1. Wire Bonder 란?
Wire 본드 공정에서, 본딩이란 다른 말로 Welding이라고도 하며, 굳이 한글로 표현하자면 “용접” 이라 할 수 있다. 용접이란 두개의 금속을 녹여 붙여주는 것을 의미한다. 이때, 두개의 금속은 같은 종류일 수도 있고, 다른 종류일 수도 있다.
그럼 본딩이란 실제 무엇을 의미하는가?
반도체 조립 과정에서 Wire 본딩이란 다이(Die) 또는 칩(Chip) 위의 외부 연결 단자 (보통 이것을 본딩패드라 함)와 리드 프레임 또는 그와 유사한 역할을 하는 세라믹, PCB의 Pattern에 Wire를 연결하는 것을 의미한다.
이때 사용하는 Wire는 보통 금 또는 알루미늄을 많이 쓰며, 구리를 사용하는 경우도 있다.
Wire의 굵기는 보통 머리카락보다 가는 1.0mil 에서 1.3mil 직경의 것을 사용하며, 전력용 소자인 경우는 2 ? 5mil 직경의 굵은 것을 사용한다. (1.0 mil이란 1/1000 inch 또는 25.4um를 의미한다.)
금 또는 알루미늄 Wire를 Die 또는 Chip에서 외부 연결 통로인 리드 프레임, 세라믹 또는 PCB 등에 연결해 주는 장비를 Wire Bonder라 한다
2. Wire Bonding의 방식분류
1) 작동방식에 따른 분류
(1) 수동 WIRE BONDER
작업자가 각각의 Wire를 직접 연결하는 방식이다.
(2)자동 Wire Bonder
컴퓨터가 카메라를 통해 (APS; Pattern Recognize System) 이와 Lead Frame의 위치를 찾아서 자동 으로 Wire를 연결 시켜주는 방식이다
2) Bonding 방법에 의한 분류
(1) Thermo Sonic Compress Bonding 방식
두 종류 (또는 같은 종류라도)의 금속을 서로 기계적으로 결합시키기 위하여 가장 일반적으로 사용하는 방법으로 가열하면서 Bonding하는 것을 말한 다. Die Bonding된 Lead Frame을 Heater Block 위에 놓으면 어느 정도 가열되고 여기에 역시 Capillary부터 Guld Wire가 미리 조정된 Capillary의 중량에 의해서 가압 되면서 어느 정도 시간이 지나면 두 접촉 금속간에 원자의 이동이 이루어져 결합되는 방식을 말한다.
이러한 방식은 온도, 초음파, 압력을 사용하는 W/B 방식으로서 짧은 시간에Bonding을 할 수 있고, Gold Wire Bonding에 주로 사용된다
(2) Sonic Compress Bonding방식
T/C Bonding과 근본적으로 동일하나 여기에 음파에너지 (Sonic Energy)을 추가함으로써 T/C보다 더 낮은 온도에서 더 낮은 압력으로 더 빨리 Bonding이 가능하도록 한 것으로 기계화 및 자동화의 길을 열어 주었다. 이러한 방식은 Al Wire를 이용한 Wedge Bonder용으로 많이 사용된다
(3) Ultra Sonic Bonding 방식.
열을 전혀 가하지 않고 압력과 초음파 에너지로 Bonding하는 방식이다. Capillary
대신 쐐기모양의 Wedge를 바늘처럼 사용하여 Bonding한다. 주로 AL Wire가 사용된다.
3) Bonding 형상에 따른 분류
(1) Ball to Stitch Bonding
Pad 쪽은 Ball 방식을 사용하고 Lead 쪽은 Stitch 방식을 채택한다. 이러한 방식은Gold Wire Bonding에서 주로 사용한다.
(2) Stitch to Stitch Bonding
Al Wire Bonding 에서 주로 사용되며, Pad 쪽과 Lead 쪽 모두 Stitch 방식을 채택한다.
(3) Ball to Ball Bonding
Pad 쪽과 Lead 쪽 모두 Ball 방식을 채택한다. 주로 수소 Torch 방식에 많이 적용된다.
4) Wire Bonding형상에 따른 분류
(1) Ball Bonding 방식
다방향 Bonding이 가능하며, Bonding 속도가 빠르다. 또한, Ball 크기가 Wire 굵기의 2.5∼4 배이며, 주로 IC 제조에 이용된다.
(2) Wedge Bonding 방식
단일 방향 Bonding(= 자재 또는 Tool 이 자주 회전해야 됨 )이며, Bond 크기가 작다 ( Wire 굵기의 1.1∼2 배 ). 그러나 큰 높이 차이를 Bonding 작업하려면 특수 장비와 Tool이 필요하다. 주로 Al Wire Bonding 에 사용된다.
