KR100235459B1 - Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치에 관한 것으로, 와이어 본딩을 수행하는 캐필러리와; 상기 캐필러리를 구동시키는 구동 수단과; 상기 구동 수단의 이동량을 측정하는 측정 수단과; 본딩하고자 하는 디바이스의 임의 위치에 해당하는 다수 좌표의 높이를 측정하여 3차원 데이터를 산출하고, 산출된 다수 3차원 데이터에 따라 그 3차원 데이터들이 포함되는 평면의 방정식을 산출한 다음, 본딩하고자 하는 디바이스의 좌표를 산출된 평면의 방정식에 적용시켜 해당하는 본딩 높이를 산출하고, 산출된 본딩 높이에 따라 캐필러리의 가감속 운동구간과 등속 운동 구간을 설정하고, 설정된 구간에 따라 상기 구동 수단을 작동시켜 상기 캐필러리가 디바이스의 해당 위치에 와이어 본딩을 수행하도록 제어하는 제어 수단을 포함하여 이루어지고, 기구물의 제조 공차나 작업자의 설치시에 발생하는 설치 오차로 인하여 나타나는 본딩 높이의 차를 보상하여 동일 조건하의 본딩이 가능하고, 또한 본딩 높이의 차의 보상에 따라 기구물의 정밀 가공에 소요되는 비용을 줄일 수 있으며, 아무리 정밀한 가공에서도 필연적으로 발생하는 제조 공차를 보상할 수 있다.

Description

Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치 및 그 제어 방법
이 발명은 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 반도체 와이어 본딩 공정에 있어서, 본딩하고자 하는 디바이스의 본딩 높이를 각각 산출하여 안정된 와이어 본딩을 수행하기 위한 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
조립 프로세스의 일반적인 공정 순서는 웨이퍼상에 형성된 다수의 집적 회로를 개별로 분리하는 공정인 다이싱 공정과, 분리된 칩을 리드 프레임(lead frame)의 칩부착부(패드부)에 접착하는 다이어 더치 공정과, 집적 회로 칩과 리드 프레임을 배선하는 와이어 본딩 공정과, 집적 회로 칩을 고순도의 에폭시 수지를 사용하여 봉합하는 몰드 공정과, 봉함을 종료한 패키지의 아우트리드를 필요한 외형상으로 절단하여 형성하는 리드 외장/리드 성형 공정으로 이루어진다.
여러 공정을 거쳐 각 해당 기능을 수행하는 하나의 반도체 칩이 제작되면, 각 칩을 내장하는 하나의 패캐지를 형성하고, 내장된 칩의 각 입/출력 단자와 연결되는 리드 프레임을 형성하여 이용할 수 있도록 한다.
따라서 각 칩에 형성되어 있는 입/출력 단자와 내부 리드 사이를 금으로 이루어진 와이어를 이용하여 본딩하여 패캐지 외부에 형성되어 있는 리드 프레임과 연결될 수 있도록 한다.
반도체 칩과 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB)을 연결하는 리드 프레임의 구조는 다음의 3가지 구조로 이루어져 있다.
즉, 패캐지 내부에 내장되는 반도체 칩을 장착하는 패드(PAD)부와, 반도체 칩과 와이어 본딩이 이루어지는 내부 리드부, 및 인쇄 회로 기판에 장착될 수 있도록 하는 외부 리드부로 이루어져 있다.
따라서 제조된 회로 칩을 플라스틱 패키지나 세라믹 패키지에 탑재하기 위해, 리드 프레임의 패드 부분에 웨이퍼에서 분리된 하나의 칩을 장착한 후, 와이어 본딩을 이용하여 칩의 각 입/출력 단자와 리드 프레임 상의 내부 리드부와 연결한다.
그리고 고순도의 에폭시 수지를 사용하여 저압 트랜스퍼 몰드법으로 성형 봉합하는 몰드 공정을 수행한다.
상기와 같은 와이어 본딩 공정에 사용되는 와이어 본더는 정밀 기계로서 ㎛단위에서 정밀도를 논한다. 이러한 정밀 기계에서는 각 기구 구조물의 가공 정도가 굉장히 정밀해야 하며 특히, 본딩될 디바이스의 베이스가 되는 히터 블록(heater block)과, 상기 히터 블록을 떠받치고 있는 베이스 구조물은 요구되는 충분한 정밀도가 보정되어야 한다.
