플립칩

뒤집어서 면으로 붙인다

6장의 와이어 본딩에서 다이는 회로면을 위로 두고, 둘레의 패드에서 가는 금속선을 뽑아 기판에 잇는다. 플립칩은 반대다. 회로면의 패드 위에 미리 범프(Bump)를 만들어 두고(3장), 다이를 뒤집어 범프를 기판 패드에 맞댄 뒤 솔더를 녹여 한꺼번에 접합한다. 접속점이 다이 둘레의 한 줄이 아니라 면 전체의 격자(Area array)가 된다는 것이 본질적인 차이다.

면 배열은 네 가지 이점을 준다. 첫째, I/O 수가 둘레 길이가 아니라 면적에 비례한다. 10 mm 다이에 150 µm 피치 격자를 깔면 범프가 약 4,400개 들어간다. 같은 다이의 둘레에 50 µm 피치로 패드를 한 줄 놓으면 약 800개다. 둘째, 접속 길이가 범프 높이인 수십~100 µm로 줄어 인덕턴스가 와이어의 수십 분의 일이 된다. 셋째, 전원·접지 범프를 회로 블록 바로 아래에 촘촘히 둘 수 있어 다이 안쪽까지 가는 긴 배선의 IR 강하가 줄어든다(14장). 넷째, 실리콘 뒷면이 드러나 방열 경로가 짧다.

대가도 있다. 웨이퍼 단계에서 범핑 공정이 추가되고, 범프 피치에 맞는 미세 배선 기판(9장)이 필요하다. 그리고 실리콘과 기판이 짧고 굵은 범프로 단단히 묶이기 때문에, 유연한 와이어가 흡수하던 열팽창 차이가 전부 범프와 다이 배선층의 응력으로 돌아온다. 이 장의 뒤쪽 절반은 이 문제를 다룬다.

매스 리플로 조립

가장 널리 쓰이는 방식은 매스 리플로(Mass Reflow, MR)다. 칩을 기판 스트립 위에 차례로 올려 두기만 하고, 스트립 전체를 컨베이어식 리플로 오븐에 통과시켜 모든 칩의 모든 범프를 한 번에 녹인다. 접합 자체는 오븐이 하므로 칩을 올리는 장비(플립칩 본더)는 빠르게 놓기만 하면 된다. 아래 시뮬레이터에서 한 단계씩 넘겨 보자.

플럭스(Flux)는 두 가지 일을 한다. 솔더와 패드 표면의 산화막을 환원해 젖음이 일어나게 하고, 끈적임(tack)으로 리플로 전까지 칩이 미끄러지지 않게 붙든다. 범프 끝만 얇은 플럭스 막에 찍는 디핑 방식이 일반적이며, 막 두께는 보통 범프 높이의 절반 안팎으로 맞춘다. 플럭스가 너무 많으면 잔사가 범프 사이에 남아 언더필의 접착과 유동을 방해하고, 너무 적으면 젖지 않는 범프(non-wet)가 생긴다.

리플로는 산화를 막기 위해 보통 질소 분위기(산소 수십~수백 ppm)에서 한다. 리플로 뒤에는 플럭스 잔사를 용제나 수계 세정액으로 씻어 내거나, 잔사가 거의 남지 않는 무세정(no-clean) 플럭스를 쓴다. 범프 간격이 좁아질수록 좁은 틈 안의 잔사를 씻어 내기 어려워져, 미세 피치에서는 세정 자체가 공정 한계가 된다.

자기 정렬과 스탠드오프

솔더가 녹으면 접합부는 액체 방울이 되고, 액체는 표면적을 줄이려 한다. 칩이 옆으로 어긋나 있으면 솔더 기둥이 비스듬히 늘어나 표면적이 커진 상태이므로, 표면 장력은 칩을 패드 바로 위로 끌어당긴다. 이것이 자기 정렬(Self-alignment)이다. 칩 탑재 장비가 ±10 µm 정도로만 놓아도 리플로를 거치면 수 µm 이내로 맞는다. 범프가 상대 패드에 닿아 젖기만 하면 되므로, 패드 지름의 수십 %(대략 30~50%)까지 어긋나도 돌아온다.

반지름 \(a\), 높이 \(h\)인 솔더 기둥의 윗면이 \(x\)만큼 옆으로 밀렸다고 하자. 옆면 넓이 \(A(x)\)가 늘어난 만큼 표면 에너지 \(\gamma A\)가 커지고, 복원력은 그 기울기다.

스탠드오프 높이(Standoff height)는 리플로 뒤 다이와 기판 사이의 간격이다. 솔더 부피 \(V\)와 위아래 젖음 패드의 반지름 \(a\)가 정해지면, 접합부를 위아래가 잘린 구로 근사해 \(V = \tfrac{\pi h}{6}(6a^2 + h^2)\)에서 \(h\)가 나온다. 같은 부피라도 패드가 넓으면 솔더가 퍼져 낮아지고, 패드가 좁으면 배가 불룩한 높은 접합이 된다. 스탠드오프가 높으면 열응력 변형이 줄고 언더필이 잘 흐르지만, 접합부가 옆으로 불룩해져 이웃 범프와 붙을(브리지) 위험이 커진다.

