KR20150032900A - 본딩용 와이어 - Google Patents

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다츠다 덴센 가부시키가이샤
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Abstract

금본딩 와이어보다 저렴하고 안정적으로 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합에 의한 접속이 가능한 은본딩용 와이어로 한다. Ag를 주성분으로 하고, Au의 첨가량을 0.9 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Pd의 첨가량을 0.1 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 3.0 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 3.0 질량% 이하, Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 20 질량ppm 이상, 500 질량ppm 이하, Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 1000 질량ppm 이상 10000 질량ppm 이하의 와이어(W)이다. 그 와이어(W)의 0.2% 내력과 와이어(W)의 인장 강도의 비가 90% 이상, 와이어(W)의 고유 저항은 3.0 μΩㆍcm 이하이다.

Description

본딩용 와이어{BONDING WIRE}
본 발명은, 파워 IC, LSI, 트랜지스터, BGA(Ball Grid Array package), QFN(Quad Flat Non lead package), LED(발광 다이오드) 등의 반도체 패키지에서의 반도체 소자 상의 전극끼리, 또는 전극과 리드 프레임, 세라믹 기판, 프린트 기판 등의 회로 배선 기판의 도체 배선을 볼 본딩법 및 스터드 범프법의 조합에 의해 접속하기 위한 본딩용 와이어에 관한 것이다.
상기 BGA 등의 반도체 패키지는, 예컨대 도 1에 나타낸 바와 같이, 배선판(1) 상에 땜납 볼(2)을 통해 패키지 기판(3)을 설치하고, 또한, 그 패키지 기판(3)에 다이본딩재(4)를 통해 반도체 소자(칩)(5)를 설치하고, 그 반도체 소자(5)를 밀봉재(6)에 의해 밀봉한 구조이다. 이 반도체 패키지에서의 반도체 소자(5)의 전극(a)과 패키지 기판(3)의 도체 배선(단자)(c)의 전기 접속에서는 통상은 볼 본딩법이 이용된다.
그러나, 전극(a)끼리 접속할 필요가 있는 경우, 전극(a)에 직접 스티치 본드하면 전극(a)이 파괴될 우려가 있기 때문에, 한쪽의 전극(a) 상에 스터드 범프를 설치하고, 다른 쪽의 전극(a)에 1st 접합의 후 스터드 범프가 설치된 전극(a) 상에 스티치 본드를 행한다.
또한, 전극(a)과 패키지 기판(3)의 도체 배선(단자)(c)의 전기 접속에서는, 볼 본딩법에 의해 접합이 행해진 후, 접합 신뢰성을 높이기 위해 스티치 본드부의 위에 스터드 범프를 설치하는 것이 행해진다(시큐리티 본드).
또한, 반도체 패키지의 저배화를 위해, 패키지 기판(3)의 도체 배선(단자)(c)에 1st 본드를 형성하고, 전극(a)에 스티치 본드를 행하는 것도 있지만, 그 경우, 사전에 전극(a)에 스터드 범프를 형성해 두고 그 위에 스티치 본드를 행한다(역본드).
이와 같이, 반도체 패키지에서의 반도체 소자(5)의 전극(a)과 패키지 기판(3)의 도체 배선(단자)(c)의 전기 접속에서는 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합으로 접합이 행해지는 경우가 있다.
또한, 상기 반도체 소자의 하나인 LED의 패키지에 있어서는, 예컨대 도 2에 나타낸 바와 같이, 케이스 히트 싱크(11)에 다이본딩재(12)를 통해 LED(15)를 설치하고, 형광체(e)를 혼합한 밀봉재(14)에 의해 LED(15)를 밀봉한 구조이다. 이 패키지에서의 LED(15)의 전극(a)과 회로 배선 기판을 이루는 케이스 전극(13)의 도체 배선(단자)(c)의 전기 접속은, BGA 등의 반도체 패키지와 마찬가지로 상기 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합에 의해 행해진다. 도면 중 16은 수지제 케이스 보디이다.
상기 스터드 범프법에서의 스터드 범프는, 예컨대 도 3의 (a)∼(f)에 나타낸 바와 같이 하여 형성된다. 즉, 와이어(W)가 캐필러리(10a)에 삽입 관통되어 그 선단에 볼(FAB : Free Air Bal1)(b)이 형성된 상태로부터, 클램프(10b)가 개방되어 캐필러리(10a)가 집적 회로 소자 상의 전극(a)을 향해 강하한다. 이 때, 볼(FAB)(b)은 캐필러리(10a) 내에 포착된다.
타겟인 전극(a)에 용융 볼(b)이 접촉하면(캐필러리(10a)가 전극(a)에 이르면) 캐필러리(10a)가 용융 볼(b)을 그립하여 용융 볼(b)에 열ㆍ하중ㆍ초음파를 부여하고, 그것에 의해 용융 볼(b)이 압착되어(압착 볼(b')이 되어) 전극(a)과 고상 접합된 후(도 3의 (b), 클램프(10b)가 개방되어 약간 캐필러리(10a)가 상승한다. 그 후, 클램프(10b)가 폐쇄되고, 여러 가지 캐필러리(10a)의 동작에 의해 와이어(W)가 압착 볼(b')로부터 절단된다(도 3의 (c)∼(f)). 이와 같이 하여 생긴 압착 볼(b')을 스터드 범프라고 한다.
