KR20140114252A - 장치에서 땜납 범프 조인트를 형성하기 위한 땜납 범프 연신 방법 - Google Patents

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KR20140114252A
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시아오 윤 천
치 항 둥
다 위안 시
천 화 유
청 중 유
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타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
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Abstract

방법은 땜납 범프의 용융 온도보다 높은 온도로 땜납 범프를 가열하는 단계를 포함한다. 땜납 범프는, 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 연신된다. 땜납 범프는, 전기 장치에서 땜납 범프 조인트를 형성하기 위해 냉각된다.

Description

장치에서 땜납 범프 조인트를 형성하기 위한 땜납 범프 연신 방법 {SOLDER BUMP STRETCHING METHOD FOR FORMING A SOLDER BUMP JOINT IN A DEVICE}
이 발명은, 2012년 2월 27일 출원되고, 그 개시 내용의 전부가 여기에 참고로 포함되는, 미국 특허출원 13/406,198호의 부분 계속 출원이고, 우선권을 주장한다.
이 발명은 일반적으로 집적 회로에 관한 것이며, 더 자세하게는 땜납 범프에 관한 것이다.
예를 들어, 플립 칩 땜납 조인트(flip-chip solder joints)에서 이용되는 땜납 범프(solder bumps)는 일반적으로, 칩(chip)을 기판 상에 정렬하여 배치한 후, 컨베이어 오븐(conveyer oven) 속에서 땜납 범프를 리플로(reflow) 함으로써 조립된다. 예를 들어, Sn인 땜납 범프 원소의 입자 방위는 제어될 수 없고, 리플로 된 땜납 조인트는 일정하지 않은 입자 방위를 갖는다. 땜납 범프와 도전성 패드(conductive pad) 또는 범프 하부 금속 (UBM)(under bump metal) 사이의 조인트(joint) 둘레의 국소적 입자 방위(local 입자 orientation)에 따라, 예를 들어, 일렉트로마이그레이션 (EM)(electromigration)에 의해 유발되는 땜납 재료 용해로 인해 조인트에서 초기의 장애가 일어날 수 있을 것이다.
본 발명의 방법은 땜납 범프의 용융 온도보다 높은 온도로 땜납 범프를 가열하는 단계를 포함한다. 땜납 범프는, 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 연신된다. 땜납 범프는, 전기 장치에서 땜납 범프 조인트를 형성하기 위해 냉각된다.
이제, 아래의 설명에서 첨부 도면에 관한 참조가 이루어지며, 도면에서:
도 1a 내지 도 1e는 일부 실시예들에 따른 땜납 범프 연신 공정의 다양한 중간 단계에서의 모범적 땜납 범프의 횡단면도이고;
도 2는 Sn과 같은 모범적 땜납 범프 원소 결정의 입자 방위 각도의 다이어그램이며;
도 3은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 모범적 횡으로 절단된 땜납 범프의 주사형 전자 현미경 (SEM) 사진이고;
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예들에 따른 전기 장치에서 땜납 범프 조인트를 형성하기 위한 땜납 범프 연신 공정의 다양한 중간 단계에서의 모범적 땜납 범프의 측면도이며;
도 5a 및 도 5b는 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 모범적 땜납 범프의 SEM 사진이고;
도 6a 및 도 6b는 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 모범적 땜납 범프의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진이며;
도 7은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 다른 한 모범적 땜납 범프의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진이고;
도 8은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 또다른 한 모범적 땜납 범프의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진이며;
도 9a 및 도 9b는 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 또다른 모범적 땜납 범프의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진이며;
도 10은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 다른 횡으로 절단된 땜납 범프의 제1 확장부 및 제2 확장부를 갖는 SEM 사진이고;
도 11은 도 10의 제1 확장부에 대응하는 상이한 결정 입자 방위를 갖는 땜납 범프에 대한 백분율 대 각도별 정렬의 그래프이며;
도 12는 도 10의 제1 확장부에 대응하는 상이한 결정 입자 방위를 갖는 다른 한 땜납 범프에 대한 백분율 대 각도별 정렬의 그래프이다.
