KR101039655B1 - 금속 나노 잉크와 그 제조방법 및 그 금속 나노 잉크를 사용하는 다이본딩 방법 및 다이본딩 장치 - Google Patents

금속 나노 잉크와 그 제조방법 및 그 금속 나노 잉크를 사용하는 다이본딩 방법 및 다이본딩 장치 Download PDF

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테츠로 타니카와
아키노부 테라모토
마사아키 오다
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가부시키가이샤 신가와
가부시키가이샤 아루박
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Abstract

분산제(102)에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자(101)를 유기 용제(105) 중에 혼합시키기 전, 또는 혼합시킨 후, 유기 용제(105) 중에 산소를 산소 나노 버블(125) 또는 산소 버블(121)로서 주입하여, 가압 소결에 의해 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 금속 나노 잉크(100)를 제조한다. 이 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적을 전극의 위에 사출하여 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 위에 범프를 형성하고, 반도체 다이를 반전하여 기판의 위에 위치 맞춤하여 중첩한 후, 각 전극 간의 범프를 가압함과 아울러 가열하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시킨다. 이것에 의해, 가압 소결 시의 보이드의 발생을 억제한다.

Description

금속 나노 잉크와 그 제조방법 및 그 금속 나노 잉크를 사용하는 다이본딩 방법 및 다이본딩 장치{METAL NANO-INK, PROCESS FOR PRODUCING THE METAL NANO-INK, AND DIE BONDING METHOD AND DIE BONDING APPARATUS USING THE METAL NANO-INK}
본 발명은 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이 전극을 접합하기 위한 금속 나노 잉크 및 그 제조방법 및 그 금속 나노 잉크를 사용하는 다이본딩 방법 및 다이본딩 장치에 관한 것이다.
반도체 다이 등의 전자부품의 전극과 회로기판 상의 회로 패턴의 전극과의 접합에는, 반도체 다이 등의 전자부품의 전극 패드 위에 땜납 범프를 형성하고, 형성한 땜납 범프를 회로기판의 전극을 향하게 하고 하향으로 배치하고, 가열하여 접합하는 방법이 사용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 그러나, 특허문헌 1에 기재된 종래기술과 같이, 땜납을 사용하여 전자부품을 3차원 적층 접합하려고 하면 접합 시의 가열에 의해 먼저 접합한 접합부를 용융시켜 버려, 접합의 신뢰성이 저하되어 버리는 경우가 있다. 이 때문에, 땜납 범프를 사용하지 않고 각 전극을 접합하는 방법으로서 금속의 초미립자를 포함하는 금속 나노 페이스트를 사용하는 여러 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 1에는, 회로기판의 단자전극 위에 은의 초미분말을 용제에 분산시켜 조제한 은미립자 페이스트의 볼을 형성하고, 반도체 소자의 전극을 회로기판의 단자전극 위에 형성한 볼 위에 페이스다운법으로 접합한 후에, 은 미립자 페이스트 중의 톨루엔 등의 용제를 증발시킨 후, 100에서 250℃의 온도에서 소성하여 반도체 소자와 회로기판을 전기적으로 접합하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2는, 금속 나노 입자 분산액을 잉크젯 등에 의해 분사하여, 원형 형상의 바닥면을 갖는 원기둥 형상에 있어서, 높이가 바닥면의 반경과 동일한 정도 또는 그 이상의 높이가 되도록 적층한 도포층을 형성하고, 그 후 저온 소결에 의해 금속 소결 기둥을 작성할 수 있는 금속 나노 입자 분산액에 관한 것으로, 용제의 성분을 조정함으로써, 금속 나노 입자 분산액을 미세 액적으로서 분사할 때는 점성이 낮고, 분사되고나서 미세 액적이 전극 표면에 도달할 때까지의 동안에 용제가 증산하여 도포층을 주상(柱狀) 구조로서 적층할 수 있는 것과 같은 점성으로 되고, 도달 후에는 저온 소결 시에 금속 나노 입자 사이로부터 밀어내질 수 있는 것과 같은 점성 특성을 갖는 금속 나노 입자 분산액이 제안되어 있다. 그리고, 이 금속 나노 입자 분산액을 사용하여 배선기판에 도전성 배선층을 형성하는 것이 제안되어 있다.
일본 특개 평9-326416호 공보 일본 재표 WO2005/025787호 공보
그런데, 금속 나노 잉크 또는 금속 나노 페이스트 등을 소결시켜 금속층을 형성하는 경우에, 금속층의 내부에 금속 나노 입자가 소결되어 형성된 금속 이외의 부분이 형성된다. 이 부분은 보이드라고 불리며, 전기 저항을 증가시키거나, 금속층의 강도를 저하시키거나 하기 때문에, 금속 나노 잉크 등을 소결시켜 금속층으로 하는 경우에는, 보이드의 발생을 억제하여 분산제가 떨어지지 않고 미반응의 금속 나노 입자의 잔존을 억제하는 것이 필요하게 된다.
