반도체 조립공정 / Die attach,Wire bonding 공정

 

LeadFinish  Lead finish 공정은 IC의 lead 를 금속 물질로 코팅하는 공정이다. 이는 lead들의 오염 방지, 마찰에  의한 손상 방지, 접착력 강화 등을 위한 공정이다. 반도체 산업에서는 leadfinish 공정은 크게 plating 공정과  coating 공정으로 나눌 수 있다.   Plating 공정은 tin 같은 순수 금속을 쓰는 것과 tin/lead 와 같은 합금을 쓰는 방법이 있다.  Coating 은 solder 같은 물질로 표면을 도포 하여 금속접합을 하는 공정이다. Coating에 쓰이는 물질은  315℃ 이하에서 녹아야 한다. Solder coating 공정에서 중요한 변수는 표면 장력 즉, solder에 의해 코팅 될 표면은 코팅 물질을 흘러내리지 않도록 붙잡고 있어야 한다. Solder 층은 coating 공정 중에  표면에 solder가 퍼지는 정도에 따라 생성된다.    Tin plating 은 전도물질이나 전해질 용액에 plating 하고자 하는 물질을 넣고 전류를 가하여 코팅이 이루어 진다. Electroplating 시스템은 다음과 같이 구성된다. 　 1) Cathode : 코팅 될 표면 2) Anode : 코팅하고자 하는 소스 물질 3) Electrolyte(전해질) : Anode 에서 cathode로 금속 이온을 전달하는 역할을 하는 용액 4) Power Source : Anode 쪽의 소스 물질을 금속이온화 시키는 전류나 에너지    코팅이 이루어지는 Cathode 측에서는 이온들이 소모 되는 환원 반응이 일어난다. 이와 반대로 소스 역할을 하는 Anode 측은 산화반응이 일어나며 다음과 같은 식으로 표현된다. 　  환원 반응: Sn+2 + 2e- ==> Sn0 　  산화 반응: Sn0 ==> Sn2+ + 2e-     Molding
Molding 은 플라스틱 재질로 디바이스를 감싸는 공정이다. 반도체 제조 산업에서는 Transfer molding 공정은 가장 많이 쓰이는 molding 공정중의 하나인데 복잡한 구조를 가지는 작은 디바이스를 molding  할 수 있기 때문이다. 이 공정 중 molding compound는 molding chamber에 로드 되기 전에 예열 과정을  거치게 된다.    Molding compound의 예열 과정이 끝나면 plunger에 의해 챔버속으로 밀어 넣어지게 되고 녹는점에  달하여 액체 상태로 된다. Plunger에 힘을 더 가하여 액체 상태의 molding compound를 runner 속으로 밀어 넣게 된다. Runner는 액체 상태의 molding compound가 die 를 전부 감쌀 수 있도록 이동할 수 있는 통로로 작용한다.
	Fig.1 Molding Process
	Fig.2 Hanmi's MGP Mold Fig.3 Hanmi's HP-120 Molding machine
Molding related failure
- Package cracking : 패키지에 있는 cracking
- Package stress-related electrical failure : Die 표면에 스트레스로 die 구성 물질의 변형으로     전기적 성질이 변형 됨
- Wiresweeping : Molding 공정시 molding의 방향에 따라 배선이 뒤틀리거나 이동하여     단선이나 쇼트가 발생 됨
- Package Voids and Pits : 플라스틱 molding 재질의 빈 공간으로 인하여 패키지 표면에 발생되는     결함 pits 이나 몸체에 발생되는 void
- Incomplete Filling : Molding 공정 시 molding compound 가 die를 완전하게 감싸지 못하는 현상
- Blistering : 패키지 표면에 발생하는 물집처럼 생기는 부풀어 오르는 현상.
- Package Delamination : Molding compound 와 패키지 사이에 접합이 안 되는 현상
- Excessive Flashes : Molding 후에 패키지의 가장 자리에 과도하게 남아 있는 molding compund
- Solder voids : Leadfinish 공정중에 lead를 덮고 있는 excess flash가 제거 될 때 die의 금속층이     들어 나는 현상
- Mark Permanence Failure : 패키지 위에 남아 있는 잉크 마크

 

 

Die Attach
Die Attach (Die Mount 혹은 Die Bond) 공정은 실리콘 칩을 die pad 나 반도체 패키지의 리드프레임  구조 틀에 고정 시키는 공정이다. 이 공정은 크게 adhesive 방식과 eutectic 방식으로 나누어 볼 수 있다.
