KR20130079452A - 합금 와이어 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20130079452A
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준 더 이
씽 후아 차이
퉁 한 추앙
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와이어 테크놀로지 씨오. 엘티디.
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Abstract

본 발명의 합금 와이어는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 제조된다. 합금 와이어는 면심 입방 격자의 다결정 구조를 구비하고, 복수의 결정립을 포함한다. 합금 와이어의 중심 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 합금 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성된다. 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 합금 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상이다.

Description

합금 와이어 및 그 제조 방법 {ALLOY WIRE AND METHODS FOR MANUFACTURING THE SAME}
관련 출원 참조
본 출원은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2012년 1월 2일자로 출원된 대만 특허 출원 제101100014호에 대한 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 합금 와이어 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히, 전자 장치의 패키지의 와이어 본딩을 위해 사용되는 합금 와이어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
와이어 본딩은 반도체 장치 및 발광 다이오드(LED)의 패키징 공정에서 극도로 중요한 단계이다. 본딩 와이어는 칩과 칩 지지체(기판) 사이에서 신호 전달 및 전력 전달을 제공할 뿐만 아니라 열 소산 성능도 제공한다. 따라서, 와이어 본딩을 위한 금속 와이어는 반드시 양호한 전기 전도성 및 열 전도성 뿐만 아니라 충분한 강도와 연성을 가져야 한다. 금속 와이어의 경도는 와이어 본딩 단계의 핫 프레싱 동안 칩 균열을 방지하고, 양호한 접합성을 위해 금속 와이어와 본드 패드 사이에 양호한 접촉을 갖도록 너무 높지 않아야 한다. 또한, 금속 와이어는 양호한 항산화능 및 내식성을 가져야만 하며, 그 이유는 패키징을 위한 폴리머 캡슐제가 통상적으로 부식성 클로라이드 이온 및 주변으로부터 수분을 흡수하는 흡습 특성을 갖기 때문이다. 또한, 금속 와이어는 볼 본드가 용융 상태로부터 실온으로 냉각될 때 제1 본드(볼 본드)에 다량의 열을 전도하며, 따라서, 볼 본드 부근의 금속 와이어에 열 영향 구역이 형성된다. 열 누적에 기인하여 이 열 영향 구역의 금속 와이어에 결정립 성장이 발생함으로써 국지적 조립질 결정립의 형성을 초래한다. 국지적 조립질 결정립은 더 낮은 강도를 제공하며, 따라서, 와이어 견인 테스트동안 열 영향 구역에서 금속 와이어가 균열되어 본딩 강도에 부정적 영향을 준다. 반도체 장치 또는 발광 다이오드의 패키징 공정의 완료시, 금속 와이어를 통한 높은 전류 밀도는 금속 와이어 내의 원자를 활성화시킬 수 있으며, 따라서, 패키징된 제품의 사용 동안 전자 이주를 발생시킬 수 있다. 결과적으로, 금속 와이어의 단자에 형성된 정공은 전기 전도성 및 열 전도성의 감소를 초래하고, 심지어 와이어 파괴의 발생을 초래한다.
현재 전자 산업에서 사용되는 본딩 와이어는 주로 순수 금 및 순수 알루미늄이다. 최근에, 순수 구리 와이어(US20060186544A1 및 US4986856 참조) 및 금 도금 구리 와이어(US7645522B2 참조), 팔라듐 도금 구리 와이어(US20030173659A1 참조), 백금 도금 구리 와이어(US20030173659A1 참조), 구리 도금 알루미늄 와이어(US6178623B1 참조)와 같은 복합 금속 와이어도 본딩 와이어를 위해 사용되고 있다. 와이어 본딩을 위한 종래의 금속 와이어의 내부 구조는 모두 등축 미세 결정립이다. 종래의 미세 결정립 구조는 충분한 인장 강도 및 연성을 제공할 수 있다. 그러나, 미세 결정립 사이에 다수의 고경각 결정립 경계가 존재한다. 고경각 결정립 경계는 전자 전달을 산란시키고, 따라서, 금속 와이어의 전기 저항을 증가시키며, 동시에, 금속 와이어의 열 전도성을 감소시킨다. 다른 한편, 고경각 결정립 경계는 더 높은 계면 에너지를 가지며, 환경적 산화, 황화 및 클로라이드 이온 부식을 위한 선호 경로를 제공하여, 패키징된 전자 제품의 신뢰성을 저하시킨다. 또한, 와이어 본딩 동안 제1 본드(볼 본드) 부근의 미세 결정립 구조를 갖는 금속 와이어에 열 영향 구역이 형성된다. 따라서, 와이어 결합 강도가 감소되고, 패키징된 반도체 장치 또는 발광 다이오드의 사용 동안 미세 결정립 구조를 갖는 금속 와이어에 전자 이주가 발생하는 경향이 있으며, 이는 와이어 본딩 기술을 사용하여 패키징된 종래의 제품의 신뢰성 및 품질의 열화를 유발하는 가장 주요한 인자이다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하는 합금 와이어 및 그 제조방법이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진 합금 와이어를 제공한다. 합금 와이어는 면심 페이즈(phase)의 다결정 구조를 가지며, 복수의 결정립을 포함한다. 합금 와이어의 중앙 부분은 주상(slender) 결정립 및 등축 결정립을 포함하고, 합금 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성된다. 어닐링 쌍정(annealing twin)을 포함하는 결정립의 양은 합금 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상이다.
합금 와이어에서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하고, 은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하며, 은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하다.
합금 와이어의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예는 베이스 와이어와 하나 이상의 금속 코팅 층을 포함하는 합금 와이어를 제공한다. 베이스 와이어는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진다. 베이스 와이어는 면심 페이즈의 다결정 구조를 가지며, 복수의 결정립을 포함한다. 베이스 와이어의 중심 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 베이스 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성된다. 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 베이스 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상이다. 하나 이상의 금속 코팅 층은 베이스 와이어에 중첩 도금된다. 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진다.
합금 와이어에서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하고, 은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하며, 은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하다.
합금 와이어의 와이어 직경은 바람직하게는 10㎛ 내지 50㎛ 사이이다. 금속 코팅은 두께가 바람직하게는 0.1㎛ 내지 5㎛ 사이이다.
본 발명의 일 실시예는 합금 와이어 제조 방법을 제공한다. 먼저, 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진 두꺼운 와이어가 제공된다. 그후, N 단계의 냉간 가공 성형 단계를 사용하여 두꺼운 와이어의 와이어 직경이 단계적으로 감소되어 두꺼운 와이어의 직경보다 작은 와이어 직경을 갖는 미세 와이어를 형성한다. (N-1)번째 냉간 가공 성형 단계 및 N번째 냉간 가공 성형 단계 각각에서, 변형은 그 직전 선행 냉간 가공 성형 단계로부터의 처리중인 와이어에 비해 1%와 15% 사이이고, N은 3 이상의 양의 정수이다. N 단계의 어닐링 단계가 냉간 가공 성형 단계 각각의 사이와 N번째 냉간 가공 성형 단계 이후에 각각 처리 중인 와이어 상에 수행된다. (N-1) 번째 냉간 가공 성형 단계와 N번째 냉간 가공 성형 단계 사이의, (N-1)번째 어닐링 단계는 1초 내지 10초 사이의 어닐링 기간 동안 0.5Tm 내지 0.7Tm 사이의 어닐링 온도에서 수행되며, Tm은 두꺼운 와이어의 재료의 켈빈 온도 스케일에서의 융점이다. N번째 냉간 가공 성형 단계 이후의, N번째 어닐링 단계는 2초 내지 60초 사이의 어닐링 기간 동안 (N-1)번째 어닐링 단계의 것보다 20K와 100K 사이로 더 높은 어닐링 온도에서 수행됨으로써 면심 페이즈의 다결정 구조를 가지면서 복수의 결정립을 포함하고 결정립 중 적어도 일부가 어닐링 쌍정을 형성하는 미세 와이어를 얻는다. 미세 와이어의 중심 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 미세 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성된다. 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 미세 와이어의 결정립의 총량 중 20% 이상이다.
