KR100252005B1 - 와이어의 습기 제거를 위한 발열기구를 구비하는 와이어 본딩장치 - Google Patents

와이어의 습기 제거를 위한 발열기구를 구비하는 와이어 본딩장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 칩을 리드 프레임과 같은 패키지 기판에 와이어로 본딩하는 와이어 본딩 장치에 관한 것이다. 와이어 본딩에 있어서 와이어 볼 변형은 본딩력 약화 및 다른 칩 패드와의 전기적 단락 등의 불량을 야기할 수 있다. 특히, 와이어에 묻어있는 습기가 와이어 볼 변형의 대표적 요인이다. 따라서, 본 발명은 와이어의 습기를 제거하기 위한 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치를 제공한다. 본 발명의 와이어 본딩 장치는 와이어가 감겨져 있는 스풀과, 스풀로부터 공급되는 와이어를 고정하기 위한 클램프와, 와이어가 통과하는 관통구멍을 포함하는 캐필러리와, 와이어의 끝부분에 불꽃을 가하여 와이어 볼을 형성하는 토치를 포함한다. 스풀과 클램프 사이에 형성되는 발열기구는 코일이 감긴 금속 원통이며, 금속 원통의 바깥면에 전기 절연성의 양호한 열전달 특성을 갖는 피복층이 형성된다. 와이어는 금속 원통 중앙부의 관통구멍을 통하여 통과되며, 코일에서 발생한 열에 의해 습기가 제거된다. 또한, 발열기구는 소정의 가스를 와이어에 분사하여 와이어의 습기를 증발시킬 수 있는 가스 분사노즐을 더 포함할 수 있다. 발열기구에 의하여 와이어에 묻어 있는 습기가 제거되기 때문에, 와이어 볼이 양호하게 형성될 수 있으며, 와이어 볼 변형에 따른 와이어 본딩 불량을 방지할 수 있다.

Description

와이어의 습기 제거를 위한 발열기구를 구비하는 와이어 본딩 장치 (wire bonding apparatus having heater for removing moisture of wire)
본 발명은 반도체 칩 패키지의 제조장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 와이어의 습기 제거를 위한 발열기구를 구비하는 와이어 본딩 장치에 관한 것이다.
반도체 칩 패키지의 제조 공정에 있어서, 와이어 본딩(wire bonding) 공정이라 함은 금 또는 알루미늄 와이어로 반도체 칩과 패키지 기판(즉, 리드 프레임 또는 배선 기판)을 전기적으로 연결시켜 주는 공정을 말한다. 와이어 본딩 공정은 웨이퍼로부터 개별 칩으로 분리된 반도체 칩이 패키지 기판에 접착되는 다이 본딩(die bonding) 공정의 후속 공정이기도 하다.
전형적인 와이어 본딩은 금 와이어(Au wire)가 볼-웨지 본딩(ball-wedge bonding)되는 것이다. 즉, 반도체 칩의 칩 패드(chip pad)에는 볼 본딩, 패키지 기판에는 웨지 본딩되며, 본딩되는 동안 열초음파 또는 열압착이 가해진다. 일반적인 와이어 본딩인 볼-웨지 본딩의 과정이 도 1a 내지 도 1h에 도시되었다.
도 1a 내지 도 1h를 참조하면, 먼저 와이어(10)의 끝에 형성된 와이어 볼(10a; wire ball)이 칩 패드(12) 쪽을 향하도록 캐필러리(21; capillary)가 칩 상부에 위치한다(도 1a). 그리고 캐필러리(21)가 하강하면서 와이어 볼(10a)을 압착하여 와이어 볼(10a)이 칩 패드(12)에 접착되도록 한다. 이 때 칩 패드(12)에는 열이 가해지고, 열초음파 방식인 경우 캐필러리(21)에는 초음파 진동이 가해진다(도 1b).
와이어 볼(10a)이 칩 패드(12)에 접착된 후, 캐필러리(21)는 상승하고 클램프(22; clamp)는 열린 상태로 있다(도 1c). 캐필러리(21)는 패키지 기판의 와이어 접속부, 예를 들어 리드 프레임의 리드(13; lead) 쪽으로 이동하면서 와이어 루프(10b; wire loop)를 형성한다(도 1d). 계속해서 캐필러리(21)가 하강하면서 와이어(10)를 리드(13)에 열압착한다. 이 때 와이어(10)의 모양은 웨지(wedge) 형태가 되며, 열초음파 방식인 경우 초음파 진동이 부가된다(도 1e).
