KR101687597B1

KR101687597B1 - 본딩 와이어

Info

Publication number: KR101687597B1
Application number: KR1020150008759A
Authority: KR
Inventors: 박종민; 허영일; 김승현; 홍성재; 문정탁
Original assignee: 엠케이전자 주식회사
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-12-20
Also published as: TW201638967A; KR20160089161A; PH12016000020A1; CN105810652A; TWI600030B

Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 본딩 와이어는, 은(Ag)을 주성분으로 하고, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상의 원소를 함유하는 와이어 심재 및 와이어 심재의 외표면에 형성되는 금(Au) 재질의 피복층을 포함한다.

Description

본딩 와이어{Bonding wire}

본 발명은 본딩 와이어 및 그의 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대기 중에서 FAB 형성 시 와이어 선단에 형성되는 볼 모양 균일성과 형상이 개선되고 고습 신뢰성이 우수한 본딩 와이어 및 그의 접합 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 대체 재료로서 각광받았던 구리 와이어의 경우 구리 본연의 높은 경도로 인해 볼 본딩 시 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.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 대기 중에서 FAB 형성 시 와이어 선단에 형성되는 볼 모양 균일성과 형상이 개선되고 고습 신뢰성이 우수한 본딩 와이어를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 다른 과제는 대기 중에서 FAB 형성 시 와이어 선단에 형성되는 볼 모양 균일성과 형상이 개선되고 신뢰성이 우수한 본딩 와이어의 접합 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 본딩 와이어는, 은(Ag)을 주성분으로 하고, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상의 원소를 함유하는 와이어 심재; 및 상기 와이어 심재의 외표면에 형성되는 금(Au) 재질의 피복층을 포함한다.

예시적인 실시예들에서, 상기 피복층의 두께는 30 내지 200㎚인 것을 특징으로 한다.

예시적인 실시예들에서, 상기 피복층의 두께는 40 내지 170㎚인 것을 특징으로 한다.

예시적인 실시예들에서, 상기 금(Au)의 순도는 99% 이상인 것을 특징으로 한다.

예시적인 실시예들에서, 상기 본딩 와이어의 선단에 대기 중에서 프리 에어 볼(Free Air Ball)을 형성할 때, 상기 프리 에어 볼의 외표면의 금(Au)의 함량은 5 내지 35 중량%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 본딩 와이어의 접합 방법은, 본딩 와이어를 제공하는 단계; 상기 본딩 와이어의 선단에 대기 중에서 프리 에어 볼(Free Air Ball)을 형성하는 단계; 및 상기 프리 에어 볼을 반도체 칩의 패드에 부착하는 단계를 포함하고, 상기 본딩 와이어는 은(Ag)을 주성분으로 하고, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상의 원소를 함유하는 와이어 심재; 및 상기 와이어 심재의 외표면에 형성되는 금(Au) 재질의 피복층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

예시적인 실시예들에서, 상기 프리 에어 볼의 외표면의 금(Au)의 함량은 5 내지 35 중량%인 것을 특징으로 한다.

예시적인 실시예들에서, 상기 피복층을 도금으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 본딩 와이어를 이용하면 대기 중에서 FAB 형성 시 와이어 선단에 형성되는 볼 모양 균일성과 형상이 개선되고 고습 신뢰성이 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 본딩 와이어를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 본딩 와이어의 A-A에 대한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어의 제조 방법을 나타낸 블록도이다.
도 4는 표 1에서의 비교예 1, 비교예 2 및 실험예 10의 현미경 사진이다.
도 5는 표 1에서의 비교예 2 및 실험예 10의 EDX 분석 사진이다.
도 6은 표 1에서의 비교예 2 및 실험예 10의 황변 테스트 전후 사진이다.
도 7은 표 1에서의 실험예 20 및 실험예 24에서 금 피복층의 흘러내림 현상을 나타낸 사진이다.

