KR20100013329A - 반도체 장치용 본딩 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 넥부의 손상을 저감할 수 있고, 또한, 루프의 직선성, 루프 높이의 안정성, 본딩 와이어의 접합 형상의 안정화가 우수한, 저루프화, 세선화, 협피치화, 3차원 실장 등의 반도체 실장 기술에도 적응하는 고기능의 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 도전성 금속으로 이루어지는 심재와, 이 심재 위에 심재와는 다른 면심입방정의 금속을 주성분으로 하는 표피층을 가진 본딩 와이어로서, 상기 표피층의 표면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 중 <100>이 차지하는 비율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.

본딩 와이어, 저루프화, 세선화, 협피치화

Description

반도체 장치용 본딩 와이어 {BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICES}

본 발명은 반도체 소자 위의 전극과 회로 배선 기판(리드 프레임, 기판, 테이프 등)의 배선을 접속하기 위하여 사용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.

현재, 반도체 소자 위의 전극과 외부 단자 사이를 접합하는 본딩 와이어로서 선 직경 20 내지 50 ㎛ 정도의 세선(본딩 와이어)이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합에는 초음파 병용 열압착 방식이 일반적인데, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 볼을 형성시킨 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 위에, 이 볼부를 압착 접합시킨 후에, 직접 본딩 와이어를 외부 리드 측에 초음파 압착에 의하여 접합시킨다.

최근, 반도체 실장의 구조·재료·접속 기술 등은 급속히 다양화하고 있고, 예를 들면, 실장 구조에서는 현행의 리드 프레임을 사용한 QFP(Quad Flat Packaging)에 추가하여 기판, 폴리이미드 테이프 등을 사용하는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Packaging) 등의 새로운 형태가 실용화되어, 루프성, 접합 성, 양산 사용성 등을 더 향상한 본딩 와이어가 요구되고 있다.

인접하는 본딩 와이어의 간격이 좁아지는 협피치화가 진행되고 있다. 이것에 대응하는 본딩 와이어에 대한 요구로서 세선화, 고강도화, 루프 제어, 접합성의 향상 등이 요구된다. 반도체 실장의 고밀도화에 의하여 루프 형상은 복잡화하고 있다. 루프 형상의 분류로서 루프 높이, 본딩 와이어의 와이어 길이(스팬)가 지표가 된다. 최신의 반도체에서는 하나의 패키지 내부에, 고루프와 저루프, 단(短)스팬과 장(長)스팬 등 상반되는 루프 형성을 혼재시키는 경우가 증가하고 있다. 그것을 한 종류의 본딩 와이어로 실현하려면, 치밀한 본딩 와이어의 재료 설계가 필요하다.

본딩 와이어의 소재로는 지금까지 고순도 4N계(순도>99.99 mass%)의 금이 주로 사용되고 있다. 고강도화, 고접합 등의 특성을 향상시키기 위하여, 미량의 합금 원소를 조정하고 있다. 최근에는 접합부의 신뢰성을 향상시킬 목적 등으로 첨가 원소 농도를 1% 이하까지 증가시킨 순도 2N(순도＞99%) 합금 와이어도 실용화되어 있다. 금에 첨가하는 합금 원소의 종류, 농도를 조정함으로써, 고강도화, 신뢰성의 제어 등이 가능하다. 한편, 합금화에 의하여 접합성이 저하하거나, 전기 저항이 증가하는 등의 폐해가 생기는 경우도 있어서, 본딩 와이어에 요구되는 다양한 특성을 종합적으로 만족하기는 어렵다.

또한, 금은 고가이기 때문에, 재료비가 저렴한 타종 금속이 요망되고 있는데, 재료비가 저렴하고, 전기 전도성이 우수한 구리를 소재로 하는 본딩 와이어가 개발되어 있다. 그러나, 구리의 본딩 와이어에서는 와이어 표면의 산화에 의하여 접합 강도가 저하하는 것이나, 수지 밀봉되었을 때에 와이어 표면의 부식 등이 일 어나기 쉬운 것이 문제가 된다. 이것이 구리의 본딩 와이어의 실용화가 진행되지 않는 원인이 되기도 한다.

지금까지 실용화된 본딩 와이어는 모두 단층 구조인 것을 특징으로 한다. 소재가 금, 구리 등 변하여도, 내부에 합금 원소를 균일하게 함유하고 있고, 본딩 와이어의 와이어 단면에서 보면 와이어 단층 구조이었다. 본딩 와이어의 와이어 표면에 얇은 자연 산화막, 표면 보호를 위한 유기막 등이 형성되어 있는 경우도 있지만, 이들도 최표면의 극히 얇은 영역(∼수 개의 원자층 레벨)에 한정된다.

본딩 와이어에 요구되는 다양한 요구에 응하기 위하여, 와이어 표면에 다른 금속을 피복한 다층 구조의 본딩 와이어가 제안되어 있다.

구리 본딩 와이어의 표면 산화를 막는 방법으로서, 특허 문헌 1에는 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 크롬, 티타늄 등의 귀금속이나 내식성 금속으로 구리를 피복한 본딩 와이어가 제안되어 있다. 또한, 볼 형성성, 도금액의 열화 방지 등의 점에서, 특허 문헌 2에는 구리를 주성분으로 하는 심재, 이 심재위에 형성된 구리 이외의 금속으로 이루어지는 타종 금속층 및 이 타종 금속층 위에 형성되고, 구리보다 고융점의 내산화성 금속으로 이루어지는 피복층의 구조를 한 본딩 와이어가 제안되어 있다. 특허 문헌 3에는 구리를 주성분으로 하는 심재와, 이 심재 위에 심재와 성분 또는 조성의 하나 또는 두 가지가 모두 다른 금속과 구리를 함유하는 외피층을 가지고, 그 외피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 박막인 본딩 와이어가 제안되어 있다.

또한, 금 본딩 와이어에서도, 다층 구조가 많이 제안되어 있다. 예를 들면, 특허 문헌 4에는 고순도 Au 또는 Au 합금으로 이루어지는 심선의 외주면에 고순도 Pd 또는 Pd 합금으로 이루어지는 피복재를 피복한 본딩 와이어가 제안되어 있다. 특허 문헌 5에는 고순도 Au 또는 Au 합금으로 이루어지는 심선의 외주면에 고순도 Pt 또는 Pt 합금으로 이루어지는 피복재를 피복한 본딩 와이어가 제안되어 있다. 특허 문헌 6에는 고순도 Au 또는 Au 합금으로 이루어지는 심선의 외주면에 고순도 Ag 또는 Ag 합금으로 이루어지는 피복재를 피복한 본딩 와이어가 제안되어 있다.

양산에서 사용되는 와이어 특성으로서, 본딩 공정에 있어서의 루프 제어가 안정적이고, 접합성도 향상되어 있으며, 수지 밀봉 공정에서 본딩 와이어의 변형을 억제하고, 접속부의 장기 신뢰성 등의 종합적인 특성을 만족함으로써, 최선단의 협피치, 3차원 배선 등의 고밀도 실장에 대응할 수 있는 것이 요망된다.

볼 접합과 관련하여, 볼 형성시에 진구성이 양호한 볼을 형성하고, 그 볼부와 전극과의 접합부에서 충분한 접합 강도를 얻는 것이 중요하다. 또한, 접합 온도의 저온화, 본딩 와이어의 세선화 등에 대응하기 위하여도, 회로 배선 기판 위의 배선부에 본딩 와이어를 웨지 접속한 부위에서의 접합 강도, 인장 강도 등도 필요하다.

사용 전의 본딩 와이어는 조직, 강도 등 길이 방향으로 균일하지만, 본딩됨으로써 조직, 경도 등이 변화한다. 그 대표 예로서 볼 근방의 넥부에서는 볼 형성시에 열 영향을 받아 재결정이 진행하기 때문에, 넥부의 강도가 저하된다. 저루프 등의 엄격한 루프 제어 또는 진동 등의 외력 등에 의하여, 넥부가 크랙 등의 손상을 받는 경우가 많다. 다층 구조의 본딩 와이어에서도, 이 넥부의 개질에 의한 강 도 향상이 기대된다.

이와 같은 반도체용 다층 구조의 본딩 와이어는 실용화의 기대는 크지만, 지금까지 실용화되어 있지 않았다. 다층 구조에 의한 표면 개질, 고부가 가치 등이 기대되는 한편, 와이어 제조의 생산성, 품질, 또한 본딩 공정에서의 수율, 성능 안정성, 그리고 반도체 사용시의 장기 신뢰성 등이 종합적으로 만족되어야 한다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 소62-97360호

특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 2004-64033호

특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 2007-12776호

특허 문헌 4: 일본 공개 특허 공보 평4-79236호

특허 문헌 5: 일본 공개 특허 공보 평4-79240호

특허 문헌 6: 일본 공개 특허 공보 평4-79242호

종래의 단층 구조의 본딩 와이어(이하, 단층 와이어라고 한다)에서는 인장 강도, 접합부의 강도, 신뢰성 등을 개선하기 위하여, 합금화 원소의 첨가가 유효하지만, 특성 향상에는 한계가 있는 것이 염려되었다. 다층 구조를 한 본딩 와이어(이하, 복층 와이어라고 한다)에서는 단층 와이어보다 더 특성을 향상시켜 부가가치를 높일 것이 기대된다. 고기능화를 이루는 복층 와이어로서, 예를 들면, 구리 본딩 와이어의 표면 산화를 막기 위하여, 와이어 표면에 귀금속이나 내산화성의 금속을 피복하는 것이 가능하다. 금 본딩 와이어에서도, 와이어 표면에 강도가 높은 금속 또는 합금을 피복함으로써, 수지 흐름을 저감하는 효과가 기대된다.

그러나, 반도체 실장의 고밀도화, 소형화, 박형화 등의 니즈를 고려하여, 본 발명자들이 평가한 바, 복층 와이어에서는 후술하는 실용상의 문제가 많이 남아 있는 것이 판명되었다.

복층 와이어의 문제로서 넥부에 있어서의 손상, 잘록함, 강도 저하 등이 문제가 된다. 저루프화, 롱 스팬 등, 루프 형성시에 와이어를 끌어당기기 때문에 열 영향을 받아 강도가 원래 저하되어 있는 넥부에 있어서, "〈" 모양의 크랙, 주름 모양의 피로 불량 등이 일어나기 쉽다.

복층 와이어에 있어서의 넥 손상의 발생 빈도는 단층 와이어보다 증가하는 경향이며, 와이어 본딩 공정의 생산성의 저하를 일으키는 한 요인이 된다. 이것이 저루프화의 장해가 되면, 복층 와이어의 용도가 한정된다. 예를 들면, 최신의 플래쉬 메모리에서는 칩을 여러 단(段)으로 포개는 3차원 실장이 증가하고 있고, 또한 박형화가 요구되기 때문에, 저루프화가 우수한 본딩 와이어에 대한의 요구가 한층 높아지고 있다. 복층 와이어도 이와 같은 저루프화에의 적응성이 중요하게 된다.

