Chapter 06

와이어 본딩

머리카락의 4분의 1 굵기인 금속선으로 칩의 패드와 기판을 하나씩 잇는다. 1950년대 벨 연구소에서 시작된 이 방법은 플립칩과 하이브리드 본딩이 등장한 지금도 출하되는 패키지의 대부분을 차지한다. 패드 위치가 바뀌어도 프로그램만 고치면 되고, 장비와 재료가 싸며, 수십 년 동안 쌓인 신뢰성 자료가 있기 때문이다. 와이어 본딩(Wire bonding)은 열과 하중, 초음파로 두 금속을 녹이지 않고 붙이는 고상 접합이다. 이 장은 본더가 와이어 한 가닥을 놓는 0.1초 안에 일어나는 일과, 그 와이어의 모양·재료·전기적 한계를 다룬다.

와이어 본딩이 여전히 주류인 이유와 구조적 한계(주변 배열, 인덕턴스)를 설명한다.
서모소닉 볼 본딩 한 사이클(FAB → 볼 본드 → 루프 → 스티치 → 테일)을 단계별로 설명한다.
Au·Cu·Ag·Al 와이어의 특성과 Au–Al, Cu–Al 금속간 화합물의 거동을 비교한다.
루프 높이·스팬·킹크로 와이어 형상을 설계하고 간섭 여부를 판단한다.
와이어의 저항·인덕턴스·퓨징 전류를 계산하고, 풀·전단 시험의 파괴 모드를 해석한다.

왜 아직도 와이어인가

다이 어태치(5장)로 기판이나 리드프레임에 붙인 칩은 아직 전기적으로 고립되어 있다. 칩 가장자리에 늘어선 알루미늄 본드 패드(Bond pad)와 기판의 본드 핑거(Bond finger) 사이를 지름 15~25 µm의 금속선으로 잇는 것이 와이어 본딩이다. 한 가닥씩 순서대로 놓는 직렬 공정이지만, 현대 볼 본더는 와이어 하나를 수십 ms에 끝내 초당 십수 가닥 이상을 처리한다.

그림 6-1. 와이어 본드 BGA의 단면. 와이어는 칩 주변의 패드에서 솟아올라 기판의 본드 핑거로 내려간다. 루프의 최고점은 다이 상면에서 보통 100~200 µm 위에 있고, 그 위를 몰딩 컴파운드가 덮는다.

와이어 본딩이 주류로 남은 이유는 세 가지로 요약된다.

유연성. 와이어의 시작점과 끝점은 본더의 프로그램이 정한다. 칩이 바뀌거나 패드 배치가 달라져도 마스크나 범프 공정을 새로 만들 필요가 없다. 높이가 다른 면 사이도 잇기 때문에 여러 칩을 계단처럼 쌓은 낸드 플래시 적층이 가능하다.
원가. 웨이퍼 범핑(3장)이 필요 없고, 기판도 미세한 범프 피치를 받을 필요가 없어 층수가 적고 싸다. I/O가 수백 개 이하인 칩에서는 플립칩(7장)보다 대체로 유리하다.
성숙도. 반세기 넘게 쌓인 공정 조건, 불량 모드, 신뢰성 자료가 있다. 자동차·산업용처럼 검증 이력이 중요한 분야에서 큰 장점이다.

한계도 구조에서 나온다. 와이어는 서로 교차하지 않아야 하므로 패드는 칩의 주변에만 놓인다. 한 변이 $a$인 칩에 피치 $p$로 한 줄을 놓으면 패드 수는 약 $4a/p$로, 면적이 아니라 둘레에 비례한다. 5 mm 칩에 50 µm 피치면 400개 정도가 한계이고, 그 이상은 2열 지그재그 배치나 면 배열 범프로 넘어가야 한다. 또 와이어는 길고 가는 도선이라 1 mm에 약 1 nH의 인덕턴스를 가진다. 수 GHz 이상의 신호나 전류가 급변하는 전원 핀에서는 이 인덕턴스가 성능을 제한한다(14장).

출하량의 대부분은 여전히 와이어 본딩시장 조사 기관들의 2020년대 초 추정으로는 패키지 수량 기준으로 약 4분의 3이 와이어 본딩을 쓴다. 고성능 프로세서와 HBM이 플립칩·TSV로 옮겨 갔어도, 마이크로컨트롤러·아날로그·전력 소자·센서·메모리 적층의 수량이 훨씬 많기 때문이다.

