KR102013214B1 - 반도체 장치용 본딩 와이어 - Google Patents

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요시아키 하기와라
데츠야 오야마다
다이조 오다
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닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
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Abstract

이상 루프의 발생을 저감할 수 있는 본딩 와이어를 제공한다. 금속 M을 50mol% 초과 포함하는 코어재와, 상기 코어재의 표면에 형성되고, Ni, Pd, 상기 금속 M 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Ni의 농도가 15 내지 80mol%인 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, Ni, Pd 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Pd의 농도가 50 내지 100mol%인 피복층을 구비하고, 상기 금속 M이 Cu 또는 Ag이고, 상기 피복층의 Ni 농도가 상기 중간층의 Ni 농도보다 낮은 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어 {BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICES}
본 발명은 반도체 소자 상의 전극과, 회로 배선 기판(리드 프레임, 기판, 테이프 등)의 배선을 접속하기 위해 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과, 외부 단자와의 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어)로서, 선 직경 20 내지 50㎛ 정도의 세선(본딩 와이어)이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어는 초음파 병용 열 압착 방식으로 접합하는 것이 일반적이다. 본 방식에서는 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어를 접속하기 위해서는, 우선, 아크 방전을 발생시켜 와이어 선단을 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 볼부를 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에, 이 볼부를 압착 접합(볼 접합)한다. 계속해서, 직접 와이어를 외부 리드측에 초음파 압착에 의해 접합(웨지 접합)한다.
최근, 반도체 실장의 구조ㆍ재료ㆍ접속 기술 등은 급속하게 다양화되고 있으며, 예를 들어 실장 구조에서는, 현행의 리드 프레임을 사용한 QFP(Quad Flat Packaging) 외에, 기판, 폴리이미드 테이프 등을 사용하는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Packaging) 등의 새로운 형태가 실용화되고, 루프성, 접합성, 양산 사용성 등을 보다 향상시킨 본딩 와이어가 요구되고 있다.
본딩 와이어의 소재는, 이제까지는 고순도 4N계(순도>99.99mass%)의 금이 주로 사용되고 있다. 그러나, 금은 고가이기 때문에, 재료비가 저렴한 기타 종류의 금속의 본딩 와이어가 소망되고 있다.
재료비가 저렴하고, 전기 전도성이 우수한 본딩 와이어로서, 특허문헌 1에는, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 형성된, 상기 코어재와 성분 및 조성 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 상이한 금속 M과 구리를 함유하는 외층을 갖는 본딩 와이어가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2010-212697호 공보
그러나 상기 특허문헌 1의 경우, 루프 형성시에 있어서, 코어재와 외층의 변형이나 변형 저항의 차이에 의해, 본딩 와이어가 변형되어 이상 루프가 발생한다고 하는 우려가 있었다.
따라서, 본 발명은 이상 루프의 발생을 저감할 수 있는 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 청구항 1에 관한 본딩 와이어는, 금속 M을 50mol% 초과 포함하는 코어재와, 상기 코어재의 표면에 형성되고, Ni, Pd, 상기 금속 M 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Ni의 농도가 15 내지 80mol%인 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되고, Ni, Pd 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Pd의 농도가 50 내지 100mol%인 피복층을 구비하고, 상기 금속 M이 Cu 또는 Ag이고, 상기 피복층의 Ni 농도가 상기 중간층의 Ni 농도보다 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 청구항 3에 관한 본딩 와이어는, 상기 피복층이 Au를 더 포함하고, 상기 피복층 상에 형성되고, Au와 Pd를 포함하는 합금을 포함하고, 상기 Au의 농도가 10 내지 70mol%, Au와 Pd의 합계 농도가 80mol% 이상인 표면층을 구비하고, 상기 피복층의 Au 농도는, 상기 표면층의 Au 농도보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 1에 따르면, 중간층이 코어재와 피복층의 변형 저항의 상위를 완화함으로써, 이상 루프로서 스네이크 루프의 발생을 저감할 수 있다.
본 발명의 청구항 3에 따르면, 표면층이 와이어 표면의 황화 및 산화를 억제하여 미끄럼 이동 저항을 저감함으로써, 이상 루프로서 스네이크 루프 외에, 새깅 루프의 발생을 저감할 수 있다.
도 1은 본딩 와이어의 이상 변형에 의한 불량 형태를 도시하는 모식도이며, A는 스네이크 루프 불량, B는 새깅 루프 불량을 도시하는 도면이다.
1. 실시 형태
(전체 구성)
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 따른 본딩 와이어는, 금속 M을 50mol% 초과 포함하는 코어재와, 코어재 상에 형성된 중간층과, 당해 중간층 상에 형성된 피복층을 구비한다. 금속 M은 Cu 또는 Ag이다.
