KR20210086520A - Low radiation solder ball and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 일 측면은 전자부품 패키징에서 부품의 솔더링 접합에 이용될 수 있는 솔더볼 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 방사선 방출량이 낮은 저방사선 솔더볼 및 그 제조방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a solder ball that can be used for soldering bonding of components in electronic component packaging and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a low-radiation solder ball having a low radiation emission amount and a method for manufacturing the same.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.Background to the present disclosure is provided herein, which does not necessarily imply known art.
일반적으로, 반도체 패키지는 웨이퍼에 반도체 칩이 상하로 적층되면서 종횡으로 인접 배열되어 제조된다. 이때, 반도체 칩은 가장자리에 범프가 형성되어 상하로 적층되는 반도체 칩들 사이를 전기적으로 접속시키며, 집적도가 높은 반도체 패키지를 제조한다.In general, a semiconductor package is manufactured by vertically and horizontally adjacently arranged while stacking semiconductor chips vertically on a wafer. In this case, the semiconductor chip has bumps formed on its edges to electrically connect the semiconductor chips stacked up and down, thereby manufacturing a semiconductor package having a high degree of integration.
반도체 소자의 집적도가 높아질수록 범프의 크기는 점점 작아지는데, 범프의 크기를 작게 유지하면서도 그 크기를 일정하게 유지할 수 있는 방안으로서, 솔더볼을 이용하여 범프를 형성하는 방식이 많이 적용되고 있다.As the degree of integration of the semiconductor device increases, the size of the bump becomes smaller. As a way to keep the size of the bump small and keep the size constant, a method of forming the bump using a solder ball is widely applied.
솔더볼은 크게 메탈 솔더볼과 플라스틱 코어솔더볼로 분류될 수 있다. 메탈 솔더볼은 구 형태의 단일 솔더로 이루어지며, 플라스틱 코어솔더볼은 구형 플라스틱 코어의 표면에 금속층을 형성하고, 가장 바깥에 솔더층을 포함하여 이루어진다. 플라스틱 코어솔더볼은 플라스틱 코어를 가지므로 충격에 대한 저항능력이 있으나, 메탈 솔더볼은 전체적으로 금속으로 이루어지므로 충격을 흡수할 수 있는 능력이 부족한 단점이 있는 대신 플라스틱 코어솔더볼 대비 전기전도도 및 열전도도가 우수한 장점이 있다.Solder balls can be broadly classified into metal solder balls and plastic core solder balls. A metal solder ball consists of a single solder in a spherical shape, and a plastic core solder ball forms a metal layer on the surface of a spherical plastic core and includes a solder layer at the outermost part. Since the plastic core solder ball has a plastic core, it has the ability to resist impact. However, since the metal solder ball is entirely made of metal, it lacks the ability to absorb shock. Instead, it has superior electrical and thermal conductivity compared to the plastic core solder ball. There is this.
일반적으로, 메탈솔더볼(Metal solder ball)은 스페이서 역할을 수행하는 금속입자 위에 금속간화합물의 과성장을 억제시키기 위한 배리어층(barrier layer)을 형성하고 솔더링이 가능하도록 솔더를 도금시켜 제조한다. 메탈솔더볼의 금속입자 코어로 구리를 사용하는 구리 코어솔더볼을 제조하기 위해서는 균일한 크기의 구리입자를 제조하는 기술, 도금층 형성시 보이드 및 뭉침현상, 두께편차 등과 같은 결함이 발생하지 않도록 도금하는 기술이 필요하다.In general, a metal solder ball is manufactured by forming a barrier layer for suppressing overgrowth of an intermetallic compound on metal particles serving as a spacer and plating the solder to enable soldering. In order to manufacture a copper core solder ball using copper as the metal particle core of a metal solder ball, a technique for manufacturing copper particles of uniform size and a technique for plating so that defects such as voids, aggregation, and thickness deviation do not occur when forming a plating layer need.
최근에는 상기 솔더에서 주석을 원료로 한 반도체 소자가 고밀도화 및 고용량화되고 있기 때문에, 반도체 칩의 근방에 배치된 주석으로부터 많은 알파 방사선이 방출되어 메모리 셀의 정보를 유실시키는 소프트 에러(Soft error)가 발생되는 위험이 많아지고 있다. In recent years, since semiconductor devices using tin as a raw material in the solder have increased in density and high capacity, a lot of alpha radiation is emitted from tin disposed in the vicinity of the semiconductor chip, resulting in a soft error in which information of the memory cell is lost. The risk of becoming
상기 소프트 에러는 주석 또는 솔더에 존재하는 납과 비스무스와 같은 방사성 동위원소로부터 고에너지의 알파입자가 방출되기 때문에 발생되는데, 일반적인 공업용 주석 내에는 방사선의 일종인 알파 입자를 방출할 수 있는 불순물 원소들 (210Pb, 210Bi, 210Po 등)이 함유되어 있다.The soft error occurs because high-energy alpha particles are emitted from radioactive isotopes such as lead and bismuth present in tin or solder. In general industrial tin, impurity elements that can emit alpha particles, a type of radiation, are present. ( 210 Pb, 210 Bi, 210 Po, etc.).
알파선 방출량이 0.002cph/cm2이하인 초저알파(Ultra Low Alpha)급 주석을 제조하기 위해서는 일반적으로 99.999%이상의 순도를 가지도록 정련한다. 이때 일반적으로 전해 정련법으로 주석을 정련하고, 순도가 높아질수록 정련 비용이 증가한다. 특히 99.999% 이상 고순도의 주석을 제조하기 위해 고가의 고순도 시약 및 이온 교환막 등이 소모되어 제조비용이 증가하게 되므로 초저알파 특성을 가지는 솔더볼의 사용화 및 생산 경제성을 확보하는 것에 대한 기술의 개발 요구가 증가하고 있다.In order to manufacture Ultra Low Alpha grade tin with an alpha ray emission of 0.002 cph/cm 2 or less, it is generally refined to have a purity of 99.999% or more. In this case, tin is generally refined by electrolytic refining, and the higher the purity, the higher the refining cost. In particular, expensive high-purity reagents and ion exchange membranes are consumed to manufacture tin of high purity of 99.999% or more, which increases the manufacturing cost. Therefore, there is a demand for technology development for the use of solder balls with ultra-low alpha characteristics and securing production economy. is increasing
본 발명의 일 측면인 솔더볼은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 솔더볼에서 방출되는 알파입자를 감소시켜 반도체칩의 소프트 에러 발생을 줄이고자 하는 데 그 목적이 있다.A solder ball, which is an aspect of the present invention, is intended to solve the above problems, and to reduce the occurrence of soft errors in semiconductor chips by reducing alpha particles emitted from the solder balls.
또한, 5N(99.999% 이상) 수준의 초고순도를 가지는 소재 및 5N 수준의 고순도로 정련을 수행하지 않으면서도 초저알파(ULA) 특성을 가지는 솔더볼을 제조하는 방법을 제공하는 데에 본 발명의 목적이 있다.In addition, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a solder ball having ultra-low alpha (ULA) characteristics without performing refining at a high purity of 5N and a material having an ultra-high purity of 5N (99.999% or more) level. have.
본 발명의 일 측면은,One aspect of the present invention is
제1금속을 포함하는 코어;a core comprising a first metal;
상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하며 상기 코어 상에 구비되는 확산층; 및a diffusion layer comprising a second metal different from the first metal and provided on the core; and
상기 확산층 상에 구비되며, 솔더합금을 이루는 합금성분과, 상기 솔더합금에 포함되는 불순물을 가지는 솔더층;을 포함하고,a solder layer provided on the diffusion layer, the alloy component constituting the solder alloy, and an impurity included in the solder alloy;
상기 제1금속, 상기 제2금속 및 상기 합금성분으로 이루어지는 주요성분을 99.9wt% 내지 99.9989wt% 포함하며, 알파선 방출량이 0.002cph/cm2 이하인 솔더볼이다다.It is a solder ball containing 99.9 wt% to 99.9989 wt% of the main component consisting of the first metal, the second metal and the alloy component, and the alpha-ray emission amount is 0.002 cph/cm 2 or less.
여기에서, 상기 불순물의 함량이 11ppm 내지 1000ppm인 것이 좋고,Here, it is preferable that the content of the impurities is 11 ppm to 1000 ppm,
상기 불순물은 상기 알파선을 방출하는 방사성 동위원소를 포함하며,The impurities include radioactive isotopes emitting the alpha rays,
상기 솔더합금은 Au, Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, Pd, In, Pb 및 Po으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속과 Sn의 함금을 포함하는 것이 좋다.The solder alloy may include an alloy of Sn and at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, Pd, In, Pb and Po.
