KR100771893B1 - 와이어 본딩 방법 - Google Patents

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Abstract

와이어 본딩시 가해지는 힘을 감소시켜, 본딩 패드의 손상 및 층간 절연막의 붕괴를 방지할 수 있는 와이어 본딩 방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 와이어 본딩 방법은, 캐필러리로부터 돌출된 와이어 선단에 접착 볼을 형성한다. 다음, 상기 접착 볼의 접착면을 디스크 형태로 변형시킨 다음, 상기 디스크 형태의 접착면을 갖는 접착 볼을 상기 본딩 패드에 본딩시킨다.
와이어 본딩, 접착 볼, 디스크, 저유전, 본딩 패드, 플레이트

Description

와이어 본딩 방법{Method of bonding wires}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 본딩 방법을 수행하기 위한 와이어 본딩 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 와이어 본딩 장치에서 반도체 칩이 위치되는 지지대를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어 본딩방법을 수행하기 위한 xyz 방향으로 이동되는 플레이트 부재를 구비한 와이어 본딩 장치를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 요철을 갖는 플레이트 부재를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 와이어 본딩 방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 와이어 본딩 장치 110 : 스풀 유닛 110a : 스풀
120 : 와이어 120a : 접착 볼 125 : 와이어 가이드
130 : 에어 클램프 140 : 트랜스듀서 150 : 캐필러리
160 : 컷 클램프 170 : 방전 로드 180 : 플레이트 부재
본 발명은 와이어 본딩 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 와이어 본딩시 본딩 패드의 손상을 줄일 수 있는 와이어 본딩 방법에 관한 것이다.
일반적으로 와이어 본딩(wire bonding)이라 함은 반도체 칩의 본딩 패드와 리드 프레임 또는 인쇄 회로 기판과 같은 실장 부재간을 전기적으로 연결하는 것을 일컫는다. 대개, 와이어로는 금(Au) 와이어를 사용하고 있으며, 초음파 진동을 이용한 초음파 열압착 방식(ultrasonic thermocompression type)으로 와이어 본딩을 행하고 있다.
상기 초음파 열압착 방식에 의한 와이어 본딩 방법은, 먼저 캐필러리(capillary)를 관통하는 와이어 선단에 접착 볼을 형성한다. 그 후, 접착 볼이 본딩 패드 상에 위치하도록 캐필러리를 이동시킨 다음, 상기 캐필러리에 소정의 힘(force)과 초음파 진동(혹은 파워) 및 열을 가하여 상기 와이어의 접착 볼을 상기 반도체 칩의 본딩 패드에 초음파 열압착시킨다. 그 후, 캐필러리를 실장 부재의 전극 상부로 이동시킨 다음, 상기 와이어와 실장 부재간을 재차 초음파 열압착시킨다. 다음, 캐필러리에 소정의 장력을 가하여 와이어를 절단한다.
그런데, 종래의 반도체 칩은 처리 속도를 개선하고자 기생 캐패시턴스를 감소시키기 위한 노력이 계속되고 있다. 그 일환으로, 반도체 칩 내의 금속 배선간을 절연시키며, 본딩 패드를 지지하는 층간 절연막을 저유전 물질로 사용하고 있다. 그런데, 상기 저유전 물질은 종래의 층간 절연막 물질인 실리콘 산화막(SiO2)에 비해 기계적 강도가 취약하여, 상기 본딩 패드와 상기 접착 볼을 부착시키는 공정시, 가해지는 힘(압력)에 의해 상기 층간 절연막이 붕괴되는 일이 빈번히 발생되었다. 이로 인해, 본딩 패드 역시 형태를 유지하기 어려울 뿐만 아니라, 상기 본딩 패드에도 균열등 손상이 발생된다.
또한, 반도체 칩의 처리 속도를 보다 개선하기 위하여 종래에는 금 와이어 대신 금속 전도도가 우수한 구리(Cu)를 와이어 재료로 사용하고 있다. 그런데, 상기 구리는 상기 금에 비해 경도가 매우 커서, 구리 와이어를 이용하여 와이어 본딩을 진행하게 되면, 상기 금 와이어에 비해 가해지는 힘이 더욱 증폭되어, 본딩 패드의 균열등의 손상을 더욱 가중시킨다.