본 발명은, 가압 소결 시의 보이드의 발생을 억제할 수 있는 금속 나노 잉크를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명의 다른 목적은, 보이드의 발생을 억제할 수 있는 다이본딩 방법 및 다이본딩 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 금속 나노 잉크는 가압 소결에 의해 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 금속 나노 잉크이며, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자와 산소를 유기 용제 중에 혼합시켜 조정되어 있는 것을 특징으로 한다. 또, 본 발명의 금속 나노 잉크에 있어서, 유기 용제 중의 산소 농도가 과포화인 것으로 해도 적합하다.
본 발명의 금속 나노 잉크의 제조방법은, 가압 소결에 의해 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 금속 나노 잉크의 제조방법으로, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자를 유기 용제 중에 혼합시키는 금속 나노 입자 혼합 공정과, 유기 용제 중에 산소를 주입하는 산소 주입 공정을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명의 금속 나노 잉크의 제조방법에 있어서, 산소 주입 공정은 산소를 나노 버블로 만들어 유기 용제 중에 주입하는 것으로 해도 적합하다. 또한 금속 나노 입자 혼합 공정의 후에 산소 주입 공정을 행하는 것으로 해도 되고, 금속 나노 입자 혼합 공정 전에 산소 주입 공정을 행하는 것으로 해도 된다.
본 발명의 다이본딩 방법은, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자와 나노 버블로 만든 산소를 유기 용제 중에 혼합시킨 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 반도체 다이를 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 기판 및/또는 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 다른 반도체 다이 위에 페이스다운 하고, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 범프를 통하여 중첩하는 중첩 공정과, 각 전극 간의 범프를 가압함과 아울러 가열하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극 사이를 전기적으로 접합하는 가압 소결 공정을 갖고, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하는 방법이다.
본 발명의 다이본딩 장치는, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자와 나노 버블로 만든 산소를 유기 용제 중에 혼합시킨 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프를 형성하는 사출 헤드와, 범프가 형성된 반도체 다이를 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 기판 및/또는 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 다른 반도체 다이 위에 페이스다운 하고, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 범프를 통하여 중첩하는 중첩 기구와, 각 전극 간의 범프를 가압함과 아울러, 가열하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극 간을 전기적으로 접합하는 가압 가열 기구를 갖고, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 및/또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하는 장치이다.
본 발명의 금속 나노 잉크는 가압 소결 시에 보이드의 발생을 억제할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 다이본딩 방법 및 다이본딩 장치는 보이드의 발생을 억제할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에서의 금속 나노 잉크를 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서의 금속 나노 잉크의 제조방법을 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에서의 금속 나노 잉크를 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에서의 금속 나노 잉크의 제조방법에서 유기 용제에 산소 나노 버블을 주입하는 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5A는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 범프의 형성을 나타내는 설명도이다.
도 5B는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 범프의 형성을 나타내는 설명도이다.
도 6A는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이의 기판 위로의 중첩을 나타내는 설명도이다.
도 6B는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이의 기판 위로의 중첩을 나타내는 설명도이다.
도 6C는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이의 기판 위로의 중첩을 나타내는 설명도이다.
도 6D는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이의 기판 위로의 중첩을 나타내는 설명도이다.
도 7A는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 접합 범프의 형성을 나타내는 설명도이다.
도 7B는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 접합 범프의 형성을 나타내는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 가압 가열 기구에 반도체 다이와 기판을 끼운 상태를 나타내는 설명도이다.
도 9A는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이와 기판의 각 전극과의 가압 소결을 나타내는 설명도이다.
도 9B는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이와 기판의 각 전극과의 가압 소결을 나타내는 설명도이다.
도 9C는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행할 때의 반도체 다이와 기판의 각 전극과의 가압 소결을 나타내는 설명도이다.
도 10A는 종래기술의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행한 접합 금속의 단면을 나타내는 설명도이다.
