KR102489331B1 - 솔더볼 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면인 솔더볼은 제1금속을 포함하는 메탈코어와 솔더층의 사이에 구비되며 제1금속과 다른 제2금속을 포함하는 코팅층을 포함하고, 코팅층의 적어도 일 영역에 제1금속이 확산되어 제2금속과 합금을 형성하는 제1확산영역을 포함하며, 합금 형성시 자성을 가지는 제2금속의 자성이 약화되므로, 전자부품 패키지에 사용시 솔더볼의 자성으로 인해 발생하는 달라붙음 현상을 방지할 수 있는 저자성 솔더볼 및 그 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

솔더볼 및 그 제조방법 {Solder ball and the manufacturing method thereof}
본 발명의 일 측면은 전자부품 패키징에서 부품의 솔더링 접합에 이용될 수 있는 솔더볼 및 그 제조방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
일반적으로, 반도체 패키지는 웨이퍼에 반도체 칩이 상하로 적층되면서 종횡으로 인접 배열되어 제조된다. 이때, 반도체 칩은 가장자리에 범프가 형성되어 상하로 적층되는 반도체 칩들 사이를 전기적으로 접속시키며, 집적도가 높은 반도체 패키지를 제조한다.
반도체 소자의 집적도가 높아질수록 범프의 크기는 점점 작아지는데, 범프의 크기를 작게 유지하면서도 그 크기를 일정하게 유지할 수 있는 방안으로서, 코어를 갖는 솔더볼을 이용하여 범프를 형성하는 방식이 많이 적용되고 있다.
코어를 갖는 솔더볼은 크게 메탈코어를 갖는 솔더볼과 플라스틱 코어를 갖는 솔더볼로 분류될 수 있다. 메탈코어의 솔더볼은 구 형태의 메탈코어와 솔더로 이루어지며, 플라스틱 코어를 갖는 솔더볼은 구형 플라스틱 코어의 표면에 금속층을 형성하고, 가장 바깥에 솔더층을 포함하여 이루어진다. 플라스틱 솔더볼은 플라스틱 코어를 가지므로 충격에 대한 저항능력이 있으나, 메탈 코어솔더볼은 전체적으로 금속으로 이루어지므로 충격을 흡수할 수 있는 능력이 부족한 단점이 있는 대신 플라스틱 코어솔더볼 대비 전기전도도 및 열전도도가 우수한 장점이 있다.
일반적으로, 메탈솔더볼(Metal solder ball)은 스페이서 역할을 수행하는 금속입자 위에 금속간화합물의 과성장을 억제시키기 위한 배리어층(barrier layer)을 형성하고 솔더링이 가능하도록 솔더를 도금시켜 제조한다. 메탈솔더볼의 금속입자 코어로 구리를 사용하는 구리 솔더볼을 제조하기 위해서는 균일한 크기의 구리입자를 제조하는 기술, 도금층 형성시 보이드 및 뭉침현상, 두께편차 등과 같은 결함이 발생하지 않도록 도금하는 기술이 필요하다.
반도체 패키지에 사용되는 솔더볼은 강자성체인 니켈이 배리어층으로 사용되는 경우에 솔더볼이 자성을 띄게 되고, 자성으로 인해 패키징 장비 내 코일, 자석에 솔더볼 입자가 달라붙거나 입자가 서로 달라붙는 문제가 있어 전체적인 접속의 품질이 나빠질 우려가 있으므로 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다.
한국 등록특허 제 10-1141762호
본 발명의 일 측면인 솔더볼은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 솔더볼에서 코어와 솔더층 사이에 강자성을 갖는 금속이 사용되는 경우에 솔더볼이 갖는 자성으로 인해 발생하는 패키징 장비 내 코일 또는 자석에 솔더볼이 달라붙는 현상 또는 솔더볼들이 서로 달라붙는 현상을 방지하여 패키징의 안정적인 접속과 높은 신뢰도를 제공할 수 있는 저자성 특성을 갖는 솔더볼을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 제1 측면은 코어와 상기 코어 상에 구비되는 코팅층 및 상기 코팅층 상에 구비되는 솔더층을 포함하는 솔더볼로서,
상기 코어는 제1금속을 포함하고,
상기 코팅층은 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하며,
상기 코팅층의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제1확산영역이 구비되는 솔더볼이다.
이 때, 상기 코어의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제2확산영역이 구비되는 것이 좋고,
상기 제1확산영역은 상기 제1금속이 상기 코팅층으로 확산되어 상기 제2금속과 합금화된 합금을 포함하는 것이 좋으며,
상기 제2확산영역은 상기 제2금속이 상기 코어로 확산되어 상기 제1금속과 합금화된 합금을 포함하는 것이 바람직하다.
또, 상기 제1확산영역은 상기 코팅층의 전체영역을 차지하는 것이 좋고,
상기 제1확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도는 상기 제2확산영역(12)에서 상기 합금의 제1금속 평균농도보다 낮은 것이 좋으며,
상기 제1확산영역 및 상기 제2확산영역에 포함되는 상기 합금은 제2금속보다 보자력이 낮은 것이 바람직하다.
또, 상기 제1확산영역 및 상기 제2확산영역을 포함하는 확산층을 포함하고,
상기 제2금속의 농도는 상기 확산층의 하부에서 상부로 갈수록 증가하는 것이 좋고,
상기 제2금속은 강자성체인 것이 좋으며, 상기 제1금속은 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 또는 아연(Zn)인 것이 좋다.
또, 상기 코어의 조성 중 상기 제1금속의 비율은 85wt% 내지 99.999wt%인 것이 좋고,
상기 솔더볼을 자석에 접촉시켜 상기 자석에 달라붙은 상기 솔더볼의 질량(g)을 상기 자석의 자기장의 세기(Gaus) 와 상기 자석의 접촉면적(cm2)으로 나누어 계산된 솔더볼의 자성값은 0.004 내지 1.5 g/kGauss·cm2 인 것이 좋으며,
상기 솔더층은 상기 솔더볼 전체의 4.8 내지 65 wt% 로 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2측면은,
제1금속을 포함하는 코어를 준비하는 코어준비단계;
상기 코어의 표면에 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하는 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계;
상기 코팅층이 형성된 코어를 열처리하여 상기 제1금속과 상기 제2금속을 상기 코어와 상기 코팅층의 계면에서 확산시키고 상기 제1금속 및 상기 제2금속의 합금을 형성하는 금속확산단계; 및
상기 코팅층 위에 솔더층을 도금하는 솔더층 형성단계;를 포함하는 솔더볼 제조방법이다.
여기에서, 상기 금속확산단계는 400 내지 1000℃의 온도에서 열처리하는 단계인 것이 좋고,
상기 금속확산단계는 상기 제1금속 및 상기 제2금속이 서로 합금화되어 구비되고, 상기 코팅층의 두께의 1배 내지 20배의 두께를 갖는 확산층을 형성하는 단계인 것이 좋다.
본 발명의 다른 측면으로는.
솔더볼과 플럭스를 포함하는 전도성 페이스트로서,
상기 솔더볼은,
제1금속을 포함하는 코어, 상기 코어 상에 구비되고 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하는 코팅층 및 상기 코팅층 상에 구비되는 솔더층을 포함하고,
상기 코팅층의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속이 확산하는 제1확산영역이 구비되는 솔더볼인 전도성 페이스트가 있고,
전극을 포함하는 기판;
상기 전극과 접속되는 접속단자; 및
상기 전극 및 상기 접속단자의 사이를 연결하는 솔더볼; 을 포함하며,
상기 솔더볼은
상기 코어는 제1금속을 포함하는 코어와,
상기 코어 상에 구비되고 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하는 코팅층과,
상기 코팅층 상에 구비되는 솔더층을 포함하며,
상기 코팅층의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속이 확산하는 제1확산영역(11)이 구비되는 솔더볼인 접속구조체가 있다.
