다이 어태치

다이 본더의 한 사이클

다이 본더(Die bonder)는 같은 동작을 한 시간에 수천~수만 번 되풀이하는 장비다. 한 사이클은 다음 다섯 동작으로 이루어진다.

1. 양품 선택. 웨이퍼 테스트(2장)에서 만든 웨이퍼 맵(Wafer map)을 읽어 양품 다이의 좌표로만 이동한다. 불량 다이는 테이프에 그대로 남는다. 예전에는 불량 다이에 잉크 점을 찍어 카메라로 구분했지만 지금은 전자 맵이 표준이다.
2. 밀어 올림. 테이프 아래에서 이젝터 핀(Ejector pin, needle)이 다이를 밀어 올린다. 주변 테이프는 진공으로 이젝터 캡에 붙들려 있으므로, 다이 가장자리부터 테이프가 벗겨진다.
3. 픽업. 위에서 콜릿(Collet)이 내려와 진공으로 다이를 흡착해 들어 올린다. 콜릿은 다이 표면을 긁지 않도록 고무나 내열 수지로 만든다.
4. 정렬. 카메라가 다이의 위치·회전과 기판의 기준 마크를 인식해 오차를 보정한다. 에폭시 다이 본더의 배치 정밀도는 대략 ±10~25 µm 수준이고, 플립칩이나 열압착 본더(7장)는 수 µm 이하를 요구한다.
5. 본딩. 접착제 위에 다이를 정해진 하중·온도·시간으로 누른다. 페이스트는 상온에서 수십~수백 gf로 가볍게 눌러 퍼뜨리고, 필름(DAF)은 스테이지를 100~150 °C 안팎으로 데워 필름을 무르게 한 뒤 1초 안팎으로 누른다.

픽업에서 다이가 받는 힘은 테이프의 점착력과 핀의 미는 힘이 만드는 굽힘이다. 두께 200 µm가 넘는 다이는 핀 몇 개로 밀어도 버티지만, 메모리 적층용으로 100 µm 아래, 얇게는 30~50 µm까지 간 다이는 핀 끝에 힘이 집중되어 뒷면에 찍힘 자국이 남거나 그대로 깨진다. 굽힘 강성이 두께의 세제곱에 비례하므로 두께가 절반이 되면 같은 힘에 여덟 배 휜다. 그래서 얇은 다이에는 세 가지 대책을 함께 쓴다.

• 테이프 점착력을 미리 낮춘다. UV 테이프는 픽업 전에 자외선을 쪼여 점착제를 경화시켜 점착력을 크게 떨어뜨린다.
• 다단 이젝터(Multi-stage ejector). 핀 대신 동심 블록 여러 개가 다이 전체를 받치고, 단계적으로 높이 차를 만들어 테이프가 바깥에서 안쪽으로 벗겨지게 한다.
• 슬라이더 방식(Slider). 밀어 올리지 않고, 테이프 아래의 판이 옆으로 미끄러지며 진공으로 테이프를 아래로 당겨 한쪽 끝부터 벗긴다. 다이는 콜릿에 평평하게 붙어 있다.

접착 재료 네 가지

다이 어태치 재료는 요구되는 열·전기 성능과 다이 두께에 따라 크게 네 계열로 나뉜다.

은 충전 에폭시 페이스트(Ag-filled epoxy paste). 에폭시 수지에 은 플레이크를 무게비로 70~85%쯤 섞은 페이스트다. 리드프레임 패키지(QFP, QFN, SOP)의 표준 재료로, 노즐로 다이 패드 위에 짜 놓고 다이를 눌러 붙인 뒤 150~175 °C 오븐에서 수십 분 경화한다. 은 입자가 서로 닿아 전기와 열이 통하지만 수지가 사이를 채우고 있어 열전도도는 은 자체(약 429 W/m·K)에 한참 못 미치는 1~5 W/m·K가 보통이고, 은 함량을 높이거나 은 입자끼리 일부 소결되게 만든 고열전도 제품이 10~25 W/m·K 수준이다. 전기 전도가 필요 없는 곳에는 실리카나 알루미나를 넣은 절연 페이스트를 쓴다.

