플립 칩의 더 작은 범프를 생성하기 위한 과제 증가

플라톤에 의해 재발행

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플립칩 패키징에서 더 높은 상호 연결 밀도를 가능하게 하기 위해 새로운 범프 구조가 개발되고 있지만 복잡하고 비용이 많이 들며 제조가 점점 더 어려워지고 있습니다.

핀 수가 많은 제품의 경우, 플립칩 [1] 패키지는 상호 연결을 위해 전체 다이 영역을 활용하기 때문에 오랫동안 인기 있는 선택이었습니다. 이 기술은 IBM의 C1970(Controlled Collapse Chip Connection)를 시작으로 4년대부터 사용되어 왔지만 실제로는 1990년대에 널리 사용되었습니다.

이후 범프 기술은 메모리, 고성능 컴퓨팅, 모바일 컴퓨팅 장치에 필요한 증가하는 전력 및 신호 연결 밀도를 처리할 수 있도록 발전했습니다. 이러한 요구를 충족하려면 현재 생산 중인 더 작은 범프 피치를 가능하게 하는 새로운 상호 연결 기술이 필요합니다.

시간이 지남에 따라 플립칩 인터커넥트의 로드맵은 무연 범프에서 구리 기둥, 구리 마이크로범프로 진행됩니다. 피치 크기가 계속해서 줄어들고 있으며, 이로 인해 범핑 및 본딩에 대한 제조상의 문제가 발생했습니다.

그림 1: 플립칩 기술 피치 범위. 출처: A. Meixner/반도체 엔지니어링

그림 1: 플립칩 기술 피치 범위. 출처: A. Meixner/반도체 엔지니어링

그림 2: 플립칩 구성요소. 출처: 반도체공학과

그림 2: 플립칩 구성요소. 원천: 위키 백과

“플립칩 분야(250미크론 피치 이하)에서는 원래 주석-납 범프였으며 가장 큰 움직임 중 하나는 무연이었습니다. 그러나 100 마이크론 이하에 도달하기 시작하면 더 많은 구리 기둥이 보이기 시작하지만 최대 250 마이크론의 구리 기둥을 볼 때 겹치는 부분이 있습니다.”라고 수석 프로세스 엔지니어인 Jeff Schaefer는 말했습니다. 프로멕스 산업. “250미크론 피치에서는 130미크론 범프 크기 또는 구리 기둥 직경을 볼 수 있습니다. 100미크론 피치 근처에 도달하면 직경은 80미크론이 됩니다. 내가 본 것 중 가장 작은 것은 62.5 마이크론 기둥이 있는 40 마이크론 피치입니다. 곧 50미크론 피치를 볼 수 있을 것으로 기대합니다.”

기본 플립칩 프로세스는 회로 제조 후 I/O에 연결하기 위해 다이 표면에 금속 패드가 생성될 때 시작됩니다. 다음은 각 패드에 솔더 볼을 증착하는 웨이퍼 범핑입니다. 그런 다음 웨이퍼를 다이싱하고 다이를 뒤집어서 솔더 볼이 기판 패드와 정렬되도록 위치를 지정합니다. 그런 다음 솔더 볼은 일반적으로 뜨거운 공기를 사용하여 용융/리플로우되고, 장착된 다이는 일반적으로 모세관 현상을 사용하여 전기 절연 접착제로 언더필됩니다. [1]

그림 3: 플립칩 제조 공정. 출처: 위키피디아

그림 3: 플립칩 제조 공정. 출처: 위키피디아

구리 기둥이나 마이크로범프로 이동하려면 이러한 구조를 만들기 위해 리소그래피가 필요합니다.

"구리 기둥은 일반적으로 130μm 피치 이하에서 사용됩니다. 왜냐하면 구리 기둥은 원형 솔더 범프가 아닌 대부분 상단에 솔더가 있는 Cu 포스트이기 때문입니다."라고 웨이퍼 레벨 패키징 담당 수석 부사장인 Doug Scott은 말했습니다. 앰코 테크놀로지. "이를 통해 어셈블리 리플로우 중에 솔더가 서로 연결될 위험 없이 구리 기둥 범프를 더 가깝게 배치할 수 있습니다. 일반적으로 ~40 µm Cu + ~25 µm입니다."

