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선연결
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선연결(Wire Bonding)은 반도체 칩과 기판 또는 패키지 리드(Lead)를 연결하는 기술로, 반도체 제조 공정에서 가장 널리 사용되는 연결 방식 중 하나이다. 주로 금속 와이어(일반적으로 금, 알루미늄, 구리)를 사용하여 칩의 입출력(I/O) 패드와 외부 회로를 전기적으로 연결한다.
개요[편집]
선연결 또는 와이어본딩은 가느다란 금속선을 패드에 접합시키는 방식이다. 즉 내부 칩과 외부를 연결하는 기술로써, 구조적으로 본다면 와이어는 칩의 본딩 패드(1차 본딩)와 캐리어의 패드(2차 본딩)를 연결하는 다리 역할을 하는 것이다. 초창기에는 캐리어인 기판으로 리드프레임(Lead Frame)을 사용했으나, 기술이 발전함에 따라 현재는 PCB를 주로 사용하고 있다. 서로 위치적으로 떨어져 있는 2개의 패드를 연결하는 와이어본딩은 와이어의 재질과 본딩 조건, 접합 위치(칩과 기판 사이 이외에도 칩과 칩 사이 혹은 기판과 기판 사이를 연결하기도 함) 등이 매우 다양하다.
선연결의 과정[편집]
- 볼 본딩(Ball Bonding): 와이어의 끝을 녹여 작은 볼을 형성한 후, 칩의 패드에 압착하여 연결한다. 주로 골드 와이어 본딩에 사용되며, 열 초음파 본딩에 적합하다.
- 웨지 본딩(Wedge Bonding): 와이어의 끝을 기판과 접촉 시켜 압력을 가해 본딩한다. 알루미늄 와이어 본딩에 주로 사용되며, 열 압착 본딩 방식에 적합하다.
- 루프 형성(Looping): 첫 번째 본딩 후, 와이어를 적절한 길이로 늘려 두 번째 접점에 연결한다. 루프 길이는 와이어 길이에 따라 달라지며, 신호 전송 특성에도 영향을 미친다.
방식[편집]
패드에 와이어를 연결하는 방식으로는 ▲본딩 패드와 캐피러리(Capillary, 모세관 형태의 와이어 이동 기구)를 열로 데워 압착해 연결하는 열압착 방식, ▲열을 사용하지 않고 캐피러리에 초음파를 인가하여 접착하는 방식, ▲열과 초음파를 한꺼번에 모두 이용하는 복합 방식 등 크게 세 가지로 나뉜다. 먼저 열압착 방식은 칩의 본딩 패드의 온도를 미리 약 200℃ 정도로 올리고, 캐피러리의 팁(Tip, 끝단)에도 온도를 높여 와이어를 볼(Ball) 형태로 만들어 캐피러리를 통해 본딩 패드에 압력을 가하며 와이어를 붙이는 방식이다.
초음파(Ultrasonic) 방식은 패드에 와이어를 찍어 내리면서 웨지(Wedge, 캐피러리와 유사한 와이어 이동기구로 볼을 형성하지 않음)에 초음파를 가해 패드에 와이어를 붙이는 방식이다. 공정 측면과 재질 면에서 원가가 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 열과 압력 대신 초음파를 이용하므로, 다루기는 쉽지만 접착된 인장강도(와이어링 후 와이어를 당겼을 때 견디는 힘)는 약하다는 단점이 있다.
반도체 공정에서 일반적으로 가장 많이 사용하는 방식은 열압착 방식과 초음파 방식의 장점을 합친 열초음파(Thermersonic) 방식이다. 캐피러리에 열과 압력, 초음파를 가하여 가장 최적의 조건으로 본딩을 한다. 반도체 후공정은 원가 비용보다는 본딩의 접착 강도가 더 중요하므로, 고가임에도 불구하고 골드와이어(Gold Wire)를 사용한 열초음파 방식을 주로 적용한다.
와이어 재질[편집]
와이어의 소재는 본딩 시 각종 파라미터(Parameter)를 고려해 가장 알맞은 방식을 조합해 결정한다. 여기서 파라미터란 반도체 제품의 종류, 패키지 종류, 본딩 패드 크기, 와이어 직경, 본딩 방식 및 신뢰성 항목인 와이어의 인장강도와 신장성 등 매우 다양하다. 와이어의 소재는 대표적으로 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu)가 있는데, 반도체 패키징에서는 대부분 금을 사용한다.
골드와이어(Gold Wire)는 전류의 흐름이 좋고 화학적으로 안정되어 부식에 강하다. 반면, 초창기에 와이어 재질로 주로 사용했던 알루미늄은 쉽게 부식된다는 단점이 있었다. 또한 골드와이어는 경도가 적당하여 1차 본딩 시 볼이 잘 형성되며, 2차 본딩 시 반원 형태의 루프(Loop, 1차 본딩에서 2차 본딩까지의 와이어 모양)가 알맞게 형성된다.
