*목차*
1. Reflow 공정이란? with Flux
2. Reflow 공정의 방식. Pre-Bump Reflow(Balling), TCB, Mass Reflow
1. Reflow 공정이란? With Flux
-. 우리가 서로 다른 전자기기 간에 전기신호를 주고 받기 위해서는 전선이나 케이블로 회로를 연결하죠. 여기서 전선은 전기신호가 지나가는 다리 역할을 하죠.
반도체 공정에서도 Chip 간에 회로를 연결하기 위해서 가느다란 금속 Wire를 사용하지만
패턴의 크기가 점점 작아지고 Chip의 크기도 작아지면서 Wire를 사용하는 방식에 한계가 생겼는데요.
그래서 Bump(범프)라는 금속 구조물을 Chip Pattern 위에 만들고
Chip을 기판 위에 Bonding해서 회로를 연결시키는 방법을 사용해요.
(이전 포스팅에서 다양한 Bonding 공정을 정리해서 자세한 설명을 생략할게요.)
Bump는 전기신호가 잘 통하는 금속 물질로 되어있어요.
보통 SnAg 같은 물질을 사용해요.
한쪽 Chip에는 Bump 구조물이 Chip 표면에 세워져 있고
반대편 표면에는 Metal Pad가 있어요.
Bump Pattern과 Metal Pad Pattern을 잘 맞춰서(Alignment)
열과 압력을 주면 Bump와 Pad가 접합(Bonding)이 되면서
2개의 Chip은 Bump에 의해 전기회로가 연결이 되고 하나로 고정이 돼요.
열과 압력으로 Bump를 Pad에 Bonding을 하면
Bump 물질이 녹으면서 Pad 표면에 퍼지고 붙는데(젖음성, Wettability)
Bump와 Metal Pad 반응하여 새로운 화합물 층을 형성하고 (IMC, Intermetallic Compound)
냉각이 되면 Bump가 굳으면서 물리적 + 화학적으로 고정이 돼요.
그런데 금속 물질은 대기 중에 산소에 노출이 되면 바로 반응을 하고
금속 표면에 "자연 산화막 층(Native Oxide layer)"가 형성이 돼요.
Bump 또한 마찬가지 인데요.
금속 산화물 층은 Bump와 Metal Pad가 위와 같은 Bonding 과정을 방해해요..
또 "전기 전도성"이 낮기 때문에 Bonding 후에도 전기 신호 이동에 문제가 될 수 있어요.
서론이 길었는데요....
Bump의 산화막 층은 Bonding 공정에서 문제가 될 수 있기 때문에
산화막 측을 제거하고 접합이 되어야 되는데요.
이때 Bump의 산화막을 제거하는 공정을 "Reflow(리플로우)" 공정이라고 해요.
Reflow 공정에서 산화막을 제거하기 위해서 보통 "플럭스(Flux)"라는 화합물을 사용해요.
Reflow에 사용하는 물질의 종류가 다양한 것으로 알고 있는데
일반적으로 "송진(Rosin)기반"의 Flux를 사용한다고 해요.
일반적으로 사용하는 Flux는 끈적끈적 점성이 있는 물질인데요.
보통 활성제(Activator), 용매(Solvent), 수지(Rosin, Resin) 등으로 이루어져 있어요.
Chip 위에 Flux를 도포하고 열을 가하면 Flux에 의해서 Bump 표면의 산화막이 제거가 돼요.
2. Reflow 공정의 종류.
Pre-Bump Reflow, TCB, Mass Reflow
-. 위에서 설명했던 것처럼 Reflow 공정은 Bump의 산화막 층을 제거하여 Bonding이 잘 이루어지도록 하는 공정인데요.
이러한 Reflow 공정을 전체 흐름 중에서 언제 하느냐에 따라서 종류를 구분할 수 가 있어요.
Reflow 공정을 보면 아래처럼 크게 2가지로 구분할 수 있어요.
"Bonding 전에 진행", "Reflow 하면서 동시에 Bonding 진행"
후자의 경우 Bonding 방법에 따라 2가지로 나눠 볼 수 있어요.
1) Pre-Bump Reflow(Balling)
-. Bonding을 진행하기 전에 진행하는 방식으로 Reflow 후에 별도로 Bonding을 진행해요.
Bonding을 하기 전에 Bump의 산화막을 제거하는 목적도 있지만
Bump의 형태를 Ball Bump로 형성하려는 목적도 있어요.
보통 Bump를 증착을 하면 표면이 거칠고 평평한데 이러면 접합에 불리해요.
표면이 매끈하고 동글동글한 Ball Bump는 접촉 면적이 더 넓고 안정적으로 접합이 가능해요.
