Wire bonding 1.Wirebonding 이란? 집적회로를패키지의리드에매우가는고순도금 (Au), 알루미늄 (Al), 구리 (Cu) 선으로연결하는공정을 wirebonding 이라한다. 반도체칩은제대로동작하기위해서는외부와전기적으로연결되어야한다. 이것은미세한금속선으로반도체칩의끝부분과다른전기적연결단자와연결하게된다. 반도체칩의표면에선을붙이는것은어려운작업이다. 칩연결에쓰이는 wire 는시간이지나도재성능을내도록전기적연결이좋아야한다. 초창기상업적인 wirebonding 방법은칩에직접납땜을하는방법이었다. 이러한납땜법은생산성이좋지않았다. 반도체물질과접합하는다이오드부분이약해져서성능을떨어뜨리는결과를가져오기도했다. 왼쪽의그림은 bonding 용금 wire 를보여주고있다. 기본적으로 wirebonding 의형태는 wedge bond 와 ball bond 로나눌수있다. - Ball-bonding Ball-bonding 은금 (Au) wire 의끝단에작은전기스파크를가해녹여서금속볼모양을만든다. 이때 wire 로찬가는모세관이칩의표면에찍게되면 wire 가붙게되고모세관을들어올려지게된다. 모세관이들어올려지면 bonding pad 면가장자리가잘려지게되며 wire 가붙게된다. Fig.1 에 Ball-bonding 구조를보이고있다. Fig.1 Ball Bonding tip Fig.2 Bonding tools
- Wedge bonding Wedge bonding 은반도체 pad 에수평적으로찍히게되고 wedge 를들어올리면 wire 를잡아당겨접착부분을끊어주게된다. 그다음다시 wire 가공급되어찍히고자르고하는과정이반복된다. 이방법의장점은여러지점의접착점을 wire 를일일히끊지않고연속적으로붙일수있다는것이다. Fig.3 Wedge Bonding Fig.4 Wedge Tool 오늘날 90% 이상칩들은 Ball-bonding 기법이사용되고 10% 는 Wedge-bonding 이사용되지만디바이스가점점소형화되고연결밀도가커짐에따라 Wedge-bonding 기법도증가하고있다. 40x50μm 의크기를갖는 FET 트랜지스터나, 임피던스를 50 Ω 정도까지되게요구되는 MMIC 들에대해서는 Ball-bonding 보다 Wedge-bonding 이쓰여야만할것이다. 때로는신호연결을강화하기위해서 wire 대신 gold 리본이사용되기도한다. [ 그림 5] 에서보는바와같이 MMIC 는 Wedge-bonding 을일반적으로사용하지만 DC 전압을인가할때 Ball-bonding 기술이사용된다.
(a) A TRW MMIC for 0.5W at 24GHz where ribbon bonding is used for the signal and ball bonding is used for the DC connections (magnified 40X, foto by CT1DMK) (b) ball-bonding (c) testing welding & reflowing Fig.5 Bonding examples 2. 접합방법 공정중용접될때는 wire 와패드사이에수천원자크기정도의두께를갖는중간영역이있어야한다. 이얇은접촉면에온도를높일수있는에너지는온도, 압력, 초음파진동을이용하거나여러가지를요소를혼합하여온도를올린다. 가장많이쓰이는방법은아래와같다. - Thermocompression 1955~1958 년대에 Bell 연구소의 O. L. Anderson, H.Christensen,P. Andreatch 3 명의과학자에의해개발되었다. 연구팀이이와같은기술을발표하자수많은반도체제조회사들이 thermocompression bonder 를구축하였다. 최초의상업용 thermocompression bonder 는 1959 년말 Kulicke,Soffa 에의해제공되었다. 제품의수요가너무많아서 1 년매출이 $1 백만을기록했다. K&S 는 1958 년 Western Electric 반도체공장에서운용중인 thermocompression bonder 생산설비를관찰하고나서약간의기계적수정을하여상업화한것이다. Thermocompression-bonding 은 1960 년대에초음파기술이나오기전까지널리쓰였다. 이기술은칩의표면을예열 (250~500 ) 시켜 5000~10000 lb/sq 압력으로 wire 를 ball 형태로만들어붙이는방법이다. Wire 재질은금이고반도체패드는금이나알루미늄이사용되었다. - Ultrasonic Ultrasonic-bonding 은디지털, 아나로그, 반도체에는매우적합하였으나극초단파를사용할때는적합하지 못했다. 이방법은칩에상대적으로적은힘으로 wire 를찍고나서상온에서초음파를쏘아접착시킨다.
