KR101858884B1 - Cu 핵 볼, 땜납 페이스트, 폼 땜납 및 납땜 조인트 - Google Patents

Abstract

낙하 강도 및 히트 사이클에 대한 강도를 얻을 수 있는 Cu 핵 볼, Cu 핵 컬럼을 제공한다. Cu 핵 볼(1)은, Cu 혹은 Cu 합금으로 구성되는 Cu 볼(2)과, Sn과 Cu로 이루어지는 땜납 합금으로 구성되고, Cu 볼(2)을 피복하는 땜납층(3)을 구비하고, 땜납층(3)은 Cu를 0.1％ 이상 3.0％ 이하로 포함하고, 잔부가 Sn과 불순물로 구성된다.

Description

Cu 핵 볼, 땜납 페이스트, 폼 땜납 및 납땜 조인트 {Cu CORE BALL, SOLDER PASTE, FORMED SOLDER, AND SOLDER JOINT}

본 발명은, Cu 볼을 땜납 합금으로 피복한 Cu 핵 볼, Cu 핵 볼을 사용한 땜납 페이스트, Cu 핵 볼을 사용한 폼 땜납, 및 Cu 핵 볼을 사용한 납땜 조인트에 관한 것이다.

최근, 소형 정보 기기의 발달에 의해, 탑재되는 전자 부품에서는 급속한 소형화가 진행되고 있다. 전자 부품은, 소형화의 요구에 의해 접속 단자의 협소화나 실장 면적의 축소화에 대응하기 위해, 이면에 전극이 설치된 볼 그리드 어레이(이하, 「BGA」라고 칭함)가 적용되어 있다.

BGA를 적용한 전자 부품에는, 예를 들어 반도체 패키지가 있다. 반도체 패키지에서는, 전극을 갖는 반도체 칩이 수지로 밀봉되어 있다. 반도체 칩의 전극에는, 땜납 범프가 형성되어 있다. 이 땜납 범프는, 땜납을 구형으로 한 땜납 볼이나 땜납을 기둥형으로 한 땜납 컬럼을 반도체 칩의 전극에 접합함으로써 형성되어 있다. BGA를 적용한 반도체 패키지는, 각 땜납 범프가 프린트 기판의 도전성 랜드에 접촉하도록 프린트 기판 상에 배치되고, 가열에 의해 용융된 땜납 범프와 랜드가 접합함으로써 프린트 기판에 탑재된다. 또한, 가일층의 고밀도 실장의 요구에 대응하기 위해, 반도체 패키지가 높이 방향으로 적층된 3차원 고밀도 실장이 검토되고 있다.

그러나, 3차원 고밀도 실장이 이루어진 반도체 패키지에 BGA가 적용되면, 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 볼이 찌부러져 버려, 전극 사이에서 접속 단락이 발생한다. 이것은, 고밀도 실장을 행하는 것에 있어서의 지장이 된다.

따라서, Cu 등, 땜납보다 융점이 높은 금속으로 형성된 미소 직경의 볼이나 기둥형의 컬럼을 핵으로 하여 땜납을 그 표면에 피복한 예를 들어 Cu 핵 볼이나 Cu 핵 컬럼을 이용한 땜납 범프가 검토되고 있다. Cu 볼 등을 갖는 땜납 범프는, 전자 부품이 프린트 기판에 실장될 때, 반도체 패키지의 중량이 땜납 범프에 가해져도, 땜납의 융점에서는 용융되지 않는 Cu 볼에 의해 반도체 패키지를 지지할 수 있다. 따라서, 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 범프가 찌부러지는 일이 없다. Cu 핵 볼의 관련 기술로서 예를 들어 특허문헌 1을 들 수 있다.

일본 특허 공개 제2010-99736호 공보

그런데, 땜납 볼, 땜납 컬럼, Cu 핵 볼 또는 Cu 핵 컬럼을 사용하여 제작된 땜납 범프에서는, 낙하 등의 충격에 대한 강도 및 히트 사이클이라고 칭해지는 온도 변화에 의한 신축에 대한 강도가 요구된다.

Ag를 포함하는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼에서는, 낙하 강도, 히트 사이클에 대한 강도 모두 소정의 강도가 얻어진다. 땜납 합금의 비용 저감을 위해, Ag의 첨가량을 1.0％ 정도로 한 저Ag라고 칭해지는 땜납 합금에서도, 낙하 강도, 히트 사이클에 대한 강도 모두 소정의 강도가 얻어진다.

한편, Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼에서는, 낙하 강도는 소정의 강도를 얻을 수 있지만, 히트 사이클에 대한 강도의 저하가 보였다.

본 발명의 과제는, Cu 핵 볼에 있어서도, 땜납 볼 또는 땜납 컬럼과 동등 이상의 낙하 강도 및 히트 사이클에 대한 강도를 얻을 수 있도록 하는 것이며, 이러한 Cu 핵 볼, Cu 핵 볼을 사용한 땜납 페이스트, 폼 땜납 및 납땜 조인트를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 Cu 볼을 피복한 Cu 핵 볼에서는, Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼과 비교하여 낙하 강도가 동일 정도이며, 히트 사이클에 대한 강도가 향상되는 것을 알아내었다.

따라서, 본 발명은 다음과 같다.

(1) 구형의 핵층과, Sn과 Cu로 이루어지는 땜납 합금으로 구성되고, 핵층을 피복하는 땜납층을 구비한 Cu 핵 볼이며, 핵층은, Cu의 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하이고, Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량이 1ppm 이상이며, U의 함유량이 5ppb 이하이고, Th의 함유량이 5ppb 이하이며, 진구도가 0.95 이상이고, 방사되는 α선량이 0.0200cph/㎠ 이하이며, 땜납층은, U의 함유량이 5ppb 이하이고, Th의 함유량이 5ppb 이하이며, Cu 핵 볼로부터 방사되는 α선량이 0.0200cph/㎠ 이하인 Cu 핵 볼.

(2) 땜납층은, Cu를 0.1％ 이상 3.0％ 이하로 포함하고, 잔부가 Sn과 불순물로 구성되는, 상기 (1)에 기재된 Cu 핵 볼.

(3) Ni 및 Co로부터 선택되는 1 원소 이상으로 이루어지는 층으로 피복된 상기 핵층이, 상기 땜납층으로 피복되는, 상기 (2)에 기재된 Cu 핵 볼.

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(5) 상기 (1)∼상기 (3) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 볼을 사용한 땜납 페이스트.

(6) 상기 (1)∼상기 (3) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 볼을 사용한 폼 땜납.

(7) 상기 (1)∼상기 (3) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 볼을 사용한 납땜 조인트.

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본 발명에서는, 낙하 강도, 히트 사이클에 대한 강도 모두, 필요로 하는 소정의 강도를 얻을 수 있다. Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼에서는, Ag를 포함하는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼과 비교하여, 히트 사이클에 대한 강도가 저하되어 있었지만, 본 발명에서는, Ag를 포함하는 땜납 합금으로 제작된 Cu 핵 볼과 비교하여, 필요로 하는 낙하 강도가 얻어지는 것 외에, 히트 사이클에 대한 강도가 향상된다.

