와이어 본딩이란? 칩은 어떻게 외부와 연결될까

와이어 본딩(wire bonding, 와이어 접합이라고도 한다)은 머리카락보다 가는 금속 와이어로 칩 위의 접점을 한 가닥씩 외부에 연결하는 공정이다. 연결하는 곳은 패키지 안의 작은 기판이거나, 리드프레임(lead frame)이라는 금속 프레임이다. 패키징 공정의 한 단계로, 다이 본딩 다음, 몰딩 앞에 온다(패키징의 단계별 내용은 ‘패키징이란? 완성된 칩을 왜 또 감싸야 할까’ 참고).

칩은 왜 와이어로 연결해야 할까?

칩은 표면의 작은 금속 조각들을 통해 외부와 전원을 연결하고 신호를 주고받는데, 이를 접점(본딩 패드)이라 한다. 접점 하나는 폭이 수십 마이크로미터(1마이크로미터는 1,000분의 1mm)에 불과한 경우가 많아, 머리카락 굵기와 비슷하거나 더 작다.

회로 기판의 납땜 자리는 그렇게 가늘게 만들 수 없다. 그래서 먼저 칩을 기판이나 리드프레임에 붙이고, 가는 와이어로 접점 하나하나를 이어 준다. 이것이 와이어 본딩이다. 기판과 리드프레임은 이를 다시 바깥의 훨씬 큰 금속 핀이나 솔더 볼로 바꿔 준다.

와이어 본딩에 쓰는 와이어는 흔히 굵기가 20~30마이크로미터에 불과해, 머리카락의 몇 분의 1이다.

와이어 한 가닥은 어떻게 본딩할까?

와이어 본더의 맨 앞에는 캐필러리(capillary)라는 아주 가는 관이 있고, 와이어가 그 가운데를 통과해 나온다. 와이어 한 가닥을 본딩하는 과정은 대략 다음과 같다.

1. 작은 볼을 만든다: 장비가 와이어 끝에 고전압 스파크를 일으켜 끝부분을 조금 녹이면, 표면 장력 때문에 와이어보다 조금 굵은 동그란 볼로 오므라든다.
2. 첫 번째 본딩을 칩 위에 한다: 아래쪽 히터 블록이 먼저 칩을 100여 도로 가열한다. 캐필러리가 볼을 접점에 누르면서, 동시에 초음파로 캐필러리를 빠르고 작게 진동시킨다. 열, 압력, 초음파 세 가지가 함께 작용하면 볼과 접점의 금속이 액체로 녹지 않고도 서로 붙는다. 작은 볼은 납작하게 눌려 못대가리 같은 모양이 된다.
3. 호를 그린다: 캐필러리가 올라가 미리 정해진 경로를 따라 기판 쪽으로 이동하고, 와이어가 캐필러리에서 계속 풀려 나오며 공중에 호를 그린다.
4. 두 번째 본딩을 기판 위에 한다: 캐필러리가 와이어를 기판이나 리드프레임의 접점에 바로 누른다. 이 지점에서는 볼을 만들지 않고, 와이어가 납작한 작은 점으로 눌린다.
5. 끊고, 다음 와이어를 준비한다: 와이어를 잡는 작은 클램프가 와이어를 물고 캐필러리가 위로 들리면, 와이어는 눌려서 가장 얇아진 곳에서 끊어진다. 캐필러리 아래에는 와이어 끝이 조금 남고, 다음 와이어는 이것으로 새 볼을 만든다.

실로 옷을 꿰매는 것과 같다. 첫 땀은 칩 위에, 두 번째 땀은 기판 위에 놓는다. 자동 와이어 본더는 1초에 여러 가닥을 본딩할 수 있다.

호가 너무 낮으면 와이어가 칩 모서리에 닿아 단락이 생길 수 있다. 너무 높으면 나중에 몰딩할 때 흘러드는 플라스틱에 쉽게 밀려 휘어 옆 와이어에 닿는다.

