KR101236795B1 - 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템 - Google Patents

반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 패키지 제조용 와어어 본더의 바값 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 와이어 본딩된 볼의 높이 및 넓이를 측정하는 바 테스트(bar test)를 초정밀 광학 스코프를 이용하던 종래 방법과 달리, 와이어 본더내에서 실시간으로 측정되도록 함으로써, 보다 정밀한 바값을 도출하여 정확한 바 테스트가 이루어질 수 있도록 한 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 반도체 칩의 본딩패드에 본딩된 와이어의 볼 부위를 영상이미지로 인식하여 볼 넓이를 검출하는 볼 넓이 검출부와; 볼 본딩시 캐필러리의 저면과 와이어의 볼 바닥면간의 높이를 측정하는 볼 높이 검출부와; 상기 볼 넓이 검출부에서 측정된 볼 넓이 검출신호와 상기 볼 높이 검출부에서 측정된 볼 높이 검출신호를 수신하여 와이어의 볼 넓이 및 높이를 산출하는 연산부; 를 반도체 칩의 본딩패드와 기판간을 도전성 와이어로 연결하는 와이어 본더 장비에 한 시스템으로 구성하여서, 와이어 본딩과 동시에 바테스트가 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템을 제공한다.

Description

반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템{Wire bonder having device for calculation bar value}
본 발명은 반도체 패키지 제조용 와어어 본더의 바값 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 와이어 본딩된 볼의 높이 및 넓이를 측정하는 바 테스트(bar test)를 초정밀 광학 스코프를 이용하던 종래 방법과 달리, 와이어 본더내에서 실시간으로 측정되도록 함으로써, 보다 정밀한 바값을 도출하여 정확한 바 테스트가 이루어질 수 있도록 한 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 반도체 패키지는 기판(인쇄회로기판, 회로필름, 리드프레임 등)의 칩 부착영역에 반도체 칩을 실장하는 칩 부착공정과, 상기 반도체 칩의 본딩패드와 기판의 와이어 본딩 영역을 와이어로 연결하는 와이어 본딩 공정과, 반도체 칩과 와이어 등을 외부로부터 보호하기 위하여 실시하는 몰딩 공정 등을 거쳐서 제조된다.
상기 와이어 본딩 공정을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
와이어 본딩 공정은 와이어 본더 머신이라는 장비내에서 이루어지되, 와이어 본더의 와이어 피딩부로부터 와이어가 인출되는 단계와, 와이어 본더의 디버팅 로드 및 에어가이드에서 와이어의 피딩방향을 캐필러리쪽으로 전환해주는 단계와, 텐셔너에서 와이어의 장력이 조절되면서 와이어의 최종 공급 경로가 되는 캐필러리를 통하여 와이어가 인출되는 단계와, 캐필러리 하단으로 인출된 와이어에 전류를 방전하여 볼 형상으로 만들어주는 단계와, 볼 형상으로 된 와이어가 반도체 칩의 본딩패드에 본딩되는 1차 본딩(볼 본딩이라고도 함)되는 단계와, 연속해서 캐필러리가 와이어를 루프 형상으로 형성하면서 기판의 와이어 본딩영역으로 이동하여 본딩하는 2차 본딩(스티치 본딩이라고도 함)을 실시하는 단계로 진행된다.
이렇게 반도체 패키지를 제조하기 위한 와이어 본딩을 실시한 후, 와이어 본딩 상태에 대한 일종의 품질 검사 및 테스트로서, 볼 본딩된 부위에 대한 전단응력을 측정하는 볼 전단 테스트(Ball Shear Test), 와이어를 당겼을 때 와이어가 단락되기 직전에 갖는 강도인 본딩력을 시험하는 와이어 풀 테스트(Wire Pull Test), 바 테스트(BAR Test) 등을 실시하게 된다.
