KR100334242B1 - 와이어 본딩용 캐필러리 소결제, 이를 이용한 와이어본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법 및 이를 적용한 와이어 본딩용 캐필러리 제조 방법 - Google Patents

와이어 본딩용 캐필러리 소결제, 이를 이용한 와이어본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법 및 이를 적용한 와이어 본딩용 캐필러리 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충격 및 마모에 강하고 내부 기공 함유율이 극소화되도록 알루미나(Al2O3) 및 지르코니아(zirconia)의 조성비를 최적화하여 와이어 본딩용 캐필러리에 적합한 소결제, 이 소결제를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체를 형성하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 순수 알루미나에 지르코니아를 소정 비율로 혼합한 후 소결 과정에서 소결 온도, 소결 시간을 최적의 조건으로 설정함으로써 특히, 초음파를 이용하여 도전성 와이어를 리드에 본딩하는 방식을 사용하는 와이어 본딩용 캐필러리에 요구되는 물리적 특성을 충분히 충족 시키도록 한다.

Description

와이어 본딩용 캐필러리 소결제, 이를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법 및 이를 적용한 와이어 본딩용 캐필러리 제조 방법{Capillary sintered compound to bonding wire, method for fabricating a capillary sintered body to bonding wire and method for fabricating the capillary}
본 발명은 충격 및 마모에 강하고 내부 기공 함유율이 극소화되도록 알루미나(Al2O3) 및 지르코니아(zirconia)의 조성비를 최적화하여 와이어 본딩용 캐필러리가 구비해야할 물리적 특성을 만족시킨 소결제에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 알루미나 및 지르코니아의 구성비가 최적화된 소결제를 서로 다른 온도에서 연속적으로 다중 소결함과 동시에 소결 조건인 소결 온도, 소결 시간을 최적으로 제어하여 내충격, 내마모성이 뛰어난 와이어 본딩용 캐필러리 소결체를 제조하는 방법 및 더 나아가 이를 적용한 와이어 본딩용 캐필러리의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제품 제작 공정중 하나인 와이어 본딩 공정은 미세 직경을 갖는 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등과 같은 재질로 가공된 도전성 와이어의 일측 단부를 '캐필러리'에 삽입한 상태에서, 도전성 와이어의 단부를 초음파 또는 방전에 의하여 볼(ball) 형태로 가공한 후, 반도체 칩의 본딩 패드에 볼을 본딩하고 타측 단부를 외부 기기와 접속되는 리드에 에지 본딩을 수행하는 공정을 말한다.
이처럼 도전성 와이어를 본딩 패드 또는 리드에 본딩할 때 필수적인 캐필러리는 팁(tip) 부분의 직경이 약 120∼60㎛ 정도로 매우 미세한 직경을 갖기 때문에 반복적으로 매우 큰 하중이 팁 부분에 가해지더라도 이를 견디는 내충격성 및 매우 빠른 속도로 본딩이 반복 진행되더라도 마모가 적게 발생되어야 하는 내마모성이 특별히 요구된다.
캐필러리가 갖추어야 할 필수 요소인 내충격성 및 내마모성이 부족할 경우, 와이어 본딩중 가해지는 큰 하중에 의하여 캐필러리의 단부가 쉽게 파손되거나 단부 마모가 쉽게 발생되어 더 이상 정밀한 와이어 본딩을 수행하기 어렵게 된다.
최근 캐필러리의 내충격성 및 내마모성을 극대화시키기 위한 다양한 방법이 제시된 바 있는데, 그중 하나의 방법으로 순수 알루미나 소결 방법에 의하여 내충격성이 향상된 캐필러리가 개발되어 사용되고 있지만, 순수 알루미나 소결 방법에 의한 캐필러리 역시 인성이 취약해 내마모성이 떨어지는 문제가 발생한다.
또한, 순수 알루미나의 소결을 위하여 약 0.3㎛ 정도되는 매우 미세한 순수 알루미나를 소결하기 위하여 성형할 때, 순수 알루미나가 너무 미세하기 때문에 취급이 어려울 뿐만 아니라 성형용 금형에 정밀한 양을 투입하기 매우 어려워 제작이 난해한 문제점이 있다.
