KR101535412B1 - 은 합금 본딩 와이어 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 은(Ag)을 주성분으로 하고, 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하는 은 합금 본딩 와이어에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고, 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.25 내지 1.0인 은 합금 본딩 와이어에 관한 것이다. 본 발명의 은 합금 본딩 와이어를 이용하면 와이어 선단에 형성되는 볼의 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이 개선되고 신뢰성, 루프 직진성, 및 접합 강도가 우수한 효과가 있다.

Description

은 합금 본딩 와이어 및 그의 제조 방법{Silver alloy bonding wire and manufacturing method thereof}

본 발명은 은 합금 본딩 와이어 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 와이어 선단에 형성되는 볼의 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이 개선되고 신뢰성, 루프 직진성, 및 접합 강도가 우수한 은 합금 본딩 와이어 및 그의 제조 방법에 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. 은과 다른 금속 원소들을 합금함으로써 우수한 성질의 본딩 와이어를 개발하려는 노력이 진행되고 있으나, 아직도 개선될 여지가 많이 있다.

한국특허공개공보 제2007-0031998호

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 와이어 선단에 형성되는 볼의 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이 개선되고 신뢰성, 루프 직진성, 및 접합 강도가 우수한 은 합금 본딩 와이어를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 와이어 선단에 형성되는 볼의 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이 개선되고 신뢰성, 루프 직진성, 및 접합 강도가 우수한 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 첫 번째 태양은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 은(Ag)을 주성분으로 하고, 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하는 은 합금 본딩 와이어를 제공한다. 상기 은 합금 본딩 와이어는 팔라듐(Pd)의 함량이 약 0.1 내지 약 4.0 중량%이고, 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 약 0.25 내지 약 1.0일 수 있다. 특히, 상기 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비는 약 0.4 내지 약 0.7인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 은 합금 본딩 와이어의 결정립들의 트윈 바운더리(twin boundary)의 비율이 약 2% 내지 약 10%일 수 있다. 이 때, 상기 팔라듐(Pd)의 함량은 약 1.5 중량% 내지 약 3.5 중량%인 것이 바람직하다.

또, 상기 은 합금 본딩 와이어는 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 및 마그네슘(Mg)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분을 성능 제어 성분으로서 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 성능 제어 성분의 함량은 약 3 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다. 특히, 상기 성능 제어 성분이 백금(Pt)을 포함하고, 상기 백금(Pt)의 함량이 약 500 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다.

선택적으로, 상기 성능 제어 성분은 이리듐(Ir) 또는 티타늄(Ti)일 수도 있다.

본 발명의 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위한 다른 태양은 은(Ag)을 주성분으로 하고, 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하는 은 합금 본딩 와이어로서, 팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고, 결정립들의 트윈 바운더리(twin boundary)의 비율이 약 2% 내지 약 10%인 은 합금 본딩 와이어를 제공한다.

상기 은 합금 본딩 와이어는 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 및 마그네슘(Mg)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분을 성능 제어 성분으로서 더 포함할 수 있고, 상기 성능 제어 성분의 함량은 약 3 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 은(Ag)을 주성분으로 하고, 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하고, 팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고, 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.25 내지 1.0인 합금 피스를 제조하는 단계; 및 상기 합금 피스를 신선 및 열처리하는 단계를 포함하는 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법을 제공한다. 특히, 상기 합금 피스를 신선 및 열처리하는 단계는 상기 합금 피스를 신선하여 얻은 세선의 직경이 0.5 mm 내지 5 mm일 때 1차 열처리를 수행하는 단계를 포함한다. 상기 1차 열처리는 550 ℃ 내지 700 ℃에서 0.5 초 내지 5 초 동안 수행될 수 있다.

이 때, 상기 신선 및 열처리는 상기 은 합금 본딩 와이어의 결정립들의 트윈 바운더리의 비율이 약 2% 내지 약 10%가 되도록 구성될 수 있다.

특히, 상기 1차 열처리는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃에서 약 2 초 내지 약 4 초 동안 수행될 수 있다.

