KR101366688B1 - 구리계 본딩 와이어 및 이를 포함하는 반도체 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및 상기 심재 내에 0.3 wt% 내지 2.0 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함한다. 상기 구리계 본딩 와이어는 고습 신뢰성이 우수하고, 접합 특성이 우수하다.

Description

구리계 본딩 와이어 및 이를 포함하는 반도체 패키지{Copper-based bonding wire and semiconductor package including the same}
본 발명은 구리계 본딩 와이어 및 이를 포함하는 반도체 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 접합 특성 및 고습 신뢰성이 향상된 구리계 본딩 와이어 및 이를 포함하는 반도체 패키지에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 패키지는 본딩 와이어를 이용하여 패키지 내부에 포함된 반도체 칩을 인쇄 회로 기판에 전기적으로 연결시킨다. 이러한 본딩 와이어의 소재로는 주로 금이 사용되고 있으나, 금을 사용한 본딩 와이어는 고가이므로 이를 대체할 본딩 와이어의 개발이 요구된다. 이에 따라, 상대적으로 저가인 구리를 사용하여 제조된 본딩 와이어가 제안되고 있으나, 구리는 표면 산화가 발생하므로 장기간 보존이 곤란하고, 본딩 시에 기판으로부터의 열전도가 진행되어 산화가 발생되므로 접합 특성이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 내식성 금속을 피복한 구리 와이어가 제안되었으나, 접합시 와이어 선단에 형성되는 볼(free air ball) 형상이 접합에 적절하지 않거나 불균일하고, 본딩 접합력이 낮고, 고습 신뢰성이 저하되는 한계가 있다.
1. 한국공개특허 제2006-0090700호 (2006.8.14. 공개) 2. 한국공개특허 제2004-0058014호 (2004.7.2. 공개)
본 발명의 기술적 과제는 접합 특성 및 고온 고습 조건에서도 신뢰성이 우수한 구리계 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상술한 구리계 본딩 와이어를 포함하는 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및 상기 심재 내에 0.3 wt% 내지 2.0 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 심재는 rms 표면 거칠기가 1.0 nm 내지 4.0 nm의 범위일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및 상기 심재 내에 0.5 wt% 내지 1.5 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및 상기 심재 내에 0.8 wt% 내지 1.2 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및 상기 심재 내에 0.05 wt% 내지 0.5 wt%의 함량으로 포함되며, 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 심재는 rms(root mean square) 표면 거칠기가 1.0 nm 내지 4.0 nm일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및 상기 심재의 표면을 둘러싸는 피복층;을 포함하며, 상기 피복층은 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)중 어느 하나의 원소를 포함하고, 상기 피복층은 상기 구리계 본딩 와이어의 단면적의 0.04% 내지 0.2% 범위인 단면적을 가지며, 상기 피복층은 최외각 표면에서 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 가진다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 심재는 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 0.3 wt% 내지 2.0 wt%의 함량으로 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 심재는 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 0.05 wt% 내지 0.5 wt%의 함량으로 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 구리계 본딩 와이어는 구리 및 잔부의 불순물을 포함하는 심재로 구성되며, 상기 심재의 rms 표면 거칠기가 1.0 nm 내지 4.0 nm의 범위를 가진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 패키지는, 심재 및 상기 심재를 둘러싸는 피복층이 형성된 구리계 본딩 와이어를 포함하며, 상기 구리계 본딩 와이어는, 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 상기 심재; 및 상기 심재의 표면을 둘러싸는 상기 피복층을 포함하고, 상기 피복층은 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)중 어느 하나의 원소를 포함하고, 상기 피복층은 상기 구리계 본딩 와이어의 단면적의 0.04% 내지 0.2% 범위인 단면적을 가지며, 상기 피복층은 최외각 표면에서 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 가진다.
본 발명에 따른 구리계 본딩 와이어는, 우수한 고습 신뢰성 및 본딩 와이어 접합 특성을 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어의 조성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어를 제조하는 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 3은 구리계 본딩 와이어의 프리 에어 볼 표면 형상을 나타낸 주사전자현미경(scanning electron microscopy) 사진들이다.
도 4a 내지 도 4d는 예시적인 실시예들에 따른 본딩 와이어들의 특성 변화를 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에서, wt%(중량%)는 전체 합금의 중량에서 해당 성분이 차지하는 중량을 백분율로 표시한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어의 조성을 개략적으로 도시한다.
도 1a를 참조하면, 구리계 본딩 와이어는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하는 심재로 구성될 수 있고, 상기 심재에 첨가 원소가 소정의 농도로 포함될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 첨가 원소는 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나의 원소일 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 첨가 원소가 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)인 경우, 심재에 대하여 약 0.3 wt% 내지 약 2.0 wt%의 범위의 함량으로 포함될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 첨가 원소가 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)인 경우, 심재에 대하여 약 0.05 wt% 내지 약 0.50 wt%의 범위의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 첨가 원소는 1 종의 원소로 포함될 수 있으며, 예를 들어 심재는 백금(Pt)을 0.5 wt% 포함하며, 잔부의 구리 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있다(도 1a의 실시예 7 참조). 상기 첨가 원소는 복수의 종의 원소들로 포함될 수 있으며, 예를 들어 심재는 은(Ag) 0.3 wt%, 금(Au) 0.3 wt%, 팔라듐(Pd) 0.3 wt% 및 백금(Pt) 0.3 wt%을 포함하며, 잔부로서 구리 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다(도 1a의 실시예 18 참조).