본 발명의 일 측면인 솔더볼은, 니켈을 포함하는 코팅층(3)을 열처리하여 코어에 포함되는 금속원자와 니켈이 계면에서 확산이 일어나게 함으로써, 강자성체인 니켈이 확산에 의한 합금화로 인해 그 자성이 약화되어 상자성체 합금이 얻어지며, 전체 솔더볼의 자성이 약화 또는 제거되므로 패키지 공정 또는 장비에서 발생하는 달라붙음 현상이 감소하고 패키지 불량, 솔더볼들이 서로 달라붙는 현상 등의 문제점이 없어져 미세한 작업에도 적용이 가능한 장점이 있다.
또, 솔더볼은 구리를 포함하는 합금으로 이루어지는 구형의 코어를 포함하여 표면에서 딤플의 형성을 억제할 수 있고, 코어의 표면에 제2금속을 포함하는 코팅층(3)이 형성되어 코어와 솔더층 사이에서 발생할 수 있는 보이드 현상 또는 코어와 솔더성분간의 금속간화합물 성장을 예방할 수 있다.
또한, 저자성 솔더볼은 자성이 상대적으로 낮아 작은 직경의 솔더볼로 제조하더라도 자성에 의한 다양한 문제점들이 예방될 수 있어 스페이서를 대신하여 패키지 밀도를 높일 수 있으므로, 기존 솔더볼을 이용한 접합부 대비 전단강도, 열충격, 낙하 저항성이 우수하고, 열 및 전기전도도가 우수한 접합부를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 측면인 솔더볼의 제조방법은 제1금속 코어 위에 제2금속층(2)을 도금한 후, 솔더층의 도금 전에 열처리를 통해 계면간 금속간 확산을 진행하는 금속확산단계를 포함하여 강자성체인 금속의 자성을 약화 또는 제거할 수 있으므로 자성이 약화된 솔더볼을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 솔더볼의 단면 구조를 나타낸 개략도이다.
조 2는 솔더볼의 확산층 포함여부 및 확산층(10)의 두께에 따른 단면 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3 및 4는은 제조된 솔더볼의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 솔더층의 형성 전 코어의 단면을 전자현미경 EDS로 촬영한 사진이다.
도 6은 솔더볼의 솔더링 조건에서 단면을 촬영한 사진이다.
도 7은 제조된 솔더볼을 나타낸 도면이다.
도 8은 솔더볼의 제조방법을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 9는 솔더볼을 이용하여 형성된 패키지의 접속구조체 단면을 나타낸 도면이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 명세서에서 자성을 갖는다는 표현이 사용되는 경우, 일반적으로 사용되는 강자성을 갖는다는 의미를 포함하여 해석될 수 있다. 마찬가지로, 자성을 잃는다 또는 약해진다는 의미는 강자성을 갖는 물질의 강자성 정도가 감소하거나 강자성을 잃는 경우를 포함한다.
본 발명의 일 실시예인 솔더볼은 코어(1), 코팅층(3) 및 솔더층(20)을 포함하여 이루어진다.
코어(1)는 솔더볼의 내부에 위치하는 구형의 소재로, 솔더링시 용융되지 않고 형상을 유지하여 접합부에서의 전기적, 기계적 강도를 향상시킬 수 있으며, 제1금속을 포함하여 이루어지는 메탈코어가 사용될 수 있다.
코어(1)로 메탈코어가 사용되는 것이 바람직하고, 제1금속을 포함한다. 여기에서 제1금속을 포함한다는 표현은, 제1금속 단일금속 또는 제1금속의 합금을 포함하여 이루어질 수 있음을 의미하는 것으로 해석된다. 코어(1)는 제1금속의 단일금속 또는 제1금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있고, 제1금속은 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 니켈(Ni) 또는 아연(Zn)일 수 있다. 코어(1)는 구리, 금, 은, 주석, 비스무트, 니켈 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 합금으로서 구리보다 융점이 낮은 합금일 수 있다. 예를 들어, 코어(1)는 구리(Cu)를 제1금속으로 하여 단일금속으로 구성될 수 있고, Au, Ag, Sn, Bi, Zn 및 Ni 중 적어도 어느 하나 이상의 금속과 제1금속인 구리의 합금으로 이루어질 수 있으며, 이 때, 코어(1)의 조성 중 제1금속인 구리의 비율은 85 wt% 내지 99.999 wt%로 이루어지는 것이 좋고, 바람직하게는 97 내지 99.99 wt%인 것이 좋다.
이 때, 코어(1)에 제1금속 외에 다른 금속이 적은 비율로 포함되는 경우에 코어(1)의 구형성능이 향상되고, 표면의 형태가 매끄럽게 형성될 수 있어 도금의 불량률이 감소한다.
코어(1)가 구리 단일금속으로 형성되는 경우에는 코어(1)의 응고수축에 따라 코어(1)의 표면에 딤플(Dimple)이 형성되어 구형성능이 떨어질 수 있으며, 딤플 형성시 코어(1)의 표면이 불규칙해져 도금 후 도금 불량이 발생할 가능성이 있고, 정련 과정에서의 과도한 비용 증가가 발생할 수 있다.
또한, 코어(1)에서 구리의 조성비가 해당 범위보다 낮은 경우, 솔더링 후 전기전도도 및 열전도율이 낮아지는 문제가 있으며, 합금의 응고수축 현상에 의해 표면에 굴곡 또는 딤플이 형성되어 도금이 불균일하게 형성되고, 솔더볼이 균일한 접속부를 형성하지 못하는 문제가 있다.
코어(1)의 직경은 후술할 코팅층(3)의 두께에 따라 달라질 수 있으며, 코어(1)의 직경은 5㎛ 내지 10,000㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 코어(1)의 직경이 20㎛ 내지 1,000㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30 내지 600㎛ 인 것이 좋다.
또한, 코어(1)의 직경은 사용되는 기판의 형태 및 크기에 따라 선택될 수 있고, 50 내지 250㎛ 이거나, 바람직하게는 100 내지 200㎛ 범위를 가질 수 있다.
코어(1)의 직경이 해당 범위보다 작은 경우, 솔더링 이후 기계적 지지 효과가 떨어지거나, 전체 솔더볼의 크기가 작아져 솔더볼의 표면적 비율이 높아지므로 전체적인 자성이 상대적으로 증가될 수 있고, 해당 범위보다 큰 경우, 코팅층(3)의 두께 비율이 상대적으로 감소하여 자성의 감소효과가 줄어들 수 있다.
코어(1)는 전체 솔더볼에서 5 내지 95 wt%의 비율로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 10 내지 80 wt% 비율로 이루어지는 것이 좋다. 코어(1)가 전체 솔더볼에서 차지하는 비율이 해당 범위를 벗어나는 경우 5wt% 이하에서 접합부 두께를 차지하는 면적이 작아 스페이서 역할을 할 수 없는 문제가 있으며, 95wt% 이상에서 액상량이 작아 미 접합이 발생할 우려가 있다.
코어(1)는 용융점이 500도 이상으로 이루어져 솔더층(20)보다 높은 용융점을 가지고, 바람직하게는 500℃ 내지 1080℃의 용융점을 가질 수 있으며, 바람직하게는 800℃ 내지 1080℃ 인 것이 좋다.
코팅층(3)은 코어(1)와 솔더층(20)의 사이에 위치하는 층으로, 코어(1)에 포함된 제1금속원자와 솔더층(20)의 주석 또는 기타 금속원자들이 확산되어 금속간화합물을 형성하는 것을 억제하거나 격자구조의 차이로 인한 Void의 형성을 방지하기 위해 도입된다.
코팅층(3)은 제1금속과 다른 제2금속을 포함하여 이루어진다. 여기에서 제2금속을 포함한다는 것은 코팅층(3)이 단일한 제2금속 만으로 이루어지거나 제2금속을 가지는 합금을 포함하여 이루어지는 것을 포함하는 넓은 의미를 갖는다.
