KR101890085B1 - 패키지의 제조 방법 및 해당 방법에 의해 제조되는 패키지 - Google Patents

패키지의 제조 방법 및 해당 방법에 의해 제조되는 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 밀봉재가 형성된 한 쌍의 기판을 중첩해서 접합함으로써, 상기 밀봉재에 의해 포위된 밀봉 영역의 내부를 기밀 밀봉하는 공정을 포함하는 패키지의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는, 밀봉재로서, 순도가 99.9중량％ 이상이며, 평균 입경이 0.005㎛ 내지 1.0㎛인 금, 은, 팔라듐, 백금에서 선택되는 1종 이상의 금속 분말을 소결하여 이루어지는 소결체로 형성된 것을 사용하고, 기판 상에, 단면 형상에 있어서 상기 밀봉재의 폭보다도 좁은 폭을 갖고, 주위로부터 돌출되는 코어재가 적어도 하나 형성되어 있고, 상기 한 쌍의 기판을 접합할 때, 상기 코어재가 상기 밀봉재를 압축해서 밀봉 효과를 발휘하도록 되어 있다. 이에 의해, 기판에의 가압력을 저감하면서 충분한 밀봉 효과를 발휘시킬 수 있다.

Description

패키지의 제조 방법 및 해당 방법에 의해 제조되는 패키지
본 발명은, 전자 기기 등의 각종 디바이스의 기밀 밀봉 패키지의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 기판 상에 복수의 밀봉 영역을 형성하는 웨이퍼 레벨 패키지의 제조에 있어서 유용한 방법에 관한 것이다.
MEMS 소자 등의 전자 기기에 사용되는 각종 기능 디바이스는, 감응부나 구동부를 갖는 섬세한 부품이며, 파티클 등의 부착에 의한 기능 저하를 방지하기 위해서 기밀 밀봉되어 패키지화된 것이 많다. 이러한 기밀 밀봉 패키지는, 반도체 소자가 적재되는 한쪽의 기판과, 다른 쪽의 기판(경우에 따라 캡, 커버 등이라고도 불림)을 밀봉재를 개재해서 접합하여 밀봉함으로써 제조된다.
여기서, 패키지 제조 시에 사용되는 밀봉재로서는, 예전에는, 납재(예를 들어, Au-Sn계 납재 등)가 널리 적용되고 있었다. 그러나, 접합 온도(납재의 용융 온도)가 높아서, 보다 저온에서의 접합을 가능하게 할 것이 요구되고 있었다. 그러한 배경 속에서, 본 발명자들은, 저온 접합이 가능하고 밀봉 특성도 양호하게 할 수 있는 방법으로서, 소정의 금속 분말을 포함하는 금속 페이스트를 사용한 밀봉 방법을 개발하였다(특허문헌 1).
본 발명자들에 의한 금속 페이스트를 이용하는 밀봉 방법에 있어서는, 적어도 한쪽의 기판에 금속 페이스트를 도포하고, 이것을 소결함으로써 얻어지는 금속 분말 소결체를 밀봉재로 한다. 그리고, 이 밀봉재가 되는 금속 분말 소결체를 개재해서 한 쌍의 기판을 가압하면서 접합한다. 이때 밀봉재는 가압됨으로써, 치밀화하여 벌크체와 거의 마찬가지의 치밀성을 갖는 밀봉재가 된다.
일본 특허 제5065718호 명세서
그런데, 최근의 전자 기기의 고성능화에 수반하여, 각종 디바이스에는 가일층의 소형화·박형화가 요구되고 있으며, 소자의 실장 방법도 웨이퍼로부터 개별적으로 잘라내진 칩을 기판으로 해서 패키징하는 기존 방식에서, 웨이퍼 레벨 패키지에의 대응이 진행되고 있다. 웨이퍼 레벨 패키지에서는, 밀봉 전에 웨이퍼를 칩으로 분리하지 않고 웨이퍼 상에서 밀봉재의 설치, 디바이스의 조립까지를 완료시키는 프로세스이다.
본 발명자들에 의한 금속 페이스트를 이용한 밀봉 방법도, 기본적으로는 웨이퍼 레벨 패키지에의 대응이 가능하다. 페이스트 도포 기술의 진보에 수반하여 웨이퍼 상에 금속 페이스트를 미세 패턴으로 도포해서 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재를 형성할 수 있다.
단, 이 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재를 적용하는 웨이퍼 레벨 패키지의 밀봉 공정에서 문제가 되는 것이, 가압 하중과 밀봉 후의 밀봉재 품질의 밸런스의 확보이다. 상기와 같이, 금속 분말 소결체에 의한 밀봉에서는 가압은 필수적인 공정이다. 이 가압이 불충분하면, 밀봉재 내부에 보이드(공극)의 잔류가 발생한다. 보이드는, 단독으로는 그다지 영향이 없지만, 복수 이어짐으로써 누설 경로의 원인이 된다. 따라서, 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재를 적용한 패키지 밀봉에서는 가압력의 관리가 중요해진다.
