플립칩 기술의 모든 것

2024-03-21 2843

반도체 패키징 기술개론

반도체 산업, 특히 반도체 패키징에 종사하는 사람들은 필연적으로 여러 패키징 공정, 즉 칩 본딩, 와이어 본딩, 플립 칩 본딩에 익숙합니다.

그 중 와이어 본딩과 플립칩 본딩이 가장 일반적이다. TAB(Tape Automated Bonding) 기술은 한계로 인해 패키징에서 점차적으로 폐지되고 있습니다.

플립 칩 본딩 기술에는 칩의 범프를 기판, 캐리어 또는 회로 기판에 직접 본딩하여 구성 요소를 상호 연결하는 기술이 포함됩니다. 이와 대조적으로 와이어 본딩은 칩의 앞면을 위로 향하게 놓고 와이어(보통 금선)를 사용하여 칩과 회로 기판을 연결합니다.

와이어 본딩, 테이프 자동 본딩, 플립 칩 본딩은 각각 고유한 특성을 가지고 있습니다. 그 중 플립칩 본딩은 컴팩트한 구조와 높은 신뢰성으로 인해 패키징 산업에서 점점 인기를 얻고 있습니다.

플립칩 기술이란 무엇입니까?

플립 칩 기술은 1960년에 플립 칩 솔더링을 위해 칩에 범프를 생성하는 프로세스를 개발한 IBM에서 시작되었습니다. 이 프로세스에는 전기 도금된 NiAu 범프를 감싸는 95Pb5Sn으로 범프를 둘러싸는 작업이 포함되었습니다. 나중에 PbSn 범프는 초기에 매우 안정적인 패키징 기술로 대형 메인프레임 컴퓨터용으로 개발된 Controlled Collapse Component Connection(C4) 기술을 사용하여 사용되었습니다. C4 칩은 탁월한 전기적 및 열적 특성을 나타내며, 패키징 피로 수명이 최소 XNUMX배 이상 향상되었습니다.

IBM이 C4 기술을 성공적으로 적용한 이후, 후속 기술 발전으로 인해 일부 반도체 회사에서는 C4 기술을 최적화하고 업그레이드했습니다. 여기에는 Fairchild가 Al 범프를 개발하고 Amelco가 Au 범프 기술을 도입하는 것이 포함됩니다.

반도체 패키징 기술은 QFP(Quad Flat Package)에서 BGA(Ball Grid Array) 패키징, 그리고 최신 CSP(Chip Scale Package) 패키징으로 진화했습니다.

아래 다이어그램은 기존 QFP, BGA 및 기타 기술을 사용하여 패키지된 장치를 표시합니다.

반도체 칩의 크기가 점진적으로 감소함에 따라 칩 패키징 기술에 대한 수요가 증가하고 있으며, 패키징 기술은 웨이퍼 레벨 및 패키징 개발로 추진되고 있습니다.

기존 칩을 패키징할 때 일반적인 프로세스에는 웨이퍼를 개별 다이로 절단한 다음 각 다이를 별도로 패키징하는 작업이 포함됩니다. 패키징 기술이 성숙해짐에 따라 최신 반도체 패키징에서는 패키징 공정과 반도체 공정을 융합하는 추세가 나타나고 있습니다. 여기에는 칩을 다이싱하기 전에 웨이퍼에 칩을 균일하게 패키징하여 더 높은 신뢰성을 갖춘 독립적인 칩을 만드는 것이 포함됩니다.

플립칩 기술의 성숙된 적용으로 인해 전세계 플립칩 부품 소비량은 현재 연간 600,000개를 초과하며 약 50%의 비율로 증가하고 있습니다. 웨이퍼 패키징의 3%가 플립칩 범핑 기술에 사용되며, 몇 년 안에 20%를 초과할 것으로 예상됩니다.

