Chapter 03

범핑과 재배선

칩의 알루미늄 패드는 그대로는 솔더가 붙지 않고, 위치도 대개 칩 가장자리에 몰려 있다. 칩을 뒤집어 기판에 바로 붙이려면(7장) 패드 위에 솔더가 젖을 수 있는 금속 받침을 깔고, 그 위에 높이가 고른 돌기를 세워야 한다. 이 돌기가 범프(Bump)이고, 웨이퍼 상태에서 범프를 만드는 공정이 범핑(Bumping)이다. 패드 위치가 맞지 않으면 구리 배선을 한 층 더 깔아 자리를 옮기는데, 이것이 재배선(RDL, Redistribution Layer)이다. 둘 다 스퍼터·노광·도금이라는 전공정 도구를 수십 µm 크기로 키워 쓰는 공정이다.

C4 솔더 범프에서 구리 필러, 마이크로 범프로 이어지는 진화와 각 구조의 장단점을 설명한다.
UBM 세 층(접착·확산 방지·젖음)의 역할과 패시베이션 개구, 재패시베이션을 안다.
전해 도금 범핑의 공정 흐름을 순서대로 말하고, 패러데이 법칙으로 도금 두께를 계산한다.
리플로 뒤 솔더가 구결 모양이 되는 이유를 알고, 부피 보존으로 범프 높이와 지름을 구한다.
금속간 화합물의 포물선 성장과 미세 피치에서 솔더가 소진되는 문제를 예측한다.
RDL의 구조와 세미 애디티브 공정, 피치와 접속 밀도의 관계를 이해한다.

범프의 역할과 종류

범프는 세 가지 일을 한다. 칩과 기판 사이에 전류와 열이 지나는 길이 되고, 둘을 붙드는 기계적 접합이 되며, 칩과 기판 사이에 언더필이 흘러들 간격(Standoff)을 만든다. 와이어 본딩(6장)이 칩 둘레의 패드만 쓰는 것과 달리 범프는 칩 면 전체에 배열할 수 있어 같은 면적에서 훨씬 많은 접속을 얻는다.

출발점은 1960년대 IBM이 개발한 C4(Controlled Collapse Chip Connection)다. 금속 마스크를 통해 고납 솔더(Pb 95~97%)를 증착하고 녹여 공 모양으로 만든 뒤, 세라믹 기판 위에서 다시 녹여 붙였다. 녹은 솔더가 퍼지는 범위를 젖는 금속의 넓이로 제한해 "무너지는 정도를 제어한다"는 뜻에서 붙은 이름이다. 유기 기판으로 넘어오면서 낮은 온도에서 녹는 공정 조성 Sn63Pb37이, 2006년 유럽 RoHS 규제 뒤에는 무연 SnAg·SAC 솔더가 주류가 됐다. 형성 방법도 증착에서 전해 도금과 인쇄로 바뀌었다.

그림 3-1. 범프의 네 가지 형태(크기 비례 아님). 솔더 범프는 통째로 녹아 구가 되므로 폭이 넓다. 구리 필러는 녹지 않는 기둥 위에 솔더를 조금만 얹어 좁은 피치에서도 이웃과 닿지 않는다. 마이크로 범프는 같은 구조를 수십 µm 이하로 줄인 것이다.

구리 필러(Cu pillar) 범프는 2000년대 중반 고성능 프로세서에 양산 적용된 뒤 널리 퍼졌다. 기둥은 리플로 온도에서 녹지 않으므로 높이가 유지되고, 솔더는 끝의 캡에만 있어 옆으로 퍼지는 양이 적다. 구리는 솔더보다 전기 저항이 약 1/7(1.7 대 11~13 µΩ·cm), 열전도도는 약 6배(약 400 대 60 W/m·K 안팎)여서 전류와 열을 나르는 데도 유리하다. 피치가 약 40~55 µm 이하로 내려간 것을 흔히 마이크로 범프(Micro bump)라 부르며, TSV 적층(12장)과 인터포저 위 칩 접속(11장), HBM(13장)에 쓰인다. 피치가 10 µm 근처까지 줄면 솔더 자체를 없애고 구리끼리 직접 붙이는 하이브리드 본딩으로 넘어가는데, 이는 13장에서 다룬다.

