KR20130006139A - 인쇄회로기판의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄회로기판의 제조방법은 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 준비하는 단계와, 상기 접속 패드에 표면처리층을 형성하는 단계와, 상기 표면처리층이 형성된 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 냉장처리하는 단계 및 냉장처리한 상기 베이스 기판의 접속 패드에 솔더 페이스트를 인쇄하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 인쇄회로기판의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 인쇄회로기판은 반도체 등과 같은 부품이 실장될 수 있도록 외부로 노출된 접속 패드를 구비한다.
상기 접속 패드는 보통 구리(Cu) 재질로 이루어지는데, 외부로 노출된 구리는 시간 경과에 따라 산화되고 부식될 수 있으므로, 손상되지 않도록 노출된 접속 패드 상에 표면처리층을 형성하고 있다.
현재 다양한 표면처리층 형성 방법이 존재하고 있는데, 그 중 무전해 도금법인 치환형 주석(Immersion Tin:IT) 도금 방법이 있다. 이는 주석(Sn)과 구리(Cu)의 산화/환원전위차를 이용한 무전해 주석 도금 방법으로 FCB 분야에서도 널리 사용되고 있다.
이와 같은 무전해 주석 도금 방법은 비용 측면에서는 금도금 방법에 비해 우수한 반면, 후공정인 솔더 범프 형성 시 솔더 범프가 접속 패드로부터 탈락하는 문제가 발생한다.
즉, 무전해 주석 도금에 의해 구리(Cu)로 이루어진 접속 패드 상에 주석(Sn) 도금이 되면, 도금 직 후 구리(Cu) 내 주석(Sn)의 고용도의 차이에 의해 구리/주석 계면에 Cu3Sn이라는 금속간 화합물(Intermetallic Compounds:이하 'IMC'라 한다)이 생성되며, 이렇게 생성된 금속간 화합물(IMC)은 공정진행 중 Cu6Sn5가 함께 성장을 하게 되어, 도 1과 같이 구리(Cu)/주석(Sn) 계면에 평균 약 0.68㎛ 정도의 두께를 갖는 금속간 화합물(Cu3Sn 및 Cu6Sn5)이 존재하게 된다.
이와 같이, 금속간 화합물(IMC)이 성장함에 따라 순수 주석(Sn)의 두께는 도금 직후에 비해, 도 1과 같이, 그 두께가 상대적으로 얇아지게 되고, 이에 따라 솔더 페이스트와 주석(Sn) 계면 사이의 젖음성(Wettability)이 악화되어 플럭스(flux)의 퍼짐성을 악화시키고 구리(Cu)와 솔더 페이스트간의 상호확산을 방해하여 리플로우 공정이 수행된 후에 접속 패드와 솔더 페이스트간의 불충분한 반응에 의해 솔더 범프 탈락과 같은 문제가 발생하는 것이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 측면은 구리(Cu)로 이루어진 접속 패드와 주석(Sn) 표면처리층의 계면에 금속간화합물의 성장을 억제할 수 있는 인쇄회로기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 접속 패드 상에 형성된 솔더 범프의 탈락을 방지할 수 있는 인쇄회로기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄회로기판의 제조방법은 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 준비하는 단계와, 상기 접속 패드에 표면처리층을 형성하는 단계와, 상기 표면처리층이 형성된 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 냉장처리하는 단계 및 냉장처리한 상기 베이스 기판의 접속 패드에 솔더 페이스트를 인쇄하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 접속 패드는 구리(Cu)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 표면처리층을 형성하는 단계는 무전해 주석 도금 공정에 의해 수행될 수 있다.
여기에서, 상기 베이스 기판을 냉장처리하는 단계는 1시간 내지 2시간 동안 수행될 수 있으며, 0℃ 내지 5℃에서 수행될 수 있다.
이때, 상기 솔더 페이스트는 Sn-Pb계, Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu 중 어느 하나일 수 있다.