플립칩 부품은 주로 반도체 장치에 사용됩니다. 패시브 필터, 감지 안테나, 메모리 모듈과 같은 일부 구성 요소도 플립 칩 기술을 채택하기 시작했습니다. 칩은 범프를 통해 기판 및 캐리어에 직접 연결되므로 플립 칩 구성 요소는 더 정확하게 알려져 있습니다.

직접 칩 부착(DCA). 아래 다이어그램에서 CPU, 메모리 모듈과 같은 전자 제품은 플립 칩 기술을 적용한 가장 일반적인 장치입니다.

이 다이어그램은 플립 칩 기술을 사용하는 메모리 모듈에서 메모리 칩과 회로 기판 사이의 연결을 보여줍니다. 칩은 언더필 접착제를 사용하여 회로 기판에 고정됩니다.

일반적인 플립 칩 패키징에서 칩은 3~5밀(1밀 = 25마이크로미터) 두께의 솔더 범프를 통해 칩 캐리어에 연결되며, 솔더 범프를 보호하기 위해 바닥에 언더필 재료가 사용됩니다. 아래 다이어그램은 플립 칩 기술을 사용하여 칩이 아래 기판에 연결되는 일반적인 플립 칩 상호 연결을 보여줍니다.

반도체 칩의 플립 칩 상호 연결 과정에는 많은 전처리 단계와 후처리 단계가 있습니다. 다음 세부 사항은 플립 칩 기술 프로세스에 대해 자세히 설명합니다.

1단계: 언더 범프 금속화(UBM)

플립 칩 상호 연결의 첫 번째 단계는 칩 표면에 UBM(Under Bump Metallization)을 생성하는 것입니다. 플립칩 접속의 본질은 칩의 범프와 기판의 범프(패드) 사이의 연결에 있습니다. 반도체 표면을 금속화하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

(a) 스퍼터링: 스퍼터링을 사용하여 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 필름을 층별로 증착한 후 포토리소그래피를 통해 UBM 레이아웃을 패터닝하고 패터닝되지 않은 부분을 식각합니다.

(b) 증발: 마스크를 사용하여 증발을 통해 실리콘 웨이퍼에 층을 증착합니다. 이러한 선택적 증착은 범프 형성에 해당하는 마스크를 사용합니다.

(c) 무전해 도금: 무전해 도금 방식을 사용하여 Al 솔더 패드에 니켈을 선택적으로 도금합니다. Al 표면은 종종 아연염 공정으로 처리됩니다. 이 방법은 진공이나 리소그래피 장비가 필요하지 않아 비용이 절감됩니다. 아래 다이어그램은 반도체 칩의 UBM(Under Bump Metallization) 프로세스를 보여줍니다.

알루미늄 솔더 패드 표면에 산화물 층이 있기 때문에 금속 도금은 산화된 표면에 부착될 수 없습니다. 따라서 산화층을 제거하기 위해서는 알루미늄 표면을 적절하게 처리하는 것이 필요하다.

일반적인 방법은 알루미늄 솔더 패드에 아연화를 사용하는 것입니다. 여기서 아연 층은 산화를 방지하기 위해 알루미늄 표면에 증착됩니다. 아연 도금 공정의 한 가지 단점은 알루미늄이 도금 용액에 의해 부식될 수도 있다는 것입니다. 따라서 0.3차 아연 도금 공정이 필요하며, 이 과정에서 약 0.4~XNUMXmm의 알루미늄이 부식됩니다. 아연도금 공정에서 아연은 알루미늄 표면에 침전되는 동시에 알루미늄 및 산화알루미늄 층이 부식됩니다. 얇은 아연층은 알루미늄이 더 이상 산화되지 않도록 보호합니다.

