KR101416778B1 - 은 합금 본딩 와이어 - Google Patents

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KR101416778B1
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bonding wire
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average grain
bonding
silver alloy
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KR1020130001243A
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홍성재
허영일
김재선
이종철
문정탁
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Abstract

본 발명은 은(Ag) 합금 본딩 와이어에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 은(Ag)을 주성분으로 하는 은 합금 본딩 와이어로서 팔라듐(Pd) 0.5 내지 4 중량% 및 금(Au) 2 내지 8 중량% 포함하고, 상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 수직 단면에 대하여 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어에 관한 것이다. 본 발명의 본딩 와이어를 이용하면 열충격 강도에 강하고 SOB 접합성이 우수하며 질소 분위기에서도 우수한 본딩 특성이 얻어질 수 있다.

Description

은 합금 본딩 와이어{Silver alloy bonding wire}
본 발명은 은 합금 본딩 와이어에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 열충격 강도에 강하고 SOB 접합성이 우수하며 질소 분위기에서도 우수한 본딩 특성을 보이는 은 합금 본딩 와이어에 관한 것이다.
반도체 장치를 실장하기 위한 패키지에는 다양한 구조들이 존재하며, 기판과 반도체 장치를 연결하거나 반도체 장치들 사이를 연결하기 위하여 본딩 와이어가 여전히 널리 사용되고 있다. 본딩 와이어로서는 금 본딩 와이어가 많이 사용되었으나 고가일 뿐만 아니라 최근 가격이 급상승하였기 때문에 이를 대체할 수 있는 본딩 와이어에 대한 요구가 있다.
금(Au)의 대체재료로서 각광받았던 구리 와이어의 경우 구리 본연의 높은 경도로 인해 볼 본딩시 칩이 깨어지는 패드 크랙(pad crack) 현상이 빈번하게 일어나고 있고, 고집적 패키지에 필요한 SOB (stitch-on-bump) 본딩이 구리의 높은 경도와 강한 산화성으로 인해 해결되지 않고 있다.
이에 대한 대안으로서 저렴한 가격의 은(Ag)을 주성분으로 하는 본딩 와이어에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 수소 혼합가스를 사용하여야만 안정적인 볼본딩이 가능하고, 고습신뢰성 및 고온 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 기존의 금 본딩 와이어에 비하여 압축, 팽창에 대한 내성이 약하여 고온과 저온이 반복되는 열충격 신뢰성이 크게 저하되는 문제점이 발생하였다. 또한, 최근 SOB 본딩에 대한 필요성이 증대되나, 은의 가공경화현상, 산화 등에 대한 개선책도 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열충격 강도에 강하고 SOB 접합성이 우수하며 질소 분위기에서도 우수한 본딩 특성을 보이는 은 합금 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 은(Ag)을 주성분으로 하는 은 합금 본딩 와이어로서, 팔라듐(Pd) 0.5 내지 4 중량% 및 금(Au) 2 내지 8 중량% 포함하고, 상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 수직 단면에 대하여 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3인 은 합금 본딩 와이어가 제공된다.
상기 은 합금 본딩 와이어의 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)는 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)보다 클 수 있다. 이 때, 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)는 약 2㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 약 0.3 내지 약 1일 수 있다.
또, 상기 은 합금 본딩 와이어는 제 1 물성 조절 원소를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 물성 조절 원소는 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 란타넘(La), 이트륨(Y), 및 세륨(Ce)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 제 1 물성 조절 원소의 함량은 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 약 30 중량ppm 내지 약 100 중량ppm일 수 있다.
또, 상기 은 합금 본딩 와이어는 제 2 물성 조절 원소를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 물성 조절 원소는 백금(Pt) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 제 2 물성 조절 원소의 함량은 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 약 0.01 중량% 내지 약 3 중량%일 수 있다.