와이어(10)가 리드(13)에 웨지 본딩(10c)된 후, 캐필러리(21)는 상승하고 클램프(22)는 닫히면서 와이어(10)를 잡게 된다. 따라서, 와이어(10)는 웨지 본딩(10c) 부분에서 끊어지게 된다(도 1f). 다시 와이어(10)의 끝부분에 토치(23; torch)로 불꽃을 가하여 와이어 볼(10a)을 형성한 후(도 1g), 다음 칩 패드(12')에 대한 볼 본딩을 하며(도 1h), 지금까지 설명한 일련의 과정들(도 1b 내지 도 1g)을 반복한다.
와이어 본딩은 각각의 칩 패드(12) 및 리드(13)에 대하여 하나씩 연속적으로 실시되는데, 단 한 개의 와이어(10)라도 불량이 발생되면 반도체 칩 전체의 동작에 영향을 미치기 때문에 와이어의 불량은 치명적이다. 특히, 와이어 볼(10a)의 변형은 대표적인 불량의 한 예이다. 와이어 볼(10a)이 완전히 형성되지 않으면, 칩 패드(12)에 대한 본딩력이 약화될 뿐만 아니라, 칩 패드(12)를 벗어나 본딩됨으로써 다른 칩 패드와의 전기적 단락 등의 불량을 야기할 수 있다.
이와 같은 와이어 볼 변형의 원인은 여러 가지가 있을 수 있으나, 특히 와이어(10)에 묻어있는 습기가 대표적인 요인이다. 즉, 와이어(10)에 습기가 묻어있으면 토치(23)가 불꽃을 가하더라도 와이어(10)가 완전히 용융되지 않기 때문에, 와이어 볼(10a) 형성이 제대로 되지 않는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 와이어의 습기를 제거하여 와이어 볼 변형을 방지하고, 와이어 본딩 공정의 신뢰성을 높이며, 나아가 반도체 칩 패키지 제품의 신뢰도를 높이고자 하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1h는 일반적인 와이어 본딩 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도,
도 2는 본 발명에 따른 발열기구를 구비하는 와이어 본딩 장치를 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발열기구를 나타내는 개략도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 와이어(wire) 10a : 와이어 볼(wire ball)
11 : 반도체 칩(chip) 12 : 칩 패드(chip pad)
13 : 리드(lead) 30 : 와이어 본딩 장치(wire bonder)
31 : 캐필러리(capillary) 32 : 클램프(clamp)
33 : 토치(torch) 34 : 스풀(spool)
35 : 진동자(vibrator) 36 : 히터 블록(heater block)
40 : 발열기구 41 : 금속 원통
42 : 피복층 43 : 관통구멍
44 : 코일 46 : 가스 분사노즐
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하여 제공되는 와이어 본딩 장치는 반도체 칩과 패키지 기판을 와이어로 연결하기 위한 것으로서, 와이어가 감겨져 있는 스풀과, 스풀로부터 공급되는 와이어를 고정하기 위한 클램프와, 클램프 하부에 위치하며 와이어가 통과하는 관통구멍을 포함하는 캐필러리와, 캐필러리를 통과한 와이어의 끝부분에 불꽃을 가하여 와이어 볼을 형성하는 토치를 포함한다.
특히, 본 발명에 따른 와이어 본딩 장치는 발열기구를 더 포함하는데, 스풀과 클램프 사이에 위치하고 와이어가 통과하는 관통구멍이 형성된 금속 원통과, 금속 원통의 바깥면에 감겨 있고 전원부에 연결된 코일을 구비한다. 따라서, 코일에서 발생되는 열이 금속 원통을 통하여 와이어에 전달되어 와이어의 습기를 제거함으로써, 토치로부터 와이어에 불꽃이 가해질 때 와이어 볼이 양호하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 와이어 본딩 장치의 발열기구는 전기 절연성을 갖는 동시에 양호한 열전달 특성을 갖는 피복층이 금속 원통의 바깥면에 형성되는 것이 바람직하며, 금속 원통은 구리 또는 구리 합금 계열의 금속으로, 피복층은 테프론으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 와이어 본딩 장치의 발열기구는 또한 소정의 가스를 와이어에 분사함으로써 와이어의 습기를 제거할 수 있는 가스 분사노즐을 더 포함할 수 있다. 가스 분사노즐에서 분사되는 가스는 질소 가스가 사용될 수 있다.