또, 상기 제2금속은 니켈을 포함하는 것이 좋고,In addition, the second metal preferably contains nickel,
상기 제1금속 및 상기 제2금속의 중량의 합(w1)과 상기 솔더층의 중량(w2) 의 비율(w2/w1)은 0.05 내지 0.95인 것이 바람직하며,It is preferable that the ratio (w2/w1) of the sum of the weights of the first metal and the second metal (w1) and the weight of the solder layer (w2) is 0.05 to 0.95,
상기 확산층은 상기 코어와 상기 확산층의 계면에서 상기 제1금속 및 상기 제2금속이 서로 확산되어 형성된 제1금속과 제2금속의 합금을 포함하는 것이 좋다.The diffusion layer may include an alloy of the first metal and the second metal formed by diffusing the first metal and the second metal at an interface between the core and the diffusion layer.
또, 상기 확산층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 제2금속의 비율이 연속적으로 증가하는 것이 좋고, 상기 솔더층의 두께는 2㎛ 내지 2,000㎛인 것이 좋다.In addition, it is preferable that the ratio of the second metal continuously increases from the bottom to the top of the diffusion layer, and the thickness of the solder layer is preferably 2 μm to 2,000 μm.
본 발명의 다른 측면은,Another aspect of the present invention is
제1금속을 포함하는 코어의 표면에 상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하는 확산층을 형성하는 제2금속 도금단계; 및a second metal plating step of forming a diffusion layer including a second metal different from the first metal on the surface of the core including the first metal; and
상기 확산층 상에 솔더합금을 이루는 합금성분과, 상기 솔더합금에 포함되는 불순물을 가지는 솔더층을 도금하는 솔더층 형성단계를 포함하고,A solder layer forming step of plating a solder layer having an alloy component constituting a solder alloy on the diffusion layer and an impurity included in the solder alloy,
상기 솔더층 형성단계는 주석의 순도가 99.9wt% 내지 99.9989wt% 인 양극과, 금속염의 순도가 99.9wt% 내지 99.9989wt% 인 도금액을 사용하여 상기 솔더층을 도금하는 단계인 솔더볼 제조방법이다.The solder layer forming step is a solder ball manufacturing method that is a step of plating the solder layer using an anode having a purity of 99.9 wt% to 99.9989 wt% of tin and a plating solution having a purity of a metal salt of 99.9 wt% to 99.9989 wt%.
이 때, 상기 양극 또는 상기 금속염에 불순물로 포함되는 방사성 동위원소를 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to include the step of removing the radioactive isotope contained as an impurity in the anode or the metal salt.
또 다른 측면인 접속구조체는 전술한 솔더볼을 포함하며, 솔더볼은, 기판에 포함되는 전극과 상기 전극에 접속되는 접속단자의 사이에 구비되며, 리플로우되어 상기 전극과 상기 접속단자를 전기적으로 연결하는 접속구조체인 것이 좋다.Another aspect of the connection structure includes the above-described solder ball, and the solder ball is provided between an electrode included in a substrate and a connection terminal connected to the electrode, and is reflowed to electrically connect the electrode and the connection terminal. A connection structure is good.
본 발명의 일 측면인 솔더볼은, 알파선을 방출하는 불순물을 제거한 솔더합금을 이용해 솔더층을 형성하여 솔더볼의 솔더층에서 알파선의 방출을 억제함으로써, 전자제품의 소프트 에러 발생을 방지할 수 있고, 또한 폐기물에 대한 처분 문제가 없으므로 환경오염을 일으키지 않는 장점이 있다.In the solder ball, which is an aspect of the present invention, by forming a solder layer using a solder alloy from which impurities emitting alpha ray are removed to suppress emission of alpha ray from the solder layer of the solder ball, it is possible to prevent the occurrence of soft errors in electronic products, and also Since there is no problem with the disposal of waste, it has the advantage of not causing environmental pollution.
또한, 스페이서를 대신하여 패키지 밀도를 높일 수 있고, 기존 솔더볼을 이용한 접합부 대비 전단강도, 열충격, drop, 열 및 전기전도도가 우수한 접합부와 접속구조체를 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to increase the package density by replacing the spacer, and there is an effect of obtaining a junction and a connection structure having superior shear strength, thermal shock, drop, heat and electrical conductivity compared to a junction using a conventional solder ball.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 솔더볼의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 제조된 솔더볼을 촬영한 사진이다.
도 3은 제조된 솔더볼의 단면을 촬영한 사진이다.
도 4는 NI과 Bi의 상평형도(Phase diagram)을 도시한 것이다.
도 5는 솔더볼의 솔더층과 확산층에서 알파입자 방출 불순물과 확산층의 금속이 금속간화합물을 형성하며 확산되는 과정을 도식화한 것이다.
도 6은 솔더볼을 이용한 패키지의 단면 접속구조를 촬영한 사진이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a solder ball according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph of the manufactured solder ball.
3 is a photograph of a cross-section of the manufactured solder ball.
4 shows a phase diagram of NI and Bi.
5 is a diagram schematically illustrating a process in which alpha particle emission impurities and the metal in the diffusion layer are diffused while forming an intermetallic compound in the solder layer and diffusion layer of the solder ball.
6 is a photograph of a cross-sectional connection structure of a package using a solder ball.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Prior to describing the present invention in detail below, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing specific embodiments and is not intended to limit the scope of the present invention, which is limited only by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art, unless otherwise stated.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, unless stated otherwise, the term comprise, comprises, comprising is meant to include the stated object, step or group of objects, and steps, and any other object. It is not used in the sense of excluding steps or groups of objects or groups of steps.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.On the other hand, various embodiments of the present invention may be combined with any other embodiments unless clearly indicated to the contrary. Any feature indicated as particularly preferred or advantageous may be combined with any other feature and features indicated as preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예인 솔더볼은 코어(1), 확산층(10) 및 솔더층(20)을 포함하여 이루어진다. 도 1은 본 발명의 일 실시예인 솔더볼의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.A solder ball according to an embodiment of the present invention includes a core 1 , a
코어(1)는 솔더볼의 내부에 위치하는 구형의 소재로, 제1금속을 포함하여 이루어지는 메탈코어가 사용될 수 있다. The core 1 is a spherical material located inside the solder ball, and a metal core including the first metal may be used.
코어(1)는 제1금속 단일금속 또는 제1금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있고, 제1금속은 구리, 금, 은, 주석, 비스무트 또는 아연일 수 있다. 코어(1)는 구리, 금, 은, 주석, 비스무트 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속들의 합금으로서 구리보다 융점이 낮은 합금일 수 있다. 예를들어, 코어(1)는 구리(Cu)를 제1금속으로 하여 단일금속으로 구성될 수 있고, Au, Ag, Sn, Bi, Zn 중 적어도 어느 하나 이상의 금속과 제1금속인 구리의 합금으로 이루어질 수 있으며, 이 때 코어(1)의 조성 중 제1금속인 구리의 비율은 99.999wt% 내지 85wt%로 이루어지는 것이 좋다.The core 1 may be made of a single first metal or an alloy including the first metal, and the first metal may be copper, gold, silver, tin, bismuth, or zinc. The core 1 may be an alloy of at least any one or more metals selected from the group consisting of copper, gold, silver, tin, bismuth, and zinc, and may be an alloy having a lower melting point than copper. For example, the core 1 may be composed of a single metal using copper (Cu) as a first metal, and an alloy of at least any one of Au, Ag, Sn, Bi, and Zn and copper as the first metal. In this case, it is preferable that the ratio of copper as the first metal in the composition of the core 1 is 99.999 wt% to 85 wt%.
코어(1)에서 구리의 조성비가 해당 범위보다 낮은 경우 솔더링 후 전기전도도 및 열전도율이 낮아지는 문제가 있으며, 합금의 응고 수축 현상에 의해 구형도가 떨어지거나 표면에 굴곡 또는 딤플(Dimple)이 형성되어 도금이 불균일하게 형성되고, 솔더볼이 균일한 접속부를 형성하지 못하는 문제가 있다. If the composition ratio of copper in the core 1 is lower than the corresponding range, there is a problem in that the electrical conductivity and thermal conductivity are lowered after soldering, and the sphericity is decreased due to the solidification and shrinkage of the alloy, or curvatures or dimples are formed on the surface. There is a problem in that the plating is formed non-uniformly, and the solder ball cannot form a uniform connection part.
코어(1)에서 구리의 조성비가 해당 범위보다 높은 경우에는 과도한 정련 과정에서의 비용 증가가 문제될 수 있다.When the composition ratio of copper in the core 1 is higher than the corresponding range, an excessive increase in cost in the refining process may be a problem.