서모소닉 볼 본딩의 한 사이클

가장 널리 쓰이는 방식은 서모소닉 볼 본딩(Thermosonic ball bonding)이다. 열(150~220 °C의 히터 블록), 하중(수십 gf), 초음파(60~140 kHz, 미세 피치 장비는 약 120 kHz)를 함께 써서 금속을 녹이지 않고 붙인다. 도구는 가운데에 구멍이 뚫린 세라믹 캐필러리(Capillary)이고, 와이어는 그 구멍을 지나 아래로 나온다. 한 사이클은 다음 순서로 진행된다.

FAB 형성. 캐필러리 아래로 나온 와이어 꼬리(테일)에 전극을 가까이 대고 고전압 방전을 일으킨다. 이 EFO(Electronic Flame-Off) 방전이 와이어 끝을 녹이고, 표면 장력이 녹은 금속을 공 모양으로 만든다. 이것이 FAB(Free Air Ball)이며 지름은 보통 와이어 지름의 1.6~2배다. 크기는 방전 전류와 시간으로 조절한다.
1차 볼 본드. 캐필러리가 내려와 FAB을 패드에 누른다. 하중으로 볼이 눌려 퍼지고, 수평 방향 초음파 진동이 계면을 문질러 알루미늄 표면의 산화막(수 nm)을 깨뜨린다. 드러난 깨끗한 금속끼리 닿으면 열의 도움으로 원자가 서로 확산해 얇은 금속간 화합물이 생기고 접합이 완성된다. 걸리는 시간은 10~20 ms 정도다.
루프 형성. 캐필러리가 와이어를 풀어내며 올라간 뒤, 2차 본드의 반대쪽으로 잠깐 움직였다가(리버스 모션(Reverse motion)) 다시 올라가 2차 본드 위치로 호를 그리며 이동한다. 리버스 모션에서 생긴 꺾임(킹크)이 루프의 모양과 높이를 정한다.
2차 스티치 본드. 캐필러리 끝의 평평한 면이 와이어를 본드 핑거에 눌러 납작하게 붙인다. 볼이 없으므로 스티치 본드(Stitch bond) 또는 웨지 본드라 부른다. 핑거 표면은 은 도금(리드프레임)이나 Ni/Au 도금(유기 기판)이다.
테일 형성·절단. 캐필러리가 조금 올라가 다음 FAB에 쓸 길이만큼 와이어를 풀어낸 뒤, 위쪽의 와이어 클램프가 닫히고 더 올라가면 스티치의 가장 얇은 곳에서 와이어가 끊어진다. 남은 꼬리가 다음 사이클의 테일이 된다.

볼 본딩은 방향을 가리지 않는다볼은 축대칭이므로 1차 본드 뒤에 어느 방향으로든 와이어를 끌고 갈 수 있다. 본드 헤드를 돌릴 필요가 없어 빠르다. 볼 본딩이 가는 와이어 본딩의 표준이 된 이유다.

웨지 본딩

웨지 본딩(Wedge bonding)은 볼을 만들지 않고, 쐐기 모양 도구로 와이어를 눕혀 양쪽 모두 스티치처럼 누른다. 알루미늄 와이어를 상온에서 초음파만으로 붙일 수 있어 열에 약한 부품에 쓰이고, Al 와이어와 Al 패드가 같은 금속이라 금속간 화합물 문제가 없다. 지름 100~500 µm의 굵은 Al 와이어와 넓적한 리본은 IGBT·SiC 모듈 같은 전력 소자에서 수십 A의 전류를 나른다. 굵은 와이어에는 주로 약 60 kHz의 낮은 주파수를 쓴다. 다만 1차 본드에서 와이어가 놓인 방향으로만 2차 본드를 놓을 수 있어 본드 헤드나 제품을 회전시켜야 하고, 그만큼 볼 본딩보다 느리다.

와이어 재료: 금, 구리, 은

오랫동안 표준은 순도 99.99%(4N)의 금선이었다. 금은 산화하지 않아 대기 중에서 깨끗한 FAB이 만들어지고, 무르기 때문에 패드를 다치지 않으며, 부식에 강하다. 문제는 값이다. 2000년대 후반 금값이 급등하면서 업계는 구리선으로 대거 옮겨 갔고, 지금은 범용 제품의 상당수가 팔라듐 코팅 구리선(PCC, Palladium-Coated Copper)을 쓴다.

