KR101284363B1 - 금속코어 솔더볼 및 이를 이용한 반도체 장치의 방열접속구조 - Google Patents

금속코어 솔더볼 및 이를 이용한 반도체 장치의 방열접속구조 Download PDF

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KR101284363B1
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metal core
plating layer
semiconductor device
thermal conductivity
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KR1020130000777A
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추용철
이현규
곽정욱
이승진
전상호
최용식
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덕산하이메탈(주)
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Abstract

본 발명은 금속코어 솔더볼에 관한 것으로서, 직경 40 내지 600㎛의 금속코어; 상기 금속코어 외면을 둘러싸는 제1도금층; 상기 제1도금층의 외면을 둘러싸는 제2도금층을 포함하여, 열전도도가 개선되는 솔더볼을 제공한다.

Description

금속코어 솔더볼 및 이를 이용한 반도체 장치의 방열접속구조{metal core solder ball and heat dissipation structure of semiconductor device using the same}
본 발명은 금속코어 솔더볼 및 이를 이용한 반도체 장치의 방열접속구조에 관한 것이다.
차세대 고밀도 패키지는 실장 밀도가 높아짐에 따라 칩 사이즈 패키지(CSP)이나 볼그리드어레이(BGA) 실장이 사용되고 있고 일반적으로 칩과 기판을 전기적으로 연결시키기 위해서 솔더볼이 사용된다.
솔더볼의 사용시 전극의 신뢰성의 확보가 중대한 과제가 되는 데, 이를 위해 종래의 솔더볼 대신 내부 코어에 금속을 사용하고 외부에 솔더층을 형성하는 금속코어 솔더볼이 최근에 상용되고 있다. 금속코어 솔더볼은 플립 칩 접합시에 내부의 코어 공이 리플로 온도에서 용융되지 않고, 칩과 프린트 기판(PCB)과의 거리가 유지되어 높은 접합 신뢰성을 얻을 수 있기 때문이다.
한편 최근 칩상에 회로가 밀집하고 있기 때문에 반도체장치로부터 발생되는 고열을 외부로 방열하는 문제가 크게 중요시되고 있다. 이에 종래에는 반도체장치 측에 히트싱크를 장착하여 방열하는 구조가 일반적으로 이용되고 있다. 이 때, 히트싱크와 반도체장치 사이의 계면에 TIM(Thermal Interface Material)이 삽입되는데 이는 반도체 장치의 열이 효율적으로 히트싱크 쪽으로 방출되게 해준다.
그러나 반도체장치에서 발생된 열을 기판쪽으로 방출시키는 시도는 이루어지지 않고 있다. 이는 기판 쪽에 많은 전자소자들이 있어서 열을 기판 방향으로 방출시킬 때 전자소자들이 열에 영향을 받거나, 기판과 반도체장치 사이를 연결시키는 솔더볼의 열전도성과 관련되어 있으나 이에 대한 연구가 부족하기 때문이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 장치와 기판 사이에 열전도성이 높은 금속코어 솔더볼을 사용하여 반도체 장치와 기판 사이에 접속신뢰성을 부여하는 동시에 반도체 장치에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시키는 데 있다.
본 발명의 일측면에 따른 솔더볼은,
직경 40 내지 600㎛의 금속코어;
상기 금속코어 외면을 둘러싸는 제1도금층;
상기 제1도금층의 외면을 둘러싸는 제2도금층을 포함하는 솔더볼로서,
하기 식 1을 만족하는 금속코어 솔더볼을 제공한다.
[식 1]
Figure 112013000749918-pat00001
(이 때, a는 금속코어의 열전도도, b는 제1도금층의 열전도도, c는 제2도금층의 열전도도이고, A, B, C는 각각 솔더볼에서 금속코어, 제1도금층, 및 제2도금층이 차지하는 체적비로서, A+B+C=1, 0.0005<B<0.05, 0.7<C<0.94 이고, A, B, C는 솔더볼 전체에서 1과 1사이의 실수이다)
이 때, 상기 금속코어는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 및 알루미늄(Al)으로 구성되는 군에서 선택되는 금속것이 바람직하다.
이 때, 상기 제1도금층은 니켈(Ni) 또는 니켈을 포함하는 합금을 무전해도금으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2도금층은 주석(Sn)을 포함하는 합금을 전해도금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은 전술한 금속코어 솔더볼을 포함하는 반도체장치의 방열 접속구조를 제공한다.