코팅층(3)의 전술한 목적을 달성하기 위하여 제2금속으로, 예를 들어 니켈이 사용되는 것이 좋으나, 니켈은 강자성을 가지는 금속이므로, 코팅층(3)에 제2금속으로 강자성인 니켈이 포함되는 경우 코팅층(3)이 자성을 가질 수 있다.
구체적으로는, 순수한 니켈 금속은 강자성을 가지므로 솔더볼이 순수한 니켈로 이루어진 코팅층(3)을 포함하는 경우 코팅층(3)의 자성으로 인해 전체 솔더볼이 자성을 가지게 되어 패키지에서 코일이나 자석에 달라붙거나 솔더볼끼리 서로 붙는 문제를 야기할 수 있어 새로운 문제가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼은 코팅층(3)에서 제2금속이 코어(1)에 포함되는 제1금속과 합금형태로 존재할 수 있고, 합금형태에서는 혼합되는 금속의 성질에 따라 제2금속의 자성이 약화되거나 상자성인 합금이 형성될 수 있다.
예를 들어 코어(1)가 구리를 포함하는 코어볼인 경우, 제1금속인 구리와 제2금속인 니켈은 같은 결정구조 (FCC)를 가지고, 원자 반지름 및 전기음성도가 유사한 특징을 가져 모든 합금 조성에 대하여 서로 고용될 수 있는 장점이 있어 니켈을 제2금속 으로 사용하는 것이 바람직하다.
이 때, 니켈을 제2금속으로 사용하는 경우 니켈과 구리는 서로 완전한 용해도를 보이므로 전율고용체로 불린다.
이 때, 강자성인 니켈과 반자성인 구리가 서로 합금을 이루어 형성되는 확산층(10)은 상자성화 되어 외부 자기장을 가했을 때 약하게 자화되므로, 강자성체인 니켈로 이루어지는 코팅층(3)이 존재하는 경우보다 니켈이 합금화된 확산층(10)을 포함하는 솔더볼의 자성이 크게 약화되고 전술한 문제점을 극복할 수 있는 솔더볼이 된다.
본 발명의 일 실시예인 솔더볼의 경우 강자성의 니켈이 제2금속으로 사용될 수 있지만, 반자성인 구리와 확산에 의해 확산층(10)을 형성하여 약하게 자화되는 특성을 가질 수 있으므로 동일한 조건에서 일반적인 솔더볼보다 약한 자기적 성질을 가질 수 있다.
코팅층(3)의 일부 영역에서는 제1금속과 제2금속이 혼재하거나 서로 합금화되는 영역이 구비되는 것이 좋다. 제1금속은 코어(1)에 포함된 금속인 것이 바람직하며, 코어(1)의 제1금속이 코어(1)와 코팅층(3)의 계면에서 코팅층(3) 방향으로 확산되어 제1확산영역(11)이 구비될 수 있다.
제1확산영역(11)은 코어(1)와 코팅층(3)의 계면에 인접하여 위치하며, 그 두께나 분포는 제한되지 않으나, 코팅층(3)의 적어도 일 영역에 구비되고, 확산 온도 및 시간이 충분하고 코팅층(3)의 두께가 충분히 얇을 경우 코팅층(3) 전체를 차지할 수 있다.
제1확산영역(11)은 코어(1)에 포함된 제1금속이 코팅층(3)과의 계면에서 금속간 확산에 의하여 제1금속의 농도가 높은 코어(1)로부터 제1금속의 농도가 낮은 코팅층(3)으로 전달되어 형성되고, 제1확산영역(11)에서 제1금속의 농도는 코어(1)에 가까운 하부에서 가장 높고, 코어(1)와 먼 상부에서 가장 낮을 수 있으며, 제1확산영역(11)에서 제1금속의 농도는 하부에서 상부로 갈수록 연속적으로 감소하도록 구비된다.
마찬가지 이유로, 제1확산영역(11)에서 제2금속의 농도는 하부에서 상부로 갈수록 연속적으로 증가하도록 구비된다.
제1확산영역(11)은 코어(1)에 포함된 제1금속과 자성을 가지는 제2금속을 포함하여 이루어진다. 제2금속은 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 비스무트(Bi) 및 안티몬(Sb)로 이루어지는 군에서 선택되는 금속인 것이 좋으며, 바람직하게는 니켈인 것이 좋다.
코어(1)의 적어도 일 영역에는 제2금속이 코어(1)와 코팅층(3)의 계면으로부터 확산되어 형성되는 제2확산영역(12)이 구비될 수 있다.
제2금속은 코팅층(3)에 포함된 금속으로서, 코팅층(3)으로부터 유래하는 것이 좋으며, 코팅층(3)의 제2금속이 코어(1)로 확산되며 코어(1)의 적어도 일 영역에 제2확산영역(12)이 구비될 수 있다.
제2확산영역(12)은 코어(1)와 코팅층(3)의 계면에 인접하여 위치하며, 코팅층(3)에 포함된 제2금속이 코어(1)와의 계면에서 제2금속의 농도가 높은 코팅층(3)으로부터 제2금속의 농도가 낮은 코어(1)로 되어 금속간 확산되어 형성되고, 제2확산영역(12)에서 제2금속의 농도는 코팅층(3)에 가까운 상부에서 가장 높고, 코팅층(3)과 거리가 먼 하부에서 가장 낮을 수 있으며, 제2확산영역(12)에서 제2금속의 농도는 코어(1)의 외부인 계면에서 내부로 갈수록 연속적으로 감소하도록 구비된다.
마찬가지 이유로, 제2확산영역(12)에서 제1금속의 농도는 코어(1)의 외부인 계면에서 내부로 갈수록 연속적으로 증가하도록 구비된다.
제1확산영역(11)과 제2확산영역(12)은 서로 인접하게 구비될 수 있고, 인접하는 영역에서 제1금속 및 제2금속의 농도가 연속적으로 이루어질 수 있어, 제1확산영역(11)과 제2확산영역(12)이 서로 연속적인 합금 또는 금속간화합물의 성분 분포를 가질 수 있다.
솔더볼에 제1확산영역(11)과 제2확산영역(12)이 모두 존재하고, 연속적인 합금 또는 금속간화합물의 성분 분포를 가지는 경우, 제1확산영역(11)과 제2확산영역(12)을 포함하는 층을 의미하는 확산층(10)을 솔더볼의 내부에서 정의할 수 있다.
도 1은 확산층(10)을 가지는 솔더볼의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 확산층(10)은 코어(1)의 일부 및 코팅층(3)의 일부를 포함할 수 있으며, 코어(1)의 일부 및 코팅층(3) 전체를 포함할 수 있다. 도 1은 확산층(10)이 코팅층(3)의 전체를 차지하는 실시예를 나타낸 것으로서, 확산층(10)과 솔더층(20)이 서로 인접한다.
도 2는 코어(1)와 코팅층(3)의 사이에 제1금속 및 제2금속을 확산시키지 않은 경우와, 확산층(10)의 크기에 따른 솔더볼의 내부구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 제1금속과 제2금속이 서로 확산되지 않은 경우의 솔더볼의 단면을 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 제1확산영역(11)이 코팅층(3)의 일부 영역에 구비되는 경우이며, 도 2의 (c)는 제2확산영역(12)이 코팅층(3)의 전체를 차지하는 경우를 나타낸 것이다.
도 2 의 (a) 에서 제2금속층(2)은 코팅층(3)과 구조가 동일하며, 도 2의 (b) 및 (c)에서 도면에 도시된 제2금속층(2) 및 제1확산영역(11)이 코팅층(3)을 의미한다.
즉, 솔더볼에 확산층(10)이 존재하는 경우 확산층(10)이 코팅층(3)의 전 영역을 포함하거나 코팅층(3)의 일부영역과 확산층(10)이 구분되는 구조를 가질 수 있다.
확산층(10)의 제1확산영역(11)에서 제1금속의 평균농도는 1wt% 내지 99wt% 이고, 바람직하게는 20wt% 내지 80wt% 이다. 또한, 제2확산영역(12)에서 제2금속의 평균농도는 1wt% 내지 99wt% 이고, 바람직하게는 20wt% 내지 80wt% 이다.
