KR20170042372A - Cu 칼럼, Cu 핵 칼럼, 납땜 조인트 및 실리콘 관통 전극 - Google Patents

Cu 칼럼, Cu 핵 칼럼, 납땜 조인트 및 실리콘 관통 전극 Download PDF

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KR20170042372A
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히로요시 가와사키
다카히로 롭폰기
다이스케 소마
이사무 사토
유지 가와마타
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센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
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Abstract

비커스 경도가 낮고, 또한 산술 평균 조도가 작은 Cu 칼럼, Cu 핵 칼럼, 납땜 조인트 및 실리콘 관통 전극을 제공한다. 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)은, 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하이고, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이고, 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이다. Cu 칼럼(1)은, 솔더링의 온도에서 용융되지 않고, 일정한 스탠드 오프 높이(기판 사이의 공간)를 확보할 수 있으므로, 3차원 실장이나 협피치 실장에 적합하게 사용된다.

Description

Cu 칼럼, Cu 핵 칼럼, 납땜 조인트 및 실리콘 관통 전극 {Cu COLUMN, Cu NUCLEAR COLUMN, SOLDER JOINT, AND THROUGH-SILICON VIA}
본 발명은, Cu 칼럼, Cu 핵 칼럼, 납땜 조인트 및 실리콘 관통 전극에 관한 것이다.
최근, 소형 정보 기기의 발달에 의해, 탑재되는 전자 부품에서는 급속한 소형화가 진행되고 있다. 전자 부품은, 소형화의 요구에 의해 접속 단자의 협소화나 실장 면적의 축소화에 대응하기 위해, 이면에 전극이 설치된 볼 그리드 어레이(이하, 「BGA」라고 칭함)가 적용되어 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 반도체 패키지는, 가열에 의해 용융된 땜납 범프와 프린트 기판의 도전성 랜드가 접합함으로써, 프린트 기판에 탑재된다. 또한, 더한층의 고밀도 실장의 요구에 대응하기 위해, 반도체 패키지가 높이 방향으로 적층된 3차원 고밀도 실장이 개발되어 있다.
그러나, 3차원 고밀도 실장이 이루어진 반도체 패키지에 BGA를 적용한 경우, 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 볼이 찌부러져 버리는 경우가 있다. 만일 그러한 일이 발생하면, 기판 사이의 적절한 공간을 유지할 수 없게 된다.
따라서, 땜납 페이스트를 사용하여 전자 부품의 전극 상에 Cu 볼을 전기적으로 접합하는 땜납 범프가 검토되고 있다. Cu 볼을 사용하여 형성된 땜납 범프는, 전자 부품이 프린트 기판에 실장될 때, 반도체 패키지의 중량이 땜납 범프에 가해져도, 땜납의 융점에서는 용융되지 않는 Cu 볼에 의해 반도체 패키지를 지지할 수 있다. 따라서, 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 범프가 찌부러지는 일이 없다.
그런데, 상술한 Cu 볼을 사용한 경우에는 이하와 같은 문제가 있었다. Cu 볼에서는, 기판 사이의 스탠드 오프 높이가 Cu 볼의 구경이 되므로, 요구되는 스탠드 오프 높이를 실현하려고 하면 Cu 볼의 횡폭이 커져 버려, 협피치화 실장에 대응할 수 없는 경우가 있었다. 또한, 일반적으로 반도체 패키지에 있어서는, 반도체 칩이 리드 프레임의 다이 패드 전극부에 다이 본드용 땜납 재료를 사용하여 접합된 후, 수지로 밀봉된다. 이 반도체 패키지를 프린트 기판에 실장하는 경우에는, 다이 본드용 땜납 재료와는 상이한 실장용 땜납 재료가 사용되고 있다. 그 이유는, 반도체 패키지를 기판에 실장할 때의 실장용 땜납 재료의 가열 조건에 의해, 다이 본드용 땜납 재료가 녹지 않도록 하기 위해서이다. 이와 같이, 다이 본드용 땜납 재료와 실장용 땜납 재료에 상이한 재료가 사용되는 경우, 각 기판의 열팽창 계수에 차가 발생하므로, 환경 온도 등의 변화에 의해 땜납 범프와의 접합부에 응력(열 스트레스)이 발생해 버려, TCT(온도 사이클 시험) 신뢰성이 저하되어 버리는 경우가 있었다.
그로 인해, 최근에는, 땜납 볼보다 협피치화가 가능하고, 또한 TCT 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능한 Cu 칼럼이 개발되고 있다. 또한, 동일한 피치의 Cu 볼과 Cu 칼럼을 비교한 경우, 볼 형상보다 칼럼 형상의 쪽이 안정적으로 전극 사이를 지지할 수 있으므로, 이 점에서도 Cu 칼럼의 채용이 검토되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 내지 5에는, 구리나 땜납 등으로 이루어지는 기둥상의 칼럼이 기재되어 있다. 특허문헌 6에는, 비커스 경도가 55HV 이하인, 세라믹 기판과 유리 에폭시 기판을 접합하기 위한 구리 칼럼이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 평7-66209호 공보 일본 특허 제3344295호 일본 특허 공개 제2000-232119호 공보 일본 특허 제4404063호 일본 특허 공개 제2009-1474호 공보 일본 특허 공개 제2011-176124호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1 내지 6에 따르면, 협피치화 실장에 대응할 수 있음과 함께 열 스트레스를 억제할 수 있지만, Cu 칼럼의 산술 평균 조도에 대해서는 전혀 개시되어 있지 않다. 그로 인해, 특허문헌 1 내지 6의 Cu 칼럼을 사용한 경우에는, Cu 칼럼을 기판 상에 배열할 때의 Cu 칼럼의 유동성이 저하되어 버리거나, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼과 전극의 밀착성이 저하되어 버리거나 하는 등의 문제가 발생하는 경우가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 비커스 경도가 낮고, 또한 산술 평균 조도가 작은 Cu 칼럼, Cu 핵 칼럼, 납땜 조인트 및 실리콘 관통 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, Cu 칼럼에 대해 선정을 행하였다. Cu 칼럼의 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이며, 또한 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이면 본 발명의 과제 해결을 위한 바람직한 Cu 칼럼 등이 얻어지는 것을 발견하였다.