중간층은 Ni, Pd, 상기 금속 M 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Ni의 농도가 15 내지 80mol%이다. 피복층은 Ni, Pd 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Pd의 농도가 50 내지 100mol%이다. 피복층의 Ni 농도는 상기 중간층의 Ni 농도보다 낮다. 또한, 본 명세서에 있어서 농도는, mol%이고, 코어재를 제외하고, 오제 전자 분광법(AES: Auger Electron Spectroscopy)에 기초하여 깊이 방향으로 측정했을 때의, 각 층에서의 최고 농도로 한다.
코어재를 구성하는 Cu 또는 Ag와, 피복층에 포함되는 Pd는, 강도로 2배 이상, 재결정 온도가 400℃ 이상 상이하다. 이에 반해, Ni는 강도 및 재결정 온도가, Cu 또는 Ag와 Pd의 중간 정도이다. 따라서, 본 실시 형태의 경우, 중간층은 Ni와 Pd 및 Cu 또는 Ag를 포함하는 합금이며, Ni의 농도가 15 내지 80mol%이고, 피복층에 비해 보다 많이 Ni가 포함됨으로써, 중간층의 강도 및 재결정 온도가, 코어재와 피복층의 중간 정도로 된다. 이에 의해 본딩 와이어는, 중간층이 코어재와 피복층의 변형 저항의 상위를 완화함으로써, 이상 루프의 발생을 저감할 수 있다.
이상 루프에 대하여 도 1의 A를 참조하여 설명한다. 도 1의 A에 도시하는 본딩 와이어(10)는, 볼 접합(12)과, 웨지 접합(14)에 의해 접합되어 있고, 이상 루프로서 스네이크 루프(16)가 발생하고 있다. 스네이크 루프(16)는, 웨지 접합(14)에 가까운 하강 영역에 있어서, 복수회에 걸쳐 본딩 와이어(10)에 굴곡이 발생한 형상을 갖는다. 스네이크 루프(16)는, 볼 접합(12)과 웨지 접합(14)의 고저차가 크고 스판이 긴 사다리꼴 루프에 있어서 발생 빈도가 높다. 예를 들어, 볼 접합(12)과 웨지 접합(14)의 고저차가 500㎛ 이상, 거리(스판)가 3mm 이상, 하강 영역의 길이가 800㎛인 경우에 발생 빈도가 높다.
중간층은, Ni의 농도가 15 내지 80mol%임으로써, 코어재와 피복층의 변형 저항의 상위를 보다 확실하게 완화할 수 있다. 중간층은, Ni의 농도가 80mol% 초과이면, 볼부 내에 기포가 발생한다.
기포가 발생한 볼부는, 전극 상에 접합되면, 와이어 중심으로부터 어긋나 볼부가 변형되는 편심 변형, 진원으로부터 어긋나는 형상 불량으로서 타원 변형, 꽃잎 변형 등이 발생하고, 전극면으로부터 접합부의 비어져 나옴, 접합 강도의 저하, 칩 손상, 생산 관리상의 지장 등의 문제를 일으키는 원인으로 된다. 이러한 초기 접합의 불량은, 후술하는 접합 신뢰성의 저하를 유발하는 경우도 있다.
중간층은, 두께가 8 내지 80nm인 것이 바람직하다. 본딩 와이어는, 중간층의 두께가 8 내지 80nm임으로써, 코어재와 피복층의 변형 저항의 상위를 보다 확실하게 완화할 수 있다. 중간층은, 두께가 80nm 초과이면, 본딩 와이어를 저온에서 접속한 경우에, 접합 계면에서의 확산 속도가 느려짐으로써, 웨지 접합의 강도가 저하된다.
본 실시 형태의 경우, 피복층과 중간층의 경계에 있어서, Ni의 농도가 15mol% 이상이어도, Pd의 농도가 50mol% 이상인 한, 본 명세서에서는 당해 영역을 피복층으로 한다.
피복층은, Pd의 농도가 50 내지 100mol%임으로써, 본딩 와이어 표면의 산화를 보다 억제할 수 있다. 이와 관련하여 본딩 와이어는, 표면이 산화됨으로써, 웨지 접합의 강도가 저하되거나, 수지 밀봉되었을 때의 와이어 표면의 부식 등이 발생하기 쉬워진다.
또한, 피복층은 금속 M을 포함해도 된다. 본딩 와이어는, 피복층이 금속 M을 포함함으로써, 볼부와 네크부의 경계 근방에서 문제로 되는 입술형의 손상을 저감하는 효과가 높여진다.
코어재는, 금속 M이 Cu인 경우, P, Ti, B, Ag로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유해도 된다. 이 경우, P, Ti, B, Ag로부터 선택되는 1종 이상의 원소는, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.0005 내지 0.02mass%의 범위임으로써, 압착 볼의 진원성을 향상시킬 수 있다. 이와 관련하여 최근의 최밀도 실장에서는, 협피치 접속이 요구된다. 그로 인해 볼 접합부의 변형 형상이 중요하며, 꽃잎상, 편심 등의 이형을 억제하고, 진원성을 향상시킬 필요가 있다.
