KR100232115B1 - 본딩용 금선 - Google Patents

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KR100232115B1
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사토 케이지
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Abstract

초음파출력을 증대시킨 초음파병용 열압착본딩을 행하고, 또한 보올넥크부를 가혹하게 굴곡, 변형시키는 리버어스변형을 하여 루우프를 형성하여도 단선이 생기는 일이 적은 IC칩본딩용 금선을 제공한다.
99.999중량% 이상의 고순도금에, Pt=0.0001∼0.005중량%, Ag=0.0001∼0.005중량%, Mg=0.0005∼0.005중량%, Eu=0.00005∼0.005중량%를 함유하는 IC칩본딩용 금선.

Description

본딩용 금선
제1도 진동시험의 개요를 표시하는 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 리이드 프레임 2 : 진동시험기
3 : 본딩 와이어 4 : 클램프(clamp)
5 : 진폭중심축
본 발명은, IC칩의 전극과 외부리이드부를 접속하게 위해 사용하는 본딩용 금선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체장치 조립시, 초음파 출력의 증가 등에 의해 본딩와이어의 넥크부가 손상받는 정도를 대폭으로 저감할 수 있는 IC칩 본딩용 금선에 관한 것이다.
종래, IC칩상의 전극과 외부리이드부를 접속하는 기술로서는, 금선을 사용한 초음파병용 열압착본딩법이 주로 사용되고 있다. 또, 최근의 반도체장치의 고속화, 고기능화의 요구에 따라서 WS극과 외부리이드부의 수가 증가된 결과, 전극으로부터 외부리이드부까지의 배선거리가 길게 되어 있다. 한편에서는, 반도체장치를 소형, 얇은형으로 하기 위해, 전극과 외부리이드부의 배선거리를 극단적으로 짧게하는 것으로 대응하고 있다.
이 때문에, 다수의 리이드선을 사용하면서 짧게 배선을 하는 것이 요구되고, 이에 대응하게 위해서, 본딩장치를 사용해서 루우프를 형성하는 과정에서, 루우프 형성과 역방향으로 보올넥크부를 가혹하게 굴곡시켜서 변형시킨 후에 루우프를 펴는 이른바, 리버어스변형을 하므로써, 루우프 높이와 루우프 형상을 안정화시키는 시도가 이루어지고 있다.
그러므로 전술한 바와 같이 리버어스 변형을 행해서 형성된 루우프는, 반도체장치의 작동단계에서 반도체의 발열에 따르는 열사이클의 환경에 바랜 경우에 보올 넥크부에 단선불량이 발생한다는 문제가 발생하였다.
이와 같은 반도체작동중의 단선불량을 방지하기 위해서 보올넥크부를 가혹하게 굴곡, 변형시켜서 루우프를 폈을 경우, 그후의 과혹한 열사이클시험에 있어서 단선이 적게 생기는 금선이 요구되고 있다.
한편, 종래에 있어서, 진동에 의해서 금보올 바로위의 넥크부가 파단되는 문제를 개선하는 것을 목적으로 하며, Eu, Ca, Ge, Be를 소정량 함유시킨 것이 있다(특개평 5-P624호).
그러나 상기 종래의 제안은, 본딩와이어를 보올넥크부에서 가혹하게 굴곡, 변형시켜서 루우프를 펴게한 후에 가혹한 열사이클환경에 바랜 경우라도, 보올넥크부에서의 단선이 적은 금선으로서 충분한 것이라고는 할 수 없는 상태에 있다.
본 발명은 상술한 종래사정을 감안해서 이루어진 것으로 그 목적하는 바는, 초음파출력을 증대시킨 초음파병용 열압착본딩을 하고, 또 보올넥크부를 가혹하게 굴곡 변형시켜서 루우프를 펴게 하는 이른바 리버어스변형을 하여 루우프를 형성한 후에 가혹한 열사이를 환경에 바래어도 단선이 생기는 일이 적은 IC칩본딩용 금선을 제공하는데 있다.
본 발명자 등이 예의 연구를 거듭한 결과, 99.999중량% 이상의 고순도금에 백금(Pt), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 유로퓸(Eu)을 각각 소정량 함유시키므로써, 그들 각원소의 상승효과에 의해 전술한 목적을 달성할 수 있다는 것을 터득하여, 본 발명을 완성하였다.
즉 본원 제1발명은 99.999중량% 이상의 고순도금에 백금(Pt): 0.0001∼0.0005중량%, 은(Ag): 0.0001∼0.005중량%, 마그네슘(Mg): 0.0005∼0.005중량%, 및 유로퓸(Eu): 0.0005∼0.005중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 IC칩본딩용 금선이다.
