[논문]와이어 본딩용 초음파 혼의 진동 특성

김영우; 임빛; 한대웅; 이승엽

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.2.227

와이어 본딩용 초음파 혼의 진동 특성
Vibration Characteristics of a Wire-Bonding Ultrasonic Horn 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.2, 2014년, pp.227 - 233

김영우 (서강대학교 기계공학과) , 임빛 (서강대학교 기계공학과) , 한대웅 (서강대학교 기계공학과) , 이승엽 (서강대학교 기계공학과)

초록
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본 논문은 상용화된 와이어 본딩용 초음파 혼 시스템에서 발생하는 와이어 본딩 불량의 원인을 진동해석을 통하여 파악하고자 한다. 먼저 링 형상의 압전 구동기와 초음파 혼 그리고 캐필러리 등 각 부품의 진동 특성과 136kH의 가진 주파수 근처에서 발생하는 전체 초음파 혼 시스템의 주요 진동 모드들을 유한요소해석을 이용하여 구하였다. 136kHz에서 공진되는 전체 트랜스듀서 시스템의 진동 모드가 종진동 모드가 아닌 굽힘 진동 모드임을 조화 가진 해석과 실험으로 확인하였다. 136kHz에서 발생하는 굽힘 진동 모드는 캐필러리 끝단의 움직임이 종방향 뿐만 아니라 좌우 횡방향으로도 큰 변위가 발생하기 때문에 정밀 작업 시 본딩 불량의 원인이 될 수 있다. 가진 주파수 대역 근처인 119kHz에서 발생하는 종진동 모드는 캐필러리의 횡방향 진동이 감소하기 때문에 본딩 성능의 향상을 위해서 이러한 종진동 모드를 이용하도록 설계 변경이 필요함을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the vibration characteristics of a wire-bonding piezoelectric transducer and ultrasonic horn for high-speed and precise welding. A ring-type piezoelectric stack actuator is excited at 136 kHz to vibrate a conical-type horn and capillary system. The nodal lines and amplification ratio of the ultrasonic horn are obtained using a theoretical analysis and FEM simulation. The vibration modes and frequencies close to the driving frequency are identified to evaluate the bonding performance of the current wire-bonder system. The FEM and experimental results show that the current wire-bonder system uses the bending mode of 136 kHz as the principal motion for bonding and that the transverse vibration of the capillary causes the bonding failure. Because the major longitudinal mode exists at 119 kHz, it is recommended that the design of the current wire-bonding system be modified to use the major longitudinal mode at the excitation frequency and to minimize the transverse vibration of capillary in order to improve the bonding performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이론적 해석과 유한요소해석 그리고 실제 부품을 이용한 실험을 통하여 상용화된 와이어 본더의 초음파 혼 트랜스듀서 시스템의 진동 특성을 비교 분석하여 136kHz로 가진되는 현재 모델의 와이어 본딩 불량 원인을 제시하였다. 압전구동기, 초음파 혼 그리고 캐필러리를 포함한 전체 트랜스듀서 모델에 대해서 119 kHz와 136 kHz에서 공진이 발생함을 유한요소해석과 실험을 통해서 확인하였다.
현재 상용 제품으로 쓰이는 국내 S회사 와이어 본더 장치가 고속 및 정밀 작업시 본딩 불량이 발생하고 있는데 본 논문은 이 와이어 본딩 초음파 혼 시스템의 진동 특성을 이론적 해석과 유한 요소해석 그리고 실험을 통하여 비교 분석하여 본딩 불량의 원인을 찾아서 설계 개선을 제시하는 것이 목적이다. 먼저 압전 구동기, 초음파 혼, 캐필러리에 대한 각 부품의 특성을 파악하고 전체 초음파 혼 트랜스듀서 시스템의 진동 특성을 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수행하였고, 실제 와이어본더 시스템을 이용하여 실험적으로 검증하였다.

