KR102455208B1 - 본딩 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, Ag를 주성분으로 하는 본딩 와이어에 있어서, 광반사율이 높고 드로잉 가공성이나 FAB 형성성이나 내열성이 우수한 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. Au 및 Pd로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소의 함유량의 합계가 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하이고, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하이고, 잔부가 Ag로 이루어지는 것으로 한다.

Description

본딩 와이어
본 발명은, Ag(은)를 주성분으로 하는 본딩 와이어에 관한 것이다.
반도체 소자 상의 전극과 기판의 전극과의 결선에 이용되는 본딩 와이어는, 일반적으로 매우 얇기 때문에, 도전성이 양호하고 가공성이 우수한 금속 재료에 의해 제조되어 있다. 특히, 화학적인 안정성이나 대기 중에서의 취급 용이성 때문에, 종래부터 Au(금)를 주성분으로 하는 본딩 와이어가 널리 이용되고 있다. 그러나, 종래의 Au를 주성분으로 하는 본딩 와이어는 질량의 99% 이상이 Au여서 매우 고가이다. 그래서, Au에 비해 저렴한 Ag를 주성분으로 하는 본딩 와이어가 제안되어 있다(예컨대, 하기 특허문헌 1 및 2). Ag는 Au에 비해 광반사율이 높아, Ag를 주성분으로 하는 본딩 와이어를 LED 등의 발광 소자의 결선에 이용하면 발광 효율을 향상시킬 수 있다고 하는 이점도 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허 공개 제2012-151350호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허 공개 제2014-96403호 공보
상기 특허문헌 1 및 2의 본딩 와이어에서는, 방전 가열 등에 의해 본딩 와이어의 선단(先端)에 형성되는 프리 에어 볼(이하, FAB라고 약기함)의 형성성이나 드로잉 가공성이나 내열성을 양호하게 하기 위해, Au나 Pd(팔라듐)나 Ca(칼슘)나 희토류 원소 등의 원소가 첨가되어 있다.
그러나, 상기 특허문헌 1 및 2의 본딩 와이어는, Ag만으로 이루어진 본딩 와이어에 비해 광반사율이 낮아, 최근의 발광 효율의 향상에 대한 요구를 충분히 만족시키는 데에는 이르지 못한다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, Ag를 주성분으로 하는 본딩 와이어에 있어서, 광반사율의 저하를 억제하면서, 드로잉 가공성이나 FAB 형성성이나 내열성을 양호하게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 본딩 와이어는, Au 및 Pd로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소의 함유량의 합계가 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하이고, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하이며, 잔부가 Ag로 이루어지고, Au의 함유량이 Pd의 함유량보다 많으며, 와이어 직경이 20 ㎛인 와이어에 대하여 와이어 직경의 2.0배의 크기의 FAB를 질소 가스 분위기에서 제작했을 때에 생기는 HAZ 길이가 100 ㎛ 이하인 본딩 와이어이다.
본 발명에 따른 본딩 와이어는 Pd를 함유하지 않아도 좋다. 또한, 순은의 본딩 와이어에 의해 결선한 LED 소자의 광량에 대한, LED의 결선에 이용하여 제작한 LED 소자의 광량의 비율이 99.5% 이상이어도 좋다. 또한 본 발명에 따른 본딩 와이어의 Au의 함유량은 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하로 할 수 있다..
본 발명에 따른 본딩 와이어의 Ca의 함유량은 60 질량 ppm 이상 90 질량 ppm 이하로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, Ag를 주성분으로 하는 본딩 와이어에 있어서, 광반사율의 저하를 억제하면서, 드로잉 가공성이나 FAB 형성성이나 내열성을 양호하게 할 수 있다.
도 1은 HAZ(Heat Affect Zone)가 발생한 본딩 와이어의 표면 결정 조직의 현미경 사진이다.
도 2는 FAB를 제작한 와이어(W)를 확대하여 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 본딩 와이어에 대해서 설명한다.
본 실시형태의 본딩 와이어는, 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하의 Au(금) 및 Pd(팔라듐)로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소와, 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하의 Ca(칼슘)를 함유하고, 잔부가 Ag(은)로 이루어진 것이다. 본딩 와이어의 선 직경은 용도에 따라 다양한 크기로 하여도 좋다. 예컨대, 본딩 와이어의 선 직경은 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하로 할 수 있다.
