KR20180081593A

KR20180081593A - 은 합금 구리 와이어

Info

Publication number: KR20180081593A
Application number: KR1020187016818A
Authority: KR
Inventors: 진 지 리아오; 시 장; 무랄리 사란자파니; 안톤 티어토너디; 아비토 다닐라 바야라스; 스레쉬쿠마르 비노바지; 체 케옹 로크; 피우 테인트 에이 피우; 체 웨이 톡
Original assignee: 헤라우스 매터리얼즈 싱가포르 피티이 엘티디
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-07-16
Also published as: KR102214366B1; JP2019500494A; SG10201509913XA; WO2017095323A3; CN108291276A; JP6632728B2; TW201721658A; CN108291276B; WO2017095323A2; TWI627637B

Abstract

와이어 코어를 포함한 은 합금 구리 와이어가 제공되고, 상기 와이어 코어 자체는 (a) 0.3 내지 0.7 중량% 양의 은, (b) 99.25 내지 99.7 중량% 범위의 양의 구리, 및 (c) 0 내지 500 중량ppm의 추가 성분으로 구성되며, 상기 중량% 및 중량ppm의 모든 양은 코어의 총 중량에 기초를 둔다.

Description

은 합금 구리 와이어

본 발명은 특정 중량비로 구리와 은을 포함한 코어를 포함한 8 내지 80㎛ 두께의 은 합금 구리 와이어에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 와이어를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전자 및 마이크로전자 어플리케이션에서 본딩 와이어의 사용은 잘 알려진 최신 기술이다. 비록 초창기에는 본딩 와이어가 금으로 제조되었지만, 요즘에는 구리, 구리 합금, 은 및 은 합금과 같은 덜 비싼 재료가 사용된다.

와이어 형상과 관련해서, 원형 단면을 가진 본딩 와이어와 다소간의 직사각 단면을 가진 본딩 리본이 가장 일반적이다. 상기 2가지 유형의 와이어 형상은 특수 어플리케이션에 유용하게 하는 각각의 장점을 갖는다.

본 발명의 목적은 와이어 본딩 어플리케이션에 사용하기에 적합한 은 합금 구리 와이어를 제공하는 것이고, 상기 은 합금 구리 와이어는 특히 내식성 및 본딩 성능이 개선되지만, 예를 들면 우수한 신뢰도 성능, 초미세 피치 필요조건을 충족하는 개선된 접합 볼 모양, 개선된 제2 본드 윈도우, 개선된 루핑(looping) 성능, 연장된 플로어(floor) 수명 등을 포함한 와이어 본딩 어플리케이션에 적절한 전반적으로 균형잡힌 속성 스펙트럼을 또한 나타낸다.

상기 목적의 해법에 대한 기여는 카테고리 형성 청구항의 주제에 의해 제공된다. 카테고리 형성 청구항의 종속 청구항은 본 발명의 양호한 실시형태를 나타내고, 그 주제는 전술한 목적을 해결하는 기여를 또한 구성한다.

제1 양태에서, 본 발명은 와이어 코어(이하에서는 간단히 "코어"라고도 부름)를 포함하거나 코어만으로 구성된 은 합금 구리 와이어와 관련되고, 상기 와이어 코어 자체는 하기의 성분으로 구성된다:

(a) 0.3 내지 0.7 중량%(weight-%, 중량에 의한 %), 바람직하게는 0.5 중량%의 양의 은,

(b)99.25 내지 99.7 중량%, 바람직하게는 99.45 내지 99.5 중량%, 더 바람직하게는 99.49 내지 99.5 중량% 범위의 양의 구리, 및

(c) 0 내지 500 중량ppm(weight-ppm, 중량에 의한 ppm), 바람직하게는 0 내지 100 중량ppm의 추가 성분(은 및 구리 외의 성분).

여기에서 중량% 및 중량ppm의 모든 양은 코어의 총 중량에 기초를 둔다.

아래의 표는 은 합금 구리 와이어 코어 조성의 각종 실시형태를 보인 것이다.

구리( 중량%)	은( 중량%)	추가 성분( 중량ppm)	총 중량비( 중량%)
99.25~99.7	0.3~0.7	0~500	100.00
99.29~99.7	0.3~0.7	0~100	100.00
99.45~99.5	0.5	0~500	100.00
99.49~99.5	0.5	0~100	100.00

은 합금 구리 와이어는 바람직하게 마이크로전자에서 접합을 위한 본딩 와이어이다. 은 합금 구리 와이어는 바람직하게 일편(one-piece) 물체이다. 여러 가지 형상이 공지되어 있고 본 발명의 은 합금 구리 와이어에 유용한 것으로 나타난다. 본 발명에 있어서, 용어 "본딩 와이어"는 모든 형상의 단면 및 모든 유용한 와이어 직경을 포함하지만, 원형 단면 및 얇은 직경을 갖는 본딩 와이어가 바람직하다. 평균 단면은 예를 들면 50 내지 5024㎛² 또는 바람직하게 110 내지 2400㎛²의 범위 내이고; 따라서 바람직한 원형 단면의 경우에 평균 직경은 예를 들면 8 내지 80㎛ 또는 바람직하게 12 내지 55㎛의 범위 내이다.