다양한 실시예들의 제조 및 이용이 아래에서 상세하게 설명된다. 그러나, 이 명세서는 광범위하게 다양한 특정한 맥락에서 구현될 수 있는 많은 적용 가능한 발명 개념들을 제공한다. 설명되는 특정한 실시예들은 제조 및 이용의 특정한 방법들을 단지 예시하는 것이며, 이 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
또한, 이 명세서는 다양한 예에서 인용 숫자 및/또는 문자들을 반복할 수 있을 것이다. 반복은 대응하는 대상들의 확인의 단순 명료함을 위한 것이며, 그 자체가 설명되는 다양한 실시예들 및/또는 구조들 사이의 관계에 영향을 주는 것은 아니다. 또한, 아래의 설명에서의 다른 한 요소 상에, 접속하여, 및/또는 연결하여 한 요소를 형성하는 것은 요소들이 직접 접촉하여 형성되는 실시예들을 포함할 수 있을 것이며, 요소들이 직접 접촉하지 않도록 요소들 사이에 개입하는 추가적 요소들이 형성되는 실시예들을 포함할 수도 있을 것이다. 또한, 공간 관련 용어, 예를 들어, "하측", "상측", "수평", "수직", "위에", "아래에", "위", "아래", "상부", "하부" 등 뿐만 아니라, 그 파생어(예를 들어, "수평으로", "아래로", "위로" 등)는 다른 한 요소에 대한 한 요소의 관계에 대한 설명을 쉽게 하기 위해 이용된다. 공간 관련 용어는 요소들을 포함하는 장치의 상이한 방위들을 망라하고자 한다.
도 1a 내지 도 1e는 일부 실시예들에 따른 땜납 범프 연신 공정의 다양한 중간 단계에서의 모범적 땜납 범프의 횡단면도이다. 도 1a에서, 땜납 범프(108)의 리플로 공정 후에, 기판(102)은 상부 다이(112)와 결합된다. 땜납 범프(108)를 이용한 전기 접속을 위한 패드(104)를 갖는 기판(102)이 도시되어 있다. 기판(102)은 땜납 범프(108)를 통한 상부 다이(top die)(112)에 대한 전기 접속을 위한 지지를 제공한다. 기판(102)은, 예를 들어, 실리콘 기판(silicon substrate), 인터포저(interposer), 다른 한 다이, 또는 인쇄 회로 기판(PCB)(printed circuit board)일 수 있다. 기판(102) 위에 형성된 패드(104)는 금속(동, 알루미늄 등)과 같은 전기적 도체 재료를 포함한다.
기판(102) 위에 배치된 땜납 마스크(106)는 예를 들어, 기판(102) 상의 극소량 구리(copper trace)를 위한 보호 코팅을 제공하며, 땜납 범프(108)가 도체들의 가교 역할을 하는 것을 방지하고, 그럼으로써, 회로 단락을 방지한다. 땜납 마스크(106)는 액상 감광성 상 형성 땜납 마스크 (LPSM)(liquid photo-imageable solder mask) 또는 건식 박막 감광성 상 형성 땜납 마스크 (DFSM)(dry film photo-imageable solder mask)일 수 있고, 일부 실시예들에서는 에폭시(epoxy) 또는 라커(lacquer)와 같은 중합체 층을 포함한다.
기판(102) 및 패드(104) 위에 배치된 땜납 범프(108)는 미소 범프(micro bumps), 볼 그리드 어레이(BGA) 땜납 볼(ball grid array solder balls), 또는 어떤 다른 적합한 땜납 구조일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 어떤 미소 범프는 약 2㎛ 내지 120㎛의 직경을 가지며, 어떤 BGA 땜납 볼은 약 100㎛ 내지 500㎛의 직경을 갖는다. 땜납 범프(108)는 Sn, Ag, Cu, 그들의 어떤 조합이든, 또는 어떤 다른 적합한 재료든 지의 땜납 재료를 포함한다.
