KR101131443B1 - 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치 - Google Patents

반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유색기체를 이용하여 와이어 본더 내에 불활성기체가 구리와이어의 볼을 충분히 감싸면서 분사되는지를 판단하기 위해 가시화하거나, 가스노즐의 위치에 따른 구리와이어의 볼 표면 온도를 측정하여 가스노즐을 최적위치에 셋팅함으로써, 구리와이어의 산화발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 와이어 본딩 장치의 셋업을 용이하게 할 수 있다.
반도체, 패키지, 와이어, 본딩, 불활성기체, 볼, 가스노즐

Description

반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치{Set-up apparatus for wire bonding system for manufacturing of semicondutor package}
본 발명은 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 와이어 본딩이 실질적으로 이루어지는 구성들의 위치를 최적화시키는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 패키지는 해당 기판의 칩부착 영역에 반도체 칩을 접착수단으로 부착하는 공정과, 반도체 칩의 본딩패드와 기판의 본딩영역간을 전기적 신호 교환 가능하게 와이어로 본딩하는 공정과, 반도체 칩과 와이어 등을 감싸는 몰딩 공정 등을 필수적으로 거쳐 제조된다.
상기 와이어 본딩 공정에 있어서, 대개는 골드(gold) 와이어를 사용하지만 통전성이 우수하고 비용이 저렴한 구리 와이어를 이용하기도 한다.
대개, 와이어 본딩은 첨부한 도 4에서 보는 바와 같이, 캐필러리(capillary)라고 하는 기구를 이용하는 바, 이 캐필러리(10)는 상하방향을 따라 와이어의 공급 경로가 되는 미세한 직경의 관통홀이 형성된 구조로서, 그 끝단으로 구리 와이어(11)가 인출된다.
이러한 캐필러리(10)를 이용하는 와이어 본딩은 칩의 본딩패드에 행하는 볼 본딩(1차 본딩이라고도 함)과, 기판의 본딩영역에 행하는 스티치 본딩(2차 본딩이라고도 함)이 연속 구분 동작으로 실시된다.
보다 상세하게는, 볼 본딩은 캐필러리(10)의 끝단으로 인출된 구리 와이어(11)에 방전에 의하여 전기스파크를 가하며 볼 형태로 만들어주는 동시에 이 볼 형태의 와이어가 칩의 본딩패드에 본딩되고, 스티치 본딩(stitch)은 상기 캐필러리(10)가 기판의 본딩영역으로 이동하는 동시에 기판의 본딩영역에 구리 와이어(11)를 부착시키면서 끊어주는 동작으로 이루어진다.
상기 구리 와이어 본딩용 캐필러리(10)의 일측에는 EFO(Electro Flame-Off) 완드(wand)(14)가 위치되어 있고, 상기 EFO 완드(14)에 높은 전압을 걸어주어 그 전압이 상기 캐필러리(10)의 하단에 노출된 구리 와이어(11)에 방전되게 함으로써, 구리 와이어(11)의 끝단이 녹으면서 볼 본딩을 위한 원형의 볼 형태가 만들어지는 것이다.
그러나, 상기 구리와이어(11) 본딩 시 캐필러리(10) 하단으로 노출된 구리 와이어(11)에 산화현상이 발생하고, 이는 다음과 같은 큰 문제를 야기한다.
상기 산화된 구리는 알루미늄 본드패드와 같은 본드패드와의 금속간 결합을 형성하는데 방해를 하고, 구리의 경화도를 증가시켜 본딩시에 크레이터링(Cratering)과 같은 품질 문제를 유발할 가능성이 커지게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 현재까지 구리와이어(11)의 산화를 최소화하기 위해 캐필러리를 통해 인출된 구리와이어(11)의 하단부에 불활성가스를 분사시켜 주는 불활성가스 가스노즐(14)이 제안되었다.
상기 EFO 완드(14)의 반대쪽 위치에는 불활성가스 가스노즐(14)이 위치되어 있고, 상기 불활성가스 가스노즐(14)는 구리 와이어(11)의 끝단을 향하여 질소 또는 포밍가스(질소에 수소가 5%정도 포함된 것)를 분사/공급해주는 역할을 하는 바, 캐필러리(10) 하단으로 노출된 구리 와이어(11)의 산화 현상이 상기 분사된 불활성가스(3)에 의하여 용이하게 방지된다.
