KR20090095719A - 본딩 와이어 - Google Patents

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KR20090095719A
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bonding
wire
ppm
bonding wire
ball
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KR1020080020823A
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양동익
정은균
조남권
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헤라우스오리엔탈하이텍 주식회사
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Abstract

본딩 와이어가 개시된다. 본딩 와이어는 스칸듐, 베릴륨, 칼슘, 스트론튬 및 란탄으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 총 중량 대비 약 5ppm 내지 약 100ppm인 제1 성분, 은, 구리 및 이리듐으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 총 중량 대비 약 100ppm 내지 약 2000ppm인 제2 성분, 팔라듐, 로듐 및 백금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 약 500ppm 내지 약 2000ppm인 제3 성분 및 잔부의 금으로 이루어지며 구조적으로 볼 부분 및 볼 부분과 일체로 연결되어 연장하는 와이어 부분을 포함한다. 볼 부분 및 와이어 부분의 비커스 경도는 각각 약 61.2Hv 및 약 71.1Hv 로 상대적으로 낮기 때문에 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행할 때 손상을 최소화할 수 있다.
볼, 와이어, 본딩 와이어, 경도

Description

본딩 와이어{Bonding Wire}
본 발명은 본딩 와이어에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 IC칩과 리드 프레임을 연결하는 본딩 와이어에 관한 것이다.
본딩 와이어는 IC칩과 리드 프레임을 연결하는 금속선으로서 사용되는 재료로는 금, 알루미늄, 구리 등이 있으며 현재는 일반적으로 금을 사용하고 있다.
본딩 와이어는 IC칩과 리드 프레임을 전기적으로 연결하는 역할을 하기 때문에 상대적으로 높은 전기 전도도를 가지는 것이 요구된다. 또한, IC칩과 접합시 본딩 와이어의 볼 부분이 IC칩으로부터 쉽게 탈착되는 볼 리프트의 정도가 낮은 것이 바람직하며 본딩 공정시 본딩 와이어에 상대적으로 큰 하중이 가해지므로 높은 파단 하중을 가지는 것이 요구된다.
또한, 최근 집적도가 증가함에 따라 IC칩의 경박 단소화되고 있다. 본딩 와이어의 경도가 상대적으로 큰 경우 본딩 과정에서 경박 단소화된 IC칩에 손상(damage)을 입힌다는 문제점이 있다.
도 1은 종래의 본딩 와이어로 경박 단소화된 IC칩에 본딩 공정을 수행한 경우 IC칩의 하부에 발생한 손상을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 1을 참조하면, 본딩 와이어의 경도가 상대적으로 높은 경우 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행하면서 크랙과 같은 손상이 발생함을 알 수 있다.
따라서 본딩 와이어는 높은 전기 전도도, 낮은 볼 리프트율, 높은 파단 하중의 특성뿐만 아니라 경박 단소한 IC칩에 손상이 가해지지 않도록 상대적으로 낮은 경도를 가지는 것이 요구된다.
그러나 상기 특성들은 동일한 재료에서 상반되는 경향이 있기 때문에 상기 특성들을 모두 갖춘 새로운 본딩 와이어가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 높은 전기 전도도, 낮은 볼 리프트율, 높은 파단 하중을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 비커스 경도를 가져 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행시 발생하는 손상을 줄일 수 있는 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어는 볼 부분 및 볼 부분과 일체로 연결되어 연장하는 와이어 부분을 포함하고 조성으로 스칸듐, 베릴륨, 칼슘, 스트론튬 및 란탄으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 총 중량 대비 약 5ppm 내지 약 100ppm인 제1 성분, 은, 구리 및 이리듐으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 총 중량 대비 약 100ppm 내지 약 2000ppm인 제2 성분, 팔라듐, 로듐 및 백금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 약 500ppm 내지 약 2000ppm인 제3 성분 및 잔부의 금을 포함하여 볼 부분 및 와이어 부분의 비커스 경도가 각각 약 61.2Hv 및 약 71.1Hv이 되도록 구성된다.
