KR100337382B1 - 금 합금 미세 와이어, 이의 제조 방법 및 사용 방법 - Google Patents

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귄터 헤르클로츠
루츠 쉬레플러
크리스토프 지몬스
쥬르겐 레우엘
조영철
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베.체. 헤레우스 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

금과 0.6-2 중량니켈의 합금 또는 금 0.1-2 중량니켈, 0.0001-0.1 중량알칼리 토류금속 및또는 희토류 금속과 경우에 따라서는 0.1-1.0 중량백금 및/또는 팔라듐(Pd)은 전기전도성이 양호하며 강도/연신율이 양호한것이 특징이다. 이들은 와이어 본딩(wiae bonding)을 위하여서는 물론 플립-칩(Flip-chips)의 접촉 놉의 제작에도 적합하다.

Description

금 합금 미세 와이어, 이의 제조 방법 및 사용 방법{FINE WIRE MADE OF A GOLD ALLOY, METHOD FOR ITS PRODUCTION, AND ITS USE}
본 발명은 반도체 소자를 접속하기 위한 니켈 함유 금 합금 미세 와이어, 이의 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다.반도체 소자를 접속 즉, 본딩하기 위해 적합한 와이어를 본딩 와이어라 한다. 이것은 양호한 전기적 특성과 기계적 강도를 가져야 한다. 와이어의 직경은 약 10 내지 200㎛이며 일반적으로 약 20 내지 60㎛ 범위내이다. 이것은 용도에 따라 선택된다.본딩 와이어는 고순도의 금 또는 최근에는 금 합금으로 이루어진다. 후자는 고강도의 장점을 가지고 있으며, 단지 미량의 합금만이 함유되어 있는 경우에는 순금에 비해 전기 전도성이 조금 감소할 뿐이다.예를 들어, DE 16 08 161 C에는 집적 회로의 리드 와이어를 제조하기 위하여 금과, 0.001 내지 0.1 중량%의 1개 또는 수개의 희토류 금속 특히, 세륨 혼합 금속, 또는 이트륨으로 이루어지는 합금의 사용이 공지되어 있다. 미량의 희토류 금속 또는 이트륨을 함유하는 금 합금은 경도, 화학적 내성 또는 전기 저항과 같은 금의 기타 특성에 있어서 일반적으로 어떠한 영향없이, 500℃까지의 가열 온도에서 현저히 개선된 강도 및 연신율을 갖는다.
본딩 와이어의 금-희토류 금속 합금 또한 DE 32 37 385 A(US 4 885 135), DE 39 36 281 A(US 4 938 923), JP 6-112258 A, EP 0 743 679 A 및 EP 0 761 831 A에 게재되어 있다.
DE 32 37 385 A는 0.003 내지 0.01 중량%의 희토류 금속 특히 세륨과, 경우에 따라 추가적으로 게르마늄, 베릴륨 및/또는 칼슘을 함유하는 금 합금으로 이루어지는, 높은 인장 강도를 갖는 금 합금 미세 와이어에 관한 것이다.
DE 39 36 281 A에는 미량의 란탄, 베릴륨, 칼슘, 백금족 원소 특히, 백금 및/또는 팔라듐으로 합금된 고순도 금으로 형성되는 반도체 소자 접속을 위한 금제 와이어가 게재되어 있다.
화학논문집 제121권,89 287m 에 발표한 JP 6-112258A에 공지되어 있는 본딩 와이어는 1 내지 30 중량%의 백금과, 0.0001 내지 0.05 중량%의 스칸듐, 이트륨 및/또는 희토류 금속과, 경우에 따라 0.0001 내지 0.05 중량%의 베릴륨, 칼슘, 게르마늄, 니켈, 철, 코발트 및/또는 은을 함유하는 금 합금으로 되어 있다.
EP 0 743 679 A에는 백금 함유 금-희토류 금속 합금으로 된 본딩 와이어가 게재되어 있다. 이 합금은 금과, 미량의 백금(0.0001 내지 0.005 중량%), 은, 마그네슘 및 유로퓸(Eu)으로 되어 있으며, 예를 들어 또한 0.0001 내지 0.02 중량%의 세륨을 함유할 수 있다.