또한, 이와 같이 순수 알루미나만으로 성형 및 소결을 진행할 경우, 내부 기공 함유율이 높아 특히 초음파를 이용하여 와이어 본딩을 수행할 때 초음파가 내부 기공에 의하여 차단되어 초음파에 의한 도전성 와이어 단부에 볼을 정확한 형상으로 형성하기 어려운 문제가 발생한다.
또한, 순수 알루미나만으로 성형을 거쳐 소결을 진행할 경우, 소결 과정에서 알루미나 그레인이 너무 비대해져 알루미나의 밀도가 지나치게 낮아짐으로 이에 따라 경도 저하가 동반되어 캐필러리의 팁 부분의 파손이 빈번하게 발생하는 등 다양한 문제점을 유발한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 큰 하중이 걸리는 와이어 본딩 공정이 반복적으로 지속되더라도 캐필러리의 단부에 파손 및 마모가 최소화되도록 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 와이어 본딩용 캐필러리의 내부 기공 함유율을 극소화하여 초음파가 기공에 의하여 차단되는 것을 극소화함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 와이어 본딩용 캐필러리의 재료로 사용되는 알루미나의 그레인 크기를 제어하여 최적의 인성 및 경도를 갖도록함에 있다.
본 발명의 또다른 목적들은 상세하게 후술될 본 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 와이어 본딩용 캐필러리 소결제를 제조하는 방법을 도시한 공정도.
도 2는 도 1의 방법으로 제조된 소결제를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 내부에서 지르코니아에 의한 크랙 발생 억제 능력을 도시한 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 물성 테스트 결과를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 내경 및 단면을 도시한 부분 절개 확대도.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 와이어 본딩용 캐필러리 소결제는 무게비로 95%∼80%의 순수 알루미나(Al2O3)에 무게비로 5%∼20%의 지르코니아(ZrO2)를 분산제를 매개로 70℃∼100℃의 온도하에서 혼합, 건조하여 알루미나 - 지르코니아 복합체를 형성하고, 알루미나 - 지르코니아 복합체를 40㎛에서 150㎛의 크기를 갖는 구상 조립 분말로 가공하여 제조한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법은 알루미나와 알루미나의 성장을 억제하는 지르코니아를 소정 비율로 혼합하여 알루미나 - 지르코니아 혼합체를 제조하고, 알루미나 - 지르코니아 혼합체를 제 1 금형 및 제 1 금형과 연관된 제 2 금형에 주입하고, 가압 수단에 의하여 알루미나 - 지르코니아 혼합체를 가압하여 성형체를 형성하고, 성형체를 소정 온도로 서서히 승온하여 600℃∼800℃의 온도로 소정 시간 동안 제 1 소결 공정을 진행하여 알루미나의 성장 속도를 균일하게 하고, 제 1 소결된 성형체를 다시 소정 온도로 서서히 승온하여 1450℃∼1650℃의 온도로 제 1 소결 공정 시간보다 짧은 시간 동안 제 2 소결 공정을 진행한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 와이어 본딩용 캐필러리는 알루미나 대 지르코니아의 비율을 95∼80% : 5%∼20%로 혼합한 후 분산제를 매개로 알루미나와 지르코니아를 혼합하여 혼합체를 형성하고, 혼합체를 건조시킨 후 혼합체중 입자 크기가 40㎛ ∼ 150㎛를 갖는 혼합체를 선별하여, 선별된 혼합체를 가압하여 소정 형상으로 성형하여 성형체를 형성하고, 다시 성형체에 600℃∼800℃ 사이의 온도를 가하여 동일 온도를 가하더라도 서로 다른 성장률을 갖는 성형체 중에 포함된 알루미나의 입자들이 지르코니아에 의하여 모두 균일한 성장률을 갖도록 1차 소결을 진행하고, 성형체에 1450℃∼1650℃ 사이의 온도를 가하여 1차 소결 공정에 의하여 성장률이 균일해진 성형체의 알루미나 입자들이 다시 균일하게 성장되도록 하여 조직이 치밀해지도록 2차 소결을 진행하고, 소결체를 와이어 본딩용 캐필러리 형상대로 가공하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명에 의한 와이어 본딩용 캐필러리 소결제, 이를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법 및 와이어 본딩용 캐필러리의 보다 구체적인 내용을 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
와이어 본딩용 캐필러리 소결제를 제작하기 위해서는 먼저, 혼합용기(10)에도 1a에 도시된 바와 같이 입도가 1㎛ 미만, 보다 구체적으로는 순도가 99.99% 이상으로 입도가 약 0.3㎛ 정도되는 알루미나 분말(20)과 역시 1㎛ 미만의 지르코니아 분말(25;ZrO2)을 일실시예로 89%(알루미나):11%(지르코니아)의 무게비로 혼합하여 알루미나 - 지르코니아 혼합체를 형성함과 동시에 알루미나 - 지르코니아 혼합체에 에탄올 또는 메탄올과 같은 분산용 유기용제(40;이하, 분산제라 칭하기로 한다)를 혼합하여 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)를 형성한다.