테마에도 변형이 있습니다. 엔지니어링/기술 마케팅 수석 이사인 Mark Gerber는 "실리콘과 실리콘 사이의 상호 연결이 있는 경우 사용되는 일반적인 용어인 마이크로범프는 CTE(열팽창 계수)가 일반적으로 동일하기 때문에 약간 다릅니다."라고 말했습니다. ~에 ASE 그룹. “구리 기둥에 사용되는 일반적인 설계 규칙 중 일부는 동일하지만 평평한 표면 지형과 낮은 응력 접합으로 사용되는 언더필의 유연성이 허용됩니다. 이는 개별 범프 피치를 구동할 수도 있습니다. 오늘날 사용되는 웨이퍼 수준 또는 팹 수준 라우팅에 대해 앞서 언급한 라우팅 고려 사항으로 인해 35μm 범프 풀 어레이 피치가 가능합니다.”

이종 통합 로드맵[2]은 와이어 본드에서 실리콘 통과 비아에 이르는 다이-기판 상호 연결을 포함하여 패키징의 모든 측면을 설명합니다. 플립칩 패키지의 경우 다이-기판 상호 연결, 기판 재분배 영역 및 기판-보드 상호 연결이 모두 제조 한계에서 중요한 역할을 합니다.

그림 4: 플립칩 패키징의 개념도. 출처: A. Meixner/반도체 엔지니어링

그림 4: 플립칩 패키징의 개념도. 출처: A. Meixner/반도체 엔지니어링

이기종 통합 로드맵 [8]의 3장에서는 현재 및 예상되는 패키징 기술 분야의 전망을 문서화합니다. 각 플립칩 상호 연결 기술의 최소 피치는 하위 섹션 1(8.7페이지)의 표 41에 나와 있습니다.

기판 상호 연결(패키지를 보드에 연결하는 부분)에 대한 해당 표는 하위 섹션 8.8(43페이지)에 나와 있습니다.

이종 통합 로드맵의 8장 --- 기판 상호 연결(패키지를 보드에 연결하는 부분)은 하위 섹션 8.8(43페이지)에 있습니다.

상호 연결 기술이 변경될 때마다 새로운 프로세스와 한계가 나타나 혁신, 수율 관리 및 결함 검사를 주도합니다.

범핑 기술의 한계
범핑 기술은 피치, 크기, 높이, 전기적, 기계적 특성으로 측정됩니다. 열 고려 사항은 재료의 CTE 불일치에 따라 달라집니다. 뒤틀림은 대형 다이와 웨이퍼의 경우 문제가 되며, 이는 다이 부착 전 웨이퍼 백그라인딩으로 인해 악화됩니다.

ASE의 Gerber는 “각 인터커넥트 유형마다 피치 제한을 초래하는 요인이 많이 있습니다.”라고 말했습니다. “기존 솔더 범프 플립 칩 인터커넥트부터 시작하여 피치 기능은 언더필의 붕괴 높이, 트레이스 라우팅을 위한 캡처 패드 피치, 범프 간 단락 위험을 위한 캡처 패드 피치 및 기타 여러 피치 관련 민감도에 따라 결정됩니다. 사전 장착된 범프 높이에는 정의된 높이가 있지만 IBM이 C4 용어(제어된 축소 칩 연결)를 정의한 대로 솔더 범프의 직경과 캡처 패드 크기에 따라 상호 연결의 '접힘 또는 최종 높이'가 결정됩니다. 이것이 피치와 관련된 솔더 범프를 사용하는 데 있어 주요 피치 제한 요소입니다.”

범프 높이는 설계에 따라 결정될 뿐만 아니라 처리 선택에도 따라 결정됩니다.

