KR20130141337A - Ａｇ-Ａｕ-Ｐｄ 3원 합금계 본딩 와이어 - Google Patents

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사토시 테시마
타스쿠 고바야시
유키 안토쿠
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타나카 덴시 코오교오 카부시키가이샤
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Abstract

<과제>
고온, 고습도 환경에서 사용되는 반도체용 본딩 와이어에 있어서, 알루미늄 패드와의 접합 신뢰성을 향상시킨다.
<해결 수단>
순도 99.999질량% 이상의 금： 4~10질량%, 순도 99.99질량% 이상의 팔라듐： 2~5질량%, 잔부가 순도 99.999질량% 이상의 은으로 이루어지는 3원 합금계 본딩 와이어로서, 산화성 비귀금속 첨가 원소가 15~70질량ppm 함유되고, 연속 다이스 신선 전에 소둔 열처리가 되고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 되고, 질소 분위기 중에서 볼본딩되는 반도체용 본딩 와이어. Ag-Au-Pd 3원 합금 와이어와 알루미늄 패드의 접합 계면에서 Ag2Al 금속간 화합물층과 와이어 사이의 부식이 Au2Al과 Pd 농화층에 의해 억제된다.

Description

Ａｇ-Ａｕ-Ｐｄ 3원 합금계 본딩 와이어{Ag-Au-Pd Ternary Alloy Bonding Wire}
본 발명은 반도체 장치에 이용되는 IC 칩 전극과 외부 리드(lead) 등의 기판의 접속에 매우 적합한 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어(bonding wire), 특히 차재(車載)용이나 고속 디바이스용의 고온으로 되는 환경하에서 사용되는 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어에 관한 것이다.
종래로부터 반도체 장치의 IC 칩 전극과 외부 리드를 접속하는 금선으로서는 고순도 금에 다른 금속 원소를 미량 함유시킨 순도 99.99질량% 이상의 금선이 신뢰성이 뛰어나다고 하여 다용되고 있다. 이러한 순금선은 일단이 초음파 병용 열압착 본딩법에 의해 IC 칩 전극상의 순알루미늄(Al) 패드(pad)나 알루미늄 합금 패드와 접속되고, 타단이 기판상의 외부 리드 등에 접속되어, 그 후 수지 봉지하여 반도체 장치로 된다. 이러한 순알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 패드는 통상은 진공 증착 등에 의해 형성된다.
한편, Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어로서는, 일본 특허공개 1997­272931호 공보에는 「중량으로 Ag를 10~60%, Mn을 0.005~0.8%, 또한 Cu, Pd, Pt의 적어도 1종을 총계로 0.005~5%, 또한 Ca, Be, La, Ce, Y의 적어도 1종을 총계로 0.0002~0.03%의 범위로 함유하고, 잔부가 금 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 금 합금 세선」이 개시되어 있다.
또, 일본 특허공개 2000­150562호 공보에는 「Ag： 1~50wt.%, Pd： 0.8~5wt.%, Ti： 0.1~2wt.ppm을 함유하고, 또한 Ca, Be, La 중의 1종 또는 2종 이상： 1~50wt.ppm을 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 금 합금으로 이루어지는 반도체 장치의 본딩용 금 합금 세선」이 개시되어 있다. 이들 본딩 와이어는 금선의 대체 와이어로서 개발된 것으로, 고가의 금(Au)의 사용량을 줄이면서 대기 중에서 용융볼(melt ball)의 형성을 의도한 것이다.
그러나, 은(Ag)의 함유량이 60%를 넘은 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어를 대기 중에서 볼본딩(ball bonding)하려고 하면, 용융볼 표면에 산화물이 석출되고, 알루미늄 합금 패드 등에 접속할 수가 없었다. 이 산화물은 귀금속 중에 포함되는 산화성 비귀금속 원소나 원료의 Ag에 포함되는 불가피 불순물에 유래하는 것이고, 상기의 미량 첨가 성분이나 불가피 불순물이 용융볼 표면에 석출되고, 대기 중의 산소와 결합하여 산화물로 된 것이다.