심재가 첨가 원소를 약 0.3 wt% 내지 약 2.0 wt%의 범위의 함량으로 포함하는 경우, 구리만을 포함하는 경우에 비하여 화학적 안정성이 향상되므로, 고온 고습 조건에서도 부식이 방지되어 본딩 와이어의 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 반도체 칩 상에 형성된 패드, 예를 들면 알루미늄 패드에 본딩 와이어를 접합하는 공정에서 안정적인 중간 화합물을 형성함에 따라 패드와 프리 에어 볼(free air ball) 사이의 접합 강도가 증가하여, 1차 접합 특성이 향상될 수 있다. 첨가 원소 함량에 따른 고온 고습 특성 및 1차 접합 특성은 이후 상세하게 설명한다.
한편, 심재는 약 1.0 nm 내지 4.0 nm의 rms(root mean square) 표면 거칠기를 갖도록 형성될 수 있다(도 1a의 실시예 1 내지 실시예 4 참조). 표면 거칠기의 측정은 Atomic Foce Microscope(AFM) 장비를 사용하여 Wire 최상단의 평평한 면을 대상으로, 300nm X 300nm 면적의 높낮이를 5회 평균을 분석한 수치로 통상적으로 사용하는 RMS값을 측정하여 표면 거칠기를 정의한다. 이 경우 심재는 첨가 원소를 포함하지 않고, 구리 및 불가피한 불순물만을 포함하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 심재는 99.999%의 구리 및 잔부의 불가피한 불순물을 포함하며, 3.0 nm의 rms 표면 거칠기를 갖도록 형성될 수 있다. 심재가 약 1.0 nm 내지 4.0 nm의 rms 표면 거칠기를 갖도록 형성되는 경우, 약 1.0 nm보다 작은 rms 표면 거칠기를 갖는 경우에 비하여 거친 표면을 가지게 되고, 심재의 표면적이 증가할 수 있다. 이에 따라, 본딩 와이어를 인쇄 회로 기판 등에 접합하는 2차 접합 공정에서 본딩 와이어 및 인쇄 회로 기판 사이의 마찰력이 증가되므로, 2차 접합 불량률이 감소하고 2차 접합 작업성이 향상될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 구리계 본딩 와이어는 심재 및 상기 심재의 표면 상에 소정의 두께로 형성된 피복층을 포함할 수 있다.
심재는 도 1a를 참조로 설명한 심재와 유사하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 심재는 구리 및 불가피한 불순물을 포함하고, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나의 원소를 첨가 원소로 포함할 수 있다. 상기 첨가 원소가 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)인 경우, 심재에 대하여 약 0.3 wt% 내지 약 2.0 wt%의 범위의 함량으로 포함될 수 있고, 상기 첨가 원소가 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)인 경우, 심재에 대하여 약 0.05 wt% 내지 약 0.50 wt%의 범위의 함량으로 포함될 수 있다.
피복층은 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다. 피복층의 단면적은 본딩 와이어의 단면적의 약 0.04% 내지 0.2%의 범위를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 심재가 직경 12 ㎛ 내지 25 ㎛인 와이어 형상으로 형성되는 경우, 피복층은 약 5 nm 내지 15 nm의 두께를 가지며 심재의 표면을 균일하게 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 피복층의 단면적 비율이 클수록 심재를 둘러싸는 피복층의 두께가 두껍고, 피복층의 단면적 비율이 작을수록 피복층의 두께가 얇음을 의미한다. 피복층이 심재의 표면 상에 소정의 두께로 형성되는 경우, 본딩 와이어의 표면에 화학 안정성이 큰 금속들이 분포하게 되므로, 본딩 와이어의 고습 신뢰성 및 내산화성이 향상될 수 있다. 한편, 피복층의 두께가 너무 크게 형성되는 경우, 1차 접합을 위한 프리 에어 볼 형성시 구리 및 피복층이 안정된 고용체를 형성하기 어려우므로, 볼 진구성이 감소하고 1차 접합력이 감소할 수 있다. 본 발명에 따른 본딩 와이어는 약 0.04% 내지 0.2%의 단면적 비율을 갖는 피복층을 포함함에 따라, 상기 본딩 와이어의 고습 신뢰성이 우수한 한편, 1차 접합 특성 하락을 방지할 수 있다. 피복층의 단면적(또는 두께)에 따른 본딩 와이어의 접합 특성에 대하여 이후에 상세히 설명한다.