이것은 단순히 가압력을 증대시키면 된다는 것을 의미하는 것은 아니다. 웨이퍼 레벨 패키지와 같이 기판 상에 복수 개소의 밀봉 영역이 있는 경우, 패키지 수에 비례해서 밀봉재(금속 분말 소결체)의 접합 면적(밀봉 면적)은 커진다. 기판 전체에 대하여 필요해지는 가압 하중은, 가압력과 접합 면적을 곱해서 설정되는 것이기 때문에, 개개의 밀봉재의 치밀화에 요하는 가압력이 증가하면, 기판 전체의 가압 하중의 증대로 이어진다. 그리고, 가압 하중이 과대해지면, 웨이퍼 접합 장치에의 부하가 커지고, 때로는 접합 장치의 사양을 초과하는 경우도 있다. 이와 같이, 기판 전체에 대한 가압 하중의 저감의 요구와, 밀봉재의 결함 억제를 위한 가압력 확보의 요구는 상반되는 관계에 있어, 양자를 고도로 균형잡히게 하는 것이 반드시 용이하다고는 할 수 없다. 즉, 금속 분말 소결체를 밀봉재로 한 패키지 제조에 있어서는, 저가압력으로 효율적이면서 또한 확실하게 기밀 밀봉할 수 있도록 하는 것이 필요하게 되었다.
본 발명은, 이상과 같은 배경 하에 이루어진 것이며, 소정의 금속 페이스트로부터 형성되는 금속 분말 소결체를 밀봉재로서 이용하는 밀봉 패키지의 제조 방법에 대해서, 가압력을 저감하면서도 충분한 밀봉 효과를 발휘하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하고자, 먼저, 금속 분말 소결체에서의 치밀화의 기구를 재확인하는 것부터 검토를 행하였다. 본 발명자들에 의한 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재는, 소결체로서 고화된 후에도 가압함으로써 치밀성이 더욱 증가하게 되어 있다. 이것은, 적용되는 금속 분말의 순도, 입경에 기초한 특성을 이용한 것이다. 이 가압에 의한 치밀화는, 금속 분말 소결체를 구성하는 금속 분말의 소성 변형·결합이라는 물리적인 변화, 및 가압과 가열에 의해 인가되는 열적 에너지에 의한 재결정에 의한 금속 조직적인 변화 중 어느 하나에 의한 작용 또는 그것들이 중첩적으로 작용해서 발생하는 것이다.
물론, 금속 분말 소결체의 소성 변형·결합은, 압력이 일방향(수직 방향)으로 작용한 상태를 상정하는 것이며, 그러면 규칙적인 변형·결합의 진전에 의해 간극이 없는 치밀화가 발생한다(도 1의 (a)). 그러나, 실제로는, 금속 입자의 집합체를 포함하는 밀봉재의 측면은 구속이 없는 자유 표면이기 때문에, 가압력은 가로 방향으로 분단되게 된다(도 1의 (b)). 이 분단된 가압력에 의해 금속 입자간에 간극이 발생하고, 이것이 보이드로서 잔류할 가능성이 있기 때문에, 보이드 형성을 방지하기 위해서 과잉의 가압이 필요하였다.
본 발명자들은, 이상과 같은 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재의 치밀화의 기구를 상정하고, 가압력을 저감하면서 밀봉재에 보이드를 잔류시키지 않도록 하기 위해서는, 가압력의 가로 방향에의 분단을 피하는 것이 적합한 방책이라고 생각하였다. 그리고, 그 구체적 수단으로서, 기판 상에 밀봉재보다 협폭의 돌기를 형성하고, 이 돌기로 밀봉재를 선택적·우선적으로 가압 압축하는 것이 유효하다는 것을 알아내었다.
즉, 본 발명은, 적어도 한쪽에 밀봉재가 형성된 한 쌍의 기판을 중첩해서 접합함으로써, 상기 밀봉재에 의해 포위된 밀봉 영역의 내부를 기밀 밀봉하는 공정을 포함하는 패키지의 제조 방법에 있어서, 상기 밀봉재는, 순도가 99.9중량％ 이상이며, 평균 입경이 0.005㎛ 내지 1.0㎛인 금, 은, 팔라듐, 백금에서 선택되는 1종 이상의 금속 분말을 소결하여 이루어지는 소결체로 형성된 것이며, 기판 상에, 단면 형상에 있어서 상기 밀봉재의 폭보다도 좁은 폭을 갖고, 주위로부터 돌출되는 코어재가 적어도 하나 형성되어 있고, 상기 한 쌍의 기판을 접합할 때, 상기 코어재가 상기 밀봉재를 압축하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 패키지의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 패키지 밀봉 방법에서는, 기판 상에 밀봉재보다도 협폭으로 돌출된 돌기(코어재)를 구비한다(도 2의 (a)). 이 코어재를 구비한 기판을, 밀봉재를 개재해서 다른 쪽의 기판에 겹쳐서 밀봉할 때, 코어재와 밀봉재와의 접촉면이 우선적으로 가압된다. 이때 코어재와 접촉하는 금속 분말은, 주위의 금속 분말의 구속을 받음으로써, 거의 일 방향의 가압력에 의해 압축된다. 그리고, 이 선택적으로 가압된 금속 분말부터 변형을 개시하여, 상술한 소성 변형과 재결정 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 작용에 의해 치밀화된 영역이 형성된다. 본원에서는 이렇게 치밀화된 영역을 치밀화 영역이라고 칭한다(도 2의 (b)). 치밀화 영역은 기판의 가압을 계속함으로써 확대되어, 코어재의 위치에 대응한 주상의 치밀화 영역이 형성된다(도 2의 (c)). 이 주상의 치밀화 영역은, 그 일부 또는 전부가 재결정되어 있거나, 재결정되어 있지 않더라도 연속한 보이드(공극)가 없는 충분히 치밀화된 조직을 갖기 때문에, 거기에 둘러싸인 밀봉 영역은 높은 기밀성이 확보되어 있다.