루프 형성의 과정에서는 와이어를 여러 방향으로 구부리거나 당기거나 하기 때문에, 넥부에는 압축 응력, 인장 응력 등이 복잡하게 관여한다. 또한, 웨지 접합에서의 초음파 진동이 본딩 와이어를 전파함으로써, 넥부에 피로를 일으키는 경우도 있다. 이와 같은 복잡한 외력과 잔류 변형 등에 넥부가 견딜 것이 요구된다. 복층 와이어에서는 심재와 표피층에서의 재질, 기계적인 특성이 달라지기 때문에, 이와 같은 외력, 변형에 대하여 견디지 못하는 부위에서부터 균열, 잘록한 부분이 발생하기 쉽다. 넥부의 균열, 손상의 발생 장소를 조사한 결과, 표피층으로부터 발생하는 경우가 대부분이다.

복층 와이어에서 루프를 형성하였을 때에는 루프의 직선성이 저하하여, 복층 와이어가 무너지고, 늘어지고, 구부러지는 등의 문제가 생기는 경우가 있다. 이 루프의 직선성이 저하함으로써, 제조 수율을 저하시키는 것이 문제가 된다.

복층 와이어의 볼 접합부의 문제로서는, 화변(花弁) 현상과 심 어긋남 현상이 대표적이다. 화변 현상이란, 볼 접합부의 외주 근방이 화변 모양으로 요철 변형을 일으켜, 진원성으로부터 벗어나는 것으로, 작은 전극 위에 접합할 때에 볼이 삐져나오거나, 접합 강도의 저하를 유발하거나 하는 불량의 원인이 된다. 심 어긋남 현상이란, 와이어 선단에 형성한 볼부가 와이어 축에 대하여 비대칭으로 형성되는, 예를 들면 골프 클럽 모양이 되는 현상이며, 협피치 접속에 있어서 심 어긋남 볼을 접합하였을 때에 인접하는 볼과 접촉하는 쇼트 불량을 일으키는 것이 문제가 된다. 이들 복층 와이어에 있어서의 화변 현상과 심 어긋남 현상과의 발생 빈도는 단층 와이어보다 증가하는 경향이 있고, 생산성의 저하를 초래하는 한 요인이기 때문에 와이어 본딩 공정의 관리 기준을 엄격하게 할 필요가 있다.

복층 구리 와이어에서는 단층 구리 와이어보다 산화를 늦추는 효과를 기대할 수 있으나, 그 효과는 표피층 또는 와이어 표면 근방에 있어서의 조성, 구조, 두께 등에 따라서 크게 다르다. 복층 구리 와이어의 구조의 적정화가 중요하다. 금 와이어와 동등한 작업성을 확보하려면, 예를 들면 2개월 정도의 대기 보관 후에도 웨지 접합성, 루프 형상 등이 열화되지 않는 것이 보장될 필요가 있다. 이것은 단층 구리 와이어의 보관 수명에 비하면 수십 배의 수명 향상이 필요한 것으로, 구리를 주체로 하는 재료에 있어서는 상당히 엄격한 조건이 요구된다.

본 발명에서는 상술하는 종래 기술의 문제를 해결하고, 종래의 기본 성능에 추가하여, 와이어 표면의 스크래치, 깎임의 억제, 루프 형상의 안정화, 양호한 볼 형성 등의 성능 향상을 도모한 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들이, 상기 넥부의 손상 등의 문제를 해결하기 위하여 복층 구조의 본딩 와이어를 검토한 결과, 특정의 표피층으로서 상기 표피층의 조직을 제어하는 것이 유효한 것을 밝혀내었다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 이하의 구성의 요지로 한다.

본 발명의 청구항 1에 관한 본딩 와이어는 도전성 금속으로 이루어지는 심재, 상기 심재 위에 심재와는 다른 금속을 주성분으로 하는 표피층을 가진 반도체 장치용 본딩 와이어로서, 상기 표피층의 금속이 면심 입방정이며, 상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율이 50% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 2에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1에 있어서, 상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율의 총계가 60% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 3에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 심재의 단면의 결정면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율이 30% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 4에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 3의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층의 표면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈에 대하여, 원주 방향의 평균 사이즈에 대한 길이 방향의 평균 사이즈의 비율이 3 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 5에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 4의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층의 표면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위가 <100>인 결정립의 면적이 와이어 표면의 총 면적에 대한 비율로서 30% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 6에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 5의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층을 구성하는 주성분이 Pd, Pt, Ru, 또는 Ag인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 7에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 6의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu 또는 Au인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 8에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 7의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층의 두께가 0.005 내지 0.2 ㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 9에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 8의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층과 심재와의 사이에 농도 구배를 가진 확산층을 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 10에 관한 본딩 와이어는, 청구항 6 내지 9의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, B, Pd, Bi 및 P 중 적어도 1종 이상을 5 내지 300 ppm의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 11에 관한 본딩 와이어는, 청구항 6 내지 10의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, Pd를 5 내지 10000 ppm의 범위에서 함유하며, 상기 표피층을 구성하는 주성분이 Pd 또는 Ag인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 12에 관한 본딩 와이어는, 청구항 6 내지 9의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Au로, Be, Ca, Ni, Pd 및 Pt 중 적어도 1종 이상을 5 내지 8000 ppm의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 13에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 12의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층과 상기 심재의 사이에, 상기 표피층 및 상기 심재를 구성하는 주성분과는 다른 성분으로 이루어지는 중간 금속층을 가진 것을 특징으로 한다.

발명을 실시하기 위한 최선의 상태

반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어라 한다)에 대하여, 도전성 금속으로 이루어지는 심재와, 이 심재 위에 심재와는 다른 면심 입방정의 금속을 주성분으로 하는 표피층으로 구성된 것을 검토한 결과, 본딩 와이어의 표면 근방에 도전성 금속을 함유함으로써, 웨지 접합성의 향상 등을 기대할 수 있는 반면, 와이어 본딩 공정에서의 볼 형성시의 열영향 및 복잡한 루프 제어 등에 의하여, 넥부 근방의 표면에 손상이 발생하는 것이 문제가 되는 것, 루프 형상의 안정성 등이 충분하지 않은 것 등이 판명되었다. 이에, 협피치의 접속, 3차원 접속의 엄격한 루프 제어 등의 새로운 니즈에 대한 대응, 세선의 와이어 신선 가공에 있어서의 수율의 향상 등에도 대응할 수 있는 복층 구조의 본딩 와이어를 검토한 결과, 특정의 표피층으로서 상기 표피층의 조직을 제어하는 것이 유효한 것을 밝혀내었다. 특히, 지금까지 대부분 알려지지 않았던 복층 와이어의 표면의 집합 조직과 와이어 본딩의 사용 성능의 관계에 주목하여, 특정의 결정 방위을 제어함으로써, 가공성, 접합성, 루프 제어성 등의 종합적인 개선이 가능한 것을 처음으로 확인하였다. 더 효과적으로는 표피층과 심재의 조직의 조합 등의 제어가 유효한 것을 밝혀내었다.

즉, 도전성 금속으로 이루어지는 심재와, 상기 심재 위에 심재와는 다른 면심 입방정의 금속을 주성분으로 하는 표피층을 가진 본딩 와이어로서, 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율이 50% 이상인 본딩 와이어인 것이 필요하다. 상기 본딩 와이어이면, 넥부의 손상을 억제하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 손상에는 여러 가지 형태의 크랙, 파손이 포함되지만, 와이어 표면이 기점이 되는 손상이 많다.

표피층을 구성하는 성분이 면심 입방정의 금속이면, 가공시의 항복 강하도 없고, 가공성도 양호하며, 신선 가공, 루프 제어 등의 복잡한 가공, 휨 등에 순응하기 쉽다.

면심 입방정 금속의 <100> 방위는 연성을 높이는 효과가 있고, 휨, 인장 등의 변형에도 추종함으로써, 루프 형성시에 압축, 인장 등의 외력을 받더라도 넥부의 표면으로부터의 균열 진전을 억제할 수 있다. 이와 같은 특수한 변형 및 균열의 진전에는 와이어 표면의 조직이 중심부보다 영향이 크기 때문에, 표면에 있어서의 <100> 방위의 배향률을 높이는 것이 유효하다.

넥부의 손상을 저감하려면 와이어 전체와 넥부와의 조직이 유사한 것이 유효하다. 본딩 와이어 제조에서는 통상은 최종 선 직경 및 그 근방에서 열 처리를 실시하는 경우가 많다. 볼 형성시의 열 영향에 의하여, 넥부에서는 더 고온까지 열처리 되는 것에 상당한다. 와이어 전체와 넥부와의 표면의 결정 방위 차가 적은 것이 넥부의 표면 근방에서의 응력 집중, 잔류 변형 등이 경감된다. 면심 입방정의 금속에서는 열처리에 의한 재결정 집합 조직으로서, <100> 방위로 배향하는 경우가 많다. 넥부에서도 마찬가지로 볼 형성시의 열 영향으로 성장하는 결정 방위는 <100> 방위 또는 그 유사한 배향인 것이 확인되었다. 따라서, 가장 본딩 와이어의 표면에 <100> 방위에의 배향을 높임으로써, 넥부의 조직과의 차(差)를 저감할 수 있는 것도, 넥부의 손상을 저감하는 작용이 있는 것으로 생각된다.

또한, 와이어 길이 방향의 결정 방위 중 <100> 방위의 배향률을 높이는 것은 넥부에서도 <100>에의 배향률을 증가시키는 효과가 있다. 볼 용융 열이 본딩 와이어를 전도하고, 넥부에서는 표피층 또는 심재의 재결정 온도를 넘어 가열된다. 넥부가 재결정에 의하여 결정 방위의 회전 등이 진행할 때에, 와이어 자신의 <100> 방위를 핵으로 하고, 그 주위의 결정 방위 <100>로 이행하는 것이 조장된다.

표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100> 방위가 차지하는 비율이 50% 이상이면, 넥부의 손상을 억제하는 충분한 효과가 얻어진다. 좋기로는, 이 <100> 방위의 비율이 60% 이상이면, 넥 손상을 억제하는 효과가 높아져, 선 직경 25 ㎛에서 루프 높이 90 ㎛ 이하의 저루프에서도 넥 손상을 저감할 수 있다. 더 좋기로는, 70% 이상이면 스크래치를 억제하는 효과가 더 높아지고, 예를 들면, 루프 높이가 80 ㎛ 이하인 저루프에서도 넥 손상을 억제하여 안정적인 루프 형성이 가능하게 된다.

복층 와이어에서는 표층과 심재가 다른 성분으로 구성되어 있기 때문에, 와이어 표면을 피복하고 있는 표층의 조직을 분리하여 제어하는 것이 비교적 용이하다. 이 표면 조직의 제어에 의한 특성 개선 효과도 높다. 이와 같은 점에서는 종래의 단층 와이어의 조직 제어와는 다르다. 단층 와이어에서는 와이어 전체의 집합 조직 및 결정 방위을 관리할 수 있지만, 표면 근방만 와이어 내부와 분리하여 조직 제어하는 것은 어렵다. 따라서, 복층 와이어의 표층의 조직 제어에는 복층 와이어의 독자적인 생각이 요구되며, 단층 와이어의 와이어 단면에 있어서의 집합 조직 및 결정 방위의 관리를 끼워맞출 수는 없다.