재료	비저항 (µΩ·cm, 20 °C)	열전도도 (W/m·K)	장점	약점·대책
Au (4N)	약 2.2	약 320	산화 없음, 무름, 공정 창 넓음, 부식에 강함	비쌈. Al과 IMC가 빨리 자람(고온 신뢰성)
Cu, PCC	약 1.7	약 400	저렴, 전기·열 전도 우수, 강성이 커 스윕에 강함, IMC가 느리게 자람	단단함(패드 손상, Al 스플래시), 산화 → 포밍 가스, 할로겐 부식 → 저염소 EMC
Ag 합금	순은 약 1.6 (합금선은 조성에 따라 더 높음)	순은 약 430	Au보다 싸고 Cu보다 무름, 반사율 높음(LED)	황화·이온 마이그레이션, FAB 형성에 불활성 가스 필요한 경우 많음
Al (웨지)	약 2.7	약 240	상온 초음파 접합, Al 패드와 같은 금속, 굵은 선·리본	볼 형성 곤란(산화막), 방향성 있어 느림

구리선에는 두 가지 어려움이 있다. 첫째, 구리는 고온에서 바로 산화한다. 산화된 FAB은 모양이 찌그러지고 단단해지므로, EFO 방전 지점에 질소 95% + 수소 5% 정도의 포밍 가스(Forming gas)를 불어 준다. Pd 코팅은 와이어 표면의 산화를 막아 보관 수명과 2차 본드의 접합성을 높인다. 둘째, 구리 FAB은 금보다 단단하고 변형 중에 더 가공 경화된다. 같은 접합을 얻으려면 더 큰 하중과 초음파가 필요하고, 그 힘이 패드 아래의 약한 절연막을 깨뜨리거나(크레이터링) 무른 Al 패드를 볼 밖으로 밀어내는 Al 스플래시(Al splash)를 만든다. 그래서 구리선용 패드는 Al을 더 두껍게 하거나 패드 아래 구조를 보강한다. 공정 창이 좁아지는 모습은 7절의 시뮬레이터에서 볼 수 있다.

미세 피치와 볼 지름

눌린 볼의 지름은 패드 개구부보다 작아야 하고, 이웃 볼과 닿지 않아야 한다. 눌린 볼 지름은 대략 와이어 지름의 2배 안팎이므로, 패드 피치가 줄면 와이어도 가늘어져야 한다. 양산 미세 피치는 대략 35~50 µm 수준이며, 이때 와이어 지름은 15~20 µm, 눌린 볼 지름은 30~40 µm 정도다. 캐필러리 끝의 지름과 각도도 이웃 와이어를 건드리지 않도록 병목 모양으로 가늘게 깎는다. 와이어가 가늘어지면 저항이 커지고 몰딩 때 쉽게 휘므로, 피치는 전기·기계 특성과 맞바꾸는 값이다.

접합 야금: 금속간 화합물

볼 본드의 강도는 계면에 생긴 금속간 화합물(IMC, Intermetallic Compound)에서 나온다. 접합 직후의 IMC는 수십~수백 nm로 얇고, 볼 아래 면적의 얼마만큼을 IMC가 덮었는지가 접합 품질의 지표다. 문제는 그 뒤다. 제품이 고온에서 오래 동작하면 확산이 계속되어 IMC가 두꺼워진다.

그림 6-2. Au–Al 접합 계면의 변화(두께는 과장). 처음에는 얇은 IMC가 접합을 만든다. 고온에서 오래 두면 IMC가 Al 패드를 다 먹으며 두꺼워지고, Au와 Al의 확산 속도 차이로 층 사이에 보이드가 줄지어 생긴다.

