반도체 패키징을 개선하는 더 나은 열 관리
SiC와 같은 고급 재료를 사용하면 오늘날의 더 얇은 마이크로 전자 부품에 필요한 획기적인 조립 방법을 확보할 수 있습니다.
2023년 12월 20일, 작성: Coherent
마이크로 회로가 축소됨에 따라, 더 작고 얇은 회로로 작업하고 정밀도를 높이려면 마이크로 회로를 제조하는 데 이용되는 모든 공정을 다시 도구화하거나 교체해야 합니다. 이는 특히 “고급 패키징”에서 더욱 그렇습니다. 고급 패키징이란 개별 집적 회로(“다이”라고 함)를 장착하고 기판이나 회로 기판에 전기적으로 연결한 다음 밀폐하는 생산 단계입니다.
플립 칩 기본 사항
널리 사용되는 고급 패키징 기술 중 하나는 "플립 칩"입니다. 이 방법은 와이어 결합과 같은 기존 방법에 비해 몇 가지 이점이 있기 때문에 지난 10년 동안 점점 인기를 얻었습니다. 이러한 이점으로는 비용 절감, 패키징 밀도 향상, 신뢰성 향상 등이 있습니다.
플립 칩용 회로를 준비하려면 먼저 전도성 물질(일반적으로 땜납 또는 금)의 작은 범프를 반도체 웨이퍼 상단 표면의 전도성 패드에 증착합니다. 그런 다음 웨이퍼를 개별 칩으로 절단합니다(다이 싱귤레이션이라고 함).
다음으로 개별 다이를 집어 올려 접촉면이 아래를 향하도록 회전시킨 후 장착할 기판 위에 위치시킵니다. 이 기판은 가장 일반적으로 인쇄 회로 기판입니다. 칩은 칩의 범프가 기판의 해당 전도성 패드(위를 향함)와 일치하도록 매우 정밀하게 정렬됩니다. 칩 범프는 기판 패드와 접촉하게 됩니다.
그런 다음 이 어셈블리를 오븐에 넣고 땜납(또는 범프의 구성 물질)의 녹는점 이상으로 가열합니다. 땜납이 녹으면서 다이와 기판 모두의 전도성 패드에 달라붙어 "리플로우"됩니다. 마지막으로 오븐이 냉각되고 땜납이 응고되어 칩과 기판 사이에 전기적, 기계적 결합이 형성됩니다.
열 압착 결합 – 얇은 다이를 위한 솔루션
플립 칩 공정은 IC와 기판이 모두 얇아지고 땜납 범프 크기와 이들 사이의 간격(피치라고 함)이 100μm 미만으로 줄어들면서 문제에 직면하기 시작합니다. 특히 가열 주기는 IC와 기판에 변형을 일으킬 수 있습니다. 변형이 발생할 수 있는 원인은 가열 주기 동안 이러한 구성 요소 전체의 온도 구배와 다양한 부품 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치입니다.
부품 뒤틀림이 충분히 크면 다이와 기판 사이에 정렬 불량이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 개방 회로(연결 없음)가 발생하거나 경우에 따라 단락(땜납 볼 브리징)이 발생할 수도 있습니다.
열 압착 접합(TCB)은 플립 칩의 기능을 확장하기 위해 특별히 개발된 기술입니다. 특히 TCB는 얇은 다이의 대량 칩 부착을 수행하는 데 더 안정적인 방법을 제시해 줍니다.
기존 플립 칩 결합과 TCB의 차이점은 후자가 전체 작업 중에 매우 높은 정밀도로 다이와 기판의 온도, 가해지는 힘, 위치 및 방향을 적극적으로 모니터링하고 제어한다는 것입니다. 공정의 각 단계는 다음 단계로 넘어가기 전에 확인을 거칩니다. 이러한 모든 제어 덕분에 결합이 더 우수하고 안정적이며 장치 간 일관성이 더 높습니다.
이 모든 것을 달성하기 위해 사용되는 TCB 시스템의 주요 요소가 그림에 표시되어 있습니다. 여기에는 1μm의 정밀도로 다이를 수직으로 배치할 수 있는 에어 베어링 축의 선형 서보 모터가 포함됩니다. 칩과 다이의 동일 평면성을 유지하기 위해 각도 위치를 지정하는 팁-틸트 단계도 있습니다. 가열기와 냉각기 모두 다이의 온도, 그리고 이 온도가 증가하거나 감소하는 속도를 정밀하게 제어합니다. 이 구성 요소 스택의 맨 아래에는 다이 자체를 고정하는 진공 척 또는 노즐이 있습니다. 그리고 일련의 센서가 내장되어 전체 작업 중에 온도, 가해지는 힘, 다이와 기판의 위치 및 방향을 지속적으로 모니터링합니다.
열 압착 결합 시스템에는 다이 및 기판의 위치와 방향을 지정하는 단계, 다이 및 기판의 온도를 제어하는 가열기 및 냉각기, 다이를 고정하는 진공 노즐, 공정을 모니터링하고 제어하는 다양한 변환기 및 비전 시스템(미표시)이 포함됩니다.
