KR100823433B1 - 땜납 조성물 및 이것을 이용한 범프 형성 방법 - Google Patents

Abstract

기판 상에의 범프 형성에 맞추어, 도포 공정을 간략화할 수 있는 땜납 조성물을 제공한다.

액상체(12)와 땜납 입자(11)와의 혼합물로 이루어지는 땜납 조성물(10)이며, 액상체(12)는, 산화막을 제거하는 반응 온도가 상기 땜납 입자의 융점 근방인 유기산으로 이루어지는 플럭스 성분을 함유하고, 상온에서 유동해서 기판(20)에 층상으로 퇴적하는 점성을 구비하고 있다. 땜납 입자(11)는, 액상체(12) 속을 땜납 모재를 향해서 침강하는 동시에, 액상체(12) 속에 균일하게 분산 가능한 혼합비 및 입자 직경을 갖는 입제(粒劑)이다. 이러한 땜납 조성물을 패드 전극(22)을 구비한 기판(20) 상에 도포·가열함으로써 플럭스 성분과의 반응으로 표면 산화막이 제거된 패드 전극(22)에 대하여 땜납 입자(11)가 부착해, 모재 상에 형성된 땜납 피막과 땜납 입자(11)와의 납땜이 촉진되는 한편, 땜납 입자(11)끼리의 합체는 플럭스 성분의 반응 생성물로 저해되어, 브리지가 없는 땜납 범프(23)가 형성된다.

Description

땜납 조성물 및 이것을 이용한 범프 형성 방법{SOLDER COMPOSITION AND METHOD OF BUMP FORMATION THEREWITH}

본 발명은, 예를 들면 반도체 기판이나 인터포저 기판(interposer substrate) 위에 돌기(突起) 형상의 땜납 범프(bump)를 형성해서 FC(flip chip)나 BGA(ball grid array)를 제조할 때에 이용되는 땜납 조성물, 및 이것을 이용한 범프 형성 방법에 관한 것이다.

종래의 일반적인 땜납 범프의 형성 방법은, 스크린 인쇄법이나 디스펜스법(dispensing method) 등을 이용해서 기판의 패드 전극(pad electrode) 상에 땜납 페이스트(solder paste)를 도포하고, 이 땜납 페이스트를 가열해서 리플로(reflow)한다고 하는 것이었다. 또한, 땜납 페이스트는 「크림 땜납」이라고도 불린다.

한편, 특허 문헌 1에는, 특수한 땜납 분말과 플럭스(flux)와의 혼합물로 이루어지는 땜납 페이스트가 기재되어 있다. 이 땜납 분말은, 땜납 입자를 공기 중으로 유동시킴으로써, 땜납 입자의 표면에 산화막(膜)을 형성한 것이다. 이 강제적으로 형성한 산화막은, 리플로 시에 플럭스의 작용에 저항해서, 땜납 입자끼리의 합체(合體)를 억제하는 활동을 한다고 한다. 그 때문에, 이 땜납 페이스트를 기판 위에 전체적으로 도포해서 리플로하면, 패드 전극 간에서 땜납 브리지(solder bridge)가 발생하기 어려워지므로, 패드 전극의 고밀도화 및 미세화에 적합하다고 하는 것이다. 또한, 패드 전극 간의 땜납 브리지는, 땜납 입자끼리가 합체해 큰 덩어리가 되어서, 인접하는 패드 전극의 양쪽에 접해버리기 때문에 일어난다.

(특허 문헌 1)

일본국 특개2000-94179호 공보

(발명이 해결하려고 하는 과제)

이와 같이, 종래의 땜납 범프의 형성에는, 땜납 페이스트를 이용하고 있었다. 그러나, 땜납 페이스트에는, 다음과 같은 문제가 있었다.

(1) 땜납 페이스트를 기판 위에 도포하기 위해서는, 인쇄기나 토출기(吐出機) 등의 설비를 필요로 하고, 또한 정확한 위치에 인쇄 또는 토출하기 위한 시간 및 수고가 소요되고 있었다. 가령 전체 도포에 의해 정밀한 마스크가 불필요해도, 스퀴지(squeegee)나 닥터 블레이드(doctor blade)를 사용해서 땜납 페이스트를 균일한 두께로 만드는 공정이 필요하게 된다.

(2) 최근의 더 나아간 다전극화, 고밀도화 및 미세화에 대하여, 스크린 인쇄법이나 디스펜스 방법(dispensing method)으로는 대응할 수 없게 되고 있다. 즉, 스크린 인쇄법에서는, 메탈 마스크(metal mask)의 개구(開口)를 미세화할 필요가 있으므로, 메탈 마스크의 기계적 강도가 저하하거나, 메탈 마스크의 개구로부터 땜납 페이스트가 빠지기 어려워진다고 하는 문제가 생겨 왔다. 디스펜스 방법에서는, 다수의 패드 전극 위에 하나씩 땜납 페이스트를 올려 놓아감으로, 패드 전극이 많아질수록 양산에는 적합하지 않게 된다.