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 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 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 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에서, wt%(중량%)는 전체 합금의 중량에서 해당 성분이 차지하는 중량을 백분율로 표시한 것이다.

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, 미량 성분을 더 포함하는 본딩 와이어를 개시한다. 여기서, 주성분(main component)이라 함은 전체 성분에 대한 해당 원소의 농도가 50%를 넘는 것을 말한다. 즉, 은을 주성분으로 한다는 것은 은과 다른 원소의 총계에 대한 은의 농도가 50%를 넘는 것을 의미한다. 여기서 농도는 원자 몰수를 기준으로 한 농도를 말한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 본딩 와이어를 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 본딩 와이어의 A-A에 대한 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본딩 와이어(100)는 내측 와이어 심재(120)와 외측 피복층(140)으로 구성된다. 내측 와이어 심재(120)는 일정한 직경을 갖는 환봉 형상으로 구성되고, 그 재질은 은을 주성분으로 하는 합금으로 제조된다.

외측 피복층(140)은 내측 와이어 심재(120)의 외표면을 감싸는 일정한 두께의 환형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며, 그 재질은 순도 약 99% 이상의 고순도 금(Au)으로 형성된다.

이와 같이, 본딩 와이어(100)는 은 합금에 고순도 금을 감싸는 구조로 형성되기 때문에, 기존에 금만으로 본딩 와이어를 구성하는 경우와 같이 와이어의 외표면에 대해 동일한 경도 및 강도를 유지할 수 있는 특성을 갖는다. 따라서, 본딩 공정 시 금으로 제작된 본딩 와이어와 같이 반도체 칩 패드 및 기판에 충격을 가해도 반도체 칩 패드 및 기판에 손상을 주지 않고 공정이 가능하고, 은 합금이 고순도 금에 의해 감싸여진 형상으로 인해 은 합금이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 본딩 와이어(100)는 은 합금에 고순도 금을 감싸는 구조로 형성되기 때문에, 기존 금만으로 구성된 본딩 와이어와 같은 내식성, 연성, 탄성, 및 전도성이 우수한 특성을 유지할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 본딩 와이어(100)는 은 합금의 외측만을 고순도 금으로 피복하는 구조로 형성되기 때문에, 기존에 금만으로 구성된 본딩용 와이어에 비해 제조 단가를 현저하게 낮출 수 있다.

다만, 종래의 기술에 따른 본딩 와이어는 은 합금의 와이어 심재로만 구성되거나 은 합금의 와이어 심재에 금을 피복하여 산화를 방지하고 있으나, 여전히 본딩 와이어를 반도체 칩 패드에 접합하기 위하여 프리 에어 볼(Free Air Ball, FAB)을 생성할 때 질소 가스 분위기(질소 가스만 사용 또는 질소 및 수소의 혼합 가스 사용)를 사용해야 하는 문제점이 있다. FAB 형성 공정 시 전계 방출에 의하여 와이어가 용해되면서 FAB이 형성되게 되는데 종래의 기술에 따른 본딩 와이어는 대기 중에서 FAB 형성 시 급격한 산화로 인하여 볼이 불안정하게 만들어진다.

따라서, 종래의 기술에 따른 본딩 와이어는 질소 분위기에서는 FAB의 형상이 안정적으로 나타나지만, 질소 분위기를 만들기 위하여 가스 키트 설치 및 가스 소모 비용이 발생된다. 또한, FAB의 형상 조건에서 가스 유량에 따른 변형 조건이 다양하게 발생하여, 이를 본딩 와이어에 적용하는데 많은 시간과 노력이 필요하다.

하지만, 본 발명의 실시예에 따른 본딩 와이어(100)는 은 합금의 내측 와이어 심재(120)에 고순도 금의 외측 피복층(140)을 30 내지 200㎚ 두께로, 바람직하게는 40 내지 170㎚ 두께로 하여 은 합금 심재의 외표면에 금을 일정하게 피복시킴으로써 대기 상태에서도 FAB의 형상이 안정적으로 구형으로 형성되고 반도체 칩 패드 및 기판에 본딩이 가능한 장점을 가지게 되고, 고습 신뢰성 또한 종래의 은 합금 본딩 와이어와 동등하거나 향상되는 장점이 있다.

