KR20140071706A - 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는 비용이 저렴하고 우수한 본딩 특성과 신뢰성을 유지할 수 있는 동 합금(Cu alloy) 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 팔라듐(Pd)을 0.2 ~ 2.0질량% 함유하고, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)의 제1첨가 성분 중 선택된 원소들의 함유 총량이 0.0005 ~ 0.05질량% 함유하고, 칼슘(Ca), 주석(Sn), 인(P)의 제 2 첨가 성분 중 선택된 원소들의 함유 총량이 0.0005 ~ 0.01질량% 함유하며, 나머지가 동(Cu)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어이며, 기능 향상을 위해 표면에 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 이러한 합금으로 금속 코팅을 하여 신선 가공으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어이다.

Description

반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어{Cu alloy bonding wire for semiconductor package}
본 발명은 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어로 반도체 소자 상의 전극과 회로 배선 기판의 배선을 접속하기 위해 이용되는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 패키지용 본딩 와이어는 고순도의 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu), 은(Ag)으로 만들어져, 반도체 다이와 섭스트레이트(리드프레임, 인쇄회로기판, 써킷 필름, 써킷 테이프 등)를 연결하는 가느다란 도선을 말한다. 즉, 도전성 와이어는 반도체 다이와 이를 받쳐주는 섭스트레이트 사이를 전기적으로 연결하는 가느다란 도선으로서 반도체 구조 재료 중의 하나이다.
이러한 본딩 와이어는 선 직경이 12 내지 25㎛정도의 세선(본딩와이어)이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합에는 초음파 병용 열압착 방식이 일반적이고, 범용 본딩 장치나, 본딩 와이어를 내부로 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하여, 표면 장력에 의해 볼을 형성시킨 후에, 150 ~ 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합하고, 그 후에, 직접 본딩 와이어를 외부 리드측에 초음파 압착에 의해 웨지 접합시킨다.
이러한 도전성 와이어는 반도체패키지의 종류, 물리적, 기계적 특징 또는 고객의 사양에 따라 다양한 직경 및 금속 소재로 제조될 수 있으며, 높은 화학적 안정성과 전기전도도 때문에 금(Au)을 주로 사용하여 왔다. 그러나 최근 금 가격이 급격히 상승함에 따라서, 금 대체 재료 와이어의 전환이 다양한 반도체 패키지에서 진행되고 있다. 대표적으로 구리와이어를 들 수 있는데, 이는 낮은 본딩 작업성과, 낮은 웨지 본딩(2nd bonding) 강도 및 와이어 표면 산화 문제로 인하여 사용에 제약이 있으며 이를 개선한 Pd-coated Cu Wire(일명:PCW)는 도금 피막층의 불균일 제어로 인한 OB(Off-Centered Bond)불량 및 FAB(Free Air Ball)의 높은 경도로 인하여 Pad 손상(Cratering, Al splash, Peeding)등의 발생 우려가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 표면 코팅되었었던 팔라듐(Pd)을 동 소재와 합금화하고, 표면 산화의 취약점과 와이어 본딩 작업성, 신뢰성을 보완하고자 금(Au)으로 표면에 피복층을 형성하여 고순도 동 본딩 와이어의 취약점인 가혹 사용 환경에서의 신뢰성 문제와 와이어 본딩 작업시의 낮은 작업 효율을 개선하고자 동합금 본딩 와이어의 필요성이 대두되어 동 합금 본딩 와이어가 개발되었다.
또한, 금(Au)에서는 문제가 되는 고온 가열에서의 접합 신뢰성에 대해서는, 구리는 양호한 것이 확인되었으나, 그 이외의 가혹한 사용 환경에서의 신뢰성 등은 충분히 알려져 있지 않아, 실용화를 향한 종합적인 사용 성능, 신뢰성의 확인 및 개선이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 와이어 본딩 시, 1st볼(ball) 및 2nd 와이어(wire)의 높은 접착 강도(Bondability)를 가지며, 고온, 고습 신뢰성(PCT: Pressure Cooker Test)이 높고 비용이 저렴한 동 합금 와이어를 제공하는 것이다.
