76 연구논문 박판몰드를이용한솔더범프패턴의형성공정 남동진 * 이재학 * 유중돈 * * 한국과학기술원기계공학과 Fabrication of Solder Bump Pattern Using Thin Mold Dong-Jin Nam*, Jae-Hak Lee* and Choong-Don Yoo* *Dept. of Mechanical Engineering, KAIST, Daejeon 305-701, Korea Abstract Solder bumps have been used to interconnect the chip and substrate, and the size of the solder bump decreases below 100 μm to accommodate higher packaging density. In order to fabricate solder bumps, a mold to chip transfer process is suggested in this work. Since the thin stainless steel mold is not wet by the solder, the molten solder is forced to fill the mold cavities with ultrasonic vibration. The solders within the mold cavities are transferred to the Cu pads on the polyimide film through reflow soldering. *Corresponding author : plle3angel@kaist.ac.kr (Received Febuary 7, 2007) Key Words : Solder bump, Ultrasonic, Mold-to-chip transfer, Electronic packaging 1. 서론 전자기기의소형화와고성능화추세에따라전자패키징 (electronic packaging) 의집적도와신호전달성능을향상시키기위한다양한기술이연구되고있다. 패키징기술중에서플립칩본딩 (flip chip bonding) 은실리콘칩에 UBM(Under Bump Metallurgy) 과솔더범프를형성하고솔더링공정을이용하여기판의패드와접합한다 1,2). 기존의와이어본딩기술과비교하여플립칩본딩은실장밀도가높고칩과기판을수직으로연결하므로접속길이가짧아신호전달성능과열전달이우수하다는장점이있다. 플립칩의솔더범프를형성하기위하여사용되는대표적인공정으로증착, 도금, 스크린프린팅등이사용되고있다 3). 그러나공정에따라증착효율, 가공비, 솔더범프의불균일한크기, 미세피치의구현에따른한계등의문제점이있다 4). 또한환경규제로인해납의사용이제한됨에따라기존의 Sn-37Pb 솔더가무연솔더 (lead-free solder) 로대체되면서고융점과젖 음성불량과같은문제점이발생하고있다 3). 이와같은문제점을보완하기위하여기존의공정을개선하거나새로운공정이개발되었다. Fujino 5) 등은스크린프린팅방법을미세피치에적용하기위하여마스크에솔더페이스트 (solder paste) 를채우고마스크를제거하지않은상태에서솔더페이스트를용융시켜솔더범프를형성하였다. 또한스크린프린팅을이용하여홈이가공된실리콘웨이퍼 (wafer) 에솔더페이스트를채워솔더범프를형성하는방법도제안되었다 6). Gruber 7) 등은웨이퍼레벨 (wafer level) 에서플립칩의솔더범프를형성하는 C4-NP 공정을제안하고성공적으로구현하였다. C4-NP 공정은솔더가젖지않는유리기판에홈을가공하여몰드 (mold) 로사용한다. 솔더주입장치를이용하여몰드홈에용융솔더를채워응고시키고, 몰드를 UBM이형성된웨이퍼에정렬한상태에서가열하여솔더범프를형성한다. 솔더페이스트를사용하지않고용융솔더를직접몰드에채우기때문에범프의크기와피치를정밀하게제어할수있고웨이퍼전체의솔더범프를한번에형성하였다. 본연구에서는초음파를이용하여솔더가젖지않는 178 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