금 스터드 범프(Au stud bump)는 와이어 본더로 금 볼을 패드에 붙인 뒤 와이어를 바로 끊어 만든다. 노광도 UBM도 필요 없어 소량 생산이나 낱개 칩에 편리하지만 범프를 하나씩 만들므로 I/O가 많으면 느리다. 디스플레이 구동 칩은 전해 도금한 금 범프를 이방성 도전 필름으로 유리나 필름에 붙인다.

종류	재료	대표 피치	형성 방법	주 용도
C4 솔더 범프	고납 → SnPb → SnAg	약 130~250 µm	증착, 전해 도금, 인쇄	플립칩 BGA, 세라믹 패키지
WLCSP 솔더 볼	SAC 볼	약 0.3~0.5 mm	볼 드롭	웨이퍼 레벨 패키지(10장)
구리 필러	Cu + (Ni) + SnAg 캡	약 50~150 µm	전해 도금	프로세서, 모바일 AP, 메모리 플립칩
마이크로 범프	Cu / Ni / SnAg (수 µm)	약 20~55 µm	전해 도금	TSV 적층, 2.5D, HBM
금 범프	Au	스터드 약 50 µm 이상, 도금 약 20 µm대	와이어 본더, 전해 도금	RF·센서 소량품, 디스플레이 구동 칩
하이브리드 본딩	Cu–Cu + 절연막	약 10 µm 이하	다마신 + CMP	이미지 센서, 3D 적층(13장)

UBM: 패드와 솔더 사이의 받침

알루미늄 패드에 솔더를 바로 올릴 수는 없다. 알루미늄 표면의 산화막에는 솔더가 젖지 않고, 설령 붙더라도 주석이 패드와 그 아래 배선으로 파고든다. 그래서 패드와 범프 사이에 UBM(Under Bump Metallurgy)이라는 금속 층을 넣는다. UBM은 보통 역할이 다른 세 층으로 이루어진다.

그림 3-2. UBM의 구성(두께 과장). UBM은 패시베이션 개구보다 넓게 깔려 패드를 완전히 덮는다. 솔더는 UBM 위에만 젖으므로 UBM 지름이 범프의 밑면 지름을 정한다.

접착층(Adhesion layer): Ti, TiW, Cr. 알루미늄과 패시베이션 양쪽에 잘 붙고, 알루미늄 산화막을 환원해 낮은 접촉 저항을 만든다. 두께 약 50~100 nm.
확산 방지층(Barrier layer): Ni, NiV. 주석과 반응하는 속도가 구리보다 훨씬 느려, 여러 번의 리플로와 오랜 사용 동안 UBM이 솔더에 녹아 없어지지 않게 한다. 두께 약 1~5 µm.
젖음층(Wetting layer): Cu, Au. 녹은 솔더가 퍼져 붙는 면이다. 금은 산화를 막는 얇은 보호막으로도 쓰이며 리플로 때 솔더에 녹아 들어간다.

대표 조합으로 증착 C4의 Cr/Cr-Cu/Cu/Au, 스퍼터한 Al/NiV/Cu나 Ti/Cu, 전해 도금의 Ti/Cu 씨드 + Cu/Ni, 무전해 Ni/Au(ENIG)가 있다. 구리 필러 범프에서는 두꺼운 구리 기둥 자체가 UBM의 젖음층과 응력 완충 역할을 겸한다.

전공정이 끝난 웨이퍼의 맨 위는 SiN이나 SiO₂/SiN 패시베이션이 덮고 있고 패드 위만 뚫려 있다. 범핑 전에 그 위에 폴리이미드(PI)나 PBO 같은 감광성 고분자를 수 µm 두께로 한 번 더 입히는 것을 재패시베이션(Repassivation)이라 한다. 무른 고분자가 범프 뿌리에 걸리는 응력을 받아 내 그 아래의 무른 저유전막(low-k)이 깨지는 것을 막고, 패시베이션의 핀홀과 단차를 덮어 준다. 고분자 개구는 패시베이션 개구보다 조금 작게 뚫어 패시베이션 모서리를 감싸는 경우가 많다.

전해 도금 범핑 흐름

미세 피치 범프는 거의 모두 전해 도금(Electroplating)으로 만든다. 웨이퍼 전면에 얇은 금속 씨드를 스퍼터해 전류가 흐를 길을 만들고, 두꺼운 감광막(PR)으로 범프 자리만 뚫은 뒤, 그 구멍 안에서만 금속을 길러 올린다. PR이 틀 구실을 하므로 범프의 지름은 노광이, 높이는 도금 전하량이 정한다. 스퍼터와 노광의 원리는 ProcessBook의 증착·노광 장과 같고, 다른 점은 PR 두께가 수십 µm라는 것이다.

