KR910005701B1 - 와이어본딩용 볼의 형성방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

와이어본딩용 볼의 형성방법

제1a도 및 제1b도는 각각 종래의 금속와이어선단(tip)에 볼형성 방법 및 형성된 볼의 표시도.

제2a도 및 제2b도는 각각 본 발명의 1실시예에 의한 볼형성방법 및 형성된 볼의 표시도.

제3도는 제2a도에 나타낸 볼형성기술에 사용되는 허용방전전류와 방전시간을 나타낸 그라프.

제4a도 및 제4b도는 각각 본 발명의 다른 실시예에 의한 볼형성방법 및 형성된 볼의 표시도.

제5a도 및 제5b도는 제4a도에 나타낸 볼형성방법에 적합한 전압의 파형도를 각각 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 금속제와이어(metal wire) 1a : 불용융부분(non-melted portion)

2 : 소모전극 또는 방전전극 3 : 아크(arc)

4 : D.C 전원 5 : 모세관칩(Capillary chip)

6 : 선단(tip) 7 : 불활성가스 분위기

8 : 결함볼(defective ball) 14 : D.C 전원

18 : 볼(ball) 24 : A.C 전원

28 : 볼(ball)

본 발명의 반도체장치를 조립할때 쓰이는 본딩와이어(bonding wires) 및 그 본딩와이어의 형성방법에 관한 것이다.

특히 본 발명은 반도체칩의 전극에 접속을 형성할때 쓰이는 볼형의 본딩와이어(ball-type bonding wires)에 관한 것이다.

금(gold)은 반도체장치에 쓰이는 본딩와이어의 제료로서 널리 사용되었다. 그러나, 금은 고가이고 반도체칩에서 금와이어(gold wire)와 알루미늄 전극간의 접속에 대한 장기간에 걸친 신뢰성이 비교적 낮으므로 그대신 동(Cu), 알루미늄, 팔라듐 또는 이들 원소의 합금의 사용이 제안되었다. 툭히 마그네슘 2.0%를 포함한 알루미늄합금과 실리콘 1.0%를 포한한 알루미늄 합금은 ＂초음파와이어용접＂(ultrasonic wire welding) (Johnson 등, Soild state Technologt, vol. 20, 91∼95페이지 : 1977. 4)과 ＂반도체장치에서의 얼음과 볼본딩에 대한 알루미늄와이어＂(Aluminum wire for thermosonic Ball bonding in semiconductor devices) (Gehman 등, Solid state Technology, vol. 126 : 151∼158페이지 : 1993. 10)에 기재되어 있는 바와같이 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다.

위의 두 문헌에 기재되어 있는 바와같이 그 와이어가 그 반도체장치의 전국에 접속될때 그 와이어의 방향적인 제한성을 제거하기 위하여 그 금속제 와이어산단(先端)에 하나의 볼(ball)을 형성한다.

통상적으로는 그 와이어선단과 소모전극 사이에 높은 D.C 전압을 인가하여 이들 사이에 전기방전을 형성함으로써 그 선단을 용융시키고 표면장력에 의해 볼(ball)을 그 와이어선단에 성형하였다.

이와같은 경우, 절연파괴가 용이한 견지에서 양전압(positive potential)이 그 전국에 인가되고 음전압이 그 와이어에 인가된다.

제1a도는 금제와이어(gold wire)선단에서 볼형성에 사용되는 것과 같은 동일한 방법을 사용하여 동 또는 알루미늄으로 된 금속와이어(1)의 선단(6)에서의 볼형성을 나타낸다.

제1a도는 그 금속와이어(1)은 본딩툴(bonding tool)로서 사용되는 모세관칩(capillary chip)(5)에 의해 지지되며, 아르곤등의 가스로된 불활성가스분위기(7)에서 소모전극(2)과 대향하여 설치되어 있다.

D.C 전원(4)이 그 와이어(1)과 그 전극(2) 사이에 접속되고 그 D.C 전원(4)의 양극단자와 음극단자가 각각 그 전극(2)와 그 와이어(1)에 접속되어 있다.

따라서, 아크(arc)(3)이 그 와이어(1)와 그 전극(2) 사이에서 형성된다. 그 방전에 의해 그 금속와이어(1)의 선단부분은 가열되어 용융된다. 그 음전압측에서의 열전자방출은 일함수(work function)가 다른 영역보다 더 적은 영역, 즉 다른 영역보다 더 안정된 방출이 가능한 영역에서 발생하는 경향이 있다.

동 또는 알루미늄으로된 그 와이어(1)은 그 표면상에 수십옹스트롱(A)의 두께로 자연적으로 형성된 산화피막(oxide film)을 가짐으로 열전자방출이 발생하는 영역은 제1a도의 해치(hatched)부분에 의해 나타낸 바와같이 팽창되는 경향이 있다.