도 10B는 본 발명의 실시형태의 금속 나노 잉크를 사용하여 다이본딩을 행한 접합 금속의 단면을 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 금속 나노 잉크(100)는 유기 용제(105)와, 도전성 금속을 미세화한 금속 나노 입자(101)와, 금속 나노 입자(101) 상호가 접촉하지 않고 분산상태를 유지할 수 있도록 금속 나노 입자(101)의 표면에 코팅되어 있는 분산제(102)를 포함하고, 유기 용제(105) 중에 혼합되어 있는 피복 금속 나노 입자(103)와, 유기 용제(105) 중에 혼합되어 있는 산소 버블(121)과, 유기 용제(105) 중에 용해되어 있는 용해 산소(122)를 가지고 있다. 금속 나노 입자(101)는 직경 5부터 50nm 정도의 크기이다. 금속 나노 입자(101)를 구성하는 미세화한 도전성 금속으로서는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 등을 사용할 수 있다. 금속 나노 입자(101)의 표면에 코팅되는 분산제(102)로서는 알킬아민, 알칸티올, 알칸디올 등을 사용할 수 있다. 또 액체의 유기 용제(105)는 실온 부근에서는 용이하게 증산하지 않는 비교적 고비점의 비극성 용제 또는 저극성 용제, 예를 들면, 테르피네올, 미네랄 스피릿, 크실렌, 톨루엔, 테트라데칸, 도데칸 등의 분산 용매 중에 유기 바인더로서 기능하는 열경화성 수지 성분을 함유시킨 것을 사용할 수 있다. 분산제(102)에 의해 표면이 코팅되어 있는 피복 금속 나노 입자(103)는, 예를 들면, 직경 100nm정도의 크기로, 금속 나노 입자(101)보다도 큰 입자로 되어 있다.
이러한 금속 나노 잉크(100)는 다음과 같이 하여 제조한다. 우선, 도전성 금속을 미세화한 금속 나노 입자(101)의 표면에 분산제(102)를 코팅한 피복 금속 나노 입자(103)를 준비하고, 그 피복 금속 나노 입자(103)를 유기 용제(105) 중에 소정의 양만 혼합시킨다. 그 후, 점도의 조정을 행하고, 산소 버블(121)이 혼합되어 있지 않은 금속 나노 잉크(100)로 한다. 다음에, 도 2에 도시하는 바와 같이, 산소 버블(121)이 혼합되어 있지 않은 금속 나노 잉크(100)를 용기(131) 중에 넣고, 액면으로부터 금속 나노 잉크(100) 속에 꽂아 넣은 산소 주입 노즐(132)에 의해 산소를 금속 나노 잉크(100) 중에 주입한다. 주입된 산소의 일부는 유기 용제(105) 중에 용해되어 용해 산소(122)로 되는데, 대부분의 산소는 거품으로 되어 유기 용제(105) 중에 분산된다. 그리고, 큰 거품은 액면으로 상승하여 대기로 배출되고, 잔거품만이 유기 용제(105) 중에 산소 버블(121)로서 잔류하여, 유기 용제(105) 중에 피복 금속 나노 입자(103)와 산소 버블(121)과 용해 산소(122)를 포함하는 금속 나노 잉크(100)를 제조할 수 있다. 그리고, 예를 들면, 10시간 등, 소정의 시간만큼 산소의 주입을 하면, 적당한 산소를 내포하는 금속 나노 잉크(100)로 된다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 금속 나노 잉크(100)는 산소 버블(121)을 대신하여, 또는 산소 버블(121)과 함께 산소 나노 버블(125)을 포함하도록 해도 된다. 산소 나노 버블(125)은 직경이 피복 금속 나노 입자(103)와 동일한 직경의 대단히 미소한 직경의 버블이다. 도 3에 도시한 산소 나노 버블(125)을 포함하는 금속 나노 잉크(100)는, 도 4에 나타내는 바와 같은 방법에 의해 유기 용제(105) 중에 산소 나노 버블(125)을 내포시킨 후, 도전성 금속을 미세화한 금속 나노 입자(101)의 표면에 분산제(102)를 코팅한 피복 금속 나노 입자(103)를 유기 용제(105) 중에 소정의 양만 혼합시킴으로써 제조할 수 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 산소 주입 장치(150)는 유기 용제(105)를 저류하는 탱크(133)와, 유기 용제(105)를 순환시키는 순환 펌프(136)와, 탱크(133)와 순환 펌프(136)를 접속하는 흡입관(135)과, 순환 펌프(136)의 토출관(137)과, 토출관(137)에 설치된 산소 주입 노즐(138)과, 산소 주입 노즐(138)과 탱크(133) 사이에 설치되고, 산소 주입 노즐(138)로부터 주입된 산소의 거품을 전단하여 100nm 정도의 산소 나노 버블(125)로 하는 인젝터(140)와, 인젝터(140)와 탱크(133)를 접속하는 배관(134)을 포함하고 있다. 또한 탱크(133)에는 저류되어 있는 유기 용제(105) 중의 산소 농도를 검출하는 산소 농도 센서(145)가 부착되어 있다.