또, 은(Ag)의 함유량이 60%를 넘으면, 본딩 와이어 자체의 강성이 증가하여 단단해지기 때문에, 본딩 와이어 성형 후에 최종 소둔 열처리가 행해지는 것이 일반적이었다. 예를 들어, 일본 특허공개 1991­74851호 공보(후술하는 「특허문헌 1」)에서 「재결정 온도보다도 고온으로 열처리한 Ag­Pd 합금, Au­Ag­Pd 합금 등의 선」이 개시되고, 일본 특허공개 2010­171378호 공보에는 신선(伸線) 가공에 의해 선 직경 0.050mm~0.010mm로 된, 8.00~30.00중량%의 금과, 66.00~90.00중량%의 은과, 0.01~6.00중량%의 팔라듐을 포함하는 금-은-팔라듐 합금선의 표면이 세정되고, 건조 및 어닐(anneal) 처리가 행해지는 합금선의 제조 방법이 개시되어 있다.
그런데, Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어는, 은(Ag)의 함유량이 많아지면 정말 대기 중의 산소를 말려들게 함으로써 표면장력이 작아지기 때문에 용융볼의 볼 형상이 불안정하게 되고, 또한 상술한 산화물이 석출되기 때문에, 초음파에 의한 웨지 본딩(wedge bonding)으로밖에 접속할 수 없었다.
또, 수지 봉지된 반도체 장치가 고온의 지나치게 가혹한 사용 환경에서 고도의 신뢰성이 요구되는 차재용 IC나, 동작 온도가 높아지는 고주파용 IC나 고휘도 LED 등으로 사용되게 되면, 최종 소둔 열처리를 한 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어에서는 고온 특성이 매우 불충분했다. 이러한 것으로부터, Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어는 실용화되어 있지 않은 것이 실정이었다.
일본 특허공개 1991­74851호 공보 일본 특허공개 1997­272931호 공보 일본 특허공개 2000­150562호 공보
본 발명은 수지 봉지된 반도체 장치가 고온, 고습 및 고압하의 지나치게 가혹한 사용 환경하에서 사용되어도, 알루미늄 패드와의 접속 신뢰성을 유지하는 뛰어난 볼본딩용의 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어는 동(Cu)계 본딩 와이어와 같이 산화가 일어나지 않는 것에 주목하여, 질소 분위기 중에서 알루미늄 패드에 볼본딩하여 고온 접속 신뢰성을 조사하였다. 이 질소 분위기는 완전히 밀폐한 질소 분위기로 하지 않아도, 또 질소와 수소의 혼합 가스를 이용하지 않아도, 용융볼 형성시에 질소 가스를 뿜어낸 것만으로 진구도(眞球度)가 높은 프리에어볼(free air ball)(FAB)이 얻어졌다.
또, 본 발명자들은 고순도의 Ag-Au-Pd 3원 합금에 미량의 산화성 비귀금속 원소를 첨가하여 Ag-Au-Pd 3원 합금 중에 미세하게 분산시킴으로써, 신선 중의 소둔 열처리에 의해서도 Ag-Au-Pd 3원 합금의 결정립이 조대화(粗大化)하지 않고 가공 응력(stress)이 제거되는 것만으로, 연속 다이스 신선 후의 본딩 와이어 내에 신선 조직이 남도록 한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어는, 순도 99.999질량% 이상의 은(Ag)과 순도 99.999질량% 이상의 금(Au)과 순도 99.99질량% 이상의 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 3원 합금계 본딩 와이어로서, 금(Au)이 4~10질량%, 팔라듐(Pd)이 2~5질량%, 산화성 비귀금속 원소가 20~100질량ppm 및 잔부가 은(Ag)으로 이루어지고, 당해 본딩 와이어는 연속 다이스 신선 전에 소둔 열처리가 되고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 되고, 질소 분위기 중에서 볼본딩되는 것이다.
(Ag-Au-Pd 3원 합금)
본 발명의 Ag-Au-Pd 3원 합금은 금(Au)이 4~10질량%, 팔라듐(Pd)이 2~5질량% 및 잔부가 은(Ag)으로 이루어지는 완전히 균일 고용(固溶)된 합금이다.
본 발명에 있어서, 은(Ag)을 84질량% 이상의 잔부로 한 것은 순알루미늄(Al) 패드나 알루미늄 합금 패드와 접속할 때에, 대기 중에서 형성되어 있던 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 금속간 화합물이 질소 분위기 중에서는 거의 형성되지 않는 것이 판명되었기 때문이다.