이때, 분산제인 에탄올 또는 메탄올은 알루미나(20)와 지르코니아(25)가 분리되면서 균일하게 결합되도록 하는 역할을 한다.
본 발명에서는 바람직한 일실시예로 혼합용기(10)의 내부에 형성된 알루미나:지르코니아의 무게비가 89%:11%로 하였지만, 지르코니아(25)가 최소 5%에서 최대 20%의 사이의 무게비로 혼합될 수 있다.
이와 같이 알루미나(20)에 지르코니아(25)를 소정 비율로 혼합함으로써 첫번째로, 지르코니아(25)와 알루미나(20)를 혼합한 상태로 성형하여 소결할 때, 지르코니아(25)가 알루미나(20)의 성장을 억제하여 알루미나(20)의 밀도가 지나치게 낮아져 소결체의 강도 저하가 발생하는 것을 방지하고 두번째로, 알루미나(20) 입자 입계에 지르코니아가 자리잡고 있어 소결체의 인성이 증진되도록 한다.
이와 같은 지르코니아(25)의 2 가지 특성은 소결체의 경도 및 인성을 개선함으로써 와이어 본딩용 캐필러리의 재질로써 매우 적합한 특성을 갖도록 한다.
이처럼 지르코니아(25)의 무게비가 알루미나(20)의 무게비에 대하여 최소5%, 최대 20%의 사이에 존재할 경우, 지르코니아(25)의 특성을 최대한 보장받을 수 있지만, 지르코니아(25)의 무게비가 알루미나(20)의 무게비에 대하여 최소 5% 이하로 혼합될 경우, 앞서 설명하였듯이 알루미나(20)의 성장을 제어하는 역할, 즉, 알루미나(20)가 소결되면서 지나치게 비대 성장되어 소결체의 전체 밀도가 크게 저하되고, 밀도 저하에 따른 경도 저하가 발생한다.
반대로, 지르코니아(25)의 무게비가 알루미나(20)의 무게비에 대하여 최대 20% 이상이 혼합될 경우, 지르코니아(25)가 알루미나(20)의 2 차원적인 성장 즉, 넓이 방향으로의 성장을 지나치게 방해하고 결국 알루미나(20)가 3차원적인 성장 즉, 높이 방향으로 성장되도록 한다. 이와 같이 알루미나(20)의 3차원적인 성장은 매끄러움이 요구되는 부분 예를 들어, 도 5에 도면번호 310으로 도시된 부분과 같이 도전성 와이어가 지나가는 캐필러리의 내측면을 울퉁불퉁하게 함으로써 도전성 와이어의 끊김이 발생되는 원인으로 작용한다.
이어서, 혼합용기(10)에 알루미나(20) 대 지르코니아(25)의 무게비가 일실시예로 89%:11%의 비율로 혼합되고, 여기에 에탄올 또는 메탄올과 같은 분산제(40)가 첨가된 상태에서 혼합용기(10)는 도 1b에 도시된 바와 같이 일부분만 도시된 회전장치(50)에 의하여 소정 속도로 회전되면서 최소 10 시간 이상 혼합되어 슬러리 상태가 된다.
이후, 첨부된 도 1c에 도시된 바와 같이 혼합이 완료된 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)는 소정 면적을 갖는 트레이(60)에 수납된 후 약 80℃의 온도로 회전되면서 건조된다.
