<관련 포스팅>
HBM 제조 공정 기술 분석 : ① TSV(실리콘관통전극) 본딩과 마이크로범프 (차세대 인터커넥션 기술)
HBM 메모리 개요 및 필요성, 기존 DRAM 메모리와의 차이점
차세대 인터커넥션 기술과 관련주 - TSV본딩, 하이브리드 본딩과 와이어 본딩, 플립칩 본딩 비교
1. HBM 본딩 및 적층 기술
이전 포스팅 (HBM 제조 공정 기술 분석 : ① TSV 기술과 마이크로범프) 에서 HBM에 수직으로 구멍을 뚫어 상하 메모리 칩과의 도선을 연결하는 TSV 공정과 각 칩과의 TSV를 연결해주는 마이크로 범프 (납땜) 공정에 대해 분석했습니다.
이번 포스팅에서는 TSV와 범프 공정이 끝난 여러개의 메모리 Die를 적층한 후 이를 접합하고 칩을 보호해주는 본딩(필링 및 몰딩) 기술에 대해 분석해보겠습니다.
적층 공정은 HBM 전체 공정 중에서 가장 기술 난이도가 높고, 수율의 핵심이 되는 공정입니다.
적층 공정은 크게 ▲적층(Stacking), ▲본딩(Bonding, Soldering), ▲언더필(Under-Fill), ▲몰딩(Molding)으로 이루어져 있습니다.
TSV 공정이 완성된 각 메모리 칩들의 TSV 위치에 맞춰 정렬 및 적층을 한 후, 각 칩의 TSV 사이에 있는 마이크로 범프들을 녹여 전기적, 물리적으로 두 칩이 연결될 수 있도록 본딩을 수행 합니다.
본딩 방식에는 개별 칩을 하나하나 쌓을 때마다 열과 압력을 줘서 솔더(납)가 녹게 해서 붙이는 TC(Thermo Compression) 본딩 방식과, 전체 칩을 우선 모두 간단하게 적층한 후, EMC(Epoxy Molding Compound)라는 에폭시 몰딩 소재를 부어 범프 사이 공간을 채우고 오븐에서 EMC를 녹여 칩 전체가 동시에 납땜이 되는 MR(Mass-Reflow) 본딩 방식이 있습니다.
본딩 공정 이후 마이크로 범프 사이 빈 공간들을 열경화성 절연 폴리머 소재등으로 채워서 각 칩간의 결합을 더 단단하게 하고, 외부 충격으로부터 보호 및 방열, 절연이 될 수 있도록하는 언더필 (Under Fill) 공정을 수행합니다.
언더필 소재는 칩과 칩, 칩과 기판 사이의 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 스트레스를 흡수하고, 솔더 범프 접합을 보강해서 반도체 패키징의 신뢰성과 안정성을 높이는데 필수적인 재료입니다.
언더필 방식으로는 CUF(Capillary Under Fill), MUF(Modled Under Fill) 방식이 있고, 언더필 소재 타입으로는 NCP(Non-Conductive Paste), NCF(Non-Conductive Film) 등이 있습니다.
모든 칩이 적층되고 본딩이 완료되면, 이후 칩 전체를 에폭시 보호재로 밀봉해서 외부 충격으로 부터 보호하고 방습 및 방열 작업을 하는 몰딩 공정을 수행합니다.
※ MR 본딩 방식의 경우 본딩 단계에서 EMC라는 소재가 녹으면서 솔더를 녹이는 본딩, 언더필 및 몰딩을 동시 수행합니다
이런 적층 공정에서 핵심은, 각 칩을 ▲정확하게 정렬해서 1024개가 넘는 TSV가 정밀하게 연결될 수 있도록 하는 것과, 본딩 중에 발생하는 열과 압력에 의해 ▲웨이퍼가 휘거나 깨지는 현상을 방지하고, 미세한 범프 사이사이 공간에 ▲언더필 소재가 골고루 채워질 수 있도록 하는 것, 그리고 ▲공정 속도 개선 및 ▲방열 특성 확보 등이 있습니다.