(3) 특허 문헌 1의 땜납 페이스트에서는, 땜납 입자의 산화막의 막 두께를 좋은 정밀도로 형성해야만 했었다. 왜냐하면, 지나치게 두꺼우면 패드 전극에 땜납이 젖지 않게 되고, 지나치게 얇으면 땜납 입자끼리 합체해버리기 때문이다. 게다가, 플럭스의 상태나 종류에 의해서도 플럭스의 작용이 변화되므로, 이것들에 맞춰서 산화막의 막 두께를 정밀도 좋게 제어할 필요가 있었다. 한편, 적절한 막 두께의 산화막을 형성할 수 없다면, 패드 전극의 고밀도화 및 미세화를 달성할 수 없게 된다.

그래서, 본 발명의 제1 목적은, 기판 위에 도포하는 공정을 간략화할 수 있는, 땜납 조성물 및 이것을 이용한 범프 형성 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은, 땜납 입자의 산화막을 형성하는 공정을 필요하지 않게 하고, 이것에 의해 제조 공정의 간략화와, 땜납 범프의 고밀도화 및 미세화를 확실하게 달성할 수 있는, 땜납 조성물 및 이것을 이용한 범프 형성 방법을 제공하는 것이다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 땜납 조성물은, 액상체(液狀體)와 땜납 입자와의 혼합물로 이루어지는 땜납 조성물에 있어서, 상기 액상체는, 반응 온도가 상기 땜납 입자의 융점 근방인 플럭스 성분을 포함하고, 상온에서 유동해서 모재(母材)에 층상(層狀)으로 퇴적하는 점성을 갖고, 상기 땜납 입자는, 상기 액상체 속을 모재를 향해서 침강(沈降)하는 동시에, 상기 액상체 속에 균일하게 분산 가능한 혼합비 및 입자 직경을 갖는 입제(粒劑)인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따른 땜납 조성물은, 플럭스 성분을 포함하는 액상체가 상온에서 유동해서 모재에 층상으로 퇴적하므로, 이 점에 있어서 땜납 페이스트와는 전혀 다르다. 이러한 성질(유동성)을 얻기 위해서는, 액상체의 상온에서의 점도가 낮을 것, 땜납 입자의 혼합비가 작을 것, 땜납 입자의 입자 직경이 작을 것이 요구된다. 땜납 입자의 입자 직경은, 35㎛∼1㎛ 부근의 범위 내로 설정된다. 그리고, 예를 들면 땜납 입자의 입자 직경은, 바람직하게는 35㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 20㎛ 이하, 가장 바람직하게는 10㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 땜납 조성물은, 다음과 같은 구성으로 해도 좋다. 땜납 입자의 표면 산화막에는 자연 산화막만을 갖는다. 액상체의 플럭스 성분은, 땜납 입자끼리의 합체를 그 반응 생성물에 의해 억제하면서, 땜납 입자와 모재와의 납땜을 촉진하는 동시에, 모재 상에 형성된 땜납 피막과 땜납 입자와의 합체를 촉진하는 것이다. 이러한 플럭스 성분은, 본 발명자가 실험 및 고찰을 반복해서 발견한 것이다.

이러한 플럭스 성분으로서는, 예를 들면 산(酸)을 들 수 있다. 산은 무기산(예를 들면 염산)과 유기산(예를 들면 지방산)으로 대별할 수 있지만, 여기서는 유기산을 예로 설명한다.

본 발명자는, 「유기산은, 땜납 입자끼리를 합체시키는 작용은 작지만, 패드 전극에 땜납 젖음을 생기게 하는 작용은 크다.」라고 하는 것을 발견하였다. 이러한 작용이 생기는 이유로서, 다음의 (1), (2)와 같은 것이 생각된다.

(1) 유기산에는 땜납 입자의 산화막을 제거하는 작용이 약하다. 그 때문에, 땜납 입자에 고의로 산화막을 형성하지 않아도, 땜납 입자의 자연 산화막에 의해, 땜납 입자끼리의 합체를 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 땜납 입자의 산화막을 형성하는 공정이 불필요하다. 한편, 특허 문헌 1의 종래기술에서는, 플럭스의 작용이 지나치게 강하므로, 땜납 입자에 두터운 산화막을 형성하지 않으면, 땜납 입자끼리가 합체해버린다.

(2) 유기산은, 어떠한 이유에 의해, 땜납 입자를 모재에 넓게 펴서 계면(界面)을 합금화하는 동시에, 모재 상에 형성된 땜납 피막에 땜납 입자를 합체시키는 작용이 있다. 땜납 입자끼리는 거의 합체하지 않는데도 불구하고, 모재 상에서 땜납 젖음이 생기는 메커니즘은 확실하지 않다. 추측으로서, 땜납 입자와 모재와의 사이에서, 얼마 안 되는 산화막을 타파하는 어떠한 반응이 일어나고 있다고 생각된다. 예를 들면, 금(金)이 도금된 모재라면, 금의 땜납 중에의 확산 효과에 의해, 땜납 입자에 가령 엷은 산화막이 있었다고 해도 땜납 젖음이 생긴다. 구리(銅)로 이루어지는 모재의 경우는, 구리가 유기산과 반응해서 유기산 구리염이 되고, 그 유기산 구리염이 땜납과 접촉함으로써 이온화 경향의 차(差)로부터 환원되어, 금속 구리가 땜납 중에 확산해서 땜납 젖음이 진행한다. 모재 상에 형성된 땜납 피막에 땜납 입자가 합체하는 이유에 대해서는, 예를 들면, 표면 장력이 생각된다.

