반도체 패키징 공정 와이어 본딩

Wire bonding 이란?

반도체 패키징 공정 중의 와이어 본딩(Wirebonding)은 실리콘 칩과 반도체 디바이스의 외부 선을 매우 미세한 배선으로 전기적 연결을 하는 공정이다. Wirebonding에 사용되는 배선은 대게 Au나 Al 계열이 많이 쓰이며 Cu 도 반도체 제조 산업에서 쓰이기 시작하고 있다. Au는 산화작용이 적어 bonding 시 크게 문제가 되지 않으나 Cu의 경우 산화되는 것을 방지하기 위해 wirebonding 공정 중에 질소 가스를 사용해야 한다. Cu는 Au 보다 강하기 때문에 칩의 표면에 쉽게 대미지를 줄 수 있다. 어쨋거나 Cu는 Au보다 값이 싸고 전기적으로 우수한 성질을 가지고 있으므로 어느 것을 선택하는가는 회사 정책에 맞게 선택되어야 한다.

 

1. Gold ball bonding

 

현재 모든 ball bonding 공정은 열, 압력, 초음파 에너지를 이용하여 wire 끝 부분에 용접점(weld)을 만든다. 사용되는 wire는 15μm 정도의 작은 직경에서부터 사람 머리카락 두께 정도의 용접 점도 이용된다. Wire 가 주입되는 가는 바늘 모양의 것을 'capillary'라 하며 주입된 wire에는 고 전압이 걸어 준다. 이로 인해 capillary(그림 2) 끝 부분에서 wire가 녹게 되고 용해된 금속의 표면 장력으로 인하여 wire 직경의 1.5~2.5배 정도의 ball(그림 1) 모양을 하게 된다. 이 ball 은 쉽게 경화되므로는 칩의 표면에 접착하기 위해 내려가고 칩은 사전에 125℃ 이상 가열되어 있어야 한다

그림 1. Wire bonding

Wire Bonding Capillary

2. Aluminum Wedge bonding

Aluminum wedge bonding에서는 그림 3. 와 같은 wedge tool이 사용되며 wire를 일정한 힘으로 기판 위로 누르고 있는 동안 초음파 에너지가 정해진 시간 동안 wire에 가해지게 되면 그림 4. 와 같이 기판에 밀착되어 첫 번째 bonding을 하게 된다. 그다음 리드선을 따라 다음 지점으로 wire를 이동시킨 후 기판에 wire를 누른 상태에서 초음파를 가하여 기판에 밀착시키고 나머지 부분을 끊어 내어 bonding을 마무리한다.

그림 3. Wire Wedge Tool

그림 4.  Wire wedge first bonding

 

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Wedge bonding에서 wire는 wedge tool에 30~60° 정도의 기울기로 공급된다. 일반적으로 첫 번째 bonding은 die에 두 번째 bonding은 기판에 실시된다. Wedge가 IC bond pad에 내려가면서 wire를 기판 위에 내리눌러 밀착시킨 후 ultrasonic이나 thermosonic을 가하면 wire에 기판에 붙이게 된다. 그다음 wedge를 들어 올려 두 번째 bonding 위치로 이동하면 wire가 지붕 모양을 이루게 된다. 이때 wedge의 구멍에 wire가 공급되는 방향과 첫 번째 bonding 위치와 두 번째 bonding 위치가 평행을 이루도록 하여 wire가 꺾임 없이 일직선으로 공급되도록 한다.

Wedge bonding 기술은 Al이나 Au bonding에 쓰일 수 있는데 기본적으로 다른 점은 Al wire는 실온에서 ultrasonic bonding으로 진행되고 Au wire는 150℃ 이상의 thermosonic bonding 공정으로 진행되는 점이다. Wedge bonding의 가장 큰 장점은 매우 작은(공간 50μm까지)에서 공정이 진행될 수 있다는 것이다. Al ultrasonic bonding 공정은 wedge bonding 공정 중에 가장 많이 쓰이는데 낮은 비용과 공정 온도가 낮은 곳에서 실시될 수 있기 때문이다. 또한 wedge bonding 공정은 ball bonding 공정에 비해 용접 자국이 작아 Au로 bonding 해야 하는 작은 디바이스 제조에 적합하다.

