KR20120094850A - 도전성 접합 재료 및 도체의 접합 방법 - Google Patents

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KR20120094850A
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conductive bonding
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다카토요 야마카미
다카시 구보타
구니코 이시카와
마사유키 기타지마
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후지쯔 가부시끼가이샤
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    • H01L2224/13144—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13601—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
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    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13601—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13611—Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13601—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13613—Bismuth [Bi] as principal constituent
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13639—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13644—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/136—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13647—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/13698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/13699—Material of the matrix
    • H01L2224/137—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13701—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13709—Indium [In] as principal constituent
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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/1354—Coating
    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/13698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/13699—Material of the matrix
    • H01L2224/137—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13701—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13711—Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/13699—Material of the matrix
    • H01L2224/137—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13701—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13713—Bismuth [Bi] as principal constituent
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    • H01L2224/13599—Material
    • H01L2224/13698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/13798—Fillers
    • H01L2224/13799—Base material
    • H01L2224/138—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13801—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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    • H01L2224/1605—Shape
    • H01L2224/16057—Shape in side view
    • H01L2224/16058—Shape in side view being non uniform along the bump connector
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16135—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/16145—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked
    • H01L2224/16148—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked the bump connector connecting to a bonding area protruding from the surface
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/165—Material
    • H01L2224/16505—Material outside the bonding interface, e.g. in the bulk of the bump connector
    • H01L2224/16507—Material outside the bonding interface, e.g. in the bulk of the bump connector comprising an intermetallic compound
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    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
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Abstract

본 발명은 도전성 접합 재료를 기판의 전극에 공급하면서 용착시키는 도전성 접합 재료 공급 공정, 및 전자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 한번 용융시켜서 전사하는 전사 공정을 선택할 수 있고, 기판과 전자 부품을 150 ℃ 이하의 저온에서 효율적으로 접합할 수 있는 도전성 접합 재료 및 도체의 접합 방법, 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유하는 도전성 접합 재료에 있어서, 상기 금속 성분이 고융점 금속 입자 표면에, 중융점 금속 입자로 형성된 중융점 금속층과, 저융점 금속 입자로 형성된 저융점 금속층을 이 순서로 갖는 다층 금속 입자인 양태 등이 바람직하다.

Description

도전성 접합 재료 및 도체의 접합 방법{ELECTROCONDUCTIVE BONDING MATERIAL AND METHOD FOR BONDING CONDUCTOR}
본 발명은 도전성 접합 재료, 도체의 접합 방법, 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 등의 전자 부품과, 유리 에폭시 기판 등의 기판을 접합할 때에, 양자의 열팽창 계수차로 기인하는 일그러짐의 억제, 및 접합 품질 확보를 꾀하는 것을 목적으로 하여, 열처리에 의해 융점이 변화하는 융점 변화형 저온 금속 페이스트를 이용하는 것이 여러 가지 제안되어 있다(특허 문헌 1 내지 4 참조).
예컨대, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 도전성 접합 재료인 융점 변화형 저온 금속 페이스트(10)는 고융점 금속 입자(Sn-Bi 도금 Cu 입자)(1)와, 저융점 금속 입자(Sn-Bi 입자)(2)로 이루어지는 금속 성분과, 플럭스 성분(3)으로 구성되어 있다. 이 융점 변화형 저온 금속 페이스트(10)의 초기 융점은 저융점 금속 입자(Sn-Bi 입자)의 융점에 기초하는 139 ℃이다. 융점 변화형 저온 금속 페이스트(10)를 150 ℃ 이하에서 열처리하면, 저융점 금속 입자(Sn-Bi 입자)(2)의 Sn이 고융점 금속 입자(Sn-Bi 도금 Cu 입자)(1)로 확산해서, Bi 편석층(4)과 Cu-Sn계 금속간 화합물(5)을 형성하여 금속 결합 상태가 됨으로써, 융점 변화형 저온 금속 페이스트(10)의 융점이 약 250 ℃ 이상으로 상승한다.
이와 같이 종래의 도전성 접합 재료인 융점 변화형 저온 금속 페이스트는 열처리에 의해 융점이 변화하기 때문에, 도전성 접합 재료 공급 공정에서 선택할 수 있는 열처리 온도는 저융점 금속 입자(Sn-Bi 입자)의 융점인 초기 융점 이하로 제약된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(6)과 전자 부품(8)을 접합할 때에, 기판의 전극(7) 상에, 종래의 도전성 접합 재료인 융점 변화형 저온 금속 페이스트(10)를 공급해서, 열처리에 의해 기판의 전극에 용착시키면, 저융점 성분이 소실하여 융점이 250 ℃ 이상으로 상승하여 버린다. 이 때문에, 사전에 기판의 전극에 융점 변화형 저온 금속 페이스트를 공급하면서 용착시키는 도전성 접합 재료 공급 공정을 선택할 수 없고, 150 ℃ 이하의 저온에서 전자 부품을 기판에 실장할 수 없다고 하는 과제가 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 종래의 도전성 접합 재료인 융점 변화형 저온 금속 페이스트(10)를 카운터싱크 지그(countersunk jig)(31)의 오목부에 충전하고, 이것에 전자 부품의 단자를 밀어넣어 150 ℃ 이하로 열처리해서 전자 부품(8)의 단자(9)에 가열?전사(용착)시키면, 저융점 성분이 소실되어 융점이 250 ℃ 이상으로 상승하여 버린다. 이 때문에, 전자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 한번 용접시켜서 전사하는 가열 전사 공정을 선택할 수 없고, 150 ℃ 이하의 저온에서 전자 부품을 기판에 실장할 수 없다고 하는 과제가 있다.
따라서, 종래의 도전성 접합 재료로는 열처리에 의해서 저융점 성분이 소실되어 버리고 융점이 250 ℃ 이상으로 상승하여 버리기 때문에, 도전성 접합 재료를 기판의 전극에 공급하면서 용착시키는 도전성 접합 재료 공급 공정, 및 전자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 한번 용융시켜서 전사하는 전사 공정을 선택할 수 없고, 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란한 것이 현재 상황이다.
일본 특허 공개 2002-261105호 공보 국제 공개 2007/125861호 팜플렛 일본 특허 공개 2006-102769호 공보 일본 특허 공개 2008-161881호 공보
본 발명은 도전성 접합 재료를 기판의 전극에 공급하면서 용착시키는 도전성 접합 재료 공급 공정, 및 전자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 한번 용융시켜서 전사하는 전사 공정을 선택할 수 있고, 기판과 전자 부품을 150 ℃ 이하의 저온에서 효율적으로 접합할 수 있는 도전성 접합 재료 및 도체의 접합 방법, 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명자들이 예의 검토를 거듭한 결과, 융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유하는 도전성 접합 재료에 있어서, 초기 상태에서의 융점은 저융점 금속 입자의 융점인 79 ℃가 된다. 이 도전성 접합 재료를 79 ℃?138 ℃에서 1차 열처리하면, 융점 79 ℃?139 ℃의 금속 결합 상태 (1)이 된다. 이 금속 결합 상태 (1)에는 융점 139 ℃ 이하의 저융점 성분이 잔존해 있다. 다음에, 금속 결합 상태 (1)을 더욱 150 ℃ 이상에서 2차 열처리하면, 저융점 금속 입자 및 중융점 금속 입자가 고융점 금속 입자로 확산해서, Bi 편석층, Cu-Sn계 금속간 화합물, Cu-In계 금속간 화합물 및 Cu-Sn-In계 금속간 화합물이 형성되어 금속 결합 상태 (2)가 되고, 융점이 250 ℃ 이상이 된다. 따라서, 융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 3단계의 융점을 갖는 금속 성분을 함유하는 도전성 접합 재료를 이용함으로써, 1차 열처리 후에도 확실하게 저융점 성분을 잔존시킬 수 있기 때문에, 종래 곤란하였던 도전성 접합 재료를 기판의 전극에 공급하면서 용착시키는 도전성 접합 재료 공급 공정, 및 전자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 한번 용융시켜서 전사하는 전사 공정을 선택할 수 있고, 기판과 전자 부품을 150 ℃ 이하의 저온에서 효율적으로 접합할 수 있으며, 전자 부품을 기판에 실장한 후에는 250 ℃ 이상의 고온 영역까지 융점을 변화시킬 수 있는 것을 알게 되었다.