이에 따라, 와이어 본딩시 가해지는 힘을 감소시켜 반도체 칩의 본딩 패드의 손상 및 층간 절연막의 붕괴를 방지할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 본딩 패드의 손상 및 층간 절연막의 붕괴를 방지할 수 있는 와이어 본딩 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 와이어 본딩시 가해지는 힘을 감소시켜, 본딩 패드의 손상 및 층간 절연막의 붕괴를 방지할 수 있는 와이어 본딩 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 와이어 본딩 방법은, 캐필러리로부터 돌출된 와이어 선단에 접착 볼을 형성한다. 다음, 상기 접착 볼의 접착면을 디스크 형태로 변형시킨 다음, 상기 디스크 형태의 접착면을 갖는 접착 볼을 상기 본딩 패드에 본딩시킨다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어 본딩 방법은, 캐필러리로부터 돌출된 와이어 선단에 접착 볼을 형성한 다음, 상기 접착 볼의 접착면을 납작한 디스크 형태로 변형시킨다. 그 후에, 상기 변형된 접착 볼을 상기 본딩 패드에 초음파 열압착시키고, 상기 캐필러리를 상방으로 들어올려 실장 부재의 전극으로 위치 이동시킨다. 이어서, 상기 캐필러리의 와이어를 상기 실장 부재의 전극과 초음파 열압착시키고, 상기 캐필러리를 들어올려 상기 와이어를 절단한다.
상기 접착 볼을 형성하는 단계는, 상기 와이어에 소정 전위를 인가한 상태에서 방전 로드를 콘택시켜 와이어 선단에 스파크 방전을 일으킨다.
상기 접착 볼의 접착면을 변형시키는 단계는, 상기 캐필러리를 절연성 플레이트 부재 상부로 이동시키는 단계와, 상기 캐필러리를 플레이트 부재 위로 가압하는 단계를 포함한다.
상기 접착 볼의 접착면을 변형시키는 단계는, 절연성 플레이트 부재를 상기 캐필러리 하부로 위치시키는 단계와, 상기 캐필러리를 상기 플레이트 부재위로 가압하는 단계를 포함한다.
상기 변형된 접착 볼을 상기 본딩 패드에 초음파 열압착시키는 단계는, 상기 반도체 칩의 온도를 약 120 내지 250℃ 정도로 유지한 상태에서, 80 내지 150mA의 파워, 15 내지 30g의 힘 및 60,000Hz 내지 100,000Hz의 초음파 진동을 가하여 진행한다.
또한, 본 발명의 와이어 본딩 방법을 수행하는 와이어 본딩 장치는, 와이어를 자유롭게 이동 지지하는 캐필러리, 상기 캐필러리의 상측에 위치하며 상기 캐필러리내의 와이어에 소정의 전위를 인가함과 동시에 와이어에 장력을 인가하여 절단하는 기능을 갖는 컷 클램퍼, 및 상기 캐필러리 선단으로 돌출된 와이어에 방전 전압을 제공하여 접착 볼을 형성시키는 방전 로드를 포함한다. 캐필러리 상측에는 상기 캐필러리를 지지하며 초음파를 제공하는 트랜스듀서가 설치되고, 캐필러리 하부에는 실장 부재 및 반도체 칩이 위치하는 지지대가 설치되며, 상기 와이어 본딩 장치 내에는 와이어의 선단부를 변형시키는 플레이트 부재가 더 설치되어 있다.
상기 플레이트 부재는 절연성을 갖는다. 이러한 플레이트 부재는 상기 지지대의 소정 부분에 위치하거나, 상기 캐필러리를 따라 xyz 방향으로 이동할 수 있다. 또한, 상기 플레이트 부재는 그 표면에 요철을 가질 수 있으며, 상기 요철은 1 내지 20㎛의 높이를 가질 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상 의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
본 발명은 와이어를 본딩 패드에 부착시키기 전에, 와이어 선단의 접착 볼의 접착면을 디스크 형태로 변형시킨 후 변형된 접착 볼을 본딩 패드에 부착시키는 방법을 제공할 것이다. 이에 의해 접착 볼의 접착 면적을 증대시킨 상태에서 접착 볼과 본딩 패드를 부착시키므로, 접착 볼과 본딩 패드 사이 최소한의 힘을 가하여 와이어 본딩을 달성할 수 있을 것이다. 그러므로, 기계적 강도가 약한 저유전 물질을 층간 절연막으로 사용하거나, 구리 와이어를 사용하여도 본딩 패드의 손상 및 층간 절연막의 붕괴를 방지할 수 있을 것이다.
