[논문]대기압 플라즈마 설비 개발 및 Flip Chip BGA 제조공정 적용

이기석; 유선중

문제 정의

4의 제조공정 상에서 플럭스프린팅 전에 대기압 플라즈마 설비로 기판 표면을 처리하는 공정을 도입하였다. 대기압 플라즈마로 기판을 처리함으로써 기판 표면의 성질을 소수성에서 친수성으로 전환 시키고자 한 것이다. 처리 결과를 평가 하기 위하여 (1) 접촉각 및 표면에너지 평가, (2) ToFSIMS 표면분석 및 (3) 플럭스 도포 및 칩부착상태 평가의 3가지 항목으로 구분하여 실험을 수행 하였다.
본 연구에서는 PCB의 한가지 종류인 flip chip BGA 제조공정에 있어서 기판 표면의 친수성을 확보하고자 대기압 플라즈마 설비를 개발 및 제조공정에 도입하여 성능을 평가하였다. 기존에 일반적으로 사용되는 DBD 방식의 대기압 플라즈마 전극은 flip chip BGA 기판 처리에 사용될 수 없었는데, 이는 기판 표면에 도전체가 존재하여 쉽게 아킹에 의한 기판 손상이 발생하기 때문이다.
본 연구에서는 flip chip BGA 제조공정에 대기압 플라즈마를 적용하기 위하여 아킹이 발생하기 쉬운 기존의 DBD 방식의 전극 구조를 개선한 리모트 DBD 방식의 전극을 개발하였다. 개발된 전극은 flip chip BGA 제조공정에서 발생한 플럭스 도포 불균일 문제를 해결하기 위하여 제조공정에 도입되었다.
본 연구에서는 위와 같은 DBD 방식의 한계를 극복하기 위하여 리모트(remote) 방식의 전극 구조를 개발하였다. Fig.
개발된 전극은 flip chip BGA 제조공정에서 발생한 플럭스 도포 불균일 문제를 해결하기 위하여 제조공정에 도입되었다. 이는 대기압 플라즈마 처리를 진행하여 소수성인 기판 표면 성질을 친수성으로 전환 시켜 플럭스 도포를 균일하게 하고자 하는 목적이다. 제조공정에 도입된 대기압 플라즈마의 성능은 접촉각(contact angle) 및 표면에너지(surface energy) 측정, ToF-SIMS 표면분석, 플럭스 도포 및 칩부착상태 평가의 3가지 항목으로 구분하여 평가 하였다.

