KR19990081015A - 와이어 본딩 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

와이어 본딩 장치는 리드 프레임 상에 실장된 집적회로 칩과 리드를 캐필러로를 사용하여 직접 연결한다. 캐필러리는 수직 구동부에 의하여 상하로 이동하여 와이어 본딩을 수행하고, 하나의 본딩 작업이 끝나면 수평 구동부에 의하여 다른 본딩 작업을 위하여 이동한다. 캐필러리가 상하로 이동할 때 위치 센서는 캐필러리의 위치를 감지하여 본딩 제어부로 전달하고, 본딩 제어부는 캐필러리가 본딩면으로 하강할 때 위치 센서를 통하여 캐필러리의 위치의 변화량을 측정한다. 이 때, 캐필러리가 본딩면에 도달하면 위치 변화량이 급속하게 감소하기 때문에, 본딩 제어부는 캐필러리의 위치 변화량이 특정 기준값보다 작아지면 캐필러리가 본딩면에 접촉된 것으로 인식하여 캐필러리의 하강을 종료시키고, 와이어 본딩 작업을 수행한다. 이와 같이, 와이어 본딩 공정에서 별도의 하드웨어 장치를 사용하지 않고 위치 센서만을 사용하여 본딩면을 인식하기 때문에, 제작비용이 감소하고 구조 또한 간단해진다.

Description

와이어 본딩 장치 및 그 제어 방법

이 발명은 와이어(wire) 본딩(bonding)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 위치 센서만을 사용하여 와이어 본딩면을 인식하는 와이어 본딩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제조 공정 특히 조립 공정 중에서 와이어 본딩 공정은 집적회로 칩(IC:Integrated Circuit chip)과 외부로 끌어내는 리드(lead)를 와이어로 연결하는 공정으로, 이러한 와이어 본딩을 수행하는 장치를 와이어 본더(bonder)라고 한다.

첨부한 도 1은 일반적인 반도체 패키지(package)의 기본 구조를 도시한 도면으로, 도 1에 도시되어 있듯이 집적회로 칩(1)의 패드(3, 3')와 리드(5, 5')의 내부 단자를 와이어(7, 7')로 연결하는 공정이 와이어 본딩 공정이고, 에폭시 몰딩 화합물(EMC:Epoxy Molding Compounds)(9)은 와이어 본딩 공정의 후 공정인 몰드(mold) 공정에서 성형 봉함되어 집적회로 칩(1)을 보호한다.

이러한 와이어 본딩 공정에서 사용되는 와이어로는 고순도(99.99%이상)의 아주 가는 금선(25μ ∼ 30μ)을 사용한다.

와이어 본딩의 수법으로서 열압착법, 초음파법, 그리고 열압착법과 초음파법을 혼용한 방법 등이 있는데, 첨부한 도 2는 열압착 본딩의 과정을 도시한 도면이다.

도 2에 도시되어 있듯이, 와이어 본더에서 집적회로 칩(1)과 리드(5)를 와이어(7)로 직접 연결하는 것은 캐필러리(capillary)(11)이고, 캐필러리(11)를 통하여 공급되는 와이어(7)는 전기 토치(torch)에 의해 가열되어 캐필러리(13) 끝단에서 와이어 볼(ball)을 형성한다. 와이어(7)의 끝단에 와이어 볼이 형성되면 캐필러리(13)가 집적회로 칩(1)을 향하여 하강한다(S1).

캐필러리(13)는 집적회로 칩(1)에 와이어(7) 끝단에 형성된 와이어 볼을 접촉시켜 첫 번째 본딩을 수행하고, 이 첫 번째 본딩에 의해 와이어(7)가 집적회로 칩(1)에 연결된다(S2).

