KR20160015397A - Cu 볼 - Google Patents
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Abstract
우수한 얼라인먼트성을 갖는 Cu 볼을 제공한다. 솔더링시의 Cu 볼의 습윤 불량을 억제하기 위해, 볼 표면의 산화막의 막 두께를 판정하는 지표로서 명도를 규정하고, 명도를 55 이상으로 한다. 또한, 명도를 정확하게 측정하기 위해서는 Cu 볼의 진구도가 높은 쪽이 좋고, 진구도를 높게 하기 위해서는 Cu 볼의 순도를 99.995% 이하로 한다. 명도가 55 이상인 경우, Cu 볼의 표면에 형성된 산화막의 막 두께는 8㎚ 이하가 바람직하다.
Description
본 발명은, 전자 부품 등의 솔더링에 사용되는 Cu 볼에 관한 것이다.
최근, 소형 정보 기기의 발달에 의해, 탑재되는 전자 부품의 급속한 소형화가 진행되고 있다. 전자 부품은, 소형화의 요구에 의해 접속 단자의 협소화나 실장 면적의 축소에 대응하기 위해, 이면에 전극이 설치된 볼 그리드 어레이(이하, 「BGA」라 칭함) 가 적용되고 있다.
BGA를 적용한 전자 부품에는, 예를 들어 반도체 패키지가 있다. 반도체 패키지에서는, 전극을 갖는 반도체 칩이 수지로 밀봉되어 있다. 반도체 칩의 전극에는, 땜납 범프가 형성되어 있다. 이 땜납 범프는, 땜납 볼을 반도체 칩의 전극에 접합함으로써 형성되어 있다. BGA를 적용한 패키지는, 각 땜납 범프가 프린트 기판의 도전성 랜드에 접촉하도록, 프린트 기판 상에 배치되고, 가열에 의해 용융된 땜납 범프와 랜드가 접합함으로써, 프린트 기판에 탑재된다. 또한, 가일층의 고밀도 실장의 요구에 대응하기 위해, 반도체 패키지가 높이 방향으로 적층된 3차원 고밀도 실장이 검토되고 있다.
그러나, 3차원 고밀도 실장이 이루어진 패키지에 BGA가 적용되면, 패키지의 자중에 의해 땜납 볼이 찌부러져 버려, 전극 사이에서 접속 단락이 발생한다. 이것은, 고밀도 실장을 행하는 데 있어서 지장이 된다.
따라서, 전자 부품의 전극에 땜납 페이스트로 Cu 볼이 전기적으로 접합된 땜납 범프가 검토되고 있다. Cu 볼을 갖는 땜납 범프는, 전자 부품이 프린트 기판에 실장될 때, 반도체 패키지의 중량이 땜납 범프에 가해져도, 땜납 합금의 융점에서는 용융되지 않는 Cu 볼에 의해 패키지를 지지할 수 있다. 따라서, 패키지의 자중에 의해 땜납 범프가 찌부러지는 일이 없다. 관련 기술로서 예를 들어 특허문헌 1을 들 수 있다.
그러나, 특허문헌 1에서 개시된 Cu 볼은, 진구도를 높이기 위해 Cu 개편(個片)을 비산화성 분위기 내에서 용융하여 제조되고 있기 때문에 높은 순도가 요구되고 있지만, 위치 정렬 정밀도를 나타내는 얼라인먼트성에 대해서는 전혀 검토되어 있지 않다.
Cu 볼을 사용하여 BGA를 적용한 전자 부품은, 프린트 기판에 탑재될 때, Cu 볼이 전극으로부터 탈락하면 접합 불량으로서 취급된다. 또한, Cu 볼이 전극의 소정의 위치로부터 어긋나 접합된 경우, Cu 범프를 포함한 각 전극의 높이에 편차가 발생한다. 높이가 높은 전극은 랜드와 접합할 수 있지만, 높이가 낮은 전극은 랜드와 접합할 수 없다. Cu 볼이 소정의 위치로부터 어긋나 접합된 전자 부품도 불량으로서 취급된다. 따라서, Cu 볼은 얼라인먼트성이 높은 레벨로 요구되고 있다.