또한, 땜납 입자와 함께 혼합되는 액상체는 유지(油脂)이며, 이 액상체 속에 함유되는 플럭스 성분은 유지 중에 함유되는 유리(遊離) 지방산이어도 좋다. 유지는, 여러 가지 용도로 널리 유통되고 있으므로 입수하기 용이하고 염가이며 또한 무해하고, 게다가 유리 지방산이라고 하는 유기산(플럭스 성분)을 원래 함유하고 있다. 특히, 지방산 에스테르(예를 들면 네오펜틸폴리올에스테르(neopentylpolyolester))는, 일반적으로 열·산화 안정성에서 우수하므로, 납땜의 플럭스 성분으로서는 최적이다. 또한, 플럭스 성분으로서의 유리 지방산의 함유량을 충분한 것으로 하기 위해서, 유지의 산가(酸價)는 1 이상인 것이 바람직하다. 산가라는 것은, 유지 중에 함유되는 유리 지방산을 중화하는데 필요로 하는 수산화칼륨의 밀리그램 수를 말한다. 즉, 산가의 값이 클수록, 유리 지방산이 많이 함유되게 된다.

본 발명의 땜납 조성물에 있어서 사용하는 유지는, 범프 형성이 완료될 때까지 존재하고, 그 사이에는 땜납이 공기와 직접 접촉하는 것을 방지함으로써, 땜납의 산화를 억제한다. 또한, 유지에 함유된 유기산은, 땜납 표면의 산화막의 제거에 기여하지만, 땜납 표면의 산화막을 완전히 제거해버리지 않도록, 그 함유량을 제어한다. 이것에 의해, 땜납 입자끼리의 합체를 억제하면서, 모재 표면에 납땜 가능하게 되는 상태를 실현할 수 있다. 유기산은 모재 표면의 산화막을 제거하는 데에 충분한 양이 필요하며, 그 때문에 유지의 산가는 1 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 땜납 조성물은, 유지에 유기산(플럭스 성분)이 함유되는 것이다. 이 유기산은, 유지 중에 원래 함유되어 있는 것이라도 좋고, 후에 첨가한 것이라도 좋으며, 어느 쪽이라도 좋다. 유기산에는, 땜납 입자 및 모재의 산화막을 환원하는 효과가 있다. 또한, 본 발명자는, 유지 중의 유기산량을 적절히 제어해서 땜납 입자 표면에 약간의 산화막을 잔류시킴으로써, 땜납 입자끼리의 합체를 억제하면서, 모재 상에는 납땜이 가능하게 되는 것을 발견하였다. 또한, 땜납에 주석이 포함되는 경우는, 유기산이 땜납 표면의 산화막을 환원하는 과정에서 유기산 주석염이 부생성물로서 얻어져, 이 유기산 주석염이 땜납 입자끼리의 합체를 대폭적으로 억제하는 것도, 본 발명자가 발견하였다. 이것들의 현상을 제어함으로써, 땜납 입자끼리의 합체를 방지하면서, 예를 들면 패드 전극 상에 단락이 생기지 않는 땜납 범프를 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 범프 형성 방법은, 모재에 본 발명에 따른 땜납 조성물을 층상으로 퇴적하는 퇴적 공정과, 모재 상의 땜납 조성물을 가열해서 플로(flow)하는 리플로 공정을 구비한 것이다. 본 발명에 따른 땜납 조성물을 모재 상에 적하(滴下)하면, 땜납 조성물이 자중(自重)으로 넓게 퍼져서 층상으로 퇴적한다. 이 때는, 상온에서도 좋으며, 게다가, 땜납 조성물의 자연 낙하를 이용할 수 있다. 그 때문에, 인쇄기나 토출기를 이용하지 않아도, 땜납 조성물을 간단히 모재 상에 도포할 수 있다.

또한, 퇴적 공정 전에, 땜납 조성물을 교반(攪拌)함으로써 땜납 입자를 액상체 속에 균일하게 분산시키는 교반 공정을 구성해도 좋다. 이 경우는, 땜납 입자가 비중 차에 의해 액상체 속에 침강(沈降)되어 있어도, 땜납 조성물을 교반함으로써, 땜납 입자가 액상체 속에 균일하게 분산되어서 모재에 대하여 균일하게 분포된다.

또한, 퇴적 공정의 도중 또는 후에, 모재를 수평으로 회전시킴으로써 땜납 조성물을 균일한 두께로 하는 스핀코팅(spin-coating) 공정을 구성해도 좋다. 기판을 수평으로 회전시킴으로써, 모재 상의 여분인 땜납 조성물이 뿌려지므로, 모재 상의 땜납 조성물의 두께가 빠르게 균일화되고, 엷게 균일화되며, 또한 더욱 정확하게 균일화된다.

