WO2023022383A1

WO2023022383A1 - 비파괴 방식을 이용한 와이어 본딩 검사 방법

Info

Publication number: WO2023022383A1
Application number: PCT/KR2022/010902
Authority: WO
Inventors: 정석원; 오현민; 박건태; 강춘권
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2023-02-23
Also published as: EP4306942A1; KR20230026621A; JP2024507548A; US20240265522A1; CN116917717A; EP4306942A4

Abstract

본 발명은 비파괴 방식을 이용하여 배터리 시스템에 적용된 와이어 본딩(Wire bonding)의 불량여부를 검사하는 방법으로서, a) 와이어 본딩부를 카메라를 사용하여 촬영하는 단계, b) 상기 본딩부의 면적을 계산하는 단계 및 c) 계산된 상기 본딩부의 면적을 바탕으로 상기 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 단계를 포함하는 와이어 본딩 검사 방법에 관한 것이다.

Description

비파괴 방식을 이용한 와이어 본딩 검사 방법

본 출원은 2021년 8월 18일자 한국 특허 출원 제2021-0108421호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 발명은 비파괴 방식을 이용하여 배터리 시스템에 적용된 와이어 본딩의 불량여부를 검사하는 방법에 관한 것이다.

스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.

이와 같이 복수의 배터리 셀을 이용하여 배터리 모듈 또는 배터리 팩과 같은 배터리 시스템을 제조 시에는 배터리 셀과 배터리 셀 사이 또는 배터리 셀과 버스바 등과 같은 부품 사이에 전기적 연결이 필요하다.

이러한 전기적 연결의 한 방법으로 와이어 본딩(Wire bonding)이 사용되고 있으며, 와이어 본딩에 문제가 있으면 차후 배터리 시스템 전체의 문제를 야기할 수 있으므로, 와이어 본딩 후 불량 여부를 검사하는 과정이 중요하다.

그러나, 종래에는 본딩부를 잡아당겨 인장강도를 측정하는 당김 검사 방법이 주로 사용되고 있으나, 당김 검사 방법은 와이어 본딩부가 파괴되는 방법이므로, 생산되는 제품 중 일부만을 샘플링하여 검사할 수밖에 없고, 약본딩을 정확하게 검출할 수 없는 한계가 있다.

한편, 와이어 본딩의 소재로는 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등이 있으며, 이중 골드 와이어는 반도체 공정에서 주로 사용되며, 배터리 시스템에 사용되는 와이어 본딩의 소재로는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등이 사용되고 있다.

또한, 와이어 본딩의 방법으로는 열압착 방법, 초음파 방법, 열초음파 방법 등 다양한 방법이 사용된다.

특히 반도체 공정에서는 주로 열초음파 방법의 골드볼 와이어 본딩이 주로 사용되나, 배터리 시스템에서는 주로 알루미늄 와이어 또는 구리 와이어를 초음파로 본딩하는 방법이 사용된다는 점에서 차이가 있다.