또한, 상기 은 합금 본딩 와이어는 이를 제조하기 위한 신선 공정에서의 단면감소율이 약 7% 내지 약 10%일 수 있다.
본 발명의 본딩 와이어를 이용하면 열충격 강도에 강하고 SOB 접합성이 우수하며 질소 분위기에서도 우수한 본딩 특성이 얻어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어를 나타낸 단면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 SOB 접합성을 보다 상세하게 설명하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어의 본딩 모습을 나타낸 측면도이다.
도 3b는 도 3a의 B 부분을 상부에서 바라본 평면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
본 발명 개념은 은(Ag)을 주성분으로 하고, 팔라듐(Pd)과 금(Au)을 포함하는 은 합금 본딩 와이어를 개시한다. 여기서, 주성분(main component)이라 함은 전체 성분에 대한 해당 원소의 농도가 50%를 넘는 것을 말한다. 즉, 은(Ag)을 주성분으로 한다는 것은 은과 다른 원소의 총계에 대한 은의 농도가 50%를 넘는 것을 의미한다. 여기서 농도는 원자 몰수를 기준으로 한 농도를 말한다.
상기 팔라듐(Pd)의 함량은 약 0.5 중량% 내지 약 4 중량%일 수 있다. 만일 팔라듐(Pd)의 함량이 지나치게 적으면 내산성이 나빠져서 질산이나 황산 등에 의하여 쉽게 부식되거나 단락될 수 있고, 특히 팔라듐이 함유되지 않으면 은 합금 본딩 와이어의 내산화성이 취약해질 수 있다. 반대로, 팔라듐의 함량이 과도하게 많으면 와이어 본딩 시의 와이어 말단에 형성되는 볼의 경도가 과도하게 상승하여 본딩 패드 및/또는 그 아래의 기판이 손상될 수 있다.
상기 금(Au)의 함량은 약 2 중량% 내지 약 8 중량%일 수 있다. 만일 금(Au)의 함량이 지나치게 적으면 본딩 와이어의 말단에 형성되는 볼의 형상이 진구(眞球)로부터 과도하게 벗어나게 되어 본딩 특성이 나빠질 수 있다. 반대로, 금의 함량이 지나치게 많으면 와이어 본딩 시의 와이어 말단에 형성되는 볼의 경도가 과도하게 상승하여 본딩 패드 및/또는 그 아래의 기판이 손상될 수 있고, 또한 범프 위에 스티치(stitch) 본딩하는 소위 SOB(stitch-on-bump) 접합성이 저하될 수 있다.
한편, 와이어 말단에 형성되는 볼의 진구성을 향상시키고 편심볼이 형성되는 현상을 방지하기 위하여 특정 분위기에서 볼 형성이 될 수 있는데, 통상적으로는 수소(H2)와 질소(N2)가 첨가된 분위기에서 종종 수행된다. 그러나, 수소는 질소보다 비쌀 뿐만 아니라 폭발의 위험이 있는 등 취급이 어렵기 때문에 수소 없이 질소만으로 동등한 효과를 얻는 것이 바람직하다. 위에서와 같이 금(Au)을 첨가한 합금은 수소 없이도 진구성을 개선할 수 있으며, 특히, 팔라듐(Pd)과 함께 첨가되는 경우 진구성을 크게 높일 수 있다.
상기 본딩 와이어는 수많은 결정립(crystal grain)으로 구성될 수 있다. 상기 결정립의 크기는 전체 본딩 와이어에 걸쳐서 일정한 산포를 가질 수 있다. 나아가, 상기 결정립의 크기는 본딩 와이어의 반지름 방향의 위치에 따라 변화할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어에 있어서, 상기 은 합금 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 수직 단면에 대하여 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 약 0.3 내지 약 3일 수 있다. 또는, 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 약 0.5 내지 약 2.5일 수 있다.