이와 같은 와이어 본딩 방법을 수행하기 위한 장치 및 이에 의한 와이어 본딩 방법을 첨부한 도면을 통해 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 와이어 본딩방법을 수행하기 위한 와이어 본딩 장치를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 와이어 본딩 장치(100)는 스풀 유닛(spool unit:110), 와이어 가이드(125), 에어 클램프(130), 캐필러리(150), 컷 클램프(160), 방전 로드(170) 및 플레이트 부재(180)를 포함한다.
상기 스풀 유닛(110)에는 와이어(120)가 감겨진 스풀(110a)이 장착되어 있다. 이때, 와이어(120)는 전기 전도도가 우수한 구리 와이어거나, 금 와이어일 수 있다. 와이어(120)는 와이어 가이드(125) 및 에어 클램프(130)를 관통하여, 상기 캐필러리(150)의 홀(도시되지 않음)에 끼워진다. 이때, 상기 에어 클램프(130)는 와이어(120)를 후면, 예컨대 스풀(110a) 방향으로 잡아당기는 역할을 한다. 상기 캐필러리(150)는 트랜스듀서(transducer:140)에 의해 지지되며, 상기 캐필러리(150)는 다수의 본딩 패드와 실장 부재의 다수의 전극간을 연속적으로 와이어 본딩시키기 위하여 xyz 방향으로 이동이 가능하도록 설계되어 있다.
한편, 상기 캐필러리(150)의 양측벽에는 트랜스듀서(140)가 설치되어, 캐필러리(150)를 지지하면서, 상기 캐필러리(150)의 선단을 접속 대상(본딩 패드 또는 실장 부재의 전극)쪽으로 압박시키고, 상기 캐필러리(150)에 초음파 진동을 준다.
상기 컷 클램퍼(160)는 캐필러리(150)와 에어 클램프(130) 사이에 배치되고, 상기 방전 로드(170)는 캐필러리(150)의 선단 부근에 배치된다. 상기 컷 클램프(160)는 와이어(120)의 양측에 설치되는 한 쌍의 협지 전극(160a,160b)을 포함하고, 상기 협지 전극(160a,160b)은 상기 와이어(120)를 협지함과 동시에 상기 와이어(120)에 소정 전위를 부여한다. 또한, 상기 컷 클램프(160)는 상기 와이어(120)를 포함하는 캐필러리(150)에 장력을 부가하여 와이어를 절단시키는 역할을 한다. 한편, 방전 로드(160) 역시 소정의 전위 즉, 방전 전압을 공급받고 있으며, 상기 캐필러리(150)를 관통한 와이어(120)의 선단과 콘택하여, 와이어(120) 선단에 접착 볼(120a)을 형성시키는 역할을 한다. 이때, 방전 로드(170)는 상기 캐필러리(150)의 움직임을 따라 이동된다.
여기서, 상기 와이어(120) 선단에 형성되는 접착 볼(도 5a의 120a)은 상기 컷 클램프(160)로부터 소정 전위를 부여받고 있는 와이어(120)가 상기 방전 로 드(170)와 콘택되었을 때 순간적인 스파크 방전이 발생됨에 의해 얻어진다. 즉, 와이어(120)의 선단이 상기 스파크 방전에 의해 순간 녹았다 냉각되는 과정에 의해 접착 볼(120a)이 형성된다.
상기 플레이트 부재(180)는 상기 접착 볼(120a)을 본딩 패드에 부착시키기 전에 상기 접착 볼(120a)을 디스크(disk) 형태로 납작하게 만드는 역할을 한다. 이러한 플레이트 부재(180)는 접착 볼(120a)과는 접착은 이뤄지지 않으면서 단지 형태만 변형시킬 수 있도록 절연 물질로 형성됨이 바람직하다.