이 때, 상기 반도체 장치의 방열 접속구조는,
상기 금속코어 솔더볼이,
상기 반도체 장치의 접속단자와 기판의 전극 사이를 연결한다.
이 때, 상기 솔더볼이 상기 전극과 연결되는 접속부에는 황동분말 또는 은분말이 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은,
반도체 장치의 접속단자;
상기 접속단자에 대향하는 기판의 전극; 및
상기 접속단자와 상기 기판의 전극사이를 열 및 전기적으로 연결하며 하기 식 1을 만족하는
[식 1]
Figure 112013000749918-pat00002
(이 때, a는 금속코어의 열전도도, b는 제1도금층의 열전도도, c는 제2도금층의 열전도도이고, A, B, C는 각각 솔더볼에서 금속코어, 제1도금층, 및 제2도금층이 차지하는 체적비로서, A+B+C=1, 0.0005<B<0.05, 0.7<C<0.94 이고, A, B, C는 솔더볼 전체에서 1과 1사이의 실수이다)
솔더볼을 포함하는 전자장치를 제공한다.
이 때, 상기 기판의 전극과 상기 솔더볼 사이에는 황동분말 또는 은분말이 포함된 접합부가 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속코어 솔더볼 및 이를 이용한 반도체 장치의 방열접속구조는 내부에 열전도도가 높게 설계된 금속코어 솔더볼을 사용하여 높은 접합 신뢰성과 방열성을 동시에 달성할 수 있는 효과가 있다.
110 : 접속단자 111 : 구리패드
150 : 기판전극 130 : 솔더볼
140 : 접합부 141 : 황동분말
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 제1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구별하여 설명하기 위해 사용되는 것일 뿐으로, 본원 발명의 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 "포함한다" 와 같은 용어는 명세서 상에 기재된 특징이나 단계 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의하지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
금속코어 솔더볼
본 발명의 일 실시예에 따른 금속코어 솔더볼은 도전성 페이스트는 금속 코어, 제1도금층, 및 제2도금층을 포함한다.
금속코어를 이루는 재료는 구리(Cu)분말, 은(Ag) 분말, 금(Au) 분말, 및 알루미늄(Al) 분말등이 사용될 수 있다. 이 때, 금속코어의 열전도도는 350 ~ 450 W/mk인 것이 바람직하다.
금속코어는 직경 40 내지 600㎛인 것이 바람직하게 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 평균 직경 40 내지 250㎛인 것이 사용될 수 있다.
본 명세서에서 금속코어는 일반적으로 구형으로서 입자크기는 그 지름을 의미하지만, 각 입자가 완전한 구형이 아닌 경우 입자의 크기는 입자 내부를 통과하는 가장 긴 선분의 길이와 가장 짧은 선분의 길이의 평균값으로 정의한다. 각 입자가 구형에 가까운 경우 입자의 크기는 구의 지름 값에 가까워질 것이다.
금속코어의 외주면은 제1도금층이 구비된다. 제1도금층은 2종이 접합한 합금의 경계면에 발생하는 금속간화합물을 제어하고 원자확산에 의하여 금속간화합물을 따라 형성되는 커켄달 보이드(Kirkendall void)의 확산을 방지하기 위해 구비되며, 0.1 내지 5㎛의 두께로 형성되며, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2㎛ 이다.
제1도금층은 솔더볼 전체 부피대비 0.05 내지 5%인 것이 바람직하다. 0.1미만은 경우 커켄달보이드(Kirkendall void) 방지 및 금속간화합물(Intermetallic compound)의 성장을 제어하지 못하는 문제점이 있으며, 5%를 초과하는 경우 접합층의 구조가 바뀌어 신뢰성이 나빠지는 문제점이 있다.
제1도금층은 니켈(Ni) 또는 니켈을 포함하는 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 커켄달보이드(Kirkendall void)의 형성제어 및 리플로우(Reflow) 후 형성되는 접합층의 두께 제어를 위해서 니켈과 은의 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 제1도금층의 열전도도는 80~100W/mK 인 것이 바람직하다.
