1. Intro
흔히들 Wire Bonding 공정을 Package Assembly의 꽃이라 표현하는것은 Wire Bonding공정이 가지는 다양한 Flexibility와 다양한 Technology 때문이라 할 수 있습니다. Customer가 개발한 Die의 PAD Pitch나 Pad treatment, size등에 따라 Normal하고 경제적인 Package 를 만들 수 있느냐 없느냐가 결정 되기때문에 많은 관심들이 쏠릴 수 밖에 없는것 입니다. 항상 강조해도 지나치지 않듯이 Design Engineer는 공정을 이해하지 못하고는 절대 우수한 설계를 할 수 없다는걸 이해하고 이에 따르는 공정을 하나 하나 배운다는 입장으로 본 글을 시작해볼까 합니다.
트랜지스터, IC, LSI 등의 반도체 Device의 PAD와 외부 인출 Lead를 전기적으로 접속하는 방법으로는 Wire를 사용하는 Wire Bonding법과 Wire를 사용하지 않는 TAB(Tape Automated Bonding)과 FCB법(Flip Chip Bonding) 등이 개발되어 있습니다.(많은 서적에서도 Interconnection Methods를 분류할때 보통 이 3가지로 국한하고 있습니다) 그러나 현재 까지는 품종 변경이 용이하고, 조립비용이 저렴한 Wire Bonding 법이 주류라 말할 수 있습니다.
Bonding Wire는 반도체 칩과 이를 받쳐 주는 리드프레임의 사이를 연결하는 가느다란 전선으로 반도체 구조 재료중의 하나로서 패키지 내부에서 외부로 <통하는 리드 프레임과 IC 칩과의 가교 역할을 수행하는 생명선인 셈이죠! 따라서 Bonding Wire는 IC 칩과의 연결을 위해 가늘게 가공되어야 함은 물론이고, 전기적 신호 등을 완벽히 전달해 줄 수 있어야 합니다. 아래 그림은 반도체 PKG의 구조를 나타낸것 입니다.
Wire bonding에 사용되는 material로써는 Au wire, Cu wire, Al wire등을 들수 있으며, 최근에는 Cu wire bonding이 issue되고 있기는 하나 여전히 Au wire가 전체 시장의 거의 다 임이 현실입니다. Au wire를 사용하는 이유는 산화가 적고, Bondability가 좋아 이미 시장에서 많은 신뢰성을 검증 받은 상태이며, 전체 Wire 시장의 80% 정도를 차지합니다.
2. Wire의 제조 공정
Gold Bonding Wire는 PKG에 따른 다양한 요구 특성을 만족시키기 위해 여러 종류가 개발되어 있습니다. Wire의 분류 방법은 Bonding Loop 높이에 따라 High Loop Type, Middle Loop Type, Low Loop Type로 분류하는 것이 가장 일반적이며, Bonding 공정에서 1st Bonding을 위해 EFO(Electronic Flame Off) 과정에서 Wire 끝부분이 녹아 FAB(Free Air Ball)을 형성하고, FAB가 응고할 때 열이 Wire를 통해 전달되면서 FAB 근처의 Wire는 재결정이 일어나 연해지고, 이 연해진 길이를 HAZ(Heat Affected Zone)이라 한다. Loop를 형성할 때 연한 재결정 영역과 Wire의 Hard한 부분의 경계에서 변형되는 것이 가장 이상적이기 때문에 HAZ가 길수록 Bonding Loop는 높고, 반대로 HAZ가 짧을수록 Bonding Loop는 낮아집니다. 결국 Wire의 분류는 HAZ의 길이에 따른 분류가 가장 일반적이라 아시면 되겠습니다.
Bonding Wire 제조 공정은 Gold의 순도를 99.999% 이상 올리는 정제 공정, Gold에 일정 불순물을 첨가하여 Wire Type를 결정하는 용해 및 주조 공정, 단계적으로 Wire Size를 감소시키는 가공을 통해 목적하는 Wire Size를 얻는 신선(Drawing) 공정, 신선 과정에서 발생한 Wire의 Stress를 제거하는 열처리(Annealing) 공정, Customer가 원하는 길이로 Spool에 감는 권선(Winding)으로 나누어진다. Gold Boding Wire 제조 공정은 아래 그림에 개략적으로 나타내었습니다.
