KR20010009783A - 와이어 본딩 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와이어의 테일을 볼 형상으로 가공하여 반도체 칩의 본딩 패드에 본딩을 수행하는 볼(ball) 타입 와이어 본딩 장치에서의 와이어 루프 높이 증가, 와이어의 테일을 곧바로 반도체 칩의 본딩 패드에 본딩하는 웨지(wedge) 타입 와이어 본딩 장치에서의 와이어 본딩 방향이 제한되는 것을 모두 개선한 와이어 본딩장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 볼 본딩 방식의 와이어 본딩 장치에서 와이어의 테일에 볼을 형성할 때 볼의 상부 결정 구조가 변경되면서 증가된 응력에 의한 루프 높이가 증가되는 것을 방지하면서, 웨지 본딩 방식 와이어 본딩 장치에서의 와이어 본딩 방향의 제약을 없앰으로써 루프 높이 감소에 따라 반도체 제품의 전체 크기를 감소시킴은 물론, 와이어 본딩시 와이어의 진행 방향의 제약을 해소함에 따라서 모든 반도체 제품의 와이어 본딩을 수행하여 호환성을 매우 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

와이어 본딩 장치{Wire bonding apparatus}

본 발명은 와이어 본딩 장치에 관한 것으로, 특히 와이어의 테일(tail)을 볼 (ball) 형상으로 가공하여 반도체 칩의 본딩 패드에 본딩을 수행하는 볼(ball) 타입 와이어 본딩 장치에서의 와이어 루프 높이 증가, 와이어의 테일을 곧바로 반도체 칩의 본딩 패드에 본딩하는 웨지(wedge) 타입 와이어 본딩 장치에서의 와이어 본딩 방향이 제한되는 것을 모두 개선한 와이어 본딩장치에 관한 것이다.

최근들어 전기 산업, 전자 산업, 컴퓨터 산업, 이동통신 산업은 물론 최첨단 우주항공 산업에 이르기까지 거의 모든 산업의 기술 발달이 급속하게 진행되어 소비자들은 고품질이면서도 보다 콤팩트화된 각종 제품의 해택을 누리고 있다.

이와 같은 다양한 산업의 기술 개발의 촉진의 배경에는 트랜지스터의 개발 및 수백만개의 트랜지스터를 집적하여 신호를 매우 빠른 속도로 처리하는 반도체 제품의 기술 개발이 있음은 부정할 수 없는 것이다.

이와 같은 역할을 하는 반도체 제품은 전체적으로 보아 반도체 제품의 핵심 부품이라 할 수 있는 반도체 칩을 제조하는 과정, 반도체 칩을 보호하면서도 외부 기기와 전기적 입출입이 가능토록 하는 패키지 과정을 거쳐 제작된다.

패키지 과정은 다시 반도체 칩을 도전성 단자 역할을 하는 리드 프레임에 안착시킨 후 리드 프레임과 반도체 칩에 형성된 본딩패드를 단면적이 매우 작으면서도 전기 전도도가 뛰어난 금선(gold wire)을 이용하여 전기적으로 연결하는 공정과 금선에 의하여 연결된 리드 프레임과 반도체 칩을 외부의 충격으로부터 보호하기 위하여 몰드 수지로 반도체 칩을 감싸는 몰딩 공정으로 구성된다.

이때, 리드 프레임과 반도체 칩의 본딩을 "와이어 본딩(wire bonding)"이라 칭하며, 와이어 본딩은 와이어 본딩 장치에 의하여 수행된다.

와이어 본딩 장치는 전체적으로 보아 2 종류가 있는 바, 그중 하나는 와이어의 테일에 방전열을 가하여 순간적으로 녹임으로써 금의 표면장력에 의하여 와이어의 단부가 미세 직경을 갖는 볼 형상이 되도록 가공한 다음 반도체 칩의 본딩 패드에 1차 본딩을 한 후 와이어가 리드 프레임의 지정된 위치에 도달하였을 때 와이어를 리드 프레임의 상면에 웨지 방식(wedge type)으로 본딩되도록 한다.

