1. 서 론

반도체 칩의 소형화 및 고기능, 고성능화 요구가 커짐에 따라 기존 50년 이상 와이어 본딩 패키지 분야에 사용된 99.99% (4N)의 고순도 금 본딩 와이어는 더 강한 와이어 강도를 필요로 하고, 다양한 어플리케이션 및 긴 수명을 위해 더욱 향상된 고온 신뢰성을 요구하고 있다.

이러한 배경에서 팔라듐이 첨가된 금 본딩 와이어를 채용하여 요구되는 강도와 신뢰성을 개선하는 추세이다^[1-3]. 금 본딩 와이어 내에 팔라듐 함량이 증가하면 접합 작업성 공정 범위가 다소 좁아지는 문제가 있지만, 반도체 패키지에서 요구되는 충분한 기계적 강도를 달성할 수 있고 고온 신뢰성 면에서 유리하므로 전자제품 분야에 채용됐다. 또한 최근 자동차 및 항공 등 모빌리티 전장부품용 반도체 패키지에서도 고성능화가 진행되며 신뢰성이 더욱 향상된 금 본딩 와이어에 대한 채용과 평가가 필요하다^[4-7].

차량용 반도체 소자 및 항공 등 모빌리티 전장용 반도체의 와이어본딩 패키지에서는 열적, 전기적, 기계적 안정성을 강화하면서도 고온 신뢰성을 확보하기 위한 노력으로 기존의 전자제품용에서 채용돼왔던 1 μm급 알루미늄 패드에 팔라듐이 소량 첨가된 금 본딩 와이어 접합 공정을 개선하여 알루미늄 패드 두께를 5 μm 정도로 두껍게 채용하는 것이 유리한 것으로 보고되고 있다^[8,9].

차량용 메모리 반도체의 경우, 두꺼운 5 μm 급 두께의 알루미늄 패드를 적용하면 볼 본딩 진행 시에 발생하는 열응력이 알루미늄 패드 하부의 절연 산화막 (SiO₂)이나 하부 회로 층으로 전달되는 것을 효과적으로 완화해주고, 하부 소자에서 발생하는 국부적인 발생 열을 효과적으로 방출하는 데 유리하다. 또한 이동 중에 발생하는 기계적인 압력에 의해 발생할 수 있는 패드 하부의 금속층이나 회로 구조의 손상을 막아줄 수 있다. 또한 두꺼운 알루미늄층은 전류 밀도를 낮춰주기 때문에 저항 손실을 줄이고 전자마이그레이션을 완화하며 패드 자체가 배선의 지지체 역할을 강화하여 기계적 신뢰성도 향상할 수 있다^[9-11].

금 내에 팔라듐을 소량 첨가하게 되면 금 격자 내에서 고용체 강화 (solid solution strengthening) 효과를 나타내어 일반적인 4N 금 본딩 와이어보다 인장강도가 일부 향상되고 내크리프 성능이 강화된다. 따라서 사용 중에 루프 형성 신뢰성에 유리하다. 또한 첨가된 팔라듐은 고온 환경에서 알루미늄 패드와 와이어 볼 접합 계면으로 이동하여 금의 알루미늄 패드로의 확산을 늦춰 고온 신뢰성에서 발생하는 Kirkendall void의 형성을 늦춰준다. 이러한 효과로 예전부터 전자제품용 얇은 알루미늄 패드와 함께 반도체 패키징에서 많이 채용됐다.

Stephan 등^[1]에 의하면, 2,000년대 초반까지도 반도체 산업에서 사용되는 전체 인터커넥션 방식의 90% 이상이 금 본딩 와이어를 사용하고 있었고 제품의 소형화와 신뢰성 요구사항의 증대에 따라 금 본딩 와이어에 대한 새로운 평가 기준이 필요함을 보고했다. Choi 등^[4]은 금과 소량의 팔라듐, 백금, 구리와 은을 합금하면 열적 신뢰성 성능이 향상될 수 있고 특히 팔라듐이 1% 포함된 경우가 가장 우수한 고온 신뢰성을 보임을 보고하였다. 그러나 위의 보고들은 모두 전자제품용 얇은 1 μm급 알루미늄 패드 와이어 본딩에 적용된 사례들이고 차량용의 고신뢰성이 요구되는 5 μm 정도의 두꺼운 알루미늄 패드 두께를 가진 반도체 패키징에서의 신뢰성 연구가 미흡한 상황이다.