상기 솔더 페이스트를 인쇄하는 단계 이후에 상기 솔더 페이스트를 리플로우하여 솔더범프를 형성하는 단계 및 상기 솔더범프 표면에 잔재하는 플럭스(flux)를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 베이스 기판을 준비하는 단계는 접속 패드를 포함하는 최외층 회로가 형성된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판상에 솔더 레지스트층을 형성하는 단계 및 상기 솔더 레지스트층에 상기 접속 패드를 노출시키는 오픈부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 구리(Cu)로 이루어진 접속 패드 상에 무전해 주석 도금 공정을 수행하여 표면처리층을 형성한 후 일정시간 냉장처리함으로써, 접속 패드와 표면처리층 계면에 금속간 화합물이 성장하는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 접속 패드와 표면처리층 계면에 금속간 화합물이 성장하는 것을 억제함으로써, 접속 패드 상에 형성된 솔더 범프가 접속 패드로부터 탈락되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같이, 접속 패드로부터의 솔더 범프 탈락을 방지함으로써, 제품 불량 및 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 형성된 인쇄회로기판의 접속 패드(Cu)와 표면처리층(Sn) 계면에 금속간 화합물(IMC)이 성장한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄회로기판의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조방법으로 형성된 인쇄회로기판의 접속 패드(Cu)와 표면처리층(Sn)의 계면 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 공정 조건(온도)별 금속간 화합물(IMC)의 성장 두께를 나타내는 그래프이다.
도 5는 공정 조건(온도)별 금속간 화합물(IMC) 두께의 산포도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄회로기판의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조방법으로 형성된 인쇄회로기판의 접속 패드(Cu)와 표면처리층(Sn)의 계면 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 공정 조건(온도)별 금속간 화합물(IMC)의 성장 두께를 나타내는 그래프이다.
도 5는 공정 조건(온도)별 금속간 화합물(IMC) 두께의 산포도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인쇄회로기판의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
우선, 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 준비한다(S201).
본 실시 예에 따르면, 상기 베이스 기판을 준비하는 단계는 상기 접속 패드를 포함하는 최외층 회로가 형성된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판상에 솔더 레지스트층을 형성하는 단계 및 상기 솔더 레지스트층에 오픈부를 형성하여 상기 접속 패드를 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 오픈부는 노광 및 현상을 포함하는 포토리소그라피 공법 또는 레이저 공법에 의해 형성될 수 있다.
상기 베이스 기판은 절연층에 접속 패드를 포함하는 1층 이상의 회로가 형성된 회로기판으로서 바람직하게는 인쇄회로기판일 수 있다.
상기 절연층으로는 수지 절연층이 사용될 수 있다. 상기 수지 절연층으로는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들에 유리 섬유 또는 무기 필러와 같은 보강재가 함침된 수지, 예를 들어, 프리프레그가 사용될 수 있고, 또한 열경화성 수지 및/또는 광경화성 수지 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 접속 패드를 포함하는 회로는 회로기판 분야에서 회로용 전도성 금속으로 사용되는 것이라면 제한 없이 적용 가능하며, 인쇄회로기판에서는 구리를 사용하는 것이 전형적이다.
상기 솔더 레지스트층은 상기 인쇄회로기판의 최외층 회로를 보호하는 보호층 기능을 하며, 전기적 절연을 위해 형성되는 것으로서, 최외층의 상기 접속 패드를 노출시키기 위해 오픈부가 형성된다. 상기 솔더 레지스트층을 이루는 솔더 레지스트는 당업계에 공지된 바에 따라, 예를 들어, 솔더 레지스트 잉크, 솔더 레지스트 필름 또는 캡슐화제 등으로 구성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
다음, 상기 접속 패드에 표면처리층을 형성한다(S203).
상기 표면처리층 형성 방법은 일반적으로 전해 금도금(Electro Gold Plating), 무전해 금도금(Immersion Gold Plating), OSP(Organic Solderability Preservative) 또는 무전해 주석도금(Immersion Tin Plating), 무전해 은도금(Immersion Silver Plating), ENIG(Electroless Nickel and Immersion Gold;무전해 니켈도금/치환금도금), DIG 도금(Direct Immersion Gold Plating), HASL(Hot Air Solder Levelling) 등으로 나뉠 수 있는데, 본 실시 예에서는 무전해 주석도금(Immersion Tin Plating) 공정을 이용하여 수행하였다.
다음, 상기 접속 패드 상에 표면처리층 예를 들어, 주석 도금층이 형성된 베이스 기판을 냉장처리한다(S205).
이때, 상기 냉장처리는 상기 베이스 기판을 저온 상태로 보관할 수 있는 장비에 일정 시간 동안 보관함으로써 수행될 수 있다.
본 실시 예에서는 상기 베이스 기판을 0℃ ~ 5℃에서 약 1시간 내지 2시간 동안 냉장처리하였다.
실제 인쇄회로기판 제조 공정 중에는 베이스 기판의 접속 패드 상에 표면처리층을 형성한 직후 바로 솔더 범프를 형성하는 공정을 수행하지 못하는 재공 정체 현상이 빈번히 발생한다.