이상과 같은 주상의 치밀화 영역의 형성에 있어서는, 상부의 기판과 밀봉재와의 접촉이 부분적인 것으로 되어 있기 때문에, 밀봉재 전체면을 가압해서 전체를 치밀화 영역으로 하고자 하는 종래 법과 비교하면, 저하중으로 실행할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 밀봉 시의 기판에의 하중을 저감하면서, 밀봉재에 둘러싸인 영역을 밀봉할 수 있다.
이하, 본 발명에 관한 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 먼저, 본 발명에서의 기판이란, 그 표면 상에 적어도 하나의 밀봉 영역을 형성할 필요가 있는 부재이며, 실리콘 웨이퍼, 금속 웨이퍼 외에, 수지 기판이어도 된다. 또한, 기판에는 미리 밀봉 영역 내에 각종 기능 디바이스 등이 설치되어 있어도 된다. 또한, 본 발명에서는 밀봉 영역을 형성하는 기판으로서, 한 쌍의 기판이라 표현하고 있지만, 그러한 기판은 동일한 치수일 필요는 없다.
본 발명에서는, 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재를 적어도 어느 한쪽의 기판에 형성하고, 기판끼리를 접합함으로써 밀봉 영역을 형성하는 것이다. 본 발명에서의 밀봉재란, 금속 분말의 소결체이다. 이 밀봉재의 형성 방법은 후에 상세하게 설명하겠지만, 순도가 99.9중량％ 이상이며, 평균 입경이 0.005㎛ 내지 1.0㎛인 금, 은, 팔라듐, 백금에서 선택되는 1종 이상이 금속을 포함하는 금속 분말을 소결한 것이다. 소결체 형성을 위한 금속 분말의 조건에 대해서, 고순도의 금속을 요구하는 것은, 순도가 낮으면 분말의 경도가 상승하여, 소결체로 한 후의 변형·재결정화가 진행되기 어려워져, 밀봉 작용을 발휘하지 않을 우려가 있기 때문이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 소결체 형성에는 금속 분말과 용제를 포함하는 금속 페이스트가 적용되고, 이것에는 유리 프릿이 포함되지 않는다. 그 때문에, 형성된 밀봉재는, 분말과 마찬가지의 고순도 금속을 포함한다. 구체적으로는, 순도 99.9중량％ 이상의 금속으로 구성된다.
또한, 밀봉재의 밀도는, 그 압축 시에 있어서의 치밀화 영역의 형성 가부에 영향을 미친다. 밀봉재를 구성하는 소결체의 밀도가 낮은 경우, 압축을 받아도 금속 분말의 소성 변형·결합이 진행되기 어려워져, 치밀화 영역이 형성되지 않거나, 또는 밀봉 효과를 기대하기에 충분한 폭을 형성할 수 없다. 이 밀봉재를 구성하는 소결체의 상대 밀도에 대해서는, 구성하는 금속 입자의 벌크체(주조, 도금 등에 의해 동일한 조성으로 제조되는 벌크 재)에 대하여, 60％ 이상의 밀도인 것이 바람직하다. 특히, 바람직하게는 70％ 이상이며, 이와 같이 벌크체의 밀도에 가까운 소결체를 적용함으로써, 코어재 폭에 가까운 사이즈의 치밀화 영역을 얻을 수 있다.
또한, 밀봉재의 형상으로서는, 특별히 정해지는 것은 없다. 그 단면 형상의 예로서, 직사각형이나 사다리꼴 등을 들 수 있다. 또한, 밀봉재가 형성되는 기판에 코어재를 설치하는 경우, 밀봉재는 코어재의 정상면을 덮을 것이 요구되지만, 이 경우도 그 요구만 구비하면 되며, 형상에 대해서 제한되지는 않는다.
그리고, 본 발명은, 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재를 선택적·우선적으로 가압 압축하기 위한 돌기인 코어재를 적용한다. 여기서, 코어재와 밀봉재의 배치 패턴은 복수 생각할 수 있다. 즉, 밀봉재를 어느 한쪽의 기판에 형성하는 경우에는, 밀봉재가 없는 다른 쪽의 기판에 코어재를 설치해도 되고(도 3의 (a)), 밀봉재를 형성하는 기판에 코어재를 설치해도 된다(도 3의 (b)). 또한, 밀봉재를 양쪽 기판에 형성할 수도 있어, 코어재를 밀봉재가 형성된 기판의 적어도 어느 한쪽에 형성할 수 있다(도 3의 (c), (d)).
