KR20060126776A

KR20060126776A - 납땜 방법

Info

Publication number: KR20060126776A
Application number: KR1020067016454A
Authority: KR
Inventors: 야스히데 오노; 타카시 나카모리; 마코토 스에나가; 타츠야 타케우치; 조지 카가미; 타이조 하기하라
Original assignee: 신코 세이키 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-12-08
Also published as: CN1921977A; WO2005077583A1; TW200529960A; KR101049427B1; JP2005230830A; TWI346590B; US20070170227A1; CN100455394C; JP4732699B2

Abstract

품질이 양호한 납땜을 행하는 것을 과제로 한다. 이를 위해 본 발명은 주석 단독 또는 은, 납, 구리, 비스무스, 인듐, 아연의 1개 또는 2개 이상의 성분과 주석을 포함하는 고체상의 땜납을 갖는 피처리물(10)이 배치된 진공실(2)을 진공 상태에 감압한다. 유리기 가스를 발생시켜서 상기 땜납의 산화막을 제거한 후, 상기 유리기 가스의 발생을 중지하여 무산화 분위기에서 상기 땜납을 땜납의 융점 이상의 온도로 하여 땜납을 용융한다.

납땜 방법, 진공실, 유리기 가스

Description

납땜 방법{SOLDERING METHOD}

본 발명은 납땜 방법에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼, 실리콘 칩 또는 프린트 배선 기판상의 회로와, 다른 회로의 전기적 접속을 용이하게 하기 위하여 실리콘 웨이퍼, 실리콘 칩 또는 프린트 배선 기판상의 회로에 예컨대 반구형상의 땜납인 땜납 범프(solder bump)를 납땜하는 일이 있다. 이 땜납 범프의 납땜법으로서, 예컨대, 특허 문헌 1에 개시된 것이 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제 2001-58259 호 공보

이 기술은 납땜시에 플럭스(flux)를 불필요하게 하는 것이다. 이 기술에서는 진공실 내에 납땜되는 기판이 배치된다. 이 기판상의 소정의 위치에 땜납 범프가 배치된다. 진공실이 진공 상태까지 감압된다. 그 후에 진공실에 유리기 가스로서 수소 래디컬(hydrogen radical)을 공급하면서 땜납의 용융 온도로 진공실의 온도를 상승시켜서 땜납을 용융하고, 그 후에 냉각한다. 따라서, 땜납이 용융되고 있는 상태로 수소 래디컬의 공급이 행하여지고 있다.

그러나, 이 기술에 의해 납땜을 행하면 납땜된 땜납 범프로부터 보이드(void)가 빠지지 않고 범프가 팽창하거나, 보이드가 빠져서 땜납 범프가 파열되거나 하는 것을 알게 되어있다. 팽창은 용융 상태의 땜납 내에 수소 가스가 트랩됨 으로써 발생하는 것으로 생각된다. 파열은 땜납이 용융 이상의 온도로 가열되어서 액상 상태로 되어 있어도, 수소 래디컬의 공급이 계속됨으로써 용융 상태의 땜납으로부터 산화막이 제거됨과 아울러 액상 상태의 땜납으로부터 보이드가 빠짐으로써 발생한다.

본 발명은 품질이 좋은 납땜 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 납땜 방법에서는 고체상의 땜납을 갖는 피처리물이 배치된 진공실이 진공 상태로 감압된다. 이어서, 진공실 내에 유리기 가스를 발생시키고, 이 유리기 가스에 의해 땜납의 산화막을 제거한다. 그 후, 유리기 가스의 발생을 중지하여, 진공실 내를 무산화 분위기로 하고 이 무산화 분위기에서 땜납을 땜납의 융점 이상의 온도로 하여 땜납을 용융한다. 땜납으로서는 주석 단독 또는 은, 납, 구리, 비스무스, 인듐, 아연의 1개 또는 2개 이상의 성분과 주석을 포함하는 것을 사용한다. 유리기 가스로서는 예컨대 수소 래디컬을 사용할 수 있지만, 이 밖에 여러가지 것을 사용할 수 있다.

땜납은 그 표면에 산화막을 갖는 경우가 많지만, 땜납의 융점보다도 낮은 온도하에서도 유리기 가스에 땜납을 노출함으로써 땜납의 산화막을 제거할 수 있다. 따라서, 산화막을 제거한 후에 유리기 가스의 공급을 중지한 상태에서 땜납의 온도를 땜납의 융점 이상의 온도로 하면 이미 산화막이 제거되어 있으므로 땜납이 용융 온도 이상의 온도로 되어도 파열이 발생하기 어렵다. 또한, 용융 상태로 땜납이 되었을 때에는 유리기 가스의 공급이 중지되어 있으므로 용융 상태의 땜납에 가스가 트랩되는 일도 없다.