동 본딩 와이어의 장기 신뢰성에 대해, 많은 신뢰성 평가를 행한바, 가장 많이 이용되는 가열 시험인 건조 분위기에서는 정상인 것에 반해, 고습 가열 평가에 있어서는 불량이 발생하는 것이 확인되었다. 일반적인 고습 가열 평가로서 PCT 시험(Pressure Cooker Test)이 행해진다. 그 중에서도 포화 타입의 PCT 시험이 비교적 엄격한 평가로서 자주 사용되고 있으며, 대표적인 시험 조건은, 온도 121℃, 상대 습도 100%(RH relative Humidity), 2기압에서 행해진다. PCT 시험에 대해, 금 본딩 와이어는 와이어 재료가 원인으로 문제가 되는 경우는 거의 없어, 금 본딩 와이어(Gold bonding wire)의 PCT 시험은 주목되는 일이 없었다. 또한, 개발 단계의 동 본딩 와이어에서는 PCT 시험의 신뢰성이 주목되는 일이 적어, 지금까지는 PCT 실험의 불량은 거의 알려져 있지 않았다.
본 발명에서의 실험에서는, 동 본딩 와이어를 접속한 반도체를 수지 밀봉한 후에, 포화 타입의 PCT 시험을 행하면, 접합 강도의 저하, 전기 저항의 증가 등의 불량이 발생하는 것이 확인되었다. 상기 가열 조건에서의 불량 발생 시간은 100시간 ~ 200 시간 사이였으며, 실용화하는 것에 문제가 대두된다. 동 본딩 와이어에서는 PCT 시험에 대해 보통 금 본딩 와이어보다 높기 때문에, 금 본딩 와이어와 동등한 용도로 상용화되기 위해서는 PCT 시험에서의 수명 향상이 요구된다.
또한, 용도에 따라서는 상기 신뢰성에 더하여, 열사이클에 대한 신뢰성의 향상이 요망되는 경우가 있다. 온도의 승강에 의한 열사이클 시험(TCT : Temperature Cycle Test)에 있어서, 동 본딩 와이어의 불량 발생 빈도가 금 본딩 와이어보다 높은 것이 확인되었다. TCT시험의 조건은, -55℃ ~ 150℃의 범위에서 온도 사이클을 반복한 후에, 전기 저항, 접합 강도 등을 평가한다. 주 불량 개소는 웨지 접합부이다. 그 원인은 수지, 리드 프레임, 실리콘 칩 등의 재료의 열팽창 차가 큼으로써 열변형이 생겨, 본딩 와이어의 웨지 접합부에서의 파단이 일어나기 때문이라고 판단된다. 금 본딩 와이어의 TCT 시험은 통상적으로 반도체 패키징 및 사용 환경에서는 문제가 되는 일은 없고, 주변 부재의 변화, 가혹한 가열 조건 등의 지극히 드문 케이스에서만 TCT 시험에서 불량이 발생할 가능성이 높아진다. 그러나, 동 본딩 와이어에서는, TCT 시험의 불량 발생 빈도가 금 본딩 와이어보다도 높음으로써, 용도가 한정되거나, 다양한 주변 부재에의 적용이 어렵게 되는 경우가 있다. 따라서 보다 우수한 성능의 동 합금 본딩 와이어로서, 열사이클에 대한 신뢰성을 더욱 향상시키는 것도 요구된다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제를 해결하는 동 합금 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 심재는 팔라듐(Pd)을 0.2 내지 2.0질량% 함유하고, 잔량부가 동과 불가피 불순물로 이루어지며, 표면 피복층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 합금으로 이루어진 금속 피복층을 가지는 동 합금 본딩 와이어를 신선 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
청구항 2에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 청구항 1에 있어서 최종 제품의 표면 피복층의 두께가 3 ~ 15nm 인 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 청구항 1에 있어서 상기 동 합금이 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.05질량% 함유하는 것을 특징으로 한다.
청구항 4에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 청구항 1에 있어서 상기 동 합금이 Ca(칼슘), Sn(주석), P(인) 중 적어도 1 종을 총계 0.0005 내지 0.01질량% 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는 금(Au) 본딩 와이어에 비해 단가를 현저히 낮추거나 Pd-coated Cu Wire 또는 은(Ag) 합금 와이어의 이하로 제조 원가를 낮출 수 있다.
