Wire bonding is one of the most commonly used interconnection technologies in electronic packaging process. The gold bonding wire connects IC pad on a Si chip with lead frame. Gold has been widely used as a bonding wire material in semiconductor industry because of its excellent oxidation resistance, electric conductivity and plasticity. The functions of gold bonding wire are electric contact, signal contact and heat dissipation. The wire bonding machines of increasingly greater speed and complexity and the general trend of downsizing in electronic packages which favors bonding patterns with finer pitches. In accordance with the change of connection geometries, the most commonly employed wire diameter has decreased from 30μm to 24μm in recent years and will move toward 15μm.
High elastic modulus of gold bonding wires is required to decrease the short failure probability caused by the sweep of bonding wires during EMC packing process. Therefore, it is important to increase the yield strength with decreasing the diameter of bonding wire. These characteristics are related to alloy composition, drawing process and annealing process. When the composition of gold bonding wire (99.99wt% Au) and drawing process are well established, the conditions of annealing process are very important to control the final properties of bonding wire. Also, the final shape of the wire loop depends on the microstructure and the mechanical properties of the gold wire. It is important to understand the relationship between the microstructure, texture and mechanical properties of gold bonding wire. Recrystallization, recovery and grain growth, which occur during the annealing process, affect the microstructure, textures and mechanical properties of gold bonding wires.
The gold bonding wires used in this study were manufactured by Heraeus Oriental HiTec Co., Ltd. The purity of gold bonding wire used in this study is more than 99.99% and it has some dopants, such as Be, Ca, etc., all in ppm level by weight. The diameter of gold bonding wires was 24μm. The annealing temperatures were selected from 400 ℃ to 580 ℃ to characterize the recrystallization behavior of gold bonding wires with annealing time fixed at about 0.75sec. The microstructure of gold bonding wires was characterized by using high-resolution SEM equipment from Philips and the texture was characterized using X-ray diffraction pole figure equipment from Rigaku to calculate ODF(Orientation Distribution Function). The recrystallization behavior of gold bonding wire was characterized by using microstructure evolution, texture evolution. Also, uniaxial tensile tests were conducted by using micro-tensile tester, Instron 8848, to evaluate the stress-strain curves of gold bonding wire and the mechanical properties such as yield strength, ultimate tensile strength, elongation and elastic modulus.
The microstructure evolution of gold bonding wires are following. The average grain size was ranging from 230nm to 1650nm and did not increase much up to the annealing temperature, 500 ℃. The average grain size of gold bonding wires annealed at 500 ℃ was slightly decreased and the distribution of grain size was bimodal due to the recrystallization behavior.
The texture evolution of gold bonding wires are following. The Fg of orientation distribution function of gold bonding wires decreased dramatically after annealing at 520 ℃ due to the recrystallization behavior. Theoretical elastic moduli of gold bonding wires have been determined by using Voigt model and the ODF information.
The mechanical properties evolution of gold bonding wires are following. The ultimate tensile strength of gold bonding wires was ranging from 407MPa to 190MPa. The strength decreased with increasing the annealing temperature. The elastic modulus was ranging from 97GPa to 79GPa. The elastic modulus of wrought and fully annealed pure gold is 78.9GPa. The strength and the elastic modulus did not decrease much up to the annealing temperature, 520 ℃. The strength, elongation, elastic modulus and lattice parameter were strictly related to recrystallization behavior. The relationship between recrystallization and mechanical properties will be discussed.
Wire bonding은 전자 패키징 공정에서 가장 많이 사용되고 있는 본딩 기술이며, Au 본딩와이어는 실리콘 반도체 칩의 IC 패드와 리드프레임을 연결해주는 선으로, 전기적 접촉과 열 소실을 하는 역할을 한다. Gold는 우수한 산화 저항성, 전기 전도도 및 성형성으로 인해 반도체 산업에서 wire의 재료로써 가장 많이 사용되고 있다. 최근에 가장 많이 쓰이고 있는 wire의 직경은 30~24㎛이며 반도체 chip의 고집적화와 본딩의 고속화 및 VLSI로 인해 IC 칩은 점점 더 작은 연결 패드와 피치 크기를 가지게 되어 앞으로는 점차 직경이 가는 극세선 wire, 즉 15㎛정도까지 작은 직경을 갖는 wire가 대부분의 수요를 차지하게 될 것이다.
Au 본딩와이어에 필요한 요구물성을 살펴보면 다음과 같다. 인접한 wire가 서로 다른 것과 접촉하게 되면 wire sweep이 발생하여 디바이스가 작동하지 않게 되는데 이때 Au 본딩와이어에서 wire sweep이 일어나지 않게 하기 위해서는 고탄성이 요구된다고 잘 알려져 있다. 또한, 작은 직경의 wire일지라도 고강도를 유지하는 것이 중요하다. 이러한 특성들은 원래의 재료가 가진 순도, 인발 공정 및 열처리 공정과 밀접한 관계가 있다. 그러므로 순도가 99.99wt% Au이며 인발 공정의 변수가 고정된 상태라면 열처리 공정의 조건이 매우 중요한 영향을 미칠 것이라는 사실은 명백하다. 잘 알려진 바와 같이 Au 본딩와이어가 정상적인 본딩와이어로써 사용되기 위해서는 열처리 후 적당한 연신율과 강도 값을 가져야만 한다. 또한, 본딩와이어의 중요한 특징인 최종 형상 및 wire 루프의 윤곽은 gold wire의 미세조직과 기계적 특성에 의존하기 때문에 wire의 미세조직, 집합조직 및 기계적 특성 사이의 관계를 이해하는 것은 매우 중요하다.
열처리를 하는 동안 회복, 재결정 및 결정립 성장이 일어나며 이러한 일련의 과정들은 Au 본딩와이어의 미세조직, 집합조직 및 기계적 특성에 영향을 준다. Au 본딩와이어의 열처리는 인발 공정을 거치는 동안 축적된 잔류응력을 제거하고 적절한 연신율을 확보하기 위하여 수행되기 때문에 일정한 장력을 가하면서 열처리를 하며, 생산성 및 재료의 특성상 통상적인 열처리 공정과는 달리 열처리 시간이 수 초 정도로 짧다는 특징이 있다. 재결정 현상은 확산에 의해 제어되는 메커니즘으로 시간에 의존하는 프로세스이다. 따라서 통상적인 열처리와 달리 열처리 시간이 매우 짧은 Au 본딩와이어에서의 재결정 현상이 어떻게 나타나는 지를 관찰하고 이해하는 것은 매우 의미 있는 일이라고 할 수 있다.
본 논문에서는 Au 본딩와이어의 재결정 현상을 이해하기 위하여 고분해능 SEM 장비를 이용하여 미세조직의 변화를 조사하였고, X-선 회절 pole figure장비를 이용하여 집합조직 변화를 조사하였다. 또한, 미세인장 시험기인 Instron 8848장비를 이용하여 일방향 인장시험을 수행하여 strain-stress 곡선을 평가하고 항복강도, 인장강도, 연신율 및 탄성계수 같은 기계적 특성들을 평가하였으며 이러한 기계적 특성 결과와 미세조직의 상관관계에 관한 고찰도 수행하였다
