TANAKA의 기술

Bonding Lab 금 본딩 와이어 제조공정 제2편

이번에는 열처리 공정에서 실시되는 인장시험에 초점을 맞추어、 본딩 와이어의 가장 대표적 물리적 성질인 기계적 특성을 해설합니다.

2009년 7월

금 본딩 와이어 제조공정 제2편에서는 지난번에 이어 열처리 공정 및 권선 공정을 설명합니다。 이번에는 열처리 공정에서 실시되는 인장시험에 초점을 맞추어、 본딩 와이어의 가장 대표적 물리적 성질인 기계적 특성을 해설합니다.

Mr.Aki덴코양Dr.Yama

① 인장시험 특성과 와이어 타입

덴코양:
본딩-연구실 제2회째에서는 「신선」공정까지 설명을 들었어요.
야마 선생님:
그렇죠. 오늘은 지난번에 이어서 자세히 설명하면서, 금 본딩 와이어의 가장 대표적인 물리적 특성인 기계적 특성을 설명할께요. 그럼 아키 선생님 부탁합니다.
아키 선생님:
덴코양, 오늘 잘 부탁 드려요. 그림1처럼 신선공정의 다음 공정은 열처리 공정입니다. 열처리 공정에서 와이어에 열을 가해 기계적 특성을 조정합니다.

Fig.1

덴코양:
기계적 특성이란 구체적으로 무엇을 가리키는 건가요?
아키 선생님:
금 본딩 와이어의 성질을 나타내는 것으로, 대표적인 것으로 파단하중 (Breaking Load)과 연신율(Elongation)이 있습니다. 이들 두 가지 특성은 인장시험에서 측정합니다. 일정한 길이의 전선 양쪽을 일정 속도로 당겼을 때, 와이어 파단 시의 하중과 파단 직전까지 는 변형량을 측정하는 것입니다.
덴코양:
제품 카탈로그의 B.L.은 Breaking Load, El은 Elongation의 약칭이었구나.
아키 선생님:
파단하중과 연신율은 그림2와 같은 IC의 제조 공정 중의 와이어 본딩 시와 수지 밀봉(몰드) 시 등과 밀접한 관계가 있으며, 본딩 와이어에 있어서 중요한 물리적 특성의 하나입니다. 그림3에는 와이어 유형과 파단하중을 그래프로 비교했습니다. 한마디로 본딩 와이어라고 해도, 사용되는 반도체 설계에 따라 다양한 종류가 준비되어 있습니다.

Fig.2

Fig.3

덴코양:
와이어 유형의 차이는 파단하중을 비교하면 알기 쉽군요!

②열처리 조건과 인장시험의 특성

덴코양:
그런데 파단하중과 연신율 사이에 어떠한 관계가 있습니까?
아키 선생님:
좋은 질문이군요. 기본적으로 증가율은 그림4와 같이 열처리 온도를 변화시킴으로써 제어하는 것입니다. 기본적으로 열처리 온도를 올리는 것으로 파단하중(파란선)이 저하하여 연신율(빨간선)이 상승하는 것입니다.

Fig.4

덴코양:
그림4의 빨간선은 연신율의 추이군요.
야마 선생님:
일반적으로 사용되는 Au 본딩 와이어는, 예외도 있지만 일반적으로 연신율이 1~10% 정도이며, 미국 재료시험 협회(ASTM : American Society of Testing and Materials)에 표준규격에 대한 설명이 있습니다.
열처리 조건이 너무 약하면 본딩 시 루프 형성성이 나빠지고, 열처리 조건이 너무 강하면 파단하중이 너무 낮아져 버립니다.
아키 선생님:
그림5는 본딩 와이어 단면의 결정 조직도입니다. L1~L6은 그림4와 대조되요.

Fig.5

덴코양:
열처리 조건이 강해지면 결정입자가 커지는 것을 볼 수 있습니다.
아키 선생님:
열처리를 가하면, 처음에는 (압연이나 신선)가공에 의해 결정 내부에 축적된 변형 에너지가 방출되어 전위가 소멸하는 회복 현상이 나타납니다. 그런 다음 내부 변형이 작은 아결정이 전위밀도가 높은 부분을 흡수하여 성장하고, 변형이 작은 결정입자로 성장하는 재결정 현상이 나타나는 것입니다.
덴코양:
데우는 온도에 따라 맛이 상당히 달라진다는 걸까요?
아키 선생님:
맞다! 요리 같지만, 이 요리법이 본딩 와이어에 있어서 중요한 것입니다.