이 스터드 범프(b')를 볼 본딩법에 조합한 접속 방법은, 예컨대 역본드에서는, 도 3의 (a)∼(f)에 나타내는 양태를 거친 후, 도 3의 (g)에 나타낸 바와 같이, 캐필러리(10a)는 일정 높이까지 상승한 후, 그 캐필러리(10a)의 선단에 확보된 와이어(W)의 선단 부분에 방전 막대(g)로 고전압을 가하여 방전하고(스파크하고), 그 열로 와이어(W)를 녹이고, 이 녹은 와이어 소재는 표면 장력에 의해 구형에 가까운 용융 볼(b)이 되어 굳어진다(도 3의 (g)).
이어서, 도 3의 (h)에 나타낸 바와 같이, 이 용융 볼(b)을 그립한 캐필러리(10a)는 도체 배선(c)의 바로 위까지 이동한 후, 도체 배선(c)을 향하여 강하하여 압박된다(도 3의 (i)). 이와 동시에, 그 압박 부위에 열ㆍ하중ㆍ초음파를 부여하고, 그것에 의해 용융 볼(b)이 압착되어(압착 볼(b')이 되어) 도체 배선(c)과 고상 접합된 후, 클램프(10b)가 개방되어 상승하면서 전극(a) 위를 향해서 이동한다(도 3의 (j)∼(k)). 이 때, 안정된 루프를 형성하기 위해, 캐필러리(10a)를 특수하게 움직이게 하여 와이어(W)에 습관성을 부여하는 동작을 하는 경우가 있다(도 3의 (k)의 쇄선으로부터 실선 참조).
전극(a) 상에 형성된 스터드 범프(b')의 바로 위에 이른 캐필러리(10a)는, 스터드 범프(b')를 향하여 강하하고, 와이어(W)를 스터드 범프(2nd 타겟)(b')에 압박한다. 이와 동시에, 그 압박 부위에 열ㆍ하중ㆍ초음파를 부여하고, 그것에 의해 와이어(W)를 변형시켜, 와이어(W)를 스터드 범프(b')에 접합시키기 위한 스티치 본드와, 다음 단계에서 테일을 확보하는 테일 본드를 형성한다(2nd 접합, 도 3의 (l)∼(m)).
그 양 본드를 형성한 후, 캐필러리(10a)는 와이어(W)를 남긴 채 상승하고, 캐필러리(10a)의 선단에 일정한 길이의 테일을 확보한 후 클램프(10b)를 폐쇄하고(와이어(W)를 잡고), 테일 본드의 부분으로부터 와이어(W)를 당겨서 찢는다(도 3의 (m)∼(n)).
캐필러리(10a)는, 필요한 높이까지 상승하면 정지하고, 그 캐필러리(10a)의 선단에 확보된 와이어(W)의 선단 부분에, 방전 막대(g)로 고전압을 가하여 방전하고(스파크하고), 그 열로 와이어(W)를 녹이고, 이 녹인 와이어 소재는 표면 장력에 의해 구형에 가까운 용융 볼(b)이 되어 굳어진다(도 3의 (o)).
이상의 작용으로 1 사이클이 종료하고, 이후 동일한 작용에 의해, 전극(a)과 도체 배선(c)의 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합에 의한 접속이 이루어진다.
이상의 사이클은, 스터드 범프법-볼 본딩법의 경우이며, 스터드 범프(b')를 형성한 후에 볼 본딩을 행하지만, 볼 본딩법-스터드 범프법의 경우(시큐리티 본드를 하는 경우)는 1 사이클 중의 순서가 상이하여, 도 3에 있어서, 스터드 범프(b')의 형성이 뒤가 된다. 즉, 도 3의 (h)∼(o)의 조작이 도 4의 (a)∼(h)에 나타낸 바와 같이 전극(a)에 대하여 먼저 행해진 후, 도 3의 (a)∼(g)의 조작이 도 4의 (i)∼(o)에 나타낸 바와 같이 스티치 본드된 도체 배선(c)에 대하여 행해진다.
이 볼 본딩법과 스터드 범프법을 조합하여 접합하는 본딩선(와이어)(W)의 재질로는, 4 N(순도 : 99.99 질량% 이상)∼2 N의 금이 사용되고 있다. 이와 같이 금이 많이 사용되는 것은 금이 대기 중에서 열에 노출되더라도 산화하지 않기 때문에, 스티치 본드 상에 스터드 범프를 형성하는 경우도, 스터드 범프 상에 스티치 본드를 행하는 경우도, 접합에 특별히 영향이 없기 때문이다. 또, 금은, 첨가 원소를 적절히 선택함으로써 스터드 범프의 형성시의 와이어 절단을 용이하게 할 수 있어, 생산이 안정된다.
한편, BGA 등의 반도체 패키지에 있어서는, 금본딩 와이어(W)는 고가이기 때문에, 저가의 구리(Cu) 본딩 와이어로의 치환도 이루어지고 있다. 또한, 그 구리 본딩 와이어 표면에 팔라듐(Pd) 등을 피복함으로써, 구리 본딩 와이어에서 과제가 되는 2nd 접합성을 높이고, 생산성을 개선한 Pd 피복 구리 본딩 와이어가 개발되어, 일부에서는 사용되고 있다(하기 특허문헌 1). 또한, 은(Ag)본딩 와이어에 관해서도 개발되어, 일부에서는 사용되고 있다(하기 특허문헌 2∼5).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2007-123597호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 소화57-194232호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 소화58-6948호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 공개 평성11-288962호 공보 특허문헌 5 : 일본 특허 제4771562호 공보
금본딩 와이어는 고가이다. 그 대체재인 구리 본딩 와이어는 저가이기는 하지만, 금본딩 와이어에 비해 FAB가 딱딱하여, 전극(a)의 칩이 취약하면 칩 손상 발생의 우려가 높아진다. 또한, 금본딩 와이어에 비해 2nd 접합성이 나빠, 연속 본딩성에 문제가 있다.
