접합을 강하게 눌러도 본딩 pad 아래가 깨질 수 있다
본딩 접합이 약해 보여 force를 높였더니 pull 값은 좋아졌다고 하자. 그런데 pad 아래 절연층에 균열이 남았다면 공정은 개선된 것일까. Bond pad cratering은 표면의 와이어 접합이 튼튼해지는 방향과, 그 아래 구조가 견디는 방향이 항상 일치하지 않는다는 문제다.
본딩 중에는 와이어와 top metal 사이에 힘과 초음파 에너지가 전달된다. 적절한 변형과 접촉은 접합에 필요하다. 동시에 그 하중은 얇은 metal 아래의 절연층과 구조물에도 전달된다. Cratering은 pad 아래가 갈라지거나 파손되는 현상으로, 단순히 와이어가 pad에서 떨어지는 lifted bond와 다른 위치에서 발생한다.
TI의 Semiconductor Packaging Assembly Technology, Bond Pad Metallurgy와 Nickel Decoration은 top metal과 아래 구조의 중요성, 과도한 ultrasonic power·force에 따른 절연층 손상을 설명한다. 이 자료의 특정 pad stack 사례를 모든 현대 공정의 재료 구성으로 확대할 수는 없지만, 표면 접합과 아래 구조를 별도로 확인해야 한다는 원리는 분명하다.
힘의 크기와 footprint를 먼저 분리해 보자. 가상 접촉 면적이 40×40 μm라고 하면 1600 μm², 즉 1.6×10⁻⁹ m²다. 30 mN의 힘을 이 면적으로 나눈 nominal 평균 압력은 18.75 MPa다. 면적이 그대로인 상태에서 힘을 60 mN으로 올리면 37.5 MPa다. 같은 접촉 형상을 두고 force를 두 배 올리는 조정이 아래 구조에 전달하는 하중까지 가볍게 만드는 것은 아니다.
이번에는 60 mN에서 footprint가 60×60 μm로 넓어졌다고 하자. 평균 힘/면적은 약 16.7 MPa로 오히려 작아진다. 이 숫자만 보면 낮은 force의 첫 조건보다 안전해 보일 수 있다. 그러나 buried dielectric의 최대 응력은 force/area 하나로 정해지지 않는다. 접촉 압력이 균일하지 않고, pad edge와 금속·절연층 경계, 아래 구조의 지지 조건에서 응력이 집중될 수 있기 때문이다.
이 예의 MPa는 설명용 nominal 값이며, cratering 임계 응력이나 공정 허용값이 아니다. 깨짐은 국부 응력과 결함, 재료의 파괴 조건에 달려 있다. 힘을 면적으로 나누는 계산은 비교의 시작점이지, pad 아래가 안전하다는 해석의 끝이 아니다. 초음파 동작과 반복 하중을 정적인 압력 하나로 치환할 수도 없다.
Wire 재료를 바꿨을 때도 같은 force 설정의 의미가 달라진다. 재료의 변형 특성이 다르면 같은 하중과 초음파 조건에서 와이어가 퍼지는 모양, pad metal이 밀려나는 정도가 달라질 수 있다. Amkor의 Interconnect 기술 설명은 더 연한 Ag alloy를 fragile pad 구조의 공정 창과 pad 손상 위험에 연결한다. 이는 은 합금이면 모든 pad가 안전하다는 보장이 아니라, 와이어 재료와 pad의 기계적 조합을 고려해야 한다는 근거다.
접합이 약한 경우 force를 올리기 전에 원인을 구분하면 조정 방향이 달라진다. 표면 오염이나 맞지 않는 초음파 조건이 원인이라면, 힘만 늘려 부족한 접합을 보완하는 과정에서 아래 구조를 더 부담시킬 수 있다. 반대로 충분한 접촉을 만들지 못한 경우에는 일정한 힘이 필요하다. 목적은 force를 무조건 낮추는 것도 높이는 것도 아니라, 접합 형성과 구조 손상이 함께 허용되는 공정 창을 찾는 것이다.
검사도 두 위치를 구분해야 한다. Pull이나 ball shear는 접합의 강도와 failure mode를 보여 주지만, 표본의 높은 수치 하나가 모든 pad 아래의 무손상을 보장하지 않는다. 표면에서 보이지 않는 손상은 적절한 구조 관찰이나 별도 분석이 필요하다. TI 문서의 nickel decoration은 금속을 제거한 뒤 아래 균열을 드러내는 분석 사례다. 이 방법을 모든 pad 재료에 그대로 적용하기보다, 관찰하려는 손상 위치에 맞는 방법을 정해야 한다.
Bond pad cratering을 줄이려면 wire 재료, pad stack, force·초음파·시간을 하나의 조합으로 평가해야 한다. 접합 강도가 충분한 조건을 찾은 뒤, 그 조건에서 아래 구조가 손상되지 않는지 확인하는 순서가 필요하다. 표면에서 더 잘 붙었다는 결과가 아래 구조까지 안전하다는 답을 대신하지 못한다는 점이 이 문제의 핵심이다.