특히, 상기 바 테스트는 와이어 본딩 품질 판단을 위하여 반드시 검사 및 테스트되어야 하는 검사(Inspection) 항목으로서, 반도체 칩의 본딩패드에 1차 본딩된 볼의 넓이 및 높이를 측정하는 검사를 의미하며, 이렇게 1차 본딩된 볼의 넓이(size) 및 높이(height)는 와이어 본딩 품질(Bonding Quality)을 판단함에 있어 중요한 요소중 하나이다.
종래의 바 테스트는 와이어 본딩된 자재 즉, 와이어 본딩 공정이 종료된 반도체 패키지를 와이어 본더 머신(Wire Bonder Machine)에서 꺼내어 초정밀 광학 스코프(Scope)에 탑재한 후, 도 6에서 보듯이 작업자가 직접 초정밀 광학 스코프(50)의 촛점을 조절하면서 반도체 칩의 본딩패드에 1차 본딩된 볼(Ball)의 바값 즉, 1차 본딩된 볼의 높이와 넓이(본딩패드에 대한 접착면적)를 구하는 방법으로 진행되어 왔다.
상기 볼의 높이(hight)를 구하는 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 초정밀 광학 스코프로 반도체 칩의 본딩패드(12)의 표면(A)에 포커스(Focus)를 일치시킨 후, 초정밀 광학 스코프내에 새겨진 눈금을 1차로 읽는 과정과; 볼 높이가 되는 볼의 볼(16) 본딩된 부위면(B)에 포커스를 일치시킨 다음, 초정밀 광학 스코프내에 새겨진 눈금을 2차로 읽는 과정과; 1차로 읽은 눈금과 2차로 읽은 눈금간의 차이를 구하는 과정으로 진행되며, 결국 1차로 읽은 눈금과 2차로 읽은 눈금간의 차이가 볼 높이(hight)가 된다.
상기 볼의 넓이를 구하는 방법은 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 칩의 본딩패드 넓이를 좌표 기준(0.0)으로 삼은 후, X축 및 Y축 방향의 볼 시작점 좌표값(X1,Y1)과 종료점 좌표값(X4,Y4)를 구한 다음, X축 방향의 좌표값인 X4에서 X1을 차감(X4-X1)하여 X축 방향의 볼 넓이(Ball size(X))를 구하게 되고, Y축 방향의 좌표값인 Y4에서 Y1을 차감(Y4-Y1)하여 Y축 방향의 볼 넓이(Ball size(Y))를 구하게 된다.
이렇게 작업자가 초정밀 광학 스코프로 이용하여 직접 실시간으로 측정한 볼 높이 및 넓이를 기준으로 바(Bar)값을 구하게 되며, 이 바값은 아래와 같은 수식에 의하여 구해진다.
* 바(Bar)값 = 볼 넓이/ 볼 높이
위의 수식을 이용하여 작업자가 직접 바값을 산출하게 되는 바, 그 기준 스펙은 4~8이며, 바값이 기준 스펙내이면 와이어 본딩 품질을 양호로 판정하고, 반면에 바값이 기준 스펙을 벗어나면 와이어 본딩 품질을 불량으로 판정하게 된다.
