KR20190040951A - 핵재료 및 반도체 패키지 및 범프 전극의 형성 방법 - Google Patents

핵재료 및 반도체 패키지 및 범프 전극의 형성 방법 Download PDF

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KR20190040951A
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plating layer
layer
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도모아키 니시노
시게키 곤도
다카히로 핫토리
히로요시 가와사키
다카히로 롯폰기
다이스케 소마
이사무 사토
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센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
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    • H01L2224/1312—Antimony [Sb] as principal constituent
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    • H01L2224/13117—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 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/13124—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/13138—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
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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
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—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
    • H01L2224/13138—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
    • H01L2224/13139—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
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—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
    • H01L2224/13138—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
    • H01L2224/13144—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
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—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
    • H01L2224/13138—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
    • H01L2224/13147—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
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—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
    • H01L2224/13138—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
    • H01L2224/13149—Manganese [Mn] as principal constituent
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    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—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
    • H01L2224/13138—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
    • H01L2224/13155—Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/13138—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
    • H01L2224/13157—Cobalt [Co] as principal constituent
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Abstract

이 핵재료는 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금을 핵(12)의 표면에 도금 피막한 핵재료에 있어서, 땜납 도금층(16) 중의 Bi는 소정 범위의 농도비로 땜납 도금층 중에 분포하고 있는 핵재료이고, Bi의 농도비는 91.7 내지 106.7％의 소정 범위 내에서 땜납 도금층 중에 분포하고 있는 핵재료이다. 땜납 도금층 중의 Bi는 균질이므로, 땜납 도금층 중의 내주측, 외주측을 포함하여 그 전체 영역에 걸쳐서 Bi 농도비가 소정 범위 내에 있다. 이로 인해, 내주측이 외주측보다 빠르게 용융하고, 내주측과 외주측에서 체적 팽창차가 발생하여 핵재료가 튀어 날아가는 사태는 발생하지 않는다. 또한 땜납 도금층 전체가 거의 균일하게 용융하기 때문에, 용융 타이밍의 어긋남에 의해 발생한다고 생각되는 핵재료의 위치 어긋남은 발생하지 않으므로, 위치 어긋남 등에 수반하는 전극간의 단락 등의 우려는 없다.

Description

핵재료 및 반도체 패키지 및 범프 전극의 형성 방법 {CORE MATERIAL, SEMICONDUCTOR PACKAGE AND BUMP ELECTRODE FORMING METHOD}
본 발명은 핵재료, 이 핵재료를 사용한 땜납 범프를 갖는 반도체 패키지 및 범프 전극의 형성 방법에 관한 것이다.
근년, 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 배치된 볼 그리드 어레이(BGA)가 적용되어 있다.
BGA를 적용한 전자 부품에는, 예를 들어 반도체 패키지가 있다. 반도체 패키지는 전극을 갖는 반도체 칩이 수지에 의해 밀봉되어 구성되어 있다. 반도체 칩의 전극에는 땜납 범프가 형성되어 있다. 땜납 범프는 땜납 볼을 반도체 칩의 전극에 접합함으로써 형성되어 있다. BGA를 적용한 반도체 패키지는 가열에 의해 용융한 땜납 범프와 프린트 기판의 도전성 랜드가 접합함으로써 프린트 기판에 탑재된다. 근년에는, 가일층의 고밀도 실장의 요구에 대응하기 위해, 반도체 패키지가 높이 방향으로 적층된 3차원 고밀도 실장도 개발되어 있다.
3차원 고밀도 실장이 이루어진 반도체 패키지가 BGA이며, 반도체 칩의 전극 상에 땜납 볼을 적재하여 리플로우 처리한 경우, 반도체 패키지의 자중에 의해 땜납 볼이 찌부러져 버리는 경우가 있다. 만약 그와 같은 것이 일어나면, 땜납이 전극으로부터 비어져 나와 전극간끼리가 접촉하여 전극간의 단락이 발생할 우려가 있다.
이와 같은 단락 사고를 방지하기 위해, 땜납 볼로서 자중에 의해 찌부러지거나, 땜납 용융 시에 변형되거나 하지 않는 땜납 범프가 제안되어 있다. 구체적으로는, 금속이나 수지로 성형된 볼을 핵으로서 사용하고, 이 핵을 땜납으로 피복한 핵재료를 땜납 범프로서 사용하는 것이 제안되어 있다.
핵을 피복하는 땜납 도금층으로서는, Sn을 주성분으로 하는 납 프리 땜납이 사용되는 경우가 많다. 적합한 예로서는, Sn과 Bi를 포함하는 Sn계 땜납 합금을 들 수 있다(특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1에 개시된 핵재료는 금속으로서 Cu 볼을 사용하고, 이것을 핵으로 하고 그 표면에 Sn과 Bi를 포함하는 Sn계 땜납 합금을 땜납 도금층으로서 형성한 것이다. Bi를 함유한 Sn계 땜납 합금은 그 용융 온도가 130 내지 140℃와 비교적 저온이기 때문에, 반도체 패키지에 부여하는 열적 스트레스가 적은 등의 이유로부터 도금 조성으로서 사용되어 있다.
특허문헌 1에서는 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 함유량은 내측(내주측)이 엷고, 외측(외주측)을 향해 짙어지는 농도 구배로 도금 처리되어 있다.
특허문헌 2도 특허문헌 1과 동일한 이유로부터 Cu 볼을 핵으로서 사용하고, 이것에 Sn과 Bi를 포함하는 Sn계 땜납 합금을 도금 피막한 땜납 범프가 개시되어 있다. 특허문헌 2에 있어서의 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 함유량은 내측(내주측)이 짙고, 외측(외주측)을 향해 엷어지는 농도 구배로 도금 처리되어 있다.
특허문헌 2의 기술은 특허문헌 1과는 완전히 반대의 농도 구배가 되어 있다. 이것은, 특허문헌 2에 의한 농도 제어의 쪽이, 특허문헌 1에 의한 경우보다도 간단하고, 만들기 쉽기 때문이라고 생각된다.