또한, 코어재는, 금속 M이 Cu인 경우, Pd, Ni로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유해도 된다. 이 경우, Pd, Ni로부터 선택되는 1종 이상의 원소는, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.2 내지 2.0mass%의 범위임으로써, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 관련하여, 접합 신뢰성은, 자동차용 반도체 등과 같이 고온에서 사용되는 용도인 경우, 본딩 와이어와 전극의 접합부에 있어서 문제로 되는 경우가 많다. 접합 신뢰성은, 고온 가열 시험 등의 가속 시험에 의해, 상기 접합부의 강도의 저하나, 전기 저항의 상승 등을 평가한다.
코어재는, 금속 M이 Ag인 경우, Pd, Ni, Cu로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유해도 된다. 이 경우, Pd, Ni, Cu로부터 선택되는 1종 이상의 원소는, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.5 내지 5.0mass%의 범위임으로써, 상기 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 본딩 와이어는, 상기 피복층 상에, Au와 Pd를 포함하는 합금을 포함하는 표면층을 구비하는 것으로 해도 된다. 이 경우, 피복층은 Au를 더 포함한다. 또한 피복층은 소량의 Ni, Cu를 함유해도 된다.
표면층은, Au의 농도가 10 내지 70mol%, Au와 Pd의 합계 농도가 80mol% 이상이다. 피복층과의 경계에 있어서, Pd의 농도가 50mol% 이상이어도, Au의 농도가 10mol% 이상인 한, 본 명세서에서는 표면층으로 한다.
Au와 Pd를 포함하는 합금을 포함하는 표면층은, 와이어 표면의 황화 및 산화를 억제하여 미끄럼 이동 저항을 저감할 수 있다. 따라서, 본딩 와이어는, 표면층을 구비함으로써, 스네이크 루프 외에 도 1의 B에 도시하는 새깅 루프(18)의 발생을 저감할 수 있다. 새깅 루프(18)는, 스네이크 루프(16)와 마찬가지로, 볼 접합(12)과 웨지 접합(14)의 고저차가 크고 스판이 긴 사다리꼴 루프에 있어서 발생 빈도가 높다. 또한, 새깅 루프(18)는, 스네이크 루프(16)에 비해 완만하게 사행된 형상을 갖는다.
표면층은, Au의 농도가 10 내지 70mol%, Au와 Pd의 합계 농도가 80mol% 이상임으로써, 보다 확실하게 미끄럼 이동 저항을 저감할 수 있다. 표면층은, Au의 농도가 70mol% 초과이면, 볼부가 타원형으로 되는 불량이 발생한다. 이러한 타원형의 볼부는, 작은 전극에 볼 접합하는 고밀도 실장에는 부적합하게 된다.
표면층, 피복층 및 중간층의 총계 두께는, 25 내지 200nm인 것이 바람직하다. 상기 범위임으로써, 본딩 와이어는, 웨지 접합부의 말림인 필링 불량을 억제하고, 웨지 접합성을 향상시킬 수 있다. 표면층, 피복층 및 중간층의 총계 두께는, 40 내지 150nm이면, 웨지 접합성을 보다 확실하게 향상시킬 수 있으므로, 보다 바람직하다.
표면층의 두께는 3 내지 30nm인 것이 바람직하다. 상기 범위임으로써, 본딩 와이어는, 스네이크 루프 및 새깅 루프의 발생을 보다 확실하게 저감할 수 있다.
(제조 방법)
다음으로 본 실시 형태에 따른 본딩 와이어의 제조 방법을 설명한다. 본딩 와이어의 제조에 있어서는, 코어재의 표면에 중간층, 피복층, 경우에 따라 표면층을 형성하는 공정, 원하는 굵기로 하는 가공 공정, 열처리 공정이 필요하게 된다.
중간층, 피복층 및 표면층을 구리의 코어재의 표면에 형성하는 방법에는, 도금법, 증착법, 용융법 등이 있다. 도금법으로는 전해 도금법, 무전해 도금법의 어느 것으로도 제조 가능하다. 스트라이크 도금, 플래시 도금이라고 불리는 전해 도금법에서는, 도금 속도가 빠르고, 하지와의 밀착성도 양호하다. 무전해 도금법에 사용하는 용액은, 치환형과 환원형으로 분류되며, 막이 얇은 경우에는 치환형 도금만으로도 충분하지만, 두꺼운 막을 형성하는 경우에는 치환형 도금 후에 환원형 도금을 단계적으로 실시하는 것이 유효하다. 무전해 도금법은 장치 등이 간편하고, 용이하지만, 전해 도금법보다 시간을 요한다.
증착법에서는, 스퍼터링, 이온 플레이팅 및 진공 증착 등의 물리 흡착과, 플라즈마 CVD 등의 화학 흡착을 이용할 수 있다. 모두 건식이며, 막 형성 후의 세정이 불필요하고, 세정시의 표면 오염 등의 우려가 없다.
