Low Temperature bonding Technology for Electronic Packaging

Abstract

Recently, flip chip interconnection has been increasingly used in microelectronic assemblies. The common Flip chip interconnection is formed by reflow of the solder bumps. Lead-Tin solders and Tin-based solders are most widely used for the solder bump materials. However, the flip chip interconnection using these solder materials cannot be applied to temperature-sensitive components since solder reflow is performed at relatively high temperature. Therefore the development of low temperature bonding technologies is required in these applications. A few bonding techniques at low temperature of 150 o C or below have been reported. They include the reflow soldering using low melting point solder bumps, the transient liquid phase bonding by inter-diffusion between two solders, and the bonding using low temperature curable adhesive. This paper reviews various low temperature bonding methods. Keywords: Low temperature bonding, flip chip bonding 1. 서 론 현재 많은 연구가 진행되고 있는 플립칩 기술(Flip chip technology)은 현대사회 전자제품의 다기능, 소형화 및 고 성능이 요구됨에 따라 전자패키징 산업의 필수적인 기술 이 되었다. 플립칩접합 기술이란 칩에 범프를 형성한 후, 이를 뒤집어 기판에 여러가지 방법을 통하여 실장하는 기 술로 고밀도 실장이 가능하며, 경로가 짧아 전기적 특성 이 우수하다는 등 여러가지 장점이 있어, 반도체소자 및 전자 부품의 접합에 적용되고 있다. 1) 이 중에서 가장 보 편적으로 사용되고 있는 접합 방법은 솔더 범프의 용융 을 이용한 접합방법이며, 이때 흔히 사용되는 솔더 재료 로는 Pb-95Sn(융점: 305-315 o C), 37Pb-63Sn(융점: 183 o C), Sn-3.5Ag(융점: 221 o C) solder 등이 있다. 하지만, 이러한 솔더를 용융시켜 접합을 하기 위해서는 솔더의 융점이상 으로 온도를 올려야 하므로, 적어도 200~350 o C이상의 온 도에서 접합공정이 수행되어야 한다. 2) 그러나 온도에 민 감한 재료가 포함되어 있는 액정표시장치(liquid crystal display, LCD), 유기물 기반 트랜지스터(organic-based transistor), 영상센서(image sensor)와 같은 응용 분야에 적 용하기 위해서는 저온에서 공정이 이루어져야 한다. 2-5) 또, 최근 들어 단단한 실리콘이나 유리 기판을 대신하여 잘 휘 어지는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate)과 같은 플라스틱 재질의 기판으로 교체하려 는 움직임이 일어나고 있다. 6) 이러한 플라스틱 재질의 기 판을 사용하게 되는 경우에 저온에서 접합공정이 수행되 어야 한다. 특히 PET의 경우 유리천이 온도가 약 75 o C이 므로, 공정온도에 매우 민감하다. 따라서 이와 같이 온도 에 민감한 재료가 포함되어 있는 분야에 적용하기 위해 저온 공정, 특히 150 o C이하에서의 접합 공정에 대한 연 구가 많이 진행되고 있다. 대표적인 저온 접합 방법으로 150 o C이하의 융점을 가지는 솔더를 용융시켜 접합하는 방법과, 두 종류의 솔더간 상호확산에 의한 접합 방법, 저 온에서 경화되는 접착제를 이용한 접합 방법 등이 보고 되고 있다. 여기서는 지금까지 개발된 저온 접합 공정들 에 대해 그 종류와 특성을 정리하였다. 2. 150 o C 이하의 융점을 가지는 솔더를 용융시켜 접합하는 방법 솔더를 용융시켜 접합하는 방법은 일반적으로 인쇄법 (printing), 열증착법(thermal evaporation), 도금법(plating) 등의 방법으로 솔더 범프를 기판 위에 형성한 후, 열을 가 하여 솔더를 용융시키고 용융된 솔더가 기판의 금속 패드 와 반응하여 기판과 전기적으로 연결을 하는 방법이다. 7) 이 때 결합은 금속결합을 이루어지기 때문에 전기적, 기 계적으로 매우 우수한 장점이 있다. 또, 칩의 범프와 기 판의 패드 사이의 정렬오차가 다소 발생하여도 용융한 솔 더의 표면장력에 의한 자가 정렬(Self Alignment) 효과가 있으므로 극미세피치 접합에 적합하다. 그러나, 기판쪽에 †