이러한 플레이트 부재(180a)는 도 2에 도시된 바와 같이, 실장 부재(200)가 안착되는 지지대(210)의 소정 부분, 예컨대, 지지대(210)의 가장자리 부근에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 실장 부재(200)는 예컨대 리드 프레임일 수 있고, 미설명 도면 부호 200a는 리드 프레임의 이너 리드를 나타내고, 250은 반도체 칩을 나타내고, 250a는 본딩 패드를 나타낸다.
또한, 플레이트 부재(180b)는 도 3에 도시된 바와 같이, 방전 로드(170) 및 캐필러리(150)와 마찬가지로 xyz 방향으로 움직일 수 있다.
아울러, 상기 플레이트 부재(180)는 접착 면적을 보다 더 넓혀 접착 특성을 개선할 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 그 표면에 1 내지 20㎛ 정도의 요철부(180c)를 포함할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 와이어 본딩 장치에 의한 와이어 본딩 방법에 대해 첨부 도면 도 5a 내지 도 5g를 참조하여 설명하도록 한다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 캐필러리(150)를 관통하여 돌출된 와이어(120)의 선단에 방전 로드(170)를 접촉시켜, 와이어 선단(120)에 접착 볼(120a)을 형성한다. 접착 볼(120a)은 상술한 바와 같이 소정의 전위가 가해지고 있는 와이어(120)의 선단에 방전 로드(170)를 콘택시켜 형성된다.
그 다음, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 접착 볼(120a)을 상기 플레이트 부재(180) 상에 얹는다. 다음, 캐필러리(150)를 상기 플레이트 부재(180)를 향하여 가압하여, 구 형태의 접착 볼(120a)을 디스크 형태로 변형시킨다. 도면 부호 120b는 디스크 형태로 변형된 접착 볼을 지시한다.
이때, 플레이트 부재(180a)가 도 2에서와 같이 지지대(210) 상에 위치하는 경우, 상기 캐필러리(150)를 상기 플레이트 부재(180a) 상에 위치하도록 이동시킨 후 가압하여 접착 볼(120a)을 변형시킨다.
또한, 플레이트 부재(180b)가 도 3에서와 같이 xyz 방향으로 이동이 가능한 경우, 상기 플레이트 부재(180b)를 캐필러리(150) 하부에 위치하도록 이동시킨 후, 상기 캐필러리(150)를 가압하여 상기 접착 볼(120a)을 변형시킨다. 경우에 따라, 상기 캐필러리(150)를 z방향으로 상승시켜서 접착 볼(120a)을 변형시킬 수도 있다.
또한, 상기 플레이트 부재(180)의 표면에 도 4와 표면 요철(180c)을 가질 경우, 상기 접착 볼(120a)의 접착면은 전체적으로는 디스크 형태를 갖되 그 표면에 요철을 발생시킬 수도 있다.
도 5c를 참조하여, 디스크 형태로 변형된 접착 볼(120b)이 반도체 칩(250)의 본딩 패드(250a, 도 2 참조)와 대응되도록 캐필러리(150)를 이동시킨다.
그 다음, 도 5d에 도시된 바와 같이, 캐필러리(150)를 가압하여, 디스크 형태의 접착 볼(120b)을 상기 본딩 패드(250a)상에 부착시킨다. 이때, 상기 접착 볼(120b)의 접착면은 최대 면적이 되도록 디스크 형태로 변형되었으므로, 종래와 같이 큰 힘을 부여하지 않고 본딩에 필요한 최소한의 힘만 부여하고도 접착 볼(120b)과 본딩 패드(250a)를 접착시킬 수 있다. 본 실시예의 본딩 공정은 접착 볼(120b)과 본딩 패드(250a) 사이에 금속 확산을 유도하여 본딩 효율을 개선시키면서 본딩 패드(250a) 표면에 잔류할 수 있는 자연 산화막(도시되지 않음)을 제거할 수 있도록 60,000Hz 내지 100,000Hz의 초음파 진동을 가한 상태에서, 반도체 칩(250)의 온도를 약 120 내지 250℃ 정도로 유지하고, 80 내지 150mA의 파워(power) 및 15 내지 30g의 힘(force)을 가한 상태로 초음파 열압착된다. 상기 온도는 지지대(210) 하부 또는 지지대(210)에 내장된 히터(도시되지 않음)에 의해 조절된다.