아연 도금 공정에 이어 UBM 증착을 위해 화학적 니켈 도금이 추가로 사용되며, 금속 니켈은 확산/연결에 대한 장벽 역할을 합니다. 니켈은 확산 속도가 매우 낮고 솔더와 거의 반응하지 않으므로 공융 솔더용 UBM 금속으로 이상적입니다. 화학적 니켈 도금은 UBM 금속 증착과 범프 형성 모두에 사용될 수 있습니다. 일부 플립 칩 범프에는 금 도금이 적용되어 금의 우수한 전도성과 산화 저항으로 인해 신뢰성이 향상될 수 있습니다.

2단계: 범프를 형성하기 위한 리플로우

솔더 범프를 형성하는 방법에는 증발, 전기 도금, 인쇄, 스터드 범핑, 볼 드롭, 솔더 전사 등 다양한 방법이 있으며 전기 도금 및 인쇄가 널리 사용됩니다.

반도체 표면의 범프를 금속화한 후 리플로우 오븐을 사용하여 플립 칩 범프를 형성합니다.

범프를 형성하기 위한 일반적인 리플로우 프로세스는 아래 다이어그램에 설명되어 있습니다.

전기도금을 통해 솔더 범프를 형성하는 구체적인 프로세스는 다음 다이어그램에 설명되어 있습니다.

범프에 일반적으로 사용되는 재료는 Pb/Sn 합금입니다. 이는 우수한 리플로우 솔더링 특성을 나타내며 산업 생산에 적합하기 때문입니다.

일반적으로 사용되는 Pb/Sn 합금 외에도 Au/Ni 합금과 같은 다른 범프 재료도 활용됩니다. 안정적인 상호 연결을 보장하기 위해 Under Bump는

금속화(UBM)는 범프에 사용되는 합금과 호환되어야 합니다. 높은 납 함량에 적합한 UBM이 반드시 주석 함량이 높은 솔더에는 적합하지 않을 수도 있습니다. 예를 들어, Cu 습윤층은 3~5%의 주석을 함유한 납 함량이 높은 솔더에는 적합하지만, Cu가 Sn과 빠르게 반응하여 Sn-Cu 금속간 화합물을 형성하므로 주석 함량이 높은 솔더에는 적합하지 않습니다. Cu가 완전히 소모되면 솔더는 솔더 영역을 젖지 않습니다.

아래 다이어그램은 다양한 범프 재료를 사용한 플립칩 연결을 보여줍니다.

주사전자현미경으로 관찰한 칩 표면에 형성된 돌기의 모습은 아래 그림과 같습니다.

다이어그램의 왼쪽 이미지는 리플로우 전(고온) 범프 상태를 보여주고, 오른쪽 이미지는 고온에 노출된 후 범프가 녹아 구형 모양을 형성하는 범프 상태를 보여줍니다.

화학 도금 UBM 및 스텐실 인쇄 공정은 산업 응용 분야에서 범프 준비를 위한 저렴한 방법입니다.

다음은 범프의 스텐실 프린팅에 대한 프로세스 흐름과 완료 후 범프의 모습입니다.

3단계: 플립 칩 조립

이 공정에는 플립칩 본딩을 통해 범프가 완성된 칩을 캐리어 기판에 상호 연결하는 과정이 포함됩니다.

칩을 캐리어에 연결하는 가장 일반적인 방법은 열압착 접합 기술이며 금이 가장 적합한 범프 재료입니다.

범프는 전통적인 전기 도금 방법을 사용하거나 와이어 본딩 기술에 일반적으로 사용되는 기술인 스터드 범핑을 사용하여 생성할 수 있습니다.

열압착 접합의 경우 이 공정은 높은 압력과 온도가 필요하기 때문에 알루미나나 실리콘과 같은 단단한 기판에만 적합합니다.

또한 기판은 높은 평탄성을 유지해야 하며 열압착 헤드는 높은 평행 정렬 정확도를 보여야 합니다. 반도체 재료의 불필요한 손상을 방지하려면 공정 중에 특정 압력 구배를 적용해야 합니다.

