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와이어 본딩

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목차

1. 개요

와이어 본딩은 전기적 연결을 만들기 위해 얇은 금속 와이어를 사용하여 반도체 장치, 집적 회로(IC) 및 기타 전자 부품을 연결하는 기술이다. 일반적으로 알루미늄, 구리, 금, 은과 같은 재료를 사용하며, 와이어의 직경은 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지 다양하다. 와이어 본딩에는 볼 본딩, 웨지 본딩, 컴플라이언트 본딩의 세 가지 주요 유형이 있으며, 열, 압력, 초음파 에너지를 조합하여 와이어를 접합한다. 제조 과정에서 본딩 매개변수, 재료 선택, 사용 환경 등 다양한 요인으로 인해 제조 및 신뢰성 문제가 발생할 수 있으며, 와이어 풀 테스트와 전단 테스트를 통해 품질을 평가한다.

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와이어 본딩
개요
금선 와이어 본딩의 확대 이미지
금선 와이어 본딩의 확대 이미지
종류마이크로 전자공학 제조 공정
다른 명칭탭 본딩
관련 항목플립 칩
테이프 자동 본딩
상세 정보
와이어 본딩반도체 소자를 기판이나 리드 프레임에 전기적으로 연결하는 데 사용되는 마이크로 전자공학 본딩 방법
설명웨이퍼, 칩, 장치 내의 다이에서 외부 단자로 연결
매우 가늘고 직경이 작은 와이어 사용 (일반적으로 수십 마이크로미터)
재료금 (Au)
구리 (Cu)
알루미늄 (Al)
공정 종류초음파 용착 (Ultrasonic bonding)
열압착 용착 (Thermocompression bonding)
써모소닉 용착 (Thermosonic bonding)
적용 분야집적 회로
반도체 장치 제조
특징높은 유연성과 다양한 패키지 옵션 제공
기술적 고려 사항
와이어 재료 선택전기 전도도, 기계적 강도, 부식 저항 고려
본딩 파라미터 최적화온도, 압력, 초음파 에너지 조절
신뢰성본딩 강도
장기적인 성능
잠재적 문제와이어 파손
금속 간 화합물 형성
미래 동향
연구 및 개발더 미세한 피치
3D 패키징
새로운 재료
중요성 증가고밀도, 고성능 전자 제품에 대한 요구 사항 충족

2. 재료

본드와이어는 일반적으로 다음 재료 중 하나로 구성된다.



와이어 직경은 10μm 미만에서 시작하여 고출력 응용 분야의 경우 수백 마이크로미터까지 가능하다.

와이어 본딩 산업은 금에서 구리로 전환하고 있다.[2][3][4] 이러한 변화는 금 가격 상승과 상대적으로 안정적이고 훨씬 저렴한 구리 가격으로 인해 촉발되었다. 구리는 금보다 열 및 전기 전도성이 높지만, 경도와 부식에 대한 취약성으로 인해 이전에는 신뢰성이 낮은 것으로 간주되었다. 2015년까지 사용 중인 모든 와이어 본딩 장비의 3분의 1 이상이 구리용으로 설정될 것으로 예상된다.[5]

'''구리 와이어'''는 많은 반도체 및 마이크로 전자 응용 분야에서 와이어 본딩 상호 연결에 선호되는 재료 중 하나가 되었다. 구리는 10μm에서 75μm까지의 크기에서 미세 와이어 볼 본딩에 사용된다.[6] 구리 와이어는 높은 재료 비용 없이 금과 동일한 성능을 제공하면서 더 작은 직경으로 사용할 수 있는 능력이 있다. 구리의 높은 전기 전도성으로 인해 더 작은 직경이 가능하다. 구리 와이어 본드는 금 와이어 본드만큼 신뢰할 수 있거나 더 신뢰할 수 있다.[7]

500μm까지의 구리 와이어[8]는 웨지 본딩 될 수 있다. 대구경 구리 와이어는 고전류 운반 용량이 필요하거나 복잡한 기하학적 문제가 있는 경우 알루미늄 와이어를 대체할 수 있으며 실제로 그렇게 한다. 제조업체에서 사용하는 어닐링 및 공정 단계는 다이에 손상 없이 대구경 구리 와이어를 실리콘에 웨지 본딩할 수 있는 능력을 향상시킨다.