본 발명의 과제는 우수한 얼라인먼트성을 갖는 Cu 볼을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, Cu 볼의 얼라인먼트성을 높이기 위해, Cu 볼의 접합 형태에 착안하였다. 구체적으로는, Cu 볼이 땜납 페이스트 중의 땜납 입자에 의해 전극과 전기적으로 접합되어 있는 것에 비추어, Cu 볼의 표면 상태가 땜납 페이스트 중의 땜납 입자와의 습윤성에 영향을 미치는 것에 착안하였다. 그리고, 본 발명자들은, Cu 볼이 산화되기 쉬운 성질을 갖는 것에 기인하여, Cu 볼 표면의 산화막의 막 두께가 얇을수록 땜납 페이스트 중의 땜납 입자와의 습윤성이 높고, 우수한 얼라인먼트성을 갖는 지견을 얻었다.
여기서, Cu 볼의 얼라인먼트성을 높이기 위해, Cu 볼이 산소 농도나 산화막의 막 두께만으로 규정된 경우, 제작된 Cu 볼의 모두에 대해 이들이 측정될 필요가 있어, 고가의 설비나 긴 측정 시간이 필요해진다. 따라서, Cu 볼을 산소 농도나 산화막의 막 두께만으로 규정하는 것은 현실적이지 않다. 샘플을 추출하여 산소 농도나 산화막의 막 두께가 측정되었다고 해도, 이들이 측정되어 있지 않은 Cu 볼이 얼라인먼트 성이 우수하다고는 한정할 수 없다.
따라서, 본 발명자들은, Cu 볼의 산화막의 상태를 무언가 지표로 규정함으로써 얼라인먼트성을 높이는 것을 검토하였다.
Cu 볼은, 산화막의 막 두께가 70∼100㎚ 정도로까지 두꺼워지면 황토색으로 변색되기 때문에, 황색도로 규정됨으로써 얼라인먼트성을 높일 수 있다고도 생각된다. 그러나, 그러한 두꺼운 산화막은, 고온 다습의 환경하에서 장시간 방치되어야 비로소 형성되는 것이다. 20∼40℃ 정도에서 보관된 Cu 볼은, 고습도의 환경화라도 이러한 두꺼운 산화막이 형성되는 일은 없다. 따라서, 이러한 Cu 볼이 황색도로 규정되어도, 얼라인먼트성이 높아진다고는 생각하기 어렵다. 본 발명자들은, 이 점에 대해 조사한 바, 땜납 볼과 마찬가지로 황색도에 의해 규정하는 것은 곤란하다고 하는 지견을 얻었다.
20∼40℃ 정도에서 보관된 Cu 볼은, 산화막의 막 두께가 대략 40㎚ 이하 정도이다. 이때, Cu 볼은 갈색으로 변색된다. 이로 인해, Cu 볼은, 적색도로 규정 됨으로써 얼라인먼트성을 높일 수 있다고도 생각된다. 그러나, Cu는 애당초 붉은 빛을 띠고 있기 때문에, Cu 볼이 산화막에 의해 갈색으로 변색되었다고 해도, Cu 볼은 산화의 정도를 고정밀도로 판정할 수 없다고 생각된다. 본 발명자들은, 이 점에 대해서도 조사한 바, Cu 볼이 적색도로 규정되어도, Cu 볼의 얼라인먼트성을 높일 수 없다는 지견도 얻었다.
따라서, 본 발명자들은, Cu 볼이 산화되면 금속 광택이 상실되는 점에 착안하여, Cu 볼의 산화의 정도를 규정하는 지표로서 Cu 볼을 명도로 규정함으로써, Cu 볼의 습윤 불량을 억제하여 얼라인먼트성이 비약적으로 향상되는 지견을 얻었다. 또한, 본 발명자들은, 명도가 보다 정확하게 측정되기 위해서는 Cu 볼의 높은 진구도가 요구되는 것을 고려하여, 우연히도, Cu 볼의 순도가 99.995% 이하인 경우에 진구도가 높아지는 지견을 얻어 본 발명을 완성하였다.