또한, 상기 신선 및 열처리는 상기 합금 피스를 신선하여 얻은 세선의 직경이 0.05 mm 내지 0.4 mm일 때 2차 열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 2차 열처리는 약 550 ℃ 내지 약 700 ℃에서 약 0.5 초 내지 약 5 초 동안 수행될 수 있다.

특히, 상기 2차 열처리는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃에서 약 2 초 내지 약 4 초 동안 수행될 수 있다.

본 발명의 은 합금 본딩 와이어를 이용하면 와이어 선단에 형성되는 볼의 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이 개선되고 신뢰성, 루프 직진성, 및 접합 강도가 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법을 나타낸 블록도를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 실시예 1의 미스오리엔테이션(misorientation) 분석 및 트윈 바운더리 이미지 분석 결과를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 비교예 1의 미스오리엔테이션 분석 및 트윈 바운더리 이미지 분석 결과를 나타낸다.
도 4는 제조된 은 합금 본딩 와이어의 본딩 특성을 시험하기 위한 1차 본딩 및 2차 본딩쪽 시험 방법을 각각 나타낸 개념적인 측면도이다.

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 0.1 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 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 함량비, 즉 [금(Au) 함량] / [팔라듐(Pd) 함량]의 비는 중량을 기준으로 하여 약 0.25 내지 약 1.0일 수 있다. 상기 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 함량비는 약 0.4 내지 약 0.7인 것이 더욱 바람직하다.

상기 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 함량비가 너무 낮으면 본딩 와이어의 말단에 형성되는 볼의 형상이 진구(眞球)로부터 벗어나게 되어 본딩 특성이 나빠질 수 있다. 또한, 본딩 와이어의 표면이 쉽게 산화되고, 또한 변색되기 쉬운 문제점이 있다.

반대로, 상기 함량비가 너무 높으면 본딩와이어의 말단에 형성되는 볼의 진구성이 나빠진다. 또한, 본딩 와이어의 말단에 형성되는 볼의 경도가 과도하게 상승하여 본딩 패드 및/또는 그 아래의 기판이 손상될 우려가 있다.

또한, 팔라듐(Pd)과 금(Au)의 총합 함량이 과도하게 많아지면 전기 저항이 증가하여 전기 전도도가 열화되는 문제점이 있다.

이러한 점을 고려하여, 상기 팔라듐(Pd)의 함량은 약 0.1 중량%내지 약 4.0 중량%일 수 있다. 또한, 상기 팔라듐의 함량은 약 1.5 중량% 내지 약 3.5 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 이 때, 상기 금(Au)의 함량은 상기 금(Au)과 팔라듐(Pd) 사이의 함량비에 의거하여 결정될 수 있다.

트윈 바운더리(twin boundary, 雙晶境界)는 결정립들이 이루는 경계의 일종으로서 거울상을 이루는 격자 구조를 갖는다. 보다 구체적으로 설명하면, 바운더리(경계)를 중심으로 어느 한 쪽의 원자들의 배치와 다른 쪽의 원자들의 배치가 서로 거울상을 이루게 되는 바운더리를 트윈 바운더리라고 한다.

전체 결정립들이 이루는 바운더리 중 트윈 바운더리에 해당하는 비율이 높으면 볼을 형성하였을 때 볼의 형상이 진구(眞球)로부터 벗어날 염려가 있어 바람직하지 않다. 보다 구체적으로 전체 결정립들이 이루는 바운더리 중 트윈 바운더리에 해당하는 비율은 약 10% 이하일 수 있다. 바람직하게는, 전체 결정립들이 이루는 바운더리 중 상기 트윈 바운더리에 해당하는 비율은 약 2% 내지 약 10%인 것이 바람직하다.

트윈 바운더리의 비율은 본딩 와이어 단면의 결정립들이 이루는 결정립들의 바운더리 중에서 위의 트윈 바운더리의 정의에 부합하는 바운더리의 비율을 의미하며, 트윈 바운더리의 비율은, 예를 들면, 전자후방산란회절(electron backscatter diffraction, EBSD)과 같은 장비를 이용하여 비교적 용이하게 측정할 수 있다.