그러나, 상기한 기존의 바테스트는 볼의 높이 및 넓이를 작업자가 직접 초정밀 광학 스코프의 포커싱 및 좌표값을 조절하면서 측정하기 때문에 작업자마다 그 측정 결과가 달라 바값의 측정 오차가 발생하는 등 측정 정밀도 및 신뢰도가 떨어지는 단점이 있고, 바테스트를 위한 별도의 작업자 선정 과정 등이 필요하여 작업성이 떨어지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 와이어 본더 장비 자체에 반도체 칩의 본딩패드에 1차 본딩된 와이어의 볼 넓이 및 높이를 측정할 수 있는 수단을 부가하여, 바테스트를 위한 볼 높이 및 넓이가 실시간으로 자동 계산될 수 있도록 함으로써, 보다 정밀한 바테스트를 실시할 수 있도록 한 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 칩의 본딩패드에 본딩된 와이어의 볼 부위를 영상이미지로 인식하여 볼 넓이를 검출하는 볼 넓이 검출부와; 볼 본딩시 캐필러리의 저면과 와이어의 볼 바닥면간의 높이를 측정하는 볼 높이 검출부와; 상기 볼 넓이 검출부에서 측정된 볼 넓이 검출신호와 상기 볼 높이 검출부에서 측정된 볼 높이 검출신호를 수신하여 와이어의 볼 넓이 및 높이를 산출하는 연산부; 를 반도체 칩의 본딩패드와 기판간을 도전성 와이어로 연결하는 와이어 본더 장비에 한 시스템으로 구성하여, 와이어 본딩과 동시에 바테스트가 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 구현예로서, 상기 볼 넓이 검출부는 반도체 칩의 본딩패드에 본딩된 와이어의 볼 넓이를 인식하도록 와이어 본더에 별도로 장착된 광학카메라인 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 볼 넓이 검출부는 와이어 본더에 미리 탑재된 패턴 인식 시스템의 PBI(Post Bonding Inspection) 검출용 카메라로 채택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예로서, 상기 볼 높이 검출부는 캐필러리가 반도체 칩의 본딩패드에 볼 본딩을 완료한 시점에서 캐필러리의 저면과 본딩패드면 사이의 높이인 Z축값을 측정하도록 와이어 본더에 미리 탑재된 Z-엔코더인 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 볼 높이 검출부는 캐필러리가 반도체 칩의 본딩패드에 볼 본딩을 완료한 시점에서 캐필러리의 저면과 본딩패드면 사이의 높이를 측정하도록 와이어 본더에 별도로 장착된 갭센서인 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 와이어 본더 장비내에 볼 넓이 검출부와 볼 높이 검출부를 구비하여, 바테스트를 위한 바값 산출이 실시간으로 자동 진행되도록 함으로써, 보다 정밀한 바테스트 결과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에 별도의 초정밀 광학 스코프를 이용하여 작업자가 직접 계측하던 방식에서 바값 산출 오류가 발생되던 점을 방지하여, 보다 정확한 바값을 얻을 수 있다.
또한, 기존의 초정밀 광학 스코프를 이용하는 방법을 배제함에 따른 작업성 향상 및 비용 절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템 장치의 볼 넓이 검출부에서 촬영된 이미지를 보여주는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템의 볼 높이 검출부의 검출 동작을 설명하는 개략도,
도 4는 기존에 초정밀 광학 스코프를 이용하여 볼 넓이를 구하는 방법을 설명하는 개략도,
도 5는 기존에 초정밀 광학 스코프를 이용하여 볼 높이를 구하는 방법을 설명하는 개략도,
도 6은 기존에 바테스트를 위한 초정밀 광학 스코프를 나타내는 개략도.
도 7은 와이어 본더의 본딩헤드 부분을 보여주는 사진,
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 기존에 작업자가 초정밀 광학 스코프를 이용하여 바테스트의 바값을 직접 산출하던 방식을 배제하고, 와이어 본딩을 위한 장비인 와이어 본더 자체에서 바값을 실시간으로 측정되도록 함으로써, 보다 정밀하고 정확한 바테스트 결과를 얻을 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
반도체 패키지 분야에서 반도체 칩이 외부회로와 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 반도체 칩의 본딩패드와 기판간을 도전성 와이어로 상호 연결시키는 와이어 본딩 공정은 와이어 본더라는 장비에서 이루어진다.
상기 와이어 본더의 구성을 보면, 도 7에서 보는 바와 같이 X,Y 테이블(30)상에 탑재된 본딩헤드(40)를 포함하고 있고, 이 본딩헤드(40)는 반도체 칩과 기판의 본딩위치를 검출하기 위한 위치검출용 광학 옵틱(42)과, 실제 와이어 본딩을 행하는 캐필러리(44)가 함께 조립되어 있다.
따라서, 상기 광학 옵틱(42) 즉, 패턴 인식 시스템용 광학 옵틱(42)에서 기판과 반도체 칩간의 와이어 본딩을 위한 패턴을 좌표값으로 인식하고, 그 인식된 좌표값 신호에 따라 상기 캐필러리가 미리 설정된 X축 및 Y축 좌표값대로 이동하면서 와이어 본딩을 실시하게 된다.
