KR101124612B1 - 본딩 와이어 - Google Patents

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KR101124612B1
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ppm
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wire
gold
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히로시 무라이
준 지바
후지오 아마다
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타나카 덴시 코오교오 카부시키가이샤
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Abstract

(과제) 고순도 금 본딩 와이어에 있어서 첨가 원소 산화물의 부착에 기인하는 제2접합 불량을 해소한다.
(해결수단) Mg 5~100질량ppm, In 5~20질량ppm, Al 5~20질량ppm, Yb 5~20질량ppm, 잔부 순도 99.995 질량% 이상의 금합금인 본딩 와이어로서, 새로이 Ca 5~20질량ppm을 가하고, 또한, 여기에, La 5~20질량ppm, Lu 5~20질량ppm, Sn 5~100질량ppm, Sr 5~100질량ppm 중에서 1종 이상을 첨가하거나 혹은 다시 이들 금합금에 있어서, Pd 0.01~1.2질량% 함유시킨 금합금 본딩 와이어이다.
이들 미량 원소를 함유하는 본딩 와이어는 미소 방전에 의한 볼 형성시 및 제1접합시에 생기는 모세관 선단에 부착한 첨가원소 산화물이 제2접합시에 와이어에 전사되므로 축적되지 않아, 이들 축적 오염물질에 의한 장해가 생기지 않는다.
금합금, 본딩 와이어, 산화물, 접합불량, 모세관

Description

본딩 와이어{Bonding wire}
본 발명은, 반도체 소자와 외부 리드(lead)를 결선하는 본딩 와이어에 관한 것이다.
IC칩 전극과 외부배선을 접속하는 경우, 와이어를 통해 배선하는 와이어 본딩 방법이 알려져 있다. 이 중에서도 IC칩의 Al전극과 와이어를 접합하는 방식으로서 초음파 병용 열압착 접합 및 초음파 접합이 주류를 이루고 있다. 여기서, 초음파 병용 열압착 접합은 통상 볼(ball) 본딩 방법에 의해 이루어지고 있다. 볼 본딩 방법에 의한 접합법을 후술하는 특허문헌 1(특허 제3657087호)에 나타낸 도면을 이용하여 설명한다.
도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 와이어(2)가 모세관(1)의 와이어 삽통공을 통하여 모세관 선단부의 세공으로부터 송출되고, 그 선단에 전기 토치(3)를 대향시켜 와이어(2)와의 사이에서 방전시키는 것에 의해 와이어(2)의 선단을 가열, 용융하여 볼(4)을 형성한다. 이어서, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 모세관(1)을 하강시켜 볼 (4)을 IC칩(6) 상의 Al전극(5) 상에 압압 접합한다(제1접합). 이때, 도시하지는 않으나 초음파 진동이 모세관(1)을 통하여 부가됨과 동시에, IC칩(6)은 히트 블럭으로 가열되므로 상기 볼(4)은 열압착되어 압착 볼(4′)이 된다. 그 후, 도 1(c)에 나타낸 바와 같이, 모세관(1)은 소정의 궤적을 나타내고, 리드 프레임의 외부배선 (8) 상으로 이동하여 하강한다. 이때, 도시하지는 않으나 초음파 진동이 모세관(1) 을 통하여 부가되고, 외부배선(8)은 히트 블럭으로 가열되므로 와이어(2) 측면이 열압착되어 접합한다(제2접합). 접합 후, 도 1(d)에 나타낸 바와 같이, 클램퍼(7)가 와이어(2)를 클램프한 채로 상승하는 것에 의해 와이어(2)가 모세관 선단부의 세공(細孔)으로부터 약간 돌출한 상태(테일(tail)이라 함)에서 절단되어 배선이 완료된다. 이 조작을 반복하면서 본딩이 이루어진다.