피복층은 최외각 표면에서 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 팔라듐(Pd)을 포함하는 피복층이 형성된 경우, 팔라듐(Pd)의 농도가 약 30 at%이고, 구리 농도가 약 70 at%에 해당하도록 피복층이 형성될 수 있다. 팔라듐(Pd) 등의 원소로 구성된 피복층이 완전히 심재를 둘러싸고, 피복층 표면에서 구리 농도가 0 at% 내지 20 at%인 경우, 불완전한 고용체 형성에 따라 용융된 볼의 진구성이 우수하지 못할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들과 같이 피복층 표면에서 약 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 갖도록 피복층이 형성되는 경우, 1차 접합을 위한 본딩 와이어 용융 공정에서 구리 및 상기 첨가 원소의 완전 고용을 유도하여 볼 형성시 용융이 용이하고, 이에 따라 용융된 볼의 형상이 우수한 진구성을 가질 수 있다. 피복층 내의 구리 농도와 용융된 볼의 진구성 및 이와 관련된 1차 접합 특성은 이후에 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 구리계 본딩 와이어를 제조하는 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 2를 참조하면, 상기 제조 방법은 심재 부재를 준비하는 단계(S10), 상기 심재 부재의 표면을 전처리하는 단계(S12), 상기 심재 부재의 표면 상에 피복 부재를 형성하는 단계(S14) 및 상기 피복 부재가 형성된 상기 심재 부재를 신선하여 본딩 와이어를 형성하는 단계(S16)를 포함한다.
심재 부재를 준비하는 단계(S10)에서는, 상기 심재 부재는 구리와 불순물을 포함할 수 있고, 첨가 원소를 소정의 농도로 포함할 수 있다. 심재 부재는 순도 99.999%의 구리를 사용할 수 있다. 첨가 원소는 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다. 첨가 원소가 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)인 경우, 상기 첨가 원소는 약 0.3 wt% 내지 약 2.0 wt%의 범위로 심재 부재 내에 포함될 수 있다. 첨가 원소가 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)인 경우, 상기 첨가 원소는 약 0.05 wt% 내지 0.5 wt%의 범위로 심재 부재 내에 포함될 수 있다.
상기 심재 부재의 표면을 전처리하는 단계(S12)에서는, 플라즈마를 이용하여 상기 심재 부재의 표면을 세정할 수 있다. 상기 플라즈마는 진공 플라즈마 장치를 이용하여 형성하거나 또는 대기압 플라즈마 장치를 이용하여 형성할 수 있다. 상기 플라즈마를 위하여 사용되는 가스는, 일정한 유동속도를 가지는 혼합 가스이다. 예를 들어, 상기 플라즈마는 산소, 질소, 아르곤, 메탄, 헬륨, 이산화탄소, 오존, 수소 또는 이들의 혼합가스 중 어느 하나의 반응 가스를 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 플라즈마를 발생하기 위하여 사용되는 전력은 약 5 W 내지 약 100 W의 범위일 수 있다. 그러나, 이러한 수치들은 예시적이며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
이와는 달리, 상기 심재 부재의 표면을 전처리하는 단계(S12)에서 상기 심재 부재는 탈지 공정 또는 산세 공정에 의하여 세정될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 심재 부재의 표면을 전처리하는 단계(S12)에서는, 상기 심재에 피복층을 형성 시 피복층에 소정의 구리 농도를 가지는 피복층을 형성할 수도 있다. 예를 들면, 대기압 플라즈마 장치를 이용하여 상기 심재 부재의 표면에 플라즈마 에칭을 수행함으로써 상기 심재 부재 표면에 존재하는 산화막 또는 불순물을 제거함으로 피복층과 심재와의 확산을 용이하게 하여 피복층 표면까지 구리가 확산하는 정도를 조절 할 수 있다. 상기 피복층의 표면 구리 농도는 이후 설명되는 어닐링 공정효과의 상승작용으로 20 at% 내지 70 at%를 가질 수 있다. 상기 피복층의 표면에 소정의 구리 농도를 갖는 경우, 구리 및 상기 첨가 원소와 피복층과의 완전 고용을 유도하여 볼 형성시 용융이 용이하고, 이에 따라 용융된 볼의 형상이 우수한 진구성을 갖고 1차 접합 시 칩과의 균일한 접촉면을 갖게하여 접합력의 균일성을 향상 시킬 수 있다.
상기 심재 부재의 표면 상에 피복 부재를 형성하는 단계(S14)에서는, 상기 심재 부재의 표면을 둘러싸도록 상기 피복 부재를 형성할 수 있다.
