KR102344790B1 - 반도체 접속의 Cu 필러용 원기둥상 형성물 - Google Patents

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다이조 오다
데루오 하이바라
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닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 반도체 칩에 Cu 필러를 마련하여 전기적 접속을 행할 때에, 도금법으로 Cu 필러를 형성하는 방법에 비해 Cu 필러의 높이/직경비를 크게 하고, 생산성을 향상시키고, Cu 필러의 높이를 높게 하는 것을 가능하게 하고, Cu 필러의 신뢰성을 향상시키는 것을 과제로 한다. 본 발명은 과제를 해결하기 위해, 미리 Cu 필러용의 재료를 원기둥상 형성물로서 형성해 두고, 이 원기둥상 형성물을 반도체 칩 상의 전극에 접속하여 Cu 필러로 한다. 이에 의해, Cu 필러의 높이/직경비를 2.0 이상으로 하는 것이 가능해진다. 전기 도금법을 사용하지 않으므로, Cu 필러 제조에 요하는 소요 시간이 짧아, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, Cu 필러 높이를 200㎛ 이상으로 높게 할 수 있으므로, 몰드 언더필을 위해 적합하다. 성분을 자유롭게 조정할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 Cu 필러의 합금 성분 설계를 용이하게 행할 수 있다.

Description

반도체 접속의 Cu 필러용 원기둥상 형성물{CYLINDRICAL FORMED BODY FOR Cu PILLARS FOR SEMICONDUCTOR CONNECTION}
본 발명은 반도체 접속의 Cu 필러로서 사용할 수 있는 원기둥상 형성물에 관한 것이다.
반도체 장치에 있어서는, 반도체 칩 상에 전자 회로를 형성하고, 반도체 칩 상의 전극과 반도체 패키지 상의 전극을 접속하여 형성된다. 종래, 반도체 칩 상의 전극과 반도체 패키지 상의 전극 사이는, Au 또는 Cu제의 본딩 와이어를 사용하여 전기적으로 접속되어 있었다.
최근에는, 반도체 장치의 소형화를 위해, 반도체 칩과 반도체 패키지 사이의 접속 방법으로서 플립 칩법이 사용되고 있다. 플립 칩법에 있어서의 대표적인 접속 방법으로서, Au 범프나 땜납 범프가 사용되어 왔다.
또한, 칩의 고집적화에 수반하여, 최근에는 Cu 필러를 사용한 플립 칩 기술이 채용되고 있다. Cu 필러는, Cu의 기둥(필러)을 반도체 칩 상에 형성하고, Cu 필러 선단을 반도체 패키지의 전극과 접속한다. Cu 필러로서, 필러 직경 70㎛ 이하, 필러 높이가 50∼60㎛인 것이 사용되었다.
Cu 필러는 재질이 저전기 저항의 Cu이기 때문에, 땜납 범프에 비해 대전류에 대응할 수 있다. 또한 Cu 필러는 땜납 범프에 비교해서 땜납 공급량을 억제할 수 있기 때문에, 범프 피치의 미세화가 가능하다. 또한, Au 범프는 전극과의 접촉 면적이 작은 것에 반해, Cu 필러는 반도체 칩 상의 전극으로부터 반도체 패키지 상의 전극에 이르기까지 동일한 단면적을 유지할 수 있고, 역시 대전류에 대응할 수 있다.
특허문헌 1, 2에 기재된 바와 같이, 반도체 칩 상에 Cu 필러를 형성하는 방법으로서는, 도금법이 사용되고 있다. 반도체 칩 상에 포토레지스트층을 형성하고, Cu 필러를 형성하는 부분의 포토레지스트층을 개구하고, 개구 부분에 Cu 도금을 형성하고, 또한 Cu 도금의 정상부에 땜납 도금을 형성한다. 레지스트를 박리함으로써 Cu 도금 부분이 Cu 필러로 된다. Cu 필러 정상부의 땜납 도금 부분을 땜납 범프로 하여, 반도체 패키지와의 사이가 접속된다. Cu 필러를 도금으로 형성하기 때문에, 미세 피치에도 대응 가능하다.