Au–Al 계에는 Au₄Al, Au₅Al₂, Au₂Al, AuAl, AuAl₂ 다섯 가지 화합물이 있다. 볼 본드에서 주로 자라는 것은 Au₅Al₂이고, Al 쪽에서 생기는 AuAl₂는 보라색을 띠어 오래전부터 퍼플 플레이그(Purple plague)라 불렸다. 화합물 자체는 전기를 통하고 꽤 단단하지만, 두 가지가 문제다. 화합물로 바뀌면서 부피가 변해 응력이 생기고, Au와 Al이 서로 다른 속도로 확산하기 때문에 원자가 빠져나간 자리에 빈 공간이 남는다. 이 커켄달 보이드(Kirkendall void)가 층을 따라 이어지면 접촉 저항이 오르고 결국 볼이 떨어진다. IMC 두께는 확산 지배 성장으로 근사한다.

$$x(t) = \sqrt{K\,t}, \qquad K = K_0 \exp\!\left(-\frac{E_a}{k_B T}\right)$$

$x$는 IMC 두께, $t$는 시간, $E_a$는 활성화 에너지. Au–Al의 $E_a$는 문헌에 따라 약 0.7~1.0 eV로 보고된다. 두께가 시간의 제곱근에 비례하므로 처음에 빨리 자라고 점점 느려지지만, 온도가 25 °C 오르면 속도 상수 $K$는 몇 배씩 커진다.

Cu–Al 계면의 IMC(CuAl₂, CuAl, Cu₉Al₄)는 같은 조건에서 Au–Al보다 훨씬 얇고 느리게 자란다. 그래서 구리선 접합은 고온 방치에 강하다. 대신 습기와 할로겐에 약하다. 몰딩 컴파운드(8장)에 들어 있는 염소 이온이 수분과 함께 계면에 도달하면 Cu 과잉 상인 Cu₉Al₄부터 부식되어 볼이 들뜬다. 구리선 제품에 염소 함량이 매우 낮은(ppm 수준) 컴파운드를 쓰고, 고온 고습 가속 시험(15장)으로 확인하는 이유다.

루프 설계

와이어의 모양, 곧 루프 프로파일(Loop profile)은 캐필러리의 궤적으로 만든다. 설계 변수는 다이 상면에서 최고점까지의 루프 높이, 1차 본드에서 2차 본드까지의 수평 거리인 스팬, 그리고 와이어가 꺾이는 킹크의 위치다. 요구 조건은 서로 충돌한다.

다이 모서리. 와이어가 내려가다 다이 모서리에 닿으면 실리콘 기판과 단락된다. 다이가 두껍고 스팬이 짧을수록 내리막이 가팔라져 위험하다.
몰드 상면. 루프 최고점 위로 몰딩 컴파운드가 충분히 남아야 한다. 와이어가 표면에 드러나면 불량이고, 레이저 마킹 깊이까지 고려해야 한다. 패키지가 얇아질수록 저루프(Low loop)가 필요하다.
넥의 열영향부. FAB을 만들 때 볼 바로 위의 와이어도 열을 받아 결정립이 커지고 약해진다. 이 열영향부(HAZ)에서 와이어를 급하게 꺾으면 넥에 균열이 생긴다. 일반 루프의 높이가 100~200 µm인 이유이고, 그 아래의 저루프(50~75 µm 수준)는 넥을 접어 누르는 특수한 궤적이나 HAZ가 짧은 와이어를 쓴다.
와이어 스윕. 길고 높은 와이어는 몰딩 때 수지 흐름에 밀려 옆으로 휘고, 이웃 와이어와 닿으면 단락된다(8장). 스윕은 와이어 길이에 민감하므로 스팬을 줄이는 것이 가장 효과적이다.

SIMULATOR

루프 프로파일 설계: 높이·스팬·킹크와 간섭

루프 높이 (다이 상면 기준) 스팬 (1차 → 2차 수평 거리) 다이 상면 높이 (다이 + 접착층) 킹크 위치 (스팬 대비) 몰드 캡 두께 (기판 위)

와이어 길이—

저항 (Au 20 µm)—

인덕턴스—

다이 모서리 여유—

몰드 상면 여유—

판정—

해볼 것: ① 다이 상면을 300 µm로 올리고 스팬을 500 µm, 킹크를 0.05로 줄이면 내리막이 다이 모서리를 스친다. 킹크를 다이 모서리 바깥까지 밀면(값을 키우면) 해결된다. ② 몰드 캡을 300 µm로 줄이면 루프 높이를 낮춰야 한다. 얇은 패키지가 저루프를 요구하는 이유다. ③ 스팬을 4 mm로 늘리면 저항과 인덕턴스가 길이에 비례해 커지고, 길이/지름 비가 커져 스윕에 취약해진다. (지름 20 µm 금선, 패드는 다이 모서리에서 150 µm 안쪽. 곡선은 제어점을 지나는 매끄러운 곡선이며 실제 본더의 궤적 계산과 다르다. 여유 기준은 다이 모서리 30 µm, 몰드 상면 50 µm, 길이/지름 200으로 둔 교육용 값이다. 그림은 세로가 과장되어 있다.)

