반도체 후공정 Wire Bonding(와이어 본딩) 공정 이란? 금속 선으로 연결하기

 *목차*

1. Wire Bonding(와이어 본딩) 공정 이란?

2. Wire Bonding 재료(Material)

3. Wire Bonding 종류

1. Wire Bonding(와이어 본딩) 공정 이란?

와이어 본딩(Wire Bonding) 공정이란

앞 공정을 마치고 완성된 반도체 Chip의 회로를

외부 디바이스와 전기적으로 연결하기 위한 공정이에요.

이름 그대로 외부와 연결하여 전기적 신호가 통할 수 있도록

반도체 Chip가 외부 회로를 '금속 선(Wire)'으로 연결하는 공정이에요.

전자 회로를 구성할 때, 전선을 납땜에서 연결하는 것과 비슷한 느낌이에요.

대신 반도체 Chip 크기에 맞게 매우 가느다란 금속 선으로 연결해요.

반도체 Chip을 외부 디바이스와 연결하기 위해서는

우선 반도체 Chip을 전용 '케리어(Carrier)' 위에 붙이고

Chip과 Carrier를 가느다란 금속 선으로 연결해요.

그러면 외부와 독립되어 있던 반도체 Chip 회로가

Carrier를 통해서 전기적으로 연결이 돼요.

Chip과 Carrier 표면에는

금속 선(Wire)이 붙어서 연결될 수 있도록 같은 금속 물질의 'Bonding Pad'가 만들어져 있어요.

Pad와 Pad를 금속 선으로 연결하면 돼요.

2. Wire Bonding 재료(Material)

2.1 Wire

-. Wire Bonding에서 사용되는 금속 선은

보통 금(Gold, Au), 알루미늄(Aluminum, Al), 구리(Copper, Cu)를 사용해요.

위 금속 물질 중에서 '금(Gold, Au)'를 주로 사용한다고 하는데요.

그 이유는

반도체 디바이스에서 전기적인 신호가 빠르고 손실 없이 잘 이동해야 하는데

위 금속 물질 중에서 '금(Gold, Au)'가 전기 전도율이 좋아요.

또 화학적으로 안정적이고 부식에 강해서

Wire의 산화(부식)으로 인한 Chip 성능 저하 문제를 막을 수 있어요.

또, Gold는 경도(Hardness)는 매우 약하지만, 강도(Strength)가 강해서

얇은 판이나 실로 가공이 용이해요. 

Wire Bonding을 할 때 Ball 형성과 루프(Loop) 형성이 알맞게 돼요.

반면, 알루미늄이나 구리는 Loop 형성 시 잘 끊어지고

공정에서 고온과 강한 압력이 요구되기 때문에 제약이 많은 편이에요.

그리고 부식으로 인한 Chip 성능 저하 우려가 있어서

두 가지 금속 보다는 Gold를 주로 사용한다고 해요.

2.2 Carrier

-. Carrier로 사용되는 기판으로 초창기에는 '리드 프레임(Lead Frame)'을 사용하였으나

최근에는 기술 발전으로 'PCB'를 주로 사용한다고 해요.

'리드 프레임(Lead Frame)'은 반도체 Chip과 외부 회로를 연결하는 '전선(Lead)' 역할을 하면서

반도체 패키지를 기판에 고정하는 '버팀대(Frame)' 역할을 하는 '금속 기판'이에요.

반도체 Chip 전기 회로를 외부와 연결하면서

습기, 충격 등 외부 환경으로부터 Chip 보호해줘요.

'PCB'는 'Printed Circuit Board'의 약자로 번역하면 '인쇄회로기판'이에요.

'페놀'이나 '에폭시' 등 절연판 위에 '금속 배선'이 가늘게 그려진 기판을 말해요.

배선은 주로 '구리(Copper, Cu)'로 그려져 있어요.

3. Wire Bonding 종류

Wire Bonding 종류에는 크게 3가지 방식이 있어요.

3.1 열압착(Thermocompression) 방식

-. 열압착(Thermocompression) 방식은

본딩하기 전에 'Bonding Pad'를 약 200℃로 예열하고

'캐피러리(Capillary)'의 팁(Tip, 끝단)도 온도를 높여서

Wire의 끝을 'Ball' 형태로 만들어줘요.

그리고 Capillary를 통해 Pad 위해서 '압력(Pressure)'를 가해서

Wire와 Pad를 접합해요.

**Capillary : 모세관 형태로 Wire가 지나가는 통로.

3.2 초음파(Ultrasonic) 방식

-. Bonding Pad 위에 Wire를 작은 힘으로 찍어 내리고

'웨지(Wedge)'에 '초음파(Ultrasonic)'을 가해서 Wire와 Pad를 붙이는 방식이에요.

공정이 저렴하다는 장점이 있지만

접합강도가 약하다는 단점이 있어서 잘 사용하지 않는다고 해요.

3.3 열초음파(Thermersonic) 방식

-. 반도체 공정에서 일반적으로 사용되는 방식으로

'열압착(Thermocompression)' 방식과 '초음파(Ultrasonic)' 방식의 장점을 합한 방식이에요.

'Capillary'를 통해서 '열(Heat)', '압력(Pressure)', '초음파(Ultrasonic)'를 가하는데

최적의 조건으로 본딩을 할 수 있어요.

참고로 본딩 강도가 중요한 후공정(Back-End)에서는

고가임에도 불구하고 Gold Wire를 사용한 '열초음파(Thermersonic)' 방식을 주로 적용한다고 해요.