합금 와이어 제조 방법에서, 냉간 가공 성형 단계는 바람직하게는 와이어 인발 단계, 압출 단계 또는 그 조합이다.
합금 와이어의 제조 방법에서, 두꺼운 와이어를 제공하는 단계는 두꺼운 와이어의 원료를 용융시키는 단계와, 후속하여, 잉곳을 형성하도록 캐스팅하는 단계 및 두꺼운 와이어를 완성하도록 잉곳 상에 냉간 가공을 수행하는 단계를 포함한다. 두꺼운 와이어를 제공하는 단계는 대안적으로 두꺼운 와이어의 재료의 원료를 용융시키는 단계와, 후속하여, 두꺼운 와이어를 형성하도록 연속적으로 캐스팅하는 단계를 포함한다.
합금 와이어의 제조 방법에서, 이 방법은 냉간 가공 성형 단계 이전에 전기 도금, 증착 또는 스퍼터링을 사용하여 두꺼운 와이어의 표면에 중첩하여 금속 코팅을 도금하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속 코팅은 두께가 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이인 것이 바람직하다.
합금 와이어의 제조 방법에서, 이 방법은 N번째 냉간 가공 성형 단계 이후 전기 도금, 증착 또는 스퍼터링을 사용하여 두꺼운 와이어의 표면에 중첩하는 금속 코팅을 도금하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속 코팅은 두께가 0.1㎛ 내지 5㎛ 사이인 것이 바람직하다.
합금 와이어의 제조 방법에서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하고, 은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하며, 은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하다.
합금 와이어의 제조 방법에서, 두꺼운 와이어의 와이어 직경은 바람직하게는 5 mm 내지 10 mm 사이이고, 미세 와이어의 와이어 직경은 바람직하게는 10㎛ 내지 50㎛ 사이이다.
이하의 상세한 설명으로부터 본 발명의 응용의 추가적 범주를 명백히 알 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명의 양호한 실시예를 설명하지만, 상세한 설명 및 특정 예는 단지 예시적인 것임을 이해하여야 하며, 그 이유는 본 기술 분야의 숙련자는 상세한 설명으로부터 본 발명의 개념 및 범주 내에서 다양한 변경 및 변형을 명백히 알 수 있기 때문이다.
첨부 도면을 참조로 후속하는 실시예의 상세한 설명이 제공된다.
첨부 도면을 참조로 후속 상세한 설명 및 예시를 읽음으로써 본 발명을 더욱 완전하게 이해할 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어를 도시하며, 도 1a는 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어의 세그먼트를 개략적으로 도시하고, 도 1b는 도 1a에 도시된 합금 와이어의 종방향에 평행한 방향을 따른, 도 1a에 도시된 합금 와이어의 길이방향 단면이고, 도 1c는 도 1a에 도시된 합금 와이어의 종방향에 수직인 방향을 따른, 도 1a에 도시된 합금 와이어의 횡방향 단면이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어를 도시하고, 도 2a는 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 세그먼트를 개략적으로 도시하고, 도 2b는 도 2a에 도시된 합금 와이어의 종방향에 평행한 방향을 따른, 도 2a에 도시된 합금 와이어의 길이방향 단면이고, 도 2c는 도 2a에 도시된 합금 와이어의 종방향에 수직인 방향을 따른, 도 2a에 도시된 합금 와이어의 횡방향 단면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 일 예를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 일 예를 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 다른 예를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 도 3 내지 도 5의 흐름도에서 두꺼운 와이어를 제공하는 단계의 예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 도 3 내지 도 5에 도시된 흐름도에서 두꺼운 와이어를 제공하는 단계의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 X-레이 회절 차트이며, 도 8a는 본 발명의 일 예의 합금 와이어의 X-레이 회절 차트를 도시하고, 도 8b는 종래의 와이어의 X-레이 회절 차트를 도시한다.
이하의 설명은 최상인 것으로 고려되는 본 발명을 실시하는 형태에 대한 것이다. 이 설명은 본 발명의 일반적 원리를 예시하는 목적으로 이루어진 것이며, 한정적 의미로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 범주는 첨부 청구범위를 참조로 최적으로 정의된다.
본 발명의 개념 및 특정 실시 형태는 실시예 및 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명된다. 도면 또는 설명에서, 유사 요소는 유사 참조 번호 및/또는 문자에 의해 표시되어 있다. 또한, 도면의 요소 형상 또는 두께는 표시의 편의성 또는 간결성을 위해 확대될 수 있다. 또한, 도시 또는 설명되지 않은 요소가 본 기술 분야의 숙련자들에게 공지된 모든 형태로 존재할 수 있다.
이하의 설명은 본 발명의 다양한 특징을 구현하는 다수의 서로 다른 실시예 또는 예를 제공한다. 구성요소 및 배열의 특정 예가 본 발명을 간결히 설명하기 위해 후술된다. 이들은 단지 예시일 뿐이며 제한을 의도하지 않는다는 것을 주의하여야 한다. 예로서, 후속 설명에서, 제2 특징부 위에 또는 상에 제1 특징부가 형성된다는 것은 제1 및 제2 특징부가 직접적으로 접촉하여 형성되는 실시예를 포함하며, 또한, 추가적 특징부가 제1 및 제2 특징부 사이에 형성되어 제1 및 제2 특징부가 직접적으로 접촉하지 않는 실시예를 포함한다. 추가적으로, 본 설명은 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복하여 사용할 수 있다.
후속 설명에서, "실질적 순수 금", "실질적 순수 팔라듐" 등과 같은 어구는 설계상 어떠한 불순물도 없는 순수 금, 순수 팔라듐 등을 의미하는 것이며, 실제로는 원료로부터 불순물을 완전히 제거하는 것이 불가능한 실제 제련, 정련 및 막 코팅 공정의 한계 때문에 수학적이나 이론적 순수 금, 순수 팔라듐 등이 되기는 어렵다. 또한, 편차가 대응 표준 또는 제원의 수용 범위 이내일 때, 이 또한 순수 금, 순수 팔라듐 등으로 인정된다. 본 기술 분야의 숙련자는 다양한 특성 및 조건에 따른 다양한 표준 또는 제원을 인지하고 있을 것으로 예상되며, 따라서, 특정하게 나열하지는 않는다.