제2도금층은 제1도금층의 외주면에 형성되며, Sn 및 Sn을 포함한 합금인 SnAg, SnAgCu, SnCu, SnZn, SnMg, SnAl등이 사용될 수 있다. Sn이 단독으로 사용 될 경우 융점의 상승으로 인해 리플로우 피크온도(Reflow peak temperature)의 상승을 가져와서, 다른 부품들의 수명 저하를 도래하나, Ag, Cu 등 첨가함으로써 융점을 낮추는 것이 바람직하다. 제2도금층의 두께는 10 내지 50㎛로 구성되며, 솔더볼 전체 부피 대비 70% 내지 94%로 이루어지는 것이 바람직하다. 70%미만은 경우 패드(Pad)와의 반응성이 떨어져서 미싱볼(missing ball)을 발생 시키며, 94%를 초과하는 경우 제2도금층에서 보이드(void) 가 발생될 수 있으며, 열전도도, 낙하 및 열 충격의 저하를 가져온다.
이 때, 제2도금층은 열전도도는 60~80W/mK인 것이 바람직하다.
전술한 금속코어, 제1도금층, 제2도금층은 접속신뢰도와 열전도도를 고려한 것으로서, 열전도도는 전기전도도와 달리 솔더볼 전체를 관통하여 흐르게 되므로 전기전도도가 높은 코어와 제2도금층의 두께를 크게 하고, 제2도금층은 열전도도가 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 솔더볼은 하기 식 1을 충족하도록 제조된다. 이로써 열전도도와 접속신뢰도가 동시에 충족된다.
[식 1]
Figure 112013000749918-pat00003
(이 때, a는 금속코어의 열전도도, b는 제1도금층의 열전도도, c는 제2도금층의 열전도도이고, A, B, C는 각각 솔더볼에서 금속코어, 제1도금층, 및 제2도금층이 차지하는 체적비로서, A+B+C=1, 0.0005<B<0.05, 0.7<C<0.94 이고, A, B, C는 솔더볼 전체에서 1과 1사이의 실수이다)
전술한 금속코어 솔더볼을 제조한 경우 접속신뢰도를 확보하면서도 솔더볼의 열전도도가 통상적인 솔더볼을 사용하는 경우보다 5배 이상 증가하는 효과가 있다.
금속코어 솔더볼의 제조
금속코어 솔더볼은 금속코어 제공단계, 제1도금층 형성단계, 제2도금층 형성단계를 포함하여 이루어 진다.
금속코어 제공단계는 금속코어는 용융된 용탕에서 오리피스를 통해 필요한 크기인 평균직경 40 내지 600㎛로 제조한다. 금속코어의 재료는 구리(Cu) 분말, 은(Ag) 분말, 금(Au) 분말, 니켈(Ni) 분말 및 알루미늄(Al) 분말등이 사용될 수 있다.
금속코어 재료 금속을 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 원하는 직경으로 제조한다. 이 때, 원하는 크기는 주파수와 압력으로 조정이 가능하다.
제1도금층 형성단계는 제조된 금속 코어을 산세한 후 팔라듐(Pd)용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 에칭된 표면에 부착 시킨 후 묽은 황산용액으로 활성화(activation)시킨 후 중탕된 제1도금액의 재료를 무전해 도금액에 장입후 교반 시킨다. 무전해 도금은 반응이 끝날 때까지 지속적으로 교반 시켜 준다. 장입양과 무전해 도금액의 농도및 양에 따라 큰 차이는 있지만 일반적으로 반응이 시작된 후 1~2시간 정도 충분히 반응 시켜준다.
제1도금액의 재료는 니켈(Ni), Ni-P, Ni-B, Co등이 사용될 수 있다.
제2도금층 형성단계는 제1도금층이 형성된 금속코어의 표면에 Sn을 포함한 금속을 전해하여 도금층을 형성하는 단계이다. 전해는 금속코어를 바렐속에 넣어 양극에는 도금시키고자 하는 금속으로 양극에 걸어두고 피도금체는 바렐속 음극을 걸어 전해 도금을 진행한다. 이때 온도는 20~30℃를 유지시켜 준다. 도금은 크기에 따라 적합한 시간을 두어 진행한다.
제2도금액의 재료는 Sn을 포함한 합금인 SnAg, SnAgCu, SnCu, SnZn, SnMg, SnAl등 이 사용될 수 있다.
반도체 방열접속구조
본 발명의 일측면에 따른 금속코어 솔더볼이 사용되는 반도체 장치의 방열접속구조는 반도체 장치의 접속단자와 반도체 장치의 접속단자에 대향하는 기판의 전극 사이에 구비되어 접속단자와 패드를 열 및 전기적으로 접속하는 금속코어 솔더볼을 포함한다.