③인장시험 방법

아키 선생님:
다음은 인장시험의 시험방법을 설명합니다. 장치 전체는 그림6과 같이 되어 있습니다. 일정한 길이의 본딩 와이어에 일정 속도로 변형(변형 에너지)을 주면서, 하중계에 가해지는 하중을 실시간으로 측정합니다.

Fig.6

덴코양:
어떻게 파단하중과 연신율을 측정하죠?
아키 선생님:
파단하중과연신율은 S-S 곡선 (Stress-Strain Diagram)이라고 불리는 「응력 - 변형선도'에서 읽어냅니다. 응력은 단위 단면적 당 하중이며, 변형은 연신율과 유사한 의미이기 때문에, 금 본딩 와이어 업계에서는 Y축을 파단하중, X축을 연신율로 나타낸 그림도 S-S 곡선이라고 부르는 일이 많은 듯 합니다.

Fig.7 Video.1

덴코양:
아하! 그림7의 파단점이 X축과 만나는 점이 연신율, Y축과 만나는 점이 파단하중이군요. 동영상1에서는 파단하는 순간을 확인할 수 있군요! 대단해!

④S-S 곡선의 추구

아키 선생님:
S-S 곡선에서는 파단점의 물성 이외에도 알 수 있는 게 있어요.

Fig.8

덴코양:
그래서 그런지 그림8의 S-S 곡선을 보면 Au Wire와 Fe Wire와는 전혀 형태가 다르군요.
아키 선생님:
일반적인 철강재료는 인장시험에서 항복점이 나타납니다. 그리고 이 항복점을 경계로 탄성영역과 소성영역을 명확하게 구별할 수 있어요.
덴코양:
탄성영역과 소성영역에 대해서는 본딩-연구실 제2회에서 배워서 알고 있어요.
그렇지만, Au에도 탄성영역과 소성영역이 있군요?
아키 선생님:
Au 및 Cu·Al과 같이 항복하지 않고 탄성영역과 소성영역을 명확하게 구별할 수 없는 금속도 많이 있어요. 그 경우는 탄성영역과 소성영역의 경계를 편의상 표시하기 위해, 항복점에 해당하는 내력점을 이용합니다. 구체적으로는 그림9와 같이 S-S 곡선의 상승 개시점의 접선 L1을 구하고, 다음에 L1을 Y축과 평행 이동시켜 연신율 0.2%를 지나가는 선 L2를 구하고, L2와 S-S 곡선과의 교차점 P1을 0.2% 내력점이라고 합니다.

Fig.9

덴코양:
왜 0.2%인가요?
야마 선생님:
일반적인 철강재료의 항복 시의 연신율이 약 0.2 %이기 때문에, 하중 제거 시의 연신율이 0.2%가 되는 응력을 0.2% 내력으로서 사용하는 경우가 많은 것 같아요.

[토막지식: 영률의 산출방법]

영률(인장 탄성률) E는 미미한 변형 시에는 훅의 법칙에 따른다고 생각했을 때, 인장시험에서 Y축을 인장하중, X축을 신장이라고 하면, 초기의 직선(L1)의 경사도에 따라 구할 수 있다. 또한, 일반적인 Au 본딩 와이어의 영률은 88GPa 정도가 된다.
E = (인장 응력 : σ) / (인장 변형 : ε) = σ / ε
E = (단위 면적 당 힘) / (단위 길이 당 신장) = (F / A) / (⊿L / L0)
※ F: 인장 강도, A: 단면적, ⊿L: 힘 F에 의한 신장, L0: 측정 길이

덴코양:
선배님! 머리가 꽉 차 버렸어요.

⑤오늘은 여기까지

야마 선생님:
그렇군요. 이번은 여기까지 하겠지만, 열처리 공정 다음은 권선 공정이에요.
아키 선생님:
권선공정에서는 그림1과 같은 스풀에 소정 길이의 본딩 와이어를 감습니다. 일반적으로 감는 길이는 100m~10,000m로, 고객의 요망에 맞게 변경하고 있습니다. 한마디로 권선이라고 하면 간단합니다만, 단 몇 g의 하중으로도 와이어가 끊어져 버립니다. 그러나 하중을 가해 감지 않으면 운송 도중에 와이어가 느슨해져 얽혀 버려, 고객이 사용할 수 없게 되기 때문에 민감한 공정이에요.

Fig.1

덴코양:
아, 그런가요? 다음에도 재미있는 이야기를 들려 주세요. 아키 선생님! 야마 선생님! 감사합니다!