도 1은 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어(100)를 나타낸 사시도로서, 길이 방향인 z 방향에 수직인 단면의 구조를 알 수 있도록 단면을 나타낸다. 상기 은 합금 본딩 와이어(100)는 경계면인 중간 계면(105)을 기준으로 그보다 본딩 와이어(100)의 중심(O)에 가까운 중심부(110) 및 그보다 본딩 와이어(100)의 중심(O)으로부터 먼 외측부(120)로 구성될 수 있다. 상기 중간 계면(105)은 가상적인 것일 수 있으며, 중심부(110)와 외측부(120) 사이에는 물리적인 계면이 관찰되지 않을 수 있다.
상기 중간 계면(105)의 위치는 상기 본딩 와이어(100)의 중심(O)과 상기 본딩 와이어(100)의 표면의 가운데일 수 있다. 즉, 상기 본딩 와이어(100)의 단면을 반지름 R의 원으로 생각한다면, 중간 계면(105)은 그와 동심원으로서 반지름이 R/2인 원일 수 있다.
도 2는 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a) 및 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)의 측정 방법의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 2에서 보는 바와 같이 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)는 a1으로 표시된 상기 본딩 와이어(100)의 외주 방향을 따라 측정될 수 있다. 예를 들면, 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)는, 예를 들면, 전자 후방산란 회절(electron backscatter diffraction, EBSD)과 같은 방법을 이용하여 측정될 수 있다. 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)는 EBSD 분석을 통해 얻은 결정립 이미지에서 와이어 길이 방향에 수직한 방향으로 소정 길이에 걸쳐 교차되는 결정립의 수를 세어서, 상기 소정 길이를 결정립의 수로 나눔으로써 구할 수 있다.
EBSD 법에서는 각 결정립의 방위를 측정할 수 있기 때문에 결정립계를 확정할 수 있다. 본 발명에서는 인접하는 결정립의 방위 차가 15°이상의 것을 결정립계로 한다.
또는, 선택적으로, EBSD 시스템을 이용하여 소프트웨어적으로 평균 결정립 크기(a)가 결정될 수 있다. EBSD 시스템을 이용하여 소프트웨어적으로 평균 결정립 크기(a)가 결정되는 경우, 예를 들면, 측면에 노출된 결정립의 면적을 계산한 후 그와 동일한 면적을 갖는 원의 지름을 결정립 크기로 하고, 이와 같이 결정된 결정립 크기를 평균하여 평균 결정립 크기(a)로 할 수 있다.
또는, 선택적으로, EBSD 시스템을 이용하되 a2로 표시된 외측부 범위에 대하여 결정립 크기를 소프트웨어적으로 측정하고 그의 평균값을 구함으로써 평균 결정립 크기(a)를 얻을 수도 있다.
또한, 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)는 중심부 내의 임의의 범위 또는 전체 중심부 범위에 대하여 측정된 결정립 크기의 평균일 수 있다. 중심부 내의 임의의 범위 또는 전체 중심부 범위에 대하여 결정립의 크기를 측정하기 위하여, 예를 들면, EBSD와 같은 방법을 이용할 수 있다. EBSD를 이용하여 소프트웨어적으로 평균 결정립 크기(b)를 구하는 경우 위에서 설명한 바와 같이 구할 수 있다.
특히, 여기서 측정된 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)는 2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
EBSD를 이용하여 결정립의 크기와 그 평균을 구하는 방법에 대해서는 대한민국 등록특허 제1057271호 등에 상세히 기재되어 있기 때문에 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a) 및 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)를 얻을 수 있으며, 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)는 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)보다 클 수 있다. 다시 말해, 상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 수직 단면에 대하여 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 약 1보다 작을 수 있다. 이 경우 상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)은 약 0.3 내지 약 1일 수 있다.
기판과 반도체 다이, 또는 반도체 다이와 다른 반도체 다이를 연결하는 본딩 와이어는 종종 상당한 온도 변화를 겪게 될 수 있는데, 결정립의 크기와 결정립 크기의 산포는 열적 변화에 따른 안정성과 관계가 있을 수 있다. 즉, 결정립의 크기가 작으면 결정립의 크기가 클 때에 비하여 열적 변화에 대한 불안정성이 감소할 수 있다.
