KR101989799B1 - 구리 본드 와이어 및 이를 만드는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면을 가진 코어를 포함한, 본딩 와이어에 관한 것이며, 여기에서 상기 코어는 주 성분으로서 구리를 포함하고, 상기 코어는 주 성분으로서 구리를 포함하고, 상기 코어에서의 결정 입자들의 평균 크기는 2.5 ㎛ 및 30 ㎛ 사이이며 상기 본딩 와이어의 항복 강도는 120 MPa 미만이다.

Description

구리 본드 와이어 및 이를 만드는 방법{COPPER BOND WIRE AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 표면을 가진 코어를 포함한 본딩 와이어에 관한 것이며, 상기 코어는 주 성분으로서 구리를 포함하고, 상기 코어에서의 결정 입자들의 평균 크기는 2.5 ㎛ 및 30 ㎛ 사이이며, 상기 본딩 와이어의 항복 강도는 120 MPa 미만이다.
본 발명은 또한 제 1 본드 패드, 제 2 본드 패드 및 본 발명에 따른 와이어를 포함한, 모듈에 관한 것이며, 여기에서 본 발명의 와이어는 볼-본딩에 의해 본드 패드들 중 적어도 하나에 연결된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 와이어를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본딩 와이어들은 반도체 디바이스 제작 동안 집적 회로 및 인쇄 회로 보드를 전기적으로 상호 연결하기 위한 반도체 디바이스들의 제조에서 사용된다. 뿐만 아니라, 본딩 와이어들은 트랜지스터들, 다이오드들 등을 하우징의 패드들 또는 핀들과 전기적으로 연결하기 위해 전력 전자 애플리케이션들에서 사용된다. 본딩 와이어들이 처음에 금으로부터 만들어졌지만, 요즘에는 구리와 같은 덜 비싼 재료들이 사용된다. 구리 와이어는 매우 양호한 전기 및 열 전도성을 제공하지만, 구리 와이어의 웨지-본딩뿐만 아니라 볼-본딩은 문제점들을 갖는다. 게다가, 구리 와이어들은 산화에 영향을 받기 쉽다.
와이어 기하학적 구조에 대하여, 원형 단면의 본딩 와이어들 및 거의 직사각형 단면을 가진 본딩 리본들이 가장 일반적이다. 와이어 기하학적 구조들의 양쪽 유형들 모두는 그것들을 특정 애플리케이션들에 유용하게 만드는 그것들의 이점들을 가진다. 따라서, 기하학적 구조의 양쪽 유형들 모두는 시장에서 그것들의 점유율을 가진다. 예를 들면, 본딩 리본들은 주어진 단면적에 대해 보다 큰 접촉 면적을 가진다. 그러나, 리본들의 굽힘은 제한되며 리본의 배향은 리본 및 그것이 접합되는 요소 사이의 수용 가능한 전기 접촉에 도달하기 위해 접합할 때 관찰되어야 한다. 본딩 와이어들을 참조하면, 이것들은 구부리기에 보다 유연하다. 그러나, 본딩은 접합 프로세스에서 와이어의 용접 및 보다 큰 변형을 수반하며, 이것은 피해를 야기하거나 또는 심지어 본드 패드 및 그것에 결합되는 요소의 기본 전기 구조들을 파괴시킬 수 있다.
본 발명을 위해, 용어(본딩 와이어)는 원형 단면 및 얇은 직경들을 가진 본딩 와이어들이 선호되지만, 모든 형태들의 단면들 및 모든 통상의 와이어 직경들을 포함한다.
몇몇 최근의 발전들은 구리 코어를 가진 본딩 와이어들에 관한 것이었다. 코어 재료로서, 구리가 높은 전기 전도성 때문에 선택된다. 구리 재료에 대한 상이한 도펀트들은 접합 속성들을 최적화하기 위해 탐색되어 왔다. 예를 들면, US 7,952,028 B2는 다수의 상이한 도펀트들 및 농도들을 가진 여러 개의 상이한 구리-계 테스트 와이어들을 설명한다. 그럼에도 불구하고, 본딩 와이어 자체 및 접합 프로세스들에 대한 본딩 와이어 기술을 추가로 개선하기 위한 진행 중인 요구가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 본딩 와이어들을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 양호한 프로세싱 속성들을 가지며 상호 연결할 때 특정 요구들을 갖지 않고, 따라서 비용들을 절감하는 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 우수한 전기 및 열 전도성을 가진 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 개선된 신뢰성을 보이는 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 우수한 접합성을 보이는 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 볼 본딩에 대하여 개선된 접합성을 보여주는 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 볼 본딩인 제 1 본딩에 대하여 개선된 접합성을 보이는 반면, 웨지 본딩인 제 2 본딩에 대한 본딩 성능이 적어도 충분한 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 접합하기 전에 와이어 코어의 증가된 연성을 보여주는 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부식 및/또는 산화에 대한 개선된 저항력을 가진 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 시스템 또는 모듈이 적어도 제 1 본딩에 대하여 감소된 고장률을 보여주는, 표준 칩 및 접합 기술과 함께 사용되도록, 전자 디바이스 또는 모듈을 접합하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 본 발명의 본딩 와이어를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이고, 상기 방법은 기본적으로 알려진 방법들과 비교하여 제조 비용들에서 어떤 증가도 보이지 않는다.
놀랍게도, 본 발명의 와이어들은 상기 언급된 목적들 중 적어도 하나를 해결하는 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라, 와이어들을 제조하는 도전들 중 적어도 하나를 극복하는 이들 와이어들을 제조하기 위한 프로세스가 밝혀졌다. 뿐만 아니라, 본 발명의 와이어들을 포함한 시스템들 및 모듈들은 본 발명에 따른 와이어 및 다른 전기 요소들, 예로서 인쇄 회로 보드, 패드/핀 등 사이의 계면에서 보다 신뢰 가능한 것으로 밝혀졌다.
삭제
상기 목적들 중 적어도 하나의 해법에 대한 기여는 카테고리-형성 청구항들의 주제들에 의해 제공되며, 그에 의해 카테고리-형성 독립 청구항들의 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 양상들을 표현하며, 그 주제는 마찬가지로 상기 언급된 목적들 중 적어도 하나를 해결하는 것에 대해 기여한다.
본 발명의 제 1 양상은 본딩 와이어이며, 상기 본딩 와이어는:
표면을 가진 코어를 포함하며,
상기 코어는 주 성분으로서 구리를 포함하고,
상기 코어에서의 결정 입자들의 평균 크기는 2.5 ㎛ 및 30 ㎛ 사이이며,
상기 본딩 와이어의 항복 강도는 120 MPa 미만이다.
본 발명에 따른 이러한 와이어는 그것의 기계적 및 접합 속성들에 대하여 최적화된 결정 구조를 가진다.
어떤 다른 특정 정의도 제공되지 않는다면, 구성요소들의 모든 함유량들 또는 비율들은 현재 중량의 비율들로서 제공된다. 특히, 퍼센트로 주어진 비율들은 중량-%로서 이해되며, ppm(백만분율)으로 주어진 비율들은 중량-ppm으로서 이해된다.
와이어의 코어는 표면 아래의 벌크 재료의 동질 영역으로서 정의된다. 임의의 벌크 재료는 기본적으로 어느 정도 상이한 속성들을 가진 표면 영역을 가지므로, 와이어의 코어의 속성들은 벌크 재료 영역의 속성들로서 이해된다. 벌크 재료 영역의 표면은 형태학, 조성(예로서, 산소 함유량) 또는 다른 특징들에 대해 상이할 수 있다. 표면은 바람직한 실시예들에서 본 발명의 와이어의 외부 표면일 수 있다. 추가 실시예들에서, 와이어 코어의 표면은 와이어 코어 및 상기 와이어 코어 상에 중첩된 코팅 층 사이의 계면 영역으로서 제공될 수 있다.
결정 입자들의 평균 입자 크기에 관해서, 입자들의 크기는 표준 금속 조직 기술을 사용함으로써 결정된다. 와이어 코어의 샘플은 단면화되며 그 후 에칭된다. 본 경우에, 200 ml Dl-물에서 2g FeCl3 및 6 ml 농도 HCl의 용액이 에칭을 위해 사용되었다. 입자 크기들은 라인 인터셉트 원리들에 의해 측정되고 산출된다. 여기에서 사용된 공통 정의는 입자의 크기가 입자를 통과하는 직선들의 모든 섹션들 중 가장 긴 것으로서 정의된다는 것이다.
일반적으로 바람직하게, 와이어 코어의 직경 및 평균 입자 크기 사이의 비는 2.5 및 5 사이이다. 훨씬 더 바람직하게는, 비는 2.5 및 4 사이이다. 이것은 와이어의 상이한 직경들의 범위 전체에 걸쳐 와이어 속성들의 최적화를 허용한다. 특히, 선호된 비들은 얇은 와이어들의 속성들에 유리할 수 있다.
