KR100846106B1 - 구리 단결정 선재 및 본딩 와이어에 사용되는 구리 단결정선재를 제조하는 방법 - Google Patents

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박원욱
조은민
이재준
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Abstract

본 발명은 인출구 영역에 적어도 내벽의 일부가 통기성 재질이며, 불활성 가스가 주입된 공간을 사이에 두고 상기 내벽의 바깥을 둘러싸는 외벽을 갖는 원통형 주형 내에, 도가니 내부의 가열 용융된 Cu 용탕을 도입하는 단계와, 상기 불활성 가스가 상기 내벽의 통기성 재질을 통하여, 상기 Cu 용탕에 공급되는 것과 함께 상기 Cu 용탕을 응고하는 단계를 포함하는 가열 주형식 연속주조를 이용하여, Cu 단결정 선재를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 응고 소재의 내부 결함 및 다결정에 의한 표면 산화를 제거할 수 있음은 물론, 누탕을 방지하면서 응고시 일 방향성을 부여할 수 있다.
불활성 가스, 다공성 흑연, 주형, 본딩 와이어, Cu 단결정

Description

구리 단결정 선재 및 본딩 와이어에 사용되는 구리 단결정 선재를 제조하는 방법{A method of manufacturing Cu single crystal wire and Cu single crystal wire for bonding wire}
도 1은 본 발명에 사용된 가열 주형식 수평 연속주조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 지지대가 있는 특수 가공한 다공성 흑연 주형으로서, 도 1(10)의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 사용된 가열 주형식 주형을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명에 따른, 4N 구리를 이용하여 제조된 자유공 볼(Free air ball) 모양을 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명에 따른, 5N 구리를 이용하여 제조된 자유공 볼 모양을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7은 단결정을 성장시키는 일반적인 방법들을 예시적으로 나타낸 도면이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 흑연 도가니 2 : SiC발열체
3 : 냉각수 순환 장치 4 : 냉각수 입구
5 : 냉각수 출구 6 : 급수 온도 측정용 열전대
7 : 배수 온도 측정용 열전대 8 : 핀치 롤
9 : 더미바 10 : 흑연 주형
11 : 칸탈 발열체 12 : 용탕
13 : 가스 분사기 14 : 용탕 표면
15 : 냉각 장치 16 : 레벨러
17 : 블록 18 : 지지대
20 : 외벽(고밀도 흑연) 21B : 가스 재킷(BN cover)
22 : 내벽(다공성 흑연)
본 발명은 Cu계 단결정 선재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가열 주형식 일방향 응고법으로 연속주조된 Cu계 단결정 선재를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재를 제조하는 것에 관한 것이다.
최근 산업의 고도화 및 전자산업의 집적화에 따라, 거의 모든 분야의 제품들이 고정밀화, 고성능화, 극소형화의 방향으로 급속한 진보가 이루어지고 있다. 특히 컴퓨터를 비롯한 전기, 전자기기는 고효율 및 소형, 경량화가 경쟁력의 요체가 되고 있어, 이들 제품에 맞는 본딩 와이어의 연구가 전 세계적으로 활발하게 추진되어 일부는 이미 실용화되고 있다.
종래에는 Au계 본딩 와이어를 이용하여 반도체의 칩(Chip)과 리드 프레임을 연결하였지만, 최근에는 Au의 원자재 값의 상승으로 인하여 원자재 공급의 차질 및 원가 상승에 큰 문제점으로 간주되고있다.
이를 대체하기 위하여, Cu계 본딩 와이어의 연구가 활발히 이루어지고 있다. Cu계 본딩 와이어의 가장 큰 단점으로서는 낮은 본딩력과 표면 산화 문제이다. 이 중에서 표면 산화 문제에 의하여 Cu계 본딩 와이어의 시장 점유율은 1%에 지나고 있지 않다.
한편, 전자장치의 본딩 와이어에는 매우 가늘은 극세선이 사용된다. 이러한 세선은 양호한 품질의 주괴로부터 얻어진다. 즉, 주괴 내부에 거시 편석, 기포 등이 없어야 한다.
이러한 주괴를 제조하는 방법으로서, 연속주조가 사용되고 있으며, 그 중에서도 냉각 주형식 연속주조방법은 주형이 냉각수 순환장치에 의해 냉각되기 때문에, 주형 벽면상에서 우선 안정한 응고 각이 형성되어 주형벽으로부터 중심부를 향해 수직으로 성장한 주상정이 발달하며, 주괴의 중심부에는 수축 공, 기포 등이 발생하거나 거시 편석을 일으키는 문제가 생겼다.
