QFN RFIC 패키지와 NSOP 감소

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이 기사의 입력시간 : 2017-10-01 (일) 5:08:14

2017-10 자료출처 : Peregrine Semiconductor

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웨이퍼 제조에서의 적절한 탐지 및 예방 솔루션 마련
불량 검출 선별 툴, AOI 가치 있어

다이 본드 패드 품질은 공정 및 취급 중에 다양한 방식으로 영향을 받을 수 있다. 프로브/백 그라인드/레이저 스크라이브/싱귤레이션 작업과 같은 중간 공정 담당자뿐만 아니라 웨이퍼 제조 및 어셈블리 설비들은 적절한 탐지 및 예방 방법을 가지고 출하품질 이슈들을 해결해야 한다. AOI는 불량을 검출하고 선별하는데 있어서 가치 있는 툴이다. 성공적이고 신뢰할만한 와이어 본딩은 오염 없는 표면, 머신의 유지보수, 최적화된 공정 설정 및 최적의 본딩 환경 제공을 통해서 이룰 수 있다.

요약

종래의 구리 리드프레임을 이용한 와이어 본드 패키지는 꽤 오랜 시간 동안 산업계에서 사용되어 왔다. 휴대용 기기 및 무선 전자기기의 수요 성장은 패키지의 초소형화를 이끌고 있다. 결과적으로 다양한 유형의 얇은 폼팩터 패키지의 발전과 비용 효율적인 어셈블리 공정 개선을 초래하고 있다. 적합한 와이어 본드 파라미터와 머신 설정의 최적화가 우수한 수율을 달성하기 위한 필수사항이 되었다.
와이어 본드 공정에서는 본드 들뜸, 크랙, 빈약한 금속간화합물 등과 같은 다양한 결함들이 대두될 수 있다. NSOP(non-stick on pad)는 와이어 본딩의 결함으로 프런트-엔드 어셈블리 수율에 영향을 끼칠 수 있다. 이 상태에서, 본드 패드 상에 어테치된 와이어 없이 본드의 자국이 남는다. 특정 본드 패드에 이러한 오류가 하나라도 존재한다면 디바이스가 불량으로 처리되기 때문에 NSOP 불량은 많은 비용이 든다. 본고에서는 관찰된 일부 불량 모드를 제시하고, NSOP 감소를 실현하기 위한 노력을 설명할 것이다.

서문

와이어 본딩 공정은 집적회로(IC) 패키지에서 가장 중요한 공정 중 하나이다. 전형적인 본드 패드 금속층은 1% 실리콘과 0.5% 구리로 된 알루미늄으로 구성되어 있다. 골드 와이어 본딩에 사용되는 본드 패드 표면의 품질은 전체 패키지 성능에 매우 중요한 부문을 차지한다. 일례로, 본드 패드 표면은 패키지 어셈블리 공정 동안 와이어 본딩 가공성에 영향을 미친다. 나쁜 품질의 본드 패드 표면은 NSOP를 초래할 수 있다. 그래서 와이어 본딩 공정 동안 낮은 수율이 나온다. 본고에서는 NSOP 불량 모드가 미치는 품질 이슈를 설명한다. Laser scribe, 싱귤레이션, 와이어 본드 어셈블리 등의 웨이퍼 백엔드 작업뿐만 아니라 wafer fabrication에서 관찰된 서로 다른 불량 모드를 정리하였다.

어셈블리 공정 플로우 개요

패키지 어셈블리에는 웨이퍼 프로브, 백 그라인딩, 웨이퍼 쏘, 싱귤레이션 등이 포함될 수 있는 백엔드 공정이 선행되는데, 이들이 적합하게 제어 및 최적화되지 않는다면 본드 패드 품질에 영향을 미친다. 그림 1에서는 웨이퍼 백엔드 공정 플로우를 보여주고 있다.

와이어 본드 어셈블리는 최적의 수율을 제공하도록 고유의 공정 플로우와 재료 세트를 가지고 있다. 와이어 본드 어셈블리 작업은 FOL(front end of line)과 BOL(back end of line)으로 분리된다. FOL에는 다이어테치, 와이어 본드 및 3차 광학검사 공정이 포함되고, EOL에는 몰드, 경화, 마크, 플레이트 및 싱귤레이션 작업이 진행된다. 그림 2에서 이를 잘 보여주고 있다.