3. 용해 및 주조
국제 금시장에서 거래되는 표준 순도는 99.99%의 Bar 형태이지만, 산출되는 광산과 정제 방법에 의해 함유된 불순물이 달라, 물리적 기계적 특성이 다르고 이 때문에 반도체 재료로 사용하기에는 부적합합니다. 따라서 불순물에 의한 특성 변화를 최소화하기 위해 99.99%의 Gold를 고순도화 시킨 99.999%의 5N Gold를 통상적으로 사용하게 됩니다.
5N gold를 얻기 위해서는 두 단계의 정제 과정을 거치게 됩니다. 첫 단계는 전기 화학적인 방법으로 전해액 속에서 (+)극에는 Gold Bar, (-)극에는 고순도 Gold Foil을 넣고, DC 전류를 흘려주면 (+)극의 Au는 녹아나고, 고순도의 Au는 (-)극에 흡착되게 됩니다. 이 공정을 거치면 99.99%의 Gold는 99.997%이상으로 순도가 높아집니다. 두 번째 단계로는 용융 상태의 금속이 응고할 때 불순물을 배출하는 성질을 이용한 Zone Refining 방법을 이용하여 한 단계 높은 99.999% 이상의 고순도 Gold를 얻게 됩니다.
5N Gold의 경우 낮은 재결정 온도와 연한 성질로 인하여 Bonding Wire로 사용할 수 없고, 일정한 량의 불순물을 첨가하여 재결정 온도를 높이고, 강도를 증가시켜 사용합니다. 첨가하는 불순물 원소의 종류와 양은 Bonding Wire Maker마다 know-how로 관리하고 있으나, 일반적으로 Ca, Be, 희토류계의 원소를 10~100ppm이하 첨가하여 목적하는 특성을 얻게됩니다. 최근에는 고강도 wire를 얻기 위해 첨가되는 불순물 량이 많아지고 있어, 이를 균일하게 분포시킬 수 있는 조성제어 기술이 중요시 되고 있습니다. 불순물이 첨가된 재료는 연속주조 공정을 거쳐 일정 Size의 Rod로 제조 됩니다. 이때 첨가된 불순물의 량과 종류에 의해 Wire Type은 결정 됩니다.
4. 신선(Drawing)
연속주조로 얻어진 Wire는 일정 Size의 구멍을 갖는 Dies를 통과하면서 계속적으로 가늘게 가공되어 목적하는 Size의 Wire를 얻게 됩니다. 목적하는 Size는 통상적으로 20~30um 이고, 이때 +/- 1um이하의 오차 범위에서 관리되며, 일반적으로 사용되는 Dies는 1mm 이상의 size에서는 소결 세라믹 Dies를 사용하고, 1mm 이하의 size에서는 천연 다이아몬드 다이스를 사용합니다. 극세선으로 가공됨에 따라 약간의 이물질(Foreign Material) 또는 미세한 Damage에 의해서도 쉽게 단선될 수 있기 때문에 어떤 다른 비철 재료의 신선보다도 난이도가 높게됩니다.
5. 열처리(Annealing)
계속적인 신선공정에 의해 Wire는 많은 내부 Stress를 받아 직진성을 갖지 못하고, hard한 상태가 됩니다. 이 상태에서는 Bonding Wire로서 사용할 수 없고, 최종 열처리(Annealing)에 의해 내부 변형과 stress를 제거해 최적인 기계적 특성으로 맞추어야 됩니다. Bobbin에 감긴 Gold Wire를 그상태로 열처리로에 넣는 Batch Type 열처리는 열처리 공정 중 Gold 간의 고상 확산에 의해 쉽게 접합되어 사용할 수 업습니다. 그래서 극세선의 최종 열처리는 선재를 관상로에 일정속도로 통과시켜 연속적으로 열처리하는 방법을 선택합니다. 이 공정에서 일정 인장강도(Breaking Load)와 연신율(Elongation)이 결정되고, 비로서 Bonding Wire로 사용할 수 있는 Size와 특성을 갖게 됩니다. 일반적으로 gold bonding wire는 파단 연신율이 4∼7%로 조절이 되고, Cu Wire의 경우는 이보다 넓은 10~15% 정도의 범위에서 조절됩니다.