그 지견에 기초하여 완성시킨 발명의 요지는, 다음과 같다.
(1) 각 Cu 볼은, 순도가 99.9% 이상 99.995% 이하이고, 진구도가 0.95 이상이고, 직경이 1∼1000㎛이고, 55 이상의 명도를 나타내는 것을 특징으로 하는, 전극에 접합되는 얼라인먼트성이 우수한 Cu 볼.
(2) 표면의 산화막의 막 두께가 8㎚ 이하인, 상기 (1)에 기재된 Cu 볼.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 Cu 볼을 사용하여 얻은 땜납 조인트.
도 1은 순도가 99.9%인 Cu 펠릿을 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다.
도 2는 순도가 99.995% 이하인 Cu 와이어를 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다.
도 3은 순도가 99.995%를 초과하는 Cu판을 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 Cu 볼이 탑재된 땜납 범프의 광학 현미경 사진이다.
도 5는 비교예의 Cu 볼이 탑재된 땜납 범프의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 L*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 b*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 a*값과 Cu 볼의 산화막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 L*값과 전극에 Cu 볼을 탑재한 후의 Cu 볼의 위치 어긋남 평균과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 순도가 99.995% 이하인 Cu 와이어를 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다.
도 3은 순도가 99.995%를 초과하는 Cu판을 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 Cu 볼이 탑재된 땜납 범프의 광학 현미경 사진이다.
도 5는 비교예의 Cu 볼이 탑재된 땜납 범프의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 L*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 b*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 a*값과 Cu 볼의 산화막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 L*값과 전극에 Cu 볼을 탑재한 후의 Cu 볼의 위치 어긋남 평균과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이하에서 상세하게 설명된다. 본 명세서에 있어서, Cu 볼의 조성에 관한 단위(ppm, ppb 및 %)는, 특별히 지정하지 않는 한 Cu 볼의 질량에 대한 비율(질량ppm, 질량ppb 및 질량%)을 나타낸다.
ㆍ명도가 55 이상
본 발명에 관한 Cu 볼은 명도가 55 이상이다. 여기에, 명도라 함은, L*a*b* 표색계의 L*값(이하, 단순히, L*값이라 하는 경우도 있음)이다. 명도가 55 이상이면 Cu 볼의 산화막이 얇게 되어, 얼라인먼트성이 높아진다. CCD 카메라 등으로 촬영한 화상에 의해 땜납 볼의 결손이나 위치 어긋남이 확인되는 경우, 이들의 확인 정밀도도 높아진다. 또한, 레이저 파장계에 의해 땜납 범프의 높이 편차가 측정되는 경우, 높이 편차의 측정 정밀도도 향상된다. 이 결과, 전자 부품의 검사 정밀도가 향상되어 전자 부품의 제품 수율이 향상된다.
명도가 55 미만이면, 주로 Cu2O로 구성되는 두꺼운 산화막이 Cu 볼의 표면에 형성되어 있게 되어, 땜납 페이스트 중의 땜납 입자와의 습윤 불량이 발생하여 얼라인먼트성이 저하된다. 두꺼운 산화막이 형성되면 Cu 볼은 금속 광택을 상실하기 때문에, 전자 부품의 검사 정밀도는 열화된다. 또한, 두꺼운 산화막의 형성에 의해 Cu 볼의 전기 전도도나 열전도율이 저하된다.
본 발명에 관한 Cu 볼의 효과를 한층 더 높이기 위해서는, 명도는, 바람직하게는 57 이상이고, 보다 바람직하게는 59 이상이다. 명도의 상한에 관해서는, Cu가 원래 갖는 금속 광택에 의한 명도가 상한값으로 되기 때문에, 바람직하게는 70 이하이다.
ㆍCu 볼의 순도가 99.995% 이하
본 발명에 관한 Cu 볼은 순도가 99.995% 이하이다. 즉, 본 발명에 관한 Cu 볼은 Cu를 제외한 원소(이하, 적절하게, 「불순물 원소」라 함)의 함유량이 50ppm 이상이다. Cu 볼을 구성하는 Cu의 순도가 이 범위이면, Cu 볼의 진구도가 높아지기 위한 충분한 양의 결정핵이 용융 Cu 중에 확보되게 된다. 또한, 진구도가 높아지면, 명도의 측정 오차가 저감된다. Cu 볼의 순도가 낮으면 진구도가 높아지는 이유는 이하와 같이 상세하게 설명된다.