밀봉재를 형성하는 기판에 코어재를 설치하는 경우(도 3의 (b) 내지 (d)), 코어재의 적어도 정상면 부분이 밀봉재로 덮여 있을 것을 요한다. 본 발명에서는, 코어재가 밀봉재를 가압함으로써 치밀화를 도모하는 것이기 때문에, 코어재의 정상면에 밀봉재가 없으면 효과가 없기 때문이다. 밀봉재는 적어도 정상면을 덮고 있으면 되므로, 코어재 전체를 덮어도 되고, 부분적인 것이어도 된다.
코어재의 형태로서는, 기판 상에 볼록 형상 금속을 적층시킨 것을 들 수 있다(도 4의 (a)). 예를 들어, 도금법(전해 도금, 무전해 도금), 스퍼터링법, CVD법 등에 의해 형성되는 금속층이나 비금속층을 적용해도 된다. 또한, 코어재는 기판을 가공해도 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판을 에칭 등으로 국소적으로 두께를 감소시켜, 코어재 양측에 인접하는 영역에 오목부를 형성함으로써, 단면 볼록 형상의 코어재를 형성할 수 있다(도 4의 (b)). 이때, 코어재의 정상면과 기판 표면이 편평하게 되어 있어도 되고, 단차를 발생시켜도 된다.
코어재는 벌크체일 것을 요한다. 가압력을 효과적으로 전파하여, 밀봉재의 치밀화를 도모하기 위함이다. 구성 재료로서는, 기판과 동일해도 되고, 밀봉재를 구성하는 금속 재료와 동일해도 되고, 그것들과는 상이한 재질이어도 된다. 또한, 코어재는, 다층 구조를 갖고 있어도 된다. 상기한 바와 같이 기판을 에칭 가공해서 코어재를 형성하는 경우, 코어재와 기판은 동일한 재질이 된다. 또한, 도금법 등으로 금속을 적층해서 코어재를 형성하는 경우에는, 다양한 재질의 코어재를 형성할 수 있다. 도금법 등에 의한 경우의 코어재의 재질은, 구리, 니켈, 금, 백금, 은 등의 도전성 금속을 적용하는 것이 바람직하다.
코어재의 형상은, 그 주위로부터 돌출된 것이면 되며, 형상에 제한은 없다. 코어재의 단면 형상에 대해서는, 삼각형, 직사각형, 사다리꼴 등을 들 수 있다. 그리고, 코어재는, 밀봉재를 가압하는 것이기 때문에, 밀봉재의 형성 패턴에 대응해서 형성된다. 예를 들어, 밀봉재를 링 형상(원형, 직사각형)으로 형성해서 그 영역 내의 밀봉을 행하는 경우, 그 밀봉재의 패턴과 상사형의 링 형상 패턴으로 코어재를 형성한다. 이때, 코어재는 적어도 하나 필요하지만, 밀봉재의 폭의 범위 내에서 복수 형성해도 된다(도 5).
코어재의 폭(W')은, 밀봉재의 폭(W)에 대한 비(W'/W)로 0.05 이상 0.95 이하로 하는 것이 바람직하다. 0.05 미만이면, 치밀화되는 밀봉재의 폭도 너무 가늘어져 기밀 밀봉 효과가 의심스러워진다. 또한, 0.95를 초과하면, 가압력의 분단이 없는 밀봉재의 압축이 곤란해진다. W'/W는, 0.1 이상 0.8 이하가 보다 바람직하다. 또한, 코어재의 폭은 정상면의 폭으로 하고, 복수의 코어재를 형성했을 때는, 각각의 밀봉재의 폭의 합계가 된다. 또한, 밀봉재의 폭이란, 그 저면인 기판과의 접촉면의 폭으로 한다(도 6).
여기서, 본 발명에서는, 기판 및 코어재의 표면에, 금, 은, 팔라듐, 백금, 티타늄, 크롬, 구리, 텅스텐, 니켈 또는 이들 금속의 합금에서 선택되는 1종 이상의 벌크 형상의 금속막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 밀봉재를 구성하는 금속 분말의 치밀화는, 벌크체의 코어재에 의해 가압됨으로써 진전되는데, 치밀화는 당해 벌크체와의 접합 계면 부근에서 곤란해진다. 그래서, 기판에 벌크 형상의 금속막을 형성하고, 그 위에 밀봉재를 형성함으로써, 기판과 밀봉재와의 밀착성을 높이고, 치밀화를 촉진시킬 수 있다. 이 하지막이라고도 할 수 있는 금속막은, 양쪽 기판에 설정해 두면 된다. 이에 의해, 밀봉재는 코어재의 금속막과 기판의 금속막의 두 벌크체 사이에 끼워져서 가압되므로, 코어재와 밀봉재의 접합 계면, 및 밀봉재와 기판의 계면의 양쪽에서 양호한 치밀화가 이루어진다. 또한, 한쪽 기판에 코어재를 형성하고, 다른 쪽 기판에 밀봉재를 형성할 때는, 당해 다른 쪽 기판에 밀봉재의 하지막으로서 금속막을 형성함으로써, 두 계면에서 치밀화를 도모할 수 있다. 또한, 금속막은 양쪽 기판에 형성해도 된다. 또한, 코어재 표면에 금속막을 형성해도 된다. 코어재에의 금속막의 형성은, 코어재의 재질에 따라서는 유용하다.