씨드는 접착층 Ti(또는 TiW) 약 50~100 nm와 Cu 약 100~500 nm로 이루어진다. 도금이 끝나면 PR을 벗기고 범프 사이에 남은 씨드를 습식 식각으로 없애야 범프끼리 전기적으로 분리된다. 이때 범프 자체가 마스크 구실을 하는데, 등방성 식각이라 범프 가장자리 아래의 씨드도 조금 파인다. 이 언더컷(Undercut)이 크면 범프 밑면적이 줄어 접합 강도가 떨어지므로, 지름 20 µm짜리 마이크로 범프에서는 1 µm의 언더컷도 가볍지 않다.

패러데이 법칙으로 두께 계산하기

도금되는 금속의 양은 흘린 전하량에 비례한다. 금속 이온 하나가 전자 $n$개를 받아 원자 하나로 환원되므로, 전류 밀도 $J$로 시간 $t$ 동안 도금한 두께는 다음과 같다.

$$h = \frac{M\,J\,t\,\eta}{n\,F\,\rho}$$

$M$은 몰 질량, $n$은 이온의 전하수(Cu²⁺·Ni²⁺·Sn²⁺는 2), $F = 96\,485\ \text{C/mol}$은 패러데이 상수, $\rho$는 밀도, $\eta$는 전류 효율(수소 발생 같은 부반응에 쓰인 전류를 뺀 비율). 도금 업계는 전류 밀도를 ASD(A/dm², 1 ASD = 10 mA/cm²)로 쓴다.

구리($M = 63.55$, $\rho = 8.96\ \text{g/cm}^3$)에 넣으면 1 ASD에서 분당 약 0.22 µm이다. 5 ASD로 높이 40 µm의 필러를 올리려면 약 36분이 걸린다. 주석은 원자가 무겁고 밀도가 낮아 같은 전류에서 약 2.3배 빨리 자란다. 여기서 $J$는 뚫린 면적 기준이므로, 웨이퍼에 흘릴 총 전류는 개구율에 비례한다.

SIMULATOR

도금 두께 계산기: 전류 밀도·시간 → 두께

전류 밀도 도금 시간 전류 효율 η 목표 두께 개구율 (도금 면적 비)

도금 속도—

도금 두께—

목표 두께까지—

300 mm 웨이퍼 총 전류—

해볼 것: ① 금속을 Cu → Sn으로 바꾸면 같은 전류에서 기울기가 약 2.3배가 된다. 그래서 두꺼운 구리 필러가 범핑 시간의 대부분을 차지한다. ② 전류 밀도를 2배로 올리면 시간이 반으로 줄지만, 실제로는 이온 공급이 따라가지 못하는 한계 전류 밀도가 있어 도금액 교반과 첨가제로 그 한계를 올린다. ③ 개구율이 커지면 같은 전류 밀도를 내는 데 필요한 총 전류가 비례해 커진다. (패러데이 법칙 그대로이며, 웨이퍼 안 전류 분포는 균일하다고 가정. Sn은 순수 주석 값, Au는 1가 이온 기준)

실제 도금에서는 씨드의 면저항 때문에 전류가 접점이 있는 웨이퍼 가장자리로 몰리고(단자 효과), 개구가 성긴 곳의 범프가 빽빽한 곳보다 높게 자란다. 범프 높이의 편차, 곧 평탄도(Coplanarity)가 나쁘면 낮은 범프가 기판에 닿지 않아 접속 불량이 된다. 구리 도금액의 가속제·억제제·평탄제(ProcessBook 배선 장)는 여기서도 필러 윗면을 평평하게 만드는 데 쓰인다. SnAg는 두 금속의 환원 전위가 크게 달라 착화제로 조성을 맞추며, 은 함량은 보통 2% 안팎이다.

도금 말고 다른 방법. 스텐실 인쇄는 금속 스텐실의 구멍으로 솔더 페이스트를 밀어 넣고 리플로한다. 싸고 빠르지만 페이스트의 절반가량이 플럭스라 부피 편차와 보이드가 크고, 피치 약 150 µm 아래로 내려가기 어렵다. 볼 드롭은 미리 만든 솔더 볼을 플럭스를 바른 UBM 위에 스텐실로 하나씩 떨어뜨린다. 볼 크기가 고르고 조성이 자유로워 WLCSP의 큰 볼(지름 약 200~300 µm)에 쓴다. 초기 C4의 증착은 재료 낭비가 커서 거의 쓰이지 않는다.