코어(1)의 직경은 후술할 확산층(10)의 두께에 따라 달라질 수 있으며, 코어(1)의 직경은 5㎛ 내지 10,000㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 코어(1)의 직경이 20㎛ 내지 1,000㎛일 수 있다. The diameter of the core 1 may vary depending on the thickness of the
코어(1)는 전체 솔더볼에서 5 내지 95wt%의 비율로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 10 내지 80wt% 비율로 이루어지는 것이 좋다. 코어(1)가 전체 솔더볼에서 차지하는 비율이 해당 범위를 벗어나는 경우 5wt% 이하에서 접합부 두께를 차지하는 면적이 작아 스페이서 역할을 할 수 없는 문제가 있으며, 95wt% 이상에서 액상량이 작아 미 접합이 발생할 우려가 있다.The core 1 may consist of 5 to 95 wt% of the total solder balls, preferably 10 to 80 wt%. If the proportion of the core 1 in the total solder balls is out of the range, there is a problem that the area occupied by the joint thickness is small at 5 wt% or less, so that it cannot serve as a spacer. At 95 wt% or more, there is a risk of non-bonding due to the small amount of liquid. have.
코어(1)는 용융점이 500도 이상으로 이루어져 솔더층(20)보다 높은 용융점을 가지고, 바람직하게는 500℃ 내지 1080℃의 용융점을 가질 수 있다.The core 1 has a melting point of 500 degrees or more and has a melting point higher than that of the
확산층(10)은 코어(1)와 솔더층(20)의 사이에 위치하는 층으로, 코어(1)에 포함된 제1금속원자와 솔더층(20)의 주석 또는 기타 금속원자들이 확산되어 금속간화합물을 형성하는 것을 방지하기 위해 도입된 제2금속의 도금층이 코어(1)에 포함된 제1금속원자와 고온에서 확산되어 고용체를 이루는 영역을 포함한다. The
즉, 확산층(10)은 코어(1)의 표면에 형성된 제2금속을 포함하는 코팅층이 열처리에 의해 계면에서 금속원자간 확산이 일어나 제1금속과 제2금속을 포함하는 고용체로 이루어지는 층이다.That is, the
확산층(10)은 코어(1)에 포함된 제1금속과 자성을 가지는 제2금속을 포함하여 이루어진다. The
제2금속은 자성을 갖는 금속이라면 제한되지 않으나 제1금속에 따라 적절한 금속을 선택하는 것이 좋으며, 바람직한 일 예시로는 제1금속으로 구리를 사용하는 경우 결정구조가 동일하거나 유사하며 원자의 크기 차이가 작은 니켈이 제2금속인 것이 바람직하다.The second metal is not limited as long as it is a metal having magnetism, but it is better to select an appropriate metal according to the first metal. As a preferred example, when copper is used as the first metal, the crystal structure is the same or similar, and the size of the atoms is different. It is preferable that nickel with a small valence is the second metal.
확산층(10)은 코어(1)에 가까운 하부와 솔더층(20)에 가까운 상부를 가진다. 코어(1)에 가까운 확산층(10)의 하부에서는 제2금속의 상대적인 비율이 낮고, 코어(1)와 먼 확산층(10)의 상부에서는 제2금속의 상대적인 비율이 높으며 하부에서 상부로 갈수록 제2금속의 비율이 연속적으로 증가하게 구성될 수 있다.The
바람직한 일 예시에서 코어(1)가 제1금속으로 구리를 포함하여 이루어지는 경우, 확산층(10)은 제1 및 2금속으로 구리 및 니켈을 포함하여 이루어지고, 확산층(10)의 하부에서 구리-니켈의 합금은 구리의 비율이 높지만 확산층(10)의 상부로 갈수록 구리-니켈 합금에서 니켈의 비율이 증가하고, 확산층(10)의 상부에서는 니켈의 비율이 50% 이상 또는 99.9 % 이상으로 이루어질 수 있다.In a preferred example, when the core 1 includes copper as the first metal, the
또한, 확산층(10)의 하부에서 제2금속의 비율이 0wt% 초과이고, 확산층(10)의 하부에서 상부로 갈수록 제2금속의 비율이 점차 증가하여 50wt% 이상으로 이루어지거나 상부에서 제2금속의 비율이 99.9wt% 이상으로 이루어질 수 있다.In addition, the ratio of the second metal in the lower part of the
확산층(10)은 0.1㎛ 내지 100㎛ 의 두께, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 80㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛ 두께로 형성될 수 있다. 코어(1)의 직경(D)과 확산층(10)의 두께(d1)의 비율(d1/D)은 0.00001 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 0.0005 내지 0.5 범위일 수 있다. 확산층(10)의 두께가 또는 코어(1)의 직경과의 비율이 해당 범위보다 작은 경우 솔더층(20) 내의 솔더와 제1 금속층 금속의 확산 및 금속간화합물의 생성을 막을 수 없고, 해당 범위보다 큰 경우 제 2 금속층 형성 비용 증가, 및 열처리를 통한 자성 감소 효과가 낮아지는 문제점이 있을 수 있다.The
코어(1)에는 주석 등과 같은 불순물이 포함될 수 있으나, 알파선을 방출하는 불순물을 포함되지 않는 것이 바람직하며, 코어솔더볼의 내부에 코어(1)가 구비되는 구조상 내부의 코어(1)로부터 솔더볼의 외부로 알파선이 방출되는 경우는 관찰되지 않을 수 있다.The core 1 may contain impurities such as tin, but it is preferable not to include impurities emitting alpha rays, and the core 1 is provided inside the core solder ball. As a result, the emission of alpha rays may not be observed.
전체 솔더볼 내의 제1금속의 질량(M1)과 제2금속의 질량(M2), 솔더층(20)의 질량(S)를 분석하였을 때, 제2금속의 함량 즉, M2/(M1+M2+S)*100(%) 의 값은 1 내지 75 wt%로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 50wt%를 차지할 수 있다. When the mass (M 1) of the first metal and the mass (M 2 ) of the second metal in the total solder ball and the mass (S) of the
제2금속의 비율이 해당 범위보다 큰 경우에는 솔더층(20) 대비 코어(1)의 함량이 너무 높아져 솔더볼로서 접합 기능이 떨어지고 활용성이 저하될 수 있다.If the ratio of the second metal is larger than the corresponding range, the content of the core 1 compared to the
확산층(10)은 제2금속을 포함하여 형성되므로, 전체 솔더볼에서 확산층(10)의 비율은 제2금속의 비율과 같거나 크게 이루어질 수 있고, 바람직하게는 2 내지 75wt% 범위일 수 있다.Since the
확산층(10)의 비율이 해당 범위보다 큰 경우 마찬가지로 코어(1)의 함량이 너무 높아져 솔더볼로서 접합 기능이 떨어지고 활용성이 저하될 수 있다.When the ratio of the
솔더층(20)은 확산층(10) 상에 형성되는 금속층으로, 솔더링시 용융되며 접합부를 제공할 수 있어 솔더층(20)으로 표현될 수 있고, 코어(1) 및 제1금속층보다 낮은 용융점을 갖는다. The
솔더층(20)은 Sn을 포함하며 납(Pb)를 주요 성분으로 포함하지 않는 무연솔더로 이루어지는 것이 좋다. 솔더층(20)은 융점이 제 1,2 금속의 융점 이하인 솔더합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.The
솔더층(20)을 이루는 솔더합금의 조성은 크게 제한되지 않으며, 이원계 합금 또는 3원계 이상의 합금일 수 있다.The composition of the solder alloy constituting the
이원계 합금으로는 Ag, Cu, Bi, Ni, Pd, Au, Ge, In 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 2종의 금속의 합금, 3원계 합금으로는 Sn, Ag, Cu, Bi, In, Ni, Pd, Pb, Po, Au 및 Ge으로 이루어지는 군에서 선택되는 3종의 합금 또는 Ag, Cu, Bi, In, Ni, Pd, Pb, Po, Au 및 Ge으로 이루어지는 군에서 선택되는 2종의 금속과 Sn으로 이루어진 합금이 사용될 수 있으며, 알파선을 방출하는 원소를 주요 성분으로 포함하지 않는 조성의 솔더합금을 사용하는 것이 바람직하다.The binary alloy is an alloy of two metals selected from the group consisting of Ag, Cu, Bi, Ni, Pd, Au, Ge, In and Sn, and the ternary alloy is Sn, Ag, Cu, Bi, In, Ni , Pd, Pb, Po, Au, and three alloys selected from the group consisting of Ge, or two metals selected from the group consisting of Ag, Cu, Bi, In, Ni, Pd, Pb, Po, Au and Ge An alloy consisting of Sn and Sn may be used, and it is preferable to use a solder alloy having a composition that does not contain an element emitting alpha rays as a main component.