일반적으로 차량용 반도체의 고온 신뢰성은 Automotive Electronics Counsel (AEC) Q100 기준을 따라 175°C 환경에서 고온 어닐링 처리를 하여 와이어 본딩한 패키징이 안정적으로 1,000 h 까지 이상 없이 유지되어야 건전한 것으로 판단한다.

최근에 Kim 등^[12]은 5 μm 두께의 알루미늄 패드에 접합된 직경 15 μm의 팔라듐 1% 첨가된 미세 금 본딩 와이어 접합부가 고온 어닐링 환경에서 심각하게 초기 2시간째부터 접합 계면 부에 큰 보이드 (void)가 생성되어 고온 신뢰성을 달성할 수 없음을 보고한 바 있다. 이러한 현상은 기존의 1 μm급 얇은 알루미늄 패드가 채용된 경우에서 보지 못한 현상으로, 첨가된 팔라듐이 금과 알루미늄의 만남에 의해 형성되는 금속간화합물 상단에 누적되며 Pd-rich barrier를 형성하게 되고 이 Pd-rich barrier로 인해 금의 알루미늄 패드로의 확산속도를 방해하여 결국 안정한 금속간화합물로의 상변화를 지연시켜 부피가 큰 AuAl₂ 상이 신속하게 안정한 금속간화합물 상으로 변화하지 못하여 거대 보이드가 형성되어 본딩부의 파괴가 일어나기 때문이다.

본 연구에서는 5 μm 두께의 알루미늄 패드에 팔라듐 함량을 0, 0.05, 0.1, 0.3, 1.0%로 달리한 금 본딩 와이어에 대해서 볼 접합을 진행한 후 175°C, 1,000 h 까지의 고온 신뢰성 성능 평가를 통해 최적의 성능을 낼 수 있는 적절한 팔라듐 함량을 확인하였다.

2. 실험 방법

일반적인 본딩 와이어 제조 공정 (연속주조 - 신선 공정 - 열처리 공정)으로 직경 15 μm 굵기의 와이어를 제조하였고 연속주조 시 팔라듐 함량을 조절하여 팔라듐이 첨가되지 않은 4N (99.99%)와 팔라듐 함량 0.05%, 0.1%, 0.3%, 1.0%로 총 5가지 금 본딩 와이어 샘플을 준비하였다.

Printed Circuit Board 기판 위에 접합된 실리콘 칩 위에 65 μm × 65 μm, 두께 5 μm로 패턴을 형성하여 알루미늄 패드를 만들고 여기에 볼 본딩용 와이어 본더(Kulicke & Soffa, Rapid pro)를 사용하여 Free Air Ball (FAB)를 형성 후 1^st ball bond를 실시하였다.

FAB 형성 크기 및 1^st ball bond의 크기를 확인하기 위해서 광학현미경 (올림푸스, model : STM7)을 사용하여 그 크기를 측정하였다. FAB의 형상은 구형도를 측정하였고, 1^st ball bond의 경우는 ball의 모양이 원형인지 그리고 그 중심점의 치우침이 없는지를 확인하였다.

1^st ball bond 접합 이후 접합이 잘 이루어져 있는지 확인하기 위해 두 가지 접합성 평가를 진행하였다. 접합성 평가를 위해서는 파괴 시험 장비 (Dage, model : 4000)를 사용하여 Bond Pull Test (BPT)를 통해 접합이 잘 이루어졌는지와 Ball Shear Test (BST)를 통해 그 접합의 강도 평가를 진행하였다. BPT 측정의 경우 1^st ball bond와 2^nd stitch bond 사이의 와이어 span 부분에서 hook을 이용해 와이어를 당겨 와이어가 끊어질 때의 강도를 gr 단위로 측정하였고. BST 측정의 경우 1^st ball bond를 밀어 파단시키며 이때의 강도를 gr 단위로 측정하였다^[12].

