KR20040073667A - 반도체 소자용 본딩 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자용 본딩 와이어에 관한 것으로서, 그 목적은 기존의 금합금 세선 보다 제조단가가 낮고, 기계적 특성이 우수하며, 루프 높이를 낮게 제어하여 울트라 로우 루프(ultra low loop)용 세선을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 반도체 소자용 본딩 와이어로서, 순도 99.999% 이상의 고순도 구리(Cu)에, Al을 0.001-0.005 중량%, Ag을 0.001-0.005 중량%, Ca을 0.001-0.005 중량% B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 중 적어도 1종 이상을 0.0005-0.008 중량% 첨가된 것을 모재부로 하고, 모재부 표면에 Pd, Pd-Ni계 합금, Au, Ag, 및 Au-Ag계 합금 중 1종의 금속을 전체 와이어 중량에 대해 최소 0.02 중량% 내지 최대 37 중량%로 피복시킨 와이어를 사용한다.

Description

반도체 소자용 본딩 와이어 {Bonding wire for semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자용 본딩 와이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자 상의 전극과 외부리드부를 전기적으로 연결하기 위해 사용되는 반도체 소자의 본딩 와이어에 관한 것이다.
일반적으로 본딩 와이어는 내열성 및 기계적 성질이 우수한 금 합금 세선을 사용하고 있다. 금합금 세선의 원가의 대부분은 금의 가격이 차지하므로, 금합금 세선의 원가를 줄이기 위해서는 적은 양의 금을 사용하여 금합금 세선의 지름이 줄이는 한편, 지름이 큰 경우와 비교하였을 때 동일한 성능을 가지도록 제조하여야 한다.
그러나, 금합금 세선의 지름이 작아지면 파괴 하중(fracture load), 직진성 (apparent stiffness), 전기적 전도성(electric conductivity) 등의 특성이 저하된다. 이들 특성 중에서 패키징 시 특히 문제가 되는 것은 파괴하중과 직진성이며, 파괴하중과 직진성의 저하로 인해 금합금 세선의 지름을 줄이는 데 한계가 있는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 주로 볼접합부의 직상부에서 일어나는 재결정에 의한 결정립의 조대화를 막아서 루프높이를 낮게 제어하고, 장루프와이어의 문제점인 수지봉지시의 와이어 플로(flow)를 막기 위해 여러 종류의 원소를 첨가하여 금합금 세선의 고온강도 및 영율을 향상시켜 왔다.
이러한 종래기술은 일반적인 소형화, 다핀화된 반도체 소자의 본딩조건에 맞는 충분한 저루프성과 스위프(sweep) 저항성을 갖고 있기는 하지만, 극도로 소형화된 패드 사이즈, 즉 80㎛ 이하의 패드 사이즈에 적합한 균일하고 작은 압착볼(bonded ball)의 생성에는 문제점을 나타내어 압착볼의 크기가 불균일하고 종종 패드를 이탈하는(off-pad) 불량을 유발하는 문제점이 있었다.
또한 패드 사이즈 소형화에 따른 볼 사이즈의 감소로 인해 접합신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 근래에는 원가 경쟁력 측면에서 제조단가가 매우 높은 금을 대체할 수 있는 새로운 재료의 본딩 와이어를 개발하는 것이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 지름이 작으면서도 파괴하중 및 직직성 등의 특성이 우수하고, 동시에 접합신뢰성이 우수하며, 고온에서의 기계적 특성이 우수하고, 루프 높이를 낮게 제어하여 울트라 로우 루프(ultra low loop) 용으로 사용이 가능하며, 고속 본딩시 쇼트의 발생을 확실히 방지함은 물론 초 극세선의 가공이 용이한 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
또한, 제조단가를 현저히 낮출 수 있도록 금을 대체하는 새로운 재료로 이루어진 반도체 소자용 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 반도체 소자용 본딩 와이어로서, 순도 99.999% 이상의 고순도 구리(Cu)에, Al을 0.001-0.005 중량%, Ag을 0.001-0.005 중량%, Ca을 0.001-0.005 중량% B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 중 적어도 1종 이상을 0.0005-0.008 중량% 첨가된 것을 모재부로 하고, 모재부 표면에 Pd, Pd-Ni계 합금, Au, Ag, 및 Au-Ag계 합금 중 1종의 금속을 전체에 대해 최소 0.02 중량% 내지 최대 37 중량%로 피복시킨 와이어를 사용한다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자용 본딩 와이어에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 반도체 소자용 본딩 와이어는 크게 모재부와 피복부로 구성되며, 이 때 피복부는 모재부의 외면을 감싸도록 형성된다.