땜납 범프(108)는, 증착, 전기도금, 인쇄, 분사(jetting), 스터드 범핑(stud bumping), 다이렉트 플레이스먼트(direct placement), 또는 어떤 다른 적합한 방법을 포함하는, 여러 방식으로 범프 하부 금속(UBM)(under bump metal)(110) 상에 형성 또는 배치될 수 있다. UBM(110)은 상부 다이(112)에 대한 전기 접속을 위한 땜납 범프(108)를 이용한 납땜을 가능하게 한다. 패드(104), 땜납 마스크(106), 땜납 범프(108), 및 UBM(110)은 이 기술분야에서 알려진 어떤 적합한 공정 및/또는 재료를 이용해서든 제작될 수 있다.
그 후, 도 1b에서, 기판(102) 및 상부 다이(112)를 포함하는 패키지가 열 압착 본더(TCB)(thermal compression bonder) 속에 배치된다. TCB의 상부 홀더(top holder)(즉, 본더 헤드(bonder head))(116)는 땜납 범프(108) 위의 상부 다이(112)에 접합되고, TCB의 하부 홀더(bottom holder)(114)는 땜납 범프(108) 아래의 기판(102)에 접합된다. 예를 들어, 상부 홀더(116)와 상부 다이(112) 사이의 접합 및 하부 홀더(114)와 기판(102) 사이의 접합은 진공 흡입부(vacuum suction)에 의해 수행될 수 있다. 그 후, 땜납 범프(108)는 상부 홀더(116) 속의 가열 소자(118)를 이용하여 땜납 범프(108)의 용융 온도보다 높은 온도에서 가열된다. 한 예에서는, 땜납 범프(108)가 300?C 보다 높은 온도에서 가열된다. 가열 소자(118)는 예를 들어, 전선(electrical wire)일 수 있다. 일부 실시예들에서는, 가열 온도가 이용되는 땜납의 용융점보다 높다. 일부 실시예들에서는, 온도 분포(temperature profile)가 땜납 범프(108)의 양측에서 따로따로 제어되거나, 및/또는 하부 홀더(114)를 상온에 두고 제어될 수 있다.
도 1c에서, TCB의 상부 홀더(116) 및 하부 홀더(114)는 상부 다이(112)를 제어된 높이로 끌기 위해 이용되고, 용융된 땜납 범프(108)의 형상은 동시에 변화된다. 땜납 범프(108)는 예를 들어, 땜납 범프(108)의 높이를 증대시키기 위해 형상, 높이, 및 미소 구조를 조절 및 변화시키도록 연신된다. 땜납 범프(108)를 연신하여 그 높이를 증대시키기 위해, TCB의 상부 홀더(116) 및 하부 홀더(114)가 이용될지라도, 다른 실시예들에서는 어떤 다른 적합한 방법이든 이용될 수 있다.
도 1d에서는, 땜납 범프(108)의 응고를 허용하도록 상부 홀더(116) 속의 가열이 정지되거나 또는 제거된다. 땜납 범프(108)는 제어된 방식으로 냉각된다. 한 예에서, 땜납 범프(108)는 상온에서 냉각된다. 도 1e에서는, 상부 홀더(116) 및 하부 홀더(114)가 제거된다.