상기 피복 부재는 전해 도금, 무전해 도금, 증발(evaporation), 또는 증착(deposition) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 피복 부재는 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 어느 하나의 원소와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 피복 부재는 팔라듐(Pd)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 팔라듐을 포함하는 약염기성 도금 용액을 사용하여 도금 공정을 수행함으로써, 심재 표면 상에 피복 부재를 소정의 두께로 형성시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 피복 부재는 약 5 nm 내지 약 15 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 피복 부재가 형성된 상기 심재 부재를 신선하여 본딩 와이어를 형성하는 단계(S16)에서는, 신선 장치(도시되지 않음)를 이용하여, 상기 피복 부재가 형성된 상기 심재 부재를 신선함으로써, 상기 심재 부재 및 상기 피복 부재의 단면적을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 최종적으로 심재 및 상기 심재를 둘러싸는 피복층을 포함하는 본딩 와이어가 형성될 수 있다. 최종적으로 형성된 본딩 와이어는 약 12 ㎛ 내지 약 25 ㎛ 범위의 직경을 가질 수 있고, 피복층은 본딩 와이어 단면적에 대하여 약 0.04% 내지 0.2%의 단면적을 가지도록 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 본딩 와이어 부재의 표면을 전처리하는 단계(S18)에서는, 상기 심재 부재의 표면 거칠기를 증가시킬 수도 있다. 예를 들면, 대기압 플라즈마 장치를 이용하여 상기 본딩 와이어 부재의 표면에 플라즈마 에칭을 수행함으로써 상기 심재 부재 표면의 거칠기를 증가시킬 수 있다. 상기 심재 부재는 약 1.0 내지 약 4.0 nm의 rms 표면 거칠기를 가질 수 있다. 상기 본딩 와이어 부재가 소정의 표면 거칠기를 가지도록 형성되는 경우, 매끈한 표면을 갖는 본딩 와이어 부재에 비하여 더 큰 표면 면적을 제공하므로, 본딩 와이어를 인쇄 회로 기판 등에 접합하는 2차 접합 공정에서 본딩 와이어 및 인쇄 회로 기판 사이의 마찰력이 증가되므로, 2차 접합 불량률이 감소하고 2차 접합 작업성이 향상될 수 있다.
선택적으로, 신선된 본딩 와이어를 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 어닐링 온도는, 예를 들어 약 400℃ 내지 약 700℃의 범위일 수 있다. 이러한 어닐링 공정은 신선 공정에 의하여 신선된 본딩 와이어의 가공 경화를 완화할 수 있다. 또한 상기 어닐링 공정은 상술한 바와 같은 본딩 와이어의 표면에 잔존하는 불순물을 더 제거할 수 있다. 상기 어닐링 공정에서 피복층에 포함된 팔라듐(Pd) 등의 원소가 심재 내부로 확산될 수 있으므로, 상기 어닐링 공정을 수행하기 위한 어닐링 시간, 분위기 가스 및 온도를 달리함에 따라 피복층 최외각 표면에서의 구리 농도가 달라질 수 있다.
전술한 공정들을 수행함에 따라 본 발명에 따른 본딩 와이어가 완성된다. 한편, 본 발명의 예시적인 실시예들의 조건에 따라 전술한 공정 단계들은 선택적으로 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예 1 내지 4에 따른 본딩 와이어의 제조 공정에서는, 상기 심재 부재의 표면 상에 피복 부재를 형성하는 단계(S14)가 생략될 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 실시예 30에 따른 본딩 와이어의 제조 공정에서는, 신선된 본딩 와이어를 어닐링하는 단계가 생략될 수 있다.
이하에서는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들의 고습 신뢰성 및 접합 특성 테스트 방법 및 결과를 설명한다.
실시예 1 내지 실시예 44에 따른 본딩 와이어가 도 1a 및 도 1b에 도시된 조성과 같이 제조되었다. 실시예 1 내지 실시예 25에 따른 본딩 와이어는 심재로서 구리 및 불가피한 불순물을 포함하고, 첨가 원소로서 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함하도록 제조되었다. 실시예 26 내지 실시예 44에 따른 본딩 와이어는 피복층으로서 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나의 원소를 약 0.025% 내지 약 0.3%의 단면적 비율로 더 포함하도록 제조되었다. 이는 최종 본딩 와이어의 직경이 약 12 내지 25 ㎛가 되도록 형성하고, 피복층의 두께는 약 5 nm 내지 약 15 nm가 되도록 형성한 경우의 다양한 단면적 비율에 해당한다. 비교예로서, 99.999%의 구리 및 불가피한 불순물을 포함하는 심재로 구성되며, 0.9 nm의 rms 표면 거칠기를 갖는 본딩 와이어가 제조되었다.
1차 접합력은 각 조건별로 제조된 본딩 와이어 선단을 아크 가열하여 와이어 직경의 2배 크기를 갖는 프리 에어 볼을 형성하고, 이러한 프리 에어 볼을 패드 상에 접합시킨 후, 접합 강도 풀 테스터(bond pull tester, Dage 4000)를 사용하여 측정하였다. 2차 접합 불량률은 본딩 와이어를 리드 프레임 상에 초음파 압착하여 접합시킨 후 접합 강도 풀 테스터를 통해 5000회씩 측정하여 불량률을 측정하였다. 한편, 칩 손상률은 1차 접합 테스트시 반도체 칩 표면 또는 패드 상부에 박리, 칩 크레이터링(chip cratering) 현상 등 물리적 데미지가 발생한 경우를 총 500회 당 발생 수에 대한 비율로 표시하였다. 내산화성은 각 조건별 본딩 와이어를 산성 용액에 일정 시간 담근 후 초기 중량의 70%가 되는 시점을 측정하였다. 고습 신뢰성은 각 조건별 와이어로 본딩된 반도체 패키지를 uHAST(unbiased Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test, 130℃/85% 상대습도) 챔버에 넣고 각각 96시간, 300 시간 및 500 시간이 지난 뒤에 전기적 테스트인 오픈숏(open-short) 테스트를 진행하여 초기 저항값 대비 20% 이상 상승된 것을 불량으로 규정하였다. 볼 진구성은 각 조건별로 와이어 직경의 2배 크기로 프리 에어 볼을 형성한 후, 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였으며, 프리 에어 볼의 구형 정도 및 표면 형상에 따라 A(최상), B(상), C(중) 및 D(하)의 등급으로 분류하였다.