알루미늄와이어(Aluminum Wire)는 골드와이어보다 직경이 굵어 피치(Pitch)가 넓게 된다. 골드와이어는 높은 순도의 금을 사용해도 루프를 형성할 때 끊어지지 않는 반면, 순수 알루미늄와이어는 루핑(Looping) 시 잘 끊어지므로 실리콘이나 마그네슘을 섞은 합금을 주로 사용한다. 혹은 골드와이어를 사용할 수 없는 고온 패키지(Ex. Hermetic)나 초음파 방식 등에서 적합하다.
구리와이어(Copper Wire)는 가격이 저렴하지만 경도가 너무 높다는 단점이 있다. 경도가 높으면 볼이 잘 형성되지 않을 뿐 아니라 루핑 시 제약이 많고, 와이어의 볼본딩 시 칩의 패드에 높은 압력을 가해야 하므로 패드 하부 막질에 크랙(Crack)이 발생할 가능성이 높다. 또한, 단단하게 와이어링(Wiring)된 패드의 껍질(Layer)이 벗겨지는 필링(Peeling) 현상도 나타날 수 있다. 그러나 칩의 금속 배선이 구리 성분인 만큼 점점 구리와이어를 사용하는 빈도수를 높이려는 추세이며, 이러한 구리의 단점을 극복하기 위해 미량의 다른 소재와 합금하여 적용하고 있다.
재질에 따른 선연결[편집]
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선연결을 진행하는 데 있어 가장 핵심적인 장치는 캐피러리로, 이를 이용할 땐 주로 골드와이어를 적용한다. 반면, 알루미늄와이어를 사용할 때는 웨지를 이용해 와이어링을 한다. 캐피러리는 볼을 형성해 와이어링을 하지만, 웨지는 볼을 형성할 필요 없이 와이어링을 한다는 특징이 있다. 웨지는 형태적으로도 웨이퍼의 끝단 부분에서 캐피러리와 다르며, 와이어를 본딩하고 끊어내는(Tear) 방식에서도 차이가 난다.
골드와이어는 열초음파-캐피러리-볼본딩의 옵션을 취한다면, 알루미늄와이어의 경우 초음파-웨지본딩의 옵션으로 알루미늄와이어 웨지본딩(Aluminum Wedge Wire Bonding)을 진행한다. 알루미늄-초음파 방식은 인장강도가 낮아 특별한 경우에만 사용하고 있으며, 와이어링의 90% 이상을 골드-열초음파 방식으로 진행한다. 그러나 열초음파 방식 역시 볼넥(Ball Neck)부분이 취약하다는 단점이 있기 때문에, HAZ(Heat Affected Zone, 와이어 재질이 캐피러리의 뜨거운 온도에 의해 약하게 용융된 후 응고하면서 재결정되는 와이어 영역)를 신중하게 관리해야 한다.
- 골드와이어(Gold Wire)를 이용한 볼본딩(Ball Bonding)
와이어링 방식 중 가장 많이 사용되는 열초음파 방식의 골드볼 와이어본딩(Thermersonic Gold Ball Wire Bonding)은 총 2차에 걸쳐 본딩이 진행된다. 먼저 1차 본딩에서 캐피러리의 정중앙에 난 구멍으로 골드와이어가 통과하면서, 와이어의 끝단에 온도를 높이면 금이 용융되며 골드볼(Gold Ball)을 형성한다. 그 후 와이어를 잡았다 놓았다 하는 클램프(Clamp)를 열면서 캐피러리에 열과 압력, 초음파 진동을 가하며 캐피러리를 본딩 패드에 터치하면 형성된 볼이 가열된 본딩 패드에 접합된다. 1차 볼본딩 완료 후 캐피러리를 미리 측정된 루핑 높이보다 약간 더 높은 위치까지 끌어올린 다음, 2차 본딩용 패드까지 이동시키면 루프가 형성된다.
이어 2차 본딩에서는 캐피러리에 열, 압력, 초음파 진동을 주면서, 2차로 형성된 볼을 PCB 패드에 짓이겨 놓으면 스티치본딩(Stitch Bonding, 한 코를 바느질한 본딩)이 된다. 스티치본딩 후 연이어 와이어가 끊어질 때 약하게 와이어의 꼬리(Tail)가 형성되는 테일본딩(Tail Bonding)이 진행되면서 마무리된다. 그 후 캐피러리가 클램프를 닫고(와이어 Holding), 와이어를 단절(Tearing)시키면, 이로써 2차 골드와이어 볼본딩이 완료된다.
참고자료[편집]
- 진종문 교수, 〈반도체 특강 와이어본딩(Wire Bonding), 칩을 바느질해 PCB에 연결하다〉, 《SK하이닉스》, 2020-11-09
같이 보기[편집]