메모리 적층처럼 여러 칩을 쌓으면 층마다 루프 높이가 다른 와이어가 위아래로 겹친다. 아래층 와이어 위로 위층 와이어가 지나가야 하므로 각 층의 루프 높이와 킹크 위치를 따로 설계하고, 기판의 본드 핑거도 여러 줄로 배치한다. 칩이 아래 칩 밖으로 튀어나온 오버행 구조에서는 받쳐 주는 것이 없는 패드에 본딩하게 되어, 하중에 칩이 휘거나 튀면서 접합이 불안정해지는 문제도 생긴다.

와이어의 전기적 특성

와이어는 가늘고 긴 도선이므로 저항과 인덕턴스가 모두 무시할 수 없다. 직류 저항은 단면적과 길이로 정해진다.

$$R = \frac{\rho L}{A} = \frac{4\rho L}{\pi d^2}$$

$\rho$는 비저항, $L$은 와이어 길이, $d$는 지름. 지름 25 µm 금선은 1 mm에 약 45 mΩ, 같은 굵기의 구리선은 약 35 mΩ이다. 전원 핀에 와이어를 여러 가닥 병렬로 놓는 이유다.

고속 신호에서 더 중요한 것은 인덕턴스다. 자유 공간에 놓인 곧은 원형 도선의 자기 인덕턴스는 다음 근사식으로 계산한다.

$$L_{\text{self}} \approx \frac{\mu_0 l}{2\pi}\left[\ln\!\frac{2l}{r} - 0.75\right]$$

$l$은 길이, $r$은 반지름, $\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}$ H/m. $l = 1$ mm, $r = 12.5$ µm를 넣으면 약 0.87 nH로, 흔히 쓰는 어림값 “1 mm에 1 nH”가 나온다. 로그 항 때문에 굵기를 두 배로 해도 인덕턴스는 15% 정도밖에 줄지 않는다. 실제 값은 귀환 전류 경로와 이웃 와이어의 상호 인덕턴스에 따라 달라진다.

2 mm 와이어의 2 nH는 1 GHz에서 $\omega L \approx 12.6\ \Omega$의 임피던스가 된다. 50 Ω 신호선에서는 반사를 일으키고, 전원선에서는 전류가 급변할 때 $V = L\,di/dt$의 전압 강하를 만든다. 인덕턴스를 줄이는 방법은 와이어를 짧게 하거나, 여러 가닥을 병렬로 놓거나, 신호 와이어 옆에 접지 와이어를 나란히 놓아 귀환 경로를 가깝게 하는 것이다. 그래도 부족하면 범프로 넘어간다.

전류 한계도 있다. 와이어에 큰 전류가 흐르면 줄열로 가운데가 가장 뜨거워지고, 녹는점에 이르면 끊어진다(퓨징). 공기 중의 긴 도선에 대해서는 19세기에 프리스가 얻은 경험식 $I = k\,d^{3/2}$가 알려져 있고(구리의 $k \approx 80\ \text{A/mm}^{3/2}$), 본딩 와이어 설계에서도 같은 꼴의 규칙 $I_{\max} = K\,d^{3/2}$를 쓴다. 다만 본딩 와이어는 짧아서 열이 주로 양 끝의 볼과 스티치로 빠져나가므로, 퓨징 전류는 길이에 크게 좌우된다.