각각의 와이어 직경의 고려하에서, 유리한 평균 입자 크기들의 구체적으로 최적화된 선택이 다음과 같이 달성된다:
와이어 코어의 직경은 15 ㎛ 및 28 ㎛ 사이이며 평균 입자 크기는 2.5 ㎛ 및 6 ㎛ 사이이거나; 또는
와이어 코어의 직경은 28 ㎛ 및 38 ㎛ 사이이며 평균 입자 크기는 3 ㎛ 및 10 ㎛ 사이이거나; 또는
와이어 코어의 직경은 38 ㎛ 및 50 ㎛ 사이이며 평균 입자 크기는 7 ㎛ 및 15 ㎛ 사이이거나; 또는
와이어 코어의 직경은 50 ㎛ 및 80 ㎛ 사이이며 평균 입자 크기는 10 ㎛ 및 30 ㎛ 사이이다.
와이어는 특히 마이크로 전자 공학에서의 접합을 위한 본딩 와이어이다. 와이어는 바람직하게는 1-조각 물체이다.
구성요소는 이러한 구성요소의 비율이 언급된 재료의 모든 추가 구성요소들을 초과한다면 "주 성분"이다. 바람직하게는, 주 성분은 재료의 총 중량의 적어도 50%를 포함한다.
항복 강도의 정의를 위해, 일반적인 이해에 대한 참조가 이루어진다. 재료의 "항복 강도"는 재료가 소성 변형하기 시작하는 응력으로서 공학 및 재료 과학에서 정의된다. 소성 변형의 시작 이전에, 재료는 탄성적으로 변형할 것이며 인가된 응력이 제거될 때 그것의 원래 형태로 되돌아갈 것이다.
일반적으로 바람직하게는, 본 발명의 본딩 와이어의 항복 강도는 110 MPa 미만이며, 보다 바람직하게는 90 MPa 미만이다. 가장 바람직하게는, 항복 강도는 80 MPa 이하이다. 일반적으로, 그것은, 항복 강도가 감소된다면 본 발명의 와이어의 접합 속성들에게 유리하다.
본 발명의 와이어의 항복 강도의 하한은 바람직하게는 50 MPa 이상이고 가장 바람직하게는 65 MPa 이상이다. 이것은 특히 본 발명의 본딩 와이어의 항복 강도들에 대한 바람직하며 유리한 범위들을 야기한다. 본 발명에 따른 본딩 와이어는 바람직하게는 범위들(50.. 120 MPa, 50..110 MPa, 65..110 MPa, 65..90 MPa 또는 65..80 MPa) 중 하나 이상에서의 항복 강도를 가진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 와이어의 영률(Young's modulus)은 100 GPa 미만이다. 보다 바람직하게는 영률은 95 GPa 미만이다. 그것의 영률에 대하여 와이어의 최적화는 그것의 기계적 속성들에 대해 또한 접합 프로세스에서 그것의 거동에 대해 유리하다.
영률의 하한은 불리한 효과들을 방지하기 위해 고려될 수 있다. 최적화된 와이어의 영률은 75 GPa 보다 낮지 않고, 바람직하게는 80 GPa 보다 낮지 않아야 한다는 것이 판명되었다. 본 발명에 따른 본딩 와이어는 바람직하게는 범위들(75..100 GPa, 75..95 GPa 또는 80..95 GPa) 중 하나 이상에서의 영률을 가진다.
영률의 정의를 위해, 일반적인 이해에 대한 참조가 이루어진다. 또한 인장 탄성률 또는 탄성률로서 알려진, 영률은 탄성 재료의 강도의 측정치이며 재료들을 특성화하기 위해 사용된 양이다. 그것은 훅의 법칙이 유지되는 응력의 범위에서 축을 따르는 변형에 대한 상기 축을 따르는 응력의 비로서 정의된다.
본 발명의 와이어의 양호한 접합 특성들을 유지하기 위해, 와이어 코어의 구리의 총량은 적어도 97%인 것이 일반적으로 선호된다. 보다 바람직하게는, 구리의 양은 적어도 98%이다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 와이어 코어는 순 구리로 이루어진다. 바람직하게는, 순도는 적어도 3N-급 구리(>=99.9 % Cu)이고, 가장 바람직하게는 4N-급 구리(>=99.99 % Cu)이다. 순 구리 와이어들은 일반적으로 양호한 전도성 및 양호한 접합 속성들을 보여준다.
바람직한 실시예에서, 와이어 코어에서의 붕소의 함유량은 100 ppm 미만이다. 붕소가 구리 계 와이어의 결정 구조에 영향을 주는 것으로 알려져 있기 때문에, 붕소 양을 특정한 임계치 아래에서 유지하는 것이 유리하다. 이것은 특히 순 구리로 이루어진 와이어 코어들에 대해 적용된다. 또 다른 바람직한 실시예의 경우에, 붕소는 10 ppm 및 100 ppm 사이의 양으로 제어된 방식으로 제공된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 와이어 코어에서의 인의 함유량은 200 ppm 미만이다. 인은 몇몇 실시예들에서, 인이 적은 양들로 제공될 수 있지만, 가능한 한 인(추적 레벨)이 회피된다는 것이 규정될 수 있다. 이러한 경우들에서, 인의 바람직한 양은 10 ppm 및 200 ppm 사이이다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 와이어 코어는 0.5% 및 3% 사이, 보다 바람직하게는 1.0% 및 2.5% 사이의 양의 팔라듐을 포함한다. 훨씬 더 바람직한, 최적화된 실시예들에서, 팔라듐 함유량은 1.2% 및 2.5%, 및 가장 바람직하게는 1.2% 및 2.0% 사이이다. 특히 바람직한 실시예에서, 팔라듐의 비율은 1.2% 및 1.3% 사이이다. 실험들은 작은 비율의 팔라듐이 본 발명의 유리한 효과들을 감소시키지 않지만, 이러한 팔라듐 함유량은 일반적으로 부식에 대한 와이어의 안정성을 도우며 추가 유리한 효과들을 가진다는 것을 보여준다.
추가로 바람직하게는, 본 발명의 이러한 Pd-함유 와이어들은 85 내지 95 HV(0.010 N/5s)의 범위의 와이어 코어의 미소 경도를 보여준다. 훨씬 더 최적화된 실시예들에서, 와이어 코어의 팔라듐 함유량 및 경도 사이의 비는 60 및 120 HV(0.01 N/5s)/wt.-% 사이의 범위에 있다. 와이어 코어의 경도는 특정한 범위들 내에서 선택된 팔라듐 함유량으로부터 독립적으로, 예를 들면, 어닐링 절차들에 의해 조정될 수 있다는 것이 이해된다.
추가 바람직한 실시예에서, 와이어 코어는 45 ppm 및 900 ppm 사이의 양으로 은을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 은 함유량은 100 ppm 및 900 ppm 사이, 훨씬 더 바람직하게는 100 ppm 및 700 ppm 사이이다. 매우 바람직한 실시예에서, 은 함유량은 와이어의 상당히 유리한 속성들이 획득되기 때문에, 100 ppm 내지 400 mmp의 범위에 있다. 추가 최적화된 실시예에서, 코어의 은 함유량은 100 ppm 및 300 ppm 사이, 가장 바람직하게는 200 ppm 및 250 ppm 사이이다. 일반적으로, 와이어 코어에서 작은 비율의 은을 가진 이러한 실시예는 볼-본딩을 위해 양호한 FAB(자유 대기 볼) 형성 및 큰 접합 윈도우를 보여준다.
일반적으로 바람직하게는 은 함유 와이어들에 대해, Cu 및 Ag 외의 와이어 코어의 구성요소들의 총량은 1000 ppm 미만이고, 훨씬 더 바람직하게는 100 ppm 미만이다. 이것은 와이어 속성들의 양호한 재현성을 제공한다.
본 발명의 와이어의 추가 바람직한 실시예들에서, Au는 45 ppm 및 900 ppm 사이의 양의 비율로 제공된다. 보다 바람직하게는, Au의 양은 100 ppm 및 700 ppm 사이, 가장 바람직하게는 100 ppm 및 300 ppm 사이이다.
Pd, Au, Ag, P 및 B의 상기 언급된 비율들 중 둘 이상은 본 발명의 와이어에서 동시에 제공될 수 있다는 것이 주의된다. 가장 바람직하게는, 상기 언급된 양들 중 하나에서의 Pd의 비율은 각각, 상기 언급된 양들에서 Au, Ag, P 또는 B의 그룹으로부터 선택된 하나의 비율과 조합된다.
일반적으로 바람직하게는, 본 발명의 와이어의 와이어 코어에서의 특정 원소들의 원치 않는 오염 레벨들에 대한 유리한 상부 임계치들은 다음과 같다:
Ag: <35 ppm;
Ni: <15 ppm;
Pd, Au, Pt, Cr, Ca, Ce, Mg, La, Al, B, Zr, Ti: 각각의 경우에서 <2 ppm;
P; <6 ppm;
Fe: <10 ppm;
S, Mn: <15 ppm.