나머지 와이어 본딩 장치는 와이어의 단부를 볼 형상으로 가공하지 않고 일측 단부를 곧바로 반도체 칩의 본딩패드에 웨지 방식으로 본딩한 후, 타측 단부를 인출하면서 곧바로 리드 프레임의 단부에 다시 웨지 방식으로 본딩되도록 하는 웨지 타입 와이어 본딩 장치이다.

그러나, 이와 같은 와이어 본딩 장치들은 이하 설명될 문제점에 의하여 모든 반도체 제품의 와이어 본딩 장치로 범용적으로 사용되지 못하고 제한적으로 사용되는 문제점이 있다.

먼저, 볼 본딩 방식 와이어 본딩 장치의 경우 필수적으로 와이어의 단부를 방전열에 의하여 용융시키는 과정이 필수적인 바, 이때, 방전열에 와이어가 녹아 볼이 형성되면서 볼의 상단 부분의 결정 조직이 변경되면서 응력이 커지게 되고 이와 같이 응력이 커진 상태에서 루프 높이를 낮추기 위해서 무리한 곡률로 와이어를 가공할 경우 와이어 루프 휨 불량이 발생하게 됨으로 루프 높이가 높아지더라도 루프가 무리한 곡률을 갖지 않도록 해야 한다.

이와 같이 루프 높이가 높아지면 당연히 와이어가 외부로 노출되지 않도록 몰드 두께가 두꺼워져야 하는 바, 이는 반도체 제품의 전체 크기를 크게 증가시켜 반도체 패키지의 크기를 절대적으로 감소 시키고자하는 반도체 제품의 목적에 반대되는 결과를 가져오게 된다.

반면, 웨지 본딩 방식 와이어 본딩 장치의 경우 볼 본딩 방식 와이어 본딩 장치와는 달리 와이어의 단부를 볼 형태로 만들어줄 필요가 없기 때문에 와이어의 응력 증가에 따른 루프 높이의 제약을 받지 않지만, 웨지 본딩 방식 와이어 본딩 장치에 적용되는 반도체 제품은 반도체 칩의 본딩 패드와 인너 리드가 와이어의 진행 방향과 평행하게 형성되어 있을 경우만 웨지 본딩이 가능하여 최근 반도체 제품과 같이 리드 프레임의 크기가 더 이상 감소되지 못하는 상태에서 반도체 칩의 크기가 점차 감소되어 본딩 패드와 리드 프레임이 더 이상 평행하지 않는 반도체 제품 또는 쿼드 플랫 패키지(Quad Flat Package)와 같이 반도체 칩의 주위에 리드가 둘러진 리드 프레임에서는 리드 프레임을 회전시키면서 와이어 본딩을 수행해야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 리드 프레임과 반도체 칩의 본딩 패드를 웨지 타입으로 본딩하여 와이어의 루프 높이를 크게 감소시키면서도 본딩 패드와 리드 프레임의 배치에 관계없이 와이어 본딩이 수행되도록 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 후술될 본 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.

도 2는 도 1의 캐필러리 헤드 및 인식장치를 도시한 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 캐필러리를 도시한 도면.

도 4는 도 3의 캐필러리의 단부를 부분 절개 확대 도시한 부분절개확대사시도.

도 5는 도 4의 A 방향 평면도.

도 6은 도 4의 I-I 단면도.

도 7은 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치에 의하여 와이어 본딩이 수행된 반도체 칩과 리드 프레임을 도시한 개념도.

도 8은 도 7의 B 부분 확대도.

도 9, 도 10은 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치의 작용을 설명하기 위한 작용설명도.

