본딩 와이어 두 번째 접합은 첫 번째 공과 다르게 실패한다

와이어 pull test가 기준값을 통과했는데, 현미경에서 두 번째 접합의 heel 부근이 반복해서 끊어진다고 하자. 첫 접합의 ball 모양은 깔끔하다. 이 결과를 두 접합이 모두 같은 강도로 붙었다고 해석하면, stitch bond에서 생기는 형상 문제를 놓칠 수 있다.

일반적인 thermosonic ball bonding에서는 와이어 끝에 ball을 만든 뒤 die의 pad에 첫 접합을 한다. 와이어를 들어 올려 loop를 만들고, leadframe이나 substrate의 접합 위치로 내려와 두 번째 접합을 만든다. 두 번째 위치에는 같은 ball을 새로 붙이는 것이 아니라, capillary로 와이어를 눌러 접합하고 tail을 분리하는 과정이 들어간다. 이 두 번째 접합을 흔히 stitch bond라고 부른다.

TI의 Semiconductor Packaging Assembly Technology, Wire Bond Process는 첫 ball bond와 두 번째 wedge 형태의 접합을 구분하고, 온도·초음파 에너지·힘·시간을 주요 변수로 설명한다. 여기서 두 번째 접합을 wedge 형태라고 부르는 것과, 첫 접합부터 wedge를 사용하는 별도의 wedge bonding 공정은 구분해야 한다. 이 글은 ball bonding의 두 번째 접합을 다룬다.

Stitch에서는 원형 와이어가 눌려 접촉 footprint를 만든다. 눌린 영역의 폭과 길이, 와이어가 들어오는 방향, 그 뒤로 이어지는 heel 형상이 중요하다. pad 안에 접합이 들어가더라도 면적 전체가 균일하게 접합됐다는 뜻은 아니다. 표면의 오염과 변형 조건에 따라 실제로 붙은 영역이 달라질 수 있다.

가상 비교로 nominal footprint를 40×20 μm와 40×10 μm인 두 직사각형으로 근사하자. 접촉 면적은 각각 800 μm²와 400 μm²다. 두 접합에 동일한 수직 힘 20 mN을 가하면 평균 힘/면적은 25 MPa와 50 MPa다. 접촉 면적이 절반이 되면 nominal 평균값은 두 배가 된다. 이 값은 실제 초음파 접합의 국부 응력이나 파괴 기준이 아니다. 힘을 같게 유지했다고 같은 접촉 상태를 만든 것은 아니라는 비교다.

Footprint를 길게 늘리는 조정도 제한이 있다. 두 번째 접합 pad의 길이가 부족하면 footprint 일부가 가장자리 밖으로 나갈 수 있고, 와이어가 들어오는 방향을 바꾸면 이웃 구조와의 여유도 달라진다. 더 강하게 누르는 조정은 실제 접합 면적을 늘릴 수 있지만 heel을 얇게 만들거나 손상시키는 문제와 같이 확인해야 한다. 어느 한 변수의 증가를 접합 강도 증가로 일반화하기 어렵다.

Pull test 숫자를 읽을 때는 loop geometry가 개입한다. 가상의 대칭 loop를 두 직선으로 보고, 중앙을 수직 힘 F로 당긴다고 하자. 각 arm이 수평과 θ의 각도를 이루면 장력 T는 F/(2 sinθ)다. F가 20 mN일 때 θ가 30°면 각 arm의 장력은 20 mN이고, 10°면 약 57.6 mN이다. 같은 외부 pull force라도 낮은 loop에서는 더 큰 장력이 전달된다.

이 계산은 실제 hook 위치와 형상, 소성 변형을 무시한 정적 사고실험이다. 그래도 loop 높이가 다른 시료의 외부 pull 값을 그대로 접합 강도로 비교하기 어려운 이유를 보여 준다. 실제 시험에서는 hook 위치와 속도, wire diameter·span·loop를 통일하거나 기록해야 한다.

TI 문서의 Quality 부분도 pull force와 함께 failure mode를 기록한다. 중앙을 당기면 ball neck이나 두 번째 접합의 heel처럼 가장 약한 위치가 먼저 드러날 수 있다. 와이어가 끊어진 결과, stitch가 pad에서 떨어진 결과, pad 자체가 손상된 결과는 같은 숫자여도 다른 원인이다. 따라서 시험값과 파괴 위치를 같이 보아야 공정의 다음 조정을 고를 수 있다.

Stitch bond를 잘 만들었다는 판단은 높은 pull 숫자 하나로 끝나지 않는다. 접합이 pad 안에 놓였는지, 필요한 footprint가 형성됐는지, heel에 무리한 변형이 남지 않았는지 확인해야 한다. 여기에 동일한 시험 geometry에서 얻은 failure mode를 연결하면, 첫 ball bond의 품질에 가려졌던 두 번째 접합의 문제를 구체적으로 찾을 수 있다.