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  1. 2013.01.03 플립칩 기술의 범프

범프란 반도체칩을 기판에 TAB 또는 플립칩 방식으로 연결하거나 BGA와 CSP 등을 회로기판에 직접 접속하기 위한 전도성돌기를 말합니다.
범프의 역할은 두가지로 첫째는 플립칩이 용이하도록 전극의 높이를 높이는 역할이고, 둘째는 전극재료를 외부전극과 접속이 용이한 재료로 교체하는 역할을 합니다.
범프의 모양은 솔더 범프의 경우 Reflow 공정후 표면장력 효과에 의해 Ball 모양이 형성되지만 Au 범프의 경우에는 도금형태인 사각기둥 모양을 유지합니다. 범프재질로는 Au, 솔더, Cu 등의 금속재료와 수지에 금속입자가 혼입된 도전성수지 또는 수지표면에 금속재료를 피복한 수지-금속복합재료로 구별됩니다. 주요범프 형성 방법은 다음과 같습니다.

 

 

증착된 UBM과 솔더범프의 단면도

 

(1) 진공증착(Evaporation) 솔더범프 기술
IBM C4 공정에서 사용되었던 가장 역사가 오래된 범핑방법으로서, 금속마스크나 웨이퍼 위에 다른 방식의 솔더마스크를 사용하여 솔더를 증착시킨다. C4 공정은 세라믹 기판을 이용하여 bare chip을 접합하는 방법으로 과거 30년동안 대형 컴퓨터용 디바이스에 사용되어 신뢰성을 인정받았고 현재 Pentium III processor와 AMD thunderbird CPU에도 이미 적용되어진 기술입니다.
C4 공정은 신뢰성이 높고 솔더증착 이후의 에칭공정이 필요없다는 장점을 가지고 있지만 낮은 생산성과 고가의 세라믹 기판 사용으로 인해 비용면에서 약간 비싼 것이 흠입니다. 또한 현재 Cr/Cr-Cu/Cu UBM 구조를 사용하고 있는데, 이 구조는 다른 구조에 비해 스트레스가 클 뿐만 아니라 주석(Sn) 함량이 높은 솔더를 사용할 경우 Cu와 주석 사이의 금속간 화합물 형성으로 인해 솔더와 UBM 사이의 접촉 불량이 발생하게 되어 공정납 솔더(63Sn/Pb) 사용이 어렵습니다. (현재 C4 공정에서는 95Pb/Sn 또는 97Pb/Sn이 사용됨) 또한 진공증착법에 의한 솔더범프 형성 공정은 조성비 조절이 용이하나 삼원계나 그 이상의 합금을 형성하는 데는 경제성이 없기 때문에 무연솔더 형성 공정에는 적용하기 어렵다는 단점이 있습니다.
진공증착법에 의한 UBM과 솔더범프의 형성은 IBM에 의해 허용된(licensed) 다음과 같은 C4 공정절차를 포함하며 증착된 UBM과 솔더범프를 상기그림에 도시하였습니다.

 

 

 

진공증착 솔더범프 공정(IBM C4 공정)

 