탱크(133)에 저류된 유기 용제(105)는 흡입관(135)으로부터 순환 펌프(136)로 흡입되어 가압되고, 토출관(137)으로 토출된다. 토출관(137)으로 토출된 유기 용제(105)에는, 산소 주입 노즐(138)로부터 산소가 거품으로서 주입된다. 주입된 산소의 일부는 유기 용제(105)에 용해되어 용해 산소(122)로 된다. 용해되지 않는 산소는 큰 거품의 상태에서 인젝터(140)에 유입된다. 인젝터(140)는 앞쪽이 가는 테이퍼 형상의 구멍이 만들어진 노즐(141)과 노즐(141)의 내부에 설치된 코어(142)에 의해 구성되고, 노즐(141)과 코어(142) 사이에 생기는 원추통면의 간극(143)에 산소의 거품을 포함하는 유기 용제(105)가 고속으로 흐르고, 간극(143)의 젖음면과 거품과의 전단력에 의해 거품을 미소한 산소 나노 버블(125)로 만든다. 인젝터(140)로부터 배관(134)을 통과하여 탱크(133)로 유출한 유기 용제(105)에는 용해 산소(122)와 산소 나노 버블(125)과, 그것보다도 큰 산소의 거품이 포함되어 있다. 큰 산소의 거품은, 탱크(133)의 유기 용제(105)의 액면을 향하여 상승하고, 액면으로부터 대기로 빠져나간다. 산소 나노 버블(125)은 유기 용제(105) 중에 잔류한다. 그리고 산소 나노 버블(125)보다도 크지만, 단시간에 유기 용제(105)의 액면으로부터 빠져나갈 수 없을 정도의 산소의 거품은 다시 유기 용제(105)와 함께 흡입관(135)에 흡입되고, 인젝터(140)에 의해 그 일부는 산소 나노 버블(125)로 된다. 그리고, 이 인젝터(140)를 포함하는 순환관로를 소정의 시간만큼 순환시키면, 산소 나노 버블(125)과 용해 산소(122)를 포함하는 유기 용제(105)가 형성된다. 이때, 산소 주입 노즐(138)로부터 주입하는 산소의 양은 탱크(133)에 부착된 산소 농도 센서(145)에 의해 검출되는 유기 용제(105) 중의 산소 농도에 의해 적당히 조정할 수 있다.
이렇게 하여 제조된 유기 용제(105)에 포함되는 산소 나노 버블(125)은 그 직경이 대단히 작으므로, 시간이 경과해도 유기 용제(105) 중에 계속해서 잔류할 수 있다. 또한 산소를 산소 나노 버블(125)로 만들어 유기 용제(105) 중에 혼합시키면 유기 용제(105) 중의 산소 농도를 포화농도 이상의 과포화로 할 수 있어, 많은 산소를 유기 용제(105) 중에 포함시킬 수 있다.
이상에서 설명한 방법은, 점성이 낮은 유기 용제(105)를 인젝터(140)에 통과시켜 산소 나노 버블(125)을 혼합시키고나서 유기 용제(105) 중에 피복 금속 나노 입자(103)를 혼합시키므로, 유기 용제(105) 중에 피복 금속 나노 입자(103)를 혼합시키면 점성이 높아져 버려, 인젝터(140)에 의해 산소 나노 버블을 금속 나노 잉크(100)에 혼합시킬 수 없게 되어 버리는 경우에는, 특히 유효한 방법이다.
다음에, 산소 나노 버블(125)을 포함하는 유기 용제(105)에, 도전성 금속을 미세화한 금속 나노 입자(101)의 표면에 분산제(102)를 코팅한 피복 금속 나노 입자(103)를 소정량만 혼합시켜 금속 나노 잉크(100)를 제조한다. 산소 나노 버블(125)은, 대단히 입자직경이 작으므로, 이 혼합시에도 유기 용제(105)의 외부로는 거의 산실되지 않아, 많은 산소를 내포하는 금속 나노 잉크(100)를 제조할 수 있다. 또한 분산제(102)의 양을 많게 하거나, 유기 용제(105)에 점성을 조정하는 성분을 첨가하거나 하여, 뒤에 설명하는 사출 헤드의 형상에 맞춘 점도를 가진 금속 나노 잉크(100)로 해도 된다.
도 5A부터 도 9C를 참조하면서 이상에서 설명한 바와 같이 하여 제조된 금속 나노 잉크(100)를 사용하여 기판(19)의 전극(19a)과 반도체 다이(12)의 전극(12a)을 접합하는 다이본딩 방법에 대하여 설명한다.
이 다이본딩 방법은 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 기판(19)의 전극(19a) 및/또는 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 다른 반도체 다이(12)의 전극(12a)을 접합하기 위한 다이본딩 방법으로, 분산제(102)에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자(101)와 산소를 유기 용제(105) 중에 혼합시킨 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)을 사출하여 전극(12a, 19a) 위에 범프(200)가 형성된 반도체 다이(12)를 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)을 사출하여 전극(12a, 19a) 위에 범프(200)가 형성된 기판(19) 및/또는 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)을 사출하여 전극(12a, 19a) 위에 범프(200)가 형성된 다른 반도체 다이(12)의 위에 페이스다운 하고, 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 기판(19)의 전극(19a) 및/또는 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 다른 반도체 다이(12)의 전극(12a)을 범프(200)를 통하여 중첩한 후, 각 전극(12a, 19a) 간의 범프(200)를 가압함과 아울러 가열하고, 범프(200)의 금속 나노 입자(101)를 가압 소결시켜 각 전극(12a, 19a) 간을 전기적으로 접합하는 것이다. 이하, 상세하게 설명한다.
