와이어 본딩: 현대적 응용, 기술 동향 및 비용 고려 사항

소개

와이어 본딩은 반도체 다이를 패키지 리드 프레임 및 회로 기판에 연결하는 주요 방법으로 오랫동안 지배적이었습니다. 특히 칩 온 보드(COB) 기술에서는 다이가 PCB에 직접 장착되는데, 이 기술에서 와이어 본딩이 특히 중요합니다. 와이어 본딩은 계산기와 초기 디지털 장치와 같은 소비자 전자제품에서 대량 생산 시의 신뢰성과 비용 효율성 때문에 인기를 얻었습니다.

시간이 지남에 따라, 와이어 본딩 COB는 소형화와 더 높은 성능의 요구를 충족하기 위해 발전했으며, 전력 LED, 이미지 센서, 전력 전자, 고성능 컴퓨팅과 같은 응용 분야에서 중요한 기술이 되었습니다. 오늘날 와이어 본딩은 마이크로일렉트로닉스 산업에서 1차 연결의 75-80%를 차지하며, 컴팩트하고 고성능 설계에서 신뢰할 수 있는 연결을 제공합니다.

전자 분야에서 와이어 본딩의 현대적 응용

와이어 본딩은 다양한 현대적 응용 분야에서 사용되며, 유연성, 신뢰성, 비용 효율성을 제공합니다. 주요 분야로는 다음과 같습니다:

• 3D 집적 회로(ICs): 3D IC에서는 여러 반도체 다이가 수직으로 쌓이는데, 이러한 층을 연결하는 데에 와이어 본딩이 필수적입니다. 장치가 더욱 컴팩트해짐에 따라 고밀도 처리 능력에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이는 미세 피치와 높은 핀 수를 관리하는 데 있어 와이어 본딩을 필수적으로 만듭니다. 이 기술은 고성능 컴퓨팅, 고급 모바일 장치, 고밀도 디지털 전자 제품에 있어 중요합니다.

와이어 본드가 있는 3D 적층 다이

• 전력 전자 및 광대역갭 반도체: 전기 자동차와 재생 에너지 시스템과 같은 고전력 응용 분야에서 사용되는 실리콘 카바이드(SiC) 및 갈륨 나이트라이드(GaN)와 같은 광대역갭 반도체의 패키징에 와이어 본딩이 필수적입니다. 이러한 반도체는 높은 전압과 온도에서 작동하며, 더 높은 전류 부하를 처리하고 효율적인 전력 관리를 보장하기 위해 종종 굵은 구리 와이어 본딩이 사용됩니다.

와이어 본딩된 전력 모듈 (이미지 출처: Electronics Weekly, “Powering UP”, 2022년 4월

• 광전자 및 이미지 센서: 이미지 센서의 해상도가 증가함에 따라 필요한 연결 수가 급격히 증가하여, 미세 와이어 본딩이 필수적입니다. 이러한 고성능, 고밀도 설계는 고급 소비자 전자 제품, 의료 진단, 보안 시스템에 있어 중요합니다.

CMOS 이미지 센서 COB와 와이어 본딩 [이미지 출처: 앨버타 대학교, Sensors 2011에 게재]

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• 칩 온 보드(COB) LED: COB 기술은 LED 설계에서 널리 사용되며, 더 높은 루멘 밀도와 개선된 열 관리를 제공합니다. 와이어 본딩은 효율적인 열 분산을 가능하게 하는 컴팩트한 LED 배열을 가능하게 하여, 자동차, 산업 및 소비자 응용 분야에서 더 밝고 오래 지속되는 조명 솔루션으로 이어집니다.

COB LED 배열 (이미지 출처: CREE)

와이어 본딩의 비용 고려 사항

와이어 본딩은 성능과 공간 효율성 측면에서 상당한 이점을 제공하지만, 특히 대규모 생산에서 비용은 중요한 요소로 남아 있습니다. 와이어 본딩의 비용은 사용된 재료의 종류, 응용 프로그램의 복잡성, 생산량 등 여러 변수에 의해 영향을 받습니다.

• 재료 비용: 와이어 본딩 재료의 비용은 매우 다양합니다. 금 와이어 본딩은 가장 비싼 옵션으로, 0.8 mil 와이어의 경우 그램당 약 $349입니다. 그러나 구리와 알루미늄은 특히 고전도성과 내구성이 여전히 필수적인 응용 분야에서 훨씬 더 비용 효율적인 대안을 제공합니다. 예를 들어, 동일한 직경의 알루미늄 또는 구리 본딩 와이어는 금에 비해 비용의 일부에 불과하여 대량 생산에 이상적인 선택이 될 수 있습니다.
• 제조 비용: 와이어 본딩 기계의 비용은 자동화 수준에 따라 다릅니다. 수동 또는 반자동 기계는 수만 달러의 비용이 들 수 있으며 소규모 또는 프로토타입 생산에 적합합니다. 반면에 완전 자동 기계는 수십만 달러의 비용이 들 수 있으며 대규모 생산에 필수적입니다. 저량 생산이나 일회성 생산 런의 경우 와이어 본딩 공정을 외부 제조업체에 아웃소싱하는 것이 종종 더 비용 효율적입니다. 이러한 서비스 제공업체는 비싼 와이어 본딩 장비에 투자할 필요 없이 더 저렴한 솔루션을 제공할 수 있습니다.
• 생산량 및 공구 비용: 와이어 본딩은 생산량이 클수록 비용 효율이 높아집니다. 와이어 본딩 설정을 위한 초기 공구 비용은 고정되어 있지만, 생산 규모가 커짐에 따라 단위당 비용이 감소합니다. 연간 수십만에서 수백만 단위에 이르는 대량 생산에서는 COB 디자인이 표준 패키지 칩을 사용하는 것보다 비용 효과적일 수 있습니다. 이는 COB가 다이 패키징이 필요 없게 하여 조립 비용을 줄이고 더 콤팩트한 디자인을 가능하게 하며, 부품 수를 줄일 수 있기 때문입니다.
• 비용 분석 예: 1770 um x 1258 um 다이와 21개의 와이어 본드를 가진 기본 COB 디자인의 경우, 자동화 수준과 생산량에 따라 비용이 크게 달라질 수 있습니다. 여기 100단위의 소량 배치에 대한 예시 분석이 있습니다:
  • 와이어 본딩 서비스 및 공구 요금: $500 (고정);
  • 와이어 본딩 과정 (알루미늄 웨지 본드): $360;
  • 베어 다이 비용: 단위당 $115;
  • ENIPIG 표면 처리가 된 PCB (50x50mm): $590;
  • 포장 및 배송: $50.
  100개 단위 생산량의 총 비용: $1,615. 더 높은 생산량에서는 이러한 비용이 크게 감소하여, 대규모 제조에 있어 COB 디자인을 더 저렴한 선택으로 만듭니다.

비용 분석을 위한 21핀 다이

Altium Designer에서의 와이어 본딩 COB 디자인

결론

와이어 본딩은 현대 전자기기에서 중요한 기술로 남아 있으며, 3D IC, 전력 전자, COB LED를 포함한 다양한 응용 분야에서 유연성과 비용 효율성을 제공합니다. 재료 및 제조 비용은 특히 대량 생산에서 변동할 수 있지만, 생산 규모가 커짐에 따라 와이어 본딩의 비용 이점이 명확해집니다. 기술이 계속 발전함에 따라, 와이어 본딩은 다음 세대의 고성능 전자 장치를 연결하는 데 필수적인 기술로 남을 것입니다.

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