KR20010027012A - 와이어 본딩 설비 - Google Patents

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bonding
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오국진
권영한
이용춘
김준록
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윤종용
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Abstract

와이어 본딩 과정중 캐필러리가 고속으로 움직임에 기인하여 발생하는 와이어의 테일에 형성되는 볼의 형상 불량을 방지한 와이어 본딩 설비에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 와이어 본딩 설비의 토치의 단부 형상을 원형 , 일부가 개구된 원형 또는 반원형으로 개량하여 와이어 본딩 설비가 고속으로 와이어 본딩을 수행하더라도 와이어의 테일에 형성되는 볼의 형상 불량 및 와이어 본딩 불량을 방지한다.

Description

와이어 본딩 설비{Wire bonding equipment}
본 발명은 와이어 본딩 설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 와이어 본딩 과정 중 캐필러리가 고속으로 움직임에 기인하여 와이어의 테일에 형성되는 볼의 형상 불량을 방지한 와이어 본딩 설비에 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 설비에 의하여 수행된다.
도 1a, 도 1b에는 와이어 본딩 설비의 일부분이 개념적으로 도시되어 있는 바, 와이어 본딩 설비는 다양한 종류가 개발된 바 있지만, 도시된 바와 같이 캐필러리(3)로부터 인출된 금선 와이어(1)의 테일(1a)을 토치(torch;2)에 의한 방전열로 순간적으로 녹여 금의 표면장력에 의하여 와이어(1)의 단부가 미세 직경을 갖는 볼 형상(1b)이 되도록 가공한 다음, 반도체 칩의 본딩 패드에 1차 본딩을 한 후, 와이어(1a)가 리드 프레임의 지정된 위치에 도달하였을 때 와이어(1a)를 리드 프레임의 상면에 웨지 방식(wedge type)으로 본딩하는 와이어 본딩 설비가 범용적으로 사용되고 있다.
그러나, 이와 같은 와이어 본딩 설비의 금선 와이어(1a)는 직경이 매우 가늘게 가공되어 매우 미세한 외력에 의하여 쉽게 구부러짐이 발생된다.
이와 같은 특성은 금선 와이어(1a) 뿐만 아니라 은선 또는 기타 재질로 와이어를 제작하더라도 정도 차이는 있지만 동일하다.
이와 같은 특성은 반도체 칩의 본딩 패드와 리드 프레임을 저속으로 왕복하면서 와이어 본딩을 수행하는 와이어 본딩 설비에서는 무시해도 좋을 정도였지만, 최근 와이어 본딩 시간을 감소시켜 반도체 제품의 전체 생산 시간을 감소시키고자 하는 기술 과제의 해결에 의하여 반도체 칩의 본딩 패드와 리드 프레임을 고속으로 왕복하면서 와이어 본딩을 수행하는 와이어 본딩 설비에서는 큰 문제점으로 대두되고 있다.
구체적으로, 도 2a, 도 2b에 도시된 바와 같이, 와이어 본딩 설비의 캐필러리(2)가 고속으로 움직일 경우 공기 저항 등 여러 원인에 의하여 캐필러리(2)의 단부로부터 인출된 금선 와이어(1)는 캐필러리(2)로부터 곧게 뻗어 있지 못하고 도시된 바와 같이 기울어진 상태가 된다.
이와 같이 금선 와이어(1)의 휨이 발생될 경우 토치(2)의 팁과 금선 와이어(1)의 테일(1a) 사이에 방전이 일어나기 어렵고 방전이 일어났다 하더라도 도 2b에 도시된 바와 같이 볼(1c)의 형상이 극히 불균일하게 되어 볼(1c) 형상 불량이 발생하고, 볼(1c)이 캐필러리(3)의 단부에 형성되지 않고 캐필러리(3)의 단부로부터 소정 거리 이격된 곳에 형성되어 즉, 도 2b와 같은 상태로 형성되어 이와 같은 상태로는 반도체 칩의 본딩 패드에 캐필러리(3)가 와이어 본딩을 수행하더라도 와이어 본딩이 지정된 바대로 정확하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 캐필러리로부터 인출된 와이어의 테일에 휨이 발생될 정도로 와이어 본딩 설비가 고속으로 이동되더라도 캐필러리의 단부로부터 볼이 이격되어 형성되지 않도록 함은 물론 볼의 형상 불량이 발생하지 않도록 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 후술될 본 발명의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1a는 종래 와이어 본딩 설비의 캐필러리와 토치 및 와이어를 도시한 개념도.