본 발명의 일 실시예는 솔더합금으로 Sn, Ag, Cu 를 포함하는 SAC계 솔더합금을 사용하며, 본 기술분야 및 통상적으로 사용되는 공지된 솔더합금이 대부분 사용될 수 있다. An embodiment of the present invention uses a SAC-based solder alloy including Sn, Ag, and Cu as the solder alloy, and most known solder alloys used in the art and commonly used may be used.
구체적인 조성의 예시를 들면, 솔더층(20)에 포함되어 Sn과 합금을 형성하는 금속은 0.1wt% 내지 95wt%로 포함될 수 있다. For an example of a specific composition, the metal included in the
SnAgCu 합금의 경우 Cu가 0.1 wt% 내지 3.0wt% 로 포함될 수 있고, Ag는 0.1 wt% 내지 8.0 wt%로 포함될 수 있다. 또 다른 예로 SnBi 합금의 경우 Bi가 0.1 내지 95 wt%로 포함할 수 있다.In the case of the SnAgCu alloy, Cu may be included in an amount of 0.1 wt% to 3.0 wt%, and Ag may be included in an amount of 0.1 wt% to 8.0 wt%. As another example, in the case of a SnBi alloy, Bi may be included in an amount of 0.1 to 95 wt%.
솔더층(20)은 2㎛ 내지 2,000㎛의 두께, 바람직하게는 5㎛ 내지 1,000㎛의 두께로 이루어질 수 있으며, 코어(1) 및 확산층(10)의 제 1, 2금속의 중량 합(w1)과 솔더층(20)의 중량(w2)의 비율(w2/w1)은 0.05 내지 0.95, 바람직하게는 0.1 내지 0.8 범위로 이루어질 수 있다.The
솔더층(20)의 중량 비율이 해당 범위보다 낮은 경우에 액상량이 작아 미 접합이 발생할 우려가 있으며, 해당 범위보다 큰 비율이상에서 접합부 두께를 차지하는 면적을 모두 차지하여 코어(1)가 Spacer 역할을 할 수 없는 문제가 있다. When the weight ratio of the
솔더층(20)은 용융점이 80℃ 내지 450℃이고, 코어(1) 및 확산층(10)보다 낮은 용융점을 가지므로 솔더볼의 솔더링이 가능하게 한다. 예를들어 34Sn-46Bi-20In의 조성을 갖는 솔더층(20)이 사용되는 경우 용융점이 약 85℃ 정도로 얻어진다.The
본 발명의 솔더볼은 알파선과 같은 방사선의 방출량이 적은 것을 특징으로 하는데, 솔더 합금의 제조시, 솔더 합금의 주요 성분 이외의 불순물로 알파선과 같은 방사선을 방출하는 방사성 동위원소가 포함되어 알파선이 방출된다.The solder ball of the present invention is characterized in that the amount of radiation such as alpha rays is small. When the solder alloy is manufactured, radioactive isotopes emitting radiation such as alpha rays are included as impurities other than the main components of the solder alloy, so that alpha rays are emitted. .
솔더합금은 형성하고자하는 합금의 조성으로서 필수적으로 포함되는 합금성분과, 의도하지 않게 포함되며 필수적인 성분이 아닌 불순물을 미량으로 포함하여 이루어진다. 솔더볼은 솔더합금에 포함된 불순물 중 방사성 동위원소로 인해 알파선 또는 알파입자를 방출할 수 있다. 방출되는 알파선은 솔더층(20)에 포함되는 불순물 원소들 예들어, 210Pb, 210Bi, 210Po 등의 방사성 붕괴에의해 발생하며, 전자장치에서 방출되는 알파입자는 소프트에러를 일으킬 수 있어 문제된다.The solder alloy is composed of an alloy component that is essentially included as a composition of the alloy to be formed, and a trace amount of an impurity that is unintentionally included and is not an essential component. Solder balls may emit alpha rays or alpha particles due to radioactive isotopes among impurities contained in the solder alloy. The emitted alpha rays are generated by radioactive decay of impurity elements included in the
210Pb는 반감기가 22.3년인 방사성원소로서, 베타선을 방출하는 베타붕괴, 또는 베타선과 감마선을 방출하는 과정을 통해 210Bi로 바뀐다. 210Bi는 베타선을 방출하면서 중성자가 양성자로 바뀌어 210Po 이 된다. 이후 210Po 는 알파선을 방출하는 알파붕괴에 의해 206Pb 로 변화되며, 이 과정에서 약 5.6MeV의 알파선이 방출된다. 210 Pb is a radioactive element with a half-life of 22.3 years, and it is converted to 210 Bi through beta decay that emits beta rays or the process of emitting beta and gamma rays. When 210 Bi emits beta rays, neutrons are converted to protons to become 210 Po. After that, 210 Po is changed to 206 Pb by alpha decay that emits alpha rays, and in this process, about 5.6 MeV of alpha rays are emitted.
솔더볼의 형성 시 알파선 방출 원소를 제거하여 알파선 방출량이 저하된 솔더볼이 제조될 수 있고, 제조된 솔더볼은 알파선 방출량이 0 내지 0.002cph/cm2로 인 특징이 있어, 전자장치에서 소프트 에러를 일으킬 확률이 매우 낮다.A solder ball having a reduced alpha ray emission amount can be manufactured by removing the alpha ray emitting element during the formation of the solder ball, and the manufactured solder ball has a characteristic of 0 to 0.002 cph/cm 2 , so the probability of causing a soft error in an electronic device This is very low.
알파 입자의 발생량이 0 내지 0.002cph/cm2를 만족하는 초저알파(ULA) 특성을 가지기 위해 솔더볼의 제조시에는 알파 입자를 발생시키는 불순물 원자의 함량이 적고 주요 성분의 합이 99.9%(3N) 이상인 고순도 재료가 사용되는 것이 필요하다. In order to have ultra-low alpha (ULA) characteristics that satisfy 0 to 0.002cph/cm 2 in the amount of alpha particles generated, the content of impurity atoms that generate alpha particles is small and the sum of the main components is 99.9% (3N) when manufacturing the solder ball. It is necessary that a high-purity material that is higher than that is used is used.
본 명세서에서 주요성분이란, 합금의 제조시 조성을 이루는 것으로 표현되거나 일반적으로 해당 조성의 특성을 구현하기 위하여 필수적으로 일정량 이상 포함되어야 하는 것으로 이해될 수 있는 성분을 의미하며, 예를들어 코어(1)에 포함되는 제1금속, 코어(1)의 표면에 코팅되어 확산층(10)에 포함되는 제2금속, 솔더층(20)을 형성하는 주석합금에 포함되는 Sn, Cu또는 Ag 등이 주요성분으로 정의될 수 있고, 구체적으로는 의도하지 않은 불순물을 제외한 의도적으로 포함된 원소를 의미한다.In the present specification, the main component refers to a component that can be expressed as constituting the composition during the manufacture of the alloy or must be understood to be essentially included in a certain amount or more in order to implement the characteristics of the composition in general, for example, the core (1) The first metal included in the second metal coated on the surface of the core 1 and included in the
본 발명의 일 실시예인 저방사선 솔더볼은 전체 솔더볼의 주요 성분의 합이 99.9%(3N) 내지 99.998%(4N)에서도 알파선 방출 원소를 제거하여 알파선 방출량이 저하되어 알파 파티클이 0 내지 0.002cph/cm2로 발생되는 ULA 특성을 보인다.The low-radiation solder ball according to an embodiment of the present invention removes the alpha-ray emitting element even when the sum of the main components of the total solder ball is 99.9% (3N) to 99.998% (4N), so that the alpha-ray emission amount is reduced, so that the alpha particle is 0 to 0.002cph/cm It shows the ULA characteristics generated by 2
이는 본 발명의 솔더볼에 알파선을 방출하는 210Pb, 210Bi, 210Po 가 선택적으로 제거됨으로써 일반적으로 주요 성분의 합이 99.9%(3N) 내지 99.998%(4N) 인 합금 대비 더욱 낮은 알파선 방출이 가능하기 때문이다. This is because 210 Pb, 210 Bi, and 210 Po, which emit alpha rays in the solder ball of the present invention, are selectively removed, so lower alpha ray emission is possible compared to alloys in which the sum of the main components is generally 99.9% (3N) to 99.998% (4N) because it does
주석에 포함되는 불순물의 농도 범위를 주석 원자재의 OES 분석결과를 이용하여 아래 표 1과 같이 나타내었다.The concentration range of impurities contained in tin is shown in Table 1 below using the OES analysis results of raw tin.