도 1은 본 실시 형태의 Cu 핵 볼의 모식적인 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태의 Cu 핵 컬럼의 모식적인 구조를 도시하는 측단면도이다.
도 3은 본 실시 형태의 Cu 핵 컬럼의 모식적인 구조를 도시하는 평면 단면도이다.

본 발명을 Cu 핵 볼에 적용한 경우에 대해 이하에 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서에 있어서, Cu 핵 볼의 조성에 관한 단위(ppm, ppb, 및 ％)는, 특별히 지정하지 않는 한 질량에 대한 비율(질량ppm, 질량ppb, 및 질량％)을 나타낸다.

도 1은, 본 실시 형태의 Cu 핵 볼의 모식적인 구조를 도시하는 단면도이다. 본 실시 형태의 Cu 핵 볼(1)은, Cu 볼(2)과, Cu 볼을 피복하는 땜납층(3)으로 구성된다.

땜납층(3)은, Cu의 첨가량을 0.1％ 이상 3.0％ 이하로 하고, 잔부를 Sn으로 한 Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 구성되고, Cu 볼(2)의 표면에 땜납 도금을 행함으로써 땜납층(3)이 형성된다. Cu 볼(2)은, Cu, 혹은 Cu를 50％ 이상 포함하는 Cu 합금으로 구성된다.

Cu 핵 볼(1)은, Cu 볼(2)과 땜납층(3) 사이에, 확산 방지층(4)이 형성된다. 확산 방지층(4)은, Ni, 혹은 Co 등으로부터 선택되는 1 원소 이상으로 구성되고, Cu 볼(2)을 구성하는 Cu가 땜납층(3)으로 확산되는 것을 방지한다.

Cu 볼(2)의 표면에, Cu의 첨가량을 0.1％ 이상 3.0％ 이하로 하고, 잔부를 Sn으로 한 Ag를 포함하지 않는 조성의 땜납 합금으로 땜납층(3)이 형성된 Cu 핵 볼(1)에서는, 접합 대상물이 Cu층의 표면에 프리플럭스 처리가 실시된 Cu-OSP 기판이라도, Cu층의 표면에 전해 Ni/Au 도금이 실시된 전해 Ni/Au 도금 기판이라도, 낙하 등의 충격에 대한 강도 및 히트 사이클이라고 칭해지는 온도 변화에 의한 신축에 대한 강도 모두, 필요로 하는 소정의 강도를 얻을 수 있다.

Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼에서는, Ag를 포함하는 땜납 합금으로 제작된 땜납 볼과 비교하여, 히트 사이클에 대한 강도가 저하된다. 본 실시 형태의 Cu 핵 볼(1)에서는, 땜납층(3)이 Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 형성되어 있지만, Ag를 포함하는 땜납 합금으로 제작된 Cu 핵 볼과 비교하여, 필요로 하는 낙하 강도가 얻어지는 것 외에, 히트 사이클에 대한 강도가 향상된다.

Cu 핵 볼(1)을 이용한 땜납 범프에서는, 반도체 패키지의 중량이 땜납 범프에 가해져도, 땜납 합금의 융점에서는 용융되지 않는 Cu 볼에 의해 반도체 패키지를 지지할 수 있다. 따라서, 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 범프가 찌부러지는 일이 없다.

그런데, 전자 부품의 소형화는 고밀도 실장을 가능하게 하지만, 고밀도 실장은 소프트에러라고 하는 문제를 야기시키게 되었다. 소프트에러는 반도체 집적 회로(이하, 「IC」라고 칭함)의 메모리 셀 중에 α선이 진입함으로써 기억 내용이 재기록될 가능성이 있다고 하는 것이다.

α선은, 땜납 합금 중에 불순물로서 포함되는 U, Th, ²¹⁰Po 등의 방사성 동위 원소가 α 붕괴됨으로써 방사된다고 여겨지고 있다. 따라서, 저α선을 실현할 수 있는 조성의 땜납 합금의 개발이 행해지고 있다.

Cu 핵 볼(1)에서는, Cu 볼(2)이 땜납층(3)으로 피복됨으로써, 땜납층(3)을 구성하는 땜납 합금이 저α선을 실현할 수 있으면, Cu 볼(2)로부터 방사되는 α선을 차폐할 수 있다고 생각되지만, Cu 볼(2)에서도 저α선을 실현할 수 있는 조성이 요구된다.

또한, Cu 핵 볼(1)에서는, 진구에 어느 정도 가까운지를 나타내는 진구도가 낮으면, 땜납 범프가 형성될 때, 마운트 시의 유동성 및 땜납량의 균일성이 저하되어 버린다. 이로 인해, 진구도가 높은 Cu 핵 볼(1)이 요망되고 있다.

땜납층(3)의 조성은, Sn을 주성분으로 하는 무연의 땜납 합금이며, 낙하 등의 충격에 대한 강도 및 히트 사이클에 대한 강도의 관점에서 Sn-Cu 합금이다. Cu 핵 볼(1)에서는, 땜납층(3)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 100㎛(편측) 이하이면 충분하다. 일반적으로는 1∼50㎛이면 된다.

땜납층(3)은, Cu 볼(2)이나 도금액을 유동시켜 형성된다. 도금액의 유동에 의해 도금액 중에서 Pb, Bi, Po의 원소가 염을 형성하여 침전된다. 일단 염인 석출물이 형성되면 도금액 중에서 안정적으로 존재한다. 따라서, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)은 석출물이 땜납층(3)에 도입되는 일이 없어, 땜납층(3)에 포함되는 방사성 원소의 함유량을 저감시킬 수 있고, Cu 핵 볼(1) 자체의 α선량을 저감시키는 것이 가능해진다.

이하에, 저α선을 실현하는 땜납층(3)의 조성에 대해 상세하게 서술한다.

·U: 5ppb 이하, Th: 5ppb 이하

U 및 Th는 방사성 원소이며, 소프트에러를 억제하기 위해서는 이들의 함유량을 억제할 필요가 있다. U 및 Th의 함유량은, 땜납층(3)의 α선량을 0.0200cph/㎠ 이하로 하기 위해, 각각 5ppb 이하로 할 필요가 있다. 또한, 현재 또는 장래의 고밀도 실장에서의 소프트에러를 억제하는 관점에서, U 및 Th의 함유량은, 바람직하게는 각각 2ppb 이하이다.

·α선량: 0.0200cph/㎠ 이하

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)의 α선량은 0.0200cph/㎠ 이하이다. 이것은, 전자 부품의 고밀도 실장에 있어서 소프트에러가 문제로 되지 않을 정도의 α선량이다. 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)의 α선량은, Cu 핵 볼(1)을 구성하는 땜납층(3)의 α선량이 0.0200cph/㎠ 이하임으로써 달성된다. 또한, Cu 핵 볼(1)의 α선량은, 후술하는 바와 같이, Cu 볼(2)의 α선량이 0.0200cph/㎠ 이하임으로써도 달성된다.