표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율의 총계가 60% 이상이면, 루프 높이의 편차가 저감되고, 고속 동작에서의 루프의 안정 제어가 용이하게 된다. 통상의 와이어 접속 공정에서는 캐필러리의 구멍을 지나는 본딩 와이어가 풀려나오거나 되돌아가는 등, 복잡한 동작을 한다. 이것은 수십 밀리 초 오더의 상당히 고속으로 본딩 와이어가 출입하는 동작이다. <111>와 <100> 각각의 방위의 구체적인 효과, 관계는 분명하지 않지만, 본딩 와이어와 캐필러리와의 미끄러짐 저항을 낮춤으로써, 루프 높이가 안정화한 것으로 생각된다. 달리 말하자면, 미끄러짐성 및 루프 높이를 안정화하려면, <111>과 <100> 이외의 결정 방위을 낮게 억제하는 것이 유효하다. 표피층에 있어서의 <111>과 <100>이 차지하는 비율의 총계가 60% 이상이면, 와이어 길이가 3 mm 이하인 일반적인 스팬으로, 루프 높이를 안정화하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 좋기로는, 80% 이상이면, 와이어 길이가 5 mm 이하인 롱 스팬에서도 루프 높이를 안정화시키는 높은 효과를 얻을 수 있다. 또한, <111>과 <100>이 차지하는 비율을 높이는 것에 의한 효과로서 성막 후의 가공, 열처리 프로세스에 있어서의 막 두께의 불균일성을 억제함으로써, 표피층의 두께의 균일화에도 유리하다.

심재의 단면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>의 차지하는 비율의 합계가 30% 이상이면, 볼 접합부의 외주 근방이 요철 변형되는 화변 불량을 저감하게 되어, 볼 접합부를 진원에 가깝게 안정화시킬 수 있다. 진원성이 양호하면 접합 면적의 축소에 유리하게 되어, 접합 공정의 제조 관리가 용이하게 되거나, 또는 협피치 접합의 생산성을 향상시킬 수 있다. 볼부의 응고 조직은 심재의 조직도 크게 반영되어 심재의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율을 높게 하는 것이 유효한 것을 확인하였다. 이와 같은 심재의 결정 방위의 제어에 대하여, 단층 와이어에서는 효과가 충분하지 않은데 대하여, 복층 와이어에서는 높은 효과를 얻을 수 있는 것이 확인되었다. 이 요인에 대하여 완전하게는 해명되어 있지 않지만, 복층 와이어의 볼 용융에서는 먼저 표피층, 다음으로 심재가 단계적으로 용융됨으로써, 심재의 조직이 볼부의 조직에 미치는 영향이 크기 때문이라고 추측된다. 이 작용 효과는 통상의 볼 사이즈의 경우에 더 높은 효과가 확인되고 있다. 예를 들면, 초기 볼 지름/와이어 지름의 비율이 1.9 내지 2.2의 통상 사이즈의 볼을 접합하는 경우에, 볼 접합부에 있어서의 이방성이나 화변 모양 등 형상 불량을 저감하고, 진원성을 향상시킬 수 있다. 압축 변형, 초음파 인가에 의한 볼부의 변형 거동을 조사한 결과, 볼 접합 형상에 관하여서는 표피층의 조직과의 상관은 작고, 오히려 심재의 조직이 지배적으로 작용하는 것이 확인되었다. 이 때, 심재에 있어서의 <111>과 <100>이 차지하는 비율의 합계가 30% 미만이면, 볼이 접합 시에 화변 모양, 타원 모양의 변형을 일으키는 빈도가 높아져 불량이 되는 경우가 있다. 본딩 와이어의 조직이 볼 변형에 미치는 영향은 복층 와이어인 것이 현저하고, 단층 와이어의 조직의 영향과는 다른 경우가 많다. 좋기로는, 심재에 있어서의 <111>과 <100>가 차지하는 비율의 합계가 50% 이상이면, 소경 볼 접합 형상을 안정화할 수 있다. 예를 들면, 초기 볼 지름/와이어 지름의 비율이 1.5 내지 1.7인 범위인 소경 볼을 접합하는 경우에, 볼 접합부의 진원성을 향상함으로써, 전극 간격이 40 ㎛ 이하인 협피치 접합에서도 양호한 볼 접합 형상을 얻을 수 있다. 심재에 있어서의 <111>과 <100>이 차지하는 비율의 합계는 특히 상한이 없지만, 85% 이하이면 제조시의 제어가 비교적 용이하게 되는 이점이 있다.

이와 같은 심재의 조직과, 전술한 표피층의 조직을 조합함으로써 상승 작용을 기대할 수 있고, 루프 형상의 제어, 볼 변형의 안정화를 동시에 개선하는 것이 가능하게 된다. 즉, 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, 50% 이상이 <111>이고, 한편, 심재의 단면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율이 40% 이상인 복층 구조의 본딩 와이어인 것이 바람직하다. 이에 의하여, 3차원 실장의 대표예인, 복수의 칩을 적층시킨 적층 칩 접속, BGA, CSP에서 최근 사용되는 인접하는 본딩 와이어의 루프 높이가 60 내지 500 ㎛의 범위에서 크게 다른 다단 접속(Multi-Tier Bonding) 등에 있어서, 본딩 와이어의 총합 특성을 개선할 수 있다.

지금까지의 설명에서는 측정할 수 있는 결정 방위 <hkl>를 기준으로 하여 특정의 배향이 차지하는 비율이 미치는 작용, 효과에 대하여 설명하였다. 이하에서는 협피치화에 적응하기 위하여 세선화가 진행되면, 표면의 영향도가 증가하여, 결정 방위이 미치는 효과를 본딩 와이어의 표면을 기준으로 하여 정리하는 것이 실용의 효과를 정확하게 파악할 수 있을 것이다.

구체적으로는, 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, 50% 이상이 <100>인 복층 구조의 본딩 와이어이고, 또한 표피층의 표면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위가 <100>인 결정립의 면적이 와이어 표면의 총 면적에 대한 비율로서 30% 이상인 것이 좋다. 이것에 의하여, 루프 형상을 안정화시키는 효과가 높아지고, 그 중에서도 직경 22 ㎛ 이하로 세선화된 본딩 와이어에서도 루프 특성이 안정화하고, 넥 손상의 저감에 유효하다. 선 직경이 22 ㎛ 이하인 가는 본딩 와이어에서는 신선 가공 변형의 증대 등에 의하여 측정하기 어려운 결정 방위의 영역이 증가하는 것 등, 측정할 수 있는 결정 방위 중의 <100>의 배향의 비율만으로는 루프 특성을 정확하게 파악할 수 없는 영역이 증가하는 경향이 있다. 이에 표피층의 표면에 있어서의 <100>인 결정립의 면적이, 와이어 표면의 총 면적에 대한 비율(면적 비율)로서 적정한 비율(적정한 면적 비율)로 하면, 세선에서도 양호한 특성을 얻을 수 있다. 이 면적비율이 30% 이상인 이유는 결정 방위 중에서 50% 이상이 <100>이어도 면적 비율이 30% 미만이면 선 직경 22 ㎛ 이하인 본딩 와이어를 사용한 루프 높이 70 ㎛ 이하의 저루프 접속에 있어서, 넥 손상의 불량률이 증가하는 경우가 있기 때문이다. 좋기로는, 이 면적비율이 40% 이상이면, 직경 18 ㎛ 이하인 세선을 접속하여 루프 높이 60 ㎛ 이하의 저루프에서도 넥 손상을 저감할 수 있다. 더 좋기로는, 이 면적비율이 50% 이상이면, 직경 18㎛ 이하의 세선에서의 루프 높이 60 ㎛ 이하의 초저루프에서도 넥 손상을 억제하는 효과가 더 높아지기 때문에, 예를 들면 칩을 3단 이상 적층한 3차원 접속에도 유리하게 된다.

표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, 50% 이상이 <100>인 복층 구조의 본딩 와이어이고, 또한 표피층의 표면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈에 대하여, 원주 방향의 평균 사이즈에 대한 길이 방향의 평균 사이즈의 비율(결정립경의 아스펙트비)가 3 이상인 것을 특징으로 하는 복층 구조의 본딩 와이어이면, 루프 형성한 본딩 와이어의 직선성을 향상시킬 수 있다. 본딩 와이어는 캐필러리 선단의 구멍에서 나오거나 되돌아가거나 함으로써 루프를 형성할 때에, 본딩 와이어는 캐필러리 내벽과의 마찰 등에 의하여, 본딩 와이어가 무너지거나 휨에 의한 컬 불량, 늘어짐에 의한 본딩 불량이 발생함으로써 수율이 저하된다. 이와 같은 불량을 억제하고 루프 직선성을 향상시키려면 표피층의 표면에 있어서의 결정립경의 아스펙트비를 높이는 것이 유효한 것을 밝혀내었다. 아스펙트비를 높이면, 와이어 길이 방향으로 긴 결정립이 섬유상 조직을 형성하게 되고, 루프 형성시의 본딩 와이어에 잔류하는 변형, 변형 편차를 저감하는 것에 유리하게 된다. 아스펙트비가 3 이상이면, 루프 직선성을 향상시키는 충분한 효과를 얻을 수 있다. 좋기로는, 아스펙트비가 5 이상이면, 직경이 25 ㎛ 이하이고, 와이어 길이가 5 mm 이상인 롱 스팬에서도 양호한 루프 직선성을 얻을 수 있다. 더 좋기로는, 아스펙트비가 10 이상이면, 와이어 길이가 7 mm 이상인 초롱 스팬에서도 루프 직선성을 향상하는 효과를 높일 수 있다.

표피층의 주성분이 되는 면심 입방정 금속이란, 심재의 주성분인 도전성 금속과는 다른 금속으로서, 본딩 와이어의 접합성의 개선에 효과가 있고, 본딩 와이어의 산화 방지에도 유효한 금속인 것이 좋다. 구체적으로는, Pd, Pt, Ru, Rh, Ag가 후보가 되고, 또한, 실용성, 비용 대비 효과 등을 중시하면, Pd, Pt, Ru, Ag의 적어도 1종의 금속인 것이 더 좋다. 여기에서의 주성분이란 농도가 50 mol% 이상인 원소이다. Pd는 밀봉 수지와의 밀착성, 전극에의 접합성도 충분하고, 품질 관리도 용이한 등의 이점이 있다. Pt는 볼 형상을 안정화시키는 것이 비교적 용이하다. Ru는 경질이고 치밀한 막을 형성하기 쉽고, 재료비도 비교적 염가이다. Rh는 내산화성 등 성능은 양호하지만, 재료비가 고가이기 때문에, 박막화 등 향후의 검토가 기대된다. Ag는 연질이기 때문에 표피층이 형성된 와이어를 신선 가공하였을 경우, 비교적 용이하게 스크래치를 억제할 수 있고, 재료비도 염가이기 때문에 비용이 중시되는 반도체 등에 유용하다.

즉, 표피층은 Pd, Pt, Ru, Ag의 도전성 금속이 적어도 1종을 주성분으로 하는 순금속 또는 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금인 것이 좋다. 순금속이면 내산화성, 접합성의 향상 등이 용이한 이점이 있고, 합금이면 인장 강도, 탄성 비율의 상승에 의하여 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하는 이점이 있다. 여기서의 상기 순금속이란, 표피층의 일부에 99 mol% 이상의 농도를 가진 층이 포함되거나, 또는 확산층을 제외하는 표피층의 평균 농도가 80 mol% 이상인 것에 상당한다. 상기 합금이란, Pd, Pt, Ru, Ag의 적어도 1종의 금속을 50 mol% 이상 함유하는 것이다.

