KR100462835B1 - 금속 범프를 이용한 인쇄 회로 기판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빌드업 인쇄 회로 기판에 관한 것을, 특히 빌드업 인쇄 회로 기판의 층간 접속을 위한 비아 제조 방법 및 절연층 형성 방법을 제공한다.

본 발명은 보다 상세하게는, 빌드업 기판 제조에 이용되는 마이크로 비아 홀 기술을 대체하여 금속 범프를 이용하여 비아를 제조함으로써 스택 비아 홀과 전층 비아 홀 제조에 필요한 인쇄 회로 기판 제조 기술을 개시한다.

Description

금속 범프를 이용한 인쇄 회로 기판 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING BUILD-UP PRINTED CIRCUIT BOARD USING METAL BUMP}

본 발명은 빌드업(build-up) 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board)에 관한 것으로, 특히 빌드업 인쇄 회로 기판의 층간 접속을 위한 비아(via) 제조 방법 및 절연층 형성 방법을 제공한다.

본 발명은 보다 상세하게는, 빌드업 기판 제조에 이용되는 마이크로 비아 홀 (micro via hole) 기술을 대체하여 금속 범프를 이용하여 비아를 제조함으로써 스택 비아 홀(stack via hole)과 전층 비아 홀(all layer via hole) 제조에 필요한 인쇄 회로 기판 제조 기술에 관한 것이다.

최근의 전자 기기의 기술 동향은 이동 단말 또는 피디에이(PDA; personal digital assistant)와 같은 휴대용 기기(portable device)를 중심으로 고성능화, 고기능화, 소형화가 요구되고 있으며, 이러한 요구를 만족시키기 위한 인쇄 회로 기판 제조 기술로써 마이크로 비아 홀을 이용하는 빌드업 기판 제조 기술이 적용되고 있다. 마이크로 비아 홀은 일반적인 비아 홀에 비해 그 크기가 작으며, 관통 비아 홀이 아니기 때문에 회로 밀도 증가 요구에 대응이 용이하다.

현재의 마이크로 비아 홀 제조 기술은 크게 레이저를 이용하는 기술과 노광 방식을 이용하는 기술로 나누어진다. 레이저 가공 기술은 레이저 빔을 이용하여 절연체를 분해, 제거한 후 금속 전도체를 도금하는 방식이며, 노광 방식은 감광성 절연체를 선택적 감광, 현상, 제거한 후 금속 전도체를 도금하여 비아 홀을 구성하는 기술이다.

노광 방식을 이용하는 기술은 절연체 내부에 포함되어 있는 감광 성분에 의한 인쇄 회로 기판 자체의 내습 환경에 취약하다는 단점에 의해 일부만 적용되고 있으며 거의 대부분의 생산 현장에는 레이저 비아 홀 방식을 채택하고 있다.

그런데, 전자 기기의 고성능화 추세에 따른 회로 밀도 증가 요구에 따라, 비아 홀을 수직으로 배열하는 스택 비아 홀과 비아 홀을 인쇄 회로 기판 전체 층에 배열하는 전층 비아 홀 기술이 요구되고 있는데, 현재의 마이크로 비아 홀을 가공 기술에서는 비아 홀 내부가 금속 전도체로 완전하게 채워지지 않기 때문에, 두개 이상의 비아 홀을 수직 방향으로 나란히 배열하기가 어렵다. 물론, 도금 기술 또는 금속 페이스트(paste)를 인쇄하여 마이크로 비아 홀 내부를 전도체로 완전히 채우는 방법이 제시되고 있으나 품질과 비용면에서 완전한 생산 기술로 적용되고 있지는 않은 실정이다.

도1은 종래 기술에 따른 빌드업 기판의 단면을 나타낸 도면이다. 도1을 참조하면, 종래 기술에 따른 빌드업 기판은 에폭시 수지, BT 수지 등으로 형성된 절연층(10)과 상하면의 동박층(20, 20')으로 내층 회로를 구성한다. 그리고, 빌드업 기술로 새로운 층을 형성하기 위하여 레진이 도포된 동박(RCC; resin coated copper foil), 프리프레그(prepreg), 잉크, 필름 등으로 형성된 빌드업 절연층(30, 30')과 마이크로 비아 홀(40, 40')로 구성된다.