원소들(Pd, Ag, Au, B 및 P)에 대한 상기 일반적인 임계치들은 이들 원소들이 다른 정의된 양들에 명확하게 포함되지 않은 본 발명의 실시예들에 대해서만 유효하다는 것이 언급된다.
상기 특정 오염 한계들의 각각은 본 발명의 별개의 특징인 것으로 의도된다.
본 발명은 특히 얇은 본딩 와이어들에 관한 것이다. 관찰된 효과들은 구체적으로 특히 입자 크기의 제어에 관해, 얇은 와이어들에 대해 유리하다. 현재 경우에, 용어("얇은 와이어")는 8 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위의 직경을 가진 와이어로서 정의된다. 특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 얇은 와이어는 12 ㎛ 내지 55 ㎛의 범위의 직경을 가진다. 이러한 얇은 와이어들에서, 본 발명의 조성 및 어닐링은 특히 유리한 속성들을 달성하도록 돕는다.
본 발명의 와이어의 바람직한 실시예에서, 와이어 코어는 접합 단계 이전에 적어도 0.1초의 시간 동안 적어도 580℃의 온도에서 어닐링되었다. 이것은 특히, 얇은 와이어들의 경우에서, 충분한 어닐링 및 요구된 입자 크기의 달성을 보장한다. 훨씬 더 바람직하게는, 어닐링 시간은 적어도 0.2초 및 가장 바람직하게는 0.25초이다. 본 발명의 와이어의 특히 높은 어닐링 온도는 일반적으로 큰 평균 입자 크기들의 조정을 허용한다. 가장 바람직한 경우에서, 어닐링 온도는 600℃ 이상으로 선택된다.
특히, 와이어의 어닐링은 와이어 직경의 고려하에 최적화될 수 있다. 이러한 최적화된 실시예들에서, 최소 어닐링 온도는 다음과 같이 선택된다:
Figure 112015118351346-pct00001
본 발명의 일반적으로 바람직한 양상에서, 어닐링 후 와이어의 신장 값은 최대 신장 값의 92% 이하이다. 보다 바람직하게, 신장 값은 85% 이하이며 가장 바람직하게는 최대 신장 값의 80% 이하이다. 추가의 바람직한 경우에, 와이어는 최대 신장 값이 어닐링에 의해 달성되는 온도보다 적어도 10℃ 높은 온도에서 어닐링된다. 보다 바람직하게는, 온도는 최대 신장의 온도보다 적어도 50℃ 높고 가장 바람직하게는 온도는 최대 신장의 온도보다 적어도 80℃ 높다.
최대 신장 값은 다음과 같이 정의된다: 구리계 본딩 와이어의 일반적인 경우에, 와이어의 신장은 최종 어닐링 단계에 의해 조정될 수 있다. 이러한 점에서 "최종"은 와이어의 형태학에 큰 영향을 미치는 어떤 생산 단계들도 이후 이루어지지 않는다는 것을 의미한다. 어닐링 파라미터들을 선택할 때, 보통 파라미터들의 세트가 선택된다. 와이어를 어닐링하는 간단한 경우에, 일정한 온도가 주어진 길이의 오븐에서 조정되며, 여기에서 와이어는 일정한 속도로 오븐을 통과한다. 이것은 와이어의 모든 포인트를 주어진 시간 동안 상기 온도에 노출시키고, 이러한 온도 및 이러한 어닐링 시간은 어닐링 절차의 두 개의 관련 파라미터들이다. 다른 경우들에서, 오븐의 특정 온도 프로파일이 사용될 수 있으며, 그러므로 추가 파라미터들을 시스템에 부가한다.
어떠한 경우에도, 파라미터들 중 하나는 변수로서 선택될 수 있다. 그 후, 이러한 변수에 의존적인 와이어의 수용된 신장 값은 일반적으로 로컬 최대치를 갖는 그래프를 야기한다. 이것은 본 발명의 의미에서 와이어의 최대 신장 값으로서 정의된다. 변수가 어닐링 온도인 경우에, 이러한 그래프는 보통 "어닐링 곡선"으로서 불리운다.
종래 기술에서, 로컬 최대치의 존재가 특히 안정된 제조 상태를 제공하므로, 임의의 와이어를 가변 파라미터에 대해 이러한 최대 신장 값으로 어닐링하는 것은 일반적이다.
본 발명에 대하여, 놀랍게도 최대 신장 값 아래의 상이한 값으로의 어닐링이 와이어 형태학이 긍정 방식으로 영향을 받을 수 있으므로 유리한 와이어 속성들을 야기할 수 있다는 것이 판명되었다. 어닐링 온도가 가변 파라미터로서 선택되며, 일정한 값으로서 어닐링 시간을 설정한다면, 어닐링 온도가 최대 신장률의 어닐링 온도보다 높은 값에서 선택된다면 특히 유리하다. 특히, 이러한 제조 원리는 와이어의 평균 입자 크기를, 예로서 보다 큰 입자 크기로 조정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 조정에 의해, 예로서, 와이어 연성, 볼-본딩 거동 등과 같은 다른 속성들이 긍정 방식으로 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 가능한 추가 발전에서, 코팅 층은 코어의 표면 위에 중첩된다. 이러한 코팅 층이 가능하지만, 본 발명의 와이어의 필요한 특징은 아님이 이해된다. 접합 프로세스상에서 이러한 코팅 층의 재료의 영향을 최소화하기 위해, 코팅 층의 질량은 바람직하게는 와이어 코어의 질량의 3% 이하이다. 가장 바람직하게는, 코팅 층의 질량은 와이어 코어의 질량의 1.0% 이하이다. 유리하게는, 코팅 층은 주 성분으로서 Pd, Au, Pt 및 Ag의 그룹 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 맥락에서 용어("중첩된")는 제 2 아이템, 예로서 코팅 층에 대하여, 제 1 아이템, 예로서, 구리 코어의 상대적 위치를 설명하기 위해 사용된다. 가능하게는, 중간 층과 같은, 추가 아이템들이 제 1 및 제 2 아이템 사이에서 배열될 수 있다. 바람직하게는, 제 2 아이템은 적어도 부분적으로 제 1 아이템 위에서 예로서 제 1 아이템의 총 표면에 대하여 적어도 30%, 50%, 70%에 대해 또는 적어도 90%에 대해 중첩된다. 가장 바람직하게는, 제 2 아이템은 제 1 아이템 위에 완전히 중첩된다. 본 발명의 맥락에서 용어("중간 층")는 구리 코어 및 코팅 층 사이의 와이어의 영역이다. 이 영역에서, 코팅 층에서의 재료뿐만 아니라 코어에서의 재료가 조합하여 존재한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 경우에, 결합하기 전에 와이어 코어의 경도는 95.00 HV(0.010N/5s) 이하이다. 보다 바람직하게는, 경도는 93 HV(0.010N/5s) 이하이다. 와이어 코어의 이러한 연성은 민감한 기판을 접합 동안 손상으로부터 방지하도록 돕는다. 실험들은 또한 본 발명에 따른 이러한 부드러운 와이어들이 매우 양호한 자유 대기 볼(FAB) 속성들을 보인다는 것을 보여주고 있다. 와이어 경도의 이러한 한계는 특히 기계적으로 민감한 구조들이 본드 패드 아래에서 정렬된다면 도움이 된다. 이것은 본드 패드가 알루미늄 또는 금과 같은 부드러운 재료로 이루어진다면 특히 그러하다. 민감한 구조는, 예를 들면, 특히 2.5 미만의 유전 상수를 갖고, 다공성 이산화규소의 하나 또는 여러 개의 층들을 포함한다. 이러한 다공성 및 그러므로 약한 재료는 그것이 디바이스 성능을 증가시키도록 도울 수 있으므로 점점 더 일반적인 것이 되고 있다. 그러므로, 본 발명의 본딩 와이어의 기계적 속성들은 약한 층들의 균열 또는 다른 손상을 회피하기 위해 최적화된다.
경도는 비커스(Vickers) 압자를 가진 피셔 스코프 H100C 테스터를 사용하여 측정되었다. 어떤 상이한 값들도 주어지지 않는다면, 5초 체류 시간 동안 10mN 힘(F)의 힘이 인가되고, 136°정 다이아몬드 압자를 사용하여 압입된다. 경도 테스트 절차는 단면화된 샘플의 편평한 면 상에서 비커스 압입의 기본 잘 수립된 절차에 기초하여 제조사의 권고에 따른다. 와이어 절개된 표면상에서의 압입 대각선들(d)은 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 측정되며 공식(
Figure 112017049786040-pct00002
)을 사용하여 산출되고, 여기에서 F는 kgf단위이고, d는 mm 단위이다.
본 발명의 추가 양상은, 제 1 본드 패드, 제 2 본드 패드 및 본 발명에 따른 와이어를 포함한 모듈이며, 여기에서 와이어는 볼-본딩에 의해 본드 패드들 중 하나에 연결된다.
이러한 모듈은 본딩 와이어에 의해 전기적으로 연결되는 임의의 특정한 전자 디바이스를 포함할 수 있다. 특히, 디바이스는 집적 회로, 발광 다이오드(LED), 디스플레이 디바이스 등일 수 있다.
