KR100484888B1

KR100484888B1 - 솔더필을 이용한 플립 칩 탑재 방법

Info

Publication number: KR100484888B1
Application number: KR10-2002-0068776A
Authority: KR
Inventors: 이호영
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2005-04-28
Also published as: KR20040040600A

Abstract

간단한 공정을 이용한 플립 칩 탑재방법에 관해 개시한다. 이를 위해 본 발명은, 반도체 칩 위에 솔더필을 먼저 부착하거나, 혹은 인쇄회로기판 위에 솔더필을 먼저 부착하여 일체형으로 만든 상태에서 반도체 칩, 솔더필 및 인쇄회로기판을 리플로우(reflow) 공정을 통하여 전기적으로 서로 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법을 제공한다. 여기서 솔더필은 솔더 범프 소재와 언더필 소재가 인쇄회로기판 및 반도체 칩의 연결부와 조화되도록 만들어진 박편(slice)이다. 따라서, 반도체 패키지의 제조공정을 단순화시키고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

솔더필을 이용한 플립 칩 탑재 방법{Flip chip mounting method using a solderfill}

본 발명은 반도체 패키지 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)에 플립 칩(Flip chip)을 탑재(mounting)하는 방법에 관한 것이다.

반도체 패키지는 칩을 외부 환경으로부터 안전하게 보호해 주는 기능이 있을 뿐 아니라 칩이 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)과 전기적으로 원활히 연결되도록 해주는 연결(interconnection)기능이 있다.

저가격화, 소형화, 고성능화, 고신뢰성의 추세에 따라, 반도체 패키지는 플립 칩(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package), BGA(Ball Grid Array) 등과 같은 면배열(area array) 접속기술을 이용한 진보된 형태의 반도체 패키지가 주류를 형성하게 되었다.

상기 면배열 접속기술을 이용한 반도체 패키지 중에서, 플립 칩 제조기술은 플라스틱 재질의 인쇄회로기판에서 인쇄회로가 있는 면과, 반도체 칩에서 미세 회로가 형성되어 있는 면을 서로 마주보도록 부착하는 기술(face-down attach)이다.

플립 칩 기술에서 가장 큰 관심은 반도체 칩과 인쇄회로기판 사이의 솔더 접합부의 열 기계적(Thermo-mechanical) 피로(fatigue) 수명이다. 1980년대 후반까지 플립 칩은 실리콘이나 세라믹 기판에 실장되었고, 반도체 칩의 크기 또한 작았기 때문에 열 기계적 피로는 큰 문제가 되지 않았다. 그러나 1980년대 후반 이후, 반도체 칩의 크기가 비약적으로 증가하고, 동시에 반도체 칩의 열팽창 계수인 2.5 ppm/℃와는 큰 차이를 보이는 유기 기판(FR4) 재질의 인쇄회로기판(열팽창 계수: 16 ppm/℃) 및 폴리이미드(열팽창 계수: 45 ppm/℃) 재질의 기판이 사용되면서 솔더 접합부의 열 기계적 피로 수명은 중요한 문제로 대두되었다.

이러한 솔더 접합부의 열 기계적 피로 수명을 해결하기 위해 나타난 기술이 언더필(underfill) 삽입 기술이다. 이는 에폭시(epoxy)와 같은 접착력이 우수한 고분자 재료에 SiO₂ 입자를 충진시켜 솔더의 열팽창 계수에 근접한 값을 갖도록 한 후, 이를 반도체 칩과 인쇄회로기판 사이의 틈(gap)에 채워 넣는 기술이다. 이때 SiO₂가 충진된 에폭시계 고분자 복합재료를 언더필(underfill)이라 부른다. 이러한 언더필 기술을 플립 칩에 사용하면 솔더 접합부의 열 기계적 피로 수명은 10~100 배 정도 향상되고, 솔더의 변형이 약 0.10~0.25 % 정도 감소되는 효과가 있다고 소개된다.