따라서 이와같이 넓어진 영역에 열을 가하게 되면 제1b도에서와 같이 그 와이어(1)의 선단주위에 형성된 불용융부분(non-melted portion)(1a)이 있는 결함볼(defective ball)(8)로 된다.

이와같은 불용융부분(1a)는 이와같이 부분은 그 결함볼(8)내에 보이지 않게 존재하더라도 그 결함볼(8)이 그 전극 하나에 결합될때 미세한 크랙이 실리콘칩에 발생하게 된다(산화피막이 금속와이어에 형성되지 않으므로 금속와이어에는 위와같은 문제가 존재하지 않는다).

이에 또, 동제와이어(coper wire)를 사용할때 반도체장치의 전국에 허용할 수 있는 본딩 특성을 제공하려면은 그 와이어는 전극이 통상적으로 일루미늄으로 만들어진 그 반도체장치의 전극정도에 적합한 경도를 가져야 한다. 알루미늄전극의 비커즈경도(vicker's hardness)는 약 30∼40으로 이것은 금속와이어에 허용할 수 있다.

그러나, 일반적인 동은 비커즈경도가 60이상이므로 일반적으로 본딩와이어(bonding wires)용으로 동(Cu)을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 목적은 알루미늄전극에 신뢰성있게 본딩(bonding) 할 수 있는 반도체장치에 쓰이는 금속제본딩와이어(metal bonding wire)로서 동(Cu), 알루미늄 또는 팔라듐, 또는 이들의 합금 또는 결합물을 사용할 수 있도록 한 볼본딩(ball bonding)기술을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 금속제와이어의 선단부분에 볼(ball)을 형성하는 방법의 개량을 제공하는데 있다.

위에서 설명한 본 발명의 다른 목적에 따라 본 발명은 반도체장치의 전극과 외부도출선의 단자간 접속에 적합하도록 금속와이어의 선단에 볼(ball)을 형성하는 방법을 제공하는 것이며, 이 방법에는 그 와이어의 선단과 그 소모전극사이에 방전이 발생하도록 그 금속와이어와 소모전극사이에 극성이 변화하는 전원을 접속시켜 그 와이어가 그 소모전극에 대하여 양극(positive)일때 대부분의 에너지를 방전하는 스텝이 구성된 것이다.

그 와이어는 알루미늄, 동 및 팔라듐, 또는 이들의 합금 또는 그 결합물로 만들 수 있다.

그 방전은 바람직하게는 산소농도가 5000ppm 이하인 불활성가스 또는 환원성분위기(reducing atmosphare)에서 발생시킨다.

이와같이 하여 형성된 볼의 경도와 본딩(bonding)되는 그 반도체장치의 전극의 경도는 동일하게 되는것이 바람직하다.

그 반도체장치의 전극을 경화(harden)시키기 위하여 미세량의 불순물을 여기에 첨가시킬 수 있다.

그 와이어를 연화(soften)시키기 위하여 예로서 동와이어(copper wire)일 경우 그 금속제순도는 99.99%이상이 바람직하다.

다음으로 첨부도면에 따라 본 발명을 자세히 설명한다.

제2a도는 본 발명의 본딩외어어(bonding wire)를 형성하는 방법의 한 실시예를 나타내며, 동, 알루미늄, 팔라듐 또는 이들의 합금으로 된 금속와이어(1)과 소모전극(2)사이에 고압의 D.C 전원(14)에 의해 인가된 전압극성이 반대로 되는것 이외에는 제1a도와 동일하다.

즉, 본딩툴(bonding tool)로서 작동하는 모세관칩(capillary chip)(5)에 의해 지지된 그 와이어(1)이 고압의 D.C 전원(14)이 양극단자에 접속되고 그 소모전극(2)가 그 음극단자에 접속되어 있다.

그 방전영역은 아르곤 등 불활성가스분위기로 유지시켜 그 와이어(1)의 용융부분의 산화를 방지한다.

이와같은 구성에서, 열전자방출이 그 전극(2)의 표면상에서 발생할때 전자의 도달거리가 최소인 와이어(1)의 선단(6)부분에 극점이 집중되고 이부분으로부터 가열되므로 선단(6)부분만이 용융되며, 이 용융부분은 그 와이어(1)의 선단부분에 엄격하게 규제되어 제2b도에서와 같이 완전한 볼(ball)(18)이 형성된다. 양극의 그 와이어선단과 음극의 소모전극간의 방전에 대한 안정성은 그 반대로 전극을 각각 사용한 경우와 비슷하여 어느정도 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명자에 의해 직경 25마크론의 와이어를 용융시키는 현상과 선단의 볼형성을 분석한 결과 그 와이어와 그 전극의 극성이 각각 음극과 양극일 때 그 와이어의 일부분에 불용성부분이 불가피하게 남아있는것을 확인하였다.