와이어 본딩 장치용의 원통형 모세관(1)은 알루미늄, 지르코니아 혹은 루비나 사파이어 등의 고융점 재료로 형성되고, 더욱 고수명(高壽命)인 것으로서 다이아몬드 코팅을 이들 고융점 재료의 모세관 선단부에 피복한 것도 있지만, 대표적인 것은 알루미늄이다. 모세관(1)은 내부에 본딩용 금속 와이어를 삽입하기 위한 와이어 도출공(102)을 이루고 있다. 예를 들면, 25㎛ø정도의 금속 와이어를 이용하는 경우, 와이어 도출공(102)의 크기는 33㎛ø~40㎛ø 정도이다. 모세관(1)의 병목부의 외측은 본딩하는 간격과 본딩 후의 금속 와이어의 형상 및 크기를 고려하여 10°정도의 각도를 이루고 있다. 여기서, 볼 직경 H는 38㎛, 칩 직경 T는 152㎛, 및 챔퍼 직경 CD는 64㎛이다.
지금까지 다양한 본딩 와이어가 개발되어 있다. 예를 들면, 희토류 원소를 미량으로 첨가한 금(Au)로 이루어진 금합금이 인장강도를 향상시키는 것이 알려져 있다. 또한, 볼 형상, 인장강도 및 전단강도를 향상시키는 본딩 와이어로서 스트론튬(strontium)을 1~10중량ppm, 베릴륨을 1~20중량ppm, 인듐 1~50중량ppm의 범위 이 내로 함유하고, 잔부가 금과 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 본딩용 금합금 세선도 후술하는 특허문헌 2(특허 제3059314호)에 알려져 있다. 또한, 장기간 본딩한 경우의 접합의 안정성을 향상시킨 Au-1 질량% 합금의 본딩 와이어 재료도 알려져 있다. 이들 와이어 재료는 순금 속에 완전히 합금화 되어 있다고 볼 수 있어, 미량 첨가원소가 승화하여 악영향을 미치는 것은 이제까지 검토된 적이 없었다.
그런데, 와이어 본딩 작업에서 모세관(1)의 선단부는 통상 200℃ 정도에서 가열되고, 또한 아크 방전에 의한 초기 볼 제작 시에는 모세관(1)의 선단부 표면온도는 순간적으로 1,000℃이상의 온도로 상승하는 경우가 있다. 그러므로, 1초간 십수 회의 고속으로 몇십만 회나 무인(無人) 상태에서 본딩을 반복하여 실시하면, 모세관(1)의 선단부의 재질에 관계없이, 먼저 와이어 금속에서 전사된 오염물질에 의해 모세관(1)의 선단부(100)가 오염된다. 그 후, 이 오염물질이 모세관(1)의 선단부(100)에 점차 불균일하게 축적되어 간다. 얼마 안 있어서 이 퇴적한 오염물질에 의해 모세관(1)은 제2접합에서의 초음파나 힘의 전달이 저해되어 접합에 필요한 에너지량이 인가되지 않는 사태를 불러온다. 종래의 본딩 와이어 재료를 사용한 모세관에서는 선단부(100)에 축적된 미량의 첨가원소 등의 오염물질에 의해 리드 프레임의 외부배선(8) 상에서의 제2접합 후의 와이어의 절단이 제대로 이루어지지 않거나, 혹은 수십만 회에 1회의 비율로 이 축적된 오염물질이 모세관(1)의 선단부(100)로부터 벗겨 떨어지거나 한다. 이 제2접합 불량에 의해 볼 본딩 장치의 정지(停止)가 빈발하여, 본딩 작업이 정지되는 사태가 자주 일어났다. 또한, 볼 본딩 장치의 정지까지는 아니지만 제2접합에서의 접합강도가 대폭으로 저하되는 경우가 있었다.
