반도체 패키지 공정 Ⅰ

1. 컨벤셔널 패키지 공정

컨벤셔널 패키징 공정 순서 ( SK hynix newsroom ) wire bonding : Traditional Assembly & Packaging ( 반도체 공정 수업자료 )

 

※ 공정 개요

• 공통과정

1) Wafer Test

2) Back grinding : 원하는 두께 될 때까지 갈아냄

3) Sawing/Dicing : 웨이퍼를 칩 단위로 분리

4) Die attatch : (양품 판정 칩만 떼서) lead frame type/ Substrate type Package에 붙여줌

 

• Lead frame type

1) Trimming : Lead들을 각각 분리

2) Solder plating : Lead 끝 부분에 Solder 도금

3) Forming : 하나의 패키지 단위로 분리 후, Lead를 기판에 붙일 수 있게 구부려 줌 

 

• Substrate type

1) Solder ball mounting: Pad에 Solder ball을 붙임

2) Singulation : 각각의 패키지로 잘라냄

 

 

(1) 공통과정 

 

    1) Back grinding 

Back grinding ( Sk hynix newsroom )

• 웨이퍼 뒷면을 가공 : 공정 및 특성에 적합한 두께로 만드는 과정

      ( 너무 두꺼우면 장비에서 다루기 어렵 ex.절단공정 / 너무 얇으면 깨지거나 휘어지기 쉬움 )

• 가공 후 원형틀에 붙이는(mounting) 공정까지 포함
• Tape Laminating : 앞면에 회로 보호를 위해 보호용 테이프를 붙임 (Back grinding tape)
• Polishing 공정 : 그라인딩 면이 거칠경우 응력 발생 --> 후속 공정중 깨지기 쉬움
• 칩 적층시 적층하는 만큼 칩 (웨이퍼) 두께를 낮춰야 (∵ 동일한 패키징 두께에 더 적층하므로 )

     --> 그라인딩 두께가 얇아짐 --> Warpage 발생 가능

     --> 웨이퍼 뒷면을 마운팅 테이프에 붙여 펴는 과정 수반

• 백 그라인딩 테이프를 떼서 소자 노출되게 해서 마무리

※ Back grinding tape 뗄 때 잔류물 안남게 하는 테이프 재료, 공정조건이 중요

 

 

  2) Wafer Sawing / Dicing

Blade dicing 공정순서 (Sk hynix newsroom)

 

• 백그라인딩 이후 Scribe lane을 절단해 칩단위로 분할하는 공정
• Scribe lane : 절단 공정으로 사라질 영역, 소자 구현 X 

※ Wafer dicing 종류

 

   a) Blade dicing 

• 톱날 회전 작업공차 : scribe lane을 휠보다 두껍게 확보해야함
• Blade가 mount tape의 일부를 파고듬 : 칩을 완전히 절단하기 위함
• 절단 이후에도 mount tape에서 떨어져서는 안됨
• 물리적 접촉에 의한 절단 : 열발생 + 실리콘 파편 발생

           --> 공정중 물을 뿌림 ( 열식힘 + 파편 세척 목적 )

• 웨이퍼 두께 얇아지면서 깨지기 쉬운 방법

         --> 더블 컷 / 스텝 컷 활용하여 물리적 충격 감소

 

※ Blade dicing 종류

• Full cut : 웨이퍼를 한번에 자르는 방법, 두꺼운 die에 주로 적용
• Double cut : 동일한 두개의 Blade를 이용해 절반씩 나눠 자르는 방법
• Step cut : 두께가 다른 두개 Blade를 이용해 절반씩 나눠 자르는 방법

 

  b) Laser dicing

• 웨이퍼 뒷면에 레이저 조사하여 절단
• 물리적 충격 X : 얇은 웨이퍼에 적합
• 절단면 물리적 손상이 적음 : 칩 강도 높음
• Scribe lane의 폭 좁게 가능

 

c) Plasma Dicing 

• PR로 웨이퍼 전면 도포후 SF6로 Si etch하여 절단
• Scribe lane 크게 줄일수 O

         --> 칩당 제조 비용 감소 ( 확보 공간 만큼 칩더 만들수 O )

• 칩 크기의 오차가 작음
• 절단면 깨끗해 강도가 가장 좋음
• PR 도포 및 Patterning 공정 필요
• Scribe lane에 금속배선 존재 시, SF6 이용한 절단이 제대로 이루어지지 X

 

** DBG (Dicing Before Grinding) - 공정순서를 바꿔 절단 칩 손상 줄이는 방안

    : 웨이퍼를 부분적으로 절단 --> Back grinding --> Mount tape 확장하여 완전히 절단

                                                                               (확장시 깨지면서 절단하게끔)

• 종류

       a) Blade 이용 : 부분 절단 후 , 앞면 보호 테이프 붙임

       b) Laser 이용(Stealth Laser dicing) : 보호 테이프 붙인후, 부분 절단

            --> 레이저로 결함 형성, 결함에서 시작된 균열을 확장시켜 표면까지 절단

 

