TC-NCF, MR-MUF, 하이브리드 본딩, 세상 제일 쉽게 설명 해드림.
1. 와이어본딩, 플립칩본딩, TSV :
우선, TSV(Through Silicon Via), 와이어본딩(Wire-Bonding), 플립칩본딩(Flipchip-Bonding)부터 알고 가죠. 기존 와이어본딩, 플립칩본딩은 칩과 기판을 연결하는 것이 목적이었어요. 칩과 칩의 연결은 HBM 처럼 칩을 적층하는 개념이 생겨나면서 나타난 아이디어인데요. 이를 TSV(Through Silicon Via)라고 부릅니다. 웨이퍼는 실리콘(Si)으로 만들어졌고 이를 관통(Through Via) 한다고 하여TSV라고 부르는 것이죠.
정리
본딩방식 : 칩&기판(Wire-Bonding, Flipchip-Bonding), 칩&칩(TSV)
* 와이어본딩(Wire-Bonding) : 와이어(줄) 연결 between 칩 & 기판
* 플립칩본딩(FlipChip-Bonding) : Bump 연결 between 칩 & 기판
* TSV(Through Silicon Via) : Si 관통 + Bump 연결 Between 칩 & 칩 > 사용처 : HBM
2. TSV : TC-NCF, MR-MUF, Hybrid-Bonding
TSV에는 종류가 3가지가 있어요. TC-NCF, MR-MUF, Hybrid-Bonding이죠.
1) TC-NCF :
TC-NCF는 Thermal Compression - Non-Conductive Film의 약자인데요. 이름 그대로, 열압착(TC) 비전도성필름(NCF)이라는 뜻이에요.
예를 들어볼게요. 1단계는 웨이퍼 위에다가 NCF라는 비전도성필름을 올려줍니다. '비전도성(전기흐름x)'인 이유는 범프(Bump)가 이미 전도성 연결역할을 하고있기 때문이기도 하거니와 NCF의 목적은 서로 '열압착'이 목적이기 때문이에요. 웨이퍼 위에 NCF를 올리고 또 그 위에 범프를 올려요. 정확히 범프의 구성은 구리기둥(Cu Pillar) + 솔더볼(Solder Ball)로 구성되어있죠.
2단계는 TC Bonder라는 열압착장비로 위에서 웨이퍼를 눌러줍니다. 필름인 NCF에 열을 가하면, 녹으면서 웨이퍼간의 강한 결합을 형성하죠.
TC-NCF 방식은 삼성전자, 마이크론이 HBM 만들 때 사용하고 있는 방식이에요. 기존 쓰던 방식이기 때문에 상용성이 있는데요. 다만, 단점이 많습니다. 우선, TC 본더로 열압착을 할 때, 웨이퍼 사이에 있는 범프들에 정확히 열&압력 전달이 어려워요. 그도 그럴 것이, 1024개나 되는 범프들을 위에서 찍어 누른다고 해서 균일하게 열압력 가하는 것은 불리하죠. 또한, 적층높이가 과도하게 높아지는 것을 방지하기 위해 웨이퍼 뒷면을 그라인딩(Grinding) 해주어야 하는데요. 이때, 정확히 그라인딩이 안되면, 웨이퍼가 휘어지겠죠. 이를 Warpage라고 부르는데 수율을 저하시키는 가장 큰 원인 중 하나입니다. 그리고, 열방출도 잘 안돼요. NCF 필름이 범프들 사이를 전부다 매꾸는 것이 아니기 때문에 열이 이 안에 갇혀있게 되면 전력손실이 발생하죠.
정리
TC-NCF(Thermal Compression Non-Conductive Film) : 열압착 비전도성필름 > 사용업체 : 삼성전자, 마이크론
* 원리 : NCF 부착 on 웨이퍼 > TC Bonder 열압착 on 웨이퍼 > NCF 녹음 Between 웨이퍼s for 결합
* 장단점 : 장점(기존 방식), 단점(열방출약함, Warpage현상=Grinding 필요, 균일한 영압력 어려움on 범프s)
2) MR-MUF :
MR-MUF는 Mass Reflow - Molded UnderFill의 약자에요. 이름 그대로, Mass Reflow는 많은 양(Mass)의 범프들을 리플로우(열을 가하여 납땜)하는 것이에요. TC-NCF 방식이 NCF라는 필름으로 범프, 웨이퍼 모두를 채우려고 했다면, MR-MUF는 우선 범프들의 납땜을 먼저 하는 것이죠. 이때, 오븐에 한 번에 구워버립니다. 이것이 MR(Mass Reflow) 과정이에요.
그다음은 MUF이죠. MUF는 몰딩(M, Molding)과 언더필(UF, UnderFill)을 동시에 하기 때문에 MUF라고 불러요. 우선, UnderFill(UF) 먼저 볼게요. Underfill은 '채우다'라는 뜻이에요. MR 과정에서 범프들을 오븐에 구워 한 번에 납땜을 했으면, 범프들 사이도 채워넣어야겠죠. 액체인 실리카, 에폭시를 채워넣습니다. 언더필을 하는 이유는 간단해요. 구리기둥+범프들만 웨이퍼를 지지하면 무너질 가능성이 아주 높죠. 그래서, 그 사이사이를 가득채워서 내구성을 업시키는 것입니다.
MR-MUF를 사용하는 업체는 SK하이닉스에요. SK하이닉스가 현재 HBM 생산수율 1위라는 것을 보면, MR-MUF의 장점이 많다고도 해석할 수 있죠. MR-MUF의 가장 장점들은 생산수율, 열방출력, 저온공정, 균일한 열압력에 있습니다. 단점은 딱히 뽑을 수가 없어요.
정리
MR-MUF(Mass Reflow - Molded UnderFill) : Mass Reflow(범프 납땜 in 오븐), MUF(플라스틱 몰딩 + 액체형 에폭시&실리카 언더필)
* 실리카, 에폭시 사용이유 : 내구성, 접착력, 열방출
3) Hybrid-Bonding(하이브리드 본딩) :
마지막으로는 하이브리드본딩(Hybrid-Bonding) 이에요. 사실, 하이브리드본딩은 TSMC가 개발한 것이에요. 중간 구리기둥+범프를 없애고 웨이퍼와 웨이퍼를 서로 압착시켜버리는 것이 어떻냐는 아이디어에서 나왔죠. TC-NCF, MR-MUF 모두 범프기둥이 무너질 것을 걱정하여 안에 필름을 넣고 에폭시, 실리카 등을 채워넣는 것이죠. 그런데, 만일 범프기둥이 아예 없어진다면 이러한 걱정을 할 필요가 없겠죠.
다만, 하이브리드본딩의 가장 큰 도전 과제는 구리와 산화막의 정교함입니다. 웨이퍼간 전류가 이동을 하기 위해서는 구리도금은 여전히 필요해요. 산화막 역시 절연역할을 해서 주위 전파간섭으로부터 보호해주죠. 하지만, 구리(전도성) vs. 산화막(비전도성)은 서로 완전히 대치되는 개념이에요. 이 둘을 웨이퍼 사이에 어떠한 구조로 얼마만큼 적절히 섞어서 배합하느냐가 핵심인 것입니다. 아직까지는 R&D 단계에 있어요.