TCB 공정의 시작은 기존 플립 칩과 동일합니다. 즉, 땜납 범프를 사용하여 다이를 준비합니다. 그런 다음 다이를 집어 올려 기판과 정렬한 후, 범프가 기판과 접촉할 때까지 아래로 내립니다. 이어서 가열 및 다이 이동 주기가 시작됩니다.
땜납이 녹으면서 다이는 먼저 기판 쪽으로 이동한 다음 기판에서 약간 멀어지고 마지막으로 다시 기판 쪽으로 이동합니다. 온도와 가해지는 힘도 다양합니다. 이 모든 것이 다이와 기판 간의 우수한 정렬 및 결합, 균일한 땜납 이음매 높이 및 결함 없는 연결을 보장합니다.
Coherent는 TCB 노즐을 위한 재료와 구성 요소 완제품을 수직적 통합 형태로 생산하는 기업입니다. 다양한 크기 및 형태의 노즐은 물론 이 4H SiC 부품과 같은 내부 요소를 가진 노즐을 생산할 수 있습니다.
노즐용 고급 재료
TCB 시스템의 단계, 열 장치 및 센서 외에 또 다른 중요한 요소는 노즐입니다. 노즐의 기능은 크게 세 가지입니다. 첫째, 공기 흐름을 위한 다양한 구멍이나 통로가 포함되어 있어 진공 척 역할을 할 수 있습니다. 둘째, 공정 전반에 걸쳐 다이의 평탄도를 유지합니다(진공이 부품을 표면에 단단히 고정시키기 때문). 마지막으로 TCB 시스템의 가열 및 냉각 요소가 다이의 온도를 변경할 수 있도록 열을 전도합니다.
이러한 요구 사항을 충족하려면 매우 매끄럽고 평평한 부품을 만들 수 있으면서 기계적으로 견고한 재료로 노즐을 제작하는 것이 이상적입니다. 그래야만 다이에 가해지는 힘이 변하더라도 공정 전반에 걸쳐 다이를 단단히 고정하고 평평하게 유지할 수 있습니다.
또한 노즐 재료는 열전도율이 높아야 합니다. 가열기 및 냉각기로 인한 온도 변화가 다이로 빠르게 전달될 수 있기 때문입니다. 다이의 온도를 정밀하게 제어하고 빠르게 열 순환시키는 능력은 공정 성공과 전체 생산 소요 시간 최소화에서 핵심입니다.
이러한 요구 사항을 모두 충족하는 재료는 거의 없지만, Coherent는 세 가지 다른 재료를 생산하며 그중 어느 것으로든 TCB 노즐 완성품을 제작할 수 있습니다. 해당 재료는 반응 결합 실리콘 카바이드(SiC), 단결정 SiC 및 다결정질 다이아몬드입니다. 각각 고유한 특성과 이점이 있으며 이 내용은 표에 요약되어 있습니다.
재료 |
열전도율 |
표면 거칠기 |
광학 투과 |
전기 절연체 |
비용 |
반응 결합 SiC |
255W/m-K |
<25nm |
아니요 |
아니요 |
낮음 |
단결정 SiC |
370W/m-K |
<2nm |
예 |
4H: 아니요 6H: 예 |
중간 |
다결정질 다이아몬드 |
2200W/m-K |
<10nm |
예 |
예 |
높음 |
이 모든 재료는 다른 물질에 비해 열전도율이 높으며, 다이아몬드가 모든 재료 중 열전도율이 가장 높습니다. 반응 결합 SiC의 주요 특징 중 하나는 필요한 관통 구멍이나 내부 통로가 어떤 형태이든 쉽게 생산할 수 있다는 것입니다. 또한 레이저 가공을 통해 매우 높은 평탄도와 낮은 표면 거칠기를 달성할 수 있습니다.
다이아몬드와 단결정 SiC의 이점은 가시광선과 근적외선을 투과한다는 점입니다. 이를 통해 최종 부품의 평탄도, 두께 및 평행도를 측정하는 데 다양한 측정 기술을 사용할 수 있으므로 더 정밀한 제작이 가능합니다.
다결정질 다이아몬드와 6H 단결정 SiC는 전기 절연체입니다. 이 속성은 정전기 방전(ESD)으로 인한 손상으로부터 반도체 다이를 보호하는 등 여러 가지 이유에서 유용할 수 있습니다.
이 세 가지 재료로 제작된 노즐의 비용에도 차이가 있습니다. 노즐은 주기적으로 교체되는 소모품이기 때문에 중요한 부분입니다.
Coherent는 수직적으로 통합된 TCB 노즐 제조업체입니다. 자체 재료를 배양하는 것부터 완성 부품을 생산하는 과정까지 직접 진행합니다. Coherent 제조 능력의 핵심 구성 요소는 매우 평평한 표면을 생성하는 능력이며, Coherent는 이러한 평탄도를 검증하기 위한 광범위한 계측 장비를 보유하고 있습니다.
Coherent의 반응 결합 실리콘 카바이드(SiC), 단결정 SiC 및 다결정질 다이아몬드에 대해 자세히 알아보십시오.
