볼 본딩

Ball bonding
트랜지스터 다이 위에 볼 본딩된 금선

볼 본딩은 와이어 본딩의 한 종류로, 반도체 소자 제작 시 맨 실리콘 다이와 패키지의 리드 프레임 사이에 전기적 상호연결을 하는 가장 일반적인 방법이다.

금이나 구리선은 산화물이 용접에 문제가 되지 않기 때문에 금을 사용하는 것이 더 일반적이지만, 금이나 구리선을 사용할 수 있다. 구리 와이어를 사용할 경우 와이어 본딩 과정에서 구리 산화물이 형성되지 않도록 질소를 커버 가스로 사용해야 한다. 구리도 금보다 단단해 칩 표면이 손상될 가능성이 크다. 그러나 구리는 금보다 싸고 전기적 특성이 우수해 여전히 강력한 선택으로 남아 있다.[1]

거의 모든 현대적인 볼 본딩 공정은 열, 압력, 초음파 에너지를 조합하여 와이어의 양쪽 끝에서 용접을 한다. 사용되는 와이어는 직경이 15µm 정도로 작을 수 있으며, 따라서 여러 용접부가 사람의 머리카락 너비에 걸쳐 적합할 수 있다.

볼 본더를 처음 본 사람은 보통 그 작동을 재봉틀의 그것과 비교한다. 사실 모세관이라고 불리는 바늘과 같은 일회용 도구가 있는데, 이 도구를 통해 전선이 공급된다. 전선에 고전압 전하가 가해진다. 이것은 모세관 끝에 있는 철사를 녹인다. 철사 끝은 용해된 금속의 표면 장력 때문에 공 모양으로 형성된다.

(1) 볼 형성 및 (2) 볼 본드 형성을 포함한 볼 본딩 프로세스
(3) 루프 형성 및 (4) 테일 본딩 형성을 포함한 볼 본딩 프로세스

공은 빠르게 응고되고 모세관은 칩 표면으로 내려가며, 일반적으로 최소 125°C까지 가열된다. 그런 다음 기계가 모세관을 밀어내고 부착된 변환기로 초음파 에너지를 가한다. 열, 압력 및 초음파 에너지를 결합하면 구리 또는 금덩이와 칩 표면(대개 구리 또는 알루미늄) 사이에 용접이 발생한다. 이것은 공정에 이름을 붙이는 이른바 볼 본드다.([2]반도체 제조의 올 알루미늄 시스템은 부서지기 쉬운 금-알루미늄 간 화합물인 '퍼플 페스트(purple past)'를 제거하며, 때로는 순금 본딩 와이어와 관련되기도 한다. 이 특성은 알루미늄이 초음파 접합에 이상적이다.)

완성된 볼 본드 와이어 연결부 다이어그램

다음으로 전선은 모세관을 통해 전달되며 기계는 몇 밀리미터 이상으로 칩을 연결해야 하는 위치(일반적으로 리드프레임이라고[3] 함)로 이동한다. 기계가 다시 표면으로 내려오는데, 이번에는 공을 만들지 않고 와이어가 리드프레임과 모세혈관 끝 사이에 찌그러지도록 한다. 이번에는 표면이 보통 금, 팔라듐 또는 은으로 되어 있지만 용접은 같은 방식으로 이루어진다. 결과 용접은 볼 본드와 외관이 상당히 다르며, 쐐기 본드, 꼬리 본드 또는 간단히 제2 본드라고 한다.

마지막 단계에서 기계는 작은 길이의 와이어를 지불하고 클램프를 사용하여 표면에서 와이어를 찢어낸다. 이렇게 되면 모세관 끝에 작은 철사 꼬리가 매달려 있게 된다. 그런 다음 이 꼬리에 고전압 전하를 가하는 것으로 주기가 다시 시작된다.