특허문헌 1 : 특허 제3657087호 공보
특허문헌 2 : 특허 제3059314호 공보
(발명의 개시)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
본원 발명은 전술의 종래 사정에 따라, 종래와 동일한 풀 강도(pull strength) 및 진원도(眞圓度,roundness)가 뛰어난 본딩 와이어로서, 1초간 십수 회의 고속으로 몇십만 회나 본딩을 계속하여도 모세관의 선단부에 오염물질이 축적되는 것 없이, 제2접합강도가 저하되지 않는 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명자들은 본딩 와이어의 강도가 뛰어난 금합금선에 대하여 예의연구를 거듭한 결과, 순도 99.995질량% 이상의 금(Au) 또는 순도 99.995질량% 이상의 금(Au)-파라듐(Pd)합금에 미량의 첨가원소인 마그네슘(Mg), 인듐(In), 알루미늄(Al) 및 이테르븀(Ytterbium)(Yb)이 소정량의 범위 내이면, 모세관의 선단부를 이들 미량 첨가원소가 오염시켜도 그 오염물질은 모세관의 선단부에 축적되는 경우가 없다라고 하는 효과를 발휘하는 것을 깨달아서 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
구체적으로는, 본 발명에 의하면, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 칼슘(Ca) 5~20질량ppm, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 란탄((La) 5~20질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20질량ppm, 주석(Sn) 5~100질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100질량ppm인 중에서 적어도 1종 이상, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 란탄((La) 5~20질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20질량ppm, 주석(Sn) 5~100질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100질량ppm인 중에서 적어도 1종 이상, 칼슘(Ca) 5~20질량ppm, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
한편, 본 발명에 의하면, 파라듐(Pd) 0.01~1.2질량%, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 파라듐(Pd) 0.01~1.2질량%, 칼슘(Ca) 5~20질량ppm, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 란탄(La) 5~20질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20질량ppm, 주석(Sn) 5~100질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100질량ppm인 중에서 적어도 1종 이상, 파라듐(Pd) 0.01~1.2질량%, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 란탄(La) 5~20질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20질량ppm, 주석(Sn) 5~100질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100질량ppm인 중에서 적어도 1종 이상, 파라듐(Pd) 0.01~1.2질량%, 칼슘(Ca) 5~20질량ppm, 마그네슘(Mg) 5~100질량ppm, 인듐(In) 5~20질량ppm, 알루미늄(Al) 5~20질량ppm, 이테르븀(Yb) 5~20질량ppm 및 잔부가 순도 99.995질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 제공된다.
(발명의 효과)
본 발명의 금합금 본딩 와이어는 미소 방전에 의한 볼 형성시나 제1본딩 시에 형성ㆍ승화하여 모세관 선단부에 부착하는 미량 첨가원소 산화물 등의 오염물질이 제2접합 시에서의 초음파나 열압착 조작에 따라 접합대상의 와이어 등에 용이하게 전사되어 축적되지 않기 때문에 이들 오염물질에 의한 접합불량이나 박리에 따른 장해가 해소된다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
본 발명에서는 미량의 첨가원소의 종류가 적고, 성분범위가 좁아 한정적이다. 본딩 와이어의 제2접합성은 불순물을 전혀 포함하지 않는 순금이 가장 뛰어나지만, 본 발명의 미량의 첨가원소는 모두 이 순금이 가진 우수한 제2접합성을 별로 저해하지 않는 원소이다. 본 발명의 미량의 첨가원소의 배합비의 균형이 무너지면, 제2접합에서 압착접합된 접합부 형상에 크게 영향을 미친다.
또한, 본 발명이 금(Au)합금계인 경우, 금(Au) 이외의 미량의 첨가원소 및 불순물 원소의 합계가 100질량ppm 미만이면 99.99질량% 이상의 고순도 금 본딩 와이어로서 표시할 수 있기 때문에 상업상 유리하다.
〔Pd〕
본 발명의 합금계에 있어서, 파라듐(Pd)은 제1접합부의 장기 접합신뢰성에 기여하는 원소이다. Pd를 첨가하면 할수록 장기 접합신뢰성은 증가하지만, 1.2%를 초과하면 초기 볼이 경화되어 칩이 깨지는 등 접합이 곤란해진다.