즉, 상기 불활성가스(3)가 볼본딩을 위해 볼을 형성하는 구리 와이어(11)의 끝단부에 분사되어 일종의 차폐막 역할을 하게 되므로, 구리 와이어(11)는 외부공기와 차단된 상태가 되어 산화 방지가 되는 것이다.
그러나, 상기 불활성가스는 무색이므로 불활성 가스가 구리와이어에 형성된 볼을 충분히 감싸고 있는지 확인할 수 없고, 상기 불활성가스 분사노즐이 사용자가 원하는 위치에 정확히 위치되어 불활성가스가 구리와이어의 볼을 감싸고 있는지도 확인하기가 어렵다.
따라서, 종래에는 상기 와이어 본딩을 위한 셋업시 캐필러리에서 인출된 구리와이어에 전기스파크를 가하여 볼(FAB;Free Air Ball)을 만듦과 동시에 가스노즐을 통해 불활성기체를 분사시킨 후, 볼의 일부(샘플)를 채취하여 현미경(microscope)을 통해 별도로 볼의 산화발생여부를 확인하는 작업을 반복적으로 실시하였으나, 산화가 발생하지 않을 때까지 분사노즐의 최적 위치를 찾아야 하는 번거로움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 유색기체를 이용하여 와이어 본더 내에 불활성기체가 구리와이어의 볼을 충분히 감싸면서 분사되는지를 판단하기 위해 가시화하거나, 가스노즐의 위치에 따른 구리와이어의 볼 표면 온도를 측정하여 가스노즐을 최적위치에 셋팅할 수 있는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적은 구리와이어를 공급하기 위해 내부에 관통홀이 형성된 캐필러리; 상기 캐필러리를 통해 인출된 구리와이어에 전기스파크를 가하여 볼을 만들어주는 EFO 완드; 상기 캐필러리를 통해 인출된 구리와이어의 하단부에 구리와이어의 산화방지를 위해 불활성 기체를 분사시키는 가스노즐; 및 와이어 본딩 장치의 셋업시 상기 가스노즐의 내부에 유색기체를 흘려보내 불활성 기체의 유동을 가시화하는 불활성 기체의 유동가시화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 상기 불활성 기체의 유동가시화 수단은: 상기 가스노즐에 불활성기체를 공급하는 관로에 설치되는 제1연결관과, 상기 제1연결관에서 분기되는 제2연결관을 포함하는 피팅관; 제2연결관에 설치된 3방향 개폐밸브 및 압력계; 상기 제2연결관과 연결되고, 유색기체가 저장된 제2저장탱크; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 유색기체는 갈색을 나타내도록 이산화탄소에 소량의 이산화질소가 혼합된 가스 또는 흰색의 드라이 아이스 냉동 가스인 것을 특징으로 한다.
또한 상기한 목적은 구리와이어를 공급하기 위해 내부에 관통홀이 형성된 캐필러리; 상기 캐필러리를 통해 인출된 구리와이어에 방전으로 전기스파크를 가하여 볼을 만들어주는 EFO 완드; 상기 캐필러리를 통해 인출된 구리와이어의 하단부에 구리와이어의 산화방지를 위해 불활성 기체를 분사시키는 가스노즐; 및 상기 캐필 러리를 통해 인출된 구리와이어의 볼 온도를 측정하는 온도측정수단을 포함하여 구성되고, 와이어 본딩 장치의 셋업시 상기 가스노즐의 위치를 변화시키는 동시에 온도측정수단으로부터 볼의 시간에 따른 온도변화율을 감지하여, 이 온도변화율의 기울기가 가장 급할때 가스노즐를 찾아내는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치에 의해 달성된다.
이에 따라 본 발명에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치에 의하면, 셋업시 유색기체를 가스노즐에 공급하여 불활성기체를 착색시킴으로써, 불활성기체의 유동을 가시화하여 불활성기체가 구리와이어의 볼을 충분히 감싸고 있는 지를 확인할 수 있다.