또한, 결정립의 크기의 분포가 비교적 균일하여 산포가 작으면 산포가 클 때에 비하여 결정립의 크기의 분포가 더 일정한 것이기 때문에 열적 변화에 대한 불안정성이 감소할 수 있다. 여기서, 상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 수직 단면에 대하여 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 산포를 나타내는 하나의 지표일 수 있다.
상기 은 합금 본딩 와이어의 물성을 향상시키기 위하여 제 1 물성 조절 원소가 더 첨가될 수 있다. 상기 제 1 물성조절원소는 본딩 와이어 내부의 결정립이 과도하게 커지는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 1 물성 조절 원소는 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 란타넘(La), 이트륨(Y), 및 세륨(Ce)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 제 1 물성조절원소의 함량은, 예를 들면 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 약 30 중량ppm 내지 약 100 중량ppm 포함할 수 있다.
상기 은 합금 본딩 와이어 내의 제 1 물성조절원소의 함량이 너무 적으면 결정립의 크기가 조대화되는 것을 방지하는 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 상기 은 합금 본딩 와이어 내의 제 1 물성조절원소의 함량이 너무 많으면 본딩 와이어 말단에 형성되는 볼의 경도가 과도하게 높아질 수 있다. 볼의 경도가 과도하게 높으면 패드 또는 반도체 다이의 균열 또는 크레이터링(cratering)이 발생할 수 있고, 범프에 대한 스티치(stitch-on-bump, SOB) 접합성이 나빠질 수 있다.
도 3a는 SOB 접합성을 보다 상세하게 설명하기 위한 측면도이고, 도 3b는 도 3a의 B 부분을 상부에서 바라본 평면도이다. 도 3a를 참조하면, 전기적으로 연결하고자 하는 퍼스트(first)쪽 본딩 패드(10)와 세컨드(second)쪽 본딩 패드(20)가 제공되고, 세컨드쪽 본딩 패드(20) 상에는 범프(30)가 제공된다. 상기 범프(30)는 볼범프일 수도 있고 스터드 범프일 수도 있는데, 여기서는 스터드 범프인 경우에 대하여 설명한다.
제공된 본딩 패드들(10, 20) 중 세컨드쪽 본딩 패드(20) 상에 범프(30)가 제공되는데, 이와 같은 범프(30)를 제공하는 방법은 통상의 기술자에 잘 알려져 있으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
은 합금 본딩 와이어(100)의 선단에 볼을 형성하는 퍼스트쪽 본딩 패드(10)에 볼 본딩을 수행한 후 상기 은 합금 본딩 와이어(100)를 세컨드쪽 본딩 패드(20) 상의 범프(30) 쪽으로 인도하여 범프(30) 위에 스티치 본딩을 수행한다.
도 3b를 참조하면, 스티치 본딩된 형태에 있어서 중심선 C를 중심으로 좌우의 형태와 크기가 실질적으로 대칭인 것이 바람직하다. 스티치 본딩 시에 전체 본딩 와이어 폭에 대하여 균일한 힘이 가해졌을 때, 본딩 와이어의 성질이 전체 폭에 대하여 거의 균일하면 중심선 C를 중심으로 한 스티치 접합면의 좌우의 형태와 크기가 실질적으로 대칭이 될 수 있다.
상기 은 합금 본딩 와이어의 물성을 더욱 향상시키기 위하여 제 2 물성 조절 원소가 더 첨가될 수 있다. 상기 제 2 물성조절원소는 본딩 와이어의 변형시에 일어날 수 있는 가공경화를 억제할 수 있다. 그 결과 SOB 본딩이 가능한 우수한 효과가 달성될 수 있고, 또한 크레이터링을 개선하는 효과도 얻을 수 있다.