따라서, 본딩부의 형태나 면적 등이 배터리 시스템과 반도체 공정은 차이가 있으므로, 반도체 공정과는 다른 형태의 본딩부 불량 검사 방법이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본딩부를 촬영하여면적을 계산하고 이를 비교하는 비파괴 검사 방법을 사용하여 와이어 본딩의 불량 여부를 검사하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 비파괴 방식을 이용하여 배터리 시스템에 적용된 와이어 본딩의 불량여부를 검사하는 방법으로서, a) 와이어 본딩부를 카메라를 사용하여 촬영하는 단계, b) 상기 본딩부의 면적을 계산하는 단계 및 c) 계산된 상기 본딩부의 면적을 바탕으로 상기 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 b) 단계가 촬영된 상기 본딩부와 주변부의 명암차를 이용하여 면적을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 b) 단계가 상기 본딩부의 면적과 본딩 전 와이어의 면적을 비교하여 상기 본딩 전 와이어 면적 대비 상기 본딩부의 상대 면적(%)을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 c) 단계가 c-1) 상기 본딩부의 상대 면적을 정상 본딩부의 상대 면적 데이터와 비교하여 불량 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 정상 본딩부의 상대 면적 데이터가 기존의 검사 방법으로 정상 판정된 복수의 본딩부로부터 계산된 상대 면적의 누적 데이터인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 c) 단계가 c-2) 상기 본딩부의 중심을 기준으로 좌우 면적을 비교하여 상기 좌우 면적의 대칭 정도가 허용 범위에 포함되는지 여부로 불량을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 허용 범위가 기존의 검사 방법으로 정상 판정된 복수의 본딩부로부터 측정된 좌우 대칭의 누적 데이터인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법은 상기 c) 단계는 상기 c-1) 단계와 c-2) 단계 중 하나 이상의 단계가 불량 판정 시 상기 와이어 본딩을 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 배터리 시스템은 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법 중 어느 하나의 방법으로 검사한 와이어 본딩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 디바이스는 본 발명에 따른 배터리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 와이어 본딩 검사 방법은 초음파를 이용한 비파괴 방식으로, 배터리 시스템에 적용된 와이어 본딩부의 파손없이 검사를 실시할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 와이어 본딩 검사 방법은 기존의 검사 방법으로 검출이 어려웠던 약본딩에 의한 불량을 용이하게 검출할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상대 면적을 비교하는 방법으로 불량 여부를 판단한 와이어 본딩부를 나타낸 사진이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩부 좌우 면적의 대칭 정도를 비교하는 방법으로 불량 여부를 판단한 와이어 본딩부를 나타낸 사진이다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우만이 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 와이어 본딩 검사 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 와이어 본딩 검사 방법은 비파괴 방식의 검사 방법을 사용하여 와이어 본딩의 불량 여부를 검사하는 방법이다.

구체적으로, 검사하고자 하는 와이어 본딩부를 카메라를 사용하여 촬영하는 단계, 촬영된 본딩부의 면적을 계산하는 단계 및 계산된 본딩부의 면적을 바탕으로 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하여 검사 방법을 각 단계별로 상세하게 살펴보면, 먼저 카메라를 사용하여 와이어 본딩부를 촬영하는 단계는 CCD 카메라 등의 공지의 촬영 수단을 사용하여 촬영하는 단계로, 도 1에 나타난 바와 같이 와이어 및 와이어 본딩부는 밝게 나타나고, 그 주변부는 어둡게 나타난다.

촬영된 본딩부의 면적을 계산하는 단계는 도 1과 같은 촬영 결과를 Black&White 알고리즘을 사용하여 본딩부와 주변부의 명암차로부터 본딩부의 면적을 계산하고, 계산된 본딩부의 면적과 본딩 전 와이어의 면적을 비교하여 상대 면적(%)을 계산하는 단계를 포함한다.

다음으로, 계산된 본딩부의 면적을 바탕으로 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 단계는 본딩부의 상대 면적을 기존의 검사 방법으로 검사하여 정상으로 판정된 복수의 본딩부로부터 계산된 상대 면적의 누적 데이터와 비교하는 단계를 포함한다.

이와 같이 기존의 검사 방법으로 검사하여 정상으로 판정된 복수의 본딩부로부터 계산된 누적 데이터의 상대 면적의 범위는 약 140-200%이다.

즉, 도 1에 나타낸 바와 같이 본딩부의 상대 면적이 140-200%의 범위인 경우에는 양품으로 간주하고, 140% 이하이거나 200%를 초과하는 경우에는 불량으로 판정할 수 있는데, 구체적으로 상대 면적이 140% 이하인 경우는 약본딩에 의한 불량으로 간주하며, 200%를 초과하는 경우에는 과본딩에 의한 불량으로 간주할 수 있다.

그러나, 이와 같은 상대 면적의 크기를 비교하는 것 만으로는 와이어 본딩의 불량을 정확하게 검출하지 못하는 경우가 발생할 수 있으므로, 좀 더 정확한 불량 판단을 위해서는 상기의 단계에 더하여 추가적인 불량 판단 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에서는 불량 여부를 판단하는 단계는 본딩부의 상대 면적을 정상 본딩부의 상대 면적 데이터와 비교하여 불량 여부를 판단하는 단계에 더하여, 본딩부의 중심을 기준으로 좌우 면적을 비교하여 좌우 면적의 대칭 정도가 허용 범위에 포함되는지 여부로 불량을 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 2를 참조하여 본딩부 좌우 면적의 대칭 정도를 비교하는 방법으로 불량 여부를 판단하는 단계에 대하여 살펴보면, 예를 들어 본딩부의 상대 면적이 140-200%의 범위를 만족하더라도, 도 2에 나타낸 바와 같이 와이어 본딩부의 중심을 기준으로 좌우의 대칭 정도에 차이가 있을 수 있다.