도 1은 종래 기술에 의한 플립 칩 탑재 방법을 설명하기 위해 도시한 공정 흐름도(flowchart)이고, 도 2 내지 도 4는 종래 기술에 의한 플립 칩 탑재 방법 및 문제점들을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 먼저 솔더 범프(solder bump, 12)가 형성된 반도체 칩(10)과 인쇄회로기판(PCB, 20)을 준비한다. 이때, 인쇄회로기판(20)에는 솔더 범프(12)를 부착하기 위한 플럭스(flux) 처리가 된 것이 적합하다. 이어서, 상기 반도체 칩(10)을 인쇄회로기판(20)에 정렬하여 탑재(A1)한다. 상기 탑재를 완료한 후, 상기 결과물을 솔더 범프(12)가 녹을 수 있는 온도를 갖는 리플로우(reflow) 오븐에 통과시켜 솔더 범프(12)를 통해 반도체 칩(10)과 인쇄회로기판(20)을 서로 연결(A2)한다(도2의 도면).

계속해서, 상기 솔더 범프가 연결된 결과물을 세정(cleaning, A3) 처리하여 리플로우 공정에서 발생된 유기 오염물을 제거한다. 이때, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 반도체 칩(10)과 유기물 재질(FR4)의 인쇄회로기판(20)은 열 팽창 계수가 서로 다르기 때문에 솔더 범프 결합부에서 열팽창계수의 차이에 의한 미세한 손상(30)이 발생될 수 있다.

도 4는 상기 세정이 끝난 결과물에 언더필 재료(30), 예컨대 SiO₂가 충진된 에폭시 계열의 접착재료를 디스팬싱(A4)하고, 상기 언더필 재료를 열로 경화시키기 위해 큐어링(A5)을 진행한 결과이다.

그러나, 종래 기술에 의한 플립 칩 탑재 방법은 다음과 같은 문제점을 지니고 있다.

첫째, 솔더 범프의 부착 및 언더필 재질의 큐어링을 위해 2회에 거친 열처리를 수행해야 하기 때문에 공정이 길고 복잡한 문제가 있다.

둘째, 열처리 중간, 즉 세정공정 후에 반도체 칩과 인쇄회로기판의 열팽창계수 차이로 인한 손상이 솔더 범프 접합부(도3의 30)에서 발생할 수 있다. 따라서 이 부분에 대한 반도체 패키지의 신뢰성이 떨어질 수 있다.

셋째, 반도체 칩에 솔더 범프를 반드시 형성해야 하기 때문에 반도체 칩을 제조하는 과정에서 추가 공정이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점들을 해결하고, 반도체 패키지에 대한 신뢰성을 높이며, 간단한 공정으로 제조가 가능한 플립 칩 탑재 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 제1 실시예를 통하여 플립 칩(flip chip)이 탑재될 수 있는 인쇄회로기판(PCB)을 준비하는 단계와, 상기 인쇄회로기판에서 플립 칩이 탑재되는 위치에 솔더필(solderfill)을 위치시키는 단계와, 상기 인쇄회로기판에 상기 솔더필을 부착시키는 단계와, 상기 부착이 완료된 솔더필 위에 반도체 칩을 위치시키는 단계와, 상기 반도체 칩이 탑재된 상기 인쇄회로기판을 리플로우(reflow)시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법을 제공한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 제2 실시예를 통하여 반도체 칩 위에 솔더필을 위치시키는 단계와, 상기 반도체 칩 위에 솔더필을 부착시키는 단계와, 상기 반도체 칩이 부착된 솔더필을 플립 칩(flip chip)이 탑재될 수 있는 인쇄회로기판(PCB)에 위치시키는 단계와, 상기 반도체 칩이 부착된 솔더필을 상기 인쇄회로기판 위에서 리플로우(reflow)시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 솔더필은 솔더 범프 소재와 언더필 소재가 상기 반도체 칩 및 인쇄회로기판의 구조에 조화되도록 만들어진 박편(slice)인 것이 적합하고, 상기 언더필 소재는 에폭시 계열인 것이 적합하고, 상기 반도체 칩은 솔더 범프가 형성되지 않은 것이 적합하다.