일본 특허 공개 제2007-44718호 공보 일본 특허 제5367924호 공보
그런데, Sn과 Bi를 포함하는 Sn계 땜납 합금을 Cu 볼의 표면에 도금 피막한 핵재료를 반도체 칩의 전극 상에 적재하여 리플로우 처리한 경우, 특허문헌 1 및 2에서는 이하와 같은 문제를 야기한다.
특허문헌 1에 개시된 기술은 이와 같이 Bi 농도가 내주측에서 엷고, 외주측에서 짙어지는 농도 구배를 가진 땜납 도금층이지만, 이와 같은 농도 구배(내측이 엷고, 외측이 짙은)인 경우에는, Bi 용융의 타이밍이 내주측과 외주측에서 약간 어긋날 우려가 있다.
용융 타이밍에 어긋남이 일어나면, 핵재료의 외표면이 용융하기 시작하고 있어도, 내주면측의 영역에서는 아직 용융이 일어나 있지 않은, 부분 용해가 혼재하게 되고, 그 결과 핵재료는 용융하고 있는 측에 약간 위치 어긋남을 일으킨다. 협피치의 고밀도 실장에서는 이 위치 어긋남에 의한 땜납 처리는 치명적인 결함이 될 우려가 있다.
특허문헌 2는 Bi의 농도 구배가 특허문헌 1과는 반대이다. 이 경우라도, 반도체 패키지를 접속하기 위해서는 리플로우에 의한 가열 처리를 행한다. 특허문헌 2와 같이, 땜납 도금층 중의 Bi 농도가 내주측이 짙고, 외주측이 엷은 상태로 가열 용융하면, 내주측의 Bi 밀도가 높기 때문에, 내주측의 Bi 영역으로부터 땜납이 용융하기 시작한다. 내주측의 Bi 영역이 용융해도 외주측의 Bi 영역은 아직 용융을 시작하고 있지 않으므로, 내주측의 Bi 영역측에서의 체적 팽창이 빠르게 일어난다.
이 체적 팽창의 내외주측에서의 지속에 의해, Bi의 내주측과 외주측(외기)에서 압력차가 발생하고, Bi의 외주측이 용융하기 시작하면, 내주측의 체적 팽창에 의한 압력차로 핵이 되어 있는 Cu 볼이 튀어 날아가는 사태가 발생한다. 이와 같은 사태의 발생은 피해야 한다.
이와 같이 Sn과 Bi를 포함하는 Sn계 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 도금층을 갖는 Cu 핵 볼은 땜납 도금층 중의 Bi에 농도 구배가 있는 경우, 불량이 발생하고 있었다.
그래서, 본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은 특히, 핵 표면에 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금을 전기 도금하여 형성한 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서, 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi는 91.4 내지 106.7％의 소정 범위의 농도비로 땜납 도금층 중에 분포되어 있는 핵재료를 제공하는 것이다. 바꾸어 말하면, Bi의 농도비를 소정 범위 내에 들어가게 함으로써, 땜납 도금층 중의 Bi 농도는 균질(균등)해지고, 땜납 도금층 중의 내층, 중간층 및 외층을 포함하여 그 전체 영역에 걸쳐서 Bi 농도비가 소정 범위 내가 된 핵재료 및 그 핵재료를 사용한 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
단, 핵과 (Sn-Bi)계 땜납 합금의 땜납 도금층 사이에 Ni 도금 등의 하지 도금층이 실시되는 경우에는 하지 도금층을 제외한 땜납 도금층 중에 있어서 Bi가 균질하게 분포되어 있는 핵재료를 제공하는 것이다.
또한, 이와 같은 핵재료를 사용한 범프를 갖는 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
또한, 본원에서 사용하는 Bi 농도비(％)란, 땜납 도금층의 소정 영역에 있어서의, 목표로 하는 Bi 함유량(질량％)에 대한 Bi 계측값(질량％)의 비(％), 혹은 목표로 하는 Bi 함유량(질량％)에 대한 Bi 계측값의 평균의 값(질량％)의 비(％)를 말한다.
또한, 소정 영역에 있어서의 Bi 함유량은 그 소정 영역에 있어서의 Bi 농도라고 바꿔 말할 수도 있으므로, 본원에서 사용하는 Bi 농도비(％)란, 땜납 도금층의 소정 영역에 있어서의, 목표로 하는 Bi 농도에 대한 계측된 Bi 농도의 비(％), 혹은 목표로 하는 Bi 농도에 대한 계측된 Bi 농도의 평균의 비(％)를 말한다.
또한, 땜납 도금층의 Bi 함유량의 계측은 핵재료를 옥소산 등을 사용하여 땜납 도금층을 용해하고, ICP-AES, ICP-MS 등의 공지의 분석 방법을 사용할 수도 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금의 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
상기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
혹은,
농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 91.4 내지 106.7％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 2에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 58질량％의 Bi를 포함하는 (Sn-58Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
상기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
혹은,
농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 91.4 내지 108.6％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다. 여기에, (Sn-58Bi)는 (Sn-58중량％Bi)이다.
청구항 3에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 4O질량％의 Bi를 포함하는 (Sn-40Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
상기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
혹은,
농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 90 내지 107.5％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다. 여기에, (Sn-40Bi)는 (Sn-40중량％Bi)이다.
청구항 4에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 3질량％의 Bi를 포함하는 (Sn-3Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 산화물을 포함하고,
상기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
혹은,
농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 90 내지 106.7％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다. 여기에, (Sn-3Bi)는 (Sn-3중량％Bi)이다.
청구항 5에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 핵재료이며, 상기 핵재료는 상기 핵 표면으로부터 차례로 Ni 및 Co로부터 선택된 1원소 이상의 하지 도금층과 상기 전기 땜납 도금층을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 6에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 핵재료이며, 핵으로서 Cu 볼이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 7에 기재된 본 발명에 관한 핵재료는, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 핵재료이며, 핵으로서 Cu 칼럼이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 핵재료이다.