본 발명의 발명자들은 본딩 와이어의 볼 형성이 트윈 바운더리의 비율과 밀접한 관련성이 있음을 발견하였으며, 트윈 바운더리의 비율이 약 10%를 초과하면 본딩 와이어 말단에 형성되는 볼의 진구성이 나빠지고, 및/또는 1차 본딩(first bonding) 쪽의 평면 형태가 정원(正圓) 형태를 벗어나거나 꽃 모양을 갖게 되는 문제점이 발견되었다. 다시 말해, 본딩 와이어의 단면 결정 구조에서 트윈 바운더리의 비율을 약 10% 이하로 관리함으로써 본딩 와이어 말단에 형성되는 볼의 진구성이 개선되고, 1차 본딩 쪽의 평면 형태도 정원 형태를 갖는 효과가 발견되었다.

트윈 바운더리의 비율이 2% 이하가 되도록 제조하는 경우 제조 비용이 상승할 수 있다.

상기 은 합금 본딩 와이어는 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 및 마그네슘(Mg)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분을 성능 제어 성분으로서 더 포함할 수 있다. 이들 성능 제어 성분은 고온 신뢰성, 고습 신뢰성, 본딩 특성, 연신율(elongation) 표준편차 등과 같은 성능을 개선하기 위해 첨가될 수 있다.

상기 성능 제어 성분의 함량은 약 3 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다. 상기 성능 제어 성분의 함량이 너무 낮으면 원하는 성능 개선이 발현되지 않을 수 있다. 또한, 상기 성능 제어 성분의 함량이 너무 높으면 전기 저항이 증가하고 경제적으로 불리하다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 성능 제어 성분은 백금(Pt)일 수 있다. 상기 백금(Pt)의 함량은 약 500 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다.

선택적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 성능 제어 성분은 이리듐(Ir) 및/또는 티타늄(Ti)일 수 있다. 상기 이리듐(Ir) 및/또는 티타늄(Ti)의 함량은 약 500 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다.

선택적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 성능 제어 성분은 백금(Pt)을 필수적으로 포함하고, 이리듐(Ir) 및/또는 티타늄(Ti)을 더 포함할 수 있다. 이 대, 상기 백금(Pt)의 함량과 상기 이리듐(Ir) 및/또는 티타늄(Ti)의 함량의 합은 약 500 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm일 수 있다.

이하에서는 본 발명 개념의 일 실시예에 따른 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 원하는 조성을 갖도록 은(Ag), 금(Au), 및 팔라듐(Pd)을 포함하는 금속 원료를 용해로에서 용해 주조하여 금속 원료의 합금액을 제조할 수 있다(S1). 이 때, 은(Ag), 금(Au), 및 팔라듐(Pd) 이외의 성능 제어 성분을 첨가할 수 있다.

그런 다음, 상기 금속 원료의 합금액을 냉각 및 응고시키고, 단조, 압연 등에 의해 합금 피스(piece)를 얻을 수 있다(S2). 이어서, 상기 합금 피스를 약 6 mm 내지 약 9 mm의 직경을 갖도록 1차 세선화할 수 있다(S3).

약 6 mm 내지 약 9 mm의 직경을 갖도록 세선화된 1차 세선을 신선 및 열처리한다(S4). 상기 신선 및 열처리 단계에서는 1차 세선을 점진적으로 세선화하고 열처리하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 1차 세선을 세선화하기 위하여 다단계의 다이스를 통과시키며 세선의 단면적을 감소시킬 수 있다.

특히, 트윈 바운더리의 비율을 약 10% 이하로 관리하기 위하여, 본 실시예는 상기 세선의 직경이 약 0.5 mm 내지 약 5 mm 일 때 1차 열처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 1차 열처리는, 예를 들면 약 550 ℃ 내지 약 700 ℃에서 약 0.5 초 내지 약 5 초 동안 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 1차 열처리는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃에서 약 2 초 내지 약 4 초 동안 수행될 수 있다.