구리 와이어는 금과 알루미늄보다 경도가 높기 때문에 몇 가지 과제를 안고 있어 본딩 매개변수를 엄격하게 제어해야 한다. 초음파 본딩 중에 사용되는 전력량은 더 높아야 하며,[9] 구리는 융착 전류가 더 높으므로 전류 운반 용량이 더 높다.[10] 산화물 형성은 이 재료의 고유한 특성이므로 보관 및 유통 기한이 고려해야 할 문제이다.[7] 구리 와이어를 보호하고 더 긴 유통 기한을 달성하려면 특수 포장이 필요하다. 팔라듐 코팅 구리 와이어는 부식에 대한 상당한 저항성을 보이는 일반적인 대안이지만 순수 구리보다 경도가 높고 가격이 비싸지만 금보다는 저렴하다. 와이어 본드 제작 중에 구리 와이어 및 도금된 종류는 부식을 방지하기 위해 환원성 가스(95% 질소 및 5% 수소) 또는 유사한 무산소 가스 환경에서 작업해야 한다. 구리의 상대적인 경도를 처리하는 방법은 고순도 [5N+] 품종을 사용하는 것이다.[5]

장기 부식 효과(Cu2Si) 및 기타 안정성 관련 주제는 자동차 응용 분야에서 사용될 때 품질 요구 사항을 증가시켰다.[11]

빨간색–녹색–파란색 표면 실장 LED 패키지, 금 와이어 본딩 세부 사항


'''순수 금 와이어'''는 제어된 양의 베릴륨 및 기타 원소를 첨가하여 일반적으로 볼 본딩에 사용된다. 이 공정은 열, 압력 및 초음파 에너지를 사용하여 결합할 두 재료를 결합한다. 이를 열음파 본딩이라고 한다. 열음파 본딩의 가장 일반적인 접근 방식은 칩에 볼 본딩한 다음 스티치 본딩하여 기판에 연결하는 것이다. 가공 중 매우 엄격한 제어를 통해 루핑 특성이 향상되고 처짐이 제거된다.

접합 크기, 결합 강도 및 전도성 요구 사항은 일반적으로 특정 와이어 본딩 응용 분야에 가장 적합한 와이어 크기를 결정한다. 일반적인 제조업체는 금 와이어를 8μm 이상의 직경으로 생산한다. 금 와이어 직경의 생산 공차는 +/-3%이다.

'''합금 알루미늄 와이어'''는 일반적으로 고전류 장치를 제외하고 순수 알루미늄 와이어보다 선호된다. 이는 미세한 크기로의 드로잉이 더 쉽고 완성된 장치에서 인장 시험 강도가 더 높기 때문이다. 순수 알루미늄과 0.5% 마그네슘-알루미늄은 100μm보다 큰 크기에서 가장 일반적으로 사용된다.

반도체 제조의 올-알루미늄 시스템은 순수 금 본딩 와이어와 관련된 경우도 있는 "보라색 재앙"(취성 금-알루미늄 금속간 화합물)을 제거한다. 알루미늄은 열음파 본딩에 특히 적합하다.

고품질 본드를 높은 생산 속도로 확보하기 위해 1% 실리콘-알루미늄 와이어 제조에 특수 제어가 사용된다. 이러한 유형의 고품질 본딩 와이어의 가장 중요한 특징 중 하나는 합금 시스템의 균질성이다. 균질성은 제조 공정에서 특별한 주의를 기울인다. 완성된 1% 실리콘-알루미늄 와이어의 합금 구조에 대한 현미경 검사가 정기적으로 수행된다. 또한 가공은 궁극적인 표면 청결도와 매끄러운 마감을 제공하고 완전히 걸림 없는 풀림을 허용하는 조건에서 수행된다.

3. 종류

와이어 본딩은 주로 볼 본딩과 웻지 본딩으로 나뉜다. 두 방식 모두 하향 압력, 초음파 에너지, 그리고 경우에 따라 열을 사용하여 와이어 양쪽 끝을 부착하고 용접한다.[12] 이때 열은 금속을 부드럽게 하는 역할을 하며, 온도와 초음파 에너지를 적절히 조합하여 와이어 본딩의 신뢰성과 강도를 극대화한다.[12] 열과 초음파 에너지를 모두 사용하는 경우를 열음파 본딩이라고 한다.[12]

볼 본딩은 주로 금, 구리 와이어를 사용하며, 소구경 와이어를 이용한 상호 연결에 적합하다. 웻지 본딩은 금 와이어 사용 시 열이 필요하며, 주로 전력 반도체에 쓰이는 대구경 와이어나 와이어 리본을 사용하는데 적합하다.

컴플라이언트 본딩[12]은 컴플라이언트 또는 들여쓰기 가능한 알루미늄 테이프를 통해 열과 압력을 전달하는 방식이다. 이 방식은 금 와이어와 실리콘 집적 회로에 전기 성형된 빔 리드 (빔 리드 집적 회로)를 본딩하는 데 사용된다.