구체적으로는, 본딩 와이어를 구성하는 Ag는, 정제 상 불가피하게 존재하는 불순물, 예컨대, Pd, Bi(비스무트), Cu(구리), Fe(철) 등을 함유하여도 좋다. 또한, 본딩 와이어의 고유저항은, 2N(순도 99%)의 Au로 제조된 본딩 와이어의 고유저항(3.0 μΩ·㎝) 이하인 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 순도 99.9 질량% 이상의 Ag를 이용하여 본딩 와이어를 구성하는 Ag 합금을 제작하는 것이 바람직하다.
Au 및 Pd를 함유함으로써, FAB 형성성 및 드로잉 가공성을 향상시킬 수 있다. 통상, 고순도의 Ag로 이루어진 본딩 와이어를 이용하여 FAB를 제작하면, 진구도(眞求度)가 높은 FAB를 안정적으로 얻기 어렵다. 또한, 고순도의 Ag는 막대 형상 잉곳을 와이어로 드로잉 가공할 때에 단선되기 쉽다. 그러나, Au 및 Pd의 함유량의 합계(Au 또는 Pd를 단독으로 첨가하는 경우는 Au 또는 Pd의 양, Au와 Pd를 복합하여 첨가하는 경우는 Au와 Pd의 합계량)이 0.5 질량% 이상이면, FAB 형성성이 향상되어 진구도가 높은 FAB를 형성할 수 있고, 드로잉 가공시에 단선이 쉽게 일어나지 않게 된다.
한편, Au 및 Pd의 함유량의 합계가 1.0 질량%를 초과하면, 고가의 귀금속의 사용량이 많아지는 것에 덧붙여 본딩 와이어의 광반사율이 저하된다. Au 및 Pd의 함유량의 합계가, 1.0 질량% 이하이면 귀금속의 함유량이 낮아 본딩 와이어의 제조 비용을 억제할 수 있고, 광반사율의 저하를 억제할 수 있다.
따라서, Au 및 Pd의 함유량의 합계는 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하로 할 수 있지만, Au는 소량의 첨가로 진구도가 높은 FAB를 형성할 수 있는 것, 및 FAB가 본딩 와이어에 대하여 편심하기 어렵기 때문에 Au를 Pd보다 많이 첨가하는 것이 바람직하다. Au의 함유량이 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Ca는 와이어의 내열성을 향상시킬 수 있다. 본딩 와이어는, FAB 형성시의 열에 의해 FAB 가장 가까운 와이어 부분에 HAZ라고 불리는 결정립이 큰 영역(R)이 발생한다(도 1 참조). 고순도의 Ag로 이루어진 본딩 와이어는, 내열성이 낮아 열의 영향을 받기 쉽기 때문에, HAZ가 길어진다. 그 때문에, 고순도의 Ag로 이루어진 본딩 와이어는, 전극 사이를 결선했을 때에 생기는 루프가 커진다. 루프가 커지면, 와이어의 곡선이 생기기 쉽게 되어, 루프 형상 이상(異常)이 되기 쉽다. 그러나, 미량이라도 Ca를 함유함으로써, 내열성이 향상되어 FAB 형성시에 HAZ가 쉽게 발생하지 않게 되어 결선시의 루프를 양호한 형상으로 할 수 있다.
Ag를 주성분으로 하는 본딩 와이어에 있어서, Au 및 Pd의 함유량의 합계가 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하인 경우, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하인 것이 바람직하고, 60 질량 ppm 이상 90 질량 ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상이면, 내열성이 향상되어 FAB 형성시에 발생하는 HAZ의 길이가 짧아, 와이어가 구부러지는 루프 형상의 이상이 쉽게 발생하지 않게 된다. Ca의 함유량이 60 질량 ppm 이상이면, HAZ의 길이를 한층 더 짧게 할 수 있다. 또한, Ca의 함유량이 100 질량 ppm 미만이면, 진구도가 높은 FAB를 안정적으로 얻을 수 있다. Ca의 함유량이 90 질량 ppm 이하이면, 전극에 형성한 스터드 범프 상에서 스티치 본드를 할 때에 확실하게 접속할 수 있다.
