Coherent 반도체 제조 솔루션: 고급 패키징
Coherent 레이저 및 재료는 최신의 가장 까다로운 백엔드 프로세스 중 일부를 지원합니다.
2024년 10월 17일, Coherent
현재 마이크로일렉트로닉스에서 볼 수 있는 놀라운 수준의 소형화는 두 가지 요인 때문입니다. 첫째는 집적 회로 칩을 구성하는 트랜지스터 및 기타 구성 요소가 점점 더 작아지고 있다는 것입니다(무어의 법칙).
둘째는 새로운 기술을 사용하여 개별 칩을 점점 더 높은 밀도로 패키징하고 있다는 것입니다. 현재 이러한 용도로 다양한 방법이 채택되고 있는데, 시스템 인 패키지(SiP), 3D 패키징, 2.5D 패키징, 팬아웃 웨이퍼레벨 패키징(FOWLP), 플립칩 패키징, 멀티칩 모듈(MCM) 등이 여기에 포함됩니다. 이를 총칭하여 "고급 패키징" 기술이라고 합니다. 고급 패키징을 통해 스마트폰과 같은 작고 강력한 제품을 만들 수 있습니다.
고급 패키징 방법은 기존의 "백엔드"(집적 회로 패키징) 기술보다 복잡하고 제조하기 어렵습니다. 그 이유 중 하나는 일반적으로 밀도가 훨씬 높고 더 작은 피치(간격)를 상호 연결해야 하며 부품 구조가 더 복잡하기 때문입니다. 따라서 전체 백엔드 생산 공정에서 더 작은 부품에 대해 더 엄격한 기계적 공차를 유지해야 합니다.
반도체 제조는 보통 프런트엔드와 백엔드 공정으로 나뉩니다. 추가로 프런트엔드는 "프론트엔드오브라인(FEOL)"과 "백엔드오브라인(BEOL)"으로 나뉩니다. 이는 프런트엔드 및 백엔드 공정의 주요 단계를 보여주며 백엔드 생산을 위한 여러 가지 새로운 고급 패키징 방법 중 하나의 추가적인 복잡성을 강조합니다.
또 다른 문제는 열 관리 필요성 증가입니다. 더 큰 연산 능력은 더 높은 열 설계 전력으로 이어집니다. 따라서 고급 패키징에서는 높은 기계적 강도를 가진 높은 열 전도성 재료를 사용해야 합니다. 여러 칩의 무게로 인한 휨을 방지하려면 높은 기계적 강도가 필요합니다.
레이저는 재료 가공을 위한 정밀성, 다양성, 효율성의 고유한 조합을 제공합니다. 특히 백엔드 작업의 경우 열 영향을 받는 영역을 최소화하면서 비접촉 가공을 수행할 수 있어야 가장 고도화된 조립 방법의 근간이 되는 초소형 피처를 만들 수 있습니다. 게다가 레이저는 거의 모든 재료와 호환되며 레이저 파장에서 명목상 투명한 일부 성분도 처리할 수 있습니다.
이 모든 것은 패키지가 더 작고 복잡해짐에 따라 레이저 가공이 제조업체에 점점 더 유용해지고 있음을 의미합니다. 여기서는 반도체 백엔드 제조를 위한 레이저 가공의 현재 및 개발 동향을 예시를 통해 살펴보겠습니다.
절단 및 드릴링
절단 및 드릴링은 기존 백엔드 및 고급 패키징 생산 전반에 걸쳐 광범위하게 수행됩니다. 다음과 같은 작업이 포함됩니다.
비아 드릴링: 인쇄 회로 기판(PCB) 및 기타 기판에 관통 구멍 또는 블라인드 구멍을 만드는 작업입니다.
싱귤레이션: 완성된 웨이퍼를 개별 칩으로 절단하는 작업입니다.
디패널링: 개별 회로 기판 또는 구성 요소를 더 큰 패널 또는 시트에서 분리하는 작업입니다.