이때, 와이어 본딩은 칩의 본딩패드에 행하는 볼 본딩(1차 본딩이라고도 함)과, 기판의 본딩영역에 행하는 스티치 본딩(2차 본딩이라고도 함)이 연속 구분 동작으로 실시되는 바, 전술한 바와 같이 볼 본딩은 상기 캐필러리의 끝단으로 인출된 와이어에 방전에 의하여 열을 가하여 볼 형태로 만들어주는 동시에 이 볼 형태의 와이어가 칩의 본딩패드에 본딩되고, 스티치 본딩(stitch)은 상기 캐필러리가 기판의 본딩영역으로 이동하는 동시에 기판의 본딩영역에 와이어를 부착시키면서 끊어주는 동작으로 이루어진다.
본 발명에 따르면 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 볼(16) 본딩이 이루어질 때, 와이어 본더(20) 장비내에서 볼(16)의 높이 및 넓이를 실시간으로 측정하여 바값이 자동 산출되도록 한다.
이를 위해, 상기 와이어 본더(20)에 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 본딩된 와이어(18)의 볼(16) 부위를 인식하여 볼(16) 넓이를 검출하는 볼 넓이 검출부(22)와, 볼 본딩시 캐필러리(44)의 저면과 와이어(18)의 볼(16) 바닥면간의 높이를 측정하는 볼 높이 검출부(24)와, 상기 볼 넓이 검출부(22)에서 측정된 볼 넓이 검출신호와 상기 볼 높이 검출부(24)에서 측정된 볼 높이 검출신호를 수신하여 와이어의 볼 넓이 및 높이를 산출하는 연산부(26)와, 이 연산부(26)에서 계산된 바값을 표시하는 표시부(28)를 포함하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템 장치가 구비된다.
상기 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 캐필러리(44)에 의한 1차 본딩 즉, 볼 본딩이 이루어질 때, 와이어(18)의 볼 넓이를 검출하는 볼 넓이 검출부(22)는 와이어 본더(20)에 별도로 장착된 광학카메라이거나, 또는 와이어 본더(20)에 미리 탑재되어 와이어 본딩을 위한 위치를 인식하는 패턴 인식 시스템의 PBI 검출용 카메라로 채택될 수 있다.
상기 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 캐필러리(44)에 의한 1차 본딩 즉, 캐필러리(44)가 볼 본딩을 하는 최대 하강 지점에 도달하였을 때, 다시 말해서 캐필러리(44)가 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 볼 본딩을 완료한 시점에서, 와이어(18)의 볼 높이를 검출하는 볼 높이 검출부(24)는 와이어 본더(20)에 미리 탑재된 Z-엔코더로 채택될 수 있거나, 또는 와이어 본더(20)에 별도로 장착되는 갭센서로 채택될 수 있다.
여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 바값 측정 시스템에 의하여 바값이 자동 산출되는 동작을 설명하면 다음과 같다.
와이어 본더(20)의 X,Y 테이블(30)상에 반도체 칩(10)이 부착된 기판이 안착된 후, 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)와 기판의 와이어 본딩 영역간이 와이어(18)로 연결되는 와이어 본딩 공정이 진행된다.
즉, 상기 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 대한 1차 본딩 즉, 볼 본딩을 위하여 캐필러리(44) 하단으로 인출된 와이어(18) 끝단부에 전류를 방전하는 동시에 방전 전류에 의하여 와이어 끝단이 볼(16) 형상으로 만들어지고, 동시에 캐필러리(44)가 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)로 하강하되, 미리 정해진 스펙대로 캐필러리(44)가 최대 하강 지점에 도달하여 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 1차 본딩(볼 본딩)을 하게 되며, 연속해서 캐필러리(44)가 와이어(18)를 루프 형상으로 형성하면서 기판의 와이어 본딩영역으로 이동하여 2차 본딩(스티치 본딩이라고도 함)을 실시하게 된다.
