KR20180039016A - 은 합금 와이어 - Google Patents

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용덕 탁
일태 강
종수 김
현석 정
태엽 김
시 즈항
무랄리 사랑가파니
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헤라우스 매터리얼즈 싱가포르 피티이 엘티디
헤라우스오리엔탈하이텍 주식회사
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Abstract

와이어 코어를 포함하거나, 또는 와이어 코어로 구성되는, 은 합금 와이어로서, 와이어 코어 자체는: (a) 3 내지 6 중량%의 범위 내의 양의 팔라듐, (b) 0.2 내지 2 중량%의 범위 내의 양의 금, (c) 20 내지 700 중량 ppm의 범위 내의 양의 니켈, (d) 20 내지 500 중량 ppm의 범위 내의 양의 백금, (e) 91.88 내지 96.786 중량%의 범위 내의 양의 은, 및 (f) 0 내지 100 중량 ppm의 추가적 성분들로 구성되고, 중량% 및 중량 ppm 단위의 모든 양들은, 코어의 총 중량에 기초하며, 은 합금 와이어는 8 내지 80㎛의 범위 내의 평균 직경을 구비하는 것인, 은 합금 와이어가 제공된다.

Description

은 합금 와이어
본 발명은, 특정 중량 비의 은, 팔라듐, 금, 니켈 및 백금을 포함하는 코어를 포함하는, 8 내지 80㎛ 두께의 은 합금 와이어에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그러한 와이어를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이다.
전자 및 미세전자 적용들에서의 본딩 와이어들의 사용은, 잘 알려진 종래기술이다. 본딩 와이어들은 초기에 금으로 제조되었던 가운데, 요즘은, 구리, 구리 합금들, 은 및 은 합금들과 같은, 덜 비싼 재료들이 사용된다.
와이어 기하형상에 대하여, 가장 일반적인 것은, 원형 단면의 본딩 와이어들 및 대략 직사각형 단면을 구비하는 본딩 리본들이다. 양 유형의 와이어 기하형상들은, 특정 적용을 위해 유용하도록 하는 그들의 이점들을 구비한다.
본 발명의 목적은, 와이어 본딩 적용들에서의 사용에 적당한 은 합금 와이어로서, 특히 마모 및 수분 저항성에 관해 개선되며 그리고, 예를 들어, 넓은 스티치 본딩 윈도우(stitch bonding window), 우수한 재현성을 갖는 축-대칭 무 공기 볼(free air ball: 이하, FAB)의 형성, 낮은 FAB 경도, 높은 스티치 인장 강도(stitch pull strength), 부드러운 와이어, 낮은 전기 저항성, 낮은 일렉트로-마이그레이션(electro-migration)을 포함하는, 와이어 본딩 적용들에 관해 관련되는 특성들에 대한 전체적으로 잘 균형 잡힌 스펙트럼을 보이는, 은 합금 와이어를 제공하는 것이다.
상기 목적의 해결책에 대한 기여가, 카테고리 형성 청구항들의 대상에 의해 제공된다. 카테고리 형성 청구항들의 종속적 하위 청구항들은, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내며, 그의 대상은 또한 이상에 언급된 목적을 해결하는데 기여한다.
제1 양태에서, 본 발명은, 와이어 코어(이하에 또한 짧게 "코어"로도 지칭됨)를 포함하거나, 또는 와이어 코어로 구성되는, 은 합금 와이어로서, 와이어 코어 자체는:
(a) 3 내지 6 중량%(중량-%, 중량에 의한 %)의, 바람직하게 4 내지 5 중량%의, 범위 내의 양의 팔라듐,
(b) 0.2 내지 2 중량%의, 바람직하게 0.5 내지 1.5 중량%의, 범위 내의 양의 금,
(c) 20 내지 700 중량 ppm(중량-ppm, 중량에 의한 ppm)의, 바람직하게 275 내지 325 중량 ppm의, 범위 내의 양의 니켈,
(d) 20 내지 500 중량 ppm의, 바람직하게 75 내지 125 중량 ppm의, 범위 내의 양의 백금,
(e) 91.88 내지 96.786 중량%의, 바람직하게 93.455 내지 95.3875 중량%의, 범위 내의 양의 은, 및
(f) 0 내지 100 중량 ppm의 추가적 성분들(팔라듐, 금, 니켈, 백금 및 은과 상이한 성분들)로 구성되고,
중량% 및 중량 ppm 단위의 모든 양들은, 코어의 총 중량에 기초하며,
은 합금 와이어는, 8 내지 80㎛의 범위 내의 또는 심지어 12 내지 55㎛의 범위 내의 평균 직경을 구비하는 것인, 은 합금 와이어에 관련된다.
도 1은, 은-팔라듐-금-니켈-백금 합금 18㎛ 와이어, 샘플 2(표 1 참조)의 예시적 어닐링 곡선을 도시한다.
도 2는, 은-팔라듐-금-니켈-백금 합금 18㎛ 와이어, 샘플 2(표 1)의 예시적인 이온 밀링된 단면 이미지를 도시한다.
은 합금 와이어는 바람직하게, 마이크로일렉트로닉스에서의 본딩을 위한 본딩 와이어이다. 은 합금 와이어는 바람직하게, 단일 조각 물체이다. 수많은 형상들이 공지되며 그리고 본 발명의 합금 와이어들에 대해 유용하다. 바람직한 형상들은, 단면도에서, 원형, 타원형 및 직사각형이다.
와이어 또는 와이어 코어의 평균 직경 또는, 간단히 기술하면, 직경은, "크기 결정 방법"에 의해 달성될 수 있다. 이러한 방법에 따라, 한정된 길이에 대한 은 합금 와이어의 물리적 중량이 결정된다. 이러한 중량에 기초하여, 와이어 또는 와이어 코어의 직경이, 와이어 재료의 밀도를 사용하여 계산된다. 직경은, 특정 와이어의 5개의 절편에 관한 5개의 측정값의 산술 평균으로서 계산된다.
발명을 위해, 용어 "본딩 와이어"는, 비록 원형 단면 및 얇은 직경들을 갖는 본딩 와이어들이 바람직하지만, 모든 형상의 단면들 및 모든 사용 가능한 와이어 직경을 포함한다.
상기한 바와 같이, 와이어 코어는, 상기한 비례 비율의, (a) 팔라듐, (b) 금, (c) 니켈, (d) 백금, 및 (e) 은을 포함한다. 그러나, 본 발명의 합금 와이어의 코어는, (f) 0 내지 100 중량 ppm의 총량의 추가적 성분들을 포함할 수 있을 것이다. 제시된 맥락에서, 흔히 "불가피한 불순물들"로도 지칭되는, 추가적 성분들은, 미소 양들의, 원재료들 내에 존재하는 불순물들로부터 또는 와이어 제조 공정으로부터 유래되는, 화학적 원소들 및/또는 화합물들이며, 즉, (f) 유형의 추가적 성분들의 존재는, 예를 들어, 은, 팔라듐, 금, 니켈 및 백금 중의 하나 이상에 내재하는 불순물들로부터 유래된다. 그러한 추가적 성분들의 예들은, Cu, Fe, Si, Mn, Cr, Ce, Mg, La, Al, B, Zr, Ti, S, 등이다. 추가적 성분들(f)의 0 내지 100 중량 ppm의 낮은 총량은, 와이어 특성들의 우수한 재현성을 보장한다. 코어 내에 존재하는 추가적 성분들(f)은, 일반적으로 별개로 부가되지 않는다.
실시예에서, 본 발명의 은 합금 와이어의 코어는, 뒤따르는 양보다 적은 추가적 성분들(f)을 포함한다:
(i) 30 중량 ppm 미만의 Cu;
(ii) 각각 2 중량 ppm 미만의 Cr, Ce, Mg, La, Al, Be, In, Mn, Ti 중의 임의의 하나;
(iii) 각각 15 중량 ppm 미만의 Si, Fe, S 중의 임의의 하나.