종래에는 이러한 기구 구조물의 제조 공차나 설치시에 발생하는 에러에 대한 보상이 없었음으로, 제조시에 디바이스를 받치고 있는 히터 블록이나 그 밑의 베이스가 되는 구조물들의 정밀한 가공 및 설치자의 설치 능력에만 의존하여 왔다.
그러나 정밀한 구조물의 가공을 위해서는 많은 비용이 소요되고, 아무리 정밀하여도 어느 정도의 오차는 발생하게 된다.
또한 여기에 설치자의 설치 오차가 더해져서 본딩할 디바이스는 필연적으로 본딩 좌표의 Z축 값 즉, 와이어를 내보내는 캐필러리(capillary)의 끝에서부터 본딩 위치인 패드 또는 리드까지의 거리가 모든 패드나 리드에서 일정하게 유지되지 못하게 된다.
상기 본딩 좌표의 Z축 값은 캐필러리의 Z방향 운동을 제어하는 중요한 변수로서 사용된다.
캐필러리는 첨부한 도7에 도시되어 있듯이 홈위치(home position)에서부터 고 속의 가감속 운동으로 본딩 위치인 패드나 리드로 하강하다가, 본딩 위치 근처에서 저속의 등속 운동으로 전환하여 패드나 리드의 본딩 위치를 터치하고 힘을 가하여 와이어 본딩이 이루어지도록 한다.
상기한 등속 운동은 터치 알고리즘에 따라 수행되며, 터치 알고리즘이 시작되는 Z축의 위치를 서치 레벨(search level)이라 한다.
서치 레벨에서부터 각각의 패드와 리드의 본딩 위치까지의 거리는 하나의 패드와 리드의 본딩 높이(bond height)를 측정하여, 측정된 본딩 높이에서 서치 레벨에 해당하는 높이를 감산하여 산출한다.
첨부한 도7에 상기한 터치 알고리즘이 적용되기 시작하는 서치 레벨이 도시되어 있으며, 본딩 높이는 첫 번째 패드와 리드에 대해서 하나씩 측정한 다음 모든 패드와 리드에 적용되며, 일반적으로 그 값은 120㎛∼150㎛ 정도로 설정된다.
그러므로 첨부한 도7에 도시되어 있듯이 기구물의 제조 공차로 인하여 발생하는 패드끼리 또는 리드끼리의 높이의 차는 없는 것으로 무시되며, 패드나 리드로부터 터치 알고리즘을 위한 서치 레벨까지의 높이가 일정하게 유지되지 못하고, 커지거나 작아지게 된다.
다시 말하자면 첨부한 도6에 도시되어 있듯이 히터 블록의 제조 공차(Ht2-Ht1)로 인하여 캐필러리 홈위치로부터 패드 양 끝쪽의 본딩 위치까지의 거리인 Pt2와 Pt1의 오차만큼 그리고 리드쪽의 양 측면의 본딩 위치까지의 거리인 Lt2와 Lt1의 오차만큼의 차이를 발생시킴으로써, 서치 레벨까지의 높이가 커지거나 작아지게 된다.
상기에서 서치 레벨까지의 높이가 커지는 경우에는 캐필러리가 저속으로 운동하는 거리가 길어져서 본딩 속도가 저하되며, 서치 레벨까지의 높이가 작아지는 경우에는 고속의 가감속 운동 상태의 관성으로 인하여 캐필러리가 패드나 리드에 처박히는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 서치 레벨까지의 높이 차이가 심하여 그 오차가 서치 레벨을 넘어서서 패드나 리드가 서치 레벨 위에 있는 경우에는 터치 알고리즘이 작용하지 못하게 되고, 캐필러리는 빠른 가감속 운동에 의해서만 본딩을 수행하기 때문에, 패드나 리드 그리고 캐필러리까지도 손상되는 문제점이 발생한다.
이 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 와이어 본딩 공정에 있어서, 디바이스의 본딩 위치에 따른 평면의 방정식을 산출하고, 산출된 방정식에 따라 본딩하고자 하는 디바이스의 본딩 높이를 각각 산출하여 본딩 공정을 수행함으로써, 안정된 와이어 본딩을 수행하기 위한 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치 및 그 방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 이 발명의 구성은,
와이어 본딩을 수행하는 캐필러리와;
상기 캐필러리를 구동시키는 구동 수단과;
상기 구동 수단의 이동량을 측정하는 측정 수단과;
본딩하고자 하는 디바이스의 임의 위치에 해당하는 다수 좌표의 높이를 측정하여 3차원 데이터를 산출하고, 산출된 다수 3차원 데이터에 따라 그 3차원 데이터들이 포함되는 평면의 방정식을 산출한 다음, 본딩하고자 하는 디바이스의 좌표를 산출된 평면의 방정식에 적용시켜 해당하는 본딩 높이를 산출하고, 산출된 본딩 높이에 따라 캐필러리의 가감속 운동 구간과 등속 운동 구간을 설정하고, 설정된 구간에 따라 상기 구동 수단을 작동시켜 상기 캐필러리가 디바이스의 해당 위치에 와이어 본딩을 수행하도록 제어하는 제어 수단을 포함하여 이루어진다.