일본 특허 공개 제2011-29636호 공보 일본 특허 공표 제2012-532459호 공보
Cu 필러를 도금으로 형성할 때에, 포토레지스트층을 개구하고, 개구 부분에 Cu 도금을 형성하는 방법이 사용되고 있다. 이와 같은 방법에 의해, Cu 필러의 높이/직경비가 큰 가늘고 긴 Cu 필러를 형성하고자 하면, 직경이 작고 깊은 구멍에 도금을 성장시켜야만 한다. 이 경우, 개구부에 충분한 농도의 도금액을 계속해서 보내는 것이 어려워지고, 결과로서, (1) 도금의 성장이 느려져 스루풋이 악화되고, (2) Cu 필러의 직경이 목표보다 가늘어지는 등 형상이 불안정해지고, (3) 석출되는 Cu에 보이드가 생기는 등 품질이 나빠지는 등의 문제가 발생한다. 그 때문에, Cu 필러의 높이/직경비를 2.0 이상으로 하는 것이 곤란하였다.
Cu 필러를 도금법으로 형성하기 때문에, Cu 필러 제조에 요하는 소요 시간이 길어, 생산성을 저해하였다. Cu 필러 높이를 200㎛ 이상으로 높게 할 수 있으면, 몰드 언더필을 위해 적합하다. 그러나, Cu 필러의 높이를 종래의 50∼60㎛보다 높게 하고자 하면, 제조 소요 시간이 더 연장하게 된다.
차량 탑재용의 반도체 장치에는, 엄격한 조건(고온)에서의 신뢰성이 요구된다. Cu 필러의 신뢰성을 높이기 위해서는, Cu 필러의 조성을 합금화하는 것이 유효하지만, Cu 필러를 형성하기 위한 도금은 일반적으로 단체 석출이며, 합금화의 자유도가 낮다.
본 발명은 반도체 칩에 Cu 필러를 마련하여 전기적 접속을 행할 때에, 종래와 같이 도금법으로 Cu 필러를 형성하는 방법에 비해 Cu 필러의 높이/직경비를 크게 하고, 생산성을 향상시키고, Cu 필러의 높이를 높게 하는 것을 가능하게 하고, Cu 필러의 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
종래, Cu 필러에 대하여 전기 도금법으로 형성하였다. 이것에 대하여, 미리 Cu 필러용의 재료를 원기둥상 형성물로서 형성해 두고, 이 원기둥상 형성물을 반도체 칩 상의 전극에 접속하는 것으로 하면, Cu 필러의 높이/직경비를 2.0 이상으로 하는 것이 가능해진다. 또한, Cu 필러의 높이가 200㎛ 이상이어도 생산성을 저해하지 않고 제조 가능하다. 또한, 잉곳 용해한 재료로부터 원기둥상 형성물을 형성하므로, 성분을 자유롭게 조정할 수 있다.
본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 바는 이하와 같다.
(1) Cu를 주성분으로 하고, (a) Pd, Pt, Au, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 5.0질량％ 이하, (b) Ti를 15질량ppm 이하, (c) P를 150질량ppm 이하, (d) 불순물로서 포함되는 S 함유량과 Cl 함유량의 총계가 1질량ppm 이하, 중 (a)∼(d)의 1 또는 2 이상을 만족시키고, 직경이 50∼100㎛인 원기둥상이며, 당해 원기둥의 높이/직경비가 2.0 이상이고, 반도체 접속의 Cu 필러로서 사용하는 것을 특징으로 하는 원기둥상 형성물.
(2) Cu를 주성분으로 하고, (a) Pd, Pt, Au, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 5.0질량％ 이하, (b) Ti를 15질량ppm 이하, (c) P를 150질량ppm 이하, (d) 불순물로서 포함되는 S 함유량과 Cl 함유량의 총계가 1질량ppm 이하, 중 (a)∼(d)의 1 또는 2 이상을 만족시키고, 직경이 100∼400㎛인 원기둥상이며, 반도체 접속의 Cu 필러로서 사용하는 것을 특징으로 하는 원기둥상 형성물.
(3) 원기둥의 높이가 200∼800㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 원기둥상 형성물.
