KR101253227B1 - 스퍼터링 방식을 통한 구리 본딩 와이어의 표면에 산화 방지층 형성 방법 및 이에 의해 제조된 내 산화 구리 본딩 와이어 - Google Patents

스퍼터링 방식을 통한 구리 본딩 와이어의 표면에 산화 방지층 형성 방법 및 이에 의해 제조된 내 산화 구리 본딩 와이어 Download PDF

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Abstract

이 발명은 반도체패키지용 도전성 와이어 및 그 제조 방법, 그리고 와이어의 표면 코팅 방법에 관한 것으로, 다양한(다른 직경 및 다른 금속 조성) 종류의 도전성 와이어를 일견하여 구별할 수 있도록, 반도체 다이와 섭스트레이트을 전기적으로 연결하는 도전성 와이어에 있어서, 상기 도전성 와이어는 스퍼터링 방식을 통한 구리 본딩 와이어 표면에 산화방지층이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

스퍼터링 방식을 통한 구리 본딩 와이어의 표면에 산화 방지층 형성 방법 및 이에 의해 제조된 내 산화 구리 본딩 와이어{Method for forming oxidation prevention layer on surface of copper bonding wire via sputtering method and oxidized copper bonding wire manufactured using the method}
본 발명은 반도체패키지용 도전성 와이어 및 그 제조 방법, 그리고 와이어의 표면 코팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면 다양한(다양한 직경 및 금속) 종류의 도전성 와이어를 일견하여 구별할 수 있는 반도체패키지용 도전성 와이어 및 그 제조 방법, 그리고 와이어의 표면 코팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체패키지용 도전성 와이어는 고순도의 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 만들어져, 반도체 다이와 섭스트레이트(리드프레임, 인쇄회로기판, 써킷 필름, 써킷 테이프 등)를 연결하는 가느다란 도선을 말한다. 즉, 도전성 와이어는 반도체 다이와 이를 받쳐주는 섭스트레이트 사이를 전기적으로 연결하는 가느다란 도선으로서 반도체 구조 재료 중의 하나이다.
이러한 도전성 와이어는 반도체패키지의 종류, 물리적, 기계적 특징 또는 고객의 취향에 따라 다양한 직경 및 다양한 금속으로 형성될 수 있으며, 최근에는 기계적, 화학적 및 전기적 성능이 좀더 우수한 구리 와이어도 개발 및 출시되고 있다.
최근 도전성 와이어로 주로 사용되는 재료인 금(Au) 가격이 급상승함에 따라서, 구리 와이어로의 전환이 다양한 반도체패키지용에서 이루어지고 있다. 구리 본딩 와이어는 전기 전도도가 우수하며, 기계적 특성이 우수하며 더욱이 가격의 측면에서 금 본딩 와이어를 대체할 수 있는 큰 장점이 있다. 그러나, 낮은 작업성과 산화에 취약한 측면으로 인하여 적용 범위가 넓지 않아 특히, 파인 패키징에 취약한 특성을 자지고 있다.
이러한 취약점을 보완하고자 구리 와이어 표면에 산화를 방지할 수 있는 금속(예를 들면 팔라듐, 금, 은, 백금, 니켈 등)을 1, 2, 3 층의 구조로 전해 도금을 이용하여 도금한 제품이 개발되어 있다.