리플로: 표면 장력이 만드는 구

도금 직후의 솔더는 PR 구멍 모양 그대로인 원기둥이다. 이를 녹는점 위로 올리는 것이 리플로(Reflow)다. 녹은 솔더는 표면적을 가장 작게 하려 하고, 젖는 면은 UBM(또는 필러 윗면)뿐이므로 밑면이 원으로 고정된 구결(Spherical cap)이 된다. 범프 크기에서는 중력이 거의 영향을 주지 못한다. 중력과 표면 장력의 비인 본드 수 $\rho g L^2/\gamma$가 $L = 50\ \mu\text{m}$, $\gamma \approx 0.5\ \text{N/m}$에서 $10^{-4}$ 수준이기 때문이다. 리플로는 조성을 균일하게 하고 UBM과 금속 결합을 만드는 구실도 한다.

$$V = \frac{\pi h\,(3a^2 + h^2)}{6}, \qquad R = \frac{a^2 + h^2}{2h}$$

$a$는 밑면(UBM) 반지름, $h$는 구결의 높이, $R$은 구의 반지름. 도금한 솔더가 반지름 $a$, 높이 $h_p$인 원기둥이면 $V = \pi a^2 h_p$이고, 부피가 보존되므로 이 $V$를 넣어 $h$를 푼다. $h > a$이면 반구를 넘어 옆으로 배가 나오며 가장 넓은 곳의 지름은 $2R$이다.

솔더가 얇을 때($h \ll a$)는 $V \approx \pi a^2 h/2$이므로 $h \approx 2h_p$, 곧 리플로 뒤 캡의 높이는 도금 높이의 약 두 배가 된다. 반대로 솔더를 많이 올리면 구에 가까워지며 UBM보다 넓게 부푼다. 이웃 범프와의 간격은 이 가장 넓은 지름이 정한다.

SIMULATOR

리플로 형상: 솔더 부피와 UBM 지름 → 범프 높이와 브리지 여유

UBM·필러 지름 구리 필러 높이 (0 = 솔더 범프) 솔더 도금 높이 피치

솔더 부피—

리플로 후 캡 높이—

가장 넓은 지름—

범프 전체 높이—

이웃과의 간격—

해볼 것: ① 필러 높이를 0으로, 솔더 도금 높이를 60 µm 이상으로 올리면 C4형 솔더 범프가 된다. 높이를 얻으려면 솔더가 옆으로도 부풀어 피치를 좁히기 어렵다. ② 같은 전체 높이를 구리 필러 + 얇은 캡으로 만들면 지름이 UBM과 거의 같아 간격이 훨씬 넓게 남는다. ③ 솔더 도금 높이가 지름에 비해 작을 때 캡 높이가 도금 높이의 약 2배인지 확인한다. ④ 피치를 줄여 간격이 0이 되면 리플로 중 이웃 솔더가 합쳐진다. 흔히 범프 지름을 피치의 절반 안팎으로 잡는다. (필러 옆면으로는 젖지 않고, 중력과 IMC로 소모되는 부피는 무시한 구결 모델. 점선은 다른 상태의 윤곽)

솔더 표면의 산화막이 남아 있으면 녹아도 구가 되지 못한다. 그래서 리플로 전에 플럭스를 바르고 뒤에 씻어 내거나, 포름산 증기 같은 환원 분위기에서 플럭스 없이 리플로한다. 온도는 액상선보다 20~40 °C 높은 피크까지 올리고, 액상선 위에 머무는 시간은 수십 초에서 1분 남짓이다. 너무 길면 뒤에서 볼 금속간 화합물이 두꺼워진다.

그림 3-3. 무연 솔더의 대표적인 리플로 프로파일(JEDEC J-STD-020 계열의 개략). 150~200 °C 구간에서 온도를 고르게 하고 플럭스를 활성화한 뒤, 액상선을 넘겨 솔더를 녹이고 빠르게 식힌다. 냉각 속도는 솔더 결정립과 IMC 형태에 영향을 준다.

