플립칩 기술의 Interconnection

 

여러 가지 플립칩 결함의 예

 

플립칩 결합에는 많은 다양한 공정들이 사용되는데, 결합 구조의 공통적인 특성은 칩이 기판에 면을 마주하고 놓인다는 것과 칩과 기판과의 연결이 전도성 물질의 범프를 통해 이루어진다는 것입니다. 여러 종류의 플립칩 결합에 대한 개략도를 상기그림에 도시하였습니다.
플립칩 기술은 범프의 재질과 형상 및 접속방식에 따라 다음과 같이 정리될 수 있습니다.

 

 

플립칩 솔더링 공정

언더필 주입 과정

 

(1) 솔더 결합에 의한 플립칩 공정
플립칩 솔더링 공정에서 범핑된 칩은 회로기판에 납땜됩니다. 솔더는 예외는 있지만 일반적으로 기판의 패드 영역에 놓여집니다. 미세 피치에 적용하기 위해 솔더는 전기도금, 솔더 잉크젯 또는 solid solder deposition 등에 의해 놓여집니다. 칩을 액체에 담그거나 기판 위의 솔더 접속영역에 액체를 분사하여 점액을 도포합니다. 거친 피치(>0.4mm)에 적용하는 경우는 스텐실 방법에 의해 솔더 페이스트를 위치시킵니다. 칩의 범프는 점액성 페이스트에 잠기고 오븐 속에서 리플로우 되며, 리플로우 공정 후에는 점액을 씻어냅니다. 칩의 한쪽 또는 양쪽 사이드를 따라 칩과 기판 사이의 모세관 현상을 이용해 점성도가 낮은 에폭시인 언더필 물질을 주입합니다. 끝으로 열을 가해 언더필을 경화시킵니다. 언더필 공정 후에 플립칩 결합을 수리하는 것은 일반적으로 불가능하므로, 리플로우 이후 언더필을 하기 전에 테스트를 수행하여야 합니다. 플립칩 솔더링 공정은 다음과 같은 단계로 이루어집니다.
․다이 준비(테스팅, 범핑, 다이싱)
․기판 준비(flux application 또는 solder paste printing)
․pick, alignment 및 place
․점액 클리닝
․언더필 주입
․언더필 경화

 

 

열압축과 열초음파 공정에서의 플립칩 결합의 원리

 

(2) 열압축에 의한 플립칩 결합
열압축 본딩공정에서는, 칩의 범프가 열과 압력에 의해 기판 위의 패드에 본딩됩니다. 이러한 공정에는 칩 또는 기판 상의 골드 범프와 금이나 알루미늄 등의 본딩 가능한 표면이 요구됩니다. 본딩 온도는 골드 본딩의 경우 재료를 무르게 하고 확산본딩 공정을 촉진시키기 위해 보통 300℃ 정도로 높게 합니다. 본딩 압력은 80㎛ 범프 직경에 대해 1N까지 가할 수 있습니다. 높은 본딩 압력과 온도가 요구되기 때문에, 공정은 알루미나나 실리콘 같은 단단한 기판에 한정되며, 아울러 높은 편평도가 요구됩니다. 평행 배열된 높은 정밀도의 본더가 요구됩니다. 반도체 물질이 조기 손상되는 것을 피하기 위해 본딩 압력을 단계적으로 증가시킬 필요가 있습니다.

 

(3) 플립칩 열초음파(thermosonic) 결합
열압축 본딩공정은 용접공정을 촉진하기 위하여 초음파를 이용할 경우 보다 효율적으로 될 수 있습니다. 초음파 에너지는 픽업(pick-up) 기구로부터 칩 뒷면을 통해 본딩 영역으로 전달됩니다. 열초음파 본딩은 본딩 물질을 무르게 하고 변형되기 쉽게 만들기 위해 초음파를 사용합니다. 열압축과 비교하여 이 방법은 중요한 장점은 낮은 온도와 짧은 시간으로 본딩이 가능하다는 것입니다. 열초음파 본딩의 문제점 중 하나는 실리콘 구멍이 발생할 수 있다는 것인데, 이는 지나친 초음파 진동에 기인한다고 판단됩니다.

 

 

전도성 접착제를 이용한 플립칩 결합의 개략도

 

(4) 접착제(등방성, 비등방성, 비전도성)를 사용한 플립칩 결합
전도성 접착제가 플립칩 결합에서 주석-납 솔더의 대안으로 사용되기도 합니다. 접착제로 본딩된 플립칩은 얇은 두께와 비용 효율성을 갖습니다. 전도성 접착제는 공정이 용이하고, 경화 온도가 낮으며, 본딩공정후 클리닝이 필요없다는 장점을 갖습니다. 비등방성 전도성 접착제는 미세피치 결합을 가능하게 합니다. 상기그림은 등방성 및 비등방성 접착제(ICAs and ACAs)를 사용한 플립칩 본딩의 개략도입니다. 비전도성 점착제가 플립칩 본딩에 사용되기도 하는데, 이 경우에는 결합 표면이 구성요소와 기판 사이의 접착제에 의해 밀착됩니다.
등방성 전도성 접착제는 모든 방향으로 전도가 가능할 정도의 전도성 입자로 채워진 고분자 합성수지 페이스트입니다. 일반적으로 고분자 합성수지는 에폭시이고 전도성 입자는 은이 됩니다. 비등방성 전도성 접착제는 열가소성 플라스틱 또는 b-stage 에폭시의 페이스트 또는 필름입니다. 이것들은 본딩 전에 모든 방향으로 절연이 될 정도의 금속 입자 또는 금속 코팅된 고분자 구체(sphere)로 채워집니다. 본딩 후에 접착제는 z축 방향으로 전도성을 띠게 됩니다. 금속 입자 또는 고분자의 코팅에는 니켈이나 금이 사용됩니다.

 

 

 

 

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