KR20020078930A - 반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한와이어의 볼 형성 방법 - Google Patents

반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한와이어의 볼 형성 방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법에 관한 것으로, 와이어 본딩시 도전성와이어의 단부에 레이저를 이용하여 볼(Ball)을 형성함으로써, 균일하고, 소형인 볼을 용이하게 얻을 수 있도록, 초음파 발생부로부터 초음파 에너지를 전달하는 트랜스듀서와, 상기 트랜스듀서의 단부에 설치되어 도전성와이어를 반도체칩의 입출력패드와 섭스트레이트의 회로패턴에 연결하는 캐필러리와; 상기 캐필러리를 통해 인출된 도전성와이어의 단부에 볼을 형성하는 볼 형성부로 이루어진 반도체패키지용 와이어 본딩 장치에 있어서, 상기 볼 형성부는, 상기 도전성와이어의 단부에 레이저를 출력하는 레이저 출력부와, 상기 레이저 출력부로 일정 출력의 레이저를 제공하는 레이저 발생부로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체패키지용 와이어 본딩 장치.

Description

반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법{Wire bonding machine for semiconductor package and forming method of wire using it}
본 발명은 반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면 와이어 본딩시 도전성와이어의 단부에 레이저를 이용하여 볼(Ball)을 형성함으로서, 균일하고 소형인 볼을 용이하게 얻을 수 있는 반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법에 관한 것이다.
통상 반도체패키지 분야에서 와이어 본딩이라 함은 반도체칩의 입출력패드와 섭스트레이트의 소정 회로패턴을 도전성와이어로 상호 연결시켜, 상기 반도체칩이 외부 회로(예를 들면, 마더보드)와 전기적 신호를 주고받을 수 있도록 함을 의미한다.
이러한 와이어 본딩을 위해서는 통상 여러가지 구성 요소로 이루어진 와이어 본딩 장치(100')가 이용되는데, 상기 와이어 본딩 장치(100')에서 실제 와이어본딩을 담당하는 주요부가 도1a 및 도1b에 도시되어 있다.
이를 참조하여 종래 와이어 본딩 장치(100')의 주요 구성 및 이를 이용한 와이어 본딩 방법을 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이 상부에 도전성와이어(20')가 감겨 있는 보빈(11')이 설치되어 있고, 상기 보빈(11')의 하단에는 상기 도전성와이어(20')를 클램핑 및 해제할 수 있도록 클램프(12')가 설치되어 있다. 또한, 상기 클램프(12')의 하단에는초음파 발생부(도시되지 않음)로부터의 에너지를 전달하기 위한 트랜스듀서(13')가 설치되어 있고, 상기 트랜스듀서(13')에는 그것과 수직방향으로, 실제 도전성와이어(20')가 통과되어 본딩을 수행하는, 캐필러리(14')가 설치되어 있다.
또한, 상기 캐필러리(14')의 측부에는 방전 블레이드(15a')가 설치되어 있고, 이 방전 블레이드(15a')는 방전 발생부(15b')에 연결되어 하나의 볼 형성부(15')를 이루고 있으며, 이 볼 형성부(15')에 의해 상기 캐필러리(14') 하단으로 인출된 도전성와이어(20')의 단부에 볼(21')이 형성된다.
도면중 상기 보빈(11'), 클램프(12'), 초음파 발생부, 트랜스듀서(13') 및 캐필러리(14') 등으로 이루어진 부분을 통상 본딩 헤드(10')라 칭하기도 한다.
한편, 상기 캐필러리(14')와 일정거리 이격된 그 하부에는 와이어 본딩중 일정한 열을 공급하는 히트블럭(33')이 위치되어 있으며, 상기 히트블럭(33') 상면에는 반도체칩(31')이 탑재 및 접착된 섭스트레이트(32')가 안착되어 있다.
이러한, 와이어 본딩 장치(100')는 통상 고온의 히트블럭(33') 상면에 섭스트레이트(32')가 안착된 후, 상기 캐필러리(14')에 초음파 에너지가 전달되는 동시에, 본딩되는 영역에도 열이 가해져, 상기 반도체칩(31')의 입출력패드에는 도전성와이어(20')가 볼본딩(Ball Bonding)되고, 섭스트레이트(32')의 회로패턴에는 스티치본딩(Stitch Bonding)이 수행된다.