자동차용 고온 신뢰성 조건으로 평가하기 위해 AEC Q100 기준 중 grade 0 스펙인 175°C, 1,000 h 까지 평가하였다. 고온을 계속 유지하기 위해 고온로 (성호시그마, model : SOF-105)를 사용하여 그 분위기를 유지했다. 시료는 본딩 직후인 0, 250, 750, 1,000 h 에서 꺼내 시간대별 금속간화합물 성장 및 계면 특징을 관찰하였다.

1^st ball bond 접합 직후 및 175°C 고온신뢰성 평가 후 시료들의 1^st ball bond 및 알루미늄 패드와의 접합 계면 관찰을 위해 ion polishing (Hitachi, model : IM-4000) 장비를 사용하여 단면 연마를 진행하였다.

Ion polishing을 통해 매끄럽게 형성된 1^st ball bond와 알루미늄 패드 사이의 계면을 주사전자현미경 (Thermofisher, model : Apreo 2 S)과 에너지분산 X선 분광 장비 (Oxford, model : Ultim Extreme)를 사용하여 금속간화합물의 형성 두께 및 계면 금속간화합물 종류 및 Kirkendall void 양상을 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 1은 형성된 FAB의 모양을 고배율 광학현미경을 사용하여 관찰한 결과이다. 4N과 (Pd 0%) 팔라듐 함량별 (0.05, 0.1, 0.3%, 1.0%) 금 본딩 와이어 시료에서 모두 비슷하게 FAB의 크기가 31~32 μm 인 것을 확인하였다. 결국 팔라듐을 1% 이하로 첨가할 경우 첨가 함량에 따라 FAB의 형상이 달라지지 않았고 본딩시의 N₂ 또는 95%N₂ + 5%H₂ 등의 불활성 가스가 없어도 큰 문제 없이 정원을 만들 수 있었다^{[12, 13]}.

Fig. 1. FAB image of (a) 4N, (b) 0.05% Pd, (c) 0.1% Pd, (d) 0.3% Pd, and (e) 1.0% Pd

그림 2에는 알루미늄 패드에 FAB을 접합하여 형성된 1^st ball bond의 이미지를 나타내었다. 팔라듐 함량이 증가하여도 FAB과 마찬가지로 1^st ball bond의 형상은 달라지지 않았다. 한쪽으로 치우친 편심 형태의 불량 ball 형상은 4N (Pd 0%) 및 팔라듐이 첨가된 조건 (0.05%, 0.1%, 0.3%, 1.0%) 모두에서 관찰되지 않았다. 또한 꽃과 같이 한쪽이 튀어나온 형태의 불량 볼 또한 관찰되지 않았다. 접합을 위해 적용된 Ultrasonic energy와 누르는 힘이 FAB 전반에 걸쳐 균일하게 적용된 것을 알 수 있다^{[12- 14]}.

Fig. 2. 1st ball bond shape of (a) 4N, (b) 0.05% Pd, (c) 0.1% Pd, (d) 0.3% Pd and (e) 1.0% Pd

그림 3에는 1^st ball bond의 접합 안정성을 확인하기 위한 Bond Pull Test (BPT)와 Ball Shear Test (BST)결과를 나타내었다. 그림 (a)에는 측정된 BPT 값의 개별 데이터를 보여주고 있다. 각 원은 개별 데이터를 표시한 것이고 상자는 데이터의 중심값을 기준으로 ±25%의 범위를 나타낸다. BPT 측정 시 팔라듐 함량에 관계없이 모든 와이어 조건에서 ball이 들리는 불량은 발생 되지 않았다. 팔라듐 함량이 높을수록 와이어 자체 파단강도가 높으므로 BPT 값이 약 25% 정도 상승하는 것을 확인하였다. 그림 (b)에는 측정된 BST 값의 개별 데이터를 보여주고 있다. BST 평가 시 1^st ball bond 부분에서 파단이 일어나 안정적인 접합 양상을 확인하였다. 마찬가지로 팔라듐 함금량이 높을수록 1^st ball bond의 강도가 높으므로 팔라듐이 1% 첨가될 경우 BST값이 약 6% 상승하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 알루미늄 패드가 1 μm 일 때와 유사한 경향을 보였다^[12].