먼저, 모재부는 필요한 직경을 갖는 순도 99.999%인 고순도 구리(Cu)로 형성되며, 전체 본딩 와이어에 대하여 37-99.98 중량%를 차지한다.
다음으로, 피복부는 모재부의 표면을 피복시키는 관상으로서, 파라듐(Pd), 파라듐(Pd)-니켈(Ni)계 합금, 금(Au), 은(Ag), 및 금(Au)-은(Ag)계 합금 중에서 1종 이상의 금속을 전체 본딩 와이어에 대하여 최소 0.02 내지 최대 37 중량%로 피복시킨다.
이 때, 피복부가 모재부의 표면을 충분히 감싸게 하는 최소 중량비가 0.02 중량%이며, 피복재의 중량비가 37 중량%를 초과하여 피복시키면 제조 시 강도가 높아져서 인발 시 박리현상이 일어나게 되거나, 볼본딩 시 실리콘 칩 패드에 과도한 충격으로 인해 패드가 깨져버리게 된다.
따라서 본 발명에 따른 본딩 와이어에서 모재부 표면에 피복부가 전체 와이어 중량에 대해 0.02-37 중량%이 되도록 피복시키는 것이 바람직하다.
또한, 피복재로서 Pd, Pd-Ni계 합금, Au, Ag, Au-Ag계 합금 중에서 어떤 금속을 사용하는가에 따라서 피복온도, 전류, 시간 등의 피복조건을 달리하여 조절할 수 있으므로, 어느 특정된 조건에 국한하지 않으며, 출발 소재의 직경 및 필요로 하는 생산제품의 직경에 따라 신선 시 압축율을 적절히 조절하여 실시할 수 있으므로 특정된 어느 하나의 압축율에도 국한하지 않는다.
본 발명에 따른 본딩 와이어는 고순도 Cu의 표면에 상술한 바와 같은 피복재를 피복시킨 구조를 갖고 있기 때문에 순수한 Cu로만 본딩 와이어를 제조하여 본딩하였을 때, Cu가 Au보다 경도 및 강도가 높아 실리콘 칩의 패드에 과도한 충격을 주어 칩 패드에 균열(crack)이 발생될 뿐만 아니라 Cu의 특성상 수지봉지 후에 Cu가 쉽게 산화되어 신뢰성이 떨어지는 결점을 보완할 수 있는 것이다.
또한, Cu는 Au보다 인장강도가 높기 때문에 종래의 Au 와이어보다 높은 인장강도를 얻을 수 있어 초극세선으로 가공하기가 매우 용이할 뿐만 아니라 본딩 시 본딩 와이어의 끝단에 볼을 형성하였을 때 피복부가 모재부인 Cu의 표면을 완전히 감싸게 되므로 종래의 Au와 비슷한 경도를 갖게 되어 과도한 충격이 발생되지 않아 칩 패드가 깨지지 않고 본딩이 실시될 수 있으며, Cu가 피복부에 의해 완전히 감싸여져 외부로 노출되지 않는 상태이므로 Cu가 산화되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 본딩 와이어와 캐필러리를 이용하여 반도체 소자 상의 전극과 외부리드부를 접합하는 와이어 본딩을 수행하기 위해서는 먼저, 전기토치방전(electric flame off : EFO)에 의해 캐필러리의 외부로 노출된 본딩 와이어의 말단부를 순간적으로 용융시켜 볼을 형성한다.