도 1b는 종래 와이어 본딩 설비에서 캐필러리로부터 인출된 와이어를 토치의 방전열에 의하여 볼로 형성한 것을 도시한 개념도.
도 2a는 종래 와이어 본딩 설비가 고속으로 이동하면서 캐필러리로부터 인출된 와이어의 테일에 휨이 발생한 것을 도시한 개념도.
도 2b는 도 2a의 상태에서 토치에 의한 방전열에 의하여 와이어 테일의 단부에 불균일한 볼이 형성된 것을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명에 의한 와이어 본딩 설비의 전체적인 구성을 도시한 블럭도.
도 4는 본 발명에 의한 와이어 본딩 설비의 일부를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 토치와 캐필러리 및 캐필러리로부터 인출된 와이어를 도시한 개념도.
도 6는 도 5의 반원형 토치에 의하여 캐필러리에 정확한 형상의 볼이 형성된 것을 도시한 개념도.
도 7a 또는 도 7f는 본 발명에 의한 와이어 본딩 설비에 의하여 와이어 본딩이 수행되는 과정을 도시한 작용 설명도.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 와이어 본딩 설비는 반도체 칩과 리드 프레임을 와이어 본딩하기 위한 도전성 와이어가 통과하는 관통공이 형성된 캐필러리를 포함하는 캐필러리 헤드와, 와이어의 단부에 구형 볼(ball)을 형성하기 위하여 와이어를 감싸도록 곡선 형상을 갖는 토치와, 와이어를 가압 및 가압해제하는 클램프 장치와, 캐필러리 및 클램프 장치를 반도체 칩과 리드 프레임 사이에서 움직이도록 하는 이송장치와, 이송장치 및 클램프 장치를 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
이하, 본 발명에 의한 와이어 본딩 설비의 보다 구체적인 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 3을 참조하면, 와이어 본딩 설비(100)는 와이어 본딩에 필요한 와이어 본딩 공정을 제어하는 제어 유닛(10), 작업자가 와이어 본딩 설비(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(control bus)이다.
이하, 본 발명의 핵심 부분인 본딩 헤드(50) 및 와이어 본딩 장치의 구체적 작용을 첨부된 도 3을 포함한 나머지 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 4에는 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 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 클램프(57b)로 구성된다.
캐필러리 헤드(55)는 다시 캐필러리 지지 몸체(51) 및 캐필러리(52)로 구성된다.
이들 구성 요소 중 이송장치(60)는 캐필러리 헤드(55)를 매우 빠른 속도로 반도체 칩의 본딩 패드와 리드 프레임을 왕복하도록 하는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 하는 이송장치(60)의 움직임은 필연적으로 종래 문제점으로 대두된 캐필러리 헤드(55)의 단부에 형성된 와이어(59)의 테일의 휨을 유발하는 바, 이송장치(60)가 고속으로 움직이더라도 와이어(59)의 테일에 휨이 발생되지 않도록 하기 위해서는 토치(56)의 형상 및 작용이 매우 중요한 바, 이하 토치(56)의 형상 및 작용을 설명하기로 한다.
토치(56)는 토치 몸체(56a), 토치 몸체(56a)에 설치되어 방전에 의한 방전열을 발생시키는 토치 팁(56b)으로 구성된다.
토치 팁(56b)은 도 5에 도시된 바와 같이 다시 토치 로드(56c)와 토치 전극(56d)으로 형성된다.
토치 로드(56c)는 토치 몸체(56a)에 연결되는 긴 막대 형상으로 토치 로드(56c)의 일측 단부에는 토치 전극(56d)이 일체로 형성되어 있다.
토치 전극(56d)은 도 6에 도시된 바와 같이 캐필러리(52)로부터 인출된 금선 와이어(59)를 감싸는 반원형으로 제작되거나 금선 와이어(59)를 완전히 감싸는 원형 또는 원형중 일부분을 개구시킨 형태로 제작되어 무방하다.