또한, 냉각 주형식 연속주조방법으로 고순도 Cu 선재 및 합금을 인출할 경우, 인출방향과 수직한 그레인(grain)을 가진 다결정으로 인발이 되어 기계적 특성에 한계를 가짐으로써, 50㎛이하의 직경으로 인발하는 것이 어려웠다.
이러한 단점을 보완할 수 있는 연속주조방법으로는 가열 주형을 이용하는 방법이 고려될 수 있으며, 국내외에서 이미 많은 연구가 진행되고 있다.
가열 주형식 연속주조방법은 주형 내벽을 용탕 온도 이상이 되도록 유지시켜서 주형 벽면상에서의 응고 핵 생성을 억제하고, 응고가 주형의 후단 부위인 인출구 선단부에서 이루어지도록 제어하는 방법이다. 이러한 방식은 내부에 수축 공이나, 기포 등이 발생하지 않는 일 방향 응고재를 얻을 수 있지만, 가열 주형을 이용한 일 방향 응고법 또한 금속 용탕의 응고 및 주조 속도가 매우 느리고, 표면에 산화막이 형성될 뿐만 아니라, 조업 중에 누탕되는 사례가 많아 생산성이 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, Cu의 표면 산화 문제를 해결하기 위하여, 가열 주형식 연속주조방법에 불활성 가스를 주입함으로써 용융 금속과 주형 및 외부 산소와의 반응을 배제하고, 이에 의해 응고 조직이 일 방향성인 Cu 단결정 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, Cu 단결정 선재의 단락을 방지하고, 방향성 응고재의 길이를 제한 없이 연속적으로 얻는 것을 목적으로 한다.
또한, 가열 주형식 연속 주조시에, 주조 속도, 응고 계면 및 용탕온도를 조절하여 Cu를 단결정으로 성장시키고, 상기 성장된 Cu를 본딩 와이어용으로 사용하는 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 인출구 영역에 적어도 내벽의 일부가 통기성 재질이며, 불활성 가스가 주입된 공간을 사이에 두고 상기 내벽의 바깥을 둘러싸는 외벽을 갖는 원통형 주형 내에, 도가니 내부의 가열 용융된 Cu 용탕을 도입하는 단계와, 상기 불활성 가스가 상기 내벽의 통기성 재질을 통하여, 상기 Cu 용탕에 공급되는 것과 함께 상기 Cu 용탕을 응고하는 단계를 포함하는 가열 주형식 연속주조를 이용하여, Cu 단결정 선재를 제조하는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 용융 Cu의 일방향 응고에 의해 본딩 와이어에 사용되는 Cu 단결정 선재를 제조하는 방법에 있어서, 용융 Cu를 제공하는 단계와, 상기 용융 Cu를 일방향 응고에 의해 단결정으로 성장시키는 단계 및 상기 성장된 단결정을 인발하는 단계를 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 Cu 단결정은 가열 주형식 일방향 응고에 의하여 성장되며, 상기 용탕의 온도는 1000 내지 1300℃이고, 상기 인발 속도는 10mm/min 내지 100mm/min이며, 응고 계면은 주형의 끝단에서 30mm이내인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 Cu 단결정으로의 성장은, 가열 주형식 연속 주조 방법을 이용하며, 주형의 인출구 측으로 불활성 가스를 주입시켜 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 단결정 성장법에 의해 성장된 Cu 단결정을 본딩 와이어용으로 사용하는 Cu 단결정 선재를 제공한다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 전형적인 가열 주형식 수평 연속주조 장치의 개략도이다. 본 발명은 이 장치를 이용하여 연속주조방법을 수행한다. 그러나, 본 발명은 기존의 가열 주형식 연속주조방법과는 달리 주형(10) 내부에서 고액계면을 유지하면서 100㎜/min 이상의 높은 속도로 연속주조한다. 종래의 가열 주형식 연속주조방법으로 고순도 금속 및 합금을 인출할 경우에는, 응집력이 약하여 누탕 및 선재의 단락을 유발시켜 느린 주조 속도로 인하여 생산성이 저하되는 문제가 생긴다.
하지만 본 발명에 따른 개량형 가열 주형식 연속주조방법은 도 2 및/또는 도 3에 나타낸 바와 같이 원통형 주형(10)을 사용한다. 여기에서, 도 2는 본 발명에 따른 지지대가 있는 주형으로서, 도 1의 주형(10)을 개략적으로 확대해서 나타낸 것이다. 이 주형(10)은 인출구 영역에 적어도 내벽(22)의 일부가 통기성 재질로 되어 있으며, 불활성 가스가 주입되는 공간(21A)을 사이에 두고 바깥을 둘러싸고 있는 외벽(20)으로 구성되어 있다. 통기성 재질은 바람직하게는, 다공성 흑연이다.