본 발명은 미리 Cu 필러용의 재료를 원기둥상 형성물로서 형성해 두고, 이 원기둥상 형성물을 반도체 칩 상의 전극에 접속함으로써, 전기 도금법에 의하지 않고 Cu 필러를 형성할 수 있다. 이 원기둥상 형성물을 반도체 칩 상의 전극에 접속함으로써, Cu 필러의 높이/직경비를 2.0 이상으로 하는 것이 가능해진다. 또한, Cu 필러의 높이가 200㎛ 이상이어도 생산성을 저해하지 않고 제조 가능하다. 잉곳 용해로 제조한 잉곳을 압연과 신선에 의해 세선으로 한 후에 절단하여 원기둥상 형성물로 하므로, 잉곳 용해 단계에서의 성분을 자유롭게 조정할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 Cu 필러의 합금 성분 설계를 용이하게 행할 수 있다. 굵은 직경의 Cu 필러를 용이하게 제조할 수 있으므로, 대전류용(파워계) Cu 필러로서의 용도를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물의 사시도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 원기둥상 형성물을 Cu 필러로서 반도체 칩에 접속한 상황을 도시하는 도면이고, (b)는 또한 Cu 필러 선단을 반도체 패키지와 접속한 상황을 도시하는 도면이다.
전술한 바와 같이, 종래, Cu 필러에 대하여 전기 도금법으로 형성하고 있었다.
이것에 대하여 본 발명에 있어서는, 미리 Cu 필러용의 재료를 도 1에 도시한 바와 같이 원기둥상 형성물(1)로서 형성해 두고, 이 원기둥상 형성물(1)을 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 반도체 칩(3) 상의 전극(4)에 접속함으로써, Cu 필러(2)를 형성한다. 예를 들어 반도체 칩(3)의 전극(4) 상에 SnAg 페이스트(5)를 도포하고, 또는 원기둥상 형성물의 단부면에 SnAg 페이스트를 도포한 후에, 본 발명의 원기둥상 형성물(1)의 단부면이 반도체 칩(3)의 전극(4)에 면하도록 접촉시켜 배치하고, 승온하여 SnAg 페이스트(5)를 리플로우시킴으로써, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 반도체 칩(3)의 전극(4) 상에 Cu 필러(2)를 형성할 수 있다.
Cu 필러용의 재료를 원기둥상 형성물로 하였으므로, Cu 필러와 동등한 직경을 갖는 동일한 성분 조성의 Cu 세선을 제작하고, 이 Cu 세선을 목적으로 하는 Cu 필러 높이와 동일한 높이(길이)로 커트하여 원기둥상의 형상으로 함으로써, 용이하게 목적으로 하는 원기둥상 형성물을 얻을 수 있다.
본 발명의 Cu 필러용의 원기둥상 형성물은 첫째, 그 직경을 50∼100㎛로 하고, 원기둥의 높이/직경비를 2.0 이상으로 한다. 종래와 같이, 포토레지스트층을 개구하고, 개구 부분에 Cu 도금을 형성하는 방법으로 Cu 필러를 형성하면, Cu 필러의 높이/직경비를 2.0 이상으로 하는 것이 곤란하였다. 그것에 대하여 본 발명은 미리 Cu 필러용의 재료를 원기둥상 형성물로서 형성해 두고, 이 원기둥상 형성물을 반도체 칩 상의 전극에 접속하는 것으로 하면, Cu 필러의 높이/직경비를 2.0 이상으로 하는 것이 가능해진다. 그 때문에, Cu 필러의 직경이 50∼100㎛로 가는 직경이라도, Cu 필러의 높이를 높게 하는 것이 가능해진다. Cu 필러의 직경이 50∼100㎛로 가는 직경인 경우, Cu 필러의 높이/직경비를 너무 크게 하면 접속 정밀도가 저하되어, 접속 불량의 발생 확률이 높아진다고 하는 문제가 발생하지만, 높이/직경비가 8.0 이하이면 이와 같은 문제를 발생시키지 않고, 양호한 Cu 필러로 할 수 있다.
본 발명의 Cu 필러용의 원기둥상 형성물은 둘째, 그 직경을 100㎛ 이상으로 한다. 직경이 100㎛ 이상이면, Cu 필러의 높이를 용이하게 200㎛ 이상으로 할 수 있다. 또한, 그 직경을 400㎛ 이하로 한다. 직경이 너무 커도, Cu 필러 제조상의 문제는 없고, Cu 필러 특성상의 문제는 없지만, 400㎛를 초과하면, 반도체용의 Cu 필러로서의 요구 사이즈에 맞지 않게 된다.