3. 1. 볼 본딩 (Ball bonding)

볼 본딩은 와이어 끝에 방전을 일으켜 금속을 녹여 볼을 만든 다음, 열, 초음파, 압력을 사용하여 전극과 연결하는 방법이다.[12] 와이어 굵기에 비해 볼의 크기가 크기 때문에 전극과의 접합 면적이 넓어져 신뢰성이 높다.[12] '''네일 헤드 본딩(Nail head bonding)'''이라고도 부른다.[12]

볼 본딩은 주로 금과 구리 와이어를 사용하며, 일반적으로 열이 필요하다.[12] 소구경 와이어에 적합하며 상호 연결 응용 분야에 사용된다.[12]

와이어 본딩은 양쪽 끝에 와이어를 부착하여 용접할 때 하향 압력, 초음파 에너지, 그리고 경우에 따라 열을 함께 사용한다.[12] 이때 열은 금속을 부드럽게 만드는 역할을 한다.[12] 온도와 초음파 에너지를 적절히 조합하여 와이어 본딩의 신뢰성과 강도를 극대화한다.[12] 열과 초음파 에너지를 모두 사용하는 경우를 열음파 본딩이라고 한다.[12]

웻지 본딩은 와이어를 첫 번째 본딩에 맞춰 직선으로 당겨야 하기 때문에 도구 정렬에 시간이 걸려 프로세스가 느려진다.[12] 반면, 볼 본딩은 상단에 와이어가 튀어나와 방향성 없이 볼 형태로 첫 번째 본딩을 만들기 때문에 와이어를 எந்த 방향으로든 당길 수 있어 더 빠르다.[12]

3. 2. 웨지 본딩 (Wedge bonding)

알루미늄 와이어를 인쇄 회로 기판의 금 전극과 사파이어 기판의 금 전극 사이에 초음파 웻지 본딩하는 시연, 역방향 본딩 순서


웻지 본딩은 열, 초음파, 압력을 사용하여 금속 와이어를 전극에 직접 연결하는 방식이다. 볼을 형성하지 않고 와이어를 직접 부착한다.[12]

웻지 본딩에서 금 와이어는 열이 필요하지만, 알루미늄 와이어는 열이 필요하지 않다. 주로 전력 전자 응용 분야에서 대구경 와이어나 와이어 리본을 사용하는 데 적합하다.

와이어 본딩 과정에서는 하향 압력, 초음파 에너지, 그리고 경우에 따라 열을 함께 사용하여 와이어 양쪽 끝을 부착하고 용접한다. 금속을 부드럽게 하기 위해 열을 사용하며, 와이어 본딩의 신뢰성과 강도를 최대화하기 위해 온도와 초음파 에너지를 적절하게 조합한다. 열과 초음파 에너지를 모두 사용하는 경우를 열음파 본딩이라고 한다.

웻지 본딩에서는 와이어가 첫 번째 본딩 후에 직선으로 당겨져야 한다. 이 때문에 도구 정렬에 시간이 필요하여 공정이 볼 본딩에 비해 느리다. 반면, 볼 본딩은 첫 번째 본딩이 방향성이 없는 볼 형태로 생성되기 때문에 와이어를 어떤 방향으로든 당길 수 있어 더 빠른 공정이 가능하다.

컴플라이언트 본딩[12]은 컴플라이언트 또는 들여쓰기 가능한 알루미늄 테이프를 통해 열과 압력을 전달하는 방식이다. 이 방식은 금 와이어와 실리콘 집적 회로에 전기 성형된 빔 리드 (빔 리드 집적 회로)를 본딩하는 데 사용된다.

4. 기술 방식



와이어 본딩의 주요 종류는 다음과 같다.


  • 볼 본딩
  • 웻지 본딩
  • 컴플라이언트 본딩


볼 본딩은 일반적으로 금과 구리 와이어로 제한되며, 보통 열이 필요하다. 웻지 본딩에서 금 와이어는 열이 필요하다. 웻지 본딩은 전력 전자 응용 분야에 대구경 와이어 또는 와이어 리본을 사용할 수 있다. 볼 본딩은 소구경 와이어로 제한되며 상호 연결 응용 분야에 적합하다.

두 가지 유형의 와이어 본딩 모두에서, 와이어는 하향 압력, 초음파 에너지, 그리고 경우에 따라 열을 함께 사용하여 양쪽 끝에 부착하여 용접을 수행한다. 열은 금속을 부드럽게 만드는 데 사용된다. 와이어 본딩의 신뢰성과 강도를 최대화하기 위해 온도와 초음파 에너지의 올바른 조합이 사용된다. 열과 초음파 에너지가 사용되는 경우를 열음파 본딩이라고 한다.