영상 참조 https://www.disco.co.jp/kr/solution/library/dbg/dbg_process.html 

 

   3) Die attach

 

Die attach 공정순서 (SK hynix newsroom)

• 절단 칩을 mounting tape에서 떼낸후 접착제가 도포된 Sub/Lead frame에 붙이는 공정
• Mounting tape의 접착제 : 접착력이 강함 + UV를 쬐면 접착력 약해지는 재료                                                                    (절단 공정에선 강하게 접착 + Die attach 공정에 잘 떼져야함)
• Die pick up 공정 (Mounting tape에서 떼어내는 과정)

     ① Die Recognition : 카메라로 떼어낼 칩인지 방향 맞는지 인식

     ② Die Pick up : 블록에서 나온 Pin이 칩을 밀어 뜨게함 --> Picker가 진공으로 빨아올림

                            (칩이 얇아 응력 집중 및 손상 문제 발생시 슬라이딩 방식 이용)

     ③ Die Handling / Transfer : 중간 stage(?)에서 방향정렬 후 Sub / lead frame에 붙음

     

     *Sub 밑에 히터블록 열주고, 위에 압력줘 접착 용이하게 하기도 함

 

※ 접착제 도포 방법

 

   a) 액상

• 방식: Dispenser / Stencil Printing (마스크를 도포 대상 위에 두고 접착제를 밀어서 도포) 
• 흘러서 Die shift 문제
• 적층시 아래 칩 경화가 끝나지 않아 기울어질 수 O : 균일 접착제 두께 어렵
• 접착 칩 옆에 Fillet 발생 : 아래 칩 bonding pad 오염

 

  b) 고상 (테이프 형태)

• 액상의 문제점 때문에 적층시 고상 선호
• DAF(Die attach film) / WBL(Wafer Backside Lamination) film으로 불림

Liquid-type Adhesive	Dry Film Type Adhesive
Die shift	No Die shift
Bonding Pad Pollution	Np Fillet
Thickness Control Error	Fixed Thickness

 

   4) Interconnection

     Chip - Sub / Lead frame 혹은 Chip - Chip을 전기적 연결하는 것

 

① Wire bonding

와이어 본딩 공정순서 (SK hynix newsroom)

• 와이어를 실타래(Spool)에 감아 장착--> 선을 뽑아 Capillary에 통과시켜 끝에 Tail 형성
• FAB (Free Air Ball) : EFO(Electric Flame-Off)에서 Tail에 Spark -> 녹았다 응고하며 Ball 형성(표면장력) 
• Ball bonding (1st) 형성 : FAB을 Pad에 힘을 가해 붙임 
• Loop 형성 : Capillary를 Sub쪽으로 이동시켜 와이어 빠져 나오게
• Stitch bonding (2nd) 형성 : Sub에서 Bond Finger에 와이어를 눌러 형성
• Tail Feed : 와이어를 약간 더 뺌
• Tail cut : 테일을 끊어 Chip - Sub 연결 완료

* Forward bonding : 칩패드(ball bonding) -> Sub(stitch bonding)

  Backward bonding : Sub(ball bonding) -> 칩패드(stitch bonding)

   ㄴ와이어 높이(loop height)를 낮게 형성해야할 경우에 사용 

 

② Flip chip bonding

• Chip 위에 bump 만들어 Sub와 기계적/전기적 연결
• Underfill 공정 필요 : Chip, Sub간 열팽창계수(CTE) 차이에 의한 Stress를 bump만으론 역부족

※ Flip chip 공정 종류

 

    a) MR(Mass Reflow) : 고온으로 Solder가 녹아 붙게 만드는 공정

• Collapse : Solder bump가 다 녹아 칩 Sub간 간격 좁아짐 (ex. C4)
• Non Collapse : Solder bump 일부만 녹음 (ex. CPB, 고농도납 bump)

    b) 열압착(Thermo Compression) : 접합부에 온도와 압력을 가해 bonding

• ICA(Isotropic Conductive Adhesive) : 전도성 접착제로 Solder bump와 Pad 기계적/전기적 연결
• ACA(Anisotropic Conductive Adhesive) : 전도성 입자가 있는 film/paste로 underfill 역할 동시
• NCA(Non Conductive Adhesive) : 비전도성 재료로 기계적 연결 + underfill  (bump 자체가 전기적 연결)  

    c) 초음파미세용접(Ultra Sonic Microwelding) : Au stud bump를 초음파로 연결

 

※ Underfill 공정 종류

 

   a) Post filling 방식 : Flip chip bonding후 underfill 재료 채움

• CUF(Capillary Underfill) : Capillary로 재료를 옆면에 주사해 bump 사이로 흘러 채움
• MUF(Molded underfill) : Mold 재료인 EMC가 bump 사이 채워 underfill 기능

    b) Pre-Applied 방식 : Underfill 먼저 (주로 ACA, NCA)