이를 좀더 자세히 설명하면, 먼저 볼 형성부(15')의 작동에 의해 상기 도전성와이어(20')의 단부에 볼(21')이 형성된다. 즉, 캐필러리(14') 하단으로 인출된 도전성와이어(20')의 단부와 상기 방전 블레이드(15a') 사이에는 상기 방전발생부(15b')에 의해 순간적으로 대략 2~5KV의 전압이 인가되고, 이것에 의해 상기 방전 블레이드(15a')로부터 방전현상이 발생하여 상기 도전성와이어(20')의 단부에 일정 형태의 볼(21')이 형성된다.
이어서, 상기 캐필러리(14')는 첫번째 본딩될 위치 즉, 반도체칩(31')의 입출력패드 상부로 이동하고, 상기 클램프(12')에 의해 상기 볼(21')은 캐필러리(14') 단부에 밀착된 후, 상기 반도체칩(31')의 입출력패드 표면에 상기 볼(21')이 융착된다. 즉, 도전성와이어(20')의 일단이 반도체칩(31')의 입출력패드에 볼본딩된다. 물론, 이때 상기 캐필러리(14')에는 초음파 에너지가 전달되고, 상기 입출력패드에는 히터블럭으로부터 일정한 열이 제공됨으로써, 상기 본딩이 원할이 수행되도록 한다.
계속해서, 상기 캐필러리(14')는 일정한 와이어 루프를 형성하며, 상기 도전성와이어(20')의 다른 영역을 섭스트레이트(32')의 회로패턴에 스티치 본딩하게 된다. 이때에도, 상기 캐필러리(14')부터는 초음파 에너지가 전달되고, 또한 상기 회로패턴에는 히트블럭(33')으로부터 일정한 열이 제공된다.
상기와 같은 스티치 본딩이 완료된 후에는 상기 캐필러리(14')는 일정 높이 상승되고, 이어서 클램프(12')가 도전성와이어(20')를 클램한 후, 상기 클램프(12') 및 캐필러리(14')가 약간 더 상승함으로써, 상기 스티치 본딩된 영역의 도전성와이어(20')가 절단된다.
상기와 같은 동작이 완료된 후에는 이어서 첫번째 본딩을 다시 수행하기 위해, 상기 볼(21') 형성부(15')의 작동에 의해 2~5KV의 전압이 방전되어 다시 일정형태의 볼(21')이 형성된다.
그러나, 이러한 종래의 와이어 본딩은 상기 볼(21')의 형성이 볼(21') 형성부(15')의 방전 발생부(15b')로부터 공급되는 전압, 전류 또는 시간이라는 파라메터에 의해 형성됨으로써, 그 형성되는 볼(21')의 크기가 비교적 균일하지 않은 단점이 있다. 즉, 상기 방전 발생부(15b')의 전압, 전류 또는 시간은 성질상 편차가 발생될 수 밖에 없기 때문에, 상기 도전성와이어(20')의 볼(21') 크기도 편차가 심하게 발생한다.
이와 같이 볼(21')의 크기가 균일하지 않을 경우에는, 상기 입출력패드에 형성되는 본본딩 영역의 크기도 균일하지 않고 따라서, 볼 쉬어 테스트(Ball Shear Test; 입출력패드에 본딩된 볼(21')의 전단응력 테스트) 값의 편차가 심할 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 상기 볼본딩 영역이 상기 입출력패드에서 쉽게 분리되는 현상이 발생한다.
한편, 최근의 반도체칩(31')은 그 입출력패드의 피치(Pitch)가 점차 작아짐에 따라, 상기 입출력패드의 크기 또는 넓이도 점차 작아지고 있는 추세에 있다. 즉, 상기 입출력패드에 형성되는 볼본딩 영역의 크기가 더욱 작아져야 하고, 그 크기도 더욱 균일해야 한다.
그러나, 상기한 바와 같이 도전성와이어(20')의 볼(21')이 불균일하게 됨으로써, 현재의 파인피치(Fine Pitch)화된 반도체칩(31')에 상기 와이어본딩장치를 사용하기에는 부적당한 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 반도체칩의 입출력패드와 섭스트레이트의 회로패턴을 도전성와이이로 본딩시 그 도전성와이어의 단부에 레이저를 이용하여 볼을 형성함으로서, 균일하고, 소형인 볼을 용이하게 얻을 수 있는 반도체패키지용 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법을 제공하는데 있다.
도1a 및 도1b는 종래의 반도체패키지용 와이어 본딩 장치의 주요 구성 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법을 도시한 상태도이다.