반도체 장치의 접속단자는 구리패드에 통상 Ni/Au 도금층이 형성되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 금속코어 솔더볼은 제2도금층이 가열됨에 따라 용융되면서 금속간화합물을 형성하면서 접속단자에 접착된다. 금속코어 솔더볼이 부착된 반도체 장치는 다시 기판의 전극에 부착된다.
기판의 전극은 통상 구리로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때, 구리 표면에는 산화를 방지하기 위해 OSP(organic solder-ability preservative) 처리가 되는 것이 바람직하다.
기판의 전극에는 솔더페이스트가 도포되어 가열에 따라 전극과 금속코어 솔더볼을 부착시킨다. 솔더페이스트는 플럭스와 도전입자로 구성되며, 플럭스(flux)는 금속코어 솔더볼의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거하여 반응성을 크게 만들어 솔더페이스트에 포함되어 있는 도전입자들과 금속코어 솔더볼과 반응을 하여 전극과의 접합부를 형성한다. 이때 솔더페이스트에는 열전도성을 향상시키기 위해 황동, 은 등의 금속분말이 더 포함되는 것이 바람직하며, 이때 포함되는 분말들의 입자는 3~15㎛ 이내의 입자들이 바람직하다.
금속코어 솔더볼의 제조
이하의 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 금속코어 솔더볼에 대해서 상세하게 설명하겠으나, 이는 어떠한 형태로건 본 발명을 한정하거나 제한하는 것은 아니다.
실시예 1 금속코어 솔더볼의 제조
실시예 1로서 구리를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 직경40㎛의 구리코어로 제조한다. 이 때, 주파수는 200Hz이고, 압력은10bar이다.
제조된 구리코어를 산세한 후 팔라듐(Pd)용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 에칭된 표면에 부착 시킨 후 15%농도의 묽은 황산용액으로 활성화(activation)시킨 후 중탕된 니켈 무전해 도금액에 장입 후 반응이 끝날 때까지 교반 시킨다.
이 때, 구리코어의 장입양은 10g이고, 니켈 도금액의 pH농도는 4-6이고, 무전해 니켈 도금액 전체 부피의 1/2의 양으로 반응이 끝날 때까지 반응을 시킨다.
이후 약 1시간동안 반응을 시켜 두께 약 1㎛이고, 코어솔더볼의 전체 부피대비 0.01%인 제1도금층을 형성한다.
제1도금층이 형성된 구리코어를 바렐속에 넣어 양극에는 Sn-Ag를 양극에 걸어두고 금속코어에는 음극을 걸어 전해 도금을 진행한다. 이때 온도는 20~30℃를 유지시켜 준다. 전해도금을 전류밀도를 1A/dm 로 3시간동안 도금을 진행하여 두께가 편측으로 3㎛이고 코어솔더볼 전체 부피 대비 90%인 제2 도금층을 형성함으로써 금속코어 솔더볼을 제조한다.
실시예 2 금속코어 솔더볼의 제조
실시예 2로서 구리를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 직경60㎛의 구리코어로 제조한다. 이 때, 주파수는 180Hz이고, 압력은8bar이다.
제조된 구리코어를 산세한 후 팔라듐(Pd)용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 에칭된 표면에 부착 시킨 후 15%농도의 묽은 황산용액으로 활성화(activation)시킨 후 중탕된 니켈 무전해 도금액에 장입 후 반응이 끝날 때까지 교반 시킨다.
이 때, 구리코어의 장입양은 40g이고, 니켈 도금액의 pH농도는 4-6이고, 무전해 니켈 도금액 전체 부피의 1/2의 양으로 반응이 끝날 때까지 반응을 시킨다.
이후 약 1시간동안 반응을 시켜 두께 약 1㎛이고, 코어 솔더볼의 전체 부피대비 0.003%인 제1도금층을 형성한다.
제1도금층이 형성된 구리코어를 바렐속에 넣어 양극에는 Sn-Ag를 양극에 걸어두고 금속코어에는 음극을 걸어 전해 도금을 진행한다. 이때 온도는 20~30℃를 유지시켜 준다. 전해도금을 전류밀도를 1A/dm 로 3시간동안 도금을 진행하여 두께가 편측으로 30㎛이고 코어솔더볼 전체 부피 대비 84%인 제2 도금층을 형성함으로써 구리코어 솔더볼을 제조한다.