디본딩: 박막화, 처리, 취급 중 안정성을 위해 웨이퍼나 다이를 캐리어 기판에 부착하는 경우처럼 일시적인 본딩 프로세스 후 구성 요소를 분리하는 작업입니다.
FR-4(및 직조 유리 섬유를 포함한 버전)와 기타 유기물과 같은 복합 소재는 수십 년 동안 PCB의 표준 기판으로 사용되었습니다. 전통적으로 기계적 드릴링을 사용하여 이러한 재료에 비아를 생성했습니다. 하지만 이 방법은 150µm보다 훨씬 작은 직경의 구멍을 만들 수 없습니다.
CO₂ 레이저를 사용한 비아 드릴링은 직경 30µm까지 비아를 고속으로 드릴링할 수 있습니다. 그 결과, 업계에서는 스마트폰, 5G 트랜시버, 웨어러블과 같은 제품에 사용되는 고급 패키징 기술에 요구되는 더 높은 수준의 소형화를 지원하기 위해 이 레이저를 점점 더 많이 채택하고 있습니다. CO₂ 레이저는 FR4, PTFE, 유리 섬유 복합재, 세라믹을 포함하여 현재 사용되는 대부분의 기판을 효율적으로 가공할 수 있습니다.
Coherent의 최근 중요한 기술적 혁신 중 하나는 CO₂ 레이저용 전기 광학 스위치입니다. 이 변조기는 CO₂ 레이저 기반 드릴링 시스템에서 전통적으로 사용되는 음향 광학 변조기(AOM)보다 훨씬 더 높은 레이저 출력을 처리할 수 있습니다. 더 높은 레이저 출력을 사용하면 빔을 더 많은 횟수까지 분할할 수 있습니다. 즉, 더 많은 구멍을 동시에 드릴링할 수 있어 시스템 처리량이 증가하고 비용이 절감됩니다.
Coherent는 또한 비아 드릴링 창을 위한 독점적인 스패터 및 파편 방지 코팅을 개발했습니다. 이 다층 코팅은 다양한 기판에 적용할 수 있습니다. 이 코팅은 잦은 세척과 비아 드릴링, 절단 또는 기타 마킹 작업 중에 금속 및 기타 파편이 튀는 것을 견디도록 특별히 개발되었습니다. 코팅의 내구성은 창의 수명을 늘리는 데도 도움이 됩니다.
이 코팅에는 Coherent 독점 다이아몬드 오버 코트(DOC) 코팅 기술이 적용되었습니다. 파편 창은 내구성이라는 추가적 이점과 함께 시스템의 우수한 광학 성능을 위해 높은 투과율과 낮은 반사율을 유지합니다.
고급 패키징 방법 덕분에 FR-4를 훨씬 넘어 실리콘, 유리, 세라믹, 아지노모토 빌드업 필름(ABF) 등 다양한 기판 재료를 사용할 수 있습니다. CO₂ 레이저 드릴링은 여전히 ABF 같은 일부 재료에 가장 적합하지만, 다른 레이저는 유리 같은 다른 소재에 더 적합할 수 있습니다. 게다가 필요한 비아 크기는 10µm 이하로 훨씬 더 작을 수 있습니다.
AVIA LX 및 AVIA NX와 같은 다양한 나노초 펄스 고체 레이저를 사용하여 작은 비아를 만들 수 있습니다. 초단 펄스(USP) 레이저는 아무리 까다로운 작업이라도 주변의 열에 민감한 회로를 손상시키지 않고 매우 작은 구멍이나 기타 피처를 만들 수 있습니다. 또한, 특히 자외선(UV)을 출력하는 USP 레이저는 금속, 반도체, 복합재, 세라믹, 유기물을 포함한 거의 모든 재료와 함께 사용할 수 있습니다.