본 발명에 의하면, 그 방전의 안정성은 그 전압을 증가시키고 아르곤등의 불활성 차폐가스(inert shielding gas)를 사용하여 개량하였다. 이 불활성 차폐가스는 공기보다 더 용이하게 즉시 플라스마(plasma)상태로 전환시킬 수 있다.

직경 15∼35미크론 범위에 있는 와이어에 있어서 금속와이어(1)의 직경의 2∼3배 직경을 가진 볼(18)을 안정성있게 형성하기 위하여 그 방전전류와 방전시간을 각각 30∼200mA와 1∼10m Sec의 범위에서 알맞게 선택할 수 있다. 제3도는 직경 25미크론의 구리와이어(copper wire)에 대하여 얻어진 방전전류(mA)와 방전시간(m Sec)의 실험데이타를 나타낸 그래프이다. 제3도에서 그 줄친영역(hatched area)은 이들 파라미터(parameters)의 바람직한 영역을 나타낸다.

위 실시예에서, 그 와이어의 선단부분만이 가열되고 집중적으로(concentrically) 가열됨으로써 그 선단을 완전히 용융시켜 불용성부분이 없는 볼(ball)이 형성된다.

이 방법이 대단히 효과적이긴 하나 이와같이 완전히 용융됨으로써 그 목부분(ceck portion)(그 볼부분과 그 와이어부분사이의 경계부분)의 기계적 강도가 본딩작동(bonding operation)시에 그 와이어부분이 루핑(looping)으로 되거나 그 목부분이 파열되는 상태로 인하여 저하되며 이 방법은 그 목부분을 부분적으로 불용융상태로 남겨둠으로써 개량시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의해, 위 문제점은 그 와이어와 그 소모전극사이에 인가한 방전전압을 변화시켜 그 와이어의 극성이 양극일때 전기에너지가 그 극성이 음극일때보다 더 커지게 함으로써 효과적으로 제거된다. 제4a도는 그 와이어(1)과 그 방전전극(2)사이에 A.C 전원(24)에 의해 교류전압을 인가할때의 아크(arc)를 나타낸다.

제4a도에서 그 와이어에 인가한 전압극성이 양극일때 아크(3)은 실선으로 나타낸 바와같이 그 와이어의 선단부분과 그 방전전극(2)사이에 형성되며, 이 실선상에서 그 선단은 전 실시예에서와 같이 집중적으로 가열된다. 그 와이어의 전압극성이 음극으로 변화될때 그 아크(3)은 금속와이어(gold wire)에 대하여 종래의 볼형성 프로세스에서와 동일하게 사슬선(chain line)으로 나타낸 바와같이 더 넓은 영역의 와이어에서 형성되는 경향이 있다.

그 교류전극 사이클을 그 인가전압에 반복시킴으로써 하나의 소형의 볼용융 부분(28a)가 제4b도에서와 같이 볼(28)의 목부분에 남게된다. 그 방전영역을 불활성가스분위기에서 유지시켜 전 실시예에서와 같이 용융중 산화를 방지시킨다.

이와같이 불용융부분(28a)를 효과적으로 형성하기 위하여 와이어(1)에 인가한 전압은 극성이 양극일때 그 와이어(1)에 공급하는 전기에너지가 그 극성이 음극일때보다 더 많아지도록 선택하여야 한다.

예로서, 그 와이어(1)의 극성이 양극일때 그 와이어(1)에 인가한 1차기간(t)의 전압(V1)은 제5a도에서와 같이 그 와이어의 극성이 음극일때 그 와이어에 인가한 2차기간(t2)의 전압(V2)보다 더 크게된다. 또, 양극의 전압은 그 와이어(1)에 인가하는 1차기간(t1)이 제5b도에서와 같이 음극전압이 인가되는 2차기간(t2)보다 더 길게하는 것도 가능하다. 그 와이어의 극성이 양극일때 이 와이어에 공급하는 에너지와 그 와이어의 극성이 음극일때 그 와이어에 공급하는 에너지의 비가 약 3 : 1 - 4 : 1로 되는것이 바람직함을 실험결과 확인하였다.