이와 같은 재공 정체로 인하여 상기 표면처리층 형성 후 솔더 범프가 형성되지 않은 상태로 시간이 경과함에 따라, 접속 패드와 표면처리층의 계면에 생성된 구리(Cu)와 주석(Sn)간의 금속간 화합물(IMC)인 Cu3Sn이 Cu6Sn5로 성장하게 되는데, 상술한 바와 같은 온도 및 시간 조건에서 표면처리층이 형성된 베이스 기판을 냉장처리하게 되면, 후속 공정인 솔더 범프 형성 공정이 수행될 때까지 접속 패드와 표면처리층의 계면에 금속간 화합물(IMC)이 성장하는 것을 억제할 수 있다.
상기 베이스 기판에 상술한 조건 예를 들어, 0℃ ~ 5℃에서 약 1시간 내지 2시간 가량 냉장처리 공정을 수행한 후의 일정 기간(본 실시 예에서는 1주일 적용)이 경과한 후의 상태를 도 3에 나타내었는데, 도 3을 살펴보면 Cu로 이루어진 접속 패드와 주석(Sn) 도금층인 표면처리층의 계면에 금속간 화합물(IMC)이 거의 성장하지 않았음을 확인할 수 있다.
다음, 냉장처리한 상기 베이스 기판의 접속 패드에 솔더 페이스트를 인쇄한다(S207).
여기에서, 상기 솔더 페이스트 인쇄는 일반적으로 상기 접속 패드와 대응되는 위치에 개구부가 형성된 마스크를 상기 베이스 기판상에 배치하고 스퀴지(squeegee)를 이용하여 상기 개구부 내로 솔더 페이스트를 충진하는 방법을 사용할 수 있지만, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 솔더 페이스트는 솔더 입자 성분과 그 입자 성분들을 결합해 주는 플럭스(flux) 성분이 각각 50%로 구성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 솔더 페이스트로는 Sn-Pb계, Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu 중 어느 하나를 사용할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
다음, 상기 솔더 페이스트를 리플로우하여 솔더 범프를 형성한다(S209).
상기 리플로우는 솔더 페이스트를 용융시켜 상기 접속 패드 상에 부착시키기 위한 공정으로, 상기 솔더 페이스트 인쇄를 위해 베이스 기판상에 배치시켰던 마스크를 제거한 다음 수행되며, 일반적으로, 최대온도가 200 ~ 300℃로 수행될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 솔더 페이스트의 함유 성분에 따라 리플로우 온도는 달라질 수 있다.
이때, 리플로우 시 상기 솔더 페이스트에 혼합된 플럭스(flux) 성분 대부분은 휘발되는데, 일부는 휘발되지 않고 솔더 범프에 잔존할 수 있으므로, 솔더 범프 및 접속 패드에 잔존하는 플럭스(flux)를 세정하여 제거하는 디플럭스 공정을 더 수행할 수 있다.
아래의 <표1>은 구리(Cu)로 이루어진 접속 패드 상에 무전해 주석 도금 공정을 수행하여 표면처리층을 형성하고, 0℃, 3℃, 5℃에서 한 시간 동안 냉장처리한 각각의 베이스 기판과 냉장처리를 하지 않은 베이스 기판의 솔더 범프 탈락률을 비교한 실험 데이터를 나타낸다.
여기에서, 상기 냉장처리를 한 베이스 기판과 냉장처리를 하지 않은 베이스 기판을 일정 기간(본 실시 예에서는 일주일 적용)이 경과한 다음, 각 베이스 기판의 접속 패드에 솔더 범프를 형성하였다.
| 순번 | 냉장처리시간 | 공정조건(온도) | 솔더 범프 탈락률(%) |
| 1 | 수행안함 | 25℃ ~ 30℃ | 11.4% |
| 2 | 1시간 | 0℃ | 1.9% |
| 3 | 1시간 | 3℃ | 2.2% |
| 4 | 1시간 | 5℃ | 2.1% |
상기 <표1>에 나타낸 바와 같이, 0℃ ~ 5℃에서 1시간 가량 냉장처리를 한 베이스 기판의 접속 패드 상에 형성된 솔더 범프가 접속 패드로부터 탈락되는 탈락률은 냉장처리를 하지 않은 베이스 기판에 형성된 솔더 범프의 탈락률보다 현저히 낮음을 알 수 있다.
또한, 0℃, 3℃, 5℃에서 한 시간 동안 냉장처리한 각각의 베이스 기판과 냉장처리를 하지 않은 베이스 기판의 접속 패드와 표면처리층의 계면에 형성된 금속간 화합물(IMC)의 두께와 냉장처리 수행 여부 및 냉장처리 온도와의 상관관계를 도 4에 그래프로 나타내었다.
