KR101093462B1 - 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩와이어용 금 합금선 - Google Patents

높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩와이어용 금 합금선 Download PDF

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Abstract

높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성, 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선을 제공하는 것. Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 미만, Ir : 1 ∼ 200ppm, Ca : 20 ∼ 100ppm, Eu : 10 ∼ 100ppm 을 함유하고, 추가로 필요에 따라 Be : 0.1 ∼ 20ppm 및/또는 La : 10 ∼ 100ppm 을 Ca, Eu, Be 및 La 중 2 종 이상을 합계로 50 ∼ 250ppm 의 범위 내가 되도록 함유하는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선.
본딩 와이어, 금 합금선

Description

높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선{GOLD ALLOY WIRE FOR USE AS BONDING WIRE EXHIBITING HIGH INITIAL BONDING CAPABILITY, HIGH BONDING RELIABILITY, HIGH CIRCULARITY OF PRESS BONDED BALL, HIGH STRAIGHT ADVANCING PROPERTY AND HIGH RESIN FLOW RESISTANCE}
이 발명은 고온에서 사용하는 트랜지스터, LSI, IC 등 반도체 소자의 칩 전극과 외부 리드부를 접속하기 위하여 사용하는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선에 관한 것이며, 특히 고온 (예를 들면, 60 초과 ∼ 100℃ 미만의 고온) 에 있어서도 사용할 수 있는 선 직경 : 20㎛ 미만의 가는 선 직경을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선에 관한 것이다.
최근, 트랜지스터, LSI, IC 등 반도체 소자는 고온의 가혹한 환경에서 사용되고 있어, 예를 들어, 차를 여름철에 지붕 없는 주차장에 주차한 차 안은 60 초과 ∼ 100℃ 미만까지 상승하는 경우가 있고, 또 고주파용 IC 는 동작 온도가 점점 높아지는 경향이 있어, 이러한 고온 환경하에 노출되어도 고도의 신뢰성이 요구되고 있다.
이러한 고온 환경하에서 사용되는 IC 칩 상의 전극과 외부 리드부를 접속하는 본딩 와이어용 금 합금선으로서, Pd, Pt, Rh, Ir, Os, Ru 중 적어도 1 종을 합계로 1000ppm ∼ 5 질량％, Ca, Be, Ge, Si, Fe, Y, 희토류 중 적어도 1 종을 합계로 1 ∼ 50ppm 함유하고, 잔부가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선 (특허 문헌 1 참조), Pd, Ru, Pt, Ir, Rh 중 적어도 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 1 ∼ 5000ppm, Ca, Be, Ge, Si, In, Ag 중 적어도 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.2 ∼ 100ppm, 희토류 원소 중 적어도 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.2 ∼ 100ppm, Cu, Pb, Li, Ti 중 적어도 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.2 ∼ 100ppm 함유하며, 잔부가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선 (특허 문헌 2 참조) 등이 알려져 있다. 이들 본딩 와이어용 금 합금선은 모두 백금족 금속을 많이 함유시켜 고온에서의 압착 볼과 Al 패드의 접합 강도를 향상시키고, 추가로 Ca, Be 등을 함유시켜 경도를 높여 루프의 안정성을 향상시키고 있고, 이들 본딩 와이어용 금 합금선을 사용하여 IC 칩 상의 전극과 외부 리드부를 접속하는 데에는 일반적으로 금 합금선을 초음파 병용 열 압착 본딩하는 방법이 사용되고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평6-112251호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평8-193233호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
최근, 반도체 소자의 집적화가 진행됨으로써, 반도체 소자의 Al 패드 면적이 작아지고, 종래보다 저온 또한 작은 접합 면적에서, 양호한 초기 접합성 (Al 패드 상에 대한 볼 본딩시에 있어서의 압착 볼의 Al 패드로부터의 박리가 어려움) 을 얻는 것이 요구되고 있다.