현재 HBM의 본딩 공정은 삼성전자, 마이크론의 TC-NCF 방식과 SK하이닉스의 MR-MUF 방식으로 양분돼 경쟁하고 있으며, 아직까지는 SK하이닉스의 MR-MUF 방식이 더 ▲높은 수율, ▲높은 생산성, ▲우수한 방열 특성 등의 장점으로 우세한 상황입니다.
특히 HBM은 적층에 따라 Die 간 발열 제어가 중요한데, 이에 방열 특성이 좋은 MR-MUF 방식이 큰 이점으로 작용하고 있는 것 같습니다.
하지만 이후 HBM 적층 단수가 높아지고, TSV 개수가 점차 증가하면서 MR-MUF 방식 또한 한계점이 있어, 향후에는 범프 없이 금속끼리, 혹은 금속과 이종 소재를 직접 접합 시키는 하이브리드 본딩 기술이 핵심이 될 전망입니다.
2. TC-NCF와 MR-MUF 비교
현재 HBM 본딩 기술은 크게 삼성전자, 마이크론의 TC-NCF와 SK하이닉스의 MR-MUF 기술로 구분되고 있습니다.
■ TC-NCF (다리미)
- 장점
- 개별 칩마다 하나씩 쌓으면서 수행하므로 웨이퍼가 휘는 와피지(Warpage) 현상이 적고 칩간 정렬이 틀어지는 문제점이 적음
- 필름 두께를 현재 7um 까지 축소하여 Die 피치를 줄이는데 수월
- 따라서 HBM 적층 단수 확대가 용이 - 단점
- NCF 소재의 물성 변화가 크기 때문에 물성 컨트롤 난이도 높음
- Film 타입 특성상 열과 압력으로 녹일 때 Film이 Die 가장자리로 흘러나오는 필렛(Fillet) 현상으로 칩 신뢰성 저하 가능
- 또한 Film이 녹으면서 Die가 같이 미끌어지는 슬립(Slip)이 발생하면서 범프 크랙(Crack) 발생 가능
- 개별 Die 별로 공정을 진행하며, Film이 녹고 다시 경화되는 시간이 길어 생산성이 떨어짐
- Film이 범프 사이 공간을 고르게 채우지 못해 Void가 발생하고, 이에 따라 방열 특성이 떨어질 수 있음
■ MR-MUF (오븐)
- 장점
- 모든 칩을 가접합하여 우선 적층한 후, Reflow 장비(오븐)에서 한번에 솔더링을 진행하기 때문에 생산성이 매우 높음
- Reflow 공정 진행 시 EMC(Epoxy Molding Compound) 재료로 언더필과 몰딩 공정을 동시에 진행하기 때문에 생산성이 매우 높음
- 액체 형태의 EMC 소재를 사용하기 때문에 범프 사이 공간에 골고루 채워질 수 있어 Void 발생이 적음 (방열 특성 우수)
- 또한 NCF 소재 대비 열전도성이 높아 방열특성이 높음 - 단점
- Reflow 공정에서 고온 노출에 따라 웨이퍼가 휘어지는 와피지(Warpage) 현상이 발생함
- 또한 고온 노출에 따라 솔더 범프가 건조해지면서 깨지는 현상이 발생할 수 있음
- 가접합을 하기 때문에 공정 진행 중 정렬이 틀어져 단선 및 단락 발생이 가능해 적층 단수를 높이기 어려움
- EMC 소재가 점도가 높아 적층 단수가 높아지거나 범프 피치가 줄어들 수록 칩 내부까지 골고루 채우는게 어려워짐
NCF 필름은 주로 일본의 레조낙(Resonac, 이전의 쇼와덴코)에서, MUF 소재는 주로 일본의 나믹스(Namics)에서 공급받고 있다고 합니다.
나믹스와 레조낙은 전세계 언더필 소재 시장의 1, 2위 점유율을 보유하며 독과점 하고 있는 기업입니다.
TC 본더의 경우 TC-NCF 및 MR-MUF 모두 사용되며, 한미반도체가 관련 장비를 납품하고 있습니다.
에스티아이는 리플로우(Reflow) 장비를, 피에스케이홀딩스는 리플로우(Reflow) 장비 및 디스컴(Descum) 장비를 납품하고 있습니다.