이 때, 캐필러리는 본딩 와이어를 지지하면서 본딩 와이어의 말단부에서 볼을 형성시킨 후, 누름 압력에 의해 압착하여 칩 패드와 리드프레임의 리드를 서로 연결한 다음 와이어를 절단하는 역할을 한다.
이러한 와이어 본딩 공정에서 요구되는 와이어의 특성은 첫째, 전기토치방전에 의해 형성되는 볼의 크기가 작고 균일하며 진구성일 것, 둘째, 반도체 소자 상의 패드와 접합강도가 높을 것, 셋째, 수지봉지시 수지의 유동에 의한 와이어 플로가 일어나지 않도록 스위프 저항성이 우수할 것 등이다.
상술한 요구 특성을 충족시키기 위해 본 발명에서는 고순도 Cu에 미량의 Al, Ag, Ca을 첨가하고, B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba중 적어도 1종 이상을 첨가하여 모재부를 제조함으로써, 고온 강도 및 볼 네크(neck)부에서의 강도를 향상시킨다.
즉, 본 발명에 따른 본딩 와이어의 모재부는 Cu에 Al를 0.001-0.005 중량%, Ag를 0.001-0.005 중량%, Ca를 0.001-0.005 중량% 포함하고, B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 중 적어도 1종 이상의 원소를 0.0005-0.008 중량% 포함하는 조성이다.
이러한 조성에서 모재부에 포함된 첨가원소간의 상호 보완작용으로, 볼본딩 시 소형화된 패드에 맞도록 소구경의 볼을 만들기 위해 적은 양의 전기토치방전 에너지를 가해도 일정 크기의 균일한 볼을 형성하며, 이렇게 형성된 볼이 캐필러리의 누름압력에 의해 압착볼로 만들어질 때에도 적정한 강도를 갖고 있기 때문에, 과도한 압착에 의해 발생하는 패드이탈(off-pad) 현상이 일어나지 않는다.
또한 볼본딩 후에도 접합신뢰성이 뛰어나며, 고온강도와 영율이 높기 때문에 본딩 후 수지봉지 시 와이어 플로가 방지되는 것이다.
본 발명에서는 원재료로서 순도가 99.999% 이상의 전해정련동을 사용하며, 특히 정련동 중에 Ag, Fe 등의 불순물 총함량이 10 ppm을 초과하지 않도록 하여야 한다. 이는 원재료인 동의 순도가 99.999% 미만이 되면 첨가원소의 첨가량이 제한되고 불순물의 영향을 받아서 첨가원소의 제반 특성을 살릴 수 없기 때문이다.
상기한 정련동에 첨가하는 각 원소의 기능과 작용은 다음과 같다.
Cu에 Al를 첨가하면 첨가원소가 없는 순수한 동보다 상온에서의 인장강도가 뛰어나고, 반도체 조립공정에서 발생되는 각종 열싸이클에 견디는 고온 인성(toughness)도 뛰어나다. 뿐만 아니라 내산화성이 우수하여 볼본딩 시 접합신뢰성을 높이는 효과가 있다.
Al의 첨가량이 0.001 중량% 미만이면 이러한 효과를 기대하기 어렵고 본딩 시 재결정의 조대화로 네크파단이 용이하며, 첨가량이 0.005 중량%을 초과할 경우에는 강도와 영율이 너무 높기 때문에 루프를 만들기 위해 작동하는 캐필러리의 리버스(reverse) 및 킹크(kink) 동작이 이루어질 때 볼 네크 부근이 비틀어지는 문제점이 발생한다. 따라서 Al의 첨가량은 0.001-0.005 중량%인 것이 바람직하다.