웻지 본딩에서는 와이어를 첫 번째 본딩에 따라 직선으로 당겨야 한다. 이는 도구 정렬에 필요한 시간 때문에 프로세스를 늦춘다. 그러나 볼 본딩은 상단에 와이어가 튀어나와 방향성을 갖지 않고 볼 형태로 첫 번째 본딩을 생성한다. 따라서 와이어는 어떤 방향으로든 당길 수 있어 더 빠른 프로세스를 만든다.

컴플라이언트 본딩[12]은 컴플라이언트 또는 들여쓰기 가능한 알루미늄 테이프를 통해 열과 압력을 전달하므로, 금 와이어와 실리콘 집적 회로에 전기 성형된 빔 리드(빔 리드 집적 회로라고 함)를 본딩하는 데 적용할 수 있다.

5. 제조 및 신뢰성 문제

와이어 본딩은 제조 및 신뢰성과 관련하여 여러 가지 어려움이 따른다. 이러한 어려움은 재료 시스템, 본딩 매개변수, 사용 환경 등 다양한 요인에 따라 달라진다. 알루미늄-알루미늄(Al-Al), 금-알루미늄(Au-Al), 구리-알루미늄(Cu-Al)과 같이 사용되는 본드 패드 금속 시스템에 따라 제조에 필요한 조건이 다르고, 동일한 환경에서도 다르게 동작한다.[13][14]

어떤 재료를 사용할지는 응용 분야와 사용 환경에 따라 결정된다. 이때 전기적, 기계적 특성과 비용도 함께 고려한다. 예를 들어, 우주에서 사용하는 고전류 장치는 큰 직경의 알루미늄 와이어 본드가 필요할 수 있다. 반면 비용이 중요한 경우에는 금 와이어 본드 대신 구리 와이어 본드를 사용하기도 한다.[15]

제조 과정에서 본딩 강도, 초음파 에너지, 온도, 루프 형상과 같은 요소들은 본드 품질에 큰 영향을 미친다. 또한, 써모소닉 본딩, 초음파 본딩, 열압착 본딩과 같은 와이어 본딩 기술과 볼 본딩, 웨지 본딩과 같은 와이어 본드 유형에 따라서도 제조 결함이나 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 특정 재료와 와이어 직경은 미세 피치 또는 복잡한 레이아웃에 더 적합하다. 본드 패드의 금속화 및 배리어 레이어 스택업도 본드 형성에 영향을 미치므로 중요한 역할을 한다.

와이어 본딩에서 흔히 발생하는 고장에는 볼 본드 넥 부분의 파손, 힐 크랙(웨지 본드에서 발생), 패드 리프오프, 패드 박리, 과도한 압축, 부적절한 금속간 화합물 형성 등이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 와이어 본드 인장/전단 시험, 비파괴 검사, 파괴적 물리적 분석과 같은 방법을 사용한다.

와이어 본딩의 신뢰성은 사용 환경에 따라 크게 영향을 받는다. 예를 들어, 고온에서는 금속간 화합물(IMC)이 과도하게 성장하여 파손될 수 있다. 특히, 금-알루미늄 IMC에서는 퍼플 플래그라고 불리는 취성 금속간 화합물이 형성될 수 있다. 또한, 킨달 보이드와 같은 확산 관련 문제도 고장의 원인이 된다. 고온 다습한 환경에서는 부식이 문제가 될 수 있는데, 특히 Au-Al 금속 시스템에서 갈바니 부식이 자주 발생한다. 염소와 같은 할로겐 화합물은 부식을 가속화시킨다. 온도 변화가 심한 환경에서는 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 리드 프레임, 다이 등에 열기계적 응력이 발생하고, 이는 와이어 본드의 저주기 피로를 유발할 수 있다.

구리 와이어는 산화되기 쉬워 볼 본딩을 할 때 질소, 아르곤 등의 불활성 가스나 수소와 같은 환원 가스 환경이 필요하다. 또한, 구리의 산화는 제품 보존 기간에도 영향을 미치므로 특별한 포장이 필요하다. 구리는 금이나 알루미늄보다 단단하여 집적 회로에 손상을 줄 수 있어 본딩이 어려울 수 있다.

알루미늄 본딩 와이어는 가는 선에는 알루미늄 합금 와이어, 굵은 선에는 순수 알루미늄 와이어가 주로 사용된다. 알루미늄은 표면에 산화물이 형성되어 볼 본딩이 불가능하며, 웨지 본딩이 사용된다. 집적 회로의 배선 및 전극에 주로 알루미늄이 사용되므로, 알루미늄 와이어 본딩은 동일 금속 접합으로 신뢰성 문제가 발생하기 어렵다는 장점이 있다.