여기서, 본 발명은 다음과 같다.
(1) 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하이고, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이고, 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하인 Cu 칼럼.
(2) α선량이 0.0200cph/㎠ 이하인 상기 (1)에 기재된 Cu 칼럼.
(3) 상면 및 저면의 직경이 1∼1000㎛이고, 높이가 1∼3000㎛인 기둥체로 이루어지는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 Cu 칼럼.
(4) 플럭스층이 피복되어 있는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 Cu 칼럼.
(5) 이미다졸 화합물을 함유하는 유기 피막이 피복되어 있는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 Cu 칼럼.
(6) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 Cu 칼럼과, 상기 Cu 칼럼을 피복하는 땜납층을 구비하는 Cu 핵 칼럼.
(7) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 Cu 칼럼과, 상기 Cu 칼럼을 피복하는 Ni, Fe 및 Co로부터 선택되는 1원소 이상으로 이루어지는 도금층을 구비하는 Cu 핵 칼럼.
(8) 상기 도금층을 피복하는 땜납층을 더 구비하는 상기 (7)에 기재된 Cu 핵 칼럼.
(9) α선량이 0.0200cph/㎠ 이하인 상기 (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 칼럼.
(10) 플럭스층이 피복되어 있는 상기 (6) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 칼럼.
(11) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 Cu 칼럼을 사용한 납땜 조인트.
(12) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 Cu 칼럼을 사용한 실리콘 관통 전극.
(13) 상기 (6) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 칼럼을 사용한 납땜 조인트.
(14) 상기 (6) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 Cu 핵 칼럼을 사용한 실리콘 관통 전극.
본 발명에 따르면, Cu 칼럼의 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이므로, 내 낙하 충격성을 향상시킬 수 있음과 함께 기판 사이의 적절한 공간을 유지할 수 있다. 또한, Cu 칼럼의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이므로, Cu 칼럼을 기판 상에 배열할 때의 유동성을 향상시킬 수 있음과 함께, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼과 전극의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 Cu 칼럼의 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 관한 Cu 핵 칼럼의 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 어닐링 처리 시에 있어서의 온도와 시간의 관계를 나타내는 도면이다.
본 발명을 이하에 더 상세하게 설명한다. 본 명세서에 있어서, Cu 칼럼의 조성에 관한 단위(ppm, ppb 및 ％)는, 특별히 지정하지 않는 한 Cu 칼럼의 질량에 대한 비율(질량ppm, 질량ppb 및 질량％)을 나타낸다.
도 1에 도시하는 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)은, 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하이고, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이고, 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이다. Cu 칼럼(1)은, 예를 들어 원기둥 형상으로 이루어진다. Cu 칼럼(1)은, 솔더링의 온도에서 용융되지 않고, 일정한 스탠드 오프 높이(기판 사이의 공간)를 확보할 수 있으므로, 3차원 실장이나 협피치 실장에 적합하게 사용할 수 있다.
·Cu 칼럼의 산술 평균 조도: 0.3㎛ 이하
Cu 칼럼(1)의 산술 평균 조도는 0.3㎛ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.2㎛ 이하이다. Cu 칼럼(1)의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하인 경우, Cu 칼럼(1)의 결정립의 크기도 작아지므로, Cu 칼럼(1)의 표면을 더 매끄러운 모양(평탄)으로 할 수 있다. 이에 의해, Cu 칼럼(1)을 마운터 등에 의해 기판 상에 배열할 때의 Cu 칼럼(1)의 유동성을 향상시킬 수 있음과 함께, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼(1)과 기판 상의 전극의 밀착성의 향상을 도모할 수도 있다.
·비커스 경도 20HV 이상 60HV 이하
본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)의 비커스 경도는, 60HV 이하인 것이 바람직하다. 비커스 경도가 60HV 이하인 경우, 외부로부터의 응력에 대한 내구성이 높아져, 내 낙하 충격성이 향상됨과 함께 크랙이 발생하기 어려워지기 때문이다. 또한, 3차원 실장의 범프나 조인트의 형성 시에 가압 등의 보조력을 부여한 경우에 있어서, 유연성이 높은 Cu 칼럼(1)을 사용함으로써, 전극 찌부러짐 등을 야기시킬 가능성을 저하시킬 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)의 비커스 경도는, 적어도 일반적인 땜납의 비커스 경도 10∼20HV보다 큰 값인 것이 필요하고, 바람직하게는 20HV 이상이다. Cu 칼럼(1)의 비커스 경도가 20HV 이상인 경우, 3차원 실장에 있어서 반도체 칩 등의 자중에 의한 Cu 칼럼(1) 자체의 변형(찌부러짐)을 방지하여, 기판 사이의 적절한 공간(스탠드 오프 높이)을 유지할 수 있다. 또한, Cu 필러 등과 같이, 도금 공정이 불필요하므로, Cu 칼럼(1)의 비커스 경도를 20HV 이상으로 함으로써 전극 등의 협피치화를 실현할 수 있다.