또한, 피처리물에 대한 땜납의 고정은 잔사(殘渣)가 남지 않는 플럭스 또는 접착제 예컨대, 알코올 또는 유기산을 주성분으로 하는 것을 사용할 수도 있고, 또는 기판에 오목 부분을 형성하고, 이 오목 부분에 땜납을 배치함으로써 플럭스나 접착제를 이용하지 않고 땜납을 고정할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태의 납땜 방법에 사용하는 장치의 개략도이다.

도 2는 상기 납땜 방법에 있어서의 도 1의 장치의 온도 및 압력의 변화 상태를 나타내는 개략도이다.

도 3은 도 1의 장치에 있어서의 피처리물로의 땜납 볼의 고정 과정을 나타내는 사시도이다.

본 발명의 일실시형태의 납땜 방법에 사용하는 납땜 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 진공실(2)을 갖고 있다. 진공실(2)은 예컨대, 챔버(chamber)(4)를 갖고, 챔버(4)는 하부실(4a)과 상부실(4b)로 이루어진다. 하부실(4a)은 상부 가장자리에 개구(開口)를 갖는 상자형의 것이다. 그 개구를 커버하는 것이 가능하게 상부실(4b)이 예컨대, 경첩에 의해 하부실(4a)에 결합되어 있다. 또한, 하부실(4a)을 상부실(4b)이 커버하고 있는 상태에서는 양자의 내부는 기밀 상태가 되도록 구성되어 있다. 하부실(4a)의 저부에는 배기 수단, 예컨대 진공 펌프(6)가 부착되어 있다. 하부실(4a)을 상부실(4b)이 커버하고 있는 상태에 있어서 진공 펌프(6)를 작동 시킴으로써, 진공실(2)의 내부를 진공 상태로 할 수 있다. 또한, 진공 펌프(6)는 그 배기 속도를 제어할 수 있는 것이다.

이 진공실(2)의 내부, 예컨대 하부실(4b)측에는 가열 수단, 예컨대 가열 장치(8)가 설치되어져 있다. 이 가열 장치(8)는 평판상의 지지대(12)를 갖고 있다. 이 지지대(12)의 표면측에 피처리물, 예컨대 땜납 범프를 형성하는 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 기판(10)이 지지되어 있다. 이 지지대(12)는 열용량이 작은 재질, 예컨대 세라믹 또는 카본제이며, 그 내부에 히터(14)가 매설되어 있다. 또한, 히터(14)에 대신하여 적외선 가열 장치를 사용할 수도 있다.

이 히터(14)의 가열용 전원(미도시)은 진공실(2)의 외부에 설치되어 있으며, 히터(14)의 도선은 진공실(2)의 기밀 상태를 유지한 채 외부로 도출되고, 가열용 전원에 접속되어 있다.

지지대(12)의 배면 전면에 접촉가능한 크기의 냉각 장치(미도시)가 진공실(2) 내에서 지지대(12)의 배면측에 접촉 및 비접촉 중 선택되는 것이 되도록 설치되어 있다. 이 냉각 장치는 유체, 예컨대 물에 의해 지지대(12)를 냉각하는 것이다.

히터(14)가 통전되어 피처리물(10)을 가열하고 있는 중에는 냉각 장치는 지지대(12)와 비접촉이지만, 히터(14)로의 통전이 끊어졌을 때 지지대(12)의 배면에 접촉하여 지지대(12)를 냉각한다. 지지대(12)는 열용량이 작은 것이므로 급속한 가열을 행할 수 있고, 급속한 냉각이 가능하다.

챔버(4)의 상부실(4b)에는 유리기 가스 발생 수단, 예컨대 수소 래디컬 발생 장치(16)가 설치되어 있다. 이 수소 래디컬 발생 장치(16)는 플라즈마 발생 수단에 의해 수소 가스를 플라즈마화하여, 수소 래디컬을 발생시키는 것이다. 이 수소 래디컬 발생 장치(16)는 마이크로파 발생기(18)를 상부실(4b)의 외부에 갖고 있다. 또한, 마이크로파 발생기(18)에 있어서 발진된 마이크로파를 전송하는 도파관(20)이 상부실(4b)의 상벽상에 부착되어 있다. 이 도파관(20)은 마이크로파 도입 창(22)을 갖고 있다. 이 마이크로파 도입 창(22)은 지지대(12)와 대면하도록, 또한 지지대(12)의 전면을 커버하는 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 마이크로파는, 도 1에 화살표로 나타낸 바와 같이, 지지대(12)의 전면을 커버하는 넓은 영역에 걸쳐서 상부실(4b) 내에 침입한다.