본 발명의 직경이 100㎛ 이상인 Cu 필러용의 원기둥상 형성물은, 원기둥의 높이가 200∼800㎛이면 바람직하다. 종래, Cu 필러를 도금법으로 형성하였기 때문에, Cu 필러 제조에 요하는 소요 시간이 길어, 생산성을 저해하고 있었다. Cu 필러의 높이를 종래의 50∼60㎛보다 높게 하고자 하면, 제조 소요 시간이 더 연장되게 된다. 그것에 대하여 본 발명에서는, Cu 필러용의 재료를 원기둥상 형성물로 하였으므로, Cu 필러의 높이를 높게 해도 전혀 생산성에 악영향을 미치지 않는다. 그 때문에, Cu 필러용의 원기둥상 형성물의 형상으로서 원기둥의 높이를 200∼800㎛로 함으로써, 원기둥상 형성물의 직경을 100㎛ 이상으로 굵게 하는 것에 의한 안정성의 확보와 더불어, 종래는 불가능하였던, Cu 필러의 높이를 200㎛ 이상으로 하는 것을 가능하게 하였다. Cu 필러 높이를 200㎛ 이상으로 함으로써, 몰드 언더필을 위해 적합하다. 원기둥상 형성물의 직경을 400㎛ 이하의 범위에서 보다 굵게 함으로써, 반도체 칩에 형성한 Cu 필러의 안정성을 보다 한층 더 확보할 수 있고, Cu 필러의 높이를 800㎛까지 높게 할 수 있다. 종래의 도금법으로 형성하고 있던 Cu 필러와 비교하여, Cu 필러의 제작 가능 사이즈(직경, 높이)의 베리에이션이 확대됨으로써, 반도체 패키지의 설계 자유도가 현저히 확대된다고 하는 효과를 발휘한다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물은 Cu를 주성분으로 한다. 여기서, Cu를 주성분으로 한다란, Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분, 또는, 하기와 같이 소정의 원소를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분을 의미한다.
종래의 도금법에 의해 형성하고 있던 Cu 필러는, 도금법이기 때문에, 일반적으로 단체 석출이며 Cu만을 함유하거나, Cu 합금으로 하는 경우에도 함유하는 성분과 함유량은 제한되어, 합금 설계의 자유도가 낮았다. 그것에 대하여 본 발명에서는, 잉곳 용해로 제조한 잉곳을 압연과 신선에 의해 세선으로 한 후에 절단하여 원기둥상 형성물로 하므로, 잉곳 용해 단계에서의 성분을 자유롭게 조정할 수 있다. 그 때문에, 신뢰성이 높은 Cu 필러의 합금 성분 설계를 용이하게 행할 수 있다고 하는 효과를 갖고 있다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물은, Cu를 주성분으로 하고, Pd, Pt, Au, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 0.1∼4.0질량％의 범위에서 더 함유하면 바람직하다. Pd, Pt, Au, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 0.1∼4.0질량％의 범위에서 함유하면, 접합 계면에 있어서의 Cu, Al의 상호 확산을 제어하는 효과가 얻어져, 고습 가열 평가 시험으로서 행하는 PCT 시험(후술)에서의 접합부의 수명이 향상된다. 여기에서의 접합부의 평가로서는, PCT 시험 후에 전기 저항을 측정하고, 또한 수지를 개봉 제거하여 풀 시험에 의해 접합부의 파단 상황을 평가한다. 여기서, Cu 필러용 원기둥상 형성물 중의 Pd, Pt, Au, Ni의 농도가 총계로 0.1질량％ 미만이면, 상기의 PCT 시험 신뢰성의 개선 효과가 작고, 불충분하다. 한편, Cu 필러용 원기둥상 형성물 중의 Pd, Pt, Au, Ni의 농도가 총계로 4.0질량％를 초과하면, 저온 접합에서의 Al 전극과의 초기의 접합 강도가 저하되기 때문에, PCT 시험에서의 장기 신뢰성이 저하되거나, BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Size Package) 등의 기판, 테이프 등에의 접합의 양산 마진이 좁아진다. 보다 바람직하게는, Pd, Pt, Au, Ni의 농도가 총계로, 0.5∼3질량％의 범위이다. 이 범위이면, PCT 시험에서의 신뢰성이 더욱 향상된다. 