박판몰드를이용한솔더범프패턴의형성공정 77 스테인리스강재질의박판몰드에용융솔더를채우고몰드의솔더패턴을칩의패드에이행 (transfer) 시켰다. 실험을통하여초음파에의해용융솔더가몰드에 Horn Vibration of horn Mold Molten solder 채워지는현상을분석하였다. 2. 솔더범프형성공정 본연구에서제안한솔더범프의형성방법은 Fig. 1 에보인바와같이다음의 3단계로구성된다 : (1) 용융솔더로채워진솔더조 (solder bath) 의내부에몰드를위치시키고, 초음파를이용하여몰드의홈에솔더를채운다. (2) 스퀴지 (squeegee) 를이용하여몰드홈이외의표면에부착된솔더막을제거한다. (3) 몰드와기판이접촉한상태에서리플로우솔더링공정으로몰드의솔더를기판의패드로이행시킨다. 본연구에서사용한박판몰드는 C4-NP 의유리몰드에비해식각이용이하며유연하므로솔더범프 (solder bump) 를기판으로이행시평평도 (coplanarity) 문제를해결할수있는장점이있다. 몰드에가공된홈의형상으로관통구멍 (through hole) 또는막힌구멍 (blind hole) 을사용할수있으며, 초음파혼 (horn) 과몰드의접촉여부에따라 Fig. 2에보인접촉식과비접촉식방법으로구분한다. 접촉식은초음파혼을몰드에접촉시킨상태에서초음파를가하며, 비접촉식은혼의끝단을몰드표면에접촉시키지않고일정간격을유지하면서초음파를가한다. 몰드의표면에솔더가젖지않아야하며, 이는몰드의홈에채워진솔더를용융시켜칩이나기판의패드로 Horn Vibration V of horn Mold Molten solder Horn Vibration of of mold mold Mold Vibration of horn Molten solder Solder bath Solder bath Fig. 2 Schematics of cavity filling methods using ultrasonic vibration; Contact method, Non contact method 이행시킬때솔더가몰드의홈에잔존하지않고패드에접합되어야하기때문이다. 본연구에서사용한초음파진동은솔더가젖지않는몰드의홈에솔더를채우는역할을한다. 용융솔더의내부에원통형상의혼을위치시킨상태에서진동시키면, 솔더에서발생하는압력은주파수와진폭에의해결정된다 8). 초음파에의해발생하는압력은초음파자체의압력과공동화 (cavitation) 에의한압력으로구분할수있다. 음압 (negative pressure) 에의해발생하는공동은붕괴하면서큰압력을발생시킨다. 접촉식의경우에는초음파혼이몰드와접촉하여몰드를진동시키기때문에몰드홈에존재하는기포는진동에의해발생하는압력을직접받는다. 이와같은압력에의해몰드홈의기포는외부로배출된다. Solder bath 3. 실험방법 Squeegee Pad (c) Fig. 1 Process sequence of solder bump fabrication; Filling of mold cavities with solder using ultrasonic vibration, Removal of solder layer, (c) Transfer of solder bumps to pads 접촉식과비접촉식방법을사용하여몰드의홈에솔더를채우고몰드의솔더를기판의패드로이행시키기위한실험을수행하였다. 몰드의재료로솔더가젖지않는 STS 304 재질의박판을사용하였으며, 포토리소그래피 (photolithography) 와식각 (etching) 공정을이용하여몰드에관통구멍과막힌구멍의패턴을가공하였다. 관통구멍과막힌구멍의몰드크기는각각 30 30 0.1mm와 30 30 0.2mm 이며, 가공된구멍의직경은 300μm이다. 실험에사용한무연솔더의조성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 179
78 남동진 이재학 유중돈 p = 2 γ / R sur s c 2 b = ρs ρa c π c p ( ) gv /( R ) Fig. 3 Photograph showing the mold surface covered with Sn-3.0Ag-0.5Cu solder layer after ultrasonic vibration 이며, 솔더의용융온도는 220 이다. 몰드에솔더를 채우기위한실험장치는초음파를발생시키는초음파용접기, 무연솔더를용융시키는솔더조, 몰드를고정시키는지그 (jig) 로구성된다. 초음파용접기의발진주파수는 28kHz이고혼끝단에서의진폭은 10μm이다. 