KR101018218B1 - Wire bonding structure and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 와이어 본딩 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 제1 및 제2 전극 패드가 금속 와이어에 의해 전기적으로 연결된 와이어 본딩 구조체에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 패드 중 적어도 하나의 상면에 형성된 도전성 접합물질층 및 상기 도전성 접합물질층에 의해 상기 제1 및 제2 전극 패드 중 적어도 하나와 접합 되도록 상기 도전성 접합물질층 상에 형성되며 상기 금속 와이어와의 본딩 영역을 구비하는 개재층을 포함하는 와이어 본딩 구조체를 제공한다.The present invention relates to a wire bonding structure and a method of manufacturing the same, and an aspect of the present invention provides a wire bonding structure in which first and second electrode pads are electrically connected to each other by metal wires. A bonding region formed on the conductive bonding material layer to be bonded to at least one of the first and second electrode pads by the conductive bonding material layer and the conductive bonding material layer formed on at least one of the upper surfaces of the conductive bonding material layer. Provided is a wire bonding structure including an intervening layer to be provided.
본 발명에 따르면, 신뢰성이 향상되어 고전력, 고온 등의 환경에서 사용하기에 적합한 와이어 본딩 패키지 및 그 제조방법을 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to obtain a wire bonding package suitable for use in an environment of high power, high temperature, and the like, and improving its reliability.
와이어, 본딩, 전극 패드, 금속간 화합물, 알루미늄 Wire, bonding, electrode pad, intermetallic compound, aluminum
Description
본 발명은 와이어 본딩 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신뢰성이 향상되어 고전력, 고온 등의 환경에서 사용하기에 적합한 와이어 본딩 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wire bonding structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a wire bonding package suitable for use in an environment such as high power and high temperature due to improved reliability.
반도체 패키지에서 와이어 본딩은 반도체 집적회로 칩과 기판 또는 기판과 기판 간의 전기적 연결을 위해 이용된다.Wire bonding in semiconductor packages is used for electrical connections between a semiconductor integrated circuit chip and a substrate or between the substrate and the substrate.
도 1은 일반적인 와이어 본딩 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 와이어 본딩 구조는 제1 및 제2 기판(101, 102) 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 전극 패드(103a, 103b)를 금속 와이어(104)로 본딩함으로써 양자를 전기적으로 연결한 구조이다. 이 경우, 상기 제1 기판(101)은 주된 기능을 수행하는 PCB 또는 세라믹 기판으로서 그 위에는 반도체 집적회로 칩(105)이 실장되며, 상기 제1 전극 패드(103a)에 의해 전원이 공급될 수 있다. 상기 제2 기판(102)은 외부 전원과 연결되는 커넥터일 수 있다.1 is a cross-sectional view showing a general wire bonding structure. Referring to FIG. 1, the conventional wire bonding structure bonds the first and
일반적인 전극 패드(103a, 103b)는 하지 금속인 Cu층 상에 도금을 통해 Ni/Au층을 형성함으로써 얻어질 수 있으며, 이와 달리, Ag 또는 AgPd 페이스트류를 소성하여 얻어질 수도 있다. 이 경우, 전자의 구조(Cu/Ni/Au)는 상기 금속 와이어(104)로서 알루미늄 와이어를 사용할 시 본딩 영역에서 계면 열화가 발생하여 본딩 특성이 저하될 수 있다. 또한, Cu는 공기중에서 쉽게 환원되므로, 환원 분위기에서 소성해야하는 문제가 있다. 후자의 구조(Ag 또는 AgPd)는 전기적 특성(전기전도도) 및 물리/화학적 특성이 온도 및 습도에 따라 크게 변화되어 신뢰성이 높지 않은 문제가 있다. The
최근에는 고전력, 고온 등의 가혹한 환경(자동차 등)에서 반도체 패키지를 사용이 요구되는 경우가 증가하고 있으며, 이러한 환경에서는 특히 기계적·열적·화학적 신뢰성이 매우 중요하다. 따라서, 당 기술 분야에서는 와이어 본딩의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안이 요구된다.Recently, the use of semiconductor packages is increasingly required in harsh environments such as high power and high temperature, such as automobiles, and mechanical, thermal, and chemical reliability are particularly important in such environments. Therefore, there is a need in the art for a method for improving the reliability of wire bonding.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 신뢰성이 향상되어 고전력, 고온 등의 환경에서 사용하기에 적합한 와이어 본딩 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a wire bonding package suitable for use in the environment of high power, high temperature and the like and improved manufacturing method.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,In order to achieve the above object, one aspect of the present invention,
제1 및 제2 전극 패드가 금속 와이어에 의해 전기적으로 연결된 와이어 본딩 구조체에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 패드 중 적어도 하나의 상면에 형성된 도전성 접합물질층 및 상기 도전성 접합물질층에 의해 상기 제1 및 제2 전극 패드 중 적어도 하나와 접합 되도록 상기 도전성 접합물질층 상에 형성되며 상기 금속 와이어와의 본딩 영역을 구비하는 개재층을 포함하는 와이어 본딩 구조체를 제공한다.A wire bonding structure in which first and second electrode pads are electrically connected by metal wires, the first and second electrode pads comprising: a conductive bonding material layer formed on an upper surface of at least one of the first and second electrode pads; A wire bonding structure is formed on the conductive bonding material layer to be bonded to at least one of the first and second electrode pads, the wire bonding structure including an intervening layer having a bonding area with the metal wire.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 금속 와이어와 상기 개재층은 서로 동일한 물질로 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal wire and the intervening layer may be made of the same material.