이후, 소정 시간이 경과되어 건조가 완료된 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)는 도 1d에 도시된 바와 같이 약 150㎛ 정도의 크기를 갖도록 분쇄된 후 1차적으로 매쉬의 크기가 약 150㎛의 크기를 갖는 체(75)에 의하여 걸러진 후, 150㎛ 이하의 크기를 갖는 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)는 다시 매쉬의 크기가 75㎛ 정도되는 체(sieve;70)에 의하여 걸러진다.
이때, 체(70)에는 150㎛ 에서 75㎛ 사이의 입자 크기를 갖는 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)가 남아 있게 된다.
체(70)를 통과한 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)는 다시 2차적으로 매쉬의 크기가 45㎛ 정도되는 체(80)에 의하여 다시 걸러진다. 이때, 체(80)에는 75㎛ 로부터 45㎛ 사이의 입자 크기를 갖는 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)가 남아 있게 된다. 이때, 체(70,80)에 남아 있는 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)는 상세하게 후술될 와이어 본딩용 캐필러리 소결체를 형성하는 원재료가 되는 소결제이다.
이때, 굳이 도 1a로부터 도 1d의 과정을 거쳐 입자 크기가 150㎛에서 75㎛의 사이, 75㎛에서 45㎛ 사이를 갖는 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)를 선별하여 소결제를 제조하는 이유는 1㎛이하(약 0.3㎛)의 입자 크기를 갖는 알루미나(20) 및 지르코니아(25)를 단순히 무게비로 89% : 11%로 혼합한 후, 압축 성형할 경우 미세 분말의 취급하기가 어려울 뿐만 아니라 많은 손실이 발생하고, 압축 성형을 위하여 마련된 금형에 미세 분말 형태를 갖는 알루미나 - 지르코니아 복합체를 투입할 때 정밀한 양의 투입이 매우 어렵기 때문이다.
반면, 앞서 설명하였듯이 알루미나 - 지르코니아 복합체(30)의 입자 크기를 약 150㎛에서 45㎛ 정도 갖도록 선별하여 소결제를 형성할 경우, 소결제의 취급이 매우 용이할 뿐만 아니라 소결제를 압축 성형용 금형에 투입하기 매우 쉬워지는 효과를 발생시킨다.
이와 같이 제작된 와이어 본딩용 캐필러리 소결제는 최대의 경도를 발생할 수 있기 때문에 와이어 본딩용 캐필러리의 재료로 적합한 바, 이와 같이 조제된 와이어 본딩용 소결제는 첨부된 도 1e 이하의 과정을 거쳐 와이어 본딩용 캐필러리 소결체로 제작된다.
이하, 도 1e 이하 및 도 2를 참조하여 와이어 본딩용 캐필러리 소결제로 와이어 본딩용 캐필러리 소결체를 제작하는 방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1a로부터 도 1d의 과정을 거쳐 제조된 와이어 본딩용 캐필러리 소결제는 먼저 와이어 본딩용 캐필러리 성형체 형성 장치(200;이하, 압축 성형 장치라 칭한다)에 투입되어 성형체로 형성된다.
압축 성형 장치(200)는 도 1e에 도시된 바와 같이 양단이 개구된 원통 형상으로 소정 내경을 갖으며, 도 1f에 도시된 바와 같이 입자의 크기가 150㎛에서 75㎛의 사이, 75㎛에서 45㎛ 사이를 갖는 소결제(60)가 투입되는 제 1 금형(220), 제 1 금형(220)의 하측 단부에 밀착되며 고깔 형상으로 뾰족한 단부의 직경이 약 35㎛ ∼ 20㎛ 정도인 코어핀(235)이 형성된 제 2 금형(230), 제 1 금형(220)의 내주면을 따라 왕복 운동되는 가압 피스톤(240)으로 구성된다. 이때, 제 1 금형(220)은 매우높은 압력에 견디는 초경합금 또는 공구강으로 제작되는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 갖는 압축 성형 장치(200)의 제 1 금형(220)의 내부에 앞서 설명한 와이어 본딩용 소결제(60)가 소정량 주입된 후 압축 성형이 진행되어 도 1g 및 도 1h에 도시된 바와 같이 긴 원통 형상을 갖도록 제작한다.