도금 또는 증착을 실시하는 단계에 대하여, 목적으로 하는 선 직경으로 원하는 막을 형성하는 방법과, 굵은 직경의 코어재에 막을 형성하고 나서, 목적으로 하는 선 직경까지 복수회 신선하는 방법의 어느 쪽도 유효하다. 전자의 최종 직경에서의 막 형성에서는, 제조, 품질 관리 등이 간편하고, 후자의 막 형성과 신선의 조합에서는, 막과 코어재의 밀착성을 향상시키는 데 유리하다. 각각의 형성법의 구체예로서, 목적으로 하는 선 직경의 동선에, 전해 도금 용액 중에 와이어를 연속적으로 소인하면서 막 형성하는 방법, 혹은 전해 또는 무전해의 도금욕 중에 굵은 동선을 침지하여 막을 형성한 후에, 와이어를 신선하여 최종 직경에 도달하는 방법 등이 가능하다.
중간층, 피복층, 표면층을 형성한 후의 가공 공정에서는, 롤 압연, 스웨이징, 다이스 신선 등을 목적에 따라 선택, 구분지어 사용한다. 가공 속도, 가압률 또는 다이스 감면률 등에 따라, 가공 조직, 전위, 결정립계의 결함 등을 제어하는 것은, 중간층, 피복층, 표면층의 구조, 밀착성 등에도 영향을 미친다.
열처리 공정에서는, 코어재와 중간층, 중간층과 피복층, 피복층과 표면층의 각각의 계면에서, 각 구성에 포함되는 금속 원소의 상호 확산을 조장한다. 목적에 따라, 열처리를 1회 또는 복수회 실시하는 것이 유효하다. 중간층, 피복층, 표면층의 구조에서 목적으로 하는 막 두께, 조성을 얻기 위해서는, % 오더의 농도, nm 오더의 막 두께 등을 엄격한 정밀도로 제어하는 제조 기술이 요구된다. 열처리 공정은, 막 형성 직후의 어닐링, 가공 도중에서의 어닐링, 최종 직경에서의 마무리 어닐링으로 분류되며, 이들을 선택, 구분지어 사용하는 것이 중요하게 된다.
단순히 와이어를 가열한 것만으로는, 본딩 와이어의 표면 및 내부에서의 각 금속 원소의 분포를 제어할 수 있는 것은 아니다. 통상의 와이어 제조에서 사용되는 최종 선 직경에서의 가공 변형 교정 어닐링을 그대로 적용해도, 코어재, 중간층, 피복층, 표면층의 밀착성 저하에 의해 루프 제어가 불안정하게 되거나, 와이어 길이 방향의 각 층의 균질성, 와이어 단면에서의 각 층의 분포를 컨트롤하는 것은 곤란하다. 따라서, 열처리의 타이밍, 온도, 속도, 시간 등의 제어가 중요하다.
가공과 열처리를 조합하여 확산의 진행도를 제어함으로써, 목적으로 하는 막 두께, 조성, 구조를 제어하는 것이 가능하게 된다. 열처리하기 전의 가공 이력은, 코어재와 중간층, 중간층과 피복층, 피복층과 표면층의 각각의 계면에서의 조직 등과 연관되기 때문에, 열처리에서의 확산 거동에도 영향을 미친다. 어느 가공 단계에서 열처리를 행하는가에 따라, 최종의 각 층의 조성, 두께 등이 변화한다.
열처리법으로서, 와이어를 연속적으로 소인하면서 열처리를 행하고, 나아가 일반적인 열처리인 로 내 온도를 일정하게 하는 것이 아니라, 로 내에서 온도 경사를 둠으로써, 본 실시 형태의 특징으로 하는 코어재, 중간층, 피복층, 표면층을 갖는 본딩 와이어를 용이하게 양산할 수 있다. 구체적인 사례에서는, 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방법, 온도를 로 내에서 변화시키는 방법 등이 있다. 본딩 와이어의 표면 산화를 억제하기 위해서는, N2나 Ar 등의 불활성 가스를 로 내에 흐르게 하면서 가열하는 것도 유효하다.
온도 경사의 방식에서는, 로 입구 근방에서의 정의 온도 경사(와이어의 소인 방향에 대하여 온도가 상승), 안정 온도 영역, 로 출구 근방에서의 부의 온도 경사(와이어의 소인 방향에 대하여 온도가 하강) 등, 복수의 영역에서 온도에 경사를 두는 것이 효과적이다. 이에 의해, 로 입구 근방에서 각 층과 코어재의 박리 등을 발생시키지 않고 밀착성을 향상시키고, 안정 온도 영역에서 각 금속 원소의 확산을 촉진하여 원하는 농도 구배를 형성하고, 또한 로 출구 근방에서 표면에서의 구리의 과잉 산화를 억제함으로써, 얻어진 본딩 와이어의 접합성, 루프 제어성 등을 개선할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 출입구에서의 온도 구배를 10℃/㎝ 이상 설정하는 것이 바람직하다.