도 1a 내지 도 1e에서의 연신 공정 후에, 땜납 범프(108)는 증대된 입자 방위 각도를 갖는다. 도 2는 β-Sn과 같은 모범적 땜납 범프 원소 결정의 입자 방위 각도의 다이어그램이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입자 방위 각도 θ는 주 원소(202)(도 1a 내지 도 1e에서의 땜납 범프(108)의)의 짧은 결정 축(c-축)과 전류 방향인 정상적인 n-축(도 1a 내지 도 1e에서의 기판(102) 또는 패드(104)의) 사이의 각도이다. 긴 결정 축, 즉, a-축 및 b-축도 도 2에 참고로 도시되어 있다.
n-축은 전류 방향인 것으로 할 수 있고, c-축과 n-축 사이의 작은 입자 방위 각도 θ는 신속한 원자 이주를 가능하게 할 수 있으며, 더 초기의 EM 장애를 야기할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 땜납 범프(108)의 주 원소는 Sn이고, 도 1a 내지 도 1e에서의 연신 공정 후의, 증대된 방위 각도는 50°보다 크다. 시료의 결정 구조를 판단하고, 입자 방위 각도를 추산하기 위해, 전자 후방 산란 회절(EBSD)(Electron Backscatter Diffraction)과 같은 미량 분석 기술이 전자 현미경과 함께 이용될 수 있다.
도 3은 일부 실시예들에 따라 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 모범적 땜납 범프(108)의 사진이다. 일부 실시예들에서는, 연신 후에, 땜납 범프(108)의 상부 접촉 폭(304)에 대한 땜납 범프(108)의 중심 폭(302)의 비율은 0.6 내지 1.0이다. 한 예에서는, 약 160㎛의 높이를 갖는 땜납 범프(108)가 약 260㎛의 높이로 연신되고, 상부 접촉 폭(304)(약 240㎛)에 대한 중심 폭(302)(약 170㎛)의 비율은 약 0.7이다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같은 연신 공정 후, 땜납 범프(108)는 라멜라 구조(lamellar structure)의 증대된 부분(얇은 판 또는 기둥 형 구조)을 갖는다. 입자 경계가 수평 균열 전파 방향에 대해 수직에 가깝기 때문에, 라멜라 구조는 균열 전파를 저감할 수 있다. 도 3에서, 거친 수상 돌기(coarse dendrites)가 관찰된다. 도 3에서 모래시계 형(중심 폭보다 더 긴 상부 폭을 가짐)이 도시되어 있을지라도, 상이한 땜납 체적 또는 상이하게 제어된 연신 높이를 이용함으로써, 기둥 또는 원통형, 배럴 형, 또는 볼 형 등을 포함하는, 상이한 형상들이 가능하다.
도 1a 내지 도 1e에 기술된 연신 공정은 땜납 범프 조인트의 기계적 신뢰성을 향상시킬 수도 있다. 일부 실시예들에서는 증대된 높이 및/또는 모래시계 형이 땜납 범프(108)에서의 변형을 효과적으로 저감한다. 어떤 모범적 실시예들에서는, 도 1a 내지 도 1e에서의 연신 방법을 이용하는 땜납 범프(108)의 피로 수명이 연신이 없는 땜납 범프(108)에 비해 4 내지 5배까지 향상되었다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예들에 따른 전기 장치에서 땜납 범프 조인트를 형성하기 위한 땜납 범프 연신 공정의 다양한 중간 단계에서의 모범적 땜납 범프(400)의 측면도이다. 단일의 땜납 범프(108)의 리플로 공정 후, 기판(102)은 상부 다이(112)와 결합된다. 도 4a에서, 일부 실시예들에서는 접촉 각도(420)가, 상부 다이(112)와 땜납 범프(108)의 외면의 사이에서 측정되는 바와 같은, 땜납 범프(108)에 의해 둘러싸인 각도이다. 다른 실시예에서는, 접촉 각도(420)가, 기판(102)의 패드(104)(도 4b 내지 4d를 보라)과 땜납 범프(108)의 외면 사이에서 측정된 바와 같은 땜납 범프(108)에 의해 둘러싸인 각도이다. 접촉 각도는, 땜납 범프(108)와 상부 다이(112) 또는 패드(104)가 만나는, 공동의 정점으로부터 동등한 거리에 있는 점들로부터 측정된다. 기판(102)은 땜납 범프(108)를 이용한 전기 접속을 위한 단일의 패드(104)를 지지한다. 예를 들어, 도 4b에서, 상부 다이(112)와 땜납 범프(108)의 외면 사이의 접촉 각도(420)는 90°보다 더 크다. 예를 들어, 도 4c에서, 상부 다이(112)와 땜납 범프(108)의 외면 사이의 접촉 각도(420)는 90°와 같다. 예를 들어, 도 4d에서, 상부 다이(112)와 땜납 범프(108)의 외면 사이의 접촉 각도(420)는 90°보다 더 작다.