바람직하게는, 상기 인쇄회로기판에 상기 솔더필을 부착시키는 방법은 접착수단, 예컨대 접착제 혹은 접착테이프를 상기 솔더필의 가장자리에 붙여 부착시키는 것이 적합하다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 반도체 칩 위에 상기 솔더필을 부착시키는 방법은 접착테이프를 상기 반도체 칩과 상기 솔더필의 측면에 붙여 부착시키는 것이 적합하고, 이때 상기 접착테이프는 상기 리플로우 공정에서 녹아 솔더필의 언더필 소재와 합쳐지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기존 장비의 변경없이 단 한번의 리플로우 공정을 포함하는 간단한 공정으로 플립 칩 탑재를 구현할 수 있고, 단 한번의 열처리 공정을 통해 솔더 범프와 언더필을 사용하여 반도체 칩과 인쇄회로기판을 연결하기 때문에, 솔더 범프 결합부에서 발생할 수 있는 손상을 방지할 수 있어서 반도체 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 칩에 솔더 범프를 추가로 형성해야 할 필요가 없다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

당 명세서에서 말하는 솔더필 가장 넓은 의미로 사용하고 있으며 아래의 실시예에 나타난 특정 재질만을 한정하는 것이 아니다. 본 발명은 그 정신 및 필수의 특징을 이탈하지 않고 다른 방식으로 실시할 수 있다. 예를 들면, 상기 바람직한 실시예에 있어서는 솔더필에서 솔더 와이어가 무연 솔더이지만, 이는 다른 재질의 솔더 와이어를 사용해도 무방하다. 또는 인쇄회로기판의 유기 재질(FR4)은 폴리이미드와 같은 유사한 다른 재질로 치환할 수 있는 것이다. 따라서, 아래의 바람직한 실시예에서 기재한 내용은 예시적인 것이며 한정하는 의미가 아니다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 플립 칩 탑재 방법 중에서 솔더필(solderfill)의 구조 및 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 솔더 범프로 사용될 솔더 와이어(132)를 일정한 간격으로 정렬(도6)시킨다. 이때 솔더 와이어의 재질은 솔더 범프의 재질과 동일한 것이 적합하고, 솔더 와이어를 정렬시키는 방법은 반도체 칩의 패드 위치 및 인쇄회로기판의 연결부 위치와 서로 조화(matching)되도록 하는 것을 의미한다. 계속해서 상기 정렬된 상태에 있는 솔더 와이어에 액체상태의 언더필 재질(134)을 충진시킨 후, 약간 경화시켜 언더필 재질(134)을 무른상태(B-stage)로 만든다. 상기 언더필 재질(134)은 처음에는 액체상태이나, 약간의 경화과정을 거치면 무른상태(B-stage)로 되고, 다시 무른상태(B-stage)에서 온도를 올리면 녹아서 다시 액체 상태로 될 수 있다. 그리고 이 액체상태에서 다시 경화되면 고체상태로 비가역적인 변태를 하는 물질로서 에폭시 계열의 재질인 것이 적합하다.

따라서 솔더필 벌크(solderfill bulk, 136)에서 언더필 재질(134)은 무른상태(B-stage)를 유지한다. 이어서 상기 솔더필 벌크(136)를 블레이드(blade, 138)를 사용하여 이를 일정한 크기로 박편화(slicing)시켜 박편 상태의 단위 솔더필(solderfill, 130)을 제조한다.

따라서, 솔더필(130)이란, 솔더 와이어(132)를 잘라서 형성한 솔더 범프와, 잘려진 상태의 언더필 재질(134)이 반도체 칩 및 인쇄회로기판의 연결부와 서로 조화(matching)되도록 만들어진 박편(slice)을 의미한다.