본 발명은 본 발명자들에 의한 상기 식견에 기초하는 것으로, 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서는 후술하는 부기에 기재한 바와 같다. 즉,
개시하는 도전성 접합 재료는 융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유한다.
개시하는 도체의 접합 방법은, 개시하는 상기 도전성 접합 재료를 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 공급하는 공정과,
공급된 도전성 접합 재료를 중융점 금속 입자의 융점 미만의 온도로 가열하고, 상기 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 용착시키는 공정을 적어도 포함한다.
개시하는 반도체 장치의 제조 방법은 개시하는 상기 도체의 접합 공정을 적어도 포함한다.
개시하는 도전성 접합 재료에 의하면, 종래에 있어서의 상기 여러 문제를 해결하여, 상기 목적을 달성할 수 있고, 도전성 접합 재료를 기판의 전극에 공급하면서 용착시키는 도전성 접합 재료 공급 공정, 및 전자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 한번 용융시켜서 전사하는 전사 공정을 선택할 수 있고, 기판과 전자 부품을 150 ℃ 이하의 저온에서 효율적으로 접합할 수 있는 도전성 접합 재료 및 도체의 접합 방법, 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 도전성 접합 재료, 및 그 도전성 접합 재료를 열처리한 후의 상태를 도시한 개략도이다.
도 2는 종래의 도전성 접합 재료를 기판의 전극에 공급하여, 전자 부품의 단자를 접합하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 종래의 도전성 접합 재료를 전자 부품에 가열 전사하여, 기판의 전극과 접합하는 상태를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 도전성 접합 재료, 및 그 도전성 접합 재료를 열처리한 후의 상태를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 도전성 접합 재료의 다른 일례를 도시한 개략도이다.
도 6a는 2차 열처리 후의 도전성 접합 재료에서 Bi와 Sn의 상태도이다.
도 6b는 2차 열처리 후의 도전성 접합 재료에서 Cu와 Sn의 상태도이다.
도 6c는 2차 열처리 후의 도전성 접합 재료에서 Cu와 In의 상태도이다.
도 7은 본 발명의 도체의 접합 방법의 일례를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 도체의 접합 방법의 다른 일례를 도시한 개략도이다.
도 9는 실시예 18 및 19의 반도체 장치의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 10은 실시예 20의 반도체 장치의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 11은 실시예 21의 반도체 장치의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
(도전성 접합 재료)
본 발명의 도전성 접합 재료는 금속 성분을 함유하며, 플럭스 성분을 포함하는 것이 바람직하고, 추가로 필요에 따라서 그 밖의 성분을 포함하여도 된다.
<금속 성분>
상기 금속 성분은 고융점 금속 입자와, 중융점 금속 입자와, 저융점 금속 입자로 이루어진다.
<<고융점 금속 입자>>
상기 고융점 금속 입자로서는, 융점이 150 ℃ 이상이며, 300 ℃ 이상이 바람직하고, 500 ℃ 이상이 보다 바람직하다. 상기 고융점 금속 입자의 융점이 150 ℃ 미만이면, 중융점 금속 입자의 융점과의 차가 작아지고, 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란해지는 경우가 있다.
상기 고융점 금속 입자의 융점은, 예컨대 시차 주사 열량 측정(DSC: Differential Scanning Calorimetry)에 의해 측정될 수 있다.
상기 고융점 금속 입자로서는, 상기 융점을 만족시키는 금속 입자라면, 그 형상, 평균 입자 직경, 구조 등에 대해서는 특별히 제한은 없고, 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있다.
상기 고융점 금속 입자로서는, 예컨대 Au 입자, Ag 입자, Cu 입자, Au 도금 Cu 입자, Sn-Bi 도금 Cu 입자, Ag 도금 Cu 입자 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 이들 중에서도, 땜납의 습윤성이라는 점에서 Sn-Bi 도금 Cu 입자, Ag 도금 Cu 입자, Au 도금 Cu 입자, Cu 입자가 특히 바람직하다.
상기 Sn-Bi 도금 Cu 입자로서는, 예컨대 Sn-58Bi 도금 Cu 입자 등을 들 수 있다.
상기 고융점 금속 입자의 형상으로서는, 예컨대 구(球)각형, 진구형, 럭비볼형 등을 들 수 있다.
상기 고융점 금속 입자의 구조로서는, 단층 구조일 수도 있고, 적층 구조일 수도 있다.
상기 고융점 금속 입자의 평균 입자 직경은 30 ㎛?50 ㎛가 바람직하고, 35 ㎛?45 ㎛가 보다 바람직하다.
상기 금속 성분에서의 상기 고융점 금속 입자의 함유량은 80 질량%?90 질량%가 바람직하고, 83 질량%?87 질량%가 보다 바람직하다. 상기 함유량이 80 질량% 미만이면, 접합부의 도통 저항이 상승하는 경우가 있고, 90 질량%를 넘으면 땜납 습윤성의 악화, 및 도통 저항의 상승이 생기는 경우가 있다.
상기 고융점 금속 입자로서는 특별히 제한은 없고, 적절하게 제조된 것을 사용할 수도 있으며, 시판품을 사용할 수도 있다. 상기 고융점 금속 입자의 제조 방법으로서는, 예컨대 분사법에 의한 분체화 등을 들 수 있다.
<<중융점 금속 입자>>
상기 중융점 금속 입자로서는, 융점이 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하이며, 80 ℃?130 ℃가 바람직하다. 상기 중융점 금속 입자의 융점이 80 ℃ 미만이면, 저융점 금속 입자와의 융점차가 없어져 버리는 경우가 있고, 139 ℃를 넘으면 고융점 금속 입자와의 융점차가 작아져 버려, 도전성 접합 재료 공급 공정 및 전사 공정을 선택할 수 없게 되어, 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란해지는 경우가 있다.
상기 중융점 금속 입자의 융점은, 예컨대 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의해 측정될 수 있다.
상기 중융점 금속 입자로서는, 예컨대 Sn-Bi 입자, Sn-Bi-Ag 입자 등을 들 수 있다.
상기 Sn-Bi 입자로서는, 예컨대 Sn-58Bi 입자 등을 들 수 있다.
상기 Sn-Bi-Ag 입자로서는, 예컨대 Sn-57Bi-1Ag 입자 등을 들 수 있다.
상기 중융점 금속 입자의 형상으로서는, 예컨대 구형, 진구형, 럭비볼형 등을 들 수 있다.
상기 중융점 금속 입자의 구조로서는, 단층 구조일 수도 있고, 적층 구조일 수도 있다.
상기 중융점 금속 입자의 평균 입자 직경은 10 ㎛?40 ㎛가 바람직하고, 20 ㎛?30 ㎛가 보다 바람직하다.