주형(10)의 내벽(22)을 다공성 흑연으로 제조하는 이유는, 다공성 흑연의 경우에 불활성 가스가 주형(10) 내부의 응고 계면 부근으로 주입되므로 고온으로 인한 산화를 방지할 수 있으며, 비교적 빠른 속도로 냉각할 수도 있고, 흑연 주형(10)과 주형(10) 내부를 통해 유입되는 용탕(12)의 반응에 의한 주형(10) 내부의 표면 손상을 줄일 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 가열 주형식 연속 주조를 이용하여 Cu 단결정 선재를 제조하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 도가니 내부에서 가열 용융된 Cu 용탕을, 인출구 영역에 적어도 내벽의 일부가 통기성 재질이며, 불활성 가스가 주입되는 공간을 사이에 두고, 내벽의 바깥을 둘러싸는 외벽을 갖는 원통형 주형 내에 도입한다.
그 다음, 불활성 가스가 주형(10) 끝단의 내벽(22)과 외벽(20) 사이의 빈 공간(21A)에 주입한다. 빈 공간(21A) 안으로 채워진 불활성 가스가 통기성 재질, 바람직하게는 다공성 흑연을 통하여 주형(10) 내부로 주입된다. 불활성 가스가 내벽의 다공성 흑연 재질(통기성)을 통하여, 도입되는 Cu 용탕(12)에 공급되면서, 용융 Cu를 일방향 응고에 의해 Cu 단결정으로 성장시킨다.
즉, 주형(10) 내부에서 응고 계면이 형성되더라도, 주형(10)의 다공성 흑연으로 된 주형(10)의 내벽(22) 두께를 관통하는 수많은 기공들을 통하여 불활성 가스가 주형(10) 내벽(22)의 안쪽으로 일정한 압력으로 스며들어 용탕(12)과 주형(10)과의 계면에 주입되고, 이러한 구조의 주형(10)에 의해 Cu 용탕(12)과 주형(10)과의 화학 반응을 제거할 수 있어서 평활 미려하며 방향성을 가진 단결정 선재를 제조하는 것이 가능해진다.
따라서, 응고 계면을 주형(10) 내 끝 부분으로 유지하면서, 다공성 흑연 주형(10)을 통해 불활성 가스를 잠입하여 주형(10)과의 반응을 배제시키고, 주형(10) 내부에 응고 계면이 있을 때에 핵이 형성되므로, 주형(10)과 반응하는 종래의 문제 없이, 인출 속도, 응고 계면 및 용탕(12) 온도의 조절에 고순도의 Cu 단결정 선재를 얻을 수 있다. 고순도의 Cu 단결정 선재는 본딩 와이어용으로 적합하다.
또한, 본 발명에서는 가열 주형식 연속주조방법에 있어서, 응고재의 인출 속도에 따라 간혹 응고 계면이 주형(10) 밖을 벗어나는 단선과 누탕이 일어날 수 도있으므로, 이러한 문제들을 해결하기 위해 하단에 지지대(18)가 연장 형성되어 있 어서, 인출되는 Cu를 하방에서 지지하는 형태의 주형(10)을 사용할 수 있다.
지지대(18)가 연장 형성되어 있음으로써, 선재가 완전히 응고되지 않더라도 선재의 단락을 방지할 수 있으며, 누탕(용탕의 breakout)을 방지할 수 있다.
그 후, 주형(10)의 인출구를 통해 인출되는 선재의 응고 계면 및 인출 속도를 적절히 조절하여 결정을 일 방향 성장시킨다.
이렇게 성장을 하던 결정들 중에 우선 성장 방위를 가진 결정(인출방향과 수평한 방향성)이 다른 결정들을 잠식해갔고, 이러한 경쟁 성장에 의해 몇 개의 결정들만 남아서 방향성 성장을 하고, 표면이 평활하고 미려한 Cu 단결정 선재를 제조하였다. 또한, Cu 단결정을 50㎛이내의 직경으로 인발하여, 이를 본딩 와이어용으로 사용하는 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재를 제조하였다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
(실시예)
본 발명에 따라 특수 가공된 가열 주형(10)을 갖는 연속주조장치를 이용하여, 다음과 같은 방법으로 Cu 단결정 선재 및 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재를 제조하였다.
