KR101230643B1 - 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스-역펄스(pulse-reverse) 전해 도금 방식을 이용하여 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행할뿐만 아니라, 도금 수행시 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 반복적으로 유입 및 유출시킴으로써 보다 낮은 전류 밀도에서 도금 작업이 가능하고, 그로 인해 보다 우수한 도금 품질을 얻을 수 있는 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법에 관한 것이다.

Description

팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법{Method for manufacturing Cu wire plated Pd}

본 발명은 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 펄스-역펄스(pulse-reverse) 전해 도금 방식을 이용하여 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행할뿐만 아니라, 도금 수행시 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 반복적으로 유입 및 유출시킴으로써 보다 낮은 전류 밀도에서 도금 작업이 가능하고, 그로 인해 보다 우수한 도금 품질을 얻을 수 있는 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법에 관한 것이다.

일반적인 반도체 패키지에서, 리드 프레임의 다이 패드에 부착되는 반도체 칩의 칩 패드와 외부 단자, 예를 들어, 리드 프레임의 내부 리드는 와이어를 통하여 전기적으로 상호 연결되며, 이러한 와이어를 통하여 전기적으로 연결시키는 반도체 공정을 와이어 본딩(wire bonding) 공정이라고 한다. 그리고, 통상적으로 상기 와이어로는 골드(Au) 와이어를 주로 사용한다.

그러나 골드 와이어는, 공지된 바와 같이, 비용적인 측면에서 매우 고가이며특히 고온에서의 신뢰성이 현저히 떨어진다는 단점을 갖는다. 또한 골드 와이어는 연질이므로 외부의 충격에 의해 쉽게 형태가 변형될 수 있다는 단점을 갖는다.

따라서 고속, 저 전력 소모 및 저 비용의 반도체 패키지를 요구하는 최근의 추세에 따라 다양한 측면에서 골드 와이어보다 양호한 특성을 갖는 구리(Cu) 와이어에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

이러한 구리 와이어는 골드 와이어보다 낮은 전기적 저항을 가지므로 반도체 패키지의 동작 속도와 같은 전기적인 특성을 향상시킬 수 있고, 가격 역시 보다 저렴하다는 장점을 갖는다. 또한, 구리 와이어는 골드 와이어보다 더 높은 열 전도율(thermal conductivity)을 가지므로 열 방출을 보다 용이하다는 장점을 갖는다.

하지만, 구리 와이어는 상술한 장점들을 갖고 있는 반면에, 와이어 본딩 공정 중에서와 같이 구리 와이어가 외부 환경에 노출되는 경우 그 표면이 산화되어 신뢰성 및 전기적인 특성이 저하 또는 열악해진다는 문제점이 있다. 즉 구리 와이어의 표면이 산화되는 경우, 저항값이 증가하여 전기적인 특성이 저하되며 접합 강도가 약화되어 신뢰성이 저하되게 된다. 특히, 와이어 본딩 공정 중에 커필러리 단부에서의 볼 형성 부분이 산화되면 커필러리 단부에서의 방전이 발생할 가능성이 높으며, 이에 따라 볼이 원형으로 형성되지 않을 수 있다는 문제점이 있으며, 원형 볼이 형성되더라도 와이어 본딩 공정 후에 부착력이 크게 감소된다는 문제점이 있다.

이에, 구리 와이어 상부에 여러 가지 도금을 추가적으로 진행하여 상술된 구리 와이어의 문제점들을 해결하고자 하는 연구가 진행되어 왔으나, 하기에 기재된 바와 같이 다양한 문제점들이 발생하여 실제로 적용하지 못하는 상황이다.

예를 들어, 1) 금, 은 및 이의 조합으로 이루어지는 도금 재료를 구리 와이어 상부에 도금하려는 시도가 있으나, 이 경우에는 그 특성은 양호하게 형성되나 wetting이 과하게 형성되며 변색이 발생하는 등의 비정상적인 도금이 형성된다는 문제점이 있다. 또한 2) 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 도금 재료를 구리 와이어 상부에 도금하려는 시도가 있으나, 이 경우에는 비대칭적인 볼이 형성된다는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은, 펄스-역펄스 전해 도금 방식을 이용하여 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행함으로써, 와이어의 제조 비용을 감소시킬 수 있는 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 진원도금이 가능하며, Ball 형성이 우수하며, 그리고 와이어의 본딩성이 우수한 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 도금 수행시 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 반복적으로 유입 및 유출시킴으로써 보다 낮은 전류 밀도에서 도금 작업이 가능하고, 그로 인해 보다 우수한 도금 품질을 얻을 수 있는 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 우수한 특성들을 유지하면서 산화를 억제하여 신뢰성 및 전기적 특성이 저하되지 않는 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법은 (a) 구리 와이어를 준비하는 단계; (b) 상기 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 침지시키는 단계; (c) 펄스-역펄스(pulse-reverse) 전해 도금 방식을 이용하여 상기 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 정방향 전류 기간은 1msec 내지 100msec이고 오프 전류 기간은 0.1msec 내지 10msec인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 정방향 전류 기간과 상기 오프 전류 기간의 비율은 7:3인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 (b) 단계에서, 상기 구리 와이어는 상기 팔라듐 도금조의 일측면에서 타측면으로 유입되어 유출되고 다시 상기 타측면에서 상기 일측면으로 유입되어 유출되는 것을 N회 반복하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, (d) 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 세척 및 폴리싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, (e) 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 열처리하는 단계는 350℃ 내지 550℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 (a) 단계에서, 상기 구리 와이어는 55㎛ 내지 59㎛의 두께를 갖도록 신선처리되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 펄스-역펄스 전해 도금 방식을 이용하여 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행함으로써, 와이어의 제조 비용을 기존보다 감소시킬 수 있다는 효과가 발생한다.