이때, 상기 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)에 캐필러리(44)에 의한 1차 본딩 즉, 볼 본딩이 이루어질 때, 상기 볼 넓이 검출부(22)인 광학카메라 또는 패턴 인식 시스템의 PBI 검출용 카메라에서 와이어(18)의 볼(16) 부위를 위쪽에서 촬영하게 되며, 그 촬영된 영상 이미지 신호는 연산부(26)에 전송된다.
이에, 상기 연산부(26)에서 볼 넓이 검출신호 즉, 영상 이미지 신호를 수신하여 볼의 직경에 따른 넓이를 자동 계산하게 된다.
한편, 상기 캐필러리(44)가 볼 본딩을 할 때, 캐필러리(44)의 저면(볼 본딩을 하기 위해 캐필러리가 최대 하강 지점에 도달하였을 때의 캐필러리의 저면)과 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)면 사이의 높이인 Z축값을 볼 높이 검출부(24)로서 와이어 본더(20)에 미리 탑재된 Z-엔코더에서 검출하거나, 또는 Z-엔코더가 장착되는 위치에 별도로 장착되는 갭센서에서 캐필러리(44)의 저면과 반도체 칩(10)의 본딩패드(12)간의 높이를 검출하며, 검출된 볼 높이 검출신호도 연산부(26)로 전송된다.
이에, 상기 연산부(26)에서 볼 높이 검출신호를 수신하여, 볼(16)의 넓이와 함께 바값을 자동으로 계산하게 된다.
즉, 상기 연산부(26)에서 볼 넓이 검출부(22)에서 측정된 볼 넓이 검출신호와 볼 높이 검출부(24)에서 측정된 볼 높이 검출신호를 수신하여 와이어의 볼 넓이 및 높이를 아래와 같은 수식에 따라 자동 계산하여, 표시부(28)에 표시하게 된다.
* 바(Bar)값 = 볼 넓이/ 볼 높이
이와 같이, 본 발명에 따르면 바테스트를 위한 바값이 와이어 본더에서 이루어지는 와이어 본딩시 자동 계산되어 표시됨에 따라, 기존에 별도의 초정밀 광학 스코프를 이용하여 작업자가 직접 수동 진행하던 방법을 완전히 배제시킬 있고, 바테스트의 바값에 대한 정확도를 크게 향상시켜 바테스트의 정확성을 높일 수 있다.
10 : 반도체 칩 12 : 본딩패드
16 : 볼 18 : 와이어
20 : 와이어 본더 22 : 볼 넓이 검출부
24 : 볼 높이 검출부 26 : 연산부
28 : 표시부 30 : X,Y 테이블
40 : 본딩헤드 42 : 광학 옵틱
44 : 캐필러리 50 : 초정밀 광학 스코프

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  5. 반도체 칩의 본딩패드에 본딩된 와이어의 볼 부위를 영상이미지로 인식하여 볼 넓이를 검출하도록 와이어 본더에 탑재된 패턴 인식 시스템의 PBI(Post Bonding Inspection) 검출용 카메라로 채택되는 볼 넓이 검출부와;
    와이어 볼 본딩시 캐필러리의 저면과 와이어의 볼 바닥면간의 높이를 측정하는 볼 높이 검출부와;
    상기 볼 넓이 검출부에서 측정된 볼 넓이 검출신호와 상기 볼 높이 검출부에서 측정된 볼 높이 검출신호를 수신하여 와이어의 볼 넓이 및 높이를 산출하는 연산부;
    를 반도체 칩의 본딩패드와 기판간을 도전성 와이어로 연결하는 와이어 본더 장비에 한 시스템으로 구성시켜서, 와이어 본딩과 동시에 바테스트가 이루어질 수 있도록 하고,
    상기 볼 높이 검출부는 캐필러리가 반도체 칩의 본딩패드에 볼 본딩을 완료한 시점에서 캐필러리의 저면과 본딩패드면 사이의 높이를 측정하도록 와이어 본더에 별도로 장착된 갭센서로 채택된 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본더의 바값 측정 시스템.
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