“표준 도금 솔더 범프 및 구리 기둥 범프의 경우 조립 전 범프 높이는 일반적으로 약 70μm ~ 75μm이며, 범프 사이의 언더필 흐름을 위한 x,y,z 공간을 허용하기 위해 조립 후 붕괴된 범프 높이는 ~50μm입니다. 마이크로범프는 범프 높이가 훨씬 낮고 납땜 도금이 훨씬 적게 포함됩니다. 특히 마이크로범프의 높이는 피치와 최종 요구 사항에 따라 Cu 및 솔더 높이가 감소하여 10μm 미만이 될 수 있습니다.”라고 Amkor의 Scott은 말했습니다. “표준 도금 솔더 범프는 일반적으로 130μm ~ 250μm 범위의 피치에 사용됩니다. 130μm 미만에서는 70μm 사전 조립 범프 높이로 시작할 때 범프 사이의 xy 공간이 충분하지 않습니다."

구리 기둥을 만들려면 납땜 범프보다 더 많은 처리 단계가 필요합니다.

“우리가 다이-다이(die-to-die) 세계로 전환했을 때 기술은 달라졌습니다. 왜냐하면 이제 웨이퍼를 다루고 있고 플래너라이트는 다이-기판에 비해 매우 우수하기 때문입니다. 먼저 구리 기둥을 만들고, 땜납이나 구리 기둥을 얻을 초기 웨이퍼에 먼저 UBM(Under Bump Metal)이 있습니다. 실리콘으로 내려가는 개구부 위의 작은 캡입니다. 그런 다음 구리 코어를 만들고 그 위에 주석 캡을 씌웁니다. 그러면 수신 웨이퍼는 UBM 패드가 있는 것처럼 보이고 일반적으로 그 위에 니켈 금 도금이 되어 있어 깨끗하고 깨끗합니다.”라고 Promex Industries의 Schaefer는 설명했습니다. 따라서 라미네이트 기판처럼 약간의 눌림이 있는 대신 약간의 돌출이 발생합니다. 우리는 '패드에 납땜'하지 않고도 실제로 젖은 채로 납땜할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이것이 바로 그들이 설계하고 제작한 방식입니다. 구멍 안으로 들어가는 것이 아니라 작은 돔이기 때문에 거의 납땜 및 패드처럼 작동합니다.”

Cu 기둥 형성에 필요한 포토리소그래피 단계에는 기판 설계 규칙뿐만 아니라 한계가 있습니다.

“구리 포스트와 팁의 납땜 캡으로 구성된 구리 기둥의 경우, 구리 포스트 높이는 하나 이상의 포토레지스트 층 두께의 제한으로 정의될 수 있으며, 피치를 줄이면 종횡비가 달라집니다. cu 포스트 높이와 피치는 포토레지스트 재료 및 이미징 도구 기능과 함께 제한이 됩니다.”라고 Gerber는 말했습니다. “구리 기둥 상호 연결의 두 번째 제한 사항은 사용되는 기판 설계 규칙입니다. 110um 피치를 초과하는 미세 피치의 경우 BOT(Bond on Trace) 또는 ET(Embedded Trace)라는 두 가지 주요 방법이 사용됩니다. 여기서 구리 기둥의 납땜 캡은 기존 캡처 패드 대신 트레이스 상단에 배치됩니다. 위의 제한 사항을 포함하여 구리 기둥의 크기와 모양은 피치를 계속 축소하기 위한 기능과 로드맵에 제한을 제공할 수 있습니다. 이러한 제한 사항 중 대부분은 기판 측면의 기둥 사이에 트레이스를 라우팅하는 기능으로 인해 발생합니다. 웨이퍼 레벨 RDL과 같은 새로운 기술이 출시됨에 따라 인터커넥트 로드맵은 더욱 추진될 것이지만 언더필과 같은 제조 프로세스의 높이/종횡비에는 여전히 제한이 있습니다.”