상기의 목적을 달성하기 위한 이 발명의 다른 구성은,
본딩하고자 하는 디바이스의 임의 위치에 해당하는 다수 좌표의 높이를 측정하여 3차원 데이터를 산출하는 단계와;
상기에서 측정된 다수 3차원 데이터에 따라 그 3차원 데이터들이 포함되는 평면의 방정식을 산출하는 단계와;
본딩하고자 하는 디바이스의 좌표를 산출된 평면의 방정식에 적용시켜 해당하는 본딩 높이를 산출하는 단계와;
산출된 본딩 높이에 따라 캐필러리의 가감속 운동 구간과 등속 운동 구간을 설정하고, 설정된 구간에 따라 캐필러리를 구동시켜 디바이스의 해당 위치에 와이어 본딩을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
도1은 이 발명의 실시예에 따른 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치의 구성 블록도이고,
도2는 이 발명의 실시예에 따른 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 제어 방법의 동작 순서도이고,
도3은 이 발명의 실시예에 있어서 평면의 방정식을 산출하기 위한 본딩 위치를 나타낸 상태도이고,
도4는 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 Z축 좌표 보상 상태를 나타낸 상태도이고,
도5는 이 발명의 실시예에 있어서 산출된 평면의 방정식에 해당하는 그래프이고,
도6은 종래의 와이어 본딩시의 위치 공차에 따른 본딩 높이 변화를 나타낸 상태도이고,
도7은 일반적인 와이어 본딩 공정시의 본딩 높이 및 서치 레벨을 나타낸 상태도이다.
상기한 구성에 의하여, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도1은 이 발명의 실시예에 따른 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치의 구성 블록도이고,
도2는 이 발명의 실시예에 따른 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 제어 방법의 동작 순서도이고,
도3은 이 발명의 실시예에 있어서 평면의 방정식을 산출하기 위한 본딩 위치를 나타낸 상태도이고,
도4는 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 Z축 좌표 보상 상태를 나타낸 상태도이고,
도5는 이 발명의 실시예에 있어서 산출된 평면의 방정식에 해당하는 그래프이고,
첨부한 도1에 도시되어 있듯이 이 발명의 실시예에 따른 Z축 본딩 좌표 자 동 보상 장치의 구성은, 디바이스(2)와, 상기 디바이스(2)가 놓여져 있는 히터 블록(1)과, 상기 디바이스(2)로 와이어 본딩을 하기 위한 캐필러리(3)와, 상기 디바이스(2)의 본딩 위치에 해당하는 평면의 방정식을 산출하고, 본딩하고자 하는 위치에 해당하는 좌표를 상기 방정식에 적용시켜 본딩 위치와 캐필러리(3)와의 거리인 본딩 높이를 산출한 다음, 산출된 본딩 높이에 따라 터치 알고리즘을 수행하기 위한 제어 신호를 출력하는 동작 제어부(6)와, 상기 동작 제어부(6)의 출력단에 연결되어 인가되는 제어 신호에 따라 구동되어 상기 캐필러리(3)의 디바이스(2)로의 하강 운동을 수행하는 구동부(4)와, 상기 구동부(4)의 이동량을 측정하는 엔코더(5)로 이루어진다.
상기 구성에 의한 이 발명의 실시예에 따른 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어의 작용은 다음과 같다.
Z축값 즉, 디바이스의 본딩 위치에서부터 캐필러리(3)의 홈위치까지의 높이를 보정하기 위해서는 패드나 리드의 본딩 위치를 포함하는 평면의 방정식을 구한 다음, 터치 알고리즘에 따라 캐필러리(3)의 하강 운동을 제어하는 경우에 본딩하고자 하는 본딩 위치에 해당하는 평면 좌표(X, Y)를 상기 방정식에 적용시켜 각 패드와 리드에 대하여 Z축값을 얻을 수 있다.