Cu 볼을 제조할 때, 소정 형상의 소편(小片)으로 형성된 Cu재는, 가열에 의해 용융되고, 용융 Cu가 표면 장력에 의해 구형으로 되고, 이것이 응고되어 Cu 볼로 된다. 용융 Cu가 액체 상태로부터 응고되는 과정에 있어서, 결정립이 구형의 용융 Cu 중에서 성장한다. 이때, 불순물 원소가 많으면, 이 불순물 원소가 결정핵으로 되어 결정립의 성장이 억제된다. 따라서, 구형의 용융 Cu는, 성장이 억제된 미세 결정립에 의해 진구도가 높은 Cu 볼로 된다. 한편 불순물 원소가 적으면, 상대적으로 결정핵으로 되는 것이 적어, 입성장이 억제되지 않고 어느 방향성을 갖고 성장한다. 이 결과, 구형의 용융 Cu는 표면의 일부분이 돌출되어 응고되어 버린다. 이러한 Cu 볼은, 진구도가 낮다. 불순물로서는, Sn, Sb, Bi, Zn, As, Ag, Cd, Ni, Pb, Au, P, S, U, Th 등이 생각된다.
순도의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 순도의 저하에 의한 Cu 볼의 전기 전도도나 열전도율의 열화를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 99.9%이다. 즉, 바람직하게는 Cu를 제외한 Cu 볼의 불순물의 함유량은 합계로 1000ppm 이하이다.
불순물 원소로서는, 전술한 바와 같이, Sn, Sb, Bi, Zn, As, Ag, Cd, Ni, Pb, Au, P, S, U, Th 등이 생각된다. 본 발명에 관한 Cu 볼은, 불순물 중에서도 특히 Pb 및 Bi를 불순물로서 함유하는 것이 바람직하다. 이들의 함유량은 합계로 1ppm 이상인 것이 바람직하다. 통상, Cu재의 Pb 및/또는 Bi의 함유량은 합계로 1ppm 이상이다. Cu 볼의 제조에 있어서, Cu가 Pb 및 Bi의 비점 이상의 온도로 가열되는 경우는 없다. 즉, Pb 및 Bi의 함유량이 크게 감소되는 일은 없다. 이와 같이, Pb 및 Bi는 Cu 볼을 제조한 후라도 어느 정도의 양이 잔존하기 때문에 함유량의 측정 오차가 적다. 따라서, Pb나 Bi는, 불순물 원소의 함유량을 추정하기 위해 중요한 원소이다. 이러한 관점에서도, Pb 및 Bi의 함유량은 합계로 1ppm 이상인 것이 바람직하다. Pb 및/또는 Bi의 함유량은, 보다 바람직하게는 합계로 10ppm 이상이다. 상한은 특별히 한정되지 않지만, Cu 볼의 전기 전도도의 열화를 억제하는 관점에서, 보다 바람직하게는 Pb 및 Bi의 합계로 1000ppm 미만이다.
ㆍ산화막의 막 두께가 8㎚ 이하
본 발명에 관한 Cu 볼은 산화막의 막 두께가 8㎚ 이하인 것이 바람직하다. 막 두께가 8㎚ 이하이면, 산화막이 얇기 때문에 습윤 불량이 억제되어 얼라인먼트성이 높아진다. Cu 볼을 전극과 접합하는 땜납 페이스트는 통상 플럭스를 함유한다. 플럭스는 그 주성분인 로진에 의해 8㎚ 이하의 얇은 산화막을 용해 제거한다. 따라서, 본 발명에 관한 Cu 볼은 습윤 불량을 억제할 수 있기 때문에, (셀프) 얼라인먼트성이 우수하다. 즉, Cu 볼의 탑재 직후는 전극의 중앙으로부터 약간 벗어나 있어도, 리플로우시는 연화된 땜납 페이스트가 표면 장력에 의해 전극의 전체 면에서 균일해질 때에, Cu 볼이 전극의 중앙으로 이동한다. 또한, 산화막의 막 두께가 8㎚ 이하이면, Cu 볼의 전기 전도도나 열전도율이 높아진다.