뿐만 아니라, 고습 가열에 관한 접합부의 장기 신뢰성이 우수한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어를 제공할 수 있다. 또한, 열사이클에 관한 신뢰성이 우수한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어를 제공할 수 있다. 또한, 볼 변형이 양호하고, 양산성도 우수한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어를 제공하는 것이 가능해진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 반도체 패키지용 동합금 본딩 와이어는 팔라듐(Pd)을 0.2 ~ 2.0질량% 함유하고, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 제1첨가성분이 0.0005 ~ 0.05질량% 함유하고, 칼슘(Ca), 주석(Sn), 인(P)의 제2첨가성분 중 선택적으로 1종 이상의 원소를 0.0005 내지 0.01질량% 함유하며, 나머지가 동(Cu)으로 이루어지며, 표면 피복층이 금(Au), Ag(은), 백금(Pt) 또는 합금층으로 표피층의 두께가 3 ~ 15nm 로 이루어져 있다.
본딩 와이어에 대해, 동을 소재로 하는 동 본딩 와이어의 함유 성분의 영향에 대하여 조사해 본 결과, 구리 중에 팔라듐(Pd)을 특정량 첨가하고, 와이어 표면층을 금(Au)으로 피복함으로써, PCT 시험에 의한 고습 가열 신뢰성이 향상되는 것을 발견하였다. 여러 특허 문헌에는 단지 팔라듐(Pd) 만을 첨가함으로 해서 볼 형성 시에 H2, O2, N2 및 CO 가스의 발생을 억제시킬 수 있다는 점이 제시되어 있다.
그러나 팔라듐(Pd)의 첨가만으로는 동 본딩 와이어 표면의 산화층을 제어하기 힘들고, 와이어 본딩 작업 시 웨지 본딩 부분의 접합 강도를 상승시킬 수 없기 때문에 문제 해결의 한계를 보여주고 있다. 본 발명에서는 심재에 팔라듐(Pd)을 함유하면서, 표면을 금(Au)으로 피복함으로써 고습 가열 신뢰성이 향상되며, 본딩 작업성이 우수해 진다는 것을 발견하였다.
또한, 팔라듐(Pd)에 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)을 특정량 첨가함으로써, 볼 변형 형성이 개선이 되는 것, 혹은 팔라듐(Pd)에 추가적으로 칼슘(Ca), 주석(Sn), 인(P)을 특정량 첨가함으로써, TCT 시험에 의한 열사이클 신뢰성의 향상에 유효한 것이 발견되었다.
본 발명의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 팔라듐(Pd)을 0.2 내지 2.0질량%의 농도 범위에서 함유하고, 표면에 금(Au)으로 피복층을 3 ~ 15nm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어이며, 상기의 농도 범위와 두께 범위에서 PCT 실험에 의한 고습 가열 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, 팔라듐(Pd) 농도를 상기 범위에서 함유하고, 표면층을 금(Au)으로 피복 함으로써 종래의 동 본딩 와이어에 대하여 2 배 내지 3 배로까지 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 금 본딩 와이어와 동등한 용도로 동 본딩 와이어를 이용하는 것이 가능해진다. 즉, 동 본딩 와이어의 용도를 더욱 확대할 수 있다.
종래의 동 본딩 와이어가 접속된 반도체의 PCT 시험에 있어서의 불량 형태는, 동 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합부에 있어서의 강도 저하와 전기 저항 증가였다. 이 불량의 메커니즘은 Cu/Al 접합 계면(동 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합 계면)에서의 부식 반응이 주된 원인인 것을, 본 발명자들은 명확하게 규명하였다. 즉, 이 주된 원인은, PCT 시험 중에 접합 계면에 성장하는 Cu-Al계의 금속간 화합물이, 밀봉 수지에 포함되는 가스 성분 또는 이온 등과 부식 반응을 일으키는 것이다. 본 발명의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 동 본딩 와이어 중에 팔라듐(Pd)을 상기의 농도 범위에서 함유시키고, 표면을 금(Au)으로 피복함으로써, 팔라듐(Pd)이 접합 계면까지 확산 되어, Cu와 Al의 상호 확산에 영향을 미침으로써, 부식 반응 속도를 늦춘다고 판단된다. 접합 계면에서의 Pd의 역할은, 부식 반응물의 이동을 저해시키는 배리어 기능, Cu/Al의 상호 확산 및 금속간 화합물의 성장 거동 등을 제어하는 기능 등으로 판단된다.