5. 1. 와이어 본드 제조

와이어 본딩에 사용되는 재료는 일반적으로 알루미늄, 구리, 은, 금이다. 와이어 직경은 10 μm 미만에서 시작하여 고출력 응용 분야의 경우 수백 마이크로미터까지 가능하다.

와이어 본딩 산업은 금에서 구리로 전환하고 있는데,[2][3][4] 이는 금 가격 상승과 상대적으로 안정적이고 훨씬 저렴한 구리 가격 때문이다. 구리는 금보다 열 및 전기 전도성이 높지만, 경도와 부식에 대한 취약성으로 인해 이전에는 신뢰성이 낮은 것으로 간주되었다. 2015년까지 사용 중인 모든 와이어 본딩 장비의 3분의 1 이상이 구리용으로 설정될 것으로 예상된다.[5]

  • '''구리(Cu) 와이어'''


구리 와이어는 많은 반도체 및 마이크로 전자 응용 분야에서 와이어 본딩 상호 연결에 선호되는 재료 중 하나가 되었다. 10μm에서 75μm까지의 크기에서 미세 와이어 볼 본딩에 사용된다.[6] 구리 와이어는 높은 재료 비용 없이 금과 동일한 성능을 제공하면서 더 작은 직경으로 사용할 수 있다. 구리의 높은 전기 전도성으로 인해 더 작은 직경이 가능하다. 구리 와이어 본드는 금 와이어 본드만큼 신뢰할 수 있거나 더 신뢰할 수 있다.[7]

500μm까지의 구리 와이어[8]는 웨지 본딩 될 수 있다. 대구경 구리 와이어는 고전류 운반 용량이 필요하거나 복잡한 기하학적 문제가 있는 경우 알루미늄 와이어를 대체할 수 있다. 제조업체에서 사용하는 어닐링 및 공정 단계는 다이에 손상 없이 대구경 구리 와이어를 실리콘에 웨지 본딩할 수 있는 능력을 향상시킨다.

구리 와이어는 금과 알루미늄보다 경도가 높기 때문에 몇 가지 과제를 안고 있어 본딩 매개변수를 엄격하게 제어해야 한다. 초음파 본딩 중에 사용되는 전력량은 더 높아야 하며,[9] 구리는 융착 전류가 더 높으므로 전류 운반 용량이 더 높다.[10] 산화물 형성은 이 재료의 고유한 특성이므로 보관 및 유통 기한을 고려해야 한다.[7] 구리 와이어를 보호하고 더 긴 유통 기한을 달성하려면 특수 포장이 필요하다. 팔라듐 코팅 구리 와이어는 부식에 대한 상당한 저항성을 보이는 일반적인 대안이지만 순수 구리보다 경도가 높고 가격이 비싸지만 금보다는 저렴하다. 와이어 본드 제작 중에 구리 와이어 및 도금된 종류는 부식을 방지하기 위해 환원성 가스(95% 질소 및 5% 수소) 또는 유사한 무산소 가스 환경에서 작업해야 한다. 구리의 상대적인 경도를 처리하는 방법은 고순도 [5N+] 품종을 사용하는 것이다.[5]

장기 부식 효과(Cu2Si) 및 기타 안정성 관련 문제는 자동차 응용 분야에서 사용될 때 품질 요구 사항을 증가시켰다.[11]

  • '''금(Au) 와이어'''


금 와이어는 제어된 양의 베릴륨 및 기타 원소를 첨가하여 일반적으로 볼 본딩에 사용된다. 이 공정은 열, 압력 및 초음파 에너지를 사용하여 결합할 두 재료를 결합하는데, 이를 열음파 본딩이라고 한다. 열음파 본딩의 가장 일반적인 접근 방식은 칩에 볼 본딩한 다음 스티치 본딩하여 기판에 연결하는 것이다. 가공 중 매우 엄격한 제어를 통해 루핑 특성이 향상되고 처짐이 제거된다.

접합 크기, 결합 강도 및 전도성 요구 사항은 일반적으로 특정 와이어 본딩 응용 분야에 가장 적합한 와이어 크기를 결정한다. 일반적인 제조업체는 금 와이어를 8μm 이상의 직경으로 생산한다. 금 와이어 직경의 생산 공차는 +/-3%이다.

