KR100796570B1 - 본딩용 금합금 세선 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 본딩용 금합금 세선은 순도 99.999% 이상의 Au, 5ppm 내지 25ppm의 Sm, 5ppm 내지 25ppm의 Dy, 및 5ppm 내지 25ppm의 Yb를 포함하고, Sm, Dy 및 Yb의 첨가량의 합은 20ppm 내지 45ppm이다.
본딩, 와이어, 금합금, 세선

Description

본딩용 금합금 세선{Gold alloy wire for bonding of semiconductor device}
도 1 내지 도 3은 리드와 본딩 와이어 계면의 광학현미경 이미지이다.
본 발명은 본딩용 금합금 세선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강도 및 전기적 특성이 우수한 반도체 소자의 와이어 본딩용 금합금 세선에 관한 것이다.
반도체 소자의 본딩 와이어는 반도체 칩과 리드프레임 사이를 연결하는 반도체 구조재료 중의 하나로서, 우수한 강도 특성을 가져야 한다.
또한, 반도체 소자의 본딩 와이어는 패키지 내부에서 외부로 통하는 리드 프레임과 IC칩과의 가교 역할을 수행한다. 따라서 상기한 본딩 와이어는 IC칩과의 연결을 위한 미세회로의 선폭이 확보 되어야 하며, 전기적 신호 등을 완벽하게 전달할 수 있도록 하기 위해 높은 전기 전도도를 가져야 한다.
이러한 특성을 만족시키기 위해 반도체 소자의 본딩 와이어는 금합금의 세선으로 이루어 질 수 있다.
순수한 금은 그 전기적 특성이 우수하지만, 강도가 낮은 단점이 있다. 따라서 본딩 와이어의 강도를 높이기 위해 미량의 합금 원소(dopant)를 첨가하게 되는 데, 이러한 미량의 합금 원소는 본딩 와이어 제품의 특성을 결정짓는 중요한 요소가 된다.
일반적으로 합금 원소를 많이 첨가하면 본딩 와이어의 강도는 향상되나, 비저항이 증가하여 전기 전도도가 저하된다.
이와 같이, 종래의 반도체 소자의 본딩용 금합금 세선은 높은 강도와 우수한 전기적 특성을 모두 만족하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 전기 전도도가 높으면서도 강도가 우수한 금합금 세선을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 본딩용 금합금 세선은 순도 99.999% 이상의 Au, 5ppm 내지 25ppm의 Sm, 5ppm 내지 25ppm의 Dy, 및 5ppm 내지 25ppm의 Yb를 포함하고, Sm, Dy 및 Yb의 첨가량의 합은 20ppm 내지 45ppm이다.
또한, 금합금 세선 총 중량에 대하여 Cu, Pt, Be, Ce 및 Nd 각각을 5ppm 내지 15ppm, Ca를 5ppm 내지 50ppm 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 금합금 세선에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 금합금 세선은 높은 전기 전도도를 유지하기 위하여 순도 99.999% 이상의 Au를 사용한다.
도펀트로 첨가되는 Sm, Dy 및 Yb는 본딩용 금합금 세선의 인장강도를 향상시 키고, 연화온도를 높여 열적 안정성을 증가시키며, 볼 형성 시에 열에 의한 결정립 조대화를 방지하는 효과가 있다. 이러한 효과는 Ca와 함께 첨가되었을 경우 더욱 증대된다.
다만, Sm, Dy 및 Yb 중 하나의 원소가 5ppm미만으로 첨가되는 경우, 상기한 효과를 충분하게 얻을 수 없으며, 각각의 첨가량이 25ppm을 넘는 경우, 본딩용 금합금 세선의 접합성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 Sm, Dy 및 Yb는 본딩용 금합금 세선의 총 중량에 대하여 각각 5 내지 25ppm 첨가된다.
또한, Sm, Dy 및 Yb 첨가량의 합이 20ppm 미만인 경우에는 본딩용 금합금 세선의 상온 및 고온 강도의 향상효과가 적으며, 45ppm을 넘는 경우에는 본딩용 금합금 세선의 접합성이 저하된다.
따라서 Sm, Dy 및 Yb 첨가량의 합은 20ppm 내지 45ppm이 된다.
Ca가 5ppm미만으로 첨가되는 경우에는 상기한 Sm, Dy 및 Yb의 첨가효과를 강화시키는 효과를 충분하게 얻을 수 없으며, 첨가량이 50ppm을 넘는 경우에는 방전에 의하여 형성된 프리에어볼(free air ball, FAB)의 아래 부분이 찌그러지는 딤플(dimple) 현상이 일어나 진구 형성이 어렵게 되고, 볼의 표면에 산화피막이 형성되므로 칩패드와의 용융접합이 취약하게 된다.
따라서 Ca는 5 내지 50ppm 첨가된다.
또한, Cu, Pt, Be, Ce, 및 Nd는 본딩용 금합금 세선의 강도를 향상시키기 위해 첨가된다.
그런데, 이들 원소들이 5ppm미만으로 첨가되는 경우에는 강도 향상의 효과를 충분하게 얻을 수 없으며, Pt, Be, Ce, 및 Nd가 15ppm 넘게 첨가되는 경우에는 비저항이 높아지는 문제가 있다.