또한, 퇴적 공정에서는, 용기 내에 모재를 넣어서 땜납 조성물을 주입시킴으로써, 용기 내에 있어서 땜납 조성물 중에 모재를 침지(沈漬)하도록 해도 좋다. 이 경우는, 모재 상의 땜납 조성물의 두께를, 땜납 조성물의 표면 장력이나 점도에 의지하지 않고, 임의의 값으로 할 수 있다. 또한, 땜납 페이스트에서는, 인쇄 두께나 땜납 입자의 함유량을 조정함으로써, 땜납 범프의 크기(높이)를 변경하고 있었다. 이것에 대하여, 본 발명에서는, 마스크를 사용하지 않기 때문에, 땜납 조성물의 두께를 변경할 때에, 종래와 같이 마스크 두께나 개구 직경을 변경할 필요가 없고, 땜납 조성물의 적하량을 조정하는 것만으로, 간단히 땜납 범프의 크기(높이)를 변경할 수 있다.

또한, 여기서 말하는 「땜납」에는, 땜납 범프 형성용에 한정하지 않고, 반도체 칩의 다이본딩(die-bonding)용이나, 예를 들면 동관(銅管)의 접합용에 이용되는 「연질 납」이라고 불리는 것 등도 포함되는 동시에, 당연한 것이지만 무연 땜납(lead-free solder)도 포함된다. 「땜납 범프」에는, 반구(半球) 형상이나 돌기(突起) 형상의 것에 한정하지 않고, 막 형상의 것도 포함된다. 「땜납 피막」이라는 것은, 막 형상의 것에 한정하지 않고, 반구 형상이나 돌기 형상의 것도 포함하는 것으로 한다. 「기판」에는, 반도체 웨이퍼나 배선 판 등이 포함된다. 「액상체」는, 액체 이외에 유동체 등이라도 좋으며, 유지 이외에 플루오르계 고비등점 용제나 플루오르계 오일 등이라도 좋다.

(발명의 효과)

본 발명에 따른 땜납 조성물에 의하면, 상온의 상태에서 평면에 적하하면 액상체 및 땜납 입자가 함께 자중으로 넓게 퍼져서 층상으로 퇴적하므로, 인쇄기나 토출기를 이용하지 않아도 간단히 모재 상에 도포할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 땜납 조성물에 의하면, 땜납 입자의 표면 산화막에는 자연 산화막만을 가지고, 땜납 입자와 함께 혼합되는 액상체에 특수한 플럭스 성분이 함유되고, 이 플럭스 성분의 반응 생성물에 의해, 플로 시에 땜납 입자끼리의 합체가 억제되어, 땜납 입자가 패드 전극 상에 넓게 퍼져서 모재 상의 땜납 피막과 합체함으로써, 땜납 브리지의 발생을 억제하면서, 납땜을 실행할 수 있다. 게다가, 땜납 입자의 산화막을 형성하는 공정이 불필요하므로, 제조 공정을 간략화하는 동시에, 산화막의 막 두께의 정확한 제어도 불필요해지므로, 납땜을 확실하게 고밀도화 및 미세화할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 땜납 조성물에 의하면, 땜납 입자가 용융했을 때에 땜납 입자끼리의 합체가 적으므로, 예를 들면 협(狹) 피치(pitch)의 패드 전극에 대해서도, 땜납량의 변동이 적고, 또한 패드 전극 간의 단락이 생기는 일이 없는, 땜납 범프를 형성할 수 있다.

액상체에 함유되는 플럭스 성분을 유기산으로 했을 경우는, 땜납 입자의 자연 산화막을 제거하는 과정에서 생긴 유기 금속염이, 땜납 입자끼리의 합체를 억제함으로써, 전술(前述)한 플럭스 성분의 작용을 용이하게 얻을 수 있다.

땜납 분말과 함께 혼합되는 액상체를 유지로 했을 경우는, 제조 비용을 절감할 수 있는 동시에, 폐기물이 되어도 환경에의 영향을 경감할 수 있다. 게다가, 유지에는 유리 지방산이라고 하는 유기산이 원래 함유되어 있으므로, 유기산의 첨가를 생략할 수 있다.

유지를 지방산 에스테르로 했을 경우는, 지방산 에스테르가 가장 일반적인 유지인 것이기 때문에 제조 비용을 더욱 절감할 수 있고, 게다가 열·산화 안정성에도 우수하므로, 납땜에 적절하게 이용할 수 있다. 또한, 지방산 에스테르는, 활성제로서 사용하는 유기산과의 상용성(相溶性)도 좋기 때문에, 액체 특성의 안정성을 향상시킬 수 있다.

유지의 산가를 1 이상으로 했을 경우는, 유리 지방산(플럭스 성분)이 충분히 함유됨으로써, 패드 전극이나 땜납 입자의 산화막을 적절하게 제거할 수 있으므로, 땜납 젖음성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 범프 형성 방법에 의하면, 본 발명에 따른 땜납 조성물을 층상으로 모재 상에 퇴적하는 퇴적 공정과, 땜납 조성물을 가열해서 플로하는 리플로 공정을 구비함으로써, 인쇄기나 토출기를 이용하지 않아도, 땜납 조성물을 간단히 모재 상에 도포할 수 있으므로, 생산성을 향상시킬 수 있다.

퇴적 공정 전에 교반 공정을 구성했을 경우는, 땜납 입자를 모재 상에 더욱 균일하게 분포시킬 수 있다.