팔라듐(Pd) 농도가 0.2 내지 2.0질량%의 범위이며, 와이어 표면에 금(Au)으로 3 ~ 15nm 피복층을 형성하면, 접합 계면에서 Cu, Al의 상호 확산을 제어하는 효과가 얻어지며, 높은 본딩 작업 신뢰성으로 인해, PCT 시험에서의 접합부의 수명이 200 시간 이상까지 향상된다. 여기에서의 접합부의 평가로서는, PCT 시험 후에 수지를 개봉(Decap)하고, 그 후에 와이어 당김 테스트에 의해 접합부의 파단 형태를 평가한다. 여기서, 팔라듐(Pd) 농도가 0.2질량% 미만이면, 상기의 PCT 신뢰성 평가의 개선 효과가 작아 불충분하다. 또한, 2.0질량% 초과로 팔라듐(Pd)을 포함하게 되면, 와이어 강도 상승에 의한 본딩 작업성이 저하되게 되어 Al 패드 손상이 발생하게 되고, 와이어의 전기 저항의 증가를 가져 오는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 팔라듐(Pd) 원소의 첨가만으로 동 본딩 와이어를 제작하게 되면 표면 산화층 두께 제어가 불균일하게 되어, 와이어 표면 산화층에 의한 불량을 제어하기가 어렵고, 이로 인한 본딩 작업 불량이 증가하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 동 합금 와이어의 표면에 산화층 형성을 제어할 수 있도록 금(Au) 피복층을 형성하여 주면, 와이어 표면의 산화구리 형성으로 인해 유발되는 PCT 가열 후의 접합 강도 등의 저하 문제를 해결할 수가 있다. 와이어 표면에 형성된 금(Au) 피복층의 두께가 3nm 미만이면, 산화층 형성 억제의 효과를 볼 수 없으며, 피복층의 두께가 15nm를 초과하게 되면 볼 변형 형상이 불량해져 본딩 시 작업성이 좋지 않게 된다.
또한, 이러한 표면 피복층의 형성은 양호한 웨지 접합성을 확보할 수 있게 되어 웨지 본딩 부분의 접합 강도를 상승시키는 효과가 있다.
와이어를 용융시켜 형성한 볼의 내부에 팔라듐(Pd)이 표피층의 금(Au)과 균질하게 고용됨으로써, PCT 신뢰성을 양산 수준에서 매우 안정적으로 향상시키는 효과가 얻어진다. 형성된 볼 내부의 팔라듐(Pd)의 역할은 볼 내부의 부식성 이온의 확산을 지연시키거나, 접합 계면의 밀착성 향상에 의한 부식성 가스의 이동을 저해시키는 것, 또한 볼 내부로부터 접합 계면까지 확산하는 팔라듐(Pd)의 공급원으로서 작용하는 것 등일 수 있다. 또한, 피복층의 금(Au)도 볼 형성 시 같이 용융이 되어 볼 변형 형상의 개선과 접합 계면의 밀착성 향상을 유발하게 되어 접합 강도를 상승시켜 내부식성을 향상시키는 효과를 발휘하게 된다. 상기한 양산 수준의 PCT 신뢰성 향상이라 함은, 고밀도 실장에 있어서, 1칩당 500 내지 2000핀 등의 다핀계 뿐 아니라, 적층으로 작업된 기판에서 1핀이라도 접합부에서 불량을 일으키지 않는 안정된 관리이거나, 혹은 압착 볼 직경이 40㎛이하의 작은 접합부의 계면에 있어서의 수㎛범위에서까지도 부식을 억제하는 엄격한 제어 등을 가능하게 하는 관리에 상당하다. 이러한 고도의 신뢰성 향상에도, 볼 내부에 팔라듐(Pd)과 금(Au)이 고용되어 있는 것이 유효하다.
와이어 표면에 형성된 금(Au) 표피층의 두께 측정에 대해서는, 표면 분석에 적합한 오제 분광 분석이 유효하고, 표면의 랜덤 한 위치의 최저 3 포인트 이상에서 측정한 두께의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 산소 농도라 함은, 동(Cu), 산소(O), 금속 원소를 총계한 농도에 대한 산소(O) 농도의 비율을 사용한다. 와이어 표면의 대표적인 오염인 유기물은 제외하기 때문에, 상기한 농도 계산에서는 탄소(C)량은 포함되지 않는다. 산화구리의 막 두께의 절대치를 고정밀도로 구하는 것이 곤란하기 때문에, 오제 분광법에서 일반적으로 사용되는 SiO2 환산값을 사용해 산화구리 막 두께를 산출하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서는, 산소 농도가 30질량% 산화구리와 금속구리의 경계로 한다. 주된 산화구리 Cu2O, CuO가 알려져 있지만, 팔라듐(Pd)을 함유하는 동 합금의 표면에는 저온(25 ~ 500℃)에서는 Cu2O가 우선적으로 형성되는 경우가 많기 때문에, 산소 농도를 30질량%를 경계로 한다.