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)은 높아도 100℃에서 형성되므로, U, Th, ²¹⁰Po, Bi 및 Pb 등의 방사성 원소의 기화에 의해 방사성 원소의 함유량이 저감된다고는 생각하기 어렵다. 그러나, 도금액이나 Cu 볼(2)을 유동시키면서 도금을 행하면, U, Th, Pb, Bi 및 ²¹⁰Po는 도금액 중에서 염을 형성하여 침전된다. 침전된 염은 전기적으로 중성이며, 도금액이 유동하고 있어도 땜납 도금 피막 중으로 혼입되는 일이 없다.

따라서, 땜납 도금 피막 중의 이들의 함유량은 현저하게 저감된다. 따라서, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)은, 이러한 땜납층(3)으로 피복되어 있으므로 낮은 α선량을 나타낸다. α선량은, 가일층의 고밀도 실장에서의 소프트에러를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.0020cph/㎠ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.0010cph/㎠ 이하이다.

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)을 구성하는 땜납층(3)의 순도가 높을수록, 즉, 땜납층(3)에 있어서 불순물의 함유량이 적을수록, 방사성 원소의 함유량이 저감되고, α선량이 저감되므로, 불순물량의 하한값은 특별히 한정되지 않는다. 한편, 상한값은, α선량을 저감시키는 관점에서, 바람직하게는 1000ppm 이하이고, 보다 바람직하게는 100ppm 이하이고, 더욱 바람직하게는 50ppm 이하이고, 특히 바람직하게는 10ppm 이하이다.

또한, 땜납층(3)의 총 불순물량은, 땜납층(3) 중의 Sn 및 Cu 이외의 불순물의 함유량의 합계이다.

땜납층(3)에 포함되는 불순물 중에는, 특히 Bi와 Pb의 함유량이 적은 편이 바람직하다. Bi와 Pb에는 방사성 동위체인 각각 ²¹⁰Bi와 ²¹⁰Pb가 미량으로 포함되어 있다. 따라서, Bi와 Pb의 함유량을 저감시킴으로써, 땜납층(3)의 α선량을 현저하게 저감시킬 수 있다고 생각된다. 땜납층(3)에 있어서의 Bi와 Pb의 함유량은, 바람직하게는 각각 15ppm 이하이고, 더욱 바람직하게는 각각 10ppm 이하이고, 특히 바람직하게는 각각 0ppm이다.

다음으로, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)을 구성하는 Cu 볼(2)의 조성, α선량, 진구도에 대해 상세하게 서술한다.

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)을 구성하는 Cu 볼(2)은, Cu 핵 볼(1)이 땜납 범프에 사용될 때, 솔더링의 온도에서 용융되지 않으므로, 납땜 조인트의 높이 편차를 억제할 수 있다. 따라서, Cu 볼(2)은 진구도가 높고 직경의 편차가 적은 쪽이 바람직하다. 또한, 전술한 바와 같이, Cu 볼(2)의 α선량도 땜납층(3)과 마찬가지로 낮은 것이 바람직하다. 이하에 Cu 볼(2)의 바람직한 양태를 기재한다.

·U: 5ppb 이하, Th: 5ppb 이하

전술한 바와 같이 U 및 Th는 방사성 동위 원소이며, 소프트에러를 억제하기 위해서는 이들의 함유량을 억제할 필요가 있다. U 및 Th의 함유량은, Cu 볼(2)의 α선량을 0.0200cph/㎠ 이하로 하기 위해, 각각 5ppb 이하로 할 필요가 있다. 또한, 현재 또는 장래의 고밀도 실장에서의 소프트에러를 억제하는 관점에서, U 및 Th의 함유량은, 바람직하게는 각각 2ppb 이하이다.

·Cu 볼의 순도: 99.9％ 이상 99.995％ 이하

Cu 볼(2)은 순도가 3N 이상 4N5 이하이다. 즉, Cu 볼(2)은 불순물 원소의 함유량이 50ppm 이상이다. 여기서, Cu 등의 금속 재료의 순도는, 99％를 2N, 99.9％를 3N, 99.99％를 4N, 99.999％를 5N으로 한다. 4N5라 함은, 금속 재료의 순도가 99.995％인 것을 나타낸다.

Cu 볼(2)을 구성하는 Cu의 순도가 이 범위이면, Cu 볼(2)의 진구도가 높아지기 위한 충분한 양의 결정 핵을 용융 Cu 중에 확보할 수 있다. 진구도가 높아지는 이유는 이하와 같이 상세하게 서술된다.

Cu 볼을 제조할 때, 소정 형상의 소편으로 형성된 Cu재는, 가열에 의해 용융되고, 용융 Cu가 표면 장력에 의해 구형으로 되고, 이것이 응고되어 Cu 볼(2)로 된다. 용융 Cu가 액체 상태로부터 응고되는 과정에 있어서, 결정립이 구형의 용융 Cu 중에서 성장한다. 이때, 불순물 원소가 많으면, 이 불순물 원소가 결정 핵으로 되어 결정립의 성장이 억제된다. 따라서, 구형의 용융 Cu는, 성장이 억제된 미세 결정립에 의해 진구도가 높은 Cu 볼(2)로 된다.

한편, 불순물 원소가 적으면, 상대적으로 결정 핵으로 되는 것이 적어, 입성장이 억제되지 않고 어느 방향성을 갖고 성장한다. 이 결과, 구형의 용융 Cu는 표면의 일부분이 돌출되어 응고되어 버린다. 이러한 Cu 볼은, 진구도가 낮다. 불순물 원소로서는, Sn, Sb, Bi, Zn, Fe, Al, As, Ag, In, Cd, Cu, Pb, Au, P, S, U, Th 등이 생각된다.

순도의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, α선량을 억제하고, 순도의 저하에 의한 Cu 볼(2)의 전기 전도나 열전도율의 열화를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 3N 이상이다. 즉, 바람직하게는 Cu를 제외한 Cu 볼(2)의 불순물 원소의 함유량은 1000ppm 미만이다.

·α선량: 0.0200cph/㎠ 이하

Cu 볼(2)의 α선량은 0.0200cph/㎠ 이하이다. 이것은, 전자 부품의 고밀도 실장에 있어서 소프트에러가 문제로 되지 않을 정도의 α선량이다. 본 발명에서는, Cu 볼(2)을 제조하기 위해 통상 행하고 있는 공정에 부가하여 다시 가열 처리를 실시하고 있다. 이로 인해, Cu재에 약간 잔존하는 ²¹⁰Po가 휘발되어, Cu재와 비교하여 Cu 볼(2)의 쪽이 한층 더 낮은 α선량을 나타낸다. α선량은, 가일층의 고밀도 실장에서의 소프트에러를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.0020cph/㎠ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.0010cph/㎠ 이하이다.

·Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량이 1ppm 이상

Cu 볼(2)에 포함되는 불순물 원소로서는, Sn, Sb, Bi, Zn, Fe, Al, As, Ag, In, Cd, Cu, Pb, Au, P, S, U, Th 등이 생각되지만, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)을 구성하는 Cu 볼(2)은, 불순물 원소 중에서도 특히 Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량이 1ppm 이상 불순물 원소로서 함유되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, α선량을 저감시키는 데 있어서 Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 함유량을 극한까지 저감시킬 필요가 없다.

이것은 이하의 이유에 의한다.

²¹⁰Pb는 β 붕괴에 의해 ²¹⁰Bi로 변화되고, ²¹⁰Bi는 β 붕괴에 의해 ²¹⁰Po로 변화되고, ²¹⁰Po는 α 붕괴에 의해 ²⁰⁶Pb로 변화된다. 이로 인해, α선량을 저감시키기 위해서는, 불순물 원소인 Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 함유량도 최대한 낮은 쪽이 바람직하다고도 생각된다.

그러나, Pb에 포함되어 있는 ²¹⁰Pb 및 Bi에 포함되어 있는 ²¹⁰Bi의 함유비는 낮다. 따라서, Pb나 Bi의 함유량이 어느 정도 저감되면, ²¹⁰Pb나 ²¹⁰Bi가, α선량을 전술한 범위로 저감시킬 수 있는 정도로까지 충분히 제거된다고 생각된다. 한편, Cu 볼(2)의 진구도를 높이기 위해서는, 전술한 바와 같이, 불순물 원소의 함유량이 높은 쪽이 좋다. Pb와 Bi 모두, Cu재에 불순물 원소로서 함유됨으로써, Cu 볼(2)의 제조 공정에 있어서의 용융 시에 결정 핵으로 되어, Cu 볼(2)의 진구도를 높일 수 있다. 이로 인해, α선량을 전술한 범위로 저감시킬 수 있는 정도로까지 ²¹⁰Pb 및 ²¹⁰Bi를 제거할 수 있는 양이며, Pb 또는 Bi 중 어느 하나, 혹은 Pb 및 Bi가 함유되는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, Cu 볼(2)은, Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량이 1ppm 이상인 것이 바람직하다.

Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량은, 더욱 바람직하게는 10ppm 이상이다. 상한값은 α선량을 저감시킬 수 있는 범위로 한정되지 않지만, Cu 볼(2)의 전기 전도도의 열화를 억제하는 관점에서, 더욱 바람직하게는 Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량이 1000ppm 미만이다. Pb의 함유량은, 보다 바람직하게는 10ppm∼50ppm이고, Bi의 함유량은, 더욱 바람직하게는 10ppm∼50ppm이다.

·Cu 볼의 진구도: 0.95 이상

Cu 볼(2)의 형상은, 스탠드 오프 높이를 제어하는 관점에서 진구도는 0.95 이상인 것이 바람직하다. Cu 볼(2)의 진구도가 0.95 미만이면 Cu 볼이 부정 형상으로 되므로, 범프 형성 시에 높이가 불균일한 범프가 형성되어, 접합 불량이 발생할 가능성이 높아진다. 진구도는, 더욱 바람직하게는 0.990 이상이다. 본 발명에 있어서, 진구도라 함은 진구로부터의 어긋남을 나타낸다. 진구도는, 예를 들어 최소 제곱 중심법(LSC법), 최소 영역 중심법(MZC법), 최대 내접 중심법(MIC법), 최소 외접 중심법(MCC법) 등 다양한 방법으로 구해진다. 상세하게는, 진구도라 함은, 500개의 각 Cu 볼(2)의 직경을 긴 직경으로 나누었을 때에 산출되는 산술 평균값이며, 값이 상한인 1.00에 가까울수록 진구에 가까운 것을 나타낸다. 본 발명에서의 긴 직경의 길이, 및 직경의 길이라 함은, 미쯔토요사제의 울트라 퀵 비전, ULTRA QV350-PRO 측정 장치에 의해 측정된 길이를 말한다.

·Cu 볼의 직경: 1∼1000㎛

Cu 볼(2)의 직경은 1∼1000㎛인 것이 바람직하다. 이 범위에 있으면, 구형의 Cu 볼(2)을 안정적으로 제조할 수 있고, 또한 단자 사이가 협소 피치인 경우의 접속 단락을 억제할 수 있다.

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)의 적용예에 대해 설명하면, Cu 핵 볼(1)은, 땜납 분말과, Cu 핵 볼(1)과, 플럭스가 혼련된 땜납 페이스트에 사용된다. 여기서, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)이 땜납 페이스트에 사용되는 경우, 「Cu 핵 볼」은 「Cu 핵 파우더」라고 칭해져도 된다.

「Cu 핵 파우더」는, 상술한 특성을 개개의 Cu 핵 볼(1)이 구비한, 다수의 Cu 핵 볼(1)의 집합체이다. 예를 들어, 땜납 페이스트 중의 분말로서 배합되는 등, 단일의 Cu 핵 볼과는 사용 형태에 있어서 구별된다. 마찬가지로, 땜납 범프의 형성에 사용되는 경우에도, 집합체로서 통상 취급되므로, 그러한 형태로 사용되는 「Cu 핵 파우더」는 단일의 Cu 핵 볼과는 구별된다. 「Cu 핵 볼」이 「Cu 핵 파우더」라고 칭해지는 형태로 사용되는 경우, 일반적으로, Cu 핵 볼의 직경은 1∼300㎛이다.

또한, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)은, Cu 핵 볼(1)이 땜납 중에 분산되어 있는 폼 땜납에 사용된다. 땜납 페이스트 및 폼 땜납에서는, 예를 들어 조성이 Sn-3Ag-0.5Cu(각 수치는 질량％)인 땜납 합금이 사용된다. 또한, 본 발명은 이 땜납 합금에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)은, 전자 부품의 납땜 조인트에 사용된다. 또한, 본 발명은, Cu를 핵으로 한 컬럼, 필러나 펠릿의 형태로 응용되어도 된다.

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)의 제조 방법의 일례를 설명한다.

재료로 되는 Cu재는 세라믹과 같은 내열성의 판인 내열판에 놓이고, 내열판과 함께 노 중에서 가열된다. 내열판에는 저부가 반구 형상으로 된 다수의 원형의 홈이 형성되어 있다. 홈의 직경이나 깊이는, Cu 볼의 입경에 따라서 적절하게 설정되어 있고, 예를 들어 직경이 0.8㎜이고, 깊이가 0.88㎜이다. 또한, Cu 세선이 절단되어 얻어진 칩 형상의 Cu재(이하, 「칩재」라고 함)는, 내열판의 홈 내에 1개씩 투입된다.