Pd 피복 구리 본딩 와이어는, 구리 본딩 와이어에 비해 2nd 접합성이 좋아, 연속 본딩성이 좋지만, FAB가 구리 본딩 와이어보다 더욱 딱딱해지기 때문에, 칩 손상 발생의 문제가 있다.
또한, 종래 LED 패키지에 있어서는 Au 피복한 전극(a)의 LED(15)가 이용되고, 전극(a)과의 접속에는 금본딩 와이어가 이용되고 있다. 이 금을 이용한 조합에서는 비용 절감을 할 수 없기 때문에, LED(15)용에도 저가의 본딩 와이어가 요구되고 있다. 그러나, 구리 본딩 와이어는 연속 본딩성에 어려움이 있고, Pd 피복 구리 본딩 와이어에서는 FAB가 딱딱해지기 때문에, 칩 손상이 발생할 우려가 있다. 또한, 구리 본딩 와이어 또는 Pd 피복 구리 본딩 와이어를 이용하면, 본딩 와이어 자체의 반사율이 낮기 때문에, 와이어 부분이 그늘이 된다는 점에서 LED(15)의 종류에 따라서는 LED(15) 그 자체의 휘도를 저하시키는 경우도 있다.
또한, 구리 본딩 와이어 또는 Pd 피복 구리 본딩 와이어를 이용하면, 스터드 범프(b')를 제작한 후 스티치 본드를 행하는 경우, 스티치 본드를 행할 때까지의 동안에 스터드 범프(b')가 산화되어 버려, 스티치 본드를 안정적으로 할 수 없다. 스티치 본드를 행한 후에 스터드 범프(b')를 행하는 시큐리티 본드의 경우도 마찬가지로, 스티치 본드의 후에 스터드 범프를 행할 때까지의 동안에 스티치 본드부가 산화하기 때문에, 스터드 범프를 안정적으로 접합할 수 없다.
또한, 종래의 은본딩 와이어에서는, 볼(b)을 형성할 때에 산화를 방지하기 위해 질소(N2) 가스를 분무하여 방전하는 것이 일반적이다. 이에 비해, 특허문헌 2, 3에, Ag(은)에 Al(알루미늄) 또는 Mg(마그네슘)을 첨가함으로써, N2 가스를 분무하지 않고 대기 중에서 방전하더라도 형상이 좋은 볼(b)을 얻을 수 있는 것이 기재되어 있다.
그러나, 최근 BGA의 반도체 패키지에서는, 전극(a)이 작아지고, 또한 전극(a)끼리의 거리도 가까워졌기 때문에, 보다 안정된 진구형의 볼(b)을 얻을 필요가 있어, 은본딩 와이어에 있어서도, N2 가스를 분무하여 방전하는 편이 바람직하게 되어 있다. 이 N2 가스를 분무하여 방전한 경우, 주위로부터의 산소의 침입은 방지할 수 있지만, 와이어 선단이 용융되었을 때에 와이어 표면의 산화은으로부터 상기 첨가한 Al 또는 Mg이 산소를 빼앗아 Al2O3 또는 MgO가 생긴다. 이 때, Al 또는 Mg을 다량으로 함유하고 있으면, 이 Al2O3 또는 MgO가 볼(b) 표면에 대량으로 생성되어 버려, 전극(a)과의 접합시에 경질의 Al2O3 또는 MgO가 전극(a)을 손상하는 문제가 있다.
마찬가지로, 특허문헌 4에 와이어 강도나 내열성을 향상시키기 위해, Ca(칼슘), Sr(스트론튬), Y(이트륨), La(란탄), Ce(세륨), Eu(유로퓸), Be(베릴륨), Ge(게르마늄), In(인듐), Sn(주석)을 첨가하는 것이 기재되어 있지만, 이들 원소에 관해서는 다량으로 첨가하면, 볼(b)의 경도가 높아져 전극(a)을 손상하는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 4에는 와이어의 접합 신뢰성을 높이기 위해, Pt(백금), Pd, Cu, Ru(루테늄), Os(오스뮴), Rh(로듐), Ir(이리듐), Au를 첨가하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 원소를 다량으로 첨가하면, 와이어 자체의 전기 저항이 높아져, 본딩 와이어(W)로서의 성능을 손상하는 문제가 생긴다. 즉, 전술한 바와 같이 BGA 등의 반도체 패키지에서는, 전극(a)은 보다 작고, 그 전극(a) 사이의 거리도 보다 가까워졌기 때문에, 1st 접합부를 작게 하는 것이 요구되고 있다.
이를 위해서는, 본딩 와이어의 직경을 작게 할 필요가 있지만, 와이어의 전기 저항은 와이어의 직경과 반비례하기 때문에, 와이어 자체의 전기 저항이 높으면, 와이어의 직경을 작게 할 수 없게 되는 문제가 있다. 또한, LED(15)에 있어서는, 광도를 높이기 위해 동작 전류가 높아지고 있지만, 와이어의 전기 저항이 높으면 발열의 문제가 생기고, 밀봉 수지의 수명을 줄이는 문제가 생긴다.