온도를 변화시키는 방법에서는, 로 내를 복수의 영역으로 분할하여, 각 영역에서 상이한 온도 제어를 행함으로써 온도의 분포를 만드는 것도 유효하다. 예를 들어, 3군데 이상으로 로 내를 분할하여, 독립적으로 온도 제어를 행하여, 로의 양단을 중앙부보다 저온으로 함으로써, 온도 경사의 경우와 마찬가지의 개선 효과가 얻어진다. 또한, 본딩 와이어의 표면 산화를 억제하기 위해, 로의 출구측을 구리의 산화 속도가 느린 저온으로 함으로써, 웨지 접합부의 접합 강도의 상승이 얻어진다.
또한, 용융법에서는, 각 층 또는 코어재 중 어느 하나를 용융시켜 주입하는 방법이며, 1 내지 50mm 정도의 굵은 직경이고 각 층과 코어재를 접속한 후에 신선함으로써 생산성이 우수한 것, 도금법, 증착법에 비하여 각 층의 합금 성분 설계가 용이하고, 강도, 접합성 등의 특성 개선도 용이한 것 등의 이점이 있다. 구체적인 공정에서는, 미리 제작한 코어재의 주위에, 용융된 각 층을 구성하는 금속을 순서대로 주입하여 각 층을 형성하는 방법과, 미리 제작한 중간층, 피복층, 표면층을 포함하는 중공 원기둥을 사용하여, 그 중공부에 예를 들어 용융된 구리 또는 구리 합금을 주입함으로써 코어재를 형성하는 방법으로 나누어진다. 바람직하게는, 후자의 중공 원기둥의 내부에 구리의 코어재를 주입하는 쪽이, 중간층 및 피복층 중에 구리의 농도 구배 등을 용이하게 안정 형성할 수 있다. 또한, 용융법에서는, 중간층 및 피복층에 구리를 확산시키기 위한 열처리 작업을 생략하는 것도 가능하지만, 중간층 및 피복층 내의 구리의 분포를 조정하기 위해 열처리를 실시함으로써 한층 더한 특성 개선도 예상할 수 있다.
또한, 이러한 용융 금속을 이용하는 경우, 코어재와 각 층의 적어도 한쪽을 연속 주조로 제조하는 것도 가능하다. 이 연속 주조법에 의해, 상기 주입하는 방법과 비교하여, 공정이 간략화되고, 나아가 선 직경을 가늘게 하여 생산성을 향상시키는 것도 가능하게 된다.
또한, 금속 M을 포함하지 않는 피복층을 형성하는 제법으로서는, 피복층 내에서의 금속 M의 체확산, 입계 확산 등을 억제하기 위해, 열처리 온도가 낮은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 열처리를 2회 이상으로 나누어 행하고, 가공 도중에서의 굵은 선의 중간 열처리는 고온으로 하고, 최종 선 직경의 최종 열처리는 저온화함으로써, 금속 M을 포함하지 않는 피복층을 형성하는 것이 유효하다. 예를 들어, 2종의 열처리를 실시하는 선 직경의 차는 2배 이상, 온도차는 100℃ 이상인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어의 접속에 있어서, 볼부 형성시에 사용하는 실드 가스는, 표준적인 5vol% H2+N2 가스 외에, 순 N2 가스를 사용할 수도 있다. 아크 방전을 발생시켜 와이어 선단에 볼부를 형성할 때, 실드 가스를 분사함으로써, 아크 방전을 안정화하고, 용융된 볼부 표면의 산화를 억제할 수 있다.
2. 실시예
실시예에 대하여, 시료, 평가 내용, 평가 결과의 순으로 설명한다.
(시료)
본딩 와이어의 원재료로서, 코어재에 사용하는 Cu, Ag는 순도가 약 99.99mass% 이상인 고순도의 소재를 사용하고, 피복층의 Pd, 중간층의 Ni, 표면층의 Au에는 순도 99.9mass% 이상의 도금액을 준비하였다. 코어재를 용해하는 공정에서, 합금 원소를 적당량 첨가하였다.
직경이 약 1 내지 3mm인 굵은 직경의 와이어를 준비하고, 그 와이어 표면에 중간층, 피복층, 표면층 등을 전해 도금법에 의해 형성하였다. 전해 도금액은, 전자 부품이나 반도체용으로 시판되고 있는 도금액을 사용하였다.