도 3은 본 발명에 따른 본딩 와이어의 프리 에어 볼 표면 형상을 나타낸 주사전자현미경(scanning electron microscopy) 사진들을 도시하였다.
도 3의 (a)에 도시된 이미지는 볼 진구성이 우수하여 "A(최상)"으로 분류된 프리 에어 볼 표면을 나타내며, 이러한 프리 에어 볼은 표면이 매끄럽고 형상이 거의 구형에 가깝다. 도 3의 (b)에 도시된 프리 에어 볼은 볼 진구성 "B(상)"으로 분류되며, 상대적으로 매끄러운 표면 및 상대적으로 구형과 유사한 형상을 갖는다. 도 3의 (c)에 도시된 프리 에어 볼은 볼 진구성 "C(중)"으로 분류되며, 표면 일부분에 덴트(dent) 또는 리세스(recess)가 형성되어 있다. 도 3의 (d)에 도시된 프리 에어 볼은 볼 진구성 "D(하)"으로 분류되며, 표면 일부분에 돌출부(protrusion)가 형성되며, 다소 구형으로부터 벗어난 형상이다.
아래의 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 18 및 실시예 43의 경우 볼 진구성이 "A(최상)"으로 분류되며, 매우 우수한 볼 진구성을 보였다. 실시예 18 및 실시예 43의 본딩 와이어의 심재는, 첨가 원소로서 은(Ag)을 0.3 wt%, 금(Au)을 0.3 wt%, 팔라듐(Pd)을 0.3 wt%, 그리고 백금(Pt)을 0.3 wt% 포함하고, 잔부의 구리 및 불가피한 원소를 포함한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 본딩 와이어의 심재가 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)을 첨가 원소로 포함하는 경우, 프리 에어 볼의 형상이 거의 구형에 가까워 볼 진구성이 향상됨을 알 수 있고, 이에 따라 1차 접합력 역시 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 43에 따른 본딩 와이어는, 심재가 첨가 원소로서 은(Ag)을 0.3 wt%, 금(Au)을 0.3 wt%, 팔라듐(Pd)을 0.3 wt%, 그리고 백금(Pt)을 0.3 wt% 포함하고, 잔부의 구리 및 불가피한 원소를 포함하고, 피복층으로서 팔라듐(Pd)을 0.1%의 단면적 비율로 포함한다. 이 경우 최상으로 분류된 우수한 볼 진구성을 보였으며, 2차 접합 불량률 및 내산화성 역시 비교예 또는 실시예 18보다 향상되었다. 즉, 실시예 43에 따른 본딩 와이어는 볼 진구성, 1차 접합 특성, 2차 접합 불량률 및 내산화성, 고습 신뢰성 특성 모두 우수한 결과를 보이며, 이는 심재 뿐 아니라 피복층에도 화학 안정성이 우수한 금속들이 분포하여 구리를 포함한 심재 부재의 산화를 억제하는 등 신뢰성을 향상시키기 때문으로 생각된다.
No. 심재 조성[wt%] 피복층 종류 피복층 단면적비율[%] 볼 진구성 2차 접합 불량률
[ppm]		 1차 접합력
[gf]		 내산화성[min] 칩 손상률
[%]		 HAST 96hr
[%]
비교예 Cu 99.999 - - 상 9980 1.6 2 0.0% 84%
실시예 18 Ag 0.3/Au 0.3/Pd 0.3/Pt 0.3/Cu 88.8 - - 최상 3280 6.4 44 0.0% 0%
실시예 43 Ag 0.3/Au 0.3/Pd 0.3/Pt 0.3/Cu 88.8 Pd 0.100 최상 0 6.6 74 0.0% 0%
실시예 44 Ag 0.3/Au 0.3/Pd 0.3/Pt 0.3/Cu 88.8 Pd 0.300 상 0 1.9 82 5.2% 0%
도 4a 내지 도 4d는 예시적인 실시예들에 따른 본딩 와이어들의 특성 변화를 나타내는 그래프들이다. 도 4a 내지 도 4d에 나타낸 실험 데이터들은 도 1a 및 도 1b에 기재된 각각의 실시예들에 대한 특성들을 예시적으로 도시한 것으로서, 심재 및 피복층의 다양한 조건에 따른 특성 변화를 실험 데이터를 기초로 하여 검토하기로 한다.