솔더	녹는점	특징
Sn63Pb37 (공정)	183 °C	오랜 표준. 젖음성과 연성이 좋으나 납 규제로 대부분 퇴장
고납 Pb95Sn5	약 308~312 °C	초기 C4. 무르고 피로에 강하다. 일부 용도에 규제 예외로 남음
Sn-3.5Ag (공정)	221 °C	도금 범프의 주류(도금 조성은 Ag 약 2% 안팎)
SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu)	217~220 °C	솔더 볼과 페이스트의 표준 무연 조성
Sn-0.7Cu	227 °C	은이 없어 싸다
Sn-58Bi (공정)	138 °C	저온 접합. 휨을 줄이지만 취성이 있다
Au80Sn20 (공정)	약 280 °C	플럭스 없는 고신뢰 접합. 광·RF 소자

금속간 화합물: 접합의 조건이자 약점

솔더가 UBM에 "붙었다"는 것은 경계에 금속간 화합물(IMC, Intermetallic Compound)이 생겼다는 뜻이다. 주석이 구리와 만나면 솔더 쪽에 가리비 모양의 Cu₆Sn₅가, 구리 쪽에 얇은 Cu₃Sn이 생긴다. 니켈 위에서는 Ni₃Sn₄가 생기며 성장이 훨씬 느리다(솔더에 구리가 들어 있으면 (Cu,Ni)₆Sn₅가 된다). IMC가 없으면 접합이 없지만, IMC는 단단하고 잘 깨지므로 너무 두꺼워지면 충격과 열 피로에서 경계면이 먼저 갈라진다.

리플로 중 액체 솔더 안에서는 가리비 사이 통로로 구리가 빠르게 녹아 나와 한 번의 리플로에 1~3 µm가 자란다(시간의 약 1/3제곱에 비례한다고 알려져 있다). 굳은 뒤에는 원자가 IMC 층을 가로질러 확산해야 하므로, 층이 두꺼워질수록 느려지는 포물선 법칙을 따른다.

$$x(t) = x_0 + \sqrt{D\,t}, \qquad D = D_0\,\exp\!\left(-\frac{Q}{k_B T}\right)$$

$x_0$는 리플로 직후의 두께, $D$는 유효 상호 확산 계수, $Q$는 활성화 에너지. 온도가 오르면 $D$가 지수적으로 커진다. 150 °C에서 1000시간 보관하면 구리 위의 IMC는 대략 수 µm가 된다.

Cu₃Sn이 자랄 때는 구리 원자가 주석보다 빨리 빠져나가므로 구리 쪽 경계에 빈자리가 모여 커켄달 보이드(Kirkendall void)가 생긴다. 보이드가 줄지어 이어지면 낙하 충격에서 그 면을 따라 떨어진다. 니켈 확산 방지층을 넣는 이유가 여기에 있다.

SIMULATOR

IMC 성장: 온도·시간 → 두께와 솔더 소진

보관·사용 온도 시간 접합부 솔더 높이 H

유효 확산 계수 D—

IMC 두께 (한쪽 면)—

접합 높이 중 IMC 비율—

전부 IMC가 되는 시간—

해볼 것: ① 솔더 높이 40 µm(일반 필러 범프)에서는 150 °C·2000 h 뒤에도 IMC가 일부에 그친다. 높이를 10 µm, 5 µm로 줄이면 같은 조건에서 접합 전체가 IMC로 바뀐다. ② 온도를 125 → 175 °C로 올리면 곡선이 크게 올라간다. 고온 보관 시험(15장)이 가속 시험이 되는 이유다. ③ Ni 장벽으로 바꾸면 성장이 몇 분의 일로 느려진다. (고상 포물선 성장 모델. 150 °C 성장 상수 Cu 0.15, Ni 0.05 µm/√h, 활성화 에너지 0.8, 0.9 eV와 초기 두께 1.5, 0.7 µm는 문헌 범위 안의 교육용 대표값이며 실제는 조성·결정립에 따라 몇 배씩 다르다. 접합부 위아래 두 면에서 같은 속도로 자라고, IMC 두께를 그대로 솔더 소모로 보았다)

일반 범프에서는 솔더가 수십 µm라 IMC가 차지하는 비율이 작다. 그러나 마이크로 범프는 솔더가 10 µm도 안 되므로, 접합과 몇 번의 리플로, 고온 동작을 거치면 솔더가 전부 IMC로 바뀐다. Cu₆Sn₅가 생길 때 전체 부피가 수 % 줄어 보이드가 남고, 무른 솔더가 사라져 응력을 흡수할 층이 없어진다. 한편 Cu₆Sn₅(녹는점 415 °C)와 Cu₃Sn(676 °C)은 솔더보다 훨씬 높은 온도까지 버티므로, 이 성질을 일부러 이용해 접합부를 전부 IMC로 만드는 방식도 있다. 층을 여러 번 쌓아도 아래층이 다시 녹지 않기 때문이다.