청구항 8에 기재된 본 발명에 관한 반도체 패키지는, 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 핵재료를 사용한 반도체 패키지인 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 9에 기재된 본 발명에 관한 범프 전극의 형성 방법은, 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료이며,
상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
상기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
혹은,
농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비가 91.4 내지 106.7％의 범위 내로 이루어진 핵재료를 전극 상에 탑재하는 공정과,
탑재한 상기 핵재료를 가열함으로써 범프 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
땜납 도금층 중의 Bi는 도금 두께에 대하여, 그 내주측으로부터 외주측을 향해 및 내주측, 외주측을 포함하여 그 전체 영역에 걸쳐서, 그 농도 분포가 균질이 되도록 처리되어 있다(단, 핵에 Ni 도금 등의 하지 도금층이 실시되는 경우에는, 하지 도금층은 제외함).
Sn계 땜납 합금은 (Sn-Bi)계의 땜납 합금 외에, 다른 첨가 원소를 포함시키는 것이 가능하다. (Sn-Bi)계 땜납 합금에 첨가할 수 있는 원소로서는 Ag, Cu, Ni, Ge, Ga, In, Zn, Fe, Pb, Sb, Au, Pd, Co 등 중에서 1종 혹은 2종 이상의 원소가 있다. 예를 들어, (Sn-Bi-Cu-Ni)계 땜납 합금이나, (Sn-Ag-Cu-Bi)계 땜납 합금 등이 생각된다.
이 핵재료는 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금을 핵의 표면에 전기 땜납 도금에 의해 도금 피막한 핵재료에 있어서, 땜납 도금층 중의 Bi는 소정 범위의 농도비로 땜납 도금층 중에 분포되어 있는 핵재료이고, Bi의 농도비는 91.4 내지 106.7％의 소정 범위 내에서 땜납 도금층 중에 분포되어 있는 핵재료이다. 농도비(％)에 대해서는 후술한다.
본 발명에 관한 핵재료에 의하면, 전기 땜납 도금층 중의 Bi는 균질이므로, 땜납 도금층의 막 두께에 대하여 Bi의 내주측, 외주측을 포함하여 그 전체 영역에 걸쳐서 Bi 농도비가 소정 범위 내에 있다. 이로 인해, 내주측이 외주측보다 빠르게 용융하고, 내주측과 외주측에서 체적 팽창차가 발생하여 핵재료가 튀어 날아가는 사태는 발생하지 않는다.
또한, 전기 땜납 도금층 중의 Bi가 균질이므로, 핵재료의 전체면에 걸쳐서 거의 균일하게 용융하기 때문에, 땜납 도금층 내에서의 용융 타이밍에 시간차가 거의 발생하지 않는다. 그 결과 용융 타이밍의 어긋남에 의해 발생하는 핵재료의 위치 어긋남은 발생하지 않으므로, 위치 어긋남 등에 수반하는 전극간의 단락 등의 우려는 없다. 따라서 이 핵재료를 사용함으로써 고품질의 반도체 패키지를 제공할 수 있다. 여기서, 막 두께는 균일하게 컨트롤할 수 있는 반면, 농도가 불균질이 되어 버리는 전기 땜납 도금의 문제점을, 본 발명에서는 Bi 농도비가 소정의 범위 내에 들어가도록 컨트롤함으로써, 균질의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료를 얻어지도록 한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 Cu 핵 볼의 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 Cu 핵 볼의 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 3은 땜납 도금층 중에서의 Bi 분포 상태를 나타내는 Cu 핵 볼의 구성예를 도시하는 확대 단면도이다.
도 4는 도 3을 더욱 확대한 단면도이다.
도 5는 Sn과 Bi의 분포 상태를 확대하여 도시한 주요부의 단면도이다[전계 방출형 전자선 마이크로 애널라이저(FE-EPMA) 사진].
도 6은 실시예 1에 있어서의 전기 도금 처리에 있어서의 도금액 중의 Bi 농도와, 땜납 도금층 중에 함유하고 있는 Bi 농도의 관계를, Cu 핵 볼 직경을 기준으로 했을 때의 특성 곡선도이다.
도 7은 핵재료의 Bi의 농도 분포를 측정하는 방법의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 8은 실시예 2에 있어서의 전기 도금 처리에 있어서의 도금액 중의 Bi 농도와, 땜납 도금층 중에 함유하고 있는 Bi 농도의 관계를, Cu 핵 볼 직경을 기준으로 했을 때의 특성 곡선도이다.
[실시예 1]
이하에, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
이 발명에서는 Sn과 Bi를 포함하는 Sn계 땜납 합금을 핵 표면에 전기 도금 처리에 의해 도금 피막한 핵재료에 있어서, 땜납 도금층 중의 Bi의 분포가 균질하게 이루어진 핵재료 및 이것을 사용한 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 땜납 도금층의 조성은 Sn과 Bi를 함유하는 (Sn-Bi)계 합금으로 이루어진다. Bi의 함유량에 대해서는, 합금 전체에 대한 Bi양이 0.1 내지 99.9질량％의 범위이면, Bi의 농도비를 91.4 내지 106.7％의 소정 범위 내에서 제어할 수 있고, 땜납 도금층 중의 Bi 분포를 균질하게 할 수 있다.
예를 들어, (Sn-58Bi)계 땜납 합금인 경우, 목표값이 되는 Bi의 분포는 58질량％가 목표값이 되지만, 허용 범위로서는 52질량％(농도비 91.4％) 내지 63질량％(농도비 108.6％)이다.
또한, 허용 범위란, 이 범위 내에 있으면, 문제없이 범프 형성 등의 솔더링을 행할 수 있는 범위를 말한다. 또한, 농도비(％)란 목표로 하는 함유량(질량％)에 대한 계측값(질량％), 혹은 목표로 하는 함유량(질량％)에 계측값의 평균의 값(질량％)의 비(％)를 말한다. 즉, 농도비(％)는,
농도비(％)＝계측값(질량％)/목표로 하는 함유량(질량％)
혹은,
농도비(％)＝계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 함유량(질량％)
으로 하여 나타낼 수 있다.
