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  1. 2012.12.19 플립칩 기술의 정의

 

F-COB 어셈블리

 

플립칩 기술이란 다양한 재료 및 방법을 이용한 연결방법을 통하여 칩을 뒤집어서 칩의 패드가 기판과 마주 보게 한 후 칩과 기판을 전기적, 기계적으로 연결하는 기술을 의미합니다. 플립칩에는 FCIP(Flip Chip In Package)와 FCOB(Flip Chip On Board)로 분류할 수 있습니다. FCIP는 패키지 내부에서 플립칩 방식으로 접속하는 것으로 FC-PCA, FC-BGA, FC-CSP 등이 있으며 가전, 통신, 컴퓨터 등에 적용되며, FCOB는 기판 위에 Bare Chip 또는 WLCSP를 플립칩 방식으로 실장하는 것으로 시계, 자동차, HDD, RFID 등에 적용됩니다. 상기그림은 FCOB 플립칩 실장 예입니다.
플립칩이란 용어는 보통 두가지 의미로 혼용되어 사용되고 있습니다. 하나는 와이어 본딩, TAB 본딩과 같은 접속방법의 의미로, 다른 하나는 WLCSP와 구별되는 Bare Chip을 의미합니다.

 

(1) 왜 플립칩인가?
패키징 기술 개발의 목표는 저비용의 실현, 패키징 밀도의 증가, 회로의 신뢰성이 유지되는 상태에서의 성능의 향상 등에 있습니다. 반도체 칩을 회로 기판에 부착할 때 플립칩 처리를 이용하게 되면 이상적인 사이즈를 얻을 수 있는데, 이는 칩의 접촉을 위한 별도의 영역을 필요로 하지 않기 때문입니다. 플립칩은 접속 길이를 최소화시키기 때문에, 고주파 환경에서의 성능이 다른 인터커넥션 방법보다 우수하며, 또한 접속단자의 수가 줄어들기 때문에 패키징된 구성요소들과의 신뢰성이 향상됩니다. 플립칩 결합에는 칩과 회로기판 사이에 단지 하나의 접속단계만이 존재합니다.
와이어 본딩이 한번에 하나씩 본딩을 수행하는 것에 반해 플립칩 기술은 모든 연결 본딩들이 동시에 이루어지기 때문에 잠재적으로는 와이어 본딩보다 저비용에 구현될 수 있습니다. 그러나 지금으로서는 공정의 미성숙으로 인해 이러한 비용상의 이익을 얻기가 사실상 어려운데, 일례로 현재의 공정을 이용해 작은 부피의 다이 범프를 만드는 비용은 무시할 수 없을 정도로 크기 때문입니다.
플립칩 결합은 신기술은 아니며, 일찍이 IBM의 대형 컴퓨터에 사용되어져 온 기술입니다. 60년대 후반 이래 IBM은 세라믹 기판에 수백만 개의 플립칩을 사용해왔습니다. 70년대 초의 자동화 산업에 있어서도 플립칩이 세라믹 기판 상에 사용되었습니다. 오늘날 플립칩은 대형 컴퓨터는 물론 시계, 이동 전화, 휴대용 통신기기, 디스크 드라이브, 보청기, LCD 디스플레이, 자동 엔진 제어기 등에 폭넓게 사용되고 있습니다. 1995년에 조립되어진 플립칩의 수는 5억 개 이상이며, 1997년에는 6억개 가까이가 소비되었습니다.

 

(2) 장단점
1) 장점
․사이즈의 감소 : 작은 IC 점유면적 (QFP와 같은 패키지된 IC의 약 5%에 불과), 높이와 무게의 감소
․기능성의 증가 : 플립칩을 사용하면 I/O 카운트가 늘게 되는데, I/O가 와이어본딩과 같이 칩 둘레에 한정되지 않기 때문이다. 2차원으로 배열된 패드는 보다 많은 신호, 전력, 접지 등을 작은 면적에서 가능하게 한다. 플립칩에는 어렵지 않게 400여개 이상의 패드를 이용할 수 있습니다.
․성능의 향상 : 짧은 인터커넥션은 인덕턴스, 저항, 커패시턴스를 낮추고, 전기적 지연(delay)을 줄이며, 좋은 고주파 특성을 갖게 하고, 다이 뒷면으로의 열전달을 향상시킬수 있습니다.
․신뢰성의 향상 : 넓은 칩에 대한 에폭시 언더필은 높은 신뢰성을 보장합니다. 플립칩을 이용하면 핀당 커넥션 수를 3분의 1로 줄일 수 있습니다.
․열특성의 향상 : 플립칩은 봉지되지 않기 때문에 칩의 뒷면을 효율적인 냉각을 위해 사용할 수 있습니다.
․저비용 : 일괄 범핑공정, 범핑 비용 감소, 언더필 공정의 비용 감소.
2) 단점
․베어 다이(bare die) 테스트의 어려움
․범프된 칩의 이용영역 제한
․피치를 미세화하고 범프 카운트를 높인 PCB 기술의 도전
․감춰진 연결부를 검사하기 위해 엑스레이 장비가 필요
․SMT를 이용하는 공정에 취약
․bare chip은 다루기가 어려움
․높은 조립 정확성이 요구됨
․현재의 재료로는 오랜 경화 시간을 갖는 언더필 공정이 요구됨
․특정 기판에서의 낮은 신뢰성
․수리가 어렵거나 불가능