도 5a 및 도 5b는 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 모범적 땜납 범프의 주사형 전자 현미경 (SEM)(scanning electron microscope) 사진이다. 연결 전자 구조(500)는, 기판(502)에 의해 지지된 패드(504)와 상부 다이(512) 사이에 배치된 땜납 범프(508)를 포함한다. 명료하게 하기 위해, 도 5b는, 90°보다 작은 접촉 각도(520)를 갖는, 도 5a의 확장부이다. 일부 실시예들에서, 접촉 각도(520)는 패드(504)의 구조, 땜납 범프(508)를 형성하기 위해 이용되는 땜납의 양 및 패드(504)와 상부 다이(512) 사이의 거리에 따라 변한다. 일부 실시예들에서, 패드(504)의 표면 마무리는, 동 (Cu), 은 (Ag), 비전착성 니켈 침지 금(ENIG)(electroless nickel immersion gold) 및 비전착성 니켈 비전착성 팔라듐 침지 금(ENEPIG)(electroless nickel electroless palladium immersion gold) 중 적어도 하나이다.
도 6a 및 도 6b는 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 모범적 땜납 범프의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진(600)이다. 도 6a의 SEM 사진은 횡으로 절단된 땜납 범프(608)로부터 주사형 전자 현미경 (SEM)에 의해 촬상되었다. 횡으로 절단된 땜납 범프(608)는 8.5마이크로미터(㎛)의 평균 중심 폭 간격(621), 12.4㎛의 평균 중간 폭 간격(622) 및 16.9㎛의 평균 상부 접촉 폭 간격(623)을 갖는다. 도 6b의 SEM 사진(600)은 도 6a에 비해 확대된 배율로 촬상되었다. 일부 실시예들에서는, 땜납 범프(608)가 베타 결정 상(β) 주석(Sn)(624), 및 동(Cu) 및 은(Ag)을 갖는 베타 결정 상(β) 주석(Sn)(625)을 포함하는 공정 합금이다. 일부 실시예들에서는, Cu 및 Ag를 갖는 β-Sn(625)이 β-Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn이다.
도 6a 및 도 6b 모두를 보면, 땜납 범프(608)는, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 기판(102)과 상부 다이(112) 사이에 길쭉한 땜납 범프 조인트를 형성한다. 다양한 실시예들에서, 땜납 범프(608)는 Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-아연(Zn), 또는 Sn-비스무트(Bi) 중 하나 이상을 포함한다. 다른 실시예들에서는, 더 많은 땜납 조합들도 상상되며, 그 중 어떤 것이든 니켈 (Ni) 및/또는 금 (Au)을 포함한다. SEM 사진(600)에서는, 더 어둡게 보이는 라멜라 구조는 90% Sn보다 더 큰 Sn 농후 상(Sn-rich phase)이고, 더 밝게 보이는 라멜라 구조는 Sn 더하기 다양한 금속간 화합물(IMCs)(intermetallic compounds)이다. 일부 실시예들에서는, IMC가 Cu6Sn5, Ag3Sn, Ni3Sn4 및 AuSn4 중 적어도 하나이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 다른 한 모범적 땜납 범프(708)의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진(700)이다. 땜납 범프(708)는 주석(Sn)과 비스무트(Bi)의 무연 공정 합금이다. SEM 사진(700)에서, 더 어둡게 보이는 라멜라 구조는 Sn 농후 상(726)이고, 더 밝게 보이는 라멜라 구조는 Bi 농후 상(728)이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 또다른 한 모범적 땜납 범프(808)의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진(800)이다. 땜납 범프(808)는 납(연)(lead)을 갖고 있고, 그래서 주석 (Sn)과 납(Pb)의 무연 공정 합금이 아니다. SEM 사진(800)에서, 더 어둡게 보이는 라멜라 구조는 Sn 농후 상(826)이고, 더 밝게 보이는 라멜라 구조는 Pb 농후 상(830)이다.