또한, Sn, Bi를 포함하는 2원의 전기 땜납 도금층 중에는 그 이외의 첨가 원소를 첨가해도, Bi의 농도비를 91.4 내지 106.7％의 소정 범위 내에서 제어할 수 있다.
첨가 원소로서는, Ag, Cu, Ni, Ge, Ga, In, Zn, Fe, Pb, Sb, Au, Pd, Co 등 중 1종 또는 2종 이상 사용하는 것이 생각된다.
핵(코어)으로서는 금속 재료가 사용된다. 핵의 형상은 구체, 그 밖의 형상(주상의 칼럼이나 시트상 등)이 생각된다. 본 예에서는, 구체이며, 핵으로서 특히 Cu로 이루어지는 볼(이하, Cu 볼이라고 함)을 사용한 Cu 핵 볼의 경우에 대하여 설명한다.
Cu 볼의 입경(구경)은 BGA의 사이즈 등에 따라서도 상위하지만, 이하의 예에서는 200㎛φ 정도의 구상이고, 땜납 도금층의 직경 방향의 편측의 두께는 20 내지 100㎛이다. Cu 핵 볼의 입경은 사용하는 전자 부품의 밀도나 사이즈에 따라 적절히 선정되는 것이고, 1 내지 1000㎛의 범위 내의 Cu 볼을 사용할 수 있고, 사용하는 Cu 볼의 입경에 따라 도금 두께가 적절히 선정되는 것이다. 도금 처리를 행하는 도금 장치는 전기 도금 장치가 사용된다.
계속해서, Cu 볼을 사용한 Cu 핵 볼 예를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 관한 Cu 핵 볼(10)의 일례를 도시하는 단면도이다. 설명의 사정상, 도시는 과장하여 그려져 있다.
Cu 핵 볼(10)은 Cu 볼(12)과, 이 예에서는 Ni 하지 도금층(14)을 통해 Sn계 땜납 합금으로 이루어지는 땜납 도금층(16)이 형성되어 있다. Ni 하지 도금층(14)은 Cu 볼(12)과 땜납 도금층(16) 사이에서 금속 확산에 의한 땜납 도금층(16)의 조성 변화를 방지하기 위한 하지 도금의 역할을 담당하는 것이고, 1 내지 4㎛ 정도의 두께이다. 이 Ni 하지 도금층(14)은 필수의 요건은 아니고, 도 2와 같이 Cu 볼(12)의 표면에 직접 땜납 도금층을 형성할 수도 있다. 또한, 하지 도금층(14)을 형성하는 경우, 하지 도금층(14)은 Ni, Co로부터 선택되는 1원소 이상으로 이루어지는 층으로 구성해도 된다.
Cu 볼(12)에서 사용하는 Cu는 순구리여도 되고, 구리의 합금이어도 된다.
Cu를 주성분으로 하는 합금 조성의 Cu 볼(12)을 사용하는 경우에는, 그 순도는 특별히 한정되지 않지만, 순도의 저하에 의한 Cu 핵 볼의 전기 전도도나 열전도율의 열화를 억제하고, 또한 필요에 따라 α선량을 억제하는 관점에서, 99.9질량％ 이상이 바람직하다.
핵으로서는, Cu 이외에도, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물에 의해 구성해도 된다.
Cu 볼(12)은 스탠드 오프 높이를 제어하는 관점에서 진구도가 0.95 이상인 것이 바람직하고, 또한 0.990 이상인 것이 보다 바람직하다. Cu 볼(12)의 진구도가 0.95 미만이면, Cu 볼(12)이 부정 형상이 되기 때문에, 범프 형성 시에 높이가 불균일한 범프가 형성되고, 접합 불량이 발생할 가능성이 높아진다. 또한, Cu 핵 볼(10)을 전극에 탑재하여 리플로우를 행할 때, 진구도가 낮으면 Cu 핵 볼(10)이 위치 어긋남을 일으켜 버려, 셀프 얼라인먼트성도 악화된다.
여기에, 진구도란 진구로부터의 어긋남을 나타낸다. 진구도는, 예를 들어 최소 제곱 중심법(LSC법), 최소 영역 중심법(MZC법), 최대 내접 중심법(MIC법), 최소 외접 중심법(MCC법) 등 다양한 방법으로 구해진다. 상세하게는, 진구도란, 500개의 각 Cu 볼의 직경을 긴 직경으로 나누었을 때에 산출되는 산술 평균값이고, 값이 상한인 1.00에 가까울수록 진구에 가까운 것을 나타낸다. 긴 직경의 길이란, 미츠토요사제의 울트라 퀵비전, ULTRA QV350-PRO 측정 장치에 의해 측정된 길이를 말한다.
땜납 도금층(16)을 포함한 Cu 핵 볼(10) 전체의 직경은 1 내지 1000㎛인 것이 바람직하다. 이 범위에 있으면, 구상의 Cu 핵 볼(10)을 안정적으로 제조할 수 있고, 또한 입경을 선정함으로써 전극 단자 사이가 협피치인 경우의 접속 단락을 억제할 수 있다.
입경이 1 내지 300㎛ 정도인 Cu 핵 볼(10)의 집합체를 「Cu 핵 파우더」라고 호칭하는 경우가 있다. 이 Cu 핵 파우더는 땜납 페이스트 중의 분말용 땜납으로서 배합된 상태로 사용되는 경우가 있다.
땜납 도금층(16)은 땜납 합금이며, 이 예에서는 Sn과 Bi로 이루어진다.
이 경우, 전술한 바와 같이 땜납 도금층(16) 중의 Bi 함유량은 목표값의 58질량％에 대하여 허용 범위로서 53질량％(농도비 91.4％) 내지 63질량％(농도비 108.6％) 정도가 바람직하다.