실시예 3 금속코어 솔더볼의 제조
실시예 3로서 구리를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 직경100㎛의 구리코어로 제조한다. 이 때, 주파수는 150Hz이고, 압력은5bar이다.
제조된 구리코어를 산세한 후 팔라듐(Pd)용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 에칭된 표면에 부착 시킨 후 15%농도의 묽은 황산용액으로 활성화(activation)시킨 후 중탕된 니켈 무전해 도금액에 장입 후 반응이 끝날 때까지 교반 시킨다.
이 때, 구리코어의 장입양은 180g이고, 니켈 도금액의 pH농도는 4-6이고, 무전해 니켈 도금액 전체 부피의 1/2의 양으로 반응이 끝날 때까지 반응을 시킨다.
이후 약 1시간동안 반응을 시켜 두께 약 1㎛이고, 코어 솔더볼의 전체 부피대비 0.00075%인 제1도금층을 형성한다.
제1도금층이 형성된 구리코어를 바렐속에 넣어 양극에는 Sn-Ag를 양극에 걸어두고 구리코어에는 음극을 걸어 전해 도금을 진행한다. 이때 온도는 20~30℃를 유지시켜 준다. 전해도금을 전류밀도를 1A/dm 로 3시간동안 도금을 진행하여 두께가 편측으로 30㎛이고 코어솔더볼 전체 부피 대비 71%인 제2 도금층을 형성함으로써 구리코어 솔더볼을 제조한다.
비교예 1 솔더볼의 제조
마이크로 솔더볼 제조는 60㎛오리피스를 통하여 용융 솔더를 진동자를 통하여 일정하게 진동을 주어서 오리피스를 통과시켜 직경 100㎛의 Sn3.0Ag 0.5Cu솔더볼을 제조한다. 이때 압력은 용탕에 가해주는 압력으로 3bar정도의 압력을 주고 주파수는 7KHz의 주파수로 맞추어서 제조한다.
비교예 2 금속코어 솔더볼의 제조
비교예 2로서 구리를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 직경40㎛의 구리코어로 제조한다. 이 때, 주파수는 200Hz이고, 압력은10bar이다.
제조된 구리코어를 산세한 후 팔라듐(Pd)용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 에칭된 표면에 부착 시킨 후 15%농도의 묽은 황산용액으로 활성화(activation)시킨 후 중탕된 니켈 무전해 도금액에 장입 후 반응이 끝날 때까지 교반 시킨다.
이 때, 구리코어의 장입양은 10g이고, 니켈 도금액의 pH농도는 4-6이고, 무전해 니켈 도금액 전체 부피의 1/10의 양으로 반응이 끝날 때까지 반응을 시킨다.
이후 약 1시간동안 반응을 시켜 두께 약 1㎛이고, 코어 솔더볼의 전체 부피대비 0.01%인 제1도금층을 형성한다.
제1도금층이 형성된 구리코어를 바렐속에 넣어 양극에는 Sn-Ag를 양극에 걸어두고 금속코어에는 음극을 걸어 전해 도금을 진행한다. 이때 온도는 20~30℃를 유지시켜 준다. 전해도금을 전류밀도를 1A/dm 로 3시간동안 도금을 진행하여 두께가 편측으로 40㎛이고 코어솔더볼 전체 부피 대비 95%인 제2 도금층을 형성함으로써 구리코어 솔더볼을 제조한다.
비교예 3 금속코어 솔더볼의 제조
비교예 3로서 구리를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 직경40㎛의 구리코어로 제조한다. 이 때, 주파수는 200Hz이고, 압력은10bar이다.
제조된 구리코어를 산세한 후 팔라듐(Pd)용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 에칭된 표면에 부착 시킨 후 15%농도의 묽은 황산용액으로 활성화(activation)시킨 후 중탕된 코발트 무전해 도금액에 장입 후 반응이 끝날 때까지 교반 시킨다.
이 때, 구리코어의 장입양은 10g이고, 코발트 도금액의 pH농도는 9-10이고, 무전해 코발트 도금액 전체 부피의 1/2의 양으로 반응이 끝날 때까지 반응을 시킨다.