상기 와이어 부분의 직경이 약 17.78㎛인 경우 약 20℃에서 와이어 부분의 최초 길이 대비 파단시까지 늘어난 길이의 백분율인 파단 인장율이 약 3.79%일 때 와이어 부분이 파단될 때의 파단 하중은 약 6.45g 일 수 있다.
상기 와이어 부분의 직경은 약 17.78㎛이고 길이가 약 10mm이고 와이어 부분에 가해지는 장력이 약 0.5g인 경우 와이어 부분을 끊어트리는 전류인 용단 전류는 약 257.7mA일 수 있다.
상기 볼 부분을 알루미늄 패드에 열을 가해 접합시키고 약 200℃에서 열처리를 약 300시간 동안 수행할 때 볼 부분들이 알루미늄 패드로부터 탈착되는 백분율인 볼 리프트율은 약 6%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본딩 와이어는 높은 전기 전도도, 낮은 볼 리프트율, 높은 파단 하중 및 높은 파단 인장율을 가질 뿐만 아니라 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행시 발생하는 손상을 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어(100)는 볼 부분(10) 및 와이어 부분(20)을 포함한다. 볼 부분(10)은 IC칩의 패드와 접합된다. 와이어 부분(20)의 일단(20a)은 볼 부분(10)과 일체로 연결되며 타단(20b)은 리드 프레임과 접합하게 된다.
볼 부분(10)은 최초 실질적인 구형이나 캐필러리에 의해서 제공되는 압력 및 히터 블록에 의해서 제공되는 열에 의해서 IC칩의 패드와 접합된 후에는 하부에서 상부로 갈수록 폭이 작아지는 압착된 형상을 가진다.
볼 부분(10)과 연결되는 와이어 부분(20)은 소정의 직경을 가지며 연장하고 IC칩 및 리드 프레임의 위치 또는 다른 본딩 와이어들과의 배열 관계에 따라서 다 양한 형태로 굴곡될 수 있다.
도 3 내지 5는 본 발명의 본딩 와이어를 본딩하는 과정을 나타내는 개략적인 도면들이다.
도 3을 참조하면, 실질적인 구형의 볼 부분(10)을 캐필러리를 사용해 IC칩의 패드에 닿도록 한다. 여기서 볼 부분(10)은 실질적으로 전류가 가해질 때 발생하는 열에 의해서 반용융 상태를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 캐필러리를 이 용해 열이 충분히 제공된 볼 부분(10)에 압력을 가해 볼 부분(10)을 IC칩의 패드에 접합시킨다. 여기서 캐필러리에 의해서 가해진 압력에 의해 볼 부분(10)의 형상은 하부에서 상부로 갈수록 폭이 작아지는 압착된 형상이 된다.
도 5를 참조하면, 캐필러리를 리드 프레임을 향하는 방향으로 이동시켜 볼 부분(10)과 일체로 연결되는 일단(20a)을 갖는 와이어 부분(20)을 형성한다. 그 후 와이어 부분(20)의 타단(20b)에 캐필러리를 사용하여 압력을 가하여 와이어 부분(20)의 타단(20b)을 리드 프레임에 접합시켜 본딩 와이어(100)를 형성한다.
상기와 같은 본딩 와이어가 가지는 특성들은 본딩 와이어를 형성하는데 사용되는 물질에 따라 변화한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어는 제1 성분, 제2 성분, 제3 성분 및 잔부의 금을 포함한다.
제1 성분은 스칸듐(Sc), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 란탄(La)일 수 있으며 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 제1 성분은 상온 및 고온에서 파단 하중을 증가시키는 역할을 한다.
제1 성분의 함량이 총 중량 대비 약 5ppm 미만인 경우, 본딩 와이어의 파단 하중이 상대적으로 작아 본딩 와이어가 적은 하중에도 쉽게 파손될 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 제1 성분의 함량이 총 중량 대비 약 100ppm을 초과하는 경우, 본딩 와이어의 형성 또는 접합시 딤플(dimple) 현상이 유발될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 제1 성분의 함량은 총 중량 대비 약 5ppm 내지 약 100ppm일 수 있다.