평균 직경 또는 간단히 말해서 와이어 또는 와이어 코어의 직경은 "사이징법"(sizing method)에 의해 획득될 수 있다. 이 방법에 따르면 규정된 길이의 은 합금 구리 와이어의 물리적 중량이 결정된다. 이 중량에 기초해서, 와이어 또는 와이어 코어의 직경은 와이어 물질의 농도를 이용하여 계산된다. 직경은 특정 와이어의 5개의 컷에 대한 5개의 측정치의 산술 평균으로서 계산된다.

전술한 바와 같이, 와이어 코어는 (a) 은 및 (b) 구리를 전술한 비율로 포함한다. 그러나 본 발명의 은 합금 구리 와이어의 코어는 (c) 0 내지 500 중량ppm, 바람직하게는 0 내지 100 중량ppm의 총량으로 추가의 성분을 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, 가끔 "필연적 불순물"이라고도 부르는 상기 추가의 성분은 사용하는 원료에 존재하는 불순물로부터 또는 와이어 제조 공정으로부터 발원하는 소량의 화학 원소 및/또는 화합물이다. 즉, 상기 (c) 유형의 추가 성분의 존재는 예를 들면 은 및/또는 구리에 존재하는 불순물로부터 발원할 수 있다. 그러한 추가 성분의 예로는 Au, P, Ni, Pd, Fe, Si, Mn, Cr, Ce, Mg, La, Al, B, Zr, Ti, S 등이 있다. 상기 추가 성분(c)의 0 내지 500 중량ppm 또는 심지어 0 내지 100 중량ppm의 낮은 총량은 와이어 속성의 양호한 재현성을 보장한다. 코어에 존재하는 추가 성분(c)은 일반적으로 별도로 추가되지 않는다.

일 실시형태에서, 본 발명의 은 합금 구리 와이어의 코어는 다음과 같은 각각의 추가 성분(c)을 15 중량ppm 미만으로 포함한다: Au, P, Ni, Pd, Fe, Si, Mn, Cr, Ce, Mg, La, Al, B, Zr, Ti, S.

이러한 맥락에서 은 합금 구리 와이어의 코어는 균질의 벌크 물질 영역으로서 정의된다. 임의의 벌크 물질은 항상 어느 정도 다른 속성을 나타내는 표면 영역을 갖기 때문에, 와이어의 코어의 속성은 균질인 벌크 물질 영역의 속성으로서 이해된다. 벌크 물질 영역의 표면은 형태, 조성물(예를 들면, 염소 및/또는 산소 성분) 및 다른 특징에 있어서 다를 수 있다. 상기 표면은 와이어 코어의 외측면일 수 있고; 그러한 실시형태에서 본 발명의 은 합금 구리 와이어는 와이어 코어로 구성된다. 대안적 실시형태에서, 상기 표면은 와이어 코어와 와이어 코어에 겹쳐진 코팅층 간의 계면 영역일 수 있다.

본 발명의 맥락에서 용어 "겹침"은 제2 아이템, 예를 들면 코팅층과 관련하여 제1 아이템, 예를 들면 와이어 코어의 상대적 위치를 묘사하기 위해 사용된다. "겹침"은 반드시는 아니지만 중간층과 같은 추가의 아이템이 제1 아이템과 제2 아이템 사이에 배치될 수 있음을 특징으로 한다. 바람직하게, 제2 아이템은 제1 아이템 위에 적어도 부분적으로, 예를 들면 제1 아이템의 전체 표면과 관련하여 각각 적어도 30%, 50%, 70% 또는 90% 겹쳐진다. 가장 바람직하게는 제2 아이템이 제1 아이템 위에 완전히 겹쳐진다.

본 발명의 맥락에서 용어 "중간층"은 코어와 코어 위에 겹쳐진 코팅층 사이에 있는 은 합금 구리 와이어의 영역을 말한다. 이 영역에는 코어와 코팅층의 물질들의 결합이 존재한다.

본 발명의 맥락에서 용어 "두께"는 코어의 종축에 수직한 방향으로 층의 크기를 정의하기 위해 사용되며, 상기 층은 코어의 표면 위에 적어도 부분적으로 겹쳐진다.

일 실시형태에서, 코어는 표면을 갖고, 코팅층은 코어의 표면 위에 겹쳐진다.

일 실시형태에서, 코팅층의 질량은 코어의 총 질량과 관련하여 각각 5 중량% 이하, 바람직하게는 2 중량% 이하이다. 코팅층이 있을 때, 코팅층은 종종 코어의 총 질량과 관련하여 각각 0.1 중량% 이상 또는 0.5 중량% 이상의 최소 질량을 갖는다. 코팅층으로서 소량의 물질을 적용하면 와이어의 코어의 물질에 의해 정의되는 특성들을 보존한다. 반면에, 코팅층은 환경에 대해 불활성으로 되는 것, 내식성, 개선된 접착력 등과 같이 와이어 표면에 특별한 특성들을 제공한다. 예를 들면, 코팅층의 두께는 직경이 18㎛인 와이어에 대하여 20 내지 120nm의 범위 내이다. 직경이 25㎛인 와이어의 경우에 코팅층은 예를 들면 30 내지 150nm 범위의 두께를 가질 수 있다.