〔Mg〕
본 발명의 합금계에 있어서, 마그네슘(Mg)은 제2접합성이 좋은 필수의 첨가원소이고, 또한, 용융 볼의 압착 직경의 진원도에 효과적인 원소이다. 한편, 본딩 와이어의 인장강도에서는 마그네슘(Mg)은 칼슘(Ca)과 같은 효과를 가져오지 않는다. 본 발명의 합금계에 있어서, 마그네슘(Mg)은 5질량ppm 이상 필요하다. 이 미만에서는 제2접합성에 효과가 없기 때문이다. 본 발명의 합금계에 있어서, 와이어의 제2접합성을 안정시키는 데에는 마그네슘(Mg)은 30질량ppm 이상이 바람직하다. 한편, 본 발명의 합금계에 있어서, 마그네슘(Mg)이 100질량ppm을 초과하여 너무 많아져도, 초기 볼 작성 시에 생성된 산화물이 모세관에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미친다. 본 발명의 합금계에 있어서, 제2접합성을 안정시키는 데에는 마그네슘(Mg)은 70질량ppm 이하가 적절하다.
〔In〕
본 발명의 합금계에 있어서, 인듐(In)은 제2접합성이 좋은 필수의 첨가원소이고, 또한, 용융 볼의 압착 직경의 진원도에 효과적인 원소이다. 한편, 본딩 와이어의 인장강도에서는 인듐(In)은 칼슘(Ca)과 같은 효과를 가져오지 않는다. 본 발명의 합금계에 있어서, 인듐(In)은 5질량ppm 이상 필요하다. 이 미만에서는 제2접합성에 효과가 없기 때문이다. 한편, 본 발명의 합금계에 있어서, 인듐(In)이 20질량ppm을 초과하면 산화물이 모세관에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미친다.
〔Al〕
본 발명의 합금계에 있어서, 알루미늄은(Al)은 제2접합성이 좋은 필수의 첨가 원소이다. 한편, 본딩 와이어의 인장강도에서는 알루미늄(Al)은 칼슘(Ca)과 같은 효과를 가져오지 않는다. 본 발명의 합금계에 있어서, 알루미늄(Al)은 5질량ppm 이상 필요하다. 이 미만에서는 제2접합성에 효과가 없기 때문이다. 한편, 본 발명의 합금계에 있어서, 알루미늄(Al)이 20질량ppm을 초과하면 산화물이 모세관에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미친다.
〔Yb〕
본 발명의 합금계에 있어서. 이테르븀(Yb)은 제2접합성이 좋은 필수의 첨가원소이고, 또한, 용융 볼의 압착 직경의 진원도에 효과적인 원소이다. 한편, 본딩 와이어의 인장강도에서는 이테르븀(Yb)은 칼슘(Ca)과 같은 효과를 가져오지 않는다. 본 발명의 합금계에 있어서, 이테르븀(Yb)은 5질량ppm 이상 필요하다. 이 미만에서는 제2접합성에 효과가 없기 때문이다. 한편, 본 발명의 합금계에 있어서 이테르븀(Yb)이 20질량ppm을 초과하면 산화물이 모세관에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미친다.
〔Ca〕
본 발명의 합금계에 있어서, 칼슘(Ca)은 본딩 와이어의 인장강도에 가장 효과적인 원소이다. 그러나, 칼슘(Ca)은 모세관의 선단부의 챔퍼(chamfer)면에 산화물이 퇴적하기 쉽기 때문에 본 발명의 합금계에 있어서 임의의 첨가 원소이며 그 첨가량이 한정된다. 본 발명의 합금계에 있어서, 칼슘(Ca)이 5질량ppm 미만에서는 본딩 와이어의 인장강도에 효과가 없고, 20질량ppm을 초과하면 산화물이 모세관의 챔퍼면에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미치므로 칼슘(Ca)의 첨가량은 5~20질량ppm 범위 내이다.