6. 권선 및 검사
열처리 후 Wire는 권선 공정에서 Wire 길이, Spool Size, Spool 색깔, 마무리 테이프, 권선 방법 등을 포함한 Customer Spec.에 맞춰 감게 됩니다. 권선은 Cross Winding 방식으로 프로그램이 가능한 권선기를 사용하고, 그 Program 또한 각 Maker에서 비밀로 하고 있죠! Spool 1개에 감기는 Wire의 길이는 0.5~2km이며, 국내에서는 5000ft 권선이 가장 일반적으로 행해지고 있습니다. Wire Bonder의 성능이 좋아지면서 Bonding 속도가 빨라지고, 이에 따라 Assembly 업체에서는 spool 교체주기가 짧아져 생산성을 높이기 위해 Spool에 감기는 Wire 길이를 길게하는 추세이기도 합니다. 아래 그림은 권선된 Gold Wire 최종 제품이다.
권선 후 제조된 Wire는 표면 상태, Wire 풀림, Wave 또는 Curl Test를 통하여 일정 품질을 갖는 Wire 만을 제품으로 출고하게 됩니다. 반도체가 점점 미세화 되면서 Bonding시 Wire와 Wire 간의 간격이 좁아지고, 이에 따라 Wire Curl 상태에 대한 관리는 더욱 중요해지고 있지요.
7. Bonding Wire의 종류
Au Wire
Au Wire는 열 경화 수지로 봉지된 플라스틱 패키지의 Ball 본딩 와이어로 이용되고 있습니다. 그 이유는 Au가 가장 화학적으로 안정된 금속으로 부식하지 않고, 대기중에서 진구도가 높은 볼을 쉽게 만들 수 있고, 만들어진 볼의 경도가 적절하여 본딩 패드에 손상을 입히지 않으며, Au와 Al의 상호 확산 속도가 빨라 열압착성이 우수하기 때문이죠.
- Normal 4N Gold Wire (M, L, T type)
Wire용으로 이용되는 Au는 Fe, Si 등의 Bondability에 악영향을 미치는 원소를 제거하는 목적으로 99.999% 의 고순도로 정제되며, 안정된 기계적 특성을 확보하기위해 Au에 Be, Ca, 희토류계 원소를 적당량 첨가하여 제조합니다. 주로 1.3~1.0Mil의 Size가 사용되고 있으나, 점점 Wire Size가 가늘어지는 추세이고요. Bonding Pad의 Al 성분과 Au사이에는 여러 종류의 금속간 화합물이 형성되고, 고온에서 장시간 사용시 Au와 Al 간의 확산 속도 차이에 의한 Kirkendall Void 형성과 Purple Plague(AuAl2)라는 취성이 강한 금속간 화합물에 의해 신뢰성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있습니다.아래 그림은 Kirkendall Void의 한 예입니다.(지금은 많이 보기힘든 현상이죠!!!)
- Au-Pd Alloy Wire (HTS-High Tensile Strength Wire, R type)
Chip이 Fine Pitch화되고 Loop Length가 길어지고, Wire Size가 가늘어지면서 이에 대응하기 위한 고강도 Wire로 개발되었습니다. 기존의 4N Gold Wire에 비해 B/L 값이 15~20% 높고, 현재 PBGA PKG에 주로 사용되고 있습니다. 고온에서의 열적 안정성이 뛰어나고 고온에서 금속간 화합물 성장이 느려 Kirkendall Void의 발생이 적어 신뢰성을 높힐 수 있습니다. 그러나 전기전도도가 기존 4N에 비해 25%정도 떨어지는 단점이 있어 Wire Size가 가늘어지면서 Logic Device에는 사용을 꺼리는 추세이기도 하죠.
- 4N HTS Wire (HP-High Performance Wire, XC, UB, UL type)
HTS의 전기전도도가 나쁜 단점을 보완하기 위해 개발된 Wire입니다. Breaking Load의 값은 HTS Wire 수준을 유지하면서 Wire의 순도는 4N을 유지합니다. 그러기 위해서 기존 Wire에 비해 많은 양의 불순물(Dopant)을 첨가하고, 또한 조직 Control을 통해 강도를 높혀가게 되지요!!!
아래 그림은 각 wire type 별 loop mode 및 기본 특성에 관하여 보여주고 있으며, Application package도 나열하고 있습니다.