심재를 구성하는 도전성 금속은 Cu, Au, Ag가 후보가 되고, 실용성을 중시하면, Cu, Au의 적어도 1종을 주성분 하는 것이 좋다. Cu는 재료비가 싸고, 전기 전도성이 높으며, 볼 형성시에 쉴드 가스를 분사하면 양호한 볼 형성도 용이한 등 조작성도 비교적 양호하다. Au는 내산화성이 강하고, 볼 형성시에 쉴드 가스 등이 불필요하며, 접합시의 변형도 양호하고, 접합성을 확보하기 쉬운 등의 이점이 있다. Ag는 도전성이 우수하지만, 신선 가공에 약간 어려움이 있고, 제조 기술을 적정화하는 것이 필요하다. 한편, Cu, Au는 단층 본딩 와이어용 소재로서의 사용 실적이 많다는 이점이 있다.

심재는 도전성 금속을 주성분으로 하는 합금이면, 와이어 강도의 증가에 의한 세선화 또는 접합 신뢰성의 향상 등에 유리한 경우도 있다. Cu 합금의 경우에는 B, Pd, Bi, P의 1종 이상을 5 내지 300 ppm의 범위에서 함유함으로써, 본딩 와이어의 인장 강도, 탄성율의 증가 등에 의하여, 스팬 5 mm 정도까지의 롱 스팬에서의 직선성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 상기 첨가 작용을 높이려면, Cu의 단층 와이어로는 충분하지 않은 데 대하여, 심재의 주성분이 Cu인 복층 와이어에 적용하는 것이 높은 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 즉, 심재가 B, Pd, Bi 및 P의 적어도 1종 이상을 5 내지 300 ppm의 범위에서 함유하는 Cu 합금이고, 표피층이 Pd, Pt 또는 Ru를 주성분으로 하며, 상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율이 50% 이상이면, 롱 스팬에서의 직선성을 향상하는 효과가 한층 높아진다. 그 이유로서 결정 방위을 제어한 표피층과 합금 원소를 함유하는 심재와의 상승 효과에 의하여, 직선성이 향상된다고 생각된다.

상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율이 50% 이상이고, 표피층을 구성하는 주성분이 Pd 또는 Ag이며, 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, 심재 중에 Pd가 5 내지 10000 ppm의 범위로 함유하는 복층 구조의 본딩 와이어이면, 와이어의 역접속 방식에 있어서 스프링 불량의 저감과 스터드 범프 높이의 안정화에 유효하고, 또한, 볼 접합부의 압착 높이의 안정화도 가능하다. 역접속 방식이란, 볼 접합의 위쪽에서 와이어를 강제적으로 파단시켜 스터드 범프를 형성하고, 이 스터드 범프 위에 와이어를 웨지 접합하는 방식이며, 적층 칩 용도 등에 이용된다. 역접속 방식의 생산성을 저하시키는 요인에는 불안정한 스터드 범프 높이와 루프가 굴곡 변형되는 스프링 불량이 있다. 스프링 불량이란 스터드 범프 상에 접속한 와이어를 테일 컷할 때의 파단 충격에 의하여 와이어가 굴곡 변형되는 현상이다. 상기 와이어이면, 와이어 제조에서의 열처리 공정에 있어서, 심재/표피층의 계면 근방에서, 심재 중의 Pd와 표피층 중의 Pd 또는 Ag가 서로 확산할 경우에, Pd 농도의 변화를 균일화하고, 완만하게 하는 상승 작용에 의하여, 스프링 불량을 억제하는 것으로 생각된다. 또한, 전술한 Pd 첨가에 의한 루프의 직선성을 향상시키는 효과가 스프링 불량의 억제에 영향을 주는 경우도 기대된다. 이와 같은 와이어 내부의 Pd 농도 변화는 와이어 전체만이 아니라, 볼 용융의 열 영향을 받는 넥부에 더욱 유효하게 작용하므로, 스터드 범프 높이의 안정화에도 유효하다. 이와 같이 스터드 범프 높이를 안정화시킬 수 있는 것은 넥부의 재결정 입자 지름의 분포를 와이어 중심부와 표면 근방에서 균일화시킴으로써, 스터드 범프 형성시의 파단 길이를 안정화시키는 작용이 있다고 생각된다. 또한, Cu의 심재와 Pd의 표피층의 조합에서는 볼이 용융할 때에 Cu와 Pd, Ag의 혼합이 불균일하게 되어 볼 형상의 이형이 발생하는 경우가 있으나, 심재에 Pd를 함유시킴으로써, 초기 볼 사이즈를 안정화시키고, 볼부의 압착 높이를 안정화시키는 효과를 높일 수 있다. 이때, 심재에 포함되는 Pd 농도에 관하여, 5 ppm 이상이면 상기 효과가 확인되고, 좋기로는 200 ppm 이상이면 개선 효과가 더 현저하다. 이 Pd 농도의 상한에 관하여, 10000 ppm 이하이면 볼의 경화에 의한 칩 손상을 억제할 수 있고, 좋기로는 8000 ppm 이하이면 칩 손상을 억제하는 효과를 더 높일 수 있어서, 협피치 접속에도 유리하다

Au 합금의 경우에는 Be, Ca, Ni, Pd 및 Pt의 적어도 1종 이상을 5 내지 8000 ppm의 범위에서 함유하는 것이면, 동일한 효과가 있고, 양호한 직선성을 확보하는 것이 용이하다. 즉, 심재가 Be, Ca, Ni, Pd 및 Pt의 적어도 1종 이상을 5 내지 8000 ppm의 범위에서 함유하는 Au 합금이고, 표피층이 Pd, Pt 또는 Ru를 주성분으로 하여 상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율이 50% 이상인 것이 좋다.

복층 구조의 본딩 와이어의 구성에서는 표피층과 상기 심재의 사이에, 상기 표피층 및 상기 심재를 구성하는 주성분과는 다른 성분으로 이루어지는 중간 금속층을 가진 것으로, 전술한 표피층의 결정 방위의 배향을 제어하는 것이, 더 유리하게 된다. 표피층의 형성에서는 결정 방위의 영향을 받는 경우가 있고, 심재의 결정 방위을 제어하기 보다는, 심재 위에 형성한 중간 금속층의 결정 방위를 제어하는 것이 비교적 용이하기 때문이다. 구체적으로는, 표피층의 금속과 같은 면심입방정의 금속이 중간 금속층으로서 좋다. 특히, 표피층의 금속의 격자정수와 중간 금속층의 금속의 격자정수가 가까운 것이 더 좋다.

즉, 상기 표피층과 상기 심재의 사이에 상기 표피층 및 상기 심재를 구성하는 주성분과는 다른 성분으로 이루어지는 중간 금속층을 가진 것을 특징으로 하는 복층 구조의 본딩 와이어가 좋다. 중간 금속층을 추가하는 효과로서 표피층과 심재의 밀착성의 향상 등에 의하여, 웨지 접합부의 접합 강도의 지표의 하나인 필 강도를 높일 수 있다. 이 때, 필 강도의 측정에는 웨지 접합 근방에서의 풀 강도를 측정하는 간편한 방법으로 대용할 수 있다. 따라서, 중간 금속의 삽입에 의하여 필 강도를 증가시킬 수 있다. 이 때, 중간 금속층의 성분은 표피층 및 심재의 성분과의 조합으로 선정되어야 할 것이며, 전술한 바와 같은 금속 성분으로 하는 것이 좋고, 특히, Au, Pd, Pt가 더 좋다. 더 좋기로는, 표피층/심재의 주성분의 조합이 Pd/Cu인 경우에, 중간 금속층의 주성분이 Au이면, 표피층의 결정 방위의 제어에 유리하고, 또한 표피층/중간 금속층/심재의 각각의 계면에서의 밀착성도 비교적 양호하다. 또한, 표피층/심재의 주성분의 조합이 Pd/Au인 경우에, 중간 금속층의 주성분이 Pt이면, 결정 방위의 제어와 표피층의 조성, 막 두께의 균일성이 유리하다.

표피층의 두께가 0.005 내지 0.2 ㎛의 범위이면, 전술한 표피층의 결정 방위의 제어에도 유리하고, 접합성, 루프 제어 등의 요구 특성도 종합적으로 만족하는 것이 용이하다. 두께가 0.005 ㎛ 이상이면, 결정 방위을 제어한 표피층의 충분한 효과를 얻을 수 있기 때문이고, 0.2 ㎛를 넘으면, 볼부의 표면 평활의 저하, 골프 클럽 모양의 심 어긋남 볼의 불량 발생에 의하여 볼의 형상, 사이즈가 불안정하게 되는 경우가 있다.

좋기로는, 표피층의 두께가 0.01 내지 0.15 ㎛의 범위이면, 복잡한 루프 제어에서도 속도를 떨어뜨리지 않고, 소망하는 루프 형상을 안정적으로 형성할 수 있다. 더 좋기로는, 0.020 내지 0.1 ㎛의 범위이면, 본딩 와이어의 사용 성능을 유지하면서, 막 형성 공정의 처리 효율을 높일 수 있는 등, 안정적인 막질을 얻는 것이 용이하다.

중간 금속층의 두께가 0.005 내지 0.2 ㎛의 범위이면, 표피층의 결정 방위를 제어하는 것이 용이하고, 또한, 심재와의 계면의 밀착성을 향상시키고, 복잡한 루프 제어에도 대응할 수 있다. 좋기로는, 0.01 내지 0.1 ㎛의 범위이면, 막 두께의 균일성, 재현성을 확보하는 것이 용이하다.

이때, 표피층과 심재의 경계는 표피층을 구성하는 도전성 금속의 검출 농도의 총계가 50 mol%인 부위로 한다. 따라서, 본 발명으로 말하는 표피층이란, 표피층을 구성하는 도전성 금속의 검출 농도의 총계가 50 mol%인 부위로부터의 표면이고, 즉, 표피층을 구성하는 도전성 금속의 검출 농도의 총계가 50 mol% 이상인 부위이다.

본 발명에 있어서의 결정 방위는 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 결정 방위의 각도 차가 15° 이내인 것을 포함하는 것이 좋다. 통상, 어느 방향의 결정 방위에 주목하더라도, 개개의 결정은 어느 정도의 각도 차를 가지고 있고, 또한, 샘플 준비, 결정 방위의 측정법 등의 실험법에 따라도 약간의 각도 차가 생긴다. 이 때, 각도 차의 범위가 15° 이내이면, 각각의 결정 방위의 특성을 가지고 있고, 본딩 와이어의 제 특성에 미치는 영향도 유효하게 활용할 수 있기 때문이다.

25 ㎛ 지름 정도의 미세선의 표면의 집합 조직에 관하여, 지금까지 그다지 알려져 있지 않고, 특히, 미세선의 복층 와이어의 최표면의 집합 조직에 관한 보고예도 적다. 본딩 와이어와 같이, 비교적 연질이고 선 직경이 가는 금속 선에 있어서의 집합 조직을 정밀도 좋게 측정하려면, 고도의 측정 기술이 필요하다.