또한, 상기 금속 와이어는 알루미늄 와이어인 것이 바람직하며, 상기 개재층은 알루미늄, 니켈 및 구리로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the metal wire is preferably an aluminum wire, it is preferable that the intervening layer comprises at least one material selected from the group consisting of aluminum, nickel and copper.
바람직하게는, 상기 개재층은 상기 금속 와이어와의 본딩 영역에서 상기 금 속 와이어를 이루는 물질과 금속간(intermetallic) 화합물을 형성하지 않는 금속 물질로 이루어질 수 있다.Preferably, the interlayer may be made of a metal material that does not form an intermetallic compound with the material forming the metal wire in the bonding region with the metal wire.
한편, 상기 도전성 접합물질층은 솔더층 또는 도전성 에폭시층인 것일 수 있다.Meanwhile, the conductive bonding material layer may be a solder layer or a conductive epoxy layer.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 패드는 서로 다른 기판 상에 형성될 수 있다.In addition, the first and second electrode pads may be formed on different substrates.
또한, 상기 개재층은 상기 제1 및 제2 전극 패드 상에 모두 형성된 것일 수 있다.In addition, the interlayer may be formed on both the first and second electrode pads.
본 발명의 다른 측면은,Another aspect of the invention,
기판 상에 제1 및 제2 전극 패드를 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 전극 패드 중 적어도 하나의 상면에 도전성 접합물질층을 형성하는 단계와, 상기 도전성 접합물질층 상면에 금속 물질로 이루어진 개재층을 접합하는 단계 및 상기 제1 및 제2 전극 패드가 전기적으로 연결되도록 금속 와이어를 상기 개재층에 본딩하는 단계를 포함하는 와이어 본딩 구조체 제조방법을 제공한다.Forming first and second electrode pads on a substrate, forming a conductive bonding material layer on an upper surface of at least one of the first and second electrode pads, and forming a metal material on the upper surface of the conductive bonding material layer. Bonding the intervening layer and bonding the metal wire to the interlayer so that the first and second electrode pads are electrically connected to each other.
본 발명에 따르면, 신뢰성이 향상되어 고전력, 고온 등의 환경에서 사용하기에 적합한 와이어 본딩 패키지 및 그 제조방법을 얻을 수 있다.According to the present invention, it is possible to obtain a wire bonding package suitable for use in an environment of high power, high temperature, and the like, and improving its reliability.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체를 나타내는 단면도이며, 도 2b는 도 2b에서 변형된 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체를 나타내는 단면도이다.FIG. 2A is a cross-sectional view showing a wire bonding structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a wire bonding structure according to an embodiment modified in FIG. 2B.