와이어(7)를 집적회로 칩(1)에 연결시킨 캐필러리(13)는 상승 이동하였다가(S3) 리드(5)를 향해 다시 하강한 후(S4), 와이어(7)를 리드(5) 상에 접촉시켜 두 번째 본딩을 수행한다(S5). 두 번째 본딩에 의해 와이어(7)가 리드(5)에 연결되고, 결국 집적회로 칩(1)과 리드(5)가 와이어(7)에 의해 연결된다.

다음에, 캐필러리(13)는 와이어(7)를 끊고 다시 상승한 후(S6), 다른 와이어 본딩을 위해 전기 토치(13)로 와이어(7)의 끝단에 와이어 볼을 형성시킨다(S7).

이와 같이 함으로서 집적회로 칩(1)과 리드(5)와의 와이어(7) 본딩이 끝나는데, 이 때 집적회로 칩(1)과 리드(5)의 본딩할 면을 정확하게 인식하는 것이 매우 중요하다.

이러한 본딩면 인식 작업은 와이어(7) 당 2회(집적회로 칩 본딩과 리드 본딩시)씩 발생되므로 전체적인 본딩시간에 영향을 미치며 빠르며 정확하게 본딩면을 인식하도록 하는 작업은 반도체 제조시 생산성 향상에 직접적인 요인이 된다.

또한, 캐필러리(13)를 본딩면에 접촉시킬 때 본딩면이 손상되지 않도록 하는 것도 중요하다.

종래 와이어 본딩을 수행하는 장치들은 보통 본딩할 면을 찾아내는 데에 위치 센서 및 각종 센서 등을 사용하여 찾아내고 있다.

예를 들면, 캐필러리(13)가 본딩면을 향해 하강하는 동안 캐필러리(13)를 구동하기 위해 인가되는 전류량의 변화를 측정하고, 전류량의 변화가 급격하게 변화할 때 캐필러리(13)가 본딩면에 접촉한 것으로 하여 본딩면을 인식하는 방법이 있다.

이러한 방법을 사용할 경우 캐필러리(13)의 위치를 측정하는 위치 센서 이외에 전류량을 측정하는 센서 등 다수의 하드웨어 장치가 필요하게 된다.

결국, 종래의 와이어 본딩을 수행하는 장치들은 위치 센서 이외에 별도의 하드웨어 장치들을 사용하여 본딩면을 인식함으로서 추가 비용이 발생하고 장치의 구성 또한 복잡하다.

따라서, 이 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 와이어 본딩 공정에서 별도의 하드웨어 장치를 사용하지 않고 위치 센서만을 사용하여 본딩면을 인식하는 와이어 본딩 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 반도체 패키지의 기본 구조를 도시한 도면이고,

도 2는 도 1의 반도체 패키지에서 열압착 본딩의 과정을 도시한 도면이고,

도 3은 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 블록도이고,

도 4는 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 본딩 헤드부(50)의 블록도이고,

도 5는 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 제어 방법의 순서도이고,

도 6은 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 제어 방법에서 와이어 본딩 과정을 도시한 도면이고,

도 7은 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 제어 방법에서 본딩면 인식 과정을 도시한 도면이고,

도 8은 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 제어 장치에서 캐필러리의 상하 이동 구간을 도시한 도면이고,

도 9는 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 제어 장치에서 위치 변화량의 샘플링 구간을 도시한 도면이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 집적회로 칩과 리드를 와이어로 직접 연결하는 캐필러리를 포함한다. 캐필러리는 집적회로 칩과 리드를 와이어로 본딩하기 위하여 상하로 이동하는데, 이러한 캐필러리의 구동은 수직 구동부에 의하여 수행되고, 캐필러리 이동 위치는 위치 센서에 의하여 감지된다.

한편, 본딩 제어부는 수직 구동부를 제어하여 캐필러리를 상하로 이동시키고, 캐필러리가 집적회로 칩과 리드의 본딩면을 향하여 하강할 때, 위치 센서로부터 감지된 캐필러리의 위치의 변화량을 측정하고, 측정된 위치 변화량이 특정값보다 작을 때 캐필러리가 본딩면에 도달한 것으로 인식하여 와이어 본딩 작업을 수행시킨다.