선택적으로(optionally), 트윈 바운더리의 비율을 약 10% 이내로 관리하기 위하여, 본 실시예는 상기 세선의 직경이 약 0.05 mm 내지 약 0.4 mm 일 때 2차 열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 2차 열처리는, 예를 들면 약 550 ℃ 내지 약 700 ℃에서 약 0.5 초 내지 약 5 초 동안 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 2차 열처리는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃에서 약 2 초 내지 약 4 초 동안 수행될 수 있다.

통상의 기술자는 상기 세선이 다수의 다이스(dice)를 순차 통과함으로써 직경이 감소하는 것을 이해할 것이다. 다시 말해, 상기 세선은 홀의 크기가 점진적으로 감소하도록 배열된 다수의 다이스들을 순차 통과하면서 직경이 감소한다.

위의 열처리들은 상기 세선의 직경이 해당 범위에 속할 때, 임의의 다이스와 다이스의 사이에서 수행될 수 있다. 다시 말해, 상기 1차 열처리는 상기 세선의 직경이 약 0.5 mm 내지 약 5 mm일 때 임의의 두 다이스 사이에서 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리는 상기 세선의 직경이 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm일 때 임의의 두 다이스 사이에서 수행될 수 있다.

계속하여 신선 가공을 통하여 원하는 직경의 본딩 와이어가 제조될 때까지 상기 세선을 신선함으로써 와이어의 단면을 감소시켜 나간다. 이 때, 다이스의 전후에서의 본딩 와이어의 단면감소율을 약 7% 내지 약 15%로 조절할 수 있다. 즉, 신선 중의 와이어가 하나의 다이를 통과할 때, 통과 후의 단면적이 통과 전의 단면적과 비교하여 약 7% 내지 약 15%만큼 감소하도록 공정을 구성할 수 있다. 특히, 50 ㎛ 이하 범위의 직경으로 신선하는 공정에서의 본딩 와이어의 단면 감소율은 약 7% 내지 약 15%로 조절되는 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, 연신율(elongation)을 조절하기 위하여 신선이 완료된 이후에 추가 어닐링(annealing)이 수행될 수 있다(S5). 연신율을 조절하기 위한 어닐링 조건은 세선의 조성, 감면율, 열처리 조건 등에 의하여 달라질 수 있지만, 대략 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 약 1 초 내지 약 20 분 동안 수행될 수 있으며, 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 구체적인 어닐링 조건을 적절히 선택할 수 있을 것이다.

만일 상기 어닐링 온도가 너무 낮으면 본딩 접합시에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 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 어닐링 시간이 너무 짧으면 가공에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 어닐링 시간이 너무 길면 결정립의 크기가 과도하게 커질 수 있고 경제적으로 불리하여 바람직하지 않다.

위의 어닐링 공정은, 예를 들면, 본딩 와이어를 노(furnace)에 적절한 속도로 통과시킴으로써 수행될 수 있다. 또한, 본딩 와이어를 노에 통과시키는 속도는 어닐링 시간과 노의 크기로부터 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.

[볼 모양 균일성]

20 ㎛ 지름의 본딩 와이어의 선단을 5%H₂+N₂ 가스를 쉴드 가스로 이용하여 2WD(지름이 와이어 직경의 2배)의 본딩 볼이 되도록 하여 이미지를 캡춰한 후 정원(正圓)에서 벗어나는 정도를 측정하였다. 정원에서 벗어나는 정도는 볼의 장축에 대한 단축의 비율과 1 사이의 차를 백분율로 나타냄으로써 정량화하였다.

정량화한 상기 값이 2% 미만인 경우 ◎, 2% 이상이고 5% 미만이면 ○, 5% 이상이고 8% 미만이면 △, 8% 이상이면 ×로 평가하였다.