상기 제 2 물성조절원소는 백금(Pt) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 제 2 물성조절원소의 함량은, 예를 들면 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 약 0.01 중량% 내지 약 3 중량% 포함할 수 있다.
상기 은 합금 본딩 와이어 내의 제 2 물성조절원소의 함량이 너무 적으면 본딩 와이어의 변형으로 인한 가공경화를 억제하는 효과가 미미해질 수 있다. 반대로, 상기 은 합금 본딩 와이어 내의 제 2 물성조절원소의 함량이 너무 많으면 본딩 와이어의 전기저항이 과도하게 높아지고, 합금화에 따른 경화현상 등의 부작용이 나타날 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법을 설명한다.
위의 주어진 함량에 따라 바(bar)의 형태로 주조(casting)한 후 신선(drawing) 가공을 통하여 와이어의 단면을 감소시켜 나간다. 이 때, 다이 전후에서의 본딩 와이어의 단면감소율을 약 7% 내지 약 10%로 조절하는 것이 적절하다. 즉, 신선 중의 와이어가 하나의 다이를 통과할 때, 통과 후의 단면적이 통과 전의 단면적과 비교하여 약 7% 내지 약 10%만큼 감소하도록 공정을 구성하는 것이 바람직하다.
만일 본딩 와이어의 단면감소율이 너무 높으면 본딩 와이어 내의 결정립의 산포가 과도하게 커질 수 있다. 또한, 만일 본딩 와이어의 단면 감소율이 너무 낮으면 원하는 직경의 본딩 와이어를 얻는 데 필요한 신선 가공의 횟수가 너무 많아져서 경제적으로 불리할 수 있다.
선택적으로, 상기 주조 공정 이전에 원료 물질들을 정제하는 정제(purification) 공정을 더 포함할 수 있다.
신선 가공을 수행하는 사이에 수시로 중간 어닐링 공정을 더 포함할 수 있다. 신선 가공을 거치는 동안 본딩 와이어 내부의 결정립들의 크기가 미세화되고, 결정립들의 크기가 미세화됨에 따라 본딩 와이어의 연성과 전성이 저하될 수 있기 때문에 이를 완화하고 성분들이 보다 균일하게 분포하도록 확산시키기 위하여 중간 어닐링 공정이 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 중간 어닐링 공정을 수행함으로써 본딩 와이어 내부의 결정립들의 크기가 커지고 가공에 필요한 연성과 전성이 확보될 수 있다. 상기 중간 어닐링 온도는 대략 250 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 약 0.5 초 내지 약 30 초 동안 수행될 수 있다.
만일 상기 중간 어닐링 온도가 너무 낮으면 가공에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 중간 어닐링 온도가 너무 높으면 강도가 약해져서 신선시 단선이 발생할 수 있다.
또한, 상기 중간 어닐링 시간이 너무 짧으면 가공에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 중간 어닐링 시간이 너무 길면 결정립의 크기가 과도하게 커질 수 있고 경제적으로 불리하여 바람직하지 않다.
신선 가공이 완료된 후 최종 어닐링 공정이 수행될 수 있다. 최종 어닐링 공정은 약 400 ℃ 내지 약 600 ℃의 온도에서 약 1 초 내지 약 20분 동안 수행될 수 있다.
만일 상기 최종 어닐링 온도가 너무 낮으면 본딩 접합시에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 최종 어닐링 온도가 너무 높으면 결정립의 크기가 과도하게 커질 수 있고, 본딩 접합시 루프(loop)의 처짐과 같은 불량이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 최종 어닐링 시간이 너무 짧으면 가공에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 최종 어닐링 시간이 너무 길면 결정립의 크기가 과도하게 커질 수 있고 경제적으로 불리하여 바람직하지 않다.