그러나 기존의 전해 도금 방식으로는 고밀도, 고 순도의 산화 방지층을 형성하는데 어려움이 있으며, 또한 균일 볼 형성과 낮은 경도로 인한 Al Pad의 손상(Cratering, Al splash, Peeling 등)에 대한 저항성과 본딩 작업성(NSOP, NSOL, Shortail, EFO Open 등)이 떨어지고, 본딩 시 Ball bond 형상 불량 (Off Centered Bond), BPT(Ball Pull Test), BST(Ball Shear Test)결과가 양호하지 못하며, IMC Coverage 가 80% 이상을 형성하기 어려워 고 신뢰성의 제품을 제공하기가 어렵다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 구리 표면에 산화 방지 금속을 코팅하는 방법으로 기존의 전해 도금 방식에서 탈피하여 고밀도, 고 순도의 산화 방지층을 형성할 수 있는 방법으로 스퍼터링 방식을 이용하여 산화 방지 구리 본딩 와이어를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한 스퍼터링 방식에 의해 제작된 와이어는 균일 볼 형성과 낮은 경도 값을 보여 Al Pad의 손상(Cratering, Al splash, Peeling 등)에 대한 저항성이 우수하며, 본딩 작업성(NSOP, NSOL, Shortail, EFO Open 등)이 우수하고, 본딩 시 Ball bond 형상 불량 (Off Centered Bond)에 우수하며, BPT(Ball Pull Test), BST(Ball Shear Test) 결과가 우수하며, IMC Coverage 가 80% 이상을 형성하여 고 신뢰성을 보일 수 있는 제품을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 도전성 와이어에 내 산화 금속을 코팅하는 방법에 있어서 스퍼터링 방법을 사용하여 제조한 것을 특징으로 한다.
상기 제조 방식에서 특히 타겟의 순도는 99.99% 이상의 고순도 금속을 이용하는 것을 말하며, 반도체 패키지별 사용하는 와이어의 직경에 따라 코팅 두께를 달리하는 것을 특징으로 한다. 또한, 산화 방지용 금속을 코팅함에 있어서 1 ~ 2 종의 다른 물질을 사용하여 특성을 향상시키는 특징을 포함하고 있다.
본 발명에 의한 스퍼터링 방식에 의해 제작된 와이어는 균일 볼 형성과 낮은 경도 값을 보여 Al Pad의 손상(Cratering, Al splash, Peeling 등)에 대한 저항성이 우수하며, 본딩 작업성(NSOP, NSOL, Shortail, EFO Open 등)이 우수하고, 본딩 시 Ball bond 형상 불량 (Off Centered Bond)에 우수하며, BPT(Ball Pull Test), BST(Ball Shear Test) 결과가 우수하며, IMC Coverage 가 80% 이상을 형성하여 고 신뢰성을 보일 수 있는 제품을 제공한다.
도 1은 스퍼터링 공정을 위해 구성된 장비의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 전체 제조 공정 흐름도이며, 도 2b는 스터퍼링 방식을 통한 코팅 공정의 세부 작업 진행도이다.
도 3은 코팅 후 열처리를 실시하지 않을 경우의 내 산화 피막 금속층의 공극 잔존 현상을 X 12,000의 배율에서 촬영한 사진이다.
도 4는 코팅 후 열처리를 실시하여 내 산화 피막 금속층의 공극을 제어한 후 공극 잔존 현상을 X 30,000의 배율에서 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명에 의한 도전성 와이어의 제조 공정을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 종래와 같이 금, 알루미늄 또는 구리와 같은 금속을 이용하여 일정 직경을 갖는 도전성 와이어를 정제, 인발, 열처리, 권선 등의 공정을 통하여 제조한다. 이 공정의 흐름 중 본 발명의 핵심은 각 공정의 진행 중 일정 선경에서 스퍼터링 방법을 이용하여 코팅을 실시하는 것이다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 우선 고 순도의 산화 방지용 타겟을 제조하여 준비한다. 본 발명에서는 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni)등이나, 구리(Cu)와의 합금화 금속을 사용하였으며, 순도는 99.99% 이상의 고 순도 재료를 원료로 하여 판상의 타겟을 제조하였다.(단계(S100))
본 발명에 사용된 내부 구리 와이어는 99.999% 이상의 순도를 가진 원재료를 사용하여 연속 주조 공법을 통해 8mm 직경의 Rod 로 제작되어 지며, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위해 Ag(은), Be(베릴륨), Ca(칼슘), La(란탄), Y(이트륨), Mn(망간)등의 원소들을 조합하여 1 ~ 1000 ppm 범위에서 첨가 한다.(단계(S200))
연속 주조를 통하여 제조된 와이어는 단독 인발 공정(단계(S300))을 거쳐 가공율 85% ~ 95% 사이에서 열처리 공정을 적용하여 기계적 특성 값을 나타낼 수 있도록 제조한다.(단계(S400)) 이후 인발 가공을 통해 30㎛ ~ 100㎛ 직경의 제품으로 제조하여 준비한다.(단계(S500))
균일한 코팅 산화막을 형성해 주기 위하여 핵심 코어 제품의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거하여 주기 위기 위한 상압 플라즈마, UV, 열처리 반응로, 탈지, 산세 등의 공정들을 통해 유기물을 제거하고, 산화막을 제거하여 준다.(단계(S600))
다음으로, 스퍼터링 방식을 통한 코팅 공정(단계(S700))에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링 공정은 고 진공 형성, 유지시키는 챔버(1)와 스퍼터링 소스(8), 전원 공급 장치(2), 에칭 및 기판 바이어스용 펄스 전원(9), 회전이 가능한 Pay-off부(3) 와 Winder 부(10), 가스 주입 장치(MFC)(4) 등으로 구성된 장비를 사용하였다.
