KR20030062132A

KR20030062132A - Reflow soldering method

Info

Publication number: KR20030062132A
Application number: KR1020020002567A
Authority: KR
Inventors: 권창순; 신정길
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: KR100459546B1

Abstract

본 발명은 반도체소자 또는 광소자를 기판의 솔더 패드상에 소정의 솔더에 의해 솔더링하기 위한 리플로 솔더링 방법에 관한 것으로서, 상기 솔더의 면적이 상기 솔더 패드의 면적보다 크도록 형성하여 프리징시 상기 솔더의 부위별 조성변화를 억제하도록 하여 고정밀도 리플로 본딩공정을 적용하는데 많은 제약이 되어 왔었던 솔더의 프리징 효과(Freezing Effect(time))를 감소시켜 솔더와 솔더 패드간의 젖음과 본딩 특성을 크게 향상 시키고, 리플로 공정의 단점이었던 취약한 본딩특성(본딩강도 및 본딩면적 향상)이 개선되어 반도체/광소자의 전기-광학적인 특성과 함께 방열성이 개선됨으로 하여 사용에 따른 열화가 억제되는 효과가 있다.The present invention relates to a reflow soldering method for soldering a semiconductor device or an optical device on a solder pad of a substrate by a predetermined solder, wherein the solder area is formed to be larger than the solder pad area to freeze the solder. The freezing effect (time) of the solder, which has been limited to the application of the high precision reflow bonding process, by suppressing the compositional change of each part of the surface, reduces the freezing effect (time) of the solder and greatly improves the wetting and bonding characteristics between the solder and the solder pad. In addition, the weak bonding characteristics (bonding strength and bonding area improvement), which were disadvantages of the reflow process, are improved, thereby improving heat dissipation along with the electro-optical characteristics of the semiconductor / optical device, thereby preventing deterioration due to use.

Description

Reflow Soldering Method {REFLOW SOLDERING METHOD}

본 발명은 반도체 또는 광소자의 본딩에 적용되는 리플로 솔더링에 관한 것으로서, 특히 리플로 본딩의 단점인 국부적 프리징 작용을 해소하여 본딩특성을 향상시킬 수 있도록 구성되는 리플로 솔더링 방법을 제공하는데 있다.The present invention relates to reflow soldering applied to the bonding of a semiconductor or an optical device, and more particularly, to provide a reflow soldering method configured to solve a local freezing action, which is a disadvantage of reflow bonding, to improve bonding characteristics.

일반적으로, 광소자 혹은 반도체소자를 서브스트레이트(substrate) 혹은 기판에 전기/기계적으로 결합하는 본딩에는 플립칩 본딩과 다이본딩이 널리 사용되고 있는데, 최근 광축을 수동으로 정렬하는 소위 passive align에 대한 요구가 급증하면서 빠른 시간에 보다 정밀하게 본딩하는 공정의 개발이 중요한 관건이 되고 있다. 그러나 칩(chip)을 기판에 정밀하게 본딩하는 정밀 본딩은 본딩 시간이 길어지게 되어 양산성의 향상이라는 측면에서는 불리한 요인으로 작용하고 있다.In general, flip chip bonding and die bonding are widely used for bonding an optical device or a semiconductor device to a substrate or a substrate electrically or mechanically. Recently, there is a need for a so-called passive alignment to manually align an optical axis. The rapid development of more precise bonding processes in a short time has become an important issue. However, precise bonding, which bonds chips to the substrate precisely, has a long bonding time, which is a disadvantage in terms of improving mass productivity.

통상적으로 잘 알려진 플립칩 본딩에는 열압착 방식과 플립칩 방식이 있는데, 열 압착 방식은 칩을 기판에 정렬한 후 솔더를 가열할 때 압력을 동시에 인가하는 방식으로서, 본딩 특성은 우수하나 칩 하나 하나를 본딩하면서 매번 정렬/가열/프리징을 반복하게 되므로 공정시간이 길어지는 문제가 있다.Commonly known flip chip bonding is a thermocompression method and a flip chip method. The thermocompression method is a method in which pressure is simultaneously applied when heating a solder after aligning a chip on a substrate. Since the alignment / heating / freezing is repeated each time while bonding, there is a problem in that the process time is long.