제1확산영역(11)에서 제1금속의 평균농도는 제2확산영역(12)에서 제1금속의 평균농도보다 낮은 것이 바람직하고, 제1확산영역(11)에서 제2금속의 평균농도는 제2확산영역(12)에서 제2금속의 평균농도보다 높은 것이 바람직하다.
제2금속의 농도 또는 비율은 중심에 가까운 확산층(10)의 하부에서 낮고, 코어(1)와 먼 확산층(10)의 상부에서 높으며 확산층(10)의 하부에서 상부로 갈수록 제2금속의 비율이 연속적으로 증가하게 구성될 수 있고, 바람직하게는 선형적으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 확산층(10)의 하부에서 제2금속의 비율이 0wt% 초과이고, 확산층(10)의 하부에서 상부로 갈수록 제2금속의 비율이 점차 증가하여 50wt% 이상으로 이루어지거나 상부에서 제2금속의 비율이 100wt%로 이루어질 수 있다.
확산층(10)의 하부에서는 제1금속의 비율이 더 높고, 상부에서는 제2금속의 비율이 높게 형성된다. 제1금속과 제2금속의 농도가 서로 50 wt%로 같아지는 지점은 확산층(10)의 내부에 형성되며, 확산층(10)의 하부로부터 확산층(10)의 두께의 0.4 ~ 0.6배인 지점에 형성될 수 있다.
예를 들어, 코어(1)가 제1금속으로 구리를 포함하는 합금으로 이루어지는 경우, 확산층(10)은 제2금속으로 니켈을 포함할 수 있고, 확산층(10)의 하부에서 구리-니켈의 합금은 구리의 비율이 높지만 확산층(10)의 상부로 갈수록 구리-니켈 합금에서 니켈의 비율이 상대적으로 증가하고, 확산층(10)의 상부에서는 니켈의 비율이 50 wt% 이상 또는 99 wt% 이상이나 99.9wt% 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 확산층(10)을 포함하는 솔더볼에서, 코어(1)란 확산층(10)의 형성 전에 코팅층(3)이 형성되는 구형의 제1금속 코어(1)를 의미하지만, 최종적으로 확산층(10)의 형성에 따라 제1확산영역(11)과 제2확산영역(12)의 경계가 확인되지 않거나 불분명할 수 있으며, 코어(1)와 코팅층(3)의 계면에서 일어나는 확산은 쌍방향으로 일어나는 물질이동에 해당하므로, 확산층(10)의 일부 영역은 코어(1)에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
확산층(10)은 0.1㎛ 내지 100㎛ 의 두께, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 80㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛ 두께로 형성될 수 있다. 코어(1)의 직경(D)과 확산층(10)의 두께(d1)의 비율(d1/D)은 0.00001 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 0.0005 내지 0.5, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.4로 이루어질 수 있다. 확산층(10)의 두께가 해당 범위보다 얇은 경우 솔더층(20) 내의 솔더와 제1 금속층 금속의 확산 및 금속간화합물의 생성을 막는 효과가 감소하는 문제가 있고, 해당 범위보다 두꺼운 경우 제2금속층(2) 형성 비용 증가 및 열처리를 통한 자성 감소 효과가 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 대하여, 확산층(10)은 확산층(10)의 위에 제2금속을 포함하고, 제1금속을 포함하지 않는 영역을 코팅층(3)의 일 영역에 포함할 수 있다.
제2금속층(2)은 예를 들어, 제1확산영역(11)의 형성시 제1금속의 확산 거리가 코팅층(3)의 두께보다 짧은 경우에 제2금속층(2)에 제1금속이 완전히 확산되지 못하여 형성될 수 있고, 코팅층(3)에서 제1확산영역(11)을 제외한 영역이 나타난다.
코팅층(3)은 제1확산영역(11)만으로 이루어지거나, 제1확산영역(11) 및 제2금속층(2)을 포함하여 이루어질 수 있다.
제2금속층(2)은 예를들어 제2금속이 니켈인 경우에 자성을 가질 수 있고, 제2금속층(2)의 두께는 0.4 내지 4.5 ㎛로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.45 내지 4 ㎛의 범위, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 3 ㎛로 형성될 수 있다.
제2금속층(2)이 해당 범위보다 얇게 형성되고, 확산층(10)이 존재하지 않는 경우에는, 코어(1)와 솔더층(20)의 간격이 가까워져 reflow 이후에 Void가 형성될 가능성이 높아지고, 금속간화합물(Intermetallic compound)의 형성, 구리의 손실(Cu consumption), 솔더튐 현상이 발생하는 문제점이 있다.
전체 솔더볼에 포함되는 제1금속의 질량(M1)과 제2금속의 질량(M2), 솔더층(20)의 질량(S)를 분석하였을 때, M2함량 즉, M2/(M1+M2+S)*100(%) 의 값은 1 내지 75 wt%로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 50 wt%를 차지할 수 있다.
제2금속의 질량 분율이 해당 범위보다 큰 경우 전체 솔더볼에서 자성이 증가하여 자성이 높은 솔더볼이 얻어질 수 있는 문제가 있다.
확산층(10)은 제2금속을 포함하여 형성되므로, 전체 솔더볼에서 확산층(10)의 부피 비율은 제2금속의 부피 비율과 같거나 크게 이루어질 수 있고, 바람직하게는 확산층(10)의 부피가 솔더볼의 2 내지 75 wt% 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 솔더볼은, 제2금속이 전체 솔더볼에서 2 내지 10 wt% 로 포함될 수 있고, 바람직하게는 5.8 내지 10 wt%로 포함될 수 있으며, 제2금속층(2)의 질량분율이 해당 범위보다 큰 경우 제2금속이 제1금속과 합금화되지 않은 비율이 높아지므로 전체 솔더볼의 자성이 높아지는 문제가 있다.
본 명세서에서는 솔더볼이 가지는 자기적 성질의 정도를 수치화하기 위하여 솔더볼을 자석에 접촉시켰을 때 자석에 달라붙어있는 솔더볼의 질량(m)을 자석의 자기장의 세기(B) 와 자석의 면적 (A)의 곱으로 나누어 계산한 수치를 솔더볼의 자성값이라고 정의하여 표현하기로 한다.
자성값은 세기가 B (Gauss) 이고, 단면적이 A (cm2) 인 자석에 달라붙는 솔더볼의 질량 M (g) 으로 계산하여 측정하였으며,
(자성값) = M / B · A 이고, 단위는 g/kGauss·cm2로 사용하였다.
일 예시로 자기장이 3000 Gauss 이고 지름이 1.5cm 인 자석과 접촉되는 솔더볼의 질량을 특정하여 솔더볼이 가지는 자성값을 측정 할 때, 자석에 달라붙는 솔더볼의 질량을 자석의 자기장과 면적으로 나눈자성값은 0을 초과하고, 2.0 g/kGauss·cm2 이하일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.004 내지 1.17 g/kGauss·cm2 이하일 수 있으며, 코팅층(3)의 두께 및 조성에 따라 자성을 가지지 않도록 이루어질 수 있다.
솔더층(20)은 코팅층(3) 상에 형성되는 금속층으로, 솔더링시 용융되어 접합부를 제공할 수 있어 솔더층(20)으로 표현될 수 있고, 코어(1) 및 제1금속층보다 낮은 용융점을 갖는다. 솔더층(20)은 Sn을 포함하는 무연솔더를 포함할 수 있고, 단일금속 형태 또는 합금형태이며, 융점이 제1 및 제2금속의 융점 이하인 금속이다. 이원계 합금으로는 Ag, Cu, Bi, Ni, Pd, Au, Ge, In 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 2종의 금속의 합금, 3원계 합금으로는 Sn, Ag, Cu, Bi, In, Ni, Pd, Au 및 Ge으로 이루어지는 군에서 선택되는 3종의 금속의 합금이 사용될 수 있다.
