더 나은 열 관리가 반도체 개선한다
Advanced materials like SiC enable novel assembly methods needed for today’s thinner microelectronic components.
2023년 12월 20일 작성자 Coherent
집적 회로가 소형화됨에 따라, 이를 제조하는 데 사용되는 모든 공정은 더 작고 얇은 회로에 대응하고 더 높은 정밀도 구현할 수 있도록 설비를 개조하거나 교체해야 합니다. 이는 특히 “고급 패키징” 분야에서 두드러집니다. 고급 패키징이란 개별 집적 회로(“다이”라고 함)를 기판이나 회로 기판에 장착하고 전기적으로 연결한 후, 이를 밀봉하는 생산 공정을 말합니다.
플립 칩의 기초
널리 사용되는 첨단 패키징 기술 중 하나로 ‘플립 칩’이 있습니다. 이 방식은 와이어 본딩과 같은 기존 방식에 비해 여러 가지 장점을 제공하기 때문에 지난 10년 동안 점점 더 널리 보급되었습니다. 이러한 장점으로는 비용 절감, 패키징 밀도 향상, 신뢰성 증대 등이 있습니다.
플립 칩용 회로를 준비하기 위해, 먼저 반도체 상단의 전도성 패드 위에 전도성 재료(일반적으로 솔더나 금)로 된 작은 범프를 형성합니다. 그런 다음 웨이퍼를 개별 칩으로 절단합니다(이를 ‘다이 분리’라고 합니다).
다음으로, 개별 칩을 집어 올려 접촉면이 아래를 향하도록 뒤집은 후, 장착될 기판 위에 위치시킵니다. 이 기판은 대개 인쇄회로기판. 칩의 범프가 기판의 해당 전도성 패드(위쪽을 향하고 있음)와 정확히 일치하도록 칩을 정밀하게 정렬합니다. 그런 다음 칩의 범프를 기판의 패드와 접촉시킵니다.
그런 다음 이 조립체를 오븐에 넣고 솔더(또는 범프의 구성 물질)의 녹는점 이상으로 가열합니다. 솔더가 녹아 “리플로우”되면서 다이와 기판 양쪽의 전도성 패드에 달라붙습니다. 마지막으로 오븐의 온도가 내려가면 솔더가 굳어 칩과 기판 사이에 전기적 및 기계적 결합을 형성합니다.
열압착 접합 – 얇은 다이(die)를 위한 솔루션
IC와 기판이 모두 얇아지고, 솔더 범프의 크기와 범프 간 간격(피치라고 함)이 100µm 미만으로 줄어들면서 플립 칩 공정에서 문제가 발생하기 시작합니다. 특히, 가열 공정으로 인해 IC와 기판에 뒤틀림 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 가열 과정에서 부품 간 온도 구배가 발생하고, 각 부품의 열팽창 계수(CTE)가 서로 다르기 때문에 일어날 수 있습니다.
부품의 뒤틀림이 심할 경우, 다이와 기판 사이에 정렬 불량이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 회로 단선(연결 불량)이 발생하거나, 경우에 따라서는 단락(솔더 볼 브리지 현상)이 발생할 수도 있습니다.
열압착 접합(TCB)은 플립 칩의 성능을 향상시키기 위해 특별히 개발된 기술입니다. 특히 TCB는 얇은 다이의 대량 칩 부착을 수행하는 데 있어 더욱 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.
기존의 플립 칩 본딩과 TCB의 차이점은, TCB가 공정 전반에 걸쳐 다이와 기판의 온도, 가해지는 힘, 위치 및 방향을 극도로 정밀도 모니터링하고 제어한다는 점입니다. 공정의 각 단계는 다음 단계로 넘어가기 전에 검증됩니다. 이러한 철저한 제어 덕분에 더 우수하고 신뢰할 수 있는 본딩 결과가 도출되며, 제품 간 일관성도 더욱 높아집니다.
이 모든 작업을 수행하기 위해 사용되는 TCB 시스템의 주요 구성 요소들은 도면에 나와 있습니다. 여기에는 1 정밀도 다이를 수직으로 위치시킬 수 있는 에어 베어링 축에 장착된 리니어 서보 모터가 포함됩니다. 또한 칩과 다이의 평면성을 유지하기 위한 각도 위치 조정용 팁-틸트 스테이지가 있습니다. 히터와 쿨러는 다이의 온도와 온도 상승 또는 하강 속도를 정밀하게 제어합니다. 이 부품 스택의 하단에는 다이 자체를 고정하는 진공 척(노즐)이 위치합니다. 또한 센서 배열이 내장되어 있어 전체 공정 동안 다이와 기판의 온도, 가해지는 힘, 위치 및 방향을 지속적으로 모니터링합니다.
열 압착 접합 시스템은 다이와 기판을 배치하고 정렬하는 단계, 이들의 온도를 제어하는 가열 장치 및 냉각 장치, 다이를 고정하는 진공 노즐, 그리고 공정을 모니터링하고 제어하기 위한 다양한 변환기 및 비전 시스템(도면에 표시되지 않음)을 포함한다.
