KR20020060541A

KR20020060541A - Micro ball array substrate and its fabrication

Info

Publication number: KR20020060541A
Application number: KR1020010001973A
Authority: KR
Inventors: 조수제
Original assignee: 조수제
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2002-07-18
Also published as: KR100394415B1

Abstract

PURPOSE: A micro ball array substrate and a manufacturing method thereof are provided to easily and simply transfer the ball to a semiconductor chip or a PCB by providing the ball array substrate capable of facing the micro ball of several tens micrometers while having a more precise shape. CONSTITUTION: A partially crystallized part(5-2) is formed within a glass by exposing and heat-treating a photosensitive glass(5-1). A metal thin film layer(5-3) is formed on the partially crystallized part. After coating a photosensitive resin, the entire thin film layer excepting a part(5-4) in which a hole is formed a hole is removed and the metal film(5-5) is grown. After growing the metal film to a desired thickness, the crystallized part, the photosensitive resin and the metal film are successively removed.

Description

Micro ball array substrate and its manufacturing method {Micro ball array substrate and its fabrication}

본 발명은 고밀도집적회로를 패키징하기 위한 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 미세 홀을 형성하여 이 홀로부터 볼을 흡입한 다음 이것을 원하는 위치에 이송시켜 집적회로와 기판 또는 기판과 인쇄회로기판을 전기적으로 도통시키기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for packaging a high density integrated circuit, and more particularly, to form a micro hole, suck the ball from the hole and transfer it to a desired position to electrically transfer the integrated circuit and the substrate or the substrate and the printed circuit board. A device for conducting.

오늘날 집적회로 기술이 발달함에 따라 보다 작은 사이즈의 반도체 패키징과 보다 많은 입출력단자를 필요로 하게 된다. 특히 플립칩(flip chip)공정이나 CSP(chip scale packaging) 공정에서는 미세범프(bump)를 형성하여 반도체칩과 기판을 연결시키는 데 이용되고 있다. 대표적인 것중의 하나가 전기도금에 의한 금(gold) 범프 형성공정인데, 이것은 도금을 하기 위해 필요한 금속층을 미리 형성시켜둔 다음에 이 위에 포토리소그라피공정에 의해 감광성수지몰드를 형성한 다음 전기도금을 실시하여 도금층을 형성하고 이어서 감광성수지와 그 하부의 금속층을 제거하여 범프를 형성하는 방식이다.As integrated circuit technology develops today, smaller semiconductor packaging and more I / O terminals are required. In particular, in a flip chip process or a chip scale packaging (CSP) process, micro bumps are used to connect a semiconductor chip and a substrate. One of the typical ones is a process of forming gold bumps by electroplating, in which a metal layer necessary for plating is formed in advance, and then a photosensitive resin mold is formed on the photolithography process, followed by electroplating. By forming a plating layer and then removing the photosensitive resin and the metal layer under the bump to form a bump.

이와 같은 방식은 공정수가 많으며 또 공정비용도 많이 드는 단점을 지니고 있다.Such a method has a disadvantage in that the number of processes is high and the process costs are high.

이와 같은 문제점을 제거하기 위하여 Nippon steel corporation의 Kenji Shimokawa 등은 1998년 Electronic Components and Technology Conference에서 미세 홀을 흡입한 다음 이것을 chip상의 원하는 위치에 배열시키는 논문을 발표한 바 있으며 이에 관련된 특허의 하나로는 일본특허공개 평성11-317451호의 '미세 볼 배열용 기판 및 그 제조방법'이 있다. 이것은 도면 1에서와 같이 감광성유리(1-1)에 미세 홀(1-2)를 형성한 다음 여기에 밀착력향상을 위한 금속박막(1-3)을 형성한 다음 금속박막상에 니켈 등의 물질을 무전해도금의 방식에 의해 형성(1-4)한다. 그리고 여기에 경사가공(1-5)을 한 다음 볼을 이 부분에 흡착되도록 하였다.In order to eliminate this problem, Kenji Shimokawa of Nippon Steel Corporation published a paper at the Electronic Components and Technology Conference in 1998, which sucked micro holes and arranged them in a desired position on a chip. Patent Publication No. Hei 11-317451, there is a substrate for a fine ball array and a method of manufacturing the same. This is to form a fine hole (1-2) in the photosensitive glass (1-1), as shown in Figure 1 and then to form a metal thin film (1-3) for improving the adhesion thereon and then a material such as nickel on the metal thin film Formed by electroless plating (1-4). Then, the inclined process (1-5) was applied to the ball was adsorbed to this part.