상기 중융점 금속 입자의 금속 성분에 있어서의 함유량은 5 질량%?15 질량%가 바람직하고, 10 질량%?15 질량%가 보다 바람직하다. 상기 함유량이 5 질량% 미만이면 땜납 습윤성의 악화, 및 도통 저항의 상승이 생기는 경우가 있고, 15 질량%를 넘으면 융점 변화에 지장을 초래하는 일이 있다.
상기 중융점 금속 입자는 특별히 제한은 없고, 적절하게 제조된 것을 사용할 수도 있으며, 시판품을 사용할 수도 있다. 상기 중융점 금속 입자의 제조 방법으로서는, 예컨대 분사법 등을 들 수 있다.
<<저융점 금속 입자>>
상기 저융점 금속 입자는 융점이 79 ℃ 이하이며, 70 ℃?79 ℃가 바람직하다. 상기 융점이 79 ℃를 넘으면, 중융점 금속 입자와의 융점차가 작아져 버려, 도전성 접합 재료 공급 공정 및 전사 공정을 선택할 수 없게 되고, 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란해지는 경우가 있다.
상기 저융점 금속 입자의 융점은, 예컨대 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의해 측정될 수 있다.
상기 저융점 금속 입자로서는, 예컨대 Sn-Bi-In 입자, Sn-Bi-Ga 입자 등을 들 수 있다.
상기 Sn-Bi-In 입자로서는, 예컨대 17Sn-58Bi-25In 입자, 12Sn-41Bi-47In 입자 등을 들 수 있다.
상기 저융점 금속 입자의 형상으로서는, 예컨대 구형, 진구형, 럭비볼형 등을 들 수 있다.
상기 저융점 금속 입자의 구조로서는, 단층 구조일 수도 있고, 적층 구조일 수도 있다.
상기 저융점 금속 입자의 평균 입자 직경은 10 ㎛?40 ㎛가 바람직하고, 20 ㎛?30 ㎛가 보다 바람직하다.
금속 성분에서의 상기 저융점 금속 입자의 함유량은 5 질량%?15 질량%가 바람직하고, 10 질량%?15 질량%가 보다 바람직하다. 상기 함유량이 5 질량% 미만이면, 땜납 습윤성의 악화, 및 도통 저항의 상승을 초래하는 경우가 있고, 15 질량%를 넘으면, 융점 변화에 지장을 초래하는 일이 있다.
상기 저융점 금속 입자는 특별히 제한은 없고 적절하게 제조된 것을 사용할 수도 있으며, 시판품을 사용할 수도 있다. 상기 저융점 금속 입자의 제조 방법으로서는, 예컨대 분사법 등을 들 수 있다.
상기 금속 성분으로서는, 전술한 바와 같이 상기 고융점 금속 입자와, 상기 중융점 금속 입자와, 상기 저융점 금속 입자로 이루어지는 것이 이용되지만, 이것 이외에도 고융점 금속 입자 표면에, 중융점 금속 입자로 형성된 중융점 금속층과, 저융점 금속 입자로 형성된 저융점 금속층을 이 순서로 갖는 다층 금속 입자를 이용할 수 있다. 다층 금속 입자는 하나의 다층 금속 입자로 이루어지는 도전성 접합 재료를 얻을 수 있는 점에서 바람직하다. 상기 고융점 금속 입자 표면에, 저융점 금속 입자로 형성된 저융점 금속층과, 중융점 금속 입자로 형성된 중융점 금속층을 이 순서로 갖으면, 최외측 표면에 저융점 금속층이 없기 때문에 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란해지는 일이 있다.
상기 다층 금속 입자로서는, 특별히 제한은 없고 적절하게 제조된 것을 사용할 수도 있으며, 시판품을 사용할 수도 있다.
상기 고융점 금속 입자로서는, 전술한 고융점 금속 입자와 같은 것을 이용할 수 있다.
상기 고융점 금속 입자의 평균 입자 직경은 40 ㎛ 이하가 바람직하고, 30 ㎛?40 ㎛가 바람직하다. 상기 평균 입자 직경이 40 ㎛를 넘으면, 미세 접점에의 접합에 지장을 초래하는 일이 있다.
상기 중융점 금속층의 평균 두께는 1 ㎛ 이상이 바람직하고, 1 ㎛?5 ㎛가 보다 바람직하다. 상기 평균 두께가 1 ㎛ 미만이면, 중융점 금속의 양이 적어져 버려, 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란해지는 경우가 있다.
상기 중융점 금속층은, 예컨대 무전해 도금 등에 의해 형성될 수 있다.
상기 저융점 금속층의 평균 두께는 1 ㎛ 이상이 바람직하고, 1 ㎛?5 ㎛가 보다 바람직하다. 상기 평균 두께가 1 ㎛ 미만이면, 저융점 금속의 양이 적어져 버려, 150 ℃ 이하의 저온 접합이 곤란해지는 경우가 있다.
상기 저융점 금속층은, 예컨대 무전해 도금 등에 의해 형성될 수 있다.
상기 도전성 접합 재료에서의 상기 금속 성분의 함유량은 특별히 제한은 없고, 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있지만, 50 질량%?95 질량%가 바람직하고, 70 질량%?90 질량%가 보다 바람직하다.
<플럭스 성분>
상기 플럭스 성분으로서는, 에폭시계 플럭스 재료 및 로진계 플럭스 재료 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 이들 중에서도 에폭시계 플럭스 재료를 이용하면, 에폭시 수지의 경화에 의해 접합 강도를 향상시킬 수 있는 점에서 특히 바람직하다.
-에폭시계 플럭스 재료-
상기 에폭시계 플럭스 재료로서는, 에폭시 수지, 카르복실산, 및 용제를 함유 하고, 필요에 따라서 그 밖의 성분을 더 함유할 수도 있다.
상기 에폭시 수지로서는, 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 예컨대 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지나, 이들의 변성 에폭시 수지 등의 열경화성 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 카르복실산으로서는, 포화 지방족계 디카르복실산, 불포화 지방족계 디카르복실산, 환상 지방족계 디카르복실산, 아미노기 함유 카르복실산, 수산기 함유 카르복실산, 복소 환계 디카르복실산, 및 이들 혼합물의 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 호박산, 글루타르산, 아디프산, 아젤라산, 도데칸2산, 이타콘산, 메사콘산, 시클로부탄디카르복실산, L-글루타민산, 구연산, 사과산, 티오프로피온산, 티오디부틸산, 디티오글리콜산 등을 들 수 있다.
상기 용제로서는, 예컨대 메탄올, 에탄올, 프로판올 등의 알콜류, 디에틸렌글리콜모노헥실에테르, 옥탄디올 등을 들 수 있다.
상기 그 밖의 성분으로서, 예컨대 틱소트로피제, 킬레이트화제, 계면 활성제, 산화 방지제 등의 첨가제가 첨가될 수도 있다.
상기 에폭시계 플럭스 재료로서는, 특별히 제한은 없고 적절하게 합성된 것을 사용할 수도 있으며, 시판품을 사용할 수도 있다.
-로진계 플럭스 재료-
상기 로진계 플럭스 재료로서는, 로진 수지, 활성제, 및 용제를 함유하고, 필요에 따라서 그 밖의 성분을 더 함유할 수도 있다.
상기 로진 수지로서는, 천연 로진 수지 또는 변성 로진 수지를 주성분으로 하는 것을 들 수 있다. 상기 변성 로진 수지로서는, 예컨대 중합 로진, 수소 첨가 로진, 페놀 수지 변성 로진, 말레산 변성 로진 등을 들 수 있다.
상기 활성제로서는, 무기계 활성제, 유기계 활성제를 들 수 있고, 예컨대 아민염산염 등의 할로겐계 활성제, 유기산계 활성제 등을 들 수 있다.