또한, 방전에 의해 형성된 구리와이어의 볼 표면온도가 가스노즐의 위치에 따라 최소가 될 때 가스노즐의 위치가 최적위치이므로, 이 최적위치에 가스노즐을 셋팅함으로써, 구리와이어의 산화발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 종래와 같이 현미경을 통한 볼의 표면검사를 하지 않아도 되므로, 와이어 본딩을 위한 셋업 작업을 보다 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
와이어 본딩은 반도체 패키지 제조 공정 중 반도체 칩의 본딩패드와 기판의 본딩영역 사이에 전기적 신호를 서로 교환할 수 있게 와이어로 본딩하여 연결하는 공정이다.
첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치의 구성도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치는 캐필러리(10), EFO 완드(13), 가스 노즐(14)을 포함한다. 상기 캐필러리(10)는 칩의 본딩패드에 행하는 볼본딩과, 기판의 본딩영역에 행하는 스티치 본딩이 연속 구분 동작으로 실시되는 와이어 본딩에서 상하, 전후, 좌우방향, 즉 3차원적으로 이동한다.
와이어를 공급하기 위해 상기 캐필러리(10)의 내부에는 관통홀이 형성되어 있고, 관통홀 위쪽으로 클램프(12)가 설치되며, 상기 클램프(12)는 관통홀을 통해 수직방향으로 인출되는 와이어를 잡아주는 역할을 한다.
상기 EFO 완드(13)는 캐필러리(10)의 하단부 일측에 대략 수평방향으로 배치되고, 상기 EFO 완드(13)에 높은 전압을 걸어 주어 그 전압이 캐필러리(10)의 하단에 인출된 구리와이어(11)에 방전되게 함으로써, 구리와이어(11)의 끝단이 녹으면서 볼 본딩을 위한 볼(22) 형태가 만들어진다.
상기 가스 노즐(14)은 캐필러리(10)를 통해 인출된 구리와이어(11)가 주변공기와의 접촉으로 산화되는 것을 방지하기 위해 불활성기체, 예를 들어 질소 또는 포밍가스(질소에 수소가 5% 정도 포함된 것)를 상기 구리와이어(11)의 하단부로 분사 또는 공급한다.
이때, 상기 불활성기체가 볼본딩을 위해 볼(22)을 형성하는 구리와이어(11)의 끝단부에 분사되어 일종의 차폐막 역할을 하게 되므로, 구리와이어(11)는 외부공기와 차단된 상태가 되어 산화가 방지되는 것이다.
상기 가스노즐(14)의 전단부에는 분사를 위한 노즐부가 형성되어, 이 노즐부를 통해 불활성기체가 분사되고, 가스노즐(14)의 후단부에 불활성기체를 공급하기 위한 연결호스가 연결되며, 상기 연결호스는 불활성기체를 저장하고 있는 제1저장탱크(15)와 연결된다. 따라서, 상기 제1저장탱크(15)에 저장된 불활성기체는 연결호스를 거쳐 가스노즐(14)을 통해 구리와이어(11)의 하단부에 불활성기체가 분사된다.
여기서, 본 발명에 따른 일실시예는 불활성 기체의 유동가시화 수단을 이용하여 가스노즐(14)에 유색기체를 유입시켜 불활성기체를 착색함으로써, 가스노즐(14)을 통해 분사되는 불활성기체의 유동을 가시화 하여 불활성기체가 구리와이어(11)의 하단부를 완벽하게 감싸고 있는지를 확인할 수 있다.
상기 유색기체는 이산화탄소에 소량의 이산화질소를 포함한 엷은 갈색의 혼합기체 또는 흰색의 드라이 아이스 냉동가스 중 선택하여 사용할 수 있다.
상기 불활성 기체의 유동가시화 수단의 일 구성으로서, 제1저장탱크(15)와 가스노즐(14) 사이를 연결하는 연결호스에 3방향의 피팅관(16)가 설치된다. 상기 피팅관(16)은 제1저장탱크(15)와 가스노즐(14)을 연결하여 불활성기체를 공급하는 제1연결관(17)과, 상기 제1연결관(17)과 연결하여 유색기체를 공급하는 제2연결관(18)을 포함한다.
상기 제2연결관(18)에는 관로를 개폐하고 관로의 유량을 제어하기 위해 3방 향 개폐밸브(19)가 설치되고, 제2연결관(18)은 유색기체를 저장하고 있는 제2저장탱크(20)와 연결된다. 또한, 상기 제2연결관(18)에는 압력계(23)가 설치되며, 이 압력계(23)에 의해 제2연결관(18)으로 흐르는 유색기체의 흐름 압력을 확인할 수 있다.