홈 내에 칩재가 투입된 내열판은, 암모니아 분해 가스가 충전된 노 내에서 1100∼1300℃로 승온되고, 30∼60분간 가열 처리가 행해진다. 이때 노내 온도가 Cu의 융점 이상으로 되면 칩재는 용융되어 구형으로 된다. 그 후, 노내가 냉각되어, 내열판의 홈 내에서 Cu 볼(2)이 성형된다. 냉각 후, 성형된 Cu 볼(2)은 Cu의 융점 미만의 온도인 800∼1000℃에서 다시 가열 처리가 행해진다.

또한, 다른 방법으로서는, 도가니의 저부에 설치된 오리피스로부터 용융 Cu의 액적이 적하되고, 이 액적이 냉각되어 Cu 볼(2)이 조립되는 아토마이즈법이나, 열 플라즈마가 Cu 컷 메탈을 1000℃ 이상으로 가열하여 조립하는 방법이 있다. 이와 같이 조립된 Cu 볼(2)은, 각각 800∼1000℃의 온도에서 30∼60분간 재가열 처리가 실시되어도 된다.

본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)의 제조 방법에서는, Cu 볼(2)을 조립하기 전에 Cu 볼(2)의 원료인 Cu재를 800∼1000℃에서 가열 처리해도 된다.

Cu 볼(2)의 원료인 Cu재로서는, 예를 들어 펠릿, 와이어, 필러 등을 사용할 수 있다. Cu재의 순도는, Cu 볼의 순도를 지나치게 낮추지 않도록 하는 관점에서 99.9∼99.99％이면 된다.

또한 고순도의 Cu재를 사용하는 경우에는, 전술한 가열 처리를 행하지 않고, 용융 Cu의 유지 온도를 종래와 마찬가지로 1000℃ 정도로 낮추어도 된다. 이와 같이, 전술한 가열 처리는 Cu재의 순도나 α선량에 따라서 적절하게 생략이나 변경되어도 된다. 또한, α선량이 높은 Cu 볼이나 이형의 Cu 볼이 제조된 경우에는, 이들 Cu 볼이 원료로서 재이용되는 것도 가능하여, α선량을 더욱 저하시킬 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 하여 제작된 Cu 볼(2)이나 도금액을 유동시켜 Cu 볼(2)에 땜납층(3)을 형성하는 방법으로서는, 공지의 배럴 도금 등의 전해 도금법, 도금조에 접속된 펌프가 도금조 중에 도금액에 고속 난류를 발생시켜, 도금액의 난류에 의해 Cu 볼(2)에 도금 피막을 형성하는 방법, 도금조에 진동판을 설치하여 소정의 주파수로 진동시킴으로써 도금액이 고속 난류 교반되고, 도금액의 난류에 의해 Cu 볼(2)에 도금 피막을 형성하는 방법 등이 있다.

직경 100㎛의 Cu 볼에 막 두께(편측) 2㎛의 Ni 도금을 피복하고, 또한 Ni 도금 상에 18㎛의 Sn-Cu 땜납 도금 피막을 형성하여, 직경 약 140㎛의 Cu 핵 볼로 하는 것을 일례로서 설명한다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 Sn-Cu 함유 도금액은, 물을 주체로 하는 매체에, 술폰산류 및 금속 성분으로서 Sn 및 Cu를 필수 성분으로서 함유하고 있다.

금속 성분은 도금액 중에서 Sn 이온(Sn²⁺ 및/또는 Sn⁴⁺) 및 Cu 이온(Cu⁺ 및/또는 Cu²⁺)으로서 존재하고 있다. 도금액은, 주로 물과 술폰산류로 이루어지는 도금 모액과 금속 화합물을 혼합함으로써 얻어지고, 금속 이온의 안정성을 위해, 바람직하게는 유기 착화제를 함유한다.

도금액 중의 금속 화합물로서는, 예를 들어 이하의 것을 예시할 수 있다.

Sn 화합물의 구체예로서는, 메탄술폰산, 에탄술폰산, 2-프로판올술폰산, p-페놀술폰산 등의 유기 술폰산의 주석염, 황산 주석, 산화 주석, 질산 주석, 염화 주석, 브롬화 주석, 요오드화 주석, 인산 주석, 피로인산 주석, 아세트산 주석, 포름산 주석, 시트르산 주석, 글루콘산 주석, 타르타르산 주석, 락트산 주석, 숙신산 주석, 설파제산 주석, 붕불화 주석, 규불화 주석 등의 제1 Sn 화합물을 들 수 있다. 이들 Sn 화합물은, 1종 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

Cu 화합물로서는, 상기 유기 술폰산의 구리염, 황산 구리, 산화 구리, 질산 구리, 염화 구리, 브롬화 구리, 요오드화 구리, 인산 구리, 피로인산 구리, 아세트산 구리, 포름산 구리, 시트르산 구리, 글루콘산 구리, 타르타르산 구리, 락트산 구리, 숙신산 구리, 설파제산 구리, 붕불화 구리, 규불화 구리 등을 들 수 있다. 이들 Cu 화합물은, 1종 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

또한, 직경 104㎛의 Ni 도금을 피복한 Cu 볼에 막 두께(편측) 18㎛의 Sn-Cu 땜납 도금 피막을 형성하는 경우, 약 0.0101쿨롱의 전기량을 필요로 한다.

도금액 중의 각 금속의 배합량은, Sn^{2 +}로서 0.05∼2mol/L, 바람직하게는 0.25∼1mol/L, Cu로서 0.002∼0.02mol/L, 바람직하게는 0.003∼0.01mol/L이다. 여기서, 도금에 관여하는 것은 Sn²⁺이므로, 본 발명에서는 Sn²⁺의 양을 조정하면 된다.

또한, 패러데이의 전기 분해 법칙에 의해 하기 식(1)에 의해 원하는 땜납 도금의 석출량을 어림하여, 전기량을 산출하여, 산출한 전기량으로 되도록 전류를 도금액에 통전하고, Cu 볼 및 도금액을 유동시키면서 도금 처리를 행한다. 도금조의 용량은 Cu 볼 및 도금액의 총 투입량에 따라서 결정할 수 있다.

식(1) 중, w는 전해 석출량(g), I는 전류(A), t는 통전 시간(초), M은 석출되는 원소의 원자량(Sn의 경우, 118.71), Z는 원자가(Sn의 경우는 2가), F는 패러데이 상수(96500쿨롱)이고, 전기량 Q(A·초)는 (I×t)로 나타내어진다.

본 발명에서는, Cu 볼 및 도금액을 유동시키면서 도금을 행하지만, 유동시키는 방법에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 배럴 전해 도금법과 같이 배럴의 회전으로부터 Cu 볼 및 도금액을 유동시킬 수 있다.

도금 처리 후, 대기 중이나 N₂ 분위기 중에서 건조시켜 본 발명에 관한 Cu 핵 볼을 얻을 수 있다.

