KR20060041322A

KR20060041322A - 반도체용 본딩 와이어 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20060041322A
Application number: KR1020067007647A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 우노; 신이찌 데라시마; 고헤이 다쯔미
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2006-05-11
Also published as: MY137479A; JP5451908B2; JP5506959B2; JPWO2002023618A1; KR100717667B1; US20040014266A1; WO2002023618A1; JP4868694B2; JP2013140986A; JP5349382B2; KR100739378B1; JP5349383B2; JP5409673B2; JP2013080960A; US7969021B2; JP2010166080A; JP2010166079A; KR20030033066A; JP2011124611A

Abstract

본 발명은 반도체용 본딩 와이어를 제공하는 것으로, 심선과 외주부를 동종의 원소를 주성분으로 하는 도전성 금속 및 그 합금으로 구성하고, 또한 그 심선과 외주부 사이에, 그들 심선과 외주부를 구성하는 원소로 이루어지는 확산층 및/또는 금속간 화합물층을 갖는 반도체용 본딩 와이어, 및 도전성을 갖는 제1 금속 또는 그 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 그 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 또한 그 심선과 외주부의 사이에, 확산층 및/또는 금속간 화합물을 갖는 반도체용 본딩 와이어 및 그 제조 방법이다.

본딩 와이어, 금속간 화합물층, 심선, 확산층, 수지 밀봉, 초음파 압착

Description

반도체용 본딩 와이어 및 그 제조 방법 {BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE BONDING WIRE}

도1a는 심선(1)/확산층(3)/외주부(2) 구조의 본 발명의 중간층 복합 본딩 와이어의 와이어 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도1b는 심선(1)/금속간 화합물층(4)/외주부(2) 구조의 본 발명의 중간층 복합 본딩 와이어의 와이어 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도1c는 심선(1)/금속간 화합물층(4)/확산층(3)/외주부(2) 구조의 본 발명의 중간층 복합 본딩 와이어의 와이어 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도2a는 확산층을 형성한 복합 본딩 와이어 시료의 단면을, 오제(Auger) 분광 장치를 이용하여 라인 분석하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도2b는 확산층이 형성되지 않은 복합 본딩 와이어 시료의 단면을 오제 분광 장치를 이용하여 라인 분석하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도3은 오제 분광 장치를 이용하여 복합 본딩 와이어의 단면을 라인 분석한 결과이며, Au의 심선과 Au-20％ Pd 합금의 외주부와의 조합의 본딩 와이어에서의 오제 분광법(Auger Spectroscopy)으로 라인 분석한 결과를 나타내며, 확산층을 형성한 와이어 시료 도2a에서의 결과이다.

도4a는 Au의 심선과 Au-30％ Ag 합금의 외주부와의 조합의 복합 본딩 와이어 의 단면을 오제 분광 장치를 이용하여 라인 분석한 결과를 나타낸 도면이다.

도4b는 Au의 심선과 Au-30％ Ag 합금의 외주부와의 조합인 복합 본딩 와이어의 단면을 오제 분광 장치를 이용하여 라인 분석한 결과를 나타낸 도면이며, 확산층이 형성되어 있지 않은 와이어 시료 도2b에서의 결과이다.

도5a는 Ag 심선과 Au 외주부로 이루어지는 복합 본딩 와이어의 단면을 오제 분광법으로 라인 분석한 결과를 나타낸 도이고, 확산층을 형성한 와이어 시료 도2a에서의 결과이다.

도5b는 Ag 심선과 Au 외주부로 이루어지는 복합 본딩 와이어의 단면을 오제 분광법으로 라인 분석한 결과를 나타낸 도이며, 확산층이 형성되지 않은 와이어 시료 도2b에서의 결과이다.

도6a는 외주부의 더욱 외측에, 심선 및 외주부의 용매 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면 동종 금속층(7)을 형성한, 심선(1)/금속간 화합물층(4)/외주부(2)/최표면 동종 금속층(7) 구조의 본딩 와이어를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도6b는 외주부의 더욱 외측에, 심선 및 외주부의 용매 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면 동종 금속층(7)을 형성한, 심선(1)/확산층(3)/외주부(2)/중간층(5)/최표면 동종 금속층(7) 구조의 본딩 와이어를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도7a는 심선(1)/금속간 화합물층(4)/중층(8)/확산층(3)/외주부(2) 구조의 3층 구조의 중간층 복합 본딩 와이어를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도7b는 심선(1)/확산층(3)/중층(8)/금속간 화합물층(4)/외주부(2) 구조의 3 층 구조의 중간층 복합 본딩 와이어를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도8은 오제 분광 장치에 의한 라인 분석 결과이며, 각각 외주부/심선의 조합이 다른 와이어로 비교하고 있다. 외주부 Au/심선 Au-Ag 30％ 합금의 확산층에서의 Ag 농도와, 외주부 Au/심선 Au-Cu 3％ 합금의 확산층에서의 Cu 농도를 나타낸다.

도9a는 오제 분광 장치에 의한 와이어의 라인 분석 결과이며, 심선 Pd-Cu 2％-Al 4％ 합금/외주부 Pd-Au 5％-Ag 1％ 합금의 와이어의 경우의 금속간 화합물층에서의 Au, Al의 농도 변화를 나타낸 도면이다.

도9b는 오제 분광 장치에 의한 와이어의 라인 분석 결과이며, 심선 Cu-Pd 5％- Be 1％ 합금/외주부 Cu-Au 5％ 합금의 와이어의 경우의 금속간 화합물층에서의 Pd, Au의 농도 변화를 나타낸 도면이다.

도10a은 외주부 Au/심선 Au-Cu 3％-Ca 0.1％ 합금의 구조에서 선 지름 25㎛인 와이어의 내부에 확산층을 형성한 경우의 수지 밀봉시의 변형량을 나타낸 도면이다.

도10b는 심선 Au/외주부 Au-Cu 3％ 합금의 구조에서 선지름 20㎛인 와이어의 내부에 금속간 화합물층을 형성한 경우의 수지 밀봉시의 와이어 변형량을 나타낸 도면이다.

도11은 오제 분광 장치에서의 라인 분석 결과이며, 각각 외주부/심선의 조합이 다른 와이어로 비교되어 있다. 본 도면에서는 Au/Ag계의 Ag 원소, 및 Pt/Au계의 Pt 원소에 대한 농도 변화를 비교했다.

도12a는 외주부/심선의 조합이 Au/Cu계인 경우의 와이어의 계면에 형성된 금속간 화합물층의 오제 분광 장치에 의한 라인 분석 결과를 나타낸 도면이다.

도12b는 외주부/심선의 조합이 Au/Al계인 경우의 와이어 계면에 형성된 금속간 화합물층의 오제 분광 장치에 의한 라인 분석 결과를 나타낸 도면이다.

도13a는 외주부 Au/심선 Pt 구조에서 선 지름 25 ㎛인 와이어 내부에 Au-Pt 확산층을 형성한 경우의 수지 밀봉시의 와이어 변형량을 나타낸 도면이다.

도13b는 외주부 Au/심선 Cu 구조에서 선 지름 20 ㎛인 와이어의 내부에 Au-Cu계의 금속간 화합물층을 형성한 경우의 수지 밀봉시의 와이어 변형을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 심선

2 : 외주부

3 : 확산층

4 : 금속간 화합물층

5 : 중간층

7 : 최표면층

본 발명은 반도체 소자상의 전극과 외부 리드를 접속하기 위해 사용되는 반 도체 본딩 와이어에 관한 것이다.

현재, 반도체 소자상의 전극과 외부 단자 사이를 접합하는 본딩 와이어로서는, 선 지름 20 내지 50 ㎛ 정도이고, 재질은 고순도 4N계(순도＞99.99 질량％)의 금인 본딩 와이어가 주로 사용되고 있다. 금 본딩 와이어의 접합 기술로서는, 초음파 병용 열압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 와이어를 그 내부에 통과하여 접속에 이용하는 모세관형(capillary) 지그 등이 필요하다. 와이어 선단을 아크 입열(入熱)로 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 볼을 형성시킨 후에, 150 내지 300 ℃ 범위내에서 가열한 반도체 소자의 전극상에 이 볼부를 압착 접합시키고, 그 후에 직접 와이어를 외부 리드측에 초음파 압착에 의해 접합시킨다.

*근년, 반도체 실장의 구조, 재료, 접속 기술 등은 급속하게 다양화되고 있으며, 예를 들어 실장 구조에서는 현행의 리드프레임을 사용한 QFP(Quad Flat Packaging)에 더하여, 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. 그러한 와이어의 접속 기술에서도, 현재 주류를 이루는 볼/웨지 접합 이외에 협피치화에 적합한 웨지/웨지 접합에서는, 두군데의 부위에서 접합 와이어를 접합하므로, 세선(細線)의 접합성 향상이 요구된다.

본딩 와이어의 접합 상대가 되는 재질도 변화되고 있으며, 실리콘 기판 상의 배선, 전극 재료에서는 종래의 Al 합금에 더하여, 보다 미세 배선에 적합한 Cu가 실용화되고 있다. 또한, 고밀도 배선을 위해 전극막의 두께는 얇아지는 경향이며, 와이어 선단의 볼부를 접합할 때에, 그 바로 아래의 반도체 기판에 균열 등의 손상을 미치는 것이 우려된다. 또한, 반도체의 소형화, 고밀도화를 활발히 진행하기 위해서, 지금까지 실현하기 어려운 것으로 여겨진 전극막 아래에 소자를 형성한 반도체의 개발이 시작되고 있으며, 볼 접합시의 손상을 경감함에 대한 중요성이 높아지고 있다. 이들 접합 상대의 동향에 부응하기 위하여, 본딩 와이어의 접합성, 접합부 신뢰성을 향상하는 것이 요구된다.

이와 같은 반도체 소자의 고집적화, 고밀도화 등의 요구에 대응하기 위해, 금 본딩 와이어 접속의 요구도 다양화되고 있으며, 그 가운데에서도 (1) 협피치화, (2) 세선화, (3) 다(多) 핀, 와이어 길이 증대화, (4) 작은 볼 접합성, (5) 접합부의 칩 손상의 경감 등이 요구되고 있다.

예를 들면, 고점성의 열경화 에폭시 수지가 고속 주입되는 수지 밀봉 공정에서는, 와이어가 변형되어 인접 와이어와 접촉하는 것이 문제시되고, 더욱이 협피치화, 와이어 길이 증대화, 세선화도 진행되는 가운데, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 조금이라도 억제하는 것이 요구되어 지고 있다. 와이어 강도의 증가에 따라, 이와 같은 변형을 어느 정도 제어할 수 있지만, 루프 제어가 곤란해지거나, 접합시의 강도가 저하되는 등의 문제가 해결되지 않고서는 실용화하기 어렵다.

이들 요구에 대응하기 위해서는, 본딩 공정에서의 루프 제어가 용이하며, 더욱이 전극부, 리드부로의 접합성도 향상되고, 본딩 이후의 수지 밀봉 공정에서의 와이어 변형을 억제할 수 있는 등의 종합적인 특성을 만족할 것이 요구된다.

지금까지 본딩 와이어를 고강도화하는 수단으로서, 복수의 합금 원소를 첨가하는 것이 주류였다. 현재 주류의 고순도계 금 본딩 와이어에서는, 합금 원소의 첨가는 수ppm 내지 수십ppm으로 제한되어 있으며, 루프 제어성, 접합성 등에서는 우수하지만, 와이어 변형의 억제, 볼 형성시의 열 영향부(네크부)의 강도 등은 충분하지 않았다. 최근, 첨가량을 늘려서 총계로 1％ 정도까지 첨가한 고농도 합금 와이어가, 일부의 IC로 사용되기 시작하고 있으나, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 개선하는 효과는 충분하지 않고, 리드측으로의 접합성이 저하하는 등의 문제가 우려되었다.

금을 대신하는 와이어 소재도 검토되고 있으나, 예를 들면 구리 와이어에서는, 와이어의 고강도화와 볼부의 연화를 양립시키는 것이 어려우며, 일반적인 LSI 등에서는 사용되지 않았다. 또한, 세라믹스 패키지 용도의 웨지-웨지 접합에는, 알루미늄 와이어가 이용되었으나, 수지 밀봉된 경우에 표면 부식의 문제와, 고농도로 합금 원소가 첨가되면, 접합성이 저하되는 등의 문제가 발생되어, 범용적으로 사용하기 어렵다.

고강도화를 달성하는 다른 방법으로는, 심선과 외주부가 다른 금속으로 이루어지는 본딩 와이어(이하, 2층 본딩 와이어라 한다)가 제안되어 있으며, 예를 들면 일본 공개 특허 소56-21354호 공보에서는 Ag 심선을 Au 피복한 와이어에 대해서, 일본 공개 특허 소59-155161호 공보에서는 심선과 도전성 금속으로서 표면을 Au 도금한 와이어에 대해서, 일본 공개 특허 평4-79246호 공보에서는 Pt/Pt 합금의 심선과 그 외주부를 Ag/Ag 합금으로 하는 와이어 등이 개시되어 있다. 그 외에도, 2층 을 구성하는 재료가 동종 금속이면서 농도가 다른 재료인 경우로서, 예를 들면 일본 공개 특허 평6-252196호 공보에서는, Ca, Be 등을 함유하는 Au 합금의 심선과 그 외주부를 같은 저농도의 Au 합금으로 하는 와이어에 대해서 개시되어 있다. 이들은 심선과 외주부에서 다른 금속을 조합시킴으로써, 범용 제품의 전체에 상당하는, 단일 부재로 구성된 와이어(이하, 단층 본딩 와이어라 한다)에서는 곤란한 특성을 종합적으로 만족하는 것이 기대된다. 또한, 일본 공개 특허 평3-135040호 공보에서는 표면에 합금 원소 또는 고농도 합금이 피복되고, 외주부로부터 중심부에 연속적으로 합금 원소의 농도를 변화시키는 본딩 와이어에 대해 개시되어 있다.

현행의 단층 본딩 와이어에서는 고강도화하기 위해 합금 원소의 첨가량을 증가시키면, 볼부의 표면 산화 및 수축 공동(shrinkage cavity)의 발생 등에 의해 접합성이 저하되거나, 또한 와이어 표면의 경화, 산화등에 의해 웨지 접합성이 저하되고, 제조 수율이 저하하는 문제가 발생된다. 또한, 첨가량의 증가에 따라 전기 저항은 상승하는 경향이며, 특히 고주파 용도의 IC에서는 그러한 전기 저항의 과잉된 증가는 신호 지연의 원인으로서 우려된다.

그러한, 단층 본딩 와이어에서는 대응 곤란한 과제에 대응하는 수단의 하나로서, 심선과 외주부를 이종 재료로 구성하는 2층 본딩 와이어를 비롯하여, 다층 구조의 본딩 와이어에 관하여 많은 소재의 조합이 제안되어 있다. 그러나, 2층 본딩 와이어는 지금까지 실용화에 이르지 못했으며, 실제 반도체에 있어서 평가된 실례도 거의 보고되어 있지 않은 실정이다. 그 이유로서, 지금까지 제안된 2층 본딩 와이어에 있어서 심선과 외주부에서 다른 부재로 함으로써, 양산하는데 있어서 심 선과 외주부에서 소정의 비율을 얻기 위한 제조 기술, 품질 관리 등이 매우 어려우며, 또한 특정한 특성은 향상하더라도, 심선과 그 외주부와의 밀착성은 저하하는 등, 많은 와이어 요구 특성을 종합적으로 만족하는 것은 어려운 점 등 많은 문제가 존재했다.

본 발명자들도 2층 본딩 와이어 특성 등을 조사한 결과, 심선과 그 외주부와의 밀착성 저하, 심선과 외주부에서 소정의 비율을 얻기 위한 제조 기술, 품질 관리 등 많은 해결할 문제점이 있음을 확인했다.

심선과 외주부가 다른 금속을 주성분으로 하는 종래의 2층 본딩 와이어의 경우, 이종재(異種材)가 단지 접촉되어 있을 뿐이었으므로, 계면에서의 밀착성에 관한 불합리가 다수 인정된다. 신선가공(伸線加工) 등을 거침으로써 약간은 개선되지만, 그것만으로는 충분한 밀착성을 얻기 어렵다. 제조중에 기계적 특성이 다른 이종 금속을 동시에 신선 가공하기 위해, 계면에서의 밀착성이 충분하지 않으면, 와이어 길이 방향의 면적 비율의 편차가 발생하여, 소정의 특성을 얻기 어려워지거나, 고속 신선 가공에서의 계면 박리, 균열이 발생되거나 하는 문제가 발생한다. 또한, 와이어 사용시에 고속으로 복잡하게 구부림 변형될 때와, 접합시에 현저하게 소성 변형될 때에, 2층 본딩 와이어의 계면의 박리 등에 관련하는 불량이 발생된다.

또한, 제조중에 기계적 특성이 다른 이종 금속을 동시에 신선 가공하므로, 심선과 외주부의 면적 비율이 변화하여, 소정의 특성을 얻기 어렵다.

2층 본딩 와이어의 제조법에서는, 미리 제조한 2층 구조의 잉곳 또는 지름이 두꺼운 와이어를, 최종 선 지름까지 신선하는 제조법과, 최종 지름 근방의 와이어 표면에 도금, 증착 등에 의해 표층부를 형성하는 법을 생각할 수 있으나, 이들 모두 제조에 관련하는 문제가 발생한다. 전자에서는 심선과 외주부와의 계면에서 밀착성이 저하되거나, 기계적 특성이 다른 이종 금속을 신선 가공함으로써, 심선과 외주부의 면적 비율이 초기부터 변화하는 등의 문제점도 많고, 안정된 기계적 특성을 얻기 어렵다. 한편, 후자의 제조에서는 마지막에 표층부를 형성하므로, 심선과 외주부와의 계면에서의 밀착성이 불충분하며, 또한 매끄러운 와이어 표면을 얻기 어려운 등의 문제가 발생한다.

또한, 심선과 외주부에 다른 금속을 주성분으로 하는 이종재를 이용함으로써, 와이어 강도 증가는 기대할 수 있지만, 볼 접합성의 문제가 발생한다. 즉, 와이어가 용융되어 형성되는 볼부에서는 심선재와 외주부가 혼합되어, 고농도의 합급 원소를 함유하는 상태가 됨으로써, 볼부의 경화, 표면 산화, 수축 공동의 발생 등이 일어나고, 접합 강도가 저하되거나, 볼 접합부 바로 아래의 반도체 기판에 균열(crack) 등의 손상을 주는 등이 문제가 된다. 예를 들면, 심선과 외주부가 이종 금속을 주성분으로 하는 경우에는, 용융된 볼부에서의 합금화 원소의 함유량은 수％ 내지 수십％에까지 달하는 경우가 많은 것을 고려하더라도, 2층의 본딩 와이어의 실용화에는 볼 접합시의 접합 강도의 확보와 반도체 기판으로의 손상 경감을 만족시키는 것이 중요시 된다.