제2 성분은 은(Ag), 구리(Cu) 또는 이리듐(Ir)일 수 있으며 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 제2 성분은 본딩 와이어의 전기 전도도를 증가시키며 접합시 탈착을 방지하는 역할을 한다.
제2 성분의 함량이 총 중량 대비 약 100ppm 미만인 경우, 본딩 와이어로서 충분한 전기 전도도를 갖지 못하기 때문에 작은 전류에도 본딩 와이어가 용단될 수 있으며 전기 저항이 높아져 수월한 전기 신호의 교환이 힘들어질 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 제2 성분의 함량이 총 중량 대비 약 2000ppm을 초과하는 경우, 본딩 와이어의 내식성 및 내열성이 열화될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 제2 성분의 함량은 총 중량 대비 약 100ppm 내지 약 2000ppm일 수 있다.
제3 성분은 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 또는 백금(Pt)일 수 있으며 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 제3 성분은 비커스 경도를 상대적으로 증가시키지 않으면서도 본딩 와이어의 볼 부분들이 패드로부터 탈착되는 볼 리프트율을 줄이는 역할을 한다.
즉, 일반적으로 합금 원소는 첨가될수록 비커스 경도를 급격히 증가시켜 경박 단소한 IC 칩에 본딩을 하는 경우 IC 칩에 손상을 입힐 우려가 있으나 제3 성분 들은 첨가되더라도 비커스 경도에 미치는 영향이 상대적으로 작기 때문에 IC 칩에 본딩으로 인한 손상을 최소화하면서 볼 리프트율을 줄일 수 있다.
제3 성분의 함량이 총 중량 대비 약 500ppm미만인 경우, 볼 리프트율이 증가하여 본딩의 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있다. 반면에 제3 성분의 함량이 총 중량 대비 약 2000ppm을 초과하는 경우, 제3 성분의 함량이 과도하게 많아서 정도는 적을 수 있으나 비커스 경도를 높혀 IC 칩에 본딩 공정을 수행할 때 손상을 입힐 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 제3 성분의 함량은 총 중량 대비 약 500ppm 내지 약 2000ppm일 수 있다.
파단 관련 실험
본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어를 준비하였으며 제1 본딩 와이어는 총 중량 대비 각각 약 2ppm, 3ppm, 50ppm, 5ppm, 15ppm, 12ppm, 78ppm, 180ppm, 50ppm, 180ppm 및 220ppm으로 포함된 스칸듐, 베릴륨, 칼슘, 스트론튬, 란탄, 은, 구리, 이리듐, 팔라듐, 로듐 및 백금과 잔부의 금을 포함하였다.
그리고 종래의 제2 본딩 와이어를 준비하였으며 제2 본딩 와이어는 총 중량 대비 각각 약 10ppm, 4ppm, 5ppm, 20ppm, 10ppm, 9ppm, 10ppm 및 10ppm으로 포함된 칼슘, 이트륨, 세륨, 란탄, 베릴륨, 구리, 스트론튬 및 은과 잔부의 금을 포함하였다.
제1 및 2 본딩 와이어들의 와이어 부분들이 갖는 직경은 약 17.78㎛로 하였다. 최초 길이 대비 파단시까지 늘어난 길이의 백분율인 파단 인장율(%)을 약 3.79%로 비교적 일정하게 유지시킨 상태에서 상온인 약 20℃에서 제1 및 2 본딩 와이어들의 와이어 부분들에 가해지는 하중을 증가시켰다. 그리고 제1 및 2 본딩 와이어들의 와이어 부분들이 파단될 때의 파단 하중(breaking load)을 측정하였다.
도 6은 본 실험에 따른 제1 및 2 본딩 와이어들의 와이어 부분들에서 측정된 파단 하중을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 제1 및 2 본딩 와이어들의 와이어 부분들에서 측정된 파단 하중은 각각 약 6.45g 및 5.61g으로 종래의 제2 본딩 와이어의 와이어 부분에서 측정된 파단 하중보다 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 와이어 부분에서 측정된 파단 하중이 상대적으로 높음을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 와이어 부분은 종래의 제2 본딩 와이어의 와이어 부분보다 상대적으로 큰 파단 하중을 갖기 때문에 본딩 공정시 과도한 하중을 받더라도 종래의 제2 본딩 와이어의 와이어 부분보다 파단되는 정도가 작다는 것을 알 수 있다.