본 실시예에서는, Cu 칼럼(1)을 제조한 후, 제조한 Cu 칼럼(1)의 결정 성장을 촉진시킴으로써 비커스 경도가 60HV 이하로 되는 Cu 칼럼(1)을 제조한다. Cu 칼럼(1)의 결정 성장을 촉진시키는 수단으로서는, 예를 들어 어닐링 처리를 들 수 있다. 제조 후의 Cu 칼럼(1)을 어닐링 처리하면, Cu 조직이 재결정화되어 결정립이 성장함으로써, Cu 칼럼(1)의 유연성이 향상된다. 한편, 불순물을 일정량 함유한 Cu 칼럼(1), 예를 들어 순도가 3N, 4N, 4N5인 Cu 칼럼(1)을 사용하는 경우에는, 함유한 불순물이 Cu 칼럼(1) 표면에 있어서 결정립의 과도한 성장을 억제하므로 결정립은 일정값 이하의 크기로 억제된다. 이에 의해, 저비커스 경도이며, 또한 저산술 평균 조도의 2가지의 조건을 양립한 Cu 칼럼을 제공할 수 있다.
·U: 5ppb 이하, Th: 5ppb 이하
U 및 Th는 방사성 원소이며, 소프트 에러를 억제하기 위해서는 이들의 함유량을 억제할 필요가 있다. U 및 Th의 함유량은, Cu 칼럼(1)의 α선량을 0.0200cph/㎠ 이하로 하기 위해, 각각 5ppb 이하로 할 필요가 있다. 또한, 현재 또는 장래의 고밀도 실장에서의 소프트 에러를 억제하는 관점에서, U 및 Th의 함유량은, 바람직하게는 각각 2ppb 이하이다.
·Cu 칼럼의 순도: 99.9％ 이상 99.995％ 이하
본 발명을 구성하는 Cu 칼럼(1)은 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하인 것이 바람직하다. Cu 칼럼(1)의 순도가 이 범위이면, 충분한 양의 불순물 원소의 결정 핵을 Cu 중에 확보할 수 있으므로, Cu 칼럼(1)의 산술 평균 조도를 작게 할 수 있다. 한편, 불순물 원소가 적으면, 상대적으로 결정 핵으로 되는 것이 적고, 입성장이 억제되지 않고 어느 방향성을 갖고 성장하므로, Cu 칼럼(1)의 산술 평균 조도가 커져 버린다. Cu 칼럼(1)의 순도의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, α선량을 억제하고, 순도의 저하에 의한 Cu 칼럼(1)의 전기 전도도나 열전도율의 열화를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 99.9％ 이상이다. 불순물 원소로서는, Sn, Sb, Bi, Zn, As, Ag, Cd, Ni, Pb, Au, P, S, In, Co, Fe, U, Th 등을 들 수 있다.
·α선량: 0.0200cph/㎠ 이하
본 발명을 구성하는 Cu 칼럼(1)의 α선량은, 0.0200cph/㎠ 이하이다. 이것은, 전자 부품의 고밀도 실장에 있어서 소프트 에러가 문제로 되지 않을 정도의 α선량이다. α선량은, 더한층의 고밀도 실장에서의 소프트 에러를 억제하는 관점에서, 더욱 바람직하게는 0.0010cph/㎠ 이하이다.
·불순물 원소의 함유량이 합계로 1ppm 이상
본 발명을 구성하는 Cu 칼럼(1)은, 불순물 원소로서 Sn, Sb, Bi, Zn, As, Ag, Cd, Ni, Pb, Au, P, S, In, Co, Fe, U, Th 등을 함유하지만, 불순물 원소의 함유량이 합계로 1ppm 이상 함유한다. 또한, 불순물 원소인 Pb 및 Bi의 함유량은, 최대한 낮은 쪽이 바람직하다.