SIMULATOR

와이어 재료·지름·길이 → 저항, 인덕턴스, 퓨징 전류

와이어 지름 와이어 길이 신호 주파수

직류 저항—

인덕턴스—

임피던스 ωL—

퓨징 전류 (끝단 방열 모델)—

설계 허용 전류 K·d^1.5—

해볼 것: ① Au에서 Cu로 바꾸면 저항이 약 23% 줄고 퓨징 전류가 오른다. 인덕턴스는 재료와 무관하다. ② 지름을 25 → 50 µm로 키우면 저항은 1/4이 되지만 인덕턴스는 조금만 준다. 인덕턴스를 줄이려면 길이를 줄여야 한다. ③ 길이를 5 mm로 늘리고 주파수를 올려 ωL이 50 Ω과 비슷해지는 지점을 찾아보자. (퓨징 전류는 양 끝이 25 °C로 고정되고 표면 방열이 없는 1차원 정상 상태 모델에 비저항의 온도 계수를 넣어, 가운데가 녹는점에 이르는 전류로 계산했다. $I \propto d^2/L$이 되며, 긴 와이어에서는 표면 방열을 무시한 만큼 낮게, 몰딩된 와이어에서는 수지로 빠지는 열을 무시한 만큼 낮게 나온다. 설계 허용 전류는 MIL 규격 계열에서 쓰는 $K\,d^{1.5}$(d는 인치, 길이 1 mm 초과에서 Au 20,500·Al 15,200, 이하에서 30,000·22,000)이고 Cu는 Au와 같은 K로 가정했다. Ag는 순은 물성 기준이며 합금선은 저항이 더 크다.)

공정 창과 품질 시험

볼 본드의 품질은 초음파 파워, 하중, 온도, 시간의 조합으로 정해진다. 에너지가 부족하면 산화막이 깨지지 않아 볼이 붙지 않고(NSOP, Non-Stick On Pad), 지나치면 볼이 과하게 퍼지거나 패드 아래의 절연막과 실리콘이 깨진다. 패드 아래가 분화구처럼 뜯겨 나가는 이 불량을 크레이터링(Cratering)이라 한다. 깨진 곳은 처음에는 전기적으로 멀쩡하다가 온도 사이클 뒤에 드러나는 일이 많아 더 위험하다. 저유전막을 쓰는 미세 공정 칩과 패드 아래에 회로를 넣은 구조일수록 취약하다. 두 불량 사이의 영역이 공정 창(Process window)이고, 실험 계획법으로 그 가운데를 찾는 것이 본딩 조건 설정의 핵심이다.

SIMULATOR

볼 본딩 공정 창: 초음파·하중·온도와 볼 전단력

초음파 전류 본드 하중 스테이지 온도

눌린 볼 지름—

볼 전단력—

접합 면적 비—

공정 창 넓이—

판정—

해볼 것: ① 위 지도에서 초록은 양호, 노랑은 접합 부족, 빨강은 크레이터링, 파랑은 볼이 패드 개구부(50 µm)를 넘는 영역이다. 초음파를 40 mA로 내리면 붙지 않고, 170 mA로 올리면 패드가 깨진다. ② Cu로 바꾸면 더 큰 하중과 초음파가 필요한데 크레이터링 경계는 오히려 가까워져 초록 영역이 크게 줄어든다. ③ Cu에서 온도를 220 °C로 올리면 볼이 물러져 창이 다시 넓어진다. ④ 하중이 너무 크면 캐필러리의 진동이 볼에 전달되지 않아 접합이 오히려 나빠진다. (지름 20 µm 와이어, FAB 34 µm를 가정한 교육용 경험 모델이다. 접합 면적 비는 초음파 에너지에 대한 포화 함수, 크레이터링은 초음파와 하중의 제곱합이 임계값을 넘는 조건으로 두었다. 실제 수치는 패드 구조와 장비에 따라 다르다.)

접합 품질은 두 가지 파괴 시험으로 확인한다. 와이어 풀 테스트(Wire pull test)는 루프 아래에 갈고리를 걸어 끊어질 때까지 당기고, 끊어진 하중과 끊어진 위치를 기록한다. 볼 전단 테스트(Ball shear test)는 끌 모양 도구로 볼의 옆구리를 밀어 떼어 낸다. 볼 본드의 접합 면적은 와이어 단면보다 훨씬 커서 풀 테스트로는 볼 계면이 떨어지기 전에 와이어가 먼저 끊어지므로, 볼 계면의 강도는 전단 테스트로만 제대로 볼 수 있다.

그림 6-3. 풀 테스트의 다섯 가지 파괴 모드와 볼 전단 테스트. 와이어 자체가 끊어지는 2·3번은 접합이 와이어보다 강하다는 뜻이므로 정상이다. 계면이 떨어지는 1·5번은 하중 값이 기준을 넘더라도 원인을 조사한다.