실시예

이하에 본 발명의 Cu 핵 볼(1)의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

<낙하 강도 및 히트 사이클 시험>

Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 땜납층이 형성된 Cu 핵 볼과, Ag를 포함하는 땜납 합금으로 땜납층이 형성된 Cu 핵 볼과, Ag를 포함하지 않는 땜납 합금으로 형성된 땜납 볼과, Ag를 포함하는 땜납 합금으로 형성된 땜납 볼을 제작하고, 낙하 등의 충격에 대한 강도를 측정하는 낙하 강도 시험과, 히트 사이클에 의한 신축에 대한 강도를 측정하는 히트 사이클 시험을 행하였다.

도 1에 도시하는 바와 같은 Cu 핵 볼(1)로서, 실시예 1에서는, 직경이 300㎛인 Cu 핵 볼(1)을 제작하였다. 실시예 1의 Cu 핵 볼(1)은, 직경이 250㎛인 Cu 볼(2)에, 막 두께가 편측에서 2㎛인 확산 방지층(4)을 Ni로 형성하고, 땜납층(3)을 Sn-Cu 합금으로 형성하였다. Sn-Cu 합금의 조성은 Sn-0.7Cu로 하고, 땜납층(3)에 있어서의 Cu의 첨가량을 0.7％로 하였다.

비교예로서, 비교예 1에서는, 땜납층을 Sn-Ag-Cu 합금으로 형성한 Cu 핵 볼을 제작하였다. Sn-Ag-Cu 합금의 조성은, Sn-1.0Ag-0.7Cu로 하였다. 비교예 2에서는, 실시예 1과 동일한 조성의 Sn-Cu 합금으로 땜납 볼을 제작하였다. 비교예 3에서는, 비교예 1과 동일한 조성의 Sn-Ag-Cu 합금으로 땜납 볼을 제작하였다.

히트 사이클 시험은, 전술한 실시예와 각 비교예의 Cu 핵 볼과 땜납 볼을 사용하여, 15개의 반도체 패키지 기판(PKG)을 1매의 프린트 배선판(PCB) 상에 접합하고, 평가 기판을 제작하였다. 프린트 배선판은, Cu층의 표면에 프리플럭스 처리를 실시한 사이즈 174㎜×120㎜, 두께 0.8㎜의 Cu-OSP 기판을 사용하였다. 반도체 패키지 기판은, 사이즈 12×12㎜의 Cu-OSP 기판을 사용하였다.

낙하 강도 시험은, 전술한 실시예와 각 비교예의 Cu 핵 볼과 땜납 볼을 사용하여, 3개의 반도체 패키지 기판을 1매의 프린트 배선판 상에 접합하고, 평가 기판을 제작하였다. 프린트 배선판은, Cu층의 표면에 프리플럭스 처리를 실시한 사이즈 30×120㎜, 두께 0.8㎜의 Cu-OSP 기판을 사용하였다. 반도체 패키지 기판은, Cu-OSP 기판을 사용하였다.

히트 사이클 시험 및 낙하 강도 시험에 사용하는 반도체 패키지 기판에는, 막 두께가 15㎛인 레지스트막을 형성하고, 레지스트막에 개구 직경이 240㎛인 개구부를 형성하여, 리플로우로에서 실시예 혹은 비교예의 Cu 핵 볼 혹은 땜납 볼을 접합하였다. 리플로우 조건으로서는, 히트 사이클 시험과 낙하 강도 시험 모두 N₂ 분위기에서 피크 온도를 245℃로 하고, 예비 가열을 140∼160℃에서 20초, 본 가열을 220℃ 이상에서 40초 행하였다.

이와 같이 Cu 핵 볼 혹은 땜납 볼이 접합된 반도체 패키지 기판을, 히트 사이클 시험용의 프린트 배선판과 낙하 강도 시험용의 프린트 배선판에 각각 실장하였다. 프린트 배선판에는, 히트 사이클 시험용과 낙하 강도 시험용 모두 땜납 합금의 조성이 Sn-3.0Ag-0.5Cu인 솔더 페이스트를, 두께를 100㎛, 직경을 240㎛로 하여 인쇄하고, 실시예 혹은 비교예의 Cu 핵 볼 혹은 땜납 볼이 접합된 반도체 패키지 기판을, 리플로우로에서 프린트 배선판에 접속하였다. 리플로우 조건으로서는, 대기에서 피크 온도를 245℃로 하고, 예비 가열을 140∼160℃에서 70초, 본 가열을 220℃ 이상에서 40초 행하였다.

낙하 강도 시험에서는, 제작한 평가 기판을 받침대로부터 10㎜ 띄운 위치에 전용 지그를 사용하여 기판 양단부를 고정시켰다. JEDEC 규격에 준하여, 가속도 1500G의 충격을 반복하여 가하여, 초기 저항값으로부터 1.5배 상승한 시점을 파단으로 간주하고, 낙하 횟수를 기록하였다.

히트 사이클 시험은, 제작한 평가 기판을 직렬 회로에 의해 저항을 상시 측정하였다. 에스펙제 냉열 충격 장치 TSA101LA를 사용하여 -40℃와 +125℃에서 각각 10분씩 유지하는 처리를 1 사이클로 하고, 저항값이 15Ω을 초과한 시점을 파단으로 간주하고, 프린트 배선판 상의 15개의 반도체 패키지 기판의 땜납 접합부 전부가 파괴되었을 때의 열 피로 사이클 횟수를 기록하였다. 1개의 조성에 대해, 10세트의 평가 기판을 제작하여 10회의 시험을 행하고, 그 평균값을 결과로 하였다.

반도체 패키지 기판이, Cu층의 표면에 프리플럭스 처리를 실시한 Cu-OSP 기판인 경우의 시험 결과를 표 1에 나타낸다.

반도체 패키지 기판이, Cu층의 표면에 프리플럭스 처리를 실시한 Cu-OSP 기판인 경우, 표 1에 나타내는 바와 같이, 땜납층을 Sn-Cu 합금으로 형성한 실시예 1의 Cu 핵 볼에서는, 낙하 강도가 향상됨과 함께, 히트 사이클에 대한 강도도, 필요로 하는 1500회를 초과하는 값이 얻어졌다.

반도체 패키지 기판이 Cu-OSP 기판인 경우, 땜납층을 Sn-Ag-Cu 합금으로 형성한 비교예 1의 Cu 핵 볼에서는, 낙하 강도는 소정의 강도를 얻을 수 있지만, 히트 사이클에 대한 강도의 저하가 보였다.

반도체 패키지 기판이 Cu-OSP 기판인 경우, Sn-Cu 합금으로 형성한 비교예 2의 땜납 볼에서는, 낙하 강도는 향상되지만, 히트 사이클에 대해 강도의 저하가 보였다. Sn-Ag-Cu 합금으로 형성한 비교예 3의 땜납 볼에서는, 낙하 강도, 히트 사이클에 대한 강도 모두, 필요로 하는 값은 얻어졌다.

이와 같이, 실시예 1의 Cu 핵 볼에서는, 접합 대상물이 Cu-OSP 기판인 경우, 충분한 낙하 강도 및 히트 사이클에 대한 강도가 얻어졌다.