동 소재에 팔라듐(Pd)을 0.2 ~ 2.0질량% 농도 범위에서 함유하고, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 중 적어도 1 종을 총계 0.0005 ~ 0.05질량%로 함유함으로써, 볼 형상을 진원화시킬 수 있는 효과가 있다. 웨지 접합 후의 컷팅 후 남은 형상이 안정화가 되어 이 테일 컷팅 후 형성하는 볼 형상이 안정되게 진원화되는 것으로 알려져 있다. 이 효과는 선경이 얇아지는 20㎛이하의 제품에서 더욱 두드러지게 나타난다.
동 소재에 팔라듐(Pd)을 0.2 ~ 2.0질량% 농도 범위에서 함유하고, 칼슘(Ca), 주석(Sn), 인(P) 중 적어도 1종을 총계 0.0005 ~ 0.01질량%로 함유함으로써, TCT 시험 등의 열사이클 평가에 있어서의 웨지 접합부의 불량 발생을 저감시키는 효과가 얻어진다. 이는 와이어 가공 경화를 저감시켜, 웨지 접합의 와이어 변형을 촉진시키는 작용을 높일 수 있다. 또한, 이 원소들은 TCT 시험 중의 열변형에 의해 동 합금 본딩 와이어가 신축되어도, 웨지 접합된 반도체용 동 합금 본딩 와이어에 마이크로 크랙 등의 손상을 억제시키는 효과도 기대할 수 있다.
본 발명의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어의 제조 방법의 개요에 대해 설명한다.
동 소재의 순도가 5N(99.999질량%) 이상의 고순도 구리를 사용하여, 첨가 원소를 필요한 농도로 함유한 동 합금을 연속 용해 주조 공정을 거쳐 제작한다. 합금화하는 방법은 원소 분포의 균일화를 위해 첨가 원소를 고농도의 모합금으로 제조하여 사용한다. 용해 주조는 고진공 용해로를 이용하여 1100℃ 이상으로 가열하여 녹인 후, 냉각수가 흐르는 쿨링 자켓을 연속적으로 통과하여 고체화시켜 직경이 7 ~ 9mm 형태의 와이어 상으로 제작한다. 그 후에 표면 세정을 위해 산세정 및 수세하여, 건조시킨다. 첨가한 원소의 농도 분석에는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석을 시행하여 분석한다.
다음 공정으로는 태선 공정을 적용하여 직경 1mm가 될 때까지 단독 신선기 (1 Dies Pass)를 이용하여 신선하여 준다. 신선 공정 중 일정 가공량에 도달하기 전 가공중 발생할 수 있는 결함을 줄여주기 위해 열처리를 실시해 준다. 그 후 천연 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용하여 선경이 약 60 ~ 100㎛가 될 때까지 가공한다. 그 후 세정, 도금, 건조 공정이 일체화되어 있는 전해 도금 장비를 이용하여 금(Au) 도금을 실시하여 준다. 와이어 표면에 피복층이 형성된 와이어는 연속 신선 장치를 사용하여 최종 선경이 될 때까지 제작한다. 마무리 단계로 열처리를 실시하여 주어 금(Au) 본딩 와이어에 비해 매우 강할 수 있는 물성을 소프트(Soft)하게 조절하여 준다.
이하, 실시예에 대해 설명한다.
[ 실시예 ]
구체적인 제조 공정을 서술한다. 구리 순도가 5N(99.999질량%)이상의 고순도 구리를 사용하고, 필요한 함유 성분을 첨가시켜, 고 진공 용해로를 이용하여 1100℃ 이상의 온도에서 용해 연속 주조한다. 그 후 냉각 자켓을 통과시키며 고체화하여 직경 7 ~ 9mm형태의 와이어로 제작한다. 그 후 표면의 세정을 위해 산세정 및 수세하여 건조시킨다. 동 합금 중의 미량 원소의 분석은 ICP 장치를 사용하였다.