위의 중간 어닐링 공정과 최종 어닐링 공정은, 예를 들면, 본딩 와이어를 노(furnace)에 적절한 속도로 통과시킴으로써 수행될 수 있다. 또한, 본딩 와이어를 노에 통과시키는 속도는 어닐링 시간과 노의 치수로부터 결정될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 실시예 및 비교예에서 하기와 같은 방법으로 물성을 평가하였다.
[내산성]
와이어 시료를 5% 염산 및 황산에 침지하여 시간 단위로 표면의 부식 정도를 외관 검사하였다. 1시간 이내에 표면 부식이 확인되면 ×, 1시간 이상의 내성이 확인되었지만 2시간 이내에 표면 부식이 확인되면 △, 2시간 이상의 내성이 확인되었지만 3시간 이내에 표면 부식이 확인되면 ○, 3시간 경과시까지 아무런 변화가 없으면 ◎로 평가하였다.
[크레이터링(cratering)]
제조된 본딩 와이어를 이용하여 K&S Maxum Ultra 장비에서 초음파 열압착 방식으로 볼본딩/스티치본딩 방식의 접합을 하였다. N2 가스 분위기에서 아크 방전에 의해 와이어 말단에 볼을 형성하여 실리콘 기판 상의 약 0.6 ㎛ 두께 알루미늄 패드에 퍼스트(first) 접합하고, 이를 연장하여 2 ㎛ Ag 또는 Pd 도금된 220 ℃ 리드 프레임에 웨지 접합을 하였다.
동일한 본딩 와이어를 이용하여 6000개의 본딩 패드에 대하여 접합을 수행하였는데, 이와 같이 접합된 본딩 와이어에 대하여 알루미늄 패드를 알칼리 용액으로 녹여 제거한 후 알루미늄 패드가 존재하던 위치의 실리콘 기판이 손상되었는지 여부를 관찰하였다. 그 결과 실리콘 기판 상에 손상이나 크랙(crack)이 전혀 없으면 ◎, 손상 또는 크랙이 있는 곳이 3 곳 이하이면 ○, 손상 또는 크랙이 4곳 내지 10곳이면 △, 손상 또는 크랙이 10곳보다 많으면 ×로 평가하였다.
[SOB (stitch-on-bump) 본딩성]
패드 위에 형성된 범프볼에 동일한 본딩 와이어를 이용하여 스티치 본딩을 6000회 수행한 후 그 접합성을 평가하였다. 150 ℃에서 100 개의 본딩을 수행하여 0.1% 이상의 접합부에서 박리가 발생하면 ×, 0.1% 미만의 접합부에서 박리가 발생하면 △, 접합부에서 박리가 발생하지 않으면서 와이어의 변형 형상이 비대칭적으로 변형되면 ○, 박리가 발생하지 않으면서 와이어의 변형도 대칭적으로 변형되면 ◎로 평가하였다.
[볼 모양 균일성]
20 ㎛ 지름의 본딩 와이어의 선단을 42 ㎛ 지름의 본딩 볼이 되도록 하여 패드 상에 접합한 후 가로축 방향과 세로축 방향의 길이의 비율을 측정하여 1에 가까운지 여부, 본딩 와이어가 볼의 중심에 위치하는지 여부, 가장자리가 진원(眞圓) 형태로 매끄러운지, 또는 꽃잎 모양의 굴곡이 있는지 여부를 관찰하였다.
본딩된 볼의 가로축 방향과 세로축 방향의 길이의 비율이 0.99 이상이고, 본딩 와이어가 볼의 중심에 위치하며, 가장자리가 꽃잎 모양 없이 진원으로 판정되면 ◎, 본딩된 볼의 가로축 방향과 세로축 방향의 길이의 비율이 0.96 이상 0.99 미만이고 본딩 와이어가 볼의 중심에 위치하며, 가장자리가 꽃잎 모양 없이 진원으로 판정되면 ○, 본딩된 볼의 가로축 방향과 세로축 방향의 길이의 비율이 0.9 이상으로서 가장자리가 꽃잎 모양이 없으며 위의 ◎나 ○에 해당하지 않으면 △, 그 외의 경우는 ×로 평가하였다.