·Cu 칼럼의 상면 및 저면의 직경: 1∼1000㎛, Cu 칼럼의 높이: 1∼3000㎛
본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)의 상면 및 저면의 직경 φ는 1∼1000㎛인 것이 바람직하고, 특히 파인 피치에 사용하는 경우는 1∼300μ가 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1∼200㎛이고, 가장 바람직한 것은 1∼100㎛이다. 그리고, Cu 칼럼(1)의 높이 L은 1∼3000㎛인 것이 바람직하고, 특히 파인 피치에 사용하는 경우는 1∼300μ가 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1∼200㎛이고, 가장 바람직한 것은 1∼100㎛이다(도 1 참조). Cu 칼럼(1)의 직경 φ 및 높이 L이 상기 범위인 경우, 단자 사이를 협피치로 한 실장이 가능해지므로, 접속 단락을 억제할 수 있음과 함께 반도체 패키지의 소형화 및 고집적화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)의 최표면의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되도록, 땜납 도금층이나 Ni 도금층, Fe 도금층, Co 도금층, 이미다졸 화합물을 함유하는 유기 피막층을, Cu 칼럼(1)의 최표면에 피복해도 된다. 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)에 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되는 최표면층을 형성하면, 마운터 등에 의해 기판 상에 배열할 때의 Cu 칼럼(1)의 유동성을 향상시켜, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼(1)과 기판 상의 전극의 밀착성의 향상을 도모할 수 있음과 함께, Cu 칼럼(1) 자체의 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이므로, Cu 칼럼(1) 실장 후의 내 낙하 충격성을 향상시켜, 기판 사이의 적절한 공간을 유지한다고 하는 본원의 과제 해결을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1) 또는 Cu 핵 칼럼의 최표면을 플럭스층으로 피복하는 경우는, 플럭스층은 땜납층이나 Ni 도금층에 비해 연성이 있으므로, 유동성에 크게 영향을 미치지 않고, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼(1)과 기판 상의 전극의 밀착성에 대해서도, 플럭스층이 전극에 압박 접촉되었을 때, 플럭스층은 변형되므로, 플럭스층의 산술 평균 조도가 아니라, Cu 칼럼(1) 또는 Cu 핵 칼럼 자체의 산술 평균 조도가 관계된다. 따라서, 플럭스로 피복한 Cu 칼럼(1), 또는 Cu 핵 칼럼의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이면, 플럭스층으로 피복한 Cu 칼럼(1), 또는 Cu 핵 칼럼의 산술 평균 조도가 0.3㎛를 초과하고 있었다고 해도, 기판 상에 배열할 때의 Cu 칼럼(1)의 유동성은 그다지 악화되는 일이 없어, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼(1)과 기판 상의 전극의 밀착성의 향상을 도모할 수 있음과 함께, Cu 칼럼(1) 자체의 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이므로, Cu 칼럼(1) 실장 후의 내 낙하 충격성을 향상시켜, 기판 사이의 적절한 공간을 유지한다고 하는 본원의 과제 해결을 달성할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)의 표면을 단일의 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속층에 의해 피복함으로써, Cu 칼럼(1) 및 금속층으로 이루어지는 Cu 핵 칼럼을 구성할 수 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, Cu 핵 칼럼(3)은, Cu 칼럼(1)과, 이 Cu 칼럼(1)의 표면을 피복하는 땜납층(2)(금속층)을 구비하고 있다. 땜납층(2)의 조성은, 합금의 경우, Sn을 주성분으로 하는 납땜 합금의 합금 조성이면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 땜납층(2)으로서는, Sn 도금 피막이어도 된다. 예를 들어, Sn, Sn-Ag 합금, Sn-Cu 합금, Sn-Ag-Cu 합금, Sn-In 합금 및 이들에 소정의 합금 원소를 첨가한 것을 들 수 있다. 모두 Sn의 함유량이 40질량％ 이상이다. 또한, 특히 α선량을 지정하지 않는 경우에는, 땜납층(2)으로서, Sn-Bi 합금, Sn-Pb 합금도 사용할 수 있다. 첨가하는 합금 원소로서는, 예를 들어 Ag, Cu, In, Ni, Co, Sb, Ge, P, Fe 등이 있다. 이들 중에서도, 땜납층(2)의 합금 조성은, 낙하 충격 특성의 관점에서, 바람직하게는 Sn-3Ag-0.5Cu 합금이다. 땜납층(2)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 편측에서 100㎛ 이하이면 충분하다. 일반적으로는 편측에서 20∼50㎛이면 된다.
또한, Cu 핵 칼럼에 있어서, Cu 칼럼(1)의 표면과 땜납층(2) 사이에 미리 Ni 도금층, Fe 도금층이나 Co 도금층 등을 형성할 수 있다. 이에 의해, 전극에의 접합 시에 있어서 땜납 중으로의 Cu의 확산을 저감시킬 수 있어, Cu 칼럼(1)의 Cu 용해를 억제할 수 있다. Ni 도금층, Fe 도금층이나 Co 도금층 등의 막 두께는 일반적으로는 편측 0.1∼20㎛이다.
또한, 상술한 Cu 핵 칼럼에 있어서, 땜납층(2)의 U 및 Th의 함유량은, Cu 핵 칼럼의 α선량을 0.0200cph/㎠ 이하로 하기 위해, 각각 5ppb 이하이다. 또한, 현재 또는 장래의 고밀도 실장에서의 소프트 에러를 억제하는 관점에서, U 및 Th의 함유량은, 바람직하게는 각각 2ppb 이하이다.
본 발명에 관한 Cu 핵 칼럼은, Cu 칼럼(1)과, 이 Cu 칼럼(1)을 피복하는 Ni, Fe 및 Co로부터 선택되는 1원소 이상으로 이루어지는 도금층(금속층)에 의해 구성할 수도 있다. 또한, Cu 핵 칼럼을 구성하는 도금층의 표면에, 땜납층을 피복해도 된다. 땜납층은, 상술한 땜납층과 마찬가지의 것을 채용할 수 있다.
본 발명에 관한 Cu 칼럼(1) 또는 Cu 핵 칼럼(3)은, 전극 사이를 접합하는 납땜 조인트의 형성에 사용할 수도 있다. 본 예에서는, 예를 들어 땜납 범프를 프린트 기판의 전극 상에 실장한 구조를 납땜 조인트라고 칭한다. 땜납 범프라 함은, 반도체 칩의 전극 상에 Cu 칼럼(1)이 실장된 구조이다.