이와 같은 경우 도 2와 같이 감광성유리에 형성된 구멍(1-2)에 의한 흡입(2-1)을 통해 금속(1-4)에 형성된 경사가공 부위로 부터 미세 볼(2-2)을 흡착시키는 것이 가능하다.In this case, as shown in FIG. 2, the fine balls 2-2 are adsorbed from the inclined processing portions formed in the metals 1-4 through the suctions 2-1 by the holes 1-2 formed in the photosensitive glass. It is possible.

즉 도 3과 같이 이와 같이 제조된 볼 배열기판(3-1)에 의해 많은 볼(3-2)들로부터 원하는 위치에만 볼을 흡착시키는 것이 가능하며 흡착된 볼 주위에 형성가능한 불필요한 볼은 진동 등의 적절한 방식에 의해 제거(3-3)한 다음 반도체칩(3-4)상의 원하는 전극부(3-5)에 이송시킨 다음 초음파나 가열 등의 방식에 의해 접합(3-6)시키는 것이 가능하다.That is, it is possible to adsorb the ball only at a desired position from the many balls 3-2 by the ball arrangement substrate 3-1 manufactured as shown in FIG. It is possible to remove (3-3) by a suitable method, and then transfer to the desired electrode portion (3-5) on the semiconductor chip (3-4) and then bonded (3-6) by ultrasonic or heating. Do.

이와 같은 방식은 종래의 기계가공이나 레이져가공방식에 비해 한 단계 진전한 구멍 가공방식이라 볼 수 있으나 기존의 감광성유리 가공으로는 직경 30마이크로미터 이하의 미세 홀 형성은 어려운 단점이 있으며 또 무전해박막층의 성장이 수평방향과 수직방향으로 함께 발생되므로 구멍사이즈의 불균일성을 야기하는 문제점을 지니고 있다.This method can be regarded as a one step advance hole processing method compared to the conventional machining or laser processing method. However, conventional photosensitive glass processing has a disadvantage in that it is difficult to form fine holes of less than 30 micrometers in diameter. Has a problem of causing hole size non-uniformity because the growth occurs in the horizontal and vertical directions together.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하고 보다 정밀한 형상을 지니면서도 수 십 마이크로미터급의 미세한 볼에도 대응 가능한 볼 배열기판을 제공하여, 점점 경박단소화 되어 가고 있는 반도체 패키징 공정에서 보다 쉽고 간단하게 볼을 반도체칩이나 인쇄회로기판 등에 전사시킬 수 있는 미세 볼 배열기판을 제공하고자 하였다.The present invention solves this problem and provides a ball arrangement substrate capable of coping with fine balls of tens of micrometers while having a more precise shape, thereby making it easier and simpler to use in a semiconductor packaging process that is becoming thin and thin. An object of the present invention is to provide a fine ball array substrate which can be transferred to a semiconductor chip or a printed circuit board.

도 1은 기존의 볼 배열용 기판 및 이의 제조공정을 나타내는 도면의 일례1 is an example of a diagram showing a conventional ball array substrate and its manufacturing process

도 2는 기존의 볼 배열용 기판으로부터 볼을 흡입한 형상을 나타내는 도면2 is a view showing a shape in which the ball is sucked from the existing ball array substrate

도 3은 여러 개의 볼을 흡입하여 칩상에 이송시켜 재배치시키는 도면3 is a view of repositioning by sucking a plurality of balls transported on the chip

도 4는 본 발명에서의 볼 배열용 기판의 구조를 나타내는 도면Figure 4 is a view showing the structure of the ball array substrate in the present invention

도 5는 감광성유리와 전기도금을 이용한 볼 배열용 기판의 제조공정 도면5 is a manufacturing process of the ball array substrate using photosensitive glass and electroplating

도 6은 감광성유리와 감광성수지를 이용한 볼 배열용 기판의 제조공정 도면6 is a manufacturing process diagram of a ball array substrate using photosensitive glass and photosensitive resin

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1-1, 4-1, 5-1, 6-1 : 감광성유리1-1, 4-1, 5-1, 6-1: Photosensitive glass

1-2, 4-2, 5-6, 6-5 : 감광성유리에 가공된 미세구멍1-2, 4-2, 5-6, 6-5: micropores processed in photosensitive glass

1-3 : 금속박막1-3: Metal thin film

1-4 : 표면처리층1-4: Surface Treatment Layer

1-5 : 표면처리층의 경사가공부1-5: Inclined processing portion of the surface treatment layer