도 11은 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치의 다른 실시예에 따른 작용을 설명하기 위한 작용설명도.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 칩과 리드 프레임을 도시한 개념도.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 와이어 본딩 장치는 반도체 칩과 리드 프레임을 와이어 본딩하기 위한 도전성 와이어가 통과하는 관통공이 형성된 캐필러리를 포함하는 캐필러리 헤드, 와이어를 가압 및 가압해제하는 클램프 장치, 캐필러리 및 클램프 장치를 상기 반도체 칩과 리드 프레임 사이에서 움직이도록 하는 이송장치, 이송장치 및 클램프 장치를 제어하는 제어 유닛을 포함하며, 캐필러리는 소정 면적을 갖는 평평한 단부를 갖고, 관통공과 단부가 만나는 곳은 와이어의 응력을 감소시키기 위하여 소정 곡률을 갖는 곡면을 갖는다.

이하, 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1을 참조하면, 와이어 본딩 장치(100)는 와이어 본딩에 필요한 와이어 본딩 공정을 제어하는 제어 유닛(10), 작업자가 와이어 본딩 장치(100)를 제어하는데 필요한 데이터 입력장치(20), 작동 데이터와 장비 데이터가 저장된 기억장치(30) 및 본딩할 반도체 칩의 본딩패드와 리드 프레임을 인식하는 CCD 카메라와 같은 인식장치(40), 반도체 칩의 본딩패드와 리드 프레임을 와이어로 본딩하는 본딩 헤드(50), 본딩 헤드(50)를 제어 유닛(10)의 제어에 의하여 지정된 위치로 이송되도록 하는 이송장치(60) 및 리드 프레임 및 반도체 칩이 적정 온도로 가열되도록 하는 히팅장치(70)로 구성된다.

미설명 도면부호 80은 데이터의 흐름을 제어하는 데이터 버스(data bus), 90은 제어 신호의 흐름을 제어하는 콘트롤 버스(controll bus)이다.

이하, 본 발명의 핵심 부분인 본딩 헤드 및 와이어 본딩 장치의 구체적 작용을 첨부된 도 2 이하에서 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 2에는 본딩 헤드(50)의 일부에 해당하는 사시도가 도시되어 있는 바, 본딩 헤드(50)는 일실시예로 XY 테이블인 이송장치(60)에 결합된 지지 몸체(62), 지지 몸체(62)에 결합되어 지지 몸체(62)와 함께 이송되는 캐필러리 헤드(55), 지지 몸체(62)에 결합된 토치(56), 역시 지지 몸체(62)에 결합된 클램프 장치(57) 및 와이어 꼬임 방지 장치(58)로 구성된다.

보다 구체적으로, 토치(56)는 토치 몸체(56a), 토치 몸체(56a)에 설치되어 방전에 의한 방전열을 발생시키는 토치 팁(56b)으로 구성된다.

클램프 장치(57)는 지지 몸체(62)에 결합된 클램프 몸체(57a), 클램프 몸체(57a)에 설치되어 와이어(59)에 장력이 가해지도록 하거나 와이어(59)에 걸린 장력을 해제하는 역할을 한다.

캐필러리 헤드(55)는 다시 캐필러리 지지 몸체(51) 및 캐필러리(52)로 구성된다.

캐필러리 헤드(55)의 캐필러리(52)를 첨부된 도 3 내지 도 6를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 캐필러리(52)의 외관을 도시한 도면이고, 도 4는 캐필러리(52)의 팁(tip) 부분을 부분 절개하여 확대한 부분 절개 확대 사시도이다.

본 발명에 의한 캐필러리(52)는 와이어 본딩 방향에 상관없이 와이어의 본딩이 가능하도록 웨지 본딩이 가능해야 함으로 독특한 구조를 갖아야 한다.

도 3의 도면을 참조하면 캐필러리(52)는 와이어(59)가 통과 가능하도록 관통공(52a)이 형성된 원통 형상으로 팁(52b) 매우 뾰족한 형상을 갖지만, 팁(52b)를 더욱 확대한 도 4, A 방향 평면도인 도 5, 도 4의 I-I 단면인 도 6을 참조하면, 캐필러리(52)의 팁(52b)는 평평한 원통 형상을 갖다.

