와이어 본딩

Wire bonding
실리콘 다이에 볼 본딩된 금선
BC160 트랜지스터 다이에 웨지 본딩된 알루미늄 와이어
금선으로 접합된 게르마늄 다이오드 OA7
전원 패키지의 상호 연결은 두꺼운(250~400μm), 웨지 본딩된 알루미늄 와이어를 사용하여 이루어집니다.
와이어 본드 BGA 패키지 내.이 패키지에는 Nvidia GeForce 256 GPU가 탑재되어 있습니다.

와이어 본딩은 집적회로(IC) 또는 다른 반도체 소자와 반도체 소자 제조 중에 그 패키지 간에 상호 접속을 하는 방법입니다.와이어 본딩은 일반적이지 않지만 IC를 다른 전자제품에 연결하거나 인쇄회로기판(PCB)에서 다른 전자제품으로 연결하는 데 사용할 수 있습니다.와이어 본딩은 일반적으로 가장 비용 효율적이고 유연한 상호접속 기술로 간주되며 대부분의 반도체 패키지를 조립하는 데 사용됩니다.와이어 본딩은 100GHz [1]이상의 주파수에서 사용할 수 있습니다.

자재

본드와이어는 보통 다음 재료 중 하나로 구성됩니다.

와이어 직경은 10μm 미만부터 시작되며, 고출력 애플리케이션에서는 최대 수백 마이크로미터까지 가능합니다.

와이어 본딩 산업은 금에서 [2][3][4]구리로 변화하고 있다.이러한 변화는 금의 가격 상승과 비교적 안정적이고 훨씬 낮은 구리 가격 때문에 촉발되었다.구리는 금보다 열 및 전기 전도율이 높지만 경도와 부식에 대한 민감성 때문에 이전에는 신뢰성이 떨어지는 것으로 여겨져 왔습니다.2015년까지 사용 중인 모든 와이어 본딩 기계의 3분의 1 이상이 [5]구리용으로 설치될 것으로 예상됩니다.

구리선은 많은 반도체 및 마이크로 전자 애플리케이션에서 와이어 본딩 인터커넥트에 선호되는 재료 중 하나가 되었습니다.구리는 10마이크로미터(0.00039인치)에서 최대 500마이크로미터(0.02인치)[6]의 미세 와이어 볼 본딩에 사용됩니다.구리 와이어는 더 작은 직경으로 사용할 수 있어 높은 재료 비용 없이 금과 동일한 성능을 제공합니다.

최대 500마이크로미터(0.02인치)[7]의 구리 와이어를 성공적으로 웨지 접합할 수 있습니다.큰 직경의 구리 와이어는 높은 전류 전달 용량이 필요하거나 복잡한 형상에 문제가 있는 알루미늄 와이어를 대체할 수 있습니다.제조원이 사용하는 어닐링 및 프로세스 단계는 다이 손상 없이 큰 직경의 구리 와이어를 사용하여 실리콘에 쐐기 접합할 수 있는 능력을 향상시킵니다.

구리 와이어는 금 및 알루미늄보다 단단하기 때문에 접합 매개변수를 엄격하게 관리해야 합니다.산화물의 형성은 이 물질에 내재되어 있기 때문에 저장 및 저장 수명은 고려해야 할 문제입니다.구리선을 보호하고 유통기한을 연장하려면 특별한 패키징이 필요합니다.팔라듐 코팅 구리선은 순수한 구리보다 경도가 높고 금보다는 비싸지만 부식에 대한 상당한 내성을 보이는 일반적인 대안입니다.와이어 본드를 제작할 때 구리 와이어와 그 도금 품종은 부식을 방지하기 위해 가스[95% 질소, 5% 수소] 또는 유사한 무산소 가스가 있는 상태에서 작업해야 한다.구리의 상대적 경도에 대처하는 방법은 고순도 [5N+] [5]품종을 사용하는 것입니다.

빨간색, 녹색, 파란색 표면 마운트 LED 패키지(골드 와이어 본딩 세부 사항 포함).

보통 볼 본딩에는 제어된 양의 베릴륨 및 기타 원소가 도핑된 순금 와이어가 사용됩니다.이 공정은 열, 압력 및 초음파 에너지를 사용하여 결합해야 하는 두 가지 재료를 하나로 결합합니다.서모소닉 본딩에서 가장 일반적인 방법은 칩에 볼 본딩한 다음 기판에 스티치 본딩하는 것입니다.가공 중 매우 엄격한 제어는 루프 특성을 향상시키고 처짐을 제거합니다.