〔La〕
본 발명의 합금계에 있어서, 란탄(La)은 본딩 와이어의 인장강도에 효과적인 원소이다. 또한, 란탄(La)은 제2접합성에 효과적인 원소이다. 또한, 용융 볼의 압착 직경의 진원도에 효과적인 원소이다. 그러나, 란탄(La)은 모세관의 선단면에 산화물이 퇴적하기 쉽기 때문에 본 발명의 합금계에 있어서 임의의 첨가원소로서 그 첨가량이 한정된다. 본 발명의 합금계에 있어서, 란탄(La)이 5질량ppm 미만에서는 본딩 와이어의 인장강도에 효과가 없고, 20질량ppm을 초과하면 산화물이 모세관의 선단면에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미치므로 란탄(La)의 첨가량은 5~20질량ppm 범위 내이다.
〔Lu〕
본 발명의 합금계에 있어서, 루테튬(Lu)은 본딩 와이어의 인장강도에 효과적인 원소이다. 또한, 루테튬(Lu)은 제2접합성에 효과적인 원소이다. 그러나, 루테튬(Lu)은 모세관의 선단면에 산화물이 퇴적하기 쉽기 때문에 본 발명의 합금계에 있어서 임의의 첨가원소로서 그 첨가량이 한정된다. 본 발명의 합금계에 있어서, 루테튬(Lu)이 5질량ppm 미만에서는 본딩 와이어의 인장 강도에 효과가 없고, 20질량ppm을 초과하면 산화물이 모세관의 선단면에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미치므로 루테튬(Lu)의 첨가량은 5~20질량ppm 범위 내이다.
〔Sn〕
본 발명의 합금계에 있어서, 주석(Sn)은 제2접합성에 효과적인 원소이다. 그러나, 주석(Sn)은 모세관의 선단면에 산화물이 퇴적하기 쉽기 때문에 본 발명의 합금계에 있어서 임의의 첨가원소로서 그 첨가량이 한정된다. 본 발명의 합금계에 있어서, 주석(Sn)은 5질량ppm 이상 필요하다. 이 미만에서는 접합성에 효과가 없기 때문이다. 본 발명의 합금계에 있어서, 와이어의 제2접합성을 안정시키는 데에는 주석(Sn)은 30질량ppm 이상이 바람직하다. 한편, 본 발명의 합금계에 있어서, 주석(Sn)이 100질량ppm을 초과하여 너무 많아져도, 산화물이 모세관의 선단면에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미친다. 본 발명의 합금계에 있어서, 제2접합성을 안정시키는 데에는 주석(Sn)은 70량ppm 이하가 바람직하다.
〔Sr〕
본 발명의 합금계에 있어서, 스트론튬(Sr)은 제2접합성에 효과적인 원소이다. 또한, 용융 볼의 압착 직경의 진원도에 효과적인 원소이다. 그러나, 스트론튬(Sr)은 모세관의 선단면에 산화물이 퇴적하기 쉽기 때문에 본 발명의 합금계에 있어서 임의의 첨가원소로서 그 첨가량이 한정된다. 본 발명의 합금계에 있어서, 스트론튬(Sr)은 5질량ppm 이상 필요하다. 이 미만에서는 접합성에 효과가 없기 때문이다. 본 발명의 합금계에 있어서, 와이어의 제2접합성을 안정시키는 데에는 스트론튬(Sr)은 30질량ppm 이상이 바람직하다. 한편, 본 발명의 합금계에 있어서, 스트론튬(Sr)이 100질량ppm을 초과하여 너무 많아져도 산화물이 모세관에 퇴적하여 제2접합성에 악영향을 미친다. 본 발명의 합금계에 있어서, 제2접합성을 안정시키는 데에는 스트론튬(Sr)은 70량ppm 이하가 바람직하다.
본 발명의 본딩 와이어에 대하여, 제2접합성, 인장강도 및 용융 볼의 압착 직경의 진원도는 다음과 같이 하여 측정했다.