또한, 스터드 범프(b')를 제작할 때에 캐필러리(10a)의 동작에 의해 와이어(W)를 절단하지만(도 3의 (d), (e) 참조), 와이어(W)와 용융 볼(b) 바로 위의 결정립의 크기에 차가 있으면, 이 절단을 안정적으로 행할 수 있다. 즉, 와이어(W)의 선단 부분에 방전 막대(g)로 고전압을 가하여 방전하고(스파크하고), 그 열로 와이어(W)를 녹여 용융 볼(b)을 만들 때에 용융 볼(b)의 바로 위의 와이어(W)부는 열영향을 받지만, 와이어(W) 자체의 결정립이 크면, 열영향에 의한 결정립의 조대화(粗大化)가 진행되지 않아 결정립의 차가 나지 않는다. 반대로 와이어(W) 자체의 결정립이 미세하면, 열영향을 받아 결정립의 조대화가 일어난 부분과 미세한 부분의 경계에서 절단이 용이하게 일어나게 된다.
그런데, 종래의 은본딩 와이어에서는, 0.2% 내력(Yield Strength : 이하 「YS」라고 함)과 인장 강도(Tensile Strength : 이하 「TS」라고 함)의 비(100×YS/TS)가 80%를 하회하는 영역을 목표로 조질(調質)되어 있다. 즉, 고온 또는 장시간의 조질 열처리를 실시하고 있고, 와이어(W)의 결정립은 크다. 이러한 와이어(W)의 결정립이 큰 경우, 전술한 바와 같이, 용융 볼(b)의 작성시, 결정립의 차가 생기지 않고, 스터드 범프 제작시의 절단을 안정적으로 행할 수 없게 되어, 스터드 범프의 형상에 불균일이 발생할 뿐만 아니라, 절단을 잘 할 수 없는 경우는 머신 스톱이 발생한다.
특허문헌 5에는 「Ag과 Au와 Pd로 이루어진 3원 합금계 본딩 와이어로서, 금(Au)이 4∼10 질량%, 팔라듐(Pd)이 2∼5 질량%, 산화성 비귀금속 첨가 원소가 15∼70 질량ppm 및 잔부가 은(Ag)으로 이루어진 본딩 와이어」에 관한 기재가 있다. 그러나, 이 문헌에 기재되어 있는 바와 같은 본딩 와이어는 전술한 바와 같은 스터드 범프 제작시의 절단성은 고려되어 있지 않아, 스터드 범프의 형상의 불균일, 머신 스톱의 발생의 우려가 있었다.
본 발명은, 이상의 실상하에, 금본딩 와이어보다 저가이며 안정적으로 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합에 의한 접속이 가능한 은본딩용 와이어를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합에 의해 접속하는 본딩용 와이어에 있어서, Ag를 주성분으로 하고, Au의 첨가량을 0.9 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Pd의 첨가량을 0.1 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 8.0 질량% 이하로 하고, 그 와이어(W)의 상온에서의 0.2% 내력(YS)과 인장 강도(TS)의 비(100×YS/TS)가 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상인 구성을 채택한 것이다.
이 구성에 있어서, Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 20 질량ppm 이상, 500 질량ppm 이하 포함하는 것으로 할 수 있고, 또한 Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 1000 질량ppm 이상, 10000 질량ppm 이하 포함하는 것으로 할 수 있고, 또한, 와이어의 고유 저항은, 5.0 μΩㆍcm 이하, 바람직하게는 3.0 μΩㆍcm 이하로 할 수 있다.
이 Ag를 주체로 하는 본딩 와이어는, Au를 주체로 하는 금본딩 와이어에 비교하면, 저렴한 것으로 할 수 있다.
Au는 양호한 FAB를 얻기 위해 첨가한다. 통상, 순 Ag 와이어를 이용하여 FAB를 제작하면, 방전 막대(g)에 의한 스파크로 용융된 와이어(W) 선단에 생기는 용융 볼(b)이 불안정해져, 진구도(眞球度)가 높은 FAB를 안정적으로 얻는 것이 어렵다. 그러나, Au를 0.9 질량% 이상, Au와 Pd의 합계량으로 1.0 질량% 이상 첨가하면, 용융 볼(b)이 안정되어, 진구도가 높은 FAB를 얻을 수 있게 된다. 또한, Au의 첨가량이 5.0 질량%를 초과하면, 와이어가 고가가 된다. 이 점에서, Au의 첨가량은 2.6 질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Pd는 1st 접합부의 내식성을 얻기 위해 첨가한다. BGA 등의 반도체 패키지의 전극(a)에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 피복되어 있는 경우가 많다. LED의 전극(a)은 금피복인 경우가 많지만, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 피복재가 이용되는 경우도 있다. 은과 알루미늄을 접합하면, 접합 계면에 은과 알루미늄의 금속간 화합물층이 생성된다. 이 화합물층 중 Ag2Al이 성장하면, 습윤 환경하에서의 내식성이 열화한다. Ag 와이어에 Pd를 0.1 질량% 이상 첨가하면, FAB의 외주부에 Pd 농화층이 형성되고, 그것에 의해 Ag2Al의 생성을 억제할 수 있다. 그러나, Pd의 첨가량이 5.0 질량%를 초과하면, FAB가 딱딱해져, 전극(a)에 크랙이 생기는 등의 문제가 생긴다.
