와이어 본딩 (Wire Bonding)

와이어 본딩의 등장과 발전

와이어 본딩은 1957년 벨연구소에서 처음 시연된 이래 60년 이상 산업 표준의 자리를 지켰다.

다이의 IO 패드 위에 작은 금속 볼을 만들고, 가는 와이어를 늘려 패키지 리드 또는 기판 패드에 또 한 번 본딩한다.

한 다이에 수십~수백 개의 와이어가 만들어지며, 한 패드씩 순차적으로 본딩하기 때문에 핀 수가 많은 칩에서는 시간이 오래 걸린다.

그래서 핀 수가 매우 많은 고성능 칩은 플립칩이 표준이 됐고, 와이어 본딩은 메모리·MCU·전력반도체·LED·자동차용 IC 등 ‘핀 수가 적당하고 비용 민감한’ 응용에 잘 맞는다.

볼 본딩의 SEM 이미지 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

볼 본딩과 웨지 본딩

볼 본딩과 웨지 본딩은 공정 형태가 다르다.

볼 본딩은 와이어 끝에 EFO(Electric Flame Off)로 작은 볼을 만들고, 패드 위에 그 볼을 누르면서 초음파·열·압력으로 본딩한다.

그 다음 와이어를 풀어 두 번째 패드에 ‘스티치(stitch)’ 본딩한다.

웨지 본딩은 볼을 만들지 않고, 와이어를 패드 위에 직접 압축·초음파로 본딩한다.

알루미늄 와이어를 사용한 웨지 본딩은 전력반도체·자동차용 IC에서 표준이고, 두꺼운 와이어로 큰 전류를 흘릴 수 있다.

와이어 종류와 선택

와이어 종류는 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al)이다.

과거에는 금 와이어가 표준이었지만, 금 가격이 폭등하면서 2010년대 이후 구리 와이어가 빠르게 비중을 늘렸다.

구리는 전기 저항이 낮아 신호·전력 특성이 좋고 비용이 낮지만, 산화가 쉬워 본딩 환경(N₂/H₂ 가스)이 까다롭다.

은 와이어는 금과 구리 사이의 절충안이며, LED와 일부 모바일 IC에 사용된다.

알루미늄 와이어는 두껍고 부드러워 전력반도체·자동차용 IC의 웨지 본딩에 사용된다.

본더 장비와 공정

본더 장비는 ASMPT(과거 ASM Pacific Technology), 쿨릭소퍼(K&S), 신가와가 글로벌 양강 구도다.

한 대당 시간당 수만 회 본딩이 가능하며, 핀 정렬·압력·초음파·온도가 매우 정밀하게 제어된다.

한국에서는 한미반도체·프로텍·이오테크닉스 같은 회사가 후공정 장비를 다루며, 와이어 본더 일부 영역에서도 활동한다.

본딩 후에는 와이어 풀(pull) 강도, 볼 시어(shear) 강도, 와이어 형상 검사로 품질을 확인한다.

결함과 신뢰성

결함은 와이어 단선, 미본딩(non-stick on pad, NSOP), 볼 시프트(misalignment), 와이어 처짐(wire sweep), 패드 박리, 와이어 간 단락 등이 있다.

와이어 처짐은 몰드 흐름이 와이어를 흐트러뜨리는 현상으로, 인접 와이어와 단락의 원인이 된다.

패드 박리는 본딩 압력·초음파에 의해 패드 아래 박막이 벗겨지는 현상이며, 박막 설계와 본딩 파라미터의 정교한 균형이 필요하다.

와이어 본딩의 현재 위치

와이어 본딩의 현재 위치는 ‘여전히 가장 많이 사용되는 본딩’이다.

출하 칩 수 기준으로 보면 와이어 본딩이 훨씬 많고, 플립칩은 가치 기준으로 많이 차지한다.

와이어 본딩은 비용이 낮고 공정이 검증돼 있으며, 응용에 따라 매우 안정적이다.

다만 첨단 패키징(2.5D, HBM, 하이브리드 본딩)에서는 와이어 본딩이 들어가지 않거나 보조 역할로만 사용된다.

자동차용 전력반도체에서는 알루미늄 두꺼운 와이어 또는 알루미늄 리본 본딩이 표준이며, SiC·GaN 디스크리트 패키지에서도 핵심 인터커넥션이다.

산업 자동화와 자율주행이 늘어날수록 이런 응용에서 와이어 본딩 수요는 오히려 늘어나는 측면이 있다.