또한, 심선과 외주부에서 동종의 금속을 주성분으로 하는 2층 본딩 와이어의 경우에도 상기의 이종 금속을 주성분으로 하는 경우와 마찬가지로 계면에서의 밀착 성에 관한 불합리가 발생하기 쉽고, 예를 들면 생산성의 저하, 구부림 변형과 접합시의 계면 박리와, 특성 편차 등이 일어나는 것이 문제가 된다. 또한, 동종의 금속을 주성분으로 함으로써, 이종 금속의 경우의 볼 접합 손상 등의 문제는 경감할 수 있지만, 한편으로 2층 구조임에도 불구하고, 현행의 단층 와이어와 비교하여도 강도 등의 기계적 특성을 개선하는 것은 곤란해진다. 예를 들면, 심선과 외주부와의 단면적비로 정해지는 혼합 법칙에 지배되는 강도, 탄성율에서는 동종 금속으로 함으로써 유사한 특성을 갖는 심선과 외주부의 특성에 좌우되고, 그것을 초과하는 것은 곤란하다. 즉, 강도, 탄성율에서는 심선과 외주부와의 단면적비에 지배되는 혼합 법칙에 따른 경우가 많은 것으로 보아, 그 강도, 탄성율을 갖는 심선 또는 외주부의 어느 쪽 재료 특성을 초과하는 것은 곤란하다.

따라서, 강도를 증가시키기 위해서, 심선 및 외주부의 부재에 원소를 고농도 첨가하면, 단층 본딩 와이어의 경우와 마찬가지로, 볼부 접합성과 웨지 접합성 등이 저하되는 문제를 일으키게 된다. 금후의 협피치화, 세선화, 와이어 길이 증대화에 대응하기 위해서는, 루프 비틀림의 억제, 수지 밀봉시의 와이어 변형 등을 억제하는 것이 요구되고, 지금까지의 2층 본딩 와이어 보다도 더욱 기계적 특성을 향상하는 것이 요구되어지며, 그 가운데에서도 수지 밀봉시의 와이어 변형을 대폭 억제하기 위한, 구부림 강성의 향상이 필요하다는 것을 본 발명자들은 확인했다.

또한 전술한, 표면에 합금 원소 또는 고농도 합금이 피복되고, 외주부로부터 중심부에 걸쳐서 합금 원소의 농도가 연속적으로 변화된 본딩 와이어의 경우, 최신의 본딩 장치 및 루프 형성, 접합 조건에 있어서도 현행의 단층 본딩 와이어와 동 등한 특성을 얻는 것이 곤란하다. 예를 들면, 와이어 표면 근방의 합금 원소 농도가 연속적으로 변화되는 것만으로는, 가혹한 루프 형성시와, 모세관형 내벽에 의한 마찰 등에 충분히 견디기 곤란하므로, 루프 형상에 편차가 생기거나, 직선성이 저하되기도 한다. 또한, 표면의 피복층이 수천 Å정도이며, 게다가 농도 변화되어 있으므로, 리드부 또는 수지 기판상의 도금부로의 웨지 접합시에 와이어가 크게 변형됨으로써, 얇은 피복층이 와이어와 도금부와의 접합 계면에 개재되기 때문에, 접합 강도를 저하시키는 요인이 되며, 또한 농도가 다른 층이 접합 계면에 분산되어 있음으로써, 접합 계면에서의 확산 거동이 불균일해지고, 장기적인 접합 신뢰성을 얻기 곤란한 경우가 많다.

이상과 같은 이유에서 금후의 반도체의 실장 기술에 적응하기 위해서도 와이어는 개별의 요구 특성만 만족하는 것이 아니고, 종합적으로 특성을 향상하는 재료 개발이 요구된다. 현행의 단층 본딩 와이어의 성분 설계, 2층 본딩 와이어의 재료 선정 또는 단순히 2층 구조로 하는 것만으로는 대응이 곤란하므로, 루프 제어성이 뛰어나고, 고강도이며 더욱이 접합성, 접합 강도도 향상할 수 있는 본딩 와이어가 요구되고 있다.

본 발명에서는, 종래의 단층 및 2층 본딩 와이어에서는 동시에 만족하는 것이 곤란했던 3가지 과제인 협피치화, 세선화, 와이어 길이 증대화에 있어서 고강도이고 구부림 강성이 높을 것, 높은 볼부 접합성 및 웨지 접합성을 가질 것, 공업적인 양산성, 고속 본딩 사용성에서도 우수할 것, 등을 겸비하는 반도체 소자용 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 도전성 금속으로 이루어지는 외주부와, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 또한 그 심선과 외주부 사이에 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(2) 도전성 금속으로 이루어지는 심선과, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부와, 또한 그 심선과 외주부 사이에 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(3) 외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 또 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가, 적어도 일종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 확산층 또는 금속간 화합물층 중, 적어도 1층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(4) (2) 또는 (3)에 기재된 반도체용 본딩 와이어에 있어서, 상기 본딩 와이어의 외주부의 더욱 외측에, 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(5) (2) 또는 (3)에 기재된 반도체용 본딩 와이어 있어서, 상기 본딩 와이어의 외주부의 더욱 외측에, 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖고, 또한 그 외주부와 최표면층 사이에 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(6) (1) 내지 (3)중 어느 하나에 기재된 반도체용 본딩 와이어에 있어서, 상기 본딩 와이어의 외주부의 더욱 외측에, 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른 외주부 보다 산화가 적은 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖고, 또한 그 외주부와 최표면층 사이에 확산층 또는 금속간 화합물층 중, 적어도 1층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(7) 도전성을 갖는 제1 금속 또는 그 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 그 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 더욱이 그 심선과 외주부의 사이에, 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(8) 도전성을 갖는 제1 금속 또는 그 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 그 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 또한 그 심선과 외주부의 사이에, 금속간 화합물층을 적어도 1층은 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(9) 도전성을 갖는 제1 금속 또는 그 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 그 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 또한 그 심선과 외주부의 사이에, 확산층 및 금속간 화합물층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(10) 도전성을 갖는 제1 금속 또는 그 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 그 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 중층과, 상기 중층의 제2 금속과는 다른 도전성 금속 또는 그 합금으로 이루어지는 외주부로 구성되고, 또한 그 심선과 중층과의 사이, 및 중층과 외주부와의 사이에는 확산층 또는 금속간 화합물층의 적어도 1종 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(11) (7) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 반도체용 본딩 와이어에 있어서, 상기 본딩 와이어의 외주부의 더욱 외측에, 외주부의 주성분 금속과는 다른 도전성 금속 또는 그 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.

(12) (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 도체 와이어를 제조하는 방법에 있어서, 심선과 외주부의 계면에 확산층 또는 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 형성시키는 확산 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어의 제조 방법.

(13) (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 도체 와이어를 제조하는 방법에 있어서, 심선과 외주부의 계면에 확산층 또는 금속간 화합물층 중 적어도 하나를 형성시키는 확산 열처리를 수행하고, 그 후에 신선 가공하는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어의 제조 방법.

이하에, 본 발명에 따른 본딩 와이어 구조에 대해서 더욱 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 특별히 양해가 없는 경우 '％'는 모두 '몰％'를 의미한다.

고강도, 고접합성, 고생산성 등의 상반하는 과제를 종합적으로 해결하기 위 해서는, 본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재한 바와 같이, 심선과 외주부를 동종의 원소를 주성분으로 하는 금속 및 합금으로 구성하고, 또한 그 심선/외주부 사이에, 그들 심선과 외주부를 구성하는 원소로 이루어지는 확산층 또는 금속간 화합물층(양자를 총칭하여 중간층이라 한다)을 형성한 본딩 와이어(이하, 중간층 복합 본딩 와이어라 한다)가 유효하며, 또한 본 발명의 (7) 내지 (11)에 기재한 바와 같이, 도전성을 갖는 제1 금속 또는 그 제1 금속을 주성분으로 히는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 전도성을 갖는 제2 금속 또는 그 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 또한 그 심선과 외주부 사이에, 심선과 외주부를 각각 구성하는 원소를 각 1종 이상 함유하는, 확산층 또는 금속간 화합물층(양자를 총칭하여 중간층이라 한다)을 형성한 본딩 와이어(이하, 중간층 복합 본딩 와이어라 한다)가 유효한 것을 밝혀냈다. 이 같은 중간층 복합 본딩 와이어의 이점은 계면에서의 밀착성은 현저히 향상되고, 더욱이 기계적 특성도 대폭 향상할 수 있는데 있다.

여기에서, 확산층, 금속간 화합물층 형성에 깊이 관여하는 심선 또는 외주부의 부재는, 금속과 합금으로 나눌 수 있으며, 이하에서는 그 합금에 함유되는 원소 중 구성 비율이 가장 높은 주성분이 되는 원소를 용매 원소로 하고, 합금화를 위해 함유되어 있는 원소를 용질 원소로 칭한다. 따라서, 본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 중간층 복합 본딩 와이어에서는, 심선과 외주부의 부재 모두 동일 용매 원소를 사용하는 것이 되고, 또한 본 발명의 (7) 내지 (11)에 기재된 중간층 복합 본딩 와이어는, 심선과 외주부의 부재에서 다른 용매 원소를 사용하는 것이 된다.

확산층이란, 심선과 외주부를 구성하는 원자가 서로 반대 방향으로 이동하는 상호 확산을 일으킴으로써, 이들 원소가 혼합된 영역이며, 그들 원소가 고용된 상태를 취한다. 도1a에는 심선(1)과 외주부(2)의 계면에 확산층(3)을 형성한 본딩 와이어의 단면을 모식적으로 나타낸다. 그 확산층내에 함유되는 원소의 농도는 기본적으로는 심선 내부 및 외주부 내부의 농도와는 다르다. 따라서, 확산층의 경계는 원소 농도가 불연속으로 변화하는 계면으로서 확인할 수 있다.

외주부는 금속이거나 합금인 경우에는, 용질 원소의 농도 경사를 가지지 않는 균일화된 층이어야 한다. 이는 와이어의 표면 영역의 원소 농도를 균일화시킴으로써, 웨지 접합 계면에서의 확산을 안정화시키고, 항상 양호한 접합성을 얻을 수 있기 때문이다. 이와 같은 균질화된 심선 및 외주부는 각각 0.5 ㎛ 이상 확보함으로써, 상기 효과를 얻을 수 있다. 또한, 심선도 금속 또는 균일화된 합금인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 심선/외주부 사이에 중간층을 형성할 때에, 안정되고 재현성 높게 중간층을 형성할 수 있을 뿐만아니라, 신선 가공시의 생산성, 특성이 안정되고, 루프 형상, 접합성 등도 양호한 것을 얻을 수 있다.

심선/외주부의 계면에 형성되는 중간층은 심선과 외주부의 부재의 조합에 의해 변화시킬 수 있고, 구체적으로는 본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어에 있어서는, 심선과 외주부의 부재의 조합이 금속-합금인 경우에는 확산층을 형성할 수 있고, 합급-합금의 조합에서는 확산층, 금속간 화합물층의 적어도 한쪽을 형성할 수 있다. 이하에 각각의 케이스에 대해서 설명한다.

우선은 심선과 외주부의 부재의 조합이 금속-합금인 경우에는, 용매 원소중 에 적어도 1종 이상의 용질 원소를 함유하는 확산층을 형성할 수 있다. 이 같은 확산층에 함유되는 용질 원소의 평균 농도(％)는, 합금중의 용질 원소 농도(％)의 1/10 또는 그 보다도 높은 농도인 것이 바람직하다. 이는 확산층중의 용질 원소 농도가 합금중의 용질 원소 농도의 1/10 또는 보다도 높은 농도임에 따라, 확산층/심선, 및 확산층/외주부와의 양쪽의 계면의 밀착 강도를 향상하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 심선과 외주부의 부재가 합금-합금의 조합인 경우는, 전술한 용매 원소를 주성분으로 하여 일부 용질 원소를 함유하는 확산층 이외에도, 용질 원소를 주성분으로 하는 확산층의 형성도 기계적 특성의 향상에 유효하다. 전자의 용매 원소를 주성분으로 하는 확산층에서는, 금속-합금의 경우에 형성되는 확산층과 같은 구성 및 효과를 얻을 수 있다. 한편, 후자의 용질 원소를 주성분으로 하는 확산층은 2종 이상의 용질 원소로 이루어지고, 확산층에서의 용질 원소의 농도의 총계가 60％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 이에 따라 탄성율을 높여 루프 형성시의 직진성을 향상할 수 있다.

또한, 본 발명의 (7) 내지 (11)에 기재된 본딩 와이어에 있어서, 확산층을 구성하는 원소가 용매 원소인지 용질 원소인지에 따라 분류하면, 심선 및 외주부를 구성하는 용매 원소끼리 이루어지는 확산층, 용매 원소와 용질 원소로 이루어지는 확산층, 2종 이상의 용질 원소만으로 이루어지는 확산층으로 구별되나, 모든 경우 거의 같은 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 확산층의 구성 원소는 심선과 외주부의 조합에 의해 변화한다. 심선과 외주부의 부재가 금속-금속(제1 금속-제2 금속)인 경우에 형성되는 확산층은, 용매 원소끼리(제1 금속과 제2 금속)로 이루어지는 확산층뿐이지만, 금속-합금(제1 금속-제2 금속의 합금, 제2 금속-제1 금속의 합금)의 조합에서는, 용매 원소끼리(제1 금속과 제2 금속 합금의 용매 원소, 제2 금속과 제1 금속 합금의 용매 원소)를 주성분으로 하는 확산층과, 합금중에 용질 원소(제2 금속 합금의 용질 원소 또는 제1 금속 합금의 용질 원소)와 별도 부재 중의 용매 원소(제1 금속 또는 제2 금속 합금의 용매 원소)로 이루어지는 확산층이 형성되는 경우가 있다. 또한, 합금-합금(제1 금속의 합금-제2 금속의 합금)의 조합에서는, 각각의 합금을 구성하는 용매 원소끼리(제1 금속 합금의 용매 원소와 제2 금속 합금의 용매 원소)를 주성분으로 하는 확산층, 용질 원소(제1 금속 합금의 용질 원소 또는 제2 금속 합금의 용질 원소)와 다른 부재중의 용매 원소(제2 금속 합금의 용매 원소 또는 제1 금속 합금의 용매 원소)로 이루어지는 확산층에 더하여, 다른 2종의 용질 원소(제1 금속 합금의 용질 원소와 제2 금속 합금의 용질 원소)를 주체로 하는 확산층을 형성시킬 수 있다. 이들 모든 조합에서도 용매 원소끼리를 주성분으로 하는 확산층이 형성되는 경우가 가장 많다. 또한, 용매 원소보다도 빠르게 확산하는 용질 원소를 부재중에 함유시킴으로써, 상기 용질 원소를 함유하는 확산층의 형성을 촉진할 수 있다.

용매 원소끼리를 주성분으로 하는 확산층은, 어느 한쪽의 용매 원소를 적어도 1％ 이상 함유해야 한다. 이는 확산층 가운데 1％ 이상의 원소를 함유함으로써, 확산층/심선, 및 확산층/외주부의 양쪽 계면의 밀착 강도를 향상하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 루프 형성중에 있어서 모세관형 내벽과 와이어의 마찰이 상승되어도, 양호한 루프 제어성을 확보할 수 있기 때문이다. 또한, 이 같은 확산층은 용매 원소를 주성분으로 하고, 또 일부 용질 원소를 함유함으로써, 확산층의 경도 등을 상승시키고, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하는 효과를 높일 수 있다. 그 용질 원소의 농도는 0.5％ 이상인 것이 바람직하고, 이는 0.5％ 이상이면, 용질 원소의 고용 경화를 이용할 수 있기 때문이다.

심선과 외주부중 어느 쪽에 함유되는 용질 원소와, 타부재의 용매 원소로 이루어지는 확산층에서는 용질 원소를 2％ 이상 함유함으로써, 양호한 밀착성 및 구부림 강성을 얻을 수 있다. 또한 다른 2종의 용질 원소를 주체로 하는 확산층에서는, 적어도 한 용질 원소를 3％ 이상 함유해야 한다. 이는 3％ 이상의 용질 원소를 함유함으로써, 밀착성을 향상할 수 있으며, 더욱이 그 용질 원소가 포함되어 있던 심선 또는 외주부 보다도 강도를 증가시킴으로써, 와이어의 변형 저항을 높일 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 본딩 와이어에 있어서는, 확산층 내부의 원소 농도는 균일할 필요는 없고, 농도 기울기가 형성되어 있어도 상관없다. 농도 기울기가 있음에 따라, 확산층/심선 및 확산층/외주부의 양쪽 계면의 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 제조시의 취급이 용이해지고 와이어 생산성도 향상된다. 이와 같은 농도 기울기가 있는 경우의 확산층의 조성에 대해서는 확산층 전체를 평균화한 원소 농도가 전술한 농도의 관계를 만족하면, 충분한 효과를 얻을 수 있다. 더욱 바람직하게는 농도가 가장 낮은 영역에 있어서 전술한 농도의 관계가 만족되었으면, 평균 농도가 균일한 경우 보다도 계면 밀착성을 향상시켜, 와이어가 소성 변형을 받더라도 계면 박리를 억제하는 효과를 보다 높일 수 있다.