Pd, Au는 각각 단독의 첨가로도 효과가 있지만, Pd 또는 Au만을 어느 일정량 첨가하는 경우에 비해, 동량을 Pd와 Au의 합계로 첨가하는 쪽이 와이어의 융점이 높아지므로, Pd와 Au를 복합 첨가한 와이어쪽이 내열성은 높아진다. 따라서, Pd와 Au의 첨가량에 관해서는 합계를 1.0 질량% 이상 8.0 질량% 이하로 한다.
Pd와 Au의 첨가량의 합계가 8.0 질량%를 초과하는 양을 첨가하면, 와이어의 전기 저항이 높아진다. 또한, 볼(b)의 경도가 높아져, 1st 접합시에 전극(a)이 손상된다. 또한, 첨가량의 합계가 3.0 질량%를 하회하면, 와이어의 전기 저항이 금와이어에 가까워지므로, 와이어 직경을 작게 하는 것이 가능해진다.
여기서, 와이어의 고유 저항이 3.0 μΩㆍcm 초과 5.0 μΩㆍcm 이하이면 와이어 직경을 크게 함으로써 필요한 전기 특성을 얻을 수 있기 때문에 문제는 없지만, 3.0 μΩㆍcm 이하이면, 2 N(99%) Au 와이어의 고유 저항과 동등 이하가 되므로, 그 2 N Au 와이어에 본 발명의 와이어의 치환이 용이해지거나, 또는 치환을 할 수 있다.
Ca, 희토류 원소는, 와이어 강도나 내열성을 향상시키기 위해 첨가하지만, 20 질량ppm 미만이면, 그 와이어의 내열성이 낮아져 실용상 문제가 생긴다. 또한, 500 질량ppm을 초과하여 첨가하면, 볼(b)의 경도가 높아져, 1st 접합시에 전극(a)이 손상된다. 따라서, Ca, 희토류 원소의 합계 첨가량은 20 질량 ppm 이상 500 질량ppm 이하로 한다. 또한, 보다 바람직하게는 20 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하이고, 이 범위라면, 와이어의 내열성이 높고, 1st 접합시의 전극(a)의 손상의 정도도 보다 낮게 억제할 수 있다.
여기서, 희토류 원소는 입수성에 어려움이 있기 때문에, Ca의 첨가가 가장 바람직하다. 또한, 희토류 원소 중에서는 극미량의 첨가로 와이어의 내열성ㆍ강도 향상에 효과가 있는 Y, Gd 및 첨가 원소와 Ag가 화합물을 만드는 것에 의해 매트릭스인 Ag 중에 화합물이 분산되어 와이어의 고강도화에 기여하는 La, Ce가 바람직하다.
또한, 고강도화가 필요한 경우, Ca, 희토류 원소의 첨가에 더하여, Cu, Ni의 첨가가 효과적이다. Cu, Ni는 Ca, 희토류 원소와 반응하지 않고 매트릭스의 Ag와 용이하게 합금화하기 때문에, Ca, 희토류 원소의 첨가 효과를 손상하지 않고, 매트릭스의 고강도화에 기여한다. 여기서, 그 합계 첨가량이 1000 질량ppm을 하회하면 와이어의 고강도화의 효과가 없고, 10000 질량ppm을 상회하면 볼(b)의 경도가 높아져, 1st 접합시에 전극(a)이 손상된다. 따라서 Cu, Ni의 합계 첨가량은 1000 질량ppm 이상 10000 질량ppm 이하인 것이 바람직하다.
이 와이어(W)의 선직경은 본딩 와이어로서 사용할 수 있으면 임의이지만, 예컨대 12 ㎛ 이상 50.8 ㎛ 이하로 한다. 50.8 ㎛ 이하로 하면 용융 볼(b)을 보다 작게 할 수 있고, 12 ㎛ 미만이면, 본딩전에 오퍼레이터가 와이어(W)를 캐필러리(10a)에 통과시키는 것이 어려워져 작업성이 나빠질 뿐만 아니라, 공기압에 의해 와이어에 충분한 장력을 가할 수 없게 되어 루프 제어가 어려워질 우려가 있다.
전술한 본딩 와이어(W)의 제조방법에는 여러가지 것을 채택할 수 있지만, 예컨대, 순도 99.99 질량% 이상의 Ag에 Au를 0.9 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Pd를 0.1 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Pd와 Au를 합계로 1.0∼8.0 질량% 첨가하고, Ca, 희토류에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 20∼500 질량ppm 첨가하고, Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 1000∼10000 질량ppm 첨가하여, 연속 주조법으로 큰 선직경의 그 화학 조성의 로드를 제작하고, 선직경 50.8 ㎛ 이하까지 다이스에 순차적으로 관통시켜 감으로써 미리 정해진 선직경으로 신선(伸線)한다. 그 후, 와이어(W)에 조질 열처리를 실시한다.
그 조질 열처리는, 미리 정해진 선직경까지 신선을 행하여 릴에 권취된 와이어(W)를 풀어서 관상의 열처리로 내에 주행시키고, 다시 권취 릴로 권취함으로써 연속 열처리를 행한다.