합금 와이어 및 그 제조 방법을 위한 본 발명의 특정 실시예가 설명된다. 본 발명의 개념은 임의의 공지된 또는 신규 개발된 합금 와이어 및 그 제조 방법에 적용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어(10)를 도시하는 도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 도 1a는 합금 와이어(10)의 세그먼트를 개략적으로 도시하고, 도 1b는 도 1a에 도시된 합금 와이어(10)의 종방향에 평행한 방향을 따른, 도 1a에 도시된 합금 와이어(10)의 종방향 단면이고, 도 1c는 도 1a에 도시된 합금 와이어(10)의 종방향 단면에 수직인 방향을 따른 도 1a에 도시된 합금 와이어(10)의 횡방향 단면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어(10)는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 합금 와이어(10)의 길이방향 단면은 복수의 결정립을 포함하는 합금 와이어(10) 및 면심 페이즈의 다결정 구조를 도시한다. 결정립의 대부분은 등축 결정립(12)이다. 고경각 결정립 경계(14)가 모든 등축 결정립(12) 사이에 있다. 어닐링 쌍정(16)을 포함하는 결정립의 양은 합금 와이어(10)의 결정립의 총량의 20% 이상이다. 설명된 등축 결정립(12)에 추가로, 일부 주상 결정립(18)이 합금 와이어(10)의 중심 부분에 존재할 수 있다.
전체 명세서에 설명된 "합금 와이어의 중심 부분"은 합금의 축의 중심으로부터 축으로부터 합금 와이어 반경의 30%의 거리를 갖는 위치까지의 와이어의 반경방향을 따라 연장하는 영역의 합금 와이어 부분을 의미한다. "합금 와이어의 중심 부분"은 복수의 주상 결정립(18) 또는 등축 결정립(12)으로 전체가 구성될 수 있거나, 대안적으로, 등축 결정립(12) 및 주상 결정립(18) 양자 모두를 포함할 수 있다. "합금 와이어의 중심 부분"을 제외한 합금 와이어의 다른 부분은 복수의 등축 결정립(12)으로 구성된다.
다음에, 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어(20)를 도시하는 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 도 2a는 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어(20)의 세그먼트를 개략적으로 도시하고, 도 2b는 도 2a에 도시된 합금 와이어(20)의 종방향에 평행한 방향을 따른, 도 2a에 도시된 합금 와이어(20)의 길이방향 단면이고, 도 2c는 도 2a에 도시된 합금 와이어(20)의 종방향에 수직인 방향을 따른, 도 2a에 도시된 합금 와이어(20)의 횡방향 단면이다.
본 발명의 제2 실시예는 베이스 와이어(21)와 금속 코팅(25)을 포함하는 합금 와이어(20)를 제공한다. 베이스 와이어(21)는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진다. 베이스 와이어(21)는 면심 페이즈의 다결정 구조를 가지고, 복수의 결정립을 포함하며, 결정립의 대부분은 등축 결정립(22)이다. 고경각 결정립 경계(24)가 모든 등축 결정립(22) 사이에 존재한다. 어닐링 쌍정(26)을 포함하는 결정립의 양은 베이스 와이어(21)의 결정립의 총량의 20% 이상이다. 상술한 등축 결정립(22)에 추가로, 일부 주상 결정립(28)이 합금 와이어(20)의 중심 부분에 존재할 수 있으며, 그래서, 합금 와이어(20)의 중심 부분은 주상 결정립(28), 등축 결정립(22) 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 금속 코팅(25)은 베이스 와이어(21)에 중첩하여 도금된다. 금속 코팅(25)은 금속 필름의 하나의 단일 층 또는 복수의 층으로 구성된다. 금속 코팅(25)은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진다. 금속 코팅(25)으로 덮인 베이스 와이어(21)는 금속 코팅(25)의 재료의 화학적 불활성에 기인하여 부식으로부터 보호될 수 있다. 금속 코팅(25)는 와이어 인발 단계 동안 윤활제로서 또한 활용될 수 있다. 또한, 금속 코팅(25)은 두께가 0.1㎛ 내지 5.0㎛ 사이인 것이 바람직하다. 금속 코팅(25)의 결정립 구조는 도 2b 및 도 2c에 도시되어 있지 않다.
전체 명세서에서 설명된 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금은 금 및/또는 팔라듐이 그에 추가되어 있는 은을 주 성분으로 포함하는 합금을 의미하며, 금 및 팔라듐의 함량은 주 성분으로 작용하는 은의 함량 이하이다.
또한, 본 발명의 제1 및 제2 실시예의 합금 와이어(10, 20)의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 것이 바람직하며, 이는 전자 장치의 패키지를 위한 와이어 본딩에 사용되는 와이어에 적합하다. 또한, 사용자는 필요에 따라 오디오 와이어, 신호 또는 전력 전달 와이어, 변압기 와이어 같은 다른 기술 분야 및 목적에 본 발명의 합금 와이어를 적용할 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 합금 와이어의 와이어 직경은 필요에 따라 변경될 수 있으며, 설명된 예시적 범위에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 합금 와이어의 특성 중 하나는 합금 와이어가 다결정 구조를 가지며, 복수의 결정립을 포함한다는 것이다. 합금 와이어의 중심 부분은 주상 결정립을 포함하고, 합금 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성된다. 결정립의 평균 직경은 1㎛ 내지 10㎛ 사이이고, 0.5㎛ 내지 1㎛ 사이인 와이어 본딩을 위한 종래의 와이어의 평균 직경보다 미소하게 크다. 결과적으로, 본 발명의 합금의 고경각 결정립 경계의 밀도가 감소됨으로써 상술한 미세 결정립 사이의 풍부한 고경각 결정립 경계에 의해 유발되는 단점을 감소시킨다. 본 발명의 합금 와이어의 더욱 중요한 특성은 본 발명의 합금 와이어의 적어도 20%가 어닐링 쌍정 구조를 포함한다는 것이다. 어닐링 쌍정 구조의 쌍정 경계는 낮은 에너지를 갖는 Σ3 특수 결정립 경계에 속하는 정합(coherent) 결정 구조이다. 쌍정 경계의 계면 에너지는 일반적 고경각 결정립 경계의 단지 5%이다(George E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGRAW-HILL Book Company, 1976, 135-141쪽 참조). 쌍정 경계의 더 낮은 계면 에너지는 쌍정 경계가 산화, 황화 및 염화물 이온 부식을 위한 경로가 되는 것을 방지하고, 따라서, 더 양호한 항산화 활동 및 더 양호한 내식성을 제공한다. 또한, 어닐링 쌍정의 대칭 격자 배열은 전자 전송에 대해 산란을 거의 제공하지 않으며, 따라서, 더 양호한 전기 전도성 및 열 전도성을 제공한다. 이런 효과는 펄스 전착 구리 포일에서 검증되었다(L. Lu, Y. Shen, X. Chen, L. Qian 및 K. Lu, Ultrahigh Strength and High Electrical Conductivity in Copper, Science, vol. 304, 2004, 422-426쪽 참조). 저 에너지 쌍정 구조의 쌍정 경계는 더 낮은 계면 에너지에 기인하여 일반적 고경각 결정립 경계보다 더욱 안정적이다. 높은 온도에서, 쌍정 경계를 이동시키는 것이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 또한, 쌍정 경계는 결정립 둘레의 고경각 결정립 경계를 위한 고정 효과를 제공한다. 결과적으로, 고경각 결정립 경계도 이동할 수 없으며, 전체 결정립 구조에서 어떠한 명시적 결정립 성장도 발생하지 않는다. 와이어 본딩 동안 용융 상태로부터 실온으로의 최초 본드(볼 본드) 냉각시에도, 본 발명의 합금 와이어의 원래 결정립 크기는 여전히 유지될 수 있으며, 볼 본드 부근의 종래의 미소 결정립 구조 금속 와이어에 누적된 볼 본드의 응고 열로부터 초래되는 신속한 결정 성장에 기인한 열 영향 구역 형성을 방지하고, 와이어 견인 테스트로부터 초래되는 강도의 감소를 방지한다. 다른 한편, 쌍정 경계로부터 또는 쌍정 경계를 횡단하는 원자의 확산율은 극도로 낮으며, 전자 제품의 사용 동안 높은 전류 밀도에 의해 도입되는 합금 와이어 내에서의 내부적 원자 이동의 발생이 매우 어렵다. 따라서, 상술한 바와 같은 와이어 본딩을 위한 종래의 금속 와이어에서 발생하는 전자 이주 문제가 해결된다. 쌍정이 구리 박막 내의 재료의 전자 이주를 억제할 수 있다는 것을 증명하는 간행물이 존재한다(K.C. Chen, W.W. Wu, C.N. Liao, L.J. Chen 및 K.N. Tu의 Observation of Atomic Diffusion at Twin-Modified Grain Boundaries in Copper, Science, vol. 321, 2008, 1066-1069쪽 참조). 요약하면, 본 발명의 합금 와이어를 반도체 장치 및 발광 다이오드 제품 내의 와이어 본딩을 위한 와이어로서 사용할 때 본 발명의 합금 와이어는 종래의 금속 와이어의 품질 및 신뢰성에 비해 더 양호한 품질 및 신뢰성을 제공한다.