와이어 본딩 공정을 수행하는데 있어서, 디바이스나 캐필러리의 교환 또는 히터 블록의 재설치시에는 본딩 높이의 값이 변함으로, 그 값을 다시 측정하기 위하여 상기 동작 제어부(6)는 첨부한 도2에 도시되어 있는 루틴에 따라 해당 본딩 위치가 포함되어 있는 평면의 방정식을 산출한다.
상기 동작 제어부(6)는 본딩 위치가 포함되어 있는 평면의 방정식을 구하기 위하여 첨부한 도3에 도시되어 있듯이 디바이스의 패드(22)와 리드(21)에 대해서 각각 세지점 특히, 네 개의 모서리 중 세 개의 모서리에 해당하는 지점의 3차원 데이터를 가지고 패드(22)와 리드(21)의 공간상에서의 평면의 방정식을 구한다.
이 발명의 실시예에 따른 디바이스의 네 개의 모서리에 해당하는 평면 좌표는 미리 설정되어 있으며, 상기 동작 제어부(6)는 세 개의 평면 좌표에서의 높이에 해당하는 Z값을 각각 구한다.
먼저, 상기 동작 제어부(6)는 세 개의 좌표중 임의 좌표에서 상기 구동부(4)를 구동시켜 캐필러리(3)의 하강 운동을 시작한다. 상기 캐필러리(3)가 디바이스(2)의 해당 위치까지 이동된 경우에는 상기 구동부(4)가 더 이상 동작하지 않게 됨으로써, 이 때 상기 엔코더(5)에서 출력되는 신호에 따라 구동부(4)의 구동량을 측정하여 그에 따라 임의 좌표에서의 Z축 값을 구한다(S110).
상기한 방식에 따라 세 개의 모서리에 해당하는 3차원 좌표를 각각 구한 다음, 다음과 같이 패드(22)나 리드(21)가 포함되어 있는 평면의 방정식을 구한다(S120).
(x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3)
x1A ＋ y1B ＋ z1C ＋ D = 0
x2A ＋ y2B ＋ z2C ＋ D = 0
x3A ＋ y3B ＋ z3C ＋ D = 0
상기 세 개의 모서리에 해당하는 3차원 좌표에 따라 산출되는 상기의 방정식을 풀어서, 3개의 3차원 좌표가 포함되어 있는 평면의 방정식을 산출한다.
상기와 같이 본딩 위치가 포함되어 있는 평면의 방정식을 산출한 다음, 실제 본딩시에 입력되는 각 좌표마다의 본딩 높이(Z값)를 구한다.
이 때, 입력되는 본딩 좌표는 아이 포인트(eye point) 검색에 따라 보정된 다음, 보정된 좌표에 따라 해당하는 본딩 높이를 구한다(S130∼S140). 상기 값은 각각의 패드(22)나 리드(21)에 대하여 다른 값들을 가지게 된다.
상기에서 동작 제어부(6)는 본딩 위치에 따른 본딩 높이를 산출한 다음, 산출된 본딩 높이에서 이미 설정되어 서치 레벨값을 감산하여 캐필러리(3)의 가감속 운동구간으로 설정하고, 서치 레벨에 해당하는 거리만큼을 등속 운동 구간으로 설정한다(S150∼S160).
상기와 같이 캐필러리(3)의 가감속 운동구간과 등속 운동 구간을 설정한 다음, 상기 동작 제어부(6)는 구동부(4)를 구동시켜 캐필러리(3)를 홈위치에서부터 고속의 가감속 운동으로 하강시킨 다음, 상기에서 설정된 등속 구간에 위치한 경우에는 다시 저속의 등속 운동으로 디바이스(2)로 하강시켜 해당 본딩 위치에 터치시킨 다음 와이어 본딩을 수행한다(S170).
입력되는 패드(22)와 리드(21)의 본딩 좌표에 따라 본딩 높이를 각각 구하여 상기와 같이 캐필러리(3)의 하강 운동을 제어하여 안정된 와이어 본딩을 수행한다.
첨부한 도4는 평면의 방정식에 의하여 보정된 본딩 높이의 패드(22)와 리드(21)의 본딩을 나타낸 것이다. 도4에 도시되어 있듯이 처음으로 측정된 패드(22)나 리드(21)의 서치 레벨(TPS, TLS)의 거리는 보정된 후의 패드(22)나 리드(21)의 서치 레벨(MPS, MLS)의 거리와 동일함을 알 수 있다.