이때에, 마이크로 비아 홀(40, 40')은 빌드업 절연층(30, 30')을 레이저나 노광 방식을 이용하여 선택적으로 제거한 도금으로 전도층(41, 41')을 구성한 후 화학 식각 방식으로 회로를 구성하게 된다. 그런데, 종래 기술에 따른 빌드업 인쇄 회로 기판 기술은, 마이크로 비아 홀을 절연층과 절연층 사이에서 연결할 때에, 도1에서와 같이 하나의 비아 홀로부터 좌우로 확장하여 또다른 비아 홀과 연결하는 공법을 사용하게 되므로 회로 밀도 상의 손실이 있다.

또한, 종래 기술은 비아 홀 내부가 금속 전도층으로 완전히 채워지지 않으므로 스택 비아 홀 형성이 매우 곤란하며, 더욱이 전층 비아 홀을 구성하는 경우, 전층의 마이크로 비아를 각각 가공하게 되어 비아 홀 가공 비용이 증가되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서 본 발명의 제1 목적은 금속 범프와 빌드업 절연층 형성 방법을 이용하여 인쇄 회로 기판의 초미세 패턴화에 따른 마이크로 비아 홀의 스택 비아 홀 구조와 전층 비아 홀 구조를 갖는 인쇄 회로 기판 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 제조 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 금속 범프를 이용하여 인쇄 회로 기판의 열적, 전기적 신뢰성이 향상되고 저비용으로 제조될 수 있는 인쇄 회로 기판 제조 방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래 기술에 따른 빌드업 기판의 단면을 나타낸 도면.

도2는 본 발명에 따른 금속 범프를 이용한 빌드업 인쇄 회로 기판 제조 공정 순서를 나타낸 일처리 흐름도.

도3은 본 발명에 따른 구리 도금 방식을 이용하여 형성한 구리 범프의 SEM 사진을 나타낸 도면.

도4a 내지 도4g는 본 발명에 따라 빌드업 인쇄 회로 기판을 제조하는 공정을 나타낸 순서도.

도5는 본 발명에 따른 빌드업 인쇄 회로 기판 제조 방법으로 형성된 비아 홀 기판의 완성도를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 인쇄 회로 기판

2 : 무전해 도금

3 : 노광 레지스트

4 : 금속 범프

5 : 빌드업 레지스트

6 : 일정한 회로

10, 11 : 절연층

12 : 표면 회로

13 : 이너 비아 홀

20, 20' : 동박층

30, 30' : 빌드업 절연층

40, 40' : 마이크로 비아 홀41, 41' : 전도층

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다층 인쇄 회로 기판에 있어 스택 비아 홀 및 전층 비아 홀을 형성하는 방법에 있어서, (a) 절연층과 표면 회로로 구성된 내층 회로 기판의 기판 전체 표면에 무전해 도금을 통해 도전층을 형성하는 단계; (b) 상기 도전층 상부에 감광성 노광 레지스트를 도표, 노광, 현상하여 선정된 부위에, 상기 노광 레지스트의 두께를 조절함으로써 형성하고자하는 금속 범프 높이를 결정하여, 금속 범프를 전기 도금 공정을 통해 형성하는 단계; (c) 상기 노광 레지스트를 제거하고 노출된 무전해 도금층을 제거한 후 빌드업 절연층을 전면에 인쇄 또는 코팅하는 단계; (d) 상기 빌드업 절연층 속에 묻혀 있는 금속 범프를 노출시키도록 상기 빌드업 절연층 표면을 연마하는 단계; 및 (e) 상기 연마 과정에서 노출된 금속 범프 표면 및 빌드업 절연층 표면에 전도층을 도금한 후 식각하여 도전 회로를 구성하는 단계를 포함하는 인쇄 회로 제조 방법을 제공한다.