EP 0 761 831 A에는 백금 및/또는 팔라듐을 함유하는 금-희토류 금속 합금으로 된 미세 와이어가 게재되어 있다. 상기 합금은 0.1 내지 2.2 중량%의 백금 및/또는 팔라듐, 0.0001 내지 0.005 중량%의 베릴륨, 게르마늄, 칼슘, 란탄, 이트륨 및/또는 유로퓸, 잔여가 금으로 되어 있다. 상기 와이어는 합금을 형성하는 원소를 도가니에서 융해하고 도가니에 있는 합금 융해물을 하부에서 상부로 냉각시켜서 연속 롤링, 인발, 어닐링하는 것에 의해 제조된다. 이것은 연신율이 3 내지 8%이며 영 계수는 6800 내지 9000Kgf/㎟로 된다.
JP 52-051867 A에는 금과, 0.004 내지 0.5 중량%의 니켈, 철, 코발트, 크롬 및 은 중 적어도 1개로 된 본딩 와이어가 게재되어 있다. 30㎛의 직경을 갖는 본딩 와이어는 순금 본딩 와이어에 비해 본딩 특성이 양호하며 강도가 개선된다. 0.004 중량%의 니켈은 6%의 연신율의 경우에 강도는 13㎏/㎟(130N/㎟)이며, 14%의 연신율의 경우에 0.5중량%에서 강도는 24㎏/㎟(240N/㎟)로 된다. 보다 큰 니켈량은 기계적 특성을 저감시킨다. 따라서, 0.6 중량%의 니켈을 함유하는 금 합금 본딩 와이어에서 5%의 연신율의 경우에 강도는 10㎏/㎟(100N/㎟)에 불과하다. 본딩 와이어의 제조 방법은 JP 52-051867 A에는 게재되어 있지 않다.
DD 201 156에는 본딩이 가능한 금-은 합금 미세 와이어가 게재되어 있는데, 이것은 첨가물로서 동, 니켈 및/또는 농도≤5 질량%인 코발트와, 통상의 불순물(100ppm을 초과하지 않음)로서 철, 알미늄, 팔라듐, 백금, 인티몬, 게르마늄, 비소를 함유한다. 상기 합금은 진공 유도로 내에서 용융하여 주물 빌릿으로 주조한다. 주조 빌릿의 다음 압출 공정에 이어서 최종 직경(25 내지 30㎛)에 이르기까지 적절한 열처리에 의하여 냉간 성형으로 직접 인발한다.
금-니켈 합금은 다른 적용의 목적으로 공지되어 있다. 즉, 예를 들어 독일 공보 제 1 169 140 호는 10-7내지 10-4헨리(Henry)범위내에서 자기 유도 회로에 대한 약전류 접속을 위한 소재로서 1 내지 20 중량%의 니켈을 함유한 금-니켈 합금의 사용을 게재하고 있다. 금-니켈 합금은 재결정 온도를 증가시키기 위하여 추가로 또한 은, 백금, 팔라듐, 지르코늄, 동, 코발트, 철, 크롬 및/또는 망간을 함유할 수 있다.
따라서, JP 52-051 867 A로부터 출발하는 본 발명은 양호한 강도/연신율을 갖는 니켈 함유 금 합금 미세 와이어를 제공하기 위한 과제를 기초로 하고 있다. 다른 과제는 경제적인 방법으로 미세 와이어를 연속적으로 제조하기 위한 방법을 제공하는 데 있다. 상기 미세 와이어는 와이어 본딩에 적합하며, 예를 들어 DE 44 42 960 C에 명시된 바와 같이, 플립 칩 기술에 있어서 소위 볼 범프(Ball-Bumps)를 제조하는 데 적합하다.