고습 신뢰성은 FAB의 모양과 산화 정도에 의해 본딩 와이어의 접합성이 달라지는 것에 기인한다고 볼 수 있다. 대기 중에서 FAB의 모양 형성이 불안정한 종래의 본딩 와이어와는 달리 금의 외측 피복층(140)이 상기 두께일 때 가장 좋은 FAB의 모양을 보이게 되며, 반도체 칩 패드에 본딩된 본딩 와이어 선단의 FAB 표면의 금 피복층과 반도체 칩 패드 사이에 금속간 화합물(Inter-Metalic Compounds, IMC)이 형성되어 고습 신뢰성이 향상된다고 판단된다.

1. 시료 준비

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어(100)의 제조 방법을 나타낸 블록도이다.

S200 단계: 고순도의 은(Ag)을 사용하거나, 또는 은(Ag)을 주성분으로 하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상을 1 내지 20 중량%를 용해 및 연속 주조를 진행하여 합금된 주조 재료를 제작할 수 있다. 고순도의 은(Ag) 또는 합금된 주조 재료를 여러 단계의 연속 신선 과정을 거쳐 200㎛ 이하의 직경을 갖는 제1 와이어로 가공할 수 있다.

도 3b를 참조하여 좀 더 자세히 살펴보면, 원하는 조성을 갖도록 은(Ag)을 주성분으로 포함하는 금속 원료를 용해로에서 용해 주조하여 금속 원료의 합금액을 제조할 수 있다(S210). 이 때, 은(Ag) 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(S220). 이어서, 상기 합금 피스를 약 6mm 내지 약 9mm의 직경을 갖도록 1차 세선화할 수 있다(S230).

약 6mm 내지 약 9mm의 직경을 갖도록 세선화된 1차 세선을 신선 및 열처리한다(S240). 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.

상기 세선의 직경이 약 0.5mm 내지 약 5mm 일 때 1차 열처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 1차 열처리는, 예를 들면 약 550℃ 내지 약 700℃에서 약 0.5초 내지 약 5초 동안 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 1차 열처리는 약 600℃ 내지 약 650℃에서 약 2초 내지 약 4초 동안 수행될 수 있다.

선택적으로, 상기 세선의 직경이 약 0.05mm 내지 약 0.4mm 일 때 2차 열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 2차 열처리는, 예를 들면 약 550℃ 내지 약 700℃에서 약 0.5초 내지 약 5초 동안 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 2차 열처리는 약 600℃ 내지 약 650℃에서 약 2초 내지 약 4초 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 0.5mm 내지 약 5mm일 때 임의의 두 다이스 사이에서 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리는 상기 세선의 직경이 약 0.1mm 내지 약 0.5mm일 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(S250). 연신율을 조절하기 위한 어닐링 조건은 세선의 조성, 감면율, 열처리 조건 등에 의하여 달라질 수 있지만, 대략 400℃ 내지 600℃의 온도에서 약 1초 내지 약 20분 동안 수행될 수 있으며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 구체적인 어닐링 조건을 적절히 선택할 수 있을 것이다.

만일 상기 어닐링 온도가 너무 낮으면 본딩 접합 시에 필요한 연성과 전성이 확보되지 않을 수 있고, 반대로 상기 어닐링 온도가 너무 높으면 결정립의 크기가 과도하게 커질 수 있고, 본딩 접합 시 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.