(1) 제2접합성
제2접합성이란, 본딩 와이어를 은(Ag)도금 된 42 합금(alloy)로 이루어진 리드 프레임 상에 압력을 가해 스티치(stitch) 접합할 때에, 열ㆍ하중ㆍ초음파를 가해 본딩 와이어를 변형시켜 리드 프레임 상에 접합시켰을 때의 접합의 용이함을 말한다. 제2접합성에 관해서는, 50만 회 본딩 테스트를 실시하여 실시 도중의 제2접합에서의 불량수를 측정하여 평가했다.
(2) 인장강도
신장률을 4%로 했을 때의 인장강도에 관하여, 시판 중의 인장시험기를 이용하여 측정했다. 측정은 실온에서 표점 거리를 100mm로 하여 인장시험기에 의해 금합금선을 인장속도 10mm/분으로 인장, 파단했을 때의 하중치와 신장률을 얻는 것에 의해 실시했다. 또한, 신장률은 파단했을 때의 신장량에서 다음의 식으로 구했다.
[수식 1]
Figure 112009041127772-pct00001
(3) 용융 볼의 압착 직경의 진원도
용융 볼 압착 직경의 진원도의 평가는 실리콘(Si) 칩 상의 알루미늄(Al) 전극(알루미늄(Al) 두께:약 1×10-6m)에 볼 본딩을 하고, 그 후 은(Ag)도금 된 42 합금으로 이루어진 리드와의 사이에서 스티치 접합하여 결선했다. 그때, 스팬(span)은 3×10-3 m에서 갯수를 200개로 하고, 결선한 와이어 중에서 임의의 50개의 와이어를 이용하여 평가했다. 초음파의 인가방향과 평행방향의 압착 직경 및 수직방향의 압착직경을 측정하여 그 비가 0.95~1.05의 범위 내에 있는 것을 ◎ 표시로, 0.90~1.00의 범위 내에 있는 것(0.95~1.05의 범위 내에 있는 것을 뺀다.)을 ○ 표시로, 그 외의 범위에 있는 것을 △ 표시로 나타냈다.
(4) 금합금선의 제조방법
본 발명에 관한 금합금선의 바람직한 제조방법을 설명한다. 고순도금에 소정량의 원소를 첨가하여 진공 용해로에서 용해한 후 잉곳으로 주조한다. 해당 잉곳으로 홈(溝)롤(roll), 신선기(drawing machine)를 이용한 냉간가공과 중간 어닐(anneal)을 실시하고, 최종 신선가공(伸線加工,drawing)에 의해 직경 25×10-6 m의 세선(細線)으로 한 후 신장률을 4%로 최종 어닐을 실시한 것이다.
(5) 용도
본 발명에 의한 본딩 와이어는 IC칩을 리드에 접속하는 방법에 바람직하다. 또한, 여기에서 말하는 볼 본딩이란, IC칩의 전극, 특히 Al전극과 외부 리드나 다른 전극을 와이어로 배선할 때, 와이어와 전극부의 접합이 제1접합에서는 용융 볼을 형성하고, 제2접합에서는 볼을 형성하는 것 없이, 와이어 측면을 압착하여 접합하는 볼 본딩이다. 필요에 따라 초음파를 인가하거나 전극부를 가열하거나 한다.
[작용]
본 발명에 관한 금합금선 또는 파라듐(Pd) 함유 금합금선을 이용하여 고속으로 몇십만회나 볼 본딩을 실시해도, 제2접합성이 나빠지지 않는 이유는 분명하진 않지만 아래와 같이 추정된다. 즉, 아크 방전에 의한 볼 제작 시 또는 제1접합 시에 미량의 첨가원소의 산화물이 형성되어 모세관의 선단부에 부착하지만, 부착된 산화물은 제2접합 때마다 와이어 측에 전사되어 가는 것으로 생각된다. 그러므로, 모세관의 선단부에는 아주 얇게 산화물이 부착되어 있긴 하지만, 그것보다 두껍게 퇴적되어 오염물이 되는 경우가 없다. 이것은 이러한 부착물이 모세관의 선단부에 두껍게 퇴적되어 오염물이 되기 전에, 이러한 부착물이 제2본딩의 작업 중에 와이어 측에 전사되어 가고 있다고 생각할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 관한 금합금선 또는 파라듐(Pd) 함유 금합금선은 뛰어난 제2접합성의 효과를 발휘하는 것으로 여겨진다. 당연한 것이지만, 본 발명의 본딩 와이어는 이제까지와 동일하게 풀 강도와 진원도가 뛰어난 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 볼 본딩 방법에 의한 접합법을 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 본딩에 사용하는 모세관 선단부의 단면 형상을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제1접합에서의 접합부 형상의 하나의 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2접합에서의 접합부 형상의 하나의 실시예를 나타낸다.