2-1, 4-5 : 진공흡입2-1, 4-5: vacuum suction

2-2 : 볼을 흡입한 형상2-2: Shape sucked ball

3-1 : 볼 배열기판3-1: Ball Arrangement Board

3-2 : 배열용 볼3-2: Ball for Arrangement

3-3 : 불필요한 볼 탈착3-3: Unnecessary ball removal

3-4 : 반도체 칩3-4: Semiconductor Chip

3-5 : 반도체 칩상의 전극3-5: electrode on semiconductor chip

3-6 : 반도체칩상에 미세볼 접합3-6: fine ball bonding on semiconductor chip

4-3 : 금속이나 폴리머4-3: metal or polymer

4-4 : 금속이나 폴리머상에 형성된 미세구멍4-4: Micropores formed on metal or polymer

5-2, 6-2 : 감광성유리의 결정화 부위5-2, 6-2: crystallization site of photosensitive glass

5-3, 6-3 : 금속박막5-3, 6-3: metal thin film

5-4 : 포토리소그라피 공정에 의해 형성된 감광성수지 구조물5-4: Photosensitive Resin Structure Formed by Photolithography Process

5-5 : 전기도금막5-5: Electroplating Film

5-7 : 전기도금막에 형성된 미세구멍5-7: Fine Holes Formed in Electroplated Film

6-4 : 네거티브형 감광성수지의 비노광부6-4: non-exposed part of negative photosensitive resin

6-6 : 네거티브형 감광성수지에 형성된 미세구멍6-6: Fine holes formed in negative photosensitive resin

본 발명은 반도체의 패키징 시 미세볼을 집어 원하는 위치에 배열시켜 집적회로와 기판 또는 인쇄회로기판을 접속시키기 위한 볼 배열용 기판에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 감광성유리에 형성된 미세 구멍상에 전기도금이나 감광성수지를 이용하여 이 보다 작은 미세구멍 구조물이 형성되어 이 구멍으로 금속구를 흡입한 다음, 원하는 위치로 이송, 재배열시켜 공정시간을 단축하고 고밀도패키징에 대응할 수 있도록 하는 것이다.The present invention relates to a ball array substrate for connecting an integrated circuit and a substrate or a printed circuit board by picking up fine balls and arranging the fine balls in a desired position during packaging of a semiconductor. In addition, a smaller microporous structure is formed by using a photosensitive resin, and the metal sphere is sucked into the hole, and then transported and rearranged to a desired position to shorten the process time and cope with high-density packaging.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면에 의해 상세히 설명한다. 본 발명은 감광성유리에 형성된 미세 구멍과 이 위에 형성된 금속구멍에 의해 볼 흡입용 기판을 구성한다. 즉 도 4에서와 같이 감광성유리(4-1)에 미세구멍(4-2)이 형성되어 있고 그 하부에 금속이나 폴리머 등의 재료(4-3)로 미세구멍(4-4)을 형성한다. 금속이나 폴리머 등의 재료에 형성된 미세구멍은 감광성유리에 형성된 구멍직경에 비해 작은 직경을 지닌다. 이 구멍들을 통하여 공기를 흡입(4-5)하면 미세구멍들에 볼들이 물리적으로 흡입(4-6)된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention constitutes a ball suction substrate by micropores formed in photosensitive glass and metal holes formed thereon. That is, as shown in FIG. 4, the micropores 4-2 are formed in the photosensitive glass 4-1, and the micropores 4-4 are formed of a material 4-3, such as a metal or a polymer, in the lower portion thereof. . Micropores formed in materials such as metals and polymers have a smaller diameter than the pore diameter formed in photosensitive glass. When air is sucked through these holes (4-5), the balls are physically sucked (4-6) into the micro holes.