금속막의 재질은, 금, 은, 팔라듐, 백금, 티타늄, 크롬, 구리, 텅스텐, 니켈 또는 이들 금속의 합금 중 어느 하나를 포함하는데, 이것은, 밀봉재에의 밀착성이나 도전성 등을 고려한 것이다. 금속막은, 도금법, 스퍼터링법, 증착법, CVD법 등에 의해 형성된 것이 바람직하다. 또한, 금속막은, 단층 또는 다층 구조의 어느 쪽이든 상관없지만, 밀봉재와 접촉하는 층의 금속은, 금속 분말의 금속과 동일한 재질의 금속으로 하는 것이 바람직하다. 금속막의 두께로서는, 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 본 발명에 따른 패키지의 제조 방법에 대해서, 기판에의 코어재 및 밀봉재의 제조 공정, 및 그것들을 형성한 기판에 의한 패키지 밀봉 공정의 상세에 대해서 설명한다.
코어재의 형성 방법은, 상기와 같이, 그 형태에 따라, 평탄한 기판 상에 볼록 형상으로 금속을 적층시킨 것은, 도금법, 스퍼터링법, CVD법 등에 의해 형성할 수 있다. 또한, 코어재는 기판의 가공으로 형성할 수 있고, 기판을 에칭 가공함으로써 림 형상의 코어재를 형성할 수 있다.
밀봉재의 형성에 대해서 설명하면, 사용되는 금속 페이스트는, 순도가 99.9중량％ 이상이며, 평균 입경이 0.005㎛ 내지 1.0㎛인 금, 은, 팔라듐, 백금에서 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 유기 용제를 포함하는 것이다. 금속 분말의 순도를 99.9％ 이상으로 하는 것은, 상기와 같이, 소결체로 했을 때의 변형능, 재결정화를 고려하는 것 외에, 도전성의 확보도 고려하는 것이다. 또한, 금속 분말의 평균 입경을 0.005㎛ 내지 1.0㎛로 하는 것은, 1.0㎛를 초과하는 입경의 금속분이라면, 미소 폭의 밀봉재를 설정하면 간극이 메워지기 쉬워지기 때문이며, 0.005㎛ 미만의 입경이면, 금속 페이스트 중에서 응집하기 쉬워져 취급성이 악화되기 때문이다.
금속 페이스트에서 사용하는 유기 용제로서는, 에스테르 알코올, 테르피네올, 파인 오일, 부틸카르비톨아세테이트, 부틸카르비톨, 카르비톨, 이소보르닐시클로헥산올(제품명으로서 테르솔브 MTPH: 닛본 테르펜 가가꾸 가부시끼가이샤 제조 등이 있음), 2,4-디에틸-1,5- 펜탄디올(제품명으로서 니코 MARS: 닛본 코료 야쿠힌 가부시끼가이샤 제조 등이 있음), 디히드로·테르피네올(제품명으로서 니코 MHD: 닛본 코료 야쿠힌 가부시끼가이샤 제조 등이 있음)이 바람직하다.
도포할 금속 페이스트의 금속 분말과 유기 용제의 배합 비율에 대해서는, 금속 분말을 80 내지 99중량％로 하고, 유기 용제를 1 내지 20중량％로 해서 배합하는 것이 바람직하다. 이러한 비율로 하는 것은, 금속 분말의 응집을 방지하고, 밀봉재를 형성하기에 충분한 금속 분말을 공급할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 금속 페이스트는, 첨가제를 포함해도 된다. 이 첨가제로서는, 아크릴계 수지, 셀룰로오스계 수지, 알키드 수지에서 선택되는 1종 이상이 있다. 예를 들어, 아크릴계 수지로서는, 메타크릴산메틸 중합체를, 셀룰로오스계 수지로서는, 에틸셀룰로오스를, 알키드 수지로서는, 무수 프탈산 수지를 각각 들 수 있다. 이들 첨가제는, 금속 페이스트 중에서의 금속 분말의 응집을 억제하는 작용을 가져, 금속 페이스트를 균질한 것으로 한다. 첨가제의 첨가량은, 금속 페이스트에 대하여 2중량％ 이하의 비율로 하는 것이 바람직하다. 안정된 응집 억제 효과를 유지하면서, 금속분 함유량을 관통 구멍 충전에 충분한 범위 내로 할 수 있다.
단, 본 발명에서의 금속 페이스트는, 전극·배선 패턴 형성 등에서 널리 사용되고 있는 일반적인 금속 페이스트와 상이해서 유리 프릿을 포함하지 않는다. 본 발명에서 금속 페이스트에 유리 프릿을 혼합하지 않는 것은, 미세하고 치밀한 프레임 형상의 밀봉재를 형성하기 위함이며, 치밀화를 저해할 수 있는 불순물을 잔류시키지 않기 위함이다. 또한, 금속 페이스트를 구성하는 유기 용제 등의 금속 분말 이외의 성분은, 충전 후의 건조, 소결 공정에서 소실되므로, 유리 프릿과 같은 저해 요인이 되지는 않는다.