은 합금 와이어의 코어는, 본 맥락에서, 벌크 재료의 균질 영역으로 한정된다. 임의의 벌크 재료는 항상 어느 정도까지 상이한 특성들을 보일 수 있는 표면 영역을 구비할 수 있기 때문에, 와이어의 코어의 특성들은, 벌크 재료의 균질 영역의 특성들로서 이해된다. 벌크 재료 영역의 표면은, 형태(morphology), 조성(예를 들어, 황, 염소 및/또는 산소 함량) 및 다른 특징들의 관점에서, 상이할 수 있다. 표면은, 와이어 코어의 외측 표면일 수 있으며; 그러한 실시예에서, 본 발명의 은 합금 와이어는, 와이어 코어를 구성한다. 대안예에서, 표면은, 와이어 코어와 와이어 코어 상에 중첩되는 코팅 층 사이의 계면 영역일 수 있다.
본 발명의 맥락에서 용어 "중첩되는"은, 제2 물체, 예를 들어 코팅 층에 대한 제1 물체, 예를 들어 와이어 코어의 상대적 위치를 설명하기 위해 사용된다. "중첩되는"은, 중간 층과 같은 추가적 물체가, (그래야 할 필요는 없지만) 제1 물체 및 제2 물체 사이에 배열될 수 있다는 것을, 특징짓는다. 바람직하게, 제2 물체는, 제1 물체의 총 표면에 대해 각각, 예를 들어 적어도 30%, 50%, 70%에 걸쳐, 또는 적어도 90%에 걸쳐, 적어도 부분적으로 제1 물체 위에 중첩된다. 더욱 바람직하게, 제2 물체는 제1 물체 위에 완전히 중첩된다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "중간 층"은, 자체의 코어와 그 위에 중첩되는 코팅 층 사이의, 은 합금 와이어의 영역을 지칭한다. 이러한 영역에서, 코어 및 코팅 층 양자 모두의 재료들의 조합이 존재한다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "두께"는, 코어의 종방향 축에 대해 수직 방향으로 층의 크기를 정의하기 위해 사용되며, 그러한 층은 코어의 표면 위에 적어도 부분적으로 중첩된다.
실시예에서, 코어는 표면을 구비하고, 코팅 층은, 코어의 표면 위에 중첩된다.
실시예에서, 코팅 층의 질량은, 코어의 총 질량에 대해 각각, 5 중량% 이하, 바람직하게 2 중량% 이하, 또는 그 미만이다. 코팅 층이 존재할 때, 코팅 층은, 코어의 총 질량에 대해 각각, 0.1 중량% 이상의, 또는 0.5 중량% 이상의, 최소 질량을 구비한다. 작은 양의 코팅 층과 같은 재료의 적용은, 와이어의 코어의 재료에 의해 한정되는 특성들을 보호한다. 다른 한편, 코팅 층은, 와이어 표면에, 환경에 대한 불활성, 부식에 대한 저항성, 개선된 접합 능력, 등과 같은, 특정 특성들을 부여한다. 예를 들어, 코팅 층의 두께는, 직경 18㎛의 와이어에 대해 20 내지 120 nm의 범위 내에 놓인다. 25㎛의 직경을 구비하는 와이어에 대해, 코팅 층은, 예를 들어, 30 내지 150 nm의 범위 내의 두께를 구비할 수 있을 것이다.
실시예에서, 코팅 층은, 귀금속 원소로 이루어질 수 있다. 코팅 층은, 상기 원소들 중의 하나의 단일-층일 수 있다. 다른 실시예에서, 코팅 층은, 다수의 중첩된 인접 서브-층으로 구성되는 복수-층일 수 있으며, 여기서 각 서브-층은, 상이한 귀금속 원소로 이루어진다. 코어 상에의 그러한 귀금속 원소들의 성막을 위한 통상적 기법들이, 전해 도금 및 무전해 도금과 같은 도금, 스퍼터링, 이온 도금, 진공 증착 및 물리적 기상 증착과 같은 가스 상의 재료의 성막, 및 용융 재료의 성막이다.
실시예에서, 본 발명의 은 합금 와이어 또는 그의 코어는, 적어도 뒤따르는 고유 특성들 중의 하나에 의해 특징지어지며(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 A"를 참조):
(1) 평균 와이어 입자 크기(평균 입자 크기)는, 10㎛ 미만, 예를 들어 2 내지 6㎛의 범위 이내, 바람직하게 2 내지 4㎛의 범위 이내이고,
(2) 와이어 입자 [100] 또는[101] 또는 [111] 방위면(plane of orientation)은, 10% 미만, 예를 들어 1 내지 8%의 범위 이내, 바람직하게 2 내지 7%의 범위 이내이며,
(3) 와이어 이중 입계 분율(wire twin boundary fraction)은, 60% 이하, 예를 들어 30 내지 60%의 범위 이내, 바람직하게 45 내지 50%의 범위 이내이고,
(4) FAB은, 2가지 유형의 입자 구조: 즉 등축 입자들(입자들이 거의 비-균일 입계들 없이 거의 둥글게 됨) 및 기둥형 입자들(입자들이 신장됨)의 조합을 보이며,
(5) FAB 평균 입자 크기는, 8㎛ 이하, 예를 들어 3 내지 6㎛의 범위 이내, 바람직하게 4 내지 5㎛의 범위 이내이고,
(6) FAB 입자 [101] 방위면은, 25% 미만, 예를 들어 8 내지 22%의 범위 이내, 바람직하게 16 내지 20%의 범위 이내이며,
(7) FAB 이중 입계 분율은, 70% 미만, 예를 들어 30 내지 65%의 범위 이내, 바람직하게 55 내지 60%의 범위 이내이고,
및/또는 적어도 뒤따르는 외적 특성들 중의 하나에 의해 특징지어진다:
(α) 부식 저항성은, 2% 이하의, 예를 들어 0 내지 2%의 범위 내의, 접합된 볼 리프트(bonded ball lift) 값을 구비하고(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 B" 참조),
(β) 수분 저항성은, 2% 이하의, 예를 들어 0 내지 2%의 범위 내의, 접합된 볼 리프트 값을 구비하며(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 C" 참조),
(γ) 와이어 코어의 경도는, 90 HV 이하, 예를 들어 50 내지 90 HV의 범위 이내, 바람직하게 70 내지 80 HV의 범위 이내이고(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 D" 참조),
(δ) 스티치 본딩(stitch bonding)을 위한 공정 윈도우 영역(process window area)은, 18㎛ 직경의 와이어에 대해, 적어도 12000 mA·g의, 예를 들어 13000 내지 14400 mA·g의 값을 구비하며(이하에 설명되는 바와 같은 상세한 설명 및 "시험 방법 E" 참조),
(ε) 와이어의 저항은, 4.5 μΩ·cm 미만, 예를 들어 3 내지 4.2 μΩ·cm의 범위 이내, 바람직하게 3.8 내지 4.0 μΩ·cm의 범위 이내이고(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 F" 참조),
(ζ) 와이어의 항복 강도는, 180 MPa 이하, 예를 들어 140 내지 180 MPa의 범위 이내이며(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 G" 참조),
(η) 와이어의 은 수지상 성장(silver dendritic growth)은, 4㎛/s 이하, 예를 들어 2 내지 4㎛/s의 범위 이내, 바람직하게 2 내지 3㎛/s의 범위 이내이다(이하에 설명되는 바와 같은 "시험 방법 H" 참조).