어셈블리를 마친 이후, 패키지는 테스트, 테이프-앤-릴 작업을 거치고, 그 이후 출하를 위해 포장된다.

입고 불량과 고장 모드 평가
다이 어테치와 와이어 본드 작업을 시작하기에 앞서 웨이퍼는 어셈블리 작업에서의 불량 누출을 최소화하기 위해 입고 품질 검사를 받고, 분류된다. 어셈블리로 누출될 수 있는 다양한 웨이퍼 백엔드 불량이 존재하기 때문에 적합하게 선별하지 않으면 안 된다. 그림 3에서 IQC 공정 플로우를 보여주고 있다.

웨이퍼 IQC는 웨이퍼 당 45개의 샘플 사이즈로 LTPD(Lot Tolerance Percent Defective) 95/5 기준에서 수행되었다. 10개의 다이들은 웨이퍼의 4분면마다 검사되었고, 5개의 다이들은 웨이퍼의 중앙에서 검사되었다. 로트는 오염, 다이 깨짐, 금속 스크래치, 이물질 등과 같은 불량 때문에 높은 거부율을 경험하고 있다. 그림 4에서 IQC에서 보이는 전형적인 불량들을 나타내고 있다.

불량 분석
본드 패드 상에 나타나는 오염, 스크래치, 이물질 등은 와이어 본드 수율에 있어서 주요 관심사이다. 그래서 패시베이션 층과 다이의 다른 영역에서 나타나는 불량 중 일부가 세척 작업에 의해 내장되는지 혹은 제거 가능한지를 알아보기 위해 특성화시켰다. 이러한 불량 중 하나가 다이 표면의 오염으로 나타났다.

SEM/EDX 분석은 이 불량을 더욱 잘 이해하기 위해 수행되었다. 그림 5에서는 표면 오염물의 SEM 이미지를 보여주고 있다. 이 이미지는 다이 표면 상의 먼지와 파티클을 나타내고 있다. 이들은 laser scribe 작업에서 나온 것으로 추정된다.
그림 6은 알루미늄에 대한 EDX 로트 맵이다. 알루미늄 농도는 노란색 명암으로 표시되었다.
불량 특정화는 불량 모드를 이해하고, IQC에서 허용 기준을 명확하게 하기 위해 필요하다.
본드 패드 상에서 나타난 불량 중 특성화된 또 다른 불량은 ‘Hillock’ 현상이었다. 패시베이션 층과 본드 패드 양쪽에서 대두되었고, 이는 와이어 본드를 손상시킬 우려가 깊다. Hillock의 구성과 높이를 이해하기 위해 두 지역의 hillock을 분석했다. 그림 7에서는 패시베이션 층 상 hillock의 SEM 이미지를 보여주고 있으며, 그림 8에서는 본드 패드 상 hillock을 나타내고 있다.

불량 분석 이후, hillock이 NSOP와 관련한 주요 문제가 아님임을 알 수 있었고, hillock에 대한 IQC 허용 기준을 변경하였다.

웨이퍼 백엔드 공정 개선
불량 누출을 설명하기 위해, 불량 분석은 앞서 언급한 대로 진행되었고, 불량은 웨이퍼 입고와 백엔드 공정에서 유발된 불량으로 분류하였다. 목적은 상위 3개의 불량을 특성화하고, IQC에서 로트 거부율을 줄이는 것이다. 이를 위해서 어셈블리 제품 출하 전에 불량 차단을 목적으로 AOI를 추가하였다. AOI 검사허용 기준은 각 불량에 따라 규정하였고, 그 데이터를 머신에서 프로그램하였다. 이는 광학 검사를 대체하고 사이클 타임을 향상시키는데 일익을 담당한다. AOI는 또한 반복적인 결함을 추적하고, 생산품 유형별로 결함 카테고리를 분리하는데도 큰 도움을 준다. 동시에 백엔드 공정에서 결함을 유발하는 원인을 찾는 노력까지 더할 수 있다. 다중 검출방식 접근법을 활용하여 백엔드 공정에 초점을 맞추면, 그림 9와 그림 10에서 보는 바와 같이 불량 누출을 감소시킬 수 있다.