도2a 및 도2b는 본 발명에 의한 반도체패키지용 와이어 본딩 장치의 주요 구성 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법을 도시한 상태도이고, 도2c는 레이저가 도전성와이어에 입사되는 되는 상태를 도시한 상태도이다.
- 도면중 주요 부호에 대한 설명 -
100; 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치
10; 본딩 헤드(Bonding Head)11; 보빈(Bobbin)
12; 클램프(Clamp)13; 트랜스듀서(Transducer)
14; 캐필러리(Capillary)15; 볼(Ball) 형성부
15a; 레이저 출력부15b; 레이저 발생부
16; 볼록렌즈20; 도전성와이어
21; 볼31; 반도체칩
32; 섭스트레이트(Substrate)33; 히트블럭(Heat Block)
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1태양(態樣)은, 초음파 발생부로부터 초음파 에너지를 전달하는 트랜스듀서와, 상기 트랜스듀서의 단부에 설치되어 도전성와이어를 반도체칩의 입출력패드와 섭스트레이트의 회로패턴에 연결하는 캐필러리와; 상기 캐필러리를 통해 인출된 도전성와이어의 단부에 볼을 형성하는 볼 형성부로 이루어진 반도체패키지용 와이어 본딩 장치에 있어서, 상기 볼 형성부는, 상기 도전성와이어의 단부에 일정출력의 레이저를 출력하는 레이저 출력부와, 상기 레이저 출력부로 일정 출력의 레이저를 제공하는 레이저 발생부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제1태양에 있어서, 상기 레이저 출력부의 단부에는 볼록렌즈가 설치되어 있고, 상기 볼록렌즈와 상기 도전성와이어 사이의 거리는 상기 볼록렌즈에 의한 레이저의 촛점거리와 같게 형성될 수 있다.
또한 상기 제1태양에 있어서, 상기 레이저 발생부는 다이오드에 의해 레이저를 얻는 다이오드레이저가 사용될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제2태양은, 캐필러리로부터 인출된 도전성와이어의 단부에 일정크기의 볼을 형성하는 단계와, 상기 도전성와이어의 볼을 반도체칩의 입출력패드에 볼본딩하는 단계와, 상기 도전성와이어의 타단을 섭스트레이트의 회로패턴에 스티치본딩하는 단계로 이루어진 반도체패키지용 와이어 본딩 방법에 있어서, 상기 볼 형성 단계는 레이저가 상기 도전성와이어의 단부에 발사되어 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 제2태양에 있어서, 상기 볼 형성 단계는 상기 도전성와이어를 향하는 레이저의 경로에 볼록렌즈를 위치시키고, 상기 볼록렌즈의 촛점이 상기 도전성와이어에 설정되도록 하여, 상기 도전성와이어의 단부에 볼이 형성되도록 할 수 있다.
또한 상기 제2태양에 있어서, 상기 레이저는 다이오드레이저를 이용할 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 반도체패키지의 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어 본딩 방법에 의하면, 도전성와이어의 볼이 항상 일정한 출력을 갖는 레이저로 형성됨으로써, 항상 도전성와이어의 볼이 균일한 크기 및 체적으로 형성되는 장점이 있다.
또한, 상기와 같은 장점은 최근의 파인피치화 경향에 따라, 크기 또는 넓이가 점차 작아지고 있는 입출력패드에 유리한 장점이 있다.
이하 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도2a 및 도2b는 본 발명에 의한 반도체패키지용 와이어 본딩 장치(100)의 주요 구성 및 이를 이용한 와이어의 볼 형성 방법을 도시한 상태도이고, 도2c는 레이저가 도전성와이어(20)에 입사되는 되는 상태를 도시한 상태도이다.
우선, 상부에 도전성와이어(20)가 감겨 있는 보빈(11)이 설치되어 있고, 상기 보빈(11)의 하단에는 상기 도전성와이어(20)를 클램핑 및 해제할 수 있도록 클램프(12)가 설치되어 있다. 또한, 상기 클램프(12)의 하단에는 초음파 발생부(도시되지 않음)로부터의 에너지를 전달하기 위한 트랜스듀서(13)가 설치되어 있고, 상기 트랜스듀서(13)에는 그것과 수직방향으로, 실제 도전성와이어(20)가 통과되어 본딩을 수행하는, 캐필러리(14)가 설치되어 있으며, 이러한 구조는 종래와 동일하다.