추가로, 본 발명의 합금 와이어의 결정립의 적어도 20%는 효과를 명확히 하기 위해 내부에 어닐링 쌍정 구조를 포함하는 것이 필요하다. 와이어 본딩용 종래의 금속 와이어에서, 어닐링 쌍정 구조는 드문 경우에 발견될 수 있다. 그러나, 어닐링 쌍정 구조를 포함하는 결정립의 양은 종래 와이어의 전체 결정립 중 10% 이하이다. 따라서, 종래의 금속 와이어는 본 발명의 합금 와이어에 의해 제공되는 상술한 효과를 제공할 수 없다.
더 구체적으로, 본 발명의 합금 와이어의 결정립 크기는 종래의 금속 와이어의 결정립 크기보다 약간 큼에도 불구하고, 어닐링 쌍정이 위치하는 결정립과는 상이한 결정 배향을 갖는 어닐링 쌍정을 포함한 본 발명의 합금 와이어 내의 수많은 결정립들로 인해 전위의 이동이 또한 차단되어 재료를 강화시킬 수 있다. 이러한 강화 메커니즘은, 전위의 이동을 차단하지만 와이어 본드 품질 및 신뢰도에 부정적인 영향을 미치는 문제를 유발하는 고경각 결정립 경계를 필요로 하는 미세 결정립 구조를 구비한 종래의 금속 와이어의 강화 메커니즘과는 상이하다. 따라서, 어닐링 쌍정 구조를 포함하는 와이어 본딩용 합금 와이어는 미세 결정립 구조를 포함하는 종래의 금속 와이어보다 크거나 유사한 인장 강도를 가질 수 있다. 그러나, 전위가 쌍정 경계에 축적될 수 있기 때문에 본 발명의 합금 와이어의 연성은 종래의 금속 와이어보다 높다. 따라서, 본 발명의 합금 와이어의 기계적 특성은 종래의 금속 와이어보다 우수하다.
피지컬 메탈러지(Physical Metallurgy)(George E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGRAW-HILL Book Company, 1976, 135-141 쪽, 및 R. W. Cahn, Physical Metallurgy, 1970, 1184-1185 쪽)의 메커니즘에 따르면, 스트레인 에너지(strain energy)가 냉간 가공 중 재료 내에 형성되고, 결정립의 일부 영역 내의 원자들은 스트레인 에너지에 의해 구동되어 이에 따라 원자들이 위치하는 결정립 내에서 전단되지 않은 원자들과 거울 대칭을 형성하는 격자 위치들로 균일하게 전단된다. 그 결과, 어닐링 쌍정이 형성되고, 이들의 대칭 계면이 쌍정 경계이다. 어닐링 쌍정은 결정격자 배치에서 가장 밀집한 면심입방구조(FCC) 격자를 갖는 재료에서 주로 발생한다. 쌍정 경계는 저 에너지를 갖는 ∑3 특수 경계이고, 이의 결정 배향은 전부 {111} 평면이다. 어닐링으로 인한 통상의 재결정화에 의해 형성된 고경각 결정립 경계에 비해, 쌍정 경계의 계면 에너지는 고경각 결정립 경계의 계면 에너지의 겨우 5%이다. FCC 격자 구조에 추가로, 일반적으로 적층 결함 에너지(stacking fault energy)가 작을수록, 재료 내에 어닐링 쌍정을 형성하는 것이 더 용이하다. 본 발명의 합금 와이어에서 사용되는 금, 은, 팔라듐, 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금의 적층 결함 에너지는 모두 100 erg/㎠ 미만이고, 따라서 어닐링 쌍정을 형성하는 것이 용이하다. 알루미늄은 FCC 격자 구조를 갖는 재료임에도, 알루미늄의 적층 결함 에너지가 대략 200 erg/㎠ 이기 때문에 알루미늄 내에 어닐링 쌍정을 형성하는 것은 거의 불가능하다. 그 결과, 알루미늄은 본 발명의 합금 와이어의 조건에 부합하지 않는다.
본 발명의 합금 와이어는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성된 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 제조된다. 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금의 적층 폴트 에너지는, 내부의 은 함량, 금 함량 및 팔라듐 함량과는 별개로 모두 100 erg/㎠ 미만이다. 원재료 가격, 입수 가능성, 캐스트 도중 분리, 와이어 드로잉 도중 성형성, 내산화성, 인장 강도, 경도, 연성, 와이어 본딩에서의 볼 본드 품질, 본딩 강도 등과 같은 다른 요소를 고려할 때, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하고, 은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량%의 팔라듐과 잔여부 은을 포함하고, 은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과, 0.01 내지 10.00 중량%의 팔라듐과, 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 어닐링 처리 이전 냉간 가공 변형 또한 임계 조건이다. 충분한 냉간 가공 변형에 의해 형성된 스트레인 에너지는 원자를 구동시켜 어닐링 쌍정을 형성할 수 있다. 그러나, 냉간 가공 변형이 너무 많은 경우, 어닐링 처리의 주요 재결정화 단계에서 재결정화 결정립의 핵이 빨리 유도될 것이다. 따라서, 많은 미세 결정립이 형성되고, 어닐링 쌍정을 형성하는 것이 쉽지 않다. 반대로, 종래의 금속 와이어의 구조가 형성된다. 미세 결정립들은 우수한 인장 강도 및 연성을 제공한다. 그러나, 종래의 금속 와이어에서 많은 고경각 결정립 경계는 전자 유동 및 열 전달을 분산시키고, 또한 금속 와이어의 내부식성 및 항산화 활동을 감소시킨다. 와이어 본딩의 제1 본드의 볼 포밍(ball forming) 도중, 많은 고경각 결정립 경계를 갖는 미세 결정립은 용융된 프리 에어 볼(FAB)의 응고 열로부터 높은 열 에너지를 얻는 것에 기인한 신속한 결정립 성장 동안 조립질 결정립이 된다. 그 결과, 와이어 본딩 중 가장 심한 문제인 열 영향부 문제가 야기된다. 와이어 견인 테스트에서 강도가 감소된다. 이어서, 가전 제품이 통전되어 작동할 때 전류에 의해 발생되는 금속 와이어의 재료에서의 원자 이동으로 인해 전자 이주(electron migration)가 자주 유도된다. 이러한 요소들은 반도체 장치 및 발광 다이오드의 패키징 제품의 신뢰성에 매우 부정적인 영향을 미친다.