발열기구는 약 200℃ 내외의 열을 발생시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 와이어 본딩 장치는, 반도체 칩과 패키지 기판을 지지하여 반도체 칩과 패키지 기판에 열을 가하기 위한 히터 블록을 더 포함할 수 있으며, 캐필러리와 체결되어 캐필러리에 초음파 진동을 가하기 위한 진동자를 더 포함할 수 있다. 그리고, 와이어는 금 또는 알루미늄 와이어이며, 패키지 기판은 리드 프레임 또는 배선 기판이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 전반을 통틀어 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발열기구(40)를 구비하는 와이어 본딩 장치(30; wire bonder)를 나타내는 개략도이다. 도 2를 참조하면, 와이어 본딩 장치(30)는 반도체 칩(11)의 칩 패드(12; chip pad)와 리드 프레임(lead frame)의 리드(13; lead)를 와이어(10; wire)로 연결하여 서로 전기적으로 통하도록 하는 장치로서, 특히 와이어(10)의 습기를 제거하여 와이어 볼(10a; wire ball)이 양호하게 형성되도록 하는 발열기구(40)를 포함한다. 와이어(10)는 금(Au) 또는 알루미늄(Al) 와이어가 주로 사용되며, 리드 프레임의 리드(13) 외에도 배선 기판과 같은 패키지 기판이 반도체 칩(11)과 와이어 본딩될 수 있다.
와이어 본딩 장치(30)의 구성을 보면, 와이어(10)가 스풀(34; spool)에 감겨져 있으며, 스풀(34)로부터 공급되는 와이어(10)가 클램프(32; clamp) 사이를 지나 클램프(32) 하부에 위치한 캐필러리(31; capillary)를 통과한다. 클램프(32)는 본딩이 완료된 와이어(10)를 절단하기 위하여 와이어(10)를 집어서 고정하는 수단이다(도 1f 참조). 캐필러리(31)는 와이어(10)가 통과되는 관통구멍(31a)을 포함하며, 캐필러리(31)에 초음파 진동을 가하기 위한 진동자(35; vibrator)가 캐필러리(31)에 체결될 수 있다. 캐필러리(31)의 하부에는 캐필러리(31)를 통과한 와이어(10)의 끝부분에 불꽃을 가하여 와이어 볼(10a)을 형성하기 위한 토치(33; torch)가 있다.
와이어 본딩은 서로 다른 금속 간의 접합이므로 고온이 필요한 공정이다. 따라서, 반도체 칩(11)과 리드(13)를 지지하는 히터 블록(36; heater block)이 반도체 칩(11)과 리드(13)에 열을 가하는 역할도 맡는다. 전술한 진동자(35)는 캐필러리(31)에 초음파 진동을 가하여 와이어 본딩에 도움을 주는 것으로서, 초음파 진동이 가해지면 그만큼 와이어 본딩이 용이해지므로 다소 공정 온도를 낮출 수 있다.
본 발명의 특징부인 발열기구(40)는 스풀(34)과 클램프(32) 사이에 형성되며, 스풀(34)로부터 공급되는 와이어(10)의 습기를 제거하여 캐필러리(31) 쪽으로 제공함으로써 와이어 볼(10a)이 양호하게 형성되도록 한다. 즉, 발열기구(40)에 의하여 와이어(10)의 습기가 제거되기 때문에, 토치(33)로부터 와이어(10)에 불꽃이 가해질 때 와이어 볼(10a)이 양호하게 형성될 수 있다.