도1b에는 심선(1)과 외주부(2)의 계면에 금속간 화합물층(4)을 형성한 본딩 와이어의 단면을 모식적으로 나타낸다. 여기에서의 금속간 산화물은 결정 구조, 격자 정수, 조성 등이 심선 및 외주부의 부재와는 다른 것이 특징이다. 즉, 본 발명의 (3) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어에 있어서는, 심선과 외주부가 동종 원소를 주성분으로 하지만, 심선과 외주부 모두 함금으로 이루어지는 경우에는, 그 사이에 금속간 화합물층을 형성할 수 있다. 심선과 외주부와의 계면에 형성시키는 금속간 화합물층은 심선에 포함되는 용질 원소와, 외주부에 포함되는 용질 원소를 각각 적어도 1종 이상 함유하는 금속간 화합물이면, 밀착성과 기계적 특성 등을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 (8)∼(11)에 기재된 본딩 와이어인 경우에는, 심선과 외주부와의 계면에 형성시키는 금속간 화합물층으로는 심선 및 외주부를 구성하는 2종류의 용매 원소(제1 금속 및 제2 금속, 또는 제1 금속 합금의 용매 원소 및 제2 금속 합금의 용매 원소)로 이루어지는 금속간 화합물이 주류이나, 그것 이외에도 심선 또는 외주부 중 적어도 한쪽이 1종류 이상의 용질 원소를 함유하는 합금인 경우, 그 용질 원소(예를 들면, 제1 금속 합금의 용질 원소)와, 그 용질 원소를 포함하는 부재와는 다른 심선 또는 외주부의 용매 원소(예를 들면, 제2 금속 합금의 용매 원소)로 이루어지는 금속간 화합물, 또는 용질 원소와 용질 원소(제1 금속 합금의 용질 원소와 제2 금속 합금의 용질 원소)로 이루어지는 금속간 화합물이 형성된 경우에도 거의 마찬가지로, 밀착성과 기계적 특성 등을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한 본 발명의 본딩 와이어에 있어서, 금속간 화합물을 구성하는 원소수는 2종류인 경우(2원계 화합물)가 많으나, 상기 용질 원소를 더욱 포함하는 3종류 이상인 경우(3원계, 4원계 화합물 등)에도 양호한 결과를 얻을 수 있다. 또한 금속간 화합물층은 1종류만으로 한정하지 않고, 다른 2종 이상의 금속간 화합물을 층상으로 형성시킴으로써, 복수의 상(相)의 특징을 통합하여 이용하는 것도 가능하다.

또한 본 발명의 본딩 와이어에 있어서, 확산층, 금속간 화합물 등의 중간층의 근방에 심선과 외주부 중 어느 쪽에 포함되는 용질 원소를 농화(濃化)시키는 방법도 이용할 수 있다. 이는 계면에 형성되는 중간층에는 고용하지 않는 용질 원소를, 미리 심선 또는 외주부의 부재에 첨가시킴으로써, 이들 층의 형성에 따라 중간층/심선 또는 중간층/외주부의 경계 근방에 용질 원소를 배출시킬 수 있게 된다. 농화역(濃化域)의 생성에 따라 국소적으로 강도를 증가시킬 수 있으며, 용질 원소를 평균적으로 분포시킨 경우보다도 더욱 구부림 강성의 상승 효과를 높이는데 유리하다. 이와 같은 효과를 이용하기 위한 농화 정도는, 부재에 포함되는 용질 원소의 농도 보다도 5％ 이상 농도가 상승되어 있는 것이 바람직하다.

다음에, 확산층, 금속간 화합물층의 형성에 의한 특성의 향상 효과, 막 두께등에 대해 더욱 설명한다.

본 발명에서는 계면에 형성된 확산층 또는 금속간 화합물층이 심선/외주부와의 계면의 밀착 강도를 향상시키므로, 통상의 2층 본딩 와이어에서는 문제가 발생했었던 제조시의 계면 박리, 본딩시의 루프 제어 또는 접합에 있어서의 계면 박 리 등을 억제할 수 있게 된다. 즉, 와이어에 상당한 구부림 변형이 가해지더라도, 심선/외주부의 계면에서 박리가 일어나지 않는 충분한 밀착성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 수지 밀봉시에는 고점성의 에폭시 수지가 고속으로 유동함으로써, 와이어 전체에 구부림 모멘트가 가해져, 와이어가 변형된다(이를 와이어의 수지 흐름이라 한다). 이 같은 와이어의 수지 흐름을 억제하기 위해서는 구부림 강성을 높이는 것이 매우 유효하다.

중간층 복합 본딩 와이어에서는 인장 강도, 항복 강도, 탄성율, 구부림 강성 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 특히 구부림 강성을 대폭 증가시킴으로써, 수지 밀봉시의 와이어 변형의 억제 효과를 한층 높일 수 있다. 즉, 중간층 복합 본딩 와이어의 구부림 강성은, 종래의 단층 본딩 와이어 보다도 높은 값을 얻을 뿐아니라, 2층 본딩 와이어와 비교하더라도, 심선, 외주부 보다도 강도, 강성이 높은 확산층 또는 금속간 화합물층을 중간역으로 형성한 것, 또 와이어 단면에서 보면 중간층을 포함하여 3층 이상의 구조인 것 등에 기인하여, 구부림 강성을 대폭 높이는 효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 단층 본딩 와이어에서는 대응이 곤란한 것으로 여겨졌던 협피치화, 세선화에도 대응할 수 있다.

또한, 중간층 복합 본딩 와이어에서는 와이어의 강도, 구부림 강성 등을 증가시킬뿐 아니라, 아울러 볼 형성성, 접합 강도 등도 향상할 수 있는 것도 큰 이점이다. 종래의 단층 본딩 와이어에서는 강도 증가를 위한 합금 원소의 고농도 첨가에 의해 문제가 발생되는 경우가 많고, 예를 들면 볼 형성시의 산화에 의한 수축 공동의 발생, 그에 따른 접합 강도의 저하가 일어나거나, 또한 고강도화에 의해 웨지 접합성이 저하하는 것이 우려되었다. 그에 대해, 고강도재를 심선에, 접합성이 양호한 재료를 외주부에 이용하여, 그 계면에 중간층을 형성시킴으로써, 고강도화와 고접합성이라는 종래에는 상반하는 것으로 여겨졌던 특성을 양립시킬 수 있으며, 더욱이 그 심선과 외주부의 비율을 조정함으로써, 용융된 볼부에 포함되는 합금 농도를 낮게 억제함으로써, 볼부의 산화, 경화 등을 억제할 수 있다. 이 같은 점에서는 종래의 심선과 외주부에 의한 2층 본딩 와이어에서도 단층 와이어에 비하면 어느 정도는 대응할 수 있지만, 요구를 충분히 만족하기 어렵다. 그에 대해, 중간층을 형성한 중간층 복합 본딩 와이어를 사용함으로써, 2층 본딩 와이어와 비교하더라도, 강성율의 대폭적인 향상에 의해 수지 밀봉시의 와이어 변형을 저감하고, 웨지 접합시의 계면 박리를 억제할 수 있으며, 더욱이 볼 형성시의 열영향에 의해 연화되는 네크부의 강도를 보다 증가시킬 수 있는 등, 특성의 개선 효과는 크다. 특히, 이와 같은 효과는 세선화할수록 중요해지며, 중간층 복합 본딩 와이어에서는 칩상의 전극 간격이 50㎛ 이하에서의 와이어 본딩, 또한 선 지름 20㎛ 이하, 더욱이 18㎛ 이하의 극세선의 실용화 등에도 매우 유리하다.

이와 같은 개선 효과를 충분히 얻기 위해서는, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 지배하는 구부림 강성의 영향, 더욱이 그 구부림 강성을 향상시키기 위한 중간층 복합 본딩 와이어의 구조 등에 대하여, 충분히 고려하는 것이 중요하다. 이에 대해 이하에 상세히 설명한다.

수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하기 위한, 구부림 강성의 영향에 대해서 는 실험에 의해 확인할 수 있었으나, 또한 변형의 해석으로도 충분히 이해할 수 있음을 밝혀내었다. 예를 들면, 간소화하여 생각하기 위하여 와이어의 일단을 고정한 캔틸레버로 가정하여, 양 전체 길이 L에 걸쳐 분포 하중 q가 가해질 때의 와이어 변형을 생각해 본다. 이 때의 최대 휨량 Ymax는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

Ymax = qL⁴/(8EI) ‥‥‥ (1)

여기에서 E는 탄성율, I는 단면 2차 모멘트이다. 여기에서 심선/중간선/외주부로 이루어지는 와이어에서는 식(1)의 탄성율과 단면 2차 모멘트의 곱 EI는 심선(In), 중간층(Mid), 외주부(Out) 각각의 부재의 탄성율 E_In,E_Mid,E_Out및 단면 2차 모멘트 I_In,I_Mid,I_Out을 이용하여 다음 식으로 근사할 수 있다.

EI_z= E_InI_In+E_MidI_Mid+ E_OutI_Out‥‥‥ (2)

또한, 심선의 내경 d₁, 와이어 직경d₂,중간층의 두께 r을 이용하면, 심선, 중간층, 외주부 각각의 단면 2차 모멘트 I_In,I_Mid,I_Out은

I_In = π·d₁ ⁴/64 ‥‥‥ (3)

I_Mid= π((d₁+r)⁴-d₁ ⁴)/64 ‥‥‥ (4)

I_Out= π(d₂ ⁴-(d₁+r)⁴)/64 ‥‥‥ (5)

로 나타낼 수 있다.

식(1)로부터 탄성율과 단면 2차 모멘트의 곱 EI를 증가시킴으로써, 와이어 변형량 Ymax를 저감할 수 있음이 판명되었다. 또한, 중간층을 가지지 않은 종래의 2층 본딩 와이어와 비교하면, 식(2)에 있어서 E_Mid, I_Mid의 항이 추가되었으며, 단면 2차 모멘트의 상승 효과를 높이기 위해서는, 중간층은 탄성율 E_Mid가 높은 재료를 이용하거나, 중간층의 두께를 두껍게 함으로써, 보다 높은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또한, 식 (3) 내지 (5)를 비교함으로써 동종 금속에 의한 심선과 외주부 사이에 중간층을 형성시키는 것이 구부림 강성의 향상에 유리함을 알아 내었다. 예를 들면, 심선 또는 외주부에 함유하는 용질 원소가 고농도측으로부터 저농도측에 확산하여, 확산층은 주로 저농도측에 형성되는 점으로부터, 식(4)의 확산층 두께 r이 증가하는 것은 주로 저농도측이므로, 탄성율이 낮은 저농도측의 부재층의 두께가 감소한다. 따라서, 탄성율이 낮은 저농도측의 부재 두께가 줄어서, 그 만큼 저농도측보다 탄성율이 높은 중간층이 형성됨으로써, 와이어 전체로서의 탄성율을 증가시키는 효과도 얻을 수 있다. 이와 같은 이유에서 중간층의 탄성율이 심선 또는 외주부 중 어느 쪽의 탄성율 보다 낮더라도, 식(2)의 와이어 전체로서의 EI_Z를 높이는 효과를 얻을 수 있음이 확인되었다. 또한, 이 같은 저농도측으로의 용질 원소의 확산을 촉진하기 위해서는, 용매 원소보다도 신속하게 확산하는 용질 원소를 부재중에 함유시키는 것이 바람직하다.

계면에 형성된 금속간 화합물층은 확산층과 비교하면, 계면 밀착성을 향상시 키는 효과는 같지만, 구부림 강성 등의 기계적 강도에 대해서는 보다 높은 효과가 얻어진다. 즉, 금속간 화합물은 고강도이고, 특히 탄성율은 확산층 보다도 높은 점으로부터, 금속간 화합물 형성에 의해 식(2)의 E_Mid가 보다 증가하고, 확산층만을 형성하는 경우보다도 구부림 강성이 상승하고, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하는 효과를 대폭 높일 수 있다. 금속간 화합물의 조성은, 열평형적으로 존재하는 금속간 화합물의 상중 어느 것이지만, 그 상을 선택적으로 생성시킴으로써, 구부림 강성 등의 특성 발현의 효과를 높일 수 있다.

또한, 중간층 복합 본딩 와이어의 구성으로는, 전술한 바와 같은 확산층, 금속간 화합물층이 개별적으로 형성되어 있는 경우 이외에도, 확산층과 금속간 화합물층이 계면에 동시에 형성되어 있는 경우에는 기계적 특성을 향상하는 효과를 상승적으로 높이는 효과를 얻을 수 있다. 도1c에는 일예로서, 심선(1)/금속간 화합물층(4)/확산층(3)/외주부(2)의 구조를 한 본딩 와이어의 단면을 나타내며, 그 외에도, 심선/확산층/금속간 화합물층/외주부, 및 심선/확산층/금속간 화합물층/확산층/외주부 등의 케이스도, 본원 발명의 중간층 복합 본딩 와이어에 포함된다.

식(4)로부터도 알 수 있는 바와 같이, 확산층 및 금속간 화합물층의 두께 r은 중요한 인자이다. 확산층의 두께는 0.05 ㎛ 이상이면, 밀착성 및 인장 강도, 항복 강도, 구부림 강성을 향상하는 충분한 효과가 얻어진다. 바람직하게는 확산층의 두께가 0.2 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 볼 형성시의 열영향부(네크부)의 강도를 높일 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는 확산층의 두께가 1.0 ㎛ 이상이면, 구부림 강성을 대폭 높여서, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제할 수 있고, 더욱이 네크부의 강도도 증가시켜, 여기에서의 파단을 억제하는 효과도 얻을 수 있다.

또한, 금속간 화합물층의 두께는 0.03 ㎛ 이상이면, 밀착성을 개선하고 인장 강도, 탄성율, 구부림 강성 등을 향상하는 충분한 효과가 얻어진다. 또한, 바람직하게는 금속간 화합물층의 두께가 0.1 ㎛ 이상이면 구부림 강성을 높이는 효과가 현저해지고, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제할 수 있으며, 더욱이 제조중 및 루프 형성중에서의 금속간 화합물층의 파괴도 저감된다. 더욱 바람직하게는 1 ㎛ 이상이면 구부림 강성을 대폭 높임에 의해, 협피치 접속에 필요로 하는 선 지름 20 ㎛ 이하의 세선으로도 양호한 루프 형성, 접합성 등이 얻어진다.

확산층, 금속간 화합물층 등의 중간층의 두께의 상한은 특별히 없지만, 심선/중간층/외주부로서의 기능을 효율적으로 발휘시키기 위해서는, 중간층의 두께를 선 지름의 7할 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 경질인 금속간 화합물층을 형성하는 경우에는 신선 가공이 곤란해지므로, 생산성을 중시하면, 금속간 화합물층의 두께는 선지름의 5할 이하로 억제하는 것이 보다 바람직하다.

중간층의 측정에는 EPMA, EDX, 오제 분광 분석법, 투과형 전자 현미경(TEM) 등을 이용할 수 있다. 와이어의 연마 단면에 있어서 심선과 외주부와의 계면을 사이에 포함한 라인 분석을 행함으로써, 확산층, 금속간 화합물층의 두께, 조성 등을 알 수 있다.

확산층의 측정 방법에 대해, 이하에 구체예를 들어 설명한다.

실제로 확산층을 관찰하는 한 기법으로서, 와이어 단면에서의 심선/외주부의 계면을 사이에 둔 영역에 있어서 라인 분석을 행하는 것이 유효하다. 이 같은 분석 결과에 있어서 확산층의 경계 근방의 농도 프로파일로서는, 농도가 불연속하게 변화하는 경우와, 연속적으로 변화하는 경우로 나누어져, 각각에서 확산층의 판별이 약간 다르다. 경계 근방에서 불연속하게 변화하는 전자의 경우에는, 용질 원소의 농도 변화에 불연속성이 발생하는 위치를 확산층의 경계로서 인식할 수 있고, 그 심선측 및 외주부측과의 경계에서 끼인 영역이 확산층이다. 한편, 경계 근방에서 연속적으로 농도 변화하는 후자의 경우에는, 측정 거리에 대한 농도 변화의 기울기에 주목하는 것이 유효하며, 확산층이 형성되지 않은 경우와 비교하여, 확산층이 형성된 시료에서는 농도 기울기가 완만해짐으로써 판별할 수 있다. 이 같은 연속적으로 변화하는 경우에서의 확산층의 경계 결정 방법으로서, 측정 거리와 농도의 그래프에 있어서, 확산층내의 경계 근방에서의 농도 기울기를 외삽한 직선과, 심재 또는 외주층내에서의 농도를 외삽(外揷)한 직선이 교차하는 부위로서 판정할 수 있다. 이와 같은 확산층의 경계에서의 농도 변화가 연속적인지 불연속적인지에 따라서 확산층의 식별법을 바꿈으로써, 확산층의 두께 등을 우수한 정도로 측정할 수도 있다.

도2a 및 도2b에 오제 분광법에 의한 와이어 단면의 라인 분석 방법의 개요를 도3, 도4, 도5에 그 분석 결과를 나타낸다. 도2a에는 선의 길이 방향과는 수직으로 단면 연마한 시료를 이용하여, 심선(1)과 외주부(2)의 계면에 형성된 확산층(3)을 횡단하도록, 분석 라인(6)에 따라서 분석을 행하는 것을 나타내며, 도2b에는 비교로서 확산층을 형성하지 않고, 심선(1)과 외주부(2)에 의해 구성되어 있는 단면 을 나타낸다. 여기에서 오제 분광 분석을 이용한 이유는, 미소 영역의 분석에 적합하며, 확산층이 얇은 시료의 분석 등에 유효하기 때문이다. 도3은 Au의 심선과 Au-20％ Pd 합금의 외주부와의 조합으로 확산층을 형성한 경우이다. 도4a는 Au의 심선과 Au-30％ Ag 합금의 외주부와의 조합으로 확산층을 형성한 경우이며, 또한 동일 심선과 외주부의 조합으로 확산층이 형성되지 않은 경우의 결과를 도4b와 비교한다. 분석은 0.05 ㎛ 간격으로 수행했다.

또한, 도5a 및 도5b는 Ag 심선과 Au 외주부의 조합의 와이어를 이용하며, 확산층을 형성한 와이어 시료 도2a에서의 결과 도5a와, 확산층이 형성되지 않은 와이어 시료 도2b에서의 결과 도5b를 비교한다. 분석은 0.05 ㎛ 간격으로 수행했다.

*우선, 확산층이 형성되어 있지 않은 와이어 도2b의 측정 결과 도4b, 도5b에는 심선/외주부의 계면 근방에서 농도의 연속적인 변화가 발생되었다. 이는 심선/외주부의 계면을 가로질러 라인 분석할 때, 분석 영역이 그 계면을 포함하는 경우에 통상, 외관상 농도가 변화된 것처럼 관찰되는 현상이다. 현재의 분석 기법, 정도 등의 관계상, 이와 같은 연속적인 농도 변화가 관찰되는 것을 회피하기 어렵다. 한편, 확산층을 형성한 와이어 도2a의 분석 결과 도3, 도5a에서는 불연속한 농도 변화가 발생되고, 그 불연속하게 변화된 부위를 확산층으로서 인식할 수 있으며, 더욱 그 확산층의 경계는 불연속한 농도 변화가 검출되는 계면으로서 확인할 수 있다. 또한, 분석 결과 도4a에서는 확산층의 경계 근방의 농도 변화가 연속적이지만, 확산층이 형성되어 있지 않은 도4b와 비교하여, 측정 거리에 대한 농도 기울기 가 완만하게 되어 있는 점에서, 확산층의 형성을 확인할 수 있다. 이 경우, 확산층의 경계의 판정에는 확산층내의 농도 기울기를 외삽한 직선 m과, 외주부내에서의 농도를 외삽한 직선 n이 교차하는 부위 p를 경계로 함으로써, 확산층의 영역을 재현성 높게 평가할 수 있다. 이들 도3, 도4a, 도5a의 분석 결과로부터도 확산층은 와이어 단면의 분석에서의 농도 변화로서 검출할 수 있으므로, 이와 같은 와이어 단면에서의 분석법에 의해, 확산층을 식별하는 것은 충분히 가능하게 된다.