여기서, 실시예 1의 Cu 핵 볼에 있어서, 땜납층에 있어서의 Cu의 첨가량을 0.1％ 이상 3.0％ 이하의 범위에서 낙하 강도 시험, 히트 사이클 시험을 행한 바, 낙하 강도, 히트 사이클에 대한 강도 모두, 필요로 하는 이상의 값이 얻어졌다. 단, Cu의 첨가량을 3.0％ 정도로 하면, 땜납 합금의 융점이 높아진다. 따라서, Sn-Cu 합금으로 형성되는 땜납층에 있어서의 Cu의 첨가량은, 0.1％ 이상 2.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

<α선량의 측정>

다음으로, 진구도가 높은 Cu 볼을 제작하고, 이 Cu 볼의 표면에 땜납층을 형성한 Cu 핵 볼의 α선량을 측정하였다.

·Cu 볼의 제작

진구도가 높은 Cu 볼의 제작 조건을 조사하였다. 순도가 99.9％인 Cu 펠릿, 순도가 99.995％ 이하인 Cu 와이어, 및 순도가 99.995％를 초과하는 Cu판을 준비하였다. 각각을 도가니 안에 투입한 후, 도가니의 온도를 1200℃로 승온하고, 45분간 가열 처리를 행하여, 도가니 저부에 형성한 오리피스로부터 용융 Cu의 액적을 적하하고, 액적을 냉각하여 Cu 볼을 조립하였다. 이에 의해 평균 입경이 250㎛인 Cu 볼을 제작하였다. 제작한 Cu 볼의 원소 분석 결과 및 진구도를 표 2에 나타낸다.

·진구도

이하에, 진구도의 측정 방법을 상세하게 서술한다. 진구도는 CNC 화상 측정 시스템에 의해 측정되었다. 장치는, 미쯔토요사제의 울트라 퀵 비전, ULTRA QV350-PRO이다.

·α선량

α선량의 측정 방법은 이하와 같다. α선량의 측정에는 가스 플로우 비례 계수기의 α선 측정 장치를 사용하였다. 측정 샘플은 300㎜×300㎜의 평면 깊이가 얕은 용기에 Cu 볼을 깐 것이다. 이 측정 샘플을 α선 측정 장치 내에 넣고, PR-10 가스 플로우에서 24시간 방치한 후, α선량을 측정하였다.

또한, 측정에 사용한 PR-10 가스(아르곤 90％－메탄 10％)는, PR-10 가스를 가스 봄베에 충전하고 나서 3주일 이상 경과한 것이다. 3주일 이상 경과한 봄베를 사용한 것은, 가스 봄베에 진입하는 대기 중의 라돈에 의해 α선이 발생하지 않도록, JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)에서 정해진 α선 측정 방법의 지침에 따랐기 때문이다.

제작한 Cu 볼의 원소 분석 결과, α선량을 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 순도가 99.9％인 Cu 펠릿 및 99.995％ 이하인 Cu 와이어를 사용한 Cu 볼은, 모두 진구도가 0.990 이상을 나타냈다. 한편, 표 2에 나타내는 바와 같이, 순도가 99.995％를 초과하는 Cu판을 사용한 Cu 볼은, 진구도가 0.95를 하회하였다. 이로 인해, 이하에 나타내는 실시예 및 비교예에서는, 모두 99.995％ 이하의 Cu 와이어로 제조한 Cu 볼을 사용하여 Cu 핵 볼을 제작하였다.

순도 99.995％ 이하의 Cu 와이어로 제조한 Cu 볼에 대해, 이하의 조건에서 Sn 땜납 도금 피막을 형성하여, 실시예 2의 Cu 핵 볼을 제작하였다.

실시예 2의 Cu 핵 볼은, 직경 250㎛의 Cu 볼에 막 두께(편측)가 50㎛인 땜납층이 피복되도록, 전기량을 약 0.17쿨롱으로 하여 이하의 도금액을 사용하여 도금 처리를 행하였다. 땜납 도금 피막으로 피복된 Cu 핵 볼의 단면을 SEM 사진에 의해 관찰한 바, 막 두께는 약 50㎛였다. 처리 후, 대기 중에서 건조시켜, Cu 핵 볼을 얻었다.

땜납 도금액은, 다음과 같이 제작하였다. 교반 용기에 도금액 조정에 필요한 물의 1/3에, 54중량％의 메탄 술폰산 수용액의 전용을 넣어 부수로 하였다. 다음으로, 착화제인 머캅탄 화합물의 일례인 아세틸시스테인을 넣고 용해 확인 후, 다른 착화제인 방향족 아미노 화합물의 일례인 2,2'-디티오디아닐린을 넣었다. 옅은 물색의 겔상의 액체로 되면 신속하게 메탄 술폰산 제1 주석을 넣었다. 다음으로 도금액에 필요한 물의 2/3을 첨가하고, 마지막으로 계면 활성제의 일례인 α-나프톨폴리에톡시레이트(EO 10몰) 3g/L을 넣고, 도금액의 조정은 종료하였다. 도금액 중의 메탄술폰산의 농도가 2.64mol/L, 주석 이온 농도가 0.337mol/L인 도금액을 제작하였다.

본 예에서 사용한 메탄술폰산 제1 주석은, 하기 Sn 시트재를 원료로 하여 조제한 것이다.

땜납 도금액의 원료인 Sn 시트재의 원소 분석 및 Cu 핵 볼의 표면에 형성된 땜납 도금 피막의 원소 분석은, U 및 Th에 대해서는 고주파 유도 결합 질량 분석(ICP-MS분석), 그 밖의 원소에 대해서는 고주파 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석(ICP-AES 분석)에 의해 행해졌다. Sn 시트재의 α선량은, 300㎜×300㎜의 평면 깊이가 얕은 용기에 Sn 시트재를 깐 것 이외에 Cu 볼과 마찬가지로 측정되었다. Cu 핵 볼의 α선량은, 전술한 Cu 볼과 마찬가지로 측정되었다. 또한 Cu 핵 볼의 진구도에 대해서도 Cu 볼과 동일 조건에서 측정을 행하였다. 이들 측정 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 비교예로서, Sn 시트재의 α선량을 측정하였다.

표 3에 의하면, Sn 시트재의 단계에서는 α선량은 0.2000cph/㎠를 초과하고 있지만, 당해 Sn 시트재를 사용하여, Cu 볼에 Sn-Cu 합금으로 땜납층을 형성한 실시예 2에서는, α선량은 0.0010cph/㎠ 미만을 나타냈다. 실시예 2의 Cu 핵 볼은, 도금법에 의해 땜납 도금 피막을 형성함으로써 α선량이 저감되는 것이 입증되었다.

또한 실시예 2의 Cu 핵 볼은 제작 후 2년을 경과해도 α선량의 상승은 보이지 않았다.