[본딩볼 형상]

20 ㎛ 지름의 본딩 와이어의 선단을 5%H₂+N₂ 가스를 쉴드 가스로 이용하여 2WD(지름이 와이어 직경의 2배)의 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.

[고온 신뢰성]

와이어 본딩 후 에폭시 몰딩 수지로 밀봉한 패키지를 175℃의 온도로 가열하여 접합면에서의 단락이 발생하는 시간을 측정하여 고온 신뢰성을 평가하였다. 접합면에서의 단락이 500 시간 이상이면 ◎, 384 시간 이상 500 시간 미만이면 ○, 192 시간 이상 384 시간 미만이면 △, 192 시간 미만이면 ×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 192 시간 이상이면 ◎, 168 시간 이상 192 시간 미만이면 ○, 96 시간 이상 168 시간 미만이면 △, 96 시간 미만이면 ×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.

[루프 직진성]

120 ㎛의 간격으로 배열된 2열의 본딩 패드들 중 한 쪽에 볼 본딩을 하여 범프를 형성하고, 다시 반대쪽 부분에 볼 본딩을 한 후 루프를 형성하면서 상기 범프 위에 스티치 본딩을 하였다.

그런 다음, 각 루프들 사이의 간격이 가장 좁은 지점에 대하여 해당 간격을 측정하였으며, 이를 각 루프들 사이의 간격을 대표하는 값으로 결정하였다. 이와 같이 결정된 각 루프들 사이의 간격이 111 ㎛ 내지 125 ㎛이면 ◎, 105 ㎛ 이상 111 ㎛ 미만이면 ○, 105 ㎛ 미만이면 △로 평가하였다.

[BPT (bond pull test) 및 SPT (stitch pull test)]

제조된 은 합금 본딩 와이어를 이용하여 도 4에 나타낸 바와 같이 1차 본딩쪽 본딩 패드(10)와 2차 본딩 쪽 본딩 패드(20)가 본딩된다. 즉, 은 합금 본딩 와이어(100)의 선단에 볼을 형성하여 1차 본딩 쪽 본딩 패드(10)에 볼 본딩을 수행한 후 2차 본딩 쪽 본딩 패드(20) 상에 스티치 본딩을 수행한다.

그런 다음 1차 본딩 쪽에 가까운 부분을 화살표 A를 따라 수직 상방으로 당겨서 1차 본딩이 떨어질 때의 로드를 평가하고(BPT), 2차 본딩 쪽에 가까운 부분을 화살표 B를 따라 수직 상방으로 당겨서 2차 본딩이 떨어질 때의 로드를 평가(SPT)하였다.

각 실시예 및 비교예 별로 2000개의 샘플을 준비하여 1000개에 대해서는 BPT를 수행하고, 나머지 1000개에 대해서는 SPT를 수행하였다. 측정된 로드의 평균값을 구하여 하기 표 1과 같이 판정하였다.

판정	BPT 로드 (g)	SPT 로드 (g)
◎	7.5g 이상	6.5g 이상
○	7.0g 이상 7.5g 미만	6.0g 이상 6.5g 미만
△	6.0g 이상 7.0g 미만	5.0g 이상 6.0g 미만
×	6.0g 미만	5.0g 미만

[BST (ball shear test)]

제조된 은 합금 본딩 와이어를 이용하여 도 4에 나타낸 바와 같이 1차 본딩쪽 본딩 패드(10)와 2차 본딩 쪽 본딩 패드(20)가 본딩된다.

그런 다음 1차 본딩된 부분에 측방향으로 전단력을 가하여 1차 본딩이 떨어질 때의 로드를 평가하였다.

각 실시예 및 비교예 별로 1000개의 샘플을 준비하여 BST를 수행하고, 측정된 로드의 평균값을 구하여 하기 표 2와 같이 판정하였다.