이후 약 1시간동안 반응을 시켜 두께 약 1㎛이고, 코어 솔더볼의 전체 부피대비 0.01%인 제1도금층을 형성한다.
제1도금층이 형성된 구리코어를 바렐속에 넣어 양극에는 Sn-Pb를 양극에 걸어두고 구리코어에는 음극을 걸어 전해 도금을 진행한다. 이때 온도는 20~30℃를 유지시켜 준다. 전해도금을 전류밀도를 1A/dm 로 3시간동안 도금을 진행하여 두께가 편측으로 40㎛이고 코어솔더볼 전체 부피 대비 96%인 제2 도금층을 형성함으로써 구리코어 솔더볼을 제조한다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 데이터를 표 1에 정리하였다.
오리피스 Core
(㎛)		 주파수(Hz) 압력(bar) 장입량
(g)		 PH 두께(㎛) 제1도금층 제2도금층 전체부피대비(%) 최종size(㎛)
전체부피(%)대비 전류밀도(A/dm2) 시간(hr) 두께(㎛)
실시예1 40 200 10 10 4~6 1 0.01 1 3 30 91 100
실시예2 60 180 8 40 4~6 1 0.003 1 3 30 84 120
실시예3 100 150 5 180 4~6 1 0.00075 1 3 30 71 160
비교예1 60 100 7000 3 100
비교예2 40 200 10 10 4~6 1 0.01 1 3 40 95 120
비교예3 40 200 10 10 9~10 1 0.01 3 40 96 120
실시예 4 내지 실시예6 반도체 장치의 방열접속구조
실시예 1 내지 3의 금속코어 솔더볼을 가열시켜 반도체 장치의 접속단자에 부착시킨 뒤, 다시 기판의 전극 사이에 연결하였다. 반도체 장치의 접속단자(110)는 구리패드(111)에 Ni/Au 도금층(112, 113)이 형성되어 있고, 기판의 전극(150)은 구리로 형성되어 있다.
이 때 기판의 전극(150)에는 도포되어 있던 황동분말을 함유한 솔더페이스트가 용융되어 솔더볼(130) 기저에 접합부(140)를 형성하며 접합부(140)에는 황동분말(141)이 포함되어 있다. (도 1 참조)
비교예 4 내지 비교예 6 반도체 장치의 방열접속구조
비교예 1 내지 3의 솔더볼을 가열시켜 반도체 장치의 접속단자에 부착시킨 뒤, 다시 기판의 전극 사이에 연결하였다. 반도체 장치의 접속단자는 구리패드에 Ni/Au 도금층이 형성되어 있고, 기판의 전극은 구리로 형성되어 있다.
이 때 기판의 전극에는 도포되어 있던 솔더페이스트와 솔더볼(비교예4) 또는 솔더볼의 제2도금층(비교예5, 6)이 용융되어 솔더볼 기저에 접합부를 형성하였다.
실험예
실험에 1 접합강도 및 열전도도
제조된 금속코아 실시예 및 비교예들의 솔더볼 접합강도를 평가하기 위해 구리패드 전극에 연결하였다. 연결된 제품들을 가지고 전단평가를 실시 하였다.
전단력을 측정하기 위한 장비는 dage사에서 제조한 dage4000 장비를 사용 하였으며, 평가 조건은 test speed는 200㎛/s, shear height는 50㎛로 진행하였다. 평가에 사용된 ball 수는 20 개를 사용하였으며 평균값을 구하였다.
또한, 열전도도는 레지저섬광법을 사용하여 측정하였으며, 이는 작은 원판형 디스크 모양의 재료의 한쪽 면에 레이저를 투사하여 가열하고, 반대편에 열이 전달되는 시간을 적외선 센서로 측정하였다. 열전도도를 측정하기 위한 장비는 NERZCH사에서 제조한 LAF457 장비를 사용하였으며, 승온속도는 10C/min.로 측정하였다.
측정된 실시예 및 비교예들의 접합강도 및 열전도도는 표 2에 정리되어 있다. 이에 따르면 본 발명에 따른 실시예들의 접합강도 및 열전도도가 동시에 우수함을 확인할 수 있다.