여기에서, 본딩 제어부는 본딩면으로부터 일정 거리 떨어진 위치에서부터 캐필러리를 등속도로 하강시키면서, 일정 시간 간격으로 캐필러리의 위치 변화량을 측정한다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 3은 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 블록도이다.

도 3에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치는 다수의 집적회로 칩이 실장되어 있는 리드 프레임(lead frame)이 준비되고, 와이어 본딩 작업시 하나의 리드 프레임을 공급하는 로더(loder)(20)와; 와이어 본딩 작업을 하는 작업대(도시되지 않음)를 포함하고, 로더(20)로부터 공급되는 리드 프레임을 작업대로 이송하는 인덱서(30)와; 인덱서(30)에서 작업이 완료된 리드 프레임을 전달받아서 보관하는 언로더(unloder)(40)와; 인덱서(30)에 위치한 리드 프레임의 집적회로 칩과 리드를 와이어로 연결하는 본딩 헤드(head)부(50)와; 인덱서(30)에 연결되어 본딩 헤드부(50)를 수평으로 이동시키는 수평 구동부(60)와; 와이어 본딩 작업 전체를 제어하는 본딩 제어부(70)를 포함한다.

도 4는 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 본딩 헤드부(50)의 블록도이다.

도 4에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 본딩 헤드부(50)는 집적회로 칩과 리드를 직접 연결하는 캐필러리(51)와, 캐필러리(51)에 와이어를 공급하는 와이어 공급부(53)와; 캐필러리(51)에 공급된 와이어의 끝단을 가열하여 와이어 볼을 형성시켜 주는 전기 토치(55)와; 캐필러리(51)를 상하로 구동하는 수직 구동부(57)와; 캐필러리(51)의 상하 위치를 감지하는 위치 센서(59)를 포함한다.

여기에서, 본딩 헤드부(50)의 각 부문의 제어는 본딩 제어부(70)가 수행한다.

첨부한 도 5, 도 6 그리고 도 7을 참조하여, 이 발명의 실시예에 따른 와이어 본딩 장치의 작용에 대하여 설명한다.

먼저, 다수의 집적회로 칩과 리드가 실장되어 있는 리드 프레임이 다수 로더(20)에 준비되어 있다.

본딩 제어부(70)는 로더(20)를 제어하여 준비되어 있는 리드 프레임 중 하나의 리드 프레임을 인덱서(30)로 공급한다. 인덱서(30)에는 와이어 본딩 작업을 위한 작업대가 설치되어 있고, 로더(20)로부터 공급된 리드 프레임이 작업대로 이송되어 작업 위치에 놓여진다(S11).

다음에, 본딩 제어부(70)는 수평 구동부(60)를 제어하여 작업대에 놓여 있는 리드 프레임의 위쪽에 본딩 헤드부(50)가 위치하도록 한다(S12). 이 때, 본딩 헤드부(50)의 캐필러리(51)가 리드 프레임의 작업 위치에 위치하게 된다.

와이어 본딩 작업은 먼저 집적회로 칩이 본딩되고, 다음에 리드가 본딩되는 것을 반복함으로서 하나의 리드 프레임에 대한 와이어 본딩 작업이 완료된다.

캐필러리(51)가 작업 위치에 위치하게 되면 전기 토치(55)는 첫 번째 본딩을 위해 캐필러리(51)의 아랫쪽 끝단에 있는 와이어를 가열하여 와이어 볼을 형성시킨다(S21). 여기에서 캐필러리(51)에 있는 와이어는 와이어 공급부(53)로부터 공급되며, 와이어 본딩 작업동안 계속 공급된다.

한편, 와이어 볼이 형성된 위치가 와이어 본딩의 초기 위치이며 첨부한 도 8에 도시되어 있듯이, 초기 위치(A)는 본딩면(D)으로부터 약 5,000μm ∼ 6,000μm 의 거리만큼 위쪽에 위치한다.