집합 조직의 측정법에는, 측정 영역을 미소하게 줄이거나, 최표면만의 정보를 얻는데 유리하기 때문에, 최근 개발된 후방 전자 산란 도형(Electron Back Scattering Pattern, 이하 EBSP라고 한다)법을 이용할 수 있다. EBSP법에 따른 집합 조직의 측정에 의하여, 본딩 와이어와 같은 세선에서도, 그 표면 또는 단면의 집합 조직을 정밀도 좋게, 또는 충분한 재현성을 가지고 측정할 수 있다. 본 측정 방법에 의하여, 본딩 와이어의 미세 조직에 관하여, 서브마이크론의 미세 결정립의 결정 방위, 와이어 표면의 결정 방위의 분포 등을 고정밀도로 재현성 좋게 측정할 수 있다.

EBSP법에서는 통상, 시료의 요철, 곡면이 큰 경우에는 결정 방위를 고정밀도로 측정하기가 어렵다. 그러나, 측정 조건을 적정화하면, 고정밀도의 측정, 분석이 가능하다. 본딩 와이어를 평면에 직선 형태로 고정하고, 그 본딩 와이어의 중심 근방의 평탄부를 EBSP법으로 측정한다. 측정 영역에 대하여, 원주 방향의 사이즈는 와이어 길이 방향의 중심을 축으로 하여 선 직경의 50% 이하이고, 길이 방향의 사이즈는 100 ㎛ 이하이면, 정밀도뿐만 아니라 측정 효율을 높일 수 있다.

EBSP법으로 고정밀도의 측정을 실시하려면, 1회에 측정할 수 있는 영역은 한정되기 때문에, 3부분 이상의 측정을 실시하고, 불균일을 고려한 평균 정보를 얻는 것이 좋다. 측정 장소는 근접하지 않게, 원주 방향으로 다른 영역을 관찰할 수 있도록, 측정 장소를 선정하는 것이 좋다.

예를 들면, 선 직경 25 ㎛의 본딩 와이어의 측정에서는, 평판 위에 와이어 방향을 가능한 한 바꾸도록 고정한 본딩 와이어를 사용하고, 그 와이어축을 중심으로 원주 방향으로 8 ㎛, 길이 방향으로는 30 ㎛의 사이즈를 1회의 측정 영역으로 하고, 1 mm 이상 떨어진 세 부분의 측정을 실시함으로써, 와이어 표면의 결정 방위의 평균적 정보를 입수하는 것이 가능하다. 단, 측정 영역, 장소의 선정은 이에 한정되지 않고, 측정 장치, 와이어 상태 등을 고려하여 적정화하는 것이 좋다.

또한, 심재의 결정 방위를 측정하는 경우에는 본딩 와이어의 길이 방향의 수직 단면 또는 길이 방향과 병행하여 와이어 중심 근방의 평행 단면 중 어느 것을 측정하는 것도 가능하다. 좋기로는, 수직 단면이 요구하는 연마면을 용이하게 얻을 수 있다. 기계적 연마에 의하여 단면을 제작하였을 때는 연마면의 잔류 변형 경감하기 위하여 에칭에 의하여 표층을 제거하는 것이 좋다.

EBSP법에 따른 측정 결과의 분석에서는 장치에 장비되어 있는 분석 소프트를 이용함으로써, 전술한 와이어 표면의 측정 면적에 대한 각 방위의 결정립의 면적이 차지하는 면적비, 또는 측정 영역 내에서 결정 방위가 식별할 수 있는 결정립 또는 영역의 총 면적을 모집단으로 하여 각 결정 방위가 차지하는 비율 등을 산출할 수 있다. 이 때, 결정 방위의 면적을 산출하는 최소 단위는 결정립 또는 결정립 내의 일부의 미소 영역이어도 무방하다. 결정립의 사이즈에 관하여서도 길이 방향과 원주 방향으로의 평균 사이즈 등을 계산할 수 있다.

본 발명의 본딩 와이어를 제조함에 있어서, 심재의 표면에 표피층을 형성하는 공정과 표피층, 확산층, 심재 등의 구조를 제어하는 가공·열처리 공정이 필요하다.

표피층을 심재의 표면에 형성하는 방법에는 도금법, 증착법, 용융법 등이 있다. 도금법으로는 전해 도금, 무전해 도금법은 구분하여 사용하는 것이 가능하다. 전해 도금에서는 도금 속도가 빠르고, 하지와의 밀착성도 양호하다. 전해 도금은 1회의 도금 처리도 좋지만, 플러시 도금으로 불리는 박부 도금과 그 후에 막을 성장시키는 본 도금으로 구분할 수 있는데, 이들 복수의 공정으로 나누어 실시하면, 막질의 안정화에 더 유리하다. 무전해 도금에 사용하는 용액은 치환형과 환원형으로 분류되고, 막이 얇은 경우에는 치환형 도금만으로도 충분하지만, 두꺼운 막을 형성하는 경우에는 치환형 도금 후에 환원형 도금을 단계적으로 실시하는 것이 유효하다. 무전해법은 장치 등이 간편하고 용이하지만, 전해법보다 시간을 요한다.

증착법으로는 스패터법, 이온 도금법, 진공 증착 등의 물리 흡착과, 플라즈마 CVD 등의 화학 흡착을 이용할 수 있다. 모두 건식이며, 막 형성 후의 클리닝이 불필요하고, 세정시의 표면 오염 등의 걱정이 없다.

도금 또는 증착하는 단계에 대하여, 목적으로 하는 선 직경으로 도전성 금속의 막을 형성하는 수법과, 태경(太徑)의 심재에 막을 형성하고 나서, 목적으로 하는 선 직경까지 복수 회 신선하는 수법, 모두 유효하다. 전자의 최종 지름으로 막을 형성할 때에는 제조, 품질 관리 등이 간편하고, 후자의 막 형성과 신선과의 조합에서는 막과 심재의 밀착성을 향상시키는데 유리하다. 각각의 형성법의 구체적인 예로서 목적으로 하는 선 직경의 세선에, 전해 도금 용액 중에 와이어를 연속적으로 왕복시키면서 막을 형성하는 수법, 또는 전해 또는 무전해의 도금 욕 중에 태선(太線)을 침지하여 막을 형성한 후에, 와이어를 신선하여 최종 지름에 도달하는 수법 등이 가능하다.

이 때, 전술한 최종 선 직경으로 표피층을 형성하는 최종 도금법에서는 성막 후에는 열처리 공정 뿐이다. 또한, 태경의 심재에 막 형성하는 태경 도금법으로는 목적으로 하는 선 직경까지의 가공 공정과 열처리 공정을 조합하는 것이 필요하다.

표피층을 형성한 후의 가공 공정에서는 롤 압연, 스웨이징, 다이스 신선 등을 목적에 따라서 선택, 구분하여 사용한다. 가공 속도, 압하율 또는 다이스 감면율등에 의하여, 가공 조직, 전위, 결정립계의 결함 등을 제어하는 것은 표피층의 조직, 밀착성 등에도 영향을 미친다.

단순히 와이어를 성막, 가공 및 가열하는 것만으로는 표피층의 표면 및 내부에서의 집합 조직의 결정 방위를 제어할 수 없다. 통상의 와이어 제조에서 사용되는 최종 선 직경에서의 가공 변형 제거 소둔을 그대로 적용하더라도, 표피층과 심재의 밀착성의 저하에 의하여 루프 제어가 불안정하게 되고, 와이어 길이 방향의 표피층의 균질성, 와이어 단면에서의 표피층, 확산층 등의 분포를 제어하는 것은 곤란하다. 이에 표피층의 성막 조건, 신선 공정에 있어서의 감면율, 속도 등의 가공 조건, 열처리 공정의 타이밍, 온도, 속도, 시간 등의 적정화 등을 종합적으로 조합함으로써, 표피층의 집합 조직을 안정적으로 제어하는 것이 가능하게 된다.

와이어의 압연, 신선 공정에서는 가공 집합 조직이 형성되고, 열처리 공정에서는 회복, 재결정이 진행되어 재결정 집합 조직이 형성되고, 이들 집합 조직이 상호 관련되어, 최종적으로 표피층의 집합 조직 및 결정 방위가 결정된다. 표층의 결정 방위를 <100>에 배향시키려면, 재결정 집합 조직을 이용하는 것이 유효하다. 성막 직후의 열처리, 또는 가공 후의 열처리를 하고, 가열 조건을 적정화함으로써, <100>에의 배향률을 높일 수 있다. 전술한 표층의 <100> 배향률을 50% 이상으로 하는 제조 기술에 대하여, 예를 들면, 와이어 재결정 온도 이상에서 가열시키는 것이 유효하다. 좋기로는, 재결정 온도의 0.5 내지 1.5배의 온도 범위에서 가열함으로써 본딩 와이어 전체에 <100> 배향률을 안정화시키는 효과를 높일 수 있다.

열처리 공정에서는 열처리를 1회 또는 복수 회 실시하는 것이 유효하다. 열처리 공정은 막 형성 직후의 소둔과, 가공 도중에서의 소둔과, 최종 지름에서의 마무리 소둔으로 분류되고, 이들을 선택, 구분하여 사용하는 것이 중요하다. 어느 가공 단계에서 열처리를 하느냐에 따라서, 최종의 표피층, 표피층과 심재의 계면에서의 확산 거동 등이 변화한다. 일례에서는 도금 처리 후의 가공 도중에 중간 소둔을 실시하고, 추가로 와이어를 신선하고, 최종 지름으로 마무리 소둔을 실시하는 공정으로 제작함으로써, 중간 소둔을 실시하지 않는 공정과 비교하여, 표피층/심재의 계면에 확산층을 형성하고 밀착성을 향상하는 데 유리하다.

열처리법으로서 와이어를 연속적으로 왕복시키면서 열처리를 실시하고, 또한, 일반적인 열처리인 로 내 온도를 일정하게 하지 않고, 로 내에서 온도 경사를 둠으로써, 본 발명이 특징으로 하는 표피층 및 심재를 가진 본딩 와이어를 양산하는 것이 용이하게 된다. 구체적인 사례에서는 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방법이나, 온도를 로 내에서 변화시키는 방법 등이 있다. 본딩 와이어의 표면 산화를 억제하는 경우에는, N₂나 Ar 등의 비활성 가스를 로 내에 흘려보내면서 가열하는 것도 유효하다.

도금법으로 성막하는 경우에는, 하지의 결정 방위에 대응하여 막 형성하는 에피텍셜 성장을 이용하는 것도, <100>에의 배향률을 높이는 것도 좋다. 즉, 복층 와이어의 제조 공정에서, 심재의 표면 조직을 제어함으로써, 도금으로 형성한 표피층의 <100>에의 배향률을 높이는 데 유효하다. 표피층의 막 두께가 상기 범위이면, 에피텍셜 성장을 억제하는 것이 용이하게 된다. 또한, 전술한 열 처리에 의한 재결정 집합 조직과 조합함으로써, 생산성, 다양한 방위 제어를 한층 더 향상시킬 수 있다.