 

(3) 비용 비교
플립칩 기술의 비용은 범핑 비용과 조립공정 비용으로 나뉘어집니다. 다이 범핑 비용은 웨이퍼의 사이즈, 웨이퍼당 다이의 수, 웨이퍼 이득(wafer yield) 및 부피에 의존합니다. 일반적인 플립칩 조립공정에는 언더필과 공정과 경화 외에도 유동제(flux application)를 이용한 pick and place, 리플로우, 클리닝 등을 포함합니다. 필요한 장비와 공간을 얻기 위한 비용, 장비의 용량과 다른 제조 공정과의 호환성 등은 생산품의 기술적 경제성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 기판의 비용은 비아 사이즈(via size), 레이어 수, 선폭과 공간, 다이 패드 피치, 요구되는 편평도, 재료의 타입, panelization optimisation 및 fabrication 공정 등에 의존합니다.
1개월에 100만개의 300-400 I/O BGA 패키지를 제조하는 경우 플립칩 공정의 총 비용은 와이어 본딩을 이용하는 경우의 절반 이하이며, 필요한 공간도 와이어 본딩의 반 정도에 불과합니다.
보편적인 일괄공정을 이용한 솔더범프의 범핑 비용은 사실상 웨이퍼 사이즈에는 무관합니다. 따라서 다이비용은 하나의 웨이퍼에서 얻어지는 양품 다이의 수에 강하게 의존합니다. 고용량 생산에서의 웨이퍼 범핑 비용은 웨이퍼당 $85입니다. 90% 이득을 갖는 8inch 웨이퍼의 10mm 다이의 경우 다이당 범핑 비용은 $0.37입니다.
와이어 본딩공정의 비용은 I/O의 수가 증가함에 따라 증가하지만, 플립칩 공정의 비용은 사실상 I/O 카운트와는 무관합니다. 매우 높은 I/O 카운트에 대해서는 플립칩 공정이 유일한 선택입니다.
500 I/O 기기에 대한 와이어 본딩 비용은 핀당 $0.03 정도입니다. 증착공정을 이용한 200mm 범프 비용은 약 $200이고, 스퍼터링 및 도금(plating)을 이용한 범핑 비용은 약 $100이며, 무전해 니켈 범핑 비용은 $50 이하입니다.

 

(4) 구성요소의 유용성
플립칩 기술의 필수 전제는 범핑된 칩 또는 범핑이 별개로 이루어진 경우 선택적인 known good die의 유용성입니다. 솔더범프는 공정에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 많은 칩 하우스가 이미 솔더범프 다이를 사용합니다. 웨이퍼 레벨 공정인 솔더범핑은 크고 비싼 설비를 요하기 때문에 이를 위해 인하우스 공정 시설을 갖추는 것은 불편합니다. 그 때문에 솔더범핑을 해주는 전문 회사가 존재합니다.
플립칩 본딩을 위해 솔더범핑하고 테스트한 칩의 유용성은 아직도 만족스럽지 않습니다. 플립칩 본딩기술은 느리게 보급되었고, 웨이퍼 제조의 부가적인 생산단계로서의 known good die 이슈는 여전히 사용자에 확신을 주지 못하고 있습니다.

 

(5) 기술의 성숙도
플립칩 기술은 벌써 30년 가량 사용되었음에도 불구하고 아직도 제한적인 사용에 머물러 있습니다. 또한 다양한 완성도와 제한된 유용성을 갖는 수많은 기술적 변형이 가능합니다. 솔더 결합을 사용하는 플립칩 기술은 이미 완성단계에 접어들었으며, 부분적으로는 범핑된 성분들의 유용성 문제와 SMT 장비와의 호환성 문제가 제약이 되고 있습니다.

 

(6) 신뢰성
플립칩 공정이 다르면 다른 신뢰성을 나타냅니다. 그러나 온도 변화에 대항해서 플립칩 구조의 신뢰성을 극적으로 증가시키는 중요요소는 칩과 회로 기판 사이에 언더필을 사용하는 것인데, 언더필 물질을 적절하게 선택할 경우 신뢰성은 10배 이상 높아집니다. 언더필 물질로는 일반적으로 에폭시가 사용되는데, 칩과 기판의 서로 다른 열팽창계수에 의한 힘을 견딜 수 있을 정도로 충분히 단단합니다. 언더필 물질은 또한 칩의 표면을 습기와 불순물로부터 보호하여 강한 기계적 구조를 형성합니다.

 

(7) 테스팅
테스트를 하는 이유는 플립칩 전후에 부품의 기능성을 확인하기 위한 것입니다. 플립칩 결합된 구조는 언더필 공정 전에 테스트를 하여야 하는데, 그 이후에는 수리가 불가능하기 때문입니다.

 

 

 

 

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