다음에, 이러한 구성의 본딩 와이어의 제조 방법의 일례를 설명한다.
우선, 순도 99.9 질량% 이상의 Ag에, Au 및 Pd의 합계량이 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하가 되도록 Au 및 Pd 중 적어도 한쪽의 원소를 첨가하고, Ca를 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하 더 첨가한 Ag 합금을 주조한 후, 연속 주조법으로 미리 정해진 직경의 막대 형상 잉곳을 제작한다.
계속해서, 막대 형상 잉곳을 드로잉 가공하여 미리 정해진 직경에 도달할 때까지 직경을 축소시켜 본딩 와이어로 한다. 또한, 필요에 따라 드로잉 가공 도중에서 연화 열처리를 행하여도 좋다.
그리고, 미리 정해진 직경까지 드로잉 가공을 행한 후, 열처리로 안을 주행시켜 조질(調質) 열처리를 행한다.
본 실시형태의 본딩 와이어는, Au 및 Pd의 함유량의 합계가 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하이고, 잔부가 Ag로 이루어지기 때문에, 드로잉 가공성이나 FAB 형성성이나 내열성에 대해서 필요한 성능을 확보하면서, Ag 이외의 원소의 첨가량을 억제할 수 있어, 광반사율의 저하를 억제할 수 있다.
상기한 실시형태에서는, Au 및 Pd로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소의 함유량의 합계가 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하이며, 잔부가 Ag 및 Ag의 불가피 불순물로 이루어진 본딩 와이어에 대해서 설명하였지만, Ca 이외에 Ge, Cu, Bi, Y, La, 및 Sm으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 100 질량 ppm 이하, 바람직하게는 50 질량 ppm 함유하여도 좋다. Ge, Cu, Bi, Y, La, 및 Sm으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 100 질량 ppm 이하 함유함으로써도, 광반사율이나 FAB 형성성이나 드로잉 가공성을 악화시키지 않고 본딩 와이어의 내열성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명하였지만, 이들 실시형태는 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다. 이들 실시형태는, 그 밖의 여러 가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등 범위에 포함되는 것이다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지는 않는다.
순도 99.9 질량% 이상의 Ag 원료를 이용하여, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성의 Ag 합금을 용해하고, 연속 주조법으로 막대 형상 잉곳을 제작하였다. 제작한 막대 형상 잉곳에 대하여 드로잉 가공을 행하여 직경 20 ㎛에 도달할 때까지 직경을 축소하고, 그 후, 조질 열처리를 행하여, 실시예 1∼12 및 비교예 1∼8의 본딩 와이어를 얻었다.
얻어진 실시예 1∼12 및 비교예 1∼8의 본딩 와이어에 대해, (1) 광반사율의 측정, (2) 드로잉 가공시의 단선 횟수, (3) FAB 형성성, (4) FAB 형성시의 열에 의해 FAB 가장 가까운 와이어 부분에 생긴 HAZ의 길이, 및 (5) 편심 발생률의 평가를 행하였다. 구체적인 평가 방법은 이하와 같다.
(1) 광반사율
동종의 LED에 실시예 1∼12, 비교예 1∼8 및 순은 본딩 와이어를 결선하고, 수지 밀봉을 하여 각 실시예, 비교예 및 순은 본딩 와이어에 의해 결선한 LED 소자를 제작하였다. 제작한 소자를 JIS C8152에 규정한 방법에 의해 전체 광속 측정을 행하였다. 측정 결과는, 순은의 와이어로 결선한 LED의 광량을 100%로 했을 때의 각 실시예, 비교예의 광량을 지수로 환산하여 나타내었다.
(2) 드로잉 가공시의 단선 횟수(드로잉 가공성)
실시예 1∼12 및 비교예 1∼8의 본딩 와이어에 대해서, 1 ㎏의 와이어를 직경 50 ㎛에서 직경 20 ㎛까지 드로잉했을 때에 발생한 단선 횟수를 카운트하였다.