본딩 와이어(W)의 YS 및 TS는, 15∼25℃의 실온 중에서 길이 100 mm의 시료를 인장 시험하여 산출했다. 즉, 인장 시험에 있어서, 파단에 이르기까지의 최대 하중을 초기 단면적으로 나눈 값을 TS : 0.2%의 영구 변형이 남을 때의 하중을 초기 단면적으로 나눈 값(언로드시의 영구 변형이 0.2%가 되는 응력)을 YS로 한다.
여기서, 조질 열처리전의 와이어(W)는 신선시의 가공 변형이 남은 변형 조직이 되어 있고, 그 결정 조직은 미세하다. 이러한 변형 조직의 100×YS/TS는 거의 100%에 가깝지만, 저온 또는 단시간의 조질 열처리를 실시하면 가공 변형이 서서히 개방되는 「회복」이 발생하고, 열처리 온도를 보다 고온 또는 장시간으로 하여 조질 열처리를 실시하면 가공 변형이 보다 개방되고 결정립이 커지는 「재결정」이 발생하여, TS에 대하여 YS가 서서히 낮아진다(100×YS/TS가 작아짐).
이 100×YS/TS가 80%를 하회하면, 와이어의 대부분이 재결정하여 결정 조직이 커지지만, 80% 이상이면 재결정은 와이어의 일부에 그치고, 결정립도 일부가 커지는 정도이다. 또한, 90% 이상이면, 결정립은 대부분이 미세한 채의 변형 조직이 된다.
스터드 범프의 제작시에는, 캐필러리의 여러가지 동작에 의해 와이어를 압착 볼로부터 절단하지만, 와이어의 결정 조직의 경계선이 있으면 그 부분에서 용이하게 절단이 가능해진다. 즉, 미세한 결정립의 부분과 조대한 결정립의 부분이 있으면, 그 경계 부분에서 파단되기 쉬워진다. 스터드 범프를 형성할 때에, 우선 와이어 선단에 방전하여 와이어를 용융시켜 FAB를 제작하면, FAB 바로 위의 와이어 부분은 방전에 의한 열에 의해 결정립이 커진다. 여기서 열에 의한 영향을 받고 있는 부분을 HAZ(Heat Affect Zone)로 부른다. 와이어의 100×YS/TS가 80% 이상으로 결정립이 미세하면, HAZ와 와이어에서 결정립의 경계 부분이 생겨, 스터드 범프시의 절단이 용이하게 일어난다. 또한, 90% 이상이면, 결정립의 경계가 보다 명확해져 절단이 더욱 안정된다.
본 발명은, 이상과 같이 Ag를 주체로 했기 때문에, 금본딩 와이어에 비교하면 저렴한 것으로 할 수 있고, 또한 Pd, Au, Ca, 희토류 원소, Cu, Ni의 적량 첨가와 상온 신장의 조정에 의해, 볼 본딩법과 스터드 범프법의 조합에 의한 접속을 안정적으로 행할 수 있다.
도 1은 반도체 패키지의 개략도.
도 2는 LED 패키지의 개략도.
도 3은 스터드 범프법-볼 본딩법의 설명도이며, (a)∼(o)는 그 도중도.
도 4는 볼 본딩법-스터드 범프법의 설명도이며, (a)∼(o)는 그 도중도.
순도가 99.99 질량% 이상(4 N)인 고순도 Ag를 이용하여, 표 1에 나타내는 화학 성분의 은합금을 주조하고, 8 mmφ의 와이어 로드를 작성했다. 그 와이어 로드를 신선 가공하여 미리 정해진 최종 선직경(25 ㎛φ)의 은합금선으로 하고, 여러가지 가열 온도ㆍ가열 시간으로 연속 소둔했다. 또, 화학 성분의 정량은 ICP-OES(고주파 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석법)에 의해 행했다.
그 연속 소둔한 각 와이어(W)를 15∼25℃의 상온에서 인장 시험을 행하여 0.2% 내력(YS)과 인장 강도(TS)를 측정했다.
Figure pct00001
이 각 시작예 및 각 비교예에 대하여, 각각 하기의 시험을 행했다.
〔평가 항목〕
각 와이어(W)에 관해, 자동 와이어 본더로, 도 3의 (a)∼(f)에 나타내는 방법으로 스터드 범프(b')를 연속하여 제작하는 평가를 행했다. 즉, 방전 막대(g)에 의한 아크 방전에 의해 와이어(W) 선단에 FAB(볼(b))을 제작하고, 그것을 Al 피복 전극 상에 압박하여 스터드 범프(b')를 연속으로 제작했다. 또, FAB 제작시에는 와이어(W) 선단부에 질소(N2) 가스를 흘리면서 아크 방전을 행했다.
또한, 도 3의 (a)∼(o)에 나타내는 스터드 범프법-볼 본딩법의 조합에 의한 접속을 Ag 피복 42Ni-Fe판 상에서 행했다.
평가에 이용한 본딩 시료에서의 연속 범프성, 스터드 범프부의 칩 손상, 전기 저항, 수지 밀봉시의 와이어 플로우 및 종합 평가를 표 2에 나타낸다. 이러한 평가 방법 등은 이하와 같다.
〔평가 방법〕
「연속 범프성」
본딩 머신으로 10,000회의 연속 범프 형성을 행했다. 여기서, 머신 스톱이 발생하지 않으면 「A」, 와이어가 잘 절단되지 않고 1회의 머신 스톱이 발생하면 「B」, 2회 이상의 머신 스톱이 발생하면 「D」로 했다.