이때, 압축 성형 장치(200)로 제작된 와이어 본딩용 캐필러리 성형체(300)로 와이어 본딩용 캐필러리 소결체를 제작하는 보다 구체적인 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 금형(220)에 제 2 금형(230)을 기밀하게 결합시킨 상태에서 도 1f에 도시된 바와 같이 미리 제조된 와이어 본딩용 캐필러리 소결제(60)를 지정된 중량 만큼 제 1 금형(220)과 제 2 금형(230)에 의하여 형성된 내부 공간에 투입한 후 도 1e에 도시된 바와 같이 와이어 본딩용 캐필러리 소결제(60)를 가압 피스톤(240)으로 가압할 준비를 한다.
이후, 가압 피스톤(240)은 제 1 금형(220) 및 제 2 금형(230)에 투입된 와이어 본딩용 캐필러리 소결제(60)에 일실시예로 약 1300kgf/cm2의 압력을 가하여 와이어 본딩용 캐필러리 소결제(60)가 도 1g 및 도 1h의 형상을 갖도록 성형한다.
이때, 와이어 본딩용 캐필러리 소결제(60)를 압축 성형 장치(200)에 의하여 성형한 후의 와이어 본딩용 캐필러리 소결제(60)를 이하 '성형체'라 정의하기로 한다.
이때, 성형체를 성형하기 위한 성형 압력이 1300kgf/cm2이하일 경우 150㎛에서 75㎛의 사이, 75㎛에서 45㎛ 사이의 크기를 갖는 소결제(60)와 소결제(60)의 구조가 가해진 압력에도 불구하고 깨어지지 않아 소결제(60)와 소결제(60)의 사이 사이에 거대 기공이 다량 존재하여 강도, 경도, 인성 저하는 물론 거대 기공에 의하여 초음파의 전달이 방해받는다.
한편, 성형 압력이 1300kgf/cm2이상일 경우, 제 2 금형(230)의 코어핀(235)이 고압에 의하여 파손되거나 성형 후 제 1, 제 2 금형(220,230)으로부터 성형체를 탈거하기 매우 어렵고 이에 따라 탈거 과정에서 성형체의 파손이 빈번하게 발생된다.
성형체가 고압에 의하여 성형되면, 성형체는 압축 성형 장치(200)로부터 제거된 후 도시되지 않은 소결장치에서 소결 공정이 진행된다.
소결 공정은 2 번의 소결, 즉, 제 1 소결 공정, 제 2 소결 공정이 연속적으로 진행함으로써 성형체는 와이어 본딩용 캐필러리가 갖추어야 할 최적의 강도, 경도 및 인성, 내충격성, 내마모성 등을 얻게 된다.
이하, 제 1, 제 2 소결 공정을 첨부된 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상압 소결로의 1차 소결인 제 1 소결 공정은 소결 장치의 온도가 0.5℃/min씩 승온되도록 하여 최종적으로 600℃∼800℃ 사이의 온도로 최소 10시간 이상이 진행되고, 바람직하게 최대 약 50시간 정도로 진행된다.
이때, 성장속도 균일화 온도인 600℃∼800℃에 도달하기 위한 승온 속도가 0.5℃/min 이하일 경우, 성장 속도 균일화에 많은 시간이 소요되어 생산성이 저하된다. 한편, 성장 속도 균일화 온도에 도달하기 위한 승온 속도가 0.5℃/min 이상일 경우, 내부에 존재하는 다량의 유기물이 성형체 외부로 급속 배출되면서 소결이 진행중인 성형체에 크랙을 발생시키게 된다.
이와 같이 제 1 소결 공정을 진행하는 이유는 성장 에너지가 서로 다른 알루미나 입자들을 600℃∼800℃에서 10시간 이상 장시간 저온 소결함으로써 후술될 2차 소결 공정에서 대부분의 알루미나 입자가 균일한 성장 속도를 갖도록 하여 치밀하면서 기공 함유가 매우 낮은 와이어 본딩용 캐필러리 소결체를 얻기 위함이다.
이때, 1차 소결 공정 온도가 600℃ 이하일 경우, 소결 진행 속도가 매우 늦어지며, 1차 소결 공정 온도가 800℃ 이상일 경우 알루미나의 과도한 성장이 발생하게 된다.
1차 소결 공정이 앞서 정의된 저온 환경에서 지정된 시간만큼 진행되면 연이어 2차 소결 공정이 연이어 진행된다.