따라서, 도 3에 도시된 흐름도를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 예는 일련의 단계(102, 104 및 106)를 포함할 수 있다.
단계(102)에서, 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성된 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 제조된 두꺼운 와이어가 제공된다.
단계(104)에서, 두꺼운 와이어의 와이어 직경은 N 단계의 냉간 가공 성형 단계를 사용하여 두꺼운 와이어의 직경보다 작은 와이어 직경을 갖는 미세 와이어를 형성하도록 단계적으로 감소된다. 냉간 가공 성형 단계의 (N-1) 번째 단계 및 N 번째 단계의 각각에서, 변형은 직전 냉간 가공 성형 단계로부터 제조 과정에 있는 와이어에 비해 1 % 내지 15 % 사이이며, N은 3 이상의 양의 정수이다.
단계(106)에서, 어닐링 단계의 N 단계는 냉간 가공 성형 단계들의 각각 사이에서 그리고 냉간 가공 성형 단계의 N 번째 단계 이후에 제조 과정에 있는 와이어 상에서 각각 실행된다. 냉간 가공 성형 단계의 (N-1) 번째와 N 번째 단계 사이의 어닐링 단계의 (N-1) 번째 단계는 1초와 10초 사이의 어닐링 기간 동안 0.5Tm과 0.7Tm 사이의 어닐링 온도에서 실행되고, 여기서 Tm은 두꺼운 와이어의 재료의 켈빈 온도 스케일에서의 융점이다. 냉간 가공 성형 단계의 N 번째 단계 이후의 어닐링 단계의 N 번째 단계는 2초와 60초 사이의 어닐링 기간 중 어닐링 단계의 (N-1) 번째 단계의 온도보다 높은 20K와 100K 사이의 어닐링 온도에서 실행된다.
단계(102, 104 및 106)에 의해 면심 입방 페이즈의 다결정 구조를 갖고, 다수의 결정립을 포함하고, 적어도 몇몇 결정립 내에 어닐링 쌍정을 형성하는 미세 와이어가 생성된다. 미세 와이어의 중앙 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 미세 결정립의 나머지 부분은 등축 결정립으로 구성된다. 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 미세 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상이다.
또한, 단계(106)에 설명된 N 단계의 어닐링 단계에서, 종래의 금속 와이어 제조 방법에 사용되는 바와 동일한 어닐링 장치가 사용될 수 있다. "N이 3 이상의 양의 정수"인 조건이 위반되지 않는 경우, (N-1) 번째 어닐링 단계 이전 다른 어닐링 단계의 어닐링 조건 및 단계량(step quantity)은 요구 조건, 장치 조건 및/또는 다른 요소에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 따라서, 단지 본 발명의 특정 어닐링 조건만을 설명하고, 어닐링 장치, 어닐링 단계 및 다른 어닐링 단계의 어닐링 조건 및 단계량에 관한 세부 사항은 설명하지 않는다.
상술한 단계에서, 두꺼운 와이어의 와이어 직경은 5㎜와 10㎜ 사이가 바람직하고, 미세 와이어의 와이어 직경은 10㎛와 50㎛ 사이가 바람직하다. 따라서, 본 발명의 합금 와이어는 와이어 본딩용 와이어에 대해 사용될 수 있다.
상술한 단계에서, 두꺼운 와이어의 재료로 작용하는 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금의 융점(Tm)은 관련 평형 상태도의 대응하는 조성의 켈빈 온도 스케일에서의 액화 시작 온도이다.
상술한 단계에서, "변형(deformation)"은 냉간 가공 중 재료 단면적의 감소율을 의미한다.
도 4에 도시된 흐름도를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 예는 단계(102, 103, 104 및 106)를 포함할 수 있고, 단계(102, 104 및 106)는 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 예에서 설명된 바와 동일하다. 단계(103)는 도 3에 도시된 단계(104) 이전에 실행된다. 단계(103)에서, 금속 코팅의 하나 이상의 층은 전기 도금, 증착 또는 스퍼터링을 사용하여 두꺼운 와이어의 표면 위로 도금된다. 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성된 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 금속 코팅의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이가 바람직하다. 그 결과, 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 제조가 완료된다.
도 5에 도시한 바와 같은 흐름도를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 또 다른 예는 단계(102, 104, 106 및 108)를 포함할 수 있고, 여기서 단계(102, 104 및 106)는 본 발명의 제1 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 예에서 기술한 것과 동일하다. 단계(108)는 도 3에 도시한 단계(106) 이후에 행해진다. 단계(108)에서, 하나 이상의 금속 코팅 층이 전기 도금, 증착 또는 스퍼터링을 이용하여 두꺼운 와이어의 표면 위에 도금된다. 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 이루어지는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 금속 코팅은 0.1㎛ 내지 5㎛ 두께인 것이 바람직하다. 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어의 제조 방법의 예를 수행한 결과, 본 발명의 제2 실시예의 합금 와이어가 완성된다.
기술된 방법 전부에 있어서, 단계(104)의 냉간 성형 단계는 와이어 인발 단계, 압출 단계 또는 그들의 조합인 것이 바람직하다.
기술된 방법 전부에 있어서, 두꺼운 와이어의 제공 방법의 예는 도 6에 도시한 흐름도를 참조하여 후속적인 주조 단계(202) 및 냉간 가공 단계(204)를 포함하는 것이 바람직하다.
주조 단계(202)에 있어서, 두꺼운 와이어의 재료의 원료는 가열되어 용융되며, 뒤이어 잉곳을 형성하기 위해 주조가 후속된다.
냉간 가공 단계(204)에 있어서, 본 단계는 두꺼운 와이어를 완성하기 위해 잉곳에 대해 냉간 가공을 행한다. 유사하게, 냉간 가공 단계(204)는 또한 와이어 인발 단계, 압출 단계 또는 그들의 조합일 수 있다.
기술된 방법 전부에 있어서, 두꺼운 와이어를 제공하는 방법의 또 다른 예는 도 7에 도시한 개략도를 참조하여 후속적인 연속 주조 단계(302)를 포함하는 것이 바람직하다.
연속 주조 단계(302)에 있어서, 두꺼운 와이어의 재료의 원료는 가열되어 용융되며, 뒤이어 두꺼운 와이어를 형성하기 위해 연속 주조 공정이 후속된다.
기술된 방법에 있어서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량% 금과 잔여부 은을 포함하고, 은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하며, 은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량% 금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과, 잔여부 은을 포함하는 것이 바람직하다.
기술된 제조 방법의 조건에 추가하여, 본 명세서에서 기술된 본 발명의 합금 와이어에 부합하는 와이어가 상이한 냉간 가공 방법, 상이한 냉간 변형, 상이한 어닐링 조건 등과 같은 다른 방법에 의해 제조된다면, 그 와이어 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다.