땜납 도금층(16)의 두께는 Cu 볼(12)의 입경에 따라서도 상위하지만 직경 방향의 편측 100㎛ 이하가 바람직하다. 예를 들어, 입경이 215㎛φ인 Cu 볼(12)일 때는, 50 내지 70㎛의 두께가 되도록 땜납 도금층(16)이 형성된다. 충분한 땜납 접합량을 확보하기 위해서이다.
도금액으로서는, 유기산, 메탄술폰산 Bi 및 계면 활성제의 혼합액이 사용된다. 도금액의 농도는 땜납 도금층 형성 중, 일정해지도록 제어된다.
Sn과 Bi를 포함하는 Sn-Bi계 땜납 합금 조성의 땜납 도금층을 전기 도금으로 형성하는 경우, Bi가 Sn보다 우선되어 땜납 도금층에 도입되기 때문에, 전기 도금액 중의 Bi 농도와 땜납 도금층 중의 Bi양이 일치하지 않는다는 문제가 있고, Bi의 농도 분포가 균질한 땜납 합금 도금층을 형성할 수는 없었다. 그래서 도 6의 조건이 되도록 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 소정의 직류 전압이 인가됨과 함께, Cu 볼을 요동시키면서, 액 중의 Bi 농도가 균일해지도록 조정하여 전기 도금 처리를 행한다.
이 도금 처리에 의한 땜납 도금층(16)의 생성 과정에 대하여 도 6을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 6은 전기 도금 처리에 있어서의 도금액 중의 Bi 농도(곡선 Lb)와, 땜납 도금층(16) 중의 Bi 농도(곡선 La)의 관계를, Cu 핵 볼 직경을 기준으로 했을 때의 특성 곡선도이다.
이 예에서는, Cu 볼의 초기값으로서 입경 215㎛의 것을 사용한 경우이다. 땜납 도금층(16)의 두께를 하나하나 모니터하고, 이 예에서는 땜납 도금층(16)의 두께가 소정값씩 순차 증가했을 때의 Cu 핵 볼(10)을 그때마다 샘플로서 채집한다. 채집한 샘플은 세정하고 나서 건조시킨 후, 입경을 계측한다.
계측 타이밍의 Cu 핵 볼의 입경이, 목적의 값이 되어 있을 때의 땜납 도금층 중의 Bi의 함유량을 순차 측정하면, 도 6의 곡선 La와 같은 결과가 얻어졌다. 이 결과로부터 땜납 도금층(16)이 소정의 두께만큼 순차 증가해도 그때의 Bi의 함유량은 직전의 함유량과 거의 동일한 값이 되어 있는 것을 알 수 있다. 곡선 La의 경우에는 Bi의 함유량은 거의 58 내지 60질량％가 되어 있다. 따라서, 도 6의 곡선 La로부터 Bi의 농도 분포는 도금 두께에 대하여 균질(균등)하게 되어 있고, 농도 구배가 없는 것을 이해할 수 있다.
도 3은 이때의 Cu 핵 볼(10)의 단면도를 도시한다. 이것을 확대한 도 4 및 다시 이것을 확대한 도 5로부터 명백해진 바와 같이, 땜납 도금층(16)은 Sn과 Bi가 균질하게 혼재하면서 성장한 과정을 잘 알 수 있다. 도 5는 FE-EPMA를 사용하여 촬상한 것이다.
땜납 도금층(16) 중의 Bi의 농도는 땜납 도금층(16)의 두께가 성장해도 거의 동일한 상태를 유지하고 있는 점에서, 땜납 도금층(16) 중의 Bi는 거의 균질하게 분포한 상태로 성장(석출)하고 있는 것이 명백해졌다. Bi 농도가 소기의 값 내에 들어가도록 도금액 중의 Bi 농도가 균질하게 된 상태에서 도금 처리가 행해진다. 이 예에서는, 땜납 도금층(16) 중의 Bi의 함유량으로서는 58질량％를 목표값으로 하고 있으므로, 목표값에 도달하도록 도금액 중의 Bi 농도가 제어된다.
땜납 도금층(16) 중의 Bi의 농도 분포를 소기값에 들어가게 하기 위해서는, 전압ㆍ전류 제어를 행하면서 도금 처리가 이루어진다. 이와 같은 전기 도금 처리에 의해 땜납 도금층(16) 중의 Bi의 분포를 소기값으로 유지할 수 있다.
실시예에 있어서는, 도금액 중의 Bi 농도는 도금 처리 중 거의 42 내지 44질량％가 되어 있지만, 이것은 상술한 바와 같이 땜납 도금층(16) 중의 Bi 농도가 53 내지 63질량％가 되도록, 도금액 중의 Bi 농도를 수시 조정하면서 도금 처리를 행하고 있기 때문이다.
곡선 La로서 나타내는 땜납 도금층(16) 내의 Bi 농도와 곡선 Lb로서 나타내는 도금액 중의 Bi 농도가 일치하고 있지 않은 것은, 도금액 중의 Bi가 도금액 중의 Sn보다 우선하여 땜납 도금층 내에 도입되기 때문이다.
땜납 도금층(16)에 있어서의 Bi의 농도 분포가 목표값에 상응한 값이 되어 있는 것을 확인하기 위해 이하와 같은 실험을 행하였다.
(1) 하기 조건에서 땜납 도금층(16)의 조성이 (Sn-58)Bi가 되는 Cu 핵 볼(10)을 작성했다.
ㆍ Cu 볼(12)의 직경: 250㎛
ㆍ Ni 하지 도금층(14)의 막 두께: 2㎛
ㆍ 땜납 도금층(16)의 막 두께: 23㎛
ㆍ Cu 핵 볼(10)의 직경: 300㎛
실험 결과의 측정을 용이하게 하기 위해, Cu 핵 볼(10)로서는 그 두께가 비교적 얇은 땜납 도금층을 갖는 Cu 핵 볼을 제작했다.
도금 방법은 전기 도금 공법으로 도 6의 조건이 되도록 제작했다.