페이스트는 어떤 모양으로 짜느냐가 중요하다. 작은 다이는 점 하나로 충분하지만, 큰 다이에 점 하나만 찍으면 모서리까지 퍼지지 못한다. 그래서 X자, 별 모양, 여러 줄처럼 가운데에서 모서리 방향으로 뻗는 디스펜싱 패턴을 쓴다. 다이가 눌릴 때 페이스트가 가운데에서 바깥으로 밀려 나가며 공기를 내보내야 보이드가 갇히지 않는다. 눌린 페이스트가 다이 옆면을 타고 올라가 만든 가장자리 띠가 필렛(Fillet)이고, 수지 성분만 기판 표면을 따라 번져 나가는 것이 블리드(Resin bleed-out)다. 블리드가 와이어 본딩 자리까지 번지면 본딩이 붙지 않는다.

DAF(Die Attach Film). 두께가 5~25 µm 정도로 미리 정해진 접착 필름이다. 박막화한 웨이퍼 뒷면에 필름을 붙이고 다이싱 테이프와 함께 자르면, 다이마다 같은 크기의 접착층이 이미 붙은 채로 픽업된다. 다이싱 테이프와 DAF를 한 장으로 합친 제품을 DDAF(Dicing Die Attach Film)라 한다. 필렛도 블리드도 없고 두께가 일정하며 다이 위에 다이를 바로 올릴 수 있어서, 얇은 다이를 여러 장 쌓는 메모리 적층의 표준이 되었다. 열전도도는 0.2~1 W/m·K 정도로 낮지만 층이 얇고 메모리의 발열이 작아 문제가 되지 않는다. 아래 다이의 와이어를 필름 속에 파묻으며 위 다이를 올리는 두꺼운 필름은 FOW(Film Over Wire)라 부른다. 같은 크기의 다이를 스페이서 없이 수직으로 쌓을 수 있게 해 준다.

솔더 다이 어태치(Solder die attach). 전력 트랜지스터나 다이오드처럼 다이 뒷면으로 큰 전류와 열이 흐르는 소자는 금속으로 접합한다. 300 °C 이상으로 데운 리드프레임 위에 솔더 와이어를 녹여 놓고 다이를 올리는 방식(soft solder)이 대표적이며, 산화를 막기 위해 질소·수소 혼합 가스 분위기에서 진행한다. 납 함량이 85% 이상인 고납 솔더는 녹는점이 300 °C 안팎이라 이후의 보드 실장 리플로(약 260 °C)에서 다시 녹지 않는다. 대체재가 마땅치 않아 RoHS에서도 예외로 인정되어 왔다. 금-주석 공정 솔더(Au-20Sn, 녹는점 280 °C)는 플럭스 없이 접합할 수 있고 단단해서 레이저 다이오드나 RF 소자처럼 위치가 변하면 안 되는 곳에 쓰인다. 솔더의 열전도도는 대략 30~60 W/m·K다.

소결 은(Sintered silver). 나노·마이크로 크기의 은 입자 페이스트를 200~300 °C에서 가열(필요하면 수~수십 MPa로 가압)하면 은이 녹지 않고도 입자끼리 확산으로 붙어 다공질 은 층이 된다. 접합층의 재용융 온도는 벌크 은의 녹는점(약 961 °C)에 가깝지만, 이것이 접합부의 허용 사용온도나 장기 신뢰성을 뜻하지는 않는다. 사용 한계는 접합 구조·시간·응력·표면 조합에 대한 신뢰성 평가로 정한다. 열전도도는 기공률에 따라 150~250 W/m·K에 이르러, 접합 온도가 200 °C를 넘기도 하는 SiC 전력 모듈에서 고납 솔더를 대신하는 재료로 쓰인다. 접합에는 산화·표면 상태를 관리한 금속 표면이 필요하며, Ag/Au 도금이 항상 필수인 것은 아니다. Cu 등 다른 접합 표면의 적용 여부도 페이스트와 공정 조건에 따라 달라진다.

플립칩에서는 다이가 범프로 기판에 매달리므로 다이 어태치 재료가 따로 없고, 그 자리를 언더필이 채운다(7장). TSV로 쌓는 적층에서 쓰는 NCF와 MUF는 13장에서 다룬다.

본드 라인 두께, 필렛, 틸트, 보이드

다이 어태치의 품질은 눈에 잘 보이지 않는 접착층의 기하로 정해진다.