제안 방법

전극은 바형태로서 폭은 flip chip BGA 기판의 크기(500×600 mm)를 고려하여 600 mm로 설계 되었다. 공정 가스로는 N2를 주성분으로 하여 대기 중 O2를 미량 혼합하는 방식을 사용하였다. Fig.
마지막으로 Table 2의 제조공정상에서 플럭스프린팅 공정후 칩 부착 공정을 진행하였다. 대기압 플라즈마로 처리한 기판과 처리하지 않은 기판을 구분하여 칩부착 공정을 진행 한 후 칩이 정상적으로 기판에 부착되지 못하는 비율을 측정하였다. 측정 결과 대기압 플라즈마 처리를 하지 않고 플럭스프린팅 및 칩부착공정을 진행한 경우 6~9%의 비율로 칩이 기판에 부착되지 못하였다.
본 연구에서는 이상과 같은 플럭스 도포 불균일 문제를 해결하기 위하여 Fig. 4의 제조공정 상에서 플럭스프린팅 전에 대기압 플라즈마 설비로 기판 표면을 처리하는 공정을 도입하였다. 대기압 플라즈마로 기판을 처리함으로써 기판 표면의 성질을 소수성에서 친수성으로 전환 시키고자 한 것이다.
대기압 플라즈마 처리 직후 기판 표면의 조성 변화를 측정하기 위하여 ToF-SIMS 표면분석을 진행 하였다. 분석은 대기압 플라즈마 처리 직전기판의 일정 부위를 추출하여 ToF-SIMS 분석을 진행 한 후 나머지 기판 부위를 대기압 플라즈마 처리하여 다시 한번 ToF-SIMS 측정을 진행하는 것으로 하였다. Fig.
레그 1~10은 플럭스프린팅 공정 전에 대기압 플라즈마 처리를 진행 하였다. 비교를 위하여 레그 11은 플라즈마 처리를 진행하지 않고 접촉각 및 표면에너지를 측정 하였다.
기존에 일반적으로 사용되는 DBD 방식의 대기압 플라즈마 전극은 flip chip BGA 기판 처리에 사용될 수 없었는데, 이는 기판 표면에 도전체가 존재하여 쉽게 아킹에 의한 기판 손상이 발생하기 때문이다. 이를 해결하기 위하여 리모트 방식의 대기압 플라즈마 전극을 개발하였다. 리모트 방식의 전극은 전극 내부에서 플라즈마를 생성한 후 기체의 흐름을 이용하여 전극 외부로 플라즈마를 이동시켜 기판을 처리하는 방법이다.
이상과 같이 추정한 메커니즘의 타당성을 확인하기 위하여 리플로우 공정 직전의 flip chip BGA 기판의 솔더리지스트 층에 대한 표면 분석을 ToF-SIMS(timeof-flight secondary ion mass spectrometry) 측정 장비를 활용하여 진행 하였다. Fig.
9는 대기압 플라즈마 처리 직후 flip chip BGA 기판 솔더리지스트면의 접촉각을 Table 1의 레그별로 측정한 결과이다. 접촉각 측정은 기판 전면의 9개 위치를 선택하여 측정하는 것으로 하였으며 각 레그당 5장의 기판에 대하여 측정을 진행하였다. 접촉각은 처리 전 평균 65°에서 처리 후 47°로 28% 감소하였다.
제조공정에 도입된 대기압 플라즈마 설비의 성능을 평가하기 위하여 먼저 접촉각 및 표면에너지 측정을 진행하였다. 대기압 플라즈마 처리를 진행한 경우 기판 표면 접촉각이 처리 전 평균 65°에서 처리 후 47°로 감소하였다.
이는 대기압 플라즈마 처리를 진행하여 소수성인 기판 표면 성질을 친수성으로 전환 시켜 플럭스 도포를 균일하게 하고자 하는 목적이다. 제조공정에 도입된 대기압 플라즈마의 성능은 접촉각(contact angle) 및 표면에너지(surface energy) 측정, ToF-SIMS 표면분석, 플럭스 도포 및 칩부착상태 평가의 3가지 항목으로 구분하여 평가 하였다.
대기압 플라즈마로 기판을 처리함으로써 기판 표면의 성질을 소수성에서 친수성으로 전환 시키고자 한 것이다. 처리 결과를 평가 하기 위하여 (1) 접촉각 및 표면에너지 평가, (2) ToFSIMS 표면분석 및 (3) 플럭스 도포 및 칩부착상태 평가의 3가지 항목으로 구분하여 실험을 수행 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 flip chip BGA 제조공정에 대기압 플라즈마를 적용하기 위하여 아킹이 발생하기 쉬운 기존의 DBD 방식의 전극 구조를 개선한 리모트 DBD 방식의 전극을 개발하였다. 개발된 전극은 flip chip BGA 제조공정에서 발생한 플럭스 도포 불균일 문제를 해결하기 위하여 제조공정에 도입되었다. 이는 대기압 플라즈마 처리를 진행하여 소수성인 기판 표면 성질을 친수성으로 전환 시켜 플럭스 도포를 균일하게 하고자 하는 목적이다.
본 연구에서 다루고자 하는 대상 제품은 PCB(Printed Circuit Board)의 일종인 flip chip BGA 로서, CPU 등 고속으로 동작하는 반도체칩의 패키징 공정에 사용되는 부품이다. flip chip BGA 제조공정은 반도체, 디스플레이와 유사하게 구성되어 있으나, 최근까지 플라즈마 설비를 flip chip BGA 제조공정에 적용한 사례는 드물다.
본 연구에서 대기압 플라즈마를 적용한 공정은 플럭스프린팅 공정이다. 플럭스프린팅 공정의 중요한 요구 조건은 flip chip BGA 기판 표면에 도포되는 플럭스가 기판 전면에 균일하게 도포되어야 한다는 것이다.
전극은 바형태로서 폭은 flip chip BGA 기판의 크기(500×600 mm)를 고려하여 600 mm로 설계 되었다.

데이터처리

대기압 플라즈마 처리 직후 기판 표면의 조성 변화를 측정하기 위하여 ToF-SIMS 표면분석을 진행 하였다. 분석은 대기압 플라즈마 처리 직전기판의 일정 부위를 추출하여 ToF-SIMS 분석을 진행 한 후 나머지 기판 부위를 대기압 플라즈마 처리하여 다시 한번 ToF-SIMS 측정을 진행하는 것으로 하였다.