용어들 "고유 특성" 및 "외적 특성"은, 본 명세서에서 와이어 코어 또는 FAB에 관해 사용된다. 고유 특성들은, (다른 인자들과 무관하게) 와이어 코어 또는 FAB 그 자체가 구비하는 특성들을 의미하는 가운데, 외적 특성들은, 와이어 코어의 또는 FAB의, 사용되는 측정 방법 및/또는 측정 조건과 같은 다른 인자들과의 관계에 의존한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 경우에, 와이어 코어의 경도(즉 본딩 이전의 경도)는, 90 HV 미만, 바람직하게 70 내지 80 HV의 범위 이내이다. 부가적으로, 본딩 이전의 본 발명의 와이어를 사용하여 처리되는 FAB의 경도는, 80 HV 미만, 바람직하게 60 내지 70 HV의 범위 이내이다. 와이어 코어 및 FAB의 그러한 경도 또는, 더욱 정확하게, 연성(softness)은, 본딩 과정에서 민감한 기판의 손상을 방지하도록 돕는다. 실험들은 또한, 본 발명에 따른 그러한 부드러운 와이어들이 매우 부드러운 FAB 특성들을 보인다는 것을 보여주었다. FAB 경도의 그러한 제한은, 기계적으로 민감한 구조물들이 본딩 패드 아래에 정렬되는 경우에, 특히 유용하다. 이는, 본딩 패드가 알루미늄 또는 금과 같은 부드러운 재료로 구성되는 경우에, 특히 사실이다. 민감한 구조물은, 예를 들어, 특히 2.5 미만의 유전 상수를 갖는 다공성 이산화규소의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 그러한 다공성의 그리고 그에 따라 약한 재료는, 소자 성능을 증가시키는 것을 도울 수 있음에 따라, 점증적으로 보편화되고 있다. 따라서, 본 발명의 본딩 와이어의 기계적 특성들은, 그러한 약한 층들의 균열 또는 다른 손상을 방지하도록 최적화될 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명의 은 합금 와이어는, 4N 순수 은 와이어의 대략 25㎛/s의 성장 속도의 약 1/10 내지 1/7인, 4㎛/s 미만의, 예를 들어 2 내지 4㎛/s 미만의 범위 내의, 바람직하게 2 내지 3㎛/s의 범위 내의, 속도에서의, 은 수지상 성장을 보인다.
다른 유리한 실시예에서, 와이어의 저항은, 많은 적용들에 대한 적합성을 의미하는, 4.5 μΩ·cm 미만, 예를 들어 3 내지 4.2μΩ·cm의 범위 이내, 바람직하게 3.8 내지 4.0 μΩ·cm의 범위 이내이다.
다른 양태에서, 본 발명은 또한, 이하에 개시되는 실시예들 중의 임의의 것에서 은 합금 와이어의 제조를 위한 공정에 관련된다. 공정은 적어도 뒤따르는 단계들을 포함한다:
(1) 이하의 성분으로 구성되는 전구체 물체를 제공하는 단계로서:
(a) 3 내지 6 중량%의 범위 내의, 바람직하게 4 내지 5 중량%의 범위 내의, 양의 팔라듐,
(b) 0.2 내지 2 중량%의 범위 내의, 바람직하게 0.5 내지 1.5 중량%의 범위 내의, 양의 금,
(c) 20 내지 700 중량 ppm의, 바람직하게 275 내지 325 중량 ppm의, 범위 내의 양의 니켈,
(d) 20 내지 500 중량 ppm의, 바람직하게 75 내지 125 중량 ppm의, 범위 내의 양의 백금,
(e) 91.88 내지 96.786 중량%의, 바람직하게 93.455 내지 95.3875 중량%의, 범위 내의 양의 은, 및
(f) 0 내지 100 중량 ppm의 추가적 성분들,
여기서 중량% 및 중량 ppm 단위의 모든 양들은, 전구체 물체의 총 중량에 기초하는 것인, 전구체 물체를 제공하는 단계;
(2) 와이어 전구체를 형성하기 위해, 와이어 코어의 요구되는 최종 직경이 획득될 때까지, 전구체 물체를 신장시키는 단계; 및
(3) 공정 단계 (2)의 완료 이후에 획득된 와이어 전구체를, 은 합금 와이어를 형성하기 위해 0.4 내지 0.8초의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 600℃의 범위 내의 오븐 설정 온도에서, 최종적으로 가닥 어닐링(strand annealing)하는 단계,
여기서, 단계 (2)는, 50 내지 150분의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 오븐 설정 온도에서, 신장된 전구체 물체를 중간 일괄 어닐링(intermediate batch annealing)하는 하나 이상의 부속-단계, 및/또는 0.4초 내지 1.2초의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 오븐 설정 온도에서, 신장된 전구체 물체를 중간 가닥 어닐링(intermediate strand annealing)하는 하나 이상의 부속-단계를 포함한다.
용어 "가닥 어닐링"이 본 명세서에서 사용된다. 이는, 높은 재현성을 갖는 와이어의 고속 생산을 허용하는 연속적 공정이다. 가닥 어닐링은, 어닐링이, 신장된 와이어 전구체 물체 또는 와이어 전구체가 어닐링되도록 어닐링 오븐을 통해 이동하며 그리고 어닐링 오븐을 떠난 이후에 릴(reel) 상에 감기는 가운데, 동적으로 실행된다는 것을, 의미한다.
용어 "오븐 설정 온도"가 본 명세서에서 사용된다. 이는, 어닐링 오븐의 온도 컨트롤러에서 고정되는 온도를 의미한다. 어닐링 오븐은, (일괄 어닐링의 경우에서) 챔버 노 유형 오븐(chamber furnace type oven) 또는 (가닥 어닐링의 경우에서) 튜브형 어닐링 오븐일 수 있을 것이다.
본 개시는, 전구체 물체, 와이어 전구체 및 은 합금 와이어 사이에서 구별한다. 용어 "전구체 물체"는, 와이어 코어의 요구되는 최종 직경에 도달하지 못한 그러한 와이어 사전 단계들에 대해 사용되는 가운데, 용어 "와이어 전구체"는 요구되는 최종 직경에서의 와이어 사전 단계에 대해 사용된다. 공정 단계 (3)의 완료 이후에, 즉 요구되는 최종 직경에서의 와이어 전구체의 최종 가닥 어닐링 이후에, 본 발명의 의미에서의 은 합금 와이어가 획득된다.
공정 단계 (1)에서 제공되는 바와 같은 전구체 물체가, 요구되는 양의 팔라듐, 금, 니켈 및 백금을 함께 합금함/도핑함에 의해 획득될 수 있다. 은 합금 자체는, 금속 합금들의 분야의 당업자에게 공지된 통상적인 공정들에 의해, 예를 들어, 요구되는 비율의 은, 팔라듐, 금, 니켈 및 백금을 함께 용융시킴에 의해, 준비될 수 있다. 그렇게 함으로써, 하나 이상의 통상적인 모합금(master alloy)을 사용할 수 있다. 용융 공정은, 예를 들어, 유도로(induction furnace)를 사용하여 실행될 수 있으며, 그리고 이는 진공 하에서 또는 불활성 기체 분위기 하에서 작업하는 것이 적절하다. 사용되는 재료들은, 예를 들어, 99.99 중량% 및 그보다 위의 순도 등급을 구비할 수 있다. 그렇게 생성된 용융물은, 은 기반 전구체 물체의 균질 조각을 형성하기 위해 냉각될 수 있다. 전형적으로, 그러한 전구체 물체는, 예를 들어, 2 내지 25mm의 직경 및 예를 들어, 5 내지 100 m의 길이를 구비하는 막대의 형태이다. 그러한 막대는, 실온의 적절한 몰드 내에서 상기 은 합금 용융물을 주조함에 의해, 그에 뒤따라 냉각 및 고화시킴에 의해, 제작될 수 있다.