또, 본 발명에 있어서, 금(Au)은 질소 분위기 중에서 금(Au)과 알루미늄(Al)의 금속간 화합물을 형성하지 않고, 또한 제1본딩시에 용융볼을 진원(眞圓) 형상으로 접합하는 효과가 있다. 본 발명에 있어서, 금(Au)을 4~10질량%로 한 것은 10질량%를 넘으면 용융볼의 형성 온도가 너무 높아져 산화성 비귀금속 원소의 산화물이 형성되기 쉬워져서 FAB의 진구도가 얻어지지 않기 때문이고, 4질량% 미만에서는 용융볼이 불안정하게 되어 FAB의 진구도를 확보할 수 없게 되기 때문이다. 금(Au)은 6~9질량%의 범위가 바람직하다.
또, 본 발명에 있어서, 팔라듐(Pd)은 제1본딩시에 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 금속간 화합물의 형성을 저지하는 효과, 및 반도체 소자의 고온 고습 환경하에서의 사용시에 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 금속간 화합물의 열화를 억제하는 효과가 있다.
종래의 Ag 와이어의 경우, 이들의 접합 계면에 금속간 화합물 Ag2Al이 생성된다.
이 Ag2Al과 볼의 계면은 수분을 포함하는 환경하에서는 부식되고, Ag와 Al2O3이 생성된다. 본원 발명의 Ag-Au-Pd＋미량 첨가 원소 α의 경우, Ag2Al과 볼 사이에 Ag2Al과 Pd 농화(濃化)층이 생성되어, Ag2Al의 부식을 억제하는 기능을 한다.
도 1의 모식도에 나타내듯이, Ag 와이어의 경우 접합된 볼과 알루미늄 패드의 계면에서 Ag2Al 금속간 화합물이 형성되고, 수분을 포함하는 환경하에서 부식이 진행된다(동도 (B)).
이에 반해, 본 발명의 Ag-Au-Pd 3원 합금 와이어의 경우, 동도 (A)에 나타내듯이, 동일하게 볼 접합 계면에서는 Ag2Al 금속간 화합물이 형성되지만, Au와 Pd는 상용성이 좋고, 볼측에 Au2Al과 Pd 농화층이 형성되어 Al의 부식이 억제되고, 쉬어(shear) 강도 및 HAST 신뢰성을 현저히 향상시킨다.
팔라듐(Pd)을 2~5질량%로 한 것은, 5질량%를 넘으면 질소 분위기 중에서 형성한 용융볼이 너무 단단해지기 때문이고, 2질량% 미만에서는 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 금속간 화합물의 열화를 억제하는 효과를 확보할 수 없게 되기 때문이다. 팔라듐(Pd)은 3~5질량%의 범위가 바람직하다.
(산화성 비귀금속 첨가 원소)
본 발명에 있어서, 산화성 비귀금속 첨가 원소는 15~70질량ppm이다. 본 발명에서는 은(Ag)의 순도는 99.99질량% 이상이지만, 실질적인 불가피 불순물은 20ppm 정도이다. 그 불가피 불순물도 산화성 비귀금속 첨가 원소와 함께 Ag-Au-Pd 3원 합금 중에 미세하게 분산하고, 핀멈춤(flux pinning) 작용에 의해 Ag-Au-Pd 3원 합금의 결정립의 조대화를 방지하여 그 효과를 발휘한다. 산화성 비귀금속 첨가 원소의 주된 효과는 와이어의 기계적 특성을 향상시키거나 제1본드의 압착볼의 진원성을 향상시키거나 하는 것이다. 산화성 비귀금속 첨가 원소가 최대 70질량ppm 이하이면, Ag-Au-Pd 3원 합금을 대기 중에서 소둔 열처리해도 합금 표면에 두꺼운 산화막을 만들어 합금 표면이 변색하는 일은 없다. 산화성 비귀금속 원소는 20~60질량ppm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20~50질량ppm이다.
산화성 비귀금속 첨가 원소로서는 칼슘(Ca), 희토류 원소(Y, La, Ce, Eu, Gd, Nd 및 Sm), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 주석(Sn), 인듐(In), 비스무트(Bi)가 있다. 바람직하게는 칼슘(Ca) 및 희토류 원소, 특히 란탄(La), 베릴륨(Be)이 좋다.