도 3에 발열기구(40)의 실시예가 자세히 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 발열기구(40)는 중앙부에 관통구멍(43)이 형성되고 바깥면에 피복층(42)이 형성된 금속 원통(41)을 포함한다. 피복층(42)의 바깥면에는 코일(44)이 감겨져 있으며, 전원부(45)와 연결된 코일(44)로부터 열이 발생된다. 금속 원통(41)은 열 전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금 계열의 금속으로 이루어지며, 피복층(42)은 전기 절연성을 갖는 동시에 양호한 열전달 특성을 갖는 테프론(teflon) 등의 수지가 바람직하다.
관통구멍(43)을 통하여 와이어(10)가 통과할 때, 코일(44)에서 발생되는 열은 피복층(42)과 금속 원통(41)을 통하여 와이어(10)에 전달됨으로써 와이어(10)에 묻어있는 습기가 제거될 수 있다. 이 발열기구(40)는 약 200℃ 내외의 열을 와이어(10)에 가함으로써, 와이어(10)의 습기를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 히터 블록에 의해 칩과 리드에 가해지는 와이어 본딩 온도와 유사한 공정 조건을 만들어 공정 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
발열기구(40)는 또한 소정의 가스를 와이어(10)에 분사함으로써 와이어(10)의 습기를 제거할 수 있는 가스 분사노즐(46)을 더 포함할 수 있다. 가스 분사노즐(46)은 코일(44)이 감긴 금속 원통(41)에서 와이어(10)의 습기를 제거하는 것과 별도로, 가스 분사에 의하여 습기를 증발시킴으로써 와이어 습기 제거를 더 효율적으로 구현할 수 있다. 분사 가스는 질소(N2) 가스 등이 사용될 수 있으며, 가스의 분사 속도는 와이어(10)가 끓어지지 않을 정도이면 무난하다. 가스 분사노즐(46)은 금속 원통(41)의 상하부 어디에든 형성될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 와이어 본딩 장치는 와이어의 습기를 제거할 수 있는 발열기구를 포함하기 때문에 양호한 와이어 볼 형성을 구현할 수 있으며, 따라서 와이어 볼 변형에 따른 와이어 본딩 불량을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 반도체 칩과 패키지 기판을 와이어로 연결하기 위한 와이어 본딩 장치에 있어서,
    상기 와이어 본딩 장치는, 상기 와이어가 감겨져 있는 스풀과, 상기 스풀로부터 공급되는 상기 와이어를 고정하기 위한 클램프와, 상기 클램프 하부에 위치하며 상기 와이어가 통과하는 관통구멍을 포함하는 캐필러리와, 상기 캐필러리를 통과한 상기 와이어의 끝부분에 불꽃을 가하여 와이어 볼을 형성하는 토치를 포함하며,
    상기 스풀과 상기 클램프 사이에 위치하고 상기 와이어가 통과하는 관통구멍이 형성된 금속 원통과, 상기 금속 원통의 바깥면에 감겨 있고 전원부에 연결된 코일을 구비하는 발열기구를 더 포함하며,
    상기 코일에서 발생되는 열이 상기 금속 원통을 통하여 상기 와이어에 전달되어 상기 와이어의 습기를 제거함으로써, 상기 토치로부터 상기 와이어에 불꽃이 가해질 때 와이어 볼이 양호하게 형성되는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 원통의 바깥면에는 전기 절연성을 갖는 동시에 양호한 열전달 특성을 갖는 피복층이 형성되는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 원통은 구리 또는 구리 합금 계열의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 피복층은 테프론으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 발열기구는 가스 분사노즐을 더 포함하며, 상기 가스 분사노즐에서 소정의 가스를 상기 와이어에 분사함으로써 상기 와이어의 습기를 제거하는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가스 분사노즐에서 분사되는 가스는 질소 가스인 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 발열기구는 약 200℃ 내외의 열을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어 본딩 장치는, 상기 반도체 칩과 상기 패키지 기판을 지지하여 상기 반도체 칩과 상기 패키지 기판에 열을 가하기 위한 히터 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 와이어 본딩 장치는, 상기 캐필러리와 체결되어 상기 캐필러리에 초음파 진동을 가하기 위한 진동자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어는 금 또는 알루미늄 와이어인 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 패키지 기판은 리드 프레임 또는 배선 기판인 것을 특징으로 하는 발열기구를 포함하는 와이어 본딩 장치.
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