이러한 효과를 한층 더 높이기 위해서는, 산화막의 막 두께는, 바람직하게는 7㎚ 이하이고, 보다 바람직하게는 6㎚ 이하이다. 산화막의 막 두께의 하한값은 특별히 한정되지 않고, 얇으면 얇을수록 습윤 불량을 저감시킬 수 있다.
ㆍCu 볼의 진구도 : 0.95 이상
본 발명에 관한 Cu 볼의 형상은, 명도의 측정 오차가 저감되는 관점에서, 진구도가 높은 쪽이 바람직하다. 또한, 진구도가 높으면, 스탠드 오프 높이의 오차를 저감시킬 수 있다. Cu 볼의 진구도가 0.95 미만이면, Cu 볼이 부정 형상으로 되기 때문에, 범프 형성시에 높이가 불균일한 범프가 형성되어, 접합 불량이 발생할 가능성이 높아진다. 진구도는, 보다 바람직하게는 0.990 이상이다. 본 발명에 있어서, 진구도라 함은 진구로부터의 어긋남을 나타낸다. 진구도는, 예를 들어, 최소 제곱 중심법(LSC법), 최소 영역 중심법(MZC법), 최대 내접 중심법(MIC법), 최소 외접원 중심법(MCC법) 등 다양한 방법으로 구해진다.
ㆍCu 볼의 직경 : 1∼1000㎛
본 발명에 관한 Cu 볼의 직경은 1∼1000㎛인 것이 바람직하다. 이 범위에 있으면, 구상의 Cu 볼이 안정적으로 제조되고, 또한, 단자 사이가 협피치인 경우의 접속 단락이 억제된다. Cu 볼의 직경이 1㎛ 이상이면, 구상의 Cu 볼을 안정적으로 제조할 수 있다. 또한, Cu 볼의 직경이 1000㎛ 이하이면, 단자 사이가 협피치인 경우의 접속 단락을 억제할 수 있다. 여기서, 예를 들어, 본 발명에 관한 Cu 볼이 Cu 페이스트 중의 Cu로서 사용되는 경우, 「Cu 볼」은 「Cu 파우더」라 칭해져도 된다. 「Cu 볼」이 「Cu 파우더」라 칭해지는 경우, 일반적으로, Cu 볼의 직경은 1∼300㎛이다.
본 발명에 관한 Cu 볼의 제조 방법의 일례를 설명한다.
재료로 되는 Cu재는 세라믹과 같은 내열성의 판(이하, 「내열판」이라 함)에 배치되고, 내열판과 함께 노 중에서 가열된다. 내열판에는 저부가 반구 형상으로 된 다수의 원형의 홈이 형성되어 있다. 홈의 직경이나 깊이는, Cu 볼의 입경에 따라서 적절히 설정되어 있고, 예를 들어, 직경이 0.8㎜이고, 깊이가 0.88㎜이다. 또한, Cu 세선이 절단되어 얻어진 칩 형상의 Cu재(이하, 「칩재」라 함)는, 내열판의 홈 내에 1개씩 투입된다. 홈 내에 칩재가 투입된 내열판은, 암모니아 분해 가스가 충전된 노 내에서 1000℃ 정도로 승온되고, 30∼60분간 가열 처리가 행해진다. 이때 노 내 온도가 Cu의 융점 이상으로 되면, 칩재는 용융되어 구상으로 된다. 그 후, 노 내가 냉각되어, 내열판의 홈 내에서 Cu 볼이 성형된다.
또한, 다른 방법으로서는, 도가니의 저부에 설치된 오리피스로부터 용융 Cu의 액적이 적하되고, 이 액적이 냉각되어 Cu 볼이 조립되는 아토마이즈법이나, 열플라즈마에 의해 Cu 커트 메탈을 1000℃ 이상으로 가열하는 조립 방법이 있다.