(소둔 열처리)
본 발명에 있어서의 소둔 열처리는 Ag-Au-Pd 3원 합금의 신선 가공에 의한 가공 응력을 제거하여 크래킹(cracking)을 방지하기 위해서이다. 산화성 비귀금속 원소는 Ag-Au-Pd 3원 합금 내에 미세하게 분산시켜 둘 필요가 있기 때문에, 열처리에 있어서 Ag-Au-Pd 3원 합금의 융점(약 1000℃) 근처까지 온도를 높일 수는 없다. 통상은 500℃에서 2시간, 600℃에서 30분, 700℃에서 10분 정도이다. 소둔 열처리 후에 신선 가공을 함으로써 본딩 와이어에 신선 조직이 형성된다. 이 때문에, 최종의 연속 신선 전에 소둔 열처리를 해 두는 것이 바람직하다. 또, 소둔 열처리를 반복하면, 본딩 와이어의 신선 조직이 치밀하게 된다고 생각되므로, 2회 이상 반복하는 것이 바람직하지만, 생산성이 나빠지므로 2~3회가 바람직하다.
(조질 열처리)
본 발명에 있어서의 조질 열처리는 금선의 경우와 미찬가지로, 관상로에 있어서 온도 및 스피드(speed)를 조정한 후, 인장 파단 시험기로 신장이 4%로 되도록 조정하기 위한 열처리이다. 통상은 500℃에서 2초 정도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 본딩 와이어용 Ag-Au-Pd 합금선은 질소 분위기에서 제1본드를 행하고 있으므로, 용융볼과 순알루미늄(Al) 패드나 알루미늄 합금 패드의 접합성이 양호하고, 압착볼의 진원성을 확보할 수가 있고, 또 고온 고습하의 반도체 장치의 사용에 있어서도 알루미늄(Al)의 금속간 화합물이 제1본드의 접합 계면에서 조대화가 진전되지 않고, 안정한 접합 신뢰성을 확보할 수가 있다. 또한 본 발명의 Ag-Au-Pd 합금으로 이루어지는 본딩 와이어는 기계적 성질이 연질로 되어 있으므로, 리닝(leaning)이나 루프(loop) 높이의 불균일이 없고, 또한 초음파 접합에 의한 제2본드의 접합 강도의 불균일도 적게 된다고 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 Ag-Au-Pd 3원 합금계 와이어와 알루미늄 패드의 접합 계면을 나타내는 모식도 (A), 및 Ag 와이어와 알루미늄 패드의 접합 계면을 나타내는 모식도 (B)이다.
표 1 좌측란에 표시되는 성분 조성을 가지는 Ag-Au-Pd 합금을 용해 주조하고, 10mm 직경으로부터 3mm 직경까지 신선 가공하여 600℃에서 30분간 소둔 열처리를 하고, 다음에 직경 0.1mm까지 신선 가공하여 600℃에서 30분간 소둔 열처리를 하였다. 그 후, 습식으로 최종의 연속 신선을 함으로써 20μm의 선 직경을 가지는 본 발명에 관계되는 본딩 와이어용 Ag-Au-Pd 합금선(이하, 본 발명 와이어라고 한다) 1~27과 본 발명의 조성 범위에 들어가지 않는 비교품의 본딩 와이어용 Ag-Au-Pd 합금선(이하, 비교 와이어라고 한다) 28~36을 제조하였다. 이들 본 발명 와이어 1~27 및 비교 와이어 28~36을 큘리케앤드소파(Kulicke ＆ Soffa)제의 와이어 본더(wire bonder)(상품명： Maxμm　ultra)에 세트(set)하고, 반도체 IC 칩에 탑재된 Al－0.5질량% Cu 합금으로 이루어지는 50μm각(square) Al 합금 패드에, 뿜어내는 질소 분위기하에서 38μm를 목표로 FAB를 제작하고, 가열 온도： 200℃, 루프 길이： 5mm, 루프 높이： 220μm, 압착볼 직경： 48μm, 압착볼 높이： 14μm의 조건으로 본딩을 행하고, FAB 진구도, 진원성의 불균일, 1st 볼 쉬어(shear), HAST 신뢰성에 대해서 평가를 행하였다.
〔FAB 진구도의 평가 방법〕
각각의 합금 조성에 대해, 와이어 본더로 FAB를 100개 제작하고, FAB의 X(와이어와 직각 방향)와 Y(와이어 방향)의 길이를 측정하여, 그 차에 의해 평가하였다. 그들 평가 결과를 표 1 우측란에 나타낸다.
［진원성의 불균일의 평가 방법］
각각의 합금 조성에 대해, 평가용의 IC 칩에 100개 본딩했을 때의 압착볼의 X 방향(초음파 인가와 직각 방향)과 Y 방향(초음파 인가 방향)의 길이를 측정하여, 그 비의 불균일을 평가하였다. 그들 평가 결과를 표 1 우측란에 나타낸다.
