TANAKA의 기술

Bonding Lab 금 본딩 와이어 제조공정 제1편

본딩 와이어의 제조에 사용되는 단위부터 이야기를 시작해 재료가공의 기초를 통해 제조공정을 설명합니다.

2007년 1월

금 본딩 와이어 제조공정 제1편에서는 본딩 와이어의 제조에 사용되는 단위부터 이야기를 시작해 재료가공의 기초를 통해 제조공정을 설명합니다. 그 후、 제2편에서 나머지 공정에 대해서도 해설할 예정입니다.

Prof. BirdieMiss.LisaMr.Joe

①금 본딩 와이어의 단위-1

Mr. Joe:
Miss Lisa, 본딩 와이어라는것이 어느 정도로 가는지 알고 있나요?
Miss Lisa:
글쎄요… 아주 가는 선이라는 것은 지난번 본딩-실험실을 보고 알았지만, 실제로 어느 정도인지는 전혀 모르겠어요.
Prof. Birdie:
Miss Lisa, 물건을 만들 때 크기, 길이 그리고 무게 등의 단위는 매우 중요한 의미를 가지고 있어요. 본딩 와이어를 잘 알기 위해서는 어느 정도의 "스케일" 인지를 실감하는 것도 중요해요. Joe군! 이번에는 단위라는 면에서 금 본딩 와이어를 설명해 보는 건 어떨까요?
Mr. Joe:
그러면 우선 크기부터. 본딩 와이어의 경우, 금·구리·알루미늄을 주체로 한 와이어로, 철강선이나 구리선은 몇 개를 꼬아 묶어서 사용하는 경우가 있지만, 본딩 와이어는 1개씩 사용됩니다. 그 직경이 금 본딩 와이어의 크기가 됩니다. 평균적으로 직경 20~40 마이크로미터(μm) 정도가 주류예요.
Miss Lisa:
울퉁불퉁한 와이어인가요?
Mr. Joe:
아니오, 그렇지 않아요. 금으로 된 와이어는 그 대부분이 본딩 와이어로 사용되고 있는데, 그 중에는 직경 70μm인 경우도 있어요. 용도에 따라 다양한 직경의 와이어가 사용되고 있는데, 1개의 와이어에 지름 20μm의 부분과 40μm의 부분이 있다는 말이 아니예요.
Prof. Birdie:
마이크로미터라고 하는 것은 미터의 1/1,000,000인 크기입니다. 밀리미터의 1/1,000 로 얘기하는게 쉬운가? 옛날에는 마이크론이라고 불렀기 때문에 그게 친숙하다는 사람도 있을 거예요.
Miss Lisa:
음, 어쨌건 작다는 거군요…
Mr. Joe:
생활과 밀접한 것으로 말하면, 일반적인 사람의 머리카락 지름이 80μm 정도라고 알려져 있기 때문에, 그 절반 이하죠. 또한 혈액 속의 백혈구가 직경 10-20μm라고 해요.

Miss Lisa

Miss Lisa:
어느 쪽이 작은지 큰지 헷갈리기 시작했어요.
Mr. Joe:
참고로 해외에서는 mil이라는 단위로 나타낼 수도 있습니다. 쉽게 말하면, mil은 인치의 1/1,000이고, 1mil은 약 25.4um가 됩니다.

②금 본딩 와이어의 단위-2

Prof. Birdie:
Joe군, 본딩 와이어의 직경·크기에 관한 이야기는 그만하고 다음으로 갑시다.
Mr. Joe:
Miss Lisa, 이번은 알기 쉬울 거라 생각해요. 본딩 와이어의 길이는 사용되는 용도에 따라 다르지만, 3,000m 정도가 주류입니다. 본딩 와이어는 스풀(보빈, 릴 등 호칭이 여러 가지가 있습니다만)에 실타래 처럼 감겨 출하돼요.
Miss Lisa:
3,000m라는건 3km, 제 조깅 코스와 같은 정도의 길이죠.
Prof. Birdie:
참고로 3km를 골프 코스로 말하자면 조금 긴 코스의 하프 라운드 정도입니다. 무엇보다 골프에서는 야드라는 단위로 부르는 것이 일본에서는 일반적이에요. 1 야드는 약 0.9m예요.