** 부호의 설명 **
1…모세관
2…와이어
2´…결선 와이어
3…전극 토치
4…볼
4´…압착 볼
5…IC칩
6…Al전극
7…클램퍼
8…외부배선
100…모세관 선단부
102…와이어 도출공
표 1～3 및 표 4에 나타낸 실시예 및 비교예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
순도 99.999 질량%의 고순도 금 또는 파라듐(Pd)을 소정량 함유시킨 순도 99.999 질량%의 고순도 금에 소정량의 첨가원소를 미량으로 첨가하고, 진공 용해로에서 용해한 후, 주조하여 표 1～3에 나타낸 조성의 금합금 잉곳을 얻었다. 이 잉곳으로 홈롤에서 롤 가공을 하고, 신선기를 이용한 냉간가공과 중간 어닐을 실시하여, 최종 직경이 25㎛로 최종 드로잉을 하고, 최종 열처리에 의해 신장률 4%가 되도록 마무리했다.
Figure 112009041127772-pct00002
Figure 112009041127772-pct00003
Figure 112009041127772-pct00004
(주)표 중「종(從) 1」은, 특허문헌 2의 실시예 29, 「종(從) 2」및「비(比) 1~3」은 성분 조성범위가 본 발명 범위를 벗어나는 비교예이다.
그 외 : 종(從) 1 - Be10질량ppm, Sc2질량ppm
(50만 회 시험)
이 금합금선을 볼 본딩 장치(케이앤에스(K&S)사 제조의 상품명「Max ㎛ Plus」)를 이용하여, IC칩의 Al전극 상 및 외부배선 상에 초음파 병용 볼 접합을 연속으로 50만 회 실시했다. 이때, IC칩 측의 볼 본딩은 볼 본딩 하중을 0.2N, 볼 본딩 시간을 10㎳, 볼 본딩 파워를 0.30w의 조건으로 실시했다. 또한, 외부배선 측의 제2접합(bonding)은 볼 본딩 하중을 0.3N, 볼 본딩 시간을 10㎳, 볼 본딩 파워를 0.40w의 조건으로 실시했다.
(3) 용융 볼의 압착 직경의 진원도
용융 볼의 압착 직경의 진원도에 관한 평가는 50만 회 본딩한 시료와는 별도로 상술한 방법으로 시료를 제작하고, 700개의 와이어를 이용하여 평가했다. 즉, 초음파의 인가방향과 평행방향의 압착직경 및 수직방향의 압착직경을 측정하고, 그 비가 0.97～1.03의 범위 내에 있는 것을 ◎ 표시로, 0.95～1.05의 범위 내에 있는 것(0.97～1.03의 범위 내에 있는 것을 뺀다.)을 ○ 표시로, 그 외의 범위에 있는 것을 △ 표시로 나타냈다. 측정 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure 112009041127772-pct00005
이상의 결과로부터 표 1～3, 표 4에서 실시예 No.1~6은 청구항 1의 조성 범위로서 제2접합에서의 접합불량은 50만 회 중 1～3으로 진원도는 양호했다.
이들 결과로부터, Mg, In, Al, 및 Yb의 미량 첨가 효과가 큰 것을 알 수 있다.
또한, 같은 상기 표 중의 No.7~9는 청구항 2의 조성 범위에 있는 것으로, Ca첨가에 의해 동일하게 접합 불량을 저감시키고 진원도가 향상되었다.