도 2a를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체는 제1 및 제2 전극 패드(203a, 203b)가 금속 와이어(204)에 의해 전기적으로 연결된 구조이다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전극 패드(203a, 203b)를 상기 금속 와이어(204)가 전기적으로 연결함에 있어 상기 제1 전극 패드(203a)와 상기 금속 와이어(204) 사이에 개재층(interposer, 207)이 개재되어 상기 개재층(207)이 상기 금속 와이어(204)의 본딩 영역으로 제공된다. 이와 달리, 상기 제2 전극 패드(203b)에는 직접 상기 금속 와이어(204)가 본딩된다.Referring to FIG. 2A, the wire bonding structure according to the present embodiment has a structure in which the first and
상기 제1 전극 패드(203a)가 형성된 제1 기판(201)은 주된 기능을 수행하는 PCB 또는 세라믹 기판으로서 그 위에는 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 집적회 로 칩(205)이 실장될 수 있으며, 상기 제1 전극 패드(203a)에 의해 상기 반도체 집적회로 칩(205)에 전원이 공급될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 패드(203b)가 형성된 제2 기판(202)은 외부 전원과 연결되는 커넥터일 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(203a, 203b)는 도전성 물질로 이루어지며, 예컨대, 종래 기술에서 사용된 것과 같은 Cu/Ni/Au 등의 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전극 패드(203a, 203b) 도금이나 스크린 인쇄법 등 당 기술 분야에서 공지된 어떠한 공정을 이용하여 형성될 수 있다. The
금속 와이어(204)와 본딩되는 상기 개재층(207)은 상기 금속 와이어(204)와 동일 물질로 채용됨으로써 접합 강도가 향상될 수 있으며, 동일 물질이 아니더라도 상기 금속 와이어(204)를 이루는 물질과 본딩 영역에서 금속간(intermetallic) 화합물을 형성하지 않는 물질을 채용할 수 있다. 예를 들어, Au가 최외곽층에 도금된 전극 패드에 Al 와이어를 바로 본딩할 경우에는 그 계면에서 금속간 화합물이 형성되어 계면 열화가 발생할 수 있다. 이를 고려하여, 상기 개재층(207)은 알루미늄, 구리, 니켈 등을 사용할 수 있다. 이에 따라, 상기 개재층(207)과 상기 금속 와이어(204) 간의 계면 열화가 발생하지 않아 본딩 특성이 향상될 수 있다. The
본 실시 형태의 경우, 상기 개재층(207)은 상기 제1 전극 패드(203a) 상면에 도금이나 스크린 인쇄 등에 의해 형성되지 않고, 상기 제1 전극 패드(203a)와 별개로 형성된 후 도전성 접합물질층(206)에 의해 상기 제1 전극 패드(203a)와 접합될 수 있다. 따라서, 반도체 패키지의 재료, 구조 또는 부품 실장 형태에 따라 상기 개재층(207) 재료를 적절히 선택할 수 있는 장점을 제공한다. 이 경우, 상기 개재층(207)은 솔더층 또는 전도성 에폭시층으로 이루어진 도전성 접합물질층(206)에 의해 상기 제1 전극 패드(203a)와 용이하게 접합될 수 있다. In the present embodiment, the
상기 금속 와이어(204)는 초음파 본딩법 등에 의해 상기 개재층(207) 및 상기 제2 전극 패드(203b)에 본딩되어 상기 제1 및 제2 전극 패드(203a, 203b)를 전기적으로 연결할 수 있으며, 알루미늄 와이어를 바람직하게 사용할 수 있다. 이와 달리, 금속 와이어(204)로서 금이나 구리 등을 사용할 수도 있으며, 일반적으로는 상술한 바와 같이, 상기 개재층(207)과 본딩될 경우 그 본딩 영역에서 금속간 화합물을 형성하지 않는 물질을 채용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 상기 개재층(207)은 상기 제1 전극 패드(203a)와 별도로 형성된 후 접합되는 점에서, 금속 와이어(204) 물질이 결정된 상태에서 상기 개재층(207)의 재료를 상기 조건에 맞도록 적절히 선택할 수 있다. 한편, 본 실시 형태와 달리, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 개재층(207)의 표면(207a, 207b)을 니켈, 금, 알루미늄 등의 금속으로 도금하여 사용할 수 있다.The
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체를 나타내는 단면도이다. 본 실시 형태의 경우, 제1 기판(301) 상에 형성된 제1 전극 패드(303a)에 제1 개재층(307)이 제1 도전성 접합물질층(306)에 의해 접합됨과 더불어, 제2 기판(302) 상에 형성된 제2 전극 패드(303b)에 제2 개재층(309)이 제2 도전성 접합물질층(308)에 의해 접합된 구조이다. 이에 따라, 금속 와이어(304)는 양 단 모두에서 개재층(307, 309)과 본딩 영역을 형성하여 본딩 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 차이 외에 동일한 용어로 나타낸 구성 요소들은 도 2에서 설명한 바와 같다. 한편, 본 실시 형태에서는 2개의 서로 다른 기판에 형성된 전극 패드를 연결하고 있으나, 이와 달리, 하나의 기판 상에 형성된 전극 패드가 금속 와이어에 의해 연결된 구조도 가능한다.3 is a cross-sectional view showing a wire bonding structure according to another embodiment of the present invention. In the present embodiment, the
이하, 상기에서 설명한 와이어 본딩 구조체를 제조하는 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the wire bonding structure described above will be described.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체 제조방법을 설명하는 공정별 단면도이다.4A to 4D are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a wire bonding structure according to an embodiment of the present invention.