이와 동일한 나노초 및 USP 레이저는 웨이퍼 스크라이빙 및 다이싱, PCB 디패널링과 같은 다른 재료 처리 작업에도 유용합니다. 높은 기계적 정밀도, 최소 커프 폭, 작은 열 영향 영역, 거의 발생하지 않거나 전혀 발생하지 않는 파편, 다양한 기판 재료와의 호환성이라는 장점이 있습니다. 또한 아직 상업적으로 출시되지 않은 유리와 같은 차세대 고급 패키징용 기판과도 호환됩니다.
Coherent는 레이저 외에도 백엔드 도구 제작을 위한 혁신적인 소재를 공급합니다. 예를 들어, 금속 매트릭스 복합재는 강철의 강도와 알루미늄의 가벼움을 함께 가지고 있어 고성능, 고속 작동 로봇 시스템에 필수적인 강성과 열 전도성을 갖고 있습니다. 산업 생산 주기가 빨라지면서 정확도를 훼손하지 않고 더 빠른 속도로 작동할 수 있도록 장비가 중요해졌습니다. 스마트폰, 컴퓨터 같은 전자 기기에 대한 소비자 수요 증가를 충족시키기 위해 필요합니다.
반도체 BEOL 웨이퍼 처리 구성 요소.
마킹
백엔드 생산에 사용되는 마킹 작업의 범위는 너무 광범위하여 여기서 자세히 다룰 수 없습니다. 다음은 백엔드에서 가장 일반적인 마킹 응용 작업 중 일부를 간략하게 나열한 것입니다.
캡슐화된 장치: |
가장 일반적으로 사용되는 캡슐화 몰딩 컴파운드는 근적외선(IR)을 잘 흡수하여 검은색에서 회색으로 변환합니다. 이를 통해 깊이가 30µm~50µm인 고대비 마킹이 가능합니다. 이러한 유형의 마킹은 일반적으로 파이버 또는 다이오드 펌핑 고체 레이저로 수행됩니다. 듀얼 헤드 구성은 트레이를 보다 효율적으로 마킹하는 데 도움이 됩니다. |
얇은 캡슐화: |
와이어 본딩된 실리콘 다이를 보호하기 위해 얇은 몰드 컴파운드 캡을 사용하는 소형 폼 팩터 장치는 깊이 10µm 이하의 마킹을 요구합니다. 녹색 광은 에폭시 매트릭스에 의해 적외선(IR)보다 더 강하게 흡수되므로 더 얕은 마크가 생성됩니다. 녹색 레이저(일반적으로 주파수가 두 배인 파이버 또는 다이오드 펌핑 고체 레이저)가 이러한 작업에 사용됩니다. PowerLine E Twin은 두 개의 레이저 소스를 활용하여 높은 처리량과 DPSS 레이저 기술의 장점을 결합한 것입니다. |
세라믹: |
세라믹은 뛰어난 열적, 기계적, 전기적 특성으로 인해 전력 반도체, 고휘도 LED, RF 장치, MEMS, 하이브리드 회로 등의 패키징에 폭 넓게 사용됩니다. 하지만 세라믹 마킹의 공정 윈도우는 비교적 좁습니다. 신뢰할 수 있는 마킹 결과를 보장하는 정확한 초점과 높은 펄스 에너지를 만들어 냅니다. Nd:YVO₄기반의 DPSS 레이저는 펄스 에너지가 높아 세라믹 뚜껑과 기판을 마킹할 때 유용합니다. 최대 350ns까지 조정 가능한 펄스 폭을 자랑하는 PowerLine F 20-1064는 이러한 유형의 마킹 작업 공정 윈도우를 개선하기 위해 특별히 설계되었습니다. |
PCB: |
PCB는 종종 생산 중에 추적 가능한 데이터 매트릭스 코드로 마킹되며, 유기 기판 위의 얇은 녹색 솔더 레지스트 층은 아래의 구리를 노출시키지 않고 마킹을 하기 위해 필요합니다. 데이터 매트릭스 코드는 매우 작을 수 있으므로(셀 크기가 125µm 미만) 100µm 미만의 초점이 맞춰진 레이저 스팟 크기가 필요합니다. 녹색 다이오드 펌핑 고체 레이저가 이러한 응용 작업의 표준이 되었으며, PowerLine E 20-355와 같은 UV 레이저는 더 정밀한 해상도와 낮은 열 충격으로 인해 하이엔드 기판에 마킹하는 데 사용됩니다. |