TCB 공정은 기존의 플립 칩 공정과 동일한 방식으로 시작됩니다. 즉, 먼저 솔더 범프가 부착된 다이를 준비합니다. 그런 다음 다이를 집어 올려 기판과 정렬한 후, 범프가 기판에 접촉할 때까지 다이를 내려놓습니다. 이후 가열 및 다이 이동 단계가 시작됩니다.
솔더가 녹으면서 다이는 먼저 기판 쪽으로 이동한 다음, 기판에서 약간 멀어졌다가 다시 기판 쪽으로 돌아옵니다. 온도와 가해지는 힘도 마찬가지로 조절됩니다. 이러한 모든 과정을 통해 다이와 기판 간의 정확한 정렬 및 접합, 균일한 솔더 접합부 높이, 그리고 결함이 없는 연결이 보장됩니다.
Coherent TCB 노즐용 소재 및 완제품을 수직 통합 방식으로 생산하는 Coherent . 당사는 다양한 크기와 형태의 노즐을 제작할 수 있으며, 이 4H SiC 부품과 같이 내부 구조가 포함된 제품도 생산 가능합니다.
노즐용 첨단 소재
TCB 시스템의 스테이지, 열 장치 및 센서 외에도 노즐은 또 다른 핵심 요소입니다. 노즐은 세 가지 주요 기능을 수행합니다. 첫째, 공기 흐름을 위한 다양한 구멍이나 통로가 있어 진공 척 역할을 합니다. 둘째, 공정 전반에 걸쳐 다이의 평탄도를 유지합니다(진공이 부품을 다이 표면에 단단히 고정하기 때문입니다). 마지막으로, 열을 전달하여 TCB 시스템 내의 가열 및 냉각 요소가 다이의 온도를 조절할 수 있게 합니다.
이러한 요구 사항을 충족하기 위해서는, 이상적인 노즐은 기계적 강성이 뛰어난 소재로 제작되어야 하며, 이를 통해 매우 매끄럽고 평평한 부품을 만들 수 있어야 합니다. 이는 다이(die)에 가해지는 힘이 변하더라도 공정 전반에 걸쳐 다이를 단단히 고정하고 평평한 상태를 유지하기 위해 필수적입니다.
또한, 노즐 재질은 높은 열전도율 가져야 합니다. 이를 통해 히터와 쿨러에 의해 유발된 온도 변화가 다이로 신속하게 전달됩니다. 다이의 온도를 정밀하게 제어하고 신속하게 열 사이클을 수행할 수 있는 능력은 공정 성공과 전체 택트 타임(takt time)을 최소화하는 데 핵심적인 요소입니다.
이러한 모든 요건을 충족하는 소재는 극히 드물지만, Coherent 세 가지 다른 소재를 Coherent , 이들 중 어느 것이든 사용하여 완성된 TCB 노즐을 제작할 수 있습니다. 이 소재들은 반응 결합 실리콘 카바이드 (SiC), 단결정 SiC, 그리고 다결정 다이아몬드입니다. 각 소재는 고유한 특성과 장점을 지니고 있으며, 이는 표에 요약되어 있습니다.
재료 |
열전도율 |
표면 거칠기 |
광 투과성 |
전기 절연체 |
비용 |
반응 결합 SiC |
255 W/m·K |
< 25 nm |
아니요 |
아니요 |
낮음 |
단결정 SiC |
370 W/m·K |
< 2 nm |
네 |
4H: 아니요 6H: 예 |
중간 |
다결정 다이아몬드 |
2200 W/m·K |
< 10 nm |
네 |
네 |
높음 |
이 모든 소재는 다른 물질에 열전도율 높은 열전도율 보이며, 특히 다이아몬드는 모든 소재 열전도율 가장 열전도율 지닙니다. 반응 결합 SiC의 주요 특징 중 하나는 필요한 관통 구멍이나 내부 채널을 쉽게 형성할 수 있다는 점입니다. 또한 레이저 가공을 통해 매우 높은 평탄도와 낮은 표면 거칠기를 구현할 수 있습니다.
다이아몬드와 단결정 SiC의 공통된 장점은 가시광선 및 근적외선 영역에서 투과성이 뛰어나다는 점입니다. 덕분에 최종 부품의 평탄도, 두께, 평행도를 측정하는 데 다양한 측정 기법을 활용할 수 있어, 더 높은 정밀도 가능해집니다.
다결정 다이아몬드와 6H 단결정 SiC는 전기 절연체입니다. 이러한 특성은 정전기 방전(ESD)으로 인한 손상으로부터 반도체 보호하는 것을 포함하여 여러 가지 측면에서 유용하게 활용될 수 있습니다.
이 세 가지 소재로 제작된 노즐의 가격에도 차이가 있습니다. 노즐은 주기적으로 교체해야 하는 소모품이기 때문에 이는 중요한 사항입니다.
Coherent TCB 노즐을 생산하는 수직 통합 Coherent . 당사는 원자재 자체 생산부터 시작해 완제품 제조에 이르기까지 전 공정을 직접 수행합니다. 당사의 제조 역량의 핵심은 매우 평탄한 표면을 구현하는 능력이며, 이러한 평탄도를 검증하기 위해 다양한 계측 장비를 갖추고 있습니다.
Coherent 반응 결합 실리콘 카바이드 (SiC), 단결정 SiC 및 다결정 다이아몬드에 대해 자세히 알아보세요.
