KR20200139896A - 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은,
교반용 용기에 에탄올 400g 및 폴리에틸렌글리콜 #400 48g를 넣고 초음파를 가하여 상기 에탄올 및 상기 폴리에틸렌글리콜이 잘 혼합되도록 한 후 상기 교반용 용기에 복층 그래핀 2~4g를 넣고 초음파를 가하여 복층 그래핀이 단층 그래핀으로 분리되도록 하는 단계(S10);
상기 교반용 용기에 산화알루미나 분말을 340~360g 넣고 초음파를 가하여 입자 내 그래핀 분산이 잘 되도록 하고 산화지르코니아 40~50g, 산화크롬 0.5~1g, 산화마그네슘 0.5~1g 및 산화니켈 0.5~1g를 상기 교반용 용기에 넣은 후 초음파를 가한 후 상기 교반용 용기를 교반기에 올려놓고 상기 교반기를 동작시키는 단계(S12, S14);
밀러용기에 Ф 5.0 지르코니아 볼 1/3 부피로 채운 후 밀러용기에 상기 단계(S12, S14)의 혼합된 슬러리를 넣은 후 혼합 및 분쇄하는 단계(S16);
밀러용기에서 지르코니아 볼을 걸러내고 슬러리만 증발 접시에 붓고 40℃를 유지하는 건조기에서 건조하는 단계(S18);
건조된 슬러리 덩어리를 분쇄 유발에서 부숴가면 150㎛ 망체로 걸러낸 후 150㎛ 망체로 걸러낸 분말에 대해 분쇄작업과 45㎛ 망체 체거름 작업을 거름체 위에 남은 분말이 거름체를 기울였을 때 유동성이 좋을 때까지 반복하는 단계(S20);
분말을 캐필러리 압축성형 금형에 투입하여 캐필러리 성형체를 생산하는 단계(S22);
결합제로 사용된 폴리에틸렌글리콜 #400을 최종 소결 전 저온에서 태워 버리는 단계(S24);
노에 캐필러리 성형체를 넣고 승온 속도 20℃/min.으로 0℃에서 200℃로 승온, 승온 속도 40℃/min.으로 200℃에서 1200℃로 승온, 승온 속도 25℃/min.으로 1200℃에서 1550℃로 승온, 및 1550℃에서 설정된 시간 동안 유지 후 자연 냉각하는 공정을 통해 소결하는 단계(S26); 및
소결된 캐필러리 성형체를 핫 아이소스태틱 프레스 장치에서 고온고압 열처리하는 단계(S28);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법{Methods for manufacture of capillary sintering body for package wire bonding}

본 발명은 패키지 와이어 본딩(package wire bonding)용 캐필러리 소결체(capillary sintering body) 제조방법에 관한 것이다.

국제 금값 상승으로 인하여 반도체 칩(Chip) 조립 공정에서 주로 사용하던 금선(Gold-wire)을 구리선(Copper-wire) 또는 은합금선(Ag-Alloy)으로 대체하면서 기존 캐필러리 사용 시 내마모성 저하로 인한 많은 품질문제가 발생하고 있는 실정이다. 고객사들은 이를 해결하기 위해 캐필러리 소재의 내충격성 및 내마모성은 기존보다 더 높은 데이터를 요구하였고 있고 이를 향상시키기 위해 캐필러리 제조사들은 소재특성을 향상시키기 위해 여러 소재를 개발 중에 있다.

반도체 패키지 제조 공정에 있어서 와이어 본딩 장치는 리드 프레임, 세라믹 회로기판, 인쇄회로기판 등과 같은 패키지의 외부 연결 통로와 반도체 칩의 입/출력 패드 또는 다이(die)를 알루미늄, 금, 또는 구리 등을 이용하여 연결시키는데 사용된다.

그런데, 캐필러리는 볼(ball)이 형성되는 팁(tip) 부분이 1차 본드 및 2차 본드 시에 반도체 입/출력 패드와 리드 프레임의 리드에 접촉/가압 되고 또한 고전압 방전 상태에 놓여 짐으로 캐필러리의 팁은 내충격성(파괴 인성이 커야 함) 및 내마모성(비커스 경도가 커야 함)을 필수적으로 요구하고 있다.

수년전부터 국제 금값이 급속하게 상승하여 와이어 본딩 시 금선 대체품으로 구리선을 사용하여 원가절감을 하기 시작했고 구리선의 품질문제 및 관리비용을 줄이기 위해 은합금선을 이용한 본딩 패키지를 적용하고 있다.

금선보다 구리선 및 은합금선을 사용하는 이유는 저렴한 원자재 가격으로 제조원가절감 효과가 3배 정도로 높기 때문이지만 재질 특성상 구리선 및 은합금선이 금선보다 단단한 특성으로 인해 와이어 본딩 시 캐필러리가 쉽게 마모되는 문제로 지속적으로 품질문제가 발생되고 있어 안정된 와이어 본딩을 못하는 실정이다.