Cu 볼의 원료인 Cu재로서는, 예를 들어 펠릿, 와이어, 필러 등을 사용할 수 있다. Cu재의 순도는, Cu 볼의 순도를 지나치게 낮추지 않도록 하는 관점에서 99∼99.995%이면 된다.
ㆍCu 볼의 보관 방법
본 발명에 관한 Cu 볼은, 보관 환경의 온도나 습도에 따라서는 분위기 중의 산소와 반응하여 표면에 산화막을 형성한다. 이로 인해, 제조 직후의 Cu 볼은, 대기 중에서 보관하는 경우에는 상온, 상습에서 보관하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서는, 상온 및 상습은, JIS Z 8703에 따라, 각각 5∼35℃, 45∼85%의 범위로 한다. 또한, Cu 볼의 산화를 최대한 억제하는 경우에는, He나 Ar 등의 불활성 가스, 질소 가스, 또는 클린 룸과 동일한 환경하에서 보존하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 본 발명에서 규정하는 순도는 Cu 칼럼이나 Cu 필러에 응용되어도 된다.
또한, 본 발명에 관한 Cu 볼은, 땜납 페이스트로 전극에 전기적으로 접합됨으로써, 전자 부품의 땜납 조인트에 사용될 수 있다.
본 발명에 관한 Cu 볼은, 저α선재를 사용함으로써 α선량이 저감된다. 이러한 저α선의 Cu 볼은, 메모리 주변의 땜납 범프로서 사용되면 소프트 에러를 억제하는 것이 가능해진다. 저α선의 Cu 볼이 제조되기 위해서는, 종래의 아토마이즈법으로 제조될 때에, Cu재가 800∼1000℃ 정도에서 30∼60분간 가열 처리가 실시되고, Cu의 용융 온도를 1100∼1300℃ 정도로 높이는 처리가 실시된다. 또한, 제조된 Cu 볼은, 별도로 Cu의 융점 미만인 800∼900℃에서 재가열 처리가 행해져도 된다. 이에 의해, 210Po 등의 방사성 동위 원소가 휘발되어 α선량이 저하된다.
실시예
이하에 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는, L*값과 산화막의 막 두께와 얼라인먼트성과의 관계를 조사하기 위해, 의도적으로, 다양한 조건에서 Cu 볼이 보관되었다. 그리고, L*값이 다른 다양한 Cu 볼을 사용하여 이하의 검토가 행해졌다.
우선, 명도가 정확하게 측정되기 위해, 진구도가 높은 Cu 볼의 제작 조건을 조사하였다. 순도가 99.9%인 Cu 펠릿, 순도가 99.995% 이하인 Cu 와이어 및 순도가 99.995%를 초과하는 Cu판을 준비하였다. 각각을 도가니 중에 투입한 후, 도가니의 온도를 1200℃로 승온하여, 45분간 가열 처리를 행하고, 도가니 저부에 설치한 오리피스로부터 용융 Cu의 액적을 적하하고, 액적을 냉각하여 Cu 볼을 조립하였다. 이에 의해 평균 입경이 250㎛인 Cu 볼을 제작하였다. 제작한 Cu 볼의 원소 분석 결과 및 진구도를 표 1에 나타낸다. 이하에, 진구도의 측정 방법을 상세하게 설명한다.
ㆍ진구도
진구도는 CNC 화상 측정 시스템으로 측정되었다. 장치는, 미츠토요사제의 울트라 퀵 비전, ULTRA QV350-PRO이다.
또한, 제작된 각각의 Cu 볼의 SEM 사진은 도 1∼3에 나타내어진다. 도 1은, 순도가 99.9%인 Cu 펠릿을 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다. 도 2는, 순도가 99.995% 이하인 Cu 와이어를 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다. 도 3은, 순도가 99.995%를 초과하는 Cu판을 사용하여 제조한 Cu 볼의 SEM 사진이다. SEM 사진의 배율은 100배이다.