도 5A에 도시하는 바와 같이, 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)을 사출 헤드(26)의 사출 노즐(26a)로부터 반도체 다이(12)의 전극(12a)을 향하여 사출하여, 전극(12a) 위에 범프(200)를 형성한다.
도 5B에 도시하는 바와 같이, 사출 헤드(26)의 사출 노즐(26a)로부터 최초에 전극(12a) 위에 사출된 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)은 전극(12a)의 위에 얇은 막 형상으로 퍼진다. 다음의 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)은 전극(12a)의 위에 퍼진 금속 나노 잉크(100)의 막 위에 부착되므로, 전극(12a)의 표면에 직접 부착되는 최초의 미세 액적(110)보다도 그 퍼짐이 적어, 전극(12a)의 표면에 약간 돌출한 부분을 형성한다. 그 다음의 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)은 전번의 2개의 미세 액적(110)보다도 더욱 퍼짐이 적어져, 점차로 돌출한 부분이 커져 간다. 이와 같이, 금속 나노 잉크(100)의 미세 액적(110)을 전극(12a)의 위에 차례로 사출해 가면, 점차로 돌출한 부분이 커지고, 여러 번의 사출에 의해, 도 5B에 도시하는 바와 같이, 위로 갈수록 경사가 큰 형상의 원추형의 범프(200)가 형성된다. 범프(200)의 전극(12a)으로부터의 높이는 H1이다. 사출 헤드(26)에는 잉크젯에 사용되는 것과 같은 사출 헤드를 사용함으로써 다수의 미세 액적(110)을 단시간에 사출 적층할 수 있다. 잉크젯 헤드에 의해 사출을 행하는 경우에는, 금속 나노 잉크(100)의 점도를 낮게 조정하도록 한다. 또, 점도가 높은 경우나, 산소 나노 버블(125)보다도 큰 산소 버블(121)을 포함하는 금속 나노 잉크(100)를 사용하는 경우에는, 사출 헤드(26)에서의 캐비테이션을 피하기 위하여 디스펜서 등을 사용하여 액적을 전극(12a)의 위에 범프(200)를 형성하도록 해도 된다.
전극(12a)의 위로의 범프(200)의 형성과 동일한 방법에 의해, 기판(19)의 전극(19a)의 위에도 범프(200)를 형성한다.
반도체 다이(12)의 전극(12a)과 기판(19)의 전극(19a)의 위에 각각 범프(200)를 형성하면, 도 6A에 도시하는 바와 같이, 반도체 다이(12)를 반전시켜 콜릿(54)에 흡인, 유지시키고, 반도체 다이(12)의 표면의 높이를 높이 센서(57a)로 검출한다. 또한 본딩 스테이지의 위에 진공흡착에 의해 고정된 기판(19)의 표면의 높이 위치를 높이 센서(57b)에 의해 검출한다. 그리고, 각 센서(57a, 57b)에 의해 취득한 높이 센서(57a)와 반도체 다이(12)의 거리의 데이터 및 높이 센서(57b)와 기판(19)과의 거리의 데이터로부터, 반도체 다이(12)의 표면과 기판(19)의 표면과의 간격(H0)을 계산한다.
도 6B에 도시하는 바와 같이, 콜릿(54)에 진공흡착에 의해 유지된 반도체 다이(12)의 전극(12a) 위에 형성된 범프(200)의 위치를 기판(19)의 전극(19a)의 위에 형성된 범프(200)의 위치에 맞추도록 콜릿(54)을 이동시킨다. 그리고, 반도체 다이(12)와 기판(19) 사이에 상하 2시야 카메라(57c)를 진출시켜, 반도체 다이(12) 표면의 위치맞춤 마크와 기판(19) 표면의 위치맞춤 마크를 촬상하고, 촬상한 화상으로부터 상하 2시야 카메라(57c)의 광축과 각 위치맞춤 마크의 위치 벗어남을 검출하고, 그 벗어남 분량만큼 콜릿(54)을 이동시켜, 반도체 다이(12)의 전극(12a)의 위치와 기판(19)의 전극(19a)의 상대위치를 맞춘다.