이처럼 캐필러리(52)의 팁(52b)이 원통 형상을 갖도록 가공되는 것은 캐필러리(52)가 와이어 본딩을 수행할 때, 와이어 본딩 면적을 넓게 확보하기 위함으로 본 발명에 의한 와이어 본딩 설비에 적용된 캐필러리(52)의 단부 면적은 종래 볼 타입 와이어 본딩 설비의 캐필러리의 단부 면적에 비하여 상당히 크게 가공되어야 한다.

또한, 캐필러리(52)의 팁(52b)은 평평한 원통 형상을 갖음과 동시에 캐필러리(52)의 모서리는 소정 곡률을 갖도록 둥글게 곡면(52c) 가공된다.

이때, 캐필러리(52)의 곡면(52c)의 접선과 팁(52b)의 단부가 이루는 각도는 바람직하게 5°이하가 되도록 가공되는 것이 무방하다.

만일, 이 각도가 커지게 되면 캐필러리(52)의 단부에 형성된 평면적이 크게 감소되어 리드 프레임에 와이어가 본딩이 종료된 후 후속 와이어 본딩을 위해 필수적으로 형성되어야 하는 와이어 테일(tail)의 길이가 매우 짧아지게 되고, 길이가 짧은 테일을 반도체 칩에 본딩 후 와이어를 루핑하는 단계에서 본딩된 부분의 부착 강도가 낮아져 본딩된 부분이 떨어져 나가게 되는 문제점이 있기 때문이다.

또한, 와이어(59)가 통과되기 위하여 캐필러리(52)의 내부에 형성된 관통공(52a)의 단부 즉, 관통공(52a)과 캐필러리(52)의 단부가 만나는 부분에는 소정 곡률을 갖는 곡면(52d)이 형성된다.

52d로 도시된 곡면은 매우 중요한 역할을 한다. 이 곡면(52d)을 완충 곡면이라 정의하기로 하는 바, 완충 곡면(52d)은 와이어에 무리한 응력이 걸려 와이어(59)가 임의대로 끊어지는 것을 방지하는 한편, 어떠한 방향으로도 와이어 본딩이 가능토록 하는 역할을 한다.

즉, 완충 곡면(52d)이 없을 경우, 관통공(52a)과 캐필러리(52)의 팁(52b)에서의 와이어의 각도 변화가 매우 크기 때문에 와이어(59)의 장력이 커지게 되어 와이어(59)의 끊어짐이 빈번하게 발생하기 때문이다.

또한, 와이어의 본딩이 보다 효율적으로 이루어지도록 하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 캐필러리(52)의 단부 중심을 기준으로 관통공(52a)과 완충 곡면(52d) 사이에 소정 깊이를 갖는 그루우브(groove;52e)를 형성하는 것이 무방하다.

다른 실시예로 도 5에 도시된 Ⅱ, Ⅱ의 외측 부분을 제거하여도 무방한 바, 이와 같은 실시예는 바람직하게 듀얼 인 라인 패키지(dual in-line package)와 같이 반도체 칩의 본딩 패드와 리드 프레임이 평행하게 형성되었을 때, 특히 유리하다.

이와 같이 구성된 와이어 본딩 장치중 와이어(59)는 도 2에 상세하게 도시된 바와 같이 와이어 꼬임 방지 장치(58)-클램프 장치(57)-캐필러리(52)의 관통공(52a)을 통하여 캐필러리(52) 외부로 인출된다.

이와 같이 형성된 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치에 의한 와이어 본딩 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 와이어 본딩 장치는 모든 반도체 제품의 와이어 본딩 공정에 적용이 가능하지만, 일실시예로 본 발명에서는 바람직하게 듀얼 인 라인 패키지(Dual In-line Package)의 본딩 패드와 리드 프레임을 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치로 와이어 본딩하는 과정을 설명하기로 한다.