본 발명자는 오랜 기간 동안 열심히 연구하여 적합한 냉간 변형 조건을 발견하여, 최적 어닐링 온도와 어닐링 기간 사이의 관계를 정하고(collocate), 다량의 어닐링 쌍정을 그 내에 포함하는 신규한 합금 와이어를 완성하였다. 신규한 합금 와이어는 높은 전기전도도, 높은 열전도도, 우수한 항산화력 및 우수한 내식성을 제공한다. 쌍정 경계가 전자 이동을 효과적으로 억제할 수 있다는 점이 가장 흥미롭다. 쌍정 경계는 결정립 주변에 고경각 결정립 경계에 대한 앵커 효과(anchor effect)를 제공하고, 그 결과 고경각 결정립 경계를 이동시키는 것이 용이하지 않다. 따라서, 결정립 성장이 억제되고, 열 영향부가 거의 형성되지 않는다. 한편, 어닐링 쌍정은, 어닐링 쌍정의 결정 배향이 그 어닐링 쌍정이 존재하는 결정립과 상이하기 때문에 전위 이동을 또한 차단할 수 있고, 그 결과 재료에 대한 강화 효과를 제공한다. 따라서, 본 발명의 합금 와이어의 인장 강도는 종래 금속 와이어의 인장 강도와 비슷하거나 그보다 높지만, 본 발명의 합금 와이어의 연성은 종래의 와이어보다 높다. 이러한 이점은 다량의 어닐링 쌍정을 포함하는 합금 와이어를 이용하여 와이어 본딩을 갖는 패키징된 반도체 소자 및 패키징된 발광 다이오드에 대한 신뢰성 시험에서 우수한 결과를 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 합금 와이어를 이용하는 전자 제품은 Ta=121℃, 100%RH 및 2 atm 조건의 가장 엄격한 고온/고압 환경 테스트(pressure cooker test, PCT)에서 128 시간보다 오래 견뎌낼 수 있으며, 128 시간은 통상적인 전자 제품에 대한 신뢰성 시험에 의해 요구되는 96 시간보다 훨씬 길다. 본 발명의 합금 와이어를 이용한 전자 제품은 Ta=148℃, 90%RH 및 3.6 볼트의 바이어스 조건의 극히 엄격한 초가속 응력 테스트(highly accelerated stress test, HAST)에서 128 시간보다 오래 견뎌낼 수 있으며, 528시간은 통상적인 전자 제품에 대한 신뢰성 시험에 의해 요구되는 96 시간보다 훨씬 길다.
예 1
은-8wt% 금-3wt% 팔라듐 합금은 고주파 전기 용광법에 의해 용융되고, 뒤이어 6㎜의 와이어 직경을 갖는 두꺼운 와이어를 형성하도록 연속 주조가 후속된다. 두꺼운 와이어는 복수의 와이어 인발 신장 및 어닐링 처리의 단계 후에 22.6㎛의 와이어 직경을 갖는 미세 와이어가 되고, 뒤이어 마지막에서 두 번째 와이어 인발 신장의 단계가 후속되어, 20㎛의 와이어 직경을 갖는 미세 와이어가 된다. 다음, 미세 와이어는 530℃에서 1.5초 동안 어닐링되고, 뒤이어 최종 와이어 인발 신장의 단계가 후속적으로 수행되어, 17.5㎛의 와이어 직경을 갖는 미세 와이어가 된다. 마지막으로, 최종 어닐링 처리의 단계가 570℃의 어닐링 온도에서 4.8초 동안 미세 와이어에 대해 행해진다. 최종 어닐링 처리의 단계가 완료되면, 미세 와이어가 권선되고, 그 후 와이어 본딩을 위한 합금 와이어 제품이 완성된다.
다량의 어닐링 쌍정 구조물이 본 발명의 신규한 합금 와이어의 우수한 성능에 기여하는 것을 입증하기 위해, 은-8wt% 금-3wt% 팔라듐 합금과 동일한 합금이, 본 발명의 다량의 어닐링 쌍정 구조물을 갖는 합금 와이어에 대한 대조군(control group)인 종래의 와이어 인발 및 어닐링 조건을 이용하여 17.5㎛의 와이어 직경을 갖는 미세 와이어를 형성하도록 이용된다. 대조군의 합금 와이어는 다량의 어닐링 쌍정 구조물을 그 내부에 갖지 않는 것으로 예상된다. 또한, 합금 와이어의 특성은 또한 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어 및 상용의 4N 순수 금 와이어의 특성과 비교된다.
예 1의 본 발명 합금 와이어의 길이방향(lengthwise) 단면을 따른 메탈로그래피(Metallography) 구조의 사진은, 일부 주상 결정립이 본 발명 합금 와이어의 중간 부분에 존재하며, 본 발명 합금 와이어의 나머지 부분은 동축 결정립으로 구성되고, 여기서 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 본 발명 합금 와이어의 결정립의 총량의 30%보다 많음을 나타낸다.
예 1의 본 발명 합금 와이어의 횡방향(transverse) 단면을 따른 메탈로그래피 구조의 사진은, 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양이 계산한 바에 따르면 본 발명 합금 와이어의 결정립 총량의 40%보다 많음을 나타낸다.
대조군의 종래의 합금 와이어의 길이방향 단면을 따른 메탈로그래피 구조의 사진은, 약간의 조립질 결정립과 혼합된 일부 주상 결정립이 종래의 합금 와이어의 중간 부분에 존재하고, 종래의 합금 와이어의 나머지 부분은 미립자 구조물로 구성되고, 여기서 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 종래의 합금 와이어의 결정립의 총량의 단지 10%보다도 작음을 나타낸다.
미립자 구조물을 나타내는 대조군의 종래의 합금 와이어의 횡방향 단면을 따른 메탈로그래피 구조의 사진은, 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양이 계산한 바에 따르면 종래의 합금 와이어의 결정립의 총량의 단지 15%임을 나타낸다.
유사하게, 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어 및 상용의 4N 순수 금 와이어의 길이방향 및 횡방향 단면을 따른 메탈로그래피 구조의 사진에 나타난 바와 같이, 약간의 결정립만이 어닐링 쌍정 구조물을 갖는다.
사실, 어떠한 공개문헌도 와이어 본딩을 위한 종래의 금속 와이어 내에서 본 발명의 특성의 다량의 어닐링 쌍정 구조체가 발견되었다고 개시한 적이 없다(George G. Harman, Reliability and Yield Problems of Wire Bonding in Microelectronics, National Institute of Standards and Technology, 1991 by International Society for Hybrid Microelectronics 참조).
도 8a 및 도 8b는 X-레이 회절 차트이고, 여기서 도 8a는 본 발명의 예 1의 합금 와이어의 X-레이 회절 차트를 도시하고, 도 8b는 종래의 와이어의 X-레이 회절 차트를 도시한다. 도 8a 및 도 8b에 있어서, X-축은 회절 각도를 나타내고, Y-축은 회절 강도를 나타내며, 여기서 회절각의 단위는 "도(°)"이고, 일반적으로 회절 강도의 단위는 일반적인 X-레이 회절 차트에서 표시된 "임의 단위(Arbitrary Unit)"이다.