또한, 고온의 가혹한 사용 환경에서 고도의 신뢰성이 요구되는 차재용 IC 나, 동작 온도가 높아지는 고주파용 IC 등에서는 볼 본딩에 의한 접합 계면에 있어서의 접합 강도의 저하나 전기 저항의 상승에 따른 접합 불량의 발생이 문제시되고 있으며, 이들 접합 불량은 상기의 저온 접합이나 접합 면적의 축소 등의 본딩 조건의 악화에 의해, 점점 발생하기 쉬워지는 경향이 있기 때문에, 종래보다 높은 접합 신뢰성 (어떤 환경하에서의 볼 본딩에 의한 접합 계면에 있어서의 접합 강도나 전기 저항의 지속성) 을 확보하는 것이 요구되고 있다.
또한, 볼 본딩에서의 압착 볼의 진원성이 낮으면, 압착 볼의 일부가 Al 패드로부터 밀려나와, 근처의 압착 볼과 접촉함에 따른 쇼트 불량이 발생하고, 이 쇼트 불량은 Al 패드 면적의 축소 그리고 본딩 패드 피치의 축소에 의해 점점 발생하기 쉬워지기 때문에, 종래보다 압착 볼의 높은 진원성이 요구된다.
또한, 한편으로, 반도체 소자의 칩 전극과 외부 리드부를 접합한 와이어의 루프부의 길이 (이하, 루프 길이라고 한다) 가 길어짐과 함께 평행하게 본딩된 근처의 루프와의 간격이 좁아지고 있어, 이러한 현상에 대응하기 위하여, 본딩 와이어로서 사용하는 금 합금선의 선 직경을 점점 가늘게 하는 경향이 있다. 그러나, 권취된 가는 선 직경의 금 합금선을 스풀에서 빼냈을 때에 금 합금선에 컬이나 사행 (굴곡이나 구부러짐) 이 발생하기 쉬워지고, 이 컬이나 사행 (굴곡이나 구부러짐) 이 존재하는 금 합금선을 사용하여 본딩을 실시하면, 근처의 본딩 와이어가 접촉하여 쇼트되기 때문에 반도체 칩의 불량품이 발생하여, 수율이 저하된다. 특히 금 합금으로 이루어지는 본딩 와이어의 선 직경이 20㎛ 미만이 되면, 스풀로부터 풀려나온 직후의 와이어에 컬이나 사행 (굴곡이나 구부러짐) 이 발생하기 쉬워진다. 스풀로부터 풀려나온 직후의 와이어에 컬이나 사행 (굴곡이나 구부러짐) 이 발생하지 않고 또한 본딩하여 형성된 루프가 근처의 루프와 접촉하지 않는 성질을 본딩 와이어의 직진성이라고 하는데, 이 직진성이 부족하면, 근처의 루프와 접촉하여, 쇼트되기 때문에 반도체 장치의 불량품이 발생하여 수율이 저하된다.
또한, 와이어를 본딩하여 루프를 형성한 후, 수지로 몰딩하는데, 그 때에 본딩 와이어가 수지에 의해 흐르게 되면, 근처의 루프와 접촉하여, 쇼트되기 때문에 반도체 장치의 불량품이 발생하여 수율이 저하된다. 이 수지 흐름에 대해서도 종래의 본딩 와이어용 금 합금선의 선 직경이 25㎛ 나 30㎛ 인 경우에는 문제가 되는 일이 적었으나, 반도체 소자의 고집적화가 진행됨에 따라, 반도체 소자의 칩 전극의 간격이 좁아져, 그들에 대응하기 위하여 와이어의 선 직경을 가늘게 하여 본딩을 실시하는데, 선 직경이 20㎛ 미만이 되면 수지의 몰딩시에 루프가 흐르게 되기 쉬워진다. 따라서, 선 직경이 가는 와이어이어도 수지 흐름이 발생하기 어려운 특성 (이하, 이 특성을 내수지 흐름성이라고 한다) 을 갖는 것이 필요하다.