  • '''알루미늄(Al) 와이어'''


알루미늄 와이어는 일반적으로 고전류 장치를 제외하고 순수 알루미늄 와이어보다 선호된다. 이는 미세한 크기로의 드로잉이 더 쉽고 완성된 장치에서 인장 시험 강도가 더 높기 때문이다. 순수 알루미늄과 0.5% 마그네슘-알루미늄은 100μm보다 큰 크기에서 가장 일반적으로 사용된다.

반도체 제조의 올-알루미늄 시스템은 순수 금 본딩 와이어와 관련된 경우도 있는 "보라색 재앙"(취성 금-알루미늄 금속간 화합물)을 제거한다. 알루미늄은 열음파 본딩에 특히 적합하다.

고품질 본드를 높은 생산 속도로 확보하기 위해 1% 실리콘-알루미늄 와이어 제조에 특수 제어가 사용된다. 이러한 유형의 고품질 본딩 와이어의 가장 중요한 특징 중 하나는 합금 시스템의 균질성이다. 균질성은 제조 공정에서 특별한 주의를 기울인다. 완성된 1% 실리콘-알루미늄 와이어의 합금 구조에 대한 현미경 검사가 정기적으로 수행된다. 또한 가공은 궁극적인 표면 청결도와 매끄러운 마감을 제공하고 완전히 걸림 없는 풀림을 허용하는 조건에서 수행된다.

다양한 금속 시스템을 특성화하고, 중요한 제조 매개변수를 검토하며, 와이어 본딩에서 발생하는 일반적인 신뢰성 문제를 식별하기 위해 많은 노력이 이루어졌다.[13][14] 재료 선택과 관련하여, 응용 분야와 사용 환경이 금속 시스템을 결정한다. 종종 전기적 특성, 기계적 특성 및 비용이 결정을 내릴 때 고려된다. 예를 들어, 우주 응용 분야를 위한 고전류 장치는 기밀 밀폐된 세라믹 패키지에 큰 직경의 알루미늄 와이어 본드를 필요로 할 수 있다. 비용이 큰 제약 조건이라면, 금 와이어 본드를 피하는 것이 필요할 수 있다. 최근 자동차 응용 분야에서 구리 와이어 본드를 살펴보는 연구가 진행되었다.[15]

제조 관점에서 본딩 매개변수는 본드 형성 및 본드 품질에 중요한 역할을 한다. 본드 힘, 초음파 에너지, 온도 및 루프 형상과 같은 매개변수는 본드 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 제조 결함 및 신뢰성 문제에 대한 민감성에 영향을 미치는 다양한 와이어 본딩 기술(써모소닉 본딩, 초음파 본딩, 열압착 본딩)과 와이어 본드 유형(볼 본딩, 웨지 본딩)이 있다. 특정 재료 및 와이어 직경은 미세 피치 또는 복잡한 레이아웃에 더 실용적이다. 본드 패드 또한 금속화 및 배리어 레이어 스택업이 본드 형성에 영향을 미치므로 중요한 역할을 한다.

불량한 본드 품질 및 제조 결함으로 인해 발생하는 일반적인 고장 모드에는 볼 본드 넥에서의 파단, 힐 크랙(웨지 본드), 패드 리프오프, 패드 박리, 과도한 압축, 부적절한 금속간 화합물 형성이 포함된다. 와이어 본드 인장/전단 시험, 비파괴 검사, 파괴적 물리적 분석을 조합하여 제조 및 품질 문제를 선별할 수 있다.

  • '''각 재료별 특징'''

와이어 본딩 재료별 특징
재료특징본딩 방식비고
금산화되기 어렵고, 높은 전기 전도성볼 본딩, 웨지 본딩볼 형성은 공기 중에서 가능, 루프 형상 제어
구리금보다 저렴, 높은 전기 및 열 전도성, 경도가 높음볼 본딩(75μm 이하), 웨지 본딩(250μm 이하)산화 방지를 위해 불활성/환원 가스 환경 필요, 보관 시 특수 포장 필요
알루미늄금-알루미늄 금속간 화합물 문제 없음웨지 본딩


5. 2. 와이어 본드 신뢰성

와이어 본딩 제조는 본딩 품질에 중점을 두는 경향이 있지만, 와이어 본딩 신뢰성과 관련된 마모 메커니즘을 고려하지 않는 경우가 많다. 응용 분야와 사용 환경에 대한 이해는 신뢰성 문제를 예방하는 데 도움이 될 수 있다. 와이어 본딩 고장을 유발하는 일반적인 환경으로는 고온, 습도, 온도 사이클링 등이 있다.[16]

고온 환경에서는 과도한 금속간 화합물(IMC) 성장으로 인해 취성 파괴 지점이 생길 수 있다. Al-Al과 같이 와이어 본드와 본드 패드가 동일한 재료인 금속 시스템에서는 문제가 되지 않지만, 상이한 금속 시스템에서는 문제가 될 수 있다. 가장 잘 알려진 예 중 하나는 금-알루미늄 IMC에서 형성되는 취성 금속간 화합물(예: 퍼플 플래그)이다. 또한, 킨달 보이드 및 호스팅 보이드와 같은 확산 관련 문제도 와이어 본딩 고장을 유발할 수 있다.