또한, 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1) 또는 Cu 핵 칼럼(3)은, 적층되는 반도체 칩 사이의 전극을 접속하기 위한 실리콘 관통 전극(through-silicon via: TSV)에 사용할 수도 있다. TSV는, 실리콘에 에칭에 의해 구멍을 뚫어, 구멍 중에 절연층, 그 위로부터 관통 도전체의 순으로 형성하고, 실리콘의 상하면을 연마하여, 관통 도전체를 상하면에서 노출시켜 제조된다. 이 공정 중 관통 도전체는, 종래, Cu 등을 도금법에 의해 구멍 중에 충전하여 형성하는 방법이 채용되어 있지만, 이 방법에서는, 실리콘 전체면을 도금액에 침지시키기 때문에, 불순물의 흡착이나 흡습의 우려가 있다. 따라서 본 발명의 칼럼을 직접 실리콘에 형성된 구멍에 높이 방향으로 삽입하여, 관통 도전체로서 사용할 수 있다. Cu 칼럼(1)을 실리콘에 삽입할 때에는, 땜납 페이스트 등의 땜납 재료에 의해 접합하도록 해도 되고, 또한 Cu 핵 칼럼을 실리콘에 삽입할 때에는, 플럭스만으로 접합시킬 수도 있다. 이에 의해 불순물의 흡착이나 흡습 등의 불량을 방지할 수 있고, 도금 공정을 생략함으로써, 제조 비용이나 제조 시간도 삭감할 수 있다.
또한, 상술한 Cu 칼럼(1)이나 Cu 핵 칼럼의 최표면을 플럭스층에 의해 피복해도 된다. 상술한 플럭스층은, Cu 칼럼(1)이나 땜납층 등의 금속 표면의 산화를 방지함과 함께 솔더링 시에 금속 산화막의 제거를 행하는 활성제로서 작용하는 화합물을 포함하는 1종류 혹은 복수 종류의 성분에 의해 구성된다. 예를 들어, 플럭스층은, 활성제로서 작용하는 화합물과, 활성 보조제로서 작용하는 화합물 등으로 이루어지는 복수의 성분에 의해 구성되어 있어도 된다.
플럭스층을 구성하는 활성제로서는, 본 발명에서 요구되는 특성에 따라서 아민, 유기산, 할로겐 중 어느 하나, 복수의 아민의 조합, 복수의 유기산의 조합, 복수의 할로겐의 조합, 단일 혹은 복수의 아민, 유기산, 할로겐의 조합이 첨가된다.
플럭스층을 구성하는 활성 보조제로서는, 활성제의 특성에 따라서 에스테르, 아미드, 아미노산 중 어느 하나, 복수의 에스테르의 조합, 복수의 아미드의 조합, 복수의 아미노산의 조합, 단일 혹은 복수의 에스테르, 아미드, 아미노산의 조합이 첨가된다.
또한, 플럭스층은, 활성제로서 작용하는 화합물 등을, 리플로우 시의 열로부터 보호하기 위해, 로진이나 수지를 포함하는 것이어도 된다. 또한, 플럭스층은, 활성제로서 작용하는 화합물 등을, 땜납층에 고착시키는 수지를 포함하는 것이어도 된다.
플럭스층은, 단일 혹은 복수의 화합물로 이루어지는 단일층으로 구성되어도 된다. 또한, 플럭스층은, 복수의 화합물로 이루어지는 복수의 층으로 구성되어도 된다. 플럭스층을 구성하는 성분은, 고체의 상태로 땜납층의 표면에 부착되지만, 플럭스를 땜납층에 부착시키는 공정에서는, 플럭스가 액상 또는 가스상으로 되어 있을 필요가 있다.
이로 인해, 플럭스층을 구성하는 성분은, 용액으로 코팅하기 위해서는 용제에 가용일 필요가 있지만, 예를 들어 염을 형성하면, 용제 중에서 불용이 되는 성분이 존재한다. 액상의 플럭스 중에서 불용이 되는 성분이 존재함으로써, 침전물이 형성되는 등의 난 용해성 성분을 포함하는 플럭스에서는, 균일한 흡착이 곤란해진다. 이로 인해, 종래, 염을 형성하는 화합물을 혼합하여, 액상의 플럭스를 구성할 수는 없다.
이에 대해, 본 발명의 플럭스층을 구비한 Cu 칼럼(1)이나 Cu 핵 칼럼에서는, 1층씩 플럭스층을 형성하여 고체의 상태로 하고, 다층의 플럭스층을 형성할 수 있다. 이에 의해, 염을 형성하는 화합물을 사용하는 경우이며, 액상의 플럭스에서는 혼합할 수 없는 성분이라도, 플럭스층을 형성할 수 있다.
산화되기 쉬운 Cu 칼럼(1)이나 Cu 핵 칼럼의 표면이, 활성제로서 작용하는 플럭스층으로 피복됨으로써, 보관 시 등에, Cu 칼럼(1)의 표면 및 Cu 핵 칼럼의 땜납층 또는 금속층의 표면의 산화를 억제할 수 있다.