(가) 인시츄 스퍼터 클린(In-Situ sputter clean)
웨이퍼의 인시츄 스퍼터 클린은 앞서 금속층에 입혀진 산화막이나 포토레지스트를 제거하기 위하여 사용됩니다. 클리닝은 또한 UBM의 접착성을 향상시키기 위하여 웨이퍼 패시베이션과 본딩 패드를 거칠게 하기 위해서도 사용됩니다.
(나) 금속 마스크
금속 마스크(보통 몰리브덴을 사용)는 UBM과 범퍼 형성을 위해 웨이퍼를 패터닝 하는 데에 사용됩니다. 금속 마스크 어셈블리는 보통 받침대, 스프링, 금속 마스크 및 클램프링으로 구성됩니다. 웨이퍼는 받침대와 몰리브덴 마스크 사이에 고정됩니다. 어셈블리는 수작업으로 정렬해야 하며, 공정에 있어서 25㎛ 이내의 오차를 가져야 합니다. 그러나 100㎛에서 125㎛ 직경의 범프에 대한 50㎛ 비아 사이즈라는 구성상의 한계는 도전 용량과 충돌이 발생합니다.
(다) UBM 증착
크롬 층의 연속 증착, 동상의 크롬/구리 층, 구리 층, 그리고 골드 층이 입혀져서 박막 UBM을 형성합니다. 이것이 상기그림(b)에 도시되어 있습니다.
(라) 솔더 증착
고연(high lead)솔더가 UBM의 상단에 증착되어 두꺼운 97Pb/Sn 또는 95Pb/Sn 층을 형성합니다. 증착되는 범프는 보통 100-150㎛의 높이를 갖습니다. 범프의 최고점은 마스크 입구의 사이즈는 물론 증착된 금속의 부피에 의하여 결정됩니다. 이것이 마스크 입구의 사이즈는 물론 금속 마스크와 웨이퍼간 거리의 기능입니다. 솔더가 솔더 마스크의 입구에 형성되기 때문에 솔더링은 원뿔 모양을 갖습니다. 상기그림에서는 솔더와 범프의 단면을 나타냅니다.
상기그림(e)에 도시된 납 범프의 꼭대기에서 주석층을 확인할 수 있습니다. 이러한 공정은 모토로라에 의하여 도입되었는데, “증착 확장된 공정”이라고 불리며, “E3"라고 줄여서 표시합니다. 주석 머리층은 공정물의 매개 없이 유기 기판에 부착되는 것을 가능케 합니다. 고연 범프는 300℃ 이상에서는 녹아내리기 때문에 이러한 방법이 사용됩니다. 주석 층은 어셈블러가 95Pb/Sn의 융점 이하로 가열하도록 합니다. 이러한 공정의 목적은 보드 자체에 공정 솔더를 부착하는 추가 작업 없이, 솔더볼 끝에 Pb/Sn 공정물을 형성하는 것입니다.
(마) 솔더 볼링
C4 프로세스에서 솔더는 녹아서 구형이 되는데, 이것이 상기그림(d)에 도시되어 있습니다.


UBM, 도금된 구리 미니범프 및 도금된 솔더범프의 단면도

 

(2) 전기도금(Electroplating) 솔더범프 기술
전기도금 방식에 의한 솔더범핑공정은 TAB 본딩용 Au 범프 도금기술에서부터 시작되었습니다. TAB 기술은 1968년 GE사에서 반도체칩실장 기술로 개발된 배선연결기술입니다. 전기도금은 저용융점 솔더의 증착이 가능하며 장비 가격이 저렴하고 시설 및 공간이 많이 필요하지 않으며 공정 비용이 경제적이기 때문에 진공증착 공정의 대안으로서 널리 사용되지만, 폐수처리시설이 필요하며 솔더조성 조절, 무연솔더도금 등의 어려움이 있습니다. 일반적으로 솔더로는 공정 솔더를 사용하며 UBM은 TiW 구조가 널리 사용되고 있습니다. 현재 카시오, Citizen Watch, 모토로라, Nippon Denso, 샤프와 같은 회사에서 사용하고 있습니다.
솔더 범프를 형성하는 전통적인 도금공정은 증착공정으로부터 채용되었는데, 고연 솔더(주석 함량 3-5%)를 이용한 Cr/Cr-Cu/Cu UBM이 사용됩니다. 그러나 공정 63Sn/Pb 합금과 같이 주석 함량이 높은 솔더가 사용되면, 주석이 UBM의 Cu를 소모하여 구조의 완전성을 빠르게 저하됩니다.
따라서, 63Sn/Pb 솔더를 위해 보다 널리 사용되는 공정은 구리(Cu)와 같은 가용성의 두꺼운 솔더 층 위에 티타늄/텅스텐(TiW)과 같은 접착층을 입혀서 UBM을 형성하는 것입니다. 주석 함량이 높은 솔더의 경우, 주석이 구리를 빠르게 소모하여 공정 솔더 합금과 접촉하는 비가용성 접착층(TiW)만이 남겨지기 때문에 반드시 이와 같은 두꺼운 Cu 층을 사용하여야 합니다. 두꺼운 구리층은 때로 미니범프 또는 스터드라고도 불리어집니다. 이러한 공정을 실행하는 회사로는 텍사스 인스트루먼트, 모토로라, National Semiconductor, Aptos Semiconductor, OKI 일렉트릭 등이 있습니다. 솔더는 전기도금에 의해 TiW/Cu 미니범프 UBM 위에 놓여지게 된다. 이러한 공정의 개략도가 상기그림에 도시되어 있습니다.

