플립칩
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1. 개요
플립칩은 집적 회로를 기판에 연결하는 기술로, 칩 표면의 패드에 솔더 볼을 증착하고 뒤집어 기판의 커넥터에 연결하는 방식으로 작동한다. 이 기술은 칩을 기판에 직접 연결하여 소형화, 고속 신호 처리, 열 효율성을 높이는 장점이 있다. 플립칩은 웨이퍼 범핑, 플립 칩 본딩, 언더필 공정 등을 거치며, 와이어 본딩, TAB(Tape-Automated Bonding)과 같은 다른 실장 기술과 비교된다. 1960년대 IBM에서 상업적으로 도입되었으며, 현재는 유기 기판을 사용하는 플립칩 패키지가 널리 사용된다.
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| 플립칩 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 반도체 장치 패키징 |
| 발명가 | 제럴드 쿠진스키 |
| 발명 연도 | 1960년대 초 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 플립칩은 마이크로칩을 위쪽 면이 아래로 향하게 하여 회로 기판, 칩 캐리어 또는 다른 마이크로칩과 같은 외부 회로에 직접 전기적으로 연결하는 방법이다. |
| 연결 방법 | 솔더 범프 또는 작은 기둥을 사용하여 칩의 표면 전체에 분포된 접점 영역을 연결한다. |
| 장점 | 더 짧은 연결 길이로 인해 더 높은 성능을 제공한다. 패키지 크기를 줄일 수 있다. 열 성능이 향상될 수 있다. |
| 단점 | 언더필 재료를 사용하여 열팽창 불일치를 관리해야 한다. 제조 공정이 더 복잡할 수 있다. |
| 기술적 측면 | |
| 본딩 방법 | 열압착 본딩 초음파 본딩 |
| 언더필 | 칩과 기판 사이의 공간을 채워 연결을 강화하고 열팽창 불일치로 인한 스트레스를 줄인다. |
| 애플리케이션 | CPU GPU 메모리 칩 MEMS |
| 역사 | |
| 개발 배경 | 제럴드 쿠진스키가 1960년대 초에 개발했으며, 원래는 IBM의 솔리드 로직 테크놀로지에 사용하기 위해 개발되었다. |
2. 공정 단계
집적 회로는 웨이퍼 위에 생성된다. 칩 표면에 패드가 금속화되고, 웨이퍼 범핑 공정을 통해 각 패드에 솔더 볼이 증착된다. 이후 칩을 절단하고 뒤집어 솔더 볼이 외부 회로의 커넥터를 향하도록 배치한다. 열풍 리플로우를 사용하여 솔더 볼을 다시 녹인다. 마지막으로, 장착된 칩은 전기 절연 접착제를 사용하여 언더필한다.
2. 1. 웨이퍼 범핑
2. 1. 1. 주요 공정
요약(summary)과 원본 소스(source)가 제공되지 않았습니다. 정보를 제공해주시면 위키텍스트를 작성해 드리겠습니다.2. 2. 플립 칩 본딩
플립 칩 공정은 기존의 IC 제조와 유사하지만 몇 가지 추가 단계가 필요하다.[6] 제조 공정 거의 마지막 단계에서 부착 패드를 금속화하여 납땜이 더 잘 되도록 한다. 이는 일반적으로 여러 가지 처리를 포함한다. 그런 다음 각 금속화 패드에 작은 납땜 점을 증착한다. 이후 칩은 웨이퍼에서 잘라낸다.
플립 칩을 회로에 부착하려면 칩을 뒤집어 납땜 점을 기본 전자 장치, 회로 기판, 또는 기판의 커넥터나 패드 위로 가져온다. 그런 다음 납땜을 다시 녹여(리플로우 납땜) 전기적 연결을 생성한다. 일반적으로 열음파 접합을 사용한다.[7]
이 과정에서 칩 회로와 기본 마운팅 사이에 작은 공간이 남는다. 이 공간에 전기 절연 접착제("언더필")를 채워 넣어 기계적 연결을 강화하고, 열 다리를 제공하며, 칩과 시스템 간 차등 가열로 인한 납땜 접합부의 스트레스를 방지한다. 언더필은 칩과 보드 사이의 열팽창 불일치를 분산시켜 납땜 접합부의 응력 집중을 막고 조기 고장을 예방한다.[8]
솔더 볼은 별도로 만들어 진공 픽업 장치로 집어 올린 후, 플럭스를 도포한 칩에 배치하거나, 전기 도금을 통해 칩에 장착할 수 있다. 전기 도금 시에는 칩이 있는 웨이퍼에 씨드 금속을 먼저 증착하여 솔더가 칩의 접촉 패드에 부착되도록 한다. 씨드 금속은 합금이며, 스퍼터링으로 증착된다. 포토레지스트 마스크를 사용하여 칩 접촉 패드 위에만 씨드 금속을 증착한다. 이후 웨이퍼는 전기 도금을 거치고, 포토레지스트 층은 제거된다. 그 다음 칩의 솔더는 솔더 리플로우를 거쳐 범프를 형성한다. 이 전체 과정을 웨이퍼 범핑이라고 한다. 솔더 볼의 직경은 75~500 미크론이다.[9][10]
2008년, Reel Service Ltd.와 지멘스 AG(Siemens AG)의 협력으로 'MicroTape'[https://web.archive.org/web/20090405171350/http://www.epp-online.de/epp/live/en/fachartikelarchiv/ha_artikel/detail/31627038.html]라는 고속 마운팅 테이프가 개발되었다. 조립 방법론에 테이프 앤 릴 공정을 추가하여 고속 배치가 가능하며, 표준 PCB 조립 장비를 사용하여 99.90%의 픽률과 시간당 21,000개의 부품(cph) 배치율을 달성했다.