(cph/cm2)Alpha particle emission
(cph/cm 2 )
초저알파 특성을 가지기 위하여는 알파입자 방출량이 0.002 이하인 4N 주석을 사용하는 것이 가능한 것으로 보이지만, 3N 주석의 경우에도 정제 후 알파입자 방출량이 0.002 이하로 측정되어 초저알파 특성을 얻기 위해 사용 가능한 것을 알 수 있다.In order to have ultra-low alpha characteristics, it seems possible to use 4N tin with an alpha particle emission of 0.002 or less, but even in the case of 3N tin, the alpha particle emission after purification is measured to be 0.002 or less, indicating that it can be used to obtain ultra-low alpha characteristics. have.
여기에서 전체 솔더볼의 주요 성분이란, 코어(1)의 주요성분 및 확산층(10) 또는 코팅층의 주요성분, 솔더층(20)에 포함되는 솔더합금의 주요성분을 모두 포함하는 의미로서, 솔더볼의 각 구성에서 불순물을 제외한 전체 성분을 말하며, 코어(1), 확산층(10)의 주요성분이 솔더합금의 주요성분과 동일한 원소를 포함하는 경우도 가능하다.Here, the main component of the entire solder ball means including all the main components of the core 1, the main components of the
본 발명의 일 측면에 따른 솔더볼은 특히 솔더층(20)에 사용되는 솔더합금 및 솔더합금 제조용 주석의 순도가 높아 주요성분의 함량이 높은 것이 중요하다.In the solder ball according to an aspect of the present invention, it is important that the purity of the solder alloy used for the
구체적으로는 솔더층(20)을 형성하기 위한 도금시 사용되는 주석은 불순물이 제거되어 높은 순도를 가지는 정련된 주석인 것이 좋으며, 이 때, 주요 원소의 함량이 99.9wt% 이상, 바람직하게는 99.9 ~ 99.99wt%인 주석이 사용되어 높은 순도의 솔더층(20)이 도금될 수 있다.Specifically, the tin used during plating for forming the
솔더합금 및 주석의 순도가 해당 범위보다 낮은 경우, 알파선을 방출하는 불순물의 함량이 높아져 솔더볼의 저방사선 특히 초저알파(ULA) 효과가 얻어지지 않는 문제점이 있다.When the purity of the solder alloy and the tin is lower than the corresponding range, the content of impurities emitting alpha rays is increased, so there is a problem in that the low radiation of the solder ball, particularly the ultra-low alpha (ULA) effect, is not obtained.
본 발명의 일 실시예의 솔더볼은 솔더층(20)에 포함되는 알파입자 방출 불순물이 확산층(10)에 존재하는 제2성분 등의 금속과 함께 형성하는 금속간화합물을 포함한다.The solder ball according to an embodiment of the present invention includes an intermetallic compound in which the alpha particle emission impurities included in the
도 4는 알파입자를 방출하는 불순물의 일종인 비스무스와 제2금속으로 바람직한 니켈의 상평형도를 나타낸 도면으로, 상평형도에서 니켈과 비스무스가 결합하여 형성되는 금속간화합물(Intermetallic compound, IMC)이 형성될 수 있다.4 is a diagram showing the phase equilibrium diagram of nickel, which is a kind of impurity emitting alpha particles, and nickel, which is preferable as a second metal. In the phase equilibrium diagram, an intermetallic compound (IMC) formed by combining nickel and bismuth. can be formed.
도 5는 솔더층(20)에 포함된 불순물이 확산층(10)의 금속과 금속간화합물을 형성하며 확산층(10) 내부 또는 코어(1) 내부로 확산되는 과정을 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a process in which impurities contained in the
알파입자를 방출하는 불순물이 확산층(10)에 포함되는 금속원자와 금속간화합물을 형성하고 내부로 확산되는 경우, 솔더층(20)에 포함된 불순물의 함량이 낮아지는 효과가 있으며, 내부로 확산된 알파입자 방출 불순물로부터 솔더볼의 외부로 알파입자가 방출되지 않으므로 전체 솔더볼의 알파선 방출량이 크게 감소한다.When impurities emitting alpha particles form an intermetallic compound with metal atoms included in the
또한 이러한 효과로 인해 고농도의 자재나 고순도의 제련을 거치지 않더라도, 알파입자를 방출하는 불순물이 선택적으로 솔더층(20)에서 감소될 수 있어, 3N 또는 4N 수준의 순도를 가지는 소재를 사용하는 경우에 초저알파 수준의 효과를 얻을 수 있다.In addition, due to this effect, even without going through high-concentration material or high-purity smelting, impurities emitting alpha particles can be selectively reduced in the
본 발명의 다른 측면은 저방사선 솔더볼의 제조방법이다. Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a low-radiation solder ball.
저방사선 솔더볼의 제조방법은 제1금속을 포함하는 코어(1)를 준비하는 코어준비단계, 코어(1)의 표면에 제2금속을 포함하는 코팅층을 형성하는 제2금속 코팅단계, 코팅된 코어(1)를 열처리하여 확산층(10)을 형성하는 확산층 형성단계, 확산층(10) 상에 솔더합금을 도금하여 솔더볼을 제조하는 솔더층 형성단계를 포함하는 것이 좋으며, 솔더층 형성단계에서는 솔더합금의 도금시 사용되는 솔더합금의 불순물을 제거하여 저방사선 특성의 솔더합금을 준비하는 불순물 제거단계를 포함하는 것이 바람직하다.A method of manufacturing a low-radiation solder ball includes a core preparation step of preparing a core 1 containing a first metal, a second metal coating step of forming a coating layer containing a second metal on the surface of the core 1, a coated core It is preferable to include a diffusion layer forming step of heat-treating (1) to form a
즉, 솔더층 형성단계는 솔더층(20) 형성시 사용되는 원료의 방사성 동위원소를 제거하는 불순물 제거단계를 더 포함할 수 있다.That is, the solder layer forming step may further include an impurity removal step of removing radioactive isotopes of a raw material used in forming the
코어준비단계는 제조된 코어(1)가 준비되는 단계일 수 있고, 제1금속을 포함하여 용융된 금속 용탕에서 오리피스를 통해 미리 정해진 크기로 금속 코어(1)가 제조되는 단계일 수 있다. The core preparation step may be a step in which the manufactured core 1 is prepared, and may be a step in which the metal core 1 is manufactured in a predetermined size through an orifice in a molten metal including the first metal.
코어(1)의 재료인 제1금속으로는 예를들어 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금이 사용될 수 있고, 이를 고주파유도로를 통하여 유도 가열을 하여 녹인 후 진동자를 이용하여 일정 오리피스 홀을 통하여 원하는 직경으로 제조할 수 있다. 이 때, 원하는 코어(1)의 직경은 주파수와 압력으로 조절될 수 있다.As the first metal, which is the material of the core 1, for example, copper (Cu) or an alloy containing copper (Cu) may be used, which is then melted by induction heating through a high-frequency induction furnace and then fixed using a vibrator. It can be manufactured to a desired diameter through an orifice hole. At this time, the desired diameter of the core 1 may be adjusted by frequency and pressure.
코어(1)의 제조시 순수한 구리에 구리가 아닌 금속 성분을 일부 의도적으로 포함시키는 것이 가능하며, 일부 금속 성분을 첨가하여 코어(1)를 구형으로 제조시 응축에 따른 코어(1)의 균열발생이나 딤플형성을 방지하고 구형도가 높은 코어를 제조할 수 있다.When manufacturing the core 1, it is possible to intentionally include a metal component other than copper in pure copper, and when the core 1 is made into a spherical shape by adding some metal component, cracking of the core 1 due to condensation occurs However, dimple formation can be prevented and a core with high sphericity can be manufactured.
코어준비단계 이후에 코어(1)를 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 준비된 코어(1)는 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척되고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.After the core preparation step, the step of washing and selecting the core 1 may be further included. The prepared core (1) is washed by immersion or stirring by an alcoholic solution, a basic solution, or an acidic solution (equipment or reagent), ultrasonic stirring, etc. have.
제2금속 코팅단계는 준비된 코어(1)의 표면에 제2금속 코팅층을 형성하는 단계이다. 제2금속 코팅층은 코어(1)의 표면에 직접 솔더층(20)을 형성하는 경우 코어(1)의 금속원자가 솔더층(20)으로 확산되어 금속간화합물을 형성하거나 Void를 형성하는 것을 막기 위해 도입된다. 제2금속 도금에는 전해도금, 무전해도금, 물리적 기상증착법 및 화학적 기상증착법 등의 방법이 사용될 수 있고, 전해도금 또는 무전해도금이 사용되는 것이 좋다.The second metal coating step is a step of forming a second metal coating layer on the surface of the prepared core 1 . When the
제2금속층은 코어(1) 크기에 관계 없이 0.5~50㎛ 범위로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.5~10㎛범위, 더욱바람직하게는 1~10㎛범위인 것이 좋다.The second metal layer may be formed in a range of 0.5 to 50 μm regardless of the size of the core 1, preferably in a range of 0.5 to 10 μm, and more preferably in a range of 1 to 10 μm.
