다이 본딩과 와이어 본딩: 각 공정의 역할 비교

웨이퍼에서 갓 분리된 반도체 칩은 리드선도, 패키지도, 그 어떤 것과도 연결할 방법이 없습니다. 이를 기능적인 장치로 만들기 위해서는 두 가지 별개의 공정이 필요한데, 이 두 공정은 일상적인 대화에서 종종 함께 언급되지만 목적은 완전히 다릅니다. 다이 본딩은 칩을 캐리어에 접착하는 공정이고, 와이어 본딩은 칩 표면에서 외부로 전기적 연결을 만드는 공정입니다. 한 공정이 완료되어야 다른 공정이 시작되며, 어느 한쪽이 다른 쪽의 단점을 보완할 수는 없습니다.

혼란의 원인은 무엇인가?

두 공정 모두 동일한 포장 라인 내에서, 종종 불과 몇 미터 떨어진 곳에서 이루어집니다. 두 공정 모두 정밀한 위치 지정과 열에너지를 필요로 합니다. 또한, 최종 제품에서는 두 공정 모두 보이지 않습니다. 이러한 표면적인 유사성 때문에 많은 사람들이 두 공정을 동일한 단계의 변형으로 간주합니다. 하지만 그렇지 않습니다.

둘을 구분하는 가장 간단한 방법은 다음과 같습니다. 다이 본딩은 위치와 열에 관한 것이고, 와이어 본딩은 전류와 신호에 관한 것입니다.

다이 본딩: 칩을 제자리에 고정시키는 기술

다이 본딩(또는 다이 어태치)은 픽앤플레이스(pick-and-place) 동작으로 시작됩니다. 진공 노즐이 웨이퍼 필름에서 개별 다이를 들어 올립니다. 비전 시스템이 다이를 리드 프레임 또는 기판의 목표 위치에 정렬합니다. 노즐이 내려와 다이를 일정량의 접착제 또는 가열된 금속 표면에 압착합니다.

금형을 제자리에 고정하는 것은 선택한 재료에 따라 달라집니다.

은이 함유된 에폭시 수지는 대부분의 소비자 및 산업용 칩에 여전히 널리 사용되는 소재입니다. 적당한 온도에서 경화되고, 고속 분사에도 잘 견디며, 일반적인 응용 분야에 필요한 만큼 열과 전기 전도성이 우수합니다.

공융 접합은 다른 방식을 사용합니다. 금-실리콘 또는 금-주석 시스템은 280°C 이상의 온도에서 합금 접합부를 형성합니다. 이렇게 형성된 접합부는 에폭시보다 열 저항이 몇 배나 낮기 때문에 높은 비용과 더욱 엄격한 공정 조건에도 불구하고 전력 트랜지스터, 레이저 다이오드, 고출력 LED 등에 사용됩니다.

최근 몇 년 동안 소결은은 탄화규소 및 질화갈륨 소자 분야에서 입지를 넓혀가고 있습니다. 은 입자는 은의 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 융합되어 다공성이지만 전도성이 매우 높은 층을 형성합니다. 이 접합부는 납땜이 손상될 수 있는 고온에서도 견딜 수 있어 자동차 엔진룸 전자 장치 및 산업용 모터 구동 장치에 적합한 소재입니다.

다이 접착층은 일반적으로 두께가 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터에 불과합니다. 이렇게 얇은 층임에도 불구하고, 이 층은 주요 열 전달 경로에 직접적으로 위치합니다. 모든 공극, 박리된 부분, 균열은 열 저항을 증가시킵니다. 다이 접착층에 50%의 공극이 있는 경우, 동일한 전기 부하 조건에서 공극이 없는 접합부보다 접합 온도가 수십 도 더 높아질 수 있습니다. 아무리 정교한 와이어 본딩 기술을 사용하더라도 이러한 문제를 해결할 수는 없습니다.