이러한 최근의 어려운 요구에 대하여, 특허 문헌 1 ∼ 2 에 기재된 본딩 와이어용 금 합금선은 충분히 대응되어 있지 않고, 이 발명은 이러한 요구를 만족할 수 있는 한층 높은 초기 접합성, 한층 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 한층 높은 진원성, 한층 높은 직진성 및 한층 높은 내수지 흐름성을 갖는 우수한 본딩 와이어용 금 합금선을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자들은 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선을 개발하기 위하여 연구를 실시한 결과,
(가) 순도 : 99.999 질량％ 의 고순도 금에, Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 미만, Ir : 1 ∼ 200ppm 을 함유시키고, 추가로 Ca : 20 ∼ 100ppm, Eu : 10 ∼ 100ppm 을 함유시킨 조성을 갖는 금 합금선은 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖고,
(나) 상기 (가) 에 기재된 조성을 갖는 금 합금선에, 추가로 Be : 0.1 ∼ 20ppm 을 함유시킨 금 합금선은 Be 가 Au 의 결정 격자에 변형을 주어, 본딩 와이어용 금 합금선의 기계적 강도 및 프리 에어 볼의 가공 경화성을 높이고, 재결정 온도를 낮추는 효과를 갖기 때문에, 루프 높이를 높일 수 있고, 그 때문에 적절한 루프 높이를 실현할 수 있으므로, 필요에 따라 첨가할 수 있고,
(다) 상기 (가) 에 기재된 조성을 갖는 금 합금선에, 추가로 La : 10 ∼ 100ppm 을 함유시킨 금 합금선은 본딩 와이어용 금 합금선의 기계적 강도를 높임과 함께, 재결정 온도를 높이고, 금 합금선의 루프 높이를 낮출 수 있으므로, 필요에 따라 첨가할 수 있고,
(라) 상기 Ca, Eu, Be 및 La 는 그 합계가 50 ∼ 250ppm 의 범위 내에 있는 것이 한층 바람직하고,
(마) 상기 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 (가) ∼ (라) 에 기재된 금 합금선에, 추가로 Ag : 1 ∼ 10ppm 을 함유시켜도, 그 특성에 거의 영향을 주지 않는 등의 연구 결과가 얻어진 것이다.
이 발명은 이러한 연구 결과에 기초하여 이루어진 것으로서,
(1) Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 미만,
Ir : 1 ∼ 200ppm,
Ca : 20 ∼ 100ppm,
Eu : 10 ∼ 100ppm,
을 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선,
(2) Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 미만,
Ir : 1 ∼ 200ppm,
Ca : 20 ∼ 100ppm,
Eu : 10 ∼ 100ppm 을 함유하고, 추가로,
Be : 0.1 ∼ 20ppm 을 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선,
(3) Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 미만,
Ir : 1 ∼ 200ppm,
Ca : 20 ∼ 100ppm,
Eu : 10 ∼ 100ppm 을 함유하고, 추가로,
La : 10 ∼ 100ppm,
을 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선,
(4) Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 미만,
Ir : 1 ∼ 200ppm,
Ca : 20 ∼ 100ppm,
Eu : 10 ∼ 100ppm 을 함유하고, 추가로,
Be : 0.1 ∼ 20ppm 을 함유하고, 추가로,
La : 10 ∼ 100ppm,
을 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선,
(5) 상기 Ca, Eu, Be 및 La 중의 2 종 이상을 합계로 50 ∼ 250ppm 의 범위 내가 되도록 함유하는 상기 (1), (2), (3) 또는 (4) 에 기재된 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선,
(6) 상기 (1), (2), (3), (4) 또는 (5) 에 기재된 본딩 와이어용 금 합금선에, 추가로 Ag : 1 ∼ 10ppm 을 함유시킨 성분 조성을 갖는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선에 특징을 갖는 것이다.
상기 (1) ∼ (6) 에 기재된 성분 조성을 갖는 금 합금선 소재를 소정의 직경이 될 때까지 신선 (伸線) 가공하고, 얻어진 금 합금선 소재를 소둔하는 본딩 와이어용 금 합금선의 제조 공정에 있어서, 소둔 온도를 종래의 소둔 온도보다 낮은 온도의 550℃ 이하에서 실시함으로써 0.2％ 내력 (Pa) 을 σ0.2, 영률 (Pa) 을 E, 파단 신장률을 EL 로 하면, E ≥ 75GPa, (σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3, 2％ ≤ EL ≤ 10％ 의 조건을 만족하는 본딩 와이어용 금 합금선이 얻어진다. 상기 금 합금선 소재의 신선 가공시의 1 다이스에 의한 감면율은 종래의 감면율보다 낮은 5％ 이하로 하는 것이 한층 바람직하다. 이러한 조건을 만족하는 본딩 와이어용 금 합금선은 한층 높은 직진성 및 한층 높은 내수지 흐름성을 갖게 된다. 따라서, 이 발명은
(7) 본딩 와이어용 금 합금선의 0.2％ 내력 (Pa) 을 σ0.2, 영률 (Pa) 을 E,
파단 신장률을 EL 로 하면,
E ≥ 75GPa,
(σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3,
2％ ≤ EL ≤ 10％,
의 조건을 만족하는 상기 (1), (2), (3), (4), (5) 또는 (6) 에 기재된 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선에 특징을 갖는 것이다.