코어재, 중간층, 피복층을 포함하는 본딩 와이어의 경우, Ni 도금 처리에 의한 중간층의 형성 후, Pd 도금 처리에 의한 피복층의 형성의 순서로 2단계 처리를 실시하였다. 또한, 코어재, 중간층, 피복층, 표면층을 포함하는 본딩 와이어의 경우, Ni 도금 처리에 의한 중간층의 형성, Pd 도금 처리에 의한 피복층의 형성, Au 도금 처리에 의한 표면층의 형성의 순서로 3단계 처리를 실시하였다. 밀착성을 향상시키기 위해, 필요에 따라, 마지막 도금 처리를 실시한 후에, 가열 처리를 실시하였다. 가열 조건은, 질소 분위기에서 150 내지 300℃의 저온에서 30분간의 배치 가열로 하였다. 또한, 필요에 따라, 중간층을 형성한 후에 가열 처리를 실시하였다. 그 가열 조건은 상기 범위로 하였다.
중간층, 피복층, 표면층 등을 형성한 후에, 신선에 의해 최종 선 직경의 18 내지 20㎛까지 가늘게 가공하였다. 신선 속도는 10 내지 100m/min의 범위로 하고, 신선 다이스는 개개의 감면율이 3 내지 15%인 다이스를 사용하였다.
최종 직경까지 신선한 후에, 가공 변형을 없애고 신장값을 5 내지 20%의 범위로 되도록 마무리 어닐링을 실시하였다. 필요에 따라, 선 직경 30 내지 100㎛까지 다이스 신선한 후에, 중간 어닐링을 실시하고, 또한 신선 가공을 실시하였다.
와이어의 마무리 어닐링 또는 중간 어닐링에서는, 와이어를 연속적으로 소인하면서 연속적으로 가열하는 연속 어닐링을 이용하였다. 온도는 300 내지 700℃의 범위로 설정하고, 와이어 소인 속도는 10 내지 100mm/min의 범위에서 조정하였다. 온도 분포와 함께, 와이어 소인 속도 등도 적정화하였다. 어닐링 분위기에는, 산화를 억제할 목적으로 질소 가스를 사용하였다. 가스 유량은 0.0002 내지 0.004㎥/min의 범위에서 조정하였다. 신선 가공 도중에서의 중간 어닐링, 최종 직경에서의 마무리 어닐링을 적절히 조합하였다. 중간 어닐링은 신선 가공의 도중인 선 직경 0.1 내지 1mm에서, 와이어를 어닐링하였다.
본딩 와이어의 접속에는, 시판 중인 자동 와이어 본더(K&S사제)를 사용하여, 볼/웨지 접합을 행하였다. 아크 방전에 의해 와이어 선단에 볼부를 제작하고, 당해 볼부를 실리콘 기판 상의 전극막에 접합하고, 와이어 타단부를 리드 단자 상에 웨지 접합하였다. 볼 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단에 5vol% H2+N2 가스를 분사하였다. 접합 온도는, 통상의 175℃와 저온의 150℃로 하였다. 접합 상대로서의 실리콘 기판 상의 전극은 알루미늄 전극(Al-0.5% Cu막)을 사용하고, 그 두께는 0.8㎛로 하였다. 한편, 웨지 접합의 상대는, 리드 프레임 상의 Au/Pd 전극을 사용하였다.
와이어 표면의 막 두께 측정에는 AES에 의한 깊이 분석을 사용하였다. Ar 이온으로 스퍼터링하면서 깊이 방향으로 측정하여, 깊이의 단위는 SiO2 환산으로 표시하였다. 본딩 와이어 중의 합금 원소의 농도는, AES 또는 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 분석을 이용하였다. 코어재에 함유되는 원소가 와이어 표면에 형성한 중간층, 피복층, 표면층의 원소와 중복되는 경우에는, 코어재에 함유되는 원소의 농도는, 코어재 단면에서의 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA: Electron Probe Micro Analyser), 에너지 분산형 X선 분석(EDX: Energy dispersive X-ray spectrometry), AES를 사용한 분석 방법에 의해 구한 농도의 평균값을 사용하였다. 이것에 해당하는 원소는 Pd, Ni, Au 원소이다. 한편, 코어재에 함유되는 원소가 Pd, Ni, Au 이외의 원소이고, 중간층, 피복층, 표면층의 원소와는 상이한 경우에는, 와이어 전체의 ICP 분석에 의해 측정한 농도를 이용하였다.
(평가 내용)
접합부의 고온 신뢰성에 대하여, 본딩 후에 수지 밀봉된 시료를, 처리 온도 185℃, 처리 시간 2000시간의 조건에서 가열 처리한 후에, 60개의 본딩 와이어의 전기 특성을 평가하였다. 전기 저항이 초기의 3배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 30% 이상인 경우에는 접합 불량이기 때문에 × 표시, 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 5% 이상 30% 미만의 범위인 경우에는 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용 가능하기 때문에 △ 표시, 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 5% 미만이고, 또한 1.5배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 10% 이상 30% 미만인 경우에는 실용상은 문제가 없기 때문에 ○ 표시, 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 10% 미만이면 양호하기 때문에 ◎ 표시로, 표 1, 2 중의 「고온 신뢰성」란에 표시하였다.