S300 단계: 제1 와이어에 하기의 표 1에서와 같이 소정의 두께로 금층을 형성하여 제2 와이어를 제작할 수 있다. 상기 금층을 형성하는 방법은 전해 도금, 무전해 도금, 스퍼터링 방식 등으로 진행할 수 있다. 도금으로 금층을 형성하는 경우, 도금 공정 시 도금액의 pH는 대략 5(약산성) 내지 7(중성)로 하고, 도금액의 온도는 약 50℃로 유지할 수 있다. 또한, 무기 첨가제인 탈륨(Tl), 셀레늄(Se), 저머늄(Ge) 중 한 가지를 첨가하여 와이어 심재와의 계면 확산을 방지하고 균일 전착성을 증가시키도록 할 수 있다.

S400 단계: 상기 제2 와이어에 전처리로써 전해 탈지 및 활성화 처리를 하며, 각 공정 후 수세와 에어 블로잉(air blowing)을 실시할 수 있다. 상기 제2 와이어에 전처리 공정을 진행 후 하기의 표 1에서와 같은 본딩 와이어가 완성된다.

2. 시험 방법

이하, 구체적인 비교예 및 실험예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실험예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 비교예 및 실험예에서 하기와 같은 방법으로 물성을 평가하였다.

(1) 볼 모양 균일성

20㎛ 지름의 본딩 와이어(100)의 선단을 42㎛ 지름의 본딩 볼이 되도록 하여 반도체 칩 패드 상에 접합한 후 가로축 방향과 세로축 방향의 길이의 비율을 측정하여 1에 가까운지 여부, 본딩 와이어(100)가 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.

(2) 금 피복층 안정성

본 발명의 실시예에 따른 본딩 와이어(100) 제조 후 본딩 와이어 선단에 FAB 형성 후, FAB의 외측 피복층에 존재하는 금을 EDX(Energy Dispersive Xray)로 분석하였고, FAB의 외측 피복층에 금의 함량에 따라 FAB 형성이 안정화되었는지 여부를 확인하였다. EDX 분석 시 FAB의 외측 피복층에 금의 함량에 따라 금의 중량%가 9 초과 30 이하인 경우 ◎, 5 초과 9 이하 또는 30 초과 35 이하인 경우 ○, 3 초과 5 이하인 경우 △, 3 이하 이거나 35 초과인 경우 ×로 평가하였다.

(3) 와이어 표면의 황변 현상

칩 패드에 와이어를 200개 접속한 시료를 2개 제작하고, 주로 루프의 상방으로부터의 현미경 관찰에 의한 와이어 표면의 색 변화로부터 황변 현상을 평가하였다. 황화수소(H2S) 가스를 약 3ppm 포함하는 분위기에서, 상기 시료를 상온에서 습도 약 80% 조건으로 48시간 동안 노출시키는 가혹 조건으로 진행하였다. 와이어 표면에 황변이 인정되는 와이어가 1개 이하인 경우에는 양호하므로 ◎, 2 내지 5개인 경우에는 실용상은 문제가 없는 정도의 황변이라고 판단하여 ○, 6 내지 19개인 경우에는 개선이 필요하다고 판단하여 △, 20개 이상인 경우에는 ×로 평가하였다.

(4) 고습 신뢰성

칩 패드에 와이어를 200개 접속한 시료를 2개 제작하고 에폭시 몰딩 수지로 밀봉한 패키지를 121℃, 85% 습도 하에 각각 96시간, 144시간 및 192시간을 방치하여 접합면에서의 단락이 발생하는 와이어의 불량율을 퍼센트(%)로 측정하여 고습 신뢰성을 평가하였다.

3. 시험 결과

상기 시험 방법에 의하여 측정한 시험 결과는 아래의 표 1과 같다.

도 4는 표 1에서의 비교예 1, 비교예 2 및 실험예 10의 현미경 사진이다.

도 5는 표 1에서의 비교예 2 및 실험예 10의 EDX 분석 사진이다.