기판 쪽 패드를 어떻게 여는지도 접합 형상을 바꾼다. SMD(Solder Mask Defined) 패드는 솔더 레지스트 개구가 구리 패드보다 작아 레지스트가 젖음 영역을 정한다. NSMD(Non-Solder Mask Defined) 패드는 개구가 패드보다 커서 구리 패드 자체가 젖음 영역을 정하고, 솔더가 패드 옆면까지 감싼다.

열압착 본딩과 그 밖의 방식

매스 리플로는 싸고 빠르지만 두 가지 조건에서 한계에 닿는다. 하나는 미세 피치다. 피치가 대략 100 µm 아래로 내려가면 구 모양 솔더 범프 대신 구리 필러(Cu pillar) 끝에 얇은 솔더 캡을 얹은 구조를 쓴다(3장). 솔더 양이 적어 자기 정렬력이 약하고, 허용 오차도 수 µm로 줄어든다. 다른 하나는 휨이다. 100 µm 이하로 얇게 간 다이와 얇은 기판은 리플로 온도에서 서로 다르게 휘어, 가장자리나 가운데 범프가 닿지 않거나(non-wet) 눌려서 붙는다.

열압착 본딩(TCB, Thermo-Compression Bonding)은 칩을 한 개씩 본딩 헤드로 집어, 정밀하게 정렬해 누른 채로 헤드를 급속 가열(초당 100 °C 이상)해 솔더를 녹이고, 누른 채로 식혀 굳힌다. 헤드와 스테이지가 다이와 기판을 평평하게 펴 잡고 있으므로 휨의 영향을 받지 않고, 헤드 높이를 제어해 솔더가 옆으로 짜여 나오는 양까지 조절한다. 정렬 정확도는 ±1~3 µm 수준이다. 대신 칩마다 가열·냉각 사이클을 돌아야 해서 처리량이 매스 리플로용 본더의 수 분의 일에서 십분의 일 수준으로 떨어지고, 장비도 비싸다.

TCB에서는 범프 사이가 너무 좁아 접합 뒤에 언더필을 흘려 넣기 어렵다. 그래서 접합 전에 절연 수지를 미리 깔아 두는 선도포 방식을 함께 쓴다. 기판에 페이스트를 찍어 두면 NCP(Non-Conductive Paste), 웨이퍼 범프 면에 필름을 미리 붙여 두면 NCF(Non-Conductive Film)다. 헤드가 누르는 동안 수지가 밀려나며 범프가 맞닿고, 같은 열로 수지가 경화된다. 이 방식은 얇은 다이를 여러 장 쌓는 메모리 적층의 핵심이며 13장에서 자세히 다룬다.

레이저 보조 본딩(LAB, Laser-Assisted Bonding)은 균일하게 편 근적외선 레이저를 다이 뒷면에 쬐어 실리콘을 통해 범프만 짧게 가열한다. 기판 전체가 뜨거워지지 않으므로 휨과 열 이력이 작고, 한 칩에 걸리는 시간도 TCB보다 짧다.

언더필: 틈을 메우는 유동

리플로를 마친 플립칩은 범프만으로 기판에 매달려 있다. 이 틈(보통 50~80 µm)에 실리카 필러를 섞은 에폭시를 채워 굳힌 것이 언더필(Underfill)이다. 가장 흔한 모세관 언더필(CUF, Capillary Underfill)은 80~110 °C로 데운 기판 위에서 다이의 한 변 또는 두 변(L자)을 따라 수지를 짜 놓으면, 표면 장력이 수지를 틈 안으로 끌고 들어간다. 펌프 없이 모세관 압력만으로 흐른다.

간격 \(h\)인 두 평행판 사이에서 접촉각이 \(\theta\)이면 선단의 모세관 압력은 \(\Delta p = 2\gamma\cos\theta / h\)다. 이 압력이 선단까지의 길이 \(x\)에 걸친 점성 저항(평행판 푸아죄유 유동, 평균 속도 \(h^2 \Delta p / 12\mu x\))과 균형을 이루므로 선단은 갈수록 느려진다. 적분하면 워시번 식(Washburn equation)이 나온다.

언더필 수지에는 지름 1 µm 안팎에서 수 µm인 구형 실리카 필러가 무게로 50~70% 들어 있다. 필러는 열팽창 계수를 순수 에폭시의 60~70 ppm/K에서 25~35 ppm/K로 낮춰 솔더(약 22~25 ppm/K)에 가깝게 맞추고 탄성률을 높인다. 대신 점도가 올라가고, 필러 최대 지름이 간극의 1/3 정도보다 크면 범프 사이에 걸려 필러만 걸러지는 현상이 생긴다. 흐름이 범프 열을 돌아 나가며 양쪽에서 만나면 공기가 갇혀 보이드가 남는다. 보이드에 인접한 범프는 언더필의 지지를 받지 못하고, 이웃 범프로 솔더가 밀려 나오는 통로가 되기도 한다. 다이 둘레로 흘러나와 옆면을 타고 오른 부분을 필렛(Fillet)이라 하며, 다이 모서리의 응력 집중을 완화하고 박리의 시작점을 막는다. 주입 뒤에는 150~165 °C에서 수십 분~2시간 경화한다.