(2) 시료로서는, 동일 조성의 (Sn-58Bi)계 땜납 합금의 땜납 도금층이 형성된 Cu 핵 볼(10)을 10개 준비했다. 이들을 시료 A로서 사용했다.
(3) 각각의 시료 A1 내지 A10을 수지로 밀봉한다.
(4) 밀봉한 각 시료 A1 내지 A10을, 수지마다 연마하여 각 시료 A1 내지 A10의 단면을 관찰한다. 관찰 기재는 니혼덴시제의 FE-EPMAJXA-8530F를 사용했다.
시료 A1의 단면도를 도 7에 도시한다. 땜납 도금층(16) 중 Cu 볼(12)의 표면측으로부터 편의상 내층(16a), 중간층(16b) 및 외층(16c)으로 나눈다. 내층(16a)은 Cu 볼(12)의 표면으로부터 9㎛까지, 중간층(16b)은 9 내지 17㎛까지, 그리고 외층(16c)은 17 내지 23㎛로 하고, 내층(16a), 중간층(16b) 및 외층(16c)으로부터, 도 7과 같이 이 예에서는 두께 5㎛이고 폭이 40㎛인 영역(17a, 17b, 17c)을 각각 잘라내고 정성 분석에 의해 Bi의 농도의 계측을 행하였다. 이 작업을 총 10시야씩 각 내층(16a), 중간층(16b) 및 외층(16c)에 대하여 행하였다.
그 결과를 정리한 것이 (표-1)이다. 이 (표-1)에 의하면, 내층, 중간층, 외층에 있어서 최솟값 53.29질량％(농도비 91.9％), 최댓값 60.97질량％(농도비 105.1％)의 범위에 있는 것을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, Bi의 허용 범위를 53질량％(농도비 91.4％) 내지 63질량％(농도비 108.6％)로 했지만, 이 실험 결과의 실측값으로부터 53.29질량％(농도비 91.9％) 내지 60.97질량％(농도비 105.1％)의 범위까지 허용할 수 있는 것을 알 수 있었다.
Figure pat00001
그리고 시료 A1 내지 A10의 산술 평균을 산출한 결과,
내층 영역(17a)＝57.46(질량％)(농도비 99.1％)
중간층 영역(17b)＝56.32(질량％)(농도비 97.1％)
외층 영역(17c)＝56.62(질량％)(농도비 97.6％)
가 되었다.
또한, 내층, 중간층, 외층의 각 영역(17a 내지 17c)을 이와 같이 산술 평균에서는 땜납 도금층 중의 Bi는 상기 53질량％ 내지 63질량％의 허용 범위 내에 있기 때문에, 거의 목표값의 Bi의 농도비가 되어 있는 것을 알 수 있다.
이와 같은 계측 작업을 시료 A와는 별도로 작성한 시료 B 내지 D에 대해서도 마찬가지로 행하고, 그 결과를 (표-2)에 나타낸다.
Figure pat00002
(표-2)의 결과로부터 알 수 있는 것은 다소의 변동은 있지만, 땜납 도금층(16) 중의 Bi 농도는 목표값의 53 내지 63질량％에 들어가는 것을 알 수 있다.
그리고 이것들의 시료 A 내지 D와 동일한 로트로 제조한 Cu 핵 볼 각각 10개(예)를 추출하고, 각각을 기판에 통상의 리플로우 처리에 의해 접합했다.
접합 결과도 더불어 (표-2)에 나타낸다.
접합 결과에 대해서는, 모든 샘플에서 일절의 접합 불량이 측정되지 않은 것을 「양호」, 하나의 샘플이라도 접합 시에 위치 어긋남이 발생한 것, 및 하나의 샘플이라도 접합 시에 Cu 핵 볼(10)이 튀어 날아간 것을 「불량」이라고 판정했다.
모두 내주측이 외주측보다 빠르게 용융하고, 내주측과 외주측에서 체적 팽창차가 발생하여 Cu 핵 볼(10)이 튀어 날아가는 사태는 발생하지 않고, 또한 땜납 도금층(16) 전체가 거의 균일하게 용융하기 때문에, 용융 타이밍의 어긋남에 의해 발생한다고 생각되는 핵재료의 위치 어긋남은 발생하고 있지 않으므로, 위치 어긋남 등에 수반하는 전극간의 단락 등의 우려는 없다. 따라서 접합 불량은 일절 발생하지 않는 양호한 결과가 얻어졌기 때문에, 「양호」라고 판정했다.
[실시예 2]
제2 실시예는 Sn, Bi 외에 Cu와 Ni을 포함하는 (Sn-Cu-Bi-Ni)로 이루어지는 4원의 Sn계 땜납 합금의 땜납 도금층(16)을 형성한 예이다. 그 목표값으로서의 조성비는 이하와 같다.
Bi: 40질량％, Cu: 0.5질량％, Ni: 0.03질량％, Sn: 잔여. 이때의 Bi의 분포는 목표값으로서는 40질량％이지만, 허용 범위로서는 36질량％(농도값 90％) 내지 43질량％(농도비 107.5％)이다.
구체적으로는 하기 조건에서 땜납 도금층의 조성이, 상기한 표기에 따르면 (Sn-40Bi-0.5Cu-0.03Ni)이 되는 Cu 핵 볼을 작성했다.
ㆍ Cu 볼의 직경: 180㎛
ㆍ Ni 하지 도금층의 막 두께: 2㎛
ㆍ 땜납 도금층의 막 두께: 33㎛
ㆍ Cu 핵 볼의 직경: 250㎛
Cu 핵 볼의 제작 방법은 실시예 1과 동일한 전기 도금 조건에 의해 도금액 중의 Bi 농도가 균질이 되도록 행하였다.
실험 방법에 대해서는, 내층(16a)을 Cu 볼의 표면으로부터 11㎛까지, 중간층(16b)을 11 내지 22㎛까지, 그리고 외층(16c)을 22 내지 33㎛로 한 것 이외는 실시예 1과 동일한 조건이다.