도금단계의 일 예로 무전해 도금 방식이 사용되는 경우, 중탕된 제2금속 도금액의 재료를 무전해 도금액에 장입 후 교반 시켜 진행될 수 있다. 무전해도금은 반응이 끝날 때까지 지속적으로 교반 시켜 준다. 반응이 시작된 후 1~2시간 정도 반응이 이루어질 수 있고, 반응 시간은 코어(1)의 장입양과 무전해 도금액의 금속이온 농도 및 양에 따라 적절히 조절되어 달라질 수 있다. When the electroless plating method is used as an example of the plating step, the material of the second metal plating solution in a bath is charged into the electroless plating solution and stirred to proceed. The electroless plating is continuously stirred until the reaction is complete. After the reaction is started, the reaction may be performed for about 1 to 2 hours, and the reaction time may vary by appropriately adjusting depending on the charging amount of the core 1 and the metal ion concentration and amount of the electroless plating solution.
제2금속 코팅단계의 다른 예로 바렐도금 방식이 이용될 수 있으며, 음극이 회전하면서 도금 코팅이 진행이 되어 도금에 의한 코어볼 입자간 뭉침 현상을 줄이고 구형도를 증가시켜 제2금속 코팅층을 형성한다.As another example of the second metal coating step, a barrel plating method may be used, and the plating coating proceeds as the cathode rotates to reduce the aggregation between core ball particles due to plating and increase the sphericity to form the second metal coating layer. .
제2금속 코팅단계 이후 제조된 반제품을 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 제2금속이 도금된 코어는 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척되고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.A step of washing and sorting the semi-finished product manufactured after the second metal coating step may be additionally included. The core plated with the second metal is washed by immersion or stirring, ultrasonic stirring, etc. by alcohol-based solution, basic solution, or acidic solution (equipment or reagent), size selection using mesh, and sphericity selection using a spherical separator can do.
추가적으로 코팅층이 형성된 코어(1) 반제품을 열처리 하여 제1금속과 제2금속이 열확산되며 합금화되는 확산층(10)이 구비될 수 있으며, 확산층(10)이 구비되는 코어(1)의 표면에 후술할 솔더층(20)을 도금시켜 솔더볼을 제조하는 것이 바람직하다.In addition, a
솔더층 형성단계는 확산층(10)이 형성된 코어(1)의 표면에 Sn 또는 Sn의 합금을 포함하는 솔더층(20)을 형성하는 단계로, 주로 전해도금 방식이 사용될 수 있다. The solder layer forming step is a step of forming a
확산층(10)이 형성된 코어(1)를 바렐속에 넣어 도금시키고자 하는 금속 또는 합금을 양극에 걸어두고, 피도금체인 금속코어(1)에는 음극을 걸어 전해도금을 진행한다. 도금 진행 시 온도는 10내지 70℃를 유지시키고, 전류밀도는 0.2 내지 50ASD로 5분 내지 200시간 진행하는 것이 바람직하다. 이때의 솔더층 도금액 및 양극에 알파선을 방출하는 불순물 (210Pb, 210Bi, 210Po 등)을 제거하여 도금을 시행할 수 있다.The core (1) on which the diffusion layer (10) is formed is placed in a barrel, and the metal or alloy to be plated is hung on the anode, and the cathode is hung on the metal core (1), which is the object to be plated, to perform electrolytic plating. During plating, the temperature is maintained at 10 to 70° C., and the current density is preferably 0.2 to 50 ASD for 5 minutes to 200 hours. At this time, the plating may be performed by removing impurities (210 Pb, 210 Bi, 210 Po, etc.) emitting alpha rays to the solder layer plating solution and the anode.
솔더층 형성단계의 이전에 솔더층(20) 형성시 사용되는 솔더합금 및 재료에 포함된 불순물을 제거하기 위한 불순물 제거단계가 포함되는 것이 좋다. 불순물 제거단계는 원재료인 주석을 정련하여 솔더층(20) 도금을 진해하기 위한 주석 전극 또는 주석이 산화된 유기산 주석 용액을 제조하는 단계일 수 있다.It is preferable that an impurity removal step for removing impurities contained in the solder alloy and material used when the
정제에 사용되는 재료로는 원자재 주석이 사용될 수 있으며, 효율적인 공정의 진행을 위하여 99% 내지 99.99%의 주석이 사용되는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 99.9 내지 99.99 wt% 의 주석이 사용되는 것이 좋다.A raw material tin may be used as a material used for refining, and 99% to 99.99% of tin is preferably used for an efficient process, and more preferably, 99.9 to 99.99 wt% of tin is used.
원자재로 사용되는 주석의 순도가 너무 낮은 경우 정련과정에서 불순물의 제거가 충분히 이루어지지 않아 저방사선 특성이 얻어지지 않거나 정련 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며, 주석의 순도가 너무 높은 경우 원재료의 가격이 너무 높아 경제성이 떨어지는 문제가 있다.If the purity of tin used as a raw material is too low, impurities may not be sufficiently removed during the refining process, so low-radiation characteristics may not be obtained or the refining efficiency may be lowered. If the purity of tin is too high, the price of the raw material may increase. There is a problem that the economical efficiency is lowered because the
불순물의 제거단계는, 정제 전 준비된 주석을 7 ~ 12%의 희석된 염산용액이 담긴 세척조에 대략 5 내지 10분간 담구어 세척한다. 세척된 주석은 세척조에서 증류수, 아세톤 또는 알코올 등의 용제로 추가로 세척된 뒤에 질소 가스 등을 이용하여 건조된다.In the step of removing impurities, tin prepared before purification is washed by immersing it in a washing tank containing 7 to 12% diluted hydrochloric acid solution for about 5 to 10 minutes. The washed tin is further washed with a solvent such as distilled water, acetone or alcohol in a washing tank and then dried using nitrogen gas or the like.
주석의 정제처리를 통해 불순물이 제거되어 순도가 높아질수록 솔더층(20)에서 방사되는 알파 입자의 수가 감소하여 방사선 방출량이 감소하게 되며, 특히 99.9%(3N) 내지 99.99%(4N)소재를 정제 한 소재에서 납, 비스무스, 안티몬 등 알파입자를 방출하는 방사성 동위원소이 크게 감소되어 솔더합금, 솔더층(20)에서 방사되는 알파입자가 감소해 초저알파(ULA) 특성이 얻어질 수 있다.As impurities are removed through refining treatment of tin, and the purity increases, the number of alpha particles emitted from the
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 확산층(10)이 형성된 코어(1)의 표면에 솔더층(20)을 형성하는 경우, 솔더층(20)의 솔더합금에 포함되어 알파 입자를 방출하는 방사성 원소들이 확산층(10)에 포함되는 제2금속과 함께 금속간화합물(IMC)를 형성할 수 있으며, 금속간 확산에 의해 방사성 원소를 포함하는 금속간화합물은 확산층(10) 또는 코어(1)의 내부까지 확산되고, 이로 인해 솔더층(20)에서 방사성 원소가 더욱 낮은 농도로 존재하여 초저알파 특성이 얻어질 수 있는 유리한 효과를 가질 수 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, when the
솔더층 형성 단계의 반응 온도, 전류밀도 및 시간은 코어의 크기, 확산층(10)의 두께 및 목표로 하는 솔더층(20)의 두께에 따라 달라질 수 있다. The reaction temperature, current density, and time of the solder layer forming step may vary depending on the size of the core, the thickness of the
솔더층 형성단계 이후 제조된 솔더볼 제품을 세척 및 선별하는 단계가 추가로 포함될 수 있다. 솔더볼은 알콜계 용액, 염기성용액, 산성용액(장비 또는 시약)에 의해 침지 혹은 교반, 초음파 교반 등으로 세척되고, Mesh를 이용하여 사이즈 선별, 구형선별기를 이용 구형도를 선별할 수 있다.A step of washing and sorting the solder ball product manufactured after the step of forming the solder layer may be further included. Solder balls are washed by immersion, stirring, ultrasonic stirring, etc. by alcohol-based solution, basic solution, or acidic solution (equipment or reagent).
본 발명을 통해 제조된 코어 솔더볼은 알파 입자를 방출할 수 있는 불순물 원소들(210Pb, 210Bi, 210Po 등)을 제거하여 알파선 방출량이 0.002cph/cm2이하인 특징이 있다.The core solder ball manufactured through the present invention is characterized in that the alpha ray emission amount is 0.002 cph/cm 2 or less by removing impurity elements (210 Pb, 210 Bi, 210 Po, etc.) that can emit alpha particles.