또한, Pd, Pt, Au, Ni 중 1종 또는 2종 이상이 총계로 0.1∼4.0질량％의 범위로부터 벗어나도, 이들 성분 함유에 의한 상기 특단의 효과는 발휘할 수 없지만, 5.0질량％ 이하이면, 본 발명의 기본적 효과를 얻을 수는 있다. 따라서 본 발명은 Pd, Pt, Au, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 5.0질량％ 이하의 범위에서 함유한다는 취지를 규정하였다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물은, Cu를 주성분으로 하고, Ti를 3∼10질량ppm 더 함유하면 바람직하다. Ti를 함유하는 효과는, 상기 Pd, Pt, Au, Ni를 함유하는 효과와 마찬가지이다. 또한, Ti 함유량이 3∼10질량ppm을 벗어나도, Ti 함유에 의한 상기 특단의 효과는 발휘할 수 없지만, 15질량ppm 이하이면, 본 발명의 기본적 효과를 얻을 수는 있다. 따라서 본 발명은 Ti를 15질량ppm 이하의 범위에서 함유한다는 취지를 규정하였다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물은, Cu를 주성분으로 하고, P를 5∼100질량ppm 더 함유하면 바람직하다. 이에 의해, 접합 강도가 유지되는 효과를 발휘할 수 있다. 또한, P 함유량이 5∼100질량ppm을 벗어나도, P 함유에 의한 상기 특단의 효과는 발휘할 수 없지만, 150질량ppm 이하이면, 본 발명의 기본적 효과를 얻을 수는 있다. 따라서 본 발명은 P를 150질량ppm 이하의 범위에서 함유한다는 취지를 규정하였다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물은, 불순물로서 포함되는 S 함유량과 Cl 함유량의 총계가 1질량ppm 이하이면 바람직하다. S, Cl은 Cu를 부식하는 성질이 있기 때문에, 그것들의 함유 농도가 높아지면 접합부의 부식이 촉진되어 접합 강도가 저하되는 경우가 있다. S 함유량과 Cl 함유량의 총계를 1질량ppm 이하로 함으로써, 접합 강도의 저하를 면할 수 있다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물의 바람직한 형상에 대하여 설명한다.
도 1에 도시한 본 발명의 Cu 필러용 형성물(1)의 상면(11) 및 저면(12)의 평활성을 나타내는 표면 조도 Ra가 5㎛ 이하이면 바람직하다. 상면(11) 및 저면(12)의 표면 조도 Ra가 5㎛ 이하이면, 절단면을 진공 핀셋으로 흡착하여 반송할 때에, 미스 없이 반송할 수 있다. 하기 본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물의 제조 방법을 적용하여 제조함으로써, 상면(11) 및 저면(12)의 표면 조도 Ra를 5㎛ 이하로 할 수 있다.
직경 300㎛, 높이 500㎛의 Cu 필러 절단 시에, 다양한 조도의 다이싱 블레이드를 사용하여, 절단면의 표면 조도 Ra가 상이한 Cu 필러를 제작하고, 절단면을 진공 핀셋으로 흡착하여 반송하는 시험을 실시하여, 100개 미스 없이 반송할 수 있는지 여부를 평가할 수 있다. 그 결과, 절단면의 표면 조도 Ra가 0.8∼4.8㎛에서는 흡착 미스는 발생하지 않지만, 절단면의 표면 조도 Ra가 6.3㎛인 경우, 흡착 미스에 의한 낙하가 발생하는 경우가 있다.
본 발명의 Cu 필러용 형성물(1)의 상면(11)과 측면(13)이 이루는 각도 및 원기둥의 저면(12)과 측면(13)이 이루는 각도(면각도)가 모두 88∼92도이면 바람직하다. 원기둥의 상면(11) 또는 저면(12)과 측면(13)이 이루는 각도(면각도)가 모두 88∼92도이면, 절단면을 진공 핀셋으로 흡착하여 반송할 때에, 미스 없이 반송할 수 있다. 하기 본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물의 제조 방법을 적용하여 제조함으로써, 원기둥의 상면(11) 또는 저면(12)과 측면(13)이 이루는 각도(면각도)를 모두 88∼92도로 할 수 있다.