플립 칩 패키지는 종종 전통적인 PCB 위에 위치한 "기판" 위에 놓인 실리콘 다이로 구성된다. 기판은 하단에 볼 그리드 배열(BGA)을 가질 수 있으며, PCB에서 사용할 수 있도록 다이에 대한 연결을 만든다.[11] Ajinomoto Build up Film(ABF)과 같은 빌드업 필름으로 제작된 기판은 코어 주위로 제조되며, 필름은 고온에서 진공 라미네이션을 통해 층으로 쌓인다. 각 층 적용 후, 필름 경화, CO2 또는 UV 레이저로 레이저 비아 생성, 기판 블라인드 비아 청소, 과망간산염으로 빌드업 필름 화학적 거칠게 만들기, 무전해 구리 도금을 이용한 구리 증착, 포토리소그래피와 에칭을 사용한 구리 패턴 형성 등의 공정이 각 층마다 반복된다.[12][13]
2. 2. 1. 주요 공정
플립 칩 공정은 기존의 IC 제조와 유사하지만 몇 가지 추가 단계가 필요하다.[6] 제조 공정 거의 마지막 단계에서 부착 패드를 금속화하여 납땜이 더 잘 되도록 한다. 이는 일반적으로 여러 가지 처리를 포함한다. 그런 다음 각 금속화 패드에 작은 납땜 점을 증착한다. 이후 칩은 웨이퍼에서 잘라낸다.
플립 칩을 회로에 부착하려면 칩을 뒤집어 납땜 점을 기본 전자 장치, 회로 기판, 또는 기판의 커넥터나 패드 위로 가져온다. 그런 다음 납땜을 다시 녹여(리플로우 납땜) 전기적 연결을 생성한다. 일반적으로 열음파 접합을 사용한다.[7]
이 과정에서 칩 회로와 기본 마운팅 사이에 작은 공간이 남는다. 이 공간에 전기 절연 접착제("언더필")를 채워 넣어 기계적 연결을 강화하고, 열 다리를 제공하며, 칩과 시스템 간 차등 가열로 인한 납땜 접합부의 스트레스를 방지한다. 언더필은 칩과 보드 사이의 열팽창 불일치를 분산시켜 납땜 접합부의 응력 집중을 막고 조기 고장을 예방한다.[8]
솔더 볼은 별도로 만들어 진공 픽업 장치로 집어 올린 후, 플럭스를 도포한 칩에 배치하거나, 전기 도금을 통해 칩에 장착할 수 있다. 전기 도금 시에는 칩이 있는 웨이퍼에 씨드 금속을 먼저 증착하여 솔더가 칩의 접촉 패드에 부착되도록 한다. 씨드 금속은 합금이며, 스퍼터링으로 증착된다. 포토레지스트 마스크를 사용하여 칩 접촉 패드 위에만 씨드 금속을 증착한다. 이후 웨이퍼는 전기 도금을 거치고, 포토레지스트 층은 제거된다. 그 다음 칩의 솔더는 솔더 리플로우를 거쳐 범프를 형성한다. 이 전체 과정을 웨이퍼 범핑이라고 한다. 솔더 볼의 직경은 75~500 미크론이다.[9][10]
2008년, Reel Service Ltd.와 지멘스 AG(Siemens AG)의 협력으로 'MicroTape'[https://web.archive.org/web/20090405171350/http://www.epp-online.de/epp/live/en/fachartikelarchiv/ha_artikel/detail/31627038.html]라는 고속 마운팅 테이프가 개발되었다. 조립 방법론에 테이프 앤 릴 공정을 추가하여 고속 배치가 가능하며, 표준 PCB 조립 장비를 사용하여 99.90%의 픽률과 시간당 21,000개의 부품(cph) 배치율을 달성했다.