상기 용제로서는, 예컨대 디에틸렌 글리콜 모노헥실 에테르, 옥탄디올 등을 들 수 있다.
상기 그 밖의 성분으로서, 예컨대 틱소트로피제, 킬레이트화제, 계면 활성제, 산화 방지제 등의 첨가제가 첨가될 수도 있다.
상기 로진계 플럭스 재료로서는, 특별히 제한은 없고 적절하게 합성된 것을 사용할 수도 있으며, 시판품을 사용할 수도 있다.
상기 도전성 접합 재료에서의 상기 플럭스 성분의 함유량은 5 질량%?50 질량%가 바람직하고, 10 질량%?30 질량%가 보다 바람직하다.
<<그 밖의 성분>>
상기 도전성 접합 재료는 상기 금속 성분 및 상기 플럭스 성분 이외에도, 필요에 따라서 그 밖의 성분을 함유할 수 있고, 상기 그 밖의 성분으로서는, 예컨대 분산제, 산화 방지제 등을 들 수 있다.
여기서, 도면을 참조하여 본 발명의 도전성 접합 재료에 관해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 도전성 접합 재료(20)의 일례를 도시한 개략도이다. 이 도전성 접합 재료(20)는 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃)(21)와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃)(22)와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃)(23)로 이루어지는 금속 성분과, 플럭스 성분(3)으로 구성되어 있다. 이 도전성 접합 재료(20)의 초기 융점은 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자)의 융점에 기초하는 79 ℃이다.
이 도전성 접합 재료(20)를 1차 열처리(79 ℃?138 ℃)하면, 금속 결합 상태 (1)이 형성된다. 이 금속 결합 상태 (1)의 융점은 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자)(22)의 융점에 기초하는 79 ℃?139 ℃이며, 융점 139 ℃ 이하의 저융점 성분이 잔존해 있다.
다음에, 이 금속 결합 상태 (1)을 2차 열처리(150 ℃ 이하)하면, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자)(23) 및 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자)(22)의 Sn이 고융점 금속 입자(Sn-Bi 도금 Cu 입자)(21)로 확산해서, Bi 편석층(4)과 Cu-Sn계 금속간 화합물(5), Cu-In계 금속간 화합물(24), 및 Cu-Sn-In계 3원계 금속간 화합물(25)을 형성하여, 금속 결합 상태 (2)가 되고, 융점이 약 250 ℃ 이상으로 상승한다.
또한, 도 5는 본 발명의 도전성 접합 재료(30)의 다른 일례를 도시한 개략도이다. 이 도전성 접합 재료(30)는 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점1,083 ℃)(21)와, 이 고융점 금속 입자 표면에 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃)로 이루어지는 중융점 금속층(22')과, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃)로 이루어지는 저융점 금속층(23')을 이 순서로 갖는 다층 금속 입자와, 플럭스 성분(3)으로 구성되어 있다.
이 도전성 접합 재료(30)를 1차 열처리(79 ℃?138 ℃)하면, 금속 결합 상태 (1)이 형성된다. 이 금속 결합 상태 (1)의 융점은 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자)로 이루어지는 중융점 금속층(22')의 융점에 기초하는 79 ℃?139 ℃이며, 융점 139 ℃ 이하의 저융점 성분이 잔존해 있다.
다음에, 이 금속 결합 상태 (1)을 2차 열처리(150 ℃ 이하)하면, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자)(23') 및 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자)(22')의 Sn이 고융점 금속 입자(Sn-Bi 도금 Cu 입자)(21)로 확산해서, Bi 편석층(4)과 Cu-Sn계 금속간 화합물(5), Cu-In계 금속간 화합물(24), 및 Cu-Sn-In계 3원계 금속간 화합물(25)을 형성하여, 금속 결합 상태 (2)가 되고, 융점이 약 250 ℃ 이상으로 상승한다.
여기서, 전술한 바와 같이 1차 열처리 후의 금속 결합 상태 (1)의 도전성 접합 재료를 2차 열처리함으로써, Sn-Bi 합금, 또는 Sn-Bi-In 합금의 Sn 및 In이 Cu로 확산한다. 그것에 따라 Bi 편석층이 형성되고, 금속 결합 상태 (2)가 된다. 그 결과, 도 6a에 도시한 바와 같이 Bi 편석층의 융점에 있어서, Bi의 함유량을 95 질량% 이상으로 함으로써, 금속 결합 상태 (2)의 융점이 250 ℃ 이상이 되는 것을 알 수 있다.
또한, 2차 열처리에 의해 도전성 접합 재료로부터, Sn의 Cu에의 확산에 의해 Cu-Sn 금속간 화합물층이 형성되고, 금속 결합 상태 (2)가 된다. 그 결과, 도 6b에 도시한 바와 같이 Cu-Sn계 금속간 화합물층의 융점은 Cu의 함유량을 3 질량% 이상으로 함으로써 금속 결합 상태 (2)의 융점이 250 ℃ 이상이 되는 것을 알 수 있다.
또한, 2차 열처리에 의해 도전성 접합 재료로부터, In의 Cu에의 확산에 의해 Cu-In 금속간 화합물층이 형성되고, 금속 결합 상태 (2)가 된다. 그 결과, 도 6c에 도시한 바와 같이 Cu-In계 금속간 화합물층의 융점에 있어서, Cu의 함유량을 3 질량% 이상으로 함으로써 금속 결합 상태 (2)의 융점이 250 ℃ 이상이 되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 도전성 접합 재료는 상기 금속 성분, 상기 플럭스 성분 및 필요에 따라서 그 밖의 성분을 혼합하여 조제된다. 상기 혼합의 방법 및 조건으로서는, 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 공지된 혼합 장치, 교반 장치 등을 이용하여 이루어질 수 있으며, 비산화 분위기 속에서 균일하게 교반하는 것이 바람직하다.
본 발명의 도전성 접합 재료에 있어서, 종래 곤란하였던 도전성 접합 재료 공급 공정 및 전사 공정을 선택할 수 있고, 기판과 전자 부품을 150 ℃ 이하의 저온에서 효율적으로 접합할 수 있기 때문에, 도전성 접합 재료를 이용하는 각종 분야에 이용될 수 있지만, 이하에 설명하는 본 발명에 따른 도체의 접합 방법 및 본 발명에 따른 반도체 제조 방법에 적합하게 이용될 수 있다.
(도체 접합 방법)
본 발명에 따른 도체의 접합 방법은 도전성 접합 재료 공급 공정과, 1차 열처리 공정을 포함하고, 2차 열처리 공정과, 필요에 따라서 그 밖의 공정을 더 포함할 수도 있다.
<도전성 접합 재료 공급 공정>
상기 도전성 접합 재료 공급 공정은 본 발명의 상기 도전성 접합 재료를 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 공급하는 공정이다.
<<기판>>
상기 기판으로서는, 그 형상, 구조, 크기 등에 관해서는 특별히 제한은 없고, 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 상기 형상으로서는, 예컨대 평판형 등을 들 수 있고, 상기 구조로서는, 단층 구조일 수도 있으며, 적층 구조일 수도 있고, 상기 크기로서는 상기 전극층의 크기 등에 따라서 적절하게 선택할 수 있다.
상기 기판으로서는, 예컨대 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판, SiO2막 피복 실리콘 기판과, 에폭시 기판, 페놀 기판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기판, 폴리카보네이트 기판, 폴리스틸렌 기판, 폴리메틸메타크릴레이트 기판 등의 폴리머 기판 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 이들 중에서도 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판 및 SiO2막 피복 실리콘 기판에서 선택되는 것이 바람직하고, 실리콘 기판 및 SiO2막 피복 실리콘 기판이 특히 바람직하다.