직경 300㎛, 높이 500㎛의 Cu 필러 절단 시에, 고의로 절단면에 각도를 부여하여, 면각도 90∼94도의 Cu 필러를 제작하고, 절단면을 진공 핀셋으로 흡착하여 반송하는 시험을 실시하여, 100개 미스 없이 반송할 수 있는지 여부를 평가할 수 있다. 그 결과, 면각도가 90, 92도에서는 흡착 미스는 발생하지 않지만, 면각도가 94도인 경우, 흡착 미스에 의한 필러 쓰러짐이 발생하는 경우가 있다.
본 발명의 Cu 필러용 원기둥상 형성물의 제조 방법에 대하여 설명한다.
Cu 순도가 4N∼6N(99.99∼99.9999질량％)인 고순도 구리를 사용하고, 첨가 원소를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 용해에 의해 제작한다. 용해는, 진공 중 또는 질소 또는 Ar 가스의 분위기에서, 1100℃ 이상에서 가열한다. 그 후에 노 내에서 서랭하여 잉곳(주괴)을 제작한다. 잉곳 표면의 세정을 위해, 산세 및 수세하고, 건조시킨다. Cu 중의 첨가 원소의 농도 분석에는, ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석 등이 유효하다.
잉곳을 압연에 의해 가공하여 선재로 한다. 압연 공정에서는, 홈형 롤 또는 스웨이징 등을 사용한다. 제조하는 Cu 필러용 원기둥상 형성물의 직경이 굵은 직경인 경우에는, 압연한 상태 그대로 다음 공정으로 진행한다. Cu 필러용 원기둥상 형성물의 직경이 가는 직경인 경우, 압연 후의 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘게 된다. 신선 공정에서는, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세트 할 수 있는 연속 신선 장치를 사용한다. 필요에 따라서, 가공의 도중 단계 또는 최종 선 직경에서 열처리를 실시한다. 이와 같이 하여 직경 100∼400㎛의 Cu 와이어를 제조한다.
제조한 와이어를 소정의 길이로 절단함으로써, 원기둥상 형성물을 형성한다. 절단에 있어서, 와이어를 카본 베이스 상에 왁스로 고정함으로써, 수직 고정밀도로 절단할 수 있다(도 1). 절단에는, 외주날의 다이서나, 와이어 소를 사용할 수 있다. 목적의 길이로 절단하였다면, 왁스를 용해하여, Cu제 원기둥상 형성물을 취출한다. 그 후, 산세 및 수세하고, 건조시킨다. 필요에 따라서 방청제 등을 도포하여 건조시킨다.
실시예
(실시예 1)
표 1에 나타내는 성분과 잔부 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 Cu제 원기둥상 형성물을 제작하였다. Cu 순도가 6N인 고순도 구리에 첨가 원소를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 용해에 의해 제작하고, 그 후에 노 내에서 서랭하여 잉곳을 제작하였다. 잉곳 표면의 세정을 위해, 산세 및 수세하고, 건조시켰다. ICP 분석에 의해 함유 성분을 측정하였다.
잉곳을 압연에 의해 가공하여 선재로 하고, 또한 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘게 하였다. 신선 공정에서는, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용하였다. 필요에 따라서, 가공의 도중 단계 또는 최종 선 직경에서 열처리를 실시한다. 이와 같이 하여 직경 300㎛의 Cu 와이어를 제조하였다.
제조한 와이어를 카본 베이스 상에 왁스로 고정하고, 외주날의 다이서에 의해 길이 500㎛로 절단하였다. 왁스를 용해하여, 원기둥상 형성물(1)을 취출하였다. 그 후, 산세 및 수세하고, 건조시켰다.
반도체 칩(3)으로서 Si 반도체 칩을 사용하고, 반도체 칩(3) 상의 전극(4)으로서 Al 전극을 형성하고, 원기둥상 형성물(1)의 단부면에 SnAg 페이스트를 도포한 후에, 본 발명의 원기둥상 형성물(1)의 단부면이 반도체 칩(3)의 전극(4)에 면하도록 접촉시켜 배치하고, 승온하여 SnAg 페이스트(5)를 리플로우시킴으로써, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 반도체 칩(3)의 전극(4) 상에 Cu 필러(2)를 형성하였다.