또한, 이상은 본 발명에 관한 Cu 핵 볼에 대해 설명을 하였지만, 본 발명의 형상은 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 범프가 찌부러지는 것을 방지한다고 하는 목적을 달성할 수 있으면 볼 형상에 한정되는 일은 없고 상술한 Cu 핵 컬럼에도 적용할 수 있다. 구체적으로는 원기둥이나, 삼각 기둥이나 사각 기둥 등의 기판에 직접 접하는 상하면이 3변 이상으로 구성되어 있는 기둥체를 적용해도 된다. 핵으로 되는 Cu 컬럼은 공지의 방법으로 형성할 수 있고, Cu 컬럼의 표면을 피복하는 도금도 상술한 Cu 핵 볼에서 사용한 방법으로 도금 피복을 형성할 수 있다.

도 2는, 본 실시 형태의 Cu 핵 컬럼의 모식적인 구조를 도시하는 측단면도, 도 3은 본 실시 형태의 Cu 핵 컬럼의 모식적인 구조를 도시하는 평면 단면도이다. 본 실시 형태의 Cu 핵 컬럼(5)은, Cu 컬럼(6)과, Cu 컬럼(6)을 피복하는 땜납층(7)으로 구성된다.

본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)을 구성하는 Cu 컬럼(6)의 상면 및 저면의 직경은 1∼1000㎛인 것이 바람직하고, 특히 파인 피치에 사용하는 경우는 1∼300μ가 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1∼200㎛이고, 가장 바람직한 것은 1∼100㎛이다. 그리고 Cu 컬럼(6)의 높이 L은 1∼3000㎛인 것이 바람직하고, 특히 파인 피치에 사용하는 경우는 1∼300μ가 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1∼200㎛이고, 가장 바람직한 것은 1∼100㎛이다. Cu 컬럼(6)의 직경 및 높이 L이 상기 범위인 경우, 단자 사이를 협소 피치로 한 실장이 가능해지므로, 접속 단락을 억제할 수 있음과 함께 반도체 패키지의 소형화 및 고집적화를 도모할 수 있다.

상기 Cu 컬럼(6)의 크기 이외의 본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)을 구성하는 Cu 컬럼(6)의 순도나 α선량, 함유하는 불순물 등의 바람직한 조건은, 본 발명에 관한 Cu 볼(2)의 조건과 동일하다. 또한, Cu 컬럼(6)에서는, 진구도가 요구되지 않음으로써, 순도가 4N5 이하, 즉, 불순물 원소의 함유량을 50ppm 이상으로 할 필요는 없다. 단, α선량을 저감시킬 수 있는 범위이면, 불순물의 함유량을 극한까지 저감시킬 필요는 없고, α선량을 저감시키는 데 있어서 U 및 Th의 함유량을 소정값 이하로 하면, Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 함유량을 극한까지 저감시킬 필요가 없다. 불순물의 함유량을 극한까지 저감시키지 않아도, 낙하 강도 및 히트 사이클 강도에 영향은 없다.

또한 본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)을 구성하는 땜납층(7)의 땜납 조성이나 α선량, 함유하는 불순물 등의 바람직한 조건은, 본 발명에 관한 땜납층(3)의 조건과 동일하다.

또한, 본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)의 α선량 등의 바람직한 조건은, 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(1)의 조건과 동일하다.

본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)은, Cu 컬럼(6)과 땜납층(7) 사이에 확산 방지층(8)이 형성되어도 된다. 확산 방지층(8)은, Ni, 혹은 Co 등으로부터 선택되는 1 원소 이상으로 구성되고, Cu 컬럼(6)을 구성하는 Cu가 땜납층(7)으로 확산되는 것을 방지한다.

본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)은, 적층되는 반도체 칩 사이의 전극을 접속하기 위한 실리콘 관통 전극(through-silicon via: TSV)에 사용할 수도 있다. TSV는, 실리콘에 에칭으로 구멍을 뚫고, 구멍 안에 절연층, 그 위로부터 관통 도전체의 순으로 형성하고, 실리콘의 상하면을 연마하여, 관통 도전체를 상하면에서 노출시켜 제조된다. 이 공정 중 관통 도전체는, 종래, Cu 등을 도금법에 의해 구멍 안에 충전하여 형성하는 방법이 채용되어 있지만, 이 방법에서는, 실리콘 전체면을 도금액에 침지시키는 것이므로, 불순물의 흡착이나 흡습의 우려가 있다. 따라서 본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)을 직접, 실리콘에 형성된 구멍에 높이 방향으로 삽입하여, 관통 도전체로서 사용할 수 있다. Cu 핵 컬럼(5)을 실리콘에 삽입할 때에는, 땜납 페이스트 등의 땜납 재료에 의해 접합하도록 해도 되고, 또한 Cu 핵 컬럼(5)을 실리콘에 삽입할 때에는, 플럭스만으로 접합시킬 수도 있다. 이에 의해 불순물의 흡착이나 흡습 등의 불량을 방지할 수 있고, 도금 공정을 생략함으로써, 제조 비용이나 제조 시간도 삭감할 수 있다.

상술한 본 발명에 관한 Cu 핵 컬럼(5)은, 땜납 컬럼과 동등 이상의 낙하 강도 및 히트 사이클에 대한 강도를 얻을 수 있다.

Claims (12)

1. 구형의 핵층과,
   Sn과 Cu로 이루어지는 땜납 합금으로 구성되고, 상기 핵층을 피복하는 땜납층을 구비한 Cu 핵 볼이며,
   상기 핵층은,
   Cu의 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하이고,
   Pb 또는 Bi 중 어느 하나의 함유량, 혹은 Pb 및 Bi의 합계의 함유량이 1ppm 이상이며,
   U의 함유량이 5ppb 이하이고,
   Th의 함유량이 5ppb 이하이며,
   진구도가 0.95 이상이고,
   방사되는 α선량이 0.0200cph/㎠ 이하이며,
   상기 땜납층은,
   U의 함유량이 5ppb 이하이고,
   Th의 함유량이 5ppb 이하이며,
   Cu 핵 볼로부터 방사되는 α선량이 0.0200cph/㎠ 이하이고,
   상기 땜납층은, Cu를 0.1％ 이상 3.0％ 이하로 포함하고, 잔부가 Sn과 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는, Cu 핵 볼.
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3. 제1항에 있어서,
   Ni 및 Co로부터 선택되는 1 원소 이상으로 이루어지는 층으로 피복된 상기 핵층이, 상기 땜납층으로 피복되는 것을 특징으로 하는, Cu 핵 볼.
4. 제1항 또는 제3항에 기재된 Cu 핵 볼을 사용한 것을 특징으로 하는, 땜납 페이스트.
5. 제1항 또는 제3항에 기재된 Cu 핵 볼을 사용한 것을 특징으로 하는, 폼 땜납.
6. 제1항 또는 제3항에 기재된 Cu 핵 볼을 사용한 것을 특징으로 하는, 납땜 조인트.
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