또는, 2원계 합금으로 Ag, Cu, Bi 또는 In 과 Sn의 합금, 3원계 합금으로 Ag, Cu, Bi, In, Ni, Pd, Au 및 Ge 으로 이루어지는 군에서 선택되는 2종의 금속과 Sn으로 이루어진 합금, 예를들어 SnAgCu가 사용될 수 있다.
솔더층(20)에 포함되어 Sn과 합금을 형성하는 금속은 0.1 wt% 내지 95 wt%로 포함될 수 있다. 예를들어 SnAgCu 합금의 경우 Cu가 0.1 wt% 내지 3.0 wt% 로 포함될 수 있고, Ag는 0.1 wt% 내지 8.0 wt%로 포함될 수 있다. 또 다른 예로는 SnBi 합금의 경우 Bi가 0.1 내지 95 wt%로 포함할 수 있다.
솔더층(20)은 코어(1)의 직경에 따라 다르게 조절될 수 있다. 솔더층(20)은 2㎛ 내지 2,000㎛의 두께, 바람직하게는 5㎛ 내지 1,000㎛의 두께로 이루어질 수 있다.
솔더층(20)은 전체 솔더볼의 4.8 내지 65 wt% 로 형성될 수 있고, 바람직하게는 9.1 내지 48.7 wt% 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30 내지 44.4 wt% 인 것이 좋다.
솔더층(20)이 해당 범위보다 낮은 경우에 액상량이 작아 미접합, Missing ball 현상이 발생하여 패키지의 접합 신뢰도가 감소할 우려가 있으며, 해당 범위보다 큰 경우에 솔더층(20)이 전체 접합부 두께에서 차지하는 비율이 증가하여 코어(1)가 Spacer 역할을 할 수 없는 문제가 있다.
솔더층(20)은 용융점이 80℃ 내지 450℃이고, 코어(1) 및 코팅층(3)보다 낮은 용융점을 가지므로 솔더볼의 솔더링이 가능하게 한다. 예를들어 34Sn-46Bi-20In의 조성을 갖는 솔더층(20)이 사용되는 경우 용융점이 약 85℃ 정도로 얻어진다.
제조된 솔더볼은 제2금속이 갖는 자성이 약화 또는 제거되어 솔더볼의 패키지공정 혹은 장비에서 발생하는 자력의 영향이 감소하여 패키지 불량률을 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 더욱 미세한 피치에서도 적용이 가능한 효과가 있다. 또한 코어(1)와 코팅층(3)이 합금화되어 층간 결합력이 우수한 특성이 있으며 이로 인해 전단강도 및 열충격, 낙하충격에 대한 저항성 등 기계적 물성이 증가되는 장점이 있다.
본 발명의 다른 측면은 솔더볼의 제조방법을 제공한다. 도 8은 솔더볼의 제조방법을 나타낸 개략도이다. 솔더볼의 제조방법은 코어준비단계, 코팅층 형성단계, 금속확산단계 및 솔더층(20) 형성단계를 포함하여 이루어진다.
코어준비단계는 제조된 코어(1)가 준비되는 단계일 수 있고, 제1금속을 포함하여 용융된 금속 용탕에서 오리피스를 통해 미리 정해진 크기로 금속 코어(1)가 제조되는 단계일 수 있다.
코어(1)의 재료인 제1금속으로는 예를들어 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금이 사용될 수 있고, 이를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 원하는 직경으로 제조할 수 있다. 이 때, 원하는 코어(1)의 직경은 주파수와 압력으로 조절될 수 있다.
코어준비단계 이후에 코어(1)를 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 준비된 코어(1)는 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지, 교반 또는 초음파 교반 등으로 세척될 수 있고, 코어(1)의 표면을 에칭하는 단계가 포함될 수 있으며, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.
코팅층 형성단계는 준비된 코어(1)의 표면에 제2금속을 포함하는 도금층을 형성하는 단계이다. 제2금속층(2)은 코어(1)의 표면에 직접 솔더층(20)을 형성하는 경우 코어(1)의 금속원자가 솔더층(20)으로 확산되어 금속간화합물을 형성하거나 Void를 형성하는 것을 막기 위해 도입된다. 제2금속의 도금방법으로는 전해도금, 무전해도금, 물리적 기상증착법 및 화학적 기상증착법 등의 방법이 사용될 수 있고, 균일한 두께의 도금층을 형성할 수 있는 전해도금 또는 무전해도금이 사용되는 것이 좋다.
제2금속을 포함하는 코팅층(3)은 코어(1) 크기에 관계 없이 0.5 ~ 50㎛ 범위로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 ~ 10㎛ 범위, 더욱바람직하게는 1 ~ 10㎛ 범위인 것이 좋다.
도금방식의 일 예로 무전해 도금 방식이 사용되는 경우, 준비된 코어(1)를 산세(酸洗)한 후, 팔라듐(Pd)을 포함하는 용액으로 팔라듐시드(Pd seed)를 코어(1)의 에칭된 표면에 부착시킨 뒤, 묽은 황산 용액으로 활성화(Activation)시키고 중탕된 도금액 재료를 무전해 도금액에 장입 후 교반 시키는 과정이 진행될 수 있다.
무전해도금은 반응이 끝날 때까지 지속적으로 교반 시켜 주는 것이 좋다. 반응이 시작된 후 1~2시간 정도 반응이 이루어질 수 있고, 반응 시간은 코어(1)의 장입양과 무전해 도금액의 금속이온 농도 및 양에 따라 적절히 조절되어 달라질 수 있으며 반응 온도는 10 내지 50℃를 유지하는 것이 좋다.
도금방식의 다른 예로 바렐도금 방식이 이용될 수 있으며, 음극이 회전하면서 도금이 진행이 되어 도금에 의한 코어볼 입자간 뭉침 현상을 줄이고 구형도를 증가시켜 제2금속층(2)을 형성한다.
코팅층 형성단계 이후 제조된 반제품을 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 제2금속층(2)이 형성된 코어(1)는 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척되고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.
제2금속층(2)을 형성하기 위한 도금액의 재료로는 니켈, 은, 금, 아연, 알루미늄, 크롬, 안티몬 및 비스무트로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속이 포함될 수 있다.
금속확산단계는 제2금속을 포함하는 코팅층(3)의 형성 이후에 솔더층(20)을 형성하기 전 과정에서 추가적으로 이루어진다. 금속확산단계에서는 제2금속층(2)의 자성을 약화 또는 제거하기 위해 열처리가 이루어질 수 있다. 열처리는 질소 분위기 하에서 이루어질 수 있으며, 열처리에 의해 코어(1)에 포함된 제1금속과 코팅층(3)의 제2금속 원자는 계면에서부터 상호 확산 되고, 점차 서로 치환되어 합금을 형성하게 된다.
코어(1)와 제2금속층(2)의 계면에서 금속원자의 농도 차이로 인한 확산이 활발하게 일어나고, 합금으로 구성된 확산층(10)이 형성되기 시작한다.
확산층(10)은 코어(1)와 제2금속층(2)의 계면에서부터 코어(1)의 중심방향 및 제2금속층(2)의 표면방향으로 확장되고, 제1금속이 제2금속층(2) 방향으로 확산되어 제1확산영역(11)을 형성하고, 제2금속이 코어(1)의 중심방향으로 확산되어 제2확산영역(12)을 형성한다.
확산이 진행됨에 따라 형성되는 제1 및 제2확산영역(12)의 두께는 점차 두꺼워지므로 확산층(10)의 두께도 두꺼워진다. 금속확산단계 종료 후 코어(1)의 크기는 금속확산단계 이전보다 감소되는 것처럼 관찰될 수 있고, 반대로 코어(1) 상에 형성되는 코팅은 두께가 증가한 것처럼 관찰될 수 있다. 하지만 코어(1)의 크기가 감소하거나 코팅층(3)이 두꺼워지는 것은 아니며, 단지 제1금속 및 제2금속의 확산으로 인하여 확산층(10)의 내부에서 그 계면의 형태가 사라지거나 약해진 것에 불과하다.
