는 BGA, CSP 및 C4에 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 솔더 범프 생성단계는 솔더 범프의 수가 작을 경우 원형의 레이저 빔을 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 방법.
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