Al Wire
세라믹을 본체로 하는 Hermetic PKG에 사용되는 본딩 와이어로 Wedge Bonding을 합니다. Au Wire의 금속간 화합물 형성 문제를 해결하기 위해 1950년대에 개발되었으며, 그 종류는 크게 나누어 Pure Al, Al-1%Si, Al-1%Mg 등이 있습니다. Pure Al은 굵은 Size, Al-1%Si Wire는 주로 1~2Mil의 가는 Size에 사용됩니다. Pure Al의 경우는 가는 Size까지 신선하기에는 너무 연하여, 1% Si를 첨가하여 강도를 증가 시킨게 되지요. 이때 Al 기지내 Si의 분포를 고르게 유지해야 합니다. 또한 Al-Mg wire는 Al-Si wire에 비해 고온 Reliability를 증대시키고 특히 피로 저항이 큰 특징을 보입니다.
Cu Wire
Cu Wire는 Au에 비해 낮은 가격, 높은 전기전도도, Pad와 Wire간의 열적 열화가 적은 장점때문에 계속적으로 Bonding Wire로서 적용을 시도하여 왔으나, 기존의 Cu Wire는 Au Wire에 비해 Hard한 특성으로 인한 Chip Crack의 위험, Loop Shape의 안정성이 떨어지고, Free Air Ball 형성시 산화 문제 등으로 인하여 적용에 한계가 있었습니다. 그러나 최근 Si Chip의 금속 배선이 0.13um이하로 미세화되면서 배선재료가 Al에서 Cu로 바뀌고 있으며, 이로 인하여 Cu Bonding에 대해 관심이 다시 높아지고 있습니다. 현재는 Bonding Wire용 Cu 의 순도를 고순도화 하고, 적당한 Dopant를 채택함으로써 Loop Shape의 안정성을 높히고, Chip Crack 문제에 대한 많은 개선과, Forming Gas를 이용한 Wire 산화 문제를 극복함으로써 점차 그 수요를 넓힐 것으로 예상됩니다. 많은 업체들이 컨소지엄을 형성해 활발한 개발을 하고 있습니다. 8. 기술 동향
PKG가 점점 Fine Pad화 됨에 따라 Chip과 Lead를 연결하는 본딩 와이어는 더욱 미세해지고, Loop의 길이는 길어지는 경향이 일반적인 추세입니다. 이에 따라 Sagging 또는 Sway 등의 조립시의 불량 발생가능성이 높아지고 있어 기존 제품보다 월등히 향상된 특성을 보여주는 새로운 Wire에 대한 요구가 증대 되고 있습니다.
- 금선의 동향
반도체가 경박단소화 되면서 Si Chip은 작아지고, Chip위에 많은 I/O를 집적시기고있습니다. 이를 위해 Wire를 Bonding하는 BPP(Bond Pad Pitch) 간격은 좁아지고, BPO(Bond Pad Open)은 작아지고 있죠. 현재 Assembly 공정에서는 0.8mil Wire를 이용하여 50umBPP Mass Product를 하고 있고, 향후 더 가는 Size의 Wire 사용은 가속될 전망이며 아래 그림 roadmap 참조 바랍니다.
이를 만족하기 위해 요구되는 Bonding Wire의 특성은 ①높은 Breaking Load : Sagging 및 Mold Sweeping 최소화 ②짧은 HAZ : Loop Height 최소화 ③Ball Neck Grain Size 미세화 : Ultra Low Loop에서 Ball Neck Damage 최소화, Pull 값 상승, ④높은 재결정 온도 : 열적 안정성 확보 통한 높은 신뢰성 확보 ⑤높은 전기 전도도 등입니다. 이를 만족시키기 위해 각 Wire maker는 고강도 Wire의 개발을 진행하고 있다. 아래 그림은 Gold Wire 개발에서 고려해야 할 경계조건을 나타내었습니다.
Gold Wire에 대한 또 하나의 새로운 동향은 Bumping 공정을 이용하는 Flip Chip PKG에 대한 수요 증가로 Bumping Wire에 대한 수요가 증가입니다. 이미 주지하시다시피 Pentium 4의 ChipSet은 이제 PBGA에서 이 Flip Chip type으로 전환될것이 확실합니다. Bumping Wire에 대한 기본 조건은 기존의 Gold Wire에 비해 높은 신뢰성을 확보하기위해 높은 재결정 온도를 가지고, Bump후 Bump Height의 균일성 확보를 위해 HAZ의 길이를 최소화 해야합니다. 일반적으로 1.0mil Wire에서 FAB Size를 Wire Size의 2배로 제어할 때 HAZ의 변화는 일반 wire의 경우 약 30~40um 이나 Bump Wire의 경우는 20um이하로 제어되어야 합니다. 아래 그림은 Wire가 Bumping된 상태를 나타내었다.