［1st 볼 쉬어 평가 방법］
각각의 합금 조성에 대해, 전용의 IC 칩에 와이어 본더로 본딩을 행하고, 100점에 대해서, Dage사제의 제품명 「만능 본드 테스터(BT)(형식 4000)」를 이용하여 1st 압착볼의 쉬어(shear) 강도 평가를 행하였다. 그들 평가 결과를 표 1 우측란에 나타낸다.
［HAST 신뢰성 평가 방법］
각각의 합금 조성에 대해, 전용의 IC 칩(200pin)에 와이어 본더로 본딩을 행하고, 전용의 플라스틱 수지로 봉지하여, 전기 저항 측정용 샘플을 제작하였다. 그 샘플을 고도 가속 수명 시험(HAST) 장치 내에 온도 130℃, 습도 85%, 압력 2.2기압의 조건으로 192시간 방치 후, 전기 저항을 측정하였다. 전기 저항은 케이틀리(KEITHLEY)사제의 제품명 「소스미터(형식 2004)」를 이용하여 전용의 IC 소켓 및 전용으로 구축한 자동 측정 시스템으로 행하였다. 측정 방법은 이른바 직류 4단자법으로 측정하고 있다. 측정용 프로브(probe)로부터 인접하는 외부 리드 사이(IC 칩 상의 패드가 단락한 쌍을 선택)에 일정 전류를 흘려 프로브간의 전압이 측정된다.
전기 저항은 외부 리드 100쌍(200핀)에 대해서, HAST 장치 방치 전과 방치 후에 전기 저항 측정을 행하여 전기 저항의 상승률을 평가하였다. 그들 평가 결과를 표 1 우측란에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1 우측란 중 FAB 진구도는 관찰 결과를 나타내고, ◎는 차가 1μm 이내, ○는 2μm 이내, △는 2μm 초과를 각각 나타낸다.
표 1 우측란 중 진원성의 불균일은 표준편차의 값을 나타내고, ◎는 0.8 미만, ○는 0.8이상 1.0 미만, △는 1.0 이상 1.5 미만, ×는 1.5 이상을 각각 나타낸다.
표 1 우측란 중 1st 볼 쉬어(shear)는 쉬어 하중값을 나타내고, ◎는 15gf 이상, ○는 12gf 이상, △는 10gf 이상, 10gf 미만 혹은 볼 벗겨짐 발생의 경우는 ×를 각각 나타낸다.
표 1 우측란 중 HAST 신뢰성은 HAST 장치 방치 전의 전기 저항값에 대한 방치 후의 전기 저항의 상승률을 나타내고, ◎는 20% 이하, ○는 50% 이하, ×는 50% 초과를 각각 나타낸다.
표 1 우측란에 표시되는 결과로부터 분명한 것 같이, 본 발명 와이어는 용융볼의 진구도가 좋고, 압착볼의 진원성이 좋고, 1st 볼의 접합성이 좋고, HAST 신뢰성이 양호함에 반해, 비교 와이어 25~31은 이들 특성의 적어도 어느 하나는 불량으로 되는 것을 알 수 있다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명의 본딩 와이어는 고온 고습의 용도에 있어서, 저비용이 요구되는 IC 패키지나 Cu 본딩 와이어가 사용되기 어려운 IC 패키지(스택트(stacked) IC, Low-k IC), 혹은 차재(車載)용이나 고휘도 LED용의 반도체의 용도가 있다.

Claims (7)

  1. 순도 99.99질량% 이상의 은(Ag)과 순도 99.999질량% 이상의 금(Au)과 순도 99.99질량% 이상의 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 3원 합금계 본딩 와이어로서, 금(Au)이 4~10질량%, 팔라듐(Pd)이 2~5질량%, 산화성 비귀금속 첨가 원소가 15~70질량ppm 및 잔부가 은(Ag)으로 이루어지고, 당해 본딩 와이어는 연속 다이스 신선 전에 소둔 열처리가 되고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 되고, 질소 분위기 중에서 볼본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금(Au)이 6~9질량% 및 팔라듐(Pd)이 3~5질량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화성 비귀금속 첨가 원소가 칼슘(Ca)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화성 비귀금속 첨가 원소가 희토류 원소인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화성 비귀금속 첨가 원소가 란탄(La)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소둔 열처리가 2회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소둔 열처리의 온도가 상기 조질 열처리의 온도보다도 높은 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어.
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