4단계: 언더필 및 경화

플립 칩 본딩 후 칩과 기판 사이의 연결이 설정됩니다. 플립 칩 어셈블리의 안정성을 높이기 위해 칩과 기판 사이에 언더필 접착제가 적용됩니다. 언더필 프로세스는 아래 다이어그램에 설명되어 있습니다.

칩과 기판 사이의 바닥 충전재는 열 피로에 대한 저항성을 크게 향상시킵니다. 이는 바닥 충전재가 없을 경우 플립칩 기술의 주요 신뢰성 문제가 될 수 있습니다.

(a) 바닥 충전재는 집중된 응력을 칩의 봉지재에 분산시킵니다.

(b) 솔더 크리프를 방지하고 플립칩 연결의 강도와 강성을 높일 수 있습니다.

(d) 칩이 기계적 진동과 충격을 견딜 수 있게 해줍니다.

요약하면, 플립칩 연결의 신뢰성은 기판과 칩 사이의 열팽창계수(CTE) 불일치는 물론 솔더 조인트의 높이와 이들 사이의 최대 간격에 의해 영향을 받습니다. 연결 영역의 균열은 일반적으로 연결 온도가 냉각되는 동안 발생합니다.

금은 녹는점이 높기 때문에 땜납에 비해 피로 손상에 덜 민감합니다. 따라서 열 순환 중 응력이 범프와 솔더 패드 사이의 연결 강도를 초과하지 않는 한 신뢰성은 중요한 문제가 되지 않습니다.

칩과 기판 사이의 바닥 충전재는 연결의 열 피로 저항을 크게 향상시키며, 이것이 없으면 열 피로는 플립칩 기술의 주요 신뢰성 문제가 됩니다.

플립칩 어셈블리는 칩과 기판 사이의 연결 경로가 매우 짧기 때문에 고주파 애플리케이션에 특히 적합합니다. 플립칩 솔더 조인트의 직렬 임피던스는 약 1mW이고 직렬 인덕턴스는 0.025nH로 와이어 본딩의 5~10nH보다 훨씬 낮습니다.

신호 전송 지연을 크게 줄일 수 있는 것은 바로 플립칩 조립의 이러한 장점 때문입니다.

플립칩 기술의 장점과 단점:

장점:

(a) 작은 크기: 작은 IC 핀 레이아웃(플랫 패키지의 5%에 불과)으로 높이와 무게가 줄어듭니다.

(b) 기능 향상: 플립칩 기술을 사용하면 I/O 수를 늘릴 수 있습니다. 와이어 본딩과 달리 I/O는 칩 주변으로 제한되지 않습니다. 영역 어레이는 신호, 전원 등을 위해 더 작은 공간에 더 많은 상호 연결을 수용할 수 있습니다. 일반적인 플립칩 패드는 400에 달할 수 있습니다.

(d) 신뢰성 향상: 대형 칩용 에폭시 충진으로 높은 신뢰성을 보장합니다. 플립칩은 인터커넥트 핀 수를 2/3까지 줄일 수 있습니다.

(e) 향상된 열 방출: 캡슐화되지 않은 플립칩을 사용하면 칩 뒷면을 효과적으로 냉각할 수 있습니다.

(f) 저렴한 비용: 대량 생산된 범프는 비용을 절감합니다.

단점 :

(a) 베어 칩은 테스트하기가 어렵습니다.

(b) 범프된 칩의 제한된 적응성.

(d) 눈에 보이지 않는 납땜 접합부를 감지하려면 X선 검사 장비가 필요합니다.

(e) SMT 프로세스와의 호환성이 좋지 않습니다.

(f) 베어 다이의 취급이 어렵다.

(g) 높은 조립 정밀도가 요구됩니다.

(h) 현재 바닥 충전재를 사용하려면 일정한 경화 시간이 필요합니다.

(i) 일부 기판은 신뢰성이 낮습니다.

(j) 수리가 어렵거나 불가능합니다.

이것으로 플립칩 기술 소개를 마칩니다.

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