 

 

전기 도금된 UBM 미니 범프와 솔더

 

(a) 웨이퍼 클리닝
금속증착 전에 산화물이나 유기물 찌꺼기를 제거하기 위하여 웨이퍼 클리닝을 수행하여야 합니다. 이를 위해 습식공정은 물론 스퍼터 클리닝 방법이 사용됩니다. 증착 과정에 있어서 클리닝은 웨이퍼 패시베이션과 본드 패드 표면을 거칠게 하여 UBM이 좋은 접착성을 갖도록 합니다.
(b) UBM 형성
UBM 물질로 주로 사용되는 것은 연속적으로 웨이퍼 전체에 걸쳐서 스퍼터링하거나 증착한 TiW, Cu, Au 등입니다. UBM은 본드 패드는 물론 웨이퍼 패시베이션에 접착됩니다. 이론적으로 UBM 층은 일정한 도금을 위해 고른 전류 분포를 제공하게 됩니다. 상기그림(a)에 웨이퍼 전체에 덮여진 TiW 층을 도시하였습니다.
미니범프 구조를 만들기 위해 구리 층이 본드 패드 위에 입혀지는데(상기그림(c)), 그 두께는 포토레지스트에 의해 결정됩니다. 전체 범프 두께 85㎛ 내지 100㎛ 중 미니범프는 10㎛ 내지 25㎛ 값을 가질 수 있습니다.
(c) 솔더의 전기도금
2차 마스크 공정을 통해 솔더범프를 성형합니다. 범프가 형성된 후에 포토레지스트를 떼어내는데, 이로써 UBM이 웨이퍼 위에 드러납니다(상기그림(d))
UBM은 두가지 방법으로 제거될 수 있습니다. 첫 번째는 습식 에칭으로 범프 둘레의 아랫 부분을 파내서 UBM을 제거합니다. 그러면 솔더가 구형으로 리플로우 됩니다. 두 번째는 먼저 솔더범프를 리플로우시켜서 이어지는 에칭 공정 동안 언더커팅(undercutting)을 최소화함으로써 범프 구조에 형성된 금속간 물질이 범프를 보호하게 하는 방법입니다. 상기그림(e) 및 (f)에 이들 단계를 도시하였습니다.

 

 

스퍼터링한 UBM과 솔더 페이스트 범프의 단면도

 

(3) 스크린프린팅 솔더범프 기술
진공증착법이나 전기도금법보다 더욱 저렴한 방법인 스크린프린팅 솔더범프 기술은 솔더 페이스트를 패드상에 인쇄한 후 Reflow하여 솔더범프를 형성시키는 기술로 델코 일렉트로닉스(DE), 플립칩 테크놀로지(FCT), 루슨트 테크롤로지, PacTech 등에 의해서 다양한 형태로 실시되고 있습니다. 전기도금 방식에 비해 throughput이 좋고 무연솔더범프의 형성이 용이하지만 아직까지 미세피치, 미세패턴 형성에 어려움이 있고 12인치 이상의 웨이퍼에는 두께 균일성 측면에서 문제점이 있습니다. 현재 다양한 형태의 솔더 인쇄 방법을 통해 현재 250㎛ 피치 제품을 생산할 수 있습니다. 이 방식에 의한 솔더범프는 주로 공정납을 솔더 재료로 사용하고 있는데, 이미 자동차 전기 부품에 적용되어 신뢰성을 인정받고 있습니다. 현재 스크린프린트용으로 개발된 무연솔더(Cu/Sb/Ag/Sn)가 개발되어 시판되고 있으며, 플립칩용으로는 Pb//In/Ag, Sn/Pb/Cd/In과 같은 솔더가 시판되고 있습니다.
다음에서 설명하는 공정은 DE/FCT 웨이퍼 범핑 방법에 근거한 것입니다. FCT는 1997년경 150㎛ 피치를 도입하였습니다. 스퍼터링한 UBM과 솔더 페이스트로 형성한 범프를 상기그림에 도시하였습니다.
DE/FCT 웨이퍼 범핑 방법은 플렉스온캡(Flex-on-Cap; FOC)라고 불려지는데 미니범프 구조상의 피로저항을 개선한 공정입니다. 공정은 다음과 같은 단계로 이루어집니다.