「본딩후 스터드 범프부 바로 아래의 칩 손상의 평가」
반도체 소자(5)의 스터드 범프부 및 전극막을 왕수로 용해하여, 크랙을 광학 현미경과 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰했다. 100개의 접합부를 관찰하여 3 ㎛ 미만이 미세한 피트가 1개 또는 전혀 보이지 않는 경우는 「A」, 3 ㎛ 이상의 크랙이 2개 이상 5개 미만 보인 경우는 사용상 문제는 없다고 생각하여 「B」, 3 ㎛ 이상의 크랙이 5개 이상 보인 경우는 「D」로 했다.
「수지 밀봉시의 와이어 플로우의 평가」
와이어 길이 : 5 mm의 본딩 시료를 에폭시 수지로 밀봉한 후에, X선 비파괴 관찰 장치로 최대 와이어 플로우량을 측정했다. 측정은 20개 행하고, 그 평균치를 와이어 길이 5 mm로 나눈 비율을 와이어 플로우율로 했다. 이 와이어 플로우율이 5% 미만이면 「A」, 5% 이상 7% 미만이면 「B」, 7% 이상이면 실용상 문제가 있다고 생각하여 평가를 「D」로 했다.
「전기 저항」
4단자법을 이용하여 실온에서의 전기 저항을 측정했다. 3시료의 고유 저항의 평균이 3.0 μΩㆍcm 이하이면 금와이어로부터의 치환에 있어서 전기 특성의 변화가 적기 때문에 「A」, 3.0 μΩㆍcm을 상회하고 5.0 μΩㆍcm 이하이면 금와이어로부터의 치환에 있어서 실용상 문제가 적기 때문에 「B」, 5.0 μΩㆍcm을 초과하면 금와이어로부터의 치환에는 적합하지 않다고 생각하여 「D」로 했다.
「Au 와이어로부터의 치환」
본 와이어(W)가 검토되는 큰 요인은 금와이어를 은와이어로 치환할 때에 발생하는 비용 메리트이다. 이 때문에, 와이어(W)의 비용에 관해서도 큰 비교 요인이 된다. 여기서, 와이어(W)가 Au를 5 질량%를 초과하여 함유하고 있으면, Au 와이어로부터의 치환이 진행되기 어렵다고 생각하여 「D」, 2.6 질량% 초과 5 질량% 이하이면 어느 정도의 비용 메리트를 발견할 수 있기 때문에 「B」, 2.6 질량% 이하이면 비용 메리트가 크다고 생각하여 「A」로 했다.
「FAB 진구도」
와이어 본더로 각 선직경의 2배의 크기의 FAB를 100개 제작하여, FAB의 와이어와 평행한 방향과 직각인 방향의 직경을 측정했다. 이 각각의 직경의 차가 2 ㎛ 이하이면, 진구에 가깝다고 생각하여 「A」, 2 ㎛를 초과하면 진구도가 낮다고 생각하여 「D」로 했다.
「내식성 평가(HAST)」
전극에 대한 본딩후, 1st 볼 접합부의 내식성을 평가하기 위해 130℃/85% 분위기 중에 168시간 방치하는 HAST(Highly Accelerated Stress Test)를 행했다. 여기서, HAST 전후의 시어 강도를 측정하여, HAST전의 시어 강도(SSb로 함)와 HAST후의 시어 강도(SSa로 함)의 비(SSa/SSb×100)가 70%를 상회하면, 내식성이 있다고 생각하여 「A」, 70% 미만이 되면 내식성에 문제가 있다고 생각하여 「D」로 했다. 또, HAST 전후의 시어 강도의 측정은 n=30씩 행했다.
「종합 평가」
각 평가에 있어서, 전부 「A」인 것을 「A」, 「A」와 「B」가 혼재하는 것을 「B」, 하나라도 「D」가 있는 것은 「D」로 했다.
Figure pct00002
이 표 1, 2에 있어서, Au의 첨가량이 0.9 질량% 미만이거나 첨가되지 않거나 하면, 비교예 1, 6, 7에서 「FAB의 진구도」가 「D」가 된다. 또한, Au의 첨가량이 5.0 질량%를 초과하면, 비교예 5, 12에서 「Au 와이어로부터의 치환」이 「D」가 된다.
또한, Pd의 첨가량이 0.1 질량% 미만이거나 첨가되지 않거나 하면, 비교예 2, 7, 11에서 「HAST」가 「D」가 되고, 5.0 질량%를 초과하면, 비교예 4에서 「스터드 범프부 바로 아래의 칩 손상」이 「D」가 된다.
또한, Au와 Pd의 첨가량의 합계가 1.0 질량% 미만이면, 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」가 비교예 1, 6은 「D」가 되고, 한편, 비교예 7은, Au와 Pd의 첨가량의 합계가 1.0 질량% 미만이지만, 후술하는 Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 350 질량ppm 첨가되어 있기 때문에 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」는 「B」가 된다. 또한, Au와 Pd의 첨가량의 합계가 8 질량%를 초과하면, 비교예 5, 8에서 「전기 저항」이 「D」가 된다. 와이어(W)의 0.2% 내력(YS)과 와이어(W)의 인장 강도(TS)의 비가 80% 미만이면, 비교예 2, 3, 8∼10에서 「연속 범프성」이 「D」가 된다.