단일-층 또는 복수-층의 형태의 코팅 층이, 본 발명의 제1 양태의 실시예들 중 일부에 대해 개시된 바와 같이, 은 합금 와이어의 코어 상에 존재하는 경우, 이러한 코팅 층은 바람직하게, 아직 신장되지 않은 것, 최종적으로 신장되지 않은 것, 또는 심지어 요구되는 최종 직경으로 완전히 신장된 것일 수 있는, 와이어 전구체 물체에 적용된다. 당업자는, 즉, 와이어 전구체를 형성하기 위해 전구체 물체를 코팅 층과 함께 신장시킨 이후에, 와이어의 실시예들에 대해 개시된 두께의 코팅 층을 획득하기 위한, 전구체 물체 상의 그러한 코팅 층의 두께를 어떻게 계산하는지를 안다. 이상에 이미 개시된 바와 같이, 은 합금 표면 상에 실시예들에 따른 재료의 코팅 층을 형성하기 위한, 수많은 기법들이, 공지된다. 바람직한 기법들이, 전해 도금 및 무전해 도금과 같은 도금, 스퍼터링, 이온 도금, 진공 증착 및 물리적 기상 증착과 같은 가스 상의 재료의 성막, 및 용융 재료의 성막이다.
본 발명의 제1 양태의 실시예들 중 일부에 대해 개시된 바와 같이, 와이어 코어에 단일-층 또는 복수-층으로서 금속 코팅을 중첩시키기 위해, 일단 전구체 물체의 요구되는 직경이 도달되면, 공정 단계 (2)를 중단시키는 것이 적절하다. 그러한 직경은, 예를 들어, 80 내지 200㎛의 범위 이내일 수 있을 것이다. 이어서, 단일-층 또는 복수-층 금속 코팅이, 예를 들어, 하나 이상의 전해 도금 공정 단계에 의해, 적용될 수 있을 것이다. 그 후, 공정 단계 (2)가, 와이어 코어의 요구되는 최종 직경이 획득될 때까지, 계속된다.
공정 단계 (2)에서, 전구체 물체는, 와이어 전구체를 형성하기 위해, 와이어 코어의 요구되는 최종 직경이 획득될 때까지, 신장된다. 와이어 전구체를 형성하도록 전구체 물체를 신장시키기 위한 기법들이, 공지되며, 그리고 본 발명의 맥락에서 유용하다. 바람직한 기법들은, 압연, 스웨이징(swaging), 다이 인발(die drawing) 또는 이와 유사한 것이며, 그들 중 다이 인발이 특히 바람직하다. 후자의 경우에서, 전구체 물체는, 와이어 코어의 요구되는 그리고 최종적 직경이 도달될 때까지, 여러 공정 단계들에서 인발된다.
와이어 코어의 요구되는 그리고 최종적 직경은, 8 내지 80㎛의 범위 이내, 또는 바람직하게 12 내지 55㎛의 범위 이내일 수 있을 것이다. 그러한 와이어 다이 인발 공정은, 당업자에게 잘 알려져 있다. 통상적인 텅스텐 탄화물 및 다이아몬드 인발 다이들(drawing dies)이, 사용될 수 있으며 그리고 통상적인 인발 윤활제들이 인발을 지지하기 위해 사용될 수 있을 것이다.
본 발명의 공정의 단계 (2)는, 50 내지 150분의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 오븐 설정 온도에서, 신장된 전구체 물체를 중간 일괄 어닐링하는 하나 이상의 부속-단계, 및/또는 0.4초 내지 1.2초의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 오븐 설정 온도에서, 신장된 전구체 물체를 중간 가닥 어닐링하는 하나 이상의 부속-단계를 포함한다. 신장된 전구체 물체를 중간 어닐링하는 하나 이상의 단계는, 2개 이상의 복수의 신장 또는 인발 단계들 사이에서 실행될 수 있을 것이다. 이를 예로서 예시하기 위해, 인발 도중의 3개의 상이한 스테이지에서 3개의 중간 어닐링 단계가, 예를 들어, 50 내지 150분의 노출 시간 동안 400 내지 800℃ 범위 이내의 오븐 설정 온도에서의, 2mm의 직경으로 인발된 그리고 드럼 상에 감긴 막대의 제1 중간 일괄 어닐링, 0.4초 내지 1.2초의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 범위 내의 오븐 설정 온도에서의, 47㎛의 직경으로 인발된 전구체 물체의 제2 중간 가닥 어닐링, 및 0.4초 내지 1.2초의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 범위 내의 오븐 설정 온도에서의, 27㎛의 직경으로 추가로 인발된 전구체 물체의 제3 중간 가닥 어닐링이, 실행될 수 있을 것이다.
공정 단계 (3)에서, 공정 단계 (2)의 완료 이후에 획득된 신장된 와이어 전구체는, 최종적으로 가닥 어닐링된다. 최종 가닥 어닐링은, 예를 들어, 0.4 내지 0.8초의 노출 시간 동안 400 내지 600℃의 범위 내의 오븐 설정 온도에서, 또는 바람직한 실시예에서, 0.5 내지 0.7초 동안 400 내지 500℃에서, 실행된다.
최종 가닥 어닐링은 전형적으로, 통상적인 어닐링 오븐을 통해, 전형적으로 주어진 길이의 원통형 튜브의 형태로, 그리고 예를 들어 10 내지 60 미터(m)/분의 범위 내에서 선택될 수 있는 주어진 어닐링 속도에서 규정된 온도 프로파일을 동반하는 가운데, 신장된 와이어 전구체를 당김에 의해 실행된다. 그렇게 함으로써, 어닐링 시간/오븐 온도 파라미터들이, 규정되고 설정될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 최종적으로 가닥 어닐링된 은 합금 와이어는, 실시예에서, 하나 이상의 첨가물들을, 예를 들어 0.01 내지 0.07 체적%의 첨가물(들)을 함유할 수 있는, 물 내에서 담금질된다. 물 내에서의 담금질은, 즉각적으로 또는 신속하게, 즉 0.2 내지 0.6초 이내에, 최종적으로 가닥 어닐링된 은 합금 와이어를, 예를 들어 침지(dipping) 또는 적하(dripping)에 의해 공정 단계 (3)에서 경험한 온도로부터 실온까지, 냉각한다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 대해, 최대 신장 온도 아래의 온도에서의 최종 가닥 어닐링이, 와이어 형태가 긍정적인 방식으로 영향 받을 수 있음에 따라, 유익한 와이어 특성들을 결과적으로 생성할 수 있다는 것이, 확인되었다. 이러한 조절에 의해, 예를 들어 와이어 경도, 볼-본딩 거동 등과 같은 다른 특성들이, 긍정적인 방식으로 영향 받을 수 있다.
실시예에서, 최종 가닥 어닐링은, 최대 연신율 값이 어닐링에 의해 달성될 수 있는 온도보다 적어도 150℃ 더 낮은, 예를 들어 200 내지 220℃ 더 낮은, 온도에서 실행될 수 있으며; 이는, 최대 연신율 값의 70% 이하인, 예를 들어 최대 연신율 값의 20 내지 60%인, 어닐링 이후의 와이어의 연신율 값을 초래할 수 있을 것이다. 예를 들어, 공정 단계 (3)은, 최대 신장 온도 TΔL(max)보다, 적어도 150℃, 바람직하게 적어도 180℃, 또는 적어도 200℃ 더 낮은, 온도에서 실행될 수 있을 것이다. 흔히, 공정 단계 (3)에서의 온도는, TΔL (max) 보다 250℃ 이하 만큼 더 낮다. 최대 신장 온도 TΔL(max)는, 상이한 온도들에서 시험편(와이어)의 파단 시, 연신율을 시험함에 의해 결정된다. 데이터 지점들이, 온도(℃)의 함수로 연신율(%)을 보여주는, 그래프 내에 수집된다. 결과적인 그래프는 흔히, "어닐링 곡선"으로 지칭된다. 은 기반 와이어들의 경우에, 연신율(%)이 최대에 도달하는 온도가, 관찰된다. 이는, 최대 신장 온도 TΔL(max)이다. 샘플 1(표 1)에 따른 18㎛의 은 합금 와이어의 예시적인 어닐링 곡선을 보여주는 예가, 도 1에 도시된다. 어닐링 온도는, x-축의 가변 파라미터이다. 그래프는, 와이어의 파단 하중(BL, 그램(g) 단위) 및 연신율(EL, % 단위)의 측정된 값들을 보여준다. 연신율은, 인장 시험에 의해 결정되었다. 연신율 측정값은 나타낸 예에서, 대략 700℃의 어닐링 온도에서 달성되었던, 대략 20%의 전형적인 국부적 최대 값을 보였다. 샘플 2에 따른 와이어가 이러한 최대 신장 온도에서 최종 가닥 어닐링되지 않은 대신, 최대 신장 온도 아래로 210℃인 490℃에서 최종 가닥 어닐링된 경우, 결과는, 최대 연신율 값 아래로 40%를 초과하는 것인, 약 8%의 연신율 값이다.
