KR20080069187A - 큰 보이드를 내포하지 않는 Ａｕ―Ｓｎ합금 범프 및 그제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 및 소지(素地) 중에 Sn 농후 초정상(初晶相)이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있는 조직을 갖는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프이다.
보이드, Au-Sn 합금 범프, 드라이 필름층, Si

Description

큰 보이드를 내포하지 않는 Ａｕ―Ｓｎ합금 범프 및 그 제조 방법{Au-Sn ALLOY BUMP HAVING NO TRAPPED-IN LARGE VOID AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 큰 보이드, 특히 범프 직경의 30 ％를 초과하는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, GaAs 광소자, GaAs 고주파 소자, 열전 소자 등의 반도체 소자와 기판과의 접합, 미세하고 또한 고기밀성이 요구되는 SAW 필터, 수정 발진자 등의 패키지 밀봉 등에는 Au-Sn 합금 땜납 페이스트가 사용되고 있다. 이 Au-Sn 합금 땜납 페이스트에 포함되는 Au-Sn 합금 분말은, Sn : 20 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Au-Sn 공정 합금 분말인 것이 알려져 있고, 이 Au-Sn 공정 합금 분말은, 통상 가스 아토마이즈(gas atomize)하여 얻어지는 것도 알려져 있다.
상기 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 기판 상에 구멍이 뚫린 드라이 필름층을 형성하고, 이 드라이 필름층의 구멍에 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 메운 후 리플로우 처리하여 기판 표면에 Au-Sn 합금 범프를 형성하고, 드라이 필름층을 제거하여 전극 등으로 사용하는 것도 알려져 있다(비특허 문헌 1 참조).
비특허 문헌 1 : 제10회 일렉트로닉스에 있어서의 마이크로 접합ㆍ실장 기술 심포지움 논문집 Vol.10.2004 제95 내지 100페이지(사단 법인 용접 학회 2004년 2월 5일 발행)
그러나 상기 비특허 문헌 1에 기재된 Sn : 20 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Au-Sn 합금 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 제작한 Au-Sn 합금 범프의 내부에는 큰 보이드가 생성되어 잔류하여 내포되어 있고, 이러한 큰 보이드가 내부에 잔류하여 내포되어 있는 Au-Sn 합금 범프를 사용하여 반도체 소자와 기판 등을 접합하면, 접합부에도 큰 보이드가 잔류하고, 이 접합부의 큰 보이드가 크랙의 기점으로 되어 신뢰성이 있는 Au-Sn 합금 땜납의 접합부를 얻을 수 없다. 이 경우, Au-Sn 합금 범프에 내포되어 있는 보이드가 범프 직경의 30 ％ 이하의 작은 보이드인 경우는 크랙의 기점으로 되지 않으므로 접합부의 신뢰성을 저하시키지 않는다. 따라서, 내부에 큰 보이드, 특히 범프 직경의 30 ％를 초과하는 큰 보이드의 내포하는 일이 적은 Au-Sn 합금 범프가 요구되고 있었다.
따라서, 본 발명자들은 내부에 큰 보이드를 내포하지 않는 범프를 얻기 위해 연구를 행했다. 그 결과, Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 및 소지(素地 : basis material) 중에 Sn 농후 초정상(初晶相 : primary crystal phase)이 0.5 내지 30 면적％ 정출한 조직을 갖는 Au-Sn 합금 분말을 플럭스에 혼합시켜 얻어진 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 사용하여 리플로우 처리함으로써 얻어진 Au-Sn 합금 범프는, 범프 내부에 잔류하는 큰 보이드가 없어진다고 하는 연구 결과가 얻어진 것이다.
본 발명은 이러한 연구 결과를 기초로 하여 이루어진 것이며,
(1) Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 및 소지 중에 Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있는 조직을 갖는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프,
(2) Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성, 및 소지 중에 Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있는 조직을 갖는 Au-Sn 합금 분말과 플럭스를 혼합하여 얻어진 Au-Sn 땜납 페이스트를 점 형상으로 도포한 후 리플로우 처리하는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프의 제조 방법에 특징을 갖는 것이다.