RDL: 패드 자리를 옮기는 재배선

와이어 본딩용으로 설계한 칩은 패드가 가장자리에 좁은 간격으로 늘어서 있다. 이런 칩에 그대로 큰 솔더 볼을 올릴 수는 없다. 재배선층(RDL)은 패시베이션 위에 고분자 절연막과 구리 배선을 한두 층 더 만들어, 주변 패드를 칩 면 전체의 넓은 피치 면 배열(Area array)로 옮긴다.

그림 3-4. 재배선. 왼쪽은 가장자리의 패드 16개를 구리 배선으로 끌어와 4 × 4 면 배열로 바꾼 평면도, 오른쪽은 그 단면이다. 1차 절연막 위에 구리 배선을 놓고 2차 절연막으로 덮은 뒤 볼 자리만 뚫어 UBM과 볼을 올린다.

RDL의 절연막은 PI나 PBO 같은 감광성 고분자다. 도포하고 노광·현상해 비아를 뚫은 뒤 열로 굳힌다. 구리 배선은 세미 애디티브(SAP, Semi-Additive Process)로 만든다. 순서는 앞의 범핑 흐름과 똑같다. Ti/Cu 씨드 스퍼터 → PR로 배선 모양 정의 → 구리 전해 도금 → PR 스트립 → 씨드 식각이다. 구리를 전면에 깐 뒤 깎아 내는 방식(서브트랙티브)은 습식 식각의 언더컷 때문에 가는 선을 만들 수 없으므로, 필요한 곳만 길러 올리고 얇은 씨드만 깎는 것이다.

배선의 굵기는 선폭/간격(L/S, Line/Space)으로 나타낸다. WLCSP의 RDL은 10/10 µm 안팎이면 충분하지만, 여러 칩을 잇는 고밀도 팬아웃(10장)은 약 2/2 µm까지 양산에 쓰이고 그 아래는 개발 단계다(2020년대 중반 기준). 1 µm 아래의 배선은 실리콘 인터포저(11장)처럼 전공정의 다마신 공정으로 만든다. 같은 SAP 원리는 유기 기판의 빌드업 층(9장)에서도 쓰인다.

피치, 접속 밀도, 그리고 전류

범프 중심 사이 거리인 피치 $P$가 접속 밀도를 정한다. 정사각 격자로 배열하면 범프 하나가 $P^2$의 면적을 차지하므로 밀도는 다음과 같다.

$$N = \frac{1}{P^2} \qquad \left(\text{엇갈린 육각 배열이면 } \frac{2}{\sqrt{3}\,P^2} \approx \frac{1.15}{P^2}\right)$$

피치	밀도 (정사각 배열)	10 × 10 mm 칩의 최대 범프 수	대표 기술
150 µm	약 44 /mm²	약 4,400	C4 솔더 범프
100 µm	100 /mm²	10,000	구리 필러
55 µm	약 330 /mm²	약 33,000	마이크로 범프
40 µm	625 /mm²	62,500	마이크로 범프
25 µm	1,600 /mm²	160,000	미세 마이크로 범프
10 µm	10,000 /mm²	1,000,000	하이브리드 본딩

피치를 반으로 줄이면 밀도는 네 배가 된다. 그러나 솔더 범프는 높이를 유지하려면 지름도 커야 하고, 접합 때 눌리면 더 넓어져 이웃과 닿는 솔더 브리지(Solder bridge)가 생긴다. 반대로 지름을 줄이면 높이도 함께 줄어 칩과 기판 사이 간격이 좁아지고, 언더필이 흘러들기 어려워지며 열 응력을 견디는 솔더 높이도 줄어든다. 구리 필러는 이 연결을 끊는다. 높이는 녹지 않는 기둥이 맡고 솔더는 접합에 필요한 만큼만 쓰므로, 피치가 줄어도 간격을 지킬 수 있다. 대신 기둥이 단단해 응력이 칩의 저유전막으로 더 많이 전달되는 점은 설계에서 따져야 한다(14장).