상기 기판은 적절하게 합성된 것일 수도 있고, 시판품을 사용할 수도 있다.
상기 기판의 두께로서는, 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있으며, 100 ㎛ 이상이 바람직하고, 500 ㎛ 이상이 보다 바람직하다.
상기 기판으로서는, 배선 패턴이 형성된 배선 회로 기판이 이용되고, 그 회로 기판은 단층 회로 기판(단층 프린트 배선 기판)일 수도 있으며, 다층 회로 기판(다층 프린트 배선 기판)일 수도 있다.
상기 회로 기판의 전극을 구성하는 금속으로서는, 예컨대 Cu, Ag, Au, Ni, Sn, Al, Ti, Pd, Si 등의 금속을 들 수 있다. 이들 중에서도 Cu, Ag, Au가 특히 바람직하다. 이들은 도금이나 접합 등의 각종 처리로 기판 상의 전극 금속의 표면 부분으로서 형성될 수 있다. 또, 도전성 접합 재료를 기판 상의 전극 금속에 도포하는 경우는, 도전성 접합 재료와 기판 상의 전극 금속과의 접속을 양호하게 하기 위해서 기판 상의 전극 금속에 대하여 표면 피복 처리가 실시되는 것이 일반적이고, 예컨대 구리 전극에서는, 일례로서 그 전극 상에, 도금으로 형성된 Sn, Au, Ni 등의 박막이 형성되어 있다. 특히, 상기 금속 중 Au 이외는 금속 표면이 산화되기 쉽기 때문에, 땜납 페이스트를 도포하기 전에 플럭스 등으로 표면 처리하거나, 또는 프리플럭스 코팅하거나, 각종 금속 도금이나 땜납 피복을 하는 것이 바람직하다.
-전자 부품-
상기 전자 부품으로서는, 단자를 갖는 것이라면 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 적절히 선택한 공지된 부재 등을 포함할 수 있으며, 각종 분야에서 적합하게 사용 가능한 반도체 소자, 반도체 패키지, 예컨대 플래시 메모리, DRAM, FRAM, MOS 트랜지스터 등에 사용될 수 있다.
<<단자>>
상기 단자로서는, 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 예컨대 배선, 금속 배선, 도전성 페이스트에 의한 인쇄 배선 등을 들 수 있다.
상기 단자의 재질로서는, 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 예컨대 Cu, Ni, Au, Al, Mo, Cr 등의 금속, ITO, IZO 등의 금속 산화물 및 이들 적층체 또는 복합체 등을 들 수 있다.
-공급 방법-
상기 도전성 접합 재료의 공급 방법으로서는, 도전성 접합 재료를 일정한 두께 또는 일정한 도포량으로 부여할 수 있다면 특별히 제한은 없고, 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 예컨대 스크린 인쇄, 전사 인쇄, 디스펜스 토출, 잉크젯법 등을 들 수 있다.
상기 스크린 인쇄에서는 마스크판을 이용한 인쇄기를 사용할 수 있다. 인쇄기는 전형적으로는 기판 또는 전자 부품을 고정하는 기구와, 금속 마스크와 기판의 전극 또는 전자 부품의 단자를 정렬하는 기구와, 마스크판을 기판 또는 전자 부품에 압접하여, 그 마스크 상에서 마스크 아래에 있는 기판의 전극 또는 전자 부품의 단자에 대하여 개구부를 통해 도전성 접합 재료를 도포용 스퀴지로 인쇄하는 기구를 포함한다. 마스크판으로서는 메시 타입이나 금속 타입 등의 각종 재질이 존재하지만, 입자 사이즈에 폭넓게 대응하고, 공정에서의 청소도 용이한 금속 마스크 타입이 일반적으로 널리 이용되고 있다.
상기 전사 인쇄는 도전성 접합 재료의 일정 도포막 두께의 플랫 도포막을 일정한 클리어런스를 갖는 스퀴지 등으로 형성한 후에, 그 도포막을 스탬퍼로 추출하여 기판의 전극 또는 전자 부품의 단자에 스탬핑하는 것으로, 기판의 전극 또는 전 자 부품의 단자에 도전성 접합 재료를 일정량 배치하는 방식이며, 전용의 전사 인쇄 장치가 이용된다. 전사 인쇄 장치는 플랫 도포막을 도포하는 도포 기구와, 기판을 고정하고 기판의 전극 위치를 맞추는 기구와, 3차원적으로 스탬퍼를 구동시켜 추출 및 전사 스탬핑을 행하는 기구를 포함한다. 전사 인쇄는 스크린 인쇄와 비교해서 도포량이 변동하기 쉽고, 스탬퍼의 청소 관리 등 연속 운전에 주의가 필요한 경우도 있어, 인쇄 방식으로서는 스크린 인쇄가 주류를 이루고 있다.
상기 디스펜스 토출은 기판 상의 전극 또는 전자 부품의 단자에 일정량의 도전성 접합 재료를 토출해 가는 방식으로서, 디스펜서 장치가 이용된다. 디스펜서는 주입기 내에 수용된 도전성 접합 재료에 대하여 토출에 필요한 압력을 요구에 따라 가함으로써 일정량의 도전성 접합 재료를 주입기 선단의 니들로부터 압출하는 것이며, 주입기 자체를 3차원적으로 구동시켜 기판 상의 전극 부분의 위치를 결정함으로써 전극 상에 필요량의 도전성 접합 재료를 토출 도포하는 장치이다. 니들로부터의 토출이라는 수법으로 인하여, 페이스트 자체가 스크린 인쇄와 비교해서 얇아지기 어렵다고 하는 결점은 있지만, 공정 상에서의 페이스트의 손실도 적고, 토출의 위치나 양이 프로그램에 의해서 가변하기 때문에, 인쇄 마스크판을 압접하기 어려운 단차나 요철이 있는 기판 및 전자 부품에의 도전성 접합 재료의 도포가 가능하다.
상기 잉크젯법은 미세한 노즐로부터 도전성 접합 재료를 토출시켜 기판 상의 전극 또는 전자 부품의 단자에 도포하는 방법이다.
<1차 열처리 공정>
상기 1차 열처리 공정은 공급된 도전성 접합 재료를 중융점 금속 입자의 융점 미만의 온도로 열처리하고, 상기 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 용착시키는 공정이다.
상기 1차 열처리는 중융점 금속 입자의 융점 미만의 온도로 5초 행해지는 것이 바람직하고, 구체적으로는 70 ℃?100 ℃로 3초?7초 행해지는 것이 바람직하다.
상기 1차 열처리는 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택될 수 있고, 예컨대 질소 리플로우 장치 등에 의해 행해질 수 있다.
상기 1차 열처리는 대기중에서 행해질 수도 있지만, 질소 분위기 속에서 행해지는 것이 보다 바람직하다.
<2차 열처리 공정>
상기 2차 열처리 공정은 용착된 도전성 접합 재료를 가열하여, 기판의 전극과 전자 부품의 단자를 접합하는 공정이다.
상기 2차 열처리 공정은 기판의 전극 또는 전자 부품의 단자에 공급되고, 용착된 도전성 접합 재료에 전자 부품 또는 기판을 배치한 상태에서, 일정한 온도를 인가하는 공정이며, 일반적으로 땜납 열처리에 적합한 로(爐)를 갖는 리플로우 장치, 고온조 등이 이용된다.