 

 

스퍼터링한 UBM과 솔더 페이스트 범핑 공정

 

(a) 인시츄 웨이퍼 클린(In-Situ wafer clean)
산화물과 유기물 찌꺼기를 제거하기 위하여 금속 증착에 앞서 웨이퍼의 백스퍼터 클리닝을 수행합니다. 클리닝은 또한 웨이퍼 패시베이션과 본드 패드 표면을 거칠게 하여 UBM의 접착성을 향상시킵니다.
(b) UBM 증착
세가지 금속이 UBM 시스템을 구성합니다. 첫 번째로 알루미늄(Al) 층을 스퍼터링하고, 다음으로 니켈(Ni)과 구리(Cu) 층이 스퍼터링됩니다. Al 층은 Al 본드 패드는 물론 웨이퍼 패시베이션에 강력하게 접착됩니다. Cu는 Ni를 산화로부터 보호하기 위하여 사용되며, 도금 미니범프 공정과는 달리 솔더범프를 UBM에 접착시킬 필요는 없습니다. 상기그림(a)가 이러한 공정단계를 나타냅니다.
(c) UBM 패터닝
포토레지스트 층을 입혀 패터닝하고 현상합니다. 그리고 나서 본드 패드 패시베이션 입구와 테스트 구조 이외의 Al/Ni/Cu 층을 에칭을 통해 제거합니다. 포토레지스트를 제거하여 tri-metal UBM을 본드패드 상에 남깁니다.
(d) 솔더 페이스트 증착
델코 일레트로닉의 특허에 의하면 솔더 페이스트를 UBM 상에 인쇄하고 범프를 리플로우시켜 구형을 만들게 됩니다(상기그림(d)와 (e)).

 

 

                       (a)                                                  (b) 
             Sn/Pb의 SEM 사진                   리플로우 스터드범프의 SEM 사진

 

(4) 스터드(stud) 범핑 기술
일본의 마쯔시타에서 처음 개발된 것으로 반도체 조립장비를 보유한 업체에서 기존의 인프라를 활용하여 가장 용이하게 Au 범프를 형성할 수 있는 기술입니다. 초기 투자비가 저렴하고 UBM 공정이 필요 없으므로 범핑 가격이 싸다는 장점이 있지만 다핀의 경우 공정시간이 길기 때문에 경제성이 없습니다.
스터드 범프 본딩(SBB)이란 I/O 패드 상에 금이나 솔더 와이어로 볼 본드를 형성하기 위하여 와이어 본더를 사용하는 공정을 말합니다. 본드 패드에 와이어를 부착하기 위하여 약간 변형한 와이어 본더를 사용하며, 와이어는 스터드 근처에서 절단됩니다. 와이어는 기계적 방법이나 초음파 또는 그와 유사한 방법으로 절단됩니다. 볼 본드의 리플로우는 와이어가 알루미늄 본드 패드에 대해 좋은 접착성을 갖도록 하기 위해 일반적으로 질소 오븐 속에서 행해집니다. 부착된 볼 범프는 전도성 접착제나 부가적인 솔더와 사용되기 위해 일정한 높이를 갖도록 납작하게 누릅니다. Au 볼 범프는 등방성 전도성 접착제와 사용하는 경우 일반적으로 주조되지 않습니다. 솔더는 주조하거나 혹은 주조하지 않은 상태로 SBB에 사용됩니다.
SBB와 다른 범핑기술과는 경제성 비교는 쉽지 않습니다. SBB 공정은 보통의 범핑 공정과 비교해 산정하기 어려운 다른 비용들을 포함합니다. 여기에는 전도성 접착제 비용, 고도로 정밀하고 느린 어셈블리 공정 및 많은 응용분야에서의 낮은 신뢰성 등이 포함됩니다. 스터드 범핑 비용이 전기도금 공정에 비하여 다소 저렴한 것으로 평가됩니다. 현재의 SBB의 비용은 보편적인 와이어 본딩 비용의 60-70% 수준입니다.
SBB는 마이크로프로세서와 메모리 등에 사용되어지는데, 특히 마츠시다나 후지쯔 같은 일본 회사에서 많이 사용하고 있습니다.
본 기술을 평가함에 있어서 이해해야 하는 중요한 이슈들이 있다. SBB가 초당 8개의 범프를 형성할 수 있음에도 불구하고 이것은 일괄 공정이 아니고 따라서 저비용으로 낮은 생산성을 보충할 수 없는 높은 I/O 카운트 장치에는 부적당합니다. 게다가, 범프는 능동회로에는 적용될 수 없기 때문에 SBB를 peripheral I/O 구성에 한정시킵니다.
스터드 범핑은 전도성 접착제와 결합하여 사용하면 솔더범프에서 발견되는 자기정렬(self-alignment) 특성을 나타내지 않습니다. 150㎛ 이하의 피치에 대하여 위치 정확도 5㎛ 이하가 요구되는데, 따라서 보편적인 피치 SMP 어셈블리 장비가 아닌 특별한 플립칩 어셈블리 장비를 필요로 합니다. 또한 이 방법은 종종 열과 압력이 요구되는데 이것은 어셈블리 공정을 현저히 느리게 만들 수 있습니다.
보통의 솔더 SBB는 연속적인 리플로우 작업동안 신뢰성 있는 결합을 유지하기가 어렵습니다. 상기그림(a)는 알루미늄 IC 패드에 본딩된 스터드 범프를 나타내고 있으며, 상기그림(b)는 리플로우 후에 패드로부터 솔더를 디웨팅(dewetting)하는 것을 보여줍니다. 직접 알루미늄 본드 패드에 입혀지는 특별한 솔더 기반 와이어가 Tanaka Denshi Kogyo와 Tohoku 대학에서 개발되었습니다.
SBB 기술의 또다른 중요한 이슈 중에 하나는 알루미늄 본드 패드의 부식입니다. (a) 스터드 범프가 알루미늄으로부터 디웨팅되지 않고, (b) 알루미늄 본드 패드가 부식되지 않도록, 알루미늄 본드 패드 위에 UBM이 부착됩니다. 그러나 UBM을 부가하는 것은 비용 증가를 초래하여, 기술적 비용적 측면에서의 SBB의 이점을 상실시킵니다.