또한 최근 반도체 및 LED 시장 침체로 인해 제조사들은 원가절감 자구책으로 리드 프레임 패키지와 LED 패키지의 품질 수준을 낮춘 제품을 사용하다보니 내마모성 저하 및 오염에 의한 품질문제와 사용수명이 짧아지는 등 여러 품질문제가 발생하고 있는 실정이다. 이런 문제를 극복하기 위해 물성특성(내충격성 및 내마모성)이 향상된 캐필러리 소재개발이 절실히 요구되었으며 내충격성 및 내마모성이 향상된 캐필러리 소재를 개발하기 위해서는 기존 캐필러리 소재의 첨가 물질량 조정 및 비산화물질을 첨가하는 방식으로 극복할 수 없기 때문에 마이크로 그래핀(Graphene) 소재를 이용한 산화알루미나(Al2O3) 입자 보호막 형성을 통해 내충격성 및 내마모성 특성을 향상시킬 수 있었다.

따라서 산화알루미나와 산화지르코니아(ZrO2), 산화마그네슘(MgO), 산화크롬(Cr2O3), 그래핀 복합체를 이용하여 캐필러리 소결체를 제조하도록 함에 따라 캐필러리 팁 부위의 내충격성 및 내마모성이 향상되도록 할 필요가 있다.

이와 관련된 선행기술문헌 정보: 등록특허공보 제10-0478773호(공고일자 2005년03월24일) "와이어 본딩용 캐필러리 소결제, 이를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조방법 및 이를 적용한 와이어 본딩용 캐필러리 제조방법"

이와 같은 "와이어 본딩용 캐필러리 소결제, 이를 이용한 와이어 본딩용 캐필러리 소결체의 제조방법 및 이를 적용한 와이어 본딩용 캐필러리 제조방법"은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2) 및 산화마그네슘(MgO) 조성비를 최적화하여 와이어 본딩용 캐필러리가 구비해야 할 물리적 특성을 만족시키도록 하는 것으로, 산화알루미나와 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화크롬, 그래핀 복합체를 이용하여 캐필러리 소결체를 제조하도록 하지는 못한다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 산화알루미나와 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화크롬, 그래핀 복합체를 이용하여 캐필러리 소결체를 제조하도록 하기 위한 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 형태에 따르면,

교반용 용기에 에탄올 400g 및 폴리에틸렌글리콜 #400 48g를 넣고 초음파를 가하여 상기 에탄올 및 상기 폴리에틸렌글리콜이 잘 혼합되도록 한 후 상기 교반용 용기에 복층 그래핀 2~4g를 넣고 초음파를 가하여 복층 그래핀이 단층 그래핀으로 분리되도록 하는 단계(S10);

상기 교반용 용기에 산화알루미나 분말을 340~360g 넣고 초음파를 가하여 입자 내 그래핀 분산이 잘 되도록 하고 산화지르코니아 40~50g, 산화크롬 0.5~1g, 산화마그네슘 0.5~1g 및 산화니켈(NiO) 0.5~1g를 상기 교반용 용기에 넣은 후 초음파를 가한 후 상기 교반용 용기를 교반기에 올려놓고 상기 교반기를 동작시키는 단계(S12, S14);

밀러용기에 Ф 5.0 지르코니아 볼 1/3 부피로 채운 후 밀러용기에 상기 단계(S12, S14)의 혼합된 슬러리를 넣은 후 혼합 및 분쇄하는 단계(S16);

밀러용기에서 지르코니아 볼을 걸러내고 슬러리만 증발 접시에 붓고 40℃를 유지하는 건조기에서 건조하는 단계(S18);

건조된 슬러리 덩어리를 분쇄 유발에서 부숴가면 150㎛ 망체로 걸러낸 후 150㎛ 망체로 걸러낸 분말에 대해 분쇄작업과 45㎛ 망체 체거름 작업을 거름체 위에 남은 분말이 거름체를 기울였을 때 유동성이 좋을 때까지 반복하는 단계(S20);

분말을 캐필러리 압축성형 금형에 투입하여 캐필러리 성형체를 생산하는 단계(S22);

결합제로 사용된 폴리에틸렌글리콜 #400을 최종 소결 전 저온에서 태워 버리는 단계(S24);

노에 캐필러리 성형체를 넣고 승온 속도 20℃/min.으로 0℃에서 200℃로 승온, 승온 속도 40℃/min.으로 200℃에서 1200℃로 승온, 승온 속도 25℃/min.으로 1200℃에서 1550℃로 승온, 및 1550℃에서 설정된 시간 동안 유지 후 자연 냉각하는 공정을 통해 소결하는 단계(S26); 및

소결된 캐필러리 성형체를 핫 아이소스태틱 프레스(HIP; Hot Isostatic Press) 장치에서 고온고압 열처리하는 단계(S28);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 단계(S10) 및 상기 단계(S12, S14)에서 상기 초음파를 1시간 동안 가하고 상기 단계(S18)는 168시간 동안 건조하는 것을 특징으로 한다.