굵은 직경의 동 합금 와이어는 태선 작업(단독 신선, 1 Dies Pass)을 통해 직경 1mm까지 신선한다. 이때의 선속은 50 ~ 150m/min를 적용하여 가공하였다. 이 후 가공 공정 중 발생된 결함을 최소화해 주기 위해 열처리를 실시해 주었다. 열처리 방법은 30cm이상의 균열대를 갖는 연속 열처리로를 사용하여, 200 ~ 800℃온도로 설정된 노 중을, 속도는 50 ~ 500m/min의 범위에서 와이어를 연속적으로 이동시키면서 열처리를 실시하였다. 이때는 산화 방지를 위해 노 내에 연속적으로 불활성 가스(사용 가스는 순도 5N의 질소 가스이다)를 유량 3 ~ 5 L/분의 범위에서 흘려 주면서 작업했다. 이 후 여러 다이스를 복수개 셋트로 구성하여 신선하는 연속 신선 장치를 이용하여 선속 150 ~ 350m/min 직경 60 ~ 100㎛까지 제작하였다. 와이어 표면 피복층을 형성하기 위해서는 습식의 전해 도금을 이용하였고, 도금액은 EEJA 제 시안계 금 도금액 제품을 사용하였으며, 도금액 온도는 50℃로 유지하며 시행하였다. 이 후 다시 연속 열처리로를 이용하여 온도는 200 ~ 600℃, 선속은 100 ~ 500m/min으로 열처리를 하여 주었고, 그 다음으로 최종 선경까지 연속 신선 장치를 이용하여 제작하였다. 이때 적용 선속은 200 ~ 500m/min이다. 그 후 마지막으로 연속 열처리로를 이용한 최종 열처리를 시행하여 주었고, 온도는 400 ~ 700℃, 속도는 100 ~ 250m/min, 분위기 가스를 투입하면서 와이어의 최종 특성을 결정하였다.
와이어 표면의 금(Au) 피복층의 두께는 도금 후의 지름값에서 도금 전의 지름값을 뺀 이론 계산식을 이용하였고, 이를 위한 검증의 방법으로 ICP 분석을 실시하여 무게 질량의 금(Au) 값을 얻었으며, 최종 검증을 위해 오제 분광 분석에 의한 깊이 분석을 행하여, 와이어 표면의 랜덤한 위치의 최저 3군데 이상에서 측정한 두께의 평균값을 사용하였다. Ar이온으로 스퍼터(식각)하면서 깊이 방향으로 측정하고, 깊이의 단위는 SiO2 환산으로 표시하였다. 산소 농도는 30질량% 부분을 경계로 하였고, 표면 피복층은 50질량% 영역까지의 값을 경계로 하여 측정하였다.
상술한 바와 같이 하여, 각 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어를 제작하여 표 1과 표 2에 나타냈다.
Figure pat00001
Figure pat00002
반도체 패키지용 동 합금 와이어의 와이어 본딩은 KNS 사의 iConn 장비를 사용하여, 볼/웨지 접합을 행하였다. 볼 접합에서는, 와이어 선단에 아크 방전에 의해 볼부를 형성하였고, 본딩와이어의 볼부를 전극막에 초음파 병용의 열압착에 의해 접합하였다. 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어에서는 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단에 불활성 가스를 흘린 상태에서 볼을 형성하였다. 불활성 가스는 N2+5%H2가스를 사용하였다.
접합 상대는, 실리콘 기판상의 전극막의 재료인, 약 0.8 내지 2㎛두께의 Al 합금막(Al-1%-0.5%Cu)을 사용하였다. 웨지 접합의 상대로는 표면에 Ag도금(두께 : 2 ~ 4㎛)이 실시된 리드 프레임을 사용하였다. 또한 표면에 Au도금/Ni도금/Cu배선이 형성되어 있는 글래스 에폭시 수지 기판을 사용해도, 실시예와 비교예의 차는 확인되었다.
제작한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어에 관하여, 이하의 신뢰성의 평가 시험을 행하였다. 선 직경은 20㎛를 사용하였다. 압착볼의 경은 35㎛, 접합 온도는 175℃, 접합 상대의 재질은 Al-0.5%Cu, 막 두께는 1㎛로 하였다. 본딩 접속된 시료의 수지 밀봉에 사용하는 밀봉 수지는, Br(브롬) 등의 할로겐 원소를 함유하지 않는 그린계의 범용 밀봉 수지를 사용하였다. 밀봉 수지에 함유되는 대표적인 불순물인 염소의 분석 농도는 3 내지 8ppm이다.