한편, 최근에 도입되기 시작하고 있는 고정밀 리플로 플립칩 본딩은 복수의 칩과 기판을 배치(batch)단위로 정렬한 후, 한번의 가열과 프리징으로 배치공정을 완성하는 신공정으로서 공정시간이 짧게 되는 장점이 있다.On the other hand, high-precision reflow flip chip bonding, which has recently been introduced, is a new process that aligns a plurality of chips and substrates in batch units, and then completes the batch process by one heating and freezing. It has the advantage of being.

그러나, 이러한 리플로 솔더링(본딩)은 솔더가 녹는 열처리 과정에서는 칩과 기판에 압력이 인가되지 않는 때문에 솔더와 솔더 패드의 상태 즉, 솔더의 농도,분위기/온도조건 등에 따라 본딩의 질이 크게 달라지는 등의 문제가 있어서 공정/자재의 적은 변화에도 본딩 특성이 크게 악화되는 등의 많은 어려움이 있었다. 본딩이 넓은 면적에서 충분한 접합강도로 이루어지지 않으면, 전기/기계/열적으로 기판과 결합된 칩의 특성은, 특히 전기/열적인 특성이 중요한 반도체-광소자의 경우, 그 본연의 특성을 나타낼 수 없게 되고 장기 신뢰성에도 열적/기계적인 특성에서 치명적인 문제가 발생하게 된다.However, since the reflow soldering (bonding) does not apply pressure to the chip and the substrate during the melting process, the quality of the bonding varies greatly depending on the state of the solder and the solder pad, that is, the concentration of the solder and the atmosphere / temperature conditions. There are many problems such as the deterioration of the bonding characteristics even with a small change in the process / material due to the problem. If the bonding is not made with sufficient bonding strength in a large area, the characteristics of the chip combined with the substrate electrically / mechanically / thermally may not show its natural characteristics, especially in the case of semiconductor-optical devices in which electrical / thermal characteristics are important. In addition, long-term reliability causes fatal problems in thermal and mechanical properties.

도 1b는 종래 기술의 일 실시예에 따른 도 1a의 구조를 본딩처리 한 후의 상태를 도시한 도면이고, 도 2a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 솔더 및 솔더 패드의 구조를 도시한 도면으로써, 반도체/광소자의 본딩에 널리 사용되는 솔더인 AuSn와, 솔더 패드인 Au의 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 도 1a는 AuSn 솔더(3)와 Au재질의 솔더 패드(2)로 구성된 전형적인 기판(1)의 일종을 통하여 실제 리플로 본딩이 될 때의 일어나는 현상을 나타 낸 것으로 본딩이 진행됨에 따라 도 1a의 구조에서 도 1b와 같이 변화되어 가는 상태를 보인 것이다. 일반적인 열압착 본딩과는 달리, 이와 같은 리플로 솔더링에서는 솔더(3)가 패드(2)와 국부적으로 다르게 반응하게 되고, 이것은 솔더 조성의 급격한 변화를 유발하고 이것은 또 다시 솔더의 유동성을 저해하게 된다. 솔더(3)의 유동성이 감소하면 솔더(3)의 조성은 더욱 더 빨리 변화되는 반복/증폭과정을 통하여 국부적인 솔더(3)의 프리징(Local Freezing)이 매우 빠르게 진행되어 솔더 전체 면적 중 부분적으로만 본딩이 이루어져 프리징높이 h가 상대적으로 높아지는 문제점이 발생하게 된다.1B is a view showing a state after bonding the structure of FIG. 1A according to an embodiment of the prior art, and FIG. 2A is a view showing the structure of a solder and a solder pad according to an embodiment of the present invention. For example, AuSn, a solder widely used for bonding semiconductors and optical devices, and Au, a solder pad, will be described below. FIG. 1A illustrates a phenomenon occurring when actual reflow bonding is performed through a type of a typical substrate 1 composed of AuSn solder 3 and an Au material solder pad 2. As the bonding proceeds, FIG. In the structure shown in Figure 1b is changing state. Unlike conventional thermocompression bonding, this reflow soldering causes the solder 3 to react locally differently to the pad 2, which causes a drastic change in solder composition which in turn inhibits the flow of the solder. . When the flowability of the solder 3 decreases, the local freezing of the solder 3 progresses very rapidly through an iteration / amplification process in which the composition of the solder 3 changes more rapidly, thereby partially distributing the solder. Since the bonding is performed only, the freezing height h becomes relatively high.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 솔더의 조성변화를 최대한 억제하여 프리징시간을 최대한 길게 유지할 수 있도록 하는 리플로 솔더링 방법을 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a reflow soldering method that can maintain the maximum freezing time by suppressing the change in the composition of the solder as much as possible.