상기 단계(S12, S14)는 상기 교반기를 300rpm으로 6시간 동안 동작시키고 상기 단계(S16)는 80rpm으로 24시간 동안 혼합 및 분쇄하는 것을 특징으로 한다.

상기 단계(S24)는 아르곤(Ar)가스분위기로에서 0.5℃/min.의 상승 속도로 300℃로 올린 후 5시간 유지시켜 소결체에서 상기 폴리에틸렌글리콜의 유기 용매를 완전히 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 단계(S26)의 설정된 시간은 20분인 것을 특징으로 한다.

상기 단계(S28)는 1500℃ 및 1200bar의 환경으로 120분 동안 고온고압 열처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 산화알루미나와 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화크롬, 그래핀 복합체를 이용하여 캐필러리 소결체를 제조하도록 함에 따라 캐필러리 팁 부위의 내충격성 및 내마모성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법의 일 실시 예를 공정 단계별로 나타낸 공정순서도이다.
도 2는 일반 캐필러리의 경도와 그래핀 캐필러리의 경도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법의 일 실시 예를 공정 단계별로 나타낸 공정순서도이고 도 2는 일반 캐필러리의 경도와 그래핀 캐필러리의 경도를 나타낸 그래프이다.

이와 같은 본 발명을 상세히 보면 다음과 같다.

도 1 및 도 2에 있어서, 2000ml 교반용 용기에 에탄올 400g 및 폴리에틸렌글리콜 #400 48g를 넣고 초음파를 1시간 동안 가하여 에탄올 및 폴리에틸렌글리콜이 잘 혼합되도록 한 후 교반용 용기에 복층 그래핀 2~4g를 넣고 초음파를 1시간 동안 가하여 복층 그래핀이 단층 그래핀으로 분리되도록 한다(S10). 이와 같이 복층 그래핀이 단층 그래핀으로 분리되도록 하는 공정을 수행하는 이유는 단일 판상 적층 그래핀은 매우 고가의 소재이므로 단층 그래핀을 사용하여 캐필러리를 제조하고자 할 때 제조원가가 상승하는 것을 방지하기 위함이다. 이때 복층 그래핀은 중저가인 복층(3~4층) 그래핀을 이용하는 것이 좋다.

교반용 용기에 산화알루미나 분말을 340~360g 넣고 1시간 동안 초음파를 가하여 입자 내 그래핀 분산이 잘 되도록 하고 산화지르코니아 40~50g, 산화크롬 0.5~1g, 산화마그네슘 0.5~1g 및 산화니켈 0.5~1g를 교반용 용기에 넣은 후 초음파를 1시간 동안 가한 후 교반용 용기를 교반기에 올려놓고 교반기를 300rpm으로 6시간 동안 동작시킨다(S12, S14).

밀러용기에 Ф 5.0 지르코니아 볼 1/3 부피로 채운 후 밀러용기에 단계(S12, S14)의 혼합된 슬러리를 넣은 후 80rpm으로 24시간 동안 혼합 및 분쇄한다(S16).

밀러용기에서 지르코니아 볼을 걸러내고 슬러리만 증발 접시에 붓고 40℃를 유지하는 건조기에서 168시간 동안 천천히 건조한다(S18).

잘 건조된 슬러리 덩어리를 분쇄 유발에서 부숴가면 150㎛ 망체로 걸러낸 후 150㎛ 망체로 걸러낸 분말에 대해 분쇄작업과 45㎛ 망체 체거름 작업을 거름체 위에 남은 분말이 거름체를 기울였을 때 유동성이 좋을 때까지 반복한다(S20).

분말을 캐필러리 압축성형 금형에 투입하여 캐필러리 성형체를 생산한다(S22).

결합제로 사용된 폴리에틸렌글리콜 #400을 최종 소결 전 저온에서 태워 버린다(S24). 즉, 단계(S24)는 아르곤가스분위기로에서 0.5℃/min.의 상승 속도로 300℃로 올린 후 5시간 정도 유지시켜 소결체에서 폴리에틸렌글리콜의 유기 용매를 완전히 제거한다.