일 실시형태에서, 코팅층은 귀금속 원소로 구성될 수 있다. 코팅층은 상기 귀금속 원소들 중의 하나의 원소의 단일층일 수 있다. 다른 실시형태에서, 코팅층은 다수의 중첩되어 인접한 부층(sub-layer)들로 구성된 다층일 수 있고, 이때 각각의 부층은 다른 귀금속 원소로 구성된다. 이러한 귀금속 원소를 코어 위에 증착하는 일반적인 기법은 전기도금 및 무전해도금과 같은 도금, 스퍼터링과 같이 기체상으로부터의 물질의 증착, 이온 도금, 진공 증착 및 물리 기상 증착, 및 용해금속으로부터의 물질의 증착이다.

일 실시형태에서, 본 발명의 은 합금 구리 와이어 또는 그 코어는 다음과 같은 고유 속성 중의 적어도 하나를 특징으로 한다(후술하는 "테스트 방법 A" 참조):

(i) 평균 와이어 입자 크기(평균 입자 크기)는 종방향(와이어 코어의 종방향)으로 측정하였을 때 4.0㎛ 미만, 예를 들면 2 내지 3㎛의 범위 내이다,

(ii) 종방향으로 측정한 평균 입자 크기와 와이어 코어의 직경의 비율은 0.05 내지 0.25, 바람직하게는 0.1 내지 0.20의 범위 내이다,

(iii) 종방향으로 측정하였을 때 코어의 평균 입자 크기에 대한 평균 입자 크기의 표준 편차비(RSD)는 0.3 미만, 예를 들면 0.1 내지 0.2의 범위 내이다.

용어 "고유 속성"은 여기에서 와이어 코어와 관련하여 사용된다. 고유 속성은 와이어 코어가 본질적으로(다른 요소들에 독립적으로) 갖는 속성을 의미한다. 고유 속성에 반대되는 외래 속성은 사용하는 측정 방법 및/또는 측정 조건과 같은 다른 요소들과의 와이어 코어 관계에 의존한다.

다른 양태에서, 본 발명은 전술한 임의의 실시형태에서 은 합금 구리 와이어의 제조 공정과 또한 관련이 있다. 제조 공정은 적어도 하기의 단계들을 포함한다:

(1) (a) 0.3 내지 0.7 중량%, 바람직하게는 0.5 중량%의 양의 은, (b) 99.25 내지 99.7 중량%, 바람직하게는 99.45 내지 99.5 중량%, 더 바람직하게는 99.49 내지 99.5 중량% 범위의 양의 구리, 및 (c) 0 내지 500 중량ppm, 바람직하게는 0 내지 100 중량ppm의 추가 성분- 여기에서 중량% 및 중량ppm의 모든 양은 전구체 아이템의 총 중량에 기초한 것임 -으로 구성된 전구체 아이템을 마련하는 단계;

(2) 와이어 코어의 원하는 최종 직경이 획득될 때까지 와이어 전구체를 형성하도록 전구체 아이템을 신장하는 단계; 및

(3) 은 합금 구리 와이어를 형성하기 위해, 상기 공정 단계 (2)의 완료 후에 획득된 와이어 전구체를 0.1 내지 3초 범위의 노출 시간 동안 600 내지 680℃ 범위의 오븐 설정 온도에서 최종적으로 스트랜드 어닐링하는 단계.

용어 "스트랜드 어닐링"이 여기에서 사용된다. 스트랜드 어닐링은 높은 재현성으로 와이어의 고속 생산을 가능하게 하는 연속 공정이다. 스트랜드 어닐링은 ls장되는 와이어 전구체 아이템 또는 어닐링되는 와이어 전구체가 어닐링 오븐을 통해 이동하고 어닐링 오븐을 떠난 후에 릴에 감겨지는 동안 어닐링이 동적으로 행하여지는 것을 의미한다.

용어 "오븐 설정 온도"가 여기에서 사용된다. 이것은 어닐링 오븐의 온도 제어기에서 고정된 온도를 의미한다. 스트랜드 어닐링은 전형적으로 관형 어닐링 오븐에서 수행된다.

본 개시에서는 전구체 아이템, 와이어 전구체 및 은 합금 구리 와이어를 구별한다. 용어 "전구체 아이템"은 와이어 코어의 원하는 최종 직경에 도달하지 않은 와이어 전단계에 대하여 사용되고, 용어 "와이어 전구체"는 원하는 최종 직경에 도달한 와이어 전단계에 대하여 사용된다. 공정 단계 (3)의 완료 후, 즉, 원하는 최종 직경의 와이어 전구체의 최종 스트랜드 어닐링 후에, 발명의 의미에서의 은 합금 구리 와이어가 얻어진다.