본 실험에서 사용된 제1 와이어, 즉 내측 와이어 심재(120)는 팔라듐(Pd)을 1 중량% 함유하고 잔부가 은으로 이루어진 합금 비율을 갖는 것을 사용하였다. 본딩 와이어(100)의 외측 피복층(140)의 금의 두께를 달리하여 실험을 진행하였다. 금 피복층(140)의 두께를 증가시키는 경우, EDX의 데이터 역시 비례하여 증가하게 된다.

비교예 1은 팔라듐(Pd)을 1 중량% 함유하고 잔부가 은으로 이루어진 합금 비율을 갖고 금 피복층을 형성하지 않는 본딩 와이어에 질소 분위기에서 FAB을 형성한 것이다.

비교예 2는 팔라듐(Pd)을 1 중량% 함유하고 잔부가 은으로 이루어진 합금 비율을 갖는 금 피복층을 형성하지 않는 본딩 와이어에 대기 중에서 FAB을 형성한 것이다.

은 합금 본딩 와이어에 금 피복층을 형성하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 경우, 질소 분위기의 공정에서 제조된 FAB의 경우 볼 형상 및 고습 신뢰성 등이 우수하였으나, 대기 중에서 형성된 FAB의 경우 상기의 경우와 반대로 볼 형상 및 고습 신뢰성 등이 나쁨으로 나타났다.

실험예 1 내지 실험예 25에서는 팔라듐(Pd)을 1 중량% 함유하고 잔부가 은으로 이루어진 합금 비율을 갖고 금 피복층의 두께를 2 부터 350㎚까지 증가시키면서 대기 중에서 본딩 와이어 선단에 FAB을 형성하여 측정한 데이터이다. 금 피복층의 두께를 증가시킴에 따라, EDX의 데이터 역시 비례하여 증가하게 된다.

실험예 1 내지 7의 경우 볼 모양이 나쁨이거나 보통이고, 고습 신뢰성 평가에 있어서도 비교예 1과 비교하여 좋지 않은 특성을 보이는 것을 알 수 있다.

실험예 8, 17, 18의 경우 볼 모양, 와이어 표면의 황변 현상 및 고습 신뢰성은 모두 매우 양호하나, 금 피복층 안정성은 좋음으로 나타났다. 따라서, 실험예 8, 17, 18의 금 피복층 두께를 가지는 본딩 와이어는 전체적으로 양호한 특성을 보이는 것으로 나타났다.

실험예 9 내지 16의 경우 볼 모양, 금 피복층 안정성, 와이어 표면의 황변 현상 및 고습 신뢰성은 모두 매우 양호한 것으로 나타났다. 따라서, 실험예 9 내지 16의 금 피복층 두께를 가지는 본딩 와이어는 전체적으로 매우 양호한 특성을 보이는 것으로 나타났고, 본 실험에서 가장 우수한 특성을 나타낸 금 피복층의 두께 영역인 것으로 판단된다. 또한, 상기 실험예 9 내지 16에서 EDX 분석 결과를 살펴보면 상기 피복층의 금의 함량은 5 내지 35 중량%인 것으로 나타났다.

실험예 19 내지 25의 경우 볼 모양은 양호하나, 금 피복층 안정성이 나쁨이고, 고습 신뢰성이 좋지 않은 것으로 나타났다. 즉, 금 피복층의 두께를 소정 두께 이상으로 하는 경우 와이어 표면의 황변 현상을 제외한 나머지 특성이 모두 나빠지는 것으로 판단된다.

4. 금 피복층 두께에 따른 개선 효과

상기 시험 결과에 나타난 것처럼, 본딩 와이어(100)에 30 내지 200㎚ 두께의 금의 외측 피복층(140)을 형성하는 경우, 대기 중에서도 FAB 형성 시 종래 질소 분위기에서 FAB 형성하는 것과 비교하여 볼 모양, 금 피복층 안정성, 와이어 표면의 황변 현상 및 고습 신뢰성의 특성이 유사하거나 더 좋아지는 것을 알 수 있다.