스퍼터링 공정 중 초기 진공도는 10-3 ~ 10-6 Torr 이하의 진공도를 얻기 위해 유확산 펌프, 부스터 펌프 그리고, 유 회전 펌프를 사용한다. 이때의 진공 압력은 양극(Cathode)(11)과 타겟(target)(5)의 산화, 불순물 영향을 배제하기 위함이며, 이에 의해 막질(응력), 막 두께 분포, Rate 등에 영향을 미친다.
양극(Cathode)(11)은 상, 하의 2 단 구조로 이루어져 있으며, 마그네트론을 장착하여 자장이 형성되는 터널에 전자가 트랩되어, 사이클로이드 운동을 지속적으로 할 수 있도록 하여, 플라즈마 형성의 밀도가 높아지도록 하였다. 스퍼터링 소스(8)는 DC 및 Pulse 그리고 RF 전원 장치가 부착되어 있어 필요에 따라 바꾸어 사용할 수 있도록 하였다.
Pay-Off 부(3)와 Winder 부(10)의 보빈 지그(12)는 저속 회전이 가능하도록 감속기(6)를 장착하였으며, 바이어스 전원을 인가할 수 있도록 챔버(1)와는 절연되어 있다. 보빈 홀더(13)에는 전압 인가가 가능한 펄스 전원(7)이 부착되어 있어 바이어스 전원(14)과 청정을 위한 에칭용으로 사용이 가능하도록 고안되었다.
보빈 홀더(13) 부위에는 저항 발열체(15)를 삽입하여 온도를 200도까지 올릴 수 있도록 하였으며, 열전대를 통해 온도를 제어할 수 있도록 하였다. 가스로는 6N Grade의 Ar 가스를 사용할 수 있도록 가스 주입 장치(MFC)(4)를 설치하여 이용하였다.
상기에 설명한 스퍼터링 공법을 사용하기 전 단계에서 고순도의 동 소재를 사용하여 용해 공정에서 8mm Rod를 주조하고, 태선 공정, 중간 열처리 공정, 인발 공정을 거쳐 코팅을 할 수 있는 요구 선경까지 인발을 실시하였다. 코팅 전 전처리 단계에서 유기물과 산화막을 제거하여 준 후 코팅할 구리 선을 상기 장비에 장착하여 인가 조건을 통해 산화 방지막을 형성하였다.
더 상세하게는, 스퍼터링 방식을 통한 코팅 공정은 전처리과정으로 타겟 세정 및 장비에 셋팅하는 단계와(단계(S701)), 코팅 품질을 얻고자 진공시키는 저진공(S701), 고진공 단계(S702)와, Ar gas의 투입하는 단계(S704), 와이어 권취를 시작하는 단계(S705), 플라즈마 형성 하는 단계(S706), 코팅 단계(S707), 코팅 종료단계(S708), 와이어 권취 종료 단계(S709), Ar gas의 투입을 중지하는 단계(S710), 터보 펌프를 감속하는 단계(S711)와 장비를 냉각시키는 단계(S712)로 구성되었다.