제안 방법

Table 2와 같이 초음파 혼의 앞과 뒷부분에 연결되는 너트 부분과 스크류 재료의 물성치를 이용하여 양쪽 경계조건이 모두 자유단인 상태에서 ANSYS를 이용한 유한요소 해석을 수행하였다. 100 ~ 170kHz의 범위에서 고유 주파수와 진동 모드 형상을 살펴보았다. Fig.
3단 원뿔형 초음파 혼의 종진동 모드들을 자유 진동 결과 (1)-(3)과 유한요소해석으로 구하였다. 종진동 모드는 33.
앞뒤의 질량은 각각 티타늄과 알루미늄이고 앞뒤로 체결된 볼트는 철이다. Table 2와 같이 초음파 혼의 앞과 뒷부분에 연결되는 너트 부분과 스크류 재료의 물성치를 이용하여 양쪽 경계조건이 모두 자유단인 상태에서 ANSYS를 이용한 유한요소 해석을 수행하였다. 100 ~ 170kHz의 범위에서 고유 주파수와 진동 모드 형상을 살펴보았다.
각 주파수에서 본딩 성능에 미치는 실제적인 영향을 살펴보기 위해 캐필러리의 2차원 운동 궤적을 실험적으로 구하였다. 트랜스듀서 시스템을 119kHz와 136kHz로 가진할 때 캐필러리 끝단에 서의 종방향(x축)과 횡방향(z축) 진동 변위를 측정하여 캐필러리의 2차원 변위 궤적을 Fig 12에서 나타내었고 또한 종방향과 횡방향 최대 변위를 Table 4에 나타내었다.
그러나 임피던스, 어드미턴스 그리고 전류 측정만을 가지고는 와이어 본더의 캐필러리 끝단에서 실제로 일어나는 변위를 파악할 수 없다. 따라서 Fig.10과 같은 실험 장치를 구성하여 함수 발생기로 구동기를 정현파 가진하고, 캐필러리 끝단에 종방향과 횡방향의 진동 변위를 측정하였다.
136 kHz 가진 주파수 근처에서 나타나는 전체 시스템의 주 진동 모드가 길이 방향으로 움직이는 종진동 모드가 아닌 굽힘 모드이기 때문에 이 모드가 와이어 본딩 성능에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하다. 따라서 전체 모델에 대해서 조화가진 유한요소해석을 수행하였다. 압전 구동 기의 분극 방향에 따라 0~10V의 정현파 전압을 80kHz부터 180kHz까지 가진하여 종방향(x축)과 횡방향(z축)에 주파수응답 해석 결과를 Fig.
압전 구동기 모듈, 초음파 혼, 마운틴 플랜지 그리고 캐필러리를 포함한 전체 모델에 대한 ANSYS 를 이용한 모드 해석을 수행하였다. 마운틴 플랜지의 물성치는 초음파 혼과 동일한 티타늄이며 마운틴 플랜지의 2개의 볼트 결합부를 고정된 경계조건으로 하고 각 부품들의 결합부는 서로 완전히 결합된 고정단 조건으로 해서 유한요소해석을 수행하였다.
현재 상용 제품으로 쓰이는 국내 S회사 와이어 본더 장치가 고속 및 정밀 작업시 본딩 불량이 발생하고 있는데 본 논문은 이 와이어 본딩 초음파 혼 시스템의 진동 특성을 이론적 해석과 유한 요소해석 그리고 실험을 통하여 비교 분석하여 본딩 불량의 원인을 찾아서 설계 개선을 제시하는 것이 목적이다. 먼저 압전 구동기, 초음파 혼, 캐필러리에 대한 각 부품의 특성을 파악하고 전체 초음파 혼 트랜스듀서 시스템의 진동 특성을 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수행하였고, 실제 와이어본더 시스템을 이용하여 실험적으로 검증하였다.
컴퓨터에 저장된 USG 제어기에서 가진 신호를 USG 장비를 통하여 구동기 모듈에 인가시켜주고 이 신호를 다시 받아서 데이터를 출력하게 된다. 실제 작업 조건과 같이 마운틴 플랜지의 두 홀과 뒷면이 고정된 경계조건하에서 실험을 수행하였다.
와이어 본더 전체 시스템에서는 압전 구동기로 가진된 초음파 진동이 혼을 통하여 증폭되어 최종적으로 캐필러리 끝단의 진동을 일으킨다. 압전 구동기 모듈, 초음파 혼, 마운틴 플랜지 그리고 캐필러리를 포함한 전체 모델에 대한 ANSYS 를 이용한 모드 해석을 수행하였다. 마운틴 플랜지의 물성치는 초음파 혼과 동일한 티타늄이며 마운틴 플랜지의 2개의 볼트 결합부를 고정된 경계조건으로 하고 각 부품들의 결합부는 서로 완전히 결합된 고정단 조건으로 해서 유한요소해석을 수행하였다.
본 연구에서는 이론적 해석과 유한요소해석 그리고 실제 부품을 이용한 실험을 통하여 상용화된 와이어 본더의 초음파 혼 트랜스듀서 시스템의 진동 특성을 비교 분석하여 136kHz로 가진되는 현재 모델의 와이어 본딩 불량 원인을 제시하였다. 압전구동기, 초음파 혼 그리고 캐필러리를 포함한 전체 트랜스듀서 모델에 대해서 119 kHz와 136 kHz에서 공진이 발생함을 유한요소해석과 실험을 통해서 확인하였다. 그러나 현재 가진 주파수인 136 kHz에서는 예상했던 종진동 모드가 아닌 굽힘모드의 진동이 발생한다.
유한요소해석에서 구한 결과를 실험적으로 확인하기 위하여 Fig. 8과 같이 USG(Ultrasonic Generator) 장비를 사용하여 가진 주파수에 대한 어드미턴스(admittance), 임피던스(impedance), 전류와 위상(phase) 특성을 측정하였다. USG 장비는 본 와이어본더 장비를 생산하는 S회사에서 특화하여 제작한 장비로서 입력 주파수에 따른 다양한 동특성을 측정할 수 있는 장비이다.
캐필러리 끝단에 반사막을 붙여 비접촉 레이저 센서인 Polytec LDV(Laser Doppler Vibrometer) OFV-2200H를 사용하여 변위를 측정하였다. Fig.