본 발명의 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프의 제조 방법에서 사용하는 Au-Sn 합금 땜납 페이스트는 하기의 방법으로 제작한다. 우선, Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Au-Sn 합금을 용해하여 얻은 용탕을 온도 : 600 ℃ 내지 1000 ℃로 유지하고, 기계 교반하면서 또는 기계 교반한 후 이 교반된 용탕을 압력 : 300 내지 800 ㎪로 가압하면서 분사 압력 : 5000 내지 8000 ㎪의 압력으로 직경 : 1 내지 2 ㎜를 갖는 소경 노즐로부터 노즐 갭 : 0.3 ㎜ 이하에서 불활성 가스를 분사하여, Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있는 Au-Sn 합금 분말을 제조한다. 상기 교반은 기계 교반인 것이 바람직하고, 기계 교반 내에서도 프로펠러 교반이 한층 바람직하다. 상기 기계 교반에 전자기 교반과 같은 전기적 교반을 병용해도 좋고, 기계 교반에 전자기 교반을 병용할 수도 있다. 상기 기계 교반의 회전 속도는 특별히 한정되는 것은 아니나, 60 내지 100 rpm에서 3 내지 10분간 프로펠러 교반하는 것이 바람직하다. 이 Au-Sn 합금 분말의 제조 방법에 있어서, Au-Sn 합금 용탕을 기계 교반하면, Sn 농후 초정상이 성장하여 커지는 일이 없고, 또한 Au 농후 초정상 클러스터가 없는 Au-Sn 합금 용탕이 얻어지고, 이 교반하여 얻어진 Au-Sn 합금 용탕을 아토마이즈함으로써 소지 중에 Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고, Au 농후 초정상이 없는 Au-Sn 합금 분말이 얻어진다. 이와 같이 하여 얻어진 Au-Sn 합금 분말과, 시판되는 로진, 활성제, 용제 및 증점제로 이루어지는 플럭스를 혼합하여 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 제작한다.
Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 Au-Sn 합금 용탕을 기계 교반하지 않고 그 상태로 가스 아토마이즈하여 얻어진 Au-Sn 합금 분말은 Sn 농후 초정상이 정출하는 경우가 있어도 그 양은 매우 적고, 그 양은 0.4 ％를 초과하는 일은 없다. 이 Sn 농후 초정상 정출량이 적은 Au-Sn 합금 분말과 시판되는 플럭스를 혼합하여 얻어진 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 기판 상에 점 형상으로 도포하여 리플로우 처리하여 얻어진 범프에는, 범프 직경의 30 ％를 초과하는 큰 보이드가 내포되어진다.
한편, 상기 Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있고 또한 Au 농후 초정상이 없는 조직을 갖는 Au-Sn 합금 분말은, Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 Au-Sn 합금 용탕을 기계 교반하고, 이 기계 교반한 Au-Sn 합금 용탕을 아토마이즈함으로써 제조할 수 있다. 이 Au-Sn 합금 분말과 시판되는 플럭스의 혼합체인 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 기판 상에 점 형상으로 도포하여 리플로우 처리하여 얻어진 범프는, 내재되는 보이드의 수는 적어지는 동시에, 범프 직경의 30 ％를 초과하는 큰 보이드의 발생은 전혀 볼 수 없게 되는 것이다.
본 발명의 Au-Sn 합금 범프에 포함되는 Sn의 함유량을 20.5 내지 23.5 질량％로 한정한 것은, 범프에 포함되는 Sn의 함유량이 20.5 질량％ 미만에서는 Au 농후 초정상이 정출하고, 융점이 높아져 융액 점성이 높아지고, 페이스트 용융 중에 발생한 가스가 기판 근방에 트랩되어 범프 내부에 보이드가 잔류하므로 바람직하지 않고, 한편 Sn의 함유량이 23.5 질량％를 초과하면, 용탕을 기계 교반해도 조대한 Sn 농후 초정상이 정출하게 되고, 또한 Sn 농후 초정상이 전체 30 면적％를 초과하여 정출하게 됨으로써 보이드가 범프의 내부로부터 빠지기 어려워져 범프 내부에 잔류하므로 바람직하지 않기 때문이다.