제1 실시예: 솔더필과 인쇄회로기판을 일체화시켜 탑재하는 방법

도 8은 본 발명에 의한 플립 칩 탑재방법을 설명하기 위한 플루차트(flowchart)이고, 도 9 내지 도 12는 본 발명에 의한 플립 칩 탑재 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 8 내지 도 12를 참조하면, 유기 재질(FR4)의 기판(142)에 회로패턴의 연결부(144)가 있는 인쇄회로기판(140)을 준비한다. 이어서 상기 인쇄회로기판(140) 위에 도 7에서 설명된 솔더필(130)을 정렬시킨 후 접착수단(150), 예컨대 에폭시와 같은 접착제 혹은 접착테이프를 솔더필(130)의 가장자리에 접착시켜 인쇄회로기판(140)과 솔더필(130)을 부착(C1)시켜 서로 일체화시킨다. 그 후, 상기 부착이 완료된 솔더필(130) 위에 반도체 칩(100)을 정렬(C2)하여 위치시킨다. 상기 반도체 칩(100)을 정렬하는 방법은 반도체 칩(100)의 활성영역이 아래로 향하게 하고, 활성영역의 패드(미도시)가 상기 솔더필(130)의 솔더 와이어가 잘려 형성된 솔더 범프(132)와 연결되도록 한다. 마지막으로 상기 정렬이 완료된 결과물에 리플로우 공정(reflow process)을 진행(C3)한다. 상기 리플로우 공정에 의하여 솔더 와이어가 잘려진 솔더 범프(132A)는 녹아서 반도체 칩(100)의 패드와 인쇄회로기판(140)의 연결부(144)를 접속시키고, 언더필(134A)은 상기 솔더 범프(132A)가 녹는 온도에서 녹았다가 다시 경화되어 반도체 칩(100)과 인쇄회로기판(140) 사이의 틈새(gap)를 채우게 된다. 또한, 상기 인쇄회로기판(140)과 상기 솔더필(130)을 부착시키기 위해 사용되었던 접착수단(150), 예컨대 접착제 혹은 접착테이프는 솔더필의 언더필(134A)에 녹아서 합쳐지는 것이 바람직하다. 하지만 합쳐지지 않고 잔존해도 무방하다.

제 2실시예: 솔더필과 반도체 칩을 일체화시켜 탑재하는 방법

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 의한 플립 칩 탑재방법을 설명하기 위해 도시한 플루차트(flowchart)이고, 도 14 내지 도 17은 본 발명에 의한 플립 칩 탑재 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 13 내지 도 17을 참조하면, 상술한 제1 실시예에서는 인쇄회로기판(140)과 솔더필(130)을 일체화시켜 리플로우 공정을 진행하였으나 본 실시예는 먼저 솔더필(130)과 반도체 칩(100)을 일체화시킨 후 리플로우 공정을 진행하는 방식이다. 상세히 설명하면, 반도체 칩(100) 위에 도 7에서 설명된 솔더필(130)을 정렬시킨후, 접착테이프(152)를 상기 솔더필(130)과 상기 반도체 칩(100)의 측면에 부착(D1)시켜 일체화시킨다. 이때 상기 반도체 칩(100)을 정렬하는 방법은, 반도체 칩(100)의 활성영역이 아래로 향하게 하고, 활성영역의 패드(미도시)가 상기 솔더필(130)의 솔더 와이어가 잘려 형성된 솔더 범프(132)와 연결되도록 한다.

이어서 상기 반도체 칩(100)이 접착테이프(152)에 의해 부착된 솔더필(130)을 인쇄회로기판(140) 위에 정렬(D2)시킨다. 마지막으로 상기 정렬이 완료된 결과물에 리플로우 공정(reflow process)을 진행(D3)한다. 상기 리플로우 공정에서 상기 반도체 칩(100)과 상기 솔더필(130)을 부착시키기 위해 사용되었던 접착테이프(152)는 솔더필(130)의 언더필(134A)에 녹아서 합쳐지는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함이 명백하다.

따라서, 상술한 본 발명에 따르면, 첫째, 기존 장비의 변경없이 간단한 열처리 공정을 통한 플립 칩 탑재를 구현할 수 있기 때문에 플립 칩 탑재 공정을 단순화시킬 수 있다.