상기 리플로우 장치를 이용한 리플로우 열처리 시의 가열 방식으로서는, 적외선 인가나 열풍 인가 등의 방식이 주류이며, 리플로우 열처리 시의 로 내의 분위기는 공기의 경우와 질소의 경우가 있지만, 전자 부품이나 땜납 접합부의 산화로 인한 열화를 막는 의미에서, 최근의 고밀도 고정밀도 실장에 있어서는 질소 분위기의 리플로우 로가 많이 이용되고 있다.
상기 2차 열처리는 중융점 금속 입자의 융점 이상 150 ℃ 이하의 온도에서 30분 이상 행해지는 것이 바람직하고, 85 ℃?150 ℃로 30분?120분 행해지는 것이 바람직하다.
상기 2차 열처리는 대기중에서 행해질 수도 있지만, 질소 분위기 속에서 행해지는 것이 보다 바람직하다.
여기서, 도 7은 본 발명에 따른 도체의 접합 방법의 일례를 도시한 개략도이다.
우선, Cu 전극(7)이 설치된 기판(6)에 본 발명의 도전성 접합 재료(20)를 스크린 인쇄에 의해 인쇄한다. 본 발명의 도전성 접합 재료(20)의 초기 융점은 79 ℃이다.
다음에, 인쇄된 도전성 접합 재료(20)를 1차 열처리(79 ℃?139 ℃)해서, 도전성 접합 재료(20)를 기판의 전극(7) 상에 용착(프리코트)시킨다. 1차 열처리 후에도 도전성 접합 재료(20)에는 융점 139 ℃ 이하의 저융점 성분이 남아 있다.
다음에, 도전성 접합 재료(20)가 용착된 기판(6) 상에, Au 범프(9)가 부착된 Si 칩(8)[이하, Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)이라고 함]을 배치하여 이것을 2차 열처리(150 ℃)해서, Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 기판(6)에 실장한다. 이 2차 열처리에 의해 금속 결합 상태가 변화하여 융점이 250 ℃ 이상이 된다.
또한, 도 8은 본 발명에 따른 도체의 접합 방법의 다른 일례를 도시한 개략도이다.
우선, 카운터싱크 지그(31)의 오목부에 본 발명에 따른 상기 도전성 접합 재료(20)를 스퀴지에 의해 충전하고, 이것에 Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 밀어넣어 1차 열처리(79 ℃?139 ℃)해서 도전성 접합 재료(20)를 Si 칩(8)의 Au 범프(9) 상에 용착(프리코트)시킨다. 1차 열처리 후에도 도전성 접합 재료(20)에는 융점 139 ℃ 이하의 저융점 성분이 남아 있다.
다음에, 도전성 접합 재료(20)가 용착된 Au 범프(9) 부착 칩(8)을, Cu 전극(7)이 설치된 기판(6) 상에 배치하고, 이것을 2차 열처리(150 ℃)하여 Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 기판(6)에 페이스다운 실장한다. 이 2차 열처리에 의해 금속 결합 상태가 변화하여 융점이 250 ℃ 이상이 된다.
(반도체 장치의 제조 방법)
본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 본 발명에 따른 상기 도체의 접합 공정을 적어도 포함하고, 필요에 따라서 그 밖의 공정을 더 포함할 수도 있다.
상기 도체의 접합 공정은 본 발명에 따른 도체의 접합 방법과 마찬가지로 행해질 수 있다.
상기 그 밖의 공정으로서는, 특별히 제한은 없고 목적에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 예컨대 금속 배선을 패터닝하는 공정, 절연막을 형성하는 공정 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 방법에 의하면, 예컨대 플래시 메모리, DRAM, FRAM 등을 비롯한 각종 반도체 장치를 효율적으로 제조할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다.
또, 실시예에 있어서 금속 입자의 융점, 금속 입자의 평균 입자 직경, 및 저융점 금속층 및 중융점 금속층의 평균 두께는 이하와 마찬가지로 하여 측정했다.
<금속 입자의 융점 측정>
금속 입자의 융점은, 시차 주사 열량 측정(DSC)(Seiko Instruments사 제조, DSC6200)으로, 온도 변화율 0.5 ℃/sec, 측정 온도 범위 25 ℃?250 ℃의 조건으로 측정했다.
<금속 입자의 평균 입자 직경의 측정>
금속 입자의 평균 입자 직경은 입도 분포계(SHIMADZU사 제조, 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치, SALD-3100)를 이용해서, 금속 입자를 기체상(相)으로 분산시켜, 적색 반도체 레이저를 조사하고, 수광 소자에 입력된 입자의 회절?산란광의 패턴을 표준 패턴과 비교 해석해서, 입자 직경과 카운트수를 집계하여 평균 입자 직경을 산출했다.
<저융점 금속층 및 중융점 금속층의 평균 두께 측정>
저융점 금속층 및 중융점 금속층의 평균 두께는 단면 연마[BUEHLER사 제조, GRINOER-POLISHER(Beta)]로 저융점 금속층 및 중융점 금속층의 두께를 10회 측정하여 평균치로 나타내었다.
(실시예 1)
-도전성 접합 재료의 제작-
?고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 80 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 10 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 10 질량%로 이루어지는 금속 성분 … 90 질량%
?에폭시계 플럭스 재료(FUJITSU QUALITY LABORATORY사 제조, F?Stick FTLD5)로 이루어지는 플럭스 성분 … 10 질량%
상기 금속 성분과 상기 플럭스 성분을 비산화 분위기 속에서 균일하게 교반함으로써, 실시예 1의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 2)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 80 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 5 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 15 질량%로 이루어지는 금속 성분을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실시예 2의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 3)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 80 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 15 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 5 질량%로 이루어지는 금속 성분을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실시예 3의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 4)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 85 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 7.5 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 7.5 질량%로 이루어지는 금속 성분을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 4의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 5)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 90 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 5 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 5 질량%로 이루어지는 금속 성분을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 5의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 6)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 95 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 2.5 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 2.5 질량%로 이루어지는 금속 성분을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실시예 6의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 7)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛) 75 질량%와, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃) 12.5 질량%와, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃) 12.5 질량%로 이루어지는 금속 성분을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실시예 7의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 8)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 4에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자)를 고융점 금속 입자(Ag 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛)로 대신한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 실시예 8의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 9)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 4에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자)를 고융점 금속 입자(Au 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛)로 대신한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 실시예 9의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 10)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 4에 있어서, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃)를 중융점 금속 입자(Sn-57Bi-1Ag, 융점 139 ℃)로 대신한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 실시예 10의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 11)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 4에 있어서, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃)를 저융점 금속 입자(12Sn-41Bi-47In, 융점 59 ℃)로 대신한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 실시예 11의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 12)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 4에 있어서, 에폭시계 플럭스 재료를 로진계 플럭스 재료(FUJITSU QUALITY LABORATORY사 제조, F?Stick FTLD4)로 대신한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 실시예 12의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 13)
<도전성 접합 재료의 제작>
-다층 금속 입자의 제작-
고융점 금속 입자(Cu 입자, 융점 1,083 ℃, 평균 입자 직경 40 ㎛)의 표면에, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃)로 이루어지는 중융점 금속층을 평균 두께가 1 ㎛가 되도록 무전해 도금에 의해 형성했다.
다음에, 중융점 금속층 상에, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃)로 이루어지는 저융점 금속층을 평균 두께가 1 ㎛가 되도록 무전해 도금에 의해 형성했다. 이상으로부터, 금속 성분으로서의 다층 금속 입자를 제작했다.