볼 본딩과 웨지 본딩은 무엇이 다를까?

위에서 설명한 것이 볼 본딩(ball bonding)으로, 첫 번째 본딩 지점이 작은 볼이며 대부분의 칩이 이 방식을 쓴다. 볼은 둥글어서 와이어를 어느 방향으로 끌어가도 되므로 빠르다.

웨지 본딩(wedge bonding)은 볼을 만들지 않는다. 끝이 쐐기처럼 납작한 툴로 와이어를 접점 위에 바로 눌러 납작하게 붙이므로, 양 끝이 모두 납작하다. 와이어가 툴 뒤쪽에서 비스듬히 들어가기 때문에 두 번째 본딩 지점은 와이어의 바로 앞쪽에만 놓을 수 있고, 방향을 바꾸려면 툴이나 부품을 돌려야 해서 더 느리다. 장점은 눌린 자리가 작아 아주 촘촘한 접점에도 본딩할 수 있다는 것이다. 웨지 본딩에는 흔히 알루미늄 와이어를 쓰는데, 상온에서 초음파와 압력만으로 접합할 수 있다. 큰 전류를 다루는 전력 소자에는 굵기가 수백 마이크로미터에 이르는 알루미늄 와이어를 쓰기도 한다.

금 와이어를 쓸까, 구리 와이어를 쓸까?

전통적으로는 금 와이어를 많이 썼다. 금은 산화되지 않아 공기 중에서도 깔끔한 볼을 만들 수 있고, 비교적 무르기 때문에 본딩하기 쉽다. 단점은 비싸다는 것이다.

그래서 지금은 많은 제품이 구리 와이어로 바꿨다. 훨씬 싸고, 전기도 금보다 잘 통한다. 하지만 구리는 더 단단하고 볼을 만들 때 산화되기 쉬워서, 보호 가스 속에서 볼을 만들어야 하며(흔히 질소에 수소를 조금 섞어 쓴다) 조건도 더 엄격하게 잡아야 한다. 힘과 에너지는 금 와이어를 본딩할 때보다 조금 크게 해야 하지만, 접점 아래의 칩이 눌려 손상될 만큼 커서는 안 된다.

본딩이 단단한지 어떻게 알까?

까다로운 점은, 제대로 붙지 않은 와이어도 막 본딩했을 때는 대개 전기가 통해서 전기 테스트로는 꼭 잡히지 않는다는 것이다. 한동안 쓰면서 온도가 오르내리면 와이어, 칩, 기판이 서로 다르게 팽창하고 수축하며 서로 잡아당기고, 그러다 서서히 떨어진다. 그래서 ‘힘을 줘서’ 검사해야 한다.

• 풀 테스트(wire pull test): 작은 갈고리를 호의 가운데에 걸어 끊어질 때까지 위로 당기고, 힘이 얼마나 들었는지, 어디서 끊어졌는지 기록한다. 와이어가 중간에서 끊어지면 와이어 자체가 한계까지 당겨진 것이므로 정상이다. 볼이 통째로 접점에서 들리면 제대로 붙지 않은 것이다. 당긴 와이어는 쓸 수 없으므로, 보통 일정 시간마다 몇 개를 뽑아 당겨 본다.
• 볼 전단 테스트(ball shear test): 작은 날을 접점보다 아주 조금 위에 대고, 눌려 납작해진 볼을 옆에서 밀어 떼어 내며 힘이 얼마나 드는지 본다. 풀 테스트는 와이어 전체를 보고, 볼 전단 테스트는 볼이 접점에 얼마나 단단히 붙었는지를 직접 보므로 두 가지를 함께 쓰는 경우가 많다.

이 두 테스트는 공개된 군용 규격의 시험 방법과 산업 표준에 정해진 방법이 있다. 몰딩한 뒤에는 X선을 찍어 와이어가 밀려 휘지 않았는지도 본다.

왜 제대로 붙지 않을까?