또, 본원 제2발명은, 상기 제1발명에 베릴륨(Ba): 0.00002∼0.001중량%, 칼슘(Ca): 0.00005∼0.004중량%, 게르마늄(Ge): 0.0005∼0.01중량%중 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 IC칩본딩용 금선이다.
또한 본원 제3발명, 제4발명은, 상기 제1발명 또는 제2발명에 란탄(La), 이트륨(Y), 납(Pb), 에르븀(Er), 가돌리늄(Gr), 세륨(Ce), 프라세오디윰(Pr), 네오디윰(Nd), 사미륨(Sm)중의 적어도 1종을 0.0001∼0.02중량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IC칩본딩용 금선이다.
전술한 바와 같이 본 발명은, 조정량의 Pt, Ag, Mg 및 En으로 이루어지는 제1군, 소정량의 Be, Ca, Ge중 적어도 1종으로 이루어지는 제2군, La, Y, Pb, Er, Ce, Pr, Nd, Sm중 적어도 1종의 소정량으로 이루어지는 제3군의 성분을 함유한 조성으로 이루어진다.
이하, 본 발명의 상세한 구성과 그 작용에 대하여 설명한다.
본 발명에서 사용하는 출발원료는, 순도가 99.999중량% 이상의 금을 함유하고 나머지 불가피불순물로 이루어진 것이다. 그 출발원료에 Pt, Ag, Mg, En를 상기 구성이 되도록 함유한 조성으로 하므로서 그들 금속원소끼리의 상승효과에 의해 초음파출력을 증대시킨 초음파병용 열압착 본딩을 하고, 또한 루우프 형성시에 리버어스변형을 가한 본딩와이어의 넥크부의 신뢰성에 있어서, 피로특성이 뛰어나고, 열사이클의 환경에 바랜 경우의 피단성능이 뛰어난 합금금선을 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 합금금선의 성분조성을 상기와 같이 한정한 이유를 설명한다.
[제1군 : Pt]
Pt는, Pt, Ag, Eu와의 공존에 있어서, 보올넥크부의 신뢰성 향상에 뛰어나 효과를 나타낸다.
Pt함유량이 0.0001중량% 이상이 되면 0.0001중량% 미만과 대비하여 보올넥크부의 신뢰성이 커지고, 0.005중량%를 넘으면 양호한 보올이 형성되지 않게 된다.
이 때문에 Pt함유량을 0.0001∼0.005중량%로 정하였다.
Pt를 전기 규정량 함유하고 있어도, Pt, Ag, Eu의 어떤 1종이 함유되어 있지 않은 경우와 대비하여, Ag, Mg, Eu의 공존에 있어서 보올넥크부의 신뢰성이 향상하기 때문에 Pt는 Ag, Mg, Eu의 공존이 필요하다.
더 바람직한 조성은, 소정량의 Be, Ca, Ge중 적어도 1종을 함유시킨 것이고, 이 조성에 있어서,보올넥크부의 신뢰성 향상에 더욱 뛰어나 효과를 나타낸다.
[제1군 : Ag]
Ag는, Pt, Mg, Eu와의 공존에 있어서, 보올넥크부의 신뢰성 향상에 뛰어난 효과를 나타낸다.
Ag함유량이 0.0001중량% 미만이 되면, 0.0001중량% 미만과 대비하여 보올넥크부의 신뢰성이 커지고, 0.005중량%를 넘으면 양호한 보올형성이 되지않게 된다. 이 때문에 Ag함유량을 0.0001∼0.005중량%로 정하였다. Ag를 전기규정 이상 함유하여도 Pt, Mg, Eu의 어느 1종이 함유되어 있지않는 경우와 대비하여 Pt, Mg, Eu의 공존에 있어서 보올넥크부의 신뢰성이 향상하기 때문에 Pt, Ag, Eu의 공존이 필요하다.
더 바람직한 조성은, 소정량이 Be, Ca, Ge중 적어도 1종을 함유시키는 것으로 이 조성에 있어서 보올넥크부의 신뢰성 향상에 더욱 뛰어난 효과를 나타낸다.
[제1군 : Mg]
Mg는, Pt, Ag, Eu의 공존에 있어서, 보올넥크부의 신뢰성 향상에 뛰어난 효과를 나타낸다.