도 4a에는 예시적인 실시예들에 따른 본딩 와이어의 표면 거칠기에 따른 2차 접합 불량률 및 볼 진구성을 도시하였다. 심재가 첨가 원소를 포함하지 않고, 구리 및 불가피한 불순물만을 포함하는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4가 비교예와 함께 도 4a에 도시되었다. 실시예 1 내지 실시예 4는 각각 2, 3, 4 및 5 nm의 rms 표면 거칠기를 갖는 본딩 와이어이며, 비교예는 0.9 nm의 rms 표면 거칠기를 갖는 본딩 와이어이다.
도 4a를 참조하면, 표면 거칠기가 증가할수록 2차 접합 불량률은 감소한다. 이는, 본딩 와이어에 플라즈마 처리를 이용하여 표면 거칠기를 증가시킬 때 본딩 와이어와 접합 패드 간의 마찰력이 증가하므로 본딩 와이어의 직경이 얇아지고 공정 마진이 줄어들더라도 작업 불량률이 감소할 수 있기 때문이다. 한편, 표면 거칠기 1 nm 내지 4 nm의 경우 볼 진구성이 우수하나, 표면 거칠기가 5 nm인 경우 본딩 와이어의 볼 진구성이 저하됨을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 본딩 와이어는 1.0 내지 4.0 nm의 표면 거칠기를 가질 수 있다. 이에 따라, 볼 진구성이 우수하고 2차 접합 불량률이 감소하며, 상기 본딩 와이어는 우수한 접합 특성을 가질 수 있다.
도 4b에는 심재에 첨가한 첨가 원소의 종류 및 조성에 따른 고습 신뢰성 및 칩 손상률을 도시하였다. 도 4b에는 조성을 달리하여 1 종의 첨가 원소를 첨가한 실시예 5 내지 실시예 17이 비교예와 함께 도시되었으며, 예를 들어 0.1 wt의 팔라듐(Pd) 및 잔부의 구리를 포함하는 실시예 5는 "Pd 0.1"와 같이 표시하였다.
도 4b를 참조하면, 심재에 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함한 경우 고습 신뢰성이 향상됨을 확인할 수 있다. 예를 들어, 팔라듐(Pd) 0.3 wt% 이상의 원소를 함유하는 경우, 고온 고습 신뢰성 테스트에서 96 시간 경과하였을 때 불량 발생율이 0%가 됨을 확인할 수 있다. 또한 고온 고습 신뢰성 테스트를 300, 500 시간 경과하였을 때 불량 발생율이 0%가 되는 조성은 각각 팔라듐(Pd) 0.5, 0.8 wt% 이상의 원소를 함유함을 알 수 있다. 한편, 첨가 원소의 함유량이 2.0 wt% 이상으로 증가하는 경우, 칩 크레이터링 현상 등의 칩 손상이 발생하고 칩 손상률이 상승한다. 이는, 전술한 바와 같이, 첨가 원소가 구리와 안정한 고용체를 형성하면서 고온 고습 특성이 향상되지만, 첨가 원소의 함량이 너무 큰 경우에는 볼 진구성이 저하되고 프리 에어 볼의 경도가 증가하여 접합 시 하부의 패드와 프리 에어 볼과의 접합이 잘 되지 않거나 하부의 패드에 데미지를 줄 수 있기 때문이다. 이는 실시예 13 내지 실시예 17에서 볼 수 있듯 팔라듐(Pd)이 1.5 wt% 이상 함유하고 있을 때 1차 접합력이 감소하는 것을 볼 수 있고, 팔라듐(Pd)이 2.5 wt% 이상 함유하고 있을 때부터 칩 손상이 발생함을 볼 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 본딩 와이어는 약 0.3 wt% 내지 약 2.0 wt%의 첨가 원소를 포함함에 따라 96 시간 내에서 우수한 고습 신뢰성을 가지며, 칩 손상을 방지할 수 있고, 0.5 wt% 내지 1.5 wt%의 첨가 원소를 포함함에 따라 300 시간 내에서 우수한 고온 고습 신뢰성을 가지며, 4.0 gf 이상의 1차 접합력을 가질 수 있으며, 0.8 wt% 내지 1.2 wt%의 첨가 원소를 포함함에 따라 500 시간 내에서 우수한 고온 고습 신뢰성을 가지며, 5.0 gf 이상의 1차 접합력을 가질 수 있다.
도 4c에는 피복층이 형성된 본딩 와이어의 표면 구리 농도에 따른 2차 접합 불량률 및 볼 진구성을 도시하였다. 도 4c에는 실시예 30 내지 실시예 32, 실시예 35 내지 실시예 38에 따른 본딩 와이어의 2차 접합 불량률 및 볼 진구성 측정 데이터가 도시되었다. 도시된 본딩 와이어들은 심재는 구리 및 잔부의 불순물을 포함하고, 피복층으로 팔라듐을 포함하며, 피복층의 단면적이 본딩 와이어 단면적의 0.1%에 해당하도록 형성되었고, 각각 피복층 표면에서 0, 10, 20, 45, 70, 80 및 90 at%의 구리 농도를 갖는다. 피복층 표면에서의 구리 농도는 AES 깊이 프로파일 분석을 통해 측정하였다.