고온 및 습도 환경에서는 부식이 문제가 될 수 있다. 이는 Au-Al 금속 시스템에서 가장 흔하며, 갈바니 부식에 의해 발생한다. 염소와 같은 할로겐 화합물의 존재는 이러한 현상을 가속화할 수 있다. 이러한 Au-Al 부식은 종종 온도 및 습도에 대해 펙의 법칙으로 특성화된다. 이는 다른 금속 시스템에서는 흔하지 않다.

온도 사이클링 환경에서는 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC), 리드 프레임, 다이, 다이 접착제 및 와이어 본드에서 열기계적 응력이 발생한다. 이는 와이어 본드에서 전단 또는 인장 응력으로 인한 저주기 피로로 이어질 수 있다. 이러한 조건에서 와이어 본딩의 피로 수명을 예측하기 위해 다양한 피로 모델이 사용되어 왔다.

사용 환경과 금속 시스템에 대한 적절한 이해는 와이어 본딩 신뢰성을 높이는 데 있어 가장 중요한 요소인 경우가 많다.

6. 시험

와이어 본딩 시험에는 풀 테스트와 전단 테스트가 있다. MIL-STD-883, ASTM F459-13, JESD22-B116 등의 표준이 있지만, 주로 제조 품질 평가에 사용되며 신뢰성 평가에는 한계가 있다. 이 시험들은 최대 힘과 파괴 위치를 측정하는 과부하 기술로, 소성 변형에 의한 손상이 주를 이루어 실제 환경에서의 마모 메커니즘을 반영하지 못한다.

와이어 풀 테스트는 와이어 아래에 힘을 가해 와이어를 당기는 방식으로, 본드 강도 측정, 강도 분포 평가, 요구 사항 준수 여부 확인 등을 목적으로 한다. 와이어를 파괴될 때까지 당기거나, 특정 힘을 견딜 수 있는지 확인하는 비파괴적인 방법도 있다. 비파괴 테스트는 주로 안전 필수, 고품질, 고가 제품에 대해 100% 테스트를 진행하여 와이어 본드 손상을 방지한다.

일반적으로 와이어 풀은 본드 테스터의 풀 센서에 후크를 사용하여 와이어를 당기는 것을 의미하지만, 특정 고장 모드를 유도하기 위해 와이어를 자른 후 핀셋으로 당기기도 한다. 직경 75μm 이하의 와이어는 가는 와이어, 그 이상은 굵은 와이어로 분류하여 테스트한다.

6. 1. 풀 테스트 (Pull test)

와이어 본딩 풀 및 전단 시험 기술에는 MIL-STD-883, ASTM F459-13, JESD22-B116 등이 있지만, 이러한 기술들은 신뢰성보다는 제조 품질에 적용되는 경향이 있다. 이러한 시험들은 종종 단조로운 과부하 기술로, 최대 힘과 파괴 위치가 중요한 출력값이다. 이 경우 손상은 소성 변형이 지배적이며, 환경 조건에서 나타날 수 있는 일부 마모 메커니즘을 반영하지 않는다.

와이어 풀 테스트는 와이어 아래에 위쪽으로 힘을 가하여 기판 또는 다이로부터 와이어를 잡아당기는 방식으로 수행된다. 이 테스트의 목적은 MIL-STD-883 2011.9에서 설명하는 바와 같이 "본드 강도를 측정하고, 본드 강도 분포를 평가하며, 지정된 본드 강도 요구 사항을 준수하는지 확인하는 것"이다. 와이어는 파괴될 때까지 잡아당길 수 있지만, 와이어가 특정 힘을 견딜 수 있는지 테스트하는 비파괴적인 방식도 있다. 비파괴 테스트 방법은 일반적으로 안전 필수, 고품질, 고가의 제품에 대한 100% 테스트에 사용되어, 테스트된 허용 가능한 와이어 본드의 손상을 방지한다.

일반적으로 와이어 풀이라는 용어는 본드 테스터에 장착된 풀 센서에 후크를 사용하여 와이어를 잡아당기는 행위를 의미한다. 그러나 특정 고장 모드를 유도하기 위해 와이어를 자른 다음 본드 테스터의 풀 센서에 장착된 핀셋으로 잡아당길 수도 있다. 일반적으로 직경 75um 이하의 와이어는 가는 와이어로 분류된다. 그 이상의 크기는 굵은 와이어 테스트라고 한다.