이하에서는, 첨부도면 도2 내지 도5를 참조하여 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판 제조 방법을 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 금속 범프를 이용한 빌드업 인쇄 회로 기판 제조 공정 순서를 나타낸 일처리 흐름도이다. 도2를 참조하면, 우선 노광과 도금 공정을 이용하여 금속 범프(bump)를 형성하고(단계 S100), 구리 범프는 내층 회로 전면에 무전해 동도금을 하여 전도층을 형성한 후에, 무전해 동도금 위에 감광상 포토 레지스트를 코팅한 후 범프를 형성하고자 하는 부분만을 현상 제거하여 내층 회로 부분을 개구하고, 전기 동도금으로 레지스트가 열린 부분에만 선택적으로 도금을 하여 범프를 형성한다. 이때에, 감광성 레지스트의 두께는 범프 높이와 동일하도록 하며, 노광 방식과 전기 도금 공정을 이용하여 전체 범프의 일괄 제작이 가능하다.

도3은 본 발명에 따른 구리 도금 방식을 이용하여 형성한 구리 범프의 SEM 사진을 나타낸 도면이다. 다시 도2를 참조하면, 단계 S100에서 금속 범프를 형성한 후 빌드업 절연체를 인쇄 또는 코팅한다(단계 S110). 시판 중인 빌드업 절연체는 크게 잉크와 필름 형태로 구분할 수 있는데, 잉크 재료는 인쇄 회로 기판 제조 공정에 흔히 이용되는 스크린 인쇄 기법, 커튼 코타, 롤 코다 등의 인쇄 방법을 사용할 수 있다.

이때에, 본 발명의 양호한 실시예로서 기판 전체에 인쇄된 잉크의 두께를 최대 편차 5㎛ 이내로 관리하는 것이 바람직하다. 또한, 필름 자재는 진공 밀착기나 핫 프레스를 이용하여 코팅할 수 있는데 자재 특성 상 두께 편차가 잉크보다는 적은 편이다. 빌드업 절연 재료의 종류와 관계없이 절연층의 두께는 금속 범프 높이보다 최대 10um 이내이어야 한다.

이어서, 절연층은 금속 범프보다 높아야 하고, 비아를 제조하기 위해서는 금속 범프 상부에 있는 절연층을 연마 방법으로 제거하여야 한다(단계 S120). 본 발명의 양호한 실시예로서, 연마 공정은 샌드 벨트 또는 세라믹, 버퍼(buffer) 브러쉬를 사용하는 수평 연마기를 이용하여 제거할 수 있다. 절연층 연마 제거 공정은 추후 빌드업 절연층과 상부 금속 도금층 사이의 밀착력을 높이기 위해 반드시 필요한 공정이다.

다시, 도2를 참조하면, 표면 연마 후(단계 S120), 금속 표면은 상부 표면을 노출하게 되고, 여기에 금속 도금을 한 후 원하는 금속 패턴을 형성한다(단계 S130). 이때에, 금속 패턴 형성 방법은 세미 어디티브 공정이나 일반적인 에칭 공적으로 형성 가능하다. 이러한 일련의 공정을 반복하면 비아 홀이 수직 방향으로 일렬로 배열되는 스택 비아가 형성될 뿐만 아니라 전층 비아 홀 기판 제조가 가능하다.

도4a 내지 도4g는 본 발명에 따라 빌드업 인쇄 회로 기판을 제조하는 공정을 나타낸 순서도이다. 도4a를 참조하면 내층 회로를 구성하는 인쇄 회로 기판(1)은 절연층(11)과 표면 회로(12)로 구성이 되며 회로 디자인 구성에 따라 이너 비아 홀(inner via hole, 13)을 포함할 수 있다. 내층 회로 기판은 2층 이상의 층 구성을 할 수 있으며, 절연층(11)은 FR-4, 폴리이미드, BT 등을 사용할 수 있다.