더욱이 본 발명에 따르면, 진원도금이 가능하며, Ball 형성이 우수하며, 그리고 와이어의 본딩성이 우수한 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 습식 도금 공정의 최적화를 통해 구리 와이어에 두께에 따라 다양한 팔라듐 도금 두께를 구현할 수 있다는 효과가 발생한다.

또한 본 발명에 따르면, 도금 수행시 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 반복적으로 유입 및 유출시킴으로써 보다 낮은 전류 밀도에서 도금 작업이 가능하고, 그로 인해 보다 우수한 도금 품질을 얻을 수 있는 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 우수한 특성들을 유지하면서 산화를 억제하여 신뢰성 및 전기적 특성이 저하되지 않는 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 보다 효과적으로 제조할 수 있다는 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이며,
도 2는 종래 직류 방식으로 도금을 수행하는 경우에 팔라듐의 표면 사진(a)과 시간에 따른 전류의 세기를 나타낸 그래프(b)이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스-역펄스 전해 도금 방식으로 도금을 수행하는 경우에 팔라듐의 표면 사진(a)과 시간에 따른 전류의 세기를 나타낸 그래프(b)이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 수행하기 위한 도금 장치의 개략적인 모습을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

<실시예>

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 2는 종래 직류 방식으로 도금을 수행하는 경우에 팔라듐의 표면 사진(a)과 시간에 따른 전류의 세기를 나타낸 그래프(b)이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스-역펄스 전해 도금 방식으로 도금을 수행하는 경우에 팔라듐의 표면 사진(a)과 시간에 따른 전류의 세기를 나타낸 그래프(b)이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 수행하기 위한 도금 장치의 개략적인 모습을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법은 (a) 구리 와이어를 준비하는 단계; (b) 상기 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 침지시키는 단계; (c) 펄스-역펄스(pulse-reverse) 전해 도금 방식을 이용하여 상기 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행하는 단계;를 포함한다. 또한, (d) 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 세척 및 폴리싱하는 단계를 더 포함할 수 있으며, (e) 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 열처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, S10 단계는 구리 와이어를 준비하는 단계이다. 이때, 구리 와이어 대신에 구리와 다른 물질이 함께 융해되어 있는 구리 합금 와이어를 사용할 수도 있음을 유의한다. 예를 들어, 구리와 은이 혼합된 구리 합금(Copper alloy) 와이어를 사용할 수 있고, 또는 구리와 금이 혼합된 구리 합금 와이어를 사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 구리, 은 및 금이 모두 혼합된 구리 합금 와이어를 사용할 수도 있다. 따라서 이하에서의 모든 구리 와이어에 대한 설명은 구리 합금 와이어에 대해서도 동일하게 적용함을 유의한다.

S20 단계는 준비된 구리 와이어를 공지된 신선 장치를 이용하여 일정한 직경의 와이어로 제1 신선처리하는 단계이다. 이때, 구리 와이어는 55㎛ 내지 59㎛의 두께를 갖도록 신선처리하는 것이 바람직하며, 약 57㎛의 두께를 갖도록 신선처리하는 것이 더욱 바람직하다.

S30 단계는 상기 단계 S20에서 신선처리된 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 처리하는 단계이다. 이러한 단계는 구체적으로, 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 침지시키는 단계(S31), 펄스-역펄스 전해 도금 방식을 이용하여 구리 와이어 외측부에 팔라듐 도금을 수행하는 단계(S32) 및 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 세척 및 폴리싱하는 단계(S33)로 구성될 수 있다.

