[반도체 이야기] Laser assisted boding, 1편

Laser Assist Bonding

독자 여러분, 안녕하세요! 오랜만입니다. 마치 엄마가 저녁에 무엇을 준비할지 고민하는 것처럼, 어떤 이야기를 할지 고민하다 보면 한 달도 금세 지나갑니다. 그러다 보니 시간이 좀 많이 지났군요. 이번 주제는 플립칩 본딩 방법의 하나로 LAB (Laser assisted boding)에 대해 소개할까 합니다. 앞서, 칩 본딩 방법의 하나로 플립칩에 대해서도 소개를 했습니다. 언제나 그러하듯이, 성능을 개선하거나 가격을 낮추기 위해 다양한 기술들이 연구되고 개발되고 있는데요, 그중에 새로운 플립칩 본딩 방법의 하나인 LAB에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

Mass reflow vs LAB

기존에 와이어 본딩 방법은 칩과 기판 사이를 금속 와이어로 연결합니다. ‘패키징의 꽃은 와이어 본딩’이라는 말이 있을 정도로 아주 오랜 세월 동안 사용해 온 방법입니다. 하지만 칩과 기판 사이에 더 많은 연결이 필요하고 신호 손실을 줄이기 위해서는 와이어의 저항도 무시할 수 없게 되었습니다. 그 대안이 ‘플립칩’입니다. 칩 전 면적에 분포된 범프를 사용해 입출력 단자 개수도 늘릴 수 있고, 와이어에 비해 짧은 연결 거리로 인해 신호 특성에도 많은 장점이 있습니다. 하지만 언제나 그러하듯 장점이 있으면 해결해야 할 어려움들이 있게 마련입니다. 그중에 하나가 Reflow라는 공정을 거치는 동안 발생합니다.

일반적으로 플립칩 본딩을 하기 위해 무연 납 혹은 Cu pillar라는 범프 구조를 사용합니다. 구조는 약간 다르지만 칩을 기판 위에 붙이려면 범프의 솔더가 녹았다가 다시 굳는 과정을 거쳐야 합니다. 금속이 녹으려면 열이 필요합니다. 아래 그림은 일반적인 Reflow 장비입니다. 기판 위에 살짝 올려진 플립칩을 컨베이어 벨트 위에 올려 놓으면 저 장비를 지나가면서 본딩이 됩니다. 긴 장비 내에는 구간 별로 온도가 설정이 되어 있어서 솔더가 녹았다가 다시 굳으며 본딩이 됩니다. 이러한 본딩 방법을 Mass Reflow라고 부립니다. 그런데 본딩을 하는데 수 분이 소요되는 것도 문제지만 칩 외에 기판도 열을 받으면서 원치 않는 문제가 생깁니다.

Reflow 장비 사진출처 : http://www.hellerindustries.com/

Reflow temperature profile for SAC305 사진출처 : http://www.aimsolder.com/

기판도 열을 받으며 팽창하며 칩과 기판의 열팽창의 차이로 제대로 본딩되지 않고 범프 혹은 칩의 미세회로 층이 파손되는 경우가 발생합니다. 수천 개가 넘는 범프 중 하나라도 파손되면 패키지 기능에 문제가 생길 수 있어서 Mass reflow를 거치는 중에 범프가 파손되지 않도록 많은 노력을 해야 합니다.

Chip attach 이후 범프 주변의 변형과 stress 사진출처 : AMKOR INTERNAL

Bump tearing after Mass reflow 사진출처 : http://prod.semicontaiwan.org/

서두가 길었는데요, 문제의 원인은 칩뿐만 아니라 기판도 장시간 열을 받는다는 것입니다. 원하는 부분만 짧은 시간 동안 열을 가한다면 범프 파손 문제 해결에 큰 도움이 되겠지요. 이를 해결하기 위해 LAB (Laser Assisted Bonding) 방법을 사용하게 되었습니다. Mas reflow를 하는데 5~7분가량 뜨거운 Reflow 장비를 통과하는 데 반해, LAB는 레이저를 사용해 아주 짧은 시간 동안 칩 부분에만 열을 가하여 본딩하게 됩니다. 시간도 대략 1~2초에 끝나니 엄청나게 짧아진 셈입니다. 아래 그림을 보면, 칩과 주변에만 높은 온도가 유지되고 그 밖에 영역에는 상대적으로 온도가 낮습니다. 열에 노출되는 시간이 짧고 부분적이니 칩과 범프에 발생하는 스트레스도 상대적으로 낮습니다. 이외에 LAB의 여러 장점이 있지만 이번 이야기에서는 방법과 제가 하는 일인 Thermal simulation과 연관해 이야기해보겠습니다. (다음 호에 계속)

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WRITTEN BY 정규익

청운의 푸른 꿈을 안고 앰코에 입사한 지 어느덧 만 10년이 되었군요. 10년이면 강산도 변한다는데 마음만은 늘 신입사원처럼 모든 일이 신기하고 궁금해서 즐겁게 일했으면 하는 바람입니다.

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