이 도입 창(22)의 근방에 있어서 수소 가스 공급 수단, 예컨대 수소 가스 공급관(24)이 상부실(4b) 내에 설치되어 있다. 이 수소 가스 공급관(24)은 진공실(4)의 외부에 설치된 수소 가스원(25)으로부터 수소 가스를 상부실(4b) 내에 공급하기 위한 것이다. 수소 가스원(25)은 챔버(4) 내로의 공급량을 제어가능한 것이다. 이 공급된 수소 가스가 마이크로파 도입 창(22)을 통하여 도입된 마이크로파에 의해 플라즈마화되어 수소 래디컬을 발생시킨다. 이 수소 래디컬은 상부실(4b)의 내부에 이온과 같은 불필요한 하전 입자를 포집하기 위해서 설치된 금속망(26)을 통하여 피처리물(10)의 전역을 향한다. 또한, 수소 가스 공급관(24)은 복수개 설치할 수 있다. 또한, 상부실(4b)에는 질소 가스 공급 수단, 예컨대 질소 가스 공급관(27a)이 설치되어 있다. 이 질소 가스 공급관(27a)은 진공실(4)의 외부에 설치된 질소 가스원(27b)으로부터 수소 가스를 상부실(4b) 내에 공급하기 위한 것이다. 질소 가 스원(27b)은 챔버(4) 내로의 공급량이 제어가능한 것이다.

수소 가스원(25), 질소 가스원(27b) 및 진공 펌프(6)를 제어하기 위하여 제어 장치(28)가 설치되어 있다. 이 제어 장치(28)에 있어서의 제어에 이용하기 위하여 챔버(4)에는 압력계(29)가 설치되어 있다.

이 납땜 장치를 채용한 본 발명의 일실시형태의 납땜 방법은 예컨대, 다음과 같이 행하여진다. 우선, 상부실(4b)을 열어 이미 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판을 피처리물(10)로서 지지대(12)상에 배치한다. 그 피처리물(10)상에 땜납 범프의 근원이 되는 복수개의 땜납 층 또는 땜납 볼을 간격을 두어서 배치한다. 땜납으로서는 주석 단독, 또는 은, 납, 구리, 비스무스, 인듐, 아연의 1개 또는 2개 이상의 성분과 주석을 포함하는 고체상의 것을 사용한다. 땜납층 또는 땜납 볼은 직접 피처리물(10)상에 배치된다. 예컨대, 땜납 볼(13)을 사용하는 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 피처리물(10)의 상면에 오목 부분(15)을 형성하고, 이 오목 부분(15) 내에 땜납 볼(13)을 배치함으로써 땜납 볼(13)을 고정한다.

그 후에, 상부실(4b)을 닫고, 진공 펌프(6)을 작동시켜서 챔버(4) 내를 예컨대, 도 2에 나타낸 바와 같이, 약 0.01Torr(약 1.33㎩)까지 배기하고, 챔버(4) 내를 진공 상태로 한다. 이어서, 수소 가스를 챔버(4) 내에 공급한다. 이 때의 챔버(4) 내의 압력은, 예컨대 약 0.1 내지 1Torr(약 13.3㎩ 내지 133.3㎩)이다.

챔버(4) 내의 압력이 상기 압력으로 되면 히터(14)에 통전하고, 피처리물(10)을 가열하고, 땜납의 융점보다도 낮은 온도, 예컨대 섭씨 약 150도까지 가열 하고, 이 상태를 유지한다. 이 온도 상태에 있어서 마이크로파 발생기(18)를 작동시켜서 챔버(4) 내에 수소 래디컬을 발생시킨다. 이 수소 래디컬의 발생 상태를 예컨대, 약 1분 계속한다. 이에 따라, 융점보다도 낮은 온도에 있어서 땜납에 부속되는 산화막을 수소 래디컬이 환원하여 제거한다.