무연솔더를솔더조에서용융시키고지그에장착된몰드를용융솔더내부로위치시킨상태에서초음파를발진시켜접촉식또는비접촉식방법으로몰드의홈에솔더를채웠다. Fig. 3은초음파를접촉식으로 20초간가한몰드형상이며, 솔더는몰드의홈에채워지면서홈이외의몰드표면에도솔더막이형성된다. 솔더막을제거하기위하여몰드를열판 (hot plate) 위에서가열하여솔더를용융시키고 STS 304 또는유리재질의스퀴지를이용하여솔더막을제거하였다. 몰드에채워진솔더를기판에이행시키기위하여기판을제작하였다. 기판은폴리이미드 (polyimide, PI) 필름의표면에 Cu 박판이부착된형상이며, Cu 박판을식각하여패드를형성하였다. 몰드의표면에플럭스 (flux) 를도포하고, 몰드를 PI 기판에접촉시킨상태에서열판상에서몰드와 PI 기판을 260 로동시에가열하여솔더를 PI 기판에이행시켰다. PI 기판에형성된솔더범프의형상과단면을전자현미경과광학현미경을이용하여관찰하였다. 4. 실험결과및고찰 몰드홈의내부에존재하는기포는솔더의표면장력과 90도이상의접촉각에의해압력을받는다. 몰드홈을반구로가정하면솔더의표면장력에의한압력과공기의부력은다음과같다. 여기에서 는솔더의표면장력, R c 는몰드홈의반경, ρ s 는솔더의밀도, ρ a 는공기의밀도, V c 는몰드홈의부피를나타낸다. 솔더의표면장력이 0.54N/m 9), 몰드홈의반경이 150μm인경우, 표면장력에의한압력은약 7kPa이다. 그러나몰드홈의기포가받는부력은약 4Pa이기때문에표면장력에의한압력보다매우작아서기포는부력에의해배출되지못한다. 용융솔더내부에서초음파혼이진동하는경우에혼주위의압력은사인 (sine) 파형으로시간에따라변화하며, 양의압력이발생하는구간에서수 MPa의압력을몰드에가한다. 음압이발생하는구간에서는캐비테이션현상에의해솔더내부에기포가발생하고기포가붕괴되면서큰압력이발생한다. 캐비테이션에의한압력은대략수 GPa의매우큰값으로알려져있다 10). 이와같이초음파에의해발생하는압력은기포의표면장력에의한압력보다크기때문에몰드홈에존재하는기포를제거할수있을것으로예상한다. 비접촉식방법을이용하여몰드의막힌구멍에채워진솔더형상을 Fig. 4에나타내었다. Fig. 4 와같이몰드홈이완전히채워지는경우도있지만, 대부분의경우에는 Fig. 4 와같이홈의일부만채워지는결과를얻었다. 혼과몰드의간격을 2~5mm 로조절하면서실험하였으며, 간격을감소시켜도몰드홈을완전하게채우기어려웠다. 이는초음파압력에의해몰드홈내부의공기가완전하게배출되지않고압력에의해압축되기때문으로판단된다. 비접촉식방법에의해솔더를몰드홈에완전히채우기어렵기때문에향후의실험은접촉식방법을사용하였다. 접촉식방법으로솔더를몰드홈에채우고스퀴지를이용하여몰드표면의솔더막을제거한몰드의단면을 Fig. 5에나타내었으며, 막힌구멍과관통구멍의몰드홈에솔더가완전히채워졌음을알수있었다. 접촉식방법은몰드자체를진동시키므로몰드홈의기포에직접적으로충격이가해져서기포가원활하게배출되는것으로추정한다. 그러나혼과접촉하는몰드주변의홈에서만기포를제거할수있기때문에전체몰드의기포를제거하려면몰드를이동시키며초음파를가해야한다. 일반적으로몰드홈에솔더가채워지는정도는초음파인가시간, 몰드와혼의위치에의해영향을받는다. 초음파의인가시간이증가하거나몰드홈의위치가혼에근접하면솔더가균일하게채워진다. 180 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
박판몰드를이용한솔더범프패턴의형성공정 79 Fig. 4 Photographs showing the solder bumps filled in blind hole mold using non contact vibration method; Completely filled solder bump, Partially filled solder bump Fig. 5 Cross sectional images of mold cavity after contact vibration method; Blind hole mold, Through hole mold Fig. 6 Photographs showing transferred solder bumps using blind hole mold through hole mold Fig. 6 은몰드의솔더를 PI 필름의 Cu 패드에이행 시켜형성된솔더범프를나타낸다. 스테인리스강재 질의몰드는솔더와접합력이낮기때문에용융된솔더는 Cu 패드로이행되며, 일반적으로관통구멍의경우가더수월하게이행되었다. 