(3) FAB 형성성
실시예 1∼12 및 비교예 1∼8의 본딩 와이어에 대하여, 와이어 본더(K&S사 제조, IConn)로 와이어 직경의 2.0배 크기의 FAB를 질소 가스 분위기로 제작하였다. FAB 형성성의 평가로는, 실시예 1∼12 및 비교예 1∼8의 본딩 와이어마다 FAB를 500개씩 제작한 후, 범용형 전자현미경(니혼덴시(주) 제조, JSM-6510LA)으로 외관 관찰을 행하여, 제작한 FAB의 와이어 평행 방향과 수직 방향의 길이를 각각 측정하였다. FAB의 와이어 평행 방향의 길이(X)와 수직 방향의 길이(Y)의 비(X/Y)를 진구성(眞球性)의 지표로 하여, 95%∼100%라면 「진구성 있음」으로 판단하고, 진구성 있음으로 판단한 FAB의 개수를 카운트하였다. 결과는, 제작한 500개의 FAB에 대한 진구성 있음으로 판단한 FAB의 개수의 비율을 나타낸다.
(4) HAZ 길이
상기 (3)에 있어서 FAB를 제작한 와이어를 상기 범용형 전자현미경으로 외관 관찰을 행하여, FAB 가장 가까운 와이어 부분에 발생한 HAZ의 길이를 측정하고, 그 평균치를 산출하였다.
(5) 편심 발생률
상기 (3)에 있어서 FAB1을 제작한 와이어(W)를 상기 범용형 전자현미경으로 외관 관찰을 행하여, FAB1의 무게 중심 위치(C)에서 와이어(W)의 중심축(L)까지의 와이어 수직 방향(와이어의 폭 방향)(P)을 따른 거리(D)를 계측하였다(도 2 참조). 계측한 거리(D)가 와이어 직경 φw의 0.1배 이상 떨어져 있었던 와이어(W)를 편심이 있다고 판단하였다. 편심 발생률은, 제작한 500개의 FAB1에 대한 편심이 발생한 개수의 비율을 나타낸다.
[표 1]
Figure 112018071446207-pct00001
결과는, 표 1에 나타낸 바와 같고, 실시예 1∼12에서는, 광반사율이 99.5% 이상, 드로잉 가공시의 단선 횟수가 5회 이하, FAB 형성성이 100%, HAZ 길이가 100 ㎛ 이하가 되어, 어느 평가 항목이나 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, Au의 함유량이 0.5 질량% 이상인 실시예 1, 3∼6, 8, 9에서는, 편심 발생률이 10%보다 작아져서 제작한 FAB가 편심하기 어려웠다.
한편, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 미만인 비교예 1 및 2에서는, HAZ의 길이가 100 ㎛보다 길어 내열성에 문제가 있었다.
Au 및 Pd의 합계량이 0.5 질량% 미만인 비교예 3, 4 및 5에서는, 단선 횟수가 5회를 초과하여 드로잉 가공성이 나쁘고, FAB 형성성도 낮았다.
Au 및 Pd의 합계량이 1.0 질량%를 초과하는 비교예 6 및 7에서는, 광반사율이 99.5% 미만으로 되어, 광반사율이 대폭 저하되었다.
Ca의 함유량이 100 질량 ppm을 초과하는 비교예 8에서는 FAB 형성성이 낮았다.

Claims (5)

  1. Au 및 Pd로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소의 함유량의 합계가 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하이고, Ca의 함유량이 50 질량 ppm 이상 100 질량 ppm 이하이며, 잔부가 Ag로 이루어지고,
    Au의 함유량이 Pd의 함유량보다 많으며,
    와이어 직경이 20 ㎛인 와이어에 대하여 와이어 직경의 2.0배의 크기의 FAB를 질소 가스 분위기에서 제작했을 때에 생기는 HAZ 길이가 100 ㎛ 이하인 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, Pd를 함유하지 않는 본딩 와이어..
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 순은의 본딩 와이어에 의해 결선한 LED 소자의 광량에 대한, LED의 결선에 이용하여 제작한 LED 소자의 광량의 비율이 99.5% 이상인 본딩 와이어.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, Au의 함유량이 0.5 질량% 이상 1.0 질량% 이하인 본딩 와이어.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, Ca의 함유량이 60 질량 ppm 이상 90 질량 ppm 이하인 본딩 와이어.
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