플립칩 방식

와이어링 방식과 플립칩 방식

플립칩은 (Flip Chip Type)은 반도체 패키징 공정에서 반도체 칩의 Face를 아래로 향하게 하여, 전기가 통하는 금속 물질인 범프라는 매우 작은 직경의 볼을 패드에 연결한 형태를 말한다. 따라서 플립칩은 기다란 와이어 없이 기판을 맞대고 있어 신호의 이동 거리가 짧아지며, 고착 강도가 더욱 강해진다는 특징을 갖는다. 와이어링 방식에 따른 여러 가지 문제점을 보완했다는 점에서 획기적인 방식이라고 볼 수 있다.

개요

반도체 패키지는 외부 구조뿐 아니라 내부 구조에 따라서도 분류할 수 있는데, 크게 와이어링 방식(Wiring Type)과 플립칩 방식(Flip Chip Type)으로 나뉜다. 와이어링 방식은 반도체 칩의 Face를 위로 향하게 해 와이어본딩을 한 것이다. 이와 반대로 플립칩 방식은 Face를 아래로 향하게 하여, 전기가 통하는 금속 물질인 범프라는 매우 작은 직경의 볼을 패드에 연결한 형태이다. 따라서 플립칩은 기다란 와이어 없이 기판을 맞대고 있어 신호의 이동 거리가 짧아지며, 고착 강도가 더욱 강해진다는 특징을 갖는다. 와이어링에 따른 여러 가지 문제점을 보완했다는 점에서 획기적인 방식이라고 볼 수 있다.

플립칩은 패키지의 부피를 작게 줄이고, 소비전력과 신호의 흐름을 개선한 것이 가장 큰 장점이다. 길이가 짧기 때문에 전기저항 성분이 적고, 주변의 노이즈(Noise)를 덜 받아 속도가 빠르다. 신호가 흐를 때 용량성 및 유도성 스트레스도 덜 받는다. 따라서 범프의 재질이 어떤 금속 성분이냐가 중요한데, 현재는 주로 솔더(Solder)나 금(Gold)을 사용하고 있다. 플립칩은 범프를 캐리어에 붙이고, 이어 붙인 범프와 캐리어 사이에 어떤 에폭시 물질로 채우느냐가 또 하나의 관건이다. 또한, 와이어링 방식과 같이 공간을 점유하는 와이어를 사용하지 않으므로, 몰딩 후 칩의 면적을 더 작게 줄일 수 있다. 따라서 모바일을 비롯한 소형 전자기기에 광범위하게 이용되고 있다. 즉 시스템보드에 올라가는 패키지의 풋프린트(Footprint) 면적이 줄어들어 고밀도 기판 기술에 적용된다. 스마트폰 등 소형화된 전자기기가 출현함에 따라 패키징 방식에 일대 변혁이 일어난 것이다.

플립칩의 장점

① High Electrical Performance

칩과 기판의 접속 길이가 최소화 되어 임피던스가 0에 가깝게 된다. RF회로에서 Wire Bonding이나 TAB을 사용하는 경우 신호의 경로와 직렬로 연결되기 때문에 동작 주파수가 고속인 경우 입출력의 반사손실이 심해지게 되어 사용할 수 없다.

② High I/O count

기존의 패키지는 가장 자리만을 접속 경로로 활용하는 형태이나 플립칩은 Area Array형태로 다른 접속방법보다 50%의 I/O 수의 증가를 기대할 수 있다.

③ High Package Density

QFP보다 25%크기를 감소 시킬 수 있으며, 22%의 무게감소 효과가 있다.

④ High Thermal Performance

열방출 경로가 집중되지 않고 고르게 분산할 수 있으므로, 칩 내부에서 발생하는 열을 빠르게 방출할 수 있다.

패키징 공정에 대해

1980년대 후반까지만 해도, 패키지 내부에서는 칩 상의 패드(Pad)에서 캐리어 상의 패드까지 골드와이어(Gold Wire)로 연결하는 와이어본딩(Wire Bonding)방식이 주류였다. 하지만 패키지의 크기가 작아짐에 따라 패키지 속 금속와이어가 점유하는 부피가 상대적으로 커졌다. 이를 해결하기 위해, 금속와이어를 없애는 대신 내부의 연결을 범프(Bump, 돌기)로 대신하게 된다(물론 와이어본딩 방식이 없어진 건 아니다). 범프를 이용하면 Die-Attaching 및 와이어본딩 공정이 없어지고, 대신 Bump Attaching 공정과 에폭시 Under-Fill 방식이 추가된다. 그 후 진행하는 몰딩 공정도 약간의 차이는 발생한다.

패키지의 외부 연결도 리드프레임(Lead Frame)에서 볼을 사용하는 방식으로 변화했다. 리드프레임 역시 와이어와 같은 단점을 갖고 있기 때문이다. 과거에는 ‘와이어-리드프레임-삽입 실장’ 방식을 활용했다면, 이제는 ‘범프-볼(Ball Grid Array, BGA)-표면 실장’ 방식을 주로 쓰고 있다.

패키징 공정은 웨이퍼 위의 반도체 칩들을 하나하나 잘라내고, 외부와 전기 신호를 주고 받을 수 있는 길을 내 주고, 외부 충격에 파손되지 않도록 포장을 하는 공정이다. 패키징 공정은 반도체 칩의 접점과 캐리어(리드프레임 또는 PCB)의 접점을 연결하는 방식에 따라 와이어링 방식과 플립칩 방식으로 나뉜다. 와이어링 방식은 접점 사이를 금속 선을 사용해서 연결하는 방식이고, 플립칩 방식은 접점 사이를 금속 돌기(Bump)를 사용해서 연결하는 방식이다.

패키징 공정은 일반적으로 다음 표와 같은 작업 단계을 거치게 되는 데, 접점 연결 방식이 와이어링 방식이냐 또는 플립칙 방식이냐에 따라 작업 과정이 달라진다.

단계	작업 설명	와이어링 방식	플립칩 방식
웨이퍼 절단 (Wafer Sawing)	웨이퍼에서 다이아몬드 톱이나 레이저 광선을 이용해서 칩들을 잘라내는 작업입니다. 낱개로 잘라진 각각의 칩을 베어칩(Bare Chip) 또는 다이(Die)라고 부른다.	●	●
칩 접착 (Die Attach)	절단된 칩을 리드프레임 또는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 물리적으로 접착하는 작업이다.	●
선 연결 (Wire Bonding)	반도체 칩의 접점과 리드프레임 또는 PCB 기판의 접점을 금속선을 사용해서 연결하는 작업이다.	●
돌기 부착 (Bump Attaching)	반도체 칩의 접점에 금속 돌기를 부착하는 작업이다.		●
성형 (Molding)	열, 습기, 물리력 등으로 부터 반도체 칩을 보호하고, 원하는 외향을 갖도록 화학 수지, 금속, 세라믹 등을 이용해 모양을 잡고 밀봉을 하는 작업이다.	●	●

참고자료

• 진종문 교수, 〈<반도체 특강> 경박단소(輕薄短小), 반도체 패키지의 방향〉, 《SK하이닉스》, 2020-05-18
• LEGEND, 〈반도체 제조 공정〉, 《네이버 블로그》, 2024-04-02
• trigger, 〈Flip Chip이란? Bump란 무엇인가?〉, 《티스토리》, 2011-02-12

같이 보기

• 패키징
• 와이어링 방식
• 돌기부착
• 범프

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