본 발명의 모듈의 바람직한 실시예에서, 볼 본딩을 위한 프로세스 윈도우 면적은 알루미늄 본드 패드에 20 ㎛직경의 와이어를 접합하는 경우에 적어도 120 g*mA의 값을 가진다. 보다 바람직하게는, 값은 적어도 130 g*mA이며, 가장 바람직하게는 값은 적어도 140 g*mA이다.
볼-본딩 윈도우 면적의 이들 값들은 표준 절차에 의해 측정된다. 테스트 와이어들은 KNS-iConn 접합기 툴을 사용하여 접합되었다. 본딩 와이어들을 위한 프로세스 윈도우 면적의 정의는 이 기술분야에 알려져 있으며 상이한 와이어들을 비교하기 위해 광범위하게 사용된다. 원칙적으로, 그것은 상기 결합에서 사용된 초음파 에너지 및 상기 결합에서 사용된 힘의 곱(product)이며, 여기에서 결과적인 본드는 특정한 당김 테스트 규격들, 예로서 3 그램들의 당김 력, 패드 상에서의 이형성이 없는 것 등을 충족시켜야 한다. 주어진 와이어의 프로세스 윈도우 면적의 실제 값은 본드 패드 재료뿐만 아니라 와이어 직경에 추가로 의존한다. 본 발명의 와이어의 속성들의 특정 정의를 제공하기 위해, 주장된 프로세스 윈도우 값은 20 ㎛ = 0.8 mil의 와이어 직경에 기초하며, 여기에서 본드 패드는 알루미늄(Al, Al-0.5Cu, Al-1Si-0.5Cu 등)으로 이루어진다. 본 발명의 범위는 이러한 직경의 와이어들 및 알루미늄으로 만들어진 본드 패드들에 제한되지 않지만, 단지 정의 목적들을 위해 이 데이터를 지적한다.
본 발명의 추가 양상은 본 발명에 따른 본딩 와이어를 제조하기 위한 방법이며, 상기 방법은:
a. 요구된 조성을 구리 코어 전구체에 제공하는 단계;
b. 상기 와이어 코어의 최종 직경이 도달될 때까지 상기 전구체를 인발하는 단계;
c. 최소 어닐링 시간 동안 한정된 온도에서 상기 인발된 와이어를 어닐링하는 단계를 포함한다.
특히 바람직한 실시예에서, 어닐링은 스트랜드 어닐링(strand annealing)에 의해 수행되어, 높은 재현성을 가진 와이어의 빠른 생산을 허용한다. 스트랜드 어닐링은 와이어가 어닐링 오븐을 통해 이동되며 오븐을 떠난 후 릴로 감기는 동안 어닐링이 동적으로 행해지는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 양호한 프로세싱 속성들을 가지며 상호 연결할 때 특정 요구들을 갖지 않고, 따라서 비용들을 절감하는 본딩 와이어를 제공할 수 있으며, 우수한 전기 및 열 전도성을 가진 본딩 와이어를 제공할 수 있다.
본 발명의 주제는 도면들에서 예시된다. 그러나, 도면들은 임의의 방식으로 청구항들 또는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1에서, 와이어(1)가 묘사된다.
도 2는 와이어(1)의 단면도를 도시한다. 단면도에서, 구리 코어(2)는 단면도의 중간에 있다. 구리 코어(2)는 코팅 층(3)에 의해 포함된다. 구리 와이어(2)의 한계 상에서, 구리 코어의 표면(15)이 위치된다. 와이어(1)의 중심(23)을 통해 라인(L) 상에서, 구리 코어(2)의 직경은 표면(15)을 가진 라인(L)의 교차점들 사이의 단 대 단 거리로서 도시된다. 와이어(1)의 직경은 중심(23)을 통해 라인(L)의 교차점들 및 와이어(1)의 외부 한계 사이의 단-대-단 거리이다. 게다가, 코팅 층(3)의 두께가 묘사된다. 코팅 층(3)의 두께는 도 2에서 과장된다. 코팅 층(3)이 제공된다면, 그것의 통상적인 두께는 코어 직경에 비교하여 매우 작으며, 예로서, 코어 직경의 1% 미만이다.
와이어(1)의 코팅 층(3)은 본 발명의 경우에 선택적이라는 것이 이해된다. 가장 바람직한 실시예에 대해, 어떤 코팅 층도 와이어 코어 상에서 제공되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 와이어를 제조하기 위한 프로세스를 도시한다.
도 4는 두 개의 요소들(11) 및 와이어(1)를 포함한, 전기 디바이스(10)의 형태에서의 모듈을 묘사한다. 와이어(1)는 두 개의 요소들(11)을 전기적으로 연결한다. 파선들은 요소들(11)을 둘러싸는 패키징 디바이스의 외부 배선과 요소들(11)을 연결하는 추가 연결들 또는 회로를 의미한다. 요소들(11)은 본드 패드들, 리드 핑거들, 집적 회로들, LED들 등을 포함할 수 있다.
도 5는 와이어 당김 테스트의 스케치를 도시한다. 기판(20)에 대해, 와이어(1)는 45°의 각도(19)에서 본드들(21)에 결합된다. 당김 훅(17)은 와이어(1)를 당긴다. 당김 훅(17)이 와이어(1)를 당길 때 형성되는 각도(22)는 90°이다.
도 6은 본 발명의 제 1 예의 상이한 직경들의 와이어들의 어닐링 곡선들의 세트를 도시한다. 이 예는 코팅이 없는 4N-구리 코어로 이루어진 와이어들을 포함한다.
도 7은 종래의 순 구리 와이어와 비교하여 제 1 예의 25 ㎛ 와이어의 스티치 당김 측정의 다이어그램을 도시한다.
도 8은 각각의 종래의 순 구리 와이어들과 비교하여 제 1 예의 20 ㎛ 및 25 ㎛ 와이어들의 경도 측정의 다이어그램을 도시한다.
도 9는 종래의 25 ㎛ 순 구리 와이어의 본딩 윈도우에 비교하여 제 1 예의 25 ㎛ 와이어의 웨지-본딩의 제 2 접합 프로세싱 윈도우의 비교를 도시한다.
도 10은 본 발명의 제 2 예에 따른 20 ㎛ 와이어의 어닐링 곡선을 도시한다. 이 예에서, 와이어 코어의 구리는 작은 양의 은을 포함한다.
도 11은 비교 와이어와 제 2 예의 와이어의 스티치 당김 비교를 도시한다.
도 12는 비교 와이어와 제 2 예의 와이어의 경도 비교를 도시한다.
도 13a는 제 1 예의 와이어의 열 노화 거동을 도시한다.
도 13b는 제 2 예의 와이어의 열 노화 거동을 도시한다.
도 14는 본 발명의 제 1 및 제 2 예의 상이한 20 ㎛ 직경 와이어들에 대한 평균 입자 크기의 비교를 도시한다.
도 15는 스트랜드 어닐링 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 16은 본 발명의 제 3 예에 따른 20 ㎛ 와이어의 어닐링 곡선을 도시한다. 이 제 3 에에서, 와이어 코어의 구리는 작은 양의 팔라듐을 포함한다.
도 17은 제 3 예의 20 ㎛ 와이어의 평균 입자 크기들을 디스플레이한 다이어그램을 도시한다. 좌측 상에서의 데이터 포인트들은 와이어 상에서 측정되며 우측 상에서의 데이터 포인트들은 와이어의 자유 대기 볼 상에서 측정된다.
도 18은 0 ㎛에 위치되는 자유 대기 볼로부터의 상이한 거리들에서 측정된, 와이어 코어의 미소 경도의 다이어그램을 도시한다. 자유 대기 볼 및 영향을 받지 않은 와이어 영역 사이의 넥 영역, 뿐만 아니라 영향을 받지 않은 와이어 영역에서의 약 200 ㎛까지. 와이어는 85 내지 95 HV(0.010 N/5s)의 범위 내에서 미소 경도를 가진다는 것이 명백하다.
도 19는 본 발명의 20 ㎛ 와이어들에 대한 볼 본드 프로세싱 윈도우들을 도시한다. 하나의 프로세싱 윈도우는 본 발명의 제 1 예의 와이어에 관한 것이며("4N 소프트 Cu"로 명명된) 다른 프로세싱 윈도우는 본 발명의 제 3 예의 와이어에 관한 것이다("Pd 합금 1N Cu"로 명명된).
도 20은 본 발명의 20 ㎛ 와이어들에 대한 제 2 본드("스티치 본드") 프로세싱 윈도우들을 도시한다. 하나의 프로세싱 윈도우는 본 발명의 제 1 예의 와이어("4N 소프트 Cu"로 명명된)에 관한 것이며, 다른 프로세싱 윈도우는 본 발명의 제 3 예의 와이어에 관한 것이다("Pd 합금 1N Cu"로 명명된).
도 21은 본 발명의 제 3 예의 20 ㎛ 와이어의 열 노화 거동을 도시한다.