대상 데이터

일반적으로 사용되는 혼의 형태는 원기둥형, 지수함수형, 원추형, 캐터노이달형, 계단형 등으로 나누어진다. 본 연구에서 사용되는 초음파 혼은 Fig. 2와 같이 3단 원뿔형 혼으로 구동기에서 가진된 초음파 진동이 혼을 통하여 종방향으로 증폭된다. 초음파 혼은 구동기의 입력에 대한 혼의 출력단에서의 변위 진폭비가 높아야 하고 초음파 혼을 고정시키는 마운틴 플랜지가 종진동 모드의 절점(nodal point)에 위치해야 한다.
이다. 본 연구에서 사용된 3단 초음파 혼의 재료는 티타늄이고 3단각 부분의 크기는 l₁=59.41, l₂=15.19, l₃=6.86, D₁=6.35, D₂=4.064mm이다.
압전 구동기의 각층은 링 형상이고 두께는 1mm의 벌크형이다. 전극은 0.05mm의 얇은 쉘형으로서 철로 구성되어 있다. 압전 구동기 모듈은 구동기의 앞뒤에 질량과 볼트가 비대칭적으로 결합된 구조이다.

성능/효과

그러나 현재 가진 주파수인 136 kHz에서는 예상했던 종진동 모드가 아닌 굽힘모드의 진동이 발생한다. LDV를 이용한 변위 실험을 통해서 136kHz에서 종방향뿐만 아니라 횡방향 진동이 상대적으로 많이 발생함으로써 고속 및 정밀 본딩 작업시 발생하는 불량의 주된 원인이 됨을 파악하였다.
7에 나타내었다. 앞선 전체 시스템 해석 결과와 유사하게 118.5kHz와 135.5kHz에서 종방향과 횡방향으로 모두 공진이 발생함을 알 수 있다.
11은 관심 있는 주파수 대역인 119kHz와 136kHz 주변에서 다양한 가진 주파수에 대해서 캐필러리의 종방향 변위를 측정한 시간 데이터(보라색)와 FFT(Fast Fourier Transform) 결과(노란색)를 동시에 나타내었다. 예상한 대로 119kHz와 136kHz의 2개 주파수에서 공진이 일어남을 확인하였다. 136kHz에서 발생하는 공진의 최대 진폭이 119kHz의 공진에서의 진폭보다 더 크게 발생함을 알 수있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 혼을 이용한 와이어 본딩은 어디에 적용되는가?	이때 압전 구동기에서 발생하는 초음파 진동이 초음파 혼의 종진동 모드에 의해 증폭되며 캐필러리 끝단에서 구형의 와이어를 회로 단자에 문지르면서 접착시킨다. 이와 같이 초음파 혼을 이용한 와이어 본딩은 고속 및 정밀 접합이 요구되는 휴대폰 등의 전자 통신기기 및 정밀 반도체 부품 등에 적용되고 있다. (1) 위에 수직으로 접촉면에 내려주면서 압전 구동기에 특정 가진 주파수의 전압을 인가한다.
	초음파 혼을 이용한 와이어 본딩 장치는 무엇인가?	초음파 혼을 이용한 와이어 본딩 장치는 초음파의 진동 에너지를 이용하여 전기 도체인 와이 어를 회로 단자와 리드 프레임에 직접 접착하는 기계 장치이다. 이 와이어 본딩 과정은 전기 스파크로 와이어 끝단을 녹여 구형으로 만든 후 그위에 수직으로 접촉면에 내려주면서 압전 구동기에 특정 가진 주파수의 전압을 인가한다.
	본 연구에서 초음파 혼 트랜스듀서 시스템의 진동 특성을 비교 분석한 결과 초음파 혼의 와이어 본딩 불량을 개선하기 위해서는 무엇이 필요한가?	현재 발생하는 초음파 혼의 와이어 본딩 불량을 개선하기 위해서는 첫째로 가진 주파수에서 초음파 혼 시스템이 굽힘 모드가 아닌 순수한 종진동 모드로 가진되도록 설계 변경이 이루어져하고 둘째로 공진시 캐필러리의 횡방향 진동을 최소화하도록 구조적인 개선이 이루어져야 한다.

참고문헌 (8)

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Elsner, E., 1996, "Complete Solution of the Webster Horn Equation," Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 41, pp. 1126-1138.
Seo, J. S., Jang, S. M. and Beck, S. Y., 2012, One-wavelength Ultrasonic Horn Design for Ultrasonic Machining of Mobile Phone Battery Terminal Welding, Transactions of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 21, No. 1, pp. 70-75.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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