다른 사람들은 언더필 프로세스에 어려움이 따른다는 점에 동의합니다. “더 미세한 피치의 작은 범프를 얻을수록 더 짧아집니다. 이제 밑에 들어갈 언더필을 찾는 것이 점점 어려워지고 있습니다. 언더필은 역사적으로 5mm 간격을 유지하도록 설계되었지만 이제는 3mm, 즉 75미크론으로 축소되었습니다.”라고 Schaefer는 말했습니다. “이제 우리는 60미크론과 25미크론의 간격이 보이기 시작했습니다. 나는 사람들이 새로운 언더필을 연구하고 있다고 확신합니다. 하지만 해야 할 일이 많습니다. 우선, 미세한 입자를 얻을수록 슬러지처럼 되어 흐르기가 더 어려워집니다. 이는 제거되어야 할 장애물이다.”

수율 관리
범핑 기술이 작아짐에 따라 추가 처리 단계(예: 구리 기둥 생성을 위한 리소그래피)는 수율 감지기에 새로운 기회를 열어줍니다. 성공적인 본딩 프로세스의 경우 미립자, 표면 오염 물질 및 솔더 범프 보이드가 수율에 문제가 됩니다. 이를 위해서는 프로세스 제어, 계측 및 검사가 필요합니다.

자연적으로 오염을 제어하는 것이 필요합니다. Amkor의 Scott은 “Tier 1 OSAT는 공장 오염원 수준을 낮추기 위해 투자하여 결함 비율을 줄입니다.”라고 말했습니다. “피치는 결함에 기여하지 않습니다. 피치에 관계없이 비슷한 수준의 불량률이 존재합니다.”

그러나 피치에는 몇 가지 문제가 추가됩니다. “피치가 작아지고 범프 크기가 줄어들면서 파티클 오염 관리가 매우 중요해졌습니다. 피치가 30μm 미만으로 감소하고 표면 간 접촉이 중요한 하이브리드 본딩과 같은 다른 유형의 상호 연결의 경우 웨이퍼 기반 클린룸 환경이 수율에 매우 중요합니다.”라고 ASE의 Gerber는 말했습니다.

언더필 프로세스 준비도 과소평가되어서는 안 됩니다.

Promex의 Schaefer는 “일반적으로 라미네이트의 경우 플립 칩을 만든 후에 언더필을 수행하게 됩니다.”라고 말했습니다. “우리는 그것을 어디에 배치할지, 어떻게 리플로우할지 결정합니다. 다이와 기판 사이의 틈 아래에 있는 플럭스 물질을 제거하기 위해 이를 청소합니다. 그런 다음 흐르는 에폭시로 언더필을 하게 됩니다. 그것은 물에 젖어 공극과 그 성질의 것들을 남기지 않도록 설계되었습니다. 하지만 더 미세한 피치에 도달하면 문제가 발생합니다. 범프가 조금 짧아지고, 짧아질수록 칩과 기판 사이의 간격이 작아지기 때문에 청소가 더 어려워집니다. 두 개의 유리 슬라이드를 서로 붙여서 그 사이에 있는 먼지를 제거한다고 상상해 보세요.”

계측 및 검사 요구 사항
공정 제어 및 수율 관리를 위해 계측 및 검사 도구가 중요한 역할을 합니다. ASE의 Gerber는 “설정 및 정의된 생산 간격에서 사용되는 공정 내 단면 분석 외에도 상호 연결 무결성에 대한 지침을 제공하는 데 도움이 될 수 있는 도구가 시장에 나와 있습니다.”라고 말했습니다.

범핑 프로세스와 본딩 프로세스에는 각각 모니터링해야 할 특정 특성이 있습니다. 범프의 경우 계측은 직경, 높이 및 동일 평면성에 중점을 둡니다. 피치가 작을수록 범프 직경과 높이 제어를 더욱 엄격하게 제어해야 합니다. 마찬가지로, 범프 높이가 줄어들면 동일 평면성 창이 작아집니다. 일반적으로 10%의 변동이 허용됩니다. 예를 들어 범프 높이가 30μm이면 ±3μm의 허용 편차가 발생합니다. 이를 초과하면 결합이 실패하거나 불량해집니다.