Fig. 3. Bondability result of (a) BPT value and (b) BST value

그림 4에는 형성된 1^st ball bond 접합된 자재를 0, 250, 750, 1,000 h, 175°C의 고온에서 방치 후 각 온도의 왼쪽부터 4N, Pd 0.05%, Pd 0.1%, Pd 0.3%, 그리고 Pd 1.0%의 1^st ball bond 단면의 SEM 이미지를 나타내었다. 그림 (a)에는 1^st ball bond 접합 직후 이미지를 보여주고 있다. 금속간화합물이 얇게 형성되어 있고 1^st ball bond 하부 알루미늄 패드가 많이 남아있는 것을 알 수 있다. 또한 계면 crack 및 미 접합 영역이 보이지 않아 안정적인 접합이 진행된 것을 확인하였다.

Fig. 4. SEM cross-sectional images of 1st ball bond at (a) 0 h (b) 250 h, (c) 750 h and (d) 1,000 h with Pd content of 0, 0.05, 0.1, 0.3, and 1.0%.(from left)

그림 (b)는 250 h 이후 1^st ball bond의 단면 이미지들이다. 급격한 금속간화합물의 성장이 모든 조건에서 관찰된다. 모든 팔라듐 함량에서 금속간화합물이 1^st ball bond의 neck 부분 근처까지 성장한 것을 확인할 수 있다. 팔라듐이 1% 첨가된 조건에서는 금속간화합물의 성장이 다른 조건에 비해 느리게 형성되며 알루미늄 패드 상단 및 금속간화합물 하단부에 큰 void 들이 관찰되며 고온신뢰성에 큰 문제를 보였다.

그림 (c)에는 750 h 이후 1^st ball bond의 단면 이미지이다. 팔라듐이 포함되지 않은 4N 1^st ball bond 단면에서는 neck 부분 전체에 긴 crack이 관찰된다. 이러한 ball neck 부분의 crack으로 인해 신뢰성 불량문제를 보인다. 일부 0.05% 팔라듐이 함유된 1^st ball bond에서 부분적인 미세 crack이 관찰된다. 팔라듐이 1% 첨가된 조건에서는 알루미늄 패드 계면 부분에 더 성장한 큰 void가 관찰된다.

그림 (d)는 1,000 h 이후 1^st ball bond의 단면 이미지이다. 4N의 경우 ball neck 부분에 연결된 크랙이 발생하며 파괴가 일어났다. 나머지 팔라듐 함량 조건에서는 neck과 접합 계면 부에 큰 결함 없이 본딩을 유지하였다. 그러나 팔라듐이 1% 첨가된 시료는 알루미늄 패드 부분에 거대한 void가 관찰되었다.

결과적으로 팔라듐이 첨가되지 않으면 750 h에 1^st ball bond의 neck 부분 crack으로 인해 고온신뢰성이 떨어진다. 팔라듐이 0.05~0.3% 포함된 조건에서는 일부 neck 부분에 crack이 관찰되지만, 신뢰성에 크지 않고 알루미늄 패드 부분에도 미세한 void가 관찰되지만 그 크기가 크지 않기 때문에 고온신뢰성에 영향을 주지 않았다. 팔라듐이 1% 포함될 경우는 250 h 부터 알루미늄 패드 부분에 조대한 void가 형성되어 고온신뢰성이 미흡하였다.

그림 5에는 고온신뢰성 1,000 h 후 팔라듐 0.1, 0.3, 그리고 1.0%의 1^st ball bond 단면의 EDS 성분분석 맵핑과 라인스캔 결과를 나타내었다. 팔라듐 0.1% 혼입 경우, 그림 (a)에는 맵핑 결과를 (b)에는 라인스캔 결과를 각각 나타내었다. 결과에서 보듯이 팔라듐이 전 시료범위에서 균일하게 혼합되어 있고 집적현상이 보이지 않았다.