먼저, 도 9는 도 7의 Ⅲ 부분에 형성된 본딩 패드(210)와 리드 프레임(300)을 와이어 본딩하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

첨부된 도 9를 참조하면, 와이어 본딩 장치(100)의 캐필러리(52)의 단부로 인출된 와이어(59)의 테일(59a)은 도 9의 ①에 도시된 바와 같이 캐필러리(52)로부터 소정 길이 인출되어 일측면으로 절곡된 상태이다.

이때, 도시된 바와 같이 와이어(59)는 클램프 장치(57)가 붙잡고 있어 와이어(59)는 테일(59a)이 절곡된 상태로 캐필러리(52) 외부로 더이상 인출되지 않고 와이어(59)의 테일(59a)의 길이 또한 변경되지 않는다.

이와 같은 상태에서 도 9의 ②에 도시된 바와 같이 캐필러리(52)는 이송장치(미도시)에 의하여 반도체 칩(200)의 본딩 패드(210)에 웨지 본딩된 후, 클램프 장치(57)가 와이어(59)를 놓은 상태에서 캐필러리(52)는 다시 이송장치에 의하여 소정 높이의 루프를 형성하면서 리드 프레임(300)으로 이송된다.

이후, 와이어(59)는 도 9의 ③에 도시된 바와 같이 리드 프레임(300)의 상면에 웨지 본딩된다.

이때, 와이어(59)가 리드 프레임(300)의 상면에 웨지 본딩될 때 클램프 장치(57)가 와이어(59)를 다시 붙잡음으로써 와이어(59)는 절단되고 와이어(59)의 단부에는 자연스럽게 다시 테일(59a)가 형성된다.

이때, 캐필러리(52)의 와이어(59)가 정확하게 절단되도록 하기 위해서는 와이어(59)가 절단되기 이전 까지는 캐필러리(52)가 수평 방향으로 움직여야한다.

만일, 캐필러리(52)가 수평 방향으로 움직이지 않을 경우 다음번 와이어 본딩 때 필요로하는 테일(59a) 부분이 절단되어 와이어 본딩이 정확하게 수행될 수 없기 때문이다.

이와 같은 과정을 거친 캐필러리(52)가 도 9의 ④에 도시되어 있는 바, 도 9의 ④에 도시된 캐필러리(52)는 도 9의 ①의 과정을 반복하면서 와이어 본딩을 수행한다.

그러나, 도 7의 Ⅲ 부분의 본딩 패드와 리드 프레임의 와이어 본딩이 모두 종료되면 B 부분의 와이어 본딩이 수행된다.

이때, 와이어(59)의 와이어 본딩 방향은 Ⅲ 부분과 반대 방향을 갖게 되며, 테일(59a)의 방향은 Ⅲ 부분과 동일한 방향을 갖게 되어 B 부분에서는 다른 부분과 다른 와이어 본딩 과정을 거쳐야 되는 바 이를 도 10에 도시하였다.

이를 첨부된 도 10을 참조하여 설명하면, 캐필러리(52)로부터 인출된 테일(59a)의 단부가 도 9의 ①에 도시된 상태로 곧바로 반도체 칩(200)의 본딩 패드(210)에 웨지 타입으로 본딩된 후, 도 9의 ②에 도시된 바와 같이 클램프 장치(57)가 열리면서 이송장치에 의하여 캐필러리(52)는 곧바로 와이어(59)를 역방향인 리드 프레임(300) 쪽으로 180°회전하여 루프를 형성하면서 끌고 감으로써 와이어(59)의 방향은 도 9의 ③과 동일한 방향을 갖게 된다.

이어서, 와이어(59)가 리드 프레임(300)에 도달한 후 캐필러리(52)는 와이어(59)의 테일(59a)을 본딩 패드(210)의 상면에 웨지 본딩한 후, 도 9의 ④의 과정을 다시 반복하여 이후 본딩패드(210)-리드 프레임(300)을 연속적으로 와이어 본딩하게 된다.