측정한 결과를 (표-2)의 E 내지 H에 나타낸다.
(표-2) 시료 E 내지 H의 결과로부터 알 수 있는 것은, 이때의 Bi는 목표값으로서는 40질량％이지만, 그때의 땜납 도금층(16) 중의 Bi는 평균값에서는 최소 37.81질량％(농도비 94.5％) 내지 최대 41.33질량％(농도비 103.3％)[모두 동일 조성의 땜납 합금에 대하여 10회 계측한 평균값)와, 다소의 변동은 있지만, 거의 목표값 상응의 값, 즉, 허용 범위의 36질량％(농도값비 90.0％) 내지 43질량％(농도값비 107.5％)] 내에 있는 것을 알 수 있다. 그리고 모든 샘플에 있어서, 접합 판정은, 실시예 1과 동일하게 접합 불량은 일절 발생하고 있지 않은 양호한 결과가 얻어졌기 때문에, 「양호」라고 판정했다.
도 8은 도 6과 마찬가지로, 전기 도금 처리에 있어서의 도금액 중의 Bi 농도(곡선 Lc)와, 땜납 도금층(16) 중의 Bi 농도(곡선 Ld)의 관계를, Cu 핵 볼 직경을 기준으로 했을 때의 특성 곡선도이다.
이 예에서는, 실시예 1과 마찬가지로 Cu 볼의 초기값으로서 입경 215㎛의 것을 사용한 경우이다. 땜납 도금층(16)의 두께를 하나하나 모니터하고, 이 예에서는 땜납 도금층(16)의 두께가 소정값씩 순차 증가했을 때의 Cu 핵 볼(10)을 그 때마다 샘플로서 채집한다. 채집한 샘플은 세정하고 나서 건조시킨 후, 입경을 계측한다.
계측 타이밍의 Cu 핵 볼의 입경이, 목적의 값이 되어 있을 때의 땜납 도금층 중의 Bi의 함유량을 순차 측정하면, 도 8의 곡선 Lc와 같은 결과가 얻어졌다. 이 결과보다 땜납 도금층(16)이 소정의 두께만큼 순차 증가해도 그때의 Bi의 함유량은 직전의 함유량과 거의 동일한 값이 되어 있는 것을 알 수 있다. 곡선 Lc의 경우에는 Bi의 함유량은 거의 40 내지 42질량％가 되어 있다. 곡선 Lc와 같이 Bi의 농도 분포는 도금 두께에 대하여 균질(균등)하게 되어 있고, 농도 구배가 없는 것을 이해할 수 있다. 땜납 도금층(16) 내의 Bi 농도(곡선 Lc)와 도금액 중의 Bi 농도(곡선 Ld)가 일치하고 있지 않은 것은, 도 6과 마찬가지로 도금액 중의 Bi가 도금액 중의 Sn보다 우선하여 땜납 도금층 내에 도입되기 때문이다.
[실시예 3]
실시예 3은 Ag을 포함하고, 또한 Bi를 소량 더 포함하는 (Sn-3Ag-0, 8Cu-3Bi)로 이루어지는 4원의 Sn계 땜납 합금의 땜납 도금층(16)을 형성한 경우에 대하여 동일한 계측을 행하였다. 이때의 Bi의 분포는 목표값으로서는 3질량％이지만, 허용 범위로서는 2.7질량％(농도값비 90.0％) 내지 3.2질량％(농도비 106.7％)이다.
Cu 핵 볼의 제작 방법은 실시예 1 및 실시예 2와 동일하다.
사용한 Cu 볼 및 Cu 핵 볼의 직경, Ni 하지 도금층과 땜납 도금층의 막 두께 등의 사양 및 실험 조건에 대해서는 땜납 도금층의 조성 이외, 실시예 1과 동일한 조건이다.
그 결과를 (표-2) 시료 I 내지 L로서 나타낸다. 이 경우에는 목표값이 되는 Bi는 3질량％이므로, 시료 I 내지 L에 나타낸 바와 같이, 2.81 내지 3.08질량％(모두 동일 시료에 대하여 10회 계측한 평균값)와, 다소의 변동[평균값의 최소 2.81질량％(농도비 93.7％) 내지 최대 3.08질량％(농도비 102.7％)] 정도는 있지만, 허용 범위이다. 따라서 2.7질량％(농도비 90.0％) 내지 3.2질량％(농도비 106.7％)에 들어가 있어서는 것을 알 수 있다. 접합 판정은 실시예 1과 동일하게 접합 불량은 일절 발생하지 않은 양호한 결과가 얻어졌기 때문에, 「양호」라고 판정했다.
상기 [실시예 1] 내지 [실시예 3]의 결과를 표-3에 정리했다. Bi의 농도비는 91.4％ 내지 106.7질량％이다.
Figure pat00003
또한, 비교예로서 종래 주지의 땜납 도금층 중의 Bi의 분포가 농도 구배를 가질 때의 실험 결과를 상술한 (표-2) 중에 나타낸다. 사용한 Cu 볼, Cu 핵 볼의 구경, Ni 하지 도금층과 땜납 도금층의 막 두께 등 및 실험 조건에 대해서는, 하기 전기 도금의 방법 이외에, 실시예 1과 동일한 조건이다.
[비교예 1]
비교예 1에서는, 도금액은 메탄술폰산Sn, 유기산 및 계면 활성제를 포함하고 있는 도금액으로 전기 도금을 행한다. 그리고, 도금 막 두께가 목표값의 절반의 단계에서, 메탄술폰산Bi만을 더 추가한다. 이에 의해, 도금액 중의 메탄술폰산Sn의 농도를 감소시키면서, 메탄술폰산Bi의 농도를 증가하면서 전기 도금 처리를 행하였다.
그 결과, 땜납 도금층 중의 Bi 농도가 내측이 엷고, 외측을 향함에 따라 짙어지는 농도 구배(내층 0질량％, 중층 52.12질량％, 외층 100질량％)를 갖고, 땜납 도금층 전체적으로 Bi의 함유량을 목표값 58질량％가 되는 땜납 도금층이 형성되었다.