흔한 원인은 두 가지다. 하나는 접점 표면이 깨끗하지 않은 경우다. 눈에 보이지 않는 무언가가 조금만 묻어도 볼이 제대로 붙지 않는다. 그래서 많은 패키징 라인은 와이어 본딩 전에 플라즈마로 표면의 오염을 날려 버린다. 세정한 뒤 너무 오래 두면 공기 중의 물질이 다시 달라붙으므로, 세정부터 와이어 본딩까지의 시간에는 제한을 두는 경우가 많다. 팹의 Q-time과 같은 원리다(‘Q-time이란?’).

다른 하나는 장비 조건이 맞지 않는 경우다. 누르는 힘, 초음파의 세기와 시간, 온도가 너무 약하면 붙지 않고, 너무 강하면 접점이 눌려 망가진다. 캐필러리는 오래 쓰면 교체해야 하고, 새것으로 바꾸면 조건도 다시 맞춰야 한다.

왜 어떤 칩은 와이어 본딩을 하지 않을까?

와이어 본딩용 접점은 보통 칩의 네 변을 따라 놓인다. 칩이 외부와 연결해야 할 점이 많을수록 네 변이 비좁아지고, 와이어마다 길이가 있어서 신호가 한참 돌아서 나가야 한다.

그래서 접점이 특히 많고 아주 빠르게 동작하는 칩은 플립칩으로 바꾸는 경우가 많다. 접점 위에 작은 범프를 하나하나 만들고, 칩을 뒤집어 기판에 바로 납땜한다. 칩의 면 전체에 접점을 놓을 수 있고, 신호가 지나는 길도 훨씬 짧다. 뉴스에서 자주 말하는 첨단 패키징에서 여러 칩을 인터포저라는 얇은 판 위에 나란히 놓을 때도, 칩을 뒤집어 작은 범프로 붙인다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?).

와이어 본딩의 장점은 싸고, 성숙한 기술이며, 설계를 바꿀 때도 비교적 유연하다는 것이다. 그래서 접점이 많지 않고 가장 빠르게 동작할 필요가 없는 칩은 지금도 와이어 본딩을 많이 한다.

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서는 후공정 공장의 패키징 공정 엔지니어가 된다. 라인장 수후이가 다이싱에서 부품 실장, 다이 본딩을 거쳐 와이어 본더가 늘어선 곳까지 안내한다. 와이어 본딩 기술자 샤오궈가 WB-03의 오늘 풀 테스트 샘플링 확대 사진 여섯 장을 꺼내 보이며 이상한 것을 짚어 달라고 한다. 와이어가 중간에서 끊어진 것은 정상이고, 볼이 통째로 들린 것이 이상한 것이다. 캐필러리는 사흘 전에 막 교체했고, 신제품 초도 로트 칩의 접점 표면 문제일 수도 있다. 장비를 세워 캐필러리를 바꾸고 다시 맞춘 뒤 그날 본딩한 트레이를 모두 다시 샘플링할지, 계속 본딩하면서 샘플링을 더 자주 할지는 플레이어가 정한다.

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어를 고를 수 있다. 네 근무 중 어느 근무가 될지는 기기의 시각에 따라 정해진다. 심야 근무에는 플라즈마 세정을 마친 기판이 와이어 본더를 기다리는데, 너무 오래 기다린 것은 다시 세정해야 한다. 오전 근무에는 다이싱으로 잘라 낸 칩 가장자리에 작게 깨진 곳이 있어, 블레이드를 바꿀지 정해야 한다. 오후 근무가 바로 챕터 11의 그 근무다. 저녁 근무에는 몰딩하는 플라스틱이 가는 와이어를 밀어 휘게 했을 수 있어, 캐비티 8개의 X선 사진에서 찾아내야 한다.

게임 속 후공정 공장, 칩 ‘Glowmere’, 인물, 장비 번호, 그리고 ‘세정 후 몇 시간 안에 본딩해야 한다’ 같은 숫자는 모두 가상의 설정이다. 와이어 본딩을 어떻게 하고 어떻게 검사하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.