본 발명의 Au-Sn 합금 범프를 제작하기 위해 사용하는 Au-Sn 합금 페이스트에 포함되는 Au-Sn 합금 분말에 정출하는 Sn 농후 초정상을 0.5 내지 30 면적％ 정출하도록 한정한 것은, Au-Sn 합금 분말의 단면에 정출하는 Sn 농후 초정상의 양이 0.5 면적％ 미만에서는 Au 농후 초정상이 생성되어 버리고, 이 Au 농후 상(相)은, 다른 공정(共晶) 조직부와는 융점이 높아지기 때문에, 동일한 온도에서는 융액 점성이 높아, 페이스트 용융 중에 발생한 가스가 트랩되어 보이드 발생의 원인으로 되므로 바람직하지 않고, 한편 Au-Sn 합금 분말의 단면에 Sn 농후 초정상이 30 면적％ 초과하여 정출하면, 명백하게 분말의 융점이 고온으로 시프트하여 Sn 농후 초정상의 비율이 높아지고, 공정점으로부터 시프트함으로써 융점이 높아지고, 융액의 점도가 높아져 유동성이 저하되어, 페이스트 용융시에 발생하는 가스를 트랩하여 보이드 발생의 원인으로 되므로 바람직하지 않기 때문이다. 본 발명의 Au-Sn 합금 범프를 제작하기 위해 사용하는 Au-Sn 합금 페이스트에 포함되는 Au-Sn 합금 분말에 정출하는 Sn 농후 초정상의 정출량의 더욱 바람직한 범위는 10 내지 20 면적％이다.
본 발명의 Au-Sn 합금 범프는, 내부에 범프 직경의 30 ％를 초과하는 큰 보이드가 내포되지 않는다는 점으로부터, 종래 Au-Sn 합금 범프에 비해 보이드 기점(起點)에 의한 크랙이 발생할 가능성이 낮아 접합부의 신뢰성이 우수하고, 반도체 장치의 불량품 발생율도 감소되어 비용을 저감할 수 있어, 산업상 우수한 효과를 가져오는 것이다.
도1은 Au-Sn 합금 범프 1의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도2는 Au-Sn 합금 범프 2의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도3은 Au-Sn 합금 범프 3의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도4는 Au-Sn 합금 범프 4의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도5는 Au-Sn 합금 범프 5의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도6은 Au-Sn 합금 범프 6의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도7은 Au-Sn 합금 범프 7의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도8은 Au-Sn 합금 범프 8의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도9는 Au-Sn 합금 범프 9의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도10은 Au-Sn 합금 범프 10의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
도11은 Au-Sn 합금 범프 11의 단면의 금속 현미경 조직 사진이다.
표1에 나타낸 성분 조성을 갖는 Au-Sn 합금을 고주파 용해로에 의해 용해하고, 얻어진 용탕을 표1에 나타낸 온도로 유지하면서, 표1에 나타낸 회전수로 표1에 나타낸 시간 프로펠러를 회전시켜 용탕을 기계 교반하면서 또는 기계 교반한 후, 용탕에 표1에 나타낸 압력을 가하고, 고주파 용해로의 바닥부에 설치된 노즐로부터 용탕을 낙하시키고, 동시에 노즐 주위에 노즐 갭 : 0.2 ㎜가 되도록 설치된 표1에 나타낸 직경의 가스 노즐로부터 낙하하는 용탕을 향하게 하여 가스를 표1에 나타낸 분사 압력으로 분사시킴으로써 가스 아토마이즈 분말을 제작하고, 이 가스 아토마이즈 분말을 체로 침으로써 평균 입경 : 20 ㎛를 갖는 Au-Sn 합금 분말을 제작했다.
이들 Au-Sn 합금 분말을 수지로 메워 단면 연마하고, 단면을 EPMA에 의해 촬영하고, 이 EPMA 화상에 있어서, 분말 단면 직경 : 15 ㎛인 것의 10 샘플을 무작위로 선정하고, 화상 처리 소프트를 이용하여 Sn 농후 초정상의 분말 단면적에 대한 Sn 농후 초정상이 점유하는 면적％를 구하고, 그 결과를 표1에 나타냈다.