다음으로, 이 발명의 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선에 있어서, 성분 조성 및 기계적 특성을 전술한 바와 같이 한정한 이유를 설명한다.
[I] 성분 조성
(a) Pt, Pd :
Pt 및 Pd 는 모두 Au 와 전율 (全率) 고용되는 원소이고, 압착 볼과 Al 패드의 접합 강도의 열화를 억제할 수 있다는 접합 신뢰성을 향상시키는 효과를 가진다. 접합 계면 근방에서 Pt 나 Pd 를 함유하는 상 (相) 이 층상으로 생성되고, 그 상이 Au 의 확산 속도를 저하시키는 층 (이른바 Au 확산에 대한 배리어층) 으로서 작용하기 때문에, Au 의 확산에 수반하여 접합부에 발생하는 보이드의 생성 속도를 억제하고, 그 결과로서, 압착 볼과 Al 패드의 접합 강도의 열화를 억제하여 접합 신뢰성을 향상시키고 있는 것으로 생각된다. 이 접합 강도의 열화의 억제 (접합 신뢰성을 향상시키는) 효과는 Pt 나 Pd 의 양이 많을수록 높아진다. 그러나, Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종의 합계가 1000ppm 미만에서는 접합 강도 열화의 억제 효과가 한정되므로 바람직하지 않고, 한편, Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종의 합계가 5000ppm 이상 함유되면, 금 합금선의 초기 접합성이 크게 저하되므로 바람직하지 않다. 따라서, Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종의 합계를 1000 ∼ 5000ppm 미만으로 결정하였다.
(b) Ir :
Ir 은 금 합금의 고온에 있어서의 입성장 (결정립의 조대화) 을 억제하는 작용을 갖고, 그 때문에, 프리 에어 볼을 형성할 때에, 볼부로부터의 열의 영향에 의해, 볼 직상 (直上) 의 와이어부 (열 영향부) 의 결정립이 조대화되는 것을 막음과 함께, 응고된 프리 에어 볼부는 다수의 미세한 결정립으로 형성되고, 접합시에 압착 볼이 방사상으로 균등하게 확산되어, 압착 볼의 진원성이 향상되는 효과를 갖는데, Ir 의 함유량이 1ppm 미만에서는 소정의 효과가 얻어지지 않고, 한편, Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000 ∼ 5000ppm 함유하는 본딩 와이어용 금 합금선에 있어서 Ir 이 200ppm 을 초과하여도 상기 효과는 포화되고, 첨가에 의한 효과의 명확한 향상이 관찰되지 않는 데다, IC 칩의 파괴 혹은 손상이 발생하게 되므로 바람직하지 않다. 따라서, Ir 의 함유량을 1 ∼ 200ppm 으로 결정하였다.
(c) Ca :
알칼리 토금속인 Ca 는 금속 결합 반경이 Au 의 금속 결합 반경보다 크고, Au 의 결정 격자에 변형을 주어, 본딩 와이어용 금 합금선의 기계적 강도 그리고 프리 에어 볼의 가공 경화성을 높이고, 또한 재결정 온도를 높이고, 금 합금선의 루프 높이를 낮추는 효과가 있는데, Ca 의 함유량이 20ppm 이하에서는 프리 에어 볼의 가공 경화성이 낮기 때문에 초기 접합성이 낮고, 또한 강도가 낮기 때문에, E ≥ 75GPa, (σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3, 2％ ≤ EL ≤ 10％ 의 조건을 만족하는 것이 곤란해져 직진성과 내수지 흐름성이 낮아지므로 바람직하지 않고, 한편, Ca 의 함유량이 100ppm 을 초과하면 볼 본딩시에 형성하는 프리 에어 볼의 표면에 다량의 산화물이 생성되고, 또한 프리 에어 볼의 저부 중앙에 접합에 기여할 수 없는 큰 수축소가 형성되기 때문에, 볼 본딩의 초기 접합성이 저하되게 되므로 바람직하지 않다. 따라서, Ca 의 함유량을 20 ∼ 100ppm 으로 결정하였다.