PCT 시험(Pressure Cooker Test)은, 미리 50개의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어를 접속시킨 시료를, 포화형의 조건인 온도 121℃, 상대 습도 100%, 2기압의 고온 고습 환경에서 200, 500 시간 가열하였다. 그 후에, 상기 접속된 50개의 반도체 패키지용 동 합금 와이어의 전기 특성을 평가하였다. 전기 저항이 초기의 3배 이상으로 상승된 반도체용 동 합금 본딩 와이어의 비율이 30% 이상(50개 중에 대한 비율, 이하 같음)인 경우에는, 접합 불량 때문에 표 1의 「PCT 신뢰성」란의 「200」, 「500」의 각각의 란에 X표로 표기하였다. 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 반도체용 동 합금 본딩 와이어의 비율이 5% 이상 30% 미만의 범위인 경우에는, 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용가능하기 때문에 표 1의 「PCT 신뢰성」란의 「200」, 「500」의 각각의 란에 △표로 표기하였다. 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 반도체용 동 합금본딩 와이어의 비율이 5%미만이고, 또한 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 반도체용 동 합금 본딩 와이어의 비율이 5% 이상 30% 미만인 경우에는, 실용상은 문제가 없기 때문에 표 1의 「PCT 신뢰성」란의 「200」, 「500」의 각각의 란에 ○표로 표기하였다. 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 5% 미만인 경우에는 양호하기 때문에 표 1의 「PCT 신뢰성」란의 「200」, 「500」의 각각의 란에 ◎표로 표기하였다.
PCT 시험에서 200, 500시간 가열한 후에, 100개의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어의 볼 접합부의 전단 강도를 평가하였다. 가열 전의 초기의 전단 강도의 평균값에 대해 PCT 시험의 후의 전단 강도의 평균값의 비율에 대해, 40% 미만인 경우에는 신뢰성 불량 때문에 X표로, 40% 이상 60% 미만의 범위인 경우에는 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용가능하기 때문에 △표로, 60% 이상 80% 미만인 경우에는, 실용상은 문제가 없기 때문에 ○표로, 80% 이상인 경우에는, PCT 신뢰성이 양호하기 때문에 ◎표로 표 1의 「PCT 신뢰성 평가」의 「200시간」, 「500 시간」의 각각의 「전단 강도」란에 표기하였다.
TCT 시험은, 시판의 TCT 시험 장치를 사용하였다. 미리 500개의 반도체 패키지용 구리 합금 본딩 와이어를 접속한 시료를, 가혹한 온도 이력의 조건(-55℃/30분 내지 155℃/30분)의 시험에 제공하고, 그 시험 후에, 상기 접속된 반도체 패키지용 구리 합금 본딩 와이어의 500개에 대해 전기적 측정을 행하여, 전기적 도통을 평가하였다. 불량률이 제로인 경우에는, 신뢰성이 높기 때문에 ◎표로, 불량률이 2％ 미만이면 실용상에 큰 문제는 없다고 판단해 ○표로, 불량률이 2 내지 5％의 범위이면 △표로, 불량률이 5％초과이면 개선이 필요하기 때문에 ×표로 표 2 중의 「TCT 신뢰성」란에 표기하였다.
상기 신뢰성의 평가에 더하여, 하기의 와이어 성능 평가 시험을 행하였다.
압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼을 400개 관찰해, 형상의 진원성, 이상 변형 불량, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 선 직경은 20㎛의 와이어를 사용하였다. 진원으로부터 벗어난 이방성이나 꽃잎 형상 등의 불량 볼 형상이 10개 이상이면 불량으로 판정해 ×표로 표 2의 「볼 접합 형상」란에 표기하였다. 또한, 이방성이나 꽃잎 형상 등의 불량 볼 형상이 1 내지 9개 있는 경우에는 둘로 분류해, 현저한 편심 등의 이상 변형이 1개 이상 발생하고 있으면 양산에서의 개선이 바람직하기 때문에 △표로, 이상 변형이 발생하지 않고 있으면 사용 가능한 것이기 때문에 ○표로, 불량 볼 형상이 0개이면 양호하기 때문에 ◎표로 표 2의 「볼 접 합 형상」란에 표기하였다.