이와 같은 볼 배열기판의 제조공정을 도 5에 나타내었다. 감광성유리(5-1)를 포토마스크를 통하여 노광시킨 후 열처리시킴에 따라 유리(17)내에 부분적으로 결정화된 부분(5-2)을 형성하는 것이 가능하다. 이 위에 추후의 전기도금을 하기 위한 금속박막층(5-3)을 형성한다. 금속박막이 형성될 감광성유리부위는 미리 폴리싱을 하여 면을 평탄화시켜두는 것이 바람직하다. 금속박막은 크로뮴과 구리, 크로뮴과 금 등의 다층막 또는 합금을 사용할 수 있으며 기타 다른 재료를 이용하는 것도 가능하다. 여기에 감광성수지를 코팅한 다음 포토리소그라피공정에 의해 구멍이 형성될 부분(5-4)만 남기고 모두 제거시킨다. 다음에는 전기도금을 실시하여금속막(5-5)을 성장시킨다. 금속막은 니켈이나 니켈합금, 구리나 구리합금 등으로 형성하는 것이 가능하다. 금속막을 원하는 두께까지 성장시킨 다음에는 감광성유리의 결정화부위, 감광성수지, 감광성수지 하부의 금속막 순으로 제거해낸다. 제거 순서는 감광성수지, 감광성유리의 결정화부위, 금속막의 순으로 할 수도 있다. 감광성유리는 불산수용액에 식각해내고 감광성수지는 아세톤 등의 적절한 용제에 의해 녹여내며 이 두 공정에 의해 드러나는 감광성수지하부의 금속층은 적절한 에칭용액에 의해 제거해낸다. 즉 감광성유리의 미세구멍(5-6)에 비해 볼과 접하는 부분의 미세구멍(5-7)의 직경이 작은 구조물을 형성하는 것이 가능하다. 도금두께의 편차가 심한 경우는 폴리싱을 하여 평탄한 표면을 형성하며 추후의 공정에서 가열공정 등으로 산화의 문제가 발생될 수 있는 경우는 전기도금이나 무전해도금의 방식에 의해 금이나, 크롬, 코발트 등의 박막을 상기 금속의 표면에 형성시킬 수 있다.The manufacturing process of such a ball array substrate is shown in FIG. By exposing the photosensitive glass 5-1 through a photomask and then heat treating it, it is possible to form a partially crystallized portion 5-2 in the glass 17. The metal thin film layer 5-3 for subsequent electroplating is formed on this. The photosensitive glass portion on which the metal thin film is to be formed is preferably polished in advance to planarize the surface. As the metal thin film, a multilayer film or an alloy such as chromium and copper, chromium and gold may be used, and other materials may be used. The photosensitive resin is coated thereon and then removed, leaving only the portion 5-4 where the hole is to be formed by the photolithography process. Next, electroplating is performed to grow the metal film 5-5. The metal film can be formed of nickel, nickel alloy, copper, copper alloy or the like. After the metal film is grown to a desired thickness, the metal film is removed in order of the crystallization portion of the photosensitive glass, the photosensitive resin, and the lower portion of the photosensitive resin. The order of removal may be in the order of photosensitive resin, crystallization site of photosensitive glass, and metal film. The photosensitive glass is etched in an aqueous hydrofluoric acid solution, and the photosensitive resin is dissolved with a suitable solvent such as acetone. The metal layer under the photosensitive resin exposed by these two processes is removed by an appropriate etching solution. In other words, it is possible to form a structure having a smaller diameter of the micropores 5-7 in the portion in contact with the ball than the micropores 5-6 of the photosensitive glass. In case of severe variation in plating thickness, the surface is polished to form a flat surface, and in the case where oxidation problem may occur due to heating process in a later process, gold, chromium, or cobalt may be formed by electroplating or electroless plating. Thin films, such as these, can be formed on the surface of the said metal.

또 다른 제조방법의 일례로는 도 6과 같은 제조공정에 의해 볼 흡입용 기판을 제작하는 것도 가능하다. 도 5에서와 같이 동일한 노광 열처리 공정에 의해 감광성유리(6-1)에 결정부위(6-2)를 부분적으로 형성시킨 다음 표면부를 평탄화시킨 다음 이 위에 감광성수지(6-3)을 원하는 두께로 코팅한다. 감광성수지는 수 십 마이크로미터 두께의 것은 상용 제품이 여러 가지가 있으며 IBM에서 개발된 SU-8가 같은 것은 100 마이크로미터 이상의 두께에서도 안정적인 미세구멍 형성이 가능하다. 감광성수지는 빛을 받을 때 빛을 받은 부분이 제거되는 포지티브형과 빛을 받은 부분이 남는 네거티브형이 있으며, 포지티브형과 네거티브형 모두 미세 구멍을 형성하는 것이 가능하나 여기서는 네거티브형인 SU-8을 이용한 경우를 설명한다.네거티브형 감광성수지인 SU-8을 부분적으로 결정화시킨 감광성유리상에 코팅한 다음 가열하여 경화시킨 다음 포토마스크를 통하여 추후 구멍이 형성될 부분(6-4)만 제외하고 빛을 조사시킨다. 이것을 현상하면 감광성수지에 미세구멍이 형성된다. 다음에는 감광성유리의 결정화부위를 식각해내어 볼 흡입기판의 미세구멍을 형성한다. 즉 감광성유리의 미세구멍(6-5)에 비해 작은 직경을 지니는 감광성수지로 형성된 미세구멍(6-6)을 순차적으로 형성하는 것이 가능하다.As another example of the manufacturing method, it is also possible to produce a ball suction substrate by the manufacturing process as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the crystal parts 6-2 are partially formed on the photosensitive glass 6-1 by the same exposure heat treatment process, and then the surface is flattened, and then the photosensitive resin 6-3 is formed on the desired thickness. Coating. The photoresist is several tens of micrometers thick and commercially available, while the same SU-8 developed by IBM enables stable micropores even over 100 micrometers thick. The photosensitive resin has a positive type in which the lighted part is removed when the light is received and a negative type in which the lighted part is left. Both the positive type and the negative type can form fine holes, but the negative type SU-8 is used here. The negative photosensitive resin SU-8 was coated on the partially crystallized photosensitive glass, heated and cured, and then irradiated with light except for a portion (6-4) where holes were to be formed later through a photomask. Let's do it. When this is developed, micropores are formed in the photosensitive resin. Next, the crystallized portion of the photosensitive glass is etched to form micropores of the ball suction substrate. That is, it is possible to sequentially form the micro holes 6-6 formed of the photosensitive resin having a smaller diameter than the micro holes 6-5 of the photosensitive glass.