[비교예 2]
비교예 2에서는 메탄술폰산Sn, 메탄술폰산Bi, 유기산 및 계면 활성제를 포함한 도금액으로 전기 도금을 행한다. 도금을 개시하고 나서, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 소정의 직류 전압이 인가됨과 함께, Cu 볼을 요동시키면서, 전기 도금 처리를 행하였다.
그 결과, 땜납 도금층 중의 Bi 농도가 내측이 높고, 외측을 향함에 따라 낮아지는 농도 구배(내층 70.7질량％, 중층 24.8질량％, 외층 3.8질량％)가 되고, 땜납 도금층 전체적으로 Bi의 함유량을 목표값 58질량％가 되는 땜납 도금층이 형성되었다.
그 결과, 비교예 1에서는 접합 시에 위치 어긋남이 발생하고, 비교예 2에서는 Cu 핵 볼이 튀어 날아가 버렸기 때문에, 모두 「불량」이라고 판정했다.
이와 같이 땜납 도금층(16) 내의 Bi 농도를 바꾼 경우에는, 위치 어긋남이나 Cu 핵 볼(10)의 분출 등의 현상이 발생했다.
본 발명에 있어서의 핵 표면에 땜납 도금층을 피복한 재료 중에 포함되는 Bi는 균질하게 되어 있다. 예를 들어, BGA와 같은 반도체 패키지에 있어서는 땜납 범프로서 본 발명에 관한 핵재료를 사용할 수 있다. 핵으로서는 볼이 적합하고, 또한 Cu 등의 금속구가 적합하다.
또한, 본 발명에 있어서의 기술 범위는 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상술한 실시 형태에 다양한 변경을 가한 것을 포함한다. 그 형상도 구체, 그 밖의 형상(주상의 칼럼이나 시트상 등)을 포함한다.
예를 들어, 상면 및 저면의 직경: 1 내지 1000㎛, 높이: 1 내지 3000㎛인 Cu제의 칼럼의 표면으로 편측 1 내지 4㎛의 Ni 하지 도금층, Fe 하지 도금층이나 Co 하지 도금층 등을 설치하고, 실시예와 동일한 조건에서 (Sn-Bi)계 땜납 도금층을 피복한 Cu 핵 칼럼은 땜납 도금층 중의 Bi가 91.4 내지 106.7％의 소정 범위의 농도비가 되고, 본원 실시예의 Cu 핵 볼과 동일하고, 접합 불량이 발생하지 않는다.
[산업상 이용가능성]
본 발명에 관한 핵재료는 BGA 등과 같은 반도체 패키지의 접합재로서 이용할 수 있다.
10 : Cu 핵 볼
12 : Cu 볼
14 : 하지 도금층
16 : 땜납 도금층
16a : 내층
16b : 중간층
16c : 외층
17a 내지 17c : 절편(계측 영역)

Claims (12)

  1. 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
    상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
    상기 전기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
    농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    혹은,
    농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 상기 전기 땜납 도금층의 전 영역에 걸쳐 91.4 내지 106.7％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 핵재료.
  2. 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 58질량％의 Bi를 포함하는 (Sn-58Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
    상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
    상기 전기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
    농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    혹은,
    농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 상기 전기 땜납 도금층의 전 영역에 걸쳐 91.4 내지 108.6％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 핵재료.
  3. 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 4O질량％의 Bi를 포함하는 (Sn-40Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
    상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
    상기 전기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
    농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    혹은,
    농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 상기 전기 땜납 도금층의 전 영역에 걸쳐 90 내지 107.5％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 핵재료.
  4. 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 3질량％의 Bi를 포함하는 (Sn-3Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료에 있어서,
    상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
    상기 전기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
    농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    혹은,
    농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비는 상기 전기 땜납 도금층의 전 영역에 걸쳐 90 내지 106.7％의 범위 내로 이루어진 것을 특징으로 하는 핵재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핵재료는 상기 핵 표면으로부터 차례로 Ni 및 Co로부터 선택된 1원소 이상의 하지 도금층과 상기 전기 땜납 도금층을 갖는 것을 특징으로 하는 핵재료.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 핵으로서 Cu 볼이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 핵재료.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 핵으로서 Cu 칼럼이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 핵재료.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 핵재료가 땜납 범프로서 사용된 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  9. 제5항에 있어서, 핵으로서 Cu 볼이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 핵재료.
  10. 제5항에 있어서, 핵으로서 Cu 칼럼이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 핵재료.
  11. 제5항에 기재된 핵재료가 땜납 범프로서 사용된 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  12. 핵 표면에 전기 땜납 도금된 Sn과 Bi를 포함하는 (Sn-Bi)계 땜납 합금의 전기 땜납 도금층을 갖는 핵재료이며,
    상기 핵은 Cu, Ni, Ag, Bi, Pb, Al, Sn, Fe, Zn, In, Ge, Sb, Co, Mn, Au, Si, Pt, Cr, La, Mo, Nb, Pd, Ti, Zr, Mg의 금속 단체나 이것들의 2종 이상의 합금, 금속 산화물, 혹은 금속 혼합 산화물을 포함하고,
    상기 전기 땜납 도금층 중에 포함되는 Bi의 농도비를,
    농도비(％)＝Bi의 계측값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    혹은,
    농도비(％)＝Bi의 계측값의 평균의 값(질량％)/목표로 하는 Bi 함유량(질량％)
    으로 하여 나타냈을 때, 상기 농도비가 상기 전기 땜납 도금층의 전 영역에 걸쳐 91.4 내지 106.7％의 범위 내로 이루어진 핵재료를 전극 상에 탑재하는 공정과,
    탑재한 상기 핵재료를 가열함으로써 범프 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 범프 전극의 형성 방법.
KR1020190042420A 2016-12-07 2019-04-11 핵재료 및 반도체 패키지 및 범프 전극의 형성 방법 KR20190040951A (ko)

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