전단 강도 측정용 시료로서는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 칩 상에 Cu 필러를 형성한 시료를 사용하였다. PCT 시험, TCT 시험용 시료로서는, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 반도체 칩(3) 상의 Cu 필러(2) 선단에 땜납 범프를 형성하고, 땜납 범프(8)를 개재하여 Cu 필러 선단과 반도체 패키지(6)의 전극(7)을 접속한 시료를 사용하였다. 각각의 시료를 수지 밀봉하고, 하기 각 신뢰성 시험에 제공하였다.
PCT 시험(프레셔 쿠커 테스트)은 미리 40개의 Cu 필러를 접속한 시료를, 포화형의 조건인 온도 121℃, 상대 습도 100％, 2기압의 고온 고습 환경에서 200, 500시간 가열하였다. 그 후에, 상기 접속된 40개의 Cu 필러의 전기 특성을 평가하여, 표 1의 「PCT 신뢰성/전기 저항」의 란에 평가 결과를 기재하였다. 전기 저항이 초기의 3배 이상으로 상승한 Cu 필러의 비율이 30％ 이상(40개 중에 대한 비율, 이하 마찬가지임)인 경우에는, 접합 불량이기 때문에 ×표를 표기하였다. 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 Cu 필러의 비율이 5％ 이상 30％ 미만의 범위인 경우에는, 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용 가능하기 때문에 △표를 표기하였다. 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 Cu 필러의 비율이 5％ 미만이며, 또한 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 Cu 필러의 비율이 5％ 이상 30％ 미만인 경우에는, 실용상은 문제없기 때문에 ○표를 표기하였다. 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 Cu 필러의 비율이 5％ 미만인 경우에는, 양호하기 때문에 ◎표를 표기하였다.
PCT 시험에서 200, 500시간 가열한 후에, 수지를 개봉하여 제거하고, 100개의 Cu 필러의 접합부의 전단 강도를 평가하였다. 가열 전의 초기의 전단 강도의 평균값에 대하여 PCT 시험 후의 전단 강도의 평균값의 비율에 대하여, 40％ 미만인 경우에는 신뢰성 불량이기 때문에 ×표, 40％ 이상 60％ 미만의 범위인 경우에는 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용 가능하기 때문에 △표, 60％ 이상 80％ 미만인 경우에는, 실용상은 문제없기 때문에 ○표, 80％ 이상인 경우에는, PCT 신뢰성이 양호하기 때문에 ◎표를 표 1의 「PCT 신뢰성/전단 강도」의 200, 500시간의 각각의 「전단 강도」의 란에 표기하였다.
TCT 시험은, 시판되고 있는 TCT 시험 장치를 사용하였다. 미리 400개의 Cu 필러를 접속한 시료를, 가혹한 온도 이력의 조건(-55℃/30분∼155℃/30분)의 시험에 제공하고, 그 시험 후에, 상기 접속된 Cu 필러의 400개에 대하여 전기적 측정을 행하여, 전기적 도통을 평가하였다. 불량률이 제로인 경우에는, 신뢰성이 높기 때문에 ◎표, 불량률이 2％ 미만이면 실용상의 큰 문제는 없다고 판단하여 ○표, 불량률이 2∼5％의 범위이면 △표, 불량률이 5％ 초과이면 개선이 필요하기 때문에 ×표를 표 1 중의 「TCT 신뢰성/전기 특성」의 란에 표기하였다.
Figure 112018119012467-pat00001
결과를 표 1에 나타낸다.
본 발명의 실시예 1∼39는 모두, PCT 신뢰성 시험의 전기 저항, 전단 강도 모두, 200시간에서는 대부분이 ◎, 500시간에서도 ○ 또는 ◎의 성적을 실현하고, TCT 신뢰성 시험도 ○ 또는 ◎의 성적을 실현하고 있다. 실시예 6∼24, 30, 31에 대해서는, Pd, Pt, Au, Ni의 총계 또는 Ti 함유량이 본 발명의 적합 범위이며, PCT 신뢰성 시험의 전기 저항, 전단 강도의 500시간에서 대부분이 ◎, TCT 신뢰성 시험도 ◎의 성적을 실현하고 있다.
본 발명의 실시예 40∼43은 S, Cl의 합계 함유량이 본 발명의 적합 범위를 벗어나 있고, 여러 성적이 △이어서 합격 레벨이기는 하지만 다른 실시예보다는 품질이 저하되어 있었다.