밀봉재 형성 공정에서, 기판에의 금속 페이스트의 도포 방법에 대해서는, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 금속 페이스트 도포 후에는, 금속 페이스트의 건조를 행하는 것이 바람직하다. 건조 온도는 150 내지 250℃에서 행하는 것이 바람직하다. 금속 페이스트를 소결할 때의 가열 온도는 150 내지 300℃로 하는 것이 바람직하다. 150℃ 미만이면, 금속 분말을 충분히 소결할 수 없기 때문이며, 300℃를 초과하면, 소결이 과도하게 진행되어, 금속 분말간의 네킹의 진행에 의해 너무 단단해진다. 또한, 소성 시의 분위기는, 대기, 불활성 가스(질소, 아르곤, 헬륨), 1 내지 5％의 수소를 혼합한 불활성 가스 등이 선택된다. 또한 소성 시간은 30분 내지 8시간으로 하는 것이 바람직하다. 소결 시간이 너무 길면, 소결이 과도하게 진행되어, 금속 분말간의 네킹의 진행에 의해 너무 단단해진다는 문제가 발생하기 때문이다.
이상의 금속 페이스트의 도포, 소결에 의해 금속 분말은 소결 고화되어, 금속 분말 소결체를 포함하는 밀봉재가 형성된다.
그리고, 상기와 같이 해서 코어재, 밀봉재를 형성한 기판에 의한 밀봉 방법은, 한 쌍의 기판을 밀봉재를 개재해서 겹쳐서 배치하고, 가열하면서 가압해서 밀봉재를 치밀화시키는 것이다.
이때의 가열·가압 조건으로서는, 가열 온도는 80 내지 300℃로 하는 것이 바람직하다. 기판이나 기판 상의 소자의 손상을 억제하면서 금속 분말의 치밀화를 진행시키기 위함이다. 바람직하게는, 가열 온도는 150 내지 250℃로 한다.
이 가열·가압 처리의 시간은, 설정된 가열 온도에 도달하고 나서 0.5 내지 3시간으로 하는 것이 바람직하다. 그리고 가열·가압 처리에 의해, 밀봉재는, 산부가 찌부러져, 기초부의 산부 바로 아래 부근에서 우선적으로 금속 분말의 소성 변형, 재결정이 발생해서 치밀화된다. 이에 의해 형성되는 치밀화 영역은, 상부의 기판과 밀봉재와의 접촉이 부분적인 것으로 되어 있기 때문에, 밀봉재의 전체면을 가압해서 전체를 치밀화시키는 종래 법과 비교하면, 저하중으로 기밀 밀봉이 확립된다.
이상의 공정에 의해 제조되는 패키지는, 밀봉재인 금속 분말 소결체를 개재해서 한 쌍의 기판이 접합된 것이며, 그 밀봉재의 구성으로서 금속 분말 소결체 내부에 코어재 및 코어재의 위치에 대응하여, 단면 주상의 치밀화 영역을 갖는 것이다. 이 단면 주상의 치밀화 영역에 의해, 밀봉재로 둘러싸인 영역의 기밀성이 확보되어 있다. 또한, 치밀화 영역이란, 상기한 바와 같이, 그 일부 또는 전부가 재결정되어 있거나, 재결정되어 있지 않더라도 연속된 보이드(공극)가 없는 충분히 치밀화된 조직을 갖는 금속 상이다. 그 밀도는, 동일한 조성의 벌크 형상 금속에 대하여 98％ 이상 100％ 이하의 밀도를 갖는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 기밀 밀봉 패키지 부재는, 기판 상에 다수의 밀봉 영역이 설정된 기판에 대해서도, 가압 하중을 저감하면서 확실한 기밀 밀봉을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 기밀 밀봉 방법은, 소정의 금속 페이스트를 사용한 비교적 간이한 공정으로, 복수 영역의 기밀 밀봉이 가능하여, 웨이퍼 레벨 패키지에의 응용을 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 금속 분말 소결체를 밀봉재로 한 경우에 있어서의, 밀봉재의 가압 과정을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 코어재를 적용하는 밀봉 공정에서의, 밀봉재의 가압 과정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 코어재 및 밀봉재의 설치 형태를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 코어재의 설치 형태(기판 에칭에 의한 림 형상의 코어재)를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 코어재의 설치 형태(복수의 코어재 형성)를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에서의 코어재의 폭(W')과, 밀봉재의 폭(W)과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 실시 형태에서 제조한 각종 패턴의 코어재, 밀봉재를 구비한 기판의 형태를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태에서는, 소정의 금속 페이스트를 준비하고, 코어재, 밀봉재에 대해서 각종 형태의 것을 형성한 후, 실제로 밀봉 작업을 행하여, 그 효과를 확인하였다. 먼저, 본 실시 형태에서 사용하는 밀봉재 등의 소재와, 코어재 및 밀봉재의 형성 방법에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 기판으로서 직경 4인치의 실리콘 웨이퍼(두께 0.5㎛, 양면 미러 연마)를 준비하였다. 코어재는, (1) 일반적인 포토리소그래피 공정과 에칭에 의한 림 형상의 코어재의 형성, (2) 전해 도금액 처리에 의한 금속층을 포함하는 코어재의 형성의 2종을 행하였다. 코어재의 형성 패턴은, 후술하는 밀봉재의 형성 패턴에 대하여, 코어재가 밀봉재의 대략 중앙에 접하도록 하였다. 각 코어재의 형성은 이하와 같이 하였다.