스네이크 루프 불량의 평가에 대하여, 미들 스판 고단차 및 롱 스판 고단차의 2종류의 루프에서 평가하였다. 미들 스판 고단차에서는, 와이어 길이는 3.5mm이고 하강 영역의 길이는 0.5mm, 웨지 접합부로부터 루프 최고 위치까지의 고저차가 0.7mm로 되도록 사다리꼴 루프를 접속하였다. 롱 스판 고단차에서는, 와이어 길이는 5mm이고 하강 영역의 길이는 0.7mm, 웨지 접합부로부터 루프 최고 위치까지의 고저차가 0.8mm로 되도록 사다리꼴 루프를 접속하였다. 선 직경은 20㎛이다. 상방으로부터 루프의 하강 영역을 광학 현미경으로 관찰하여, 1개의 루프의 하강 영역에서의 굴곡이 2회 이상이면 스네이크 루프 불량이라고 판정하여, 500개의 루프 접속에서의 발생 빈도를 평가하였다. 이 발생 빈도가 10% 초과인 경우에는 불량이라고 판정하여 × 표시로 표시하고, 5% 초과 10% 이하인 경우에는 양산성이 우려되므로 △ 표시, 2% 초과 5% 이하인 경우에는 비교적 양호하기 때문에 ○ 표시, 0 내지 2% 이하인 경우에는 루프 형상이 안정되어 있다고 판단하여 ◎ 표시로, 표 1, 2 중의 「스네이크 루프」란에 표시하였다.
새깅 루프 불량의 평가에 대하여, 와이어 길이는 5mm이고 하강 영역의 길이는 1.5mm, 웨지 접합부로부터 루프 최고 위치까지의 고저차가 0.7mm로 되도록 사다리꼴 루프를 접속하였다. 선 직경은 20㎛이다. 광학 현미경으로 상방으로부터 루프를 관찰하여, 0.2mm 이상의 장주기로 루프가 사행되어 있는 경우, 새깅 루프 불량이라고 판단하여, 400개의 루프 접속에서의 발생 빈도를 평가하였다. 이 발생 빈도가 10% 초과인 경우에는 불량이라고 판정하여 × 표시로 표시하고, 5% 초과 10% 이하인 경우에는 양산성이 우려되므로 △ 표시, 2% 초과 5% 이하인 경우에는 비교적 양호하기 때문에 ○ 표시, 0 내지 2% 이하인 경우에는 새깅 루프 불량이 문제가 되지 않는다고 판단하여 ◎ 표시로, 표 2 중의 「새깅 루프」란에 표시하였다.
웨지 접합성은, 리드 전극에 본딩 와이어를 접합했을 때의 말림 불량의 발생 빈도로 평가하였다. 본딩 와이어 제조 후의 보관은, 스풀 케이스에 넣은 상태에서 클린 룸 내의 대기 중에 30일간만 상온에서 보관하였다. 접합 조건에 있어서, 초음파 출력을 조금 줄이고, 또한 스테이지 온도를 160℃의 저온으로 하여, 웨지 접합의 불착을 유발하였다. 1000개의 본딩에 의해 불착 발생 빈도를 평가하였다. 말림 불량수가 10개 이상인 경우에는 개선이 필요하기 때문에 × 표시, 4 내지 9개인 경우에는 △ 표시, 1 내지 3개인 경우에는 거의 양호하기 때문에 ○ 표시, 불량이 제로인 경우에는 웨지 접합성이 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로, 표 1, 2 중의 「웨지 접합성」란에 표시하였다.
압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼부를 200개 관찰하여, 형상의 진원성, 이상 변형 불량, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 와이어 직경은 20㎛를 사용하고, 초기 볼 직경/와이어 직경의 비율을 약 2로 하여 엄격한 작은 볼 접합으로 평가하였다.
진원으로부터 어긋난 이방성이나 꽃잎상 등의 불량 볼 형상이 5개 이상이면 불량이라고 판정하여 × 표시, 진원으로부터 어긋난 불량 볼 형상이 2 내지 4개 있는 경우는 2개로 분류하여, 이상 변형이 1개 이상 발생했으면 양산에서의 개선이 바람직하기 때문에 △ 표시, 이상 변형이 발생하지 않았으면 사용 가능이라는 점에서 ○ 표시, 불량 볼 형상이 1개 이하이면 양호하기 때문에 ◎ 표시로, 표 1, 2 중의 「압착 볼 형상」란에 표시하였다.
(평가 결과)
실시예 1 내지 18의 본딩 와이어는, 코어재, 중간층, 피복층을 포함하고, 중간층의 Ni의 농도가 15 내지 80mol%임으로써, 스네이크 루프 불량을 저감할 수 있음이 확인되었다. 한편, 중간층을 포함하지 않는 비교예 1, 2, 5, 또는 중간층의 Ni의 농도가 상기 범위 밖인 비교예 3, 4, 6은, 스네이크 루프 불량이 고빈도로 발생하였다.