공정 단계 (1)에서 마련된 전구체 아이템은 바람직한 양의 은으로 구리를 합금/도핑함으로써 얻어질 수 있다. 구리 합금 자체는 금속 합금 분야에서 공지된 종래의 공정에 의해, 예를 들면 바람직한 비율로 구리와 은을 함께 용해함으로써 준비될 수 있다. 그렇게 할 때 마스터 합금을 사용할 수 있다. 용해 공정은 예를 들면 유도로(induction furnace)를 이용하여 수행될 수 있고, 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 작업하는 것이 유리하다. 사용되는 물질은 예를 들면 99.99 중량% 이상의 순도를 가질 수 있다. 이렇게 생성된 용해금속은 구리 기반 전구체 아이템의 균질편을 형성하도록 냉각될 수 있다. 전형적으로, 이러한 전구체 아이템은 예를 들면 2 내지 25mm의 직경 및 예를 들면 5 내지 100m의 길이를 가진 봉의 형태일 수 있다. 이러한 봉은 상기 구리 합금 용해금속을 실온의 적당한 주형에서 주조하고, 그 다음에 냉각 및 고화함으로써 제조될 수 있다.

만일 단일층 또는 다층 형태의 코팅층이 본 발명의 제1 양태의 일부 실시형태와 관련하여 설명한 것처럼 은 합금 구리 와이어의 코어 위에 있으면, 이 코팅층은 아직 신장되지 않은, 최종적으로 신장되지 않은 또는 바람직한 최종 직경까지 완전히 신장되지 않은 와이어 전구체 아이템에 적용되는 것이 바람직하다. 당업자라면 와이어의 실시형태에 대하여 설명한 두께의 코팅층을 얻기 위해, 즉 와이어 전구체를 형성하기 위해 코팅층과 함께 전구체 아이템을 신장한 후에 전구체 아이템에서 이러한 코팅층의 두께를 계산하는 법을 알고 있을 것이다. 위에서 이미 설명한 바와 같이, 구리 합금 표면 위에 실시형태에 따른 물질의 코팅층을 형성하는 여러 가지 기법이 알려져 있다. 양호한 기법은 전기도금 및 무전해도금과 같은 도금, 스퍼터링과 같이 기체상으로부터의 물질의 증착, 이온 도금, 진공 증착 및 물리 기상 증착, 및 용해금속으로부터의 물질의 증착이다.

발명의 제1 양태의 일부 실시형태에 대하여 설명한 바와 같이 와이어 코어에 단일층 또는 다층으로서 금속 코팅을 겹치기 위해, 전구체 아이템의 원하는 직경에 도달한 때 공정 단계 (2)를 중단하는 것이 유리하다. 그러한 직경은 예를 들면 80 내지 200㎛의 범위 내일 수 있다. 그 다음에 단일층 또는 다층 금속 코팅이 예를 들면 하나 이상의 전기도금 공정 단계에 의해 적용될 수 있다. 그 후 와이어 코어의 원하는 최종 직경이 획득될 때까지 공정 단계 (2)가 계속된다.

공정 단계 (2)에서, 전구체 아이템은 와이어 전구체를 형성하기 위해 와이어 코어의 원하는 최종 직경이 획득될 때까지 신장된다. 와이어 전구체를 형성하기 위해 전구체 아이템을 신장하는 기법은 공지되어 있고 발명의 맥락에서 유용한 것으로 나타난다. 양호한 기법은 롤링, 스웨이징(swaging), 다이 드로잉(die drawing) 등이 있고, 이 중에서 다이 드로잉이 특히 양호하다. 후자의 경우에, 전구체 아이템은 와이어 코어의 원하는 최종 직경에 도달할 때까지 여러 공정 단계로 드로잉된다.

와이어 코어의 원하는 최종 직경은 8 내지 80㎛의 범위 또는 바람직하게 12 내지 55㎛의 범위 내일 수 있다. 이러한 와이어 다이 드로잉 공정은 당업자에게 잘 알려져 있다. 종래의 텅스텐 카바이드 및 다이아몬드 드로잉 다이를 이용할 수 있고, 드로잉을 지원하기 위해 종래의 드로잉 윤활제를 이용할 수 있다.

단계 (2)는 중간 어닐링의 임의의 부단계를 포함하지 않는 것이 바람직하다.

공정 단계 (3)에서, 공정 단계 (2)의 완료 후에 얻어진 신장된 와이어 전구체는 최종적으로 스트랜드 어닐링된다. 최종의 스트랜드 어닐링은 예를 들면 0.1 내지 3초의 노출 시간 동안 600 내지 680℃의 범위, 또는 양호한 실시형태에서 0.1 내지 1.5초 동안 610 내지 650℃ 범위의 오븐 설정 온도에서 수행된다. 예시적인 실시형태에서, 최종 스트랜드 어닐링은 0.85초의 노출 시간 동안 630℃의 오븐 설정 온도에서 수행될 수 있다.

최종 스트랜드 어닐링은 전형적으로 소정 길이의 원통관의 형태인 종래의 어닐링 오븐을 통해 소정의 어닐링 속도로 규정된 온도 프로파일로 상기 신장된 와이어 전구체를 풀링(pulling)함으로써 수행되고, 상기 소정의 어닐링 속도는 예를 들면 10 내지 60m/분의 범위에서 선택될 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 어닐링 시간/오븐 온도 파라미터가 규정되고 설정될 수 있다.