이와 같은 토치 전극(56d)의 내측면은 소정 곡률 반경을 갖도록 볼록하게 가공되어 토치 전극(56d)과 금선 와이어(59)의 방전이 보다 용이하게 일어날 수 있도록 가공되어 있다.
이때, 토치 몸체(56a)와 결합되는 부분 및 토치 전극(56d)을 제외한 나머지 부분은 절연 수지(미도시)로 피복되어 와이어 본딩 설비(100)의 다른 부분과 쇼트가 발생되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 토치(56b)가 장착된 와이어 본딩 설비(100)의 작용을 첨부된 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이 캐필러리(52)의 단부에 볼(59a)이 형성된 상태에서 캐필러리(52)는 이송장치(60)에 의하여 하방으로 이송되어 반도체 칩의 본딩 패드에 볼(59a)을 가압하면서 1차 본딩을 수행한다.
이후, 도 7b에 도시된 바와 같이 캐필러리(52)는 이송장치(60)에 의하여 역방향으로 상승하면서, 이송장치(60)는 도 7c에 도시된 바와 같이 금선 와이어(59)가 소정 높이를 갖는 루프를 형성하도록 리드 프레임으로 캐필러리(52)를 이동시킨 후, 리드 프레임의 단부에 웨지 본딩인 2차 본딩을 수행한다.
이어서, 이송장치(60)가 다시 상승함과 동시에 그동안 개방되어 있던 클램프(57b)가 금선 와이어(59)를 구속하면서 금선 와이어(59)는 도 7d에 도시된 바와 같이 웨지 본딩된 상부에서 끊어지게 된다.
이후, 이송장치(60)는 캐필러리(52)를 다음 본딩패드로 이송시키게 되는데, 이때, 도 7e에 도시된 바와 같이 토치 몸체(56a)에서는 토치 팁(56b)의 토치 로드(56c)를 통하여 토치 전극(56d)에 전원이 인가되도록 한다.
이때, 토치 전극(56d)에 의하여 감싸여진 금선 와이어(59)가 이송장치(60)가 캐필러리(52)를 매우 빠르게 이동시킴으로써 휨이 발생하였을 경우, 금선 와이어(59)는 필연적으로 토치 전극(56d)의 일부에 가깝게 위치할 수밖에 없고, 이에 따라서 토치 전극(56d)중 금선 와이어(59)와 가까운 부분에 위치한 곳에서는 요구되는 방전이 원활하게 이루어져서 금선 와이어(59)는 캐필러리(52)의 단부에서 정확하게 볼 형성이 이루어짐은 도 7f에 도시된 바와 같이 볼(59a)의 형상 불량 또한 발생하지 않게 된다.
이어서, 도 7a의 과정을 반복하여 와이어 본딩이 계속 진행된다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 와이어 본딩 설비의 토치의 단부 형상을 원형 , 일부가 개구된 원형 또는 반원형으로 개량하여 와이어 본딩 설비가 고속으로 와이어 본딩을 수행하더라도 와이어의 테일에 형성되는 볼의 형상 불량 및 와이어 본딩 불량을 방지하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 칩과 리드 프레임을 와이어 본딩하기 위한 도전성 와이어가 통과하는 관통공이 형성된 캐필러리를 포함하는 캐필러리 헤드와;
    상기 와이어의 단부에 구형 볼(ball)을 형성하기 위하여 상기 와이어를 감싸도록 곡선 형상을 갖는 토치와;
    상기 와이어를 가압 및 가압해제하는 클램프 장치와;
    상기 캐필러리 및 상기 클램프 장치를 상기 반도체 칩과 상기 리드 프레임 사이에서 움직이도록 하는 이송장치와;
    상기 이송장치 및 상기 클램프 장치를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 와이어 본딩 설비.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 토치는 상기 와이어가 통과하는 내경과 외경을 갖는 짧은 원통 형상인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 설비.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 토치는 상기 와이어가 통과하는 내경과 외경을 갖고 일부가 개구된 짧은 원통 형상인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 설비.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 토치는 상기 와이어가 통과하는 내경과 외경을 갖는 반원 형상인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 설비.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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