먼저, 4N(99.99%), 5N(99.999%)의 고순도 구리를 흑연 도가니(1)에 장입한 후, SiC 발열체(2)를 사용하여 가열하였다. 용탕(12)의 온도는 1000℃ 내지 1300℃ 바람직하게는, 1150℃ 내지 1200℃로 유지하였으며, 용탕(12)을 보호하기 위한 가 스로서 Ar을 흘려 주었다.
또한, 칸탈 발열체(11)를 사용하여 특수 가공된 흑연 주형(10)을 가열하였으며, 주형(10)의 온도는 주형(10)의 내부에 K-type 열전대를 삽입하여 온도를 측정하였다. 그리고 주형(10) 끝단은 수냉시켜 온도 편차를 크게 유지시켜 주었으며, 특히 열 충격이 주형(10)에 심하게 가해지지 않도록 주의하였다.
고순도의 구리 합금(4N, 5N)이 녹은 후에, 더미바(9)를 흑연 도가니(1) 내부 15mm까지 넣고, 압력을 걸어주기 위하여 레벨러(16)를 최대한 내려서 블록(17)을 흑연 도가니(1) 바닥까지 내린 후, 용탕(12)의 높이(14)가 흑연 주형(10)보다 50mm 이상 높게 하였다.
용탕(12)의 높이(14)가 올라가면 핀치롤(8)을 사용하여 더미바(9)를 10mm/min 내지 100mm/min의 속도로, 바람직하게는 10mm/min 내지 30mm/min의 속도로 선재를 인출하면서, 흑연 주형(10)의 각 부위의 온도를 측정하였다.
가장 큰 변수로는 인출 속도(주조 속도), 응고 계면, 용탕(12) 온도이며, 세 가지 변수에 따라 단결정 또는 다결정의 Cu 선재가 인발되었다. 본 발명에서는 단결정의 주조 조건을 확립하여 본딩 와이어용 고순도의 Cu 단결정 선재를 인출하였다.
단결정의 주조속도는 10mm/min 내지 100mm/min, 바람직하게는 10mm/min 내지 30mm/min이며, 응고 계면은 주형(10) 끝단에서 30mm이내이며, 용탕(12)의 온도는 1000 내지 1300℃, 바람직하게는 1150 내지 1200℃이다.
단결정 선재를 50㎛ 이하의 직경, 바람직하게는 25㎛ 내지 50㎛의 직경으로 인발하여 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재(4N)로 제조하였다. 한편, 일반적인 주형을 갖는 연속주조장치를 이용하여 본딩 와이어용 Cu 다결정 선재를 50㎛의 직경으로 인발하였고, 이하에는 이에 의해 얻어진 Cu 선재를, 본 발명과 대조하기 위한 대조군으로 칭하였다. 본 발명에 따라 얻어진 Cu 선재 및 대조군의 연신율 및 항복강도를 측정하였다.
표 1은 본 발명에 따른 Cu 단결정 선재(4N)와 대조군과의 비교를 나타내었다
결정 상태 크기 연신율(E/L) 항복강도(B/L)
본 발명 단결정 2.0mil 19 내지 21 47 내지 52
대조군 다결정 2.0mil 18 내지 19 40 내지 43
상기한 바에 의하면, 본 발명에 따른 Cu 선재는 단결정으로 제조되었으나, 대조군은 다결정으로 제조되었다. 또한 본 발명의 연신율 및 항복강도에 있어서도, 대조군보다 향상된 결과를 확인할 수 있었다.
상기와 같은, 향상된 항복강도 및 연신율 특성을 갖는 본딩 와이어는 반도체 칩과 리드 프레임을 접합할 경우, 실리콘 소자를 파손시키는 단점을 보완할 수 있으며, 그 주물의 내부 품질에 있어서도 매우 우수하다.
한편, 도 4a는 본 발명에 따른, 4N 구리를 이용하여 제조된 자유공 볼(Free air ball) 모양을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명에 따른 5N 구리를 이용하여 제조된 자유공 볼 모양을 나타낸 도면이다. 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이, 본딩 와이어의 끝단(ball)은 거의 완전한 구형의 형태를 보이고 있다. 본딩 와이어에 있어서, 끝단이 구형의 형태일수록, 칩과 리드 프레임을 연결할 때, 접촉성(접합력)이 좋아진다.
본 발명에 따른 본딩 와이어의 끝단인 자유공 볼과, 와이어 자체의 경도를 비커스 경도기로 측정하여 그 결과를, 이하의 표2에 나타내었다.