양호한 실시형태에서, 최종적으로 스트랜드 어닐링된 은 합금 구리 와이어는, 일 실시형태에서, 하나 이상의 첨가제, 예를 들면 0.01 내지 0.07 체적%(vol.-%)의 첨가제를 함유할 수 있는 물에서 담금질된다. 물에서의 담금질은 상기 최종적으로 스트랜드 어닐링된 은 합금 구리 와이어를 공정 단계 (3)에서 받은 온도로부터 예를 들면 디핑(dipping) 또는 드리핑(dripping)에 의해 실온으로 즉시 또는 신속히, 즉 0.2 내지 0.6초 이내에 냉각시키는 것을 의미한다.

공정 단계 (3)의 최종 스트랜드 어닐링은 불활성 또는 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 많은 유형의 불활성 분위기 및 환원 분위기가 업계에 공지되어 있고, 어닐링 오븐을 퍼징(purging)하는 데 사용된다. 공지된 불활성 분위기 중에서 질소 또는 아르곤이 양호하다. 공지된 환원 분위기 중에서 수소가 양호한 예이다. 다른 양호한 환원 분위기는 수소와 질소의 혼합물이다. 수소와 질소의 양호한 혼합물은 90 내지 98 체적%의 질소 및 2 내지 10 체적%의 수소이고, 여기에서 체적%는 총 100 체적%이다. 질소/수소의 양호한 혼합물은 93/7, 95/5 및 97/3 체적%/체적%이고, 각각 혼합물의 총 체적에 기초를 둔다. 만일 은 합금 구리 와이어의 표면의 일부가 공기 중의 산소에 의한 산화에 민감하면 어닐링 시에 환원 분위기를 적용하는 것이 특히 바람직하다. 상기 유형의 불활성 또는 환원 가스로의 퍼징은 10 내지 125 분(min)^-1, 더 바람직하게는 15 내지 90 분^-1, 가장 바람직하게는 20 내지 50 분^-1 범위의 가스 교환율(= 가스 유량[리터/분]:오븐 내부 체적[리터])로 수행되는 것이 바람직하다.

전구체 아이템 물질의 조성(완성된 은 합금 구리 와이어의 물질과 같음)과 공정 단계 (3) 중에 우세한 어닐링 파라미터의 독특한 결합은 전술한 고유 속성들 중의 적어도 하나를 나타내는 본 발명의 와이어를 얻는 데 중요한 것으로 믿어진다. 최종 스트랜드 어닐링 단계의 온도/시간 조건은 은 합금 구리 와이어 코어의 고유 속성의 달성 또는 조정을 가능하게 한다. 순수 구리 와이어와 비교할 때 본 발명의 은 합금 구리 와이어의 더 좋은 전체 성능은 그 조성과 최종 스트랜드 어닐링 조건의 결과이고; 2개의 특징은 함께 고유 속성 (i) 내지 (iii)으로서 표현되는 특정 입자 구조를 야기한다. 상기 특정 입자 구조는 양호한 성능 파라미터의 원인이다. 입자 구조는 특히 더 작은 평균 입자 크기 및 더 작은 입자 크기 분포에 의해 순수 구리 와이어의 입자 구조와 다르다.

공정 단계 (3)의 완료 후에, 본 발명의 은 합금 구리 와이어는 완성된다. 그 속성으로부터 충분히 이익을 취하기 위해, 와이어 본딩 어플리케이션을 위해 즉시, 즉 예를 들면 공정 단계 (3)의 완료 후에 10일의 플로어 시간(floor time) 이내에서 지연 없이 그 속성을 이용하는 것이 유리하다. 대안적으로, 은 합금 구리 와이어의 넓은 와이어 본딩 공정 윈도우 속성을 유지하기 위해서 및 은 합금 구리 와이어를 산화 또는 다른 화학적 공격으로부터 보호하기 위해서, 완성된 와이어는 전형적으로 공정 단계 (3)의 완료 후에 즉시, 즉 예를 들면 공정 단계 (3)의 완료 후 1 내지 5시간 이내에 지연 없이 감겨지거나 진공 밀봉되고, 그 다음에 본딩 와이어로서 추가로 사용하기 위해 저장된다. 진공 밀봉 조건에서의 저장은 6개월을 넘지 않아야 한다. 진공 밀봉을 개봉한 후에 은 합금 구리 와이어는 10일 이내에 와이어 본딩을 위해 사용되어야 한다.

(1) 내지 (3)의 모든 공정 단계뿐만 아니라 감기 및 진공 밀봉은 클린룸 조건(US FED STD 209E 클린룸 표준, 1k 표준)에서 실행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 양태는 발명 또는 그 실시형태의 제2 양태에 따른 전술한 공정에 의해 획득될 수 있는 은 합금 구리 와이어이다. 상기 은 합금 구리 와이어는 와이어 본딩 어플리케이션에서 본딩 와이어로서 사용하기에 적합한 것으로 밝혀졌다. 와이어 본딩 기법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 와이어 본딩 과정에서, 볼 본드(제1 본드)와 스티치 본드(제2 본드, 웨지 본드)가 형성되는 것이 전형적이다. 본드 형성 중에 스크럽 진폭(전형적으로 ㎛ 단위로 측정됨)의 인가에 의해 지원되거나 초음파 에너지(전형적으로 mA 단위로 측정됨)의 인가에 의해 지원되는 소정의 힘(전형적으로 그램 단위로 측정됨)이 인가된다. 와이어 본딩 공정에서 상기 인가된 힘의 상한과 하한간의 차와 상기 인가된 스크럽 진폭의 상한과 하한간의 차의 수학적 곱 또는 상기 인가된 힘의 상한과 하한간의 차와 상기 인가된 초음파 에너지의 상한과 하한간의 차의 수학적 곱은 와이어 본딩 공정 윈도우를 규정한다: 즉,