또한, 본 코팅 공정에서의 각 인가 조건에 대한 것은 다음과 같다.
고 품의의 코팅 품질을 얻고자 진공도를 10-3 ~ 10-6 Torr(바람직하게는 5.0x10-2 Torr이하의 저진공, 3.0x10-5 Torr이하의 고진공 단계)을 유지하여야 하며, 플라즈마 형성 시 인가된 파워 값은 200W ~ 1,000W에서 조절하여야 한다. 200W 이하의 파워 제공 시에는 코팅 두께 제어가 매우 어려우며, 1,000W 이상으로 인가하였을 경우에는 코팅 막질의 균일도가 매우 떨어지는 현상을 보인다. Ar gas의 투입량은 200 ~ 500sccm 로 제어하여야 한다. 투입량이 200sccm 이하일 경우 플라즈마 형성이 어려우며, 500sccm 이상으로 조절할 경우 진공도 저하에 의한 코팅 막질의 균일도가 매우 떨어지는 현상을 보인다. 코팅 작업 시 와이어를 감아 주는 속도는 5 ~ 100rpm 사이에서 조절하여야 한다. 만일 속도가 5rpm 이하로 제어하면 제품을 생산하는 작업 시간이 매우 많이 걸리는 문제가 있고, 속도를 100rpm 이상으로 제어하면 코팅하고자 하는 금속의 두께를 제어하기가 매우 어려워지며, 코팅 막질의 균일도가 매우 떨어지는 현상을 보인다. 코팅을 형성하고자 하는 구리 본딩 와이어와 금속 타겟과의 거리를 5 ~ 50mm 사이에서 조절하여야 한다. 만일 거리가 5mm 이하로 셋팅을 하게 되면 코팅 공정 중 단선 (와이어 끊어짐) 이 발생할 수 있어 연속 작업이 불가능해 지며, 거리를 50mm 이상으로 셋팅하여 코팅을 하게 되면 상, 하 타겟의 플라즈마 충돌에 의해 스파크 발생 등의 불량이 발생한다.
상기의 코팅 공정 조건을 적용하여 코팅이 완료된 내 산화물 금속 피막 형성 구리 본딩 와이어는 구리 와이어와 내 산화물 금속간의 밀착력을 높여 주기 위해 연속 열처리 공법을 적용하고(단계(S800)), 최종 인발 공정을 통해 고객 요구 선경인 12㎛ ∼ 25㎛까지 인발하는 최종 인발 공정까지 제조하였고(단계(S900)), 최종 열처리 공정(단계(S1000))과 권선 공정(단계(S1100))을 통해 고객 요구 특성에 맞춘 제품을 제작하여 진공 포장(단계(S1200))하였다. 열처리 공정 시 적용 온도는 확산층을 형성할 수 있도록 500 ~ 700도 사이로 조절하여야 한다. 인발 공정을 통해 최종 요구 선경까지 제작된 제품은 반도체 패키징 공정에서 사용이 가능할 수 있는 기계적 특성을 나타내도록 연속 열처리를 통해 제어한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 실시예 및 비교예에 근거하여 설명한다.
실시 예 1) 스퍼터링 코팅 공정 적용 전 전처리
먼저 평균 직경이 30 ~ 100㎛ 인 구리 본딩 와이어 표면의 표면 유기물과 산화 피막을 제거하기 위해 전처리공정을 적용하였다. 표면 유기물은 구리 와이어 표면에 존재하는 수치의 50%를 제거하여 주기 위하여 수십초 ~ 5분가량 처리하여 주었다.
실시 예 2) 스퍼터링 코팅
상기의 표면 유기물과 산화 피막이 제거된 구리 와이어의 표면에 내 산화 금속 피막을 형성하기 위해 스퍼터링 공법을 적용하여 30 ~ 300nm 두께로 코팅하였다.
실시 예 3) 내 산화 피막 금속의 수지상 구조 제거
상기의 코팅 공정 중 형성되는 내 산화 피막 금속의 수지상 성장을 제어하기 위해 열처리와 급냉 방식을 적용하여 구리 와이어 표면과 내 산화 금속간의 금속간 화합물을 형성하고, 수지상 조직으로 성장된 내 산화 피막층에 존재하는 공극을 제거하여 제조하였다.