판정	BST 로드 (g)
◎	26g 이상
○	21g 이상 26g 미만
△	15g 이상 21g 미만
×	15g 미만

<실시예 1-4>

우선 하기 표 3과 같은 조성을 갖는 잉곳을 제조한 후 신선과 함께 1차 열처리 및 2차 열처리를 수행하여 20 ㎛ 직경을 갖는 본딩와이어를 제조하였다. 1차 열처리 온도 및 2차 열처리 온도는 각각 하기 표 3에 나타낸 바와 같고, 각각 0.5 mm, 0.08 mm의 직경인 시점에서 3초간 수행되었다.

<비교예 1>

하기 표 3과 같은 조성을 갖는 잉곳을 제조한 후 신선과 함께 1차 열처리 및 2차 열처리를 수행하여 20 ㎛ 직경을 갖는 본딩와이어를 제조하였다. 1차 열처리 온도 및 2차 열처리 온도는 각각 하기 표 3에 나타낸 바와 같고, 각각 8 mm, 0.08 mm의 직경인 시점에서 3초간 수행되었다.

위에서 제조된 실시예 1 내지 실시예 4의 샘플 및 비교예 1의 샘플에 대하여 트윈 바운더리 분석을 수행하였다. 상기 트윈 바운더리 분석은 후방전자산란회절(electron backscatter diffraction, EBSD)장비 및 HKL CHANNEL 5 소프트웨어가 탑재된 JEOL JSM-6500 장비를 이용하여 수행되었다. 이 때, 틸트각은 70도, 결정립계 기준은 결정 방위차가 15도 이상인 영역으로 하였고, 측정 스텝은 표면에 대해서는 0.05 ㎛, 종단면에 대해서는 0.2 ㎛로 하였다.

도 2a 및 도 2b에 실시예 1의 미스오리엔테이션(misorientation) 분석 및 트윈 바운더리 이미지 분석 결과를 나타내었고, 도 3a 및 도 3b에 비교예 1의 미스오리엔테이션(misorientation) 분석 및 트윈 바운더리 이미지 분석 결과를 나타내었다.

위의 표에서 보는 바와 같이 트윈 바운더리의 비율이 10%를 초과하면 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이 다소 나빠지는 것을 알 수 있었다. 또한, 고온 신뢰성도 상대적으로 열화됨을 알 수 있었는데, 이는 본딩볼 형상의 열화에 따른 것으로 추측된다.

<실시예 5-10, 비교예 2-4>

표 4에 나타낸 바와 같이 팔라듐(Pd)과 금(Au)의 조성을 변화시켜가며 본딩 와이어를 제조하였다. 위의 실시예 1-4 및 비교예 1에서와 동일한 방법으로 트윈 바운더리의 비율 및 기타 물성을 측정하였으며, 표 5에 그 결과들을 정리하였다.

위의 표 4 및 표 5에서 보는 바와 같이, 트윈 바운더리 비율이 10% 이하이면 비교적 우수한 볼모양 균일성 및 본딩볼 형상을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한, 팔라듐(Pd)의 함량이 4 중량%를 넘거나 금(Au)/팔라듐(Pd)의 함량비가 1을 초과하는 경우, 트윈 바운더리 비율이 10% 이하로 되는 것이 불가능하지 않지만(비교예 3, 비교예 4) 볼모양 균일성과 열충격 신뢰성 등 물성이 불량해지는 것을 알 수 있었다.

<실시예 11-18, 비교예 5-10>

표 5에 나타낸 바와 같이 팔라듐(Pd)과 금(Au)의 조성을 변화시키고, 성능 제어 성분을 첨가하여 본딩 와이어를 제조하였다. 위의 실시예 1-4 및 비교예 1에서와 동일한 방법으로 트윈 바운더리의 비율 및 기타 물성을 측정하였으며, 표 7에 그 결과들을 정리하였다.

표 7에서 보는 바와 같이, 트윈 바운더리의 비율이 10%를 초과하면 볼모양 균일성과 본딩볼 형상이, 트윈 바운더리의 비율이 10% 이하인 경우와 대비하여 대체로 열등한 것을 알 수 있었다. 또한, 고온 신뢰성, 고습 신뢰성, 열충격 신뢰성도 대체로 열등한 것으로 나타났는데, 이는 볼모양 균일성 및/또는 본딩볼 형상이 열등한 데 따른 것으로 추측된다.