　 Strength (gf) 열전도도 (W/mK) a(W/mK) A b(W/mK) B c(W/mK) C aA+bB+cC
실시예 1 127.4 291.145 401 0.0999 90 0.0001 33 0.9 69.7689
실시예 2 128.6 294.548 401 0.15997 90 0.00003 33 0.84 91.87067
실시예 3 126.7 298.348 401 0.28999 90 0.0000075 33 0.71 139.7176675
비교예 1 132.5 54.195 　 　 　 　 　 　 0
비교예 2 118.4 248.258 401 0.0499 90 0.0001 33 0.95 51.3689
비교예 3 106.3 226.637 401 0.0399 90 0.0001 50 0.96 64.0089
실험예 2 낙하충격실험
OSP(P)-OSP(B)에 금속코아볼 및 솔더볼을 납땜하여 낙하 충격 시험을 진행하였다. 장비는 LAB 사에서 제조한 SD10 모델이며, 도 2는 낙하충격결과를 나타낸 그래프로서, 15 unit씩 4 boards를 제조해서 (총 60unit) 낙하충격 후 (낙하충격 조건은 1,500G 400 drop)의 결과를 weibull 분포로 나타내었다. 이에 따라 1%, 5%, 10%, 63.2% failure를 예측한 결과를 표 3으로 정리하였다.
1% failure 5% failure 10% failure 63.2% failure
실시예 1 29 66 95 289
실시예 2 31 67 93 262
실시예 3 28 58 80 214
비교예 1 14 31 44 131
비교예 2 19 48 71 246
비교예 3 18 36 48 122
실험예 3 Kirkendall void 관찰
Kirkendall void 를 관찰하기 위해 실시예1과 비교예1 를 각각 전극 pad에 연결한 뒤, 열처리를 진행하여 접합층을 관찰 하여 도 2에 도시하였다. 도 2에 따르면 일반 솔더볼의 경우 열처리 시간이 증가 할수록 kirkendall void의 발생은 증가하였으나, 금속코어 솔더볼의 경우, 제1도금층을 형성하고 있기 때문에 일반 솔더볼에 비해 kirkendall void의 발생을 제어 하였음을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 직경 40 내지 600㎛의 금속코어;
    상기 금속코어 외면을 둘러싸는 제1도금층;
    상기 제1도금층의 외면을 둘러싸는 제2도금층을 포함하는 솔더볼로서,
    하기 식 1을 만족하는 금속코어 솔더볼.
    [식 1]
    Figure 112013023819821-pat00004

    (이 때, a는 금속코어의 열전도도, b는 제1도금층의 열전도도, c는 제2도금층의 열전도도이고, A, B, C는 각각 솔더볼에서 금속코어, 제1도금층, 및 제2도금층이 차지하는 체적비로서, A+B+C=1, 0.0005<B<0.05, 0.7<C<0.94 이고, A, B, C는 솔더볼 전체에서 1과 1사이의 실수이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속코어는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 및 알루미늄(Al)으로 구성되는 군에서 선택되는 금속인 금속코어 솔더볼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1도금층은 니켈(Ni) 또는 니켈을 포함하는 합금을 무전해도금으로 형성한 금속코어 솔더볼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2도금층은 주석(Sn)을 포함하는 합금을 전해도금으로 이루어지는 금속코어 솔더볼.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 금속코어 솔더볼을 포함하는 반도체장치의 방열 접속구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 장치의 방열 접속구조는,
    상기 금속코어 솔더볼이,
    상기 반도체 장치의 접속단자와 기판의 전극 사이를 연결하는 반도체장치의 방열 접속구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 솔더볼이 상기 전극과 연결되는 접속부에는 황동분말 또는 은분말이 포함된 반도체장치의 방열 접속구조.
  8. 반도체 장치의 접속단자;
    상기 접속단자에 대향하는 기판의 전극; 및
    상기 접속단자와 상기 기판의 전극사이를 열 및 전기적으로 연결하며 하기 식 1을 만족하는
    [식 1]
    Figure 112013023819821-pat00005

    (이 때, a는 금속코어의 열전도도, b는 제1도금층의 열전도도, c는 제2도금층의 열전도도이고, A, B, C는 각각 솔더볼에서 금속코어, 제1도금층, 및 제2도금층이 차지하는 체적비로서, A+B+C=1, 0.0005<B<0.05, 0.7<C<0.94 이고, A, B, C는 솔더볼 전체에서 1과 1사이의 실수이다)
    솔더볼을 포함하는 전자장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기판의 전극과 상기 솔더볼 사이에는 황동분말 또는 은분말이 포함된 접합부가 구비된 전자장치.
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