Mg함유량이 0.0005중량% 이상이 되면, 0.0005중량% 미만과 대비하여 보올넥크부의 신뢰성이 커진다. Mg함유량이 0.005중량%를 넘으면 양호한 보올형성이 되지않음과 아울러, 본딩시에 칩전극에 갈라짐이 생기게 된다. 이 때문에 Mg함유량을 0.0005∼0.005중량%로 정하였다.
Mg를 전기 규정량 함유하여도 Pt, Ag, Eu의 어떤 1종이 함유되어 있지 않은 경우와 대비하여, Pt, Ag, Eu의 공존에 있어서 보올넥크부의 신뢰성이 향상하기 때문에 Mg는 Pt, Ag, Eu의 공존이 필요하다.
더, 바람직한 조성은, 소정량의 Be, Ca, Ge의 중 적어도 1종을 함유시킨 것으로, 이 조성에 있어서 보올넥크부의 신뢰성향상에 더욱 뛰어난 효과를 나타낸다.
[제1군 : Eu]
Eu는, Pt, Ag, Mg의 공존에 있어서, 보올넥크부의 신뢰성 향상에 뛰어난 효과를 나타낸다.
Eu함유량이 0.00005중량% 이상이 되면 0.00005중량% 미만과 대비하여 보올넥크부의 신뢰성이 커지고, 0.0001중량%이상이 되면 그 신뢰성은 더욱 커진다. Eu함유량이 0.005중량%를 넘으면 본딩시에 칩전극에 갈라짐에 생긴다. 이 때문에 Eu를 전기 규정량 함유하여도 Pt, Ag, Mg의 어떤 1종이 함유되어 있지 않은 경우와 대비하여, Pt, Ag, Mg의 공존이 필요하다.
Eu함유량의 더욱 바람직한 범위는 0.0001∼0.005중량%로서, 이 범위에 있어서 보올넥크부의 신뢰성향상은 더욱 뛰어난 효과를 나타낸다.
더, 바람직한 조성은, 소정량의 Be, Ca, Ge의 중 적어도 1종을함유시킨 것으로, 이 조성에 있어서 보올넥크부의 신뢰성 향상이 더욱 뛰어난 효과를 나타낸다.
[제2군 : Be, Ca, Ge]
Be함유량이 0.00002∼0.001중량%, Ca함유량이 0.00005∼0.004중량%, Ge함유량이 0.0005∼0.01중량%중 적어도 1종의 성분이 Pt, Ag, Mg 및 Eu의 공존에 있어서 보올넥크부의 신뢰성 향상이 더욱 뛰어난 효과를 나타내기 때문에 바람직하게 사용된다.
Be함유량이 0.00002중량% 미만이고 또한 Ca함유량이 0.00005중량% 미만이고, 또한 Ge함유량이 0.0005중량% 미만일 때, 전기와 같은 더욱 뛰어난 효과는 얻어지지 않는다.
Be함유량이 0.001중량%를 넘으면 양호한 보올형성이 되지 않는다.
Ge함유량이 0.01중량%를 넘으면 본딩시의 전극갈라짐이 발생하기 쉽게 된다.
이 때문에, Be함유량을 0.00002∼0.001중량%, Ca함유량을 0.00005∼0.004중량%, Ge함유량을 0.0005∼0.01중량%로 정하였다.
[제3군 : La, Y, Pb, Er, Gd, Ce, Pr, Nd, Sm]
제1군의 성분에, 제1군의 성분 즉 La, Y, Pb, Er, Gd, Ce, Pr, Nd, Sm중 적어도 1종의 성분을 0.0001∼0.02중량% 함유한 경우, 보올넥크부의 신뢰성에 있어서, 제1군만을 함유하는 조성과 대비하여 동등한 효과를 가진다.
이 경우, 제3군의 성분을 함유하여도, 제1군의 성분인 Pt, Ag, Eu의 어떤 1종을 함유하지 않는 경우, 보올넥크부의 신뢰성에 있어서, 뛰어난 효과는 얻어지지 않는다.
또, 제1군의 성분 및제2군의 성분에, 제3군의 성분 즉 La, Y, Pb, Er, Gd, Ce, Pr, Nd, Sm중 적어도 1종의 성분을0.0001∼0.02중량% 함유한 경우, 보올넥크부의 신뢰성에 있어서, 제1군의 성분 및 제2군의 성분을 동시에 함유한 조성과 대비하여 동등한 더욱 뛰어난 효과를 가진다.
이 경우 제2군 및 제3군의 성분을 함유하여도, 제1군의 성분인 Pt, Ag, Mg, Eu의 어떤 1종을 함유하지 않은 경우, 보올넥크부의 신뢰성에 있어서 뛰어난 효과는 얻어지지 않는다.