접합부 크기, 접합 강도 및 전도도 요건은 일반적으로 특정 와이어 본딩 용도에 가장 적합한 와이어 크기를 결정합니다.일반적인 제조업체는 8마이크로미터(0.00031인치) 이상의 직경으로 금선을 만듭니다.금선 직경의 생산 공차는 +/-3%입니다.

합금 알루미늄 와이어는 일반적으로 순수한 알루미늄 와이어보다 선호됩니다. 고전류 디바이스는 제외됩니다.이는 미세 사이즈에 대한 인출이 용이하고 완성 디바이스의 풀 테스트 강도가 높기 때문입니다.순 알루미늄과 0.5% 마그네슘 알루미늄은 일반적으로 100마이크로미터(0.0039인치)보다 큰 크기로 사용됩니다.

반도체 제조의 올 알루미늄 시스템은 순금 본딩 와이어와 관련된 "보라색 페스트"(금-알루미늄 간 금속 화합물)를 제거합니다.알루미늄은 특히 열전성 접합에 적합합니다.

고속으로 고품질 본드를 얻을 수 있도록 1% 실리콘 알루미늄 와이어를 제조할 때 특별한 제어를 사용합니다.이런 유형의 고급 본딩 와이어의 가장 중요한 특징 중 하나는 합금 시스템의 균질성이다.제조 공정에서는 균질성에 특히 주의를 기울인다.실리콘-알루미늄 와이어 1%의 완성 로트의 합금 구조에 대한 현미경 검사를 일상적으로 실시한다.또한 표면 청결도와 매끄러운 마무리를 궁극의 조건으로 가공이 수행되며 완전히 스내그가 없는 디릴링이 가능합니다.

부착 기술

프린트 회로 기판의 금 전극과 사파이어 기판의 금 전극 사이의 알루미늄 와이어 초음파 웨지 접합 시연, 역접합 순서.

와이어 본딩의 주요 등급은 다음과 같습니다.

볼 본딩은 일반적으로 금 및 구리 와이어로 제한되며 일반적으로 열이 필요합니다.웨지 본딩의 경우 금선만 열을 필요로 합니다.웨지 본딩은 큰 직경의 와이어 또는 와이어 리본을 전력 전자 장치에 사용할 수 있습니다.볼 본딩은 직경이 작은 와이어로 제한되며 상호 연결 용도에 적합합니다.

어느 타입의 와이어 본딩에서도 와이어는 하향압력, 초음파 에너지 및 경우에 따라서는 열의 조합을 사용하여 양 끝에 부착되어 용접이 이루어집니다.열은 금속을 더 부드럽게 만들기 위해 사용된다.와이어 본드의 신뢰성과 강도를 최대화하기 위해 온도와 초음파 에너지의 올바른 조합을 사용합니다.열과 초음파 에너지를 사용하는 경우 이 과정을 열음성 결합이라고 합니다.

웨지 본딩에서는 와이어가 첫 번째 본딩에 따라 직선으로 그려져야 합니다.공구 정렬에 시간이 걸리기 때문에 공정이 느려집니다.그러나 볼 본딩은 와이어가 방향 선호가 없는 맨 위에 돌출된 상태에서 볼 형태로 첫 번째 결합을 형성합니다.따라서 와이어를 어떤 방향으로도 그릴 수 있으므로 더 빠른 공정을 할 수 있습니다.

준거 본딩은 적합하거나 삽입[8] 가능한 알루미늄 테이프를 통해 열과 압력을 전달하므로 실리콘 집적회로(빔 리드 집적회로)에 전기 성형된 금선 및 빔 리드를 접합하는 데 사용할 수 있습니다.

제조 및 신뢰성에 관한 과제

와이어 본드의 제조와 신뢰성에 관해서는, 복수의 과제가 있습니다.이러한 과제는 재료 시스템, 접합 매개변수 및 사용 환경과 같은 여러 매개변수의 함수인 경향이 있습니다.알루미늄-알루미늄(Al-Al), 골드-알루미늄(Au-Al), 구리-알루미늄(Cu-Al) 등 와이어 본드 패드 메탈 시스템에 따라 제조 매개 변수가 달라 동일한 사용 환경에서 다르게 작동합니다.