전기 전도도 관련 실험
파단 관련 실험에서의 사용된 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어를 준비하였다. 그리고 종래의 제3 본딩 와이어를 준비하였으며 제3 본딩 와이어는 총 중량 대비 각각 약 10ppm, 12ppm, 120ppm, 25ppm, 20ppm, 130ppm, 12ppm, 250ppm 및 6000ppm으로 포함된 칼슘, 이트륨, 세륨, 란탄, 베릴륨, 구리, 스트론튬, 은 및 팔라듐과 잔부의 금을 포함하였다.
제1 및 3 본딩 와이어들의 와이어 부분이 갖는 직경은 약 17.78㎛로 하였으며 길이를 약 10mm로 하였다. 그리고 장력(wire tension)이 약 0.5g이 되도록 하여 제1 및 3 본딩 와이어들의 와이어 부분들을 끊어트리는 전류인 용단 전류(fusing current)를 측정하였다.
도 7은 본 실험에 따른 제1 및 3 본딩 와이어들의 와이어 부분들에서 측정된 용단 전류를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제1 및 3 본딩 와이어들의 와이어 부분들에서 측정된 용단 전류는 각각 257.7mA 및 250.1mA로서 종래의 제3 본딩 와이어의 와이어 부분에서 측정된 용단 전류보다 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 와이어 부분에서 측정된 용단 전류가 상대적으로 높음을 알 수 있다.
일반적으로 저항이 작을수록 용단 전류가 커지기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 와이어 부분이 갖는 저항은 종래의 제3 본딩 와이어의 와이어 부분이 갖는 저항보다 상대적으로 작음을 알 수 있다. 결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 와이어 부분이 갖는 전기 전도도는 종래의 제3 본딩 와이어의 와이어 부분이 갖는 전기 전도도보다 상대적으로 큼을 알 수 있다.
볼 리프트 관련 실험
파단 관련 실험에서의 사용된 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어 및 종래의 제2 본딩 와이어를 준비하였다. 그리고 전기 전도도 관련 실험에서 사용된 제3 본딩 와이어를 준비하였다.
제1 내지 3 본딩 와이어들의 볼 부분들을 알루미늄 패드에 열을 가해 접합시킨 후 약 200℃에서 열처리를 시간을 증가시켜가면서 수행하였다. 그리고 온도가 증가함에 따라 알루미늄 패드의 알루미늄과 본딩 와이어의 금의 상호 확산에 기인하여 제1 내지 3 본딩 와이어들의 볼들이 알루미늄 패드로부터 탈착되는 볼 리프트 정도를 측정하였다.
[표 1]은 제1 내지 3 본딩 와이어들의 열처리 시간에 따른 볼 리프트 정도를 기재한 표이다.
[표 1]
0시간 50시간 100시간 200시간 300시간
제1 본딩 와이어 0/100 0/100 0/100 0/100 6/100
제2 본딩 와이어 0/100 0/100 8/100 19/100 44/100
제3 본딩 와이어 0/100 0/100 0/100 0/100 9/100
[표 1]을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어는 약 300시간이 지난 후 100개 중 6개의 볼 리프트가 발생하여 약 300시간이 지난 후 약 6%의 볼 리프트율을 보였다.
종래의 제2 본딩 와이어는 약 100시간이 지난 후 100개 중 8개, 약 200시간이 지난 후 100개 중 19개 그리고 약 300시간이 지난 후 100개 중 44개의 볼 리프트가 발생하여 약 300시간이 지난 후 약 44%의 볼 리프트율을 보였다.
그리고 종래의 제3 본딩 와이어는 약 300시간이 지난 후 약 100개 중 9개의 볼 리프트가 발생하여 약 9%의 볼 리프트율을 보였다.