또한, 도 8a 및 도 8b에 나타난 분석 결과와 비교하여, 본 발명의 예 1의 합금 와이어의 차트는 {111} 결정 배향의 확실한 스펙트럼을 보여주었다. {111} 스펙트럼 라인은 어닐링 쌍정의 전형적인 결정 배향 스펙트럼 라인이다. 제어 그룹의 통상적인 합금 와이어의 X-레이 회절 차트에는 확실한 {111} 스펙트럼 라인이 존재하지 않았다. 상용 4N 순수 금 와이어 및 팔라듐 코팅을 가진 구리 와이어의 샘플의 X-레이 회절 차트에서 발견되는 확실한 {111} 스펙트럼 라인도 또한 존재하지 않았다. 결과적으로, 본 발명의 예 1의 합금 와이어의 재료에는 어닐링 쌍정 구조가 많이 존재한다는 것이 확인되었다.
본 발명의 개선된 성능의 완전한 표시를 제공하기 위해 본 발명의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어에 의해 제공되는 우수한 성능을 증명하기 위해, 제1 인장 시험이 수행되었다. 시험 결과는 합금 와이어의 인장 강도가 본 발명의 어닐링 쌍정 구조를 많이 가지는 것을 보여주었으며, 제어 그룹의 합금 와이어가 대략 7.5g이었으며, 이것은 상용 4N 순수 금 와이어 및 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어의 인장 강도(6.6g 내지 10.7g)과 유사하다. 그러나, 제어 그룹의 어닐링 쌍정 구조를 거의 갖지 않는 합금 와이어의 연신율은 겨우 2.5%였다. 본 발명의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어의 연신율은 4.5%일 수 있으며, 이것은 상용 4N 순수 금 와이어 및 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어의 연신율(4.0% 내지 6.0%)에 가깝다.
다음으로, 전기적 특성 시험이 수행되었다. 시험 결과는 본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어의 전기적 저항의 평균 값이 대략 5.0μΩ·㎝라는 것을 보여주었으며, 그 최소 값은 4.1μΩ·㎝였고, 제어 그룹의 어닐링 쌍정 구조를 거의 갖지 않는 합금 와이어의 전기적 저항의 평균 값인 5.5μΩ·㎝보다 작았다. 또한, 본 발명의 합금 와이어의 전기적 저항은 상용 4N 순수 금 와이어의 것(2.3μΩ·㎝) 및 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어의 것(1.9μΩ·㎝)보다 약간 컸다.
본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어의 고온 안정성을 증명하기 위해, 설명된 모든 종류의 와이어들이 30분 동안 600℃에서 열처리하는 대기 분위기의 노에 투입되었다.
본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어의 메탈로그래피 구조의 사진은 결정립 크기가 열처리 후에 약간만 증가하는 것을 보여주었다.
제어 그룹의 통상적인 합금 와이어의 메탈로그래피 구조의 사진은 최초 미세 결정립에 비해 결정립 크기가 급격히 증가하는 것을 보여주었으며, 증가된 결정립 크기는 열처리 후의 본 발명의 예 1의 합금 와이어의 결정립 크기보다 컸다.
또한, 상용 4N 순수 금 와이어의 메탈로그래피 구조의 사진은 열처리 후의 급격한 결정립 성장을 보여주었으며, 결정립 크기는 와이어 직경에 가까웠다.
팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어의 메탈로그래피 구조의 사진은 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어가 열처리 후에 거의 완전히 산화되는 것을 보여주었으며, 이는 팔라듐 표면 코팅의 추가가 구리 선의 산화 문제를 해결하기 위한 최선의 방법이 아님을 보여준다.
실험을 요약하면, 본 발명의 예 1의 합금 와이어의 결정립 구조가 다수의 저에너지 쌍정의 존재로 인한 결정립 경계의 이동을 차단할 수 있음이 확인되었다. 따라서, 통상의 합금 와이어, 상용 4N 순수 금 와이어, 및 팔라듐 코팅을 갖는 구리 와이어에 비해, 본 발명의 예 1의 합금 와이어는 와이어 본딩 후에 합금 와이어 내의 열에 의해 영향을 받은 구역의 형성과 관련한 우수한 고열 안정성 및 우수한 신뢰도 시험 성능을 나타낸다.
프리 에어 볼(FAB)이 본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어 및 제어 그룹의 어닐링 쌍정 구조를 거의 갖지 않는 합금 와이어를 사용하여 와이어 본딩 장치에 의해 만들어졌다.
제어 그룹의 어닐링 쌍정 구조를 거의 갖지 않는 합금 와이어의 프리 에어 볼의 단면 메탈로그래피 구조의 사진은 열의 영향을 받은 구역이 60㎛이고, 결정립 크기가 열의 영향을 받은 구역의 초기 결정립 크기보다 10배보다 크게 성장하는 것을 보여주었다.
본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어의 프리 에어 볼의 단면 메탈로그래피 구조의 사진은 열의 영향을 받은 구역이 겨우 대략 15㎛이고, 결정립 크기가 열의 영향을 받은 구역의 초기 결정립 크기의 2배 미만으로 성장하는 것을 보여주었다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어 내의 열에 의해 영향을 받은 구역은 극히 작으며, 결정립 성장이 볼의 접촉 강도를 거의 저하시키지 않았다.
와이어 본딩을 수행하기 위해 본 발명의 예 1의 어닐링 쌍정 구조를 많이 갖는 합금 와이어를 사용하는 공정에 의해 완성된 반도체 장치는 모두 일련의 신뢰도 시험을 통과하였다. 그 결과는 표 1에 나타나 있다. 반도체 장치는 최대 강성 고온/고압 환경 테스트(PCT)에서 128시간을 넘는 조건을 견뎠으며, 128시간은 일반적인 전자 제품의 신뢰도 시험에 요구되는 96시간에 비해 훨씬 긴 시간이다. 반도체 장치는 극한 강성의 초가속 응력 테스트(HAST)에서 128시간이 넘는 조건을 견뎠으며, 128시간은 일반적인 전자 제품의 신뢰도 시험에 요구되는 96시간에 비해 훨씬 긴 시간이다.
시험 항목 시험 조건 결과
1. 사전조건 테스트 베이킹(125+5-0℃. 24시간)
온도 및 습도 시험(30℃, 60%RH, 192시간)
재유동: (260+0/-5℃, 3회)		 통과
2. 고온/고압 환경 테스트; PCT Ta=121℃, 100%RH, 2atm
96시간		 통과
3. 온도 사이클링 테스트; TCT Ta=-65℃~150℃(공기 대 공기 열 충격),
15분/챔버
1000사이클		 통과
4. 온도 및 습도 테스트; THT Ta=85℃, 85%RH, 바이어스 없음
1000시간		 통과
5. 고온 저장 테스트; HTST Ta=150℃
1000시간		 통과
6. 저온 저장 테스트; LTST Ta=-40℃
1000시간		 통과
7. 납땜성 테스트 증기 에이징; 93℃, 8시간
납땜 딥: 245℃, 5초		 통과
8. 초가속 응력 테스트; HAST Ta=148℃, 90%RH, 3.6볼트의 바이어스
96시간		 통과
9. 열 충격 테스트; TST Ta=-65℃~150℃, 5분/챔버
1000사이클		 통과
예 2
은-8wt% 금-3wt% 팔라듐 합금이 고주파 전기 용광법에 의해 용융되고, 이어서 6mm의 와이어 직경을 갖는 두꺼운 와이어를 형성하도록 연속 주조된다. 두꺼운 와이어는 복수의 단계의 와이어 인발 신장 및 어닐링 처리 후에 22.6㎛의 와이어 직경을 가진 미세 와이어가 되고, 이어서 와이어 인발 신장의 마지막에서 두 번째 단계가 수행되어, 20㎛의 와이어 직경을 갖는 미세 와이어가 된다. 다음, 미세 와이어는 650℃에서 10초 동안 어닐링되고, 이어서 최종 단계의 와이어 인발 신장이 수행되어, 17.5㎛의 와이어 직경을 갖는 미세 와이어가 된다. 마지막으로, 최종 단계의 어닐링 처리가 700℃의 어닐링 온도에서 60초 동안 미세 와이어에 수행된다. 최종 어닐링 처리가 완료되면, 미세 와이어는 권취되며, 그리하여 와이어 본딩을 위한 합금 와이어 제품이 완성된다.