둘째, 솔더필 위에 반도체 칩을 먼저 접착시켜 일체형으로 만들거나, 인쇄회로기판 위에 솔더필을 접착시켜 일체형으로 만들기 때문에 취급 중에 인쇄회로기판, 솔더필 및 반도체 칩에서 오정렬이 발생하는 문제를 줄일 수 있다.

셋째, 반도체 칩에 솔더 범프를 추가로 형성해야 할 필요가 없다. 이에 따라 반도체 칩 제조공정을 줄일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 플립 칩 탑재 방법을 설명하기 위해 도시한 공정 흐름도(flowchart)이다.

도 2 내지 도 4는 종래 기술에 의한 플립 칩 탑재 방법 및 문제점들을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 의한 플립 칩 탑재방법을 설명하기 위해 도시한 플루차트(flowchart)이다.

도 9 내지 도 12는 본 발명에 의한 플립 칩 탑재 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 의한 플립 칩 탑재방법을 설명하기 위해 도시한 플루차트(flowchart)이다.

도 14 내지 도 17은 본 발명에 의한 플립 칩 탑재 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.

Claims

플립 칩(flip chip)이 탑재될 수 있는 인쇄회로기판(PCB)을 준비하는 단계;

솔더 와이어를 정렬한 상태에서 솔더 와이어에 액체상태의 언더필 재질을 충진한 후에 경화시켜 언더필 재질은 무른상태(B-stage)로 만들어진 솔더필 벌크(solderfill bulk)를 만드는 단계;

상기 단위 솔더필 벌크를 일정한 크기로 박편화시켜 단위 솔더필를 제조하는 단계;

접착수단을 상기 솔더필의 가장자리에 붙여 상기 인쇄회로기판에서 플립 칩이 탑재되는 위치에 솔더필(solderfill)을 위치시키는 단계;

상기 인쇄회로기판에 상기 솔더필을 부착시키는 단계;

상기 부착이 완료된 솔더필 위에 반도체 칩을 위치시키는 단계; 및

상기 반도체 칩이 탑재된 상기 인쇄회로기판을 리플로우(reflow)시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제1항에 있어서,

상기 솔더필은 솔더 범프 소재와 언더필 소재가 상기 반도체 칩 및 인쇄회로기판의 구조에 조화되도록 만들어진 박편인 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 접착수단은 접착제인 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제1항에 있어서,

상기 접착수단은 접착테이프인 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제2항에 있어서,

상기 언더필 소재는 에폭시 계열인 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제1항에 있어서,

상기 반도체 칩은 솔더 범프가 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재방법.
솔더 와이어를 정렬한 상태에서 솔더 와이어에 액체상태의 언더필 재질을 충진한 후에 경화시켜 언더필 재질은 무른상태(B-stage)로 만들어진 솔더필 벌크(solderfill bulk)를 만드는 단계;

상기 단위 솔더필 벌크를 일정한 크기로 박편화시켜 단위 솔더필를 제조하는 단계;

반도체 칩 위에 솔더필을 위치시키는 단계;

접착테이프를 상기 반도체 칩과 상기 솔더필의 측면에 붙여 상기 반도체 칩 위에 솔더필을 부착시키는 단계;

상기 반도체 칩이 부착된 솔더필을 플립 칩(flip chip)이 탑재될 수 있는 인쇄회로기판(PCB)에 위치시키는 단계; 및

상기 반도체 칩이 부착된 솔더필을 상기 인쇄회로기판 위에서 리플로우(reflow)시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제8항에 있어서,

상기 솔더필은 솔더 범프 소재와 언더필 소재가 상기 반도체 칩 및 인쇄회로기판의 구조에 조화되도록 만들어진 박편인 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
삭제
제8항에 있어서,

상기 접착테이프는 상기 리플로우 공정에서 녹아 솔더필의 언더필 소재와 합쳐지는 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제9항에 있어서,

상기 언더필 소재는 에폭시 계열인 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재 방법.
제8항에 있어서,

상기 반도체 칩은 솔더 범프가 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 플립 칩 탑재방법.