도 4c 및 표 2를 참조하면, 피복층 표면에서 구리 농도가 70 at%까지 증가할 때, 본딩 와이어의 2차 접합 불량률이 일정한 수준으로 유지되며, 이는 100 ppm 내지 160 ppm의 범위로서, 비교예의 9980 ppm에 비하여 현저히 감소하였음을 알 수 있다. 한편, 피복층 표면에서 구리 농도가 80 at% 이상인 경우에 2차 접합 불량률이 780 ppm까지 증가한다. 이는, 여전히 비교예에 비하여 현저히 낮은 수준이지만, 피복층 표면에서 구리 농도가 많고 외피층의 금속의 농도가 적어 표면에 외피층이 존재함으로써 표면경도의 상승으로 2차 접합성을 향상시키는 효과가 적어짐을 알 수 있다.
한편, 피복층 표면에서 구리 농도가 증가할수록 프리 에어 볼의 진구성은 향상되며, 1차 접합력 역시 증가한다. 이는, 마찬가지로 구리 농도가 증가할수록 구리와 첨가 원소 사이의 완전한 용융체 형성이 용이하기 때문에 볼 형성시 구형에 가깝게 형성되기 때문이다. 칩 손상률 및 고습 신뢰성은 표면에서의 구리 농도 변화와 무관하게 모든 실시예들에서 우수한 특성을 보였으며, 표면의 구리 농도가 0% 내지 80%일 때 내산화성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 본딩 와이어는 피복층 표면에서 약 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 가짐에 따라 볼 진구성, 접합 특성 및 고습 신뢰성이 우수하다.
No. 심재 조성[wt%] 피복층 종류 피복층 단면적비율[%] 표면 Cu 농도
[%]		 볼 진구성 2차 접합 불량률
[ppm]		 1차 접합력
[gf]		 내산화성[min] 칩 손상률
[%]		 HAST 96hr
[%]
비교예 Cu 99.999 - - 100 상 9980 1.6 2 0.0% 84%
실시예 30 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 0 중 100 5.7 80 0.0% 4%
실시예 31 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 10 중 120 6.3 74 0.0% 5%
실시예 32 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 20 상 120 6.7 71 0.0% 5%
실시예 35 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 45 상 120 6.6 68 0.0% 2%
실시예 36 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 70 상 160 6.8 64 0.0% 3%
실시예 37 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 80 상 460 6.2 63 0.0% 4%
실시예 38 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 90 상 780 6.3 47 0.0% 5%
한편, 피복층의 두께에 따른 접합 특성 및 고습 신뢰성은 표 3에 나타낸다. 표 3을 참조하면, 피복층의 단면적 비율이 클수록, 즉 피복층의 두께가 증가할수록 2차 접합 불량률이 감소하고, 내산화성 및 고습 신뢰성을 향상됨을 확인할 수 있다. 그러나, 피복층의 단면적 비율이 0.3% 이상인 경우, 칩 손상률이 1.4%로 증가하며, 1차 접합력이 감소한다. 전술한 바와 같이, 피복층에 화학 안정성이 큰 팔라듐(Pd) 등의 금속이 두껍게 형성될수록 경도가 증가하고 고습 신뢰성이 향상되나, 피복층이 너무 두껍게 형성되는 경우 프리 에어 볼 형성시 완전한 고용체 형성이 용이하지 않으므로 1차 접합 특성이 저하되고, 또한 칩 크레이터링 현상 등 요구되지 않는 칩 손상이 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 본딩 와이어는 약 0.04% 내지 0.2%의 단면적 비율을 갖는 피복층을 포함함에 따라 접합 특성이 우수하고, 고습 신뢰성이 향상될 수 있다.
No. 심재 조성[wt%] 피복층 종류 피복층 단면적비율[%] 표면 Cu 농도
[%]		 볼 진구성 2차 접합 불량률
[ppm]		 1차 접합력
[gf]		 내산화성[min] 칩 손상률
[%]		 HAST 96hr
[%]
비교예 Cu 99.999 - - 100 상 9980 1.6 2 0.0% 84%
실시예 26 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.025 80 상 960 4.9 24 0.0% 10%
실시예 27 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.040 65 상 320 5.2 35 0.0% 7%
실시예 35 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.100 45 상 120 6.6 68 0.0% 2%
실시예 39 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.150 40 상 100 5.9 78 0.0% 4%
실시예 40 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.200 35 상 100 3.5 81 0.0% 2%
실시예 41 Pd 0.1/Cu 99.9 Pd 0.300 30 상 120 2.2 95 1.4% 6%
도 4d에는 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)을 첨가한 본딩 와이어의 고습 신뢰성 및 1차 접합력을 도시하였다. 도 4d에는 실시예 20 내지 25에 따른 본딩 와이어를 도시하였다.