막힌구멍의경우에솔더범프의형상이반구형이지만, 관통구멍의경우에는솔더범프의측면이실린더형상이고윗부분은반구형을나타낸다. 솔더범프의단면을 Fig. 7에나타내었으며, 솔더범프의내부에기공이존재한다. 이와같은기공은솔더범프를기판에이행하는과정에서공기가갇혀발생하거나리플로우솔더링과정에서솔더범프내부에갇힌플럭스가증발하면서발생할수있다. 그러나기판의표면이매끄럽고솔더범프내부의기공이요철에비해상대적으로크다. 또한막힌구멍몰드에비해관통구멍몰드를사용하는경우플럭스의증기가쉽게외부로배출되어기공의크기와발생빈도가감소하므로플럭스의증발에의해기공이주로발생함을알수있다. 솔더범프의품질을향상시키려면기공을제거하는것이바람직하다. 이를위하여몰드에플럭스를도포하고채워진솔더를용융시켜구형의솔더볼형상으로만든후기판에플럭스를도포하여몰드의솔더를기판에이행시켰다. 이와같은방법으로범프내부의기공을제 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 181
80 남동진 이재학 유중돈 Fig. 7 Cross sectional images of solder bumps including voids using blind hole mold and through hole mold after transfer process Fig. 8 Cross sectional images of solder bump having no voids using blind hole mold and through hole mold after modified transfer process 거할수있었으며, 이행시킨솔더범프의단면을 Fig. 8에나타내었다. 이는솔더볼이기판의패드와점접촉 (point contact) 하면서솔더볼이용융되어젖음이진행되므로플럭스가솔더볼내부에갇히지않고외부로배출이용이하다. 따라서솔더볼내부에플럭스를포함하지않아플럭스의증발에인한기공이발생하지않은것으로추정된다. 5. 결론 용융솔더가채워진박판의몰드를이용하여솔더범프를형성하는공정을제시하고해석과실험을통하여공정의타당성을검증하였으며, 연구결과를요약하면다음과같다. (1) 초음파를이용하여몰드홈에용융솔더를채우고몰드와 PI 기판을접촉시킨상태에서가열하여몰드의솔더를기판의 Cu 패드로이행시켜솔더범프를형성하였다. (2) 비접촉식방법을사용하여막힌구멍의몰드를채우는경우, 구멍내부에존재하는기포를완전히제거하기곤란하였다. 그러나접촉식방법을사용하여막힌구멍과관통구멍의몰드에균일하게솔더를채울수있었다. (3) 몰드홈에솔더가채워지는정도는초음파인가 시간, 몰드와혼의위치에의해영향을받는다. 초음파의가진시간이증가하거나몰드홈이혼에근접한경우에솔더가몰드홈에균일하게채워진다. (4) 이행과정에서플럭스에의해솔더범프의내부에기공이발생하며, 몰드홈의솔더를구형으로용융시킨후에기판으로이행시켜기공을제거할수있었다. 후 기 본연구는 BK21 사업의연구비지원에의하여수행하였습니다. 본사업의관계자여러분께감사의말을전합니다. 참고문헌 1. R.R. Tummala: Fundamentals of Microsystems Packaging, McGRAW-HILL Book Co., 2001, 344-397 2. G.. Messner, I. Turik, J.W. Bale and P.E. Garrou: Thin Film Multichip Modules, International Society for Hybrid Microelectronics, 1999, 323-330 3. S.K. Kang, and A.K. Sarkhel: Lead (Pb)-free solders for electronic packaging, Journal of Electronics Materials, 23-8 (1994), 701-707 4. J.H. Lau: Flip Chip Technologies, McGRAW-HILL Book Co., 1996, 129-132 5. J. Fujino, S. Takaki, K. Hayashi, G.. Izuta and J. 182 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
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