확산층의 두께가 0.5 ㎛ 이하이거나, 또는 농도가 희박한 등의 이유로 인하여, 분석의 정도를 향상하려고 할 때에는, 라인 분석의 분석 간격을 좁게 하거나, 계면 근방의 관찰하려고 하는 영역으로 좁혀서 점분석을 행하는 것도 유효하다. 또한, 와이어를 비스듬히 연마하여, 확산층의 두께를 확대시켜 측정함으로써, 0.01 ㎛ 정도까지 분해 정도를 향상시키는 것도 가능하게 된다. 또한, 조성을 알기 위해서 정량성을 높일 필요가 있는 경우에는, 확산층의 구성 부재와 동종의 재료를 목적의 조성으로 하도록 용제한 시료를 미리 준비하여 두고, 그것을 표준 시료로서 이용하여, 분석의 검량선을 구함으로써, 농도의 정도를 높일 수 있다. 그 밖에, 0.05 ㎛ 보다도 얇은 중간층의 두께 및 조성을 양호한 정밀도로 측정하기 위해서는, 번거롭기는 하지만, 중간층을 포함한 박막 시료를 제조하고 TEM에 의한 관찰 및 전자선 회선등을 이용하는 것이 유효하다.

본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어에 있어서, 심선/외주부 사이에 확산층, 금속간 화합물층 등의 중간층을 형성함으로써 기계적 특성, 생산성, 루프 형성성 등을 향상할 수 있으나, 더욱이 본딩 와이어로서의 사용 성능을 종합적 으로 만족시키기 위해서는 심선 및 외주부를 구성하는 부재의 선정이 중요하다. 즉, 심선 부재/외주 부재의 구성이, 금속/합금, 합금/금속, 합금/합금의 조합을 각각 이용함으로써, 웨지 접합성, 볼 접합성, 구부림 강성, 표면성상 등을 제어할 수 있게 된다.

이하에 본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어에 관해, 심선과 외주부의 부재의 조합으로 나누어, 특징을 개별적으로 설명한다.

우선은, 외주부가 도전성의 금속, 심선은 그 금속을 주성분으로 하는 합금이며, 그 사이에 확산층을 형성한 와이어(이하, 합금_In/확산층/금속_Out이라 한다)에서는 심선의 합금화에 의해 고강도화를 달성하면서, 외주부를 금속으로 함으로써 웨지 접합성도 향상할 수 있다. 여기에서 웨지 접합성이란, 리드상의 Ag 및 Pd의 도금층, 또는 기판상의 Au 도금, Si 칩상의 Al 전극막 등에 대하여 와이어를 직접 접합하는 경우에 있어서, 접합부 박리와 볼부의 이상 형상 등의 불량을 발생시킴 없이 양호한 고속 본딩성을 얻을 수 있으며, 더욱이 웨지 접합부에서의 접합 강도를 높이면서, 웨지 접합부 근방에서의 풀 강도도 확보하는 것 등을 동시에 만족시킬 수 있다. 외주부의 금속에 의해 와이어 표면의 산화, 유화(硫化) 등이 경감되고, 접합 계면에서의 확산을 촉진함으로써 접합 강도를 상승시키고, 더욱이 확산층의 형성에 의해 접합부 박리를 억제하여, 웨지 접합부 근방에서의 풀 강도를 향상할 수 있다.

종래의 동종의 금속으로 이루어지는 합금_In/금속_Out의 2층 구조인 와이어에서 는, 구부림 강성의 향상이 충분하지 않은데 비하여, 그 사이에 확산층을 형성하여 합금_In/확산층/금속_Out으로 함으로써 구부림 강성 등의 기계적 특성의 향상을 가능하게 한다. 이는 전술한 바와 같이, 저농도인 금속_Out측에 확산층을 주로 형성시켜서, 그 부위의 탄성율을 증가시킴으로써, 확산층을 가지지 않는 종래의 2층 본딩 와이어에 비하여, 식(2)에서 나타낸 와이어 전체의 탄성율과 단면 2차 모멘트의 곱 EI를 증가시킬 수 있기 때문이다. 종래의 2층 본딩 와이어에서는 구부림 강성을 높이기 위해 합금_In을 보다 고농도화 하거나, 합금_In의 면적을 증가시켜야만 했으므로, 볼부 내부도 고농도화하여 접합성이 저하되는 문제가 발생되었으나, 본 발명에서는, 이와 같은 수단을 이용하지 않더라도, 확산층의 형성에 의해 구부림 강성을 상승시킬 수 있으므로, 그와 같은 볼부의 고농도화의 문제도 개선할 수 있게 된다.

이와 같은 합금_In/확산층/금속_Out의 구조에서의 고강도와 웨지 접합성을 겸비시키기 위해서는, 와이어의 직경(d₂)에 대한 심선의 직경(d₁)의 비율(d₁/d₂)을 0.2∼0.8의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이것은 식(3)∼(5)에서 나타내어지는 단면 2차 모멘트 I를 비교한 바, 심선, 중간층, 외주부 각각의 단면 2차 모멘트를 종합적으로 높이기 위해서는 d₁/d₂는 상기 범위가 바람직하기 때문이다.

이어서, 심선은 도전성의 금속이며, 외주부는 그 금속을 주성분으로 하는 합금으로서, 그 사이에 확산층을 형성한 와이어(이하, 금속_In/확산층/합금_Out이라 한다)에서는 구부림 강성 등을 보다 증가시켜, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하 는 효과를 높일 수 있다. 확산층이 형성되어 있지 않은 금속_In/합금_Out의 구조에서는, 신선중에는 외주부의 합금이 가공되기 어려우므로, 와이어 제조시에 밀착성의 저하에 관한 문제가 합금_In/금속_Out의 경우 보다도 많이 발생한다. 그러므로, 확산층을 형성시켜 금속_In/확산층/합금_Out으로 함으로써, 생산성을 대폭 향상할 수 있다. 또한, 외주부의 합금은 심선의 금속 원소를 용매로 하고, 그 용매중에 고용 또는 석출하여 강도를 높이는 원소를 함유시키는 것이 바람직하다.

외주부를 합금으로 함으로써, 웨지 접합 계면에서의 확산을 억제하는 것이 어려워질 경우가 있으며, 특히 세선화 또는 저온 접합 등에 있어서 접합 강도를 확보하는 것이 곤란해진다. 그것을 개선하기 위해서는 외주부에 함유되는 용질 원소의 농도를 균일화시키는 것이 바람직하고, 접합 계면에서의 확산을 안정화시키는 효과를 얻을 수 있다. 이 같은 결과를 얻기 위해서도, 균일화된 외주부가 0.5 ㎛ 이상의 두께인 것이 바람직하다.

또한, 심선 보다도 고강도인 합금을 외주부에 이용한 와이어에서는 전술한 금속의 외주부와 그 합금의 심선으로 이루어지는 와이어보다도, 구부림 강성을 향상하는 효과를 보다 높일 수 있다. 식(3),(5)를 이용하면, 심선과 외주부의 단면 2차 모멘트를 계산으로 구할 수가 있다. 예를 들면, 와이어의 직경(d₂)이 심선의 내경(d₁)의 2배인 경우(d₂=2d₁)에는, 중간층의 두께(r)는 심선의 내경(d₁)에 비하여 작다고 가정하면, 외주부의 단면 2차 모멘트 I_Out는 심선의 I_In의 15배(I_Out=15·I_In )가 되며, 또한 심선과 외주부의 면적이 동등한 경우(d₁ ² =d₂ ²)에는, 외주부의 단면 2차 모멘트 I_Out는 심선의 그I_In의 3배(I_Out= 3·I_In)가 된다. 이와 같은 해석으로부터도 구부림 강성을 높이는 효과는 외주부 쪽이 심선 보다도 큰 것을 확인할 수 있다. 더욱이 식(4)로부터도 외주부에 탄성율이 높은 부재를 이용한 편이, 와이어의 구부림 강성을 향상하는 효과를 보다 높일 수 있다. 이 같은 이유에서도 상술한 심선을 금속, 외주부를 그 합금으로 하는 와이어(금속_In/확산층/합금_Out)에서는, 구부림 강성을 높일 수 있다. 또한, 금속의 심선의 내경(d₁)은 와이어 직경(d₂)에 대하여 84％ 이하인 것이 바람직하다. 이는 식(3),(5)의 해석에 따라, d₁＜ 0.84·d₂로 함으로써, I_Out＞I_In의 관계를 만족할 수 있기 때문이며, 즉 심선의 내경(d₁)을 와이어 직경의 84％ 이하로 억제함으로써, 외주부의 단면 2차 모멘트 쪽을 심선의 그것 보다도 높일 수 있다는 근거에 따른다.

외주부와 심선을 동종의 도전성의 금속을 주성분으로 하는 합금으로 하고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다르며, 더욱이 그 외주부와 심선 사이에 확산층 또는 금속간 화합물층 중 적어도 1종을 형성한 와이어(이하, 합금_In/중간층/합금_Out이라 한다)로 함으로써, 구부림 강성 등을 보다 증가시켜, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하는 효과를 높일 수 있다. 여기에서 중간층이 형성되어 있지 않은 합금_In/합금_Out이면, 계면에서의 밀착성이 불충분하며, 제조시의 단선과, 고속 본딩 중의 루프 형상 불량 등을 일으키기 쉽다. 그에 대해, 중간층을 형성한 합금_In/중간층/합금_Out의 구조로 함으로써, 심선과 외주부의 구부림 강성을 동시에 높일 수 있으며, 더욱이 외주부와 심선과의 밀착성도 대폭 향상할 수 있다. 외주부와 심선의 합금중에 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다른 용질 원소를 함유시킴으로써, 중간층을 형성시킬 수 있다. 예를 들면, 결합력이 강한 2종 이상의 원소를 외주부와 심선으로 나누어 함유시킴으로써, 계면에 금속간 화합물층의 형성을 촉진시킬 수도 있다. 구부림 강성을 보다 높이기 위해서는, 외주부의 합금에는 심선의 합금 보다도 탄성율이 높은 부재를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 구부림 강성을 보다 높이기 위해서는 외주부의 합금에는, 심선의 합금 보다도 탄성율이 높은 부재를 이용하는 것이 바람직하다. 접합성의 안정화를 도모하기 위해서도, 외주부의 합금내의 용질 원소 농도를 균일화시키는 것이 바람직하다. 심선과 외주부의 비율은 볼부의 특성, 와이어의 강도, 접합성 등에 있어 중요하며, 실용적으로는 심선과 외주부 모두 면적 비율이 10％ 이상인 것이 바람직하다. 이는 면적 비율이 10％ 이상이면, 심선과 외주부의 부재가 확산 열처리에 의해 소비되어 소실됨 없이, 사용시에 심선과 외주부로서의 역할을 충분히 다할 수 있기 때문이다. 또한 본 발명에 있어서, 면적비율이란 와이어의 축방향에 수직인 단면에 있어서의 전체 단면적에 대한 각부의 단면적의 비율이다.

상술한 본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어의 합금_In/확산층/금속_Out, 금속_In/확산층/합금_Out, 합금_In/중간층/합금_Out의 3종의 와이어에 공통되는 점으로서 심선과 외주부를 동종의 용매 원소를 이용하며, 이에 따라, 와이어의 강도, 구부림 강성 등을 증가시킬 뿐만아니라, 아울러 볼부의 형성성 및 접합 강도 등도 향상할 수 있다. 종래의 단층 본딩 와이어에서는 강도 증가를 위해 합금 원소를 고농도에 첨가하면 문제가 발생되는 경우가 많고, 예를 들면 볼 형성시의 산화에 의한 수축 공동(shrinkage cavity)의 발생, 그에 따른 접합 강도의 저하가 발생되기도 하는 것이 우려되었다. 또한, 동종의 용매 원소로 이루어지는 심선과 외주부를 이용하더라도 중간층이 형성되어 있지 않은 종래의 2층 구조에서는, 볼부 전체로서 함유되는 합금 농도를 낮게 억제함으로써, 볼부의 접합성은 향상할 수 있지만, 와이어의 강도, 구부림 강성 등이 충분하지 않고, 한편으로 그들 기계적 특성을 증가시키기 위해서, 합금 전체를 고농도화하거나 합금의 면적을 증가시키면, 볼부내도 고농도화하여 접합성이 저하되는 문제가 발생된다. 그에 대해, 외주부/중간층/심선의 다층 구조로 함으로써, 고강도화와 고접합성이라는 종래에는 상반하는 특성을 양립시킬 수가 있다.

본 발명의 (2) 내지 (5)에 기재된 본딩 와이어에 있어서, 외주부가 합금인 금속_In/확산층/합금_Out, 합금_In/중간층/합금_Out의 와이어에서는 외주부(2)의 더욱 외측에, 심선(1) 및 외주부(2)의 용매 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층(7)을 형성함으로써, 웨지 접합성, 볼 접합성, 루프 안정성 등을 더욱 높일 수 있다. 이 같은 최표면 동종 금속층(7)/외주부(2)/중간층(5)/심선(1)으로 구성되는 와이어 단면의 모식도를 도6a에 나타낸다. 도6a에 있어서, 중간층(5)은 금속간 화합물층(4)에 의해 구성되어 있다. 합금에 함유되는 용질 원소가 와이어 표면에서 편석과 산화함으로써, 웨지 접합성이 저하되거나, 모세관형 내벽과 와이어의 마찰을 상승시킴으로써 루프 형상의 불균일함의 원인이 되는 경우가 있다. 그에 대해 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 형성하여, 최표면 동종 금속층/외주부/중간층/심선으로 구성시킴으로써 표면의 편석 및 산화를 저감할 수 있으며, 더욱이 표면 근방을 내부 보다도 연질로 함으로써 접합시의 와이어 변형을 적당한 정도로 진행시킬 수 있기 때문에, 저온에서의 웨지 접합성을 개선할 수 있다. 더욱이 최표면층의 금속이 심선 및 외주부의 용매 원소와 같으므로, 용융된 볼부내에서의 용매 원소의 농도를 상승시킴으로써, 볼부의 산화, 경화 등을 저감하여, 볼 접합성을 개선하는 효과도 얻을 수 있다. 특히 심선과 외주부 모두 합금인 합금_In/중간층/합금_Out와이어에서는, 용질 원소에 의해 볼부가 경화하여 칩 손상을 주는 것이 가장 우려된다는 점에서, 동종 금속의 최표면층(7)을 형성함으로써, 볼 접합성을 향상하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 최표면층(7)의 금속은 순도가 99.5％ 이상인 것이 바람직하다. 최표면층(7)의 두께는 선 지름의 0.1％∼10％의 범위인 것이 바람직하고, 이 범위이면 웨지 접합성과 볼 접합성의 양자를 개선하는 충분한 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 여기에서 최표면층을 형성하는 방법으로서는, 중간층을 형성한 와이어의 표면에, 도금, 증착 등에 의해 형성하는 것이 유효하다. 막형성의 단계에서 보면, 최종 선 지름으로 막형성하는 방법, 또는 최종 선 지름 보다도 조금 굵 은 지름으로 막 형성한 후에 신선 가공하는 방법 중 어느 것이어도 무관하다. 또한 도6b에 도시한 바와 같이, 최표면 동종 금속층(7)과 외주부(2)와의 사이에 중간층(5)을 형성시켜, 최표면 동종 금속층(7)/중간층(5)/외주부(2)/중간층(5)/심선(1)의 구성으로 함으로써, 그 계면의 밀착성을 개선할 수 있으며, 예를 들면 웨지 접합시의 초음파 진동을 높여도 계면 박리 등의 불량 발생을 억제할 수 있다. 도6b에 있어서, 외주부(2)와 심선(1) 사이의 중간층(5)은 확산층(3)에 의해 구성되어 있다.

본 발명의 본딩 와이어에 있어서는, 심선과 외주부의 비율도 볼부의 특성, 와이어의 강도, 접합성 등에 있어 중요하며, 실용적으로는 심선과 외주부 모두 면적 비율이 10％ 이상인 것이 바람직하다. 이는 면적 비율이 10％ 이상이면, 심선과 외주부의 부재가 확산 열처리에 의해 소비되어 소실됨 없이, 사용시에 심선과 외주부로서의 역할을 다할 수 있기 때문이다. 더욱이, 면적 비율은 와이어의 강도, 접합성, 와이어 변형으로의 저항 등을 좌우할 뿐만아니라, 와이어 선단을 용융하여 형성되는 볼부에서는, 면적 비율로 혼합된 합금이 되고, 그 조성에 의해 볼부의 구형성(sphericity), 경도, 변형능(變形能), 표면성상(表面性狀) 등이 결정되게 된다. 예를 들면, 면적 비율을 적정화함으로써, 볼부가 너무 단단하여도 반도체 기판에 손성을 미치거나, 볼 표면이 산화되어서 접합성이 저하하는 등의 불량을 회피할 수 있다. 따라서, 심선과 외주부를 구성하는 원소에 따라서. 그 와이어의 요구 특성을 종합적으로 검토시킬 수 있으므로, 면적 비율을 적정화할 필요가 있다. 또한, 본 발명에 있어서 면적 비율이란, 와이어의 축방향에 수직인 단면에서의 전 단 면적에 대한 각부의 단면적의 비율이다.

심선/외주부의 계면에 확산층과 금속간 화합물층을 형성하기 위해서는 계면에서의 확산을 촉진하는 확산 열처리가 필요하다. 심선과 외주부가 다른 부재로 이루어지는 선을 준비하고, 이에 확산 열처리를 실시하게 되는데, 그 확산 열처리를 실시하는 타이밍은 3종류로 분류된다. 첫째로는 심선과 외주부를 조합시키기만 한 부재(이하, 초기 복합 부재라 한다)에 확산 열처리를 실시(초기 가열), 그 후에 신선 가공에 의해 세선화하는 방법과, 둘째로 초기 복합 부재에 어느 정도의 선 지름까지 신선한 후에, 확산 열처리(중간 가열)을 실시하고, 더욱이 선 지름까지 신선한 후에, 확산 열처리(최종 가열)를 실시하는 방법이다.