1. Adhesive Die Attach
Adhesive Die Attach 공정은 polyimide, epoxy 같은 접착 물질을 사용하여 die를 부착 시키는 방법이다.    Fig.2 에서 보이는 것과 같이 Die pad에 정확히 제어된 양 만큼 epoxy를 바르고 웨이퍼에서 die를  가져와 접착 시킨다. 웨이퍼 테이프에서 die를 떼어낼 때 'collet'로 알려진 로봇 암이 사용 되며   die bond에 정확하게 위치 시켜 접착 되도록 한다.    이와 같은 공정을 자동으로 해주는 장비를 die bonder라 부르며 Fig.3 에서 보이고 있다 .
	Fig.1 Die ejecting from wafer Tape Fig. 2 Die Attach process
	Fig.3 Kulicke & Soffa's 9022HSL & E8033D Die Attach Equipments
Die pad 에 epoxy를 바르고 그 위에 die 부착 시킬 때 die 가장 자리로 남은 epoxy가 올라 오는데  이를 'die attach fillet' 이라 하면 Fig.4 에서 보이고 있다. 과다한 die attach fillet은 die 표면을  오염 시킬 수 있으며 양이 너무 적으면 die가 들뜨거나 크래킹이 발생 할 수 있다.
	Fig.4 Die attach fillet
Die Attach 공정 시 주의 해야 할 접착제와 관련된 사항은 웨이퍼 테이프에서 die를 떼어낼 때 발생한다. Die 를 추출하는 collet 의 위치가 안 맞거나 마모 또는 부적절한 파라메터 셋팅으로 인하여 die 뒷 부분에 자국이 생기게  되면 나중에 die cracking으로 이어질 수 있다.
2. Eutectic Die Attach
Eutectic Die Attach 방법은 hermetic 패키지에 많이 사용 되며 die pad에 die를 고정 붙일 때  용접 합금 물질을 사용한다. 용접 합금 물질은 두 물질을 합금 시켜 낮은 온도에서 녹아 용접되도록 한다.  일반적으로 Au-Si 합금이 반도체 패키징에 많이 쓰인다. 공정 순서는 다음과 같다.
패키지가 가열 되는 동안 cavity 위에 gold preform을 올려 놓는다. Die 가 이 gold preform위에 올려 놓고 에너지를 가하면 die 뒷면의 Si 성분이 gold preform으로 확산(diffuse) 되며 Au-Si 합금을  만들게 된다. 가열이 지속될 수록 좀더 많은 Si 입자가 gold preform에 흡수 되면서 합금율이 증가 하게 되고  정해진 합금율에 도달할때 까지 계속하게 된다. 이 Au-Si 합금은 Si 가 2.85% 정도이며 녹는점은 363℃ 이다.    그러므로 die attach 공정 온도는 이 Au-Si 합금의 녹는점 보다 높아야 한다. Si 원자들이 gold preform쪽으로   계속 확산하여 어느 한계점에 다다르면 이 합금은 굳어지기 시작한다. 이때 패키지를 냉각 시켜 die attach   공정을 마무리 하도록 한다.
Au-Si 합금 이외에 반도체 eutectic die attach 공정에 다른 물질을 사용할 수도 있는데 표.1 에 가용한 물질을 나타내고 있다.
	표.1 Alloy melting point Fig.5 Die attach void Composition Temperature (deg C) Liquidus Solidus 80% Au, 20% Sn 280 280 92.5% Pb, 2.5% Ag, 5% In 300 - 97.5% Pb, 1.5% Ag, 1% Sn 309 309 95% Pb, 5% Sn 314 310 88% Au, 12% Ge 356 356 98% Au, 2% Si 800 370 100% Au 1063 1063
Die attach 공정중에  die와 접착면 사이에 빈 공간(void Fig.5)가 생길 수 있는데  이는 디바이스의  질과 신뢰성에 영향을 끼친다. Void가 크게 되면 접착 강도가 약해지고 열과전기 전도성이 떨어지게  되며 die cracking을 유발 시킬 수 있는 문제가 된다. 작은 void 들은 접착 강도와 열,전기 전도성에 큰 영향을 끼치지는 못한다. 이러한 void 들이 아주 없다는 것은 접착 강도가 매우 높음을 의미하고 이는 크기가 큰 die 경우 crack을 유발 시킬 수도 있다. 접착 강도는 die shear test 를 통해 측정 된다.
