반도체 패키징 - Wire Bonding과 관련 장비의 이해

반도체 Wire Bonding이란?

Chip  내부의 외부 연결단자와 Lead Frame 또는 PCB Frame에 금속선을 연결하는 것으로 Ball bonding과 Wedge Bonding으로 구분되며, 일반적으로 사용하는 방법은 Gold, Cooper를 사용하는 Ball bonding과 Aluminum을 사용하는 Wedge bonding으로 구분됩니다. 기타 제품과 공정의 특수한 요구 조건이 있을 때 Ribbond bonding과 Chip bonding을 적용하기도 합니다. 

 

 

와이어 본딩은 4가지 중요한 파라미터들의 상호작용으로 이루어지며, 그 파라미터는 Ultrasonic Power, Pressure(Force), Temperature 그리고 Time입니다.

 

Bond의 형태

- Ball Bond : Chip의 bond pad에 기형성 된 ball을 일정한 tool(capillary)를 사용하여 연결하고 lead frame에는 초승달 형태의 stitch bond를 형성시키는 방법으로 현재 가장 널리 사용되고 있습니다.

- Wedge Bond : 볼 본딩이 개발되기 전부터 사용된 본딩 방법으로 특수한 tool(wedge)을 사용하여 동일 계열의 금속 접합에 많이 사용되며 chip의 bonding pad와 lead frame의 양쪽에 모두 동일한 형태의 wedge bond를 형성합니다. 주로 Aluminum wire에 사용됩니다. 

 

다음으로는 와이어 본딩에 이용되는 에너지에 대해 알아보겠습니다.

- 열압착(Thermocompression) ball bond : 초기에 사용되던 bonding방법으로 bonding을 위하여 열(temperature: 300 deg)과 bond tool에 의하여 전달되는 압력 (compression)을 이용하여 bonding을 수행하는 방식입니다. 

 

- 초음파(Ultrasonic) aluminum wedge bond : Bonding을 위한 에너지로 wedge tool에 의하여 전달되는 초음파만을 이용하여 그때 발생되는 마찰열이 bonding을 수행합니다.

 

 

- 열음파 (Thermosonic) gold wire bond : 본딩에 사용되는 에너지로 bond tool인 capillary에 초음파 에너지가 전달되고 chip과 lead frame에 열을 가하여 bonding을 수행합니다. 현재 가장 널리 보편화된 bonding 방식입니다. 

 

와이어 본딩에 이용되는 주파수

- 일반주파수 : 보통 60KHz 주파수를 갖는 초음파를 사용하여 와이어 본딩을 수행합니다. 이 경우 칩과 리드프레임에 가해지는 온도는 적용 패키지에 따라 다릅니다. 

 

- 고주파 본딩: 120KHz 이상의 초음파를 사용하여 진동에 의하여 발생되는 볼과 칩의 본딩 패드 간의 마찰열이 상대적으로 일반 주파수 보다 높으므로 낮은 온도에서 작업이 가능합니다.

 

 

Wir Bonding 관련 장비의 소개와 명칭

현재 와이어 본딩을 위하여 다양한 기종들이 많은 장비 메이커에 의하여 소개되고 있으나 다양한 장비의 종류라 할지라도 그 기본적인 구성은 유사한 요소들로 구성되어 있습니다.

 

Wire-bonding-관련-장비

 

- 본드 헤드: 캐파필러가 장착되어 있는 부분으로 카메라와 LED 그리고 transducer horn 등으로 구성되어 있습니다.

- 모니터 : 카메라를 통한 화상 정보를 전달하여 동시에 본드 파라미터나 장비의 현 상태를 보여줍니다.

- 키보드: 각종 파라미터등을 키보드를 통하여 입력할 수 있도록 합니다.

- 와이어 공급 : 와이어 스풀이 장착되어 필요한 양만큼의 와이어를 본드 툴을 capillary 나 wedge를 통해서 공급합니다.

- 인덱스부 : 와이어 본딩을 하기 위한 strip을 움직이는 워크홀더, 매거진, 로드, 언로드로 구성됩니다.

 

 

본딩헤드 주변 장치

- Z-드라이브 : 리니어 모터가 캐필러리를 위아래로 움직입니다.

- 와이어 클램퍼: 본딩 와이어를 잡고 있는 기구입니다.

- 토치 일렉트로드: 와이어 끝을 볼 모양으로 만들기 위해 전기 스파크를 발생시키는 부분입니다.

- 와이어 텐셔너 : 와이어를 일정 수준의 팽팽한 상태로 유지하는 기구입니다. 

- 카메라 섹션: 디바이스의 종류에 따라 고배율과 저배율의 렌즈를 이용하여 확대해서 보여주는 기구입니다. 

- 조명부(중앙 조명): LED를 카메라 렌즈부에 설치하여 본딩부를 비춰주는 기구입니다.

- 조명부(외곽 조명): LED 링조명 형태로 본딩부를 비춰주는 기구입니다.

 

XY유닛

- XY유닛 : 리니어 모터를 이용하여 본딩이 적절하게 이루어질 수 있도록 고속, 고정속도로 움직이는 유닛입니다. 

- 램프 타워: 장비의 상태를 나타내는 램프입니다.