결과적으로 약 200℃에서 열처리를 수행할 때 알루미늄 패드에 접합된 제1, 2 및 3 본딩 와이어들의 볼 부분들이 알루미늄 패드로부터 탈착되는 볼 리프트율은 약 300시간이 지난 후 각각 약 6%, 44% 및 9%로서 종래의 제2 및 3 본딩 와이어들보다 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 볼 리프트율이 적어 신뢰성이 높음을 알 수 있다.
비커스 경도 관련 실험
파단 관련 실험에서의 사용된 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어와 전기 전도도 관련 실험에서 사용된 종래의 제3 본딩 와이어를 준비하였다.
레진(resin) 위에 제1 및 3 본딩 와이어를 위치시킨 후 미쓰도요(Mitutoyo)사의 "MVK-H300A2" 장비를 사용하여 테스트 하중(test load)을 약 1.0gf로 하고 홀딩 시간(holding time)을 15초로 하여 볼 부분과 와이어 부분의 비커스 경도를 측정하였다. 총 측정된 제1 및 3 본딩 와이어들의 개수는 각각 15개씩이었으며 비커스 경도의 평균치를 산출하였다.
도 8은 비커스 경도 관련 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 제1 본딩 와이어의 볼 부분 및 와이어 부분의 비커스 경도는 약 61.2Hv 및 약 71.1Hv이었으며 제3 본딩 와이어의 볼 부분 및 와이어 부분의 비커스 경도는 제1 본딩 와이어보다 큰 약 63.2Hv 및 약 73.8Hv였다.
즉, 종래의 제3 본딩 와이어보다 본 발명의 실시예에 따른 제1 본딩 와이어의 비커스 경도가 상대적으로 작기 때문에 제1 본딩 와이어를 경박 단소한 IC칩에 본딩할 경우 종래의 제3 본딩 와이어에 비하여 IC칩에 손상(damage)을 줄일 수 있 다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 본딩 와이어로 경박 단소화된 IC칩에 본딩 공정을 수행한 경우 IC칩의 하부에 발생한 손상을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 와이어를 본딩하는 과정을 나타내는 개략적인 도면들이다.
도 6은 파단 관련 실험에 따른 파단 하중을 나타낸 그래프이다.
도 7은 전기 전도도 관련 실험에 따른 용단 전류를 나타낸 그래프이다.
도 8은 비커스 경도 관련 실험에 따른 비커스 경도를 나타낸 그래프이다.

Claims (4)

  1. 볼 부분 및 상기 볼 부분과 일체로 연결되어 연장하는 와이어 부분을 포함하며 상기 볼 부분 및 상기 와이어 부분의 비커스 경도는 각각 61.2Hv 및 71.1Hv 이고,
    스칸듐, 베릴륨, 칼슘, 스트론튬 및 란탄으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 총 중량 대비 5ppm 내지 100ppm인 제1 성분;
    은, 구리 및 이리듐으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 총 중량 대비 100ppm 내지 2000ppm인 제2 성분;
    팔라듐, 로듐 및 백금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이고 함량이 500ppm 내지 2000ppm인 제3 성분; 및
    잔부의 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행할 때 손상을 최소화할 수 있는 본딩 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어 부분의 직경이 17.78㎛인 경우 20℃에서 와이어 부분의 최초 길이 대비 파단시까지 늘어난 길이의 백분율인 파단 인장율이 3.79%일 때 와이어 부분이 파단될 때의 파단 하중은 6.45g인 것을 특징으로 하는 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행할 때 손상을 최소화할 수 있는 본딩 와이어.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어 부분의 직경은 17.78㎛이고 길이가 10mm이고 와이어 부분에 가해지는 장력이 0.5g인 경우 상기 와이어 부분을 끊어트리는 전류인 용단 전류는 257.7mA인 것을 특징으로 하는 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행할 때 손상을 최소화할 수 있는 본딩 와이어.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 볼 부분을 알루미늄 패드에 열을 가해 접합시키고 200℃℃서 열처리를 300시간 동안 수행할 때 상기 볼 부분들이 상기 알루미늄 패드로부터 탈착되는 백분율인 볼 리프트율은 6%인 것을 특징으로 하는 경박 단소한 IC칩에 본딩 공정을 수행할 때 손상을 최소화할 수 있는 본딩 와이어.
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