(5) 무전해 니켈 범프 기술 (Electroless Ni/Au Bump)
1980년대 이후 미국, 유럽, 아시아의 많은 회사들이 UBM으로서 무전해 니켈을 사용해왔습니다. 그것은 무전해 니켈이 다른 범핑 방법에 비해 비용 측면에서 유리하기 때문입니다. 이에 의하면 UBM을 형성하기 위한 공정 단계가 줄어듭니다. 무전해 니켈은 그 순수한 형태로 인해 포토마스크의 사용을 필요로 하지 않고, 따라서 패터닝, 현상, 스트리핑과 같은 제거 공정이 사라집니다. 비용 측면에서 인쇄의 약 60%, 보통의 도금 범프 기술의 65% 내지 75% 정도가 소요됩니다.
무전해 니켈은 전도성 접착제나 다양한 솔더 합금과 사용될 수 있는 UBM을 제공합니다. 그 공정은 알루미늄 본드 패드 위에 니켈을 쌓아서 UBM을 형성하는 것입니다. 알루미늄이 니켈과 결합되도록 하기 위해 일반적으로 아연화 방법이 사용됩니다. 알루미늄 본드 패드는 부분적으로 에칭되고 알칼리 아연산염 용액에 의해 활성화됩니다. 아연화 과정을 제거하기 위해 특별한 무전해 니켈 전해조를 사용하기도 합니다. 니켈을 증착한 후에는 산화 방지를 위해 골드 층을 입힙니다.
무전해 니켈 기술에는 많은 난관이 있습니다. 예컨대 무전해 니켈은 단지 본드 패드에만 부착되고 패시베이션에는 부착되지 않으며, 부식이 이슈가 되기도 합니다. 또한 불균일성을 피하기 위해 화학 전해조가 잘 조절되어야만 합니다.
게다가, 웨이퍼가 공정과의 호환성을 필요로 합니다. 알루미늄 본드 패드를 제외하고 모든 노출된 금속은 반드시 패시베이트 해야 합니다. 또한 웨이퍼의 뒷면이 연마되지 않아야 하고 오염되지 않아야 합니다. 이물질의 침투는 전체 공정에 심각한 영향을 미치므로 두 번째 이슈가 특히 중요합니다. 이러한 이유로 인해 무전해 니켈은 저품질 실리콘에 사용되어지고, 새로운 플립칩 시장을 형성할 것으로 기대됩니다.
플립칩 기술에 대한 활발한 연구와 개발을 위한 노력은 계속되어질 것입니다. 이 공정의 이점 중 하나는 무전해 니켈 UBM에 사용될 다양한 솔더 물질들이 이미 특징지어졌다는 것입니다. 공정된 63Sn/Pb 솔더범프가 이러한 공정과 호환성이 있습니다. 무전해 니켈과 공정 Sn/Pb 구조의 초기 신뢰성 테스트는 훌륭한 결과를 보여주었습니다.

 

 

 

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