도 6C 및 도 7A에 도시하는 바와 같이, 콜릿(54)에 의해 반도체 다이(12)의 전극(12a)이 기판(19)의 전극(19a)의 바로 위에 있고, 각 전극(12a, 19a)에 형성된 높이(H1)의 각 범프(200)가 접촉하지 않을 정도의 높이가 되도록, 반도체 다이(12)를 페이스다운 시킨 후, 도 6D에 도시하는 바와 같이, 콜릿(54)의 진공을 개방하고, 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 기판(19)의 전극(19a)을 범프(200)를 통하여 중첩한다. 여기에서, 콜릿(54)과, 콜릿(54)을 이동시키는 도시하지 않은 콜릿 이동장치는 중첩 기구를 구성한다. 도 7B에 도시하는 바와 같이, 중첩되면, 각 전극(12a, 19a)의 위에 형성된 범프(200)는 일체가 되어 접합 범프(250)로 되고, 반도체 다이(12)는 접합 범프(250)에 의해 지지된 상태로 된다. 접합 범프(250)의 높이는 중첩 전의 각 범프(200)의 합계 높이 2×H1보다도 낮은 높이(H2)로 된다. 단, 이 높이(H2)는 뒤에 설명하는 접합 금속(300)의 높이(H3)보다도 높은 높이로 되어 있다.
반도체 다이(12)의 전극(12a)이 기판(19)의 전극(19a)에 중첩되면, 기판(19)은 가압 가열 기구(80)에 반송된다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 가압 가열 기구(80)는 간극 센서(85)에 의해 상부 유지판(82a)과 하부 유지판(82b)과의 간격을 검출하면서 그 간극에 반도체 다이(12)와 기판(19)을 끼워 넣고, 상부 유지판(82a)과 하부 유지판(82b)과의 간격이 소정의 간격인 H5가 되도록 한다. 여기에서 소정의 간격(H5)은 도 9A부터 도 9C에 도시하는, 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 기판(19)의 전극(19a) 사이에 형성하는 접합 금속(300)의 소정의 높이(H3)에 각 전극(12a, 19a) 및 반도체 다이(12)의 두께와 기판(19)의 두께를 더한 것이다. 도 9A부터 도 9C에 도시하는 접합 금속(300)의 소정의 높이(H3)는 10㎛에서 15㎛가 바람직하다. 높이(H3)는 먼저 설명한 접합 범프(250)의 높이(H2)보다도 낮아져 있으므로, 가압 가열 기구(80)의 상부 유지판(82a)과 하부 유지판(82b) 사이에 반도체 다이(12)와 기판(19)의 끼워넣기가 종료되었을 때는 접합 범프(250)는 H2-H3만큼 압축되고, 이것에 의해 접합 범프(250)는 가압된다.
상부 유지판(82a)과 하부 유지판(82b) 사이로의 반도체 다이(12)와 기판(19)의 끼워넣기가 종료되면, 히터(89a, 89b)를 온으로 하여, 접합 범프(250)의 가열을 개시한다. 상부 유지판(82a)의 온도와 하부 유지판(82b)의 온도는 온도 센서(86a, 86b)에 의해 검출되고, 접합 범프(250)의 온도가 150℃에서 250℃가 되도록, 히터(89a, 89b)로의 인가전압이 조정된다. 히터(89a, 89b)에 의해 접합 범프(250)가 가열되고 있는 동안, 각 전극(12a, 19a)의 높이 방향의 간격은 상부 유지판(82a), 하부 유지판(82b)에 의해 높이(H3)에 유지된다.
도 9A에 도시하는 바와 같이, 접합 범프(250)가 파선 화살표로 표시되는 바와 같이 가열되면 유기물인 분산제(102)가 열에 의해 분해되어 증산하고, 금속 나노 입자(101)끼리 접촉하게 된다. 금속 나노 입자(101)는 접촉하면 통상의 금속의 용착 온도보다도 낮은 150℃ 정도의 온도에서 서로 용착하여 금속의 링크가 형성되어 간다. 그리고, 금속 나노 입자(101)의 결합에 의해 만들어진 링크의 간극에 남겨진 분산제(102) 또는 유기 용제(105)는 링크의 외측으로 밀어내어져 간다. 또한 분산제(102), 유기 용제(105)는 열에 의해 접합 범프(250)의 표면으로부터 대기중으로 휘발, 증산됨과 아울러, 그 중에 포함되어 있는 탄소 성분이 접합 범프(250) 중에 포함되어 있는 용해 산소(122), 산소 버블(121), 산소 나노 버블(125)과 결합하여 이산화탄소로 된다. 기체의 이산화탄소는 액체 상태의 분산제(102), 유기 용제(105)보다도 유동성이 좋고, 금속 나노 입자(101)의 링크 사이를 빠져나와 접합 범프(250)의 외주측으로 이동하면서 결합하여 기포(260)로 되어 간다. 이 이산화탄소의 기포(260)는 가열에 의해 팽창되어, 각 전극(12a, 19a)의 높이 방향의 간격을 넓히려고 하지만, 각 전극(12a, 19a)의 높이 방향의 간격은 상부 유지판(82a), 하부 유지판(82b)에 의해 높이(H3)에 억제되어 있으므로, 압력상승분은 도 9A의 흰 화살표로 나타내는 바와 같이 접합 범프(250)를 압축하는 가압력으로서 작용한다.