도4b를 참조하면, 금속 범프 형성을 위한 전기 도금 전도층으로 내층 기판 전체 표면에 무전해 도금(2)을 하여 전도층을 형성한다. 이어서, 도4c를 참조하면 내층 기관 표면에 감광성 노광 레지스트(3)를 코팅하고 노광, 현상 공정으로 금속 범프의 위치와 모양을 정의한다. 금속 범프의 높이는 노광 레지스트(3)의 높이에 의해 결정된다. 금속 범프(4)는 전기 도금으로 만들어 진다. 노광 레지스트(3)는 도금 레지스트 역활을 하여 노광 레지스트(3)가 없는 부분에만 선택적으로 전기 도금이 되어 금속 범프(4)를 형성한다.

한편, 도4d를 참조하면, 금속 범프(4)를 형성하기 위한 도금을 마치면 노광레지스트(3)는 현상액을 사용하여 제거한다. 이때에, 현상액은 인쇄 회로 기판 제작 공정에 사용되는 일반적인 노광 레지스트의 현상액을 사용하여 제거할 수 있다. 레지스트를 제거하게 되면, 기판 표면에는 아직 무전해 도금층이 잔존하여 있는데 도금을 전도층 역할을 다 하였기 때문에 제거해야 한다. 무전해 도금층의 제거는 일반적인 황산, 과수, 또는 황산, 과산화수, 질산용액 타입의 소프트 에칭액을 사용하여 제거할 수 있다. 무전해 도금층은 금속 범프 아래 부분(2a)을 제외한 모든 부분이 제거된다. 또한, 소프트 에칭액에 의해 내층 회로(12)는 많은 부식을 받지 않는다. 또한, 노광 레지스트는 탄산나트륨을 통해 제거될 수 있다.

이어서, 도4e를 참조하면, 후속하여 빌드업용 레지스트(5)를 인쇄 또는 코팅한다. 빌드업용 잉크는 일반적인 스크린 인쇄법, 커튼 코다법, 롤 코타법 등으로 인쇄할 수 있다. 잉크 자재는 상, 하면을 동시에 인쇄할 수 없다는 단점이 있으나 인쇄 두께를 임의로 조절할 수 있다는 장점을 지닌다. 또 다른 유형의 빌드업용 자재는 필름 형태의 자재이다. 필름 형태의 레지스트는 진공 밀착기나 열 프레스 방식을 이용하여 코팅하는 방식으로 양면 동시에 코팅이 가능하다는 장점외에 일정하며 균일한 코팅 두께를 얻을 수 있다는 장점을 지닌다. 단점으로는 임의로 코팅 두께 조절이 어렵다는 점이다. 어느 재료를 사용하던지 빌드업용 레즈시트(5)의 인쇄 두께는 금속 범프의 높이보다 최대 10um 이내에서 관리하는 것이 이후 공정인 연마 공정에서 생산성과 수율을 높힐 수 있는 방법이다.

도4f 및 도4g를 참조하면, 금속 범프를 덮고 있는 빌드업 레지스트(5)를 제거하는 방법으로는 샌드벨트를 이용하는 방법과 부러쉬를 사용하는 방법으로 나누어진다. 어느 방법을 사용하더라도 연마 강도를 낮추면서 빌드업 레지스트(5)로 덮혀 있는 모든 금속 범프(4)를 노출시키기 위해서는 빌드업 레지스트(5)의 두께 관리가 핵심 해결 방안이다. 연마 횟수가 늘어나면 늘어날수록 내층 회로 기판의 팽창 정도가 커져 기판 전체의 치수 안정성에 문제가 생겨 전체적인 품질 저하 현상이 나타날 수 있다. 금속 범프(4)가 완전히 노출되면 상부 전도층을 형성해야 하는데 이는 무전해 도금과 전기 도금으로 상부 전도층을 형성할 수 있다. 상부 전도층은 그 디자인에 따라 식각되어 일정한 회로(6)를 구성한다.