이는 와이어(1)가 정극의 경우 전자의 도달거리가 최소인 와이어선단(6)부분에 극점이 집중되고 이 부분으로부터 가열되어서 구형도가 높은 볼이 안전적으로 형성되며, 한편 와이어(1)가 부극인 경우는 열전자방출이 용이한 와이어표면의 산화피막을 따라 음극점이 형성되고 이 부분(와이어측면)으로부터 열이 투여된다. 이경우 볼형상은 선단에 미용융부가 잔존하는 등 바람직하지 않으나 아크의 클리닝작용에 의하여 표면이 청결하게 된다. 이들의 극성을 최적화함으로써 볼의 형상 표면청정도 공히 이상적인 볼이 형성되는 것이다.

위의 실시예는 동, 팔라듐, 알루미늄 또는 합금 또는 이들의 결합물의 어느 하나로된 전극와이어의 사용에 대하여 설명한 것이다.

양호한 본딩(bonding)을 얻기위하여, 그 와이어의 선단부분에 형성된 볼의 경도는 전극이 통상적으로 알루미늄으로 되어있고 그 와이어가 본딩되어야하는 반도체칩상에서 그 전극의 경도와 동일하여야 한다.

알루미늄전극의 비커즈경도 Hv는 통상적으로 35∼40의 범위이며, 반면에 그 구리와이어의 선단에서 형성된 볼의 비커즈경도는 60이상이다. 따라서, 구리와이어의 경도는 너무 높아 알루미늄전극에 대한 양호한 본딩을 얻을 수 없다. 그 와이어와 그 전극이 서로 동일한 경도를 만들기 위하여 그 구리와이어의 경도를 저하시키거나 그 알루미늄전극의 경도를 높히는것이 필요하다. 그 구리와이어에 대해서 그 구리는 가급적 순수한 구리이어야 하며 그 순도는 99.99% 이상이 바람직하다.

이와같은 구리를 사용함으로써 그 와이어의 경도를 약 50∼60Hv로 저하시킬 수 있다. 또, 그 볼(ball)에 산소가 혼합(mixing)되지 않게하여 산화피막(oxide film)형성에 의해 그 얻어진 볼의 원마도(圓磨度, roundness)의 저하를 방지하도록 경도증가를 제한시키기 위하여 그 불황성가스 또는 환원성가스(reducing gas)중의 산소농도를 5000ppm 이하로 하여야 한다.

상술한 바와같이 본 발명에 의하면 반도체장치 조립시 반도체장치의 전극과 외부로 돌출하는 단자간 접속에 적합한 와이어본딩용 볼을 안정적으로 형성할 수 있는 것이다.

Claims (8)

1. 금속와이어(1)와 소모전극(2)간에 교류전원을 접속하여 상기 금속와이어(1)와 소모전극(2)간에 방전시키는 스텝과, 상기 전원으로 상기 금속와이어(1)가 소모전극(2)에 대하여 양극인 1차기간(t1)중 상기 금속와이어(1)에 공급되는 전지에너지량이 상기 금속와이어(1)가 상기 소모전극(2)에 대하여 부극인 2차기간(t2)중 상기 금속와이어(1)에 공급되는 전기에너지량보다 크게되도록 교류전압을 발생시키는 스텝으로 구성하여서 상기 금속와이어(1)의 선단(6)을 용융시켜 정밀하게 볼(18)(28)을 형성하는 와이어본딩용 볼의 형성방법.
2. 제1항에 있어서, 1차 및 2차기간(t1)(t2)의 상기 에너지량의 차이는 상기 1차기간(t1)의 전압(V1)을 상기 2차기간(t2)의 전압(V2)보다 크게 함으로써 발생되는 와이어본딩용 볼의 형성방법.
3. 제1항에 있어서, 1차 및 2차기간(t1)(t2)의 상기 에너지량의 차이는 상기 1차기간(t1)을 상기 2차기간(t2)보다 길게 함으로써 발생하는 와이어본딩용 볼의 형성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속와이어는 알루미늄, 동, 팔라듐과 이들의 합금과 결합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 재질로 제조된 와이어본딩용 볼의 형성방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 금속와이어(1)를 반도체칩의 전극에 볼본딩하는 스텝을 추가로 구성하는 와이어본딩용 볼의 형성방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 정기방전(3)을 발생하는 적어도 한 영역은 불활성 또는 환원성가스분위기(7)에 노출되는 와이어본딩용 볼의 형성방법
7. 제1항에 있어서, 상기 금속와이어(1)가 동제이고 상기 볼이 산소농도가 5000ppm 이하인 불활성 또는 환원성가스분위기(7)에서 형성되는 와이어본딩용 볼의 형성방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 1차기간(t1)중 상기 금속와이어(1)에 공급되는 전기에너지량과 상기 2차기간(t2)중 상기 와이어(1)에 공급되는 전기에너지량의 비율이 3 : 1-4 : 1 범위인 와이어본딩용 볼의 형성방법.

Images