(실시예 2)
표 1의 실시예 1의 성분과 실시예 23의 성분에 대하여, Cu 필러의 사이즈, 직경 50㎛∼400㎛, 높이 100㎛∼800㎛의 범위에서, (실시예 1)과 마찬가지의 시험을 실시하였다.
Figure 112018119012467-pat00002
결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예 44∼53, 57∼66에 대해서는, 청구항 1을 인용하는 청구항 4의 발명에 대응하는 실시예이기 때문에 「높이/직경비」의 수치를 기입하고, 실시예 54∼56, 67∼69에 대해서는 청구항 2를 인용하는 청구항 4의 발명에 대응하는 실시예이기 때문에 「높이/직경비」의 수치를 기입하고 있지 않다.
본 발명의 실시예 44∼69는 모두, PCT 신뢰성 시험의 전기 저항, 전단 강도, TCT 신뢰성 시험에 있어서, ○ 또는 ◎의 성적을 실현하고 있다.
비교예로서, 반도체 칩 상에 포토레지스트층을 형성하고, 포토레지스트층을 목적으로 하는 직경, 깊이로 개구하고, 개구 부분에 Cu 도금을 형성하는 방법으로 Cu 필러의 제작을 시도하였다. 개구부 직경 50㎛의 경우, 깊이 80㎛까지는 실용 가능한 Cu 필러를 제작할 수 있었지만, 깊이 80㎛를 초과하면 충분히 도금액이 순환하지 않게 되어, 필러 하단부 부근의 직경부터 가늘어지기 시작하여, 깊이 100㎛로 되면, 목적으로 하는 직경의 Cu 필러를 제작하는 것이 불가능하게 되었다. 따라서, 도금법에서는, 직경 50㎛의 경우, 높이 100㎛의 Cu 필러를 제작하는 것은 불가능하였다. 개구부 직경 100㎛의 경우, 깊이 160㎛까지는 실용 가능한 Cu 필러를 제작할 수 있었지만, 깊이 160㎛를 초과하면 충분히 도금액이 순환하지 않게 되어, 필러 하단부 부근의 직경부터 가늘어지기 시작하여, 깊이 200㎛로 되면, 목적으로 하는 직경의 Cu 필러를 제작하는 것이 불가능하게 되었다. 따라서, 도금법에서는, 직경 100㎛의 경우, 높이 200㎛의 Cu 필러를 제작하는 것은 불가능하였다.
1 : 원기둥상 형성물
2 : Cu 필러
3 : 반도체 칩
4 : 전극
5 : SnAg 페이스트
6 : 반도체 패키지
7 : 전극
8 : 땜납 범프
11 : 상면
12 : 저면
13 : 측면

Claims (4)

  1. (a) Pd, Pt, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 0.1질량% 이상 5.0질량％ 이하, (b) Ti를 3질량ppm 이상 15질량ppm 이하, (c) P를 5질량ppm 이상 150질량ppm 이하, 중 (a)∼(c)의 1 또는 2 이상을 만족시키고, 나머지는 Cu 및 불가피한 불순물이며, 직경이 50∼100㎛인 원기둥상이며, 당해 원기둥의 높이/직경비가 2.0 이상이고, 상면과 측면이 이루는 각도 및 저면과 측면이 이루는 각도가 88° 이상 92° 이하이고, 반도체 접속의 Cu 필러로서 플립 칩법에 사용하는 것을 특징으로 하는, 원기둥상 형성물.
  2. (a) Pd, Pt, Ni 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 0.1질량% 이상 5.0질량％ 이하, (b) Ti를 3질량ppm 이상 15질량ppm 이하, (c) P를 5질량ppm 이상 150질량ppm 이하, 중 (a)∼(c)의 1 또는 2 이상을 만족시키고, 나머지는 Cu 및 불가피한 불순물이며, 직경이 100∼400㎛인 원기둥상이며, 상면과 측면이 이루는 각도 및 저면과 측면이 이루는 각도가 88° 이상 92° 이하이고, 반도체 접속의 Cu 필러로서 플립 칩법에 사용하는 것을 특징으로 하는, 원기둥상 형성물.
  3. 제2항에 있어서,
    원기둥의 높이가 200∼800㎛인 것을 특징으로 하는, 원기둥상 형성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원기둥상 형성물에 불순물로서 포함되는 S 함유량과 Cl함유량의 총계가 1질량ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 원기둥상 형성물.
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