이때, 이와 다른 방법으로 도 9의 ④의 테일(59a)을 갖는 캐필러리(52)를 곧바로 리드 프레임(300)에 웨지 본딩한 후, 곧바로 본딩 패드(210)에 와이어 본딩할 경우 도 10의 ②와 같은 과정이 필요없게 된다.

그러나, 굳이 도 10의 ②와 같은 방식으로 와이어 본딩을 하는 것은, 도 7의 Ⅲ 부분이 와이어 본딩할 때 본딩 패드(210)가 본딩의 기준점 역할을 하여 본딩 거리, 좌표 등이 산출 되지만 도 7의 B 부분을 와이어 본딩할 때 돌연 리드 프레임(300)이 본딩 기준이 될 때 리드 프레임(300)중 정확한 기준이 되는 부분이 존재하지 않음으로 본딩 패드(210)에 정확하게 와이어 본딩되기 매우 어려움으로 앞서 도 1에서 간략하게 설명한 인식장치(40) 등에 의하여 리드 프레임(300)중 어느 한 부분의 좌표를 정확하게 다시 측정 및 계산한 후에야 와이어 본딩이 가능함으로 와이어 본딩 시간이 다소 지연될 뿐 와이어 본딩은 무난히 수행할 수 있다.

한편, 도 11 또는 도 12에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는 바, 도 12에 도시되어 있는 것과 같이 와이어 본딩할 반도체 제품에 반도체 칩이 적어도 2 개 이상 형성되고, 반도체 칩과 와이어 본딩될 리드 프레임이 반도체 칩과 평행하지 않을 때, 종래 웨지 방식 와이어 본딩 장치는 와이어의 끊어짐 및 와이어 본딩이 정확하게 이루어지지 않게 된다.

그러나, 도 11에 도시된 방법에 의하면 캐필러리(52)로 제 1 반도체 칩(400)의 본딩패드(410)에 웨지 본딩을 수행한 후, 이송장치에 의해 캐필러리(52)를 제 2 반도체 칩(500)의 본딩패드(510)으로 이송시킨 후, 제 2 반도체 칩(500)을 웨지 본딩 한 후, 이송장치는 와이어 진행 각도를 변경하면서 리드 프레임(600)에 와이어 본딩을 수행하여도 전혀 와이어(59)의 끊어짐 및 와이어 본딩이 부정확하게 이루어지는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 볼 본딩 방식의 와이어 본딩 장치에서 와이어의 테일에 볼을 형성할 때 볼의 상부 결정 구조가 변경되면서 증가된 응력에 의한 루프 높이가 증가되는 것을 방지하면서, 웨지 본딩 방식 와이어 본딩 장치에서의 와이어 본딩 방향의 제약을 없앰으로써 루프 높이 감소에 따라 반도체 제품의 전체 크기를 감소시킴은 물론, 와이어 본딩시 와이어의 진행 방향의 제약을 해소함에 따라서 모든 반도체 제품의 와이어 본딩을 수행하여 호환성을 매우 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 반도체 칩과 리드 프레임을 와이어 본딩하기 위한 도전성 와이어가 통과하는 관통공이 형성된 캐필러리를 포함하는 캐필러리 헤드, 상기 와이어를 가압 및 가압해제하는 클램프 장치, 상기 캐필러리 및 상기 클램프 장치를 상기 반도체 칩과 상기 리드 프레임 사이에서 움직이도록 하는 이송장치, 상기 이송장치 및 상기 클램프 장치를 제어하는 제어 유닛을 포함하며,

   상기 캐필러리는 소정 면적을 갖는 평평한 팁을 갖고, 상기 관통공과 상기 팁이 만나는 곳은 상기 와이어의 응력을 감소시키기 위하여 소정 곡률을 갖는 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 캐필러리의 상기 팁에 형성된 관통공과 상기 캐필러리의 팁의 원주면 사이에는 동심원 형태로 소정 깊이를 갖는 그루우브가 형성된 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 캐필러리의 상기 팁 모서리는 소정 곡률을 갖도록 곡면 가공된 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.