실시 예 4) 내 산화 피막 금속 코팅 구리 와이어의 선경 축소
상기 제조된 내 산화 피막 금속 코팅 구리 와이어를 반도체 패키팅 디바이스에 적용할 수 있는 선경의 제품으로 제조하기 위해 15 ~ 50㎛의 선경으로 인발을 실시하였다.
실시 예 5)
상기 실시 예 1~4의 공정과 같으며 코팅막 두께를 400nm로 형성하여, 와이어 본딩 작업성을 평가하였다.
실시 예 6)
상기 실시 예 1~4의 공정과 같으며 코팅막 두께를 500nm로 형성하여, 와이어 본딩 작업성을 평가하였다.
실시 예 7)
상기 실시 예 1~4의 공정과 같으며 코팅막 두께를 600nm로 형성하여, 와이어 본딩 작업성을 평가하였다.
실시 예 8)
상기 실시 예 1에서 전처리를 적용하지 않고 실시하였으며 이후 공정은 실시 예 2~4 와 같이 실시하여 최종 요구 선경까지 제조하여, 와이어 본딩 작업성을 평가하였다.
실시 예 9)
상기 실시 예 8과 같으며 코팅막 두께를 각각 400, 500, 600nm 로 제작하여 최종 요구 선경까지 제조하여, 와이어 본딩 작업성을 평가하였다.
실시 예 10)
상기 실시 예 3에서 열처리와 냉각 공정을 적용하지 않고 실시하였으며 이후 공정은 실시 예 1 ~ 4와 같이 실시하여 최종 요구 선경까지 제조하여, 와이어 본딩 작업성을 평가하였다.
비교 예 1)
상기 실시 예 5 ~ 7까지 실시한 내 산화 피막 금속 코팅 구리 본딩 와이어의 코팅 두께에 따른 와이어 본딩 작업성을 비교하였고 그 결과는 표 1에 나타내었다.
내 산화 피막 금속의 코팅막 두께가 두꺼워지면 치밀 평탄화된 코팅성막을 형성하기가 어려웠고 와이어 본딩작업성에서 Al Pad층에 결함을 유발하는 불량 현상이 발생하였다.
코팅 두께( nm ) FAB 형상 Ball bond
형상 		루프 형상 본딩 작업성
30 ~ 300 nm ◎ ◎ ◎ ◎
400 nm ○ ○ ◎ △
500 nm △ △ ◎ △
600 nm △ △ ○ △
( ◎: 매우 좋음, ○: 양호함, △: 나쁨)
비교 예 2)
실시 예 8 ~ 9의 코팅 전 재료인 구리 와이어에 잔존하는 표면 유기물과 산화 피막에 따라서 내 산화 피막 금속 코팅 형성 시의 코팅층 품질에 따른 인발 작업 시의 결함 유발 현상 발생 유, 무와 최종 와이어 본딩 작업성 평가 결과를 비교하였고 그 결과는 표 2에 나타내었다. 코팅 전 구리 와이어에 일정량 이상의 유기물과 산화 피막이 잔존할 경우에는 내 산화 피막 금속층 형성이 불균일해지며 인발 가공 시 구리가 표면으로 노출이 되는 불량 현상이 발생하였다.
전처리 인발 공정
결함 		Ball bond
형상 		본딩 작업성
적용 ◎ ◎ ◎
미 적용 △ △ △
( ◎: 매우 좋음, ○: 양호함, △: 나쁨)
비교 예 3)
실시에 10에서와 같이 열처리, 냉각 공정을 첨가되지 않은 조건과 첨가된 조건에서의 내 산화 피막 금속층의 공극 잔존 현상을 비교하였고 X 12,000의 배율에서는 거의 유사하게 보이나 X 30,000 이상으로 관찰할 시에는 내 산화 피막 금속의 코팅 성장의 차이점을 발견할 수 있었고 그 결과는 도 3, 도 4에 나타내었다.