공정 단계 (2)의 중간 어닐링 뿐만 아니라 공정 단계 (3)의 최종 가닥 어닐링도, 불활성 또는 환원 분위기에서 실행될 수 있을 것이다. 수많은 유형의 불활성 분위기들 뿐만 아니라 환원 분위기들이, 당해 기술 분야에 공지되며 그리고 어닐링 오븐을 청소하기 위해 사용된다. 공지된 불활성 분위기들 중의, 질소 또는 아르곤이, 바람직하다. 공지된 환원 분위기들 중의, 수소가, 바람직하다. 다른 바람직한 환원 분위기가, 수소와 질소의 혼합물이다. 바람직한 수소와 질소의 혼합물은, 90 내지 98 체적%의 질소 및 그에 따른 2 내지 10 체적%의 수소이며, 여기서 체적%는 총 100 체적%이다. 바람직한 질소/수소의 혼합물은, 각각 혼합물의 총 체적에 기초하여, 93/7, 95/5 및 97/3 체적%/체적%이다. 어닐링에 환원 분위기들을 적용하는 것은, 은 합금 와이어의 표면의 일부 부분들이 공기 중의 산소에 의한 산화에 민감한 경우에, 특히 바람직하다. 상기 유형들의 불활성 또는 환원 가스에 의한 청소(Purging)는 바람직하게, 10 내지 125 min-1의, 더욱 바람직하게 15 내지 90 min-1의, 가장 바람직하게 20 내지 50 min-1의, 범위 내에 놓이는, 가스 교환율(= 가스 유량[liter/min] : 내측 오븐 용적[liter])에서 실행된다.
(완성된 은 합금 와이어 코어의 조성과 동일한 것인) 전구체 물체 재료의 조성 그리고 공정 단계 (2) 및 공정 단계 (3) 도중에 지배적인 어닐링 파라미터들의 독특한 조합이, 이상에 개시된 고유 및/또는 외적 특성들 중의 적어도 하나를 보이는 본 발명의 와이어를 획득하는데 본질적이라고, 믿어진다. 중간 및 최종 가닥 어닐링 단계들의 온도/시간 조건들은, 은 합금 와이어 코어의 고유 및 외적 특성들을 달성하는 것을 또는 조절하는 것을 허용한다.
공정 단계 (3)의 완료 이후에, 본 발명의 은 합금 와이어가 완성된다. 그의 특성들로부터 완전히 이익을 얻기 위해, 와이어 본딩 적용들을 위해 즉시, 즉 지연 없이, 예를 들어 공정 단계 (3)의 완료 이후에 10일 이내에, 사용하는 것이 적절하다. 대안적으로, 은 합금 와이어의 넓은 와이어 본딩 공정 윈도우 특성을 유지하기 위해 그리고 산화 또는 다른 화학적 공격으로부터 은 합금 와이어를 보호하기 위해,
완성된 와이어는 전형적으로, 공정 단계 (3)의 완료 이후에 즉시, 즉 지연 없이, 예를 들어 공정 단계 (3) 이후 1 시간 미만 내지 5시간 이내에, 감기게 되고 진공 밀봉되며, 그리고 이어서 본딩 와이어의 추가적 사용을 위해 저장된다. 진공 밀봉 상태에서의 저장은, 6개월을 초과하지 않아야 한다. 진공 밀봉을 개방한 이후에, 은 합금 와이어는, 10일 이내에 와이어 본딩을 위해 사용되어야만 한다.
공정 단계들 (1) 내지 (3) 모두, 뿐만 아니라 감기 및 진공 밀봉도, 클린룸 조건(US FED STD 209E 클린룸 표준들, 1k 표준) 하에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 양태가, 본 발명의 제2 양태 또는 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 앞서 개시된 공정에 의해 획득 가능한, 은 합금 와이어이다. 상기 은 합금 와이어는, 와이어 본딩 적용들에서의 본딩 와이어로서의 사용에 잘 어울린다는 것이 확인된 바 있다. 와이어 본딩 기술은 당업자에게 잘 알려져 있다. 와이어 본딩의 과정에서, 볼 접합(제1 접합) 및 스티치 접합 (제2 접합, 웨지 접합)이 형성된다. 접합 형성 도중에, 초음파 에너지(전형적으로 mA 단위로 측정됨)의 인가에 의해 지지되는, 특정 힘(전형적으로 그램 단위로 측정됨)이, 가해진다. 와이어 본딩 공정에서, 가해지는 힘의 상한과 하한 사이의 차이 및 인가되는 초음파 에너지의 상한과 하한 사이의 차이의 수학적 곱셈은, 와이어 본딩 공정 윈도우를 규정한다:
(가해지는 힘의 상한 - 가해지는 힘의 하한)·(인가되는 초음파 에너지의 상한 - 인가되는 초음파 에너지의 하한) = 와이어 본딩 공정 윈도우.
와이어 본딩 공정 윈도우는, 사양을 만족시키는, 즉 단지 몇 가지만 말하자면, 통상적인 인장 시험, 볼 전단 시험(ball shear test) 및 볼 인장 시험(ball pull test)과 같은 통상적인 시험들을 통과하는, 와이어 접합의 형성을 허용하는 힘/초음파 에너지 조합들의 영역을 규정한다.
달리 표현하면, 제1 접합(볼 접합) 공정 윈도우 영역은, 접합에 사용되는 힘의 상한과 하한 사이의 차이 및 인가되는 초음파 에너지의 상한과 하한 사이의 차이의 곱이며, 결과적으로 생성되는 접합은, 특정 볼 전단 시험 사양을, 예를 들어, 0.0085 g/㎛2의 볼 전단, 본딩 패드 상에서 점착성 없지 않음 등을, 만족시켜야만 하는 가운데, 제2 접합(스티치 접합) 공정 윈도우 영역은, 접합에 사용되는 힘의 상한과 하한 사이의 차이 및 인가되는 초음파 에너지의 상한과 하한 사이의 차이의 곱이며, 결과적으로 생성되는 접합은, 특정 인장 시험 사양을, 예를 들어, 2.5g의 볼 전단, 리드 상에서 점착성 없지 않음 등을, 만족시켜야만 한다.
산업적 적용을 위해, 와이어 본딩 공정 견고성을 이유로, 넓은 와이어 본딩 공정 윈도우(g 단위의 힘 대 mA 단위의 초음파 에너지)를 구비하는 것이, 바람직하다. 본 발명의 와이어는, 상당히 넓은 와이어 본딩 공정 윈도우를 보인다.
뒤따르는 비-제한적인 예들은, 본 발명을 예시한다. 이러한 예들은, 본 발명에 대한 예시적인 설명으로서 역할을 하며, 어떤 식으로도 본 발명 또는 청구항들의 범위를 제한할 의도가 아니다.
예들
FAB의 준비:
무 공기 볼(Free Air Ball: FAB)을 위한 KNS 공정 사용자 가이드(쿨릭케 & 소파 인더스트리즈 인크(Kulicke & Soffa Industries Inc.), 포트 워싱턴, PA, USA, 2002, 2009년 5월 31일)에 설명된 절차에 따라, FAB이 가공되었다. FAB은, 표준 굽기(standard firing)(단일 단계, 18mA의 EFO 전류, EFO 시간 420 ㎲)에 의한 통상적인 전기적 화염 차단(electric flame-off: EFO) 굽기를 실행함으로써 준비되었다.
시험 방법들 A. 내지 J.