테스트 방법들
모든 테스트들 및 측정들은 T=20℃ 및 50%의 상대 습도에서 행해졌다.
결정 입자들의 평균 입자 크기를 측정할 때, 입자들의 크기는 표준 금속 조직 기술을 사용함으로써 결정된다. 와이어 코어의 샘플은 단면화되며 그 후 에칭된다. 현재 경우에, 200 ml Dl-물에서 2g FeCl3 및 6 ml 농도 HCl의 용액이 에칭을 위해 사용되었다. 입자 크기들은 라인 인터셉트 원리들에 의해 측정되고 산출된다. 입자 크기는, 와이어 축의 방향인, 길이 방향을 따라 측정되었다.
볼-본딩 프로세스 윈도우 면적의 측정은 표준 절차에 의해 행해진다. 테스트 와이어들은 KNS-iConn 접합기 툴을 사용하여 결합되어 왔다. 본딩 와이어들에 대한 프로세스 윈도우 면적의 정의는 이 기술분야에 알려져 있으며 상이한 와이어들을 비교하기 위해 광범위하게 사용된다. 원칙적으로, 그것은 초음파 에너지(USG) 및 접합 시 사용된 힘의 곱이며, 여기에서 결과적인 본드는 특정한 당김 테스트 규격들, 예로서 3 그램들의 당김력, 패드 상에서의 논-스틱 없음 등을 충족시켜야 한다. 주어진 와이어의 프로세스 윈도우 면적의 실제 값은 본드 패드 재료뿐만 아니라 와이어 직경에 추가로 의존한다. 본 발명의 와이어의 속성들의 특정 정의를 제공하기 위해, 프로세스 윈도우 값은 현재 20 ㎛ = 0.8 mil의 와이어 직경에 기초하며, 여기에서 본드 패드는 알루미늄(Al, Al-0.5Cu, Al-1Si-0.5Cu 등)으로 이루어진다. 프로세스 윈도우의 4개의 코너들은 두 개의 주요 실패 모드들을 극복함으로써 도출된다:
(1) 너무 낮은 힘 및 USG의 공급은 FAB의 본드 패드 상에서의 논-스틱(NSOP)을 야기하며,
(2) 너무 높은 힘 및 USG의 공급은 본드 패드 크레이터를 야기한다.
예들
본 발명은 예들에 의해 추가로 예시된다. 이들 예들은 본 발명의 대표적인 설명을 위해 제공하며 임의의 방식으로 청구항들 또는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
예 1
적어도 99.99% 순도("4N-구리")의 구리 재료의 양은 도가니에서 용융된다. 어떤 추가 물질들도 상기 용융물에 부가되지 않는다. 그 후 와이어 코어 전구체는 용융물로부터 주조된다.
Cu 와이어의 화학적 조성은 유도 결합 플라즈마(ICP) 기구(Perkin Elmer ICP-OES 7100DV)를 사용하여 제어되었다. Cu 와이어들은 농축된 질산에서 용해되었으며 용액은 ICP 분석을 위해 사용되었다. 매우 순수한 Cu 와이어를 테스트하기 위한 방법은 벌크 Cu를 위해 채택된 잘 알려진 기술에 따라 장비 제조사를 갖고 수립되었다.
와이어 코어 전구체는 그 후 특정된 직경을 가진 와이어 코어(2)를 형성하기 위해 여러 개의 인발 단계들에서 연신된다. 상이한 직경들에 대한 본 발명의 유리한 효과들을 확인하기 위해, 상이한 직경들을 가진 와이어들의 선택이 제조되어 왔다. 이하의 표 1은 상이한 와이어 직경들의 리스트를 도시한다:
Figure 112015118351346-pct00003
표 1은 와이어 코어의 신장 값들 및 평균 입자 크기들의 범위들을 추가로 도시한다. 이들 범위들은 각각의 직경의 와이어에 대해 선호되며, 여기에서 본 발명에 따른 이들 값들의 조정이 이하에서 추가로 설명된다. 뿐만 아니라, 우측으로의 마지막 두 개의 컬럼들에서, 와이어 코어의 신장 및 평균 입자 크기 사이의 비에 대한 산출된 값들, 뿐만 아니라 표준 조건들하에서 생성된 바와 같이 자유 대기 볼(FAB)의 신장 및 평균 입자 크기 사이의 비에 대한 산출된 값들이 부가되어 왔다.
와이어 코어(2)의 단면은 근본적으로 원형 형태이다. 와이어 직경은 단면의 형태 등에서의 변동들로 인해 매우 정확한 값으로 고려되지 않는다. 현재 의미에서, 와이어가 예로서, 20 ㎛의 직경을 갖는 것으로 정의된다면, 직경은 19.5 내지 20.5 ㎛의 범위에 있는 것으로 이해된다.
와이어들은 그 후 신장률, 경도, 결정 구조 등과 같은 파라미터들을 추가로 조정하기 위해 최종 어닐링 단계에서 어닐링된다. 어닐링은 정의된 속도(도 15 참조)를 갖고 정의된 길이 및 온도의 어닐링 오븐(24)을 통해 와이어(1)를 구동함으로써, 스트랜드 어닐링으로서 동적으로 수행된다. 와이어는 제 1 릴(25)로부터 풀어지며 풀리들(26)에 의해 가이딩된다. 오븐(24)을 떠난 후, 와이어는 패키징을 위해 제 2 릴 상에서 스풀링된다.
현재 예들에서, 이동 와이어의 주어진 조각이 가열된 오븐(24) 내에 남아있는 노출 시간인, 어닐링 시간은 모든 와이어 직경들에 대해 약 0.3초이다. 20 ㎛ 직경 와이어들의 경우에 어닐링 온도는 600℃에서 선택된다. 오븐 구역 내에서, 일정한 온도가 조정된다.
원칙적으로, 어닐링 시간은 어닐링 온도 및/또는 와이어 직경에 따라 달라질 수 있다. 게다가, 스트랜드 어닐링이 어닐링 방법으로서 선택된다면, 와이어의 특정한 최소 속도는 적정한 스루풋을 획득하기 위해 요구된다. 그러므로, 어닐링 시간은 바람직하게는 0.1초 및 1초 사이의 영역에서 선택되며, 이것은 충분한 길이의 오븐의 용이한 공급을 허용한다. 이것은, 다른 한편으로, 충분히 높은 어닐링 온도들을 요구한다. 이하의 표 2는 상이한 범위들의 와이어 직경들에 대한 선호된 최소 어닐링 온도들을 도시한다:
Figure 112015118351346-pct00004
선택된 와이어 샘플들의 평균 입자 크기들이 측정되었다. 결과들은 이하의 표 3에서 도시된다:
Figure 112015118351346-pct00005
도 6은 본 발명의 예 1에 따른 4N-구리 와이어들의 여러 개의 대표적인 어닐링 곡선들을 도시한다. 와이어들은 단지 그것들의 직경만큼 상이하며, 여기에서 20 ㎛, 33 ㎛ 및 50 ㎛ 직경의 와이어들이 도시된다. 어닐링 시간은 이동 와이어의 속도를 조정함으로써 일정한 값으로 선택된다. 어닐링 온도는 x-축의 가변 파라미터이다. 그래프들은 온도의 함수로서 와이어의 절단 하중(BL) 및 신장률(EL)에 대한 측정된 값들을 도시한다. 신장률은 각각의 경우에서 통상적인 로컬 최대치들을 보인다.
3개의 대표적인 와이어 직경들에 대해, 신장률의 최대 값은 다음과 같이 어닐링 곡선으로부터 추정될 수 있다:
Figure 112015118351346-pct00006
본 발명에 따른 와이어들은 최대 신장률의 각각의 온도들에서가 아닌, 보다 높은 온도들에서 어닐링된다:
20 ㎛ 와이어에 대해, 선택된 어닐링 온도는 600℃이며, 이것은 표 4에 따른 최대 신장률의 온도의 80℃ 위이다. 이것은 약 11.8%(이하의 표 5 참조)의 신장 값을 야기하며, 이것은 15.8%의 최대 신장 값 25% 아래이다.
33 ㎛ 와이어에 대해, 선택된 어닐링 온도는 615℃이며, 이것은 표 3에 따른 최대 신장률의 온도의 95℃ 위이다. 이것은 약 13.3%의 신장 값을 야기하며, 이것은 18.0%의 최대 신장 값의 26% 아래이다.
50 ㎛ 와이어에 대해, 선택된 어닐링 온도는 630℃이며, 이것은 표 3에 따른 최대 신장률의 온도의 105℃ 위이다. 이것은 약 18.5%의 신장 값을 야기하며, 이것은 24.1%의 최대 신장 값의 23% 아래이다.
어닐링 곡선의 최대의 고온 측면에서 이러한 어닐링은 프로세스 파라미터들에 대하여 재료의 다소 민감한 범위에서 동작되는 것을 의미한다. 결과들의 양호한 재생력을 갖기 위해, 전체 세트의 파라미터들이 신중하게 모니터링되어야 한다.