용융법은 표피층 또는 심재의 어느 하나를 용융시켜 주입하는 수법으로, 10 내지 100 mm 정도의 태경으로 표피층과 심재를 접속한 후에 신선함으로써 생산성이 우수한 것, 도금, 증착법에 비하여 표피층의 합금 성분 설계가 용이하고, 강도, 접합성 등의 특성 개선도 용이한 등의 이점이 있다. 구체적인 공정에서는 미리 제작한 심선의 주위에, 용융한 도전성 금속을 주입하여 표피층을 형성하는 방법과, 미리 제작한 도전성 금속의 중공 원주를 사용하여 그 중앙부에 용융 금속을 주입함으로써 심선을 형성하는 방법으로 나눌 수 있다. 좋기로는, 후자의 중공 원주의 내부에 심재를 주입하는 것이 표피층 내에 심재의 주성분의 농도 구배 등을 안정적으로 형성하는 데 용이하다. 이때, 미리 제작한 표피층 중에 구리를 소량 함유하게 하면, 표피층의 표면에서의 구리 농도의 제어가 용이하게 된다. 또한, 용융법에서는 표피층에 Cu를 확산시키기 위한 열처리 작업을 생략하는 것도 가능하지만, 표피층 내의 Cu의 분포를 조정하기 위하여 열처리를 함으로써 한층 더 특성 개선을 할 수 있다.

또한, 이와 같은 용융 금속을 이용하는 경우, 심선 및 표피층 중에 적어도 하나를 연속 주조로 제조하는 것도 가능하다. 이 연속 주조법에 의하여, 상기 주입하는 방법에 비해 공정이 간략화되고, 또한 선 직경을 가늘게 하여 생산성을 향상시키는 것도 가능하게 된다.

심재의 주성분이 구리인 복층 구리 와이어를 사용하여 본딩할 때에는 볼을 형성할 때의 쉴드 가스가 필요하고, 1 내지 10%의 범위에서 H₂를 함유하는 N₂ 혼합 가스, 또는 순N₂ 가스를 사용한다. 종래의 단층의 구리 와이어에서는 5% H₂+N₂로 대표되는 혼합 가스가 권장되었다. 한편, 복층 구리 와이어에서는 염가의 순N₂ 가스를 사용하여도 양호한 접합성이 얻을 수 있기 때문에, 표준 가스인 5% H₂+N₂가스보다, 러닝 코스트를 저감할 수 있다. N₂ 가스의 순도는 99.95% 이상인 것이 좋다. 즉, 순도가 99.95% 이상인 N₂ 가스를 와이어 선단 또는 그 주위에 분사하면서 아크 방전을 일으켜서 볼부를 형성하고, 이 볼부를 접합하는 본딩 방법인 것이 좋다.

또한, 표피층과 심재와의 사이에 확산층을 형성함으로써 밀착성을 향상시킬 수 있다. 확산층이란, 심재와 표피층의 주성분이 상호 확산함으로써 형성된 영역이며, 상기 주성분의 농도 구배를 가진다. 확산층을 형성함으로써 심재와 표피층의 밀착성을 향상시켜 루프 제어나 접합시의 표피층의 박리를 억제할 수 있고, 또한 농도 구배를 가짐으로써, 도전성 금속은 표피층 전체에 균일 농도인 경우보다, 복잡한 소성 변형을 받는 루프시의 제어에 있어서의 와이어 변형을 안정화할 수 있다. 또한, 전술한 표피층의 표면의 <100> 방위가 50% 이상이고, 농도 구배를 가진 확산층을 가짐으로써, 고단차가 되는 단스팬의 저루프인 경우에 루프 높이를 안정화시키는 효과가 확인되었다. 좋기로는, <111>과 <100>이 차지하는 비율의 총계가 60% 이상이고, 농도 구배를 가진 확산층이 있으면 저루프의 높이를 안정화시키는 효과가 한층 향상되는 것도 확인되었다. 확산층 내의 농도 구배는 깊이 방향으로의 농도 변화의 정도가 1 ㎛당 10 mol% 이상인 것이 좋다. 좋기로는, 0.1 ㎛당 5 mol% 이상이면, 표피층과 심재가 다른 물성을 해치지 않고, 서로 이용하는 높은 효과를 기대할 수 있다. 확산층의 두께는 0.002 내지 0.2 ㎛의 범위인 것이 좋다. 이것은 확산층의 두께가 0.002 ㎛ 미만이면 효과가 작고, 분석으로 식별하는 것도 어렵기 때문이고, 0.2 ㎛를 넘으면, 표피층의 조직에 영향을 미치기 때문에 전술한 결정 방위을 안정적으로 형성하기가 어렵기 때문이다. 이 확산층을 제어하기 위하여, 열처리를 이용하는 것이 유효하다. 전술한 바와 같이, 열처리와 가공을 조합하여 확산의 진행도를 제어함으로써, 와이어의 원주 방향 또는 길이 방향으로 소망하는 확산층을 균일하게 형성하는 것이 가능하게 된다.

표피층, 심재 등의 농도 분석에 대하여, 본딩 와이어의 표면으로부터 스패터 등에 의하여 깊이 방향으로 파고들어가면서 분석하는 수법, 또는 와이어 단면에서의 라인 분석 또는 점 분석하는 방법 등이 유효하다. 전자는 표피층이 얇은 경우에 유효하지만, 두꺼워지면 측정 시간이 너무 걸린다. 후자의 단면에서의 분석은 표피층이 두꺼운 경우에 유효하고, 또한, 단면 전체에서의 농도 분포나, 여러 부분에서의 재현성의 확인 등이 비교적 용이하다는 것이 이점이지만, 표피층이 얇은 경우에는 정밀도가 저하된다. 본딩 와이어를 경사 연마하고, 확산층의 두께를 확대시켜 측정하는 것도 가능하다. 단면에서는 라인 분석이 비교적 간편하지만, 분석의 정밀도를 향상시키고 싶을 때에는, 라인 분석의 분석 간격을 좁게 하거나 계면 근방의 관찰하고 싶은 영역으로 좁힌 점 분석을 실시하는 것도 유효하다. 농도 분석에 이용하는 해석 장치에서는 전자선 마이크로 분석법(EDX), 오제 분광 분석법(AES), 투과형 전자 현미경(TEM) 등을 이용할 수 있다. 특히, AES법은 공간 분해 능력이 높기 때문에, 최표면의 얇은 영역의 농도 분석에 유효하다. 또한, 평균적인 조성의 조사 등에는 표면부로부터 단계적으로 산 등에 용해되고, 그 용액 중에 포함되는 농도로부터 용해 부위의 조성을 구하는 것 등도 가능하다. 본 발명에서는 상기 모든 분석 수법으로 얻을 수 있는 농도 값이 본 발명의 규정 범위를 만족할 필요는 없고, 1개의 분석 수법으로 얻을 수 있는 농도 값이 본 발명의 규정 범위를 만족하면 그 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 복층 구조의 본딩 와이어(선 직경 25 ㎛)의 EBSP 측정 결과이다(와이어 길이 방향 <100> 방위로 배향한 영역을 착색. 결정립계를 선 표시).

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

본딩 와이어의 원재료로서 심재에 사용하는 Cu, Au, Ag는 순도가 약 99.99 질량% 이상인 고순도의 소재를 사용하고, 표피층 또는 중간 금속층에 사용되는 Au, Pt, Pd, Ru, Rh의 소재에는 순도 99.9 질량% 이상의 원료를 준비하였다.

소정의 선 직경까지 가늘게 한 와이어를 심재로 하고, 그 와이어 표면에 다른 금속의 층을 형성하기 위해, 전해 도금법, 무전해 도금법, 증착법, 용융법 등을 실시하고, 열처리를 하였다. 최종의 선 직경으로 표피층을 형성하는 방법과, 소정의 선 직경으로 표피층을 형성한 후, 추가로 신선 가공에 의하여 최종 선 직경까지 가늘게 하는 방법을 이용하였다. 전해 도금액, 무전해 도금액은 반도체 용도로 시판되고 있는 도금액을 사용하고, 증착은 스패터법을 사용하였다, 직경이 약 15 내 지 1500 ㎛인 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의하여 피복하며, 최종 지름의 15 내지 50 ㎛까지 신선하고, 마지막으로 가공 변형 제거하여 연신값이 5 내지 15%의 범위가 되도록 열처리를 하였다. 필요에 따라서, 선 직경 25 내지 200 ㎛까지 다이스 신선한 후에, 확산 열처리를 하고 나서, 추가로 신선 가공을 하였다. 신선용 다이스의 감면율은 1개의 다이스 당 5 내지 15%의 범위에서 준비하고, 그 다이스들의 조합에 의하여, 와이어 표면의 가공 변형의 도입 등을 조정하였다. 신선 속도는 20 내지 500 m/min의 사이에서 적정화하였다.

용융법을 이용하는 경우에는 미리 제작한 심선의 주위에, 용융한 금속을 주입하는 방법과, 미리 제작한 중공 원주의 중앙부에 용융한 금속을 주입하는 방법을 채용하였다. 그 후, 단조, 롤 압연, 다이스 신선 등의 가공과 열처리를 실시하고, 와이어를 제조하였다.

본 발명예의 와이어의 열처리에 대하여, 와이어를 연속적으로 왕복시키면서 가열하였다. 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방식, 온도를 로 내에서 변화시키는 방식 등을 이용하였다. 예를 들면, 로 내 온도를 3 분할하여 제어할 수 있도록 개조한 열처리로를 이용하였다. 온도 분포의 일례로는 와이어의 삽입구에서 출구를 향하여, 고온→중온→저온, 또는 중온→고온→저온의 분포를 얻고, 각각의 가열 길이도 관리하였다. 온도 분포와 함께, 와이어 왕복 속도 등도 적정화하였다. 열처리의 분위기에서는 산화를 억제할 목적으로 N₂, Ar 등의 비활성 가스도 이용하였다. 가스 유량은 0.0002 내지 0.004㎥/min의 범위에서 조정하고, 로 내의 온도 제어에 도 이용하였다. 열처리를 실시하는 타이밍으로서, 신선 후의 와이어에 열처리를 하고나서 표피층을 형성하는 경우와 열처리를 가공 전, 가공 도중, 또는 표피층을 형성한 직후 등 중에서 1회 또는 2회 이상 실시하는 등의 경우를 구분하여 사용하였다.

표피층을 형성한 후의 압연, 신선에 의한 가공 레벨에 대하여, 성막시의 와이어와 최종 선 직경과의 면적 비율로 산출하는 누적 가공율로 정리할 수 있다. 이 가공율(%)이 30% 미만인 경우에는 R1, 30% 이상 70% 미만에서는 R2, 70% 이상 95% 미만에서는 R3, 95% 이상에서는 R4로 표기하였다.

표피층의 표면 조직을 제어하려면 재질, 조성, 두께 등의 재료 인자와, 막 형성 조건, 가공·열처리 조건 등 프로세스 인자를 적정화할 필요가 있다. 실시예에 있어서, 표피층의 표면에 있어서의 길이 방향의 <100> 비율을 증가시키는 방책으로서 가공율을 저감하는 것, 초기의 막 두께를 얇게 하는 것, 열처리를 고온화하는 것 등이 유효하다. 일례로서 상기 가공율이 R1 내지 R3이고, 표피층을 구성하는 소재의 융점의 30% 이상에서 열처리를 하는 등으로, <100> 비율을 증가시키는 것이 비교적 용이하게 된다. 한편 비교예에서는 <100> 비율을 저감하기 위하여, 가공율을 높이거나 열처리를 저온 또는 단시간 동안 실시하는 것이 유효하였다.