이하 동일하게 No.10-21은 청구항 3의 조성 범위에 있고, No.1-6의 조성에 대하여, 새로이 La, Lu, Sn, Sr을 가한 효과에 의해 한층 더 제2접합의 불량 수가 저감되고, 진원도도 향상된 것을 알 수 있다.
No.22~35는 청구항 4의 조성 범위로서 새로이 Ca를 가한 효과가 나타나 있다.
No.36~41은 청구항 5의 조성 범위이고, No.42~50은 청구항 6의 조성 범위로서, 각각 청구항 1 및 2의 조성에 대하여 Pd를 0.1~1.0 질량% 가해, 동일한 효과가 나타나 있다.
No.51~58은 청구항 7, No.59~70은 청구항 8의 조성 범위로서, 상기 청구항 3 및 4의 조성에 대하여 Pd 첨가의 효과를 나타낸다.
이에 대해, 종래예 1, 2는 이들 첨가 원소를 뺀 첨가 범위로서, 진원도는 양호하나, 50만 회의 본딩 회수에 대해 4회의 제2접합 불량을 일으키고 있고, 또한, 본 발명의 첨가원소를 그 범위를 벗어나 적게 혹은 초과하는 경우에 대하여, 비교예 1～3에 나타낸다. 이들 경우도, 동일하게 진원도는 양호하나, 제2접합의 불량은 4~5회로 오히려 악화되는 경향을 나타내고 있어 그 조성범위를 지키는 것이 중요한 것을 나타나고 있다.
이상과 같이 본 발명의 본딩 와이어는 모두 50만 회의 본딩 회수에서 접합 불량이 대폭 저감 되었다.
본 발명에 의한 본딩 와이어에 따르면, 소정 범위의 Mg-In-Al-Yb의 첨가 원소계로 이루어진 금(Au)합금 또는 파라듐(Pd) 함유 금(Au)합금, 이들 합금에 새로이 칼슘(Ca)을 미량 첨가한 것, 또, 이들 합금에 새로이 란탄(La), 루테튬(Lu), 주석(Sn) 또는 스트론튬(Sr)을 미량 첨가한 것은 제2접합성이 뛰어나고, 여기에 이제까지의 본딩 와이어와 동일하게 풀 강도와 압착 직경의 진원도가 뛰어난 효과를 발휘할 수 있어 반도체 장치의 신뢰성 향상에 효과적이다.

Claims (8)

  1. 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20) 질량ppm. 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  2. 칼슘(Ca)을 5~20 질량ppm, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  3. 란탄(La) 5~20 질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20 질량ppm, 주석(Sn) 5~100 질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100 질량ppm 중에서 적어도 1종 이상, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  4. 란탄(La) 5~20 질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20 질량ppm, 주석(Sn) 5~100 질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100 질량ppm 중에서 적어도 1종 이상, 칼슘(Ca)을 5~20 질량ppm, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  5. 파라듐(Pd)을 0.01~1.2 질량%, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  6. 파라듐(Pd)을 0.01~1.2 질량%, 칼슘(Ca)을 5~20 질량ppm, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  7. 란탄(La) 5~20 질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20 질량ppm, 주석(Sn) 5~100 질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100 질량ppm 중에서 적어도 1종 이상, 파라듐(Pd)을 0.01~1.2 질량%, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상인 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
  8. 란탄(La) 5~20 질량ppm, 루테튬(Lu) 5~20 질량ppm, 주석(Sn) 5~100 질량ppm 및 스트론튬(Sr) 5~100 질량ppm 중에서 적어도 1종 이상, 파라듐(Pd)을 0.01~1.2 질량%, 칼슘(Ca)을 5~20 질량ppm, 마그네슘(Mg)을 5~100 질량ppm, 인듐(In)을 5~20 질량ppm, 알루미늄(Al)을 5~20 질량ppm, 이테르븀(Yb)을 5~20 질량ppm, 및 잔부가 순도 99.995 질량% 이상의 금(Au)으로 이루어진 금합금인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
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