예 2에 따른 본 발명의 합금 와이어의 길이방향 단면을 따른 메탈로그래피 구조의 사진은 본 발명의 합금 와이어가 동축 결정립들로 구성되고, 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립들의 양이 본 발명의 합금 와이어의 결정립들의 총 양의 30%를 초과하는 것을 보여주었다.
600℃에서 30분 동안 공기 분위기의 노에서 열처리를 수행한 후의 예 2에 따른 본 발명의 합금 와이어의 길이방향 단면을 따른 메탈로그래피 구조의 사진은 결정립 크기가 열처리 후에 약간만 증가되는 것을 보여주었다.
본 발명은 예시에 의해 그리고 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 본 발명이 이들에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, (통상의 기술자들에 명백한) 다양한 수정 및 유사한 구성을 포괄하는 것이 의도된다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위는 그러한 모든 수정 및 유사한 구성을 포함하도록 가장 넓은 해석을 따라야 한다.

Claims (19)

  1. 은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진 합금 와이어이며,
    면심 입방 격자의 다결정 구조를 구비하고, 복수의 결정립을 포함하며,
    합금 와이어의 중심 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 합금 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성되며,
    어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 합금 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상인 합금 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하고,
    은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하며,
    은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 합금 와이어.
  3. 제1항에 있어서, 합금 와이어의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 합금 와이어.
  4. 제2항에 있어서, 합금 와이어의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 합금 와이어.
  5. 합금 와이어이며,
    은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금 팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어지는 베이스 와이어로서, 면심 페이즈의 다결정 구조를 가지고 복수의 결정립을 포함하며, 베이스 와이어의 중심 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 베이스 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성되며, 결정립의 양은 베이스 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상인, 베이스 와이어와,
    베이스 와이어에 중첩하여 도금된 하나 이상의 금속 코팅 층으로서, 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어지는, 하나 이상의 금속 코팅 층으로 구성된 합금 와이어.
  6. 제5항에 있어서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하고,
    은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하며,
    은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 합금 와이어.
  7. 제5항에 있어서, 합금 와이어의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 합금 와이어.
  8. 제6항에 있어서, 합금 와이어의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 합금 와이어.
  9. 제5항에 있어서, 금속 코팅은 두께가 0.1㎛ 내지 5㎛ 사이인 합금 와이어.
  10. 합금 와이어의 제조 방법이며,
    은-금 합금, 은-팔라듐 합금 및 은-금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어진 두꺼운 와이어를 제공하는 단계와,
    N 단계의 냉간 가공 성형 단계를 사용하여 두꺼운 와이어의 와이어 직경보다 작은 와이어 직경을 갖는 미세 와이어를 형성하도록 두꺼운 와이어의 와이어 직경을 단계적으로 감소시키는 단계로서, (N-1)번째 냉간 가공 성형 단계 및 N번째 냉간 가공 성형 단계 각각에서 변형은 그 직전 선행 냉간 가공 성형 단계로부터의 처리중인 와이어에 비해 1% 내지 15% 사이이고, N은 3이상의 양의 정수인, 와이어 직경을 단계적으로 감소시키는 단계와,
    냉간 가공 성형 단계 각각의 사이 및 N번째 냉간 가공 성형 단계 이후에 각각 처리중인 와이어 상에 N 단계의 어닐링 단계를 수행하는 단계를 포함하고,
    (N-1)번째 냉간 가공 성형 단계와 N번째 냉간 가공 성형 단계 사이의 (N-1)번째 어닐링 단계는 1초와 10초 사이의 어닐링 기간 동안 0.5Tm 내지 0.7Tm 사이의 어닐링 온도에서 수행되고, Tm은 두꺼운 와이어의 재료의 켈빈 온도 스케일에서의 융점이고,
    N번째 냉간 가공 성형 단계 이후의 N번째 어닐링 단계는 2초와 60초 사이의 어닐링 기간 동안 (N-1)번째 어닐링 단계의 어닐링 온도보다 20K와 100K 사이로 더 높은 어닐링 온도에서 수행됨으로써 면심 페이즈의 결정 구조를 가지면서 복수의 결정립을 포함하는 미세 와이어를 형성하고, 미세 와이어의 중심 부분은 주상 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 미세 와이어의 다른 부분은 등축 결정립으로 구성되며, 결정립의 적어도 일부는 어닐링 쌍정을 형성하고, 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립의 양은 미세 와이어의 결정립의 총량의 20% 이상인 합금 와이어 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 냉간 가공 성형 단계는 와이어 인발 단계, 압출 단계 또는 그 조합인 합금 와이어 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 두꺼운 와이어를 제공하는 단계는
    두꺼운 와이어의 재료의 원료를 용융시키고 후속하여 잉곳을 형성하도록 캐스팅하는 단계와,
    잉곳 상에 냉간 가공을 수행하여 두꺼운 와이어를 완성하는 단계를 포함하는 합금 와이어 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서, 두꺼운 와이어를 제공하는 단계는 두꺼운 와이어의 재료의 원료를 용융시키는 단계와, 후속하여 연속 캐스팅 공정에 의해 두꺼운 와이어를 형성하는 단계를 포함하는 합금 와이어 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서, 전기 도금, 증착 또는 스퍼터링을 사용하여 냉간 가공 성형 단계 이전에 두꺼운 와이어의 표면에 중첩하는 금속 코팅을 도금하는 단계를 더 포함하고, 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택되는 합금 와이어 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서, 전기 도금, 증착 또는 스퍼터링을 사용하여 N번째 냉간 가공 성형 단계 이후 두꺼운 와이어의 표면에 중첩하는 금속 코팅을 도금하는 단계를 더 포함하고, 금속 코팅은 실질적 순수 금, 실질적 순수 팔라듐 및 금-팔라듐 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로부터 선택된 재료로 이루어지는 합금 와이어 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서, 은-금 합금은 0.01 내지 30.00 중량%의 금과 잔여부 은을 포함하고,
    은-팔라듐 합금은 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하며,
    은-금-팔라듐 합금은 0.01 내지 30.00 중량%금과, 0.01 내지 10.00 중량% 팔라듐과 잔여부 은을 포함하는 합금 와이어 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서, 두꺼운 와이어의 와이어 직경은 5mm 내지 10mm 사이이고, 미세 와이어의 와이어 직경은 10㎛ 내지 50㎛ 사이인 합금 와이어 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서, 금속 코팅은 두께가 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이인 합금 와이어 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서, 금속 코팅은 두께가 0.1㎛ 내지 5㎛ 사이인 합금 와이어 제조 방법.
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