S31 단계는 본 발명에 있어서 주요한 단계로서, 도 4에 도시된 바와 같이, S31 단계에서, 구리 와이어는 팔라듐 도금조의 일측면에서 타측면으로 유입되어 유출되고 다시 상기 타측면에서 상기 일측면으로 유입되어 유출되는 것을 N회 반복하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 반복되는 N의 횟수는 2 내지 4.5회인 것이 바람직하다.

일반적으로 도금입자의 성장은 도금 전류 밀도에 영향을 받는다. 즉 높은 전류 밀도로 도금 공정을 수행할 수록 도금 성장이 거칠고 덩어리진 도금 입자가 형성되게 된다. 특히 와이어 도금시에는 도금조에 침적되는 와이어의 면적이 적어 빠른 속도로 도금 진행 시, 침적 시간이 짧아 와이어에 부가되는 전류 밀도가 상대적으로 높아지게 되며, 그로 인해 불균일한 도금 입자가 형성되어 후공정에서 수행되는 와이어의 신선이나 볼 형성에 영향을 주게 된다. 따라서, 본 발명에서는 고속 도금이 특징인 와이어 도금에서 와이어에 부가되는 전류 밀도를 낮추기 위해 팔라듐 도금조 좌우에 도금누적장치를 설치하고, 반복적으로 구리 와이어를 침적시킴으로써 저 전류 밀도의 균일한 도금이 가능하게 된다. 이러한 구성으로 인해, 팔라듐 도금조에 침적되는 구리 와이어 면적을 증가시켜 낮은 전류 밀도에서 작업이 가능하게 되며, 균일한 전착성과 연성이 우수한 도금 품질을 얻을 수 있게 된다. 또한 구리 와이어의 침적 시간이 증가되어 우수한 품질로 고속 도금 진행이 가능하여 작업성이 향상되게 된다.

더욱이, 이러한 도금누적장치를 통하여 기존 2.4m/min의 도금 속도에서 최대 30m/min의 도금 속도까지 도금 작업성이 향상될 수 있게 되며, 후술되는 S32 단계와 병행하여 도금을 수행한 결과 균일한 도금 두께, 우수한 신선 능력, 표면 안정호가 가능하여 기존의 제품들과는 차별화된 구리 와이어의 도금이 가능하게 된다.

S32 단계 역시 본 발명에 있어서 주요한 단계로서, 상기 단계는 펄스-역펄스 전해 도금 방식을 이용하여 구리 와이어 외측부에 팔라듐 도금을 수행하는 단계이다.

이러한 펄스-역펄스 전해 도금 방식은 펄스-역펄스 정류기를 사용하여 팔라듐 도금조에 정방향 전류를 일정시간 동안 인가하고 전류를 일정시간 동안 오프하는 것을 반복적으로 수행함으로써, 보다 안정된 팔라듐 도금 입자를 형성할 수 있게 된다. 또한 팔라듐의 순도를 향상시키고 금속의 경도를 변화시켜 와이어의 신선이 원할해지도록 물성을 변화시키게 된다.

이때, 펄스-역펄스 정류기가 인가하는 정방향 전류 기간은 1msec 내지 100msec이고 오프 전류 기간은 0.1msec 내지 10msec이며, 그리고 상기 정방향 전류 기간과 상기 오프 전류 기간의 비율은 7: 3인 것을 특징으로 한다. 이러한 이유는 오프 전류 기간이 상기 범위보다 길어질수록 실제로 도금되는 평균값에서 정방향 전류값의 40%가 역전류되어 팔라듐 도금 두께의 저하현상이 발생되기 때문이다.

또한 전류 밀도의 사용 가능 범위는 0.1 내지 26.0 ASD(A/dm2)의 전류 밀도 범위인 것을 특징으로 한다.

한편, 이러한 펄스-역펄스 전해 도금 방식에 있어서 정방향 전류 기간, 오프 전류 기간, 전류 기간의 비율 및 정방향 전류 세기, 정방향 전류 밀도 등은 도금하고자 하는 구리 와이어의 두께에 따라 적절하게 변경함으로써 보다 효과적으로 구리 와이어 외측에 팔라듐이 도금될 수 있게 된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 종래 직류 방식으로 도금을 수행하는 경우보다 본 발명에 따른 펄스-역펄스 전해 도금 방식으로 팔라듐 도금을 수행하는 경우 팔라듐 도금 입자 및 조직이 보다 치밀해지고 균일한 크기의 입자들로 구성되는 것을 확인할 수 있다.

추가적으로, 종래 직류 방식(이하, DC도금)에 비하여 본 발명에 따른 펄스-역펄스 전해 도금 방식(이하, PR도금)이 갖는 장점은 다음과 같다.