확산 열처리를 굵은 지름의 단계에서 행하는 이점은, 확산층 및 금속간 화합물층이 그 후의 신선 가공에서의 계면 박리를 방지하는 역할을 수행할 수 있는데 있고, 한편 우려되는 점으로서 최종 선 지름의 단계에서 필요한 두께를 확보하는데에는 신선 가공에 따라 중간층도 얇게 가공되는 정도를 예측하고, 초기의 중간층 형성 조건을 적정화하는 등의 수고를 요하게 된다. 반대로 최종 단계에서 확산 열처리를 실시하는 이점은 확산층 및 금속간 화합물층의 두께를 제어하는 것이 용이한 점이며, 주의해야할 점은 신선 가공중에서의 심선/외주부의 계면 박리를 억제하기 위한 제조 조건의 검색이 필요한 것, 또는 최종 단계에서 고열 가열한 경우에 와이어 최표면에서의 산화가 우려되거나, 와이어를 연속적으로 이동하면서 확산 열처리하는 경우에는 미세할수록 긴 시간을 요하는 것 등을 들 수 있다. 상기의 특징을 이해한 다음, 조합하는 부재의 종류, 와이어의 요구 특성 등에 따라서 확산 열처리를 실시하는 타이밍 및 그 열처리 조건을 선정할 수 있다. 또한, 전술한 장점, 단점을 고려하여 확산 열처리를 1회로 수행하지 않고, 전술한 초기, 중기, 최종 단계에서의 확산 열처리를 몇가지 조합시켜서, 단계적으로 확산층 및 금속간 화합물층을 형성하는 것도 유효한 방법이다.

외주부가 산화되기 쉬운 금속이거나, 비교적 고온에서 가열하는 경우에는, 와이어 표면의 산화를 억제하기 위해, 비산화 분위기에서 열처리를 행하는 것이 필요하다. 구체적으로는 Ar, N₂ 가스 등의 불활성 가스, 또는 H₂등을 포함하는 환원성 가스 등을 가열로 중에 흘린 상태에서 열처리를 행함으로써, 확산 열처리중의 표면 산화를 억제할 수 있다.

와이어의 표면 산화는 상기의 열처리의 경우에 한정하지 않고, 와이어 제조 공정 전반과, 보관시, 본딩 공정, 수지 밀봉중 등에 있어서도 문제가 되는 경우가 많다. 특히, 최근의 협피치 세선화에 대응하거나, BGA 등의 기판 접속에 있어서 저온 접합성을 개선하는 경우에는, 와이어 표면의 산화를 억제하여, 웨지 접합성을 향상하는 것이 중요하게 된다. 그를 위해서는, 상기 본 발명의 (6) 및 (11)에 기재한 바와 같이, 중간층 복합 본딩 와이어의 외주부 표면에 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른, 또한 외주부의 금속과는 다른 도전성으로 산화가 적은 금속 또는 그 합금으로 이루어지는 최표면층(피복층)을 형성시키는 것이 유효하다. 즉, 최표면층/외주부/중간층/심선으로 구성시킴으로써, 중간층 복합 본딩 와이어의 웨지 접합성을 높이는 것이 용이해 진다. 피복하는 최표면층의 두께를 선 지름 0.05％∼ 10％의 범위로 함으로써, 웨지 접합성을 향상하는 충분한 효과가 얻어진다. 최표면층에 이용되는 금속은 Au, Pt, Pd 등의 산화가 적은 금속 및 그 합금인 것이 바람직하다. 이와 같은 두께, 재질의 최표면층을 형성함으로써, 저온 접합성을 향상할 수 있다. 이 같은 최표면층을 형성하는 방법으로는, 중간층을 형성한 와이어의 표면에, 도금, 증착 등에 의해 최표면층을 피복하는 것이 유효하다. 그 피복하는 단계에서 보면, 최종 선 지름으로 피복하는 방법, 또는 최종 선 지름보다도 다소 굵은 지름으로 피복한 후에 신선 가공하는 방법 중 어느 것이어도 무관하다. 또한, 최표면층과 외주부와의 사이에 중간층을 형성시키고, 최표면층/중간층(b)/외주부/중간층(a)/심선의 구조로 함으로써, 그 계면의 밀착성을 개선할 수 있으며, 선 지름 20 ㎛ 이하인 세선의 제조성이 향상되거나, 웨지 접합시의 초음파 진동을 높이더라도 최표면층과 외주부의 계면 박리 등의 불량 발생을 억제할 수 있다.

전술한 바와 같은, 심선과 외주부의 중간에 확산층과 금속간 화합물층을 형성시킨 본딩 와이어를 제조하기 위해서는, 확산 열처리의 조건 선정에 따라, 확산층, 금속간 화합물층의 형성을 제어할 필요가 있다. 단순히 와이어를 가열하면, 필요한 확산층, 금속간 화합물층이 형성되는 것은 아니고, 원하는 확산층, 금속간 화합물층의 형성 등을 의식한 열처리 조건의 적정화가 중요하게 된다. 통상의 와이어 제조 공정에서는 가공 왜곡 보정 어닐링과, 신장을 위한 어닐링 등이 실시되는 경우가 많지만, 이들 어닐링만으로는 본 발명의 확산층, 금속간 화합물층을 적정하게 형성시키고, 그에 따른 특성을 발현시키는 것이 곤란하다. 따라서, 목적으로 하는 확산층, 금속간 화합물층의 종류, 두께, 조성, 밀착 강도 등을 만족시키기 위해서는, 온도, 가열 시간, 속도 분위기 등의 조건과, 열처리의 전후 공정 등을 제어함이 필요하다. 그를 위해서도 심선/외주부의 계면에서의 확산 거동을 충분히 이해함으로써, 비로소 확산 열처리의 조건을 적정화하는 것이 가능해진다. 특히 이하의 관점을 따르면, 적절한 온도, 가열 시간 등을 선정할 수 있다.

확산층의 두께 L은 상호 확산 계수 Di와, 확산 시간 t에 지배되고, 그 관계는 다음 식으로 나타내어진다.

L = (Di·t)^1/2‥‥‥(6)

이 같은 상호 확산 계수 Di에 대해서는, 용매 원소를 주성분으로 하는 확산층인 경우는, 그 용매 원소중에서의 용질 원소의 확산 속도에 근사한 값이며, 한편 심선 및 외주부에 함유되는 용질 원소를 주체로 하는 확산층인 경우는,

Di = (D_Inc_In+ D_Outc_Out) ‥‥‥ (7)

로 나타내어진다. 여기에서 심선 및 외주부의 용매 금속의 확산 계수 D_In, D_Out과, 확산층중의 그들 용매 금속의 농도 c_In, c_Out(c_In+ c_Out= 1)를 이용했다. 이 같은 상호 확산 계수 Di는 확산층의 성장 속도에 상당하는 것으로, 위 식으로부터 알 수 있듯이, 확산층중의 조성 c_In, c_Out도 관여한다. 2원계의 조합에서의 확산 정수 D_In, D_Out은 비교적 많이 보고되어 있으며, 이용하는 것이 가능하다. 또한, 이 같은 상호 확산 계수 D와 가열 온도 T와의 관계는,

D = f·exp(-Q/RT) ‥‥‥ (8)

로 나타내어진다. 여기에서, Q는 확산의 활성화 에너지이며, R는 기체 상수, f는 상수이다. f와 Q는 원소의 조합에 의해 고유의 물성치이며, f와 Q가 판명되면 상호 확산 계수 Di를 알 수 있으며, 식(6)으로부터 확산층의 두께 L을 계산할 수 있다.

또한, 확산층내에 농도 분포를 발생하는 경우가 많으며, 이 같은 농도를 제어하는 것이 중요하다. 와이어의 구조를 원통형으로 가정하면, 중심으로부터 x의 거리에서의 농도 C는 근사적으로

C = a + b 1nx ‥‥‥ (9)

로 나타내어진다. 여기에서, a, b는 상수이다. 식(6)의 확산층 두께와, 식 (9)의 농도 등을 충분히 고려하여, 열처리 조건을 선정하는 것이 중요하다. 즉, 목표로 하는 확산층 두께 L과, 농도 분포 C를 얻는 데에는, 가열 온도 T가 정해지면 확산 시간 t를 구할 수 있고, 한편, 확산 시간 t가 정해져 있는 경우에는 가열 온도 T를 구할 수 있다.

금속간 화합물층의 두께 d에 대해서도 마찬가지로, 확산 시간 t와 포물선 법칙에 따르므로,

d = k·t^1/2‥‥‥ (10)

으로 나타내어진다. 성장 속도 k는 화합물층 성장의 활성화 에너지 E를 이용하여,

k = k₀·exp(-E/RT) ‥‥‥ (11)

로 나타내어진다. 여기에서, k₀, E는 금속간 화합물의 종류에 따라 대략 정해지나, 원소의 조합 등도 영향을 미치는 경우가 있다. 안정적으로 금속간 화합물을 성장시키는 데에는, 활성화 에너지 E를 넘는 열량을 줄 필요가 있으며, 또 활성화 에너지 E는 상에 따라 다르다. 따라서, 이와 같은 금속간 화합물의 성장 거동을 이해한 다음, 온도, 가열 시간 등을 제어함으로써, 생성시키려고 하는 금속간 화합물을 우선적으로 형성시키는 것을 가능하게 한다.

확산층, 금속간 화합물층 등의 중간층을 형성하기 위한 확산 열처리에서는 고온에서 가열할수록 성장이 촉진되나, 지나치게 고온으로 하면, 외주부재가 산화되어 접합성이 저하되거나, 냉각시의 열 왜곡에 의해 계면에 형성된 중간층에 균열이 발생되는 현상이 일어날 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 후보가 될 재료의 조합을 변경하여 조사한 바, 확산 열처리의 온도 T_d는, 심선, 외주부의 재료의 융점에 의해 근사적으로 나타낼 수 있음을 확인했다. 구체적으로는 확산 열처리의 온도T_d는, 심선, 외주부재의 융점의 평균치 T_m0를 이용하여,

다음의 관계

0.3T_m0 ＜ T_d ＜ 0.9T_m0 ‥‥‥ (12)

를 만족하는 것이 바람직하다. 이 같은 범위에서 온도를 설정하고, 또 가열 시간을 제어함으로써, 소정의 중간층의 두께를 얻을 수 있다.

가열로는 반드시 단일일 필요는 없고, 급속 가열, 급속 냉각을 경감시키는 편이 바람직한 경우에는, 본 가열이 전후에 예비 가열 또는 2차 가열을 두는 것도 유효하다. 특히, 계면에 형성되는 금속간 화합물의 상의 종류에 따라서는 급속 냉각에 의해 심선/금속간 화합물층 또는 외주부/금속간 화합물층의 계면에 발생하는 열 왜곡을 완화하기 위해서, 본 가열 후의 2차 가열이 유효하다. 또한, 취약한 금속간 화합물상의 생성을 억제하여, 특정의 금속간 화합물상의 성장을 촉진할 필요가 있는 경우 등, 그 취약한 상의 성장을 회피하는 수단으로는, 온도, 시간 등의 확산 열처리 조건의 적정화나, 또는 그것으로 대응할 수 없는 경우에는, 금속간 화합물의 핵생성을 제어하기 위한 예비 가열에 의해, 목적을 하는 금속간 화합물상의 생성을 촉진하는 것도 가능하다. 이와 같은 온도 범위의 다른 가열을 행하기 위해서는, 온도 설정이 다른 부위를 복수 형성시킨 가열로, 노내 온도를 연속적으로 변화시킨 가열로를 이용할 수 있다.

또한, 중간층을 형성시키려면, 상술한 확산 열처리 공정을 이용하는 방법 이외에, 심선과 외주부를 조합시킬 때에, 어느 한쪽을 용융시킨 고온 상태로 함으로써, 확산을 촉진시켜 중간층을 형성하는 방법도 가능하다. 이 같은 방법을 심선과 외주부중 어느 것을 용융시키는지로 구별하면, 미리 제조한 심선의 주위에 융융한 금속 또는 합금을 주입함으로써 외주부를 형성하는 방법, 또는 외주부로서 이용하기 위해 미리 제조한 원주형의 중앙에, 용융한 금속 또는 합금을 주입함으로써 심선을 형성하는 방법으로 나누어, 이러한 모든 방법으로 심선과 외주부 사이에 중간층을 가지도록 형성할 수 있다. 단, 중간층의 두께 및 종류를 콘트롤하는데 있 어 용융 온도, 시간, 냉각 속도 등을 제어하는 것이 중요하다. 이들 조건 설정을 위해서도, 확산 열처리 관점으로서 식 (5) 내지 (11)에서 설명한 바와 같은 확산 거동을 충분히 이해하고, 열량 및 확산 등을 관리함으로써, 목적으로 하는 중간층을 형성할 수 있게 된다. 더욱이, 이와 같은 용융 금속을 이용하는 중간층의 생성법으로서, 심선과 외주부의 적어도 한쪽을 연속 주조로 제조하는 것도 가능하다. 이 같은 연속 주조법에 의해, 상기의 주입 방법에 비하여 공정이 간략화되고, 더욱이 선 지름을 세밀화함으로써, 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

외주부와 심선의 사이, 최표면층과 외주부 사이의 양계면에 중간층을 형성시킨 최표면층/중간층(b)/외주부/중간층(a)/심선 구조의 와이어를 제조하는 데에는, 하기에 기술하는 3종류의 방법을 용도, 목적에 따라서 나누어 사용하는 것이 바람직하다. 제1 방법으로는 외주부와 심선 사이에 중간층 a를 형성한 외주부/중간층(a)/심선 구조의 와이어를 미리 제조하고, 그 표면에 최표면층을 형성하고, 마지막으로 확산 열처리에 의해 최표면층과 외주부 사이에 중간층 b를 형성시키는 방법이다. 이는 두께 0.7 ㎛ 이하의 비교적 얇은 최표면층 또는 중간층 b를 형성시킬 때, 또는 2종류의 중간층을 형성하기 위한 적정 온도가 다른 경우에 유효한 방법이다. 제2의 방법으로는, 중간층 a와 중간층 b의 2종류의 중간층을 동일 확산 열처리 공정으로 형성시키는 방법이다. 이 같은 방법에서는, 2종류의 중간층의 형성을 개별로 제어하는 것은 곤란하지만, 중간층의 형성 공정을 1회로 함으로써, 생산성을 높일 수 있는 것이 이점이다. 제3 방법으로는, 중간층 a와 중간층 b의 2종류의 중간층을 형성시키는 확산 열처리의 온도 범위를 저온과 고온으로 나누어 행하는 방법이다. 예를 들면, 온도 범위가 다른 2개의 열처리로를 이용하는 경우, 또는 열처리로 내에 온도가 다른 2종 이상이 가열대를 이용하는 경우 등이 바람직하고, 이들 모든 경우에 가열 시간, 가열대 길이 등을 적정화 함으로써, 원하는 중간층 a, b를 형성하는 것이 가능하다. 이 방법에 의해 열활성화 과정이 다른 상호 확산 또는 금속간 화합물 성장을 이용하여, 몇가지 존재할 수 있는 확산층 또는 금속간 화합물층 중 가운데에서 원하는 중간층을 두 계면에 각각 형성하는 것도 가능해진다.

본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어에 있어서, 심선 또는 외주부에 이용되는 도전성 금속이란, Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al 원소 등이 바람직하고, 더욱이 그 순도가 99.9％ 이상의 순금속인 것이 보다 바람직하다. 이는 상기 원소를 용매로 하는 금속 또는 그 합금에 의해 심선과 외주부를 구성함으로써, 전술한 중간층 복합 본딩 와이어로서의 효과를 충분히 발현할 수 있기 때문이다. 여기에서 반도체 배선의 전극부, 리드측 도금부로의 접합성을 보다 향상하기 위해서는, Au, Pd, Pt를 이용하는 것이 보다 바람직하고, 한편, 강도, 탄성율을 높이기 위해서는 Pd, Cu 원소 등이 보다 바람직하다.

심선 또는 외주부에 이용되는 금속이란, 상기의 Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al을 용매 원소로 하고, 적어도 1종 이상의 용질 원소를 총계로 0.02 내지 45％의 범위로 함유하는 것이 바람직하다. 이는 용질 원소의 농도가 0.02％ 이상이면, 순금속과 비교하여 강도, 강성을 높일 수 있으며, 농도가 45％ 미만이면, 볼부의 경화 및 경화 등을 억제할 수 있기 때문이다. 첨가하는 용질 원소는 용매 원소에 따라 다 르지만, 예를 들면 Au를 용매로 하는 경우의 용질 원소에서는 Ca, Be, In, Cu, Pd, Pt, Ag, Co, Ni, 희토류 원소 등 가운데에서 적어도 1종 이상을 총계로 0.01 내지 40％ 범위로 함유시키는 것이 유효하며, 또한 Cu를 용매로 하는 경우에는 Be, Au, Pd, Ag, Sn, Mn 등의 가운데에서 적어도 1종 이상을 총계로 0.1 내지 30％의 범위로 함유하는 것, Al을 용매로 하는 경우에는 Si, Mg, Au, Pd, Zn 원소 등의 가운데에서 적어도 1종 이상을 총계로 0.1 내지 20％의 범위에서 함유하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 심선과 외주부에 형성시키는 확산층 및 금속간 화합물층이, 용질 원소를 포함함으로써, 확산층 및 금속간 화합물층의 강도를 현저하게 향상할 수 있다.

더욱이, 용질 원소를 주성분으로 하는 확산층의 성장을 촉진시키기 위해서는, 예를 들면 Ag-Cu, Ag-Pd, Cu-Be, Pd-Pt 등의 원소의 조합의 용질 원소를 심선과 외주부로 나누어 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, 계면에 금속간 화합물층의 성장을 촉진하기 위해서는, 예를 들면 Au-Al, Ag-Al, Cu-Pd, Ag-Pd, Au-Cu, Fe-Pd 등의 조합으로, 심선과 외주부로 나누어 용질 원소로서 함유시키는 것도 유효하다.