코팅층(3)에서 코어(1)에 포함된 제1금속은 코어(1)의 중심방향에서 바깥방향으로 갈수록 비율이 감소하고, 제2금속은 코어(1)의 중심방향에서 바깥방향으로 갈수록 비율이 증가한다.
금속확산단계에서는 초기에 도금된 제2금속 코팅층(3)의 두께의 1배 내지 20배, 바람직하게는 1.2 내지 5배의 두께를 갖는 확산층(10)이 형성될 수 있다. 초기의 제2금속을 포함하는 코팅층(3)의 두께 대비 형성된 확산층(10)의 두께가 두꺼울수록 전체 확산층(10)에서의 제2금속의 평균 농도가 감소한다.
일 예시로 코어(1)가 구리 코어(1)인 경우, 구리와 제2금속인 니켈은 모든 조성에서 전율고용체 합금인 구리-니켈 합금을 형성할 수 있으며, 강자성체인 니켈층이 상자성체화 되어 솔더볼의 자력이 약해지는 효과가 얻어진다.
금속확산단계는 코어(1)와 코팅층(3)의 계면에서 금속 원자간의 확산을 일으키는 단계이다. 코어(1)의 표면의 코팅층(3)은 400 내지 1000℃, 바람직하게는 400 내지 900℃, 더욱 바람직하게는 500 내지 700℃의 온도조건하에서 10분 내지 100 시간, 바람직하게는 20분 내지 5 시간동안 열처리 된다.
반응 온도가 해당 범위보다 낮은 경우 합금화가 일어나지 않아 자성 제거 효과가 미미할 수 있고, 해당 범위보다 높은 경우 코어(1)입자의 용융이 일어나거나, 소결이되어 입자가 뭉치는 문제점이 생길 수 있다. 반응 시간이 해당 범위보다 적은 경우 합금화의 정도가 낮아서 자성 제거 효과가 미미할 수 있고, 해당 범위보다 긴 경우 소결이 되어 입자가 뭉치는 문제점이 나타날 수 있다.
금속확산단계의 온도 및 시간조건은 코팅층(3)의 두께에 의하여 조절될 수 있다. 초기의 코팅층(3)의 두께가 얇게 형성된 경우 낮은 온도 또는 짧은 시간에도 니켈의 확산이 충분히 진행되어 자성이 약화될 수 있으며, 코팅층(3)의 두께가 두꺼운 경우 코어(1)와 코팅층(3)의 계면에서 시작되는 확산이 코팅층(3)의 상부까지 진행되기 위해서는 확산이 더 많이 진행되어야 충분한 두께의 확산층(10)이 형성될 수 있다.
이 때, 금속확산단계의 온도 및 시간조건을 제한적으로 조절하여 코팅층(3)의 일부에 제1확산영역(11)이 형성되고 일부는 제2금속으로 구성되는 영역이 코팅층(3)에 남을 수 있다. 이 경우, 확산층(10)의 형성으로 인해 자성을 갖는 제2금속의 자성이 감소하여 저자성의 특성을 가지면서도 표면에서 제1금속의 농도가 매우 낮아 솔더층(20)의 형성시 표면에서의 금속간 화합물, 보이드 발생과 같은 하자를 예방할 수 있다.
금속확산단계 이후 확산층(10)이 형성된 중간제품을 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 확산층(10)이 형성된 중간제품은 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척되고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.
솔더층 형성단계는 확산이 진행된 코팅층(3) 표면에 Sn 또는 Sn의 합금을 포함하는 무연솔더층을 형성하는 단계로, 주로 전해도금 방식이 사용될 수 있다. 코팅층(3)이 형성된 코어(1)를 바렐속에 넣어 도금시키고자 하는 금속 또는 합금을 양극에 걸어두고, 피도금체인 코팅된 금속코어(1)에는 음극을 걸어 전해도금을 진행한다. 도금 진행 시 온도는 10 내지 70℃, 바람직하게는 20 내지 30℃를 유지시키고, 전류밀도는 0.2 내지 50 ASD로 5분 내지 200시간 진행하는 것이 바람직하다.
솔더층 형성단계의 반응 온도, 전류밀도 및 시간은 코어(1)의 크기, 코팅층(3)의 두께 및 목표로 하는 솔더층(20)의 두께에 따라 달라질 수 있다.
솔더층 형성단계 이후 제조된 솔더볼 제품을 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 솔더볼은 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척되고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.
본 발명을 통해 제조된 코어 솔더볼은 종래의 기술인 제2 금속으로 강자성체인 니켈을 사용하고 동일한 금속 함량을 가지는 송더볼과 대비할 때에도, 상대적으로 자성값의 크기가 작게 나타나는 특징이 있다. 자성의 세기는 전체 코어 솔더볼 내의 강자성체 함량에 따라 높게 측정되는데, 본 발명에서는 코팅층(3) 형성후 열처리에 의한 확산영역의 형성으로 인해 강자성체인 니켈이 구리와 합금화되며 낮은 자성을 갖는 솔더볼을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼을 포함하는 전도성 페이스트를 포함한다.
기판의 전극에 전도성 페이스트가 도포되어 가열됨에 따라 전극과 솔더볼이 부착된다. 전도성 페이스트는 플럭스와 도전입자를 더 포함할 수 있으며, 플럭스는 솔더볼의 표면에 형성될 수 있는 산화막을 제거하여 반응이 잘 일어날 수 있게하여 전도성 페이스트에 포함된 도전입자와 솔더볼의 반응에 의한 접합부가 형성된다. 이 때, 전도성 페이스트에는 열전도성을 향상시키기 위한 황동, 은 등의 금속분말이 더 포함될 수 있으며, 포함되는 금속분말의 입경은 3 내지 15μm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면으로는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더볼을 포함하여 형성되는 접속구조체이다.
전자부품 또는 반도체 장치의의 접속구조체는 전자 부품 또는 반도체 장치의 접속단자와 반도체 장치의 접속단자에 대항하는 기판의 전극 사이에 구비되어 접속단자와 패드를 열 및 전기적으로 접속하는 솔더볼을 포함한다. 이하에서는 전술한 솔더볼에 대하여 앞에서 기재한 것과 동일한 내용은 생략하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 솔더볼을 이용하여 형성된 패키지의 단면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
접속구조체는 기판에 포함되는 전극에 대하여, 전극과 접속단자를 전기적으로 연결하기 위한 수단으로 솔더볼을 포함하는 전도성 페이스트를 솔더링하여 얻어질 수 있다.
도 9에 나타난 바와 같이 상부와 하부에 구비되는 전극과 접속단자의 사이에 솔더볼이 위치할 수 있으며, 내부에 코어가 스페이서로서의 역할을 수행하면서 리플로우 이후 솔더층의 솔더합금이 전극과 접속단자를 전기적으로 연결하여 안정적인 패키지의 접속구조가 얻어질 수 있다.
전자부품에 포함된 솔더볼 또는 솔더볼을 포함하는 전도성 페이스트는 우수한 열전도율을 가져 우수한 방열성능을 갖고, 저자성 특성을 가지는 솔더볼에을 사용함으로써 자성에 의해 발생하는 다양한 에러가 저감되는 접속구조체를 형성할 수 있다.
전자부품 또는 반도체 장치의 접속단자는 구리패드에 일반적으로 Ni/Au 도금층이 형성되어 있을 수 있다. 솔더볼은 제2금속층(2)이 가열됨에 따라 용융되어 금속간화합물(IMC)를 형성하며 접속단자에 접속된다. 솔더볼이 부착된 전자부품 또는 반도체장치는 다시 기판의 전극에 부착된다.
기판 전극은 구리를 포함하여 형성될 수 있고, 이 때 구리 표면에 산화를 방지하기 위한 OSP(Organic solder-ability preservative)가 처리될 수 있다.
코어 솔더볼 내 강자성체의 함량은 금속의 조성을 측정할 수 있는 기구라면 모두 사용이 가능하며, 바람직하게는 ICP-OES, ICP-MASS를 사용한다. 강자성체의 함량을 측정하여, 부피로 환산한 뒤 최초 도금층 두께를 계산할 수 있다.