특히 실험예 9 내지 16의 경우, 다시 말하면, 금 피복층(140)의 두께가 40 부터 170㎚ 인 경우 모든 특성이 가장 우수한 결과를 나타냈다. 금 피복층(140)의 두께를 너무 얇게 하는 경우 볼 형상, 금 피복층 안정성 및 고습 신뢰성이 좋지 않은 결과를 나타냈고, 금 피복층의 두께를 너무 두껍게 하는 경우 금 피복층 안정성 및 고습 신뢰성이 좋지 않은 결과를 나타냈다.

도 6에서와 같이, 금 피복층을 형성하지 않거나, 금 피복층의 두께가 너무 얇으면 와이어 표면의 황변 현상 특성이 좋지 않음을 알 수 있다. 도 6의 (a)는 비교예 2의 황변 테스트 전의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이고, 도 6의 (b)는 비교예 2의 황변 테스트 후의 주사전자현미경 사진이다. 도 6의 (c)는 실험예 10의 황변 테스트 전의 주사전자현미경 사진이고, 도 6의 (d)는 실험예 10의 황변 테스트 후의 주사전자현미경 사진이다.

반면에, 도 7에서와 같이, 금 피복층의 두께가 너무 두꺼워지면 FAB에서 금 피복층의 흘러내림 현상과 같은 불안정한 현상이 발생될 수 있으므로 금 피복층의 두께가 200nm 이하가 되도록 형성할 수 있다. 도 7은 실험예 20 및 실험예 24에서 금 피복층의 흘러내림 현상을 나타낸 사진이다.

5. 결론

비교예 1에서와 같이 종래 은 합금 본딩 와이어의 경우, 질소 분위기에서는 FAB의 형상이 안정적으로 나타나지만, 질소 분위기를 만들기 위하여 가스 키트 설치 및 가스 소모 비용이 발생된다. 또한, FAB의 형상 조건에서 가스 유량에 따른 변형 조건이 다양하게 발생하여, 이를 본딩 와이어에 적용하는데 많은 시간과 노력이 필요하다.

본원 발명에 의하면 질소 분위기를 형성하지 않고 대기 중에서 본딩 와이어 선단에 FAB을 형성하여도 볼 모양 및 고습 신뢰성 등의 특성이 양호한 바, 제조 단가를 절감할 수 있는 장점을 가진다고 판단된다.

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.

100: 본딩 와이어
120: 내측 와이어 심재
140: 외측 피복층

Claims

은(Ag)의 함량을 80 내지 99 중량%로 하고, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상의 원소를 함유하는 와이어 심재; 및
상기 와이어 심재의 외표면에 형성되는 금(Au) 재질의 30 내지 200㎚ 두께의 피복층을 포함하는 본딩 와이어로서,
상기 본딩 와이어의 선단에 대기 중에서 프리 에어 볼(Free Air Ball)을 형성할 때,
상기 프리 에어 볼의 외표면의 금(Au)의 함량은 5 내지 35 중량%인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
삭제
제1항에 있어서,
상기 피복층의 두께는 40 내지 170㎚인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
제1항에 있어서,
상기 금(Au)의 순도는 99% 이상인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어.
삭제
본딩 와이어를 제공하는 단계;
상기 본딩 와이어의 선단에 대기 중에서 프리 에어 볼(Free Air Ball)을 형성하는 단계; 및
상기 프리 에어 볼을 반도체 칩의 패드에 부착하는 단계를 포함하고,
상기 본딩 와이어는 은(Ag)의 함량을 80 내지 99 중량%로 하고, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나 이상의 원소를 함유하는 와이어 심재; 및
상기 와이어 심재의 외표면에 형성되는 금(Au) 재질의 30 내지 200㎚ 두께의 피복층을 포함하고,
상기 프리 에어 볼의 외표면의 금(Au)의 함량은 5 내지 35 중량%인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어의 접합 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 피복층의 두께는 40 내지 170㎚인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어의 접합 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 피복층을 도금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 본딩 와이어의 접합 방법.