본 발명은 반도체 소자에서 알파 방사선에 의해 발생되는 소프트 에러의 발생을 최대한 억제할 수 있는 저알파 또는 초저알파 솔더볼 및 그 제조방법을 개시하여, 유해물질 제한지침(WEEE)이나 폐기전기 전자제품(RoHS)을 준수하는 전자산업에서 저알파 또는 초저알파 솔더볼이 활용될 수 있도록 할 수 있다.The present invention discloses a low-alpha or ultra-low-alpha solder ball capable of maximally suppressing the occurrence of soft errors caused by alpha radiation in a semiconductor device and a method for manufacturing the same, in accordance with the Restriction of Hazardous Substances Directive (WEEE) or RoHS ) can allow low-alpha or ultra-low-alpha solder balls to be utilized in the electronics industry.
또한, 알파선 방출량이 0.002cph/cm2이하인 초저알파 주석을 만들기 위해 납, 비스무스, 안티몬 등 알파입자를 방출하는 방사성 동위원소를 선택적 정제를 수행 할 경우 고가의 시약 및 이온 교환막 등의 소모가 없어 제조비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, when selective purification of radioactive isotopes emitting alpha particles, such as lead, bismuth, and antimony, is performed to make ultra-low alpha tin with an alpha ray emission amount of 0.002 cph/cm 2 or less, expensive reagents and ion exchange membranes are not consumed. This has the advantage of reducing costs.
본 발명의 또 다른 측면으로는, 솔더볼을 이용하여 형성되는 패키지의 접속구조체가 있다. In another aspect of the present invention, there is a connection structure of a package formed using a solder ball.
전자부품 또는 반도체 장치의의 접속구조체는 전자 부품 또는 반도체 장치의 접속단자와 반도체 장치의 접속단자에 대항하는 기판의 전극 사이에 구비되어 접속단자와 패드를 열 및 전기적으로 접속하는 솔더볼을 포함한다. 이하에서는 전술한 솔더볼에 대하여 앞에서 기재한 것과 동일한 내용은 생략하여 설명한다.The connection structure of an electronic component or semiconductor device includes a solder ball provided between a connection terminal of the electronic component or semiconductor device and an electrode of a substrate facing the connection terminal of the semiconductor device to thermally and electrically connect the connection terminal and the pad. Hereinafter, the same content as described above with respect to the above-described solder ball will be omitted and described.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 솔더볼을 이용하여 형성된 패키지의 단면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.6 is a photograph taken with an electron microscope of a cross section of a package formed using a solder ball according to an embodiment of the present invention.
접속구조체는 기판에 포함되는 전극에 대하여, 기판전극과 접속단자를 전기적으로 연결하기 위한 수단으로 솔더볼을 포함하는 전도성 페이스트를 솔더링하여 얻어질 수 있다.The connection structure may be obtained by soldering a conductive paste including a solder ball as a means for electrically connecting the substrate electrode and the connection terminal to the electrode included in the substrate.
도 9에 나타난 바와 같이 상부와 하부에 구비되는 기판전극과 접속단자의 사이에 솔더볼이 위치할 수 있으며, 내부에 코어가 스페이서로서의 역할을 수행하면서 리플로우 이후 솔더층의 솔더합금이 전극과 접속단자를 전기적으로 연결하여 안정적인 패키지의 접속구조가 얻어질 수 있다.As shown in FIG. 9 , a solder ball may be positioned between the substrate electrode and the connection terminal provided on the upper and lower sides, and the solder alloy of the solder layer after reflow is performed between the electrode and the connection terminal while the core serves as a spacer inside. By electrically connecting them, a stable package connection structure can be obtained.
본 측면의 접속구조체는 해당 도면의 구조로 한정되는 것은 아니며, 일반적으로 솔더볼을 이용한 패키지의 접합, 접속시에 사용될 수 있는 다양한 접속구조를 포함하여, 통상의 기술자가 솔더볼을 사용하여 형성할 수 있는 패키지의 접속구조에 모두 적용될 수 있다.The connection structure of this aspect is not limited to the structure of the drawing, and in general, a person skilled in the art can form using a solder ball, including various connection structures that can be used when bonding and connecting packages using solder balls. It can be applied to all connection structures of packages.
형성된 접속구조체는 솔더층에 포함되는 알파선 방출물질의 함량이 매우 낮고, 주요 성분의 순도가 높아 초저알파 특성을 가지므로, 알파선 방출에 의해 패키지 내에서 발생할 수 있는 각종 소프트 에러 등의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.Since the formed connection structure has an ultra-low alpha characteristic due to a very low content of alpha ray emitting material included in the solder layer and high purity of main components, it is possible to effectively prevent problems such as various soft errors that may occur in the package due to alpha ray emission. can
실시예Example
실시예 1Example 1
고온 고주파 유도로를 통하여 구리(Cu) 5kg, 불순물 금속 5g을 녹여 구리의 비율이 99.9%인 용탕을 제조한 후, 직경이 180㎛인 코어를 제조하였다.After melting copper (Cu) 5 kg and impurity metal 5 g through a high-temperature high-frequency induction furnace to prepare a molten metal having a copper ratio of 99.9%, a core having a diameter of 180 μm was manufactured.
제조된 코어를 초음파 교반 방식을 이용하여 세척한 후, Mesh를 이용하여 사이즈 선별을 진행하였다.After the manufactured core was washed using an ultrasonic stirring method, size selection was performed using a mesh.
코팅층을 형성하기 위해 피도금체인 코어를 바렐속에 넣은 후 음극을 걸어 니켈 전해도금을 진행하였다. 도금 진행 시 온도는 10 내지 50℃를 유지시키고, 전류밀도는 0.2 내지 50ASD로 5분 내지 200시간 진행하여 코어의 표면에 제2금속층을 2내지 3㎛로 형성하였다.To form a coating layer, a core to be plated was placed in a barrel, and then a cathode was hung to carry out nickel electroplating. During plating, the temperature was maintained at 10 to 50° C., and the current density was 0.2 to 50 ASD for 5 minutes to 200 hours to form a second metal layer with a thickness of 2 to 3 μm on the surface of the core.
제조된 코어를 산성용액에 의해 침지한 후 세척을 진행한다.After the prepared core is immersed in an acidic solution, washing is performed.
솔더층을 도금하기 위하여 주석을 정제 처리하여, 알파선을 방출시키는 원소를 제거하고 응고시킨 후, 유기산 이온과 이온화하여 금속염을 제조하여 도금액에 첨가하였다. 알파선 방출 원소 불순물이 제거된 도금시키고자 하는 99.998%(4N) 순도의 주석을 양극에 걸어두고, 피도금체인 금속코어에는 음극을 걸어 불순물인 알파선 방출 원소들이 제거된 99.998%(4N) 순도의 주석염 및 구리염, 은염이 포함된 도금액에 침지시켜, Sn96.5wt%, Ag3.0wt%, Cu 0.5wt% 타겟으로 전해도금을 진행하였다. 도금 진행 시 온도는 10 내지 50℃를 유지시키고, 전류밀도는 0.2내지 50ASD로 5분 내지 200시간 진행하여 솔더층을 17 내지 18㎛로 형성하고, 직경이 220㎛인 솔더볼을 수득하였다.For plating the solder layer, tin was purified to remove elements emitting alpha rays, solidified, and then ionized with organic acid ions to prepare a metal salt and added to the plating solution. 99.998% (4N) purity of tin to be plated, from which impurities of alpha ray emitting elements have been removed, is hung on the anode, and the cathode is hung on the metal core to be plated, 99.998% (4N) pure tin from which impurities of alpha ray emitting elements are removed It was immersed in a plating solution containing salt, copper salt, and silver salt, and electroplating was performed with Sn96.5wt%, Ag3.0wt%, and Cu 0.5wt% targets. During plating, the temperature was maintained at 10 to 50° C., and the current density was maintained at 0.2 to 50 ASD for 5 minutes to 200 hours to form a solder layer with a thickness of 17 to 18 μm, and a solder ball having a diameter of 220 μm was obtained.
실시예 2Example 2
실시예 1에서 솔더층을 도금하기 위해 사용하는 양극을 알파선 방출 원소 불순물이 제거된 도금시키고자 하는 99.9%(3N) 주석으로 하고, 알파선 방출 원소 불순물이 제거된 99.9%(3N) 순도의 금속염이 포함된 도금액에 침지시켜 달리한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실험을 수행하여 솔더볼을 제조하였다.The anode used for plating the solder layer in Example 1 was made of 99.9% (3N) tin to be plated with alpha-ray-emitting element impurities removed, and a metal salt of 99.9% (3N) purity from which alpha-ray-emitting element impurities were removed was used. A solder ball was manufactured by performing an experiment in the same manner except that it was immersed in the included plating solution.