와이어 본딩: 전기적 연결 구축

다이가 고정되면 와이어 본딩이 진행됩니다. 이 단계의 목표는 칩 상단 표면의 알루미늄 패드를 패키지 또는 기판의 해당 단자에 연결하는 것입니다.

금선은 대부분의 미세 피치 작업에서 여전히 기본 재료로 사용됩니다. 스파크로 금선 끝을 녹여 작은 공 모양으로 만든 다음, 가열된 다이 패드에 초음파 에너지를 가하면서 이 공을 패드 위에 눌러 붙입니다. 금과 알루미늄 원자는 계면에서 서로 확산되어 금속간 결합을 형성합니다. 그런 다음 모세관이 금선을 패키지 단자로 이동시켜 두 번째 결합을 형성하고 금선을 분리합니다.

구리선은 비용에 민감하고 대량 생산되는 많은 제품에서 금을 대체해 왔습니다. 구리는 금보다 열과 전기 전도성이 뛰어나고 가격은 훨씬 저렴합니다. 하지만 단점은 경도입니다. 구리는 더 강한 접합력을 필요로 하는데, 이로 인해 민감한 패드 구조에 균열이 생길 수 있으며, 산화가 쉽게 일어나므로 접합 환경에서 산소를 차단해야 합니다.

알루미늄 와이어는 전력 소자 및 고주파 회로에 사용됩니다. 알루미늄 와이어는 안정적으로 볼 형태로 성형하기 어렵기 때문에 웨지 본딩 방식이 사용됩니다. 웨지 본딩은 와이어를 패드에 압력과 초음파 진동을 가하여 평평하게 눌러 넓고 얇은 접합부를 형성하는 방식입니다. 웨지 본딩은 볼 본딩보다 더 높은 전류를 견딜 수 있으며 다이 표면에 더 가깝게 위치합니다.

전선 자체는 설계상 매우 약합니다. 직경은 미세 피치 신호선의 경우 15µm에서 전원 인터커넥트의 경우 76µm 이상까지 다양합니다. 사람 머리카락의 굵기는 대략 70µm입니다. 이 가는 선들은 장치의 전체 전기적 수명 동안 전력을 공급하며, 동시에 접촉 패드에 닿아 반복적으로 팽창하고 수축하는 열 순환을 견뎌야 합니다.

중요한 차이점들

이 표는 핵심 내용을 담고 있지만, 몇 가지 사항은 더 자세히 설명할 필요가 있습니다.

다이 본딩 불량은 대개 점진적으로 발생합니다. 경화 과정에서 발생하는 기포는 당장은 문제를 일으키지 않을 수 있습니다. 하지만 수백, 수천 번의 열 사이클을 거치면서 이 기포는 점점 커지고, 인접한 기포와 합쳐지며, 열 전달 경로를 점차 차단합니다. 기기가 갑자기 고장나는 것이 아니라, 온도가 상승하고 노화가 가속화되어 결국 한계점을 넘어서게 되는 것입니다.

와이어 본딩 불량은 종종 갑작스럽게 발생합니다. 볼 본딩의 가장 좁은 단면을 통해 전파되는 넥 크랙은 순식간에 연결을 끊어버립니다. 웨지 본딩의 힐 크랙도 마찬가지입니다. 장치가 방금 전까지만 해도 정상적으로 작동하다가 갑자기 고장나는 것입니다.

이러한 차이점은 신뢰성 테스트 설계 방식에 영향을 미칩니다. 다이 접착 품질은 열 순환, 전력 순환 및 다이 전단 테스트를 통해 평가되며, 다이가 미끄러져 떨어지기 전에 접합부가 견딜 수 있는 힘을 측정합니다. 와이어 접합 품질은 개별 접합부의 강도를 측정하는 인장 시험 및 볼 전단 시험과 금속간 화합물 성장을 가속화하기 위한 고온 보관을 통해 평가됩니다.