Mr. Joe:
저는 좀더 많이 달리는 것 같은데요…그럼 분위기를 바꿔서, 마지막으로 무게에 대해 설명 드리고자 합니다. 직경, 길이를 말씀 드렸는데, 무게를 추가하여 본딩 와이어를 나타낼 수 있습니다. 금 밀도는 19,300kg/m3이므로, 직경 23μm인 3km의 금 본딩 와이어의 무게는 약 24g입니다.
Miss Lisa:
음.
Prof. Birdie:
별로 감이 오지 않는 것 같아서 보충하면, 동일한 직경 및 길이의 경우, 구리 약 11g, 철은 약 9.8g, 알루미늄은 3.4g의 무게 밖에 되지 않아요.
Miss Lisa:
금이 무겁다는 것을 새삼 실감하게 되는군요.
Mr. Joe:
자, 이제 제조공정 얘기로 들어갑시다. 한마디로 금이라고 해도 순도에 따라 그 성질이 달라집니다. 일반적으로 순금이라는 것은 99.99% 이상의 순도로 24 K라고도 합니다. 일반적인 금 본딩 와이어는 99.99% 이상의 순도지만, 99.999% 이상의 순도의 금에 다양한 원소를 첨가함으로써 본딩 와이어에 적합한 물성을 갖도록 만들어집니다.
Prof. Birdie:
덧붙여, 18K는 75% 순도가 되기 때문에, 금 본딩 와이어는 대부분 순금이라고 할 정도의 고순도예요.
Miss Lisa:
18K라고 해도 외형은 우리가 알고 있는 금색이지만, 그렇게 다르군요.

③탄성과 소성

Mr. Joe:
Lisa씨, 머리카락 보다 가는 본딩 와이어가 어떻게 만들어지는지 상상이 되세요?
Miss Lisa:
소면처럼 자르고···? 당면처럼 내거나···? 물엿처럼 늘리거나···?
Mr. Joe:
재미있는 발상이군요. 모두 다 음식이지만··· 하지만, 관점상 비슷해요.
Prof. Birdie:
고무로 만든 공과 철로 만든 공이 있다고 해보죠. 고무 공은 손으로 쉽게 변형시킬 수 있지만, 철 공은 딱딱해서 도저히 무리죠. 고무 공은 약간 변형시켜도 다시 원래의 모양으로 돌아갑니다. 어떤 물체에 힘(부하)을 가하여 변형되어도 그 부하를 제거하면 원래의 모양으로 돌아가는 성질을 "탄성"이라고 해요.

Elasticity

Prof. Birdie:
또한, 철로 된 공을 변형시킬 수 있었다 해도 철 공이 고무 공처럼 복원되지 않는 것은 직관적으로 알 수 있다고 생각합니다. 이와 같이, 가해진 부하에 따라 그 모양과 크기가 변해서 원래대로 돌아가지 않는 성질을 "소성”이라고 합니다. 고무도 찌그러트리는 방법에 따라 복원이 되지 않아요. 소성 변형하기 어려울 뿐이에요.

Plasticity

Miss Lisa:
어려운 걸 몰라도 왠지 알 수 있을 것 같아요.
Prof. Birdie:
학문적으로는 더 깊이가 깊기 때문에 이야기를 다음으로 진행하자면, 금은 소성에 의해 가늘고 길게 가공됩니다. 철 공의 이야기로 잠깐 다시 돌아가서, 철 공을 변형시킨다고 하면 어떻게 하시겠어요?
Miss Lisa:
굉장히 딱딱할 것 같으니까 맨손으로는 무리죠. 배트나 공구를 사용하면 어떻게 되겠죠.
Prof. Birdie:
그렇겠죠. 물체를 변형시키기 위해서는 그 물체의 "항복점"이라고 불리는 물성값보다 많은 부하를 줄 필요가 있어요. 또한 변형시키려는 물질보다 딱딱한 도구가 필요하죠. 물질의 소성을 이용한 가공은 대략적으로 말하면, 이렇게 변형시키려고 하는 재료보다 딱딱한 공구의 형태를, 재료의 형상으로 전사하는 것이라고 할 수 있습니다.