Wire 재질은금이나알루미늄이쓰였고반도체패드면역시금이나알루미늄이쓰였다. 알루미늄을사용 하여상온에서공정을할수있음에도불구하고 thermosonic 에비하여접합강도가좋지않아반도체 산업계에서는많이쓰이지않았다. - Thermosonic Thermosonic-bonding 은가장많이쓰는방법이다. 이방법은앞서설명한 Thermocompression 과 Ultrasonic 방법을혼합하여사용한다. 상온 100~200 에서수행된다. 패드접촉면에압력을가하고초음파를쏘는것이다. Wire 재질은금, 알루미늄, 구리가사용되었고반도체패드면은금이나알루미늄이사용되었다. 이방법은극초단파를사용하는디바이스에가장많이쓰였다. 3. 고려사항 Wirebonding 기술은매우작은접착공간 (fine-fitch bonding) 에서의작업과같은진보된패키징기술에 있어서 접착하는선의적절한선택은매우중요하게된다. 1. Wire 를선택할때먼저고려해야할사항은사용될패키지의종류이다. 예를들어 Gold wire 는 hermetic 패키지에서는고온을견디지못하므로사용할수없다. 알루미늄 wire 는 hermetic 조립에서는표준으로쓰인다. 플라스틱패키지에서는 gold wire 가더빠르고, 사용하기쉽고, 가격대비성능이우수하므로이상적인선택이될수있다. 2. 다음은고려해야할사항은 wire 의직경이다. 칩의 wire 접착점이작을수록더욱가느다란 wire 가필요하지만, 높은전류를흘린다든지발열이중요한 회로의경우두꺼운 wire 가더효율적이다. 3. 또다른고려사항으로인장강도가있다. 인장강도가크면클수록좋은것이다. 4. 신장성 (elongation property) 도중요하다. Wirebonding 시신장성이크면모양을만드는데어렵기때문이다. 그렇기때문이 wirebonding 시신장성이 크지않은것을골라야한다. 5. 마지막으로고려해야할사항은열에영향을받는영역의범위이다. Wire 를붙이기에앞서 wire 의끝부분이녹으면서볼모양이되었을때고온으로인해끝부분의볼에가까운부분은나뭇결구조를확대시킨다. Wire 의그부분은쓸수없으므로버려야한다. 일반적으로생산공장에서는 wire 가 low-loop 용인지 high-loop 용인지표시하여출시한다.
[ 표 1]Typical bonding parameters for wire bonding, indicative figures only as actual values to be used may depend also on other aspects not mentioned. 4. 실전 TIP 실전정보를담지않는이론이나문서들은초보자들에게는기대이하의것이될수있다. Wirebonding 은첫초보자들에게는매우힘든공정이될수있다. 만족할만한공정결과는많은조건들이충족되야하고많은시행착오를거쳐얻어진 parameter 들이필요하다. 매번 Wirebonding 시에쓰인 parameter 들을일일이기록하면좋다. 공정시사용한사용툴, 압력, 파워, 실행횟수, 실행온도등을적어두면공정이잘못되었을때유용하게쓰일수있다. 공정시서로다른종류의 bond wire 의직경과재질에대해서특히압력과파워부분에서 bonding parameter 는많은부분이다르다. 예를들어 17μm 금 wire 는일반적인 25μm 를사용할때보다매우적은압력을필요로한다. FET 나 Bipolar 트랜지스터같은디바이스들은 bonding 패드면이매우작아 17μm wire 가적합하지만 MMIC 의경우입출력단에패드면적이 50μm 짜리리본을쓸수있을정도로면적이충분하다. 50μm 리본타입을쓰지못할경우 25μm 짜리두개의 wire 를쓰는것은좋은해결책이될것이다. 25μm wire 에전압인가하는것은큰문제가되지않지만 MMiC 같은경우마지막공정에서 800mA 이상이가해지면소자자체가망가지므로 VDD 연결공정에더얇은 wire 를쓰거나두개의 wire 를병렬로연결하는것이바람직하다. [ 표 2]Properties of Various Wire Types Property Cu Au Al Ag Electric Conductivity (%IACS) 103.1 73.4 64.5 108.4 Thermal Conductivity (W/m K) 398.0 317.9 243.0 428.0 Thermal Expansion Coeff (mm/m K) 16.5 14.2 23.6 19.0 Tensile Elastic Modulus (GPa) 115 78 62 71 [ 표 3]Properties of Copper Wires from Semiconductor Packaging Materials
Hard Wire Annealed Wire Diameter (in.) Elongation (%) Tensile Strength (g) Elongation (%) Tensile Strength (g) 0.0007 0.5-4 10-20 6-20 5-12 0.001 0.5-4 20-30 10-25 10-20 0.00125 0.5-4 35-45 10-25 15-25 0.0015 0.5-4 45-75 10-25 25-35 0.002 0.5-4 80-120 10-25 45-55 0.003 0.5-4 200-270 10-30 95-115 0.004 0.5-4 350-450 10-30 175-225 0.005 0.5-4 600-700 10-30 260-310 0.010 0.5-4 2200-2600 10-30 1040-1240 [ 표 4.5.6]Bonding Wires from Various Manufacturers