기존의 검사 방법으로 정상 판정된 와이어 본딩부와 불량 판정된 와이어 본딩부를 비교한 결과 이러한 좌우의 대칭 정도의 차이가 있고, 이를 통하여 와이어 본딩의 불량 여부를 판단할 수 있다.

구체적으로, 정상으로 판정된 복수의 본딩부로부터 계산된 좌우 상대 면적의 차이가 20%이내인 경우 정상 본딩으로 간주할 수 있는 허용 범위이다.

즉, 본딩부의 상대 면적이 140-200%의 범위를 만족하더라도, 본딩부 좌우의 상대 면적 차이가 20%를 초과하는 경우에는 불량으로 간주할 수 있다.

따라서, 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 단계는 위에서 살펴본 상대 면적의 범위가 정상 범위인지를 비교하는 단계만이 아니라, 본딩부의 좌우 대칭 정도를 비교하는 단계를 포함함으로써 더 높은 정확도로 와이어 본딩부의 불량 여부를 판단할 수 있게 된다.

이와 같이 상기의 두 단계 중 어느 하나의 단계에서라도 불량으로 판정되면 해당 와이어 본딩부는 불량으로 판정하게 된다.

물론, 상기 상대 면적의 범위를 비교하는 단계 및 좌우 대칭 정도를 비교하는 두 단계 모두를 적용하는 것에 비하여 정확도에서 차이가 있을 수 있으나, 경우에 따라 상기 두 단계 중 하나의 단계만을 사용하여 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 것도 가능하다.

또한, 상기의 두 단계를 진행하는 순서는 특별히 한정되지 않고, 본딩부 좌우 면적의 대칭 정도를 비교하는 것으로 불량 여부를 판단하는 단계가 먼저 진행되거나, 두 단계가 동시에 진행되는 것 모두 가능하다.

한편, 본 발명의 와이어 본딩 검사 방법은 비파괴 방식이므로, 와이어 본딩 검사를 진행한 배터리 시스템을 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등 다양한 디바이스에 사용할 수도 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

Claims

비파괴 방식을 이용하여 배터리 시스템에 적용된 와이어 본딩(Wire bonding)의 불량여부를 검사하는 방법으로서,

a) 와이어 본딩부를 카메라를 사용하여 촬영하는 단계;

b) 상기 본딩부의 면적을 계산하는 단계; 및

c) 계산된 상기 본딩부의 면적을 바탕으로 상기 와이어 본딩의 불량 여부를 판단하는 단계;

를 포함하는 와이어 본딩 검사 방법.
제1항에 있어서, 상기 b) 단계는 촬영된 상기 본딩부와 주변부의 명암차를 이용하여 면적을 계산하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제1항에 있어서, 상기 b) 단계는 상기 본딩부의 면적과 본딩 전 와이어의 면적을 비교하여 상기 본딩 전 와이어 면적 대비 상기 본딩부의 상대 면적(%)을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제3항에 있어서, 상기 c) 단계는 c-1) 상기 본딩부의 상대 면적을 정상 본딩부의 상대 면적 데이터와 비교하여 불량 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제4항에 있어서, 상기 정상 본딩부의 상대 면적 데이터는 기존의 검사 방법으로 정상 판정된 복수의 본딩부로부터 계산된 상대 면적의 누적 데이터인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제4항에 있어서, 상기 c) 단계는 c-2) 상기 본딩부의 중심을 기준으로 좌우 면적을 비교하여 상기 좌우 면적의 대칭 정도가 허용 범위에 포함되는지 여부로 불량을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제6항에 있어서, 상기 허용 범위는 기존의 검사 방법으로 정상 판정된 복수의 본딩부로부터 측정된 좌우 대칭의 누적 데이터인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제6항에 있어서, 상기 c) 단계는 상기 c-1) 단계와 c-2) 단계 중 하나 이상의 단계가 불량 판정 시 상기 와이어 본딩을 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 검사 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 검사한 와이어 본딩을 포함하는 배터리 시스템.
제9항의 배터리 시스템을 포함하는 디바이스.