1) 결정의 미세화 : PR도금에 의해 도금된 팔라듐 도금층은 DC도금에 의해 도금된 팔라듐 도금층에 비해 결정이 미세화되는데, 이는 새로운 핵형성 위치가 많기 때문이다. 이 결과 미세한 결정이 형성되고, 큰 입자나 Columnar입자를 갖는 도금층은 제거되고 도금층내의 기공도 감소되게 된다.

2) 밀착력 개선 : PR도금에서의 최대 전류 밀도는 DC보다 상당히 증가시킬 수 있으므로 금속표면에 존재하는 음극피막을 파괴하여 도금층의 밀착성을 개선할 수 있다. 이 특성은 특별한 전처리 없이도 도금을 가능하게 하는 특징이 있다.

3) 수소 취성의 감소 : DC도금시는 음극에서 발생한 수소가스가 소재내로 침입하여 많은 피트(또는기공)을 발생시키는데 반해 PR도금시는 Time 0ff 시기동안 수소가 Bulk 용액으로 재확산해 나감으로서 소재내의 수소흡착량을 상당히 감소시킬 수 있다.

4) 전착금속의 분포 : PR도금의 경우 도금 부위의 전착금속의 분포는 DC도금에 비해 매우 균일하게 된다.

5) 내부응력의 감소 : DC도금에서 도금층의 핵형성과 성장은 격자결함, 불순물, Nodule과 같은 결함을 도금층내에 유발하고 도금층내의 잔류응력을 형성하여 도금층의 균열을 발생시킨다. 반면 PR도금에서는 불순물과 결함들의 동시전착이 매우 적으므로 도금층 내의 내부응력이 상당히 감소될 수 있다.

6) 양극용해 : 용해성 양극 전극을 사용하는 DC도금에서는 산화피막이 종종 양극에 형성되어 양극의 용해를 방해하므로 도금욕의 조성의 변화가 일어나는 반면, PR도금시는 양극에서의 산화피막 형성이 감소되므로, 양극의 산화피막을 제거하는 첨가제의 필요성이 감소된다.

7) 음극 전류효율 : PR도금은 DC도금에 비해 음극 전류효율을 증가시켜 에너지 걸감, 생산성 향상에 효과가 있다.

S33 단계는 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 세척 및 폴리싱하는 단계로서, 이러한 단계는 전해 도금시 구리 와이어에 부착되는 다양한 불순물을 세척하고 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 폴리싱함으로써 팔라듐 도금층이 약 0.2㎛의 두께를 갖도록 한다. 한편, 이러한 세척 및 폴리싱 단계는 공지된 장치 및 방법을 이용하는 것으로서 본 명세서에서는 이러한 내용에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

S40 단계는 선택적으로 추가되는 단계로서, 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 열처리하는 단계이다. 이러한 단계를 통하여 팔라듐이 도금된 구리 와이어는 잔류 응력이 완화되는 등 보다 안정화되게 된다.

이러한 열처리 단계는 약 350℃ 내지 550℃에서 수행되게 된다. 상기 온도 범위를 벗어나는 경우에는 원하는 안정화가 수행되지 않고 비용적인 측면에서 효율성이 저하됨으로 상기 범위에서 열처리가 수행되는 것이 바람직하다.

S50 단계는 열처리가 수행된 구리 와이어에 추가적으로 신선 처리를 수행하는 단계이다. 이러한 단계를 통하여 팔라듐이 도금된 구리 와이어는 약 17㎛의 두께를 갖게 되어 후공정인 본딩 공정에 효과적으로 사용될 수 있게 된다.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

Claims (7)

1. (a) 구리 와이어를 준비하는 단계;
   (b) 상기 구리 와이어를 팔라듐 도금조에 침지시키는 단계; 및
   (c) 펄스-역펄스(pulse-reverse) 전해 도금 방식을 이용하여 상기 구리 와이어 상부에 팔라듐 도금을 수행하는 단계
   를 포함하며,
   상기 (c) 단계에서,
   정방향 전류 기간은 1msec 내지 100msec이고 오프 전류 기간은 0.1msec 내지 10msec인 것을 특징으로 하는,
   팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 정방향 전류 기간과 상기 오프 전류 기간의 비율은 7: 3인 것을 특징으로 하는,
   팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 (b) 단계에서,
   상기 구리 와이어는 상기 팔라듐 도금조의 일측면에서 타측면으로 유입되어 유출되고 다시 상기 타측면에서 상기 일측면으로 유입되어 유출되는 것을 N회 반복하는 것을 특징으로 하는,
   팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   (d) 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 세척 및 폴리싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   (e) 팔라듐이 도금된 구리 와이어를 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 단계에서,
   상기 구리 와이어는 55㎛ 내지 59㎛의 두께를 갖도록 신선처리되는 것을 특징으로 하는,
   팔라듐이 도금된 구리 와이어 제조 방법.
   

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