-도전성 접합 재료의 제작-
? 제작된 다층 금속 입자 … 90 질량%
? 에폭시계 플럭스 재료(FUJITSU QUALITY LABORATORY사 제조, F?Stick F TLD5) … 10 질량%
상기 금속 성분과 상기 플럭스 성분을 비산화 분위기 속에서 균일하게 교반함으로써, 실시예 13의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 14)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 13에 있어서, 고융점 금속 입자(Cu 입자, 융점 1,083 ℃, 평균 입자 직경 40 ㎛)를 고융점 금속 입자(Cu 입자, 융점 1,083 ℃, 평균 입자 직경 35 ㎛)로 대신한 것 이외에는, 실시예 13과 마찬가지로 하여 실시예 14의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 15)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 13에 있어서, 고융점 금속 입자(Cu 입자, 융점 1,083 ℃, 평균 입자 직경 40 ㎛)를 고융점 금속 입자(Cu 입자, 융점 1,083 ℃, 평균 입자 직경 45 ㎛)로 대신한 것 이외에는, 실시예 13과 마찬가지로 하여 실시예 15의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 16)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 13에 있어서, 중융점 금속층 및 저융점 금속층의 평균 두께를 0.5 ㎛로 한 것 이외에는, 실시예 13과 마찬가지로 하여 실시예 16의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(실시예 17)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 13에 있어서, 고융점 금속 입자(Cu 입자, 융점 1,083 ℃, 평균 입자 직경 40 ㎛)의 표면에, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃)로 이루어지는 저융점 금속층을 평균 두께가 1 ㎛가 되도록 무전해 도금에 의해 형성하고, 다음에, 저융점 금속층 상에, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃)로 이루너지는 중융점 금속층을 평균 두께가 1 ㎛가 되도록 무전해 도금에 의해 형성한 것 이외에는, 실시예 13과 마찬가지로 하여 실시예 17의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(비교예 1)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자, 융점 79 ℃)를 첨가하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예 1의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(비교예 2)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자, 융점 139 ℃)를 첨가하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예 2의 도전성 접합 재료를 제작했다.
(비교예 3)
-도전성 접합 재료의 제작-
실시예 1에 있어서, 고융점 금속 입자(Sn-58Bi 도금 Cu 입자, 융점 1,083 ℃(Cu), 평균 입자 직경 40 ㎛)를 첨가하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예 3의 도전성 접합 재료를 제작했다.
다음에, 제작된 각 도전성 접합 재료를 이용하여, 이하와 같은 방식으로 여러 가지 특성을 평가했다. 결과를 표 1?표 4에 나타낸다.
<도전성 접합 재료를 공급할 때의 성능 평가>
각 도전성 접합 재료를 이용해서, 도전성 접합 재료를 공급할 때의 성능 평가로서, 스크린 인쇄에 의해 기판에 인쇄(공급)하여, 스크린 인쇄판의 빠짐성을 하기 기준으로 판정했다.
〔평가 기준〕
○ : 판의 빠짐이 좋고, 양호
△ : 판의 빠짐이 나쁘지만, 실제 사용 가능한 레벨
× : 판의 빠짐이 나쁘고, 불량
<전자 부품 실장 시의 성능 평가>
각 도전성 접합 재료를 이용해서, 전자 부품 실장 시의 성능 평가로서, 땜납의 습윤성을 외관 검사함으로써, 하기 기준으로 판정했다.
〔평가 기준〕
○ : 땜납의 습윤성이 양호하다
△ : 땜납의 습윤성이 약간 나쁘다(실제 사용 가능 레벨)
× : 땜납의 습윤성이 불량이다
<반도체 장치의 성능 평가>
각 도전성 접합 재료를 이용해서, 반도체 장치의 성능 평가로서, 데이지 체인이 부착된 TEG(Test Equipment Group)를 제작하고, 도통 테스터에 의해 도통을 체크하여, 하기 기준으로 평가했다.
〔평가 기준〕
○ : 도통이 양호하다
△ : 도통이 약간 나쁘다(실제 사용 가능 레벨)
× : 도통이 불량이다
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
(실시예 18)
실시예 18의 반도체 장치의 제조 방법에 관해서 도 9를 참조하여 설명한다.
(1) 직경 30 ㎛의 Cu 전극(7)이 설치된 기판(서브스트레이트 기판)(6)에 실시예 1의 도전성 접합 재료(20)를 스크린 인쇄에 의해 인쇄(공급)했다.
(2) 인쇄된 도전성 접합 재료(20)를 100 ℃로 5초간 가열(1차 열처리)하여, 도전성 접합 재료(20)를 기판의 전극(7) 상에 용착(프리코트)시켰다.
(3) 도전성 접합 재료(20)가 용착된 기판 상에, Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 배치하고, 이것을 150 ℃로 30분 가열(2차 열처리)하여, Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 기판(6)에 페이스다운 실장했다.
(4) 기판(6)과 Si 칩(8) 사이에 언더필재(에폭시계 열경화 재료)(32)를 충전했다.
(5) 언더필재(32)의 경화[도전성 접합 재료(20)의 융점 변화를 위한 경화를 겸함]를 150 ℃로 1시간 30분 행하고, Si 칩(8)을 실장했다. 이때, 도전성 접합 재료(20)의 융점은 250 ℃ 이상이 된다.
이상으로부터, 도 9에 도시하는 플립 칩이 실장된 반도체 장치가 제작되었다.
(실시예 19)
실시예 19의 반도체 장치의 제조 방법에 관해서, 도 9를 참조하여 설명한다.
(1) 직경 25 ㎛의 Au 도금 전극(7)이 설치된 기판(서브스트레이트 기판)(6)에, 실시예 13의 도전성 접합 재료(20)를 스크린 인쇄에 의해 인쇄(공급)했다.
(2) 인쇄된 도전성 접합 재료(20)를 100 ℃로 5초간 가열(1차 열처리)하여, 도전성 접합 재료(20)를 기판의 전극(7) 상에 용착(프리코트)시켰다.
(3) 도전성 접합 재료(20)가 용착된 기판 상에 Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 배치하고, 이것을 150 ℃로 30분 가열(2차 열처리)하여, Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 기판(6)에 페이스다운 실장했다.
(4) 기판(6)과 Si 칩(8) 사이에 언더필재(에폭시계 열경화 재료)(32)를 충전했다.
(5) 언더필재(32)의 경화[도전성 접합 재료(20)의 융점 변화를 위한 경화를 겸함]를 150 ℃로 1시간 30분 행하고, Si 칩(8)을 실장했다. 이때, 도전성 접합 재료(20)의 융점은 250 ℃ 이상이 된다.
이상으로부터, 도 9에 도시하는 플립 칩이 실장된 반도체 장치가 제작되었다.
(실시예 20)
실시예 20의 반도체 장치의 제조 방법에 관해서 도 10을 참조하여 설명한다.
(1) 카운터싱크 지그(실리콘 기판)(31)의 오목부에, 실시예 1의 도전성 접합 재료(20)를 스퀴지(금속 스퀴지)에 의해 충전하고, 이것에, 직경 25 ㎛의 Au 범프(9) 부착 Si 칩(8)을 밀어넣어 100 ℃로 5초간 가열(1차 열처리)해서, 도전성 접합 재료(20)를 Si 칩(8)의 Au 범프(9) 상에 용착(프리코트)시켰다.
(2) 도전성 접합 재료(20)가 용착된 Au 범프 부착 칩(8)을, 직경 30 ㎛의 Cu 전극(7)이 설치된 기판(6) 상에 배치하고, 이것을 150 ℃로 30분간 가열(2차 열처리)하여, Au 범프 부착 Si 칩(8)을 기판(서브스트레이트 기판)(6)에 페이스다운 실장했다.