일단, 와이어 볼이 형성되면 본딩 제어부(70)는 집적회로 칩의 본딩면(D)을 인식하기 위하여 본딩 헤드부(50)의 수직 구동부(57)를 제어하여 캐필러리(51)를 리드 프레임을 향하여 하강하게 한다(S22).

다음은 집적회로 칩의 본딩면(D)을 인식하는 동작에 대하여 설명한다.

캐필러리(51)는 초기 위치(A)로부터 하강하기 시작하여 본딩면(D)으로부터 약 120μm 위쪽에 위치한 서치 레벨(B)까지는 가감속도로 하강한다(S30). 서치 레벨(B)은 본딩면(D) 인식을 위한 거리로서는 멀리 떨어져 있기 때문에 가감속 운동으로 진행하여도 본딩면을 손상시킬 염려가 없다.

캐필러리(51)가 이동하는 동안 본딩 제어부(70)는 일정 시간 간격으로 위치 센서(59)를 통하여 캐필러리(51)의 위치를 계속 감지한다.

캐필러리(51)가 가감속도로 하강하여 서치 레벨(B)에 도달하면(S31) 이 때부터 캐필러리(51)가 등속도로 하강하도록 하기 위하여 본딩 제어부(70)는 수직 구동부(57)를 제어한다(S32).

이와 같이, 캐필러리(51)가 수직 구동부(57)에 의해 등속도로 하강하면 본딩 제어부(70)는 위치 센서(59)를 통하여 캐필러리(51)가 접촉 검사 위치(C)에 도달하는가를 계속 감지한다(S33).

캐필러리(51)가 접촉 검사 위치(C)에 도달한 것을 위치 센서(59)를 통해 본딩 제어부(70)가 감지하면, 이 때부터 캐필러리(51)의 위치 변화량이 샘플링(sampling)된다.

상기한 샘플링 동작은 일정 시간 간격으로 캐필러리(51)의 위치를 감지하는 위치 센서(59)를 사용하는데, 첫 번째 감지된 위치와 네 번째 감지된 위치의 차이를 위치 변화량으로 샘플링한다. 즉, 일정 시간 간격이 3번 경과될 때의 캐필러리(51)의 위치 변화량을 샘플링하는 것이다. 여기에서, 3번 경과하는 것이외에 경과 회수를 변경하여 적절한 시간 간격을 정할 수도 있다.

결국, 접촉 검사 위치(C)로부터 샘플링이 시작되기 때문에 가장 먼저 샘플링되는 구간은 접촉 검사 위치(C)로부터 샘플링 시간이 경과한 때 감지된 위치의 변화량이 첫 번째 샘플링된 값이다.

그러면, 접촉 검사 위치(C)로부터 본딩면(D)을 인식할 때까지의 샘플링 동작에 관하여 자세히 설명한다.

먼저, 샘플링을 시작할 때 감지된 위치를 검사 시작 위치를 설정하고(S34), 샘플링 회수를 0으로 한다(S35).

다음에, 본딩 제어부(70)는 샘플링 회수가 3인가를 판단하여 샘플링 회수가 3이 아니면 샘플링 회수를 1 증가시킨다(S37). 즉, 샘플링 회수가 세 번이 안되면 3번이 될 때까지 계속 샘플링 회수를 증가시키는 것이다. 이 때, 위치 센서(59)는 샘플링 회수가 1 증가될 때마다 캐필러리(51)의 위치를 감지한다.

이와 같이 상기 단계(S36, S37)를 반복하여 샘플링 회수가 3이 되면 이 때 위치 센서(59)에 의해 감지된 캐필러리(51)의 위치를 검사 종료 위치로 설정한다(S38). 다음에, 검사 종료 위치와 검사 시작 위치의 차이를 위치 변화량으로 설정하면(S39), 이 위치 변화량은 결국 3번의 샘플링 시간동안 캐필러리(51)가 등속도로 하강한 거리가 된다.