비교예comparative example
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1에서 솔더층을 도금하기 위해 사용하는 양극을 99%(2N) 주석으로 하여 달리한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실험을 수행하여 솔더볼을 제조하였다.A solder ball was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the anode used for plating the solder layer was changed to 99% (2N) tin.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1에서 솔더층을 도금하기 위해 사용하는 금속염을 99%(2N) 주석으로 하여 제조한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실험을 수행하여 솔더볼을 제조하였다.A solder ball was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the metal salt used for plating the solder layer was prepared using 99% (2N) tin.
실험예Experimental example
실험예 1Experimental Example 1
실시예 및 비교예의 솔더볼의 알파선 방출량을 알파선 측정 장비로 측정하고, 각 성분의 함량을 ICP 분석을 수행하여 측정하였으며, 아래 표 2에 정리하였다.The alpha ray emission amount of the solder balls of Examples and Comparative Examples was measured with an alpha ray measuring device, and the content of each component was measured by performing ICP analysis, which is summarized in Table 2 below.
(cph/cm2)Alpha particle emission
(cph/cm 2 )
실시예 1의 솔더볼의 주요 금속인 주석, 은, 구리, 니켈 함량의 합은 99.9979%(4N)이고 알파 방사선 방출량은 0.0013cph/cm2로 측정되어 초저알파 특성을 보인다.The sum of the contents of tin, silver, copper, and nickel, which are the main metals of the solder ball of Example 1, was 99.9979% (4N), and the alpha radiation emission amount was measured to be 0.0013 cph/cm 2 , indicating ultra-low alpha characteristics.
실시예 2의 솔더볼의 주요 금속인 주석, 은, 구리, 니켈 함량의 합은 99.9755%(3N)이고 알파 방사선 방출량은 0.0018cph/cm2로 측정되어 초저알파 특성을 보인다.The sum of the contents of tin, silver, copper, and nickel, which are the main metals of the solder ball of Example 2, is 99.9755% (3N), and the alpha radiation emission amount is measured to be 0.0018 cph/cm 2 , indicating ultra-low alpha characteristics.
비교예 1의 솔더볼의 주요 금속인 주석, 은, 구리, 니켈 함량의 합은 99.9115%(3N)이고 알파 방사선 방출량은 0.23cph/cm2로 측정되어 초저알파 범위를 벗어난다.The sum of the contents of tin, silver, copper, and nickel, which are the main metals of the solder ball of Comparative Example 1, is 99.9115% (3N), and the alpha radiation emission amount is measured as 0.23 cph/cm 2 , which is out of the ultra-low alpha range.
비교예 2의 솔더볼의 주요 금속인 주석, 은, 구리, 니켈 함량의 합은 99.8318%(2N)이고 알파 방사선 방출량은 0.36cph/cm2로 측정되어 초저알파 범위를 벗어난다.The sum of the contents of tin, silver, copper, and nickel, which are the main metals of the solder ball of Comparative Example 2, was 99.8318% (2N), and the alpha radiation emission was measured as 0.36 cph/cm 2 , which was outside the ultra-low alpha range.
본 실시예의 결과로 제조된 솔더볼은 양극과 금속염으로 주요 성분 99.9%(3N)내지 99.99%(4N), 그이상의 순도인 것을 사용하여 0.002cph/cm2 이하의 초저알파 특성을 가지는 솔더볼을 제조할 수 있음을 보였다. The solder ball manufactured as a result of this example uses a positive electrode and a metal salt with a purity of 99.9% (3N) to 99.99% (4N) of the main components, and a solder ball having an ultra-low alpha characteristic of 0.002 cph/cm 2 or less. showed that it could
1 : 코어
10 : 확산층
20 : 솔더층1: core 10: diffusion layer
20: solder layer
Claims (12)
상기 제1금속과 다른 제2금속을 포함하며 상기 코어 상에 구비되는 확산층; 및
상기 확산층 상에 구비되며, 솔더합금을 이루는 합금성분과, 상기 솔더합금에 포함되는 불순물을 가지는 솔더층;을 포함하고,
상기 제1금속, 상기 제2금속 및 상기 합금성분으로 이루어지는 주요성분을 99.9wt% 내지 99.9989wt% 포함하며, 알파선 방출량이 0.002cph/cm2 이하인 솔더볼.a core comprising a first metal;
a diffusion layer comprising a second metal different from the first metal and provided on the core; and
a solder layer provided on the diffusion layer, the alloy component constituting the solder alloy, and an impurity included in the solder alloy;
A solder ball containing 99.9 wt% to 99.9989 wt% of a main component consisting of the first metal, the second metal, and the alloy component, and an alpha-ray emission amount of 0.002 cph/cm 2 or less.
상기 불순물의 함량이 11ppm 내지 1000ppm인 솔더볼.According to claim 1,
A solder ball having an impurity content of 11 ppm to 1000 ppm.
상기 불순물은 상기 알파선을 방출하는 방사성 동위원소를 포함하는 솔더볼.According to claim 1,
The impurity is a solder ball containing a radioactive isotope emitting the alpha rays.
상기 솔더합금은 Au, Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, Pd, In, Pb 및 Po으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속과 Sn의 함금을 포함하는 솔더볼. 4. The method of claim 3,
The solder alloy is a solder ball comprising an alloy of Sn and at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni, Bi, Zn, Pd, In, Pb and Po.
상기 제2금속은 니켈을 포함하는 솔더볼.4. The method of claim 3,
The second metal is a solder ball containing nickel.
상기 제1금속 및 상기 제2금속의 중량의 합(w1)과 상기 솔더층의 중량(w2) 의 비율(w2/w1)은 0.05 내지 0.95인 솔더볼.4. The method of claim 3,
A ratio (w2/w1) of the sum of the weights of the first metal and the second metal (w1) and the weight of the solder layer (w2) is 0.05 to 0.95.
상기 확산층은 상기 코어와 상기 확산층의 계면에서 상기 제1금속 및 상기 제2금속이 서로 확산되어 형성된 제1금속과 제2금속의 합금을 포함하는 솔더볼.4. The method of claim 3,
The diffusion layer is a solder ball including an alloy of the first metal and the second metal formed by diffusion of the first metal and the second metal at an interface between the core and the diffusion layer.
상기 확산층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 제2금속의 비율이 연속적으로 증가하는 솔더볼.8. The method of claim 7,
The diffusion layer is a solder ball in which the ratio of the second metal continuously increases from the bottom to the top.
상기 솔더층의 두께는 2㎛ 내지 2,000㎛인 솔더볼.4. The method of claim 3,
The solder layer has a thickness of 2 μm to 2,000 μm.
상기 확산층 상에 솔더합금을 이루는 합금성분과, 상기 솔더합금에 포함되는 불순물을 가지는 솔더층을 도금하는 솔더층 형성단계를 포함하고,
상기 솔더층 형성단계는 주석의 순도가 99.9wt% 내지 99.9989wt% 인 양극과, 금속염의 순도가 99.9wt% 내지 99.9989wt% 인 도금액을 사용하여 상기 솔더층을 도금하는 단계인 솔더볼 제조방법.a second metal plating step of forming a diffusion layer including a second metal different from the first metal on the surface of the core including the first metal; and
A solder layer forming step of plating a solder layer having an alloy component constituting a solder alloy on the diffusion layer and an impurity included in the solder alloy,
The solder layer forming step is a step of plating the solder layer using an anode having a purity of 99.9 wt% to 99.9989 wt% of tin, and a plating solution having a purity of 99.9 wt% to 99.9989 wt% of a metal salt.
상기 양극 또는 상기 금속염에 불순물로 포함되는 방사성 동위원소를 제거하는 단계를 포함하는 솔더볼 제조방법.11. The method of claim 10,
Solder ball manufacturing method comprising the step of removing the radioactive isotope contained as an impurity in the anode or the metal salt.
상기 솔더볼은, 기판에 포함되는 전극과 상기 전극에 접속되는 접속단자의 사이에 구비되며, 리플로우되어 상기 전극과 상기 접속단자를 전기적으로 연결하는 접속구조체.It comprises the solder ball of any one of claims 1 to 9,
The solder ball is provided between an electrode included in the substrate and a connection terminal connected to the electrode, and is reflowed to electrically connect the electrode and the connection terminal.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101141762B1 (en) | 2010-11-10 | 2012-05-03 | 엠케이전자 주식회사 | Copper-cored solder balls for micro-electronic packages and micro-electronic packages including the same |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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