이하, 표 1∼표 16에 표시하는 실시예 및 비교예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
표중에 표시하는 조성이 되도록 99.999중량%의 금지금과, 각 원소를 함유하는 모합금(母合金)을 진공용해로에서 용해한 후 주조하고, 홈로울, 신선기를 사용한 냉간가공과 열처리를 반복하여, 최종선지름 30㎛, 성장률 4%의 세선이 되도록 마무리 하였다. 이 세선을 본딩와이어로하여, 고속자동본더를 사용해서 IC칩 전극상에 초음파열압착본딩을 하였다. 초음파출력을 0.5W로 하며, 최초의 보올접합을 한 후, 루우프형성과 역방향으로 캐피라리를 움직이고, 그 리버어스 각도를 수직방향에 대하여 60도 설정하고, 보올넥크부를 가혹하게 굴곡시켜서 변형시키고, 이어서 정규의 루우프를 형성하였다.
먼저 세선을 사용해서 보올형상, 진동시험을 행하고, 다시 IC칩전극상에 본딩을 행한 후, 접합시의 전극갈라짐, 열사이클시험을 행하였다.
측정결과를 표 2에 표시한다.
[실시예 2∼150/비교예 1∼22]]
표중에 표시하는 조성으로 한 것 이외는 실시예 1과 동일하에 하여 세선으로 마무리하고, 시험을 행하였다.
결과를 표 2, 표 4, 표 6, 표 8, 표 11, 표 14, 표 16에 표시한다.
측정결과는 이하와 같다.
[보올형상]
고속자동본더에 조립되어 있는 전기 토오치를 사용하여 금보올을 만들고, 주사형전자현미경을 사용해서 금보올의 크기, 진구도(眞球度), 표면상태를 관찰하였다.
금보올의 크기는 선지름의 2.5배, 즉 75㎛ψ를 기준으로 하고, 진구도, 표면관찰은 비교샘플대비로 측정하였다. 10개 측정하여 모두 양호 할 때는 「양호」, 1개라도 불량이 있을 때는 「불량」이라고 표시하였다.
[접합시의 전극갈라짐]
고속자동본더를 사용하여 100개의 본딩테스트를 실시하여 전극갈라짐 불량의 발생이 없는 것을 「양호」, 1개라도 갈라짐불량의 발생이 있는 것을 「불량」이라고 표시하였다.
[열사이클시험]
루우프를 형성한 후 에폭시수지로서 봉지하고, -10℃×30분과 150℃×30분의 열사이클테스트를 200회 행하였다. 100개의 시료를 측정에 제공하여, 도통테스트에 의하여 단선의 유무를 확인하였다. 단선된 개수를 파단율(%)로 표시하였다.
[진동시험]
기판재료로서, IC칩전극에 대신하여 은도금 한 리이드프레임(1)을 준비한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 해서 본딩을 하여, 진동시험의 재료로 하였다.
제1도에 표시하는 진동시험기(2)를 사용하여, 전기 리이드프레임(1)에 선단을 본딩한 와이어(3)을 클램포(4)에서 지지하고, 축(5)를 중심으로 좌우양측으로 진폭시키는 진동시험을 다음의 조건으로 실시하여, 파단에 이르기까지의 진동회수를 측정하였다.
스팬거리(L1)=150㎛
양측진폭(L2)=26㎛
진동주파수 : 40㎐(1초간에 40회)
동일한 시험을 3회 반복하여, 얻어진 평균치를 표시하였다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
[표 4]
[표 5]
[표 6]
[표 7]
[표 8]
[표 9]
[표 10]
[표 11]
[표 12]
[표 13]
[표 14]
[표 15]
[표 16]
이상의 측정결과에서 명백한 바와 같이, 소정량의 Pt, Ag, Mg, Eu로 이루어지는 제1군 성분을 함유한 실시예 1∼10는, 보올형성이 양호하고, 본딩시의 전극갈라짐 불량의 발생이 없음과 아울러, 열사이클시험 후의 파단율이 1%, 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 진동회수가 11,000회 이상이고 보올넥크부의 신뢰성 향상에 뛰어난 효과를 나타내었다.
또 이중에서도, Eu 함유량이 0.0001중량% 이상인 실시예는, 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 진동회수가 12,000회 이상이고, 보올넥크부의 신뢰성 향상에 의하여 뛰어난 효과를 나타내였다.