또한, 상기 캐필러리(14)와 일정거리 이격된 그 하부에는 와이어 본딩중 일정한 열을 공급하는 히트블럭(33)이 위치되어 있으며, 상기 히트블럭(33) 상면에는 반도체칩(31)이 탑재 및 접착된 섭스트레이트(32)가 안착되어 있다.
여기서, 본 발명의 특징은 상기 캐필러리(14)를 통과한 도전성와이어(20)의 단부에 볼(21)을 형성하는 볼 형성부(15)가 레이저라는데 있다. 즉, 상기 볼 형성부(15)는 상기 캐필러리(14)의 측부에 위치된 레이저 출력부(15a)와, 상기 레이저 출력부(15a)에 연결된 레이저 발생부(15b)로 이루어져 있다.
상기 레이저 발생부(15b)는 통상적으로 반도체 레이저라고도 불리우는 다이오드 레이저를 사용함이 가장 바람직하다. 즉, 레이저에는 상기 다이오드 레이저외에도 CO2레이저, YAG 레이저, 루비 레이저, He-Ne 레이저 등이 있지만, 상기 다이오드 레이저처럼 그 크기가 작고, 가격이 저렴하면서 또한 취급이 간편한 것은 없기 때문이다.
또한, 상기 레이저 출력부(15a)는 도2c에 도시된 바와 같이 단부에 볼록렌즈(16)가 설치되어 있고, 상기 볼록렌즈(16)와 상기 도전성와이어(20) 사이의 거리는 상기 볼록렌즈(16)에 의한 레이저의 촛점거리(f)와 같게 형성될 수 있다. 이는 상기 레이저의 출력을 극대화하여 순간적으로 상기 도전성와이어(20)의 단부에 볼(21)을 형성하기 위함이다.
이러한 레이저 발생부(15b) 및 레이저 출력부(15a)로 이루어진 볼 형성부(15)는 항상 일정한 출력의 에너지를 발생하는 레이저의 특징상, 상기 도전성와이어(20)의 단부에 항상 일정 크기의 볼(21)이 형성되는 장점이 있다.
즉, 레이저는 물질이 들떠서 반전분포(물질에 빛에너지를 조사(照射)하여 들뜨게 하면 바닥준위(또는 하위의 들뜬준위)에 있는 원자수보다도 상위의 들뜬준위에 있는 원자수가 더 많아지는 현상) 상태에 있을 때, 1개의 원자가 어떤 계기로 빛을 내면서 상위의 들뜬준위로부터 하위의 들뜬준위로 옮겨지면 다른 들뜬 원자도 자극되어 위상이 같은 파장을 가진 빛을 차례차례 발생하는 현상(즉, 균일한 에너지를 방출하는 현상)에 의해, 상기 레이저는 매우 균일한 에너지를 가지며, 이러한 성질을 이용하기 때문에 상기 도전성와이어(20)의 단부에 형성된 볼(21)의 크기는 항상 일정하게 된다.
상기한, 와이어 본딩 장치(100)는 통상 고온의 히트블럭(33) 상면에 섭스트레이트(32)가 안착된 후, 상기 캐필러리(14)에 초음파 에너지가 전달되는 동시에,본딩되는 영역에도 열이 가해져, 반도체칩(31)의 입출력패드에는 도전성와이어(20)가 볼본딩되고, 섭스트레이트(32)의 회로패턴에는 스티치본딩이 수행된다.
이를 좀더 자세히 설명하면, 먼저 캐필러리(14) 하단으로 인출된 도전성와이어(20)의 단부에 상기 볼 형성부(15)의 레이저 출력부(15a)로부터의 레이저가 상기 도전성와이어(20)의 단부에 입사되도록 함으로써, 상기 도전성와이어(20)의 단부에 순간적으로 일정형태의 볼(21)이 형성되도록 한다.
이어서, 상기 캐필러리(14)는 첫번째 본딩될 위치 즉, 반도체칩(31)의 입출력패드 상부로 이동하고, 상기 클램프(12)에 의해 상기 볼(21)은 캐필러리(14) 단부에 밀착된 후, 상기 반도체칩(31)의 입출력패드 표면에 상기 볼(21)이 융착된다. 즉, 상기 도전성와이어(20)의 단부가 상기 반도체칩(31)의 입출력패드에 볼본딩된다. 물론, 이때 상기 캐필러리(14)에는 초음파 에너지가 전달되고, 상기 입출력패드에는 히터블럭으로부터 일정한 열이 제공되어 본딩이 양호하게 이루어지도록 한다.