Fig. 5. EDS elemental analysis images obtained after 1,000 h of high-temperature reliability exposure for (a) mapping 0.1% Pd, (b) line scan 0.1% Pd, (c) mapping 0.3% Pd, (d) line scan 0.3% Pd, (e) mapping 1.0% Pd, and (f) line scan 1.0% Pd

그림 (c)와 (d)는 팔라듐 함량 0.3% 조건의 맵핑과 라인스캔 결과이다. (c) 에서는 붉은 화살표로 표시한 바와 같이 금속간화합물과 1^st ball bond 사이 계면에 팔라듐 함량이 높은 층이 약하게 관찰된다. (d) 라인스캔 결과에서 보듯 이러한 Pd-rich 부분은 팔라듐 함량이 6% 까지 집적되는 것을 알 수 있다.

그림 (e)와 (f)는 팔라듐 함량 1.0% 조건에 대한 맵핑 및 라인스캔 분석결과이다. (e)의 화살표로 표시한 바와 같이 금속간화합물과 1^st ball bond 사이에 팔라듐 함량이 높은 층이 강한 컨트라스트로 관찰되며 (f)의 라인스캔 결과에 따르면 이부분은 팔라듐 함량이 15% 이상으로 많이 집적되었다. 결국 팔라듐이 1.0% 함유되면 금속간화합물과 1^st ball bond 계면에 15% 이상의 고농축 팔라듐층이 형성되며 이 층은 1^st ball bond의 금이 알루미늄 패드로 확산하는 속도를 늦추고 반대로 알루미늄 패드에서 1^st ball bond로 이동하는 알루미늄의 확산속도를 빠르게 하여 팔라듐의 농도가 과도할 경우 알루미늄 패드 하부에 확산에 의한 대형 void를 형성할 수 있었다.

결과적으로 팔라듐이 포함되지 않은 4N 와이어는, 금의 빠른 확산으로 금속 간 화합물층이 커지고 1^st ball bond의 neck 부분에 Kirkendall 효과로 crack이 발생하여 1,000 h 고온 신뢰성 달성이 어려웠다. 또한 팔라듐이 1.0% 혼입된 경우는 250 h 부터 다량의 팔라듐이 금속간화합물 상부에 축적되어 금의 확산이동을 방해하여 알루미늄 계면 부에 형성된 거대 void를 더 생성시켜 고온신뢰성에 극히 불리하였다. 그러나 0.05~0.3%의 적절한 팔라듐 혼입의 경우는 팔라듐이 고온 장시간 어닐링에서도 균일한 분포를 유지하거나 상대적으로 적은 집적으로 금의 확산을 적절히 제어하여 Kirkendall void도 방지하고 금속간화합물의 상변화에 따른 void도 신속히 메꾸는 정도의 이동도를 가지기 때문에 하부의 5 μm의 두꺼운 알루미늄 패드를 채용하는 경우에 고온신뢰성 면에서 유리하였다.

4. 결 론

팔라듐 함량에 따른 금 합금 본딩 와이어를 제조하여 5 μm의 두꺼운 알루미늄 패드에 접합 후 고온신뢰성 평가 시 상의 변화와 계면 형상을 관찰하였다. 팔라듐이 첨가되지 않은 금 본딩 와이어 (4N)는 250 h 이후 금의 급격한 확산으로 1^st ball bond의 변형 및 균열이 발생하였으며, 1,000 h 후에는 금속간화합물 상단의 금이 대부분 소진되어 고온 신뢰성이 저하되었다. 반면, 0.05~0.3%의 적정한 팔라듐 함량을 첨가하였을 경우, Pd-rich barrier 형성을 통해 금속간화합물로의 금 확산속도가 늦춰졌고 접합 계면은 안정적으로 유지되며 Kirkendall void 발생 가능성이 줄어들어 고온 환경에서 접합 신뢰성을 크게 개선하였다. 그러나 팔라듐 함량이 1%의 경우, 알루미늄 확산이 가속화되면서 대형 void가 알루미늄 패드 하부에 형성되어 고온 신뢰성에 부정적인 영향을 미쳤다. 자동차용으로 높은 고온 신뢰성이 요구되어 5 μm 수준의 두꺼운 알루미늄 패드가 적용된 디바이스에 금 와이어 본딩을 적용할 때는 0.05~0.3% 수준의 팔라듐 혼입이 열적, 기계적 공정 안정성뿐만 아니라 장시간 고온 환경에서 안정적인 접합을 유지하는 데 적합하였다.