순서를 되돌릴 수 없는 이유

그만큼 본더 칩을 제자리에 놓습니다. 와이어 본더가 칩을 찾습니다. 이 순서는 선호 사항이 아니라 물리적 요구 사항입니다.

와이어 본더는 패턴 인식 기술을 사용하여 다이 패드의 위치를 ​​파악합니다. 다이가 고정되어 있지 않으면 본딩 과정에서 다이가 움직여 비전 시스템이 기준점을 잃게 됩니다. 본딩 중 단 몇 마이크로미터의 움직임만으로도 위치 오류가 발생할 수 있습니다.

다이 위치 정확도는 와이어 본딩 품질의 한계를 결정짓는 중요한 요소입니다. 다이가 중심에서 벗어나 배치되면 와이어 본더는 패키지 단자에 도달하기 위해 더 긴 거리를 이동해야 합니다. 와이어가 길어지면 처짐이 심해지고, 저주파에서 공진하며, 성형 과정에서 스윕 현상이 발생하기 쉽습니다. 극단적인 경우, 오프셋이 본더의 인식 범위를 초과하면 기계가 패드를 찾지 못하게 됩니다.

열적 현실: 다이 접착이 한계를 설정합니다

전력 전자 엔지니어들은 다이 접착 재료를 선택하고 기포 발생을 최소화하는 데 상당한 노력을 기울입니다. 하지만 와이어 본딩의 열 성능에 대해서는 훨씬 적은 시간을 투자하는데, 그럴 만한 이유가 있습니다.

다이 접착층은 칩의 뒷면 전체를 덮고 있습니다. 열은 접합부에서 시작하여 다이 전체 영역으로 퍼지고, 이 넓은 계면을 통해 기판으로 전달됩니다. 반면, 와이어 본딩은 작은 패드에서만 칩과 접촉합니다. 와이어 본딩의 전체 단면적은 다이 접착층 면적의 극히 일부분에 불과합니다. 따라서 와이어 본딩이 전달하는 열량도 매우 적습니다.

즉, 와이어 본딩은 우수하지만 다이 접착이 불량한 소자도 발열이 발생할 수 있습니다. 반대로 와이어 본딩은 보통이고 다이 접착이 우수한 소자는 와이어 본딩에 균열이 생겨 회로가 단선될 때까지는 발열이 적습니다. 이 두 가지 과정은 서로 다른 고장 발생 시점을 결정합니다. 다이 접착은 소자가 열 제한 범위 내에 머무르는 시간을 좌우하고, 와이어 본딩은 전기 경로가 손상되지 않고 유지되는 시간을 좌우합니다.

고장 분석에 대한 실질적인 함의

포장된 제품이 현장에서 회수될 때, 고장의 특징은 원인이 되는 공정을 가리킵니다.

과열, 시간이 지남에 따른 성능 저하 또는 칩이 기판에서 물리적으로 분리된 경우 다이 본딩에 문제가 있을 가능성이 높습니다. 접착층이 박리되거나 손상되었을 수 있으며, 열 전달 경로가 저하되었을 수 있습니다.

신호도 없고, 전류도 흐르지 않고, 회로가 끊어지는 등 장치가 갑자기 작동을 멈춘다면, 이는 와이어 본딩 문제일 가능성이 높습니다. 하나 이상의 본딩 부분이 고장 나서 전기 경로가 차단된 것입니다.

이 두 가지를 혼동하면 노력만 낭비하게 됩니다. 와이어 본딩 매개변수를 변경한다고 해서 다이 접착면 박리가 해결되는 것은 아닙니다. 다이 접착면을 리플로우한다고 해서 와이어 본딩 넥에 금이 간 것이 수리되는 것도 아닙니다. 고장 모드를 분석해야 어떤 공정을 점검해야 하는지 알 수 있습니다.

이것이 패키지 디자인에 미치는 영향은 무엇일까요?