(d) Eu :
Eu 는 금속 결합 반경이 크고, 따라서, Au 의 금속 결합 반경보다 크기 때문에 Au 의 결정 격자에 변형을 주어, 본딩 와이어용 금 합금선의 기계적 강도 그리고 프리 에어 볼의 가공 경화성을 높이고, 또한 재결정 온도를 높이고, 금 합금선의 루프 높이를 낮추는 효과가 있고, 희토류 원소 내에서도 Eu 의 금속 결합 반경은 기타의 희토류 원소와 비교하여 특히 크기 때문에, 상기 효과가 매우 높지만, Eu 의 함유량이 10ppm 이하에서는 프리 에어 볼의 가공 경화성이 낮기 때문에 초기 접합성이 낮고, 또 강도가 낮기 때문에 E ≥ 75GPa, (σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3, 2％ ≤ EL ≤ 10％ 의 조건을 만족하는 것이 곤란해져 직진성과 내수지 흐름성이 낮아지므로 바람직하지 않고, 한편, Eu 의 함유량이 100ppm 을 초과하면 볼 본딩시에 형성하는 프리 에어 볼의 표면에 다량의 산화물이 생성되고, 또한 프리 에어 볼의 저부 중앙에 접합에 기여할 수 없는 큰 수축소가 형성되기 때문에, 볼 본딩의 초기 접합성이 저하되므로 바람직하지 않다. 따라서, Eu 의 함유량을 10 ∼ 100ppm 으로 결정하였다.
(e) Be :
Be 는 금속 결합 반경이 Au 의 금속 결합 반경보다 작고, 역시 Au 의 결정 격자에 변형을 주어, 본딩 와이어용 금 합금선의 기계적 강도 그리고 프리 에어 볼의 가공 경화성을 높이고, 상기 Ca 및 Eu 와 함께, Be 를 함유하는 경우, 재결정 온도를 낮추는 효과를 갖기 때문에, 루프 높이를 높일 수 있고, 그 때문에 적절한 루프 높이를 실현할 수 있으므로, 필요에 따라 첨가하는데, Be 를 0.1ppm 미만 첨가하여도 소정의 효과가 얻어지지 않고, 한편, Be 를 20ppm 을 초과하여 함유시키면, 프리 에어 볼의 표면에 다량의 산화물이 생성되고, 또한 프리 에어 볼의 저부 중앙에 접합에 기여할 수 없는 큰 수축소가 형성되기 때문에, 볼 본딩의 초기 접합성이 저하되고, 또한, 볼 직상부 및 볼부의 결정 입경의 증대가 발생하여 압착 볼부의 진원성이 저하되므로 바람직하지 않다. 따라서, Be 의 함유량을 0.1 ∼ 20ppm 으로 결정하였다.
(f) La :
La 는 본딩 와이어용 금 합금선의 기계적 강도 그리고 프리 에어 볼의 가공 경화성을 높임과 함께, 재결정 온도를 높이고, 금 합금선의 루프 높이를 낮추는 효과가 있기 때문에, 필요에 따라 첨가하는데, La 를 10ppm 미만 함유시켜도 소정의 효과가 얻어지지 않고, 한편, La 를 100ppm 을 초과하여 함유시키면 볼 본딩시에 형성하는 프리 에어 볼의 표면에 다량의 산화물이 생성되고, 또한 프리 에어 볼의 저부 중앙에 접합에 기여할 수 없는 큰 수축소가 형성되기 때문에, 볼 본딩의 초기 접합성이 저하되므로 바람직하지 않다. 따라서, La 의 함유량을 10 ∼ 100ppm 으로 결정하였다.