도5는 본 발명에 따른 빌드업 인쇄 회로 기판 제조 방법으로 형성된 비아 홀 기판의 완성도를 나타낸 도면이다. 도5를 참조하면, 도4에 도시한 공정 순서가 따라 공정을 반복하면 전체 인쇄 회로 기판에 금속 범프로 구성된 비아 홀을 구성할 수 있으며 또한 전층 비아 홀을 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 빌드업 인쇄 회로 기판 제조 공법을 다시 요약하면 다음과 같다. 내층 회로 구성을 마친 내층 회로 기판에 무전해 도금으로 전도층을 형성하고, 기판 표면에 감광성 노광 레지스트를 코팅한다. 여기에, 전기 도금으로 선택적으로 금속 범프를 도금한 다음 노광 레지스트와 무전해 도금층을 각각 제거한다. 이후, 빌드업 레지스트를 금속 범프가 형성된 내층 회로 기판에 인쇄한 후 표면 연마 공정으로 모든 금속 범프 표면을 노출시킨다. 추가로 무전해 도금과 전기 도금으로 추가적인 전도층을 형성한 후 식각하여 추가 회로를 구성한다. 이를 반복하면 스택 비아 홀과 전층 비아 홀 구조를 가지는 인쇄 회로 기판의 제조가 가능하게 된다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 금속 범프를 이용함으로서 저비용으로 마이크로 비아 홀을 구성하여 인쇄 회로 기판의 제조 비용을 감소시킬 수 있으며, 전기적, 열적 특성을 향상시켜 인쇄 회로 기판의 신뢰도를 높이게 할 수 있는 유의 효과를 가져온다.

또한, 본 발명은 금속 범프를 이용하여 스택 비아 홀과 전층 비아 홀의 형성이 가능하게 되어 인쇄 회로 기판의 회로 밀도를 높여주게 되는 특유의 효과를 가져온다.

Claims (8)

1. 다층 인쇄 회로 기판에 있어 스택 비아 홀 및 전층 비아 홀을 형성하는 방법에 있어서,

   (a) 절연층과 표면 회로로 구성된 내층 회로 기판의 기판 전체 표면에 무전해 도금을 통해 도전층을 형성하는 단계;

   (b) 상기 도전층 상부에 감광성 노광 레지스트를 도포, 노광, 현상하여 선정된 부위에, 상기 노광 레지스트의 두께를 조절함으로써 형성하고자하는 금속 범프 높이를 결정하여, 금속 범프를 전기 도금 공정을 통해 형성하는 단계;

   (c) 상기 노광 레지스트를 제거하고 노출된 무전해 도금층을 제거한 후 빌드업 절연층을 전면에 인쇄 또는 코팅하는 단계;

   (d) 상기 빌드업 절연층 속에 묻혀 있는 금속 범프를 노출시키도록 상기 빌드업 절연층 표면을 연마하는 단계; 및

   (e) 상기 연마 과정에서 노출된 금속 범프 표면 및 빌드업 절연층 표면에 전도층을 도금한 후 식각하여 도전 회로를 구성하는 단계

   를 포함하는 인쇄 회로 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 무전해 도금을 니켈 및 구리 도금 공정을 포함하는 인쇄 회로 기판 제조 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)에서 전기 도금은 구리 도금인 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 제조 방법.
5. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (c)의 무전해 전기 도금층의 제거는 황산, 과산화수 및 질산 용액을 통해 제거하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 제조 방법.
6. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (c)에서 상기 노광 레지스트는 탄산나트륨을 통해 제거하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 제조 방법.
7. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (c)의 빌드업 절연층을 형성하는 액상 재료는 인쇄하여, 필름재료는 진공 밀착 방법과 열 프레스 방법을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 제조 방법.
8. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (c)의 빌드업 절연층의 두께를 금속 범프의 높이에 대해 10㎛ 내의 범위로 유지함을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 제조 방법.