공이 형성된 직후 와이어가 절단되는 과정을 스터드 범핑이라고도 한다. 스터드 범핑은 칩을 패키지(SIP) 모듈에 시스템에 쌓을 때 사용된다.[4]

현재의 최첨단 기계(2003년 기준)는 이 사이클을 초당 약 20회 반복할 수 있다. 현대의 볼 본더는 완전히 자동적이며 본질적으로 시각 시스템, 센서, 복잡한 서보 시스템을 갖춘 자급자족 산업용 로봇이다.

볼 본딩 변환기

압전 변환기는 볼 본딩 과정에서 초음파 에너지를 공급하는데 사용된다. 이러한 변환기는 볼트 클램프 변환기 또는 랜지빈 변환기로 알려져 있다. 그것들은 금속 부품과 압전 소자로 구성되며, 모두 볼트로 고정된다. 이 변환기는 모세관에 횡방향 초음파를 도입하기 위해 횡방향 진동 공진 주파수에서 작동한다. 변환기의 측면 방향을 따라, 노달 지점(대변위)과 반선결 지점(변위 없음)이 존재한다. 압전 소자는 교대 전압(공명 주파수에 있을 예정)의 흥분으로 팽창하고 수축하여 구조물의 공진 진동을 흥분시킨다. 일반적으로 인가 전압에 대한 전기장을 증가시키기 위해 몇 개의 요소가 쌓인다(스트레스는 전기장에 비례하여 생성된다). 압전 소자에서 구조로 에너지 전달을 극대화하기 위해 변형률이 높고 응력이 높은 노드에 배치한다. 동시에 주변으로 에너지 손실을 최소화하기 위해 변환기를 반음극(변위 없음)으로 고정한다.[5]

일반적인 볼 본딩 변환기. 이 변환기는 세 번째 공진 주파수(안티노드 4개 및 노드 3개)에서 작동한다.

변환기의 앞쪽 끝에서 테이퍼형 경음기를 사용하여 진동을 확대한다. 선형 테이퍼 또는 포물선 테이퍼와 같이 원하는 결과를 얻기 위해 다른 테이퍼링 프로파일을 사용할 수 있다. 경음기의 테이퍼는 단면적을 감소시켜 초음파 에너지 밀도가 더 커지게 하고, 그 결과 끝 부근의 변위가 더 많아지게 된다. 모세관은 이러한 이유로 끝 가까이에 배치된다. 모세관에서는 고차 벤딩 모드가 흥분되는데, 이는 상당히 이상적이다. 이러한 효과를 완화하기 위해 모세관 클램핑 위치를 모세관의 안티노드로 조정한다. 이상적으로는 모세관이 짧을 수 있지만, 이 결합은 지역에 닿기 어려운 상태에서 이루어져야 하기 때문에 이것이 가능하지 않다.[5]

볼트는 경음기를 끼워서 전체 구조물을 고정시킨다(구성에 따라 다름). 성능을 최적화하려면 정확한 사전 로드를 관리해야 한다. 피에조 세라믹은 긴장에 약하기 때문에, 큰 프리로드를 사용하면 세라믹은 편향 스트레스로 인해 대부분 압축적으로 작동하게 된다.[5]

참고 항목

참조

  1. ^ "Copper (Cu) Wire Bonding or Copper Wirebonding". www.siliconfareast.com.
  2. ^ "AMETEK Electronic Components and Packaging, a world leading producer of end to end electronic packaging solutions for harsh environments and reliability sensitive applications". www.coininginc.com.
  3. ^ "Lead Frames or Leadframes - Page 1 of 2". www.siliconfareast.com.
  4. ^ "AMETEK Electronic Components and Packaging, a world leading producer of end to end electronic packaging solutions for harsh environments and reliability sensitive applications". www.coininginc.com.
  5. ^ a b c Yan, Tian-Hong; et al. (24 June 2009). "Design of a Smart Ultrasonic Transducer for Interconnecting Machine Applications". Sensors. 9 (6): 4986–5000. Bibcode:2009Senso...9.4986Y. doi:10.3390/s90604986. PMC 3291949. PMID 22408564.