 

	Pressure	Temperature	Ultrasonic energy	Wire	Pad
Thermocompression	High	300-500 oC	No	Au,	Al, Au
Ultrasonic	Low	25 oC	Yes	Au, Al	Al, Au
Thermosonic	Low	100-200 oC	Yes	Au	Al, Au

 

Wire Bonding Process

 

 

① Capillary가 다음 bonding 할 위치로 이동한다. 이동중 clamp는 닫혀 있는 상태이다.

     다음 bonding 할 위치에 다다르면 clamp 가 열린다.

② Wire가 capillary 속으로 주입된다.

③ EFO( Electronic Flame-off)으로 wire와 capillary 끝 부분에서 스파크를 일으킨다.

④ Wire 가 녹으면서 ball 모양이 된다.

⑤ Capillary 가 내려오면서 die 상 연결한 위치의 표면에 접촉한다.

⑥ 초음파 에너지를 쏘아 ball이 die 표면에 접착되도록 한다.

⑦ Capillary 가 wire를 끊어낼 위치까지 이동하고 패키지 pad 면에 접촉한다. 그리고 초음파를 쏘아 wire를 끊어낸다.

⑧ Capillary가 다음 bonding 할 위치로 이동한다.

Wire bonding의 공정 변수는 많이 있지만 특히 ultrasonic과 thermosonic이 큰 영향을 미친다.

 

•  Ultrasonics: 성공적인 공정을 위해서는 transducer에서 bonding tool까지 초음파 진동을 효율적으로 전달하는 데 있다. 그러므로 bonding tool은 정확한 높이와 transducer에 정확한 토크로 단단히 조여져 있어야 한다.
•  Clamping: Bonding 시 기판 자체는 스테이지에 완전히 고정돼 있어야 한다. 약간이라도 움직이게 되면 전체 공정을 그르칠 수 있다.
•  Material condition: Bonding 사용되는 재질의 오염은 특히 신중하게 다루어야 한다.
•  Clamping: Bonding 시 기판 자체는 스테이지에 완전히 고정돼 있어야 한다. 약간이라도 움직이게 되면 전체 공정을 그르칠 수 있다.
•  Material condition: Bonding 사용되는 재질의 오염은 특히 신중하게 다루어야 한다.

　

 

 3. Wirebonding Failure

•  Ball bonding lift : 실리콘 칩으로부터 접착된 ball 부분이 떨어진 상태로 bond pad가 오염되었거나 잘못된 wire parameter 세팅 등으로 발생된다.

Ball bonding lifting

•  Wire broken : Wire 가 끊어지는 현상으로 wire 재질이 불안정하거나 과도한 힘으로 wire를 당길 때 발생한다.

Wire broken

•  Wire missing : 공급되는 wire가 부족하거나 bonding tool이 막혀 공정 진행이 안된 경우이다.

Wire missing

•  Ball shorting : Ball bonding 부분이 서로 접촉하는 것으로 bond pad 사이의 거리가 불충분하거나 bonding 지점을 잘못 정하거나 wire parameter 가 잘못되었을 때 발생한다.

Ball shorting

•  Wire shorting : Bonding 된 wire 끼리 접촉하는 것으로 잘못된 wire looping이나 과도한 힘으로 wire를 끌어당길 경우 또는 wire와 wire 사이의 거리가 좁을 때 발생한다.

Wire shorting

•  Wedge Stitch lifting : Wedge bonding 된 부분이 떨어지는 상태로 bond pad나 leadfinger의 오염 잘못된 parameter 세팅 등이 유발시키다.

Wedge Stitch lifting

 

 

마무리

와이어 본딩의 미래 와이어 본딩 공정은 반도체 산업의 중요한 구성 요소로 남아있습니다. 이 기술의 지속적인 발전은 반도체 산업의 성장과 직결되어 있으며, 향후 몇 년간 더욱 중요해질 것으로 보입니다.

 

 와이어 본딩은 단순히 기술적인 과정을 넘어서, 반도체 산업의 혁신과 발전을 이끄는 핵심 요소입니다. 이 과정을 이해함으로써, 우리는 반도체 기술의 미래에 대한 더 깊은 이해를 얻을 수 있습니다.

 

 

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