와이어 표면의 조직 관찰에 대하여, 본딩 와이어의 표층에 있어서의 표면의 어느 영역에 있어서, EBSP법에 의하여 결정 방위를 측정하였다. 측정 시료의 준비에서는 3 내지 5개의 본딩 와이어를 평판 위에 서로 와이어 방향을 가능한 한 바꾸도록 고정하였다. 관찰 영역은 와이어축을 포함하는 사각형의 영역으로서, 사이즈 는 원주 방향으로 5 내지 10 ㎛, 길이 방향으로 10 내지 50 ㎛를 1회의 측정 영역으로 하였다. 측정 부분은 3 내지 10개의 부분으로 하고, 서로 0.5 mm 이상 떨어지게 선정하였다. 측정 부분의 간격은 0.01 내지 0.2 ㎛의 간격으로 실시하였다.

심재의 조직 관찰에서는 본딩 와이어의 단면을 연마하고, 화학 에칭에 의하여 표면의 가공 변형을 저감한 시료를 사용하고, EBSP법에 의하여 결정 방위를 측정하였다. 단면은 와이어 길이 방향에 수직의 단면을 주로 측정하였지만, 시료 상태, 재현성 등을 검토하면서, 필요에 따라서, 와이어 길이 방향으로 평행하게 중심축을 통과하는 단면에서도 측정을 하였다.

EBSP 측정 데이터의 분석에는 전용 소프트(TSL제 OIM ana1ysis 등)를 이용하였다. 측정 영역에서의 결정 방위를 해석하고, 그 중에서 <111>, <100> 방위 등의 결정립의 비율을 구하였다. 본딩 와이어의 길이 방향을 기준으로 방위를 결정하고, 각각의 결정 방위의 각도 차이가 15° 이내인 것까지 포함하였다. 그 결정립의 비율의 산출법으로 대하여, 측정 영역의 전체 면적을 모집단으로 하여 산출하는 각 방위의 비율(이하, 면적비율이라고 부른다)과 측정 영역 내인 신뢰도를 기준으로 동정(同定)된 결정 방위만의 면적을 모집단으로 하여 산출하는 각 방위의 비율(이하, 방위 비율이라 한다)의 2 종류를 구하였다. 후자의 방위 비율을 구하는 과정에서는 결정 방위가 측정할 수 없는 부위, 또는 측정할 수 있어도 방위 해석의 신뢰도가 낮은 부위 등은 제외하고 계산하였다. 여기서, 신뢰도란, 해석 소프트에 파라미터를 준비하고 있는 경우가 있는데, 예를 들면 Confidential Index(CI 값), Image Quality(IQ 값) 등 여러 종류의 파라미터를 이용하여, 시료 상태, 해석 목적 등에 따라서 판정 기준을 선정하는 것이 바람직하다.

와이어 표면의 막 두께 측정에는 AES에 의한 깊이 분석을 사용하여 결정립계의 농화 등 원소 분포의 관찰에는 AES, EPMA 등에 의한 면분석, 선분석을 실시하였다. AES에 의한 깊이 분석에서는 Ar 이온으로 스패터하면서 깊이 방향으로 측정하고, 깊이의 단위는 SiO₂ 환산으로 표시하였다. 본딩 와이어 중의 도전성 금속 농도는 ICP 분석, ICP 질량 분석 등에 의하여 측정하였다.

본딩 와이어의 접속에는 시판되는 자동 와이어 본더를 사용하여, 볼/웨지 접합을 실시하였다. 아크 방전에 의하여 와이어 선단에 볼을 제작하고, 그것을 실리콘 기판 위의 전극 막에 접합하여, 와이어 타단을 리드 단자 상에 웨지 접합하였다. 볼 형성시의 산화를 억제하기 위하여 사용하는 쉴드 가스는 주로 순N₂ 가스를 사용하였다. 가스 유량은 0.001 내지 0.01㎥/min의 범위에서 조정하였다.

접합 상대는 실리콘 기판 위의 전극 막의 재료인, 두께 1 ㎛의 Al 합금 막(Al-1%Si-0.5%Cu 막, Al-0.5%Cu 막)을 사용하였다. 한편, 웨지 접합의 상대에게는 표면에 Ag 도금(두께: 2 내지 4 ㎛) 하거나 리드 프레임을 사용하였다. 또한, BGA 기판 위의 Au/Ni/Cu의 전극에 대한 접합성에 대하여도, 일부의 와이어 시료를 사용하여, 상기 리드 프레임과 같은 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

넥 손상에 대하여, 본딩된 본딩 와이어의 넥부를 SEM 관찰하여 평가하였다. 그 중에서도, 넥부에서 손상을 받기 쉬운 부위로서 웨지 접합과 반대 방향의 넥부의 외측을 주의를 기울여 관찰하였다. 손상 형태로는, 미소 균열, 사이즈가 큰 크 랙, 주름 모양의 피로 등을 조사하였다. 루프 높이가 낮아지는 경우, 선 직경이 가늘어지는 경우, 와이어 길이가 길어지는 경우에, 통상은 넥 손상의 발생율이 증가하기 때문에 더 엄격한 평가가 된다. 선 직경, 와이어 길이, 루프 높이가 다른 조건으로 시료를 제작하고, 평가하였다. 구체적으로는, 선 직경 25 ㎛의 경우에는 와이어 길이는 2 내지 4 mm의 범위로 하고, 루프 높이가 100 ㎛, 90 ㎛, 80 ㎛의 3종으로 시료를 제작하고, 관찰하였다. 선 직경 22 ㎛의 경우에는 와이어 길이는 2 내지 4 mm의 범위로 하고, 루프 높이 70 ㎛로 시료를 제작하고, 관찰하였다. 선 직경 18 ㎛의 경우에는 와이어 길이는 2 내지 3 mm의 범위로 하고, 루프 높이를 60 ㎛로 시료를 제작하고, 관찰하였다. 와이어 수는 300개로 하였다. 넥 손상이 10개 이상이면 불량이라고 판단하여 ×표로 나타내고, 넥 손상이 5 내지 9개의 범위이면, 통상은 문제없는 레벨이지만 개선이 필요하다고 판단하여 △표로 나타내고, 넥 손상이 1 내지 4개의 범위이면 문제없다고 판단하여 ○표로 나타내며, 넥 손상이 관찰되지 않는 경우에는 안정적으로 양호하다고 판단하여 ◎표로 나타내었다.

본딩된 루프의 직선성을 평가하기 위하여, 와이어 간격(스팬)이 2 mm인 통상 스팬, 5 mm인 롱 스팬, 7 mm인 초롱 스팬의 3종으로 본딩을 실시하였다. 선 직경은 25 ㎛로 한다. 30개의 본딩 와이어를 투영기에 의하여 위쪽으로부터 관찰하고, 볼측과 웨지측의 접합부를 잇는 직선에 대하여, 본딩 와이어가 가장 떨어져 있는 부위의 차이를 휨량으로서 측정하였다. 그 휨량의 평균이 선 직경의 1 개분 미만이면 양호하다고 판단하여 ◎표로 표시하고, 2개분 이상이면 불량이기 때문에 △표, 그 중간이면, 통상은 문제가 되지 않기 때문에 ○표로 표시하였다.

본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대하여서는 와이어 길이가 5 mm의 롱 스팬이고, 루프 높이가 200 내지 250 ㎛가 되도록 사다리꼴 루프를 30개 접속하며, 높이의 표준 편차에 의하여 평가하였다. 선 직경은 25 ㎛로 한다. 높이 측정은 광학 현미경을 사용하고, 위치는 루프의 최정점의 근방과, 루프의 중앙부의 2개소에서 측정하였다. 루프 높이의 표준 편차가 와이어 길이의 1/2 이상이면 편차가 크다고 판단하고, 1/2 미만이면 편차가 작고 양호하다고 판단하였다. 그 기준을 기초로 판단하여, 3 부분 모두 편차가 작은 경우에는 루프 형상이 안정되어 있다고 판단하여 ◎표로 표시하고, 불균형이 큰 곳이 1부분인 경우에는 비교적 양호하기 때문에 ○표, 2부분의 경우에는 △표, 3부분 모두 불균형이 큰 경우에는×표로 표시하였다.

압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는 접합된 볼을 200개 관찰하고, 형상의 진원성, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 선 직경은 20 ㎛로 한다. 초기 볼 지름/와이어 지름의 비율이 1.9 내지 2.2인 통상 사이즈의 볼을 형성하는 경우와 비율이 1.5 내지 1.7의 범위인 소경 볼을 형성하는 경우의, 2 종류로 각각 평가하였다. 진원으로부터 어긋난 이방성이나 화변 모양 등의 불량 볼 형상이 5개 이상이면 불량으로 판정하여 ×표, 불량 볼 형상이 2 내지 4개이면, 필요에 따라서 개선이 바람직하므로 △표, 불량 볼 형상이 1개 이하이면 양호하기 때문에 ○표로 표기하였다.

필 접합 강도의 평가에는 웨지 접합부의 풀 시험을 이용하였다. 선 직경은 25 ㎛, 스팬은 2 mm로 한다. 이것은 와이어 길이의 3/4보다 웨지 접합부에 가까운 위치에서, 루프에 건 훅을 위쪽에 이동시켜, 본딩 와이어의 파단 강도를 측정하였 다. 풀 강도는 본딩 와이어의 선 직경, 루프 형상, 접합 조건 등에도 좌우되기 때문에 절대값이 아니고, 불 강도/와이어 인장 강도의 상대 비율(Rp)을 이용하였다. Rp가 20% 이상이면, 웨지 접합성은 양호하기 때문에 ◎표, 15% 이상 20% 미만이면 문제가 없다고 판단하여 ○표, 10% 이상 15% 미만이면 문제가 발생하는 경우가 있다고 판단하여 △표, 10% 이하이면 양산 공정에서 문제가 있기 때문에 ×표로 표시하였다.

스프링 불량의 평가를 위한 와이어 역접속에서는 전극 위에 접합한 볼 접합부의 위쪽에서 와이어를 파단시켜 스터드 범프를 형성하고, 다음의 볼부를 리드측에 접속하고, 루프를 제어하고나서, 이 스터드 범프 위에 와이어를 웨지 접합하는 접속을 하였다. 스프링 불량 평가에서는 위쪽으로부터 루프를 광학현미경으로 관찰하고, "〈" 모양의 루프의 굴곡 변형의 발생 빈도를 조사하였다. 선 직경은 25 ㎛, 스팬은 4 mm, 칩 높이는 200 ㎛로 하였다. 루프 수는 800개 관찰하였다. 스프링 불량 수가, 1개 이하이면 양호하다고 판단하여 ◎표, 2개 내지 4개이면 통상의 사용에서는 문제가 없다고 판단하여 ○표, 5 내지 9개이면 개선이 요구되기 때문에 △표, 10개 이상이면 양산성에 문제가 생기기 때문에 ×표, 표 2중의 「역접속의 스프링 성능」의 란에 표시하였다.

AES에 의한 깊이 분석에 있어서, 표피층과 심재의 사이에 농도 구배를 가진 확산층이 확인되고, 그 확산층의 두께가 0.002 내지 0.2 ㎛의 범위인 경우에는 표 1중의 「확산층」의 란에 ○표로 표기하였다.