• 본드 라인 두께(BLT, Bond Line Thickness). 페이스트에서는 도포량, 본딩 하중, 점도, 그리고 페이스트에 섞은 스페이서 입자의 지름이 정한다. 보통 10~40 µm로 관리한다. 필름은 필름 두께가 곧 BLT다.
• 다이 틸트(Die tilt). 다이가 기울면 얇은 쪽에는 응력이, 두꺼운 쪽에는 열저항이 몰린다. 와이어 본딩 때 초음파가 고르게 전달되지 않고, 얇은 패키지에서는 높은 쪽 모서리가 몰드 밖으로 비칠 수도 있다.
• 필렛 높이. 필렛이 없으면 다이 가장자리가 접착되지 않아 그곳에서 박리가 시작된다. 반대로 너무 높으면 페이스트가 다이 윗면으로 올라타 본드 패드를 오염시킨다. 흔히 다이 두께의 일정 비율 범위(예: 25~75%)로 관리한다. 다이가 얇아질수록 이 창이 좁아져, 얇은 다이에는 페이스트 대신 필름을 쓰게 된다.
• 보이드(Void). 접착층 안에 갇힌 공기나 경화 중 빠져나오지 못한 휘발 성분이 만든 빈 공간이다. X선이나 초음파 현미경(SAT)으로 검사한다.

페이스트의 도포량과 BLT, 필렛은 부피 보존으로 묶여 있다. 한 변이 \(L\)인 정사각형 다이 아래를 두께 \(t_{\text{BL}}\)로 다 채우고 남은 페이스트가 둘레 \(4L\)을 따라 필렛이 된다고 하자. 필렛 단면을 높이와 폭이 \(h_f\)인 직각삼각형으로 보면 다음과 같다.

경화와 아웃개싱. 페이스트는 본딩 직후에는 젖은 상태라 오븐에서 경화(Cure)해야 한다. 이때 용제와 저분자 성분이 기체로 빠져나오는데(Outgassing), 온도를 너무 빨리 올리면 표면이 먼저 굳어 기체가 안에 갇혀 보이드가 된다. 그래서 낮은 온도에서 머물다 올리는 단계식 프로파일을 쓴다. 빠져나온 성분이 본드 패드나 리드에 내려앉으면 와이어 본딩(6장) 접합이 약해지므로, 경화 뒤 플라스마 세정으로 표면을 닦아 낸다. 경화된 에폭시는 수분을 흡수하므로, 흡습한 접착층이 리플로 때 수증기 압력으로 부풀어 박리나 패키지 균열을 일으키는 문제도 있다. 이 신뢰성 시험은 15장에서 다룬다.

접착층의 열저항

와이어 본딩 패키지에서 다이가 낸 열은 대부분 뒷면의 접착층을 지나 리드프레임의 다이 패드나 기판으로 빠져나간다. 접착층은 얇지만 열전도도가 실리콘(약 130~150 W/m·K)이나 구리(약 400 W/m·K)보다 한두 자릿수 낮아, 열 경로에서 큰 저항이 되기 쉽다. 열이 두께 방향으로만 흐른다고 보면 열저항은 다음과 같다.

보이드는 공기라서 열을 거의 전하지 못한다(공기 약 0.026 W/m·K). 보이드가 차지한 면적만큼 열이 지날 수 있는 면적이 줄어든다고 보면, 보이드 면적 비율이 \(\phi\)일 때 열저항은 \(1/(1-\phi)\)배가 된다.

접착층은 패키지 전체 열 경로의 한 토막이다. 다이에서 주변 공기까지의 열저항 네트워크, 히트 스프레더와 TIM은 14장에서 이어서 다룬다.

CTE 불일치와 BLT의 트레이드오프

실리콘의 열팽창 계수(CTE)는 약 2.6 ppm/°C이고, 구리 리드프레임은 약 17 ppm/°C, 유기 기판은 면 방향으로 12~17 ppm/°C쯤이다. 다이는 경화 온도(예: 175 °C)에서 기판에 고정되므로, 그 온도에서는 응력이 없다. 상온으로 식으면 기판이 다이보다 훨씬 많이 줄어들고, 그 차이를 사이에 낀 접착층이 전단 변형으로 받아 낸다. 다이 중심은 움직이지 않는 중립점(Neutral point)이고, 중심에서 멀수록 어긋남이 커진다.