또한, 단면층 EDS 분석을 통하여, 최초 도금층 두께를 확인할 수 있다.
일례로, 코어 솔더볼 전체를 Mapping 성분분석 측정하여, Ni함량을 측정한 뒤 계산하여 Ni두께로 환산할 수 있다.
실시예
실시예1
고온 고주파 유도로를 통하여 구리(Cu) 5kg, 불순물 금속 10g을 녹여 구리의 비율이 99.8 wt%인 용탕을 제조한 후, 지름이 180㎛인 코어를 제조하였다.
제조된 코어를 알콜계 용액처리한 뒤, 초음파 교반으로 세척하였고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별을 진행하였다.
코어를 바렐속에 넣어 도금시키고자 하는 금속 또는 합금을 양극에 걸어두고, 피도금체인 금속코어에는 음극을 걸어 전해도금을 진행하였다. 도금 진행 시 온도는 60℃를 유지시키고, 전류밀도는 0.3 ASD로 3 시간 진행하여 코팅층을 2㎛두께로 형성하였다.
제2금속층 도금이 완료된 코어를 질소 분위기에서 700℃ 조건으로 1시간동안 처리하여 금속확산을 진행하였다.
열처리된 코어를 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척한 뒤, 바렐속에 넣어 도금시키고자 하는 금속 또는 합금을 양극에 걸어두고, 피도금체인 금속코어에는 음극을 걸어 전해도금을 진행하였다. 도금 진행 시 온도는 30℃를 유지시키고, 전류밀도는 0.5 ASD로 4시간 진행하여 솔더층을 18㎛로 형성하고, 지름이 220㎛인 솔더볼을 수득하였다.
실시예 2 및 3
코어의 직경을 각각 50㎛, 1,000㎛ 로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 솔더볼을 수득하였다.
실시예 4 및 5
코팅층 두께를 각각 0.5㎛, 50㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 솔더볼을 수득하였다.
실시예 6 내지 7
실시예 1에 대하여 열처리 시간을 각각 30분, 2시간으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 솔더볼을 수득하였다.
실시예 8 내지 9
실시예 1에 대하여 열처리 단계에서 온도조건을 각각 500, 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 솔더볼을 수득하였다.
실시예 10
실시예 1에 대하여 코팅층의 열처리시 온도를 600℃로 하고, 열처리 시간을 20분으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 솔더볼을 수득하였다.
실시예 11 내지 16
실시예 1에 대하여 코어의 직경을 160㎛로 형성한 후, 코팅층을 각각 0.5, 1, 2, 3, 4, 2㎛로 형성하였으며, 솔더층의 두께를 각각 29.5, 29, 28, 27, 26, 12㎛로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 솔더볼을 수득하였다.
비교예
비교예 1
제2금속층 형성 후 금속확산단계를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 코팅층을 포함하는 코팅층 위에 솔더층이 형성된 솔더볼을 수득하였다.
비교예 2
구리 단일금속으로 제조된 구리 코어 위에 코팅층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 구리 코어 위에 솔더층이 형성된 솔더볼을 수득하였다.
비교예 3 내지 4
코팅층의 두께를 각각 0.2㎛, 60㎛으로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 코팅층 위에 솔더층이 형성된 솔더볼을 수득하였다.
실험예
실험예 1 내지 10 - 코팅층의 두께, Ni함량의 측정 및 자석 부착 실험
실시예1 내지 10에서 제조된 솔더볼의 단면을 전자현미경으로 관찰하고 코팅층의 두께를 측정한 후, 제2금속인 Ni 함량을 ICP-OES를 이용하여 측정하였고, 솔더볼의 자성을 3000 Gauss, 1.5cm 지름의 자석을 접촉하였을 때, 달라붙어있는 솔더볼을 중량으로 측정하였다.
자석에 붙은 솔더볼 입자의 질량은 실험예1 내지 10에서 5, 1.5, 3.0, 0.087, 11.0, 20.0, 0.1, 11.0, 2.0, 5 g 이었고, 자성값은 g/kGauss·cm2 단위로 환산하면, 0.24, 0.07, 0.14, 0.004, 0.52, 0.94, 0.005, 0.52, 0.094, 0.95 g/kGauss·cm2 로 계산되었다.
실험예 11 내지 14 - 코팅층의 두께, Ni함량의 측정 및 자석 부착 실험
비교예 1내지 4에 대하여 실험예 1과 동일한 방식으로 실험하여 자성을 측정하였으며, 그 결과 32.0, 0, 0, 46.0 g 의 입자가 달라붙었고, 자성값은 1.51, 0, 0, 2.17 g/kGauss·cm2 로 계산되었다.
도 3 에 실시예 1, 8, 9 및 비교예 1의 솔더볼 단면을 촬영한 사진을 나타내었다. 솔더층과 코팅층의 계면은 육안으로 구분되었으나, 코어와 코팅층의 계면은 구분이 잘 되지 않았으며, 이는 제1금속인 구리와 제2금속인 니켈의 원자번호 차이가 적기 때문으로 예상된다.
도 4에 실시예 4, 5의 단면을 촬영한 사진을 나타내었다. 실시예 4의 경우 제2금속의 함량이 적어 제2금속의 확산으로인한 제1 및 제2확산영역이 발달되지 않았으며, 실시예 5의 경우 제1 및 제2확산영역이 발달된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 1 내지 14에 대한 실험결과를 정리하여 아래 표 1에 나타내었다.
코어직경
(μm)		 코팅층 두께(μm) 솔더층 두께
(μm)		 확산층 두께
(μm)		 Ni함량
(%)		 자성값
(kGauss·cm2)		 비고
실험예 1 180 2 18 5 4 0.24 　
실험예 2 50 2 18 5 5.1 0.07 　
실험예 3 1000 2 18 5 0.55 0.14 　
실험예 4 180 0.5 18 1 1 0.004 　
실험예 5 180 50 18 80 53.8 0.52 　
실험예 6 180 2 18 5 4 0.52
실험예 7 180 2 18 8 4 0.094
실험예 8 180 2 18 3 4 0.94 　
실험예 9 180 2 18 11 4 0.005 　
실험예 10 180 2 18 0.8 4 0.95
실험예 11 180 2 18 0 4 1.51 비교예 1
실험예 12 180 0 18 0 0 0 비교예 2
실험예 13 180 0.2 18 1 0.4 0 비교예 3
실험예 14 180 60 18 85 58.6 2.17 비교예 4
실험예 15 내지 18 - 솔더볼의 코팅층의 확산 실험
실시예 1, 8, 9 및 비교예 1에서 솔더층을 형성하기 전의 코어 반제품의 단면을 전자현미경 EDS으로 관찰하였다. 촬영된 사진을 도 5에 나타내었다.
단면 관찰 결과, 열처리 시 온도, 시간 증가에 따라 Ni(적색)- Cu(녹색)간 표면 확산량이 증가한다.
도 5의 실시예에서 도금된 Ni이 합금화되어 확산층이 각각 5, 3, 11㎛의 두께로 형성된 것을 확인할 수 있으며, 열처리시 처리시간, 온도가 높을수록 합금화가 많이 진행되어 확산층의 두께가 두꺼워져 코어와 코팅층의 경계가 희미해진 것을 관찰할 수 있었고, 온도에 의한 영향이 시간의 영향보다 더 크게 작용함을 알 수 있었다.
실험예 19 내지 23 - 솔더볼의 금속간화합물(IMC) 형성 관찰
실시예 1, 8, 9 및 비교예 1, 2에서 제조된 솔더볼의 IMC형성 정도를 측정하기 위하여, 일반적으로 솔더링하는 조건 245℃ peak에서 열처리를 진행하였다. 열처리 진행한 후 솔더볼의 단면을 관찰하였으며 결과를 도 6에 나타내었다. IMC의 형성정도는 비교예 2의 제2 금속층을 형성하지 않은 솔더볼의 다각형구조 IMC 대비 1/2 내지 1배 두께이며 침상구조의 IMC형태이다, 비교예1의 코팅층 형성단계가 없는 기존 솔더볼 대비 1 내지 2배 두께이며 침상구조의 IMC형태로 관찰되었다.