본 발명의 다른 목적은 칩에서 발생하는 열을 최대한 방출할 수 있는 넓은 면적의 본딩이 가능하도록 구성되는 리플로 솔더링 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a reflow soldering method configured to enable bonding of a large area capable of maximizing the release of heat generated from a chip.

따라서, 본 발명은 반도체소자 또는 광소자를 기판의 솔더 패드상에 소정의 솔더에 의해 솔더링하기 위한 리플로 솔더링 방법에 있어서,Accordingly, the present invention provides a reflow soldering method for soldering a semiconductor device or an optical device onto a solder pad of a substrate by a predetermined solder.

상기 솔더의 면적이 상기 솔더 패드의 면적보다 크도록 형성하여 프리징시 상기 솔더의 부위별 조성변화를 억제하도록 함을 특징으로 한다.It is characterized in that the area of the solder is formed to be larger than the area of the solder pad to suppress the compositional change for each part of the solder during freezing.

도 1a는 종래 기술의 일 실시예에 따른 솔더 및 솔더 패드의 구조를 도시한 도면.1A illustrates the structure of a solder and solder pad according to one embodiment of the prior art.

도 1b는 종래 기술의 일 실시예에 따른 도 1a의 구조를 본딩처리 한 후의 상태를 도시한 도면.FIG. 1B is a view showing a state after bonding the structure of FIG. 1A according to an embodiment of the prior art. FIG.

도 2a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 솔더 및 솔더 패드의 구조를 도시한 도면.Figure 2a is a view showing the structure of a solder and solder pad according to an embodiment of the present invention.

도 2b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2a의 구조를 본딩처리 한 후의 상태를 도시한 도면.FIG. 2B is a view showing a state after bonding the structure of FIG. 2A according to a preferred embodiment of the present invention. FIG.

도 3은 솔더와 패드간의 프리징후의 에지 프리징 높이(H)와 프리징 폭(W)간의 상관관계를 도시한 그래프.3 is a graph showing the correlation between the edge freezing height H and the freezing width W after freezing between the solder and the pad.

<도면의 주요 부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>

11: 기판12: 솔더 패드11: substrate 12: solder pad

13: 솔더13: solder

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the case where it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured, detailed description thereof will be omitted.

도 2a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 솔더 및 솔더 패드의 구조를 도시한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2a의 구조를 본딩처리 한 후의 상태를 도시한 도면으로써, 본 발명에 의한 솔더링 방법에서는 기존 기판(11)의 경우에 솔더(13)와 솔더 패드(12)의 면적비(솔더면적/솔더 패드의 면적)가 1 이하로 되어 있으나, 본 발명은 도 2a와 같이 솔더의 면적이 솔더(13)와반응하는 성분이 있는 솔더 패드(12) 면적보다 일정부분 만큼 크도록 형성된다.Figure 2a is a view showing the structure of a solder and solder pad according to an embodiment of the present invention, Figure 2b is a view showing a state after bonding the structure of Figure 2a according to a preferred embodiment of the present invention In the soldering method according to the present invention, the area ratio (solder area / solder pad area) of the solder 13 and the solder pad 12 is 1 or less in the case of the existing substrate 11, but the present invention is illustrated in FIG. 2A. As such, the area of the solder is formed to be larger than the area of the solder pad 12 having a component that reacts with the solder 13.