와이어 본드 제조

다양한 금속 시스템을 특성화하고, 중요한 제조 파라미터를 검토하며, 와이어 [9][10]본딩에서 발생하는 일반적인 신뢰성 문제를 식별하기 위해 많은 작업이 수행되었습니다.재료 선택과 관련하여 응용 및 사용 환경이 금속 시스템을 좌우할 것입니다.종종 결정을 내릴 때 전기적 특성, 기계적 특성 및 비용이 고려됩니다.예를 들어 공간 응용을 위한 고전류 장치는 밀폐된 세라믹 패키지에 큰 직경의 알루미늄 와이어 본드가 필요할 수 있습니다.비용이 큰 제약이라면 금선 채권을 피하는 것이 필수적일 수 있습니다.최근 자동차 분야에서 [11]구리 와이어 본드를 검토하는 작업이 수행되었습니다.다양한 애플리케이션에서 가장 잘 작동하는 재료 시스템을 검토하고 테스트하는 작업은 매우 다양하기 때문에 이는 소규모 샘플링에 불과합니다.

제조의 관점에서 본딩 파라미터는 본딩형성과 본딩품질에 중요한 역할을 한다.예를 들어 접합력, 초음파 에너지, 온도 및 루프 지오메트리와 같은 매개변수는 접합 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.제조 결함 및 신뢰성 문제에 대한 민감도에 영향을 미치는 와이어 본딩 기술(열모소닉 본딩, 초음파 본딩, 열압축 본딩)과 와이어 본딩 유형(볼 본딩, 웨지 본딩)이 있습니다.미세 피치 또는 복잡한 레이아웃에는 특정 재료와 와이어 직경이 더 실용적입니다.결합 패드는 금속화와 장벽 층의 스택업이 결합 형성에 영향을 미치기 때문에 중요한 역할을 합니다.

불량한 접합 품질 및 제조 결함으로 인해 발생하는 일반적인 고장 모드에는 볼 본드 넥의 파손, 힐 균열(웨지 본드), 패드 리프트오프, 패드 박리, 과압축 및 부적절한 금속 간 형성 등이 있습니다.와이어 본드 풀/시어 테스트, 비파괴 테스트 및 파괴물리분석(DPA)을 조합하여 제조 및 품질 문제를 선별할 수 있습니다.

와이어 본드의 신뢰성

와이어본드 제조는 본드 품질에 중점을 두는 경향이 있지만 와이어본드 신뢰성과 관련된 마모 메커니즘을 고려하지 않는 경우가 많습니다.이 경우 애플리케이션 및 사용 환경을 이해하면 신뢰성 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다.와이어 본드 장애의 원인이 되는 환경의 일반적인 예로는 온도 상승, 습도 및 온도 [12]순환이 있습니다.

온도가 상승할 경우 금속간(IMC)이 과도하게 증가하면 깨지기 쉬운 파단점이 발생할 수 있습니다.다양한 금속 시스템의 금속 간 형성과 노화를 특징짓기 위해 많은 작업이 수행되었습니다.이것은 와이어 본드와 본드 패드가 Al-Al과 같은 소재인 금속 시스템에서는 문제가 되지 않습니다.이것은 이종 금속 시스템에서 문제가 됩니다.가장 잘 알려진 예 중 하나는 보라색 페스트와 같은 금-알루미늄 IMC에서 형성되는 부서지기 쉬운 금속간입니다.또한 Kirkendall Voiding 및 Horsting Voiding과 같은 확산 관련 문제도 와이어 본드 장애로 이어질 수 있습니다.

고온 및 습도가 높은 환경에서는 부식이 우려될 수 있습니다.이것은 Au-Al 금속 시스템에서 가장 흔하며 갈바닉 부식에 의해 구동됩니다.염소와 같은 할로겐화물이 있으면 이러한 동작이 가속화될 수 있습니다.이러한 Au-Al 부식은 종종 온도와 습도에 대한 펙의 법칙에 의해 특징지어집니다.이것은 다른 금속 시스템에서는 일반적이지 않습니다.

온도 사이클링 시 에폭시 성형화합물(EMC), 리드프레임, 다이, 다이접착제 및 와이어본드 간의 열팽창계수(CTE) 불일치의 결과로 와이어본드에 열기계적 응력이 발생한다.이로 인해 와이어 본드의 전단 또는 인장 응력으로 인한 저사이클 피로가 발생합니다.이러한 조건에서 와이어 본드의 피로 수명을 예측하기 위해 다양한 피로 모델이 사용되었습니다.

사용 환경과 금속 시스템을 올바르게 이해하는 것이 와이어 본드의 신뢰성을 높이는 가장 중요한 요인인 경우가 많습니다.