한편, Cu가 15ppm넘게 첨가되는 경우에는 본딩용 금합금 세선의 프리에어볼이 산화되는 문제가 발생할 수 있다.
이하, 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실험예
본 발명의 실험예 1 내지 8에서는 금의 순도가 99.999% 이상인 정련금을 사용하고, 첨가원소로서 Sm, Dy, Yb, Cu, Pt, Be, Ca, Ce, Nd를 사용하여 표 1에 나타난 바와 같은 조성으로 배합한 다음, 연속주조기에서 용해주조하고 일련의 가공공정을 거쳐 25㎛의 최종선경으로 금합금 세선을 제조하였다. 이를 대기분위기 중의 연속 소둔로에서 4∼6 %의 연신율을 갖도록 열처리하였다.
비교예
첨가원소의 중량%를 제외하고 실험예와 동일하게 금합금 세선을 제조하였다. 비교예 1 내지 6에는 Sm, Dy, Yb를 첨가하지 않았으며, 비교예 7 내지 9에는 Sm, Dy, Yb를 본 발명에 따른 실험예보다 더 많이 첨가하였다. 각 비교예에서 첨가되는 원소의 성분 함량을 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112006059755180-pat00001
상기와 같은 각각의 실험예 및 비교예의 금합금 세선에 대하여 상온 및 고온 강도, 비저항, 접합성을 측정하였다.
상온 및 고온강도는 각 실험예 및 비교예별로 시료를 채취하고 인장시험기(TENSILON RTC-1150A)를 사용하여 표점거리 254 mm, 인장속도 25 mm/min로 5회 측정한 평균값이다. 특히, 고온강도는 250℃에서 20초간 유지한 후 그 상태에서 측정한 평균값으로 표시하였다.
접합성은 스티치(stitch) 본딩에서 리드와 본딩 와이어 계면을 광학현미경으로 관찰하여 평가하였다.
도 1 내지 도 3은 리드 측의 스티치(stitch) 본딩에서 리드와 본딩 와이어 사이의 계면 이미지이다.
도 1과 같이 계면에 결함이 없는 것을 ◎표로 평가하였으며, 도 2와 같이 계면에 약간의 결함이 발생한 것을 △표로 평가하였고, 도 3과 같이 상대적으로 큰 결함이 발생한 것을 ×표로 평가하였다.
표 2는 각각의 실험예 및 비교예의 금합금 세선에 대하여 상온 및 고온 강도, 비저항, 접합성을 측정한 결과를 나타낸다.
Figure 112006059755180-pat00002
표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 조성 범위를 만족하는 실험예 1 내지 8의 경우에는 상온 강도 및 고온 강도, 비저항, 및 접합성 특성이 우수한 것으로 나타났다.
그러나 Sm, Dy 및 Yb가 첨가되지 않거나 부족하게 첨가된 비교예 1 내지 6, 10, 12, 및 13의 경우에는 상온 및 고온 강도가 실험예들에 비해 낮게 나타났다.
또한, Sm, Dy 및 Yb가 과다하게 첨가된 비교예 7 내지 9 및 11의 경우에는 상온 및 고온 강도는 실험예보다 높았다. 그러나 강도가 지나치게 높아 본딩 시 패드부분에 손상이 발생하여 계면에 결함이 발생하였다.
즉, 상술한 바와 같이, 이러한 원소가 과다 첨가됨에 따라 접합성이 저하되었다.
또한, 비교예 2, 5, 8, 9, 및 11 내지 13의 경우에는 비저항이 상대적으로 높게 나타나 전기적 특성이 좋지 않았다.
이와 같이, 본 발명의 조성 조건을 만족하는 실험예들의 경우, 상온 및 고온 강도, 비저항 및 접합성이 모두 우수한 것으로 나타났다.
상기한 바와 같이 본 발명의 본딩용 금합금 세선에 따르면 상온 및 고온 강도가 우수하며, 비저항이 낮아 전기적 특성이 우수하고, 접합성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 순도 99.999% 이상의 잔부 Au, 금합금 세선 총 중량에 대하여 5ppm 내지 25ppm의 Sm, 금합금 세선 총 중량에 대하여 5ppm 내지 25ppm의 Dy, 및 금합금 세선 총 중량에 대하여 5ppm 내지 25ppm의 Yb를 포함하고,
    금합금 세선 총 중량에 대하여 Ca를 5ppm 내지 50ppm 포함하고,
    금합금 세선 총 중량에 대하여 Cu, Pt, Be, Ce 및 Nd 각각을 5ppm 내지 15ppm 포함하고,
    상기 Sm, Dy 및 Yb 첨가량의 합이 금합금 세선 총 중량에 대하여 20ppm 내지 45ppm이 되어 상온 경도가 13.2 이상이고 250℃에서의 고온 강도가 11.1 이상이고 계면 결함이 없는 본딩용 금합금 세선.
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CN112981165A (zh) * 2021-02-06 2021-06-18 贵研铂业股份有限公司 用作轻负荷电接触材料的金铜钆合金、丝材及其制备方法

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