위치 변화량을 샘플링한 본딩 제어부(70)는 이미 특정된 위치 변화량에 대하여 특정된 기준값과 샘플링된 위치 변화량을 비교한다.

만약 캐필러리(51)가 본딩면(D)과 아직 접촉하지 않으면 등속도 하강이기 때문에 샘플링 시간동안 이동한 거리가 같고 위치 변화량 또한 같지만, 반면에 캐필러리(51)가 본딩면(D)과 접촉하게 되면 캐필러리(51)가 하강하는 거리가 감소하기 때문에 샘플링 시간동안 이동한 거리 또한 감소하고, 그 위치 변화량 또한 감소하게 된다.

위치 변화량에 대하여 특정된 기준값은 캐필러리(51)가 본딩면(D)과 접촉하였을 때 본딩면(D)으로 인식할 정도의 위치 변화량으로 정한다.

여기에서는 기준값을 하강 등속도의 1.5배에 해당하는 값으로 특정한다.

샘플링된 위치 변화량이 특정된 기준값과 같거나 기준값보다 크면 캐필러리(51)가 아직 본딩면(D)에 도달하지 않은 것으로 판단하고, 만약 위치 변화량이 기준값보다 작으면 본딩면(D)에 도달한 것으로 판단한다.

결국, 샘플링된 위치 변화량이 기준값 이상이면 캐필러리(51)를 계속 하강시키면서 위치 변화량을 샘플링하는 상기 단계(S34 내지 S39)를 계속 반복한다.

만약, 캐필러리(51)가 본딩면(D)에 도달하여 접촉하게 되면 캐필러리(51)의 하강 속도가 감소되고 결과적으로 이동 거리 또한 감소하므로 샘플링된 위치 변화량도 감소된다.

따라서, 샘플링된 위치 변화량이 기준값보다 작아지고, 이것을 감지한 본딩 제어부(70)는 수직 구동부(57)를 제어하여 캐필러리(51)의 하강을 종료시킨다(S41).

첨부한 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 위치 센서(59)는 각 샘플링 시간(e 내지 u)에 캐필러리(51)의 위치를 감지한다.

캐필러리(51)는 초기 위치(A)에서부터 가감속도로 하강하고, 서치 레벨(B)부터는 등속도로 하강하다가, 접촉 검사 위치(C)부터는 캐필러리(51)의 위치를 샘플링하기 시작한다.

도 9에서 캐필러리(51)가 본딩면(D)에 도달한 시점이 m이고, 이 때의 샘플링 시간은 w이다.

본딩면(D) 근처에서 샘플링 시간이 w-1인 때에는 캐필러리(51)가 본딩면(D)에 도달하지 않았기 때문에 위치 변화량이 기준값보다 크고, 샘플링 시간이 w인 때에는 캐필러리(51)가 본딩면(D)에 도달하였지만 위치 변화량은 여전히 기준값보다 크기 때문에 아직 본딩면(D)이 인식되지 않게 된다.

그러나, 캐필러리(51)가 본딩면(D)에 도달한 시점(m)부터는 캐필러리(51)의 하강이 방해를 받기 때문에 다음 샘플링 시간인 w+1인 때의 위치 변화량이 매우 작아지기 때문에 기준값보다 작아진다.

따라서, 캐필러리(51)는 샘플링 시간이 w+2인 때 하강을 멈추고, 이 때가 본딩면이 인식된 시간으로 된다.

상기한 바와 같은 동작을 통해 집적회로 칩의 본딩면(D)이 인식되고, 이 때 캐필러리(51)의 끝단에 형성되어 있는 와이어 볼은 이미 본딩면(D)에 접촉하여 와이어가 집적회로 칩에 연결된다(S24).