[열충격 신뢰성]
열충격 신뢰성은 시판되는 TCT (thermal cycling test) 장비를 이용하였다. 와이어 본딩 후 에폭시 몰딩 수지(EMC, epoxy molding compound)로 봉지하고, 가혹 조건(-45℃/30분 내지 +125℃/30분)으로 열충격을 반복하여 가한 후 본딩 와이어가 수축/팽창에 의해 끊어지는 와이어 수를 측정하였다. 6000개의 와이어 중 끊어지는 와이어가 전혀 없으면 ◎, 끊어지는 와이어가 1개 이상 5개 미만이면 ○, 끊어지는 와이어가 5개 이상 20개 미만이면 △, 끊어지는 와이어가 20개 이상이면 ×로 평가하였다.
[고습 신뢰성]
와이어 본딩 후 에폭시 몰딩 수지로 밀봉한 패키지를 121℃, 85% 습도 하에 방치하여 접합면에서의 단락이 발생하는 시간을 측정하여 고습 신뢰성을 평가하였다. 접합면에서의 단락이 발생하는 시간이 500 시간 이상이면 ◎, 396 시간 이상 500 시간 미만이면 ○, 198 시간 이상 396 시간 미만이면 △, 198 시간 미만이면 ×로 평가하였다.
[N2 가스 하에서의 본딩성]
수소가 포함되지 않은 N2 가스 하에서 본딩을 실시하여 1시간 동안 볼 모양 불균일에 의해 장비가 정지되는 횟수로 평가하였다. 1 시간 동안 볼 모양 불균일에 의하여 정지되는 횟수가 0이면 ◎, 1회 내지 3회이면 ○, 4회 내지 10회이면 △, 10회 이상이면 ×로 평가하였다.
우선 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 잉곳을 제조한 후 해당 감면율에 따라 20 ㎛ 직경이 될 때까지 신선하고, 500 ℃에서 1초간 최종 어닐링함으로써 본딩 와이어를 제조하였다. 제조된 본딩 와이어에 대하여 평균 결정립 크기를 측정하고 위의 각 항목을 시험한 후 그 결과를 표 1과 표 2에 각각 정리하였다.
Figure 112013001144839-pat00001
Figure 112013001144839-pat00002
위의 표 1과 표 2에서 보는 바와 같이 팔라듐(Pd)과 금(Au)의 조성이 각각 0.5 내지 4 중량% 이내, 2 내지 8 중량% 이내에 있을 때에는 내산성, 패드 크레이터링, 볼모양 균일도 등 다수 항목에서 우수한 성질을 보이지만, 이들 성분 중 어느 한 성분이라도 결여되어 있거나 상기 범위를 벗어나면 이들 항목에 대한 평가가 나빠지는 것을 알 수 있다. 또한, 팔라듐과 금의 조성이 위의 범위 내에 있더라도 a/b의 비율이 0.3 내지 3을 벗어나면 열충격 강도나, 패드 크레이터링과 관련된 항목에 대한 평가가 나빠지는 것을 알 수 있었다.
제 1 물성조절원소의 영향을 알아보기 위하여 하기 표 3과 같은 조성을 갖는 잉곳을 제조한 후 해당 감면율에 따라 20 ㎛ 직경이 될 때까지 신선하고, 500 ℃에서 1초간 최종 어닐링함으로써 본딩 와이어를 제조하였다. 제조된 본딩 와이어에 대하여 평균 결정립 크기를 측정하고 위의 각 항목을 시험한 후 그 결과를 표 3과 표 4에 각각 정리하였다.