3. TC-NCF (삼성전자, 마이크론)
TC-NCF 방식은, Die 위에 먼저 NCF(Non-Conductive Film, 비전도성필름)라는 절연 필름을 먼저 덧대고 그 위에 다른 Die를 쌓은 후에 TC본더를 사용하여 다리미와 같이 열과 압력을 칩 전면에 골고루 가해줍니다.
이때 열과 압력에 의해 Film이 녹게되면서 각 Die의 솔더가 녹게 되고 서로 접합하게 됩니다.
솔더 범프간 공간은 Film이 녹아 채워지면서 언더필이 동시에 이뤄집니다.
이러한 TC-NCF 방식은 개별 칩 하나하나씩 본딩 공정을 수행해야하고, Film이 녹고 다시 경화되기까지의 시간이 오래걸립니다. (약 10초)
따라서 TC 본딩은 짧은시간동안 온도를 정확하게 올렸다가 접합이 완료되면 빠르게 냉각시키는 신속, 정밀한 온도 제어 기술과 모든 솔더 범프에 일정한 온도와 압력을 균일하게 전달하는 기술이 중요합니다.
4. MR-MUF (SK하이닉스)
MR-MUF 방식은 우선 칩과 칩 사이의 마이크로 범프간에 임시 접합을 진행하여 칩 전체를 모두 적층한 후, 오븐과 같은 리플로우(Reflow) 장비에 넣어서 고온을 가해주면 칩 전체의 솔더 범프가 균일하게 녹아서 접합되는 방식입니다.
또한 Reflow 장비를 통해 솔더 볼 표면에 남아있을 수 있는 불순물이나 산화막 등을 제거하여 범프 연결 시 신뢰성을 높일 수 있습니다.
모든 범프가 한꺼번에 녹아서 본딩이 되기 때문에 Mass Reflow (MR)이라고 부릅니다.
Reflow 장비에서 고온으로 공정이 진행되다보니, 웨이퍼가 휘어지는 와피지 현상이 발생하고, 범프끼리 서로 엉겨붙는 등의 문제가 있어 SK하이닉스 또한 초반 HBM 제조시에는 TC-NCF 방식을 사용했습니다.
그러나 SK하이닉스는 MR 공정 진행 전에 칩을 적층할 때, 순간적으로 높은 열을 가해 솔더 범프끼리 접합시키는 칩 제어 기술을 적용하여 가접합이 견고하게 될 수 있도록 하였습니다.
이를 통해 칩끼리 견고하게 접합되어 MR-MUF 공정 진행 중 정렬이 틀어지거나 온도로 인해 웨이퍼가 휘는 것을 방지했습니다.
또한 EMC 소재를 개선하여 열방출이 30% 이상 향상되어 방열 특성을 높였다고 합니다.
이런 MR-MUF의 최대 장점은 바로 높은 생산성과 신뢰성입니다.
전체 칩에 대한 본딩과 언더필과 몰딩 작업을 한번에 수행할 수 있으며, 오븐과 같이 전체 범프에 동일한 온도를 균일하게 전달할 수 있기 때문입니다.
특히 방열 특성을 높이기 위해 칩 사이사이에 열 배출 역할을 하는 더미 범프를 설치하는데, 더미 범프 수가 많아질수록 TC-NCF 방식은 열과 압력을 골고루 전달시키기가 어렵습니다.
이에 SK하이닉스는 이런 개선된 MR-MUF 방식 도입을 통해 TC-NCF 본딩 방식 대비 3배 이상의 생산 속도를 낼 수 있다고 합니다.
향후 HBM의 적층 단수가 높아지면서 각 메모리 Die 간 피치가 감소하고, TSV가 현 1024개에서 2048개로 늘어나면서 단위 면적당 마이크로 범프 개수가 증가해 범프 피치 또한 감소하게 됩니다.
즉 HBM의 메모리 칩 사이 공간이 매우 작아지게 되며, 이때 MR-MUF 방식 또한 점도성이 있는 MUF 소재가 범프 사이 좁은 공간들을 고르게 채우는게 어려워져 하이브리드 본딩과 같은 차세대 인터커넥션 기술들을 적용하고자 하고 있습니다.
차세대 인터커넥션 기술과 관련주 - TSV본딩, 하이브리드 본딩과 와이어 본딩, 플립칩 본딩 비교
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