(1) 에칭에 의한 림 형상의 코어재의 형성
실리콘 표면에 스핀 코트법으로 레지스트막을 형성한 후, 코어재가 되는 부분에 레지스트막을 남기도록 포토리소그래피 가공을 실시하였다. 이어서, 실리콘 건식 에칭 장치(상품명: PEGASUS, 스미토모 세이미츠 고교 가부시끼가이샤 제조)에 의해 레지스트막이 없는 부분을 10㎛ 파내려 갔다. 그 후, 코어재 상부에 남은 레지스트막을 제거해서 코어재를 형성하였다. 마지막으로, 웨이퍼 전체면에 Ti(0.05㎛)/Pt(0.01㎛)/Au(0.2㎛)(Ti가 기판측)를 스퍼터법으로 다층의 금속막을 형성하였다.
(2) 전해 도금에 의한 금속층 형상의 코어재의 형성
최초로 스퍼터법으로 웨이퍼 전체면에 Ti(0.05㎛)/Pt(0.01㎛)/Au(0.2㎛)를 형성하였다. 이어서, 스핀 코트법으로 레지스트막을 형성한 후, 코어재가 되는 부분을 개구하도록 포토리소그래피 가공을 실시하였다. 마지막으로 전기 도금법으로 구리(7㎛) 및 니켈(2㎛), 또한, 금(0.5㎛)의 순서로 성막해서 코어재 및 금속막을 이룬 후, 레지스트막을 제거하였다.
한편, 밀봉재가 되는 금속 분말 소결체의 원료인 금속 페이스트는, 습식 환원법에 의해 제조된 금속 분말을 96중량％와, 유기 용제인 이소보르닐시클로헥산올(MTPH) 4중량％를 혼합해서 조정한 것을 사용하였다. 본 실시 형태에서는, 금, 은, 팔라듐, 백금의 각 금속 분말의 금속 페이스트를 준비하였다.
그 후, 상기 금속 페이스트를 상기 기판에 도포하였다. 본 실시 형태에서는, 밀봉재의 폭 300㎛, 패턴 형상 10mm 사각의 직사각형의 밀봉 영역을 기판 상에 10개 설정하였다. 이 밀봉재의 패턴을 따른 메탈 마스크를 개재해서 금속 페이스트를 도포하였다. 금속 페이스트의 도포는, 마스크를 웨이퍼에 적재하고 그 위에서 금속 페이스트를 인쇄에 의해 도포하였다. 페이스트 도포 후, 150℃에서 건조해서 금속 페이스트 중의 용제, 가스 성분을 제거하였다. 그 후, 200℃의 아르곤-4％ 수소 분위기 중에서 2시간, 금속 페이스트를 소성해서 금속 페이스트 중의 용제, 가스 성분을 제거하였다.
본 실시 형태에서는, 상기 각 공정을 기본으로 해서 조합하여, 도 7에 도시한 바와 같은, 복수의 형태로 기판에 코어재 및 밀봉재를 형성하였다. 도 7에서, A 패턴 및 B 패턴은, 에칭법에 의해 림 형상의 코어재를 형성한 것이다. C 패턴 및 D 패턴은, 전기 도금법에 의해 금속층 형상의 코어재를 형성한 것이다. 또한, A 패턴 및 C 패턴은, 코어재를 형성하지 않은 기판 상에 금속 페이스트를 도포한 것이며, B 패턴 및 D 패턴은, 코어재 상에 금속 페이스트를 도포한 것이다.
그리고, 각 형태의 기판에 대해서 밀봉 시험을 행하였다. 밀봉 시험은, 진공 분위기 중, 히터 상에 한쪽의 웨이퍼를 세팅하고, 그 위에 다른 쪽의 웨이퍼를 적재하였다. 그리고, 상방으로부터 하중을 가한 후에, 히터에 의해 가열하였다. 가압 하중은 100MPa과 150MPa의 2개의 설정을 준비하였다. 가열 조건은, 승온 속도 30℃/min으로 200℃까지 가열하고, 200℃에 도달한 후 30분 유지하였다.
그리고, 가압 후에 하중 제거하고, 밀봉재 내측의 밀봉 영역의 기밀성을 확인하기 위해서, 헬륨 누설 테스트(진공 용기법)를 행하였다. 이 평가는, 헬륨 누설 레이트 10-9Pa·m3/s 이하를 합격으로 하였다. 또한, 비교를 위해서, 종래의 코어재가 없는 기판을 사용한 패키지도 제조하여, 그 기밀성도 확인하였다. 이 종래예는, 본 실시 형태와 동일한 금속 페이스트를 사용하여, 메탈 마스크 인쇄로 본 실시 형태와 마찬가지의 평면 형상(밀봉재 폭 300㎛, 패턴 형상 10mm 사각)으로 높이 10㎛의 치수로 패턴 형성한 후, 금속 페이스트를 건조·소성해서 직사각형 프레임 형상의 밀봉재를 형성하였다. 그 후, 본 실시 형태와 마찬가지의 조건에서 웨이퍼끼리 접합하여 기밀 밀봉하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타내었다.