한편, Ag은 Cu와 같은 결정 구조를 가지고 있으며, Cu와 특성상에서 매우 유사한 경향성을 보인다. Ag을 첨가하면 상온 및 고온강도가 향상되고, 특히 전단강도가 향상되며, 재결정 조직의 미세화효과가 크다. 따라서 스위프 저항성을 높이고와이어플로와 경시변화(aging change)를 억제한다.
Ag의 첨가량이 0.001 중량 % 미만이면 이러한 효과를 기대하기 어렵고 본딩 시 재결정에 의한 결정립의 조대화로 네크파단이 용이하며, 0.005 중량%를 초과할 경우에는 볼 형상의 왜곡으로 접합강도가 낮아진다. 따라서 Ag의 첨가량은 0.001- 0.005 중량%인 것이 바람직하다.
Ca은 상온 및 고온강도를 향상시키고 결정립의 조대화를 방지하여 스위프 저항성을 높이고 와이어 플로와 경시변화를 억제한다. Ca의 첨가량이 0.001 중량% 미만이면 이러한 효과를 기대하기 어렵고 본딩 시 재결정에 의한 결정립의 조대화로 네크파단이 용이하며, 첨가량이 0.005 중량%를 초과하면 볼 표면에 산화물 피막이 형성되고 볼 형상의 왜곡으로 접합강도가 낮아진다. 따라서 Ca의 첨가량은 0.001- 0.005 중량%인 것이 바람직하다.
B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 중 적어도 1종 이상의 원소는 고용강화 효과가 크고 고온 기계적 성질을 향상시키며, 장루프의 경우 수지봉지 시 스위프저항성을 향상시킨다. B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 중 적어도 1종 이상의 총 첨가량이 0.0005 중량% 미만이면 요구하는 특성을 얻을 수 없으며, 총 첨가량이 0.008 중량%를 초과할 경우에는 강도와 영율이 너무 높기 때문에 볼을 패드에 압착하여 접합할 때 패드 하부의 실리콘 칩이 깨어지는 패드 크래터링(pad cratering)현상을 초래한다. 따라서, B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 중 적어도 1종 이상의 총 첨가량은 0.0005-0.008 중량%인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1 내지 10
본 발명의 실시예 1 내지 실시예 10에서는 Cu의 순도가 99.999% 이상인 정련동을 사용하고, 첨가원소로서 Al, Ag, Ca, La, B을 사용하여 표 1에 나타난 바와 같은 조성으로 배합한 다음, 고주파 진공유도 용해로에서 용해주조하고 일련의 가공공정을 거쳐 25 ㎛의 최종선경으로 제작하였으며, 그 구성은 순도 99.999% 이상의 고순도 구리(Cu)로 형성되는 모재부와 모재부 표면에 파라듐(Pd)을 필요한 중량비로 피복시킨 피복부로 구성하였다.
재료구성 (중량%) 모재부 내 첨가원소 (중량%)
Cu(모재부) Pd(피복부) Al Ag Ca La B
실시예 1 잔량 0.02 0.003 0.001 0.001 0.001 0.001
실시예 2 잔량 0.06 0.003 0.005 0.002 0.002 0.005
실시예 3 잔량 1 0.003 0.003 0.003 0.003 0.005
실시예 4 잔량 5 0.003 0.005 0.005 0.005 0.001
실시예 5 잔량 10 0.001 0.001 0.002 0.002 0.001
실시예 6 잔량 15 0.001 0.002 0.001 0.001 0.001
실시예 7 잔량 20 0.001 0.003 0.005 0.005 0.001
실시예 8 잔량 25 0.005 0.005 0.003 0.003 0.0005
실시예 9 잔량 30 0.005 0.001 0.003 0.003 0.0005
실시예 10 잔량 37 0.005 0.005 0.002 0.002 0.005
잔량 : 모재부에서 모재부 내 첨가원소의 총량를 제외한 나머지 중량%가 Cu임을 의미함.