또, 전기 제1군 성분에 더해서, 소정량의 Be, Ca, Ge의 중 적어도 1종 이상으로 이루어지는 제2군의 성분을 함유한 실시예 11∼104는, 보올형상이 양호하고, 본딩시의 전극갈라짐 불량의 발생이 없음과 아울러, 열사이클 시험후의 파단율이 1%이하이고, 또한 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 진동회수가 11,000회 이상이라는 뛰어난 효과를 나타냈다.
또, 이중에서도, Eu함유량이 0.0001중량% 이상인 실시예는, 열사이클 시험후의 파단율이 0%, 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 진동회수가 13,000회 이상으로, 보올넥크부의 신뢰향상에 더욱 뛰어난 효과를 나타냈다.
또한 전기 제1군성분에 더해서, La, Y, Pb, Er, Gd, Ce, Pr, Nd, Sm중 적어도 1종의 소정량으로 이루어지는 제3군성분을 함유한 실시예 127∼150은, 제1군성분 및 제2군성분을 동시에 함유한 실시예 11∼104와 대비하여 동등한 더욱 뛰어난 효과를 나타냈다.
이에 대하여, 본 발명에 관한 제1군, 제2군, 제3군의 성분의 어떤 것도 함유하지 않는 비교예 1은, 열사이클 시험 후의 파단율이 15%, 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 회수가 6,400회 정도인 것을 알 수 있다.
또, 제1군 중의 어떤 1종의 성분을 함유하지 않는 비교예 2∼18은, 열사이클 시험후의 파단율이 5∼9%, 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 회수가 8,000회 이상 10,000회 이하로, 비교예 1에 비하면 개선되어 있으나, 본 발명에 비하면 뒤떨어지는 것을 알 수 있다.
또 제1군성분을 전부 함유해도 그 중 어떤 1종의 함유량이 본 발명의 범위 밖인 비교예 19∼22는, 열사이클 시험후의 파단율이 2%, 진동시험에서의 파단에 이르기까지의 회수가 11,000회 이상으로 본 발명에 가까운 결과가 얻어지지만, 보올형상, 칩전극갈라짐 중 어떤 점에서 본 발명에 뒤떨어진다고 판명되었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 IC칩본딩용 금선은, 99.999중량% 이상의 고순도금에 소정량의 Pt, Ag, Mg 및 Eu를 함유한 조성으로 하였으므로, 초음파 출력을 증대시킨 초음파병용 열압착본딩을 행하고, 또한 리버어스 변형을 가해서 형성한 루우프의 넥크부에 있어서, 피트특성이 뛰어남과 아울러, 열사이클의 환경에 바랜 경우의 파단성능을 대폭으로 향상할 수 있었다.
따라서 다수의 리이드선을 사용하면서 짧게 배선을 하는 반도체 장치의 조립에 있어서 높은 신뢰성이 얻어지고, 반도체 장치의 고속화, 고기능화, 소형화, 박형화의 촉진에 극히 유용하다.
또, 99.999중량% 이상의 고순도금에 소정량의 Pt, Ag, Mg 및 Eu를 함유하고, 또한 소정량의 Be, Ca, Ge의 중 적어도 1종을 함유한 조성으로 한 경우는, 초음파출력을 증대시킨 초음파병용 열압착본딩을 행하고, 또 리버어스변형을 가해서 형성한 루우프의 넥크부에 있어서, 피트특성 및 열사이클의 환경에 바랜 경우의 파단성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 전술한 효과를 보다 실효있는 것으로 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 99.999중량% 이상의 고순도 금에, 백금(Pt): 0.0001∼0.005중량%, 은(Ag): 0.0001∼0.005중량%, 마그네슘(Mg): 0.0005∼0.005중량%, 및 유로퓸(Eu): 0.00005∼0.005중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 IC칩본딩용 금선.
  2. 제1항에 있어서, 베릴륨(Ba): 0.00002∼0.001중량%, 칼슘(Ca): 0.00005∼0.004중량%, 게르마늄(Ge): 0.0005∼0.01중량%중 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 IC칩 본딩용 금선.
  3. 제1항에 있어서, 란탄(La), 이트륨(Y), 납(Pb), 에르븀(Er), 가돌리늄(Gr), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오듐(Nd), 사마륨(Sm)중의 적어도 1종을 0.0001∼0.02중량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IC칩본딩용 금선.
  4. 제2항에 있어서, 란탄(La), 이트륨(Y), 납(Pb), 에르븀(Er), 가돌리늄(Gr), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오듐(Nd), 사마륨(Sm)중의 적어도 1종을 0.0001∼0.02중량% 함유시킨 것을 특징으로 하는 IC칩 본딩용 금선.
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