자유공 볼(HVpl) 와이어(HVpl)
4N-Cu계 본딩 와이어 59.31 65.07
5N-Cu계 본딩 와이어 57.66 72.08
상기와 같은 경도 특성을 갖는 본 발명에 따른 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재는, 종래의 Cu 본딩 와이어가 높은 경도를 갖기 때문에, 반도체 칩에 크랙, 크레이터(cratering) 등의 데미지가 발생하여 사용하지 못했던 문제를 해결할 수 있다. 또한, 이에 의해 본 발명에 따른 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재는 단선을 예방하고, 연성이 좋기 때문에 쉽게 깨지지도 않는다. 따라서, 품질이 양호하여 본딩 와이어용에 적합한 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은 상기의 실시예에 의해 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 Cu 단결정은 일반적인 주조 방법에 의해 생산될 수 있으며, 이에 의해 생산된 단결정을 본딩 와이어에 적용시키는 것을 또한 포함한다.
가열 주형식 연속주조 방법이 아닌, 냉각 주형식 연속주조 방법을 적용하더라도 특수 가공된 주형에 의해 주형의 인출구 측으로 불활성 가스를 주입하여 용탕과 주형과의 반응성을 배제할 수 있거나, 또는 주조 방법시에 주조 속도, 응고 계면 및 용탕의 온도 등을 조절하여, 25㎛ 내지 50㎛의 직경으로 단결정 선재를 인발하면서, 고순도의 단결정으로 성장시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 일반적인 주조 방법을 사용하여 Cu 단결정을 제조하는 것 외에, 일반적으로 단결정을 성장시키는 방법, 예를 들면, 초크랄스키법, 플로팅 존 법, 액체캡슐법, 냉각 도가니법, 경사 냉각법, 수평-수직 브릿지만법 등에 의해 25 내지 50㎛의 직경을 갖는 Cu 단결정을 성장시키고, 이렇게 성장된 Cu 단결정을 본딩 와이어 용으로 사용하는 Cu 단결정의 용도를 포함한다. 그러나, 상기한 단결정 성장법들은 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 상세한 설명은 생략하였고, 상기의 Cu 단결정을 성장시키는 방법들을 예시적으로, 도 5 내지 도 7에 나타내었다.
본 발명에 따른 가열 주형식 연속주조방법을 이용하여, 인출 방향과 동일한 일 방향성을 부여하고, Cu 단결정 선재를 인발하여 인발 공정시 50㎛의 이하의 직경을 갖도록 할 수 있으며, 본딩 와이어용 고순도의 Cu 선재 및 합금을 인출할 경우에는 반응성이 높아서 대기에서 표면이 쉽게 산화 및 변색이 이루어지는데, 이러한 문제도 극복할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 본딩 와이어용 Cu 단결정 선재는, 향상된 항복강도 및 연신율 특성을 갖기 때문에, 반도체 칩과 리드 프레임을 접합할 경우, 실리콘 소자를 파손시키지 않으면서도, 내부 품질이 우수하다.

Claims (5)

  1. 가열 주형식 연속주조를 이용하여, Cu 단결정 선재를 제조하는 방법에 있어서,
    인출구 영역에 적어도 내벽의 일부가 통기성 재질이며, 불활성 가스가 주입된 공간을 사이에 두고 상기 내벽의 바깥을 둘러싸는 외벽을 갖는 원통형 주형 내에, 도가니 내부의 가열 용융된 Cu 용탕을 도입하는 단계; 및
    상기 불활성 가스가 상기 내벽의 통기성 재질을 통하여, 상기 Cu 용탕에 공급되는 것과 함께 상기 Cu 용탕을 응고하는 단계를 포함하는 가열 주형식 연속주조를 이용하여, Cu 단결정 선재를 제조하는 방법.
  2. Cu 용탕으로 부터 반도체 디바이스를 본딩하기 위한 Cu 본딩 와이어를 제조하는 방법에 있어서,
    Cu 용탕을 제공하기 위하여, 고순도 구리를 가열 용융하는 단계;
    내벽의 일부가 통기성 재질인 원통형 주형의 인출부 둘레를 통하여 불활성 가스를 용융된 상기 Cu 용탕의 표면에 주입시키면서, 용탕의 온도, 주조 속도 및 응고 계면을 조절함으로써, 상기 Cu 용탕을 일방향 응고에 의해 단결정 선재로 연속 주조하는 단계; 및
    상기 단결정 선재를 50㎛ 이내의 직경으로 인발하는 단계를 포함하는 Cu 본딩 와이어 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 Cu 단결정은 가열 주형식 일 방향 응고에 의하여 성장되며, 상기 용탕의 온도는 1000 내지 1300℃이고, 상기 주조 속도는 10mm/min 내지 100mm/min이며, 상기 응고 계면은 상기 주형의 끝단에서 30mm이내인 것을 특징으로 하는 Cu 본딩 와이어 제조방법.
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