갈고리가 스팬 가운데에 있고 양쪽 본드의 높이가 같다면, 와이어에 걸리는 장력은 갈고리 하중보다 크다.

$$T = \frac{F}{2\sin\theta}$$

$F$는 갈고리 하중, $\theta$는 당겨진 와이어가 수평과 이루는 각. 루프가 낮고 스팬이 길어 $\theta$가 작으면 같은 와이어도 낮은 하중에서 끊어진다. 그래서 풀 하중은 루프 형상과 갈고리 위치를 정해 놓고 비교해야 한다.

풀 테스트의 최소 하중은 와이어 지름과 재료별로 규격에 정해져 있고(예: MIL-STD-883 Method 2011에서 지름 25 µm 금선은 약 3 gf), 양산 제품의 실제 값은 보통 그 두세 배 이상이다. 볼 전단 시험은 JEDEC JESD22-B116이 절차와 파괴 모드를 정하며, 전단력을 볼 접합 면적으로 나눈 값으로 관리한다. 크레이터링은 눈에 보이지 않으므로 볼을 화학적으로 녹여 낸 뒤 패드 아래의 절연막을 현미경으로 본다. 전단 후 패드에 남은 IMC의 면적 비를 재는 것도 흔한 관리 항목이다.

핵심 정리

와이어 본딩은 유연성·원가·성숙도 덕분에 수량 기준으로 여전히 가장 많이 쓰이는 접속 방식이다. 한계는 패드가 주변에만 놓인다는 점(패드 수 ≈ $4a/p$)과 인덕턴스다.
서모소닉 볼 본딩은 EFO로 FAB을 만들고, 열·하중·초음파로 볼 본드를 붙인 뒤, 리버스 모션으로 루프를 만들고 스티치 본드로 끝낸다. 웨지 본딩은 Al 와이어를 상온 초음파로 붙이며 전력 소자의 굵은 선에 쓴다.
구리선은 금선보다 싸고 전도도가 높고 IMC가 느리게 자라지만, 단단하고 산화하므로 포밍 가스와 패드 보강, 저염소 컴파운드가 필요하고 공정 창이 좁다.
Au–Al IMC는 고온에서 $\sqrt{Kt}$로 자라며 커켄달 보이드를 만들어 접합을 약화시킨다.
루프는 높이·스팬·킹크로 설계하며, 다이 모서리·몰드 상면·이웃 와이어와의 간섭과 스윕을 함께 고려한다.
와이어의 저항은 $\rho L/A$, 인덕턴스는 약 1 nH/mm다. 인덕턴스는 굵기보다 길이에 좌우된다. 품질은 풀 테스트의 파괴 모드와 볼 전단력으로 확인한다.

확인 퀴즈

서모소닉 볼 본딩에서 초음파 진동의 주된 역할은?

볼을 만드는 것은 EFO 방전이다. 초음파는 계면의 산화막과 오염을 깨뜨려 고상 확산 접합이 일어나게 하고, 금속을 무르게 해 변형을 돕는다. 금속은 녹지 않는다.

지름 25 µm, 길이 2 mm인 금선(비저항 2.2 µΩ·cm)의 직류 저항에 가장 가까운 값은?

단면적은 π(12.5 µm)² ≈ 4.9×10⁻¹⁰ m². R = 2.2×10⁻⁸ × 2×10⁻³ / 4.9×10⁻¹⁰ ≈ 0.090 Ω. 1 mm에 약 45 mΩ이다.

풀 테스트에서 하중 값은 기준을 넘었지만 볼이 패드에서 통째로 떨어졌다(볼 리프트). 올바른 해석은?

정상적인 접합에서는 와이어(넥이나 스팬)가 먼저 끊어진다. 계면 분리는 접합 부족, 패드 오염, IMC 열화나 부식을 의심해야 하는 파괴 모드다.

구리 와이어의 FAB을 만들 때 포밍 가스(N₂ + H₂)를 불어 주는 이유는?

구리는 고온에서 바로 산화한다. 산화된 FAB은 모양이 불규칙하고 단단해 접합이 나빠진다. 질소가 산소를 밀어내고 수소가 남은 산화물을 환원한다. 금은 산화하지 않아 대기 중에서 FAB을 만든다.