표 1, 도 1 및 2에 나타내는 바와 같이, 순도가 99.9%인 Cu 펠릿 및 99.995% 이하인 Cu 와이어를 사용한 Cu 볼은, 모두 진구도가 0.990 이상을 나타냈다. 한편, 표 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 순도가 99.995%를 초과하는 Cu판을 사용한 Cu 볼은, 진구도가 0.95를 하회하였다. 이로 인해, 이하에 나타내는 실시예 및 비교예에서는, 모두 99.9%인 Cu 펠릿으로 제조한 Cu 볼을 사용하여 다양한 검토를 행하였다.
실시예 1
전술한 바와 같이 제작된 Cu 볼에 대해, 제작 직후(제작하고 나서 1분 미만.)의 명도 및 산화막의 막 두께가 이하의 조건에서 측정되었다. 그리고, 땜납 페이스트(센주긴조쿠고교 가부시키가이샤제 : M705-GRN360-K2-V)가 100㎛ 두께의 메탈 마스크에 의해 인쇄된 30개의 전극의 각각에 Cu 볼이 탑재되고, 리플로우에 의해 Cu 볼이 전극에 접합되어 땜납 범프가 제작되었다. 리플로우는, 피크 온도 245℃, N2 분위기의 조건에서 행해졌다. 또한, 산소 농도는 100ppm 이하이기 때문에, 리플로우에 의한 산화막 두께의 증가는 명도의 측정에 영향을 미치지 않는다. 그 후, 제작된 땜납 범프에 대해, 명도 및 산화막의 막 두께의 측정, 얼라인먼트성의 평가 및 위치 어긋남 평균의 측정이 행해졌다. 위치 어긋남 평균은, 얼라인먼트성을 수치화하여 객관적으로 평가하기 위한 값이다. 결과는 표 2에 나타내어진다. 각 측정 및 각 평가의 상세는 이하에 나타내어지는 바와 같다.
ㆍ명도의 측정
명도는, MINOLTA제 SPECTROPHOTOMETER CM-3500d를 사용하여, D65 광원, 10도 시야에서 JIS Z 8722 「색의 측정 방법-반사 및 투과 물체색」에 준하여 분광 투과율을 측정하고, 색채값(L*, a*, b*)으로부터 구해졌다. 또한, 색채값(L*, a*, b*)은, JIS Z 8729 「색의 표시 방법-L*a*b* 표색계 및 L*u*v* 표색계」에 규정되어 있는 것이다.
ㆍ산화막의 막 두께의 측정
Cu 볼의 산화막의 막 두께는, 이하의 장치 및 조건에서 측정되었다. 또한, 산화막 두께 측정값은 SiO2 환산에 의해 구하였다.
측정 장치 : ULVAC-PHI, INC.제 주사형 FE 오거 전자 분광 분석 장치
측정 조건 : Beam Voltage : 10㎸, 시료 전류 : 10㎁(Ar 이온 총을 사용한 스퍼터 깊이의 측정법은, ISO/TR 15969에 준거.)
ㆍ얼라인먼트성의 평가
땜납 범프가 형성된 30개의 전극 모두가 광학 현미경에 의해 40배로 촬영되었다. 도 4는, 본 발명의 Cu 볼(11)이 탑재된 땜납 범프(10)의 광학 현미경 사진이다. 도 5는, 비교예의 Cu 볼(21)이 탑재된 땜납 범프(20)의 광학 현미경 사진이다. 이들의 사진은, 땜납 페이스트(12, 22)가 인쇄된 전극(13, 23)에 Cu 볼(11, 21)이 탑재된 상태를, Cu 볼(11, 21)측으로부터 촬영한 사진이다. 사진의 배율은 40배이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 Cu 볼(11)은 전극(13)의 중앙에 탑재되어 있어, 위치 어긋남이 발생하고 있지 않다. 한편, 도 5에 나타내는 바와 같이, 비교예의 Cu 볼(21)은 전극(23)으로부터 밀려 나와 있어, 위치 어긋남이 발생하고 있다. 본 실시예에서는, Cu 볼(21)이 전극(23)으로부터 조금이라도 밀려 나와 있는 것을, 위치 어긋남이 발생한 것으로서 취급하였다. 그리고, Cu 볼의 위치 어긋남이 발생하고 있는 개수에 의해 얼라인먼트성이 평가되었다.