(g) 50 ≤ Ca + Eu + Be + La ≤ 250
이 발명에 있어서, Ca, Eu, Be 및 La 의 합계가 50 ∼ 250ppm 의 범위 내에 있는 것이 한층 바람직하다. 그 이유는 Ca, Eu, Be, La 의 합계가 50ppm 미만에서는 프리 에어 볼의 가공 효과성이 낮기 때문에 초기 접합성이 낮고, 또한 강도가 낮기 때문에, E ≥ 75GPa, (σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3, 2％ ≤ EL ≤ 10％ 의 실현이 어렵고, 결과적으로 직진성과 내수지 흐름성이 낮아지므로 바람직하지 않기 때문이고, 한편, Ca, Eu, Be, La 의 합계가 250ppm 을 초과하게 되면, 볼 본딩시에 형성하는 프리 에어 볼의 표면에 다량의 산화물이 생성되고, 또한 프리 에어 볼의 저부 중앙에 접합에 기여할 수 없는 큰 수축소가 형성되기 때문에, 볼 본딩의 초기 접합성이 저하되므로 바람직하지 않기 때문이다.
Ag :
Ag 가 1 ∼ 10ppm 함유되어도 상기 특성에 거의 영향을 주지 않기 때문에 필요에 따라 첨가하는데, 그러나 10ppm 을 초과하면 초기 접합성이 저하되는 경향이 관찰되므로 바람직하지 않다.
[II] 기계적 특성
전술한 성분 조성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선은 모두 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는데, 금 합금선의 0.2％ 내력 (Pa) 을 σ0.2, 영률 (Pa) 을 E, 파단 신장률을 EL 로 하면, E ≥ 75GPa, (σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3, 2％ ≤ EL ≤ 10％ 의 조건을 만족하도록 본딩 와이어용 금 합금선을 제조함으로써, 한층 높은 직진성 및 한층 높은 내수지 흐름성을 갖게 된다.
그 이유는 E < 75GPa 인 경우, 즉 와이어의 영률 (Pa) 이 낮은 경우, 와이어 본딩 후의 몰딩시에, 본딩된 금 합금선이 수지에 의해 크게 흐르게 되고 (즉 수지 흐름이 크다), 그 결과, 인접하는 금 합금선이 접촉하여, 쇼트되는 빈도가 높아져, 반도체 칩의 수율이 저하되기 때문이고, σ0.2 / E 가 2.2 × 10-3 이상이 되면 급격하게 직진성이 향상하기 때문이며, 또한 파단 신장률이 2％ 미만인 경우, 신선 후의 금 합금선이 갖는 잔류 변형이 소둔 후에도 남기 때문에 직진성이 낮고, 한편, 파단 신장률이 10％ 보다 높은 경우, E < 75GPa, (σ0.2 / E) < 2.2 × 10-3 이 되는 일이 많아, 직진성이 저하 혹은 수지 흐름이 증대되기 때문이다.
이 발명에 있어서, 본딩 와이어용 금 합금선의 파단 신장률 EL(％), 0.2％ 내력 σ0.2(Pa) 및 영률 E(Pa) 의 측정은 실온에 있어서, 본딩 와이어용 금 합금선을 표점간 거리 : 100㎜, 인장 속도 : 10㎜ / 분의 조건으로 인장 시험기에 의해 파단될 때까지 잡아당김으로써 실시된다.
여기서 비틀림과 인장 응력을 이하와 같이 정의한다.
비틀림 = 본딩 와이어용 금 합금선의 신장 (㎜) / 100㎜,
인장 응력 (Pa) = 인장 하중 (N) / 본딩 와이어용 금 합금선의 초기 단면적 (㎡)
파단 신장률을 EL(％), 0.2％ 내력 σ0.2(Pa) 및 영률 E(Pa) 를 이하와 같이 정의한다.
파단 신장률 EL(％) = 파단되었을 때의 비틀림 × 100 = [파단되었을 때의 신장 (㎜) / 100(㎜)] × 100
0.2％ 내력 σ0.2(Pa) : 본딩 와이어용 금 합금선에 0.2％ 의 영구 비틀림을 부여하였을 때의 인장 응력 (Pa)
영률 E(Pa) : 인장 응력과 비틀림이 정비례하는 범위에 있어서의, 인장 응력과 비틀림의 비, 즉 인장 응력 (Pa) / 비틀림.