2차 소결 공정은 1차 소결 공정에서 소결된 성형체의 조직을 보다 치밀하게 하여 강도, 인성, 내마모성, 내충격성을 극대화시킴은 물론 기공 함유율을 극소화시키기 위한 공정이다.
1차 소결 공정이 종료된 후 성형체의 온도를 10℃/min으로 1차 소결 공정에서의 승온 속도보다 빠르게 승온하여 약 1450℃에서 1650℃의 사이에서 약 30분에서 5 시간에 걸쳐 2차 소결이 진행되도록 한다.
이때, 2차 소결 공정은 바람직하게는 약 0.5 시간에서 5 시간 바람직하게 1 시간 정도 2차 소결을 진행하는 것이 바람직하다.
이때, 2차 소결 온도가 1450℃보다 낮을 경우, 소결 속도가 저하되고, 1650℃보다 높을 경우, 알루미나가 지나치게 성장하여 표면 평탄도가 저하됨으로 앞서 언급하였듯이 2차 소결 온도가 1450℃에서 1650℃ 사이가 되도록 하고 2차 소결이 진행된 후에는 서냉한다.
이와 같이 2차 소결까지 종료됨으로써 최적의 강도, 경도, 인성, 내충격성 및 내마모성을 갖는 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)가 제작된다.
도 5는 이 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)의 일부를 절단한 상태에서 고배율로 확대한 도면으로 도전성 와이어가 통과되는 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)의 내측면(310)은 매우 평탄하며 조직이 치밀하여 도전성 와이어와 접촉되더라도 도전성 와이어의 끊김이 완전히 배제되며, 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)의 단면은 기공이 매우 적으면서도 치밀하여 와이어 본딩을 위하여 캐필러리에 초음파를 가하더라도 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300) 자체가 초음파를 흡수하는 양이 매우 적음으로 초음파를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리에 특히 양호한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 2차 소결 공정까지 종료된 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)는 소결 장치로부터 탈거된 후 후속 가공 공정을 통하여 와이어 본딩용 캐필러리로 제작된다.
첨부된 도 3에는 앞서 설명한 방법에 의하여 제작된 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)를 절단한 후 폴리싱 작업한 후 경도 시험기로 깊은 홈을 형성할 때 알루미나(20)가 깨지면서 알루미나(20)의 경계와 지르코니아(25)의 경계로 크랙(22)이 전파될 때 지르코니아(25)가 크랙(22)의 진행을 방해하는 것이 도시되고 있다.
한편, 도 4에는 지르코니아의 혼합비율에 따른 와이어 본딩용 캐필러리 소결체(300)의 물리적 특성 테스트 결과로 도 4의 A,B는 알루미나 대 지르코니아의 무게비가 94%:6%이었을 때 파괴 인성과 경도를 나타내며, 도 4의 C,D는 알루미나 대 지르코니아의 무게비가 89%:11% 이었을 때 파괴 인성과 경도를 나타내며, 도 4의 E,F는 알루미나 대 지르코니아의 무게비가 83%:17% 이었을 때 파괴 인성과 경도를 나타낸다. 파괴 인성의 경우 세로축 단위는 ㎫m(1/2)이고, 경도의 경우 세로축은 GPa이다.
테스트 결과 알루미나 대 지르코니아의 무게비가 89%:11%일 때 파괴 인성 및 경도 모두가 가장 우수한 것으로 나타났다.