여기서, 실제 공정 전에 캐필러리(10)의 높이, 구리와이어(11)의 테일(tail) 길이, EFO 완드(13) 및 가스노즐(14)의 위치 등의 셋업 작업시, 상기 제1연결관(17)을 통해 불활성 기체는 항상 가스노즐(14)로 공급되고, 동시에 유색기체도 가스노즐(14)에 공급되어 불활성 기체를 착색시킨다.
상기와 같은 구성에 의해, 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에 따라 상기 캐필러리(10)는 대략 수직방향으로 일정한 높이에 배치되고, EFO 완드(13)는 캐필러리(10)의 하부에 대략 수평방향으로 배치되고, 가스노즐(14)은 EFO 완드(13)의 반대쪽에 수평방향으로 배치된다.
그 다음, 캐필러리(10)를 통해 와이어를 일정 길이만큼 인출시키고, EFP 완드(13)에 높은 전압을 걸고 그 전압에 의해 와이어의 하단부로 방전을 일으켜 와이어를 녹이면서 볼(22) 형태로 만든다.
동시에, 가스노즐(14)을 통해 불활성기체를 분사시킨다. 이때, 3방향 개폐밸브(19)를 열어 유색기체를 제2연결관(18)에 공급하여 제1연결관(17)을 흐르는 불활성 기체에 합류하게 한다. 상기 유색기체는 불활성 기체에 혼합되어 불활성 기체를 착색시킨다.
상기 유색기체에 의해 착색된 불활성 기체는 구리와이어(11)의 하단부, 즉 볼(22)이 형성된 부위로 향하여 분사된다.
그러나, 상기 가스노즐(14)의 축선이 수평선을 기준으로 상하,전후,좌우방향으로 비틀어진 경우 또는 구리와이어(11)의 볼(22) 중심부를 향하지 않을 경우 상기 불활성 기체가 와이어의 볼(22) 중심부에서 한쪽으로 치우치게 분사될 것이다.
여기서, 상기 불활성 기체는 유색기체에 의해 착색된 상태이므로, 상기와 같이 한쪽으로 치우치게 분사되는 불활성 기체를 육안으로 확인할 수 있고, 가스노즐(14)의 위치가 원하는 위치가 아닐 경우에 바로 가스노즐(14)을 정위치, 즉 가스노즐(14)의 축선과 와이어의 볼(22) 중심부를 일직선상에 위치하도록 수정한다.
상기 3방향 개폐밸브(19)는 반도체 패키지 제조공정을 실시하기 전에 가스노즐(14)의 위치 셋업시에만 열림상태로 되고, 그 외에는 닫힘상태로 됨으로써, 실제 와이어 본딩 공정 중에는 유색기체의 공급이 차단되어 유색기체에 의한 기판 등의 오염을 방지할 수 있다.
첨부한 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치의 구성도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치는 제1실시예와 같이 캐필러리(10), EFO 완드(13), 가스노즐(14)을 포함한다. 이들의 구성 및 작용은 제1실시예와 동일하므로 생략한다.
본 발명의 제2실시예는 구리와이어(11)의 온도변화율을 이용하여 가스노즐(14)의 최적 위치를 찾아 불활성 기체로 구리와이어(11)의 주변공기를 차단함으 로써, 구리와이어(11)의 산화를 방지한다.
가스노즐(14)을 통해 분사되는 불활성 기체는 일반적으로 EFO 완드(13)의 전기스파크가 가해진 구리와이어(11)의 볼(22) 온도보다 상대적으로 낮기 때문에 불활성 기체가 구리와이어(11)에 분사되면 순간적으로 구리와이어(11)의 온도가 낮아지게 된다.
상기 구리와이어(11)가 불활성 기체에 의해 온도가 감소하는 원리를 이용하여 가스노즐(14)가 최적위치에 있는지를 확인한다. 즉, 불활성 기체가 구리와이어(11)의 볼(22)을 최대한 감싸고 있을 때 볼(22)의 온도가 최소가 되기 때문에 시간에 따른 볼의 온도감소율의 기울기가 가장 급할 때 가스노즐(14)의 최적위치가 된다.
통상적으로 가스노즐(14)에서 분사되는 불활성 기체는 가스노즐(14)과 동일축선상에서 밀도가 가장 높기 때문에, 가스노즐(14)의 축선이 구리와이어(11)의 볼(22) 중심부와 일직선상에 위치할 때 가스노즐(14)의 최적위치가 된다.