퇴적 공정의 도중 또는 후에 스핀코팅 공정을 구성했을 경우는, 모재 상의 땜납 조성물의 두께를 빠르게 균일화할 수 있고, 또한 엷게 균일화할 수 있으며, 게다가, 더욱 정확하게 균일화할 수 있다.

퇴적 공정에 있어서 땜납 조성물 중에 모재를 침지할 경우는, 모재 상의 땜납 조성물의 두께를 원하는 값에 설정할 수 있다. 즉, 땜납 조성물의 적하량을 조정하는 것만으로, 땜납 범프의 크기(높이)를 간단히 변경할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 땜납 조성물의 하나의 실시형태를 나타내는 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 범프 형성 방법의 하나의 실시형태를 나타내는 단면도(적하 공정)이며, 도 2[1]∼도 2[3]의 순서로 공정이 진행하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 범프 형성 방법의 하나의 실시형태를 나타내는 단면도(리플로 공정)이며, 도 3[1]∼도 3[3]의 순서로 공정이 진행하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 땜납 조성물 11: 땜납 입자

12: 액상체 20: 기판

21: 기판의 표면 22: 패드 전극

23: 땜납 범프 23': 땜납 피막

30: 수용 용기 31: 주입 용기

32: 귀때(pourer)

도 1은, 본 발명에 따른 땜납 조성물의 하나의 실시형태를 나타내는 단면도이다. 이하에, 이 도면을 기초해서 설명한다. 또한, 도 1은, 기판 위에 땜납 조성물을 도포한 상태이며, 상하 방향은 좌우 방향보다도 확대해서 나타내고 있다.

본 실시형태의 땜납 조성물(10)은, 다수의 땜납 입자(11)와 지방산 에스테르로 이루어지는 액상체(12)와의 혼합물로서 이루어지며, 예를 들면 패드 전극(22)에 땜납 범프를 형성하기 위해서 이용된다. 그리고, 액상체(12)는, 반응 온도가 상기 땜납 입자(11)의 융점 근방인 플럭스 성분을 함유하고, 상온에서 유동해서 모재의 일례인 기판(20)에 층상으로 퇴적하는 점성을 갖추고 있다. 땜납 입자(11)는, 액상체(12) 속을 모재의 일례인 기판(20)을 향해서 침강하는 동시에, 액상체(12) 속에 균일하게 분산 가능한 혼합비 및 입자 직경을 갖는 입제(粒劑)이다.

또한, 땜납 입자(11)의 표면 산화막에는 자연 산화막(도시하지 않음)만을 갖는다. 액상체(12)는, 지방산 에스테르이므로, 유기산의 일종인 유리 지방산(플럭스 성분)을 원래 함유하고 있다. 유리 지방산은, 땜납 입자(11)의 융점 이상으로 가열된 상태에서, 그 반응 생성물에 의해 땜납 입자(11)끼리의 합체를 억제하면서, 땜납 입자(11)와 패드 전극(22)과의 납땜을 촉진하는 동시에, 패드 전극(22) 상에 형성된 땜납 피막과 땜납 입자(11)와의 합체를 촉진하는 작용을 갖는다.

액상체(12)에 함유되는 유기산은, 필요에 따라서 첨가해도 좋다. 즉, 땜납 입자(11)의 산화 정도나 분량에 따라, 액상체(12)의 유기산 함유량을 조정한다. 예를 들면, 다량의 땜납 범프를 형성할 경우는, 땜납 입자(11)도 다량이 되므로, 모든 땜납 입자(11)의 산화막을 환원하는 데에 충분한 유기산을 함유할 필요가 있다. 한편, 범프 형성에 사용되는 것 이상의 과잉 땜납 입자(11)를 추가할 경우는, 유기산의 함유량을 적게 해서 액상체(12)의 활성력을 떨어뜨림으로써, 땜납 분말 입도(粒度) 분포로서 말하는 경우의 미세한 측의 땜납 입자(11)를 녹이지 않도록 해서, 비교적 큰 땜납 입자(11)만으로 최적의 범프 형성을 실행하는 것도 가능하다. 이 때, 녹지 않고 남은 미세한 땜납 입자(11)는, 땜납 입자(11)끼리의 합체를 방지함으로써, 패드 전극(22)의 단락을 저감시키는 효과도 갖는다.

땜납 입자(11)는 액상체(12) 속에 균일하게 분산되어 있을 필요가 있으므로, 땜납 조성물(10)은 사용 직전에 교반해 두는 것이 바람직하다. 땜납 입자(11)로서는, 주석 납계 땜납 또는 무연 땜납 등을 사용한다. 인접하는 패드 전극(22)끼리의 주변 끝 사이의 최단 거리 a보다도, 땜납 입자(11)의 직경 b를 작게 하면 좋다. 이 경우, 인접하는 2개의 패드 전극(22) 상의 땜납 피막에 각각 도달한 땜납 입자(11)끼리는, 접촉하지 않기 때문에, 합체해서 땜납 브리지를 형성하는 일이 없다.