10 × 10 mm 다이를 구리 리드프레임에 BLT 25 µm로 붙이고 150 °C만큼 식히면, 변 가운데의 어긋남은 5 mm × 14.4 ppm/°C × 150 °C ≈ 10.8 µm이고 이를 25 µm 두께가 받으므로 \(\gamma\) ≈ 0.43이다. 실제로는 다이와 리드프레임이 함께 휘고 늘어나며 접착제도 소성 변형하므로 이보다 작지만, 다이 크기에 비례하고 BLT에 반비례한다는 경향은 그대로다. 이 식은 플립칩 솔더 범프의 변형을 계산할 때 쓰는 식과 같은 꼴이다(7장).

여기서 트레이드오프가 드러난다. BLT를 얇게 하면 열저항은 비례해서 줄지만, 전단 변형은 반비례해서 커진다. 접착층이 얇고 단단할수록 기판의 수축이 다이로 그대로 전달되어 다이가 위로 볼록하게 휘고, 다이 윗면에는 인장, 뒷면과 모서리에는 큰 응력이 걸린다. 뒷면에 연삭 흠이나 치핑이 있으면 그곳에서 균열이 시작되어 다이 균열(Die crack)로 이어진다. 접착층 가장자리에서는 박리가 생기고, 온도 사이클이 반복되면 솔더 접합에서는 피로 균열이 가장자리에서 안쪽으로 자란다.

다이 적층

패키지의 바닥 면적은 그대로 두고 용량을 늘리려면 다이를 위로 쌓는다. 와이어 본딩으로 연결하는 적층에서는 아래 다이의 본드 패드가 위 다이에 가려지면 안 되므로, 쌓는 방식이 패드 위치로 정해진다.

• 계단식 적층(Staircase, shingle stack). 패드를 한 변에 몰아 놓은 NAND 플래시가 대표적이다. 같은 크기의 다이를 일정 간격으로 밀어 쌓고, 모두 쌓은 뒤 와이어 본딩을 한꺼번에 한다. 층수가 많아지면 계단이 옆으로 너무 길어지므로, 몇 층마다 방향을 뒤집어 지그재그로 쌓는다.
• 피라미드 적층. 위로 갈수록 작은 다이를 올린다. 크기가 다른 다이(예: 메모리 위에 컨트롤러)를 조합할 때 쓴다.
• 같은 크기의 수직 적층. 패드가 네 변에 있는 같은 다이를 쌓으려면 사이에 스페이서 다이를 끼우거나, FOW 필름으로 아래 다이의 와이어를 파묻는다.

아래에 받침이 없는 오버행(Overhang) 구간에 와이어 본딩을 하면, 캐필러리가 누르는 힘과 초음파에 다이 끝이 다이빙 보드처럼 출렁인다. 접합 강도가 떨어지고 심하면 다이가 깨진다. 외팔보의 처짐은 길이의 세제곱에 비례하고 두께의 세제곱에 반비례하므로, 다이가 얇아질수록 허용되는 오버행 길이가 급격히 줄어든다.

NAND 패키지는 이런 방식으로 다이를 16층 이상 쌓기도 한다. 패키지 높이가 1 mm 안팎으로 제한되므로 다이 두께는 수십 µm, DAF는 10 µm 안팎까지 얇아진다. 이 정도로 얇은 다이는 픽업에서 깨지기 쉽고, DAF 아래에 낀 작은 이물 하나가 다이를 눌러 균열을 만든다. 다이 어태치가 단순한 접착이 아니라 얇은 다이 취급 기술이 되는 지점이다. 층수가 더 늘거나 고속 신호가 필요하면 와이어 대신 실리콘을 관통하는 전극으로 쌓는다. TSV 적층은 12장과 13장에서 다룬다.

검사와 대표 불량

다이 어태치의 결과는 대부분 다이 아래에 숨어 있어 간접적으로 확인한다. 접합 강도는 다이 옆면을 공구로 밀어 떨어질 때의 힘을 재는 다이 전단 시험(Die shear test)으로 평가하며, MIL-STD-883의 시험 방법 2019가 널리 인용되는 기준이다. 떨어진 뒤의 파단면에서 접착제가 양쪽에 남았는지(응집 파괴), 한쪽 계면에서 깨끗이 떨어졌는지(계면 파괴)를 함께 본다. 보이드와 박리는 X선(솔더, 소결 은)이나 초음파 현미경(에폭시, 필름)으로 본다. 위치와 회전, 틸트, 필렛, 블리드는 본딩 직후 장비의 카메라와 측정기로 검사한다.