따라서, 상기 구리와이어(11)의 볼(22) 표면 온도를 측정하고, 가스노즐(14)의 위치에 따른 볼(22) 표면 온도의 순간변화율을 측정하여 가스노즐(14)의 최적위치를 찾아낸다. 상기 볼(22) 표면 온도를 측정하기 위한 온도측정수단은 당업자에게 특별히 제한되지 않고 선택될 수 있으나, 본 발명의 일실시예는 레이저를 이용한 미세온도측정장치(21)를 사용하여 구리와이어(11)의 볼(22) 표면에 인접하게 설치하고, 특히 셋업시에만 사용할 수 있도록 이동가능한 온도측정기구(21)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 3은 시간에 따른 볼의 온도변화율을 비교하여 설명하는 그래프이다.
상기 EFO 완드(13)의 전기스파크에 의해 구리와이어(11)의 볼(22)의 초기 표면온도가 최고온도로 되고, 불활성 기체에 의해 볼(22)의 표면온도가 점점 감소한다.
그러나, 상기 볼(22)의 표면온도에서 최소가 되는 점이 차이가 나지 않는다면, 적어도 가스노즐(14)의 유동속도가 동일한 것으로 가정할 때 가스노즐(14)의 위치를 변화시키면서 볼(22)의 표면온도를 측정한다. 이때, 상기 가스노즐(14)의 위치에 따라 볼(22)의 표면온도가 감소하는 비율, 즉 시간에 대한 볼(22)의 온도변화율의 기울기가 가장 급할 때 가스노즐(14)이 최적 위치에 있게 된다.
도 3에 도시한 바와 같이 볼(22)의 초기 표면온도(T1)에서 나중 온도(T2)로 떨어질때 최소시간(t3)이 걸리는 ③의 기울기를 갖는 가스노즐(14)의 위치로 셋팅한다.
이와 같이 시간에 대한 볼(22)의 온도변화율의 기울기가 가장 급한 위치를 가스노즐(14)의 최적위치로 정하여 정확하게 셋팅함으로써, 기존에 별도로 현미경을 통해 볼(22)의 표면을 검사해야 하는 번거로움을 제거하면서 구리와이어 본딩의 품질 신뢰도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치를 위한 구성도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치를 위한 구성도이고,
도 3은 도 2에서 가스노즐의 위치에 따른 시간에 대한 볼의 온도변화율을 비교설명하는 그래프이고,
도 4는 종래의 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 캐필러리 11 : 구리와이어
12 : 클램프 13 : EFO 완드
14 : 가스노즐 15 : 제1저장탱크
16 : 피팅관 17 : 제1연결관
18 : 제2연결관 19 : 3방향 개폐밸브
20 : 제2저장탱크 21 : 온도측정기구
22 : 볼 23 : 압력계

Claims (5)

  1. 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치에 있어서,
    구리와이어를 공급하기 위해 내부에 관통홀이 형성된 캐필러리(10);
    상기 캐필러리(10)를 통해 인출된 구리와이어에 방전으로 전기스파크를 가하여 볼(22)을 만들어주는 EFO 완드(13);
    상기 캐필러리(10)를 통해 인출된 구리와이어의 하단부에 구리와이어의 산화방지를 위해 불활성 기체를 분사시키는 가스노즐(14); 및
    와이어 본딩 장치의 셋업시 상기 가스노즐(14)의 내부에 유색기체를 흘려보내 불활성 기체의 유동을 가시화하는 불활성 기체의 유동가시화 수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 기체의 유동가시화 수단은:
    상기 가스노즐에 불활성기체를 공급하는 관로에 설치되는 제1연결관(17)과, 상기 제1연결관(17)에서 분기되는 제2연결관(18)을 포함하는 피팅관(16);
    상기 제2연결관(18)에 설치된 3방향 개폐밸브(19) 및 압력계(23);
    상기 제2연결관(18)과 연결되고, 유색기체가 저장된 제2저장탱크(20);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유색기체는 갈색을 나타내도록 이산화탄소에 소량의 이산화질소가 혼합된 가스 또는 흰색의 드라이 아이스 냉동 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조용 와이어 본딩장치의 셋업장치.
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