반도체 패키징 (3) - Wire Bonding & Flip Chip Package (Bump)

2026.06.14 - [반도체 테스트 및 패키징] - 반도체 패키징 (2) - Die Attach

반도체 패키징 (2) - Die Attach

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Wire Bonding

Wire Bonding: 칩의 본딩 패드 전극와 리드 프레임 또는 PCB(인쇄회로기판)와 같은 기판을 와이어(주로 Au)로 연결해주는 공정

Wire Bonding [출처] SK하이닉스뉴스룸

Wire Bonding 방식

• Wire Bonding 방식은 열, 압력, 초음파 에너지를 사용하여 본딩 패드에 와이어를 연결하는 것

1차 볼 본딩

① 열압착 방식: 본딩 패드와 캐필러리를 열로 데어 압착해 연결하는 방식

• 원리: 칩의 본딩 패드 온도를 약 200도 정도로 올리고 캐필러리 안에 주입된 와이어에 고 전압을 걸어 캐필러리 끝 부분의 와이어를 녹여 용해된 금속의 표면장력으로 볼 모양을 형성해 연결

② 초음파 방식: 열을 사용하지 않고 캐필러리에 초음파를 인가해 접착하는 방식

• 원리: 패드에 와이어를 찍어내리면서 볼을 형성하지 않는 Wedge(웨지) 초음파를 가해 패드에 와이어를 붙이는 원리

③ ⭐ 열초음파 방식: 열과 초음파를 모두 사용한 방식

• 원리: 열 압착 + 초음파 방식, 캐필러리에 열과 압력, 초음파를 가해 본딩의 접착 강도를 높인 방식으로, 가장 많이 사용됨

Wire Bonding과 Capillary [출처] 테크월드

 

2차 스티치 본딩

Gold Wire Bal Bonding(골드 와이어 볼 본딩 방식): 칩의 전극 패드에 1차 볼 본딩을 하고, 2차로 리드 프레임이나 PCB 패드에 스티치 본딩을 진행할 때 활용하는 본딩 방식

• 1차 본딩: 캐필러리 가운데 구멍으로 골드 와이어가 통과하면서 와이어 끝단에 온도를 높이면 골드가 용융되며 골드볼 형성 → 캐필러리에 열, 압력, 초음파 진동 가해 캐필러리를 본딩 패드에 터치 → 형성된 볼이 가열된 본딩 패드에 접합
• 2차 본딩: 1차 볼 본딩 완료 후 캐필러리를 측정된 루핑(Looping) 높이보다 조금 더 높은 위치까지 끌어올려 2차 본딩용 패드까지 이동시키며 Loop 형성 → 캐필러리에 열, 압력, 초음파 진동 가해 2차로 형성된 볼을 PCB 패드에 놓음 = 스티치 본딩
• 단점: 와이어링의 대부분을 골드, 열초음파 방식으로 진행 but 열초음파 방식은 Ball Neck 부분이 취약하다는 단점이 존재 → HAZ(Heat Affected Zone, 와이어 재질이 뜨거운 온도에 의해 약하게 용융된 후 응고하면서 재결정되는 와이어 영역)을 신중하게 관리해야 함

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Bump

Bump: Wire Bonding을 대체하는 기술인 'Flip Chip(플립 칩)' 공정을 진행하기 전에 하는 공정으로 칩의 본딩 패드 위에 기판과의 연결을 위한 범프를 만드는 기술

• Flip Chip Package 기술: 기존 와이어 본딩 방식이 아니라 범프 방식으로 칩의 본딩 패드와 기판을 직접 볼 형태의 범포로 연결하여 반도체의 속도 향상을 이루는 패키징 방식
• Flip Chip PKG 장점: 전기 저항이 작고 속도가 빠르며, 작은 폼팩터 구현이 가능
• Bump의 소재: 금, 솔더(Solder, 주석/납/은 화합물) 등
• ⭐ 공정 순서: 범프를 형성하기 전, 칩 위의 본딩 패드 위에 금속 층을 얇게 형성시켜 주는 UBM(Under Bump Metallization) 진행 → Bump 형성 → 플립 칩 패키지의 밑부분을 절연 수지로 메우는 공법인 Under Fill 공정