이하의 표 5는 표 3으로부터 본 발명의 와이어들의 추가 기계적 및 전기적 속성들의 측정된 결과들을 도시한다:
Figure 112015118351346-pct00007
표 5로부터의 결과들은 본 발명의 와이어들이 통상적으로 4N-구리-와이어들로부터 알려진 바와 같이 전기 저항률에 대한 낮은 값들로서 갖는다는 것을 도시한다.
예상된 바와 같이, 항복 강도는 와이어 직경에 관련되지 않는다. 본 발명의 와이어들의 값들은 각각의 경우에서 120 MPa 훨씬 아래, 및 심지어 80 MPa 훨씬 아래이다.
대략 신장 값의 최대치에서 어닐링된, 통상적인 종래 기술의 4N-구리-와이어들은 160 MPa 이상의 항복 강도를 가진다.
영률은 또한 와이어 직경으로부터 독립적이며 100 GPa 훨씬 아래의 값들을 가진다. 통상적인 종래 기술의 4N-구리-와이어들은 약 125 GPa의 영률을 가진다.
또한 예상된 바와 같이 와이어 직경으로부터 독립적인, 인장 강도는 약 225 MPa이다. 통상적인 종래 기술의 4N-구리-와이어들은 약 245 MPa의 인장 강도를 갖고 측정되었다는 것이 주의된다. 본 발명에 따른 와이어들의 인장 강도는 통상적으로 표준 와이어들의 값들의 수 퍼센트 아래이다. 이것은 본 발명의 와이어들의 연성으로 인해 예상될 것이다. 게다가, 인장 강도에서의 이러한 작은 감소는 표준 접합 절차들에 대한 부정적인 효과들을 야기하고 및/또는 표준 접합 장비와 함께 사용하지 않을 것이다.
와이어들의 인장 속성들은 Instron-5300 기구를 사용하여 테스트되었다. 와이어들은 1 (일) 인치/분 속도에서, 10인치 게이지 길이에 대해 테스트되었다. 절단 하중 및 신장은 ASTM 표준 F219-96에 따라 획득되었다. 미세 와이어들의 영률 및 항복 하중(항복 강도)은 제조사에 의해 수립된 방법에 의해 획득되었다: 인장 플롯의 탄성 영역을 따르는 탄젠트 라인을 인발한다. 와이어의 영률을 표현하는, 라인의 기울기를 측정한다. 소성 영역의 시작에서 측정된 하중은 항복 강도를 정의한다. 제조사에 의해 개발된 "블루힐 소프트웨어"는 인장 플롯으로부터 직접 항복 하중 및 영률에 도달할 수 있다. 항복 강도(엔지니어링 강도)는 공식(항복 강도 = 항복 하중 / 와이어 단면의 면적)을 사용하여 산출되었다. 직경은 ASTM 표준 F205에 따라 가중 방법에 의해 측정되었다.
제 1 예의 와이어들의 추가 결과들 및 비교들이 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된다.
도 7에서, 25 ㎛ 와이어들의 스티치 당김 비교는 본 발명에 따른 와이어들이 종래 기술의 와이어들에 비교될 때 훨씬 더 큰 스티치-당김-값들을 가진다는 것을 보여준다. 예 1에 따른 본 발명의 와이어의 결과들은 우측 상에 도시되며 "소프트 Cu"로 태깅된다.
도 8에서, 20 ㎛ 와이어들 및 25 ㎛ 와이어들의 경도 비교가 도시된다. 각각의 경우에, 종래 기술의 와이어("종래") 및 예 1의 본 발명의 와이어("소프트 Cu")의 측정된 비커스 경도 10mN/5s가 디스플레이된다. 본 발명의 와이어들은 이들 직경들에 대해 90 HV 10mN/5s 아래의 범위에 있는 상당히 더 낮은 비커스 경도를 가진다는 것이 명백하다.
도 9에서, 볼 본딩의 접합 프로세스 윈도우들은 예 1에 따라 종래 기술의 와이어("종래") 및 본 발명의 와이어("소프트 Cu")에 대해 디스플레이된다. 와이어 직경들은 20 ㎛으로 선택되었으며, 테스트 본딩은 알루미늄 본드 패드 상에서 수행되었다. 본 발명의 와이어를 위한 프로세스 윈도우는 종래의 와이어의 윈도우보다 훨씬 더 크다는 것이 명백하다.
도 13a는 25 ㎛ 4N Cu 와이어 샘플의 열 노화 실험을 도시한다. 볼-본딩된 샘플의 볼 당김 값이 측정되었으며, 여기에서 샘플들은 1000시간들까지 동안 175℃에서의 열 전시하에 노화되었다. 결과들은 와이어의 매우 양호한 노화 거동을 보여준다. 결과들은 또한 본 발명에 따른 와이어들이 높은 온도 및/또는 높은 에너지 인가들에 적합하다는 것을 증명한다.
상기 예들은 순수 구리(4N-순도)로부터 만들어진 와이어들에 관한 것이지만, 본 발명은 이러한 순도의 와이어들에 제한되지 않는다. 보다 큰 입자들의 제어된 성장 및 보다 낮은 신장 값들로의 조정을 가진 고온 어닐링의 기본 발명 개념은 구리에 기초한 임의의 적절한 와이어로 전달될 수 있다. 본 발명의 범위를 제한하지는 않지만, 이하의 표 6의 시스템들이 특히 선호된다:
Figure 112015118351346-pct00008
나열된 요소들의 모든 비율들은 와이어 코어에 존재하는 것으로 이해된다. 표 6의 시스템들은 각각의 경우에서 부가적으로 제공될 수 있는, 와이어 코어의 선택적 코팅에 관련되지 않는다.
요소의 어떤 비율도 주어지지 않는다면("-"), 요소는 용인할 수 있는 미량 레벨 이상으로 존재하지 않아야 한다. 표 6에서 주어진 것들이 아닌 요소들의 추가 조합들이 가능하다는 것이 이해된다. 특히, 표 6의 기본 비율들의 추가 조합들은 예를 들면 금 등의 비율과 조합된 인의 비율으로 여겨질 수 있다. 또한, 표 6에 명명된 것들이 아닌 추가 요소들을 부가하는 것이 유리할 수 있다.
일반적으로 바람직하게, 와이어 코어에서의 구리의 총량은 97%보다 훨씬 더 낮지 않으면, 이것은 본 발명의 양호한 적용 가능성을 위해 제공한다.
다음에서, 본 발명의 와이어들의 추가 예들이 상세히 설명된다. 이들 예들은, 표 6에서의 이러한 시스템에 대해 주어진 기본 비율들의 특정 세트에 제한되지 않지만, 코어에서 작은 양의 은을 포함하며 그러므로 표 6에서 제안된 시스템 3번에 연관된다.
예 2
적어도 99.99% 순도("4N-구리")의 구리 재료의 양이 도가니에서 용융된다. 작은 양들의 은(Ag)이 용융물에 부가되며 구리 용융물에서의 부가된 구성요소들의 균일한 분포가 제공된다. 그 후 와이어 코어 전구체가 용융물로부터 주조된다.
와이어 코어 전구체는 그 후 현재 20 ㎛의 특정된 직경을 가진 와이어 코어(2)를 형성하기 위해 여러 개의 인발 단계들에서 인발된다. 와이어 코어(2)의 단면은 근본적으로 원형 형태이다. 와이어 직경은 단면의 형태 등에서의 변동들로 인해 매우 정확한 값으로 고려되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 현재 의미에서, 와이어가 예로서, 20 ㎛의 직경을 갖는 것으로 정의된다면, 직경은 19.5 내지 20.5 ㎛의 범위에 있는 것으로 이해된다.
이러한 절차에 의해, 본 발명의 와이어 및 비교 와이어의 여러 개의 상이한 샘플들이 제조되어 왔다.
Figure 112015118351346-pct00009
상기 표 7은 20 ㎛ 직경의 본 발명의 와이어의 1..5로 넘버링된 상이한 샘플들의 조성을 도시한다. 와이어들의 은 함유량은 각각 45 ppm, 110 ppm, 225 ppm, 350 ppm 및 900 ppm이다. 4N 순도의 구리로 이루어진 비교 와이어가 부가되었다.
와이어들은 그 후 신장률, 경도, 결정 구조들 등과 같은 파라미터들을 추가로 조정하기 위해 최종 어닐링 단계에서 어닐링된다. 어닐링은 정의된 속도(도 15 참조)를 갖고 정의된 길이 및 온도의 어닐링 오븐(24)을 통해 와이어(1)를 구동시킴으로써, 스트랜드 어닐링으로서 동적으로 수행된다. 와이어는 제 1 릴(25)로부터 풀리며 풀리들(26)에 의해 가이딩된다. 오븐(24)을 떠난 후, 와이어는 패키징을 위해 제 2 릴 상에서 스풀링된다.