표 2는 구리와 니켈의 계면에서 온도와 시간조건에 따라 구리와 니켈이 확산되어 계면으로부터 이동하는 거리의 기대값을 표로 나타낸 것이다. 구리와 니켈간 확산계수는 온도가 100㎛ 증가할 때 약 10배 증가하는 상관관계를 가지며, 이를 이용하여 1시간 열처리 시 온도별 확산거리를 개략적으로 예상할 수 있다.
본 발명에서 얻고자 하는 자성의 저감효과를 얻기위하여 코팅층을 0.1㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 10㎛로 형성한 후, 이를 모두 확산층으로 만들기 위해서는 열처리 시간 1시간을 기준으로 550 내지 700℃에서 금속확산단계가 이루어질 수 있고, 해당 온도 범위보다 낮은 온도의 처리시 1시간 내지 100시간의 열처리가 필요함을 알 수 있다.
온도(℃) 시간(hr) 확산거리(㎛) 온도(℃) 시간(hr) 확산거리(㎛)
400 1 0.012 650 1 6.6
450 1 0.066 700 1 12
500 1 0.12 750 1 66
550 1 0.66 800 1 120
600 1 1.2 850 1 660
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시할 수 있다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예 24 내지 30 - 솔더볼의 단면 및 접합부 관찰
실시예 11 내지 16 및 비교예 5의 솔더볼의 단면을 관찰하여 Void 발생 유무를 확인하였으며, 솔더볼을 솔더링한 후 접합부의 단면을 관찰하여 솔더튐 현상 또는 Missing ball의 발생 유무를 관찰하였다.
Void는 실험예 24 내지 29에서 발생하지 않았으나, 실험예 30에서 발생하였고, 솔더튐현상은 실험예 24 내지 29에서는 95% 이상의 수율이 얻어졌지만, 실험예 30에서는 80% 미만의 수율을 얻어졌으며, Missing ball 현상은 실험예 24 내지 28에서는 발생하지 않았으나, 실험예 29 내지 30에서 발생하였다.
실험예 24 내지 30의 결과를 정리하여 아래 표 3에 나타내었다.
코어 직경
(㎛)		 코팅층 두께
(㎛)		 솔더층 두께
(㎛)		 코팅층 부피비율
(vol%)		 솔더층 부피비율
(vol%)		 Void 발생 솔더튐(splash)에 따른 수율 Missing ball 발생
실험예 24 160 0.5 29.5 0.80 55.94 × 95% 이상 ×
실험예 25 160 1 29 1.62 55.18 × 95% 이상 ×
실험예 26 160 2 28 3.28 53.65 × 95% 이상 ×
실험예 27 160 3 27 4.97 52.09 × 95% 이상 ×
실험예 28 160 4 26 6.69 50.50 × 95% 이상 ×
실험예 29 160 2 12 5.01 29.31 × 95% 이상 ○
실험예 30 160 0 30 0 56.69 ○ 80% 미만 ○
1 : 코어 2 : 제2금속층
3 : 코팅층 10 : 확산층
11 : 제1확산영역 12 : 제2확산영역
20 : 솔더층

Claims (18)

  1. 코어와 상기 코어 상에 구비되는 코팅층 및 상기 코팅층 상에 구비되는 솔더층을 포함하는 솔더볼로서,
    상기 코어는 제1금속을 포함하고,
    상기 코팅층은 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하며,
    상기 코팅층의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제1확산영역이 구비되며,
    상기 코어의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제2확산영역이 구비되고,
    상기 제1확산영역은 상기 제1금속이 상기 코팅층으로 확산되어 상기 제2금속과 합금화된 합금을 포함하고,
    상기 제2확산영역은 상기 제2금속이 상기 코어로 확산되어 상기 제1금속과 합금화된 합금을 포함하고,
    상기 제1확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도는 상기 제2확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도보다 낮은 솔더볼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1확산영역 및 상기 제2확산영역에 포함되는 상기 합금은 제2금속보다 보자력이 낮은 솔더볼.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1확산영역 및 상기 제2확산영역을 포함하는 확산층을 포함하고,
    상기 제2금속의 농도는 상기 확산층의 하부에서 상부로 갈수록 증가하는 솔더볼.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2금속은 강자성체인 솔더볼.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속은 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 또는 아연(Zn)인 솔더볼.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코어의 조성 중 상기 제1금속의 비율은 85wt% 내지 99.999wt%인 솔더볼.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 솔더볼을 자석에 접촉시켜 상기 자석에 달라붙은 상기 솔더볼의 질량(g)을 상기 자석의 자기장의 세기(Gaus) 와 상기 자석의 접촉면적(cm2)으로 나누어 계산된 솔더볼의 자성값은 0.004 내지 1.5 g/kGauss·cm2 인 솔더볼.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 솔더층은 상기 솔더볼 전체의 4.8 내지 65 wt% 로 구비되는 솔더볼.
  14. 제1금속을 포함하는 코어를 준비하는 코어준비단계;
    상기 코어의 표면에 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하는 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계;
    상기 코팅층이 형성된 코어를 열처리하여 상기 제1금속과 상기 제2금속을 상기 코어와 상기 코팅층의 계면에서 확산시키고 상기 제1금속 및 상기 제2금속의 합금을 형성하는 금속확산단계; 및
    상기 코팅층 위에 솔더층을 도금하는 솔더층 형성단계;를 포함하는 솔더볼 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속확산단계는 400 내지 1000℃의 온도에서 열처리하는 단계인 솔더볼 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금속확산단계는 상기 제1금속 및 상기 제2금속이 서로 합금화되어 구비되고, 상기 코팅층의 두께의 1배 내지 20배의 두께를 갖는 확산층을 형성하는 단계인 솔더볼 제조방법.
  17. 솔더볼과 플럭스를 포함하는 전도성 페이스트로서,
    상기 솔더볼은 코어와 상기 코어 상에 구비되는 코팅층 및 상기 코팅층 상에 구비되는 솔더층을 포함하고,
    상기 코어는 제1금속을 포함하고,
    상기 코팅층은 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하며,
    상기 코팅층의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제1확산영역이 구비되며,
    상기 코어의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제2확산영역이 구비되고,
    상기 제1확산영역은 상기 제1금속이 상기 코팅층으로 확산되어 상기 제2금속과 합금화된 합금을 포함하고,
    상기 제2확산영역은 상기 제2금속이 상기 코어로 확산되어 상기 제1금속과 합금화된 합금을 포함하고,
    상기 제1확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도는 상기 제2확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도보다 낮은 전도성 페이스트.
  18. 전극을 포함하는 기판;
    상기 전극과 접속되는 접속단자; 및
    상기 전극 및 상기 접속단자의 사이를 연결하는 솔더볼; 을 포함하는 접속구조체로서,
    상기 솔더볼은,
    코어와 상기 코어 상에 구비되는 코팅층 및 상기 코팅층 상에 구비되는 솔더층을 포함하고,
    상기 코어는 제1금속을 포함하고,
    상기 코팅층은 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하며,
    상기 코팅층의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제1확산영역이 구비되며,
    상기 코어의 적어도 일 영역에는 상기 제1금속과 상기 제2금속을 가지는 합금을 포함하는 제2확산영역이 구비되고,
    상기 제1확산영역은 상기 제1금속이 상기 코팅층으로 확산되어 상기 제2금속과 합금화된 합금을 포함하고,
    상기 제2확산영역은 상기 제2금속이 상기 코어로 확산되어 상기 제1금속과 합금화된 합금을 포함하고,
    상기 제1확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도는 상기 제2확산영역에서 상기 합금의 제1금속 평균농도보다 낮은 접속구조체.

















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