반도체 패키징 종류 Ⅲ
3. Wafer Level Package
(4) Flip chip
- 칩에 형성된 bump가 뒤집혀 Substrate에 부착 ( chip - substrate 전기적 연결 )
- 전기적 특성 우수 - 기존의 와이어 본딩 방식을 대체하게 됨
- 전기 접속 연결 가능한 Input/Output 핀의 개수와 위치 제약사항이 X
ㄴ 와이어 본딩의 경우 금속 패드 배치가 가장자리, 센터로 제한
( 연결하는 캐필러리가 일차원적 패드 배열에서만 공정이 가능 )
ㄴ 플립칩의 경우 금속 패드의 배치를 칩의 한면을 다 이용할 수 있고, 원하는 곳에 가능
- 전기 신호 전달 경로가 짧음
ㄴ 플립칩 접합부 : 수십 마이크로 m ( 와이어 대비 10배 이상 짧음 )
- FCOB vs FCIP vs WLCSP
| FCOB ( Flip Chip On Board ) | FCIP ( Flip Chip In Package ) |
| Solder bump가 형성된 flip chip을 PCB board에 바로실장 underfill 필수적 |
Flip chip을 Sub에 붙여 패키지화한 후, 다시 solder ball을 통해 PCB 보드에 실장 underfill없이 solder ball로 실장 |
| WLCSP | FCOB ( flip chip ) | |
| 공통점 | 둘다 솔더로 바로 PCB에 실장 | 둘다 솔더로 바로 PCB에 실장 |
| 차이점 | 솔더 볼의 지름이 몇백 마이크로 m 수준 | 솔더가 몇십 마이크로m 수준 ㄴ 크기가 작아서 솔더 bump라고 불림 |
(a) Flip chip은 솔더의 크기가 작음
--> Sub - chip간 열팽창계수차이에 의한 응력 stress 감당 X
--> solder 접합부 신뢰성을 위해 Flip chip bump 사이에
Underfill(폴리머 계열)을 채워 스트레스를 분산해야함
(b) Underfill 사용시 재작업이 어렵
ㄴ WLCSP는 불량 발생시 솔더볼 녹여서 재작업가능
ㄴ Underfill은 폴리머 계열이라 경화이후 변형이나 제거가 어려움
ㄴ FCOB는 underfill 필수적임
--> FCOB보다는 FCIP를 선호
※ ① Solder Ball : Sub type package중 BGA에서 Sub의 land 부위에 접착하는 볼
( 패키지 - PCB 기판간 전기적/기계적 연결 )
② Solder Bump : chip을 sub에 flip chip bonding방식으로 연결
+ BGA, CSP등을 회로 기판에 직접 접속하기 위한 전도성 돌기
--> 직관적인 차이는 크기 !
- Flip chip bump의 종류와 특징
(a) C4 bump ( Solder bump ) : 웨이퍼 장비를 이용하는 웨이퍼 레벨 공정 - 비용 높음
(b) 와이어 본딩 장비 이용해 골드 와이어를 Stud 형태로 웨이퍼 위에 Bump 형성하는 기술로 발전
ㄴ 금의 용융점 1000도 이상 : 저온에서 녹는 solder bump X
--> 여러 접합 공정 등장
① 도전성 접합제 : SBB ( Stud Bump Bonding )
② 솔더 : GBS ( Gold Bump Soldering )
③ 초음파를 이용한 저온 접합 : GGI ( Gold to Gold interconnection )
④ 이방성 전도 필름 : ACF ( Anisotropic Conductive Film )
※ ACF
- 전기가 통할 수 있는 작은 전도성 입자로 채워진 필름
- 평소엔 입자들이 떨어져 있어 전기가 통하지 X
- 단단한 flip chip bump에 film이 눌릴경우 : 눌린 위치에 패드와 범프 사이에 입자가 끼게 됨
ㄴ bump - pad 종방향으로 전기흐름
- 접합후 별도의 underfill 공정 필요 X
- LCD 드라이버 칩의 flip chip 접합에 Au bump와 ACF 접착제 주로 이용
- Solder bump의 한계 : 전기적 쇼트로인한 불량
ㄴ 전기적 특성 향상 요구에 따른 Bump 수 증가 : bump 간격 감소에 따른 엉겨붙음 발생
ㄴ chip과 sub 간격 줄여 bump 크기 감소 유도
: bump 응력 증가 + underfill 시 좁은 간격으로 인한 공정 어려움
--> CPB ( Copper Pillar Bump ) 등장
: chip-sub 간격 그대로+bump 간격 감소
ㄴ Solder bump 아래 Cu 기둥 세움 : chip - Sub간 간격 높게 + bump 간격 감소
( solder bump 크기 감소 )
- 범프간 간격에 따른 범프 구조와 접합방법
① 130 ㎛ ↑
C4 구조 (bump 전체 Solder) : solder가 녹아서 붙으므로 무너진 형태로 접합
reflow 공법 이용 접합
② 40 ㎛ ~130 ㎛
CPB 구조 : Cu기둥이 녹지 않고, 높이를 유지하여 무너지지 X
reflow 공법 이용 접합
③ 40 ㎛ ↓
Cu기둥을 양쪽 모두에 형성 (solder 양을 더 줄인 형태)
열압착 (Thermal compression) 방식 접합
ㄴ solder양이 작아서
※Flip chip package업계의 과제는 solder bump 간격 줄이기임
ㄴ 동일크기의 패키지, 칩에 더 많은 IO핀과 배선을 만들기 위함
ㄴ 현재 10 ㎛ 미만 까지 개발
출처 : 반도체 공정 수업자료, SK hynix newsroom, 반도체의 부가가치를 올리는 패키지와 테스트 (서민석)