(삼성전자)FLOLA 공정과 Cu Pillar를 통한 Fine Pitch Micro Bump 기술

FLOLA 공정이란?

FLOLA(Flux-Less Oxide-removal Laser Assembly) 공정은 플럭스를 사용하지 않고 레이저를 이용한 열 압축 결합 공정입니다. 플럭스를 사용하면, 기판에 칩을 결합하는데 용이하다는 장점이 있지만, 용액이 기판에 묻어 제거를 해야한다는 단점이 있습니다. 하지만 FLOLA 공정은 플럭스 없이, 플라즈마 전처리를 통해 산화물을 제거하고, 레이저 열원을 사용하여 가열하고, 결합을 수행합니다. FLOLA 공정은 고온 환경에서의 안정성, 잔여물 문제 해결, 열적 관리 측면에서 여러 장점을 가지고 있습니다.

기존 Flux를 바르고 납땜을 하는 과정

FLOLA 공정의 주요 단계

 

• 플라즈마 전처리:
  • 목적: 칩과 기판 표면의 산화물 제거
  • 방법: Ar/H2 대기 플라즈마 처리를 사용하여 SnAg 솔더의 표면에서 주석 산화물을 제거
  • 메커니즘: 수소 라디칼(H*)이 산소와 반응하여 H2O를 생성하며, 이 과정에서 주석 산화물(SnO)이 제거 가능
  • 장점: 플럭스를 사용하지 않고 산화물을 제거하여 잔여물 문제를 해결할 수 있음
• 레이저 열원 사용:
  • 목적: 열 압축 결합을 위해 칩과 기판을 가열
  • 방법: 균일화된 레이저를 사용하여 결합 도구와 칩에만 열을 전달할 수 있음
  • 장점: 공정의 열 팽창을 최소화하여 워피지(warpage) 문제를 줄임
• 열 압축 결합(Thermal Compression Bonding):
  • 목적: 칩과 기판을 물리적으로 결합
  • 방법: 플라즈마 전처리 후 칩과 기판을 정렬하고 260℃에서 10초 동안 5N의 결합력을 가하여 결합
  • 장점: 플럭스를 사용하지 않기 때문에 결합 후 청소 과정이 필요 없음
• 캡슐화 및 고온 저장 테스트(HTS):
  • 목적: 결합된 마이크로 범프의 신뢰성 평가
  • 방법: 결합 후 칩과 기판 사이의 갭을 언더필(underfill)로 채우고 175℃에서 2시간 동안 경화 후 150℃ 및 180℃에서 2000시간 동안 HTS 테스트를 수행함
  • 장점: 고온 환경에서의 인터메탈릭 화합물(IMC) 성장 및 열적 안정성을 평가하여 마이크로 범프의 장기 신뢰성을 검증할 수 있음

FLOLA 공정의 장점

1. 플럭스를 사용하지 않고 공정할 수 있다:
   • 플럭스를 사용하지 않아 잔여물 문제를 해결하고 추가 세정 공정이 필요 없습니다.
   • 플라즈마 전처리를 통해 표면 산화물을 제거하여 결합 강도를 높입니다.
2. 열적 관리가 좋다:
   • 레이저를 사용한 국부적 가열로 인해 전체 기판의 열 팽창과 warpage 문제를 최소화합니다.
   • 균일한 열 분포와 저온 결합 공정으로 열 팽창 문제를 줄입니다.
3. 고온 환경에서의 안정성이 좋다:
   • 고온 저장 테스트(HTS)에서 우수한 열적 안정성을 보이며, 낮은 IMC(Intermetallic Compound) 성장을 유지합니다.
   • 2000시간 동안 180℃에서 안정적인 성능을 보입니다.
4. 고속 공정이 가능하다:
   • 플럭스 사용과 세정 공정을 생략하여 전체 공정 시간을 단축시키고 생산성을 향상시킵니다.

 

+ Cu Pillar와 FLOLA 공정의 결합

Cu Pillar란,  반도체 패키징 기술에서 사용되는 고밀도 인터커넥트 구조입니다. 이 기술은 미세 피치 및 고성능 칩 간 연결을 위해 널리 사용되며, 기존의 솔더 범프에 비해 Fine Pitch의 장점을 가지고 있습니다.

Solder Bump 기술과 Cu Pillar Bump 그림 설명

 

Cu Pillar 구성

Cu Pillar 기술의 중요성

1. 높은 전기적 및 열적 전도성 확보:
   • Cu는 높은 전기 전도성과 열 전도성을 가지고 있어 마이크로 범프의 전기적 및 열적 성능을 크게 향상시킵니다.
2. 기계적 강도의 우수성:
   • Cu pillar는 솔더보다 기계적 강도가 높아 미세 피치에서 발생할 수 있는 기계적 스트레스를 견디는 데 유리합니다.
3. IMC 성장 억제 가능:
   • Cu pillar 구조는 솔더의 IMC 성장 문제를 줄여주며, 이는 장기 신뢰성에 긍정적인 영향을 미칩니다.

Cu Pillar에 FLOLA 공정 적용이 가능한가?

1. 플라즈마 전처리를 진행:
   • Cu pillar의 표면 산화물을 제거하기 위해 Ar/H2 플라즈마 전처리를 사용하여, 결합 전 표면 준비를 최적화하여 결합 강도를 높일 수 있다.
2. 레이저 열원 사용:
   • 결합 과정에서 국부적 레이저 가열을 통해 Cu pillar와 솔더 간의 결합을 수행합니다. 레이저의 균일한 열 분포는 warpage를 줄이고 결합 품질을 높일 수 있다.
3. 결합 공정 제어를 통한 보완:
   • 레이저 가열과 플라즈마 전처리 조건을 최적화하여 결합 공정의 일관성을 유지합니다. 이는 공정 변수(온도, 시간, 압력 등)를 정확히 제어하여 결합 품질을 향상시킬 수 있다.
4. 캡슐화 및 후처리:
   • 결합 후 언더필(underfill) 공정을 통해 Cu pillar와 기판 간의 갭을 채우고, 고온 저장 테스트(HTS)를 통해 장기 신뢰성을 확보할 수 있다.

결론

현대의 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 인공지능(AI) 기술의 급속한 발전과 더불어, 첨단 반도체 칩과 전자 패키징 기술에 대한 관심이 증가하고 있는 상황입니다. 특히, 이종 집적(Heterogeneous Integration, HI)과 칩렛(chiplet) 기술은 무어의 법칙이 둔화되는 상황에서 이를 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있습니다. HI는 다양한 기능과 기술을 가진 여러 컴포넌트를 단일 패키지에 결합하는 전략으로, 성능 향상, 비용 효율성, 빠른 시장 출시, 맞춤화 등의 이점을 제공합니다. FLOLA 공정은 플럭스를 사용하지 않으면서도 높은 신뢰성과 열적 안정성을 제공하는 혁신적인 결합 기술이다. 특히, Cu pillar와의 결합을 통해 9μm 피치와 같은 미세 피치에서도 높은 성능과 신뢰성을 유지할 수 있을 것이라는 기대감이 있습니다. FLOLA 공정은 고온 환경에서의 안정성, 열적 관리, 고속 공정 등의 측면에서 기존의 플럭스 기반 공정을 대체할 만한 충분한 기술적 장점을 가지고 있어, 이러한 결합은 고밀도, 고성능 반도체의 패키징 기술(HI, Chiplet)의 발전에 중요한 역할을 할 것이라 생각합니다.

삼성전자 HI 기술 기반 2.5D 3D PKG