플립칩 기술

 

 

무전해 Ni/Au 범프 형성 순서 및 범프 모양

 

플립칩(Flip Chip) 기술은 기존의 단일 칩 패키지 구조에서 패키지 자체를 생략하고 베어 다이(bare die) 자체를 사용하여 패키지하는 기술로서 2차원적인 패키지 방법의 마지막 방법이라 할 수 있습니다. 반도체 칩 접속에 있어 기존의 접속 방식인 와이어 본딩, TAB 기술로는 시스템 크기를 줄이며 전기적 성능을 향상시키는데 그 한계에 이르고 있습니다. 따라서 새로운 접속기술인 플립칩 기술을 사용한 Direct Chip Attach(DCA) 기술, CSP, MCM 기술의 필요성이 점점 커지고 있습니다.
플립칩 기술의 장점은 다음과 같습니다. 최소한의 크기와 무게, 공정과 시스템 가격의 감소, 전기적 성능 향상, 열관리 가능, I/O 수가 많은 고밀도 회로소자 접속 가능, area array 접속 설계 가능 등이 있습니다.
플립칩 방법은 IBM에 의해 1970년대 고 용융점 솔더(95Pb-5Sn)를 사용하여 세라믹 기판에 사용하도록 개발되었으며 칩의 UBM(Under Bump metallurgy)도 낮은 주석 함량에 맞도록 고안되었습니다. 그러나 이러한 고 용융점 솔더 플립칩 기술은 기판 가격과 솔더범프 제조 가격이 매우 높은 문제점을 갖고 있습니다. 따라서 근래에는 저가형으로 유기기판을 사용하기 위해 녹는점이 낮은 솔더 물질(공정 조성 납-주석) 또는 무연솔더를 이용하거나 솔더를 사용하지 않는 플립칩 기술을 미국의 IBM, Motorola, Delco, Flip Chip Technology(FCT)나 일본의 Hitachi, Toshiba등의 전세계 모든 전자 회사들이 앞장서 개발하고 있습니다.

 

플립칩 기술의 활용도는 매우 다양하며 다음과 같은 분야에서 사용되고 있습니다.
- 광소자 (GaAs 소자, IR emitter / detector)
- 마이크로웨이브 통신 (휴대용 단말기 등 4 GHz ~ 10 GHz에서 성공적으로 활용)
- 메모리소자 (PCMCIA 카드, PC 등에 SRAM, DRAM 소자 사용)
- LCD 소자 (COG 기술에 사용)
- 자동차 under hood 전자부품용

 

이와 같은 광범위한 활용에 있어서 플립칩 기술의 가격을 낮추기 위하여 최근의 플립칩 기술에서는 저가형 플립칩 범프 기술과 Flip Chip on organic substrates 기술이 복합된 direct chip attach(DCA) 기술이 매우 중요하게 되었습니다.  그러므로 저가형 플립칩 범프 형성기술과 이를 이용한 interconnection 기술은 새로운 전자제품 개발을 위한 핵심기술로서 그 활용범위가 매우 큰 필수 불가결한 패키지 기술입니다.
플립칩 기술에 있어 중요한 기술은 범프 및 UBM 형성기술이며 범프 형성기술과 범프 재료에 따라 다음과 같은 기술로 분류할 수 있습니다.

 

솔더범프
- Evaporated 솔더범프
- Electroplated 솔더범프
- Screen printed 솔더범프

 

비 솔더범프
- 무전해 Ni/Au 범프
- 골드 스터드 범프

 

이중에서 저가형 플립칩 범프 형성기술로는 스크린 프린트 솔더범프, 무전해 Ni/Au 범프, 골드 스터드 범프 기술 등이 있습니다.

 

스크린 프린트 솔더범프 형성 기술은 다음과 같은 공정에 의해 제작됩니다.
- 인시츄 스퍼터 클린(in-situ sputter clean)
- 스퍼터 Al/Ni/Cu UBM 증착
- 포토레지스트 도포, 패터닝, 현상
- UBM 식각
- 포토레지스트 제거
- 솔더 페이스트 증착
- 솔더범프를 형성하기 위한 리플로우 공정

 

 

골드 스터드 범프와 칩

 

스크린 프린트 솔더범프 형성기술의 장점은 용이하고 신뢰성이 높은 공정, 저가, 합금성분 조정 용이(± 2%), 범프높이 조절 용이, 다양한 솔더 등이 있습니다.
무전해 Ni/Au 범프의 경우 간단한 공정으로 인한 최저가격, 범프 균일성의 문제, 대량생산 가능성 등의 특성이 있습니다. 현재 미국의 모토로라 등의 기업에서 이를 제품에 적용하기 위한 연구 개발을 수행하고 있는 선행기술로서 그 활용 범위가 매우 넓은 기술입니다.
골드 스터드 범프 기술은 다음과 같은 공정에 의하여 이루어집니다. 먼저 와이어 본딩 기술을 활용하여 와이어의 ball bond 부근을 절단합니다. 다음으로 볼을 압력을 사용하여 coining 합니다. 끝으로 기판에 전기 접속하기위해 등방성(isotropic) 또는 이방성(anisotrpoic) 전도 필름(conductive film)을 사용하여 전기 접속 시킵니다. 이는 그 공정이 매우 간단하며 가격이 저렴하여 각광 받는 기술로서 그 개발의 필요성이 매우 큽니다. 그러나 일반 솔더범프에서와 같은 self-alignment 기능이 없으므로 매우 정확한 칩 정렬과 높은 압력 및 온도가 필요한 문제점도 있습니다.
CSP, 플립칩 패키지와 같은 고집적 격자형 패키지의 발달에 따라 저가, 고 열안정성, 미세피치, 미세비아 크기를 갖는 새로운 organic board 기술인 Micro-via 기술을 사용한 HDI(High Density Interconnect) 기판이 필요하게 되었습니다. Micro-via 기술을 이용한 미세피치, 미세간극 HDI PCB 기판은 기존의 세라믹 또는 Si 기판에 비해 훨씬 저렴한 가격으로 CSP, 플립칩 패키지 등의 패키지를 실장하는 기판으로서 없어서는 안 될 중요한 기술이라 하겠습니다. 이 기술은 기존의 여러 층을 적층하고 기계적인 drill 방법으로 층의 아래 윗면을 관통하는 구멍을 뚫은 후 이를 도금하여 층간 전기적 연결을 하는 일반적인 PCB 기판 제조방법과는 달리, 반도체 공정의 개념을 사용한 Sequential Build-Up(SBU) 공정을 사용합니다. 기존의 PCB 기판을 코아로 사용하여 그 위에 한 절연체 층을 형성한 후 이 층에 미세한 비아를 형성하고 이를 금속 도금 및 패터닝하여 한 절연층과 금속 도전층을 형성한 후 같은 방법으로 또 다른 층을 형성하여 다층구조를 제조합니다. 이렇게 제조된 MicroVia 기판은 기존의 PCB 기판에 비해 훨씬 우수한 배선밀도를 갖게 됩니다. 이에 따라 적층된 기판 위에 미세한 buried via 또는 blind via를 laser, plasma, photo 방법으로 가공하는 것이 중요한 기술입니다. Micro via를 사용한 HDI 기판은 휴대폰, 노트북 컴퓨터, PCS, 소형 가전제품 등의 기판 등에 널리 사용되고 있으며, 그 외 CSP 또는 Flip Chip In Package (FCIP) 패키지의 기판으로도 널리 사용되고 있습니다.

 

 

Micro Via 기판을 사용한 플립칩 BGA 패키지 단면도

 

 

 

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