실시예 2 내지 5, 7 내지 18은, 중간층의 두께가 8 내지 80nm임으로써, 웨지 접합에서의 말림 불량을 저감할 수 있음이 확인되었다.
실시예 19 내지 35의 본딩 와이어는, 코어재, 중간층, 피복층, 표면층을 포함하고, 중간층의 Ni의 농도가 15 내지 80mol%이고, 또한 표면층의 Au의 농도가 10 내지 70mol%, Au와 Pd의 합계 농도가 80mol% 이상임으로써, 스네이크 루프 불량 및 새깅 루프 불량을 저감할 수 있음이 확인되었다. 한편, 중간층을 포함하지 않는 비교예 7, 9, 또는 중간층의 Ni의 농도가 상기 범위 밖인 비교예 8, 10은, 스네이크 루프 불량 및 새깅 루프 불량이 고빈도로 발생하였다. 또한, 표면층의 Au의 농도가 상기 범위 밖인 비교예 11은, 스네이크 루프 불량을 저감할 수 있기는 하지만, 새깅 루프 불량이 발생하였다.
실시예 19 내지 21, 24 내지 35의 본딩 와이어는, 표면층, 피복층 및 중간층의 총계 두께가 25 내지 200nm임으로써, 웨지 접합에서의 말림 불량을 저감할 수 있음이 확인되었다. 또한, 실시예 19 내지 21, 24 내지 29, 31 내지 35의 본딩 와이어는, 표면층, 피복층 및 중간층의 총계 두께가 40 내지 150nm임으로써, 웨지 접합에서의 말림 불량을 보다 확실하게 저감할 수 있음이 확인되었다.
실시예 19 내지 22, 25 내지 35의 본딩 와이어는, 표면층의 두께가 3 내지 30nm임으로써, 스네이크 루프 불량 및 새깅 루프 불량의 발생을 보다 확실하게 저감할 수 있음이 확인되었다.
실시예 3, 4, 6 내지 9, 20, 21, 23 내지 26의 본딩 와이어의 경우, 코어재는, 상기 금속 M이 Cu이고, P, Ti, B, Ag로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.0005 내지 0.02mass%의 범위임으로써, 압착 볼 형상이 양호함이 확인되었다.
실시예 10 내지 12, 27 내지 29의 본딩 와이어의 경우, 코어재는, 상기 금속 M이 Cu이고, Pd, Ni로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.2 내지 2.0mass%의 범위임으로써, 가열 처리 후의 신뢰성(고온 신뢰성)이 높음이 확인되었다.
실시예 15 내지 18, 32 내지 35의 본딩 와이어의 경우, 코어재는, 상기 금속 M이 Ag이고, Pd, Ni, Cu로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.5 내지 5.0mass%의 범위임으로써, 가열 처리 후의 신뢰성이 높음이 확인되었다.
Figure 112016067724906-pct00001
Figure 112016067724906-pct00002

Claims (9)

  1. 금속 M을 50mol% 초과 포함하는 코어재와,
    상기 코어재의 표면에 형성되고, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 상기 금속 M 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Ni의 농도가 15 내지 80mol%인 중간층과,
    상기 중간층 상에 형성되고, Ni, Pd, 금(Au) 및 불가피 불순물을 포함하고, 상기 Pd의 농도가 50 내지 100mol%인 피복층과,
    상기 피복층 상에 형성되고, Au와 Pd를 포함하는 합금을 포함하고, 상기 Au의 농도가 10 내지 70mol%, Au와 Pd의 합계 농도가 80mol% 이상인 표면층을 구비하고,
    상기 금속 M이 구리(Cu) 또는 은(Ag)이고,
    상기 피복층의 Ni 농도가 상기 중간층의 Ni 농도보다 낮으며,
    상기 피복층의 Au 농도는, 상기 표면층의 Au 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중간층의 두께가 8 내지 80nm인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면층, 상기 피복층 및 상기 중간층의 총계 두께가 25 내지 200nm인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면층의 두께가 3 내지 30nm인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 M이 Cu이고, 상기 코어재는, 인(P), 티타늄(Ti), 붕소(B), Ag로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 본딩 와이어 전체에 포함되는 상기 원소 농도가 총계로 0.0005 내지 0.02mass%의 범위인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 M이 Cu이고, 상기 코어재는, Pd, Ni로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 본딩 와이어 전체에 포함되는 상기 원소 농도가 총계로 0.2 내지 2.0mass%의 범위인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 M이 Ag이고, 상기 코어재는, Pd, Ni, Cu로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 본딩 와이어 전체에 포함되는 상기 원소 농도가 총계로 0.5 내지 5.0mass%의 범위인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층이 상기 코어재와 동일한 상기 금속 M을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  9. 삭제
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