도 9B에 도시하는 바와 같이, 내부의 압력상승에 의해 접합 범프(250)는 횡방향으로 넓어지고, 내부에 발생한 이산화탄소의 기포(260)는 횡길이로 찌부러지면서, 점차로 횡방향으로 이동하여, 접합 범프(250)의 측면으로부터 외부로 배출되어 간다. 그리고, 소정의 시간만큼 흰 화살표로 나타내는 바와 같이 가압되고, 파선 화살표로 도시하는 바와 같이 가열되면, 도 9C에 도시하는 바와 같이, 유기 용제(105)와 분산제(102)는 휘발 또는 이산화탄소로서 배출되고, 접합 범프(250)의 금속 나노 입자(101)끼리 서로 접합하여, 벌크의 접합 금속(300)으로 되어, 각 전극(12a, 19a)이 전기적으로 접합된다.
이와 같이, 분산제(102)나 유기 용제(105)에 포함되어 있는 탄소 성분은 소결 시에 산소와 결합하여 이산화탄소로 되어 대기로 배출된다. 그러나, 금속 나노 잉크(100)에 의해 성형되는 접합 범프(250)는 외주의 원통면은 대기에 접촉하고 있지만 상하면은 각 전극(12a, 19a)의 면에 접하고 있기 때문에, 표면으로부터 접합 범프(250)의 내부에 받아들여지는 산소의 양은 적고, 내부에 산소 버블(121), 산소 나노 버블(125)과 같은 형태로 산소를 내포하고 있지 않은 경우에는, 산소를 용이하게 받아 들일 수 없는 접합 범프(250)의 내부에서는, 탄소 성분을 이산화탄소로 하기 위한 산소가 부족하여, 탄소 성분이 이산화탄소로 되지 않고 잔류해 버린다. 이 때문에, 도 10A에 도시하는 바와 같이, 소결 후의 접합 금속(300)은 외피의 부분에는 치밀한 벌크 금속(301)이 형성되지만, 내부에는, 금속 나노 입자(101)가 접합한 링크 사이에 탄소 성분 등의 금속 이외의 것이 보이드로서 잔류하여, 다공성 구조부(302)로 되어 버린다. 다공성 구조부(302)는 전기 저항도 크고, 기계적 강도도 낮기 때문에, 접합성이 저하되어 버린다.
이와 같이, 금속 나노 잉크(100) 중에 용해 산소(122), 산소 버블(121), 산소 나노 버블(125)과 같은 형태로 산소를 내포시킨 금속 나노 잉크(100)에 의해 범프(200)를 성형하고, 접합하여 접합 범프(250)를 성형하면, 접합 범프(250)는 내부에 많은 산소 성분을 포함하기 때문에, 분산제(102), 유기 용제(105)에 포함되어 있는 탄소분을 이산화탄소로서 외부로 배출할 수 있다. 이 때문에, 가압 소결 시의 보이드의 발생을 억제할 수 있어, 도 10B에 도시하는 바와 같이, 접합 금속(300)의 벌크 금속(301)의 부분이 외피 부분으로부터 내부에까지 달하여, 내부에도 벌크 금속(301)의 부분이 성형된다. 그리고, 보이드를 포함하는 다공성 구조부(302)의 영역은 도 10A의 상태에 비교하여 현격하게 적어져, 전기 저항이 낮고, 기계적 강도가 큰 접합 금속(300)을 성형할 수 있다. 또, 금속 나노 잉크(100) 중에 용해 산소(122), 산소 버블(121), 산소 나노 버블(125)과 같은 형태로 산소를 내포시킨 금속 나노 잉크(100)에 의해 접합을 행하면, 분산제가 떨어지지 않고 미반응의 금속 나노 입자의 잔존을 억제할 수 있기 때문에, 벌크 금속(301)의 부분을 많게 할 수 있다.