도 9a 및 도 9b는 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 또다른 모범적 땜납 범프(908)의 횡으로 절단된 부분의 SEM 사진(900)이다. 땜납 범프(908)는 한 세트 이상의 라멜라 구조를 갖고 있다. 일부 실시예들에서는, 땜납 범프(908)가 대부분 직교하는 라멜라 구조(932)를 갖고 있으며, 그 것은 패드(104)에 대해서는 대부분 직교하고 땜납 범프(908)의 연신 축에 대해서는 대부분 평행하다. 일부 실시예들에서는, 땜납 범프(908)가 대부분 평행한 라멜라 구조(934)를 갖고 있으며, 그 것은 패드(104)에 대해서는 대부분 평행하고 땜납 범프(908)의 연신 축에 대해서는 대부분 직교한다. 일부 실시예들에서는, 대부분 직교하는 라멜라 구조(932) 및 대부분 평행한 라멜라 구조(934)가 모두 존재한다. 다른 실시예들에서는, 상이한 방위의 다른 라멜라 구조가 존재한다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 도 1a 내지 도 1e에서의 공정에 의해 연신된 다른 횡으로 절단된 땜납 범프의 제1 확장부 및 제2 확장부를 갖는 SEM 사진(1000)이다. SEM 사진(1000)은 도 5a에서의 구조에 대응하는 구조를 포함하고, 그에 대한 기술이 유사하게 적용될 수 있으며, 여기에서는 반복되지 않는다. SEM 사진(1000)은 단일의 땜납 범프의 제1 확장부(1036) 및 다른 한 땜납 범프의 제2 확장부(1038)를 더 포함한다. 제1 확장부(1036) 및 제2 확장부(1038)는 상이한 땜납 범프 결정 방위에 대응하는 상이한 형상을 가진 부분들을 갖는다.
도 11은 도 10의 제1 부분(1036)에 대응하는 상이한 결정 입자 방위를 갖는 땜납 범프에 대한 백분율(여기에서 부분 수(number of fraction)라고 알려짐) 대 각도별 정렬에 대한 그래프(1100)이다. 그래프(1100)의 x-축 상의 각도별 정렬은 도 2에서 각도 θ로서 확인된다. 땜납 범프 결정 입자 방위는 50°보다 약간 더 작은 각부터 65°를 겨우 초과하는 각 사이의 범위를 갖고 틈(gap)이 뒤따르며, 제5 행이 80° 근처에서 중심을 이루는 네개의 행으로 그룹이 나뉘어진다. 60도를 포함하는 행은 도 11에서의 어떤 행에 대해서든 최대 백분율을 갖는다. 45°보다 더 큰 각도 θ를 갖는 라멜라 결정 구조는 땜납 범프(108)의 연신 축에 대해 대부분 직교한다. 45°보다 더 작은 각도 θ를 갖는 라멜라 결정 구조는 땜납 범프(108)의 연신 축에 대해 대부분 평행하다. 그래프(1100)에서의 행들의 패턴은 더 잘 정돈된 대부분 직교하는 결정 구조로 귀결되는 일부 실시예들에서의 공정을 나타낸다. 땜납 범프(108)는 전기 장치에서의 초기의 일렉트로마이그레이션 (EM) 장애를 완화시키기 위해 연신 축과 직교하는 c-축을 갖는 땜납 범프 조인트를 형성한다.