 

 5) 몰딩

   : 칩의 구조물이 보호될 수 있도록 EMC로 외곽을 싸주는 공정 (몰딩, 실링, 웰딩이 있는데 플라스틱에서는 몰딩만)

• Transfer Molding : 양쪽 Sub 가운데에 EMC놓고, 온도와 압력을 가해 액체로 흘러들어가 채움 
• Compression molding : EMC 가루를 미리 틀에 채워, 온도 압력 가하면 액상되어 그대로 성형

Transfer Molding	Compression molding
① Tablet EMC (액화해서 흘려보냄) ② Wire sweeping 문제       ㄴ 와이어 끼리 붙어 전기 short 발생       ㄴ EMC 흐름 속도 조절해야함 ③ EMC 채울 공간 ↓ : 흐르기 어렵 ④ 기술 개발 방향 : 적층수↑, 패키지두께↓ -> EMC 채울공간↓         ( ∴  Transfer 방식은 소형화에 불리)	① Powder EMC      (채워진 그자리에서 액화돼 채움) ② Wire sweeping X      ㄴ 전기 short X ③ 칩과 패키지 윗면 작은 간격 문제 X

• Post cure (열처리) : 몰딩 공정 이후 수지들의 cross linking으로 단단해지게 하기 위함.

 

   6) 마킹 (반도체 패키지 표면에 제품 정보를 새기는 공정) 

• 주요 정보를 전기적 동작 없이 인식하게 함
• 패키지 이후 마킹 정보를 활용해 불량 원인 추적 가능
• 종류

   

Laser 방식	Ink 방식
EMC등을 태워 음각 : EMC 색깔 검은색 선호  YAG, CO2 laser를 주로 이용	에폭시나 페놀을 이용한 잉크로 양각 새김 종류 ① 직접 마킹(잉크 묻힌 마킹 활자로 직접 마킹) ② 옵셋 마킹(옵셋롤러/금속/수지로 만든판을 중간 매체로 간접 마킹) ③ 패드 마킹(판에 새겨진 활자에 잉크 묻히고, 실리콘 패드에 묻혀 자재에 마킹)

 

(2) Lead frame type 적용 공정

   

    1) Trimming 

       lead 사이를 연결해주는 Dambar를 잘라서 제거하는 공정

       ㄴ Dambar : 몰딩시 액체 EMC가 외부 lead로 흘러 나오는것 방지 역할

                           (몰드 이후 그대로 두면 lead가 모두 전기적 연결되어 핀 역할 X)

    2) Solder Plating 

       금속 lead위에 solder 도금 (lead에 대한 solder paste의 wettability 향상을 위해)

       ㄴ Descaling(리드 위 불순물 제거) => Plating(표면도금) => 세척 순서로 진행

    3) Forming

        lead부분을 물리적으로 눌러 성형 (PCB 기판에 접착될 수 있는 모양으로)

        이후 리드 끝부분을 절삭해 Singulation 함으로써, 패키지 단품으로 분리해주는 공정

 

(3) Substrate type 적용 공정

      

    1) Solder ball mounting (Pad - Solder ball 접착 공정)

        ① Fluxing: Flux를 (Substrate)Pad에 도포

        ② Ball Mounting: solder ball을 pad에 올림

        ③ Reflow: Reflow를 통해 solder ball 녹여 붙임        

        ④ Flux Cleaning: flux 세척해 없앰

        

※ Reflow 종류

IR(Infrared reflow)	대류 방식(Convection reflow)	증기 솔더링 방식(Vapor Phase Reflow)
적외선 조사	열풍 분사	용액을 끓여 나오는 고온 증기로 솔더링

   

 ※ Flux 정의와 도포방법

       (1) 정의

            reflow 공정상 solder ball 표면 불순물/산화물 제거

            -> solder ball 균일하게 녹게함

            -> 표면을 깨끗하게함

       (2) 도포 방법

             1) Pin을 이용한 dotting

                 Flux plate에 Dotting pin을 담궈 핀끝부분에 Flux 묻힘

                 Sub로 이동해 pad에 flux를 dotting

             2) Stencil을 이용한 도포

                 flux 도포해야하는 pad위치에 맞게 구멍 뚫린 stencil

                 Sub위에 stencil을 위치하고 flux를 롤러(squeegee)로 밀어 stencil에 도포되게 함  

reflow 온도 profile (Sk hynix newsroom)

 

   

Soaking zone	flux 활성화 --> 솔더볼 표면 산화물/불순물 제거
Melting T	solder가 녹는 온도
Dwell time	Melting point 이상에서 머무는 시간
Peak T	Reflow가 이루어지는 구간에서의 최고 온도
Cooling rate	Melting T이하에서의 단위시간당 온도 하강

 

 

 2) Singulation

       substrate strip을 잘라서 개개의 패키지로 만드는 공정

 

출처 : SK hynix newsroom , 반도체의 부가가치를 올리는 패키지와 테스트(서민석)