비교예 1-6
비교예 1-4는 모재부의 첨가원소 중량%를 제외하고 실시예와 동일하게 본딩 와이어를 제조하였으며, 비교예 5-6은 모재부의 중량%를 제외하고 실시예와 동일하게 본딩와이어를 제조하였다. 각 비교예에서 첨가되는 원소의 성분 함량을 하기 표2에 나타내었다.
재료구성 (중량%) 모재부 내 첨가원소 (중량%)
Cu(모재부) Pd(피복부) Al Ag Ca La B
비교예 1 잔량 1 0 0.001 0.002 0.002 0.005
비교예 2 잔량 1 0.001 0 0.002 0.005 0.001
비교예 3 잔량 1 0 0.01 0.005 0.002 0.005
비교예 4 잔량 1 0.01 0.001 0.002 0.001 0.001
비교예 5 잔량 0.01 0.0003 0.003 0.003 0.003 0.005
비교예 6 잔량 38 0.0003 0.003 0.003 0.003 0.005
잔량 : 모재부에서 모재부 내 첨가원소의 총량를 제외한 나머지 중량%가 Cu임을 의미함.
또한, 금합금 세선 첨가원소로서 Pt, Cu, Ca을 사용한 종래예 1 내지 2의 조성을 표 3에 함께 나타내었다.
재료구성 첨가원소 (중량%)
Au Pt Cu Ca
종래예 1 잔량 0.001 0 0.001
종래예 2 잔량 0.001 0.001 0
잔량 :금 합금 세선에서 첨가원소의 총량을 제외한 나머지 중량%가 금임을 의미함.
한편, 표 1에 나타난 바와 같은 실시예 1 내지 10에서 제조한 본딩 와이어에 대한 상온 및 고온의 파단하중을 표 4에 나타내었다.
본딩 와이어의 본딩 특성을 조사하기 위하여 각 실시예별로 본딩 작업을 수행한 후 50개의 루프를 대상으로 루프강도, 전단강도 및 와이어 플로율을 조사하였으며, 볼 형상과 압착볼 형상은 실시예별로 각각 10개와 100개의 시료를 조사하였고, 실리콘 칩 패드의 균열 유무를 조사하여 표 4에 나타내었다.
또한, 비교예 1 내지 4, 및 종래예 1 내지 2에 대해서도 상온 및 고온의 파단하중, 볼 형상, 압착볼 형상, 루프강도, 전단강도, 와이어 플로율, 패드의 균열 유무를 조사하고 그 결과를 표 4에 함께 나타내었다.
파단하중 볼형상 압착볼형상 루프강도(gr) 전단강도(gr) 와이어플로율(%) 패드균열
상온(gr) 고온(gr)
실시예 1 16 11 ○ ○ 13 72 6 무
2 16 11 ○ ○ 13 72 6 무
3 16 11 ○ ○ 12 73 6 무
4 16 10 ○ ○ 13 74 6 무
5 16 10 ○ ○ 13 74 6 무
6 16 11 ○ ○ 11 72 5 무
7 15 10 ○ ○ 12 72 5 무
8 16 11 ○ ○ 12 73 6 무
9 16 10 ○ ○ 12 73 6 무
10 15 10 ○ ○ 11 74 6 무
비교예 1 14 10 × × 12 72 7 유
2 11 9 × × 11 70 7 무
3 13 10 × × 11 70 6 무
4 12 9 × × 11 71 7 무
5 16 11 ○ ○ 12 73 6 유
6 16 11 ○ ○ 12 73 6 유
종래예 1 10 8 ○ × 7 51 14 무
2 11 9 ○ × 7 54 12 무
표 4에서 상온에서의 파단하중은 각 실시예별로 시료를 채취하고 인장시험기(INSTRON 4301)를 사용하였으며, Test용 시편의 길이는 254mm 속도는 25.4mm/min로 100회 측정한 평균값이다.