Wire Bonding vs Flip Chip bonding [출처] 삼성반도체이야기

Solder Ball Bump 공정 - UBM

UBM: 칩의 알루미늄/구리 전극 위에 직접 Solder 혹은 골드 범프를 형성하기 어렵기 때문에 ① 접착이 용이하고 ② 칩으로의 확산을 방지하기 위해 칩의 패드 전극과 범프 간에 형성하는 다층 금속층

• 구성: 접합층, 확산 방지층, 젖음성 층으로 구성
• 요구사항: ① 칩 패드의 금속층이나 보호막층과 접착력이 좋아야 함 ② 솔더의 칩으로의 확산을 방지해야 함 ③ 칩 패드의 금속층과 범프 간의 전기 저항이 낮아야 함 ④ UBM 최종 층은 솔더와의 젖음성이 좋아야 함 ⑤ 외부로부터 IC 금속 배선을 보호해야 함 ⑥ Si 웨이퍼에 작용하는 응력을 최소화해야 함

UBM, Solder Ball Bump

Solder Ball Bump 공정 - Bump

• Solder Bump: 리플로우 공정 후 표면장력 효과에 의해 볼 모양이 형성됨 (골드 범프의 경우는 도금 형태인 사각 기둥 모양)
• 공정 순서: Sputtering으로 UBM 증착 → 감광액 도포 → 노광과 현상 → UBM 식각 → 감광액 제거 → 솔더 부착과 리플로우

Solder Ball 공정 순서 [출처] SK하이닉스뉴스룸

Solder Ball Bump - Under Fill

Under Fill: 범프 공정이 완료된 칩을 뒤집어서 기판에 붙이는 플립 칩 패키지의 밑부분을 절연 수지(Epoxy)를 이용해서 메우는 공법

• 공정 원리(방법): 칩의 한쪽 모서리/면에서 언더 필 재료를 주입하고 칩과 기판 사이의 솔더 범프에 의한 미세한 크기의 구멍(Cavity)에 의한 모세관 형상과 플럭스의 잔사에 의해 칩과 기판 사이를 채움
• 역할:  ① 실리콘 칩과 기판 사이에 위치하여 칩과 기판 사이의 열팽창계수 차이로 발생하는 응력과 변형을 재분배 ② 다른 모듈에 영향을 줄 수 있는 전기적, 자기적 환경 영향 최소화
• 장점: 물리/화학적 충격으로부터 보호, 신뢰성 향상 등

Underi Fill Process [출처] 트랜센드코리아

 

Flip Chip Package

Flip Chip Package: 기존 와이어 본딩 방식 대신 칩의 본딩 패드에 볼 형태의 범프를 형성하고 형성된 칩을 뒤집어 기판과 전기적으로 연결하는 패키징 방식

• ⭐ 장점
  • 전기적 성능 향상: 칩과 기판의 접속 길이가 기존 Wire보다 줄어들어 임피던스(전압이 인가되었을 때 전류가 흐르는 것을 방해하는 정도)가 제로에 가까움.
  • 높은 I/O 수: 기존 와이어 본딩은 칩의 가장자리만을 활용할 수 있었으나 플립 칩은 면 배열(Area Array) 형태로 기존보다 50%의 입출력 수의 증가를 이룰 수 있음
  • 경박단소화: 크기 감소, 무게 감소
  • 열 방출 용이: 열 방출 경로가 집중되지 않고 고르게 분산되어 있으므로 칩 내부의 열을 빠르게 방출할 수 있음

Flip Chip Package의 장점: 빠른 신호 전달 [출처] SK하이닉스뉴스룸