모든 시험 및 측정은, T = 20℃ 및 상대 습도 RH = 50%에서 수행되었다.
A. 와이어들 및 FAB의 전자 후방 산란 회절(EBSD) 패턴 분석:
와이어 및 FAB 조직(texture)을 측정하기 위해 채택되는 주요 단계들은, 샘플 준비, 양호한 키쿠치(Kikuchi) 패턴을 얻는 것, 및 구성요소 계산이었다:
FAB을 갖는 또는 FAB을 갖지 않는 와이어들은, 먼저 에폭시 수지를 사용하여 매립되었으며 그리고 표준 금속 조직학적 기술에 따라 연마되었다: 이온 밀링(ion milling)이, 와이어 표면의 임의의 기계적 변형, 오염물질 및 산화 층을 제거하기 위해, 최종 샘플 준비 단계에서 적용되었다. 이온 밀링된 절단된 샘플 표면은, 금으로 스퍼터링되었다. 이어서, 이온 밀링 및 금 스퍼터링이, 추가적인 2회에 걸쳐 수행되었다. 화학적 에칭 또는 이온-에칭이 수행되지 않았다.
샘플은, 정상 FESEM 샘플 유지 테이블 표면에 대해 70° 경사진 유지대에 의해, 전계 방출형 주사 전자현미경(field emission scanning electron microscope: FESEM) 내에 장전되었다. FESEM에는, EBSD 검출기가 추가로 장착되었다. 와이어 결정학적 정보를 포함하는 전자 후방 산란 패턴들(EBSP)이 획득되었다.
이러한 패턴들은, (브루커에 의해 개발된 QUANTAX EBSD 프로그램으로 지칭되는 소프트웨어를 사용하여) 입자 방위 분율(grain orientation fraction), 평균 입자 크기 등에 대해 추가로 분석되었다. 유사한 방위의 지점들이, 조직 구성요소(texture component)를 형성하기 위해 함께 그룹화되었다.
상이한 조직 구성요소를 구별하기 위해, 15°의 최대 공차 각도가 사용되었다. 와이어 인발 방향이 기준 방위로서 설정되었다. [100], [101] 및 [111] 조직 백분율이, 기준 방위에 평행한 [100], [101] 및 [111] 방위면을 갖는 결정들의 백분율의 측정에 의해, 계산되었다.
평균 입자 크기들이, 입자 경계들의 위치를 결정하기 위해, 여기서는 10°인, 최소값보다 큰 인접한 격자 지점들 사이의 결정학적 방위를 한정함에 의해, 분석되었다. EBSD 소프트웨어는, 각 입자의 면적을 계산하였으며 그리고 이 면적을 "평균 결정 입자 크기"로 정의되는 상당 원 직경(equivalent circle diameter)으로 변환하였다. ~100㎛의 길이 이내의 와이어의 길이 방향을 따르는 모든 입자들이, 평균 입자 크기의 평균 및 표준 편차를 결정하기 위해 집계되었다.
이중 입계들(또한 Σ3 CSL 이중 입계들로 지칭됨)이, 평균 입자 크기 계산에서 배제되었다. 이중 입계는, 인접한 결정학적 영역들(crystallographic domains) 사이에서의 <111> 방위면에 대한 60° 회전에 의해 설명되었다. 지점들의 개수는, 평균 입자 크기의 1/5보다 작았던, 단차 크기(step size)에 의존한다.
B. 접합된 볼들의 염-용액(salt-solution) 침지 시험:
와이어들이, Al-0.5중량% Cu 본딩 패드들에 볼 접합되었다. 그렇게 접합된 와이어들과 함께 시험 장치들이, 10분 동안 25℃의 염-용액에 침지되었고, 탈이온(DI) 수 및 나중에 아세톤으로 세척되었다. 염-용액은, DI 수 내에 20 중량 ppm NaCl을 함유했다. 리프팅된 볼(리프팅된 볼)의 개수가, 100X 배율의 저출력 현미경(니콘 MM-40) 하에서 검사되었다. 더 많은 수의 리프팅된 볼의 관찰은, 심한 계면 갈바니 부식(interfacial galvanic corrosion)을 지시했다.
C. 접합된 볼들의 수분 저항성 시험:
와이어들이, Al-0.5중량% Cu 본딩 패드들에 볼 접합되었다. 그렇게 접합된 와이어들과 함께 시험 장치들이, 매우 가속된 응력 시험(highly accelerated stress test: HAST) 챔버 내에, 130℃의 온도, 85% 상대 습도(RH)에서, 8시간 동안 저장되었으며, 그리고 나중에, 100X 배율의 저출력 현미경(니콘 MM-40) 하에서 리프팅된 볼의 개수에 대해 검사되었다. 더 많은 수의 리프팅된 볼의 관찰은, 심한 계면 갈바니 부식을 지시했다.
D. 비커스 미세-경도:
경도는, 비커스 압자(Vickers indenter)를 갖는 미쓰토요(Mitutoyo) 사의 HM-200 시험 장비를 사용하여 측정되었다. 10 mN 압입 하중의 힘이, 12초의 지속시간 동안 와이어의 시험 표본에 가해졌다. 시험은, 와이어 코어 및 FAB의 중심에 관해 실행되었다.
E. 스티치 본딩 공정 윈도우 영역:
본딩 공정 윈도우 영역의 측정이 표준 절차에 의해 실행되었다. 시험 와이어는, KNS-iConn 접합 도구(쿨릭케 & 소파 인더스트리즈 인크, 포트 워싱턴, PA, USA)를 사용하여 접합되었다. 공정 윈도우 값들은, 18㎛의 평균 직경을 구비하는 와이어에 기초하였으며, 여기서 와이어가 그에 접합된 리드 핑거(lead finger)는, 은으로 구성되었다.
공정 윈도우의 4개의 모서리가, 2가지 주요 실패 모드를 극복함에 의해 도출되었다:
(1) 너무 낮은 힘 및 초음파 에너지의 공급은, 와이어의 리드 핑거 상에서의 점착성 없음(non-stick on lead finger: NSOL)으로 이어지며, 그리고
(2) 너무 높은 힘 및 초음파 에너지의 공급은, 짧은 와이어 테일(short wire tail: SHTL)로 이어진다.
F. 전기 저항성:
시험 표본의, 즉 길이 1.0 미터의 와이어의, 양단부가, 일정한 전류/전압을 제공하는 전원에 연결되었다. 저항은, 공급 전압에 대해 장치에 의해 기록되었다. 측정 장치는, 히오키(HIOKI) 사의 모델 3280-10 이었으며, 그리고 시험은 적어도 10개의 시험 표본에 대해 반복되었다. 측정값들의 산술 평균이, 이하에 주어지는 계산을 위해 사용되었다.
저항 R은 R = V/I 에 따라 계산되었다.
비저항 ρ이, ρ = (R x A)/L 에 따라 계산되었으며, 여기서, A는 와이어의 평균 단면적 그리고 L은 전압을 측정하기 위한 장치의 2개의 측정 지점 사이에서의 와이어의 길이이다.
비전도율 σ가, σ = 1/ρ에 따라 계산되었다.
G. 연신율(EL):
와이어들의 인장 특성들이, 인스트론(Instron)-5564 도구를 사용하여 시험되었다. 와이어들은, 254mm 게이지 길이(L)에 대해, 2.54 cm/분의 속도에서, 시험되었다. 파열(파단) 시의 하중 및 연신율은, ASTM 표준 F219-96에 따라 획득되었다. 연신율은, 일반적으로 기록된 하중 대 신장 인장 도표(recorded load versus extension tensile plot)로부터 계산되는 (100· △L/L)과 같은 백분율로 보고되는, 인장 시험의 시작과 종료 사이에서의 와이어의 게이지 길이(△L)의 차이였다. 인장 강도 및 항복 강도는, 와이어 면적에 의해 나눗셈된 파단 및 항복 하중으로부터 계산되었다. 와이어의 실제 직경은, 와이어의 표준 길이를 계량하며 그리고 와이어의 밀도를 사용하는, 크기 결정 방법에 의해 측정되었다.