또 Ball 형태는 CTE 차이에 의한 응력(Stress)을 완화시켜요.
Bump의 산화막을 제거하면서 Bump의 녹는점까지 가열을 하면
표면장력에 의해서 Bump는 Ball 형태를 만들어요.
Bump에 산화막을 제거하는 방법으로
Flux를 사용하는 일반적인 Reflow 방식과
Flux를 사용하지 않고 산(Acid)을 사용하는 "Fluxless Reflow" 방식이 있어요.
(Fluxless Reflow은 다른 포스팅에서 정리해 볼게요.)
Pre-Reflow 방식의 경우 공정이 단순하고 안정적이라는 장점이 있지만
Reflow와 Bonding를 별도 진행하니 공정이 느리다는 단점이 있을 수 있어요.
2) Reflow + Bonding 방식
-. Reflow와 Bonding을 별도로 진행하는 것이 아니라 동시에 진행할 수 있는데요.
보통 Fine Pitch Chip의 Bonding에서 더 유리하다고 해요.
그 이유는 사전에 Reflow를 완료한 Ball Bump로 Bonding 할 때
Fine Pitch에서는 살짝 만 위치가 어긋나면 "Short"나 "Open"같은 불량이 발생할 수 있어요.
그런데 Flux를 도포하고 Reflow와 Bonding을 동시에 진행할 경우, Reflow로 Bump의 위치가 실시간으로 보정이 가능하기 때문에 Align의 오차를 줄일 수 있어요.
(물론 말도 안 되게 어긋나 있으면 안되겠죠.)
단, Reflow를 위해서 Flux를 도포하고 Bonding 진행했기 때문에 Chip과 기판 사이에 Flux가 남게 되는데요. 그래서 Bonding 후에 Chip 사이에 Flux를 제거하는 Step이 필요해요.
보통 용액이 Chip 사이에 침투해서 제거돼요.
(Reflow에 사용하는 물질 종류에 따라 Flux 제거가 필요 없는 경우도 있어요.)
HBM(High Bandwidth Memory, 고대역폭 메모) 공정에서 이러한 방식으로 Bonding을 해요..
이때 Bonding 방식에 따라서 'TCB'와 'Mass Reflow' 방식으로 나눌 수 있어요.
2-1) TCB (Thermal Compression Bonding)
-. TCB, 열압착 본딩 방식은 Chip을 기판 위에 Bonding을 할 때, 기판 위에 Flux를 도포하고 Chip 하나하나 열과 압력을 가해서 Reflow와 Bonding을 동시에 하는 방법이에요.
TCB 방식의 경우 Chip을 하나하나 정렬 후 열압착 Bonding하기 때문에 정밀하다는 장점이 있지만
반대로 하나하나 본딩하기 때문에 느리다는 단점이 있어요.
TCB 방식의 경우 Reflow를 할 때 Flux를 사용하는 것이 아니라
'NCF(Non-Conductive Film)'라는 Film을 사용하여 Bonding을 하기도 해요.
보통 Flux 사용하여 Bonding을 하면 Flux를 제거하고
Chip 사이 빈 공간을 Epoxy와 같은 수지로 채워서(Under-fill) Chip을 고정하는데요.
NCF는 Flux와 Epoxy와 같은 역할을 해서 Bonding 후에 따로 Film을 제거하고 Under-fill을 할 필요가 없어요.
국내 대기업 반도체 제조 회사 중 한 곳이 HBM 공정에서 NCF와 TCB 공정(TC-NCF)을 활용해요.
2-2) Mass Reflow
-. TCB 방식은 Chip 하나하나 열압착으로 붙이는 방식이라면
Mass Reflow 방식은 기판에 Flux 도포하고 Chip들을 기판 위에 쭉 배치해서 올려놓고(가접합) 오븐(Oven)에서 한 번에 가열하는데
이 때 Bump는 Reflow가 되면서 Bump와 Pad가 한 번에 접합이 되는 방식이에요.
Mass Reflow 방식은 일단 Chip을 기판 위에 올려놓고 한번에 가열해서 접합하기 때문에
TCB 방식에 비해서 정밀도는 떨어 질 수 있으나 생산성이 좋다는 장점이 있어요.
Mass Reflow 후에 Chip 사이의 Flux를 제거를 하고 Chip 사이 빈 공간을 채우는 Under-fill 공정을 진행해요. (Flux 종류에 따라서 따로 Cleaning Step이 필요 없다고 해요.)
국내 대기업 반도체 제조 회사 중 다른 한 곳은 HBM 공정에서 Mass Reflow 방식을 활용해요.
**공부하면서 정리하였는데 오류가 있으면 댓글로 알려주세요.
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