여기서, 플럭스와 금속의 색은 일반적으로 상이하고, Cu 칼럼(1) 등과 플럭스층의 색도 상이하므로, 색채도, 예를 들어 명도, 황색도, 적색도로 플럭스의 흡착량을 확인할 수 있다. 또한, 착색을 목적으로, 플럭스층을 구성하는 화합물에 색소를 혼합해도 된다.
상술한 Cu 칼럼(1)을 이미다졸 화합물을 함유하는 유기 피막에 의해 피복해도 된다. 이에 의해, Cu 칼럼(1)의 최표면의 Cu층과 이미다졸 화합물이 결합함으로써, Cu 칼럼(1)의 표면에 OSP 피막(이미다졸 구리 착체)이 형성되어, Cu 칼럼(1)의 표면이 산화되는 것을 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 관한 Cu 칼럼(1)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 재료가 되는 구리선을 준비하고, 준비한 구리선을 다이스를 통과시킴으로써 늘이고, 그 후, 절단기에 의해 소정의 길이로 구리선을 절단한다. 이와 같이 하여, 원기둥 형상으로 이루어지는 소정의 직경 φ 및 소정의 길이(높이 L)의 Cu 칼럼(1)을 제작한다. 또한, Cu 칼럼(1)의 제조 방법은, 본 실시 형태에 한정되는 일 없이, 다른 공지의 방법을 채용해도 된다.
본 실시예에서는, 저산술 평균 조도 및 저비커스 경도의 Cu 칼럼(1)을 얻기 위해, 제작한 Cu 칼럼(1)에 대해 어닐링 처리를 실시한다. 어닐링 처리에서는, 어닐링 가능한 700℃에서 Cu 칼럼(1)을 소정 시간 가열하고, 그 후, 가열한 Cu 칼럼(1)을 긴 시간에 걸쳐 서랭한다. 이에 의해, Cu 칼럼(1)의 재결정을 행할 수 있어, 완만한 결정 성장을 촉진할 수 있다. 한편, Cu 칼럼(1)에 함유되는 불순물 원소가 결정립의 과도한 성장을 억제하므로, Cu 칼럼(1)의 극도의 산술 평균 조도의 저하는 일어나지 않는다.
본 실시 형태에 따르면, Cu 칼럼(1)의 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하이므로, 내 낙하 충격성을 향상시킬 수 있음과 함께 기판 사이의 적절한 공간을 유지할 수 있다. 또한, Cu 칼럼(1)의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이므로, Cu 칼럼(1)을 기판 상에 배열할 때의 유동성을 향상시킬 수 있음과 함께, 실장 시에 있어서의 Cu 칼럼(1)과 전극의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하에 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 이하에 나타내는 실시예에서는, 순도가 상이한 복수의 구리선을 사용하여 복수의 Cu 칼럼을 제작하고, 이들 제작한 각 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 측정하였다.
·Cu 칼럼의 제작
순도가 99.9％, 99.99％, 99.995％인 구리선을 준비하였다. 다음으로, 이들 구리선을 다이스를 통과시킴으로써, 상면 및 저면의 직경 φ이 200㎛로 되도록 구리선을 늘이고, 그 후, 200㎛의 길이(높이 L)가 되는 위치에서 구리선을 절단함으로써, 목적으로 하는 Cu 칼럼을 제작하였다.
·산술 평균 조도
Cu 칼럼의 산술 평균 조도의 평가(화상 평가)는, KEYENCE사 제조의 레이저 현미경(형식 번호 VK-9510/JISB0601-1994 대응)을 사용하여 행하였다. 본 실시예에서는, Cu 칼럼의 상면의 가장 평탄한 부분을 중심으로 하여, 10×10㎛의 범위에서 측정하였다. Cu 칼럼의 z축 상(높이 방향)에 있어서의 측정 피치는 0.01㎛이다. 이러한 조건에서 Cu 칼럼의 산술 평균 조도 Ra로서, 임의의 10개소의 산술 평균 조도 Ra를 측정하고, 그것들의 산술 평균을 실제의 산술 평균 조도로서 사용하였다.
또한, 산술 평균 조도 Ra는, Cu 칼럼의 저면이나 주위면을 측정해도 되고, Cu 칼럼의 상면, 저면 및 주위면의 각 측정값을 평균한 값을 측정값으로서 사용해도 된다. 또한, 상기 예에서는, Cu 칼럼의 표면을 평탄화하기 위해 초음파를 이용하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, Cu 칼럼의 표면을 가볍게 용해하여 평활화 가공을 촉진하는 용해성 액체에 Cu 칼럼을 침지시킬 수도 있다. 액체로서는, 술폰산계(메탄 술폰산 등)나 카르복실산계(옥살산 등)의 산성 용액을 사용할 수 있다.
·비커스 경도
Cu 칼럼의 비커스 경도는, 「비커스 경도 시험-시험 방법 JIS Z2244」에 준하여 측정하였다. 장치는, 아카시 세이사쿠쇼 제조의 마이크로비커스 경도 시험기, AKASHI 미소 경도계 MVK-F 12001-Q를 사용하였다.
·α선량
α선량의 측정 방법은 이하와 같다. α선량의 측정에는 가스 플로우 비례 계수기의 α선 측정 장치를 사용하였다. 측정 샘플은 300㎜×300㎜의 평면 깊이가 얕은 용기에 Cu 칼럼을 용기의 바닥이 보이지 않게 될 때까지 깐 것이다. 이 측정 샘플을 α선 측정 장치 내에 넣고, PR-10 가스 플로우에서 24시간 방치한 후, α선량을 측정하였다.