발명의 효과
상기 서술한 바와 같이, 이 발명의 본딩 와이어용 금 합금선은 초기 접합성, 접합 신뢰성, 압착 볼의 진원성, 직진성, 내수지 흐름성이 우수하기 때문에, 이 금 합금선을 사용하여 본딩을 실시하면, 반도체 장치의 수율을 향상시킬 수 있는 등 산업상 우수한 효과를 가져오는 것이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
선 직경 : 50㎛ 를 갖고, 표 1 ∼ 3 에 나타내는 성분 조성을 갖는 금 합금선 소재를 1 다이스에 의한 감면율 4.8％ 로 신선 가공함으로써 선 직경 : 19㎛ 를 갖는 금 합금선을 제조하고, 이 금 합금선을 표 4 ∼ 6 에 나타내는 온도에서 소둔함으로써 본 발명 본딩 와이어용 금 합금선 (이하, 본 발명 와이어라고 한다) 1 ∼ 27, 비교 본딩 와이어용 금 합금선 (이하, 비교 와이어라고 한다) 1 ∼ 19 및 종래 본딩 와이어용 금 합금선 (이하, 종래 와이어라고 한다) 1 을 제조하고, 반경 : 50㎜ 의 중간 스풀에 권취하였다. 여기서, 소둔 및 권취 공정에 있어서, 와이어의 진로를 변경시키기 위하여 사용하는 시브 (도르래) 는 모두 반경 : 9㎜ 로 하였다. 중간 스풀에 권취된 와이어를 반경 : 25㎜ 의 스풀에 2000m 권취하고, 와이어의 선단 15m 를 버리고, 와이어의 파단 신장률 EL, 영률 (Pa) E, 0.2％ 내력 (Pa) σ0. 2 를 측정하고, 추가로 σ0.2 / E 를 산출하여, 그 결과를 표 4 ∼ 6 에 나타냈다. 이들 각 측정시에 샘플수는 5 개로 하여, 그 평균값을 구하였다.
이들 표 1 ∼ 3 에 나타내는 성분 조성 및 표 4 ∼ 6 에 나타내는 기계적 특성을 갖는 본 발명 와이어 1 ∼ 27, 비교 와이어 1 ∼ 19 및 종래 와이어 1 을 Kulicke & Soffa 제조의 와이어 본더 (맥샘 플러스) 에 세팅하고, 반도체 IC 칩이 탑재된 기판에,
가열 온도 : 150℃,
루프 길이 : 5㎜,
루프 높이 : 220㎛,
압착 볼 직경 : 34㎛,
압착 볼 높이 : 8㎛,
의 조건으로 본딩을 실시하여, 하기의 측정을 실시함으로써 직진성, 초기 접합성, 압착 볼의 진원성 및 접합 신뢰성에 대한 평가를 실시하였다.
직진성 평가 :
패드 피치 : 45㎛ 간격으로 각 샘플에 대해 10000 루프를 제조하고, 근처의 루프끼리 접촉하는 지점의 수 (접촉수) 를 측정하여, 그 결과를 표 4 ∼ 6 에 나타냄으로써 직진성을 평가하였다.
초기 접합성 평가 :
각 샘플에 대해 10000 루프를 제조하여 볼 본딩시에 압착 볼이 Al 패드에 접합하지 않은 횟수 (볼 리프트수) 를 측정하여, 그 결과를 표 4 ∼ 6 에 나타냄으로써 높은 초기 접합성을 평가하였다.
압착 볼의 진원성 평가 :
각 샘플에 대해 100 개의 압착 볼을 관찰하여, 모두 양호한 경우에는 ○, 1 개라도 불량이 있는 경우에는 × 로 하고, 그 결과를 표 4 ∼ 6 에 나타냄으로써 볼의 진원성을 평가하였다.