○ : 30개 모두에 있어서 위치 어긋남이 발생하지 않았다.
× : 1개 이상 위치 어긋남이 발생하였다.
ㆍ위치 어긋남 평균의 측정
전극의 중심과 리플로우 후 Cu 볼의 중심 사이의 거리는, KEYENCE제 VH-S30을 사용한 원심간 거리 측정에 의해, 30개의 땜납 범프에 대해 측정되었다. 30개의 측정 결과의 평균이 위치 어긋남 평균이다. 본 실시예에서는, 위치 어긋남 평균이 30㎛ 이하이면, 실장시에 우수한 얼라인먼트성을 갖는 것으로 하였다.
실시예 2∼6 및 비교예 1∼4
실시예 2∼6 및 비교예 1∼4에서는, 표 2에 나타내는 보관 조건에서 보관한 후의 Cu 볼에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 평가가 행해졌다. 결과가 표 2에 나타내어진다.
또한, 표 2 중, 「실온」이라 함은 20℃이다. 또한, 「실온」 및 「200℃」에서 측정이 행해졌을 때의 습도는 모두 50%이다.
표 2에 나타내는 바와 같이, L*값이 55 이상을 나타내는 실시예 1∼6에서는 얼라인먼트성이 모두 ○이며, 위치 어긋남 평균이 모두 30㎛ 이하였다. 한편, L*값이 55 미만을 나타내는 비교예 1∼4에서는 얼라인먼트성이 ×이며, 위치 어긋남 평균 모두 40㎛를 상회하였다.
도 6은, L*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, L*값이 55 이상이면 산화막의 막 두께가 8㎚ 이하이고, 얼라인먼트성이 ○였다. 그러나, L*값이 55 미만이면 산화막의 막 두께가 8㎚를 상회하고, 얼라인먼트성이 ×였다.
참고로서, Cu 볼의 산화의 정도를 황색도로 판정할 수 있는지 여부가 조사되었다. 도 7은, b*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다. Sn-Ag-Cu계 땜납 볼과 같이, 황색도로는 산화막의 막 두께와의 상관 관계는 나타내어지지 않았다. 이로 인해, Cu 볼은, 황색도를 사용하여 판정할 수 없는 것이 명백해졌다.
또한 Cu 볼의 산화의 정도를 적색도로 판정할 수 있는지 여부에 대해서도 조사되었다. 도 8은, a*값과 산화막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다. 결과는, 적색도에서는 산화막의 막 두께와의 상관 관계는 나타내어지지 않았다. 이로 인해, Cu 볼은, 적색도를 사용하여 판정할 수 없는 것이 명백해졌다.
표 6의 결과에 기초하여, L*값과 탑재된 Cu 볼 위치 어긋남 평균과의 관계가 도면에 나타내어졌다. 도 9는, L*값과 전극에 Cu 볼을 탑재하였을 때의 Cu 볼의 위치 어긋남 평균과의 관계를 나타내는 그래프이다. L*값이 높을수록, Cu 볼의 위치 어긋남 평균은 작은 값을 나타냈다. 이로 인해, L*값과 전극에 Cu 볼을 탑재하였을 때의 Cu 볼의 위치 어긋남에 상관 관계가 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, L*값이 55 이상에서는, 적어도 위치 어긋남 평균은 30㎛ 이하인 것이 명백해졌다.
도 6 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 Cu 볼은, L*값에 의해 Cu 볼의 산화의 정도를 판정 가능한 것이 명백해졌다.
Claims (3)
- 각 Cu 볼은, 순도가 99.9% 이상 99.995% 이하이고, 진구도가 0.95 이상이고, 직경이 1∼1000㎛이고, 55 이상의 명도를 나타내는 것을 특징으로 하는, 전극에 접합되는 얼라인먼트성이 우수한 Cu 볼.
- 제1항에 있어서, 표면의 산화막의 막 두께가 8㎚ 이하인, Cu 볼.
- 제1항 또는 제2항에 기재된 Cu 볼을 사용하여 얻은 땜납 조인트.
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