또한, 측정에 사용한 PR-10 가스(아르곤 90％－메탄 10％)는, PR-10 가스를 가스 봄베에 충전하고 나서 3주일 이상 경과한 것이다. 3주일 이상 경과한 봄베를 사용한 것은, 가스 봄베에 진입하는 대기 중의 라돈에 의해 α선이 발생하지 않도록, JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)에서 정해진 JEDEC STANDARD-Alpha Radiation Measurement in Electronic Materials JESD221에 따랐기 때문이다.
·실시예 1
순도 99.9％의 구리선을 사용하여 제조한 Cu 칼럼을 카본제 배트에 넣은 후, 이 배트를 연속 컨베이어식 전기 저항 가열로에 반입하여 어닐링 처리를 행하였다. 이때의 어닐링 조건을 도 3에 나타낸다. 또한, 노 내는, Cu 칼럼의 산화를 방지하기 위해 질소 가스 분위기로 하였다. 실온은 25℃로 하였다.
어닐링 조건으로서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 실온으로부터 700℃로 가열하는 승온 시간을 60분간으로 하고, 700℃에서 유지하는 유지 시간을 60분간으로 하고, 700℃로부터 실온으로 냉각하는 냉각 시간을 120분간으로 하였다. 노 내의 냉각은, 노 내에 설치한 냉각 팬을 사용하여 행하였다. 다음으로, 어닐링 처리가 실시된 Cu 칼럼을 희황산에 침지시킴으로써 산 처리를 행하였다. 이것은, 어닐링 처리에 의해 Cu 칼럼 표면에 형성된 산화막을 제거하기 위해서이다. 이와 같이 하여 얻어진 Cu 칼럼의 어닐링 처리 전후에 있어서의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 하기 표 1에 나타낸다.
·실시예 2
실시예 2에서는, 순도가 99.99％인 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼에 대해 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 어닐링 처리를 행함과 함께 산화막 제거 처리를 행하였다. 그리고, 얻어진 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
실시예 3에서는, 순도가 99.995％인 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼에 대해 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 어닐링 처리를 행함과 함께 산화막 제거 처리를 행하였다. 그리고, 얻어진 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
·비교예 1
비교예 1에서는, 순도가 99.9％인 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
·비교예 2
비교예 2에서는, 순도가 99.99％인 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
·비교예 3
비교예 3에서는, 순도가 99.995％인 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
·비교예 4
비교예 4에서는, 순도가 99.995％를 초과하는 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
·비교예 5
비교예 5에서는, 순도가 99.995％를 초과하는 구리선에 의해 제작된 Cu 칼럼에 대해 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 어닐링 처리를 행함과 함께 산화막 제거 처리를 행하였다. 그리고, 얻어진 Cu 칼럼의 비커스 경도, 산술 평균 조도 및 α선량을 측정하였다. 이들의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는 Cu 칼럼의 산술 평균 조도가 0.10㎛가 되고, 실시예 2에서는 Cu 칼럼의 산술 평균 조도가 0.17㎛가 되고, 실시예 3에서는 Cu 칼럼의 산술 평균 조도가 0.28㎛가 되어, 모든 실시예에서 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되었다. 또한, 실시예 1에서는 Cu 칼럼의 비커스 경도가 57.1이 되고, 실시예 2에서는 Cu 칼럼의 비커스 경도가 52.9가 되고, 실시예 3에서는 Cu 칼럼의 비커스 경도가 50.2가 되어, 모든 실시예에서 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하로 되었다. 이들 결과로부터, 제조 시의 Cu 칼럼에 대해 어닐링 처리를 실시함으로써, 저비커스 경도이고 또한 저산술 평균 조도의 양방의 물성을 갖는 Cu 칼럼이 얻어지는 것이 확인되었다.
한편, 어닐링 처리를 Cu 칼럼에 실시하지 않는 비교예 1∼4에서는, Cu 칼럼의 산술 평균 조도에 대해서는 0.3㎛ 이하로 되었지만, 비커스 경도가 60HV 초과로 되어, 비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하에 관한 조건을 만족시키지 않는 것이 확인되었다. 또한, 비교예 5에서는, Cu 칼럼의 비커스 경도는 20HV 이상 60HV 이하의 범위 내로 되었지만, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 초과로 되었다. 이에 의해, 제작 시의 Cu 칼럼에 어닐링 처리를 실시한 경우라도 고순도의 Cu 칼럼을 사용한 경우에는, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하에 관한 조건을 만족시키지 않는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 1∼3의 Cu 칼럼에서는, Cu 칼럼의 α선량이 0.0010cph/㎠ 이하 미만으로 되어, 이것은 <0.0200cph/㎠를 만족시키고, 더욱이 <0.0010cph/㎠를 만족시키는 결과인 것이 확인되었다.