현재 예들에서, 이동 와이어의 주어진 조각이 가열된 오븐(24) 내에 남아있는 노출 시간인, 어닐링 시간은 약 0.3초이다. 20 ㎛ 직경 와이어들의 경우에서의 어닐링 온도는 640℃에서 선택된다. 오븐 구역 내에서, 일정한 온도가 조정된다.
도 10은 은-도핑된 20 ㎛ 구리 와이어의 대표적인 어닐링 곡선을 도시한다. 어닐링 시간은 이동 와이어의 속도를 조정함으로써 일정한 값으로 선택된다. 어닐링 온도는 x-축의 가변 파라미터이다. 그래프들은 와이어의 절단 하중(BL) 및 신장률(EL)에 대한 측정된 값들을 도시한다. 신장은 약 460℃의 어닐링 온도에서 달성되는, 디스플레이되는 예에서 약 14.5%의 통상적인 로컬 최대 값을 보인다.
이제 샘플들(1..5)에 따른 본 발명의 와이어들은 최대 신장률의 이러한 온도에서가 아닌, 도 10에 따른 최대 신장의 온도의 180℃ 위인, 640℃에서 어닐링된다. 이것은 약 10%의 신장 값을 야기하며, 이것은 최대 신장 값의 30% 이상 아래이다.
예 1에서처럼, 어닐링 곡선의 고온 측면에서 이러한 어닐링은 프로세스 파라미터들에 대하여 재료의 다소 민감한 범위에서 동작되는 것을 의미한다. 결과들의 양호한 재생력을 갖기 위해, 전체 세트의 파라미터들이 신중하게 모니터링되어야 한다.
와이어 샘플들(1번 내지 5번)의 평균 입자 크기들이 측정되었다. 결과는 각각의 경우에서 3 ㎛ 내지 6 ㎛의 범위에 있다. 샘플 3번에 대해, 평균 입자 크기는 5 ㎛이다.
와이어 코어의 평균 입자 크기는 어닐링 단계에 의해 크게 영향을 받으며, 은 함유량에 의한 추가 영향이 있다.
추가 실험들은 15..28 ㎛의 범위의 직경들을 가진 와이어들에 대해, 3..6 ㎛의 범위에 있는 평균 입자 크기가 달성될 수 있으며 은 함유량의 전체 범위, 즉 45 ppm에서 900 ppm까지에 대해 선호된다는 것을 보여주고 있다.
이하의 표 8은 볼 본딩 성능에 대한 평가의 결과들을 도시한다. 순 구리 와이어의 비교 예뿐만 아니라 상기 정의된 본 발명의 와이어 샘플들(1..5)은 "테스트 방법들" 하에서 상기 설명된 바와 같이 볼 본딩에 대해 테스트되었다.
Figure 112015118351346-pct00010
프로세스 윈도우 면적들은 초음파 에너지 및 인가된 힘의 상부 및 하부 경계들 사이의 각각의 차이들의 곱으로서 정의된다.
본 발명의 와이어들의 모두가 산업용 애플리케이션에 매우 적합한 프로세스 윈도우들을 야기한다. 특히, 본 발명의 와이어들 샘플들(2, 3 및 4)은 120 mA*g 이상의 값들을 도시하며, 이것은 4N Cu 와이어에 비교하여 특정한 개선이다. 그러므로, 볼 본딩 프로세스 윈도우의 개선은 적어도 100..350 ppm의 Ag 함유량의 범위에 존재한다.
본 발명에 따른 와이어들의 유리한 속성들은 볼-본딩 프로세스 윈도우와 같은 단수형 파라미터에 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 다른 속성들은, 예를 들면, FAB 형태 및 재생력, FAB 경도, 본딩 전 와이어의 연성, 접합 후 접합 면적(볼 및 넥)에서의 와이어의 연성, 와이어의 전기 도전율, 스티치 당김 강도, 노화 거동 이상이다.
도 11은 비교 4N 구리 샘플과 와이어 샘플 3번(225 ppm 은 함유량)의 스티치 당김 값의 비교를 도시한다. 본 발명의 와이어는 개선된 스티치 당김 값을 도시한다. 측정들은 도 5에 따라 이루어졌다.
도 12는 본 발명의 예 1의 4N 구리 샘플("소프트 4N Cu"로 태깅된)과 와이어 샘플 3번의 경도 값(HV 15mN/10s)의 비교를 도시한다. 제 2 예의 본 발명의 와이어는, 측정의 에러 바들의 몇몇 중첩이 있지만, 제 1 예로부터의 와이어보다 훨씬 더 낮은 경도를 가진다.
도 13b는 와이어 샘플 3번의 열 노화 실험을 도시한다. 볼-본딩된 샘플의 볼 당김 값이 측정되었으며, 여기에서 샘플들은 1000시간들까지 동안 열 전시하에서 노화되었다. 결과들은 와이어의 매우 양호한 노화 거동을 도시한다.
도 14는 본 발명의 예 2의 샘플 3번 Ag-도핑된 와이어 및 20 ㎛ 4N-Cu-와이어의 측정된 평균 입자 크기들의 비교를 도시한다. 4N-Cu-와이어는 "예 1" 하에서 상기 설명된 바와 같이 본 발명에 따라 어닐링되었다. 4N-Cu-와이어는 "소프트4NCu"로 태깅된다. 측정의 에러 바들의 강한 중첩이 있지만, Ag-도핑된 와이어의 경우에 보다 큰 입자 크기들에 대한 경향이 추정될 수 있다.
20 ㎛ 직경 와이어에 대해 상기 설명된 예 2의 결과들을 참조하여, 본 발명의 와이어의 선호되며 최적화된 버전은 45..900 ppm의 범위에서의 은 함유량을 가진다. 이것은 또한 본딩 와이어들의 모든 추가 조사된 직경 범위들에 대해 참인 것으로 나타난다.
이러한 범위의 은 함유량에 기초하여, 다른 직경들을 가진 와이어들은 평균 입자 크기, 와이어 코어의 연성 및 볼-본딩 거동에 대하여 최적화되었다.
33 ㎛ 직경의 와이어에 대해, 650℃의 최적화된 어닐링 온도가 발견되어 왔다. 다른 파라미터들 및 와이어를 제조하는 방법은 예 1의 와이어에 비교하여 변경되지 않은 채로 있다.
추가 실험들은 28..38 ㎛의 범위에서의 직경들을 가진 와이어들에 대해, 4..10 ㎛의 범위에서의 평균 입자 크기가 달성될 수 있으며 은 함유량의 전체 변화 범위, 즉 45 ppm에서 900 ppm까지에 대해 선호된다는 것을 보여준다.
33 ㎛ 직경 및 225 ppm 은 함유량을 가진 와이어에 대해, 6 ㎛의 평균 입자 크기는 650℃에서의 어닐링에 의해 달성되었다.
50 ㎛ 직경의 와이어에 대해, 670℃의 최적화된 어닐링 온도가 발견되었다. 다른 파라미터들 및 와이어를 제조하는 방법은 예 1의 와이어에 비교하여 변경되지 않은 채로 있다.
추가 실험들은 38..50 ㎛의 범위에서의 직경들을 가진 와이어들에 대해, 8..15 ㎛의 범위에서의 평균 입자 크기가 달성될 수 있으며 은 함유량의 전체 변화 범위, 즉 45 ppm에서 900 ppm까지에 대해 선호된다는 것을 보여준다.
50 ㎛ 직경 및 225 ppm 은 함유량의 와이어에 대해, 15 ㎛의 평균 입자 크기는 670℃에서의 어닐링에 의해 달성되었다.
예 3
적어도 99.99% 순도("4N-구리")의 구리 재료의 양은 도가니에서 용융된다. 작은 양들의 팔라듐(Pd)이 용융물에 부가되며 구리 용융물에서의 부가된 구성요소의 균일한 분포가 제공된다. 그 후 와이어 코어 전구체는 2 mm 및 25 mm 직경 사이의 막대들로 용융물을 연속적으로 및 느리게 주조함으로써 생성된다.
와이어 코어 전구체는 그 후 현재 20 ㎛의 특정된 직경을 가진 와이어 코어(2)를 형성하기 위해 여러 개의 인발 단계들에서 인발된다. 인발은 실온에서 냉간 인발(cold drawing)로서 행해진다.
와이어 코어(2)의 단면 형태에 관하여, 참조가 상기 예들에 대한 언급들에 대해 이루어진다.
이러한 절차에 의해, 본 발명의 와이어의 여러 개의 상이한 샘플들이 제조되어 왔다. 제 1 변형에서, 구리에서의 팔라듐의 양은 0.89%로 조정되었다. 제 2, 가장 바람직한 변형에서, 팔라듐의 양은 1.25%로 조정되었다.
추가 원소들의 불순물들의 임계치들에 대하여, 참조는 본 발명의 상기 제 2 예에 대하여 이루어지며, 표 7을 참조하자. 제 3 예의 경우에 은 함유량은 바람직하게는 25 ppm 이하임이 주의된다. 게다가, 본 발명에 따른 팔라듐 포함 구리 와이어의 경우에, 훨씬 더 높은 양들의 은이 용인 가능하거나 또는 심지어 유리한 효과들을 가질 수 있다는 것이 판명되었다. 특히, 참조는 제 1 예의 상기 표 6에 대하여 이루어지며, 여기에서 Pd-함유 와이어들의 여러 개의 예들이 언급된다. 이러한 조합들은 본 발명의 제 3 예에 따른 와이어들의 선호된 추가 변형들로서 이해된다.