3. Ball Bonding의 공정 순서
1) 단계 0
대부분, Wire가 Capillary에 설치되어, 끝에 Ball이 형성된 상태에서 시작된다.
이론적으로, Ball 형성으로부터 공정 단계가 시작되나, 대부분의 장비가 2차 Bond 후에 Ball 형성을 하므로, 나중에 설명된다
2) 단계 1
장비가 우선, X ? Y판의 조준 된 패드위로 Capillary를 이동 시킨다. 수동 장비는,직접 조준하다. 자동 장비는 이것을 APS가 장비를 제어하여 Capillary를 조준한다. (APS란 패턴 인식 장치를 의미한다.) Capillary를 아래로 내린다. )
이 단계에서, Wire를 팽팽하게 되도록 하여, Ball이 Capillary 하단 중앙에 자리잡게 된다.
3) 단계 2
Ball이 Pad에 닿게 되면, 1차 본딩이 이루어 진다. 장비가 제어하여 압력이 가해지고Ultrasonic
에너지가 Capillary 하단으로 전달되어, Ball이 눌리면서 1차 본딩이 된다.
4)단계 3
이제 Looping이 시작된다. 1차 본딩이 완료된 후, 캐피러리가 올라가면서 남겨지는 Wire가 Loop가 된다.
이 단계에서, Wire를 팽팽하게 되도록 하여, Ball이 Capillary 하단 중앙에 자리잡게 한다.
5) 단계 4
이제, Capillary가 본딩 해야 할 리드와 멀어지는 Loop의 반대 방향으로 이동된다. Wire를 구부려 놓음으로서, Loop가 형성되었을 때, 본드 위의 Wire가 목 부분에서 끊어지지 않고 똑바로 올라가게 되는 것이다.
실제 Wire가 이 반대 방향 움직임으로 꺾이게 됨으로Capillary가 매우매끄럽게 가공되어 져야 한다.
6)단계 5
장비가 이미 Wire 길이를 계산하여, Capillary가 Loop 높이까지 올라가며, Loop 형성에 충분한 Wire가 공급된다.
보통 긁힌 Wire는 Wire 공급 장치에서 발생되며, 매끈하게 가공된 구멍은금이 내부에 적체되는 현상을 감소시킨다.
7) 단계 6
Wire Loop는 자재와 캐피러리와의 상대적인 움직임에 따라 형성된다. 최근의 최신 고속 장비들은 자재는 고정되어 있고, 캐피러리 본딩 Head에 의해 움직이게 되어있다.
또한, 캐피러리가 움직이는 경로는 Wire가 더 이상 나오거나 다시 들어가지 못하게 설계되어 있다.
8) 단계 7
캐피러리가 내려가 Wire를 눌러 2차 본드를 만든다.초음파 진동이 캐피러리 끝을 통해 본드에 전해지게 된다. 이 단계에는 거칠게 가공된 캐피러리 표면이 최대의 효과를 발휘한다.
9)단계 8
캐피러리가 계산된 Tail 길이만큼 올라가게 된다.
Tail은 캐피러리 바로 밑에서 목이 약한 Ball이 생기지 않게
충분한 길이로 되어야 한다.
10)단계9
Clamp가 닫히며 Wire를 잡아, 2차 본드에서 끊을 준비가 된다. 너무 많은 압력이나 충격이 2차 본드에 가해지면, 본딩 중에 Wire가 끊어질 수 있으며, “NO BALL”장애가 발생하게 된다.
본드 조건이 잘 설정 되어, 단지 Clamp로 Wire를 끊을 수 있어야 만 된다.
11) 단계10
캐피러리가 계속 위로 올라가면, 캐피러리에 의해 만들어진 Wire의 가장 약한 부분에서 끊어지게 된다.
12)단계11
Clamp가 닫히며 Wire를 잡아, 2차 본드에서 끊을 준비가 된다. 너무 많은 압력이나 충격이 2차 본드에 가해지면, 본딩 중에 Wire가 끊어질 수 있으며, “NO BALL”장애가 발생하게 된다.
본드 조건이 잘 설정 되어, 단지 Clamp로 Wire를 끊을 수 있어야 만 된다.
13)단계12
고 전압 방전 날이 Tail에 가까워지며, 고 전압 방전을 해서, Wire 끝을 녹이게 된다.
14) 단계13
날이 원래 위치로 돌아 가고, 녹은 Wire는 Ball을 만들어 굳게 된다. 형성된 Ball의 크기는 기본적으로 고 전압 방전기의 에너지 양과 Tail의 길이에 의해 결정된다.