금속 나노 잉크(100)에 내포시키는 산소의 양은 될 수 있는 한 많게 하는 편이 바람직하고, 바람직하게는 유기 용제(105)의 산소의 포화농도 이상으로 산소를 내포시키는 것이 좋다. 시험결과에 의하면, 도 2를 참조하여 설명한 산소를 흡입하는 방법에 의해 제조한 산소 버블(121), 용해 산소(122)를 포함하는 금속 나노 잉크(100)를 디스펜서에 의해 반도체 다이(12)의 전극(12a)과 기판(19)의 전극(19a)에 범프(200)를 형성하고, 반도체 다이(12)를 반전시켜 각 전극(12a, 19a)의 위치를 맞추고나서 중첩하여, 접합 범프(250)로 한 후, 가압 가열 기구(80)에 의해 가압 소결한 경우, 산소를 주입하는 시간이 1시간 정도로 짧고, 금속 나노 잉크(100)의 산소의 내포량이 적은 경우에는, 가압 소결 후의 접합 금속(300)은 도 10A에 도시하는 바와 같은 다공성 구조부(302)가 많은 것으로 되었다. 한편, 산소를 주입하는 시간이 10시간 정도로 길고, 금속 나노 잉크(100)의 산소의 내포량이 많은 경우에는, 가압 소결 후의 접합 금속(300)은 도 10B에 도시하는 바와 같은 다공성 구조부(302)가 적고, 벌크 금속(301)이 많은 것으로 되었다. 또, 시험결과에 의하면, 유기 용제(105)의 산소의 포화농도의 5배 이상의 산소를 내포시키면 소결성이 향상된다고 하는 결과가 얻어졌다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 금속 나노 잉크(100)는 가압 소결 시에 보이드의 발생을 억제할 수 있고, 전기 저항이 낮고, 기계적 강도가 큰 접합 금속(300)을 성형할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 금속 나노 잉크(100)를 사용한 접합 방법에서는, 기판(19)의 전극(19a)에 반도체 다이(12)의 전극(12a)을 접합하는 경우에 대하여 설명했지만, 반도체 다이(12)의 전극(12a)을 다른 반도체 다이(12)의 전극(12a)의 위에 반전해서 중첩하여 접합하는 것으로 해도 된다. 또, 전극(12a)은 반도체 다이(12)를 두께방향으로 관통하는 관통 전극이며, 반도체 다이(12)를 반전하지 않고 각 전극(12a)을 범프(200)를 통하여 중첩한 후, 가압 소결에 의해 각 관통 전극 사이를 접속하여 반도체 다이(12)를 3차원 실장하도록 해도 된다.
본 발명은 이상에서 설명한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 의해 규정되어 있는 본 발명의 기술적 범위 또는 본질로부터 일탈하지 않는 모든 변경 및 수정을 포함하는 것이다.
12 반도체 다이
12a, 19a 전극
19 기판
26 사출 헤드
26a 사출 노즐
54 콜릿
57a, 57b 높이 센서
57c 상하 2시야 카메라
80 가압 가열 기구
82a 상부 유지판
82b 하부 유지판
85 간극 센서
86a, 86b 온도 센서
89a, 89b 히터
100 금속 나노 잉크
101 금속 나노 입자
102 분산제
103 피복 금속 나노 입자
105 유기 용제
110 미세 액적
121 산소 버블
122 용해 산소
125 산소 나노 버블
131 용기
132 산소 주입 노즐
133 탱크
134 배관
135 흡입관
136 순환 펌프
137 토출관
138 산소 주입 노즐
140 인젝터
141 노즐
142 코어
143 간극
145 산소 농도 센서
150 산소 주입 장치
200 범프
250 접합 범프
260 기포
300 접합 금속
301 벌크 금속
302 다공성 구조부

Claims (8)

  1. 가압 소결에 의해 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 금속 나노 잉크로서,
    유기 용제 중의 산소 농도가 과포화로 되도록, 분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자와 산소를 유기 용제 중에 혼합시켜 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 나노 잉크.
  2. 삭제
  3. 가압 소결에 의해 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 금속 나노 잉크의 제조방법으로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자를 유기 용제 중에 혼합시키는 금속 나노 입자 혼합 공정과,
    유기 용제 중에 산소를 주입하는 산소 주입 공정,
    을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 나노 잉크의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 산소 주입 공정은 산소를 나노 버블로 만들어 유기 용제 중에 주입하는 것을 특징으로 하는 금속 나노 잉크의 제조방법.
  5. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 다이본딩 방법으로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자와 나노 버블로 만든 산소를 유기 용제 중에 혼합시킨 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 반도체 다이를 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 기판 또는 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 다른 반도체 다이의 위에 페이스다운 하고, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 범프를 통하여 중첩하는 중첩 공정과,
    각 전극 간의 범프를 가압함과 아울러 가열하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극 간을 전기적으로 접합하는 가압 소결 공정,
    을 갖는 것을 특징으로 하는 다이본딩 방법.
  6. 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 접합하기 위한 다이본딩 장치로서,
    분산제에 의해 표면 코팅된 금속 나노 입자와 나노 버블로 만든 산소를 유기 용제 중에 혼합시킨 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프를 형성하는 사출 헤드와,
    범프가 형성된 반도체 다이를 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 기판 또는 금속 나노 잉크의 미세 액적을 사출하여 전극 위에 범프가 형성된 다른 반도체 다이의 위에 페이스다운 하고, 반도체 다이의 전극과 기판의 전극 또는 반도체 다이의 전극과 다른 반도체 다이의 전극을 범프를 통하여 중첩하는 중첩 기구와,
    각 전극 간의 범프를 가압함과 아울러 가열하고, 범프의 금속 나노 입자를 가압 소결시켜 각 전극 간을 전기적으로 접합하는 가압 가열 기구,
    를 갖는 것을 특징으로 하는 다이본딩 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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