노에 캐필러리 성형체를 넣고 승온 속도 20℃/min.으로 0℃에서 200℃로 승온, 승온 속도 40℃/min.으로 200℃에서 1200℃로 승온, 승온 속도 25℃/min.으로 1200℃에서 1550℃로 승온, 및 1550℃에서 20분 동안 유지 후 자연 냉각하는 공정을 통해 소결한다(S26). 여기서 노는 마이크로파(Micro-wave) 전기로인 것이 바람직하다.

여기서 그래핀은 탄소 물질인 비산화물로 상압 소결 시 산소(O2)와 결합하여 휘발되는 문제점을 갖고 있기 때문에 일반 전기로에서 소결하면 그래핀이 산화알루미나 입계 내에 잔존하지 않고 휘발되어 없어진다. 이를 해결하기 위해 마이크로파 전기로를 이용 급속 소결을 진행하여 그래핀이 휘발되기 전에 산화알루미나 입자 사이에 닫혀있게 만들어줘야 한다.

소결된 캐필러리 성형체를 핫 아이소스태틱 프레스 장치에서 1500℃ 및 1200bar의 환경으로 120분 동안 고온고압 열처리한다(S28).

이와 같은 본 발명은 산화알루미나와 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화크롬, 그래핀 복합체를 이용하여 캐필러리 소결체를 제조하도록 함에 따라 캐필러리 팁 부위의 내충격성 및 내마모성이 향상되는 장점이 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

1. 교반용 용기에 에탄올 400g 및 폴리에틸렌글리콜 #400 48g를 넣고 초음파를 가하여 상기 에탄올 및 상기 폴리에틸렌글리콜이 잘 혼합되도록 한 후 상기 교반용 용기에 복층 그래핀 2~4g를 넣고 초음파를 가하여 복층 그래핀이 단층 그래핀으로 분리되도록 하는 단계(S10);
   상기 교반용 용기에 산화알루미나 분말을 340~360g 넣고 초음파를 가하여 입자 내 그래핀 분산이 잘 되도록 하고 산화지르코니아 40~50g, 산화크롬 0.5~1g, 산화마그네슘 0.5~1g 및 산화니켈 0.5~1g를 상기 교반용 용기에 넣은 후 초음파를 가한 후 상기 교반용 용기를 교반기에 올려놓고 상기 교반기를 동작시키는 단계(S12, S14);
   밀러용기에 Ф 5.0 지르코니아 볼 1/3 부피로 채운 후 밀러용기에 상기 단계(S12, S14)의 혼합된 슬러리를 넣은 후 혼합 및 분쇄하는 단계(S16);
   밀러용기에서 지르코니아 볼을 걸러내고 슬러리만 증발 접시에 붓고 40℃를 유지하는 건조기에서 건조하는 단계(S18);
   건조된 슬러리 덩어리를 분쇄 유발에서 부숴가면 150㎛ 망체로 걸러낸 후 150㎛ 망체로 걸러낸 분말에 대해 분쇄작업과 45㎛ 망체 체거름 작업을 거름체 위에 남은 분말이 거름체를 기울였을 때 유동성이 좋을 때까지 반복하는 단계(S20);
   분말을 캐필러리 압축성형 금형에 투입하여 캐필러리 성형체를 생산하는 단계(S22);
   결합제로 사용된 폴리에틸렌글리콜 #400을 최종 소결 전 저온에서 태워 버리는 단계(S24);
   노에 캐필러리 성형체를 넣고 승온 속도 20℃/min.으로 0℃에서 200℃로 승온, 승온 속도 40℃/min.으로 200℃에서 1200℃로 승온, 승온 속도 25℃/min.으로 1200℃에서 1550℃로 승온, 및 1550℃에서 설정된 시간 동안 유지 후 자연 냉각하는 공정을 통해 소결하는 단계(S26); 및
   소결된 캐필러리 성형체를 핫 아이소스태틱 프레스 장치에서 고온고압 열처리하는 단계(S28);
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계(S10) 및 상기 단계(S12, S14)에서 상기 초음파를 1시간 동안 가하고 상기 단계(S18)는 168시간 동안 건조하는 것을 특징으로 하는 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계(S12, S14)는 상기 교반기를 300rpm으로 6시간 동안 동작시키고 상기 단계(S16)는 80rpm으로 24시간 동안 혼합 및 분쇄하는 것을 특징으로 하는 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계(S24)는 아르곤가스분위기로에서 0.5℃/min.의 상승 속도로 300℃로 올린 후 5시간 유지시켜 소결체에서 상기 폴리에틸렌글리콜의 유기 용매를 완전히 제거하는 것을 특징으로 하는 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계(S26)의 설정된 시간은 20분인 것을 특징으로 하는 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계(S28)는 1500℃ 및 1200bar의 환경으로 120분 동안 고온고압 열처리하는 것을 특징으로 하는 패키지 와이어 본딩용 캐필러리 소결체 제조방법.

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