(인가된 힘의 상한 - 인가된 힘의 하한) ㆍ (인가된 스크럽 진폭의 상한 - 인가된 스크럽 진폭의 하한) = 와이어 본딩 공정 윈도우.

또는

(인가된 힘의 상한 - 인가된 힘의 하한) ㆍ (인가된 초음파 에너지의 상한 - 인가된 초음파 에너지의 하한) = 와이어 본딩 공정 윈도우.

와이어 본딩 공정 윈도우는 사양에 맞는, 즉 몇 가지만 예를 들자면 종래의 풀링 테스트(pulling test), 볼 전단 테스트 및 볼 풀링 테스트와 같은 종래의 테스트를 통과하는 와이어 본드의 형성을 가능하게 하는 힘/스크럽 진폭 조합의 영역 또는 힘/초음파 에너지 조합의 영역을 규정한다.

다시 말해서, 제1 본드(볼 본드) 공정 윈도우 영역은 본딩시에 사용된 힘의 상한과 하한간의 차와 인가된 스크럽 진폭의 상한과 하한간의 차의 곱 또는 본딩시에 사용된 힘의 상한과 하한간의 차와 인가된 초음파 에너지의 상한과 하한간의 차의 곱이고, 이때 결과적인 본드는 소정의 볼 전단 테스트 사양, 예를 들면 0.0085 그램/㎛²의 볼 전단, 본드 패드에의 비교착성 없음 등을 충족해야 하며, 제2 본드(스티치 본드) 공정 윈도우 영역은 본딩시에 사용된 힘의 상한과 하한간의 차와 인가된 스크럽 진폭의 상한과 하한간의 차의 곱 또는 본딩시에 사용된 힘의 상한과 하한간의 차와 인가된 초음파 에너지의 상한과 하한간의 차의 곱이고, 이때 결과적인 본드는 소정의 풀링 테스트 사양, 예를 들면 2.5 그램의 풀링 힘, 납에의 비교착성 없음 등을 충족해야 한다.

산업적 어플리케이션을 위하여, 와이어 본딩 공정 강건성의 이유 때문에 넓은 와이어 본딩 공정 윈도우(힘(g) 대 스크럽 진폭(㎛) 또는 힘(g) 대 초음파 에너지(mA))을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 와이어는 상당히 넓은 와이어 본딩 공정 윈도우를 나타낸다.

아래의 비제한적인 실시예는 본 발명을 예시한다. 이 실시예들은 발명의 예시적인 설명으로 소용되고 어떻게든 본 발명 또는 특허 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

실시예

테스트 방법 A 내지 D

모든 테스트 및 측정은 T=20℃ 및 상대 습도 RH=50%에서 시행되었다.

A. 선형 차단 방법

먼저 와이어를 콜드 마운팅 에폭시 수지를 이용하여 포팅한 다음, 표준 금속조직학(metallographic) 기법에 의해 연마(단면화)하였다. 샘플 표면에서 최소 변형 스트레인으로 샘플을 갈고 연마하기 위해 낮은 힘 및 최적 속도로 다중 예비 반자동 연마기(multi-prep semi-automatic polisher)를 사용하였다. 마지막으로, 연마된 샘플을 입자 경계를 드러내도록 염화제이철을 이용하여 화학적으로 에칭하였다. 입자 크기는 ASTM E112-12 표준에 따라서 배율이 1000인 광학 현미경으로 선형 차단 방법을 이용하여 측정하였다.

B. 볼 형상

EFO(electric flame-off) 토치를 이용하여 FAB(free air ball)를 형성하였다(95/5 체적%/체적%의 질소/수소 가스 분위기에서, EFO 전류: 50mA, EFO 시간: 120㎲). 형성된 FAB를 미리 규정된 높이(203.2㎛의 첨단부)로부터 미리 규정된 속도(6.4 ㎛/초의 접촉 속도)로 본딩 패드까지 낮췄다. 본딩 패드에 접촉한 때, 일련의 규정된 본딩 파라미터(100g의 접착력, 95mA의 초음파 에너지 및 15ms의 접착 시간)를 FAB를 변형하기 위해 적용하고 접착 볼을 형성하였다. 볼을 형성한 후에, 모세관이 규정된 높이(152.4㎛의 꼬임(kink) 높이 및 254㎛의 루프 높이)까지 상승하여 루프를 형성하였다. 루프를 형성한 후에 모세관을 납까지 낮춰서 스티치를 형성하였다. 스티치를 형성한 후 와이어를 절단하여 미리 규정된 꼬리 길이를 만들기 위해(254㎛의 꼬리 길이 연장) 모세관을 상승시키고 와이어 클램프를 닫았다. 각각의 샘플에 대하여 5개의 접착된 와이어를 배율이 1000인 현미경을 이용하여 광학적으로 검사하였다. 평가: + 라운드형(round), 0 수용가능, - 꽃모양(flowery).