(3) 기판(6)과 Si 칩(8) 사이에 언더필재(에폭시계 열경화 재료)(32)를 충전했다.
(4) 언더필재(32)의 경화[도전성 접합 재료(20)의 융점 변화를 위한 경화를 겸함]를 150 ℃로 1시간 30분 행하고, Si 칩(8)을 실장했다. 이때, 도전성 접합 재료의 융점은 250 ℃ 이상이 된다.
이상으로부터, 도 10에 도시하는 플립 칩이 실장된 반도체 장치가 제작되었다.
(실시예 21)
실시예 21의 반도체 장치의 제조 방법에 관해서 도 11을 참조하여 설명한다.
(1) 한 쌍의 Cu 전극(33)이 설치된 기판(서브스트레이트 기판)(6) 상에, 실시예 13의 도전성 접합 재료(30)를 스크린 인쇄에 의해 인쇄(공급)했다.
(2) 인쇄된 도전성 접합 재료(30)를 100 ℃로 5초간 가열(1차 열처리)하여, 도전성 접합 재료(30)를 기판의 전극(33) 상에 용착(프리코트)시켰다.
(3) 한 쌍의 Cu 전극(33) 사이에, 0.6mm×0.3mm의 사각형 SMD 칩(8)을 배치하고, 이것을 150 ℃로 30분 가열(2차 열처리)해서, SMD 칩(8)을 기판(6)에 실장했다. 이때, 도전성 접합 재료의 융점은 250 ℃ 이상이 된다.
이상으로부터, 도 11에 도시하는 SMD 칩이 실장된 반도체 장치가 제작되었다.
이상의 실시예 1?21을 포함하는 실시예에 관해서 추가로 이하의 부기를 개시한다.
(부기 1) 융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
(부기 2) 금속 성분에서의 고융점 금속 입자의 함유량이 80 질량%?90 질량%, 금속 성분에서의 중융점 금속 입자의 함유량이 5 질량%?15 질량%, 금속 성분에서의 저융점 금속 입자의 함유량이 5 질량%?15 질량%인 것인 부기 1에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 3) 고융점 금속 입자가 Au 입자, Ag 입자, Cu 입자, Au 도금 Cu 입자, S n-Bi 도금 Cu 입자, 및 Ag 도금 Cu 입자에서 선택되는 적어도 1종인 것인 부기 1 내지 2 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 4) 고융점 금속 입자가 Au 도금 Cu 입자, Sn-Bi 도금 Cu 입자 및 Ag 도금 Cu 입자 중 어느 하나인 것인 부기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 5) 저융점 금속 입자가 Sn-Bi-In 입자이며, 중융점 금속 입자가 Sn-Bi 입자인 것인 부기 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 6) 금속 성분이 고융점 금속 입자 표면에, 중융점 금속 입자로 형성된 중융점 금속층과, 저융점 금속 입자로 형성된 저융점 금속층을 이 순서로 갖는 다층 금속 입자인 것인 부기 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 7) 고융점 금속 입자의 평균 입자 직경이 40 ㎛ 이하이며, 중융점 금속층의 평균 두께가 1 ㎛ 이상이며, 저융점 금속층의 평균 두께가 1 ㎛ 이상인 것인 부기 6에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 8) 금속 성분의 함유량이 도전성 접합 재료에 대하여 50 질량%?95 질량%인 것인 부기 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 9) 에폭시계 플럭스 재료 및 로진계 플럭스 재료 중 적어도 어느 하나 로 이루어지는 플럭스 성분을 함유하는 부기 1 내지 8 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 10) 플럭스 성분의 함유량이 도전성 접합 재료에 대하여 5 질량%?50 질량%인 것인 부기 9에 기재된 도전성 접합 재료.
(부기 11) 부기 1 내지 10 중 어느 하나에 기재된 도전성 접합 재료를, 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 공급하는 공정과,
공급된 도전성 접합 재료를 중융점 금속 입자의 융점 미만의 온도로 가열하고, 상기 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 용착시키는 공정을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 도체의 접합 방법.
(부기 12) 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 용착된 도전성 접합 재료를 가열하여, 상기 기판과 상기 전자 부품을 접합하는 공정을 포함하는 부기 11에 기재된 도체의 접합 방법.
(부기 13) 중융점 금속 입자의 융점 이상 150 ℃ 이하의 온도로 가열하는 부기 12에 기재된 도체의 접합 방법.
(부기 14) 부기 11 내지 13 중 어느 하나에 기재된 도체의 접합 공정을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
1: 고융점 금속 입자(Sn-Bi 도금 Cu 입자)
2: 저융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자)
3: 플럭스 성분
4: Bi 편석층
5: Cu-Sn계 금속간 화합물
6: 기판
7: 전극
8: 전자 부품
9: 단자
10: 종래의 도전성 접합 재료(융점 변화형 저온 금속 페이스트)
11: 중융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자)
20: 도전성 접합 재료
21: 고융점 금속 입자(Sn-Bi 도금 Cu 입자)
22: 중융점 금속 입자(Sn-58Bi 입자)
22': 중융점 금속층
23: 저융점 금속 입자(17Sn-58Bi-25In 입자)
23': 저융점 금속층
30: 도전성 접합 재료
31: 카운터싱크 지그
32: 언더필재

Claims (10)

  1. 제1 융점 이상의 고융점 금속 입자와, 제1 온도 이상이며 상기 제1 융점보다 낮은 제2 온도 이하인 제2 융점을 갖는 중융점 금속 입자와, 상기 제1 온도 이하의 제3 융점을 갖는 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  2. 융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 성분에서의 고융점 금속 입자의 함유량은 80 질량%?90 질량%, 상기 금속 성분에서의 중융점 금속 입자의 함유량은 5 질량%?15 질량%, 상기 금속 성분에서의 저융점 금속 입자의 함유량은 5 질량%?15 질량%인 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고융점 금속 입자는 Au 입자, Ag 입자, Cu 입자, Au 도금 Cu 입자, Sn-Bi 도금 Cu 입자, 및 Ag 도금 Cu 입자에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  5. 제2항에 있어서, 상기 저융점 금속 입자는 Sn-Bi-In 입자이고, 상기 중융점 금속 입자는 Sn-Bi 입자인 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  6. 제2항에 있어서, 상기 금속 성분은 고융점 금속 입자 표면에, 중융점 금속 입자로 형성된 중융점 금속층과, 저융점 금속 입자로 형성된 저융점 금속층을 이 순서로 갖는 다층 금속 입자인 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고융점 금속 입자의 평균 입자 직경은 40 ㎛ 이하이며, 상기 중융점 금속층의 평균 두께는 1 ㎛ 이상이며, 상기 저융점 금속층의 평균 두께는 1 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  8. 제2항에 있어서, 에폭시계 플럭스 재료 및 로진계 플럭스 재료 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 플럭스 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 도전성 접합 재료.
  9. 도전성 접합 재료를 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 공급하는 공정과,
    공급된 도전성 접합 재료를 중융점 금속 입자의 융점 미만의 온도로 가열하고, 상기 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 용착시키는 공정
    을 적어도 포함하고,
    상기 도전성 접합 재료는 융점 150 ℃ 이상의 고융점 금속 입자와, 융점 80 ℃ 이상 139 ℃ 이하의 중융점 금속 입자와, 융점 79 ℃ 이하의 저융점 금속 입자로 이루어지는 금속 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 도체의 접합 방법.
  10. 제9항에 있어서, 기판의 전극 및 전자 부품의 단자 중 어느 하나에 용착된 도전성 접합 재료를 가열하여, 상기 기판과 상기 전자 부품을 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 도체의 접합 방법.
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