어셈블리 공정 최적화
와이어 본드 공정 최적화는 본딩 장비, 머신 설정, 관련된 반응 변수 그리고 서로의 관계를 명확하게 이해하는 것에서부터 시작해야 한다. 표면 청결도와 본드 패드 야금은 성공적인 와이어 본드에 있어서 매우 중요한 요소이다. 이들 파라미터들을 평가하는 것은 많은 시간이 소요되지만 견고한 와이어 본드 공정 개선을 향한 중요한 단계이다. 우수하게 최적화된 공정은 향상된 Cpk(process capability index)와 높은 생산수율로 이어진다. 대량 생산을 위해서는 비용, 공정의 이식성 및 신뢰성도 함께 고려되어야만 한다.
와이어 본드 어셈블리 생산을 시작하였을 때, 설계된 실험은 본드 파우더, 본딩 접착력 및 본딩 시간 그리고 본딩 온도를 변수로써 활용하여 와이어 본드 공정을 수정하여 수행되었다. 본딩 관련 핵심 파라미터들은 패키지 공통성을 확인하기 위해 여러 개의 패키지에 대해 비교하였다. 캐필러리 디자인과 치수는 또한 최적화에 있어서 중요한 변수였다. 와이어 본드 공정의 일반적인 응답 변수는 와이어 당김 데이터 및 볼 전단 데이터이다.
와이어 본드 공정 동안, NSOP(Non Stick on Pad) 조건을 나타내는 다이들은 분리되었고, 웨이퍼 맵 상 위치에 맵핑되었다. 이는 오염이 발생하는 웨이퍼 상의 위치를 확인하고, 이 데이터를 웨이퍼 팹에 피드백이 가능하도록 하기 위해서이다. SEM/EDX 분석 작업은 오염 유형을 이해하기 위해 NSOP 다이 상에서 수행되었다. 그림 11에서는 맵핑을 보여주고 있다.

SEM/EDX 분석 작업의 결과에 의하면, 오염물이 나타난 패드 상에서 높은 %의 원자 산소와 카본 원소가 나왔다. 또한 결과에서는 NSOP 다이 상에 약간의 Na, Cl, N, Fe Zn, Mg 및 K가 보였다. 일부 불소 원소는 또한 좋은 유닛으로 보였다. Na, K 및 Mg는 취급 및 손가락 터치로 인해 유입될 가능성이 있으나, 다른 오염물은 어셈블리 공정 내에서 유발되지 않을 수 있다. 표 1에서는 우수한 유닛의 EDX 분석 결과를 보여주고 있으며, 표 2에서는 NSOP 유닛의 EDX 분석 결과를 나타내고 있다.

NSOP의 근본 원인을 확인하는데 도움이 되는 공정 맵핑 실험은 본드 패드 오염이었다. 백엔드 공정으로부터 불량이 누출되는 것을 해결하려는 팽팽한 노력이 뒤따르고 있다. 본드 패드 상의 높은 비율의 카본은 백엔드 작업에서의 테이프 잔류가 원인인 것으로 관찰되었다. 헹굼 작업은 적합한 잔사 제거가 가능하고 어셈블리 작업에서 누출 최소화를 위해 적절한 스프레이 압력과 스프레이 각도에 의해 최적화되었다. 백엔드 레이저 스크라이브(laser scribe) 작업에서 파편을 최소화하기 위해 레이저 스크라이브 작업용 방안이 검증되었다. 백엔드 작업에서의 제어장치 설치, AOI 활용한 불량검사로 인해 유출 DPPM은 줄어들 것이고, 이는 IQC 어셈블리에서 로트 거부율을 개선시키도록 촉진시킨다. 이는 사내 제조 및 품질 조직 그리고 하도급 공정 엔지니어링 팀의 노력을 통해 달성되었다. 그림 12에서는 2014년 NSOP PPM을 보여주고 있으며, 그림 13에서는 감소된 2015년 NSOP DPPM를 나타내고 있다.