플립 칩 패키지는 종종 전통적인 PCB 위에 위치한 "기판" 위에 놓인 실리콘 다이로 구성된다. 기판은 하단에 볼 그리드 배열(BGA)을 가질 수 있으며, PCB에서 사용할 수 있도록 다이에 대한 연결을 만든다.[11] Ajinomoto Build up Film(ABF)과 같은 빌드업 필름으로 제작된 기판은 코어 주위로 제조되며, 필름은 고온에서 진공 라미네이션을 통해 층으로 쌓인다. 각 층 적용 후, 필름 경화, CO2 또는 UV 레이저로 레이저 비아 생성, 기판 블라인드 비아 청소, 과망간산염으로 빌드업 필름 화학적 거칠게 만들기, 무전해 구리 도금을 이용한 구리 증착, 포토리소그래피와 에칭을 사용한 구리 패턴 형성 등의 공정이 각 층마다 반복된다.[12][13]
3. 장점 및 단점
3. 1. 장점
플립칩 조립체는 기존의 캐리어 기반 시스템보다 훨씬 작다. 칩은 회로 기판 위에 직접 놓이며, 면적과 높이 모두에서 캐리어보다 훨씬 작다. 짧은 와이어는 인덕턴스를 크게 줄여 고속 신호를 가능하게 하고, 열을 더 잘 전달한다.3. 2. 단점
플립 칩은 몇 가지 단점을 가지고 있다.캐리어가 없다는 것은 쉽게 교체하거나, 보조 장치 없이 수동으로 설치하는 데 적합하지 않다는 것을 의미한다. 또한 매우 평평한 장착 표면이 필요한데, 이는 항상 쉽게 준비하거나, 보드가 가열 및 냉각됨에 따라 유지하기 어려울 수 있다. 이는 최대 장치 크기를 제한한다.
또한, 짧은 연결은 매우 뻣뻣하므로 칩의 열팽창은 지지 보드와 일치해야 하며, 그렇지 않으면 연결이 깨질 수 있다.[14] 언더필 재료는 칩과 보드의 열팽창 계수(CTE) 차이 사이의 중간 역할을 한다.
4. 다른 실장 기술과의 비교
4. 1. 와이어 본딩 (Wire bonding)
일반적인 반도체 제조 시스템에서 칩은 실리콘과 같은 반도체 재료의 단일 대형 웨이퍼에 대량으로 제작된다. 개별 칩은 가장자리에 가까운 작은 금속 패드로 패턴화되어 최종 기계적 캐리어에 대한 연결 역할을 한다. 그런 다음 칩은 웨이퍼에서 잘라내어 일반적으로 와이어 본딩과 같은 서모소닉 본딩을 통해 캐리어에 부착된다. 이러한 와이어는 결국 전자 시스템을 구성하는 나머지 회로에 부착되는 캐리어 외부의 핀으로 연결된다.4. 2. TAB (Tape-Automated Bonding)
테이프 자동 접합(TAB)은 열압착 또는 열음파 접합을 사용하여 하나에서 세 개의 전도성 층을 포함하는 유연 기판에 다이를 연결하기 위해 개발되었다. TAB을 사용하면 솔더링 기반 플립칩 장착과 마찬가지로 다이 핀을 동시에 모두 연결할 수 있다. 원래 TAB은 플립 칩에 비해 더 미세한 피치 상호 연결을 생산할 수 있었지만, 플립 칩의 개발로 이러한 장점이 줄어들어 TAB은 디스플레이 드라이버 또는 유사한 제품과 같이 특정 TAB 호환 롤투롤(R2R, 릴투릴)과 같은 조립 시스템이 필요한 특수 상호 연결 기술로 유지되었다.5. 역사
플립칩 공정은 원래 1960년대에 IBM에서 개별 트랜지스터와 다이오드를 메인프레임 컴퓨터 시스템에 사용하기 위해 상업적으로 도입되었다.[15]
플립칩 BGA용 세라믹 기판은 비용 절감과 기존 PCB 제조 기술을 사용하여 제조 중에 더 큰 PCB 패널을 사용하여 한 번에 더 많은 패키지를 생산하기 위해 유기 기판으로 대체되었다.[16] 1999년에 개발된 아지노모토 빌드 업 필름(ABF)은 플립칩 패키지에 널리 사용되는 재료가 되었으며, 인텔이 처음 개척한 반 가산 공정으로 플립칩 기판 제조에 사용된다.[17][18][19] 빌드 업 필름은 업계가 세라믹 기판에서 벗어나도록 도왔으며, 이 필름은 현재 유기 플립칩 패키지 기판 생산에 필수적이다.[20][21]
6. 대한민국의 플립 칩 기술 현황
7. 결론
참조
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1981-09
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