다음으로, 상술한 실시예 1의 어닐링 처리 후의 Cu 칼럼의 표면에 Sn-3Ag-0.5Cu 합금으로 이루어지는 땜납 도금층을 피복하여 Cu 핵 칼럼을 제작하고, 이 Cu 핵 칼럼과 Cu 핵 칼럼 제조 시에 사용한 도금액을 그대로 300cc의 비커에 채취하여 초음파기에 걸어 초음파를 60분간 조사하였다. 초음파기는 시판되고 있는 초음파 세정기(애즈원사 제조 US-CLEANER)를 사용하여, 출력 80W, 40㎑의 주파수에서 행하였다. 60분 경과 후 이온 교환수로 세정하고, 그 후 온풍 건조시켜, 제작한 Cu 핵 칼럼의 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 실시예 1∼3과 마찬가지로, Cu 핵 칼럼의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되었다. 또한, 실시예 1의 Cu 칼럼의 표면에 Ni 도금층을 피복한 Cu 핵 칼럼이나, 실시예 1의 Cu 칼럼의 표면에 Ni 도금층 및 땜납 도금층을 차례로 피복한 Cu 핵 칼럼에 대해서도, 상기한 바와 동일한 조건에서 초음파 처리를 행하여, 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정한바, 실시예 1∼3과 마찬가지로, Cu 핵 칼럼의 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되었다. 또한, 모든 경우에, α선량이 0.0010cph/㎠ 미만으로 되어, 이것은 <0.0200cph/㎠를 만족시키고, 더욱이 <0.0010cph/㎠를 만족시키는 결과인 것이 확인되었다.
또한, 상기 Ni 도금층 대신에, Fe 도금층, Co 도금층을 피복한 경우라도, Ni 도금층을 피복한 Cu 핵 칼럼과 마찬가지로, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되었다. 또한, α선량도 0.0010cph/㎠ 미만으로 되어, 이것은 <0.0200cph/㎠를 만족시키고, 더욱이 <0.0010cph/㎠를 만족시키는 결과인 것이 확인되었다.
다음으로, 상술한 실시예 1의 어닐링 처리 후의 Cu 칼럼의 표면에 플럭스를 피복하여 플럭스 코트 Cu 칼럼을 제작하고, 제작한 플럭스 코트 Cu 칼럼의 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 실시예 1∼3과 마찬가지로, 플럭스 코트 Cu 칼럼에서는, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되었다. 또한, 플럭스 코트 Cu 칼럼에 있어서도, α선량이 0.0010cph/㎠ 미만으로 되어, 이것은 <0.0200cph/㎠를 만족시키고, 더욱이 <0.0010cph/㎠를 만족시키는 결과인 것이 확인되었다.
또한, 상술한 Cu 핵 칼럼의 표면에 플럭스를 피복한 플럭스 코트 Cu 핵 칼럼에 대해서도, 플럭스 코트 Cu 칼럼과 마찬가지로, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되었다. 또한, 플럭스 코트 Cu 핵 칼럼에 있어서도, α선량이 0.0010cph/㎠ 미만으로 되어, 이것은 <0.0200cph/㎠를 만족시키고, 더욱이 <0.0010cph/㎠를 만족시키는 결과인 것이 확인되었다.
별도로, 실시예 1의 어닐링 처리 후의 Cu 칼럼의 표면에 이미다졸 화합물을 함유하는 유기 피막을 피복하여 OSP 처리 Cu 칼럼을 제작하고, 제작한 OSP 처리 Cu 칼럼의 산술 평균 조도 및 α선량을 각각 측정하였다. 실시예 1∼3과 마찬가지로, OSP 처리 Cu 칼럼에서는, 산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하로 되고, α선량이 0.0010cph/㎠ 이하로 되는 것이 확인되었다.
또한, 본 발명의 칼럼은 실시예와 비교예에 있어서, 원기둥상인 것을 언급하였지만, 형상이 원기둥에 한정되는 것은 아니며, 삼각기둥이나 사각기둥 등, 기판에 직접 접하는 상하면이 3변 이상으로 구성되어 있는 기둥체이면 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (14)

  1. 순도가 99.9％ 이상 99.995％ 이하이고,
    산술 평균 조도가 0.3㎛ 이하이고,
    비커스 경도가 20HV 이상 60HV 이하인, Cu 칼럼.
  2. 제1항에 있어서,
    α선량이 0.0200cph/㎠ 이하인, Cu 칼럼.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상면 및 저면의 직경이 1∼1000㎛이고, 높이가 1∼3000㎛인 기둥체로 이루어지는, Cu 칼럼.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    플럭스층이 피복되어 있는, Cu 칼럼.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미다졸 화합물을 함유하는 유기 피막이 피복되어 있는, Cu 칼럼.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 Cu 칼럼과,
    상기 Cu 칼럼을 피복하는 땜납층을 구비하는, Cu 핵 칼럼.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 Cu 칼럼과,
    상기 Cu 칼럼을 피복하는 Ni, Fe 및 Co로부터 선택되는 1원소 이상으로 이루어지는 도금층을 구비하는, Cu 핵 칼럼.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도금층을 피복하는 땜납층을 더 구비하는, Cu 핵 칼럼.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    α선량이 0.0200cph/㎠ 이하인, Cu 핵 칼럼.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    플럭스층이 피복되어 있는, Cu 핵 칼럼.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 Cu 칼럼을 사용한, 납땜 조인트.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 Cu 칼럼을 사용한, 실리콘 관통 전극.
  13. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 Cu 핵 칼럼을 사용한, 납땜 조인트.
  14. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 Cu 핵 칼럼을 사용한, 실리콘 관통 전극.
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