3. Die Attach Failure
	3.1 Die Lifting : Die가 die pad나 die cavity로부터 떨어지는 현상으로 die pad, die cavity, die 뒷면이     오염 되거나 과다한 die attach void, die를 장착하는 위치를 잘못 잡아 접착 면적이 부적절 할때 발생한다.
	3.2 Die Cracking : Die 상에 갈라진 틈이 발생하는 것으로 과다한 die attach void, 접착면적이 부족하거나,    접착제의 두께가 충분하지 않거나 wafer tape에 die를 떼어낼 때 과도한 힘을 주었거나 die attach void 가     아예 없어도 발생한다.
	3.3 Adhesive Shorting : 노출된 금속 배선과 die bond,pad 간의 전기적 쇼트 또는 die 표면에 잘못하여     epoxy를 부적절한 곳에 다른 배선과의 간섭으로 생기는 쇼트 현상으로 die attach 물질의 점성이      부정확 하거나 접착제의 낙하량을 잘못 조절하여 생긴다.
	3.4 Die Scratching : Die 자체에 생기는 물리적인 손상으로 작업자의 부주의나 wafer tape에서 die 떼어내는     collet의 마모나 오염이나 부적절한 툴을 사용할 때 생긴다.
	3.5 Die Metallization Smearing : Die 표면의 금속층이 고르지 못하거나 일그러지는 현상으로 웨이퍼를     잘못 다루거나 collet의 오염이나 마모로 발생한다. [출처] 반도체 조립공정 / Die attach 공정|작성자 까망씨 Wire bonding  Wirebonding 은 실리콘 칩과 반도체 디바이스의 외부 선을 매우 미세한 배선으로 전기적 연결을 하는 공정이다. Wirebonding에 사용되는 배선은 대게 Au나 Al 계열이 많이 쓰이며 Cu 도 반도체 제조 산업에서 쓰이기 시작하고 있다 . Au는 산화작용이 적어 bonding 시 크게 문제가 되지 않으나 Cu의 경우 산화 되는것을 방지하기 위해 wirebonding 공정중에 질소 가스를 사용해야 한다. Cu는 Au 보다 강하기 때문에 칩의 표면에 쉽게 데미지를 줄 수 있다. 어쨋거나 Cu는 Au보다 값이 싸고 전기적으로 우수한 성질을 가지고 있으므로 어느 것을 선택하는가는 회사 정책에 맞게 선택되어야 한다. 　  1. Gold ball bonding   현재 모든 ball bonding 공정은 열,압력, 초음파 에너지를 이용하여 wire 끝 부분에 용접점(weld)을 만든다. 사용되는 wire는 15μm 정도의 작은 직경에서 부터 사람 머리카락 두께 정도의 용접점도 이용된다. Wire 가 주입되는 가는 바늘 모양의 것을 'capillary'라 하며 주입된 wire에는 고 전압이 걸어 준다. 이로 인해 capillary(Fig.3) 끝 부분에서 wire가 녹게 되고 용해된 금속의 표면 장력으로 인하여  wire 직경의 1.5~2.5배 정도의 ball(Fig.1)모양을 하게 된다. 이 ball 은 쉽게 경화 되므로 capillary는 칩의 표면에 접착하기 위해 내려가고 칩은 사전에 125℃ 이상 가열 되어 있어야 한다. 　 Fig.1 Wire bonding Fig.2 25μm gold wire bonding Fig.3 Wire Bonding Capillary 　  2. Aluminum Wedge bonding  Aluminum wedge bonding 에서는 Fig.4 와 같은 wedge tool이 사용 되며 wire를 일정한 힘으로 기판 위로  누르고 있는 동안 초음파 에너지가 정해진 시간 동안 wire에 가해지게 되면 Fig.5 와 같이 기판에 밀착  되어 첫 번째 bonding을 하게 된다. 그 다음 리드선을 따라 다음 지점으로 wire를 이동 시킨 후 기판에 wire를 누른 상태에서 초음파를 가하여 기판에 밀착 시키고 나머지 부분을 끊어 내어 bonding을 마무리 한다. 　 Fig.4 Wire Wedge Tool Fig.5 Wire wedge first bonding    Wedge bonding에서 wire는 wedge tool에 30~60° 정도의 기울기로 공급된다.  일반적으로 첫번째 bonding은 die에 두번째 bonding은 기판에 실시된다. Wedge가 IC bond pad에 내려 가면서 wire를 기판위에 내리 눌러 밀착 시킨 후  ultrasonic 이나 thermosonic 을 가하면 wire에 기판에 붙이게 된다. 그 다음 wedge 를  들어 올려 두번째 bonding 위치로 이동하면 wire가 지붕 모양을 이루게 된다.    