본딩의 질을 저하시키는 솔더(13)의 국부적인 프리징 현상(local freezing)은 솔더(13)의 조성과 온도, 솔더 성분이 전체적으로 일정한 합금형인지 혹은 높이에 따라 다른 성분 혹은 함량으로 구성되는 적층형인지에 따라 영향을 받게 되지만, 국부적인 프리징의 대부분은 도 1b와 같이 가장자리에서 집중적으로 나타나는 소위 에지 프리징 효과(Edge freezing Effect)가 주요한 원인이 된다. 이 효과의 많고 적음을 나타내기 위하여, 본 발명에서는 에지 프리징 폭(Edge freezing width) W와 프리징 높이(freezing height) H를 도입하였는데, 이것은 본딩 중 솔더(13)의 조성이 주변과 현저히 다르게 되어 주변부가 용융된 상태에서도 솔더(13)가 국부적으로 굳게 되는 솔더 영역의 폭 W와 높이 H로 정의한다. 일반적으로 freezing이 솔더(13)의 조성과 온도, 솔더 구조에 따라 달라지므로 프리징폭 W와 프리징 높이 H도 솔더(13)의 조성과 공정온도에 따라 달라질 수 있다.Local freezing of the solder 13, which degrades the quality of the bonding, is a laminated type composed of a composition or temperature of the solder 13 and a composition or content which is different depending on the height of the solder composition or the overall height of the solder component. Although it is influenced by the recognition, most of the local freezing is mainly caused by the so-called edge freezing effect that appears intensively at the edge as shown in FIG. In order to show more and less of this effect, the present invention introduces Edge freezing width W and freezing height H, which is significantly different from the surrounding composition of solder 13 during bonding. Therefore, it is defined as the width W and the height H of the solder region where the solder 13 is locally hardened even in the state where the peripheral portion is melted. In general, since freezing is dependent on the composition, temperature, and solder structure of the solder 13, the freezing width W and the freezing height H may also vary depending on the composition and the process temperature of the solder 13.

도 3은 솔더와 패드간의 프리징후의 에지 프리징 높이(H)와 프리징폭(W)간의 상관관계를 도시한 그래프로써, 솔더의 모서리와 솔더 패드 모서리간의 간격 W_S를 달리하면서, 공정온도를 310℃, 유지시간을 10분으로 할 때의 에지 프리징 높이(Edge freezing Height) H를 측정한 것이다. 도 3에서, W_S가 40㎛ 이상이 될 때 프리징 높이 H는 0.5㎛ 이하로 억제 됨을 알수 있으며, 이는 국부적인 프리징이 발생하지 않거나, 프리징시간이 매우 길어지게 됨을 의미한다.3 is a, the processing temperature, while varying the interval W _S between the solder edge the solder pad edges as a graph showing the correlation between the pre-indication of the edge freezing height (H) and pre-jingpok (W) between the solder and the pad Edge freezing height H at 310 degreeC and holding time for 10 minutes was measured. In FIG. 3, it can be seen that the freezing height H is suppressed to 0.5 μm or less when W _S is 40 μm or more, which means that no local freezing occurs or the freezing time becomes very long.

한편, 칩과 기판 간의 본딩이 이루어질 경우에는 AuSn 솔더와 결합하는 칩의패드에도 같은 원리를 적용하면 솔더가 본딩 공정 중에서 칩과 반응하면서 프리징 시간을 길게 함으로써 본딩 특성을 향상시킬 수 있음은 당업자에게 있어 자명하다 할 것이다.On the other hand, when bonding between the chip and the substrate is applied, if the same principle is applied to the pad of the chip that is combined with the AuSn solder, it is possible to improve the bonding characteristics by increasing the freezing time while the solder reacts with the chip during the bonding process. Will be self explanatory.

본 발명은 고정밀도 리플로 본딩공정을 적용하는데 많은 제약이 되어 왔었던 솔더의 프리징 효과(Freezing Effect(time))를 감소시켜 솔더와 솔더 패드간의 젖음과 본딩 특성을 크게 향상 시키고, 리플로 공정의 단점이었던 취약한 본딩특성(본딩강도 및 본딩면적 향상)이 개선되어 반도체/광소자에서 요구되는 정밀 리플로 본딩이 양상공정을 손쉽게 구현할 수 있는 효과가 있다.The present invention significantly reduces the freezing effect (time) of the solder, which has been limited to the application of the high precision reflow bonding process, and greatly improves the wetting and bonding properties between the solder and the solder pad, and the reflow process. Because of the weak bonding characteristics (bonding strength and bonding area improvement), which were disadvantages, the precision reflow bonding required in semiconductor / optical devices can easily implement the aspect process.

Claims

In the reflow soldering method for soldering a semiconductor device or an optical device by a predetermined solder on the solder pad of the substrate,

Reflow soldering method characterized in that the area of the solder is formed to be larger than the area of the solder pad to suppress the compositional change for each part of the solder during freezing.

The method of claim 1,

The distance between the edge of the solder pad and the edge of the solder is spaced apart by at least 10㎛.