우선, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(401) 상에 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b)를 형성한다. 본 발명에서, 상기 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b)는 도전성 물질로 이루어진 어떠한 구조도 가능하지만, 하지 금속인 Cu층 상에 도금을 통해 Ni/Au층을 형성함으로써 얻어질 수 있으며, 이와 달리, Ag 또는 AgPd 페이스트를 소성하여 얻어질 수도 있다. 상기 기판(401)은 PCB 기판이나 세라믹 기판 등으로서 그 위에 실장되는 복합 소자들의 전기적 연결을 위해 와이어 본딩이 요구되는 어떠한 기판도 사용할 수 있다.First, as shown in FIG. 4A, first and
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b)에 각각 제1 및 제2 도전성 접합물질층(403a, 403b)을 형성한다. 상기 제1 및 제2 도전성 접합물질층(403a, 403b)은 본딩 영역으로 제공되는 개재층을 접합시키기 위한 것으로서, 솔더링(soldering) 공정을 이용하거나 상기 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b) 상면에 도전성 에폭시를 도포함으로써 얻어질 수 있다. Next, as shown in FIG. 4B, first and second conductive
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 도전성 접합물질층(403a, 403b)을 이용하여 상기 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b)에 각각 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)를 접합한다. 즉, 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)은 미리 마련된 상태로 상기 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b)에 각각 접합되는 것이다. 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)은 금속 와이어와의 본딩 영역으로 제공되며, 상기 금속 와이어와 동일한 물질을 채용할 수 있다. 따라서, 사용되는 반도체 패키지에 따라 알루미늄 또는 금 와이어가 요구될 시 적절하게 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b) 물질을 선택할 수 있다. 다만, 상술한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)은 금속 와이어와 동일 물질은 아니더라도 금속간 화합물을 형성하지 않는 물질을 채용할 수도 있다. Next, as illustrated in FIG. 4C, the first and
이와 같이, 접합 공정에 의해 상기 개재층(404a, 404b)을 형성함으로써 공정 편의성을 제공할 수 있다. 이를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 도 5 및 도 6은 도 4c에 나타낸 공정을 보다 세분화하여 나타낸 공정별 단면도이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 도전성 접합물질층(403a, 403b)을 형성하 면서 기판(401) 상의 다른 영역에 표면 실장 영역으로 제공되는 제3 도전성 접합물질층(403c)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 개재층(404a, 404b)이 접합되는 과정에서 반도체 집적회로 칩(600) 등도 표면 실장 공정(SMT)에 의해 기판(401)에 실장될 수 있어 공정 편의성이 제고될 수 있는 것이다.In this manner, the convenience of the process can be provided by forming the intervening
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 알루미늄 등으로 이루어진 금속 와이어(405)를 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)에 각각 본딩함으로써 와이어 본딩 구조체를 형성한다. 상기 금속 와이어(405)는 초음파를 이용한 웨지(wedge) 본딩에 의해 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)과 접합될 수 있다. 이와 같이, 상기 금속 와이어(405)는 전극 패드와 직접 접합되지 않으며, 동일 물질이나 금속간 화합물을 형성하지 않는 물질로 적절히 선택되어 상기 제1 및 제2 전극 패드(402a, 402b)에 각각 접합된 상기 제1 및 제2 개재층(404a, 404b)에 본딩됨으로써 고전력, 고온 환경에서 높은 신뢰성을 갖게 될 수 있다.Next, as shown in FIG. 4D, a wire bonding structure is formed by bonding
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited only by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.
도 1은 일반적인 와이어 본딩 구조를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a general wire bonding structure.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체를 나타내는 단면도이며, 도 2b는 도 2b에서 변형된 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체를 나타내는 단면도이다.FIG. 2A is a cross-sectional view showing a wire bonding structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a wire bonding structure according to an embodiment modified in FIG. 2B.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체를 나타내는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing a wire bonding structure according to another embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 와이어 본딩 구조체 제조방법을 설명하는 공정별 단면도이다.4A to 4D are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a wire bonding structure according to an embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6은 도 4c에 나타낸 공정을 보다 세분화하여 나타낸 공정별 단면도이다.FIG. 5 and FIG. 6 are cross-sectional views showing processes by subdividing the process illustrated in FIG. 4C.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
201, 202: 제1 및 제2 기판 203a, 203b: 제1 및 제2 전극 패드201 and 202: first and
204: 금속 와이어 205: 반도체 집적회로 칩204: metal wire 205: semiconductor integrated circuit chip
206: 도전성 접합물질층 207: 개재층206: conductive bonding material layer 207: intervening layer
403a, 403b: 제1 및 제2 도전성 접합물질층403a, 403b: first and second conductive bonding material layers
404a, 404b: 제1 및 제2 개재층404a, 404b: first and second intervening layers
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