이때 wedge의 구멍에 wire가 공급 되는 방향과 첫번재 bonding 위치와 두번째 bonding 위치가 평행을 이루도록 하여 wire가 꺽임 없이 일직선으로 공급되도록 한다.  Wedge bonding 기술은 Al 이나 Au bonding에 쓰일 수 있는데 기본적으로   다른 점은 Al wire는 실온에서 ultrasonic bonding 으로 진행되고 Au wire는 150℃ 이상의  thermosonic bonding 공정으로 진행되는 점이다. Wedge bonding의 가장 큰 장점은 매우 작은(공간 50μm까지) 에서 공정이 진행 될 수 있다는 것이다. Al ultrasonic bonding 공정은  wedge bonding 공정중에 가장 많이 쓰이는데 낮은 비용과 공정온도가 낮은 곳에서    실시 될 수 있기 때문이다. 또한 wedge bonding 공정은 ball bonding 공정에 비해 용접  자국이 작아 Au로 bonding 해야하는 작은 디바이스 제조에 적합하다. 　 　 표.1 Different Types of wirebonding 　 　 Pressure Temperature Ultrasonic energy Wire Pad Thermocompression High 300-500 oC No Au, Al, Au Ultrasonic Low 25 oC Yes Au, Al Al, Au Thermosonic Low 100-200 oC Yes Au Al, Au 　 　 　 Fig.6 Wire Bonding Process 　 　 ① Capillary가 다음 bonding 할 위치로 이동한다. 이동중 clamp는 닫혀져 있는 상태이다.  다음 bonding 할 위치에 다다르면 clamp 가 열린다. 　 ② Wire가 capillary 속으로 주입된다. 　 ③ EFO( Electronic Flame-off)으로 wire와 capillary 끝 부분에서 스파크를 일으킨다. 　 ④ Wire 가 녹으면서 ball 모양이 된다. 　 ⑤ Capillary 가 내려 오면서 die 상 연결한 위치의 표면에 접촉한다. 　 ⑥ 초음파 에너지를 쏘아 ball이 die 표면에 접착 되도록 한다. 　 ⑦ Capillary 가 wire를 끊어낼 위치까지 이동하고 패키지 pad 면에 접촉한다.  그리고 초음파를 쏘아 wire를 끊어낸다. 　 ⑧ Capillary가 다음 bonding 할 위치로 이동한다. 　  Wire bonding의 공정 변수는 많이 있지만 특히 ultrasonic 과 thermosonic이 큰 영향을 미친다.  - Ultrasonics: 성공적인 공정을 위해서는 transducer에서 bonding tool 까지 초음파 진동을 효율적으로 전달하는 데 있다. 그러므로 bonding tool은 정확한 높이와 transducer에  정확한 토크로 단단히 조여져 있어야 한다.    - Clamping: Bonding 시 기판 자체는 스테이지에 완전히 고정돼 있어야 한다. 약간이라도 움직이게  되면 전체 공정을 그르칠 수 있다.  - Material condition: Bonding 사용되는 재질의 오염은 특히 신중하게 다루어야 한다. 　  3. Wirebonding Failure  - Ball bonding lift : 실리콘 칩으로 부터 접착된 ball 부분이 떨어진 상태로 bond pad가 오염 되었거나      잘못된 wire parameter 셋팅등으로 발생된다.  - Wire broken : Wire 가 끊어지는 현상으로 wire 재질이 불안정하거나 과도한 힘으로 wire를 당길 때 발생한다.  - Wire missing : 공급되는 wire가 부족하거나 bonding tool이 막혀 공정 진행이 안된 경우이다.  - Ball shorting : Ball bonding 부분이 서로 접촉하는 것으로 bond pad 사이의 거리가 불충분하거나      bonding 지점을 잘못 정하거나 wire parameter 가 잘못 되었을 때 발생한다.  - Wire shorting : Bonding 된 wire 끼리 접촉하는 것으로 잘못된 wire looping 이나 과도한 힘으로      wire를 끌어 당길 경우 또는 wire 와 wire 사이의 거리가 좁을 때 발생한다.  - Wedge Stitch lifting : Wedge bonding 된 부분이 떨어지는 상태로 bond pad나 leadfinger의    오염 잘못된 parameter 셋팅등이 유발 시키다.   　 Fig.7 Ball bonding lifting Fig.8 Wire broken Fig.9 Wire missing Fig.10 Ball Shorting Fig.11 Wire Shorting Fig.12 Wedge lifting