테스트

와이어 본드 당김 및 전단 시험 [13][14][15][16]기법이 일부 있지만, 이러한 기법은 신뢰성보다는 제조 품질에 적용되는 경향이 있습니다.이들은 종종 단조로운 과응력 기법이며, 여기서 피크 힘과 파괴 위치가 중요한 출력이다.이 경우 손상은 가소성이 지배적이며 환경조건에서 볼 수 있는 일부 마모 메커니즘을 반영하지 않습니다.

와이어 풀 테스트는 와이어 아래에 위쪽으로 힘을 가하여 와이어를 효과적으로 기판 또는 [17]다이에서 끌어냅니다.이 테스트의 목적은 MIL-STD-883 2011.9에서 설명한 바와 같이 "결합 강도 측정, 결합 강도 분포 평가 또는 지정된 결합 강도 요구 사항의 준수 여부를 판단하기 위해"입니다.와이어는 당겨져 파괴될 수 있지만, 와이어가 일정한 힘을 견딜 수 있는지 테스트하는 비파괴 변형도 있습니다.비파괴 테스트 방법은 일반적으로 안전 중요 제품, 고품질 제품 및 고비용 제품의 100% 테스트에 사용되며 테스트된 허용 가능한 배선 본드의 손상을 방지합니다.

와이어 풀이라는 용어는 일반적으로 본드 테스터의 풀 센서에 장착된 후크로 와이어를 당기는 동작을 말합니다.그러나 특정 고장 모드를 촉진하기 위해 와이어를 절단한 다음 핀셋으로 당길 수 있습니다. 핀셋은 본드 테스터의 당김 센서에도 장착되어 있습니다.보통 75μm 직경(3m)까지의 와이어는 얇은 와이어로 분류됩니다.그 크기 이상으로 두꺼운 와이어 테스트에 대해 이야기합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ V. Valenta 등, "100GHz 이상의 보상 본드와이어 상호접속 설계 및 실험 평가", 국제 마이크로파 및 무선 기술 저널, 2015.
  2. ^ "K&S - ACS Pro". www.kns.com.
  3. ^ Mokhoff, Nicolas (March 26, 2012). "Red Micro Wire encapsulates wire bonding in glass". EE Times. San Francisco: UBM plc. ISSN 0192-1541. OCLC 56085045. Archived from the original on March 20, 2014. Retrieved March 20, 2014.
  4. ^ "Product Change Notification - CYER-27BVXY633". microchip.com. August 29, 2013. Archived from the original on March 20, 2014. Retrieved March 20, 2014.
  5. ^ a b Chauhan, Preeti; Choubey, Anupam; Zhong, ZhaoWei; Pecht, Michael (2014). Copper Wire Bonding (PDF). New York: Springer. ISBN 978-1-4614-5760-2. OCLC 864498662.
  6. ^ "Heraeus Bonding Wires for Semiconductor Technology catalogue" (PDF). Heraeus. Heraeus.
  7. ^ Brökelmann, M.; Siepe, D.; Hunstig, M.; McKeown, M.; Oftebro, K. (October 26, 2015), Copper wire bonding ready for industrial mass production (PDF), retrieved January 30, 2016
  8. ^ A. Coucoulas, "준거 본딩" 절차 1970 IEEE 20차 전자 부품 회의, 380-89, 1970 페이지.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CompliantBondingPublic_1-10.pdf https://www.researchgate.net/publication/225284187_Compliant_Bonding_Alexander_Coucoulas_1970_Proceeding_Electronic_Components_Conference_Awarded_Best_Paper
  9. ^ G. G. Harman, 마이크로일렉트로닉스 와이어 본딩: 재료, 공정, 신뢰성 및 수율.뉴욕: 맥그로 힐, 2010년.
  10. ^ S.K. Prasad, 첨단 와이어본드 인터커넥션 테크놀로지뉴욕: Springer, 2004.
  11. ^ Cu와이어 본딩 IC의 자동차 용도 적합성 보장
  12. ^ Hillman, C., "다이 어태치, 와이어 본드 및 납땜 조인트 고장 예측 및 방지"3D 전력 전자 통합 및 제조에 관한 국제 심포지엄(3D-PEIM), 2016.
  13. ^ MIL-STD-883: 미세회로 시험방법 표준, 2011.7 접합강도(파괴결합력 시험)
  14. ^ MIL-STD-883: 마이크로회로 시험방법 표준, 방법 2023.5 비파괴결합 당김
  15. ^ ASTM F459-13: 마이크로일렉트로닉스 와이어 본드의 인장 강도 측정을 위한 표준 시험 방법
  16. ^ JESD22-B116: 와이어 본드 전단 시험 방법
  17. ^ 본드 테스트 방법: 와이어 풀 방법2016년 4월.

자원.