접합 신뢰성 평가 :
본딩한 샘플을, 175℃ 의 공기 중에서 1000 시간 보관한 후에, 압착 볼 직상의 루프의 절곡부 (킹크) 에 툴을 걸어 풀 시험 (각 샘플에 대해 100 개) 을 실시하였다. 풀 시험에서의 파단은 넥부에서 파단되거나, 압착 볼과 Al 패드의 접합 계면에서 파단 (볼 리프트) 된다. 압착 볼을 관찰하여, 모두 넥부에서의 파단인 경우에는 ○, 1 개라도 볼 리프트가 있는 경우에는 × 로 하여 평가하였다.
또한, 표 1 ∼ 3 에 나타내는 성분 조성 및 표 4 ∼ 6 에 나타내는 기계적 특성을 갖는 본 발명 와이어 1 ∼ 27, 비교 와이어 1 ∼ 19 및 종래 와이어 1 에 대하여, 루프 높이, 내수지 흐름성에 대한 평가를 실시하였다.
루프 높이 :
표 1 ∼ 3 에 나타내는 성분 조성 및 표 4 ∼ 6 에 나타내는 기계적 특성을 갖는 본 발명 와이어 1 ∼ 27, 비교 와이어 1 ∼ 19 및 종래 와이어 1 을 Kulicke & Soffa 제조의 와이어 본더 (맥샘 플러스) 에 세팅하여, 리버스를 실시하지 않고, 압착 볼 직경 : 34㎛, 압착 볼 높이 : 8㎛, 루프 길이 : 1㎜ 의 조건으로 루핑을 실시하고, 광학 현미경을 사용하여, 루프 최고부와 Al 패드면의 높이를 측정하고, 그 차이를 루프 높이로서 구하여, 그 결과를 표 4 ∼ 6 에 나타냄으로써 루프 높이를 평가하였다.
내수지 흐름성 :
루프 길이 : 3.5㎜ 의 조건으로 본딩한 반도체 IC 칩이 탑재된 기판을, 몰딩 장치를 사용하여 에폭시 수지로 밀봉한 후, 연 X 선 비파괴 검사 장치를 사용하여 수지 밀봉한 반도체 칩 내부를 X 선 투영하고, 와이어 흐름이 최대인 부분의 흐름 량을 20 개 측정하고, 그 평균값을 루프 길이로 나눈 값 (％) 을 수지 흐름이라고 정의하고, 이 수지 흐름을 측정하여, 그 결과를 표 4 ∼ 6 에 나타냄으로써 내수지 흐름성을 평가하였다.
Figure 112008001893081-pct00001
Figure 112008001893081-pct00002
* 표시는 이 발명의 범위에서 벗어난 값임을 나타낸다.
Figure 112008001893081-pct00003
* 표시는 이 발명의 범위에서 벗어난 값임을 나타낸다.
Figure 112008001893081-pct00004
Figure 112008001893081-pct00005
Figure 112008001893081-pct00006
* 표시는 이 발명의 범위에서 벗어난 값임을 나타낸다.
표 1 ∼ 6 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 와이어 1 ∼ 27 은 직진성, 초기 접합성, 압착 볼의 진원성, 접합 신뢰성 및 내수지 흐름성이 양호하고, 특히 직진성, 초기 접합성, 접합 신뢰성, 압착 볼의 진원성 및 내수지 흐름성이 양호함에 대하여, 비교 와이어 1 ∼ 19 및 종래 와이어 1 은 이들 특성의 적어도 어느 하나는 불량이 되는 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. Pt 및 Pd 중 1 종 또는 2 종을 합계로 1000ppm 이상 5000ppm 미만,
    Ir : 1 ∼ 200ppm,
    Ca : 20 ∼ 100ppm,
    Eu : 10 ∼ 100ppm,
    Be : 0.1 ∼ 20ppm,
    La : 10 ∼ 100ppm 및
    잔부 : Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 4 항에 있어서,
    본딩 와이어용 금 합금선의 0.2％ 내력 (Pa) 을 σ0.2, 영률 (Pa) 을 E, 파단 신장률을 EL 로 하면,
    E ≥ 75GPa,
    (σ0.2 / E) ≥ 2.2 × 10-3,
    2％ ≤ EL ≤ 10％,
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 높은 초기 접합성, 높은 접합 신뢰성, 압착 볼의 높은 진원성, 높은 직진성 및 높은 내수지 흐름성을 갖는 본딩 와이어용 금 합금선.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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