땜납 조성물(10)은, 패드 전극(22)을 갖는 기판(20) 상에, 상온에 있어서 자연 낙하에 의해 적하시킨다. 이것만으로, 기판(20) 상에 균일한 두께의 땜납 조성물(10)을 도포할 수 있다. 즉, 스크린 인쇄나 디스펜서(dispenser)를 이용하는 일 없이, 균일한 막 두께의 땜납 조성물(10)의 도포막을 기판(20) 상에 형성한다. 도포의 균일성은 땜납 범프의 변동에 영향을 끼치기 때문에, 될 수 있는 한 균일하게 도포한다. 그 후, 기판(20) 전체를 균일하게 가열함으로써, 땜납 범프의 형성을 가능하게 한다. 가열은 단시간에 땜납 융점 이상까지 승온(昇溫)시킨다. 단시간에 승온시킴으로써, 프로세스 중에서의 유기산 활성력의 저하를 억제할 수 있다.

이어서, 본 실시형태에서 사용하는 기판(20)에 대해서 설명한다. 기판(20)은 실리콘 웨이퍼이다. 기판(20)의 표면(21)에는, 패드 전극(22)이 형성되어 있다. 패드 전극(22) 위에는, 본 실시형태의 형성 방법에 의해 땜납 범프가 형성된다. 기판(20)은, 땜납 범프를 통해서, 다른 반도체 칩이나 배선 판에 전기적 및 기계적으로 접속된다. 패드 전극(22)은, 형상이, 예를 들면 원이며, 직경 c가 예를 들어 40㎛이다. 인접하는 패드 전극(22)의 중심 간의 거리 d는, 예를 들어 80㎛이다. 땜납 입자(11)의 직경 b는, 예를 들어 3∼15㎛이다.

패드 전극(22)은, 기판(20) 상에 형성된 알루미늄 전극(24)과, 알루미늄 전극(24) 위에 형성된 니켈층(25)과, 니켈층(25) 위에 형성된 금층(金層)(26)으로 이루어진다. 니켈층(25) 및 금층(26)은 UBM(under barrier metal 또는 under bump metallurgy)층이다. 기판(20) 상의 패드 전극(22) 이외의 부분은, 보호막(27)으로 덮어져 있다.

이어서, 패드 전극(22)의 형성 방법에 대해서 설명한다. 우선, 기판(20) 상에 알루미늄 전극(24)을 형성하고, 알루미늄 전극(24) 이외의 부분에 폴리이미드(polyimide) 수지 또는 실리콘 질화막(silicon nitride film)에 의해 보호막(27)을 형성한다. 이것들은, 예를 들면 포토리소그래피(photolithography) 기술 및 에칭(etching) 기술을 이용해서 형성된다. 계속해서, 알루미늄 전극(24) 표면에 진케이트(zincate) 처리를 시행한 후에, 무전해 도금법을 이용해서 알루미늄 전극(24) 위에 니켈층(25) 및 금층(26)을 형성한다. 이 UBM층을 형성하는 이유는, 알루미늄 전극(24)에 땜납 습윤성을 부여하기 위해서이다.

땜납 입자(11)로서는, 예를 들면 Sn-Pb(융점 183℃), Sn-Ag-Cu(융점 218℃), Sn-Ag(융점 221℃), Sn-Cu(융점 227℃), 기타의 무연 땜납 등을 사용한다.

도 2 및 도 3은, 본 발명에 따른 범프 형성 방법의 하나의 실시형태를 나타내는 단면도이다. 도 2는 적하 공정이며, 도 2[1]∼도 2[3]의 순서로 공정이 진행한다. 도 3은, 리플로 공정이며, 도 3[1]∼도 3[3]의 순서로 공정이 진행한다. 이하에서, 도 1 내지 도 3에 근거해 설명한다. 단, 도 1과 동일한 부분은 동일한 부호를 첨부함으로써 설명을 생략한다.

도 2에서는, 기판(20) 상의 패드 전극(22)의 도시를 생략하고 있다. 우선, 도 2[1]에 나타낸 바와 같이, 수용 용기(30)에 기판(20)을 넣는다. 그리고, 주입 용기(31) 속에서 필요에 따라 땜납 조성물(10)을 교반한 후, 귀때(32)로부터 땜납 조성물(10)을 기판(20) 상에 적하시킨다. 그렇게 하면, 땜납 조성물(10)이 자중으로 넓게 퍼져서 균일한 두께로 된다. 이 때는, 상온에서도 좋고, 게다가, 땜납 조성물(10)의 자연 낙하를 이용할 수 있다. 그 때문에, 인쇄기나 토출기를 이용하지 않아도, 땜납 조성물(10)을 간단하게 기판(20) 상에 도포할 수 있다.

또한, 수용 용기(30)는, 리플로 공정에서 기판(20)과 함께 가열되므로, 내열성이 있고 열전도가 좋으며, 또한 땜납 입자(11)에 의한 땜납 젖음이 생기지 않는 금속, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어진다. 또한, 퇴적 공정의 도중 또는 후에, 기판(20)을 수평으로 회전시킴으로써, 기판(20) 상의 땜납 조성물(10)을 균일한 두께로 만들어도 좋다. 기판(20)을 수평으로 회전시키기 위해서는, 시판되는 스핀코팅 장치를 이용하면 좋다.

