[반도체 이야기] Laser assisted boding, 2편

Temperature profile during LAB

ELK stress by bonding method 사진출처 : Amkor

Thermal simulation for LAB

(지난 호에서 계속) LAB 방법은 기판 위에 플립칩을 올려놓고 칩 표면에 Laser를 조사합니다. 이때 열에너지가 전달이 되고 솔더가 녹았다가 굳으면서 본딩이 완료됩니다. 관건은, 원하는 영역에만 똑같은 (Homogenized) 양으로 레이저를 조사하는 것입니다. Laser의 power는 칩 크기나 두께에 따라서 달라지겠지만, 때에 따라 1,000Watts가 넘기도 합니다. 아주 높은 열에너지를 순간적으로 전달해야 하는데, 과연 얼마나 높은 에너지를 또 어느 정도 시간 동안 전달해야 안전하게 본딩이 될 수 있을까요? 무엇보다 수많은 범프 중에 어느 하나 빠지지 않고 모두가 잘 녹았다가 굳어서 본딩이 되려면 여간 복잡한 일이 아닙니다. 그래서 온도에 민감합니다. Mass reflow는 thermos-couple을 통해서 Reflow 장비 내부의 온도를 측정할 수 있겠지만 LAB는 만만치가 않습니다.

Homogenized Laser beam quality 사진출처 : Yanggyu Jung, Development-of-Next-Generation-Flip-Chip-Interconnection-Technology-using-Homogenized-Laser-Assisted-Bonding, 2016 IEEE 66th Electronic Components and Technology Conference, 2016

적외선 카메라로 칩 표면의 온도를 측정할 수는 있겠지만, 정작 중요한 칩 아래 범프의 온도는 측정할 수가 없습니다. Thermo-couple을 붙여서 할 수 있겠지만 점점 낮아지는 범프 높이에 thermos-couple을 일일이 붙이는 것도 쉬운 일은 아닙니다. 여기에서 제가 하는 일, Thermal simulation으로 LAB공정에 필요한 조건들을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

여기에 FCBGA 모델이 있습니다. 크기는 대략 50X50㎟ 이고 칩의 크기도 20X20㎟ 정도입니다. Simulation을 통해 확인하고 싶은 것은, 범프가 제대로 녹을 수 있도록 범프 전체의 온도 분포입니다. 500Watts의 Laser를 1초 동안만 칩 표면에 조사합니다. 그런데 아래 그림을 보면 500W가 아니군요. Laser는 빛의 특성을 갖습니다. 칩의 표면처럼 매끄럽게 연마된(Polishing) 표면에서는 반사도 일어납니다. Laser 파장에 따라 칩 표면에서 반사되는 정도가 다릅니다. 아래 그림처럼 Laser의 파장을 고려해 실제로 칩에 전달되는 Power를 계산하고 적용했습니다. 그 외에 simulation 조건은 최대한 실제 상황과 유사하도록 조정했습니다.

파장에 따른 실리콘 칩의 반사도 사진출처 : http://www.pveducation.org/

자, 이제 결과입니다. 앞서 이전 이야기에서 언급했듯, 시뮬레이션 모델이 의미가 있으려면 실제와 잘 맞아야 할 텐데요, 이런 검증 과정이 꼭 필요합니다. 적외선 카메라로 측정한 칩의 표면 온도와 시뮬레이션에서 측정한 온도를 시간에 따라 비교해봤습니다. 1초 후에 최대 온도가 거의 비슷했습니다. 이후에 냉각되는 동안 속도가 좀 차이가 나지만 가열되는 동안 충분히 일치한다고 볼 수 있습니다. 이를 근거로 범프의 온도를 평가해봤습니다.

시뮬레이션 모델 검증을 위한 온도 비교 사진출처 : Amkor

칩의 대각선 방향으로 범프의 온도를 보았습니다. 중앙에서는 최대 250도가 넘지만 모서리로 갈수록 온도가 낮아집니다. 칩을 동그랗게 만들지 않는 이상 칩의 형상 문제로 모서리 부분은 온도가 낮아질 수밖에 없습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 범프가 충분한 열을 받을 수 있도록 Power, 시간, laser 면적 등을 조절하여 최적의 조건을 찾을 수 있습니다.

마무리하며

이번 이야기에서는 새로운 플립칩 본딩 방법인 LAB에 대해서 한 번 살펴봤습니다. 새로운 기술이 도입되면 무수한 장점과 함께 해결해야 할 어려움도 같이 찾아옵니다. 실제로 실험도 해보고 컴퓨터를 사용해 평가도 해보면서 그 어려움의 높이도 조금씩 줄여가고 있습니다. 결과만 짧게 보여드렸지만 유의미한 시뮬레이션 모델을 만들기 위해 수많은 시행착오를 거처야 했습니다. 그래도 끝내 의미 있는 결과를 얻을 수 있어서 다행이었습니다.

다음 달에도 새로운 기술 혹은 한참을 고민하다가 해결한 문제들을 갖고 다시 돌아오겠습니다. (^_^)

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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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