그 다음, 도 5e를 참조하면, 상기 에어 클램퍼(130)에 의해 캐필러리(150)를 들어 올린 다음, 상기 캐필러리(150)를 다른 한편의 접속 부재인 이너 리드(200a)에 위치시킨다.
도 5f에 도시된 바와 같이, 캐필러리(150)의 선단측의 와이어(120)를 압착시킨 다음, 트랜스듀서(140)를 이용하여 초음파 진동을 가하여 상기 와이어(120)를 이너 리드(200a)에 초음파 열압착시킨다. 이에 의해 와이어가 루핑(looping)되어 접속된다.
이어서, 도 5g에 도시된 바와 같이, 상기 컷 클램퍼(160)에 의해 상기 캐필 러리(150)를 상방으로 들어올려 와이어(120)를 절단한다. 그 후, 다시 도 5a와 같이 볼을 형성하는 공정으로 피드백하여, 연속적으로 와이어 본딩 공정을 실시한다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 와이어를 본딩 패드에 부착시키기 전에, 와이어 선단의 접착 볼을 접착면을 납작한 디스크 형태로 변형시킨다. 그 후, 디스크 형태로 변형된 접착 볼을 반도체 칩의 본딩 패드 상에 본딩시킴으로써, 접합 효율은 개선시키면서 본딩시 가해지는 힘을 줄일 수 있다.
이와 같이 본딩시 본딩 패드에 가해지는 힘을 감소시킬 수 있음에 따라, 저유전 물질을 층간 절연막으로 사용하거나, 경도가 큰 구리를 와이어로 사용하여도 본딩 패드가 파손되거나 층간 절연막의 붕괴되는 문제점을 감소시킬 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (10)

  1. 와이어에 의해 반도체 칩의 본딩 패드와 실장 부재간을 연결시키는 와이어 본딩 방법으로서,
    캐필러리로부터 돌출된 와이어 선단에 접착 볼을 형성하는 단계;
    플레이트 부재를 이용하여 상기 접착 볼의 접착면을 납작한 디스크 형태로 변형시키는 단계; 및
    상기 디스크 형태의 접착면을 갖는 접착 볼을 상기 본딩 패드에 본딩시키는 단계를 포함하는 와이어 본딩 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 볼을 형성하는 단계는,
    상기 와이어에 전위를 인가한 상태에서 방전 로드를 콘택시켜 와이어 선단에 스파크 방전을 일으키는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 볼의 접착면을 변형시키는 단계는,
    상기 캐필러리를 상기 플레이트 부재 상부로 이동시키는 단계; 및
    상기 캐필러리를 상기 플레이트 부재 위로 가압하는 단계를 포함하는 와이어 본딩 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 볼의 접착면을 변형시키는 단계는,
    상기 플레이트 부재를 상기 캐필러리 하부로 이동시키는 단계; 및
    상기 캐필러리를 상기 플레이트 부재위로 가압하는 단계를 포함하는 와이어 본딩 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 변형된 접착 볼을 상기 본딩 패드에 본딩시키는 단계는,
    상기 반도체 칩의 온도를 약 120 내지 250℃ 정도로 유지한 상태에서, 80 내지 150mA의 파워(power)와, 15 내지 30g의 힘(force)을 가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 접착 볼을 본딩시키는 단계는,
    60,000Hz 내지 100,000Hz의 초음파 진동을 가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 변형된 접착 볼을 상기 본딩 패드 상에 본딩시키는 단계 이후에,
    상기 캐필러리를 상방으로 들어올려 상기 실장 부재의 전극으로 위치 이동시키는 단계;
    상기 캐필러리의 와이어를 상기 실장 부재의 전극과 초음파 열 압착시키는 단계; 및
    상기 캐필러리를 들어올려 상기 와이어를 절단하는 단계를 포함하는 와이어 본딩 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 와이어를 절단하는 단계 이후에, 상기 와이어 선단에 접착 볼을 형성하는 단계 내지 상기 실장 부재에 상기 와이어를 초음파 열압착 시키는 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트 부재는 절연성을 갖는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트 부재는 상기 캐필러리를 따라 xyz 방향으로 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
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