금속 뚜껑 및 리드프레임: |
Coherent PowerLine F Series를 포함한 근적외선 파이버 레이저는 마이크로프로세서 및 기타 고전력 소비 IC의 금속 뚜껑을 마킹하는 데 널리 사용됩니다. 금속 리드프레임은 일반적으로 주석, 은 또는 금으로 도금되며, 도금 전 또는 후에 마킹할 수 있습니다. 리드프레임은 자본 투자를 최소화해야 하는 비용에 민감한 장치에 사용됩니다. 이런 이유로 경제적인 파이버 레이저 제조사가 선택될 때가 많습니다. |
열 압착 결합
가장 널리 사용되는 고급 패키징 기술 중 하나는 "플립칩(flip chip)"입니다. 플립칩 공정의 중요한 단계는 기판에 다이를 납땜하는 것입니다. 구체적으로, 이 공정에는 이전에 다이의 전도성 패드에 증착된 금속 솔더 범프를 녹이는 동시에 다이와 기판(일반적으로 PCB)을 함께 압착하는 작업이 포함됩니다.
이 공정은 IC와 기판이 모두 얇아지고 땜납 범프 크기와 이들 사이의 간격(피치라고 함)이 100μm 미만으로 줄어들면서 문제가 됩니다. 열 압착 결합(TCB)은 플립칩 응용 작업을 위한 기존 솔더 "리플로우" 방법에 대한 대안으로 부상했습니다. TCB는 매우 얇고 밀도가 높은 기판의 결함 안정성과 유닛 간 일관성을 높입니다.
TCB 장비는 결합 중에 다이/기판 어셈블리를 압착하는 플레이트(노즐이라고 함)를 사용합니다. 이 플레이트는 결합 공정 내내 단단하고 매끄럽고 평평해야 합니다. 다이 자체를 평탄하게 유지하는 데 필요하며, 솔더 공극이 발생하지 않도록 보장합니다.
이 노즐에는 또한 진공 척으로 작동할 수 있게 공기가 흐르는 구멍이 있어야 합니다. 게다가, TCB 시스템의 가열 및 냉각 소자가 공정 중에 다이 온도를 제어할 수 있도록 열 전도성이 있어야 합니다.
따라서 이상적인 노즐 소재는 기계적으로 견고해야 하며 매우 매끄럽고 평평한 부품으로 만들 수 있어야 합니다. 열 전도성도 높아야 합니다.
Coherent는 이러한 요구 사항을 충족하는 세 가지 소재인 반응 결합 실리콘 카바이드(SiC), 단결정 SiC, 다결정 다이아몬드를 생산합니다. 각각은 특정 TCB 구현을 위한 고유한 특성과 장점이 있습니다.
더욱이, Coherent는 수직 통합된 TCB 노즐 제조업체입니다. Coherent는 이 재료를 각각 처리하여 완제품으로 가공할 수 있습니다. 또한, 계측 기능을 통해 이 응용 작업에서 중요한 노즐 평탄도를 보장할 수 있습니다.
정밀도 및 성능 강화
반도체 패키지가 계속해서 작아지고 복잡해짐에 따라 고급 레이저 및 재료 기술의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다. Coherent의 모든 직원은 반도체 제조의 미래를 가능하게 하는 최첨단 솔루션을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다. Coherent의 종합적인 레이저 및 소재를 살펴보고 빠르게 발전하는 반도체 산업에서 앞서 나가기 위해 어떤 도움을 받을 수 있는지 알아보십시오.