본 발명의 (7) 내지 (11)에 기재된 본딩 와이어에 있어서, 심선 또는 외주부에 이용되는 도전성 금속은, Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al, Ni, Fe 원소 등을 용매로 하는 금속 또는 그 합금이 바람직하다. 즉, 상기 원소 가운데에서 선정된 2종류의 원소로부터, 심선과 외주부에서 다른 부재를 구성함으로써, 전술한 중간층 복합 본딩 와이어로서의 효과를 발현할 수 있다. 여기에서, 와이어 최표면에서의 산화를 억제하기 위해서는, 외주부에 Au, Pt, Pd, Ag, Al을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 또한 보다 바람직하게는, 반도체 배선의 전극부, 리드측 도금부로의 접합성을 보다 향상하기 위해서는, 외주부에 Au, Pd, Pt를 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 심선에 이용하는 부재로는 강도, 탄성율이 높은 것이 바람직하므로, Pd, Cu, Ni, Fe 원소등이 보다 바람직하다.

Ni, Fe 원소 등과 같이, 고강도이면서 심선재 또는 외주부재에 직접 이용하면, 밀착성을 확보하기 어려운 원소이더라도, 계면에 중간층을 형성시킴으로써 이용도 가능해지며, 와이어 변형을 억제하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게는 심선에 Ni, Fe 원소를 주성분으로 하는 금속 또는 그 합금을, 외주부에는 Au, Pt, Pd, Ag 등의 산화를 억제할 수 있는 원소를 이용하는 것이 바람직하고, 그 같은 구조의 와이어에서는 접합성도 향상시킬 수 있다. 또한, Ni, Fe 원소를 주체로 하는 와이어는 웨지/웨지 접합에 적합하다.

또한, 심선과 외주부의 재료의 조합에 의해, 생성하는 확산층 및 금속간 화합물층의 조성, 종류 등이 지배된다. 예를 들면, Au와 Ag의 조합에서는, 계면에 확산층은 형성되지만, 금속간 화합물층을 형성할 수는 없다. 마찬가지로, 상태도에서는 화합물이 열평형적으로는 존재하지 않음을 보더라도, 확산층만의 형성이 예측되는 2원계에는 Au-Pt, Au-Ni, Ag-Cu, Ag-Pd, Ag-Ni, Pd-Pt 등 많은 조합이 포함된다. 한편으로 Au-Al, Ag-Al 등의 조합에서는 계면에 금속간 화합물층을 형성하는 것은 용이하지만, 확산층 만을 형성하는 것은 곤란하다.

이상과 같이, 심선 또는 외주부에서의 요구 특성을 만족하고, 더욱이 그 계 면에서의 확산층 및 금속간 화합물층의 형성에 의한 밀착성, 구부림 강성의 향상 등의 충분한 효과도 얻을 수 있도록, 심선, 외주부의 부재 및 확산 열처리 조건 등을 선정하는 것이 중요하다. 예를 들면, 외주부에는 Au를, 심선에는 Cu를 이용하여, 중간층으로서 금속간 화합물(Au₃Cu, AuCu, AuCu₃)을 형성시킨 중간층 복합 본딩 와이어에서는 알루미늄 전극으로의 접합성은 양호하며, 볼부 근방의 열 영향을 받아서 강도 저하를 일으키기 쉬운 네크부에 있어서도 충분한 강도를 갖고, 더욱이 현행의 주류인 Au 본딩 와이어용의 본딩 장치를 그대로 이용할 수 있음을 확인했다.

또한, 심선 또는 외주부에 이용되는 도전성의 부재는, 순도가 99.9 질량％ 이상의 순금속이거나, 또는 이들 원소를 용매로서, 적어도 1종 이상의 용질 원소를 첨가한 합금인 것도 무관하다. 즉, Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al, Ni, Fe 원소를 용매로 하는 합금에서는, 순금속에 비하여 강도, 강성을 높일 수 있으며, 심선 또는 외주부 그 자체의 기계적 특성을 높일 수 있다. 첨가하는 용질 원소는 용매 원소에 따라 다르지만, 예를 들면 Au를 용매로 하는 경우의 용질 원소에는, Ca, Be, In, Cu, Pd, Pt, Ag, Co, Ni, 희토류 원소 등 이들 가운데에서 적어도 1종 이상을 총계로 0.01∼40％의 범위로 함유시키는 것이 유효하며, 또한 Cu를 용매로 하는 경우에는 Be, Au, Pd, Ag, Sn, Mn 등 이들 가운데에서 적어도 1종 이상의 총계로 0.1 내지 30％의 범유로 함유하는 것, Al을 용매로 하는 경우에는 Si, Mg, Au, Pd, Zn 원소 등 이들 가운데에서 적어도 1종이상을 총계로 0.1 내지 20％의 범위로 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 심선과 외주부에 형성시키는 확산층 및 금속간 화합물층이 용질 원소를 포함함으로써, 확산층 및 금속간 화합물층의 강도를 현저하게 향상할 수 있다.

또한, 본 발명의 (10)에 기재된 본딩 와이어와 같이, 심선과 외주부 사이에 중층을 형성하여, 심선과 중층과 외주부의 3층 구조로 하고, 더욱이 그 심선/중층 및 중층/외주부 각각의 계면에 확산층 또는 금속간 화합물층 중 적어도 1종 이상을 갖는 본딩 와이어로 함으로써, 고강도화, 고밀착성, 접합성 향상 등의 효과를 보다 높일 수 있다. 그 3층 구조의 중간층 복합 본딩 와이어의 구조예를 도7a 및 도7b에 나타낸다. 도7a는 심선(1)/금속간 화합물층(4)/중층(8)/확산층(3)/외주부(2)의 구조이며, 도7b는 심선(1)/확산층(3)/중층(8)/금속간 화합물층(4)/외주부(2)의 구조를 나타낸다. 여기에서, 심선/중층 및 중층/외주부 각각의 계면에 형성된 확산층, 금속간 화합물층 등의 중간층에서는 지금까지 설명한 중간층 복합 본딩 와이어에서의 심선과 외주부로 이루어지는 2층 구조의 계면에 형성된 중간층의 경우와 마찬가지의 조성, 두께 등의 구조로 함으로써, 밀착성, 기계적 특성 등을 향상시키는 대략 같은 효과를 얻을 수 있다. 중간층을 형성시키는 확산 열처리도 전술한 기법과 같아도 상관없다. 종래의 2층 구조에서도 심선/외주부의 계면에서의 밀착성의 저하가 문제가 되고, 제조가 곤란했던 점에서도, 심선과 중층과 외주부의 3층 구조 와이어는 제조가 매우 어려웠으며, 양산은 불가능했었다. 그에 대해, 심선/중층, 중층/외주부의 각각의 계면에 확산층 및 금속간 화합물층을 형성시킴으로써, 밀착성을 향상시켜 양산이 가능해 지고, 또한 중간층의 형성 부위가 두 계면이 됨으로 써, 그들 중간층에 의한 강도, 구부림 강성 등의 향상에 의한 와이어 변형의 억제 효과에 대해서도, 더욱 높일 수 있다.

이와 같은 각층의 계면에 중간층을 형성시킨 3층 구조로 함으로써, 중간층을 형성시킨 2층 구조 보다도, 와이어를 고강도화시키고, 또 루프 제어성의 개선, 웨지 접합성의 향상, 볼부의 경화 억제 등의 상반되는 특성을 만족시키는 것이 보다 용이해 진다. 예를 들면, 중층을 고강도의 금속 또는 그 합금으로 하고, 그 중층 보다도 연질인 금속 또는 합금을 심선과 외주부에 이용함으로써, 가혹한 루프 제어에 추종하여 와이어를 변형시킴으로써, 목적의 루프 형상을 달성하고, 더욱이 수지 밀봉시에는 와이어 변형을 억제할 수 있다. 또한 고강도 외주부에는 와이어의 웨지 접합성이 양호한 Au, Al, Au 등의 금속을 이용함으로써, 웨지 접합성을 향상할 수 있다. 더욱이, 심선과 외주부를 동종의 용매 원소로 이루어지는 금속 또는 합금으로 하고, 중층만 다른 경질의 재료를 이용하는 것은, 용융된 볼부내에서의 과잉으로 경화시키는 용질 원소의 비율을 저감시켜, 접합 바로 아래로의 손상을 경감하는 것에 유효하다. 이 같은 구체예로서, Au의 외주부, Cu, Pd 등의 금속 및 그 합금인 중층, Au 합금의 심선으로 함으로서, 2층 구조의 경우 보다도 볼 접합성, 웨지 접합성 등을 보다 높일 수 있다.

〔실시예〕

이하, 실시예에 따라서 본 발명을 설명한다.

<제1 실시예>

본 실시예는 본 발명의 (1) 내지 (6)에 기재된 본딩 와이어에 관한 것이다.

본딩 와이어의 원재료로서는, Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al 원소 각각에 대해 입자, 또는 소편(小片)이며, 순도가 약 99.9 질량％ 이상인 것을 준비했다.

이와 같은 고순도재 이외에도, Ca, Be, In, Cu, Ag, Pt, Pd 등의 가운데에서 1종류 이상의 원소를 총계로 0.001 내지 1％의 범위로 함유하는 Au 합금, Be, Au등의 가운데에서 1종류 이상의 원소를 총계로 0.001 내지 1％의 범위로 함유하는 Cu 합금, Si, Mg, Ag, Pt, Pd 등의 가운데에서 1종류 이상의 원소를 총계로 0.01 내지 1％의 범위로 함유하는 Al 합금 등도 개별적으로 고주파 진공 용해로에서 용해 주조에 의해 합금재를 제조했다.

심선과 외주부에서 다른 부재로 이루어지는 중간층 복합 본딩 와이어를 제조하기 위해서, 하기의 2종류의 방법을 사용했다.

제1 방법은 심선과 외주부를 개별적으로 준비하고, 그들을 조합시킨 후, 단조, 압연 등에 의해, 어느 선 지름까지 세선화한 후, 확산 열처리를 실시하고, 그 후 신선 가공에 의해 최종 선 지름까지 더욱 세선화하는 방법(이하, 삽입법이라 한다)이다. 이번에는 길이가 10 ㎝, 직경이 약 5 ㎜인 선을 준비하고, 그 단면의 중심부에 홀 지름 0.4 내지 2.5 ㎜의 범위로 관통하는 홀을 가공한 외주 부재와, 그 홀 지름과 동등한 선 지름인 심선재를 별도 제조했다. 이 같은 외주부재의 홀에 심선재를 삽입하여, 단조, 롤 압연, 다이즈 신선 등의 가공을 실시하여, 선 지름 50 내지 100 ㎛의 선을 제조했다. 그 와이어의 확산 열처리로서, 20 ㎝의 균열대(均熱帶)를 갖는 횡형 적외 가열로를 이용하여, 300 내지 900 ℃로 설정된 노중을 0.01 내지 40 m/s의 속도로 와이어를 연속적으로 이동시키면서 열처리를 실시했다. 그 확산 열처리된 와이어를 다이즈 신선에 의해 최종 지름의 20 내지 30 ㎛까지 신선하였다. 마지막으로 상기의 가열로에서 열처리를 실시함으로써, 가공 왜곡을 제거하고 신장치가 4％ 정도가 되도록 특성을 조정했다.

제2 방법은 어느 선 지름까지 세선화한 와이어를 심선재로 하여, 그 와이어 표면을 덮도록 다른 재료로 외주부를 제조한 후에, 확산 열처리를 실시하고, 그 후 신선 가공에 의해 최종 선 지름까지 더욱 세선화하는 방법(이하, 피복법이라 한다)이다. 이번은 직경이 약 200 내지 500 ㎛인 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의해 0.1 내지 30 ㎛의 두께로 외주부재를 피복하고, 선 지름 60 내지 100 ㎛까지 다이즈 신선한 후에, 상술한 가열로를 이용하여 같은 확산 열처리를 실시했다. 그 확산 열처리된 와이어를 다이어 신선에 의해 최종 지름인 20 내지 30 ㎛ 까지 더욱 신선하고, 마지막으로 가공 왜곡을 제거하여 신선치가 4％ 정도가 되도록 열처리를 실시했다.

와이어의 양산성을 평가하기 위해서, 총질량 약 50g이 되도록 배합한 와이어 시료를 삽입법에 의해 제조하여, 그 와이어를 동일 계열의 다이즈에 의해 일정 속도로 신선 가공함으로써, 선 지름 25 ㎛까지 신선하였을 때의 단선 회수를 측정했다. 그 단선 회수가 6회 이상인 경우에는 생산성에 문제가 있다고 판단하여 ×표로 나타내고, 2 내지 5회인 경우를 생산성이 충분하지 않다고 보아 △표로 나타내고, 1회 이하인 경우는 양산성에 문제 없다고 판단하여 ○표로 표현했다.

와이어의 인장 강도 및 탄성율은 길이 10 ㎝의 와이어 5개의 인장 시험을 실시하여, 그 평균치에 의해 구했다. 구부림 강성율은 캔틸레버(cantilever) 시험법 에 의해 측정했다. 구체적으로는 길이 2 내지 5 ㎝의 와이어의 일단을 고정하여, 자중에 의해 변형하는 곡선을 측정하고, 그 변형량으로부터 해석적으로 강성율을 계산했다.

본딩 와이어의 접속에는 시판의 자동 와이어 본더를 사용하여, 볼/웨지 접합 또는 웨지/웨지 접합을 수행했다. 볼/웨지 접합법에서는 아크 방전에 의해 와이어 선단에 볼(초기 볼 지름; 46 ㎛)을 제조하고, 이를 실리콘 기판상의 전극막에 접합하여, 와이어 선단을 리드 단자상에 웨지 접합했다. 여기에서 심선 또는 외주부에 Cu, Ag, Al 원소 등을 함유하는 와이어에서는 볼 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단에 N₂ 가스를 뿜으면서 방전시켰다. 또한, 웨지/웨지 접합법에서는 볼을 형성하지 않고, 실리콘 기판상의 전극막에 와이어를 직접 접합했다.

접합 상대로서는, 실리콘 기판상의 전극막의 재료인 두께 1 ㎛의 Al 합금막 (Al-1％Si-0.5％Cu), 또는 Cu 배선(Au 0.01 ㎛/Ni 0.4 ㎛/Cu 0.4 ㎛)을 사용했다. 한편 웨지 접합의 상대로는, 표면에 Ag 도금(두께 : 1∼4 ㎛)이 실시된 리드프레임, 또는 표면에 Au 도금/Ni 도금/Cu 배선을 형성하는 수지 기판을 사용했다.

볼부 근방의 네크부(열 영향역)에서의 강도를 평가하기 위해서, 풀 시험법을 이용했다. 이는 본딩된 와이어의 중앙부 보다도 볼 접합부에 가까운 부위에, 전용 후크를 걸어서 상방으로 인장하면서 파단 강도(풀 강도)를 측정하는 방법이며, 20개의 평균치를 측정했다.

본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해서는, 500개의 와이어를 투영기에 의해 관찰하여, 와이어의 직선성, 루프 높이 등의 불량이 3개 이상인 경우는, 문제 있음으로 판단하여 ×표로 나타내고, 불량이 인정되지 않은 경우는 ○표를, 그 중간의 1∼2개인 경우에는 △표로 나타냈다. 불량 원인의 하나로서 심선과 외주부의 계면의 밀착성이 충분하지 않은 것에 관련하여 루프 형상이 불균일한 불량이 발생함을 확인했으며, 그 평가법은 그러한 밀착성을 판정하는 방법의 하나가 된다.

수지 밀봉시의 와이어 흐름(수지 흐름)의 측정에 관해서는 와이어의 스팬(span)으로서 약 6 ㎜가 얻어지도록 본딩한 반도체 소자가 탑재된 리드프레임을, 몰딩 장치를 이용하여 에폭시 수지로 밀봉한 후에, 연 X선 비파괴 검사 장치를 이용하여 수지 밀봉한 반도체 소자 내부를 X선 투영하여, 와이어 흐름이 최대 부분의 흐름량을 20번 측정하여, 그 평균치를 와이어의 스팬 길이로 나눗셈한 값(백분율)을 밀봉 후의 와이어 흐름으로 정의했다.

볼 접합부의 접합 강도에 대해서는, 알루미늄 전극의 2㎛ 상방에서 지그를 평행 이동시켜 선단 파단 강도를 해석하는 쉐어 테스트법으로 측정하여, 20개의 파단 하중의 평균치를 측정했다.

볼 접합부 바로 아래의 실리콘 기판으로의 손상을 평가하기 위해, 볼 접합부 및 전극막은 염소산(Chloroazotic acid; 王水)에 의해 제거한 후, 실리콘 기판상의 균열, 미소 핀 홀 등을 광학 현미경과 SEM 등에 의해 관찰했다. 500개의 접합부를 관찰하여, 5 ㎛ 이상의 균열이 3개 이상 인정되는 경우는 칩 손상이 문제가 된다고 판단하여 △표로 나타내고, 균열이 1 내지 3개 발생되었거나, 또는 1 ㎛ 정도의 피트 홀이 2개 이상 인정되는 경우는, 칩 손상이 우려되지만 실용상은 문제가 없는 것으로 보아 ○표로 나타내고, 균열이 발생되지 않고 피트 홀도 1개 이하인 경우는 매우 양호한 것으로 보아 ◎표로 표시했다.

또한, 리드측에 와이어를 접합하는 웨지 접합성의 판정에서는, 리드프레임 접속에서의 통상의 스테이지 온도인 250 ℃에서 1000 pin의 본딩을 행한 결과, 접합부에서 박리가 발생되거나, 와이어의 변형 형상이 대칭적으로 변형되지 않았거나 하는 경우에는 △표로 나타내고, 그러한 불량이 발생되지 않고 현행의 범용 금 본딩 와이어와 같이 양호한 경우에는 ○표로 표시했다. 더욱이 BGA 등에서 요구되는 저온에서의 웨지 접합성을 평가하기 위해서, 스테이지 온도 180 ℃에서 1000 pin의 본딩을 수행하여, 핀전체가 양호한 접속이 수행되어 접합 형상도 양호한 경우에는, 저온 웨지 접합성도 우수한 것으로 보아, ◎표로 표시했다.