본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해, 와이어 간격(스판)이 4㎜의 롱 스판과, 2mm의 범용 스판으로 루프를 500개 제작하였다. 루프를 투영기에 의해 관찰하여, 반도체 패키지용 구리 합금 본딩 와이어의 루프 높이의 편차, 와이어 굽힘 등을 평가하였다. 여기에서는 선 직경이 20㎛의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어를 사용하였다. 와이어 길이가 긴 4㎜에서 사다리꼴 루프의 형성은, 칩 단부에의 접촉을 회피하기 위해, 보다 엄격한 루프 제어가 필요해진다. 표 2 중의 「루프 제어 높이 안정성」의 란에서는, 와이어 길이 2㎜에서, 직선성, 루프 높이 등의 불량이 5개 이상 있는 경우에는, 문제 있음이라고 판단해 ×표로 나타내고, 와이어 길이 2㎜에서 불량이 2 내지 4개 있고, 또한 와이어 길이 4㎜에서 불량이 5개 이상인 경우에는, 개선이 필요라고 판단해 △표로 나타내고, 와이어 길이 2㎜에서 불량이 1개 이하, 또한 와이어 길이 4㎜에서 불량이 2 내지 4개인 경우에는, 루프 형상은 비교적 양호하기 때문에 ○표로 나타내고, 와이어 길이 4㎜에서 불량이 1개 이하인 경우에는 루프 형상은 안정적이라 판단해 ◎표로 나타냈다.
표 1, 2에 있어서, 청구항 1에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는 실시예 1 ~ 30이고, 청구항 2에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는 실시예 1 ~ 30이고, 청구항 3에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는 실시예 6 ~ 30이고, 청구항 4에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는 실시예 6 ~ 20, 23, 26 ~ 30에 상당하다. 또한, 비교예 1 ~ 5는, 청구항 1, 청구항 2, 청구항 3, 청구항 4를 충족시키지 않는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어의 경우에 상당하다.
실시예 1 내지 30의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 청구항 1에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩와이어에 상당하고, 팔라듐(Pd)을 0.2 ~ 2.0질량％ 함유함으로써, 가열 시간 200시간에서의 PCT 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다. 한편, 비교예 1 내지 5에서는, Pd를 0.2 ~ 2.0질량％ 함유하는 조건을 충족시키지 않고, 200시간의 단시간 가열로도 PCT 신뢰성이 저하되어 있는 것이 확인되었다.
실시예 1 내지 30의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 청구항 2에 관한 반도체 패키지용 동합금 본딩 와이어에 상당하고, 금(Au)의 표면 피복층을 3 ~ 15nm 두께로 피복함으로써, 와이어 본딩 작업성 향상 및 PCT 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다.
실시예 6 ~ 30의 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 청구항 3에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어에 상당하고, 팔라듐(Pd)을 0.2 내지 2.0질량％ 함유하고, 금(Ag), 은(Au), 백금(Pt) 중 적어도 1종을 총계 0.0005 ~ 0.05질량％ 함유함으로써, 루프높이의 안정성, 웨지 접합성이 양호한 것이 확인되었다.
실시예 6 ~ 20, 23, 26 ~ 30의 반도체 패키지용 구리 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 청구항 4에 관한 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어에 상당하고, Pd를 0.2 ~ 2.0질량％의 범위에서 함유하고, 칼슘(Ca), 주석(Sn), 인(P) 중 적어도 1종을 함유하고, 상기 총계가 0.0005 내지 0.01질량％로, 선 직경 20㎛에서의 TCT 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다.

Claims (4)

  1. 심재는 팔라듐(Pd)을 0.2 내지 2.0질량% 함유하고, 잔량부가 동과 불가피 불순물로 이루어지며, 표면 피복층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 합금으로 이루어진 금속 피복층을 가지는 동 합금 와이어를 신선 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어.
  2. 제 1항에 있어서,
    최종 제품의 표면 피복층의 두께가 3 ~ 15nm 인 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 동 합금이 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.05질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 동 합금이 Ca(칼슘), Sn(주석), P(인) 중 적어도 1 종을 총계 0.0005 내지 0.01질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 동 합금 본딩 와이어.
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