H. 와이어들의 일렉트로-마이그레이션 시험:
2개의 와이어가, 50X 배율의 저출력 현미경(니콘 MM-40)의 대물 렌즈 아래의 PTFE 플레이트 상에 밀리미터 거리 이내에서 평행하게 유지되었다. 물 방울이, 전기적으로 연결되도록 2개의 와이어 사이에 마이크로 피켓에 의해 형성되었다. 하나의 와이어는 양극에 그리고 다른 하나의 와이어는 음극에 연결되었으며, 그리고 5 V가 와이어들에 주어졌다. 2개의 와이어는, 10 kΩ 저항기와 직렬로 연결된 닫힌 회로 내에서 5 V 직류에 의해 편향되었다. 회로는, 전해질로서 몇 방울의 탈이온화된 물로, 2개의 와이어를 적심에 의해 닫혔다. 은(silver)은, 은 수지상 돌기들(silver dendrites)을 형성하도록 전해질 내에서 음극으로부터 양극으로 일렉트로-마이그레이션되었고, 때때로 2개의 와이어는 연결되었다. 은 수지상 돌기들의 성장 속도는, 합금 첨가물들에 강하게 의존한다. 시험된 와이어들의 직경은 75㎛이었다.
예 1
적어도 99.99% 순도("4N")의 소정양의 은(Ag), 팔라듐(Pd) 및 금 (Au)이, 각각의 경우에, 도가니 내에서 용융되었다. 소량의 은-니켈 및 은-백금 모합금이, 용융물에 첨가되었으며 그리고 첨가된 성분들의 균일한 분포가 교반에 의해 확인되었다. 뒤따르는 은-니켈 및 은-백금 모합금들이 사용되었다:
Figure pct00001
표 1의 합금들에 대해, 모합금들 Ag-0.5중량% Ni 및 Ag-0.5중량% Pt의 대응하는 조합이 첨가되었다.
이어서, 8mm의 막대들의 형태의 와이어 코어 전구체 물체가, 용융물로부터 연속으로 주조되었다. 와이어 코어 전구체 물체는 이어서, 18 ± 0.5㎛의 구체화된 직경을 갖는 와이어 코어 전구체를 형성하기 위해, 여러 인발 단계들에서 인발되었다. 와이어 코어의 단면은, 본질적으로 원 형상이었다.
2mm의 직경으로 인발되고 드럼 상에 감긴 막대들은, 60분의 노출 시간 동안 500℃의 오븐 설정 온도에서 중간 일괄 어닐링되었다. 47㎛의 직경으로 인발된 전구체 물체들의, 0.8초의 노출 시간 동안 600℃의 오븐 설정 온도에서의, 제2 중간 가닥 어닐링, 및 27㎛의 직경으로 인발된 전구체 물체들의, 0.6초의 노출 시간 동안 600℃의 오븐 설정 온도에서의, 제3 중간 가닥 어닐링이, 실행되었다. 18㎛의 와이어 코어 전구체의, 0.6초의 노출 시간 동안 490℃의 오븐 설정 온도에서의, 최종 가닥 어닐링이, 실행되었고, 그에 뒤따라 그렇게 획득된 와이어들을 0.05 체적%의 계면 활성제를 함유하는 물 내에서의 담금질했다. 중간 일괄 어닐링은, 아르곤 정화 기체를 사용하여 실행된 가운데, 가닥 어닐링은, 95 체적%의 질소: 5 체적%의 질소 정화 가스 혼합물을 사용하여 실행되었다.
이러한 절차에 의해, 본 발명에 따른 은 합금 와이어들의 여러 상이한 샘플 1 내지 샘플 5 및 4N 순도의 비교 은 와이어(Ref)가, 제조되었다.
중량% 중량 ppm
샘플 Au Pd Ni Ca Pt Cu
4N Ag (Ref) 0.0002 0.0002 2 2 2 2
1 0.5 4.0 300 2 100 2
2 1.0 4.5 300 2 100 2
3 1.0 4.5 200 2 100 2
4 1.0 4.5 200 2 100 2
5 1.5 3.5 300 2 50 2
표 1: 은 합금들의 화학적 조성
표 1은, 샘플 1 내지 샘플 5의, 본 발명에 따른 상이한 와이어들의 조성을 보여준다. 팔라듐 함량은, 3.5 내지 4.5 중량%의 범위 이내였다. 금 함량은, 0.5 내지 1.5 중량%의 범위 이내였다. 니켈 첨가는 200에서 300 중량 ppm까지 변화되었다. 백금 함량은, 50 내지 100 중량 ppm에서 유지되었다.
와이어 샘플 1 내지 샘플 5의 입자 크기들이 측정되었으며 그리고 평균 입자 크기들이 보고되었다. 결과는, 각각의 경우에서 2 내지 6㎛의 범위 이내였다. 샘플 2에 대해, 평균 입자 크기는 2.83㎛이었다.
아래의 표 2는, 접합된 와이어들의 마모 및 수분 저항성, 제2 접합 공정 윈도우의 거동 및 FAB 형성의 성능에 관한, 평가의 결과들을 보여준다. 이상에 한정된 와이어 샘플 1 내지 샘플 5 뿐만 아니라 4N 순도 은의 비교 와이어는, Al-0.5중량% Cu 본딩 패드들에 접합되었으며 그리고 이상에 개시된 시험 방법들에 따라 시험되었다. 75㎛의 와이어들로 실행된 일렉트로 마이그레이션 시험을 제외한, 모든 시험이, 18㎛의 와이어들로 수행되었다.
샘플 4N Ag (Ref) 1 2 3 4 5
기계적 특성들 연신율, % 7.51 7.56 7.45 7.49 7.50 7.58
인장 강도, MPa 185 267 266 267 268 268
항복 강도, MPa 133 164 166 167 169 167
미세-경도, HV (10 mN/12 s) 50 78 78 79 80 79
전기적 특성들 저항, μΩ·cm 1.6 3.7 3.9 3.9 3.9 3.9
접합된 볼들의 염-용액 침지 시험 % 접합된 볼 리프트 85 2 0 2 2 2
수분 저항성 시험 % 접합된 볼 리프트 50 2 0 2 2 2
일렉트로-마이그레이션 테스트 은 수지상 돌기들의 성장 속도(㎛/s) 25 2.4 2.3 2.4 2.4 2.4
FAB FAB 형성의 성능 +++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++
본딩 공정 윈도우 제1 접합(볼 접합), mA·g 650 1020 1020 1020 1020 1020
제2 접합(스티치 접합), mA·g 8100 14400 14400 14400 14400 14400
표 2: 와이어 샘플 1 내지 샘플 5에 대해 획득된 특정 시험 결과들; 평가: ++++ 우수, +++, 양호, ++ 만족, + 열등
모든 와이어 샘플들은, 산업적 적용에 잘 맞는, 공정 윈도우들을 결과적으로 생성했다. 접합된 볼들의 마모 및 수분 저항성의 상당한 개선이 관찰되었다. 특히, 와이어 샘플 2는, 4N 은 와이어(Ref)와 비교하여 특별한 개선점인, 영(0) 볼 리프트의 값을 보였다.
부가적으로, 와이어 샘플들의 은 수지상 성장은, 4N 순수 은 와이어의 은 수지상 성장보다 훨씬 더 낮았다.
표 3은, 와이어 샘플 2(와이어, FAB 및 열 영향 구역(heat affected zone: HAZ))의 평균 입자 크기 및 조직 구성요소들을 보여준다.