도 4d를 참조하면, 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)의 첨가량이 커질수록 고습 신뢰성 및 1차 접합력이 향상됨을 확인할 수 있다. 한편, 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)의 첨가량이 0.5 wt% 이상인 경우 1차 접합력이 감소함을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 본딩 와이어는 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)을 약 0.05 wt% 내지 약 0.5 wt%로 포함함에 따라 우수한 고습 신뢰성 및 접합 특성을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및
    상기 심재 내에 0.3 wt% 내지 2.0 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함하는 구리계 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 심재는 rms 표면 거칠기가 1.0 nm 내지 4.0 nm인 것을 특징으로 하는 구리계 본딩 와이어.
  3. 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및
    상기 심재 내에 0.5 wt% 내지 1.5 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함하는 구리계 본딩 와이어.
  4. 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및
    상기 심재 내에 0.8 wt% 내지 1.2 wt%의 함량으로 포함되며, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함하는 구리계 본딩 와이어.
  5. 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및
    상기 심재 내에 0.05 wt% 내지 0.5 wt%의 함량으로 포함되며, 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 포함하는 구리계 본딩 와이어.
  6. 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재를 포함하며,
    상기 심재는 rms(root mean square) 표면 거칠기가 1.0 nm 내지 4.0 nm인 것을 특징으로 하는 구리계 본딩 와이어.
  7. 구리와 불가피한 불순물을 포함하는 심재; 및
    상기 심재의 표면을 둘러싸는 피복층;
    을 포함하는 구리계 본딩 와이어로서,
    상기 피복층은 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)중 어느 하나의 원소를 포함하고,
    상기 피복층은 상기 구리계 본딩 와이어의 단면적의 0.04% 내지 0.2% 범위인 단면적을 가지며,
    상기 피복층은 최외각 표면에서 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 구리계 본딩 와이어.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 심재는 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 0.3 wt% 내지 2.0 wt%의 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는 구리계 본딩 와이어.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 심재는 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나인 첨가 원소를 0.05 wt% 내지 0.5 wt%의 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는 구리계 본딩 와이어.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 피복층은 rms 표면 거칠기가 1.0 nm 내지 4.0 nm인 것을 특징으로 하는 구리계 본딩 와이어.
  11. 심재 및 상기 심재를 둘러싸는 피복층이 형성된 구리계 본딩 와이어를 포함하는 반도체 패키지로서, 상기 구리계 본딩 와이어는,
    구리와 불가피한 불순물을 포함하는 상기 심재; 및
    상기 심재의 표면을 둘러싸는 상기 피복층을 포함하며,
    상기 피복층은 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)중 어느 하나의 원소를 포함하고,
    상기 피복층은 상기 구리계 본딩 와이어의 단면적의 0.04% 내지 0.2% 범위인 단면적을 가지며,
    상기 피복층은 1.0 nm 내지 4.0 nm의 범위인 rms 표면 거칠기를 가지고,
    상기 피복층은 최외각 표면에서 20 at% 내지 70 at%의 구리 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3136435A4 (en) * 2015-07-23 2017-07-26 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device
US10414002B2 (en) 2015-06-15 2019-09-17 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108369914B (zh) * 2015-12-15 2020-02-18 日铁化学材料株式会社 半导体装置用接合线
SG10201600329SA (en) * 2016-01-15 2017-08-30 Heraeus Materials Singapore Pte Ltd Coated wire
WO2017221434A1 (ja) * 2016-06-20 2017-12-28 日鉄住金マイクロメタル株式会社 半導体装置用ボンディングワイヤ

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004064033A (ja) 2001-10-23 2004-02-26 Sumitomo Electric Wintec Inc ボンディングワイヤー
KR20090131297A (ko) * 2007-07-24 2009-12-28 신닛테츠 마테리알즈 가부시키가이샤 반도체　장치용　본딩 와이어 및 와이어 본딩 방법
KR101030384B1 (ko) * 2007-12-03 2011-04-20 가부시키가이샤 닛데쓰 마이크로 메탈 반도체 장치용 본딩 와이어

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004064033A (ja) 2001-10-23 2004-02-26 Sumitomo Electric Wintec Inc ボンディングワイヤー
KR20090131297A (ko) * 2007-07-24 2009-12-28 신닛테츠 마테리알즈 가부시키가이샤 반도체　장치용　본딩 와이어 및 와이어 본딩 방법
KR101030384B1 (ko) * 2007-12-03 2011-04-20 가부시키가이샤 닛데쓰 마이크로 메탈 반도체 장치용 본딩 와이어

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP2004064033 A (공개일:2004.02.26) *
KR1020040095301 A (공개일:2004.11.12) *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10414002B2 (en) 2015-06-15 2019-09-17 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device
US10610976B2 (en) 2015-06-15 2020-04-07 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device
US10737356B2 (en) 2015-06-15 2020-08-11 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device
EP3136435A4 (en) * 2015-07-23 2017-07-26 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device
US9773748B2 (en) 2015-07-23 2017-09-26 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device
US10468370B2 (en) 2015-07-23 2019-11-05 Nippon Micrometal Corporation Bonding wire for semiconductor device

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