도 12는 도 10의 제2 부분(1038)에 대응하는 상이한 결정 입자 방위를 갖는 다른 한 땜납 범프에 대한 백분율의 수(여기에서 부분 수(number of fraction)라고 알려짐) 대 각도별 정렬에 대한 그래프이다. 도 11과 마찬가지로, 그래프(1200)의 x-축 상의 각도별 정렬은 도 2에서 각도 θ로서 확인된다. 땜납 범프 결정 입자 방위들은 도 12에서의 어떤 행에 대해서든 최대 백분율을 갖는 62°를 포함하는 행을 갖는 11개의 상이한 행들에 도시되어 있다. 도 11과 마찬가지로, 그래프(1200)에서의 행들의 패턴은 더 잘 정돈된 대부분 직교하는 결정 구조로 귀결되는 일부 실시예들에서의 공정을 나타낸다.
일부 실시예들에 따르면, 땜납 범프, 및 땜납 범프를 형성하기 위한 연신 방법은, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Zn, Sn-Bi 및 Sn-Pb 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 Sn 합금 입자들의 양호한 결정 방위를 갖는 땜납 범프 조인트를 생성함으로써, 초기의 일렉트로마이그레이션 (EM) 장애를 완화 또는 제거하는 산출된 땜납 범프 조인트에서 신규의 라멜라 결정 구조를 만든다. 산출되는 땜납 범프에서의 라멜라 결정 구조를 형성하기 위해, 가열, 연신 및 냉각을 채택하는 방법이 개시되어 있을지라도, 다른 실시예들은, 양호한 방위를 갖는 정렬된 라멜라 결정 구조를 생산하기 위해 땜납 조인트를 연신하는 다른 수단을 이용한다.
일부 실시예들에 따르면, 방법은 땜납 범프의 용융 온도를 초과하는 온도로 땜납 범프를 가열하는 단계를 포함한다. 땜납 범프는, 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 연신된다. 땜납 범프는 냉각된다.
일부 실시예들에 따르면, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법은 땜납 범프의 용융 온도를 초과하는 온도로 주석을 포함하는 땜납 범프를 가열하는 단계를 포함한다. 땜납 범프는, 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 연신된다. 땜납 범프는 냉각된다.
일부 실시예들에 따르면, 패드를 갖는 기판과 상부 다이 사이에서 땜납 범프 조인트를 갖는 장치가 땜납 범프를 포함한다. 땜납 범프는 패드를 갖는 기판 상의 패드와 상부 다이 사이에 배치된다. 땜납 범프는 땜납 범프 조인트를 형성하고 패드를 갖는 기판 및 상부 다이를 함께 결합시킨다. 땜납 범프는 라멜라 구조를 형성하고 90°보다 작은 접촉 각도를 갖는다.
일부 실시예들에 따르면, 초기의 일렉트로마이그레이션 장애를 완화시키는 방법은 땜납 범프의 용융 온도를 초과하는 온도로 땜납 범프를 가열하는 단계를 포함한다. 땜납 범프는 대부분, Cu, Ag, Bi, Pb, Au, 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 공정 Sn 화합물이다. 땜납 범프는, 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 연신된다. 땜납 범프는 90°보다 작은 접촉 각도를 형성하도록 냉각된다. 땜납 범프는, 대부분 연신 축에 직교하고, 평균 상부 접촉 폭 간격에 대한 평균 중심 폭 간격의 비율이 0.5와 1.0 사이에 있는 라멜라 구조를 갖는다.
이 기술분야에서 숙련된 바는 이 명세서의 실시예에 대한 많은 변화예가 있을 수 있음을 알 것이다. 실시예 및 그 요소들이 상세하게 기술되었을지라도, 실시예의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이, 여기에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 또한, 이 발명의 범위가 이 명세서에서 기술된 공정, 기계, 제조, 물질의 합성, 수단, 방법 및 단계의 조합들의 특정한 실시예들로 제한될 것을 의도하지 않는다. 이 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 개시된 실시예들로부터, 여기에 기술된 실시예들과 사실상 동일한 기능을 수행하거나 또는 사실상 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 또는 나중에 개발될, 공정, 기계, 제조, 물질의 합성, 수단, 방법, 또는 단계가 이 개시 내용에 따라 활용될 수 있을 것임을 알 것이다.