본 발명에 의하면, 상기 과제는 금 및 0.6 내지 2 중량%의 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는 합금제 미세 와이어로 해결된다.본 발명에 의하면, 상기 과제는 이밖에도 0.1 내지 2 중량%의 니켈, 0.0001 내지 0.1 중량%의 적어도 알칼리 토류 금속 및 희토류 금속 족 중 1개의 원소, 잔여가 금으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 합금제 미세 와이어로 해결된다.금 합금의 니켈 함량이 0.7 내지 1.5 중량%인 경우에 미세 와이어는 특히 유용한 것이 입증되었다. 금 합금 중 알칼리 토금속 및/또는 희토류 금속 함량은 특히 0.001 내지 0.01 중량% 범위 내이다.수 개의 경우에, 추가적으로 0.1 내지 1.0 중량%의 백금, 팔라듐 또는 백금 및 팔라듐을 함유하는 금-니켈 합금으로 된 미세 와이어가 매우 유리하다.본 발명에서, "알칼리 토금속"은 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 바륨 및 스트론튬을 의미하며, "희토류 금속"은 란탄(원자번호 57), 란탄 다음의 14개의 원소(세륨(원자번호 58) 내지 루테튬(원자번호 71))를 의미하며 문헌에서도 "란탄계 원소"라고도 한다.상기 알칼리 토금속은 특히 베릴륨, 마그네슘, 칼슘 또는 적어도 이러한 알칼리 토금속 중 2가지의 혼합물인 것이 바람직하다. 베릴륨 및 칼슘으로 이루어진 혼합물을 사용하는 경우에는, 각각 50 중량%의 베릴륨과 칼슘이 특히 바람직하다.상기 희토류 금속은 특히 세륨이거나, 또는 세륨과 원자번호가 57 및 59 내지 71의 희토류 금속 중 1개 또는 수개의 혼합물인 것이 바람직하다. 세륨 혼합 금속이 특히 바람직한 것으로 입증되었다. 세륨 혼합 금속은 일반적으로 50 내지 60 중량%의 세륨, 25 내지 30 중량%의 란탄, 10 내지 15 중량%의 네오디뮴, 4 내지 6 중량%의 프라세오디뮴, 1 중량%의 철 및 미량의 기타 희토류 금속을 의미한다(Roemp Chemie 사전 Georg Thiemo 출판사 Stuttgart-New York 제 1권 10판 (1996), 647).본딩 와이어에 있어서 일반 직경을 갖는 본 발명에 따른 미세 와이어는 본딩에 필요한 모든 특성을 가지고 있다. 이것은 특정 전기저항계수로 측정된 이의 유리한 전기 전도도(표 V)를 가지며 연신율에 대한 강도(도면 참조)가 우수하다. 미세 와이어의 우수한 강도/연신율은 일반적으로 본딩 결합의 우수한 품질의 요인이 된다.의외로, 금과 니켈 또는 니켈 및 알칼리 토금속 및/또는 희토류 금속과의 합금 형성은 특허청구범위에 청구된 양으로 합금되지 않은 액세스 홀 금으로부터의 와이어 및 JP 52-051867 A에 기재된 금 니켈 합금으로부터의 와이어와 비교해서 보다 높은 강도가 생긴다. 또한, 알칼리 토금속 및/또는 희토류 금속의 합금화에 의해 어닐링에 따른 강도 손실이 현저히 감소(표 VI 참조)될 수 있다.
도 1은 실시예에 있어서 연신율[%]에 대한 인장강도[N/㎟]의 변화도이다.
도 1에는 본 발명에 따른 2개의 미세 와이어(예 1 및 예 2)의 강도(인장강도)[N/㎟]와 비교를 위해 본 발명에 따르지 않은 2개의 미세 와이어(예 3 및 예 4)의 강도가 연신율(파괴점)[%]에 따라 표시되어 있다. 본 발명에 따른 미세 와이어는 주어진 연신율에서 보다 큰 강도를 가지고 있다.
표 V는 실시예에 명시되어 있는 본 발명에 따른 미세 와이어 및 본 발명에 따르지 않은 미세 와이어, 및 추가적으로 0.8 중량%의 철을 함유하는 금 합금 미세 와이어에 대한 화학성분과 전기저항계수를 나타내고 있다. 표 Ⅵ은 실시예에 명시되어 있는 4%의 연신율의 경우에, 인발경화상태의 미세 와이어의 강도를 제시하고 있으며, 베릴륨 및 칼슘 첨가가 강도에 미치는 영향을 나타내고 있다. 베릴륨 및 칼슘은 어닐링과 관련한 강도 손실을 감소시킨다.
본 발명에 따른 미세 와이어는 양호한 특성에 기초하여 특히 유리하게도 와이어 본딩을 위해 또한 개발중인 고주파 본딩을 위해, 및 플립 칩에 있어서 볼 범프의 제조를 위해 사용될 수 있다.