이 두 단계 사이의 역할 분담을 이해하는 디자이너는 더 나은 절충안을 마련할 수 있습니다.

열 관리가 병목 현상이라면 다이 접착 재료와 기포 제어에 가장 큰 주의를 기울여야 합니다. 에폭시에서 소결 은이나 공융 솔더로 업그레이드하면 열 저항을 크게 줄일 수 있습니다.

전기적 성능이나 고주파수 동작이 제약 조건이라면, 와이어 본딩 길이, 루프 높이 및 재료 선택이 가장 중요한 요소가 됩니다. 루프 길이가 짧고 높이가 낮을수록 인덕턴스와 크로스토크가 감소합니다.

열 순환 환경에서의 신뢰성이 중요한 문제라면 두 가지 공정 모두 중요하지만, 각각 다른 시간 척도로 고장이 발생합니다. 다이 접착 불량은 점진적이고 예측 가능한 경향이 있는 반면, 와이어 본딩 불량은 갑작스럽고 치명적일 수 있습니다. 따라서 설계 시에는 이 두 가지 패턴 모두를 고려해야 합니다.

자주 묻는 질문

칩은 다이 본딩 없이도 작동할 수 있을까요?

아니요. 전기적 연결을 하기 전에 다이를 기계적으로 고정해야 합니다. 다이 본딩이 없으면 와이어 본딩 중에 칩이 움직여 정확한 패드 위치 지정이 불가능해집니다. 또한 다이 본딩은 칩에서 열이 방출되는 주요 경로를 제공합니다.

다이 본딩 후에는 와이어 본딩이 항상 필요한가요?

항상 그런 것은 아닙니다. 플립칩 패키징은 다이를 뒤집어 배치하기 때문에 다이 표면의 범프가 기판 패드와 직접 접촉합니다. 따라서 와이어 본딩이 완전히 필요 없어집니다. 하지만 플립칩에서 다이 본딩은 기계적 고정과 전기적 연결을 동시에 제공해야 하므로 배치 정확도가 훨씬 더 높아야 합니다.

어떤 과정이 기기 수명에 더 큰 영향을 미칠까요?

둘 다 수명에 영향을 미치지만, 그 메커니즘은 다릅니다. 불량한 다이 본딩은 접합부 온도를 상승시켜 거의 모든 반도체 열화 메커니즘을 가속화합니다. 불량한 와이어 본딩은 개방 회로를 유발하여 소자의 수명을 즉시 단축시킵니다. 실제로 제품 반품에서는 와이어 본딩 불량이 더 흔하지만, 다이 접착 불량으로 인한 열화가 와이어 본딩 피로를 가속화하는 조건을 조성하는 경우가 많습니다.

구리선이 금선보다 더 세심한 공정 관리가 필요한 이유는 무엇일까요?

구리는 금보다 단단하기 때문에 더 높은 접합력이 필요합니다. 이 정도의 접합력이면 섬세한 패드 구조나 하부 유전체 층에 균열이 생길 수 있습니다. 또한 구리는 산화가 빠르게 진행되므로 전선 표면에 산화물이 형성되는 것을 방지하기 위해 접합 분위기를 제어해야 합니다. 금은 이러한 문제가 없기 때문에 정밀하거나 높은 신뢰성이 요구되는 장치에 여전히 선호됩니다.

다이 접착부 공극이 열 저항에 어떤 영향을 미치나요?

공극은 열전도성 물질을 공기나 진공으로 대체한 것으로, 둘 다 뛰어난 열 절연체입니다. 작고 흩어져 있는 공극은 부피 비율에 비례하여 열 저항을 증가시킵니다. 칩의 활성 영역 아래에 크고 연속적인 공극이 생기면 평균 열 저항이 이론상으로는 허용 가능한 수준이라도 접합부 온도가 안전 기준을 초과하는 핫스팟이 발생할 수 있습니다.