상기의 도금에 의한 구멍이나 감광성수지에 의한 구멍의 경우는 수십마이크로미터 이하까지 정밀한 구멍을 형성하는 것이 가능하여 이 구멍을 통하여 수십마이크로미터 사이즈의 미세 볼을 흡입하여 원하는 위치에 이송시키는 것이 가능하여 점차 입출력단자 수가 증대되고 있는 전자소자의 패키징에 대응하는 것이 가능할 뿐만 아니라 현재 전기도금이나 무전해도금에 의해 형성되는 회로접속용 범프공정을 대체하는 것이 가능하다.In the case of the above-mentioned hole by plating or photoresist, it is possible to form a precise hole up to several tens of micrometers or less. Not only is it possible to cope with the packaging of electronic devices with an increasing number of input / output terminals, but it is also possible to replace the bumps for circuit connection currently formed by electroplating or electroless plating.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 볼 흡입기판은 기존에 비해 보다 정밀하고 미세한 볼 흡입구멍을 형성하는 것이 가능하여, 현재 도금이나 무전해도금에 의해 제조되는 반도체칩상의 범프 형성 공정을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 점점 경박단소화되어 가고 있고 또 입출력단자가 많아지고 있는 반도체 패키징 기술에 보다 잘 대응할 수 있다. 또한 현재 볼 흡입기판 제조방식의 주류를 이루고 있는 미세드릴에 의한 기계가공 방식을 대체할 수 있는 효과를 지니고 있다.As described above, the ball suction substrate according to the present invention can form a more precise and finer ball suction hole than the conventional one, and can replace the bump forming process on the semiconductor chip currently manufactured by plating or electroless plating. In addition, it can cope better with the semiconductor packaging technology that is getting thinner and shorter and more input / output terminals. In addition, it has the effect of replacing the machining method by the micro-drill, which is the mainstream of the ball suction substrate manufacturing method.

나아가 이 외에 잉크젯헤드 등과 같이 미세 노즐을 필요로 하는 다양한 전자소자에도 적용이 가능하다.Furthermore, the present invention can be applied to various electronic devices requiring a fine nozzle, such as an inkjet head.

Claims

In a ball array substrate capable of sucking fine balls through one or a plurality of suction holes, each suction hole is a hole formed of photosensitive glass and a micro hole formed in a metal or polymer having a smaller diameter in contact with the hole. Ball array board

The ball array substrate according to claim 1, wherein the metal hole is formed by electroplating.

2. The ball array substrate according to claim 1, wherein the micropores formed in the polymer are formed by a photolithography process.

In the manufacturing method of the ball suction substrate, the photosensitive glass is heat-treated after the UV exposure through a photomask to crystallize the site where the hole is to be formed, the flattening surface and the step of forming a metal thin film on the flattened glass surface. To form a photosensitive resin structure having a smaller diameter than the hole of the photosensitive glass by a photolithography process only on the metal thin film on the portion where the hole is to be formed in the photosensitive glass, and to electroplating a portion other than the photosensitive resin structure. And removing the photosensitive resin with a solvent and removing the metal thin film layer under the photosensitive resin by etching.

In another method of manufacturing a ball suction substrate, the photosensitive glass is heat-treated through a photomask to crystallize a portion where a hole is to be formed, to planarize the surface, and to form a photosensitive resin on the surface of the flattened glass. Method of manufacturing a ball suction substrate, comprising the step of forming a hole in the photosensitive resin by a lithography process, the process of etching the crystallized photosensitive glass portion