칩 손상의 평가로는 볼부를 전극 막상에 접합한 후, 전극 막을 에칭 제거하 고, 절연 막 또는 실리콘 칩에의 손상을 SEM로 관찰하였다. 전극 수는 400 개소를 관찰하였다. 손상이 확인되지 못한 경우에는 ○표, 크랙이 2개 이하의 경우에는 문제 없는 레벨이라 판단하여 △표, 크랙이 3개 이상인 경우에는 염려되는 레벨이라 판단하여 ×표로 기재한다.

표 1 및 2에는 본 발명의 본딩 와이어의 실시예와 비교예를 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

제1 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 36이고, 제2 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 2 내지 14, 16, 18 내지 36, 제3 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 7, 10 내지 13, 15 내지 17, 19 내지 36, 제4 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 9, 12 내지 14, 16, 17, 19 내지 24, 26 내지 36, 제5 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 5, 9 내지 21, 23 내지 36, 제6 청구 항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 10, 12 내지 36, 제7 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 22, 24 내지 36, 제8 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 30, 32 내지 36, 제9 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 9, 11 내지 36, 제10 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 2, 8, 12, 27, 32, 제11 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 2, 32 내지 34, 36, 제12 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 17, 19, 20, 22, 30, 제13 청구항에 관한 본딩 와이어는 실시예 25 내지 30에 상당한다. 비교예 1 내지 6에서는 제1 청구항을 만족하지 않는 경우의 결과를 나타낸다.

도 1에는 실시예 4의 본딩 와이어의 표면에 있어서, EBSP 측정 결과의 일례를 나타낸다. 와이어 길이 방향의 결정 방위 <100> 방위에서 각도 차 15° 이내의 영역을 착색하고, 각도 차가 15° 이상의 결정립계를 선 표시하였다. 도 1에 있어서의 <100> 면적비율은 90%이었다.

각각의 청구항의 대표예에 대하여, 평가 결과의 일부를 설명한다.

실시예 1 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율(<100> 방위 비율)이 50% 이상인 것에 의하여, 선 직경 25 ㎛에 의한 일반적인 루프 높이인 100 ㎛의 높이에 있어서, 넥 손상이 저감되는 것을 확인하였다. 한편, 표피층의 표면에 있어서의 <100> 방위 비율이 50% 미만인 복층 구조의 본딩 와이어에 관한 비교예 1 내지 6에서는 통상의 루프 형성에서도 넥 손상이 다수 확인되었다. 바람직한 사례로서 표피층의 <100> 방위 비율이 60% 이상인 실시예 2 내지 5, 8, 9, 11, 13, 14, 16, 18 내지 21, 23, 24, 26, 27, 29, 32, 33, 36에서는 루프 높이 90 ㎛에서의 넥 손상이 저감되고, 또한 표피층의 <100> 방위 비율이 70% 이상인 실시예 3 내지 5, 9, 11, 14, 20, 21, 23, 26, 29, 32, 36에서는 루프 높이 80 ㎛의 저루프에서의 넥 손상의 저감이 향상되는 것을 확인하였다. 여기서, 표피층의 표면에서 <100>에의 배향을 높이기 위한 제조 조건의 하나로서, 성막 후의 가공율이 낮은 것이 비교적 용이하였다.

실시예 2 내지 14, 16, 18 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 표피층의 표면에 있어서의 <111>과 <100>을 합계한 방위 비율이 60% 이상인 것에 의하여, 스팬 3 mm에서의 통상의 루프 조건에서의 루프 높이의 편차가 억제되어 안정되어 있는 것이 확인되었다. 좋기로는, 이 방위 비율이 80% 이상인 실시예 3 내지 5, 7 내지 11, 14, 16, 20, 21, 23, 26, 29, 32, 34 내지 36에서는 스팬 5 mm의 롱 스팬에서도 루프 높이를 안정화시킬 수 있다.

실시예 1 내지 7, 10 내지 13, 15 내지 17, 19 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 심재의 단면에 있어서의 <111>과 <100>를 합계한 방위 비율이30% 이상인 것에 의하여, 통상의 볼 치수법으로, 볼 접합부의 화변 불량을 저감하여, 형상을 안정화할 수 있는 것을 확인하였다. 좋기로는, 이 방위 비율이 50% 이상인 실시예 3, 7, 10, 11, 19 내지 21, 23, 24, 26, 29, 30, 32, 33, 36에서는 엄격한 접합 조건인 소경 볼에서도 볼 접합부의 진원성이 향상되는 것을 확인하였다.

실시예 1 내지 9, 12 내지 14, 16, 17, 19 내지 24, 26 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 표피층의 표면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈의 길 이 방향/원주 방향의 아스펙트비가 3 이상인 것에 의하여, 통상 조건의 3 mm 스팬에 있어서, 루프의 직선성이 양호한 것을 확인하였다. 좋기로는, 이 아스펙트비가 5 이상인 실시예 2 내지 5, 7, 8, 13, 14, 16, 20 내지 24, 26, 27, 29, 30, 32 내지 34, 36에서는 엄격한 접합 조건인 5 mm의 롱 스팬에서도, 직선성을 향상할 수 있는 것을 확인하였다. 더 좋기로는, 이 아스펙트비가 10 이상인 실시예 3 내지 5, 14, 21, 24, 26, 29, 34, 36에서는 엄격한 루프 조건인 7 mm의 초롱 스팬에서도, 직선성을 향상할 수 있는 것을 확인하였다.

실시예 1 내지 5, 9 내지 21, 23 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 와이어 길이 방향의 결정 방위가 <100>인 결정립의 면적이 와이어 표면의 총 면적에 대한 비율(<100> 면적 비율)이 30% 이상인 것에 의하여, 선 직경이 22 ㎛의 세선에서 루프 높이가 70 ㎛인 저루프 접속에 있어서, 넥 손상이 저감되고 있는 것을 확인하였다. 좋기로는, 이 <100> 면적비율이 40% 이상인 실시예 3 내지 5, 11, 14, 16, 18, 20, 21, 23, 26, 29, 30, 32, 33, 36에서는 직경 18 ㎛의 극세선에 의한 루프 높이 60 ㎛ 이하의 초저루프에서도, 넥 손상을 억제할 수 있는 것을 확인하였다. 더 좋기로는, <100> 면적비율이 50% 이상인 실시예 4, 5, 20, 21, 29, 32, 36에서는 상기 직경 18 ㎛ 극세선에서도 넥 손상을 억제하는 효과가 한층 더 높아지는 것을 확인하였다.

실시예 25 내지 30의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명에 관한 표피층의 표면의 <100> 방위 비율이 50% 이상이며, 또한 표피층과 심재의 사이에 중간 금속층을 가짐으로써, 웨지 접합부에서의 필 강도를 높일 수 있는 것을 확인하였다.

실시예 1 내지 30, 32 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 표피층의 두께가 0.005 내지 0.2 ㎛의 범위인 것으로, 칩 손상을 저감하여 양호하였다. 이에 비하여, 실시예 31에서는 표피층의 두께가 0.2 ㎛를 넘기 때문에 칩 손상이 증가한 것이 확인되었다.

실시예 1 내지 9, 11 내지 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 표피층과 심재의 사이에 농도 구배를 가진 확산층을 가지고 있기 때문에, 스팬이 0.5 mm인 단스팬의 루프 높이의 안정성이 양호하다는 것이 확인되었다.

실시예 2, 8, 12, 27, 32의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명의 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, B, Pd, Bi, P의 1종 이상을 5 내지 300 ppm의 범위에서 함유함으로써, 스팬 5 mm정도의 루프의 직선성이 향상하는 것이 확인되었다. 마찬가지로 실시예 17, 19, 20, 22, 30은 본 발명의 심재를 구성하는 주성분이 Au로, Be, Ca, Ni, Pd, 및 Pt 중 적어도 1종 이상을 5 내지 8000 ppm의 범위에서 함유함으로써, 직선성이 향상하는 것이 확인되었다. 이 때, 스팬 5 mm 정도의 루프의 직선성을 개선하는 작용에 대하여는, 전술한, 길이 방향/원주 방향의 아스펙트비가 5 이상인 것도 유효하고, 상기 합금 성분의 첨가에 의한 효과와 식별하기 어려운 경우도 있다. 한편, 실시예 9, 12, 17, 19에서는 아스펙트비가 5 미만이지만, 상기 합금 성분을 함유함으로써, 스팬 5 mm 정도의 직선성을 개선할 수 있는 것이 확인되었다.

실시예 2, 32 내지 34, 36의 복층 구조의 본딩 와이어는 본 발명에 관한 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, Pd를 5 내지 10000 ppm의 범위에서 함유하 며, 상기 표피층을 구성하는 주성분이 Pd 또는 Ag인 것에 의하여, 역접속에서의 스프링 불량을 억제하는 효과가 확인되었다. 좋기로는, 실시예 2, 33, 34, 36에서는 Pd 농도가 200 ppm 이상이기 때문에 상기 효과가 더 현저하였다. 또한, 실시예 2, 32, 33, 36에서는 Pd 함유량이 5 내지 8000 ppm의 범위이기 때문에 칩 손상이 억제되고 있는 것이 확인되었다.

본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어에 의하여, 넥부의 손상을 저감할 수 있다. 또한, 루프의 직선성, 루프 높이의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본딩 와이어의 접합 형상의 안정화를 촉진할 수 있다. 그 결과, 세선화, 협피치화, 롱 스팬화, 삼차원 실장 등 최신의 반도체 실장 기술에도 적응하는 고기능의 본딩 와이어를 제공할 수 있다.

Claims (13)

1. 도전성 금속으로 이루어지는 심재, 상기 심재 위에 심재와는 다른 금속을 주성분으로 하는 표피층을 가진 반도체 장치용 본딩 와이어로서, 상기 표피층의 금속이 면심 입방정이며, 상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <100>이 차지하는 비율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 표피층의 표면의 결정면에 있어서의 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율의 총계가 60% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 심재의 단면의 결정면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위 <hkl> 중에서, <111>과 <100>이 차지하는 비율이 30% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층의 표면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈에 대하여, 원주 방향의 평균 사이즈에 대한 길이 방향의 평균 사이즈의 비율이 3 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층의 표면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위가 <100>인 결정립의 면적이 와이어 표면의 총 면적에 대한 비율로서 30% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층을 구성하는 주성분이 Pd, Pt, Ru 또는 Ag인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu 또는 Au인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층의 두께가 0.005 내지 0.2 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층과 심재와의 사이에 농도 구배가 있는 확산층을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, B, Pd, Bi 및 P 중 적어도 1종 이상을 5 내지 300 ppm의 범위에서 함 유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
11. 제6항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Cu이고, Pd를 5 내지 10000 ppm의 범위에서 함유하며, 상기 표피층을 구성하는 주성분이 Pd 또는 Ag인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
12. 제6항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 심재를 구성하는 주성분이 Au이고, Be, Ca, Ni, Pd 및 Pt 중 적어도 1종 이상을 5 내지 8000 ppm의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 표피층과 상기 심재의 사이에, 상기 표피층 및 상기 심재를 구성하는 주성분과는 다른 성분으로 이루어지는 중간 금속층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.

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