CTE 불일치와 솔더 피로

실리콘의 열팽창 계수(CTE)는 약 2.6~3 ppm/K이고, 유기 기판은 면 방향으로 약 15~17 ppm/K다. 온도가 \(\Delta T\)만큼 변하면 기판이 다이보다 더 많이 늘거나 줄어든다. 다이 중심은 움직이지 않는 중립점이고, 중심에서 멀수록 위아래 패드의 어긋남이 커진다. 이 거리를 DNP(Distance from Neutral Point)라 한다. 범프가 이 어긋남을 전단 변형으로 모두 받아 낸다고 보면,

전원을 켜고 끌 때마다, 낮과 밤이 바뀔 때마다 이 변형이 되풀이되면 솔더는 저주기 피로(Low-cycle fatigue)로 균열이 자란다. 소성 변형 진폭과 수명의 관계는 코핀–맨슨 식(Coffin–Manson relation)으로 나타낸다.

식에서 세 가지가 바로 읽힌다. 첫째, 모서리 범프가 먼저 깨진다. DNP가 가장 크기 때문이다. 그래서 다이 네 모서리에는 신호 대신 더미 범프를 두거나 범프를 비워 둔다. 둘째, 기판 재료가 수명을 정한다. 초기 C4가 쓴 알루미나 세라믹 기판은 CTE가 약 7 ppm/K로 실리콘과의 차이가 4 ppm/K 남짓이어서 언더필 없이도 버텼다. 유기 기판은 차이가 3배 이상이어서 같은 조건이면 수명이 수십 분의 일이 된다. 셋째, 스탠드오프가 높을수록 유리하다.

언더필은 이 문제를 구조적으로 바꾼다. 굳은 언더필이 다이와 기판을 면 전체로 붙들면 둘은 따로 미끄러지지 못하고 바이메탈처럼 함께 휜다. 범프 하나하나에 몰리던 전단 변형이 언더필 층 전체로 분산되어 범프의 변형이 수 분의 일로 줄고, 수명은 한 자릿수 이상(보통 10~100배) 늘어난다. 유기 기판 플립칩이 가능해진 것은 언더필 덕분이다. 대가는 휨이다. 변형이 사라진 것이 아니라 패키지 전체의 굽힘과 다이 응력으로 옮겨 간 것이다(14장).

그 밖의 신뢰성 문제

전자 이동(Electromigration). 범프 하나에 흐르는 전류는 수백 mA에 이를 수 있다. 솔더는 녹는점이 낮아 동작 온도에서도 원자 확산이 활발하므로, 배선용 구리·알루미늄이 10⁶ A/cm² 수준에서 문제가 되는 것과 달리 약 10⁴ A/cm² 수준에서 전자 이동이 일어난다. 더구나 전류는 얇은 배선에서 넓은 범프로 들어가는 모서리에 몰리는데, 이 전류 집중(Current crowding) 때문에 국소 전류 밀도는 평균의 몇 배가 되고 그 자리에서 보이드가 생겨 접합면을 따라 퍼진다. UBM을 두껍게 하거나 구리 필러를 써서 전류가 솔더에 닿기 전에 고르게 퍼지게 하는 것이 대책이다. 가속 모델(블랙 식)은 15장에서 다룬다.

범프 크랙과 화이트 범프. 무연 솔더와 구리 필러는 예전의 고연(high-Pb) 솔더보다 단단해서, 리플로 뒤 식는 동안 생기는 열응력을 범프가 흡수하지 못하고 다이 쪽으로 넘긴다. 범프 바로 아래의 저유전막(low-k, ELK)은 기계적으로 약해 이 응력에 층간이 벌어진다. 초음파 현미경(C-SAM)에서 박리된 범프 자리가 하얗게 보여 화이트 범프(White bump)라 부른다. 언더필을 넣기 전, 리플로 냉각 구간에서 주로 생기므로 냉각 속도를 늦추고, 기판 CTE를 낮추고, 범프 아래에 폴리이미드 완충층을 두어 줄인다. 이것을 칩과 패키지의 상호 작용(CPI, Chip-Package Interaction) 문제라 한다.

이 밖에 접합 계면의 금속간 화합물 성장과 커켄달 보이드(3장), 언더필 박리와 흡습에 의한 팝콘 불량, 휨에 의한 미접합이 있다. 조립 뒤에는 X선으로 범프 브리지·보이드를, 초음파 현미경으로 언더필 보이드와 박리를 검사한다(15장).