도 4에서 X축은 0℃, 3℃, 5℃에서 냉장처리를 수행하였을 경우와 냉장처리를 수행하지 않은 경우를 나타내고, Y축은 접속 패드(Cu)와 표면처리층(Sn)간의 계면에 생성된 금속간 화합물(IMC)의 두께를 나타낸다.
도 4를 살펴보면, 0℃에서 냉장처리를 수행한 다수의 베이스 기판의 접속 패드와 표면처리층의 계면에 생성된 금속간 화합물(IMC)의 두께를 측정한 값이 다수의 점으로 표시되어 있고, 마찬가지로, 3℃ 및 5℃에서 냉장처리를 수행한 다수의 베이스 기판에 생성된 금속간 화합물(IMC) 및 냉장처리를 수행하지 않은 다수의 베이스 기판에 생성된 금속간 화합물(IMC)의 두께를 측정한 값들이 다수의 점으로 표시되어 있다.
여기에서, 중앙의 네모 박스 표시는 측정된 값들이 분포되어 있는 범위를 나타내고, 중앙 네모 박스 상하부의 'ㅡ'표시는 측정된 최대 두께와 최소 두께를 나타낸다.
이 최대 두께에 대한 값과, 최소 두께에 대한 값을 제외한 나머지 값들의 표준편차를 구하여 각 공정조건(온도)별로 생성된 금속간 화합물(IMC) 두께의 산포도를 도 5에 그래프로 나타내었다.
도 5를 살펴보면, 0℃에서 냉장처리를 수행한 다수의 베이스 기판에 생성된 금속간 화합물(IMC) 두께의 산포도는 대략 0.036이고, 3℃에서는 대략 0.041, 5℃에서는 대략 0.058, 냉장처리를 수행하지 않은 베이스 기판에서는 대략 0.101이었다.
여기에서, 냉장처리를 한 베이스 기판에서 생성된 금속간 화합물(IMC)의 두께가 냉장처리를 수행하지 않은 베이스 기판에서 생성된 금속간 화합물(IMC)의 두께보다 상대적으로 균일함을 알 수 있다.
이와 같이, 베이스 기판의 접속 패드 상에 표면처리층을 형성한 다음, 상기 베이스 기판을 일정 온도에서 일정 시간 동안 냉장처리함으로써, 접속 패드와 표면처리층의 계면에 금속간 화합물(IMC)이 성장하는 것을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속간 화합물(IMC)의 성장이 억제됨에 따라, 표면처리층인 순수 주석(Sn)의 두께가 얇아지는 것을 방지하여 표면처리층 상에서 솔더 페이스트 및 플럭스(flux)의 퍼짐성이 향상되고, 또한, 접속 패드(Cu)와 솔더 페이스트 간의 상호확산을 원활하게 하여 리플로우 후 솔더 범프가 접속 패드로부터 탈락하는 것을 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
Sn : 주석 Cu : 구리
IMC : 금속간 화합물
IMC : 금속간 화합물
Claims (8)
- 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 준비하는 단계;
상기 접속 패드에 표면처리층을 형성하는 단계;
상기 표면처리층이 형성된 접속 패드를 갖는 베이스 기판을 냉장처리하는 단계; 및
냉장처리한 상기 베이스 기판의 접속 패드에 솔더 페이스트를 인쇄하는 단계
를 포함하는 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 접속 패드는 구리(Cu)로 이루어진 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 표면처리층을 형성하는 단계는 무전해 주석 도금 공정에 의해 수행되는 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 베이스 기판을 냉장처리하는 단계는 1시간 내지 2시간 동안 수행되는 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 베이스 기판을 냉장처리하는 단계는 0℃ 내지 5℃에서 수행되는 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 솔더 페이스트는 Sn-Pb계, Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu 중 어느 하나인 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 솔더 페이스트를 인쇄하는 단계 이후에,
상기 솔더 페이스트를 리플로우하여 솔더범프를 형성하는 단계; 및
상기 솔더범프 표면에 잔재하는 플럭스(flux)를 제거하는 단계
를 더 포함하는 인쇄회로기판의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 베이스 기판을 준비하는 단계는,
접속 패드를 포함하는 최외층 회로가 형성된 기판을 준비하는 단계;
상기 기판상에 솔더 레지스트층을 형성하는 단계; 및
상기 솔더 레지스트층에 상기 접속 패드를 노출시키는 오픈부를 형성하는 단계
를 포함하는 인쇄회로기판의 제조방법.
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