와이어들은 그 후 신장률, 경도, 결정 구조들 등과 같은 파라미터들을 추가로 조정하기 위해 최종 어닐링 단계에서 어닐링된다. 어닐링은 정의된 속도(도 15 참조)를 갖고 한정된 길이 및 온도의 어닐링 오븐(24)을 통해 와이어(1)를 구동시킴으로써, 스트랜드 어닐링으로서 동적으로 수행된다. 와이어는 제 1 릴(25)로부터 풀리며 풀리들(26)에 의해 가이딩된다. 오븐(24)을 떠난 후, 와이어는 패키징을 위해 제 2 릴 상에서 스풀링된다.
현재 예들에서, 이동 와이어의 주어진 조각이 가열된 오븐(24) 내에 남아있는 노출 시간인, 어닐링 시간은 약 0.3초이다. 20 ㎛ 직경, Pd-함유 와이어들의 경우에서의 어닐링 온도는800℃에서 선택된다. 오븐 구역 내에서, 일정한 온도가 조정된다.
도 16은 제 1 변형(1.25% 팔라듐-합금)의 20 ㎛ 구리 와이어의 대표적인 어닐링 곡선을 도시한다. 어닐링 시간은 이동 와이어의 속도를 조정함으로써 일정한 값으로 선택된다. 어닐링 온도는 x-축의 가변 파라미터이다. 그래프는 와이어의 절단 하중(BL) 및 신장률(EL)에 대한 측정된 값들을 도시한다. 신장률은 도 10의 디스플레이된 예에서 약 17.9%의 통상적인 로컬 최대 값을 보이며, 이것은 약 570℃의 어닐링 온도에서 달성된다.
이제 제 3 예의 본 발명의 와이어들은 최대 신장률의 이러한 온도에서가 아닌, 도 16에 따른 최대 신장률의 온도의 180℃ 위인, 약 750℃에서 어닐링된다. 이것은 17.9%의 최대 신장 값의 22% 이상 아래인, 약 14%의 신장 값을 야기한다.
이하의 표 9는 본 발명의 제 3 예의 20 ㎛ 와이어들에 대한 몇몇 측정된 값들을 도시한다:
Figure 112015118351346-pct00011
이미 상기 표 5에서 나열되는, 본 발명의 제 1 예의 비교 와이어("4NCu")가 부가된다는 것이 주의된다.
표 9로부터의 값들은 Pd-합금 와이어들이 예상된 대로, 순 구리 와이어들에 비교하여 약간 더 높은 저항률을 가진다는 것을 도시한다. 다른 한편으로, 개선된 부식 저항과 같은 유리한 효과들이 Pd-합금에 기인한다. 표는 본 발명에 따른 어닐링 절차가 행해진다면 순 구리 와이어들(4NCu)과 매우 유사한 기계적 속성들을 달성할 수 있다는 것을 추가로 도시한다. 표 9에서, 경도 측정은 표준 볼 형성 절차 후 자유 대기 볼(FAB) 상에서 및 와이어 코어(좌측 값) 상에서 행해지며 평균화된다. 1.25% Pd-합금 20 ㎛ 와이어의 추가 상세한 경도 측정들이 도 18의 다이어그램에서 보여질 수 있다. 이러한 다이어그램은 자유 대기 볼로부터 증가하는 거리를 가진 와이어 표면에 대한 다수의 측정들을 도시한다. 경도의 작은 감소는 FAB 영역의 부근에서 보여진다.
제 3 예의 와이어들의 추가 변형들이 이하의 표 10에 나열된다:
Figure 112015118351346-pct00012
와이어들의 신장 값들은 와이어 직경에 따라 증가하는 것이 명백하다. 그럼에도 불구하고, 각각의 최대 값 이하의 신장 값으로의 어닐링의 본 발명의 원리는 모든 상이한 예들 및 와이어 직경들 전체에 걸쳐 유지된다.
도 16 내지 도 21에서의 데이터는 각각 20 ㎛ 직경 와이어의 샘플들에 대해 측정되었다.
Pd-합금 및 어닐링된 와이어들의 평균 입자 크기들은 순 구리 와이어들의 입자 크기들과 유사하다는 것이 도 17로부터 도출될 수 있다.
도 19는 Pd-합금 와이어가 본 발명의 순 구리 와이어보다 약간 더 큰 볼-본딩 프로세스 윈도우를 가진다는 것을 도시하며, 상기 윈도우들은 다소 비교 가능하다.
도 20은 제 2 본드 프로세스 윈도우들의 경우에, 본 발명의 Pd-합금 샘플들이 힘 값뿐만 아니라 초음파 에너지 둘 모두에 대해, 상당히 더 큰 윈도우를 보인다는 것을 도시한다.
도 21은 2000시간들까지 동안 175℃의 온도에서 열 노화 거동을 도시한다. 와이어의 고온 저장 장치에서의 어떤 상당한 열 노화도 이 시간 스케일에서 가시적이지 않다.
일반적으로, 각각의 실시예들의 특정 특징들은 각각의 요구들에 따라 서로 조합될 수 있다. 추가 특징들, 예를 들면, 와이어 코어의 코팅은 적절하다면 특정 실시예들 중 임의의 것에 부가될 수 있다.
1: 와이어 2: 와이어 코어
24: 오븐 25: 릴
26: 풀리

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  19. 코어를 갖는 본딩 와이어를 제조하는 방법에 있어서,
    항복 강도가 50 MPa 이상 120 MPa 미만이고, 상기 코어의 성분으로 구리를 갖고, 상기 코어의 결정 입자의 평균 크기가 2.5 ㎛ 및 30 ㎛ 사이이고, 신장 값을 최대 신장 값의 92% 이하로 할 수 있는 본딩 와이어를 생성하기 위해,
    a. 구리를 성분으로 갖는 코어 전구체를 제공하는 단계;
    b. 상기 코어의 최종 직경에 도달할 때까지 상기 전구체를 인발하는(drawing) 단계;
    c. 상기 인발된 와이어를 상기 와이어의 최대 신장 값의 어닐링 온도보다 높은 600℃ 이상의 온도에서 0.1초 이상 1초 이하의 어닐링 시간 동안 최종 어닐링하는 단계를 포함하고,
    상기 신장 값을 최대 신장 값의 92% 이하로 하는 것은 어닐링 시간이 일정할 때 어닐링 온도 변수에 대해 가변적인 상기 신장 값에 있어서의 어닐링 곡선 그래프의 로컬 최대치이고,
    상기 코어는 0.5중량%와 3중량% 사이의 양의 팔라듐을 함유하고,
    상기 코어는 45 중량ppm 과 900 중량ppm 사이의 양의 은을 함유하고,
    상기 코어는 45 중량ppm 과 900 중량ppm 사이의 양의 은을 함유하고 0.5중량%와 3중량% 사이의 양의 팔라듐을 함유하는, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 온도는 상기 최대 신장 값이 어닐링에 의해 달성되는 온도보다 적어도 10℃ 높은, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
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  22. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 어닐링은 스트랜드 어닐링(strand annealing)인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  23. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어의 구리의 총량은 적어도 97%인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  24. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어는 적어도 3N-급 구리 순도의 순 구리로 구성되는, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  25. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어의 직경 및 상기 결정 입자의 평균 크기 사이의 비는 2.5와 5 사이인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  26. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 와이어는 8 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위의 직경을 갖는, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  27. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어의 표면은 외부 표면인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  28. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어의 표면 위에 코팅층이 중첩되는, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 코팅층의 질량은 상기 코어의 질량의 3% 이하인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 코팅층은 주 성분으로서 Pd, Au, Pt 및 Ag의 그룹 중 적어도 하나를 포함하는, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  31. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    접합 전에 상기 코어의 경도는 95.0 HV(0.010N/5s) 이하인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  32. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어의 붕소의 함유량은 100 ppm 미만인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
  33. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 코어의 직경은 15 ㎛ 내지 28 ㎛ 사이이고, 상기 결정 입자의 평균 크기는 2.5 ㎛ 내지 30 ㎛ 사이이거나,
    상기 코어의 직경은 28 ㎛ 내지 38 ㎛ 사이이고, 상기 결정 입자의 평균 크기는 3 ㎛ 내지 10 ㎛ 사이이거나,
    상기 코어의 직경은 38 ㎛ 내지 58 ㎛ 사이이고, 상기 결정 입자의 평균 크기는 7 ㎛ 내지 15 ㎛ 사이이거나, 또는
    상기 코어의 직경은 50 ㎛ 내지 80 ㎛ 사이이고, 상기 결정 입자의 평균 크기는 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 사이인, 본딩 와이어를 제조하는 방법.
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