④용해·압연 공정

Mr. Joe:
옆길로 샜습니다만, 99.999% 이상의 순도로 된 금은 부드럽기 때문에 본딩 와이어로 사용하기에 적합하지 않습니다. 그래서 순도 높은 금과 다양한 원소를 녹여 혼합하여 본딩 와이어의 근본적인 소재가 되는 잉곳을 만드는 것이 용해공정입니다. 이 공정에서 소재의 특징이 거의 정해져 버립니다. 아까 말한 것처럼 이 잉곳의 순도조차 99.99%이므로 아직 고순도이지만, 99.999%의 금과는 성격이 상당히 달라집니다.
Prof. Birdie:
철, 알루미늄 등의 용해공정은 대기 중에서 이루어지지만, 본딩 와이어용 금을 용해하는 경우는 먼저 진공 하에서 질소가스 등의 불활성 가스 환경 하에서 용해되는 경우가 많아요. 금 자체는 산화하지 않지만, 혼합 원소의 산화를 방지하기 위해서입니다. 금의 융점은 약 1,063℃이므로 녹이기 위해서 대기 중에서 그 정도 고온으로 하면 산소가 활성화되기 때문입니다. 더붙어 말하자면 타는 것을 타기 어렵게 하는 거죠.
Miss Lisa:
케이크를 굽는 온도가 180℃라고 들은 적이 있는데, 그라탕을 만드는 온도보다 높은 것 같네요. 그 잉곳이라는게...
Prof. Birdie:
하하하…. 상상을 초월하는 건가요? 잉곳이란, 큰 덩어리라고 생각하시면 됩니다.
Mr. Joe:
우선, 잉곳은 압연이라는 가공방법으로 그 굵기를 서서히 줄여 갑니다. 재료보다 딱딱한, 구멍형 압연 롤이라고 하는 공구로 잉곳을 찌그러트리는 거예요. 재료를 자르거나 깎거나 하지 않고 늘려 가기 때문에, 가공하기 전의 재료의 양은 그대로 이며, 모양만 변화되는 거예요.

Melting,Casting,Ingot,rollingweight and volume

Prof. Birdie:
소성가공은 재료를 낭비 없이 변형할 수 있어서, 비교적 다른 가공법 보다 빨리 처리할 수 있기 때문에 다양한 재료가공에 필수적인 기술입니다.

⑤신선 공정

Mr. Joe:
단, 압연으로 가늘게 하는데 한계가 있어서, 어느 정도의 크기가 되면 신선이라는 가공방법으로 이동합니다. 여기부터는 다이스라는 공구로 가늘게 변형시켜 와이어를 만듭니다. 다이스에는 초경합금이라는 매우 단단한 합금이나 다이아몬드가 사용되고 있죠.
Miss Lisa:
다이아몬드를 쓰나요! 아깝다. 주세요.
Prof. Birdie:
그렇게 느끼는 것은 당연하죠. 다이아몬드를 사용하는 이유는 여러 가지가 있지만, 매우 단단하고 마모되기 어렵기 때문에 다른 소재를 사용하는 것 보다 다이아몬드를 사용하는 것이 좋아요. 또한 본딩 와이어에 필수적인 와이어 표면의 평활성을 얻기 위해서도 중요한 도구입니다.
Mr. Joe:
신선이라는 가공방법에 대해 좀 더 자세히 설명드리죠. 다이스의 형상은 모래 시계에 비유하면 알기 쉬울지도 모릅니다. 재료가 모래고, 잘록한 유리부분이 다이스라고 하죠. 모래는 잘록한 유리부분에서 막혀서 조금씩 아래로 떨어집니다. 이렇게 재료는 다이스로 그 직경이 작아져 가늘고 길게 됩니다.
Prof. Birdie:
이 신선가공에서는 다이스의 모양, 얼마나 작게 할지, 그리고 다이스의 재질을 어떻게 선택하는지가 포인트입니다. 그 밖에도 신선 속도, 윤활액, 중간 열처리 그리고 장치 등도 중요한 요소입니다. Lisa 씨가 울퉁불퉁한 와이어라는 식으로 말했지만, 신선가공에서는 1분에 수백 m의 속도로 다이스를 통해 가공되므로 단면의 형상이 변화하기 어려운 우수한 가공법이에요.

Miss Lisa:
점점 어려워지고 있군요. 굉장히 심오하군요.
Mr. Joe:
이번에는 이 정도로 해 둘까요?
Prof. Birdie:
마지막으로, 금을 최초로 가공하기 시작한 게 언제쯤이었는지 아세요?
Miss Lisa:
옛날부터 장식품 등에 사용되어져 왔으니까, … 이집트 문명 때쯤 인가요?
Prof. Birdie:
문헌에 의하면, 기원전 20~30세기 경부터, 치고 늘려 재단된 금을 작은 구멍을 통해 손으로 당겨서 이미 가는 금 선을 만들었다는 것으로 알려져 있어서, 4000 ~ 5000년 전이라는 얘기죠. 유명한 투탕카멘 왕이 있었을 무렵은 기원전 1340년경이므로 그보다 훨씬 전입니다.
Mr. Joe:
그리고 지금 현재도 우리는 금선을 계속 만들고 있습니다.
Miss Lisa:
장대한 역사군요. 이번에는 단위 이야기에서 신선가공까지, 금 본딩 와이어가 무엇인지를 잘 이해할 수 있었습니다. 또 잘 부탁 드려요.