앞서 설명한 방법에 의하여 제작된 와이어 본딩용 캐필러리는 강도, 인성, 경도, 내충격성, 내마모성이 월등히 뛰어나기 때문에 고집적화되어 가는 반도체 칩의 본딩 패드간 간격이 좁아지고 본딩 패드의 크기가 감소되어 더욱 미세한 팁 면적이 요구될 때 더욱 큰 효과를 발생시킨다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 순수 알루미나에 지르코니아를 소정비율로 혼합한 후 이를 성형 후 소결함으로써 인성, 강도, 경도, 내마모성, 내충격성 등 와이어 본딩용 캐필러리에 요구되는 물리적 특성을 만족시키는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 순수 알루미나에 지르코니아를 소정 비율로 혼합한 후 성형 및 소결할 때, 소결 온도, 소결 시간을 최적의 조건으로 설정함으로써 기공 함유율을 극소화함으로써 초음파를 이용하여 도전성 와이어를 리드에 본딩하는 방식을 사용하는 와이어 본딩용 캐필러리에 요구되는 조건을 충분히 충족시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 무게비로 95%∼80%의 순수 알루미나(Al2O3)에 무게비로 5%∼20%의 지르코니아(ZrO2)를 분산제를 매개로 70℃∼100℃의 온도하에서 혼합, 건조하여 알루미나 - 지르코니아 복합체를 형성하고, 상기 알루미나 - 지르코니아 복합체를 40㎛에서 150㎛의 크기를 갖는 구상 조립 분말로 가공한 와이어 본딩용 캐필러리 소결제.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미나의 무게비 대 상기 지르코니아의 무게비는 89%:11%인 와이어 본딩용 캐필러리 소결제.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 구상 조립 분말은 상기 알루미나 - 지르코니아 복합체를 메쉬 크기가 서로 다른 적어도 2 개 이상의 체(sieve)를 통과하여 얻어지는 와이어 본딩용 캐필러리 소결제.
  4. 알루미나와 상기 알루미나의 성장을 억제하는 지르코니아를 소정 비율로 혼합하여 알루미나 - 지르코니아 복합체를 형성하는 혼합 단계와;
    상기 알루미나 - 지르코니아 복합체를 제 1 금형 및 상기 제 1 금형과 연관되어 설치된 제 2 금형에 주입하고, 가압 수단에 의하여 상기 알루미나 - 지르코니아 복합체에 소정 압력을 가하여 성형체를 형성하는 성형 단계와;
    상기 성형체를 소정 속도로 서서히 승온하여 600℃∼800℃의 온도에서 소정 시간 동안 제 1 소결 공정을 진행하여 서로 다른 성장 속도를 갖는 상기 알루미나입자의 성장 속도가 균일하게 되도록 하고, 제 1 소결된 상기 성형체를 다시 소정 속도로 서서히 승온하여 1450℃∼1650℃의 온도에서 상기 제 1 소결 공정 시간보다 짧은 시간 동안 제 2 소결 공정을 진행하는 소결 단계를 포함하는 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 성형체를 형성하기 위한 성형 압력은 1300kgf/cm2이고, 제 1 소결 공정에서의 승온 속도는 0.5℃/min이고, 상기 제 2 소절 공정에서의 승온 속도는 10℃/min이며, 제 1 소결 공정 시간은 10 시간에서 50 시간 사이이고 상기 제 2 소결 공정 시간은 0.5 시간에서 5 시간 사이인 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 혼합 단계에는 상기 알루미나 대 상기 지르코니아의 무게비를 95∼80% : 5∼20%로 하여 혼합하면서 메탄올 또는 에탄올중 어느 하나를 분산제로 혼합한 후 70℃∼100℃의 온도로 회전 건조시키는 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조 방법.
  7. 알루미나 대 지르코니아의 비율을 95∼80% : 5%∼20%로 혼합한 후 분산제를 매개로 상기 알루미나와 상기 지르코니아를 혼합하여 복합체를 형성하는 단계와;
    상기 복합체를 건조시킨 후 상기 복합체 중 입자 크기가 40㎛ ∼ 150㎛를 갖는 복합체를 선별하여 소결제를 제조하는 단계와;
    상기 소결제를 가압하여 소정 형상으로 성형하여 성형체를 형성하는 단계와;
    상기 성형체에 600℃∼800℃ 사이의 온도를 가하여 동일 온도를 가하더라도 서로 다른 성장률을 갖는 상기 성형체 중에 포함된 상기 알루미나의 입자들이 상기 지르코니아에 의하여 모두 균일한 성장률을 갖도록 하는 1차 소결 단계와;
    상기 성형체에 1450℃∼1650℃ 사이의 온도를 가하여 상기 1차 소결 공정에 의하여 상기 성장률이 균일해진 상기 성형체의 상기 알루미나 입자들이 다시 균일하게 성장되도록 하여 조직이 치밀해지도록 2차 소결하여 소결체를 형성하는 단계와;
    상기 소결체를 와이어 본딩용 캐필러리 형상대로 가공하는 단계를 포함하는 와이어 본딩용 캐필러리 제조 방법.
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