퇴적 공정의 종료는, 땜납 조성물(10) 속에 기판(20)이 침지될 때까지, 땜납 조성물(10)을 적하할 것인가 아닌가의 여부에 의해 2가지로 분리된다. 도 2[2]는, 땜납 조성물(10) 속에 기판(20)을 침지하지 않을 경우이다. 이 경우, 기판(20) 상에 층상으로 퇴적하는 땜납 조성물(10)의 두께 t1은, 땜납 조성물(10)의 주로 표면 장력 및 점성에 의해 결정되는 값이다. 한편, 도 2[3]는, 땜납 조성물(10) 속에 기판(20)을 침지할 경우이다. 이 경우, 기판(20) 상에 층상으로 퇴적하는 땜납 조성물(10)의 두께 t2는, 적하하는 땜납 조성물(10)의 양에 따른 원하는 값으로 설정할 수 있다.

이상의 퇴적 공정에 의해, 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 패드 전극(22)이 분리해서 설치된 기판(20) 상에, 땜납 조성물(10)이 전체 도포에 의해 탑재되게 된다. 이 때, 복수의 패드 전극(22) 위 및 이것들의 간극(間隙)의 보호막(27) 위를 포함하는 면에, 전체적으로 땜납 조성물(10)이 탑재된다. 땜납 조성물(10)은, 마치 잉크와 같은 상태이다.

계속해서, 리플로 공정에서, 기판(20) 및 땜납 조성물(10)의 가열이 시작되면, 액상체(12)의 점성이 또한 저하한다. 그렇게 하면, 도 3[1]에 나타낸 바와 같이, 땜납 입자(11)는, 액상체(12)보다도 비중이 크므로, 침강해서 패드 전극(22) 위 및 보호막(27) 위에 적중(積重)된다.

계속해서, 도 3[2]에 나타낸 바와 같이, 땜납 조성물(10)이 땜납 입자(11)의 융점 이상으로 가열된다. 이 때, 액상체(12)에 함유되는 유기산(플럭스 성분)의 작용에 의해, 다음과 같은 상태가 일어나게 된다. 우선, 땜납 입자(11)끼리는, 유기산의 반응 생성물에 의해 합체가 억제된다. 단, 도 3[2]에서는 도시하지 않았지만, 일부의 땜납 입자(11)끼리는 합체해서 커지게 된다. 즉, 땜납 입자(11)끼리는 합체해도 일정한 크기 이하라면 문제없다. 한편, 땜납 입자(11)는, 패드 전극(20) 위로 넓게 퍼져서 계면에 합금층을 형성한다. 그 결과, 패드 전극(20) 상에 땜납 피막(23')이 형성되어, 땜납 피막(23')에 더욱 땜납 입자(11)가 합체한다. 즉, 땜납 피막(23')은 성장하여, 도 2[3]에 나타내는 것 같은 땜납 범프(23)가 된다.

또한 도 3[3]에 있어서, 땜납 범프(23)의 형성에 사용되지 않은 땜납 입자(11)는, 잔류한 액상체(12)와 함께 후공정으로 씻겨져 내려간다.

이어서, 본 실시형태의 다른 작용 및 효과에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 땜납 조성물(10)에 의하면, 표면에 자연 산화막만을 갖는 다수의 땜납 입자(11)로부터 땜납 분말(집합체)이 구성되고, 땜납 분말과 함께 혼합되는 액상체(12)에 유기산(플럭스 성분)이 함유되며, 이 유기산의 반응 생성물에 의해, 플로 시에 땜납 입자(11)끼리가 합체하기 어렵고, 땜납 입자(11)가 패드 전극(22) 상에 넓게 퍼져서 패드 전극(22) 상의 땜납 피막(23')과 합체함으로써, 패드 전극(22) 사이에서의 땜납 브리지의 발생을 억제하면서, 땜납 범프(23)를 형성할 수 있다. 게다가, 땜납 입자(11)의 산화막을 형성하는 공정이 불필요하므로 제조 공정을 간략화할 수 있는 동시에, 산화막의 막 두께의 정확한 제어도 불필요해지므로 땜납 범프(23)를 확실하게 고밀도화 및 미세화할 수 있다.

본 발명에 따른 범프 형성 방법에 의하면, 복수의 패드 전극(22)이 분리해서 설치된 기판(20) 상에, 본 실시형태의 땜납 조성물(10)을 층상으로 퇴적하고, 기판(20) 위의 땜납 조성물(10)을 가열해서 플로시킴으로써, 액상체(12)에 함유되는 유기산의 작용에 의해 고밀도이고, 또한 미세한 땜납 범프(23)를 형성할 수 있다. 또한, 기판(20) 상에 전체 도포로 땜납 조성물(10)을 퇴적해도, 플로 시에 땜납 입자(11)끼리가 대부분 합체하지 않음으로써, 패드 전극(22) 사이에서의 땜납 브리지의 발생을 억제할 수 있으므로, 간단한 방법으로 땜납 범프(23)를 고밀도이고, 또한 미세하게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명은, 말할 필요도 없지만, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 모재로서는, 실리콘 웨이퍼(FC) 대신에, 미세 피치의 기판이나 인터포저, 또한 배선 판(BGA)을 이용해도 좋다. 또한, 전극 재료는, 알루미늄에 한정하지 않고, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Cu, Cu 등을 이용해도 좋다.