범프가 작아지면 전류 밀도도 문제다. 지름 80 µm 개구로 0.2 A가 흐르면 약 4 × 10³ A/cm²이지만, 지름 20 µm 마이크로 범프에 0.05 A만 흘러도 약 1.6 × 10⁴ A/cm²이다. 솔더는 녹는점이 낮아 사용 온도에서 원자 확산이 빠르므로, 배선에서는 문제 되지 않는 10⁴ A/cm² 수준에서도 전자 이동(Electromigration)이 일어난다. 게다가 얇은 배선에서 넓은 범프로 전류가 꺾여 들어가는 모서리에 전류가 몰려(전류 집중) 그곳부터 보이드가 생긴다. 두꺼운 구리 필러는 전류를 기둥 안에서 고르게 편 뒤 솔더로 넘겨 이 집중을 누그러뜨린다.

정리하면. 범핑 기술의 흐름은 "솔더를 줄이는" 방향이다. 통째로 솔더인 C4에서 캡만 솔더인 구리 필러로, 캡이 수 µm뿐인 마이크로 범프로, 그리고 솔더가 아예 없는 하이브리드 본딩으로 이어진다. 솔더가 줄수록 피치는 좁아지지만 높이 편차와 응력을 흡수할 여유도 함께 줄어, 평탄도와 정렬에 대한 요구가 엄격해진다.

핵심 정리

범프는 전기·열의 통로, 기계적 접합, 칩과 기판 사이 간격을 함께 맡는다. C4 솔더 범프 → 구리 필러 → 마이크로 범프로 가며 솔더의 양이 줄었다.
UBM은 접착층(Ti/TiW), 확산 방지층(Ni), 젖음층(Cu/Au)으로 이루어지며, UBM 지름이 범프 밑면을 정한다. PI/PBO 재패시베이션은 응력을 완충한다.
전해 도금 범핑은 씨드 스퍼터 → 두꺼운 PR → 도금 → 스트립 → 씨드 식각 → 리플로 순서다. 두께는 패러데이 법칙 $h = MJt\eta/(nF\rho)$를 따르고, 구리는 1 ASD에서 분당 약 0.22 µm 자란다.
리플로하면 표면 장력으로 구결이 된다. 부피 보존 $V = \pi h(3a^2+h^2)/6$으로 높이와 지름이 정해지고, 얇은 캡의 높이는 도금 높이의 약 2배다.
IMC(Cu₆Sn₅, Cu₃Sn, Ni₃Sn₄)는 접합에 꼭 필요하지만 $x \propto \sqrt{Dt}$로 자라며 취성과 커켄달 보이드를 만든다. 마이크로 범프에서는 솔더가 전부 IMC로 바뀔 수 있다.
RDL은 PI/PBO 절연막과 SAP 구리 배선으로 패드를 면 배열로 옮긴다. 접속 밀도는 $1/P^2$이며, 미세 피치에서는 솔더 브리지와 전류 집중 때문에 구리 필러가 유리하다.

확인 퀴즈

구리는 1 ASD에서 분당 약 0.22 µm 도금된다. 전류 효율 100%로 5 ASD, 20분 도금하면 필러 높이는?

패러데이 법칙에서 두께는 전류 밀도와 시간에 비례한다. 0.22 × 5 × 20 = 22 µm.

UBM에서 니켈 층의 주된 역할은?

Ni₃Sn₄는 Cu₆Sn₅보다 훨씬 느리게 자란다. 접착은 Ti/TiW가, 젖음은 Cu/Au가 맡는다.

지름 40 µm 필러 위에 솔더를 5 µm 높이로 얇게 도금했다. 리플로 뒤 솔더 캡의 높이에 가장 가까운 값은?

얇은 구결의 부피는 약 $\pi a^2 h/2$다. 원기둥 부피 $\pi a^2 h_p$와 같다고 놓으면 $h \approx 2h_p = 10$ µm다. 정확한 구결 부피식으로 풀면 약 9.32 µm(약 9.3 µm)다.

솔더 높이가 5 µm인 마이크로 범프 접합부를 고온에서 오래 쓰면 생기는 일로 가장 알맞은 것은?

IMC는 위아래 두 면에서 $\sqrt{Dt}$로 자란다. 솔더가 얇으면 금세 소진되고, 부피 수축으로 보이드도 남는다. 다만 IMC는 녹는점이 높아 이후 리플로에서 다시 녹지 않는다.