또한, 루프 직진성도 BPT, SPT, BST와 같은 특성도 전반적으로 열악하며, 이는 성능 제어 성분을 첨가하여도 치유되지 않는 것으로 나타났다. 한편, 실시예 11, 12, 및 14-16에서는 약 500 중량ppm 내지 약 5000 중량ppm의 성능 제어 성분의 첨가에 의하여 열충격 신뢰성, 루프 직진성, 및/또는 BPT와 같은 성능이 개선되는 것으로 분석되었다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 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.

Claims (14)

1. 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하는 은 합금 본딩 와이어로서,
   팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고,
   팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.25 내지 1.0이며 잔부는 Ag 및 불가피한 불순물이고,
   결정립들의 트윈 바운더리(twin boundary)의 비율이 2% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.4 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 팔라듐(Pd)의 함량이 1.5 중량% 내지 3.5 중량%인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
5. 제 1 항에 있어서,
   이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 및 마그네슘(Mg)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분을 성능 제어 성분으로서 더 포함하고,
   상기 성능 제어 성분의 함량이 3 중량ppm 내지 5000 중량ppm인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 성능 제어 성분이 백금(Pt)을 포함하고,
   상기 백금(Pt)의 함량이 500 중량ppm 내지 5000 중량ppm인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
7. 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하는 은 합금 본딩 와이어로서,
   팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고,
   팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.25 내지 1.0이며 잔부는 Ag 및 불가피한 불순물이고,
   이리듐(Ir) 및 티타늄(Ti)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 성분을 성능 제어 성분으로서 더 포함하고,
   상기 성능 제어 성분의 함량이 3 중량ppm 내지 5000 중량ppm인 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어.
8. 삭제
9. 삭제
10. 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하고, 팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고, 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.25 내지 1.0이며 잔부는 Ag 및 불가피한 불순물인 합금 피스를 제조하는 단계; 및
    상기 합금 피스를 신선 및 열처리하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 합금 피스를 신선 및 열처리하는 단계는,
    상기 합금 피스를 신선하여 얻은 세선의 직경이 0.5 mm 내지 5 mm일 때 1차 열처리를 수행하는 단계;
    를 포함하고, 상기 1차 열처리는 550 ℃ 내지 700 ℃에서 0.5 초 내지 5 초 동안 수행되며,
    상기 신선 및 열처리는 은 합금 본딩 와이어의 결정립들의 트윈 바운더리의 비율이 2% 내지 10%가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 1차 열처리가 600 ℃ 내지 650 ℃에서 2 초 내지 4 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법.
13. 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 금(Au)을 포함하고, 팔라듐(Pd)의 함량이 0.1 내지 4.0 중량%이고, 팔라듐(Pd)에 대한 금(Au)의 중량기준 함량비가 0.25 내지 1.0이며 잔부는 Ag 및 불가피한 불순물인 합금 피스를 제조하는 단계; 및
    상기 합금 피스를 신선 및 열처리하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 합금 피스를 신선 및 열처리하는 단계는,
    상기 합금 피스를 신선하여 얻은 세선의 직경이 0.5 mm 내지 5 mm일 때 1차 열처리를 수행하는 단계; 및
    상기 합금 피스를 신선하여 얻은 세선의 직경이 0.05 mm 내지 0.4 mm일 때 2차 열처리를 수행하는 단계;
    를 포함하고, 상기 1차 열처리는 550 ℃ 내지 700 ℃에서 0.5 초 내지 5 초 동안 수행되고, 상기 2차 열처리는 550 ℃ 내지 700 ℃에서 0.5 초 내지 5 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 2차 열처리가 600 ℃ 내지 650 ℃에서 2 초 내지 4 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 은 합금 본딩 와이어의 제조 방법.

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