표1 내지 표4에는 본 발명에 관한 중간층 복합 본딩 와이어에 대해서의 평가 결과를 나타낸다. 표1 및 표2에 나타낸 제1, 제2, 제4~제6, 제8~제15 및 제17~제19 실시예는 금속의 외주부, 그 합금의 심선, 외주부/심선간의 확산층으로 이루어지고, 발명(1)의 본딩 와이어에 관한 결과이다. 표3, 표4의 제20∼제27 및 제29 실시예는 금속의 심선, 그 합금의 외주부, 외주부/심선 간의 확산층이 형성되어 있으며, 발명(2)에 관한 경우이며, 제29 내지 제35 실시예는 외주부와 심선 모두 동종 원소를 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 발명 (3)에 관한 경우이다. 표5에 도시한 가운데의 제38 내지 제42 실시예는 표3, 표4중의 수종의 중간층 복합 본딩 와이어의 더욱 외측에, 심선 및 외주부의 주요 원소와는 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 증착 및 도금 등에 의해 형성하며, 발명 (4)에 관한 것으로, 그 중의 제38, 제41, 제42 실시예는 최표면층과 외주부 사이에 중간층을 형성한, 발명 (5)에 관한 본딩 와이어의 결과이다. 또한, 표5의 제43, 제44 및 제46 실시예는 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른 금속으로 이루어지는 최표면층을 형성하며, 발명 (6)에 관한 본딩 와이어의 결과이다.

한편, 표6은 심선과 외주부만의 2층 구조의 경우의 비교예를 나타내며, 가운데에서도 제1 내지 제7 비교예는 심선과 외주부가 동종 원소를 주성분으로 하는 2층 구조인 경우이며, 제8 내지 제10 비교예는 심선과 외주부가 다른 원소를 주성분으로 하는 2층 구조 와이어에 관한 것이다. 표7의 제11 내지 제13 비교예는 표5의 3층 구조의 비교예이다. 이들 비교예는 모두 심선과 외주부에 중간층을 형성하지 않은 경우이다.

표에 나타낸 시료 No.는 관련 시료를 그룹으로 나누어 정리하기 위한 번호이며, 최초의 숫자는 확산 열처리되기 전의 시료 번호를 의미하며, 그 후의 알파벳 표기(a, b, c ‥·)는 그 동일 시료에서 확산 열처리가 다른 경우, 또는 최표면에 피복을 실시한 경우에 상당한다. 예를 들면, 실시예 제1 내지 제2(시료 No. 1-a∼1-b). 제20, 제21 실시예(시료 No.16-a∼16-b)등은 각각 심선과 외주부의 부재, 비율 등이 동일한 와이어를 이용하여 확산 열처리 조건을 바꿈으로써, 확산층의 두께를 변화시킨 시료의 결과이며, 그에 비하여 제1 비교예(시료 No. 1-d)는 동일 시료로 확산 열처리를 수행하지 않은 경우의 결과에 상당한다.

심선과 외주부의 재료의 조합, 또는 확산층, 금속간 화합물층의 두께에 따라서, 확산 열처리 조건은 변경되며, 예를 들면 제1 실시예에서는 약 500 ℃의 노(爐)중을 속도 40 m/s로 연속적으로 어닐링하며, 제14 실시예에서는 약 550 ℃로 속도 40 m/s, 제29 실시예에서는 약 750 ℃에서 속도 2 m/s로 열처리를 실시했다.

표중에는 확산층 또는 금속간 화합물층의 두께, 농도 또는 화합물의 조성 등을 나타낸다. 이는 와이어를 단면 연마하여, 심선/외주부의 계면에 형성된 중간층을 오제 분광 장치 또는 EPMA 장치로 측정한 결과이다. 오제 분광 분석에 의한 라인 분석의 측정 결과의 일예를 도8, 도9a 및 도9b에 나타낸다. 중간층을 사이에 포함하여 그 외주부측으로부터 심선측까지 라인 분석하는데, 클래스의 X축에는 임의의 위치로부터의 거리로 표시한다. 도8에는 외주부 Au/심선 Au-Ag 30％ 합금의 확산층에서의 Ag 농도와, 외주부 Au/심선 Au-Cu 3％ 합금의 확산층에서의 Cu 농도를 나타내며, 도9a에는 심선 Pd-Cu 2％-Al 4％ 합금/외주부 Pd-Au 5％-Ag 1％ 합금의 경우의 금속간 화합물층에서의 Au, Al 농도의 변화를, 도9b에는 심선 Cu-Pd 5％-Be 1％ 합금/외주부 Cu-Au 5％ 합금의 경우의 금속간 화합물층에서의 Pd, Au 농도의 변화를 나타낸다. 이들 모든 결과에서도 와이어 내부에 형성된 확산층, 금속간 화합물층을 확인할 수 있으며, 더욱이 각층의 두께도 측정할 수 있다. 예를 들면 주요한 금속간 화합물은 도9a에서는 Au₅Al₂상, 도9b에서는 Au₃Pd상인 것이 관찰되었다. 표1 내지 표5에 나타낸 두께, 조성 등도 같은 기법에 의해 측정된 것이다. 시료에 따라서는 확산층내에 농도 기울기가 있는 경우에 있어서도, 표중의 확산층의 농도는 확산층내의 평균 농도치로 나타낸다. 예를 들면, 제5 실시예의 확산층내의 농도 범위는 Pd 1.5 내지 2.5％이고, 제9 실시예에서는 Pd 30 내지 40％였다. 또한, 성장한 주요한 금속간 화합물상을 표에 나타내었으며, 화학량론성에 따른 왜곡에 의해 조성비에 약간의 폭이 발생되는 경우에는, 평균적 조성으로 나타낸다. 확산층과 금속간 화합물층이 동시에 확인되는 경우도 있으며, 예를 들면 제33 실시예에서는 확산층 Au-Cu 0.5％와 금속간 화합물 Cu₃Pt가 관찰되었다. 더욱이 확산층, 금속간 화합물층 등의 중간층의 근방에 용질 원소가 농화되어 있는 경우도 관찰된다.

우선은 와이어의 양산성의 측면에서 보면, 표6의 종래의 2층 구조의 와이어에서는 신선 도중에 단선이 발생되어 수율이 저하되었으며, 또한 와이어의 SEM 관찰에서는, 표면 손상 등의 외관 불량이 발생되었던 것에 대하여, 표1 내지 표4의 중간층 복합 본딩 와이어에서는 제제시의 단선은 최소한으로까지 저감되었으며, 외관에서의 문제도 발생되지 않았었다.

표1, 표2의 확산층이 형성된 본딩 와이어에서는, 제1 내지 제3 비교예와 비교하더라도, 강도, 탄성율, 구부림 강성 등이 우수하며, 수지 밀봉시의 와이어 변형(수지 흐름)이 억제되어 있음을 알 수 있다. 특히, 확산층을 형성함으로써 구부림 강성이 명백히 상승된 것이, 와이어 변형을 억제하는 효과를 가져온 것으로 판단된다.

일예로서 Au의 외주부, Au-Cu 3％-Ca 0.1％ 합금의 심선의 동일 구성인 제1 내지 제2 실시예(시료 No.1-a∼1-b)와 제1 비교예(시료 No. 1-d)를 비교하면, 확산층이 두꺼워짐에 따라서, 기계적 특성이 향상된다는 것이 확인되었다. 예를 들면, 제1 실시예에서는 확산층의 두께 L은 0.03 ㎛로 얇지만, 제1 비교예(L=0)에 비하면, 탄성율, 구부림 강성은 증가되고, 수지 흐름은 저감되는 등, 개선이 인정되었다. 더욱이, 제2 실시예(L = 0.3 ㎛)에서는, L ＞ 0.05 ㎛의 조건을 만족함에 따라 그 개선 효과는 크게 나타나며, 목적으로 했던 수지 흐름율을 7％ 이하로 억제함을 달성했다. 이 같은 7％의 의미로는 현재 주류인 고순도 Au 본딩 와이어의 범용 제품을 수종류 평가한 바, 항상 7％ 이상인 것이 확인되었으므로, 수지 흐름율을 7％ 이하로 억제하는 것을 와이어 특성 향상의 목표로서 이용했기 때문이다.

또한, 심선, 외주부 및 중간층의 조성은 동일하지만, 각각의 두께가 다른 경우로서, 제6 실시예에서는 제5 실시예 보다도 심선의 지름이 증대되고, 더욱이 중간층 보다 외측에 형성함으로써 구부림 강성은 증가하고, 수지 흐름은 저감되었다. 또한 제8 실시예와 제9 실시예를 비교하여도 같은 효과가 확인되었다.

표3, 표4도 대략 같으며, 중간층을 형성시킴으로써 표6의 제4 내지 제8 비교예와 비교하여, 탄성율, 구부림 강성은 증가하고 수지 흐름을 저감할 수 있는 것이 확인되었다. 또한 표3, 표4에서는 외주부를 합금으로 함으로써, 표1, 표2에서의 심선과 합금으로 하는 경우보다도 구부림 강성을 1할 정도는 높이며, 수지 흐름도 저감되었다. 또한, 제25, 제29 실시예의 경우에는 금속간 화합물층을 형성시킴으로써 확산층만 형성한 경우와 비교하더라도 높은 효과가 얻어졌으며, 수지 흐름을 4.5％ 이하로까지 억제되는 것이 확인되었다.

종래의 2층 구조인 심선과 외주부가 다른 금속을 주성분으로 하는 와이어에 관한 제8 내지 제10 비교예에서는 볼 접합부 바로 아래의 실리콘 기판에 균열 등의 손상을 미치는데 대하여, 표1 내지 표4에서는 심선과 외주부가 동종 금속을 주성분으로 함으로써, 볼부의 경화를 경감하는 작용이 일어나, 실리콘 기판으로의 손상이 억제됨이 확인되었다.

도10a 및 도10b에는 확산층 또는 금속간 화합물층의 층 두께과 수지 흐름의 관계를 나타낸다. 도10a는 외주부 Au/심선 Au-Cu 3％-Ca 0.1％ 합금의 계면에 확산층이 성장시킨 와이어의 수지 흐름율이고, 선 지름 25 ㎛, 와이어 길이 약 6 ㎜인 조건의 결과이며, 한편 도10b는 심선 Au/외주부 Au-Cu 3％ 합금의 계면에 주로 금속간 화합물층을 성장시킨 와이어인 경우로, 선 지름 20 ㎛, 와이어 길이 약 5 ㎜에서의 실험 결과이다. 이들 모든 경우에 확산층 또는 금속간 화합물층이 두꺼워질수록, 수지 흐름이 억제되는 것은 자명하다. 예를 들면, 도10a의 확산층 두께 L과의 상관에서는 0.05 ㎛ 이상에서는 수지 흐름의 억제 효과가 있고, 더욱이 1.0 ㎛ 이상에서 그 효과가 더욱 높아졌다. 또한, 도10b의 금속간 화합물층 두께 d와의 상관에서는, 0.05 ㎛ 이상에서 흐름 억제 효과가 높고, 또한 0.1 ㎛ 이상에서는 그 효과가 더욱 높아지고, 더욱이 1.0 ㎛ 이상에서는 효과가 한층 더 높아지는 것이 확인되었다.

수지 흐름 이외의 특성을 살펴보면, 표6의 2층 구조 와이어 및 표7의 3층 구조 와이어와 같이 중간층을 형성하지 않은 경우에는, 루프 형상의 불균형이 발생되고, 루프 안정성에 문제가 있거나, 또 웨지 접합 형상에도 현행의 금 본딩 와이어와 비교하여, 박리 등의 불량이 발생하는 빈도가 높았음에 대하여, 표1 내지 표5의 중간층 복합 본딩 와이어에서는 루프 안정성, 웨지 접합 형상 모두에서 양호한 것이 확인되었다.

표5의 제38 내지 제42 실시예에서는 표3, 표4의 제20, 제27, 제31, 제34 실시예의 각각의 중간층 복합 본딩 와이어에 있어서, 그 표면에 심선과 외주부와 동종의 원소를 주성분으로 하는 최표면층을 형성한 것이며, 이에 따라 저온 180 ℃에서의 웨지 접합성은 향상되고, 더욱이 볼부 바로 아래의 칩 손상도 경감된 것이 확인되었다. 또한, 제43, 제44 및 제46 실시예에서는 제11, 제19, 제34 실시예 각각의 중간층 복합 본딩 와이어에 있어서, 그 표면에 심선과 외주부는 다르고, 더욱이 산화가 적은 원소를 주성분으로 하는 최표면층을 형성한 것이며, 이에 따라 웨지 접합성은 향상되었고, 더욱이 구부림 강성 등의 특성 향상에 따라 와이어의 수지 흐름을 저감하는 효과도 얻을 수 있었다. 또한, 칩상의 전극막에 와이어를 직접 접합하는 웨지-웨지 접합에 대해서는 평가한 바에 따르면, 제1, 제19, 제24 실시예 등에서는 중간층을 형성하지 않은 경우와 비교하여, 접합 강도가 높고, 저온(180 ℃)에서의 웨지 접합에서의 불량율을 대폭 저감하며, 와이어의 수지 흐름도 감소되었음이 확인되었다.

또한, 와이어를 6개월간 대기중에 방치한 후에 같은 실험을 수행하더라도 제43, 제44 및 제46 실시예에서는 최표면층에 의한 산화 억제의 효과가 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 보더라도 제11, 제19, 제34 실시예 등의 와이어에서는, 출하시에 산화를 경감하기 위한 가스 치환에 의한 압축이 필요한 것으로 여겨져 왔으나, 제43, 제44 및 제46 실시예에서는 그러한 특수한 압축은 필요없으며, 또한 일시적 열화의 우려가 없음을 확인할 수 있었다.

심선/외주부/최표면층의 3층 구조의 와이어에 대해 비교하면, 표7의 제11 내지 제13 비교예에서는, 신선 도중에 단선이 발생되어 수율이 저하되며, 사용 특성에서도 루프 형상의 불균형과 웨지 접합 형상 불량의 불합리가 발생되었던 것에 대해, 표5에 나타낸 제38 내지 제44 및 제46 실시예에서는 3층 구조에서 그 계면에 중간층을 형성함으로써, 제조시의 단선은 최소한으로까지 저감되고 양산성이 향상되며, 루프 형상, 웨지 접합 형상 등도 양호하며, 더욱이 강도, 탄성율, 구부림 강성 등이 상승하여 수지 흐름의 억제 효과가 높아진 점으로부터도, 중간층의 형상에 의한 효과가 확인되었다.

<제2 실시예>

본 실시예는 본 발명의 (7) 내지 (11)에 기재된 본딩 와이어에 관한 것이다.

원재료는 Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al, Ni, Fe 원소 각각에 대해서 입자, 또는 소편의 시료이며, Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Al의 순도는 약 99.99 질량％ 이상이며, Ni 순도는 99.9 질량％ 이상, Fe 순도는 99 질량％ 이상인 것을 준비했다.

이와 같은 고순도재 이외에도 Ca, Be, In, Cu, Ag, Pt, Pd 등에서 1종류 이상의 원소를 총계로 0.001∼1％ 범위로 함유하는 Au 합금, Be, Au 등에서 1종류 이상의 원소를 총계로 0.001∼1％ 범위로 함유하는 Cu 합금, Si, Mg, Ag, Pt, Pd 등에서 1종류 이상의 원소를 총계로 0.01∼1％의 범위로 함유하는 Al 합금 등, 개별적으로 고주파 진공 용해로에서 용해 주조에 의해 합금재를 제조했다.

심선과 외주부에서 다른 부재로 이루어지는 중간층 복합 본딩 와이어를 제조하기 위해, 하기의 2종류의 방법을 사용했다.

제1 방법은 심선과 외주부를 개별로 준비하고, 그들을 조합시킨 후, 주조, 압연 등에 의해, 어느 선 지름까지 세선화한 후 확산 열처리를 실시하고, 그 후에 신선 가공에 의해 최종 선 지름까지 더욱 세선화하는 방법(이하, 삽입법이라 한다)이번에는 길이가 10 ㎝, 직경이 약 5 ㎜인 선을 준비하고, 그 단면의 중심부에 홀 지름 0.4 내지 2.5 ㎜의 범위로 관통하는 홀을 가공한 외주 부재와, 그 홀 지름과 동등한 선 지름인 심선재를 별도 제조했다. 이 같은 외주부재의 홀에 심선재를 삽입하여, 단조, 롤 압연, 다이즈 신선 등의 가공을 실시하여, 선 지름 50 내지 100 ㎛의 선을 제조했다. 그 와이어의 확산 열처리로서, 20 ㎝의 균열대를 갖는 횡형 적외 가열로를 이용하여, 300 내지 900℃로 설정된 노중을 0.01 내지 40 m/s의 속도로 와이어를 연속적으로 이동시키면서 열처리를 실시했다. 그 확산 열처리된 와이어를 다이즈 신선에 의해 최종 지름의 20 내지 30 ㎛까지 더욱 신선하였다. 마지막으로 상기의 가열로에서 열처리를 실시함으로써, 가공 왜곡을 제거하고, 신장치가 4％ 정도가 되도록 특성을 조정했다.

제2 방법은 어느 선 지름까지 세선화한 와이어를 심선재(芯線材)로 하여, 그 와이어 표면을 덮도록 다른 재료로 외주부를 제조한 후에, 확산 열처리를 실시하고, 그 후 신선 가공에 의해 최종 선 지름까지 더욱 세선화하는 방법(이하, 피복법이라 한다)이다. 이번은 직경이 약 200 내지 500 ㎛인 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의해 0.1 내지 30 ㎛의 두께로 외주부재를 피복하고, 선 지름 60 내지 100 ㎛까지 다이즈 신선한 후에, 상술한 가열로를 이용하여 같은 확산 열처리를 실시했다. 그 확산 열처리된 와이어를 다이어 신선에 의해 최종 지름인 20 내지 30 ㎛까지 더욱 신선하고, 마지막으로 가공 왜곡을 제거하여 신선치가 4％ 정도가 되도록 열처리를 실시했다.

와이어의 인장 강도 및 탄성율은 길이 10 ㎝의 와이어 5개의 인장 시험을 실시하여, 그 평균치에 의해 구했다. 구부림 강성율은 캔틸레버(cantilever) 시험법에 의해 측정했다. 구체적으로는 길이 3 ㎝의 와이어의 일단을 고정하여, 자중에 의해 변형하는 곡선을 측정하고, 그 변형량으로부터 해석적으로 강성율을 계산했다.

본딩 와이어의 접속에는 시판의 자동 와이어 본더를 사용하여, 볼/웨지 접합 또는 웨지/웨지 접합을 수행했다. 볼/웨지 접합법에서는 아크 방전에 의해 와이어 선단에 볼(초기 볼 지름; 46 ㎛)을 제조하고, 이를 실리콘 기판상의 전극막에 접합하여, 와이어 타단을 리드 단자상에 웨지 접합했다. 여기에서 심선 또는 외주부에 Cu, Ag, Al, Ni, Fe 원소 등을 함유하는 와이어에서는, 볼 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단에 N₂ 가스를 뿜으면서 방전시켰다. 또한, 웨지/웨지 접합법에서는 볼은 형성하지 않고, 실리콘 기판상의 전극막에 와이어를 직접 접합했다.