계속해서, 상기 캐필러리(14)는 일정한 와이어 루프(Wire Loop)를 형성하며, 상기 도전성와이어(20)의 다른 영역을 섭스트레이트(32)의 회로패턴에 스티치 본딩하게 된다. 이때에도, 상기 캐필러리(14)부터는 초음파 에너지가 전달되고, 또한 상기 회로패턴에는 히트블럭(33)으로부터 일정한 열이 제공된다.
상기와 같은 스티치 본딩이 완료된 후에는 상기 캐필러리(14)가 일정 높이 상승되고, 이어서 클램프(12)가 도전성와이어(20)를 클램한 후, 상기 캐필러리(14)가 약간 더 상승함으로써, 상기 스티치 본딩된 영역의 도전성와이어(20)가 절단된다.
상기와 같은 동작이 완료된 후에는 이어서 첫번째 본딩을 다시 수행하기 위해, 상기 볼 형성부(15)를 이용함으로써, 도전성와이어(20)의 단부에 볼(21)을 형성하게 된다.
여기서, 상기 볼 형성은 상기 도전성와이어(20)를 향하는 레이저의 경로에 볼록렌즈(16)를 형성하고, 이 볼록렌즈(16)의 촛점이 상기 도전성와이어(20)에 설정되도록 함으로서, 상기 볼(21)의 형성이 보다 신속하고 정확하게 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 레이저는 CO2레이저, YAG 레이저, 루비 레이저, He-Ne 레이저 등도 사용할 수 있지만, 크기나 취급의 편의성에 있어서 다이오드 레이저를 이용함이 바람직하다.
이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만 여기에만 한정되지 않으며, 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지로 변형된 실시예도 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 의한 반도체패키지의 와이어 본딩 장치 및 이를 이용한 와이어 본딩 방법에 의하면, 도전성와이어의 볼이 항상 일정한 출력을 갖는 레이저로 형성됨으로써, 도전성와이어의 볼이 항상 균일한 크기 및 체적으로 형성되는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 효과에 의해 부수적으로 최근의 파인피치화 경향에 따라,크기 또는 넓이가 점차 작아지고 있는 입출력패드에도 상기 도전성와이어를 용이하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 초음파 발생부로부터 초음파 에너지를 전달하는 트랜스듀서와, 상기 트랜스듀서의 단부에 설치되어 도전성와이어를 반도체칩의 입출력패드와 섭스트레이트의 회로패턴에 연결하는 캐필러리와; 상기 캐필러리를 통해 인출된 도전성와이어의 단부에 볼을 형성하는 볼 형성부로 이루어진 반도체패키지용 와이어 본딩 장치에 있어서,
    상기 볼 형성부는, 상기 도전성와이어의 단부에 일정출력의 레이저를 출력하는 레이저 출력부와, 상기 레이저 출력부로 일정 출력의 레이저를 제공하는 레이저 발생부로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체패키지용 와이어 본딩 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 출력부의 단부에는 볼록렌즈가 설치되어 있고, 상기 볼록렌즈와 상기 도전성와이어 사이의 거리는 상기 볼록렌즈에 의한 레이저의 촛점거리와 같게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체패키지용 와이어 본딩 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저 발생부는 다이오드에 의해 레이저가 발생되는 것을 특징으로 하는 반도체패키지용 와이어 본딩 장치.
  4. 캐필러리로부터 인출된 도전성와이어의 단부에 일정크기의 볼을 형성하는 단계와, 상기 도전성와이어의 볼을 반도체칩의 입출력패드에 볼본딩하는 단계와, 상기 도전성와이어의 타단을 섭스트레이트의 회로패턴에 스티치본딩하는 단계로 이루어진 반도체패키지용 와이어 본딩 방법에 있어서,
    상기 볼 형성 단계는 레이저가 상기 도전성와이어의 단부에 발사되어 이루어짐을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 볼 형성 단계는 상기 도전성와이어를 향하는 레이저의 경로에 볼록렌즈를 형성하고, 상기 볼록렌즈의 촛점이 상기 도전성와이어에 설정되도록 하여 상기 도전성와이어의 단부에 볼이 형성되도록 함을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 레이저는 다이오드 레이저가 이용됨을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100435899B1 (ko) * 2001-12-28 2004-06-12 동부전자 주식회사 캐필러리 위치보정장치

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