그 후, 마이크로파 발생기(18)를 정지시키고, 수소 래디컬의 발생을 중지하고, 챔버(4) 내는 진공 펌프(6)에 의해 약 0.01Torr(약 1.33Pa)까지 진공 흡인되고, 그 후에 질소 가스원(27b)으로부터 질소 가스가 챔버(4) 내에 공급되고, 챔버(4) 내의 압력은, 예컨대 약 0.1 내지 1Torr(약 13.3Pa 내지 133.3Pa)로 되돌려진다. 그리고, 히터(14)로의 통전량을 증가시키고, 피처리물(10)의 온도를 땜납의 융점 이상의 온도로 한다. 이에 따라, 피처리물(10)상의 땜납이 용융된다. 그 후, 히터(14)로의 통전이 끊어져, 냉각 장치가 지지대(12)에 접촉되고, 피처리물(10)의 냉각이 행하여진다. 이 냉각도 급속히 행하여지고, 예컨대 약 1분에 실온으로 되돌려진다. 또한, 냉각의 개시와 거의 동시에 질소 가스의 공급량이 조정되어서 대기압으로 된다. 또한, 진공 펌프(6), 수소 가스 공급원(25) 및 질소 가스 공급원(27b)의 제어는 챔버(4)에 설치된 압력계(29)로부터의 압력 신호에 의거하여 제어부(28)가 행하고 있다.

이렇게, 환원력 강한 유리기 가스, 예컨대 수소 래디컬을 피처리물(10)에 공급하고 있으므로 플럭스를 사용하지 않아도 땜납 산화물을 환원할 수 있다. 게다가, 땜납의 융점보다도 낮은 온도 상태에서 수소 래디컬을 피처리물(10)에 공급하고 있으므로 땜납이 용융하기 전에 산화막을 제거할 수 있다. 산화막을 제거한 후 에 질소 가스가 도입된 무산화 분위기에서 땜납을 용융하고 냉각하고 있으므로 수소 가스가 용융 상태의 땜납에 트랩 되는 일이 없고, 만일 땜납 내에 보이드가 발생되어도 산화막은 이미 제거되어 있으므로 산화막의 제거가 트리거(trigger)되어서 범프가 파열되는 일도 없다.

예컨대, 땜납 볼로서 직경이 400㎛의 Sn 63%/Pb 37%(융점 섭씨 183도)의 것과, Sn 96%/Ag 3.0%/Cu 0.5%(융점 섭씨 220도)의 것을 사용하여 실온 섭씨 50도, 섭씨 100도, 섭씨 150도 모두 땜납의 융점 온도보다도 낮은 온도의 상태에서 유리기 가스의 공급을 60초간에 걸쳐서 행하고, 그 후, 땜납의 융점 이상의 온도인 225도까지 가열하는 실험을 행하였다. 이 결과 형성된 땜납 범프를 주사 전자 현미경 및 X선 투과에 의해 관찰하였지만 어느 것에 있어서도 보이드는 발생하고 있지 않았다. 또한, 이렇게 하여 제조된 땜납 범프의 전단 강도는 Sn 63%/Pb 37%의 것으로 3.2 내지 4.8N의 범위이며, Sn 96%/Ag 3.0%/Cu 0.5%의 것으로 3 내지 5.5N의 범위에 있고, 충분한 접합 강도가 얻어졌다.

상기 실시형태에서는 피처리물로의 땜납의 고정은 피처리물에 오목 부분을 형성하고, 이것에 땜납을 배치했지만 잔사가 남지 않는 플럭스 또는 접착제, 예컨대 알코올 또는 유기산을 주성분으로 하는 플럭스 또는 접착제를 사용하여 땜납을 피처리물에 고정할 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 피처리물의 위에 땜납 범프를 형성했지만, 예컨대 다음과 같은 것도 행할 수 있다. 상기 실시형태의 납땜 방법에 의해 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판의 전극 패드상에 땜납 범프를 형성한다. 그 땜납 범프 에, 또한, 다른 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판의 전극을 접촉시키고, 챔버(4)를 진공 상태로 하여, 땜납의 융점 이상의 온도로 유리기 가스를 발생시키고, 땜납을 용융하고, 그 후에 냉각한다. 이에 따라, 2개의 실리콘 웨이퍼 또는 2개의 프린트 배선 기판의 납땜을 행한다. 이 납땜 처리에서는 플럭스도 접착제도 사용하고 있지 않다. 또한, 챔버(4)를 진공 상태로 감압한 후 땜납의 융점 이하의 온도로 유리기 가스를 발생시키고, 땜납을 용융시켜도 좋다.