그러나 본딩 높이의 경우에는 측정된 것(TPB, TLB)과 보정된 것(MPB, MLB)이 변하였음을 알 수 있다.
이러한 방식으로 서치 레벨의 거리를 일정하게 함으로써, 캐필러리(3)가 안정된 본딩을 할 수 있게 된다.
이상에서와 같이 이 발명의 실시예에 따라, 반도체 와이어 본딩 공정에 있어서, 디바이스의 본딩 위치에 따른 평면의 방정식을 산출하고, 산출된 방정식에 따라 본딩하고자 하는 디바이스의 본딩 높이를 각각 산출하여 본딩 공정을 수행함으로써, 기구물의 제조 공차나 작업자의 설치시에 발생하는 설치 오차로 인하여 나타나는 본딩 높이의 차를 보상하여 동일 조건하의 본딩이 가능해진다.
또한 본딩 높이의 차의 보상에 따라 기구물의 정밀 가공에 소요되는 비용을 줄일 수 있으며, 아무리 정밀한 가공에서도 필연적으로 발생하는 제조 공차를 보상할 수 있는 효과를 가지는 Z축 본딩 좌표 자동 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 와이어 본딩을 수행하는 캐필러리와;
    상기 캐필러리를 구동시키는 구동 수단과;
    상기 구동 수단의 이동량을 측정하는 측정 수단과;
    본딩하고자 하는 디바이스의 임의 위치에 해당하는 다수 좌표의 높이를 측정하여 3차원 데이터를 산출하고, 산출된 다수 3차원 데이터에 따라 그 3차원 데이터들이 포함되는 평면의 방정식을 산출한 다음, 본딩하고자 하는 디바이스의 좌표를 산출된 평면의 방정식에 적용시켜 해당하는 본딩 높이를 산출하고, 산출된 본딩 높이에 따라 캐필러리의 가감속 운동구간과 등속 운동 구간을 설정하고, 설정된 구간에 따라 상기 구동 수단을 작동시켜 상기 캐필러리가 디바이스의 해당 위치에 와이어 본딩을 수행하도록 제어하는 제어 수단을 포함하여 이루어지는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 제어 수단은,
    임의 본딩 위치에 해당하는 좌표에서 상기 캐필러리를 디바이스로 하강 이동시키고, 상기 측정 수단으로 캐필러리가 더 이상 하강되지 않는 지점까지 구동된 량에 해당하는 신호를 입력받아 본딩 높이를 산출하는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 제어 수단은,
    디바이스의 패드와 리드에 대해서 네 개의 모서리 중 세 개의 모서리에 해당하는 지점의 3차원 데이터를 가지고 상기 디바이스의 패드와 리드의 공간상에서의 평면의 방정식을 산출하는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기한 제어 수단은,
    각각의 본딩하고자 하는 위치에 따른 좌표를 아이 포인트 검색에 따라 보정한 다음, 보정된 좌표를 산출된 평면 방정식에 적용시켜 본딩 높이를 산출하는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 장치.
  5. 본딩하고자 하는 디바이스의 임의 위치에 해당하는 다수 좌표의 높이를 측정하여 3차원 데이터를 산출하는 단계와;
    상기에서 측정된 다수 3차원 데이터에 따라 그 3차원 데이터들이 포함되는 평면의 방정식을 산출하는 단계와;
    본딩하고자 하는 디바이스의 좌표를 산출된 평면의 방정식에 적용시켜 해당하는 본딩 높이를 산출하는 단계와;
    산출된 본딩 높이에 따라 캐필러리의 가감속 운동구간과 등속 운동 구간을 설정하고, 설정된 구간에 따라 캐필러리를 구동시켜 디바이스의 해당 위치에 와이어 본딩을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 방법.
  6. 제5항에 있어서, 평면의 방정식을 산출하는데 있어서,
    디바이스의 패드와 리드에 대해서 네 개의 모서리 중 세 개의 모서리에 해당하는 지점의 3차원 데이터를 가지고 상기 디바이스의 패드와 리드의 공간상에서의 평면의 방정식을 산출하는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 방법.
  7. 제5항에 있어서, 각각의 본딩하고자 하는 위치에 따른 좌표를 아이 포인트 검색에 따라 보정한 다음, 보정된 좌표를 산출된 평면 방정식에 적용시켜 본딩 높이를 산출하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 Z축 본딩 좌표 보상 기능을 가지는 와이어 본딩 방법.
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