본 과제의 해결방안은 반도체 소자를 접속하기 위한 니켈 함유 금 합금 미세 와이어의 제조 방법에 있어서 a)금, 0.6 내지 2 중량%의 니켈 및 경우에 따라 0.1 내지 1.0 중량%의 백금, 팔라듐 또는 백금 및 팔라듐으로 된 금 합금, 또는 b)금, 0.1 내지 2 중량%의 니켈, 0.0001 내지 0.1 중량%의 알칼리 토금속 및 희토류 금속 중 적어도 1개의 원소와 경우에 따라 0.1 내지 1.0 중량%의 백금, 팔라듐 또는 백금 및 팔라듐, 잔여가 금으로 된 금 합금이 용융되고, 상기 용융된 합금은 연속적으로 스트랜드로 주조되며, 상기 스트랜드는 본딩 목적에 일반적인 직경을 갖는 와이어로 인발되고, 상기 와이어가 어닐링된다.
본 발명에 따른 방법은 용융된 합금이 주조되며 원형의 횡단면을 갖는 스트랜드로 성형되고 이 스트랜드가 와이어로 인발되어 약 300 내지 700℃ 범위에서 어닐링되는 것이 바람직하다. 어닐링에 의하여 우선 인발 경화 와이어는 필요한 연신율을 유지한다. 합금의 용융 및 주조는 보호 가스 예를 들어, 아르곤 대기중이나 또는 진공중에서 이루어진다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 0.7 내지 1.5 중량%의 니켈 함량을 갖는 금 합금이 바람직하다. 알칼리 토금속 및/또는 희토류 금속 0.001 내지 0.01 중량%를 첨가한 것이 바람직하다.
알칼리 토금속으로는 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 또는 이러한 원소 중 적어도 2개의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히 베릴륨, 마그네슘, 칼슘 또는 적어도 이러한 알칼리 토금속 중 2개의 혼합물이 바람직하다. 베릴륨과 칼슘 혼합물을 사용할 경우, 각각 50 중량%의 베릴륨 및 칼슘이 우수하다.
희토류 금속으로는 특히 세륨이거나, 또는 세륨 혼합물과 원자번호가 57과 59 내지 71 중 1개 또는 수 개의 희토류 금속으로 된 혼합물이 사용되며 후자는 특히 일반적인 세륨 합금의 형태로 사용된다.
본 발명에 따른 방법은 연속적으로 실시될 수 있고 본 발명에 따른 제품-스트랜드로 주조되고 및 인발된 와이어-이 매우 균일하고 균질한 품질인 것을 특징으로 한다.
보다 상세한 설명을 위하여, 다음의 실시예에서 본 발명에 따른 미세 와이어 및 이의 제조(실시예 1 및 실시예 2) 및 -비교를 위하여- DE 16 08 161 C에 게재되어 있는 선행기술(실시예 3) 및 순도가 99.99 중량%(실시예 4)인 금으로 된 미세 와이어(예 4)가 명시되어 있다. 미세 와이어는 이의 연신율(파단시의 연신율)[%], 이의 강도(인장강도)[N/㎟] 및 이의 전기저항계수[Ω㎟/m]에 의해 특성을 나타낸다.
실시예 1
0.8 중량%의 니켈을 함유하는 금 합금 미세 와이어.
0.8 중량%의 니켈과 잔여가 금으로 된 합금의 용융액은 스트랜드 주조 장치 내에서 주조되어 원형의 횡단면을 갖는 스트랜드로 성형된다. 이어서 이 스트랜드로부터 직경이 30㎛인 와이어가 인발되고 달성될 연신율에 따라 약 300 내지 700℃로 대기중에서 어닐링된다. 연신율[%]에 따라 측정된 강도[N/㎟]는 표 Ⅰ에 기재된다.
275㎛의 직경을 갖는 와이어를 사용하여 측정한, 실온에서의 전기저항계수는 0.045 Ω㎟/m이다.
표 Ⅰ 실시예 2
0.8 중량%의 니켈, 0.001 중량%의 베릴륨 및 0.001 중량%의 칼슘을 함유하는 금 합금 미세 와이어
0.8 중량%의 니켈, 0.001 중량%의 베릴륨, 0.001 중량%의 칼슘 및 잔여가 금으로 된 합금의 용융액은 스트랜드 주조 장치내에서 주조되어 원형의 횡단면을 갖는 스트랜드로 성형된다. 이어서 이 스트랜드로부터 직경이 30㎛인 와이어가 인발되고 달성될 연신율에 따라 와이어는 약 300 내지 700℃로 대기중에서 어닐링된다.
연신율[%]에 따라 측정된 강도[N/㎟]가 표 Ⅱ에 기재된다.