Amkor의 고급 패키지 및 기술 통합 담당 부사장인 Mike Kelly는 "본딩은 일반적으로 대량 리플로우 오븐을 사용하여 수행됩니다."라고 말했습니다. “리플로우 프로세스의 초기 특성화는 리플로우 중 휨을 정량화하기 위한 섀도우 모아레와 플립칩 부품 자체의 일관된 온도 제어를 보장하기 위한 오븐의 온도 매핑을 사용하여 설정됩니다. 설정 중에 기계적 다이 리프트 및 검사를 통해 솔더 습윤 상태가 양호한지 확인합니다. 또한 플럭스는 일반적으로 다이 범프가 얇고 엄격하게 제어되는 플럭스 저장소에 '덩크되는' '딥 플럭스'와 함께 적용됩니다. 이러한 품목에 대한 육안 검사는 샘플링 방식으로 수행됩니다.”

육안 검사의 자동화가 증가하면 운영자가 이미지를 보고 결정을 내리는 데 대한 의존도가 줄어듭니다. 범프 연결의 기하급수적인 증가는 하나의 드라이버입니다. 결합 프로세스의 변경은 또 다른 이점을 제공합니다. 자체 정렬 솔더 리플로우 공정은 성숙한 기술입니다. 고급 패키징에 일반적으로 사용되는 열압착 접합을 통해 전기 테스트를 통과하는 신뢰성 메커니즘이 있습니다. 따라서 접착 후 범프를 확인하기 위해 X선 검사 및 계측 도구를 사용하게 됩니다.

“복잡성이 낮은 포장의 경우 시설은 운영자와 함께 수동으로 검사할 수 있습니다. 범프가 100개 있는 부품의 경우 이 방법을 사용할 수 있습니다. 1,000번의 범프에서는 확실히 부담이 됩니다. 부품에 10,000개의 돌기가 생기면 가능성은 없습니다. 우리는 이 지점을 넘어 다음 방법으로 나아가야 합니다.”라고 애플리케이션 및 제품 관리 이사인 Frank Chen은 말했습니다. 브루 커. “품질과 복잡성은 밀접하게 연관되어 있습니다. 왜냐하면 무언가를 더 복잡하게 만들려고 하면 수율에 영향을 미치고 새로운 도구가 필요할 것이기 때문입니다. 그리고 툴링은 프로세스 도구와 계측 도구를 모두 의미하므로 둘 다 동시에 발전해야 합니다. 우리가 직접 연구한 바에 따르면, 1,000번의 범프에 도달한 후에는 '내 수작업 기술이 부족하고 뭔가 새로운 것이 필요하다'고 생각하기 시작해야 합니다.”

패키지 제조를 지원하기 위해 다양한 검사 및 계측 도구를 사용할 수 있습니다.

“공정 제어를 달성하기 위해 사용할 수 있거나 사용해야 하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 첫째, 프로세스 흐름(예: IQC, OQA, 사진, 세척, 도금 등)당 2% 표면 결함 검사를 위한 기존 100D 검사(AOI)입니다. 다음으로, 2D 계측(AOI)을 사용하여 범프 크기 및 직경 크기를 제어할 수 있습니다. 제어. 또한 AOI(3D 계측)는 샘플링 범프 높이/동일 평면 계측 정보 수집에 사용될 수 있습니다(이는 일반적으로 레이저 삼각측량 기반 기술로 수행됨)."라고 제품 마케팅 관리자인 Nathan Peng은 말했습니다. 혁신에. “게다가 3D 계측은 일반적으로 백색광 간섭계 기술로 수집되는 개별 범프 높이 특성을 목표로 삼을 수 있습니다. 또한 범프-패드 연결 실패로 이어질 수 있는 범프 상단의 유기 잔류물을 감지할 수 있는 방법도 있습니다.”

결론
더 많은 상호 연결 수를 요구하는 제품이 계속해서 상호 연결 로드맵을 주도하고 있습니다. 각 플립칩 기술에는 재료 특성, 언더필 기술에 도전하는 크기 축소, 인터커넥트 구조를 생성하기 위한 리소그래피 사용 증가와 관련된 제조 한계가 있습니다. 접합 프로세스가 변경되면 수율 및 품질 목표를 달성하기 위해 계측 및 검사 단계가 증가합니다.

참고자료