고온에서의 파단하중은 각 실시예별로 시료를 채취하고 인장시험기(TENSILON RTC-1150A)를 사용하여 표점거리 254 mm, 인장속도 25.4 mm/min로 100회 측정한 파단하중의 평균값이며, 특히 고온에서의 파단하중은 250℃에서 20초간 유지한 후 그 상태에서 측정한 파단하중의 평균값으로 표시하였다.
볼의 형상은 고속 본더를 사용하여 전기토치방전에 의하여 얻어진 볼을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰하였다. 즉, 본딩 와이어의 크기를 선경의 1.6배가 되도록 조절하고 각 실시예별로 채취한 10개의 시료 중에서 한개라도 볼 표면에 산화물이 형성된 것이나 볼 형상이 왜곡된 것 또는 볼이 제대로 형성되지 않은 것은 ×표, 모두 양호한 것은 ○표로 평가하였다.
압착볼의 형상은 접합이 끝난 상태로 100개의 시료를 광학현미경으로 관찰하였으며 한 개라도 패드를 이탈하거나, 중심이 맞지 않는(off-center) 현상이 발생한 시료는 ×표, 모두 양호한 형태로 된 것은 ○표로 평가하였다.
루프 강도(pull strength)는 고속본더로 본딩 후 접합된 볼 네크 상단부에 고리를 걸어서 네크 부분 등에서 파단이 일어날 때의 강도를 측정하였으며, 전단강도(shear strength)는 전단시험기를 이용하여 반도체 소자 상의 패드부와 압착볼부의 전단하중을 표시하였다.
또한, 와이어 플로율은, 본딩이 끝난 반도체 소자를 금형에 설치하고 봉지용 수지를 주입하여 얻어진 패키지를 X선으로 관찰하여 수지의 유동에 의한 본딩선의 변형량을 조사하였다.
그 결과, 표 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 본딩 와이어의 기계적 특성 및 본딩 특성이 비교예 및 종래예보다 매우 우수함을 알 수 있었다. 본 발명의 실시예 1 내지 10 모두에서 볼 형상 및 압착볼 형상이 양호하였고 와이어 플로율도 6% 이내로서 비교예 및 종래예보다 우수한 결과를 보였다.
또한 본 발명의 실시예 1 내지 10에 따른 본딩 와이어의 전단강도는 그 평균값이 72.9 g 정도로서 기준값 40g 의 1.8배 정도로 높았고, 비교예보다도 2.2 g, 종례예보다는 20.4 g 이상 높게 나타났다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 고온에서의 기계적 특성인 인장강도 및 연신율이 우수하고, 고속 본딩시 쇼트의 발생을 확실히 방지함은 물론, 소형화되는 전극 크기에 맞도록 지름이 작으면서도 압착볼의 크기가 균일하고 패드이탈이 억제되며, 루프 높이를 낮게 제어할 수 있어 울트라 로우 루프(ultra low loop) 용으로 사용이 가능한 동시에 접합 신뢰성이 우수한 본딩 와이어를 제공하는 효과가 있다.
또한, 금을 사용하지 않기 때문에 제조단가를 현저히 낮출 수 있는 본딩 와이어을 제공하는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. a) 순도 99.999% 이상의 구리(Cu)로 이루어진 모재부; 및
    b) Pd, Pd-Ni계 합금, Au, Ag, 및 Au-Ag계 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 이루어지고, 상기 모재부의 외면을 감싸도록 형성된 피복부
    로 구성되고,
    상기 a) 모재부는 63-99.98 중량%이고, 상기 b) 피복부는 0.02-37 중량%이며,
    상기 a) 모재부에는 상기 a) 모재부 총 중량에 대하여 Al 이 0.001~0.005 중량%, Ag 이 0.001~0.005 중량%, Ca 이 0.001~0.005 중량%, B, Be, La, Ge, S, P 및 Ba 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 0.0005-0.008 중량% 포함된 본딩 와이어.
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