(제1실시예)

이하에, 본 실시형태를 더욱 구체화한 제1실시예에 대해서 설명한다.

땜납 입자는, 조성이 96.5wt% Sn - 3.0wt% Ag - 0.5wt% Cu(융점 218℃)이며, 직경이 평균 6㎛(입도 분포 2∼11㎛)의 것을 사용하였다. 액상체에는, 지방산 에스테르의 일종(trimethylpropanetrioleate)을 사용하였다. 이 지방산 에스테르의 주된 성상(性狀)은, 40℃에서의 동점도(動粘度)가 48.3㎟/s, 100℃에서의 동점도(動粘度)가 9.2㎟/s, 산가(酸價)가 2.4이다. 유기산(플럭스 성분)은 첨가하지 않고, 지방산 에스테르에 원래 함유되는 유리 지방산(플럭스 성분)을 이용하였다. 또한, 지방산 에스테르는 수분의 영향을 극력 억제하기 때문에 물의 증기압 이하에서의 진공 탈포(脫泡)를 실행하였다.

땜납 범프 형성용의 기판에는, 10mm□의 실리콘 칩을 사용하였다. 실리콘 칩 위에는, 80㎛ 피치의 패드 전극이 2차원 어레이 형상으로 형성되어 있었다. 패드 전극의 형상은 40㎛□이었다. 패드 전극 표면의 재질은, 무전해 니켈 도금 상에 형성된 콤마 수 미크론의 막 두께의 금 도금이었다. 보호막의 재질은 실리콘 질화물이었다.

50ml 의 지방산 에스테르 중에 2.0g의 땜납 분말을 분산시킨 땜납 조성물을, 마이크로 피펫을 이용해서 적하함으로써, 기판 위 전체 면에 50μl 정량 도포하였다. 그 후, 핫 플레이트(hot plate) 상에서 실리콘 칩을 땜납 융점 이상까지 가열(70℃／min.)함으로써, 땜납 범프를 형성하였다. 그 성공률은 100%이었다.

Claims (16)

1. 액상체(液狀體)와 땜납 입자와의 혼합물로 이루어지는 땜납 조성물에 있어서,

   상기 액상체는, 반응 온도가 상기 땜납 입자의 융점 근방인 플럭스 성분을 함유하고, 상온에서 유동해서 모재(母材)에 층상(層狀)으로 퇴적하는 점성을 갖고,

   상기 땜납 입자는, 상기 액상체 속을 모재를 향해서 침강함과 더불어, 상기 액상체 속에 균일하게 분산 가능한 혼합비 및 입자 직경을 갖는 입제(粒劑)인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 땜납 입자의 입자 직경이 35㎛ 이하이고 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 땜납 입자의 표면 산화막에는, 자연 산화막만이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 액상체에 함유되는 플럭스 성분은, 상기 땜납 입자끼리의 합체를 그 반응 생성물에 의해 억제하면서, 상기 땜납 입자와 상기 모재와의 납땜을 촉진함과 더불어, 상기 모재 상에 형성되는 땜납 피막과 상기 땜납 입자와의 합체를 촉진하는 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
6. 제5항에 있어서, 상기 플럭스 성분은, 산(酸)인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
7. 제6항에 있어서, 상기 산이 유기산인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
8. 제1항에 있어서, 상기 액상체가 유지(油脂)인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
9. 제8항에 있어서, 상기 플럭스 성분이 상기 유지 속에 함유되는 유리(遊離) 지방산인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
10. 제8항에 있어서, 상기 유지가 지방산 에스테르인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
11. 제10항에 있어서, 상기 지방산 에스테르가 네오펜틸폴리올에스테르(neopentylpolyolester)인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
12. 제8항에 있어서, 상기 유지의 산가(酸價)가 1 이상인 것을 특징으로 하는 땜납 조성물.
13. 반응 온도가 땜납 입자의 융점 근방인 플럭스 성분을 함유하고, 상온에서 유동해서 모재에 층상으로 퇴적하는 점성을 갖는 액상체와, 상기 액상체 속을 모재를 향해서 침강함과 더불어, 상기 액상체 속에 균일하게 분산 가능한 혼합비 및 입자 직경을 갖는 땜납 입자와의 혼합물로 이루어지는 땜납 조성물을 모재 상에 퇴적하는 퇴적 공정과,

    상기 땜납 조성물을 가열하여, 상기 땜납 입자로 이루어지는 범프(bump)를 상기 모재에 형성하는 리플로(reflow) 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 범프 형성 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 퇴적 공정의 전(前) 단계에 있어서, 상기 땜납 조성물을 교반(攪拌)함으로써 상기 땜납 입자를 상기 액상체 속에 균일하게 분산시키는 것을 특징으로 하는 범프 형성 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 퇴적 공정에 있어서, 상기 모재를 회전시킴으로써 상기 땜납 조성물을 균일한 두께로 스핀코팅(spin-coating)하는 것을 특징으로 하는 범프 형성 방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 퇴적 공정에 있어서, 상기 모재를 고정한 용기 내에 상기 땜납 조성물을 주입하여, 상기 땜납 조성물 속에 상기 모재를 침지(浸漬)하는 것을 특징으로 하는 범프 형성 방법.

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