Figure 112013001144839-pat00003
Figure 112013001144839-pat00004
위의 표 3 및 표 4에서 보는 바와 같이 팔라듐(Pd)과 금(Au)의 조성이 각각 0.5 내지 4 중량% 이내, 2 내지 8 중량% 이내에 있고 제 1 물성 조절 원소가 30 중량ppm 내지 100 중량ppm의 범위로 첨가되더라도, 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3의 범위 내에 존재하지 않으면 패드 크레이터링, 스티치 접합성, 열충격 강도 등의 항목에서 열등한 물성을 가짐을 알 수 있었다.
또한, 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3의 범위 내에 존재하면서 제 1 물성 조절 원소가 30 중량ppm 내지 100 중량ppm의 범위로 첨가되면 더욱 우수한 물성을 가질 수 있음을 표 1 내지 표 4의 결과로부터 확인할 수 있었다.
다음으로, 제 2 물성조절원소의 영향을 알아보기 위하여 하기 표 5와 같은 조성을 갖는 잉곳을 제조한 후 해당 감면율에 따라 20 ㎛ 직경이 될 때까지 신선하고, 500 ℃에서 1초간 최종 어닐링함으로써 본딩 와이어를 제조하였다. 제조된 본딩 와이어에 대하여 평균 결정립 크기를 측정하고 위의 각 항목을 시험한 후 그 결과를 표 5와 표 6에 각각 정리하였다.
Figure 112013001144839-pat00005
Figure 112013001144839-pat00006
위의 표 5 및 표 6에서 보는 바와 같이 팔라듐(Pd)과 금(Au)의 조성이 각각 0.5 내지 4 중량% 이내, 2 내지 8 중량% 이내에 있고 제 2 물성 조절 원소가 0.01 중량% 내지 3 중량%의 범위로 첨가되더라도, 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3의 범위 내에 존재하지 않으면 패드 크레이터링, 스티치 접합성, 열충격 강도 등의 항목에서 열등한 물성을 가짐을 알 수 있었다.
또한, 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3의 범위 내에 존재하면서 제 2 물성 조절 원소가 0.01 중량% 내지 3 중량%의 범위로 첨가되면 더욱 우수한 물성을 가질 수 있음을 표 1 내지 표 4의 결과로부터 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명은 반도체 산업에 유용하게 이용될 수 있다.
100: 은 합금 본딩 와이어 105: 중간 계면
110: 중심부 120: 외측부

Claims (8)

  1. 은(Ag)을 주성분으로 하는 은 합금 본딩 와이어로서,
    팔라듐(Pd) 0.5 내지 4 중량% 및 금(Au) 2 내지 8 중량% 포함하고,
    제 1 물성조절원소로서 베릴륨(Be), 란타넘(La), 이트륨(Y), 및 세륨(Ce)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 30 내지 100 중량ppm 포함하고,
    상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 수직 단면에 대하여 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 3이고,
    상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)가 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)가 상기 외측부의 평균 결정립 크기(a)보다 큰 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심부의 평균 결정립 크기(b)에 대한 외측부의 평균 결정립 크기(a)의 비율(a/b)이 0.3 내지 1인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 2 물성조절원소로서 백금(Pt) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 0.01 내지 3 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 은 합금 본딩 와이어가 7% 내지 10%의 단면감소율로 신선되어 제조되는 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
  8. 은(Ag)을 주성분으로 하는 은 합금 본딩 와이어로서,
    팔라듐(Pd) 0.5 내지 4 중량% 및 금(Au) 2 내지 8 중량% 포함하고,
    제 1 물성조절원소로서 베릴륨(Be), 란타넘(La), 이트륨(Y), 및 세륨(Ce)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 은 합금 본딩 와이어 전체에 대하여, 총계로 30 내지 100 중량ppm 포함하고,
    상기 은 합금 본딩 와이어가 7% 내지 10%의 단면감소율로 신선되어 제조되고,
    상기 은 합금 본딩 와이어의 중심부의 평균 결정립 크기(b)가 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
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