솔더볼

솔더볼(Solder Ball)

숄더볼 적용 그림

솔더볼(Solder Ball)은 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package) 와 같은 반도체 패키징 기술의 핵심 부품으로, 칩과 기판을 연결하여 전기적 신호를 전달하는 역할을 하는 기술 집약적인 제품이다.

개요

솔더볼은 반도체 패키징에 들어가는 핵심 소재다. BGA(Ball Grid Array), Flip-Chip 등에 쓰이는 전기적 신호 연결소재다. 주석을 이용해 만든 구 형태의 제품이다. 와이어나, 리드프레임 대비 접합 신뢰성 및 전기적 신호 전달에 장점이 있어 적용이 확대되는 추세다. 주요 시장 참여자별 M/S는 Senju Metal 40%, 덕산 하이메탈 30%, 엠케이전자 10% 네외다.

솔더볼의 재질

솔더볼은 다양한 금속 합금으로 만들어지며, 대표적인 재질은 다음과 같다.

• 주석-납(Sn-Pb) 합금: 과거에 주로 사용되었지만, 납의 환경적 유해성으로 인해 최근에는 사용이 줄어들고 있다.
• 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 합금: 무연 솔더로서, 환경 친화적이며 높은 기계적 강도와 전기적 안정성을 제공한다.
• 다른 무연 합금: 추가로 인듐, 비스무트 등의 원소가 포함된 무연 합금이 사용되며, 다양한 전자기기와 온도 조건에 따라 선택된다.

숄더볼의 종류

칩과 기판의 연결 부위이며 전기적 신호를 전달하는 접합 소재다. 솔더벌의 크기는 30um부터 450um까지 다양하며 고객이 원하는 스펙에 맞춰서 공급된다.

1. MSB(Micro Solder Ball)은 초정밀 솔더볼로 30um 미만의 크기를 가진다. 반도체 미세화에 대응하기 위한 제품이다.

1. CSB(Cored Solder Ball)는 구리 볼 위에 Solder Plate을 덮는 형태로 높은 내구도가 특징이다. Multi Chip 패키지가 진행됨에 따라 더 높은 무게를 견디기 위해서 개발 된 제품이다.

또 일반적으로 유연 납볼과 무연 납볼로 구분하여 사용하기도 한다. 유연납볼은 주석과 납의 혼합물로 보편적인 조성은 Sn 63, Pb 37로 구성되어 있으며 경우에 따라 Sn 62, Pb 36, Ag2.0 으로 구성된 유연납볼도 있다.

무연솔더볼은 Pb가 함유되지 않은 솔더볼을 뜻하며 일반적으로 많이 사용하는 조성은 Sn 96.5 , Ag 3.0 , Cu 0.5의 제품군을 가장 많이 사용하고 있지만 경우에 따라 별도의 조성 제품을 투입하기도 한다.

여러가지 타입을 보자면

Sn 95.5 , Ag 4.0 , Cu 0.5

Sn 98.5 , Ag 1.0 , Cu 0.5

Sn 98.25 , Ag 1.2 , Cu 0.5

Ni 0.05. Sn 96.48 , Ag 3.0 , Cu 0.5 , Ni 0.01 , Ge 0.01

Sn 96.2 , Ag 2.5 , Cu 0.8 , Sb 0.5

Sn 96.5 , Ag 3.5

비율은 약간씩 달라질 수 있다.

솔더볼 생산과정

1. 솔더볼은 주석으로 생산한다.

2. 생산 공정은 Jetting Process 와 Sorting Process로 나뉜다

가. Jetting Process에서는 주석을 녹여 일정하게 떨어뜨리면 볼의 형태로 만든다.

나. Sorting Process에서는 이렇게 형성된 볼들을 구름판 위에 굴려 1차 선별을 하고, 미세한 구멍을 통해 2차 선별, 양품을 고객에게 공급한다.

솔더볼의 배열

1. 반도체 후공정 테스트 과정 中 본딩과 몰딩 후 공정에서 솔더볼이 들어가게 된다.
2. 반도체 패키징 과정에서 연결루트를 2개 만들게 된다. 웨이퍼 칩과 캐리어(리드프레임, 패키징 섭셋)를 연결하는 내부 연결 루트. 몰딩된 제품과 PCB를 연결하는 외부 연결루트이다. 연결루트에 어떤 제품을 쓰느냐에 따라 패키징 방식이 달라진다.
3. 과거에는 내부연결에 와이어, 캐리어+외부 연결루트에 리드프레임 이었으나 → 최근에는 내부연결에 솔더볼, 캐리어에 패키징 섭셋, 외부 연결루트에 솔더볼 방식으로 변화되었다.

내부 연결루트 - 와이어 vs 범프

• 내부 연결루트에서 와이어를 대체하며 범프를 쓰게 된 것을 플립칩방식 이라고 부른다
• 와이어 이용시 칩 크기를 줄이는데 한계가 있었고 와이어에서 노이즈가 생기는 등 문제가 있었다.
• 플립칩 방식은 와이어 대비 길이도 짧아 전기저항이 낮고 패키지의 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

• FC(Flip-Chip)가 앞에 붙는 방식은 볼을 사용한 범핑 패키징 방식이다.

• FC-CSP : AP, SSD Controller 등의 하이엔드 제품이 사용
• FC-BGA는 CPU, GPU, 서비 DRAM 등의 초 하이엔드 제품에 사용됨
• MCP, BGA 등은 와이어를 통해 내부 연결루트를 확보함

• 기존 MCP(Multi Chip Packaging)의 방식에서도 변화가 있다.

• 기존에는 칩을 수직으로 얹어 각각의 칩을 와이어로 섭셋과 연결하는 구조 였는나 최근에는 전자 이동도를 높이기 위해 TSV 방식 이용
• TSV(Through Silicon Via) : 여러 개의 칩 내부에 구멍을 뚫어 Silicon Via를 통해 직접적으로 연결하는 방식
• TSV는 속도와 소비전력을 개선할 수 있음

외부 연결루트 - 리드프레임 vs 솔더볼

• 리드프레임은 패키징 섭셋 + 솔더볼의 역할을 하는 부품 → Lead가 솔더볼 Frame이 패키징 섭셋

• 반도체가 와이어를 통해서 Frame에 연결되고, Lead를 통해 PCB와 연결되는 구조
• QFP(Quad Flat Package), QFN(Quad Flat No lead) 같은 패키지 구조가 리드프레임을 이용함
• 리드프레임을 이용한 구조는 열에 강하고 리페어가 쉽다는 장점이 있음

• 패키징 섭셋 + 솔더볼의 구조는 BGA(Ball Grid Array) 패키징에 사용

• BGA 방식은 표면실장 방식을 사용하며 리드프레임을 이용한 방식 대비 경박단소화에 유리
• 리드프레임이ㅡ 경우 Lead가 몰딩 옆쪽으로 튀어나와 PCB 위에서 차지하는 면적이 큰 반면, BGA는 PCB위에 그대로 올려지기 때문에 차지하는 면적을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

참고자료

• 〈솔더볼(Solder Ball) 소개〉, 《덕산하이메탈㈜》
• 학봉이, 〈반도체 솔더볼 산업〉, 《네이버 블로그》, 2021-12-24
• 머니S 원문, 〈덕산하이메탈, AI 부품 솔더볼 세계 1위…엔비디아·삼성전자 주요 고객사 부각〉, 《네이트 뉴스》, 2023-03-03
• 이티에스글로벌, 〈SOLDER BALL의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2020-01-02

같이 보기

• 납땜
• 주석
• 패키징
• 플립칩
• 덕산하이메탈㈜

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