본 발명의 실시예는 예시된 것으로서, 본 발명은 이에 한하지 않고 여러 가지 변동되는 범위의 것도 모두 포함하고 있다.
1: 챔버 8: 스퍼터링 소스
2: 전원 공급 장치 9: 에칭 및 기판 바이어스용 펄스 전원
3: Pay-off 부 10: Winder 부
4: 가스 주입 장치(MFC) 11: 양극(Cathode)
5: 타겟(target) 12: 보빈 지그
6: 감속기 13: 보빈 홀더
7: 펄스 전원 14: 바이어스 전원
15: 저항 발열체

Claims (6)

  1. 고순도 재료를 연속주조하는 연속주조 공정과, 연속 조조를 통하여 제조된 와이어를 인발하는 단독 인발 공정과, 열처리를 하는 열처리 공정과, 인발 가공하는 인발 공정과, 유기물을 제거하고, 산화막을 제거하는 전처리 공정과, 스퍼터링 방식을 통한 코팅하는 공정과, 코팅이 완료된 구리 와이어와 내 산화물 금속간의 밀착력을 높여 주기 위해 연속 열처리하는 연속 열처리 공정과, 고객 요구 선경까지 제조하기 위한 선경 12㎛ ∼ 25㎛까지 인발하는 최종 인발 공정과, 최종 열처리를 하는 최종 열처리 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방식을 통한 구리 본딩 와이어의 표면에 산화방지층 형성방법.
  2. 고순도 재료를 연속주조하는 연속주조 공정과, 연속 조조를 통하여 제조된 와이어를 인발하는 단독 인발 공정과, 열처리를 하는 열처리 공정과, 인발 가공하는 인발 공정과, 유기물을 제거하고, 산화막을 제거하는 전처리 공정과, 스퍼터링 방식을 통한 코팅하는 공정과, 코팅이 완료된 구리 와이어와 내 산화물 금속간의 밀착력을 높여 주기 위해 연속 열처리하는 연속 열처리 공정과, 고객 요구 선경까지 제조하기 위한 선경 12㎛ ∼ 25㎛까지 인발하는 최종 인발 공정과, 최종 열처리를 하는 최종 열처리 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방식을 통한 내 산화물 피막 구리 본딩 와이어에 있어서,
    상기 본딩 와이어는 심재구리의 순도를 99.99질량%의 구리를 주성분으로 하고, Ag(은), Be(베릴륨), Ca(칼슘), La(란탄), Y(이트륨), Mn(망간)의 원소들을 조합하여 1∼1000ppm 범위에서 첨가하여 제조된 내 산화물 피막 구리 본딩 와이어.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내 산화물 피막 구리 본딩 와이어의 표면에 내 산화성 금속인 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni)이나, 구리(Cu)와의 합금화 금속으로 코팅된 것을 특징으로 하는 내 산화물 피막 구리 본딩 와이어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 코팅된 금속의 두께는 30nm ~ 300nm 인 것을 특징으로 하는 내 산화물 피막 구리 본딩 와이어.
  5. 제 3 항에 있어서,
    내 산화물 피막 코팅 후 인발 공정을 통해 제작된 구리 본딩 와이어의 최종 코팅 두께가 30nm ~ 100nm 인 것을 특징으로 하는 내 산화물 피막 구리 본딩 와이어.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스퍼티링방식을 통한 코팅하는 공정은, 전처리과정으로 타겟 세정 및 장비에 셋팅하는 단계와, 코팅 품질을 얻고자 진공시키는 5.0x10-2 Torr이하의 저진공, 3.0x10-5 Torr이하의 고진공 단계와, Ar gas의 투입하는 단계와, 와이어를 권취를 시작하는 단계와, 플라즈마 형성하는 단계와, 코팅 단계와, 코팅 종료단계와, 와이어 권취 종료 단계와, Ar gas의 투입을 중지하는 단계와, 터보 펌프를 감속하는 단계와 장비를 냉각시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터링 방식을 통한 구리 본딩 와이어의 표면에 산화방지층을 형성하는 방법.
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