또한, 다음과 같은 것도 가능하다. 상기 실시형태의 납땜 방법에 의해 땜납 범프가 형성된 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판을 2개 준비한다. 이들 땜납 범프를 접촉시킨 상태로 챔버(4) 내에 배치한다. 챔버(4)를 진공 상태로 감압하고, 땜납의 융점 이상의 온도에서 유리기 가스를 발생시키고, 접촉되어 있는 땜납을 각각 용융시키고, 그 후에 냉각하여 납땜을 행한다. 또한, 챔버(4)를 진공 상태로 감압한 후 땜납의 융점 이하의 온도에서 유리기 가스를 발생시키고, 땜납을 용융시켜도 좋다.

또한, 다음과 같은 것도 가능하다. 상기 실시형태의 납땜 방법에 의해 전극 패드상에 땜납 범프가 형성된 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판과, 상기 실시형태의 납땜 방법에 의해 전극 패드상에 땜납 도금이 형성된 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판을 준비한다. 이들 땜납 범프와 땜납 도금을 접촉시킨 상태로 챔버(4) 내에 배치한다. 챔버(4)를 진공 상태로 감압하고, 땜납의 융점 이상의 온도에서 유리기 가스를 발생시키고, 접촉하고 있는 땜납을 각각 용융시키고, 그 후에 냉각하고, 납땜을 행한다. 한편, 챔버(4)를 진공 상태로 감압한 후 땜납의 융점 이 하의 온도에서 유리기 가스를 발생시키고, 땜납을 용융시켜도 좋다.

또한, 다음과 같은 것도 가능하다. 상기 실시형태의 납땜 방법에 의해 전극 패드상에 땜납 범프가 형성된 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판을 1개 준비한다. 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 배선 기판의 전극 패드상에 땜납 페이스트(paste)가 도포된 것도 1개 준비한다. 땜납 범프와 땜납 페이스트를 접촉시킨 상태로 챔버(4) 내에 배치한다. 챔버(4)를 진공 상태로 감압하고, 땜납의 융점 이상의 온도에서 유리기 가스를 발생시키고, 접촉하고 있는 땜납 범프와 땜납 페이스트를 각각 용융시키고, 그 후에 냉각하여 납땜을 행한다. 또한, 챔버(4)를 진공 상태로 감압한 후 땜납의 융점 이하의 온도에서 유리기 가스를 발생시키고, 땜납을 용융시켜도 좋다.

상기 실시형태에서는 땜납으로서 Sn 63%/Pb 37%의 것과, Sn 96%/Ag 3.0%/Cu 0.5%의 것을 나타냈지만 이들에 한정되는 것은 아니고, 예컨대 주석 단독 또는 은, 납, 구리, 비스무스, 인듐, 아연의 1개 또는 2개 이상의 성분과 주석을 포함하는 것을 사용할 수 있고, 고체상이면 땜납 볼에 한하지 않고, 땜납 도금 형성용의 땜납도 사용가능하다. 또한, 납땜 장치의 챔버(14)는 피처리물을 챔버(14) 내에 송입하는 입구와, 챔버(14)로부터 피처리물을 송출하는 출구를 마련하고, 이들 입구 및 출구에 반진공 부분을 마련하고, 피처리물을 연속 처리 가능하게 할 수도 있다.

Claims

주석 단독 또는 은, 납, 구리, 비스무스, 인듐, 아연의 1개 또는 2개 이상의 성분과 주석을 포함하는 고체상의 땜납을 갖는 피처리물이 배치된 진공실을 진공 상태로 감압시키고,

그 후, 상기 진공실 내에 유리기 가스를 발생시켜서 상기 땜납의 산화막을 제거한 후,

상기 유리기 가스의 발생을 중지하여 상기 진공실을 무산화 분위기로 하고, 상기 땜납을 땜납의 융점 이상의 온도로 하여 땜납을 용융하는 것을 특징으로 하는 납땜 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 피처리물에 대하여 상기 땜납이 고정되고, 이 고정은 상기 피처리물에 오목 부분을 형성하고, 이 오목 부분에 상기 땜납을 배치한 것을 특징으로 하는 납땜 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 피처리물에 대하여 상기 땜납이 고정되고, 이 고정은 알코올 또는 유기산을 주성분으로 하는 플럭스 또는 접착제를 통하여 행하여지는 것을 특징으로 하는 납땜 방법.