이들 Au-Sn 합금 분말에 시판되는 RMA 플럭스를 플럭스 비율 : 7 질량％ 혼합하여 Au-Sn 합금 땜납 페이스트 1 내지 11을 제작했다.
다음에, 이들 Au-Sn 합금 땜납 페이스트 1 내지 11을 이용하여, 하기의 측정을 행했다.
우선, 세로 : 10 ㎜, 가로 : 10 ㎜, 두께 : 1 ㎜의 치수를 갖는 Si로 이루어진 판을 준비하고, 이 판의 표면에 두께 : 0.5 ㎛의 Al 스퍼터막을 형성한 후 그 위에 두께 : 0.5 ㎛의 Ni-V 합금 스퍼터막을 형성하고, 그 위에 1.0 ㎛의 Cu 스퍼터막을 형성하고, 이 Cu 스퍼터막을 형성한 판 위에 직경 : 95 ㎛의 구멍을 갖고, 두께 : 70 ㎛를 갖는 드라이 필름층을 형성하고, 상기 드라이 필름층의 구멍에 상기 Au-Sn 합금 땜납 페이스트 1 내지 11을 충전하고, 리플로우 처리(예열 150 ℃/60초 + 본 가열 320 ℃/60초)함으로써 직경 : 80 ㎛, 높이 : 60 ㎛의 치수를 갖는 Au-Sn 합금 범프 1 내지 11을 각각 1000개 제작했다. 이들 Au-Sn 합금 범프 1 내지 11의 단면을 1000배의 금속 현미경으로 관찰하고, 그 단면의 조직 사진을 찍고, 그 조직 사진을 도1 내지 도11에 도시했다. 그 후, 상기 조직 사진을 기초로 하여 Au-Sn 합금 범프 1 내지 11의 단면적에 대한 Sn 농후 초정상이 점유하는 면적％를 화상 처리 소프트를 이용하여 측정하고, 그들 측정 결과를 표1에 나타냈다.
또한 Au-Sn 합금 범프 1 내지 11을 각각 240개 추출하고, 이 240개의 Au-Sn 합금 범프 1 내지 11을 각각 투과 X선 장치를 이용하여 범프에 내포되어 있는 보이드의 수 및 직경을 측정하고, 보이드 직경을 범프 직경에 대한 비율로 구하고, 보이드 직경이 범프 직경의 10 ％ 이하의 보이드, 보이드 직경이 범프 직경의 10 ％ 초과 내지 20 ％ 이하의 보이드, 보이드 직경이 범프 직경의 20 ％ 초과 내지 30 ％ 이하의 보이드 및 보이드 직경이 범프 직경의 30 ％ 초과하는 보이드로 분류하 고, 그 분류된 보이드의 수를 구하고, 그 결과를 표2에 나타냈다.
[표1]
Figure 112008034656387-PCT00001
[표2]
Figure 112008034656387-PCT00002
도1 내지 도11 및 표2에 나타난 결과로부터, Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하는 Au-Sn 합금 범프 4 내지 8(본 발명 범프)은 범프 직경에 대해 30 ％를 초과하는 큰 보이드가 발생하지 않지만, Sn : 18.1 내지 18.9 질량％를 함유하는 Au- Sn 합금 범프 1 내지 2(비교 범프), Sn : 20.1 질량％를 함유하는 Au-Sn 합금 범프 3(종래 범프) 및 Sn : 24.1 내지 30.0 질량％를 함유하는 Au-Sn 합금 범프 9 내지 11(비교 범프)은 모두 범프 직경에 대해 30 ％를 초과하는 큰 보이드가 발생하므로 바람직하지 않은 것을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성 및 소지 중에 Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있는 조직을 갖는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프.
  2. Sn : 20.5 내지 23.5 질량％를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성 및 소지 중에 Sn 농후 초정상이 0.5 내지 30 면적％ 정출하고 있는 조직을 갖는 Au-Sn 합금 분말과 플럭스를 혼합하여 얻어진 Au-Sn 땜납 페이스트를 점 형상으로 도포한 후 리플로우 처리하는 것을 특징으로 하는 큰 보이드를 내포하지 않는 Au-Sn 합금 범프의 제조 방법.
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