이에 비해, 본 발명에 따른 Au의 첨가량을 0.9 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Pd의 첨가량을 0.1 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 8 질량% 이하로 하고, 그 와이어(W)의 0.2% 내력과 와이어(W)의 인장 강도의 비가 80% 이상인 시작예 1∼15에 있어서는, 「연속 범프성」, 「스터드 범프부 바로 아래의 칩 손상」, 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」, 「Au 와이어로부터의 치환」, 「FAB의 진구도」, 「HAST」 및 「종합 평가」에 있어서, 「A」 또는 「B」중 어느 것으로, 실용상 지장없이 사용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 20 질량ppm 미만이면, 비교예 1, 6에서 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」가 「D」가 되고, 한편, 시작예 5, 13, 비교예 5는, Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 20 질량ppm 미만이지만, 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」성을 향상시키는 Au와 Pd의 첨가량의 합계가 1.0 질량% 이상이거나, Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 1000 질량ppm 이상이거나 하기 때문에, 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」가 「B」가 된다. 또한, Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 500 질량ppm을 초과하면, 비교예 4, 8, 9에서 「스터드 범프부 바로 아래의 칩 손상」이 「D」가 된다.
또한, Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 1000 질량ppm 미만이면, 비교예 1, 6에서 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」가 「D」가 되고, 한편, 시작예 10, 13∼15, 비교예 7∼9는 Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 1000 질량ppm 미만이지만, 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」성(性)을 향상시키는 Au와 Pd의 첨가량의 합계가 1.0 질량% 이상이거나, Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 20 질량ppm이거나 하기 때문에, 「수지 밀봉시의 와이어 플로우」가 「B」가 된다. 또한, Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소가 합계로 10000 질량ppm을 초과하면, 비교예 3에서 「스터드 범프부 바로 아래의 칩 손상」이 「D」가 된다.
또한, 와이어(W)의 0.2% 내력과 와이어(W)의 인장 강도의 비가 80% 이상이면, 시작예 1∼15, 비교예 1, 4∼7, 11, 12에서, 연속 범프성에 있어서 「A」 또는 「B」가 되지만, 90% 이상이면, 시작예 2, 3, 6∼8, 11∼13, 15, 비교예 5에서, 연속 범프성에 있어서 「A」가 되어, 보다 우수하다는 것을 이해할 수 있다.
또한, Au의 첨가량을 0.9 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Pd의 첨가량을 0.1 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 3.0 질량% 이하 포함하는 것이면, 시작예 1∼3, 6∼8에서 「스터드 범프부 바로 아래의 칩 손상」, 「전기 저항」, 「Au 와이어로부터의 치환」, 「FAB의 진구도」, 「HAST」에 있어서 「A」가 되어, 우수하다는 것을 이해할 수 있다.
와이어(W)의 고유 저항이 5.0 μΩㆍcm을 초과하면, 비교예 5, 8에서 「전기 저항」이 「D」가 된다. 한편, 와이어(W)의 고유 저항이 3.0 μΩㆍcm 이하로 억제되면, 시작예 1∼8, 10, 11, 15, 비교예 1∼3, 6, 7, 11에서 「전기 저항」이 「A」가 된다.
이상으로부터, 시작예 2, 3, 6∼8, 11은, 와이어(W)의 0.2% 내력과 와이어(W)의 인장 강도의 비가 90% 이상, Au의 첨가량 : 0.9 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Pd의 첨가량 : 0.1 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계 : 1.0 질량% 이상 3.0 질량% 이하, Ca, 희토류 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 20 질량ppm 이상 500 질량ppm 이하, 고유 저항이 3.0 μΩㆍcm 이하, Cu, Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 1000 질량ppm 이상, 10000 질량ppm 이하로서, 종합 평가에 있어서 「A」가 되어, 가장 우수하다는 것을 이해할 수 있다.
3, 13 : 회로 배선 기판(케이스 전극)
5 : 반도체 소자
15 : LED
W : 본딩용 와이어
a : 반도체 소자(LED)의 전극
b : 용융 볼
b' : 압착 볼(스터드 범프)
c : 회로 배선 기판의 도체 배선(리드 단자)

Claims (7)

  1. 반도체 소자(5, 15)의 전극(a)과 회로 배선 기판(3, 13)의 도체 배선(c)을 볼 본딩법 및 스터드 범프법의 조합에 의해 접속하기 위한 본딩용 와이어(W)로서,
    Au의 첨가량을 0.9 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Pd의 첨가량을 0.1 질량% 이상 5.0 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 8.0 질량% 이하로 하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물이며,
    상기 스터드 범프법에서의 용융 볼(b)의 작성시, 결정립의 차를 발생시켜 와이어(W)의 절단을 용이하게 하기 위해, 그 와이어(W)의 0.2% 내력과 와이어(W)의 인장 강도의 비가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 와이어(W)의 조성에, Ca, Y, Sm, La, Ce 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 20 질량ppm 이상, 500 질량ppm 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이어(W)의 조성에, Cu, Ni 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 1000 질량ppm 이상, 10000 질량ppm 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 와이어(W)의 Au의 첨가량을 0.9 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Pd의 첨가량을 0.1 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Au와 Pd의 첨가량의 합계를 1.0 질량% 이상 3.0 질량% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어(W)의 0.2% 내력과 와이어(W)의 인장 강도의 비는 90% 이상인 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어(W)의 고유 저항은 5.0 μΩㆍcm 이하인 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 와이어(W)의 고유 저항은 3.0 μΩㆍcm 이하인 것을 특징으로 하는 본딩용 와이어.
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