4N Ag 샘플 2
[100] 방위(면적 분율, %) FAB 0.9 13.5
HAZ 6.2 4.2
와이어 6.0 1.8
[101] 방위(면적 분율, %) FAB 19.5 18.5
HAZ 27.9 11.8
와이어 38.7 6.8
[111] 방위(면적 분율, %) FAB 6.1 1.9
HAZ 4.5 2.7
와이어 9.4 2.0
평균 입자 크기 (㎛) FAB 11.6 4.69
HAZ 4.28 2.89
와이어 2.92 2.83
이중 입계의 분율 (%) FAB 73.6 56.4
HAZ 76.2 61.1
와이어 70.0 48.5
표 3: 어닐링된 18㎛의 와이어 샘플 2에 대한 조직 분석
도 1은, 은-팔라듐-금-니켈-백금 합금 18㎛ 와이어, 샘플 2(표 1 참조)의 예시적 어닐링 곡선을 도시한다. 어닐링 시간은, 이동하는 와이어의 속도를 조절함에 의해 일정한 값으로 선택되었다. 어닐링 온도는, x-축의 가변 파라미터이다. 그래프는, 와이어의 파단 하중(BL, 그램(g) 단위) 및 연신율(EL, % 단위)의 측정된 값들을 보여준다. 연신율은, 인장 시험에 의해 결정되었다. 연신율 측정값은 나타낸 예에서, 대략 700℃의 어닐링 온도에서 달성되었던, 대략 20%의 전형적인 국부적 최대 값을 보였다. 와이어 샘플 2는, 도 1에 따른 최대 신장 온도 아래로 210℃ 이었던, 490℃에서 어닐링되었다. 이는, 최대 연신율 값 아래로 40%를 초과하는 것인, 약 8%의 연신율 값을 결과로 가져왔다.
도 2는, 은-팔라듐-금-니켈-백금 합금 18㎛ 와이어, 샘플 2(표 1)의 예시적인 이온 밀링된 단면 이미지를 도시한다. 3개의 상이한 개소, 와이어, HAZ 및 FAB의 입자 형태가, 명백하다. 와이어 샘플 2는, 490℃, 7.45 EL에서 어닐링되었다. 1.8의 볼 대 와이어 크기 비(Ball to wire size ratio: BSR) 그리고 EFO 전류 18 mA 및 EFO 시간 420 ㎲가 적용되었다.

Claims (16)

  1. 와이어 코어를 포함하거나, 또는 와이어 코어로 구성되는, 은 합금 와이어로서, 와이어 코어 자체는:
    (a) 3 내지 6 중량%의 범위 내의 양의 팔라듐,
    (b) 0.2 내지 2 중량%의 범위 내의 양의 금,
    (c) 20 내지 700 중량 ppm의 범위 내의 양의 니켈,
    (d) 20 내지 500 중량 ppm의 범위 내의 양의 백금,
    (e) 91.88 내지 96.786 중량%의 범위 내의 양의 은, 및
    (f) 0 내지 100 중량 ppm의 추가적 성분들
    로 구성되고,
    중량% 및 중량 ppm 단위의 모든 양들은, 코어의 총중량에 기초하며,
    은 합금 와이어는 8 내지 80㎛의 범위 내의 평균 직경을 구비하는 것인, 은 합금 와이어.
  2. 제 1항에 있어서,
    12 내지 55㎛의 범위 내의 평균 직경을 구비하는 것인, 은 합금 와이어.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    팔라듐 양은, 4 내지 5 중량%의 범위 이내인 것인, 은 합금 와이어.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    금 양은, 0.5 내지 1.5 중량%의 범위 이내인 것인, 은 합금 와이어.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    니켈 양은, 275 내지 325 중량 ppm의 범위 이내인 것인, 은 합금 와이어.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    백금 양은, 75 내지 125 중량 ppm의 범위 이내인 것인, 은 합금 와이어.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    은 양은, 93.455 내지 95.3875 중량%의 범위 이내인 것인, 은 합금 와이어.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단면도에서, 원, 타원 또는 직사각 형상을 구비하는 것인, 은 합금 와이어.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    와이어 코어는 표면을 구비하고, 표면은, 외측 표면 또는, 와이어 코어와 와이어 코어 상에 중첩되는 코팅 층 사이의 계면 영역인 것인, 은 합금 와이어.
  10. 제 9항에 있어서,
    와이어 코어 상에 중첩되는 코팅 층을 구비하고, 코팅 층은, 귀금속 원소로 이루어진 단일-층, 또는 다수의 중첩된 인접 서브-층으로 구성되는 복수-층으로서, 각 서브-층은 상이한 귀금속 원소로 이루어지는 것인, 복수-층인 것인, 은 합금 와이어.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    와이어 코어는, 적어도 뒤따르는 고유 특성들 중의 하나에 의해, 특징지어지며:
    (1) 평균 와이어 입자 크기는, 10㎛ 미만이고,
    (2) 와이어 입자 [100] 또는 [101] 또는 [111] 방위면은, 10% 미만이며,
    (3) 와이어 이중 입계 분율은, 60% 이하이고,
    (4) FAB은, 2가지 유형의 입자 구조: 즉 등축 입자들 및 기둥형 입자들의 조합을 보이며,
    (5) FAB 평균 입자 크기는, 8㎛ 이하이고,
    (6) FAB 입자 [101] 방위면은, 25% 미만이며,
    (7) FAB 이중 입계 분율은, 70% 미만임,
    및/또는 적어도 뒤따르는 외적 특성들 중의 하나에 의해 특징지어지는 것인, 은 합금 와이어:
    (α) 부식 저항성은, 2% 이하의 접합된 볼 리프트(bonded ball lift) 값을 구비하고,
    (β) 수분 저항성은, 2% 이하의 접합된 볼 리프트 값을 구비하며,
    (γ) 와이어 코어의 경도는, 90 HV 이하이고,
    (δ) 스티치 본딩을 위한 공정 윈도우 영역은, 적어도 12000 mA·g의 값을 구비하며,
    (ε) 와이어의 저항은, 4.5 μΩ·cm 미만이고,
    (ζ) 와이어의 항복 강도는, 180 MPa 이하이며,
    (η) 와이어의 은 수지상 성장은, 4㎛/s 이하임.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 은 합금 와이어의 제조 공정에 있어서:
    (1) 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 와이어 코어의 조성을 갖는 전구체 물체를 제공하는 단계,
    (2) 와이어 전구체를 형성하기 위해, 와이어 코어의 요구되는 최종 직경이 달성될 때까지, 전구체 물체를 신장시키는 단계; 및
    (3) 공정 단계 (2)의 완료 이후에 획득된 와이어 전구체를, 은 합금 와이어를 형성하기 위해 0.4 내지 0.8초의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 600℃의 범위 내의 오븐 설정 온도에서, 최종적으로 가닥 어닐링하는 단계
    를 적어도 포함하고,
    단계 (2)는, 50 내지 150분의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 오븐 설정 온도에서, 신장된 전구체 물체를 중간 일괄 어닐링하는 하나 이상의 부속-단계, 및/또는 0.4초 내지 1.2초의 범위 이내의 노출 시간 동안 400 내지 800℃의 오븐 설정 온도에서, 신장된 전구체 물체를 중간 가닥 어닐링하는 하나 이상의 부속-단계를 포함하는 것인, 은 합금 와이어의 제조 공정.
  13. 제 12항에 있어서,
    최종 가닥 어닐링은, 0.5 내지 0.7초의 범위 내의 노출 시간 동안 400 내지 500℃의 범위 내의 오븐 설정 온도에서, 실행되는 것인, 은 합금 와이어의 제조 공정.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    최종적으로 가닥 어닐링된 은 합금 와이어는, 하나 이상의 첨가제를 함유할 수 있는 물 내에서 담금질되는 것인, 은 합금 와이어의 제조 공정.
  15. 제 12항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    공정 단계 (2)의 중간 어닐링 뿐만 아니라 공정 단계 (3)의 최종 가닥 어닐링 또한, 불활성 또는 환원 분위기에서 실행되는 것인, 은 합금 와이어의 제조 공정.
  16. 은 합금 와이어로서,
    제 12항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 공정에 의해 획득 가능한 것인, 은 합금 와이어.
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