C. 탈중심 볼(off center ball, OCB)

방법 B에서 설명한 것과 동일 방법을 적용하지만 볼의 라운드니스(roundness)를 검사하는 대신 볼의 중심성을 판단하였다. 각각의 샘플에 대하여 5개의 접착된 와이어를 광학적으로 검사하였다. 평가: + 중심맞음, 0 수용가능하게 탈중심됨, - 탈중심됨.

D. 내식성:

연속 주조 8mm 봉을 10mm 길이로 분리하고 85℃의 소금 용액에 4일 동안 담근 후 탈이온(DI)수를 이용하여 세척하고 그 다음에 아세톤으로 세척하였다. 소금 용액은 DI수에 용해된 20 중량% NaCl을 내포하였다. 봉의 표면 변색을 10 내지 100X 배율의 낮은 파워 스코프(입체경 - SZX16)로 관측하였다. 원래의 구리 담홍색으로부터 다크블랙으로 변한 봉 표면은 심각한 틈새 부식을 나타내었다. 다크블랙 표면에서의 SEM-EDX는 염소, 산소 및 구리의 피크를 나타내었다.

평가:

-, 원래의 구리 담홍색으로부터 다크블랙 색으로 변한 100% 주조 봉 표면, 심각한 틈새 부식을 표시함

0, 원래의 구리 담홍색으로부터 블랙 색으로 변한 70% 미만의 주조 봉 표면, 틈새 부식을 표시함

+, 원래의 구리 담홍색으로부터 블랙 색으로 변한 40% 미만의 주조 봉 표면, 약한 틈새 부식을 표시함

++, 원래의 구리 담홍색으로부터 다크블랙 색으로 변한 10% 미만의 주조 봉 표면, 틈새 부식이 거의 또는 전혀 없음을 표시함

실시예

각각의 경우에 적어도 99.99% 순도("4N")의 구리(Cu) 및 합금 원소(은(Ag) 또는 니켈(Ni) 또는 금(Au) 또는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd))를 약 1200℃의 진공 오븐 내 도가니에서 용해시켰다. 그 다음에 8mm 봉 형태의 와이어 코어 전구체 아이템을 용해금속으로부터 연속 주조하였다. 그 다음에 와이어 코어 전구체 아이템을 수회의 드로잉 단계에서 드로잉하여 18±0.5㎛의 특정 직경을 가진 와이어 코어 전구체를 형성하였다. 와이어 코어의 단면은 본질적으로 원형이었다.

18㎛ 와이어 코어 전구체의 최종 스트랜드 어닐링을 630℃의 오븐 설정 온도에서 0.85초의 노출시간 동안 수행하고, 그 다음에 이렇게 하여 얻어진 와이어를 0.05 체적%의 계면활성제를 내포한 물에서 담금질하였다. 스트랜드 어닐링은 95 체적%의 질소 : 5 체적%의 수소 퍼징 가스 혼합물을 이용하여 수행하였다. 마지막으로, 어닐링된 와이어를 깨끗한 양극 처리된(도금된) 알루미늄 스풀에 감고 진공 포장하여 저장하였다.

대안적인 절차에서, 18㎛ 와이어 코어 전구체의 최종 스트랜드 어닐링을 550℃의 오븐 설정 온도에서 0.85초의 노출시간 동안 수행하였다. 다른 조건들은 모두 동일하게 유지하였다.

다른 대안적인 절차에서, 18㎛ 와이어 코어 전구체의 최종 스트랜드 어닐링을 700℃의 오븐 설정 온도에서 0.85초의 노출시간 동안 수행하였다. 다른 조건들은 모두 동일하게 유지하였다.

이러한 절차에 의해, 합금 구리 와이어의 여러 샘플 1 내지 9(본 발명 및 비교예에 따른 것) 및 4N 순도의 참조 구리 와이어(Ref)가 제조되었다.

표 1은 본 발명에 따른 상이한 와이어 샘플 1 내지 9의 조성을 보여준다.

	중량%
샘플	Cu	Ag	Ni	Pd	Au	Pt
4N Cu(Ref) (어닐링 온도: 630℃)	≥99.99
1(비교예) (어닐링 온도: 630℃)	99.9	0.1
2(본 발명) (어닐링 온도: 630℃)	99.5	0.5
3(비교예) (어닐링 온도: 630℃)	99.0	1.0
4(비교예) (어닐링 온도: 630℃)	99.0		1.0
5(비교예) (어닐링 온도: 630℃)	99.0			1.0
6(비교예) (어닐링 온도: 630℃)	99.0				1.0
7(비교예) (어닐링 온도: 630℃)	99.0					1.0
8(비교예) (어닐링 온도: 550℃)	99.5	0.5
9(비교예) (어닐링 온도: 700℃)	99.5	0.5

구리 합금 1 내지 9의 화학적 조성

표 2는 Al-0.5 중량%Cu 본드 패드에 접착된 와이어 샘플 1 내지 9를 전술한 테스트 방법에 따라 테스트하여 얻어진 소정의 테스트 결과를 보여준다. 테스트는 모두 18㎛ 와이어로 실행하였다.