성능/효과

표면에너지는 평균 처리 전 47 dyne/cm에서 처리 후 82 dyne/cm로 74% 증가 하였다. 각 레그 별 증감률은 차이가 있으나 모든 레그에 대하여 표면에너지가 크게 향상된 결과를 확인할 수 있다. 이로써 대기압 플라즈마 처리 직후 접촉각및 표면에너지로 측정된 기판 표면의 친수성 정도가 향상된 것을 확인 할 수 있었다.
접촉각은 처리 전 평균 65°에서 처리 후 47°로 28% 감소하였다. 감소 경향은 레그의 종류에 상관없이 대기압플라즈마를 처리하지 않은 레그 11에 비하여 크게 감소 하였음을 확인 할 수 있다.
11은 ToF-SIMS 분석 결과이다. 대기압 플라즈마 처리 결과 flip chip BGA 기판 표면의 SiC₃H₉⁺ 또는 Si₂OC₅H₁₅⁺ 등 소수성인 Si 계 유기물 이온의 양이 크게 감소하였다. 이로부터 대기압 플라즈마 처리 결과 표면이 소수성에서 친수성 특징으로 개질된 것을 알 수 있다.
한편, flip chip BGA 기판의 표면은 Si 계 유기물의 영향으로 소수성을 띠게 되는데 이로 인해 액상 플럭스 도포 상태가 기판 전면에 균일하게 이루어 지지 못하였다. 본 연구에서는 플럭스프린트 전단계에서 기판 표면을 대기압 플라즈마 처리 함으로써 소수성인 표면을 친수성으로 개질 할 수 있었다. 이에 따라 플럭스프린팅 공정에서 액상 플럭스가 기판 전면에 균일하게 도포되었으며 칩부착공정에서의 칩이탈비율도 개선할 수 있었다.
각 레그 별 증감률은 차이가 있으나 모든 레그에 대하여 표면에너지가 크게 향상된 결과를 확인할 수 있다. 이로써 대기압 플라즈마 처리 직후 접촉각및 표면에너지로 측정된 기판 표면의 친수성 정도가 향상된 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 플럭스프린트 전단계에서 기판 표면을 대기압 플라즈마 처리 함으로써 소수성인 표면을 친수성으로 개질 할 수 있었다. 이에 따라 플럭스프린팅 공정에서 액상 플럭스가 기판 전면에 균일하게 도포되었으며 칩부착공정에서의 칩이탈비율도 개선할 수 있었다.
대기압 플라즈마로 처리한 기판과 처리하지 않은 기판을 구분하여 칩부착 공정을 진행 한 후 칩이 정상적으로 기판에 부착되지 못하는 비율을 측정하였다. 측정 결과 대기압 플라즈마 처리를 하지 않고 플럭스프린팅 및 칩부착공정을 진행한 경우 6~9%의 비율로 칩이 기판에 부착되지 못하였다. 이에 반하여 대기압 플라즈마로 처리한 경우 이 비율은 0.
ToF-SIMS는 기판 표면에 1차 이온을 입사 시킨 후 표면에서 방출되는 2차 이온의 질량을 측정함으로써 표면화학조성을 분석하는 방법이다. 측정 결과 플럭스프린트 전 단계에서 솔더리지스트 층의 SiC₃H₉⁺또는 Si₂OC₅H₁₅⁺ 이온피크의 강도가 기판별로 큰 차이를 보임을 확인할 수 있었다. 이로부터 이온피크의 강도가 특별히 높은 기판의 경우 그 표면이 소수성 특징을 나타내게 될 확률이 높고 따라서 후속 공정인 플럭스프린팅 공정에서의 액상 플럭스 도포 불균일 문제를 발생시킬 수 있다고 판단 된다.
또한 기판 표면에너지도 처리 전 47 dyne/ cm에서 처리 후 82 dyne/cm로 증가 하였다. 한편 대기압 플라즈마 처리 전후 기판 표면조성에 대하여 ToFSIMS 측정을 진행 결과, 대기압 플라즈마 처리에 의해 소수성의 특징을 나타내는 Si 계 유기물 이온의 농도가 감소된 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

이상과 같이 본 연구의 의의는 대기압 플라즈마 설비를 flip chip BGA 제조공정에 성공적으로 최초 적용한 것에 있다. 향후 대기압 플라즈마 설비는 플럭스프린팅 공정 이외에 유기물 제거 등 다양한 공정으로 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.
이상과 같이 본 연구의 의의는 대기압 플라즈마 설비를 flip chip BGA 제조공정에 성공적으로 최초 적용한 것에 있다. 향후 대기압 플라즈마 설비는 플럭스프린팅 공정 이외에 유기물 제거 등 다양한 공정으로 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마 설비는 무엇을 담당하고 있는가?	플라즈마 설비는 서브 미크론 이하의 회로 형성이 필요한 반도체, 디스플레이 제조의 핵심 공정을 담당하고 있다. 제조공정 상 플라즈마의 다음과 같은 이점은 널리 알려져 있다.
	제조공정 상 플라즈마의 이점은?	제조공정 상 플라즈마의 다음과 같은 이점은 널리 알려져 있다. 고밀도의 반응성 높은 입자 생성을 할 수 있으며, 이를 이용하여 고속으로 박막을 증착하거나 에칭하는 것이 용이하다. 플라즈마의 온도는 보통 150℃ 이하로 유지되므로 열에 민감한 실리콘 또는 유리 기판의 열손상을 최소화할 수 있다. 특히, 균일한 입자 밀도를 가지는 글로우 방전 상태를 형성함으로써 대면적 기판을 양산성 있게 처리할 수 있다. 현재, 반도체 또는 디스플레이 제조공정에서는 플라즈마를 이용하여 직경 300 mm 실리콘 웨이퍼 또는 2,300×2,600 mm 이상의 유리 기판 상에 회로를 형성하여 양산을 진행하고 있다.
	대기압 플라즈마의 장점은?	대기압 플라즈마는 진공을 이용하지 않고 대기압하에서 플라즈마를 발생시키는 방식으로 고가의 진공 장치를 사용하지 않아도 되는 장점을 가지고 있어 일찍부터 이를 반도체, 디스플레이 제조공정에 응용하려는 시도가 진행되어 왔다. 그러나, 진공을 사용하지 않고 대기압하에서 플라즈마를 안정적으로 형성하기에는 기술적으로 여러 가지 어려운점이 존재한다.

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