위에서 설명한 방법 실시예는 모범적 단계들을 도시하지만, 그것들이 반드시 도시된 순서에 따라 수행될 필요는 없다. 개시된 실시예의 정신 및 범위에 따라, 단계들이, 적절하게 추가, 재배치, 순서 변화, 및/또는 제거될 수 있을 것이다. 상이한 청구항 및/또는 상이한 실시예들을 조합하는 실시예들은 이 개시의 범위 내에 드는 것이며, 이 개시를 살펴 본 후의 이 기술분야에서 숙련된 자에게 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법에 있어서,
    땜납 범프의 용융 온도보다 높은 온도로 주석을 포함하는 상기 땜납 범프를 가열하는 단계;
    상기 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 상기 땜납 범프를 연신하는 단계; 및
    상기 땜납 범프를 냉각시키는 단계를
    포함하는, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 땜납 범프는 공정 Sn-Bi 화합물 또는 공정 Sn-Pb 화합물인 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 땜납 범프는 동 및 은을 더 포함하는 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연신 후, 접촉 각도는 90° 미만인 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 평균 상부 접촉 폭 간격에 대한 평균 중심 폭 간격의 비율은 0.5와 1.0 사이인 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 땜납 범프는 라멜라 구조를 갖고 있고, 상기 연신 후, 상기 라멜라 구조는 연신 축과 직교하거나 또는 평행한 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 땜납 범프는 라멜라 구조를 갖고 있고, 상기 연신 후, 상기 라멜라 구조는 제1 부분 및 제2 부분을 가지며, 상기 제1 부분은 연신 축과 평행하고, 상기 제2 부분은 상기 연신 축과 직교하는 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 땜납 범프는 라멜라 구조를 갖고 있고, 상기 라멜라 구조는 90% Sn 보다 큰 Sn 농후 상(Sn-rich phase)과 IMC 상(IMC phase)을 포함하며, 상기 IMC 상은 Cu6Sn5, Ag3Sn, Ni3Sn4 및 AuSn4 중 적어도 하나로부터 선택되는 것인, 땜납 범프 조인트를 생산하는 방법.
  9. 패드를 갖는 기판과 상부 다이 사이에 땜납 범프 조인트를 구비한 장치에 있어서,
    땜납 범프를 포함하고, 상기 땜납 범프는 상기 패드를 갖는 기판 상의 상기 패드와 상기 상부 다이 사이에 배치되고, 상기 땜납 범프는 상기 땜납 범프 조인트를 형성하며 패드를 갖는 상기 기판 및 상기 상부 다이를 함께 결합시키고, 상기 땜납 범프는 라멜라 구조를 형성하며 90° 미만의 접촉 각도를 갖는 것인, 땜납 범프 조인트를 갖는 장치.
  10. 초기의 일렉트로마이그레이션 장애를 완화시키는 방법에 있어서,
    상기 땜납 범프의 용융 온도보다 높은 온도에서 땜납 범프 - 상기 땜납 범프는 Cu, Ag, Bi, Pb, Au, 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 공정 Sn 화합물임 - 를 가열하는 단계;
    상기 땜납 범프의 높이를 증대시키기 위해 상기 땜납 범프를 연신하는 단계; 및
    90° 미만의 접촉 각도를 형성하도록 상기 땜납 범프를 냉각시키는 단계를
    포함하고,
    상기 땜납 범프는 라멜라 구조를 갖고, 상기 라멜라 구조는 연신 축에 직교하고, 평균 상부 접촉 폭 간격에 대한 평균 중심 폭 간격의 비율은 0.5와 1.0 사이인 것인, 초기의 일렉트로마이그레이션 장애를 완화시키는 방법.
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