접합 상대로서는, 실리콘 기판상의 전극막의 재료인 두께 1 ㎛의 Al 합금막 (Al-1％ Si-0.5％ Cu), 또는 Cu 배선(Au 0.01 ㎛/Ni 0.4 ㎛/Cu 0.4 ㎛)를 사용했다. 한편 웨지 접합의 상대로는, 표면에 Ag 도금(두께 : 1∼4 ㎛)이 실시된 리드프레임, 또는 표면에 Au 도금/Ni 도금/Cu 배선을 형성하는 유리 에폭시 수지 기판을 사용했다.

본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해서는, 1000개의 와이어를 투영기에 의해 관찰하여, 와이어의 직선성, 루프 높이 등의 불량이 3개 이상인 경우는, 문제 있음으로 판단하여 ×표로 나타내고, 불량이 인정되지 않은 경우는 ○표를, 그 중간의 1∼2개인 경우에는 △표로 나타냈다. 불량 원인의 하나로서 심선과 외주부의 계면의 밀착성이 충분하지 않은 것에 관련하여 루프 형상이 불균일한 불량이 발생하는 것을 확인했으며, 그 평가법은 그러한 밀착성을 판정하는 방법의 하나가 된다.

수지 밀봉시의 와이어 흐름(이하, 수지 흐름이라 한다)의 측정에 관해서는 와이어의 스팬(span)으로서 약 6 ㎜가 얻어지도록 본딩한 반도체 소자가 탑재된 리드프레임을, 몰딩 장치를 이용하여 에폭시 수지로 밀봉한 후에, 연X선 비파괴 검사 장치를 이용하여 수지 밀봉한 반도체 소자 내부를 X선 투영하여, 와이어 흐름이 최대 부분의 흐름량을 20본 측정하여, 그 평균치를 와이어의 스팬 길이로 나눗셈한 값(백분율)을 밀봉후의 와이어 흐름으로 정의했다.

볼 접합부의 접합 강도에 대해서는, 알루미늄 전극의 2 ㎛ 상방에서 지그를 평행 이동시켜 선단 파단 강도를 해석하는 쉐어 테스트법으로 측정하여, 20개의 파단 하중의 평균치를 측정했다.

또한, 리드측에 와이어를 접합하는 웨지 접합성의 판정에서는, 리드프레임 접속에서의 통상의 스테이지 온도인 250 ℃에서 1000 pin의 본딩을 행한 결과, 접합부에서 박리가 발생되거나, 와이어 변형 형상이 대칭적으로 변형되어 있지 않거나 하는 경우에는 △표로 나타내고, 그러한 불량이 발생되지 않고 현행의 범용 금 본딩 와이어와 같이 양호한 경우에는 ○표로 표시했다. 더욱이 BGA 등에서 요구되는 저온에서의 웨지 접합성을 평가하기 위해서, 스테이지 온도 180 ℃에서 1000 pin의 본딩을 수행하여, 핀전체가 양호한 접속이 수행되어 접합 형상도 양호한 경우에는, 저온 웨지 접합성도 우수한 것으로 보아, ◎표로 표시했다.

표8 및 표9에는 본 발명에 관한 중간층 복합 본딩 와이어에 대한 평가 결과를 나타낸다. 심선/외주부의 계면에 형성되는 중간층의 종류에 따라 분류되어 있으며, 표8에 나타낸 제51 내지 제63 실시예는 확산층만이 형성된 경우이며, 표9에 나타낸 제64 내지 제78 실시예는 금속간 화합물층(일부 확산층도 포함)이 형성된 경우이다. 표10에 나타낸 제79 내지 제82 실시예는 중간층 복합 본딩 와이어이 외측에 최표면층을 증착과 도금 등에 의해 형성시킨 최표면층/외주부/중간층/심선으로 이루어지는 본딩 와이어에 관한 경우이며, 또한 표11에 나타낸 제83 내지 제87 실시예는 심선/중층/외주부의 3층 구조이며, 더욱이 그 계면에 중간층을 형성한 경우이다. 한편, 표12의 제21 내지 제27 비교예는 심선과 외주부의 2층 구조인 경우의 비교예이며, 표13의 제28 내지 제30 비교예는 3층 구조인 경우의 비교예의 결과이다. 이들 비교예는 심선과 외주부에서의 부재, 비율의 구성이 표8, 표9, 표11에 기재된 와이어와 동일하지만, 확산 열처리를 실시하지 않음에 의해, 중간층을 형성하지 않은 경우이다.

표에 나타낸 시료 No.는 관련 시료를 그룹으로 나누어 정리하기 위한 번호이고, 알파벳 표기(a,b, c ‥·)는 확산 열처리되기 전의 시료를 의미하며, 뒤의 숫자는 그 동일 시료로 확산 열처리가 다른 것을 나타낸다. 예를 들면 제51 내지 제54 실시예(시료 No. a-1∼a-4), 제64 내지 제67 실시예(시료 No. j-1∼j-4)등은 각각 심선과 외주부의 부재, 비율 등이 동일한 와이어를 이용하여 확산 열처리 조건을 바꿈으로써, 확산층의 두께를 변화시킨 시료의 결과이며, 그에 비하여 제21 비교예(시료 No. a-5), 제25 비교예(시료 No. j-5)는 동일 시료로 확산 열처리를 수행하지 않은 경우의 결과에 상당한다.

심선과 외주부의 재료의 조합, 또는 확산층, 금속간 화합물층의 두께에 따라서, 확산 열처리 조건은 변경되며, 예를 들면 제51 실시예에서는 약 500 ℃의 노중을 속도 40 m/s로 연속적으로 어닐링하며, 제53 실시예에서는 650 ℃에서 속도 5 m/s, 제65 실시예에서는 약 550 ℃로 속도 40 m/s, 제66 실시예에서는 약 750 ℃에서 속도 2 m/s로 열처리를 실시했다.

표중에는 확산층 또는 금속간 화합물층의 두께, 농도 또는 화합물의 조성 등을 나타낸다. 이는 와이어를 단면 연마하고, 심선/외주부의 계면에 형성된 중간층을 오제 분광 장치 또는 EPMA 장치로 측정한 결과이다. 오제 분광 분석에 의한 라인 분석의 측정 결과의 일예를 도11 및 도12a 및 도12b에 나타낸다. 중간층을 사이에 포함하여 그 외주부측으로부터 심선측까지 라인 분석하는데, 클래스의 X축에는 임의의 위치로부터의 거리로 표시한다. 도11에는 심선 Ag/외주부 Au의 확산층에서의 Ag 농도와, 심선 Pt/외주부 Au의 확산층에서의 Pt농도를 나타내며, 도12a에는 심선 Cu/외주부 Au인 경우의 금속간 화합물에서의 Au, Cu 농도의 변화를, 도12b에는 심선 Al/외주부 Au의 금속간 화합물층에서의 Al, Au 농도의 변화를 나타낸다. 이들 모든 결과에서도 와이어 내부에 형성된 확산층, 금속간 화합물층을 확인할 수 있으며, 더욱이 각층의 두께도 측정할 수 있다. 예를 들면 주요한 금속간 화합물은 도12a에서는 AuCu, AuCu₃상, (b)에서는 Au₅Al₂, AuAl상인 것이 관찰되었다. 같은 기법에 의해 측정된 두께, 조성 등을 표8 내지 표11에 나타낸다. 시료에 따라서는 확산층내에 농도 기울기가 있는 경우에 있어서도, 표중의 확산층의 농도는 확산층내의 평균 농도치로 나타낸다. 예를 들면, 제54 실시예의 확산층내의 농도 범위는 Ag 45 내지 55％이고, 제59 실시예에서는 Pd 30 내지 40％였다. 또한, 금속간 화합물에 대해서도 주요한 상을 표에 나타내었으며, 화학량론성에 따른 왜곡에 의해 조성비에 약간의 폭이 발생되는 경우에는, 평균적 조성으로 나타냈다. 또한, 확산층, 금속간 화합물층 등의 중간층의 근방에 용질 원소가 농화되어 있는 경우도 확인되었다. 예를 들면 제63 실시예에서는 Cu 합금의 외주부와 금소간 화합물의 계면 근방에 Pd, Pt 등의 원소가, 함유량에 대해서 10％ 이상 농화되었고, 제25 실시예에서는 Au 외주부와 금속간 화합물의 계면 근방에 Cu, Pd 등의 원소가 함유량에 대해서 20％ 이상 농화되어 있음이 관찰되었다.

우선은 와이어의 양산성의 측면에서 보면, 표12의 종래의 2층 구조의 와이어에서는 신선 도중에 단선이 발생되어 수율이 저하되었으며, 또한 와이어의 SEM 관찰에서는, 표면 손상 등의 외관 불량이 발생되었던 것에 대하여, 표8, 표9의 중간층 복합 본딩 와이어에서는 제조시의 단선은 최소한으로까지 저감되었으며, 외관에서의 문제도 발생되지 않았다.

표8의 확산층이 형성된 본딩 와이어에서는, 제21 내지 제24 비교예와 비교하더라도, 강도, 탄성율, 구부림 강성 등이 우수하며, 수지 밀봉시의 와이어 변형(수지 흐름)이 억제되었음을 알 수 있다. 특히, 확산층을 형성함으로써 구부림 강성이 명백히 상승된 것이, 와이어 변형을 억제하는 효과를 가져온 것으로 판단된다.

일예로서, 심선 Ag/외주부 Au의 구성은 동일한 제51 내지 제54 실시예(시료 No.a-1∼a-4)와 제21 비교예(시료 No. a-5)를 비교하면, 확산층이 두꺼워짐에 따라서, 기계적 특성이 향상된다는 것이 확인되었다. 예를 들면, 제1 실시예에서는 확산층의 두께 L은 0.03 ㎛로 얇지만, 제21 비교예(L = 0)에 비하면, 탄성율, 구부림 강성은 증가되고, 수지 흐름은 저감되는 등, 개선이 인정되었다. 더욱이, 제52 실시예(L = 0.06 ㎛)에서는, L ＞ 0.05 ㎛의 조건을 만족함에 따라 그 개선 효과는 크게 나타나며, 목적으로 했던 수지 흐름율을 7％ 이하로 억제하는 것을 달성했다. 이 같은 7％의 의미로는 현재 주류인 고순도 Au 본딩 와이어의 범용 제품을 수종류 평가한 바, 항상 7％ 이상인 것이 확인되었으므로, 수지 흐름율을 7％ 이하로 억제하는 것을 와이어 특성 향상의 목표로서 이용했기 때문이다. 더욱이, 제53 실시예(L = 0.2 ㎛)에서는 상기 효과에 더하여 풀 강도도 증가되며, 네크부에서의 절곡 불량 등을 억제하는 데에 효과가 기대된다.

표9도 대략 같으며, 금속간 화합물을 성장시킴으로써, 표12의 제25 내지 제27 비교예와 비교하여, 탄성율, 구부림 강성은 증가하고 수지 흐름을 저감할 수 있는 것이 확인되었다. 또한 표8의 확산층만 형성한 경우와 비교하더라도 표9의 경우에는 금속간 화합물을 형성시킴으로써 보다 높은 효과가 얻어졌으며, 예를 들면 수지 흐름을 4％ 미만으로까지 억제되는 것이 확인되었다.

도13a 및 도13b에는 확산층 또는 금속간 화합물층의 층 두께와 수지 흐름의 관계를 나타낸다. 도13a는 외주부 Au/심선 Pt의 계면에 확산층이 성장시킨 와이어의 수지 흐름율이고, 선 지름 25 ㎛, 와이어 길이 약 6 ㎜인 조건의 결과이며, 한편 도13b는 외주부 Au/심선 Cu의 계면에 주로 금속간 화합물층을 성장시킨 와이어인 경우로, 선 지름 20 ㎛, 와이어 길이 약 5 ㎜에서의 실험 결과이다. 이들 모든 경우에 확산층 또는 금속간 화합물층이 두꺼워질수록, 수지 흐름이 억제되는 것은 자명하다. 예를 들면, 도13a의 확산층 두께 L과의 상관에서는 0.05 ㎛ 이상에서는 수지 흐름의 억제 효과가 있고, 더욱이 1.0 ㎛ 이상에서 그 효과가 더욱 높아졌다. 또한, 도13b의 금속간 화합물층 두께 d와의 상관에서는, 0.05 ㎛ 이상에서 흐름 억제 효과가 높고, 또한 0.1 ㎛ 이상에서는 그 효과가 더욱 높아지고, 더욱이 1.0 ㎛ 이상에서는 효과가 한층 더 높아지는 것이 확인되었다.

수지 흐름 이외의 특성을 살펴보면, 표12의 2층 구조 와이어 및 표13의 3층 구조 와이어와 같이 중간층을 형성하지 않은 경우에는, 루프 형상의 불균형이 발생되고, 루프 안정성에 문제가 있거나, 또 웨지 접합 형상에도 현행의 금 본딩 와이어와 비교하여, 박리 등의 불량이 발생하는 빈도가 높았음에 대해서, 표8, 표9, 표10, 표11의 중간층 복합 본딩 와이어에서는 루프 안정성, 웨지 접합 형상 모두에서 양호한 것이 확인되었다.

표10의 제79 내지 82 실시예에서는 표8, 표9의 제55, 제63, 제68, 제71 실시예의 각각의 중간층 복합 본딩 와이어에 있어서, 그 표면에 도전성 금속의 최표면층을 형성한 것이며, 이에 따라 180 ℃에서의 저온 접합성이 향상되었음이 확인되었다. 또한, 이들 와이어를 6개월간 대기중에 방치한 후에 같은 실험을 수행하더라도 제79 내지 제82 실시예에서는 최표면층에 의한 산화 억제의 효과가 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 보더라도 제55, 제63, 제68, 제71 실시예 등의 와이어에서는 출하시에 산화를 경감하기 위한 가스 치환에 의한 압축이 필요한 것으로 여겨져 왔으나, 제79 내지 제82 실시예에서는 그러한 특수한 압축은 필요없으며, 또한 일시적 열화의 우려가 없음을 확인할 수 있었다.

심선/중층/외주부의 3층 구조의 와이어에 대해 비교하면, 표13의 제28 내지 제30 비교예에서는, 신선 도중에 단선이 발생되어 수율이 저하되며, 사용 특성에서도 루프 형상의 불균형과 웨지 접합 형상 불량의 불합리가 발생되었던 것에 대해, 표11에 나타낸 제83 내지 제87 실시예에서는 3층 구조에서 그 계면에 중간층을 형성함으로써 제조시의 단선은 최소한까지 저감되고 양산성이 향상되며, 루프 형상, 웨지 접합 형상 등도 양호하며, 더욱이 강도, 탄성율, 구부림 강성 등이 상승하여 수지 흐름의 억제 효과가 높아진 점으로부터도, 중간층의 형상에 의한 효과가 확인되었다. 또한, 표8, 표9의 중층을 포함하지 않는 와이어의 결과와 비교하더라도 제83 내지 제87 실시예에서는, 구부림 강성 등의 기계적 특성은 상승하고, 수지 흐름은 3％ 미만으로까지 억제되었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 있어서는 심선과 외주부를 동종의 원소를 주성분으로 하는 금속 및 합금으로 구성하고, 또한 그 심선과 외주부 사이에, 그들 심선과 외주부를 구성하는 원소로 이루어지는 확산층 또는 금속간 화합물층을 형성한 중간층 복합 구조로 함으로써, 또한 심선과는 다른 도전성 금속으로 이루어지는 외주부가 형성되고, 또 그 심선과 외주부 사이에 심선과 외주부를 다른 도전성 금속에 의해 구성되며, 또한 그 계면에 확산층 또는 금속간 화합물층이 형성되어 있는 중간층 복합 구조로 함으로써, 협피치화, 세선화, 와이어 길이 증대화에 있어 우수한 고강도, 높은 구부림 강성을 갖고, 볼부 접합성, 웨지 접합성도 향상되고, 또 공업적으로 양산성에도 뛰어난 반도체 소자용 본딩 와이어를 제공할 수 있다.

Claims

도전성 금속으로 이루어지는 외주부와, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 두께가 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만인 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성 금속으로 이루어지는 심선과, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부와, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 두께가 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만인 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가, 적어도 1종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 두께가 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만인 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성 금속으로 이루어지는 외주부와, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성 금속으로 이루어지는 외주부와, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖고, 외주부와 최표면층 사이에 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금 속으로 이루어지는 최표면층을 갖고, 외주부와 최표면층 사이에 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성 금속으로 이루어지는 외주부와, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른, 외주부보다 산화가 적은 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성 금속으로 이루어지는 심선과, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부와, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른, 외주부보다 산화가 적은 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른, 외주부보다 산화가 적은 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층 및 금속간 화합물층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른, 외주부보다 산화가 적은 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성 금속으로 이루어지는 외주부와, 상기 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와 동종의 금속으로 이루어지는 최표면층을 갖고, 외주부와 최표면층 사이에 확산층 또는 금속간 화합물을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
외주부와 심선이 동종의 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 더욱이 각각의 합금중에 함유되는 합금화 원소의 종류 또는 농도가 적어도 1종 이상은 다르며, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 함유하는 확산층을 갖고, 또한 외주부의 더욱 외측에 심선 및 외주부의 주요 원소와는 다른, 외주부보다 산화가 적은 금속으로 이루어지는 동종의 금속으로 이루어지는 최 표면층을 갖고, 외주부와 최표면층 사이에 확산층 또는 금속간 화합물층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산층의 두께가 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성을 갖는 제1 금속 또는 상기 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 상기 제2 금속 또는 상기 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 또한 그 심선과 외주부 사이에 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 두께가 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만인 확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성을 갖는 제1 금속 또는 상기 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 상기 제2 금속 또는 상기 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 외주부, 또한 그 심선과 외주부 사이에, 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 두께가 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만인 확산층 및 금속간 화합물층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.
도전성을 갖는 제1 금속 또는 상기 제1 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이 루어지는 심선과, 상기 심선의 제1 금속과는 다른 도전성을 갖는 제2 금속 또는 상기 제2 금속 또는 상기 제2 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 중층과, 상기 중층의 제2 금속과는 다른 도전성 금속 또는 그 합금으로 이루어지는 외주부로 구성되고, 또한 그 심선과 중층 사이 및 중층과 외주부 사이에는 농도 구배를 적어도 일부에 갖는 두께 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만의 확산층 및 금속간 화합물층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 본딩 와이어.