와이어가 집적회로 칩에 연결되면 다음 리드 본딩을 위하여 본딩 제어부(70)는 캐필러리(51)를 리드를 향하여 이동시킨다(S25). 캐필러리(51)의 이동은 수직 구동부(57)와 수평 구동부(60)에 의하여 수행된다.

캐필러리(51)가 이동하여 리드의 위쪽에 위치하게 되면 다시 리드 본딩면(D)을 인식하기 위한 동작이 수행된다.

이러한 본딩면(D) 인식 동작은 상기한 집적회로 칩의 본딩면(D) 인식 동작과 동일한 과정(S30 내지 S41)을 거쳐서 이루어진다.

상기 과정(S30 내지 S41)을 거쳐서 리드의 본딩면(D)이 인식되면 와이어를 리드에 연결하고(S27) 연결이 끝나면 캐필러리(51)는 다음 본딩을 위해 와이어를 절단한다(S28).

한편, 집적회로 칩과 리드가 와이어로 연결되는 동안 와이어 공급부(53)는 캐필러리(51)로 와이어를 계속 공급한다.

캐필러리(51)에 의해 와이어가 절단되면 본딩 제어부(70)는 캐필러리(51)를 상승시켜서 한번의 와이어 본딩 작업을 완료한다(S29).

다음에 본딩 제어부(70)는 리드 프레임 상에 와이어 본딩될 리드가 더 남아 있는가를 판단하고(S14), 와이어 본딩이 필요한 리드가 남아 있으면 상기 본딩 작업(S12 내지 S14)을 반복하여 작업대 위에 놓여 있는 리드 프레임에 대한 와이어 본딩 작업을 완료한다.

이와 같이, 하나의 리드 프레임에 대한 와이어 본딩 작업이 완료되면, 본딩 제어부(70)는 인덱서(30)를 제어하여 리드 프레임을 언로더(40)로 반출하고, 언로더(40)는 작업이 완료된 리드 프레임을 보관한다(S15).

다음에, 본딩 제어부(70)는 로더(30)에 와이어 본딩이 필요한 리드 프레임이 남아 있는가를 판단하고(S16), 리드 프레임이 남아 있으면 상기한 와이어 본딩 작업(S11 내지 S15)을 반복하여 로더(30) 내에 남아 있는 리드 프레임에 대한 와이어 본딩 작업을 수행한다.

이상에서와 같이 이 발명의 실시예에서, 와이어 본딩 공정에서 별도의 하드웨어 장치를 사용하지 않고 위치 센서만을 사용하여 본딩면을 인식하기 때문에, 제작비용이 감소하고, 구조 또한 간단해진다.

Claims (3)

1. 집적회로 칩과 리드를 와이어로 연결하는 와이어 본딩 장치에 있어서,

   본딩면에 와이어를 본딩하는 캐필러리와;

   상기 캐필러리를 상하로 이동시키는 수직 구동부와;

   상기 캐필러리의 위치를 감지하는 위치 센서와;

   상기 수직 구동부를 제어하여 상기 캐필러리를 상하로 이동시키고, 상기 캐필러리가 상기 본딩면을 향하여 하강할 때 상기 위치 센서로부터 감지된 상기 캐필러리의 위치 변화량과 특정값을 비교하여 상기 본딩면에 도달하는 것을 인식하는 본딩 제어부를 포함하는 와이어 본딩 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기한 캐필러리는 상기 본딩면을 향하여 하강할 때 초기에는 가감속도로 하강하다가 특정 위치에서부터 등속도로 하강하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
3. 집적회로 칩과 리드를 와이어로 본딩하는 캐필러리를 하강시키는 단계와;

   상기 캐필러리의 위치 변화량을 측정하는 단계와;

   상기 단계에서 측정된 위치 변화량과 특정값을 비교하는 단계와;

   상기 단계에서 비교된 결과에 따라서 상기 캐필러리의 하강을 종료시키는 단계를 포함하는 와이어 본딩 제어 방법.