샘플	4N Cu (Ref)	1	2	3	4	5	6	7	8	9
평균 와이어 입자크기[㎛](테스트 방법 A에 따른 것)	4	4	2.5	2.5	3.2	3.5	3.5	3.5	0.8	3.5
평균 와이어 입자크기 표준편차[㎛](테스트 방법 A에 따른 것)	0.9	0.9	0.36	0.3	0.6	0.5	0.5	0.5	0.25	0.4
볼 형상(테스트 방법 B에 따른 것)	-	0	+	+	-	-	-	-	+	0
탈중심 볼(테스트 방법 C에 따른 것)	0	+	+	-	0	0	0	0	+	0
내식성(테스트 방법 D에 따른 것)	0	+	+	++	+	-	-	-	0	0

와이어 샘플 1-9에 대하여 얻어진 테스트 결과

Claims

와이어 코어를 포함하는 은 합금 구리 와이어로서, 상기 와이어 코어 자체는,
(a) 0.3 내지 0.7 중량%의 양의 은,
(b) 99.25 내지 99.7 중량% 범위의 양의 구리, 및
(c) 0 내지 500 중량ppm의 추가 성분으로 구성되며,
상기 중량% 및 중량ppm의 모든 양은 코어의 총 중량에 기초한 것인 은 합금 구리 와이어.
제1항에 있어서, 평균 단면이 50 내지 5024㎛² 범위인 은 합금 구리 와이어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 평균 직경이 8 내지 80㎛ 범위인 원형 단면을 갖는 은 합금 구리 와이어.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은의 양은 0.5 중량%이고, 상기 구리의 양은 99.45 내지 99.5 중량%인 것인 은 합금 구리 와이어.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 성분의 양은 0 내지 100 중량ppm의 범위인 것인 은 합금 구리 와이어.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어 코어는 표면이 있고, 상기 표면은 외측면 또는 와이어 코어와 이 와이어 코어에 겹쳐진 코팅층 간의 계면 영역인 것인 은 합금 구리 와이어.
제6항에 있어서, 상기 와이어 코어에 겹쳐진 코팅층을 구비하고, 상기 코팅층은 귀금속 원소로 구성된 단일층 또는 다수의 중첩된 인접 부층(sub-layer)으로 구성된 다층이며, 상기 각각의 부층은 다른 귀금속 원소로 구성된 것인 은 합금 구리 와이어.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어 코어는 적어도,
(i) 평균 와이어 입자 크기가 종방향으로 측정하였을 때, 2 내지 4㎛ 미만의 범위 내인 고유 속성과,
(ii) 종방향으로 측정한 평균 입자 크기와 와이어 코어의 직경의 비율이 0.05 내지 0.25 범위 내인 고유 속성, 그리고
(iii) 종방향으로 측정하였을 때, 코어의 평균 입자 크기에 대한 평균 입자 크기의 표준 편차비(RSD)가 0.1 내지 0.3 범위 내인 고유 속성
중의 하나를 특징으로 하는 것인 은 합금 구리 와이어.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 은 합금 구리 와이어를 제조하는 은 합금 구리 와이어의 제조 방법으로서,
(1) (a) 0.3 내지 0.7 중량% 양의 은, (b) 99.25 내지 99.7 중량% 범위의 양의 구리, 및 (c) 0 내지 500 중량ppm의 추가 성분- 상기 중량% 및 중량ppm의 모든 양은 전구체 아이템의 총 중량에 기초한 것임 -으로 구성된 전구체 아이템을 마련하는 단계;
(2) 와이어 코어의 원하는 최종 직경이 획득될 때까지 와이어 전구체를 형성하도록 상기 전구체 아이템을 신장하는 단계; 및
(3) 은 합금 구리 와이어를 형성하기 위해, 상기 공정 단계 (2)의 완료 후에 획득된 와이어 전구체를 0.1 내지 3초 범위의 노출시간 동안 600 내지 680℃ 범위의 오븐 설정 온도에서 최종적으로 스트랜드 어닐링하는 단계
를 적어도 포함하는 은 합금 구리 와이어의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 단계 (2)는 임의의 중간 어닐링 부단계(sub-step)를 포함하지 않는 것인 은 합금 구리 와이어의 제조 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 최종 스트랜드 어닐링은 0.1 내지 1.5초 범위의 노출시간 동안 610 내지 650℃ 범위의 오븐 설정 온도에서 수행되는 것인 은 합금 구리 와이어의 제조 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최종적으로 스트랜드 어닐링된 은 합금 구리 와이어는 하나 이상의 첨가제를 함유할 수 있는 물에서 담금질되는 것인 은 합금 구리 와이어의 제조 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 단계 (3)의 최종 스트랜드 어닐링은 불활성 또는 환원 분위기에서 수행되는 것인 은 합금 구리 와이어의 제조 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 의해 획득 가능한 은 합금 구리 와이어.