Figure 112017091606914-pct00001
표 1로부터, 종래예에서는, 가압력을 200MPa로 한 경우에는, 충분한 기밀성을 갖는 밀봉 영역을 형성할 수 있지만(No.16), 가압력을 150MPa로 낮췄을 때는, 누설이 발생해버려 밀봉이 불충분해졌다(No.15). 즉, 종래예는 상면이 평탄한 밀봉재로, 그 면적은 120mm2(폭 0.3mm, 패턴 형상 10mm 사각, 밀봉 영역 10개)이므로, 압력이 200MPa(24kN)이면 밀봉할 수 있지만, 압력이 150MPa(12kN)이면 누설이 발생하는 것을 의미하고 있다.
이에 반해, 본 실시 형태에서는, 가압력이 150MPa인 경우에는 물론, 100MPa의 가압력에서도 누설은 나타나지 않았다(No.5). 하중을 저감하면서도 기밀성이 충분한 밀봉 영역을 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이렇게 코어재에 의해 밀봉재 내부에 응력 집중을 발생시킴으로써, 우선적으로 금속 분말의 소성 변형·재결정이 발생해서 치밀화가 발생하기 때문에, 밀봉재의 전체면을 가압시킬 필요가 있는 종래예보다도 저하중으로 기밀 밀봉이 확립되는 것이 확인되었다. 단, 밀봉재인 금속 분말 소결체를 형성하기 위한 금속 분말의 입경에 관한 관리는 필요하다고 할 수 있다. No.7과 같이, 입경이 큰 금속 분말 페이스트를 사용한 경우, 코어재를 적용해도 밀봉이 불충분해져버린다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명은, 기판 상에 복수의 밀봉 영역이 설정된 기밀 밀봉 패키지를 제조할 때 염려되는 가압 하중의 상승의 문제를 해결하는 것이다. 본 발명은, 가압 하중을 저감하면서 확실한 기밀 밀봉을 얻을 수 있고, 비교적 간이한 공정으로 복수 개소의 기밀 밀봉이 가능하여, 웨이퍼 레벨 패키지에의 응용을 기대할 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 한쪽에 밀봉재가 형성된 한 쌍의 기판을 중첩해서 접합함으로써, 상기 밀봉재에 의해 포위된 밀봉 영역의 내부를 기밀 밀봉하는 공정을 포함하는 패키지의 제조 방법에 있어서,
    상기 밀봉재는, 순도가 99.9중량％ 이상이며, 평균 입경이 0.005㎛ 내지 1.0㎛인 금, 은, 팔라듐, 백금에서 선택되는 1종 이상의 금속 분말을 소결하여 이루어지는 소결체로 형성된 것이며,
    기판 상에, 단면 형상에 있어서 상기 밀봉재의 폭보다도 좁은 폭을 갖고, 주위로부터 돌출되는 코어재가 적어도 하나 형성되어 있고,
    상기 한 쌍의 기판을 접합할 때, 상기 코어재가 상기 밀봉재를 압축하도록 되어 있고,
    상기 기판의 표면에, 금, 은, 팔라듐, 백금, 티타늄, 크롬, 구리, 텅스텐, 니켈, 또는, 이들 금속의 합금 중 어느 하나를 포함하는 벌크 형상의 금속막이 형성되고,
    또한, 상기 코어재의 정상면에, 금, 은, 팔라듐, 백금, 티타늄, 크롬, 구리, 텅스텐, 니켈, 또는, 이들 금속의 합금 중 어느 하나를 포함하는 벌크 형상의 금속막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 패키지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    밀봉재가 어느 한쪽 기판에 형성되어 있고, 코어재는 상기 밀봉재가 형성되지 않은 기판에 형성되어 있는, 패키지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    밀봉재가 어느 한쪽 기판에 형성되어 있고, 코어재는 상기 밀봉재가 형성되어 있는 상기 기판에 형성되어 있고, 상기 코어재의 적어도 정상면 부분을 상기 밀봉재가 덮고 있는, 패키지의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    밀봉재가 양쪽 기판에 형성되어 있고, 코어재는 상기 밀봉재가 형성된 상기 기판 중 적어도 어느 한쪽에 형성되어 있고, 상기 코어재의 적어도 정상면 부분을 상기 밀봉재가 덮고 있는, 패키지의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    코어재 양측에 인접하는 영역에 오목부를 형성함으로써, 단면 볼록 형상의 코어재가 형성되는, 패키지의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    밀봉재 단면에서의, 코어재의 폭의 합계(W')와 밀봉재의 폭(W)의 비(W'/W)가 0.05 이상 0.95 이하인, 패키지의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속막의 두께는, 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하인, 패키지의 제조 방법.
  10. 삭제
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