6. 2. 전단 테스트 (Shear test)

와이어 본딩 풀 및 전단 시험 기술에는 MIL-STD-883, ASTM F459-13, JESD22-B116 등이 있지만, 이러한 기술들은 신뢰성보다는 제조 품질에 적용되는 경향이 있다. 이러한 시험들은 종종 단조로운 과부하 기술로, 최대 힘과 파괴 위치가 중요한 출력값이다. 이 경우 손상은 소성 변형이 지배적이며, 환경 조건에서 나타날 수 있는 일부 마모 메커니즘을 반영하지 않는다.

와이어 풀 테스트는 와이어 아래에 위쪽으로 힘을 가하여 기판 또는 다이로부터 와이어를 잡아당기는 방식으로 수행된다. 이 테스트의 목적은 MIL-STD-883 2011.9에서 설명하는 바와 같이 "본드 강도를 측정하고, 본드 강도 분포를 평가하며, 지정된 본드 강도 요구 사항을 준수하는지 확인하는 것"이다. 와이어는 파괴될 때까지 잡아당길 수 있지만, 와이어가 특정 힘을 견딜 수 있는지 테스트하는 비파괴적인 방식도 있다. 비파괴 테스트 방법은 일반적으로 안전 필수, 고품질, 고가의 제품에 대한 100% 테스트에 사용되어, 테스트된 허용 가능한 와이어 본드의 손상을 방지한다.

일반적으로 와이어 풀이라는 용어는 본드 테스터에 장착된 풀 센서에 후크를 사용하여 와이어를 잡아당기는 행위를 의미한다. 그러나 특정 고장 모드를 유도하기 위해 와이어를 자른 다음 본드 테스터의 풀 센서에 장착된 핀셋으로 잡아당길 수도 있다. 일반적으로 직경 75μm (3 mil) 이하의 와이어는 가는 와이어로 분류된다. 그 이상의 크기는 굵은 와이어 테스트라고 한다.

참조

[1] 논문 "Design and experimental evaluation of compensated bondwire interconnects above 100 GHz" http://journals.camb[...] 2015
[2] 웹사이트 K&S - ACS Pro https://www.kns.com/[...]
[3] 간행물 Red Micro Wire encapsulates wire bonding in glass http://www.eetimes.c[...] UBM plc 2014-03-20
[4] 웹사이트 Product Change Notification - CYER-27BVXY633 http://www.microchip[...] 2014-03-20
[5] 서적 Copper Wire Bonding https://www.springer[...] Springer
[6] 웹사이트 Heraeus Bonding Wires for Semiconductor Technology catalogue https://www.heraeus.[...]
[7] 서적 40th Conference Proceedings on Electronic Components and Technology 1990
[8] 간행물 Copper wire bonding ready for industrial mass production http://www.hesse-mec[...] 2016-01-30
[9] 간행물 What is the future of bonding wire? Will copper entirely replace gold? https://link.springe[...] 2024-02-06
[10] 웹사이트 The Great Debate: Copper vs. Gold Ball Bonding | Semiconductor Digest https://sst.semicond[...]
[11] 웹사이트 AEC Q006 http://www.aecouncil[...]
[12] 논문 Compliant Bonding https://www.research[...] 1970
[13] 서적 Wire Bonding in Microelectronics https://www.worldcat[...] McGraw-Hill 2010
[14] 서적 Advanced Wirebond Interconnection Technology Springer 2004
[15] 문서 Ensuring suitability of Cu wire bonded ICs for automotive applications http://www.dfrsoluti[...]
[16] 논문 Predicting and avoiding die attach, wire bond, and solder joint failures https://www.research[...] 2016
[17] 문서 MIL-STD-883: Test Method Standard for Microcircuits, Method 2011.7 Bond Strength (Destructive Bond Pull Test)
[18] 문서 MIL-STD-883: Test Method Standard for Microcircuits, Method 2023.5 Nondestructive Bond Pull
[19] 웹사이트 ASTM F459-13: Standard Test Methods for Measuring Pull Strength of Microelectronic Wire Bonds (Withdrawn 2023) https://www.astm.org[...] 2024-04-22
[20] 문서 JESD22-B116: Wire Bond Shear Test Method
[21] 웹사이트 How to test bonds: How to Wire Pull? http://www.wirepull.[...] 2016-04
[22] 논문 "Design and experimental evaluation of compensated bondwire interconnects above 100 GHz" http://journals.camb[...] 2015


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