275㎛의 직경을 갖는 와이어를 사용하여 측정한, 실온에서의 전기저항계수는 0.046 Ω㎟/m이다.
표 Ⅱ 실시예 3(비교)
DE 16 08 161 C에 따른 세륨 혼합 금속을 함유하는 금 합금 미세 와이어
금과 세륨 혼합금속으로 된 합금의 용융액은 스트랜드 주조 장치내에서 원형의 횡단면을 갖는 스트랜드로 성형된다. 이어서 이 스트랜드로부터 직경이 30㎛인 와이어가 인발되고 이 와이어는 달성될 연신율에 따라 약 300 내지 600℃로 대기중에서 어닐링된다. 연신율[%]에 따라 측정된 강도[N/㎟]가 표 Ⅲ에 기재된다.
275㎛의 직경을 갖는 와이어를 사용하여 측정한, 실온에서의 전기저항계수는 0.023 Ω㎟/m이다.
표 Ⅲ 실시예 4(비교)
99.99 중량%의 순도인 금으로 된 미세 와이어순도가 99.99 중량%인 금의 용융물이 스트랜드 주조 장치내에서 원형의 횡단면을 갖는 스트랜드로 성형된다. 이어서 이 스트랜드로부터 직경이 30㎛인 와이어가 인발되고 이 와이어는 달성될 연신율에 따라 약 200 내지 500℃로 대기중에서 어닐링된다. 연신율[%]에 따라 측정된 강도[N/㎟]는 표 Ⅳ에 기재된다.
275㎛의 직경을 갖는 와이어를 사용하여 측정한, 실온에서의 전기저항계수는 0.023 Ω㎟/m이다.
표 Ⅳ표 Ⅴ ★DE 16 08 161C 에 따른 세륨 혼합 금속을 함유하는 금 합금 미세 와이어
표 Ⅵ ★DE 16 08 161C에 따른 세륨 혼합 금속을 함유하는 금 합금 미세 와이어
본 발명에 따른 금 합금 미세 와이어, 이의 제조 방법 및 사용 방법은 니켈을 함유하는 금 합금으로 된 미세 와이어로서 전기적 특성과 기계강도가 우수하여 반도체 소자의 본딩에 적합한 본딩 와이어를 제공하는 탁월한 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 반도체 소자를 접속하기 위한 니켈 함유 금 합금 미세 와이어에 있어서,
    상기 금 합금은 금 및 0.6 내지 2 중량%의 니켈로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  2. 반도체 소자를 접속하기 위한 니켈 함유 금 합금 미세 와이어에 있어서,
    상기 금 합금은 0.1 내지 2 중량%의 니켈, 0.0001 내지 0.1 중량%의 알칼리 토금속 및 희토류 금속 중 적어도 1개의 원소, 잔여가 금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금 합금의 니켈 함량은 0.7 내지 1.5 중량%인 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 금 합금의 알칼리 토금속 또는 희토류 금속 함량은 0.001 내지 0.01 중량%인 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금 합금은 추가적으로 0.1 내지 1.0 중량%의 백금, 팔라듐 또는 백금 및 팔라듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 알칼리 토금속은 베릴륨, 마그네슘 또는 칼슘인 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 희토류 금속은 세륨인 것을 특징으로 하는 미세 와이어.
  8. 반도체 소자를 접속하기 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 니켈 함유 금 합금 미세 와이어의 제조 방법에 있어서,
    상기 금 합금을 용융하고, 상기 용융된 금 합금을 스트랜드로 주조하며, 상기 스트랜드를 본딩 목적에 따른 통상의 직경을 갖는 와이어로 인발한 다음, 이를 어닐링하는 것을 특징으로 하는 미세 와이어의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    용융된 상기 금 합금은 원형의 횡단면을 갖는 스트랜드로 성형되는 것을 특징으로 하는 미세 와이어의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 미세 와이어는 300 내지 700 ℃범위에서 어닐링되는 것을 특징으로 하는 미세 와이어의 제조 방법.
  11. 와이어 본딩을 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 니켈 함유 금 합금 미세 와이어의 사용 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 와이어 본딩은 고주파 적용하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 와이어의 사용 방법.
  13. 플립 칩 기술에 있어서 반도체 소자를 접속하기 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 니켈 함유 금 합금 미세 와이어의 사용 방법.
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