패키지 후공정과 웨이퍼 범핑 공정 총정리 | RDL·UBM·솔더범프·몰딩 흐름

한 줄 요약

반도체 칩은 웨이퍼에서 만들어진 뒤 패키징(후공정)을 거쳐야 기판과 연결되고 외부 환경으로부터 보호됩니다. 이 글은 웨이퍼 범핑(RDL, UBM, 솔더 범프)과 몰딩 이후 후공정을 정리한 학습 노트이고, 맨 아래에 후공정 전체 흐름과 접속 방식 비교표를 추가했습니다.

웨이퍼 범핑 공정 개발하기

 

재배열 (RDL, Re-Distribution Layer)

알루미늄 패드의 위치를 임의로 변경하는 것을 총칭

 

웨이퍼 레벨 패키지 (WLP)

-      웨이퍼 안 짜르고 그냥 패키지

 

재부동태화 (Re-Passivation)

-      I/O 패시베이션 개구가 표준 플립 칩 범프에 비해 작거나 너무 크게 되는 문제에 대해 보정

 

UBM (Under Bump Metalization) 형성

-      칩 패드와 솔더   범프 사이에서 UBM 층 형성이 필수적으로 요구 (barrier metal)

 

솔더 볼(범프) 형성

기판과 패드를 전기적으로 연결

-      플립 칩 설계 고려사항 (칩을 뒤집는다)

1.     신호선 폭과 간격 미세화, 기판의 층수의 최소화

2.     블라인드 및 매몰 비아/비아 드릴 기술

3.     코어 비아 한계치

 

종류 –용융 유무에 따라

1.     솔더계 범프 – 금속이 용융되어 표면 장력의 최소화 효과로 자체 정렬되면서 접합

2.     고융점 범프 – 범프가 용융되지 않고 고상 상태를 유지하는 것 / 열 압착이나 이방성 도전 접착제를 이용하여 접착

 

솔더 범프의 공정 조건 – 솔더 범프는 조성의 균일도와 구형 범프로 만들기 위해 리플로우 공정을 거친다. (리플로우 하면 동그랗게 된다.  솔더 합금 : 납/주석 성분)

 

패키지 후공정 개발하기 (molding 부터 해당)

 

에폭시 = 수지 = EMC

 

몰드 공정

-      제품을 먼지, 습기, 충격 등 외부 환경으로부터 물리, 화학, 전기적으로 보호하기 위하여 열경화성 수지(열 가하면 굳게 되는거)인 EMC 를 이용하여 밀봉하는 공정

 

몰딩 성형 방식의 종류

-  이동형 몰딩

-  압축형 몰딩

-  진공형 몰딩

-  캐스팅 몰딩

-  글럽 탑 몰딩

 

EMC 요구 항목

잘 성형이 되어야하고 습, 열에 강해야한다.

 

EMC 성분

레진, 경화제, 큐어링제 등..

 

몰딩의 조건

1.     온도 – 일반적으로 170도 정도

2.     압력

3.     시간

4.     램 속도

5.     램 압력

 

PMC (Post Mold Cure)

몰딩 완료 후에 베이킹 하는 것

 

도금

-      도금 공정은 리드 프레임을 사용한 패키지에서 몰딩이 형성되지 않은 리드 부분에 금속 피막을 만드는 공정

 

도금 목적

1.     산화 및 변색으로부터 보호

2.     납땜이 잘 되도록

3.     전기적인 특성을 양호하게 하여 신뢰도 향상

 

도금 공정 순서

1.     용융 도금

2.     전기 도금

 

도금 방법의 종류

1.     솔더링

2.     전기 도금 – 도금 재료 (Sn)을 양극(애노드)에 연결하고 음극(캐소드)에 도금하려는 재료를 연결

 

트림 앤 폼

-      트림 - 댐버를 절단시켜 제거하는 공정

-      포밍공정 - 트림 공정이 끝난 제품이 도금된 후에 기판에 실장이 되어 독립된 전기적 특성을 갖도록 리드의 모양을 성형하는 공정

-      리드 프레임의 댐버는 몰딩 성형할 때 EMC가 겔 상태에서 아웃 리드로 새어 나오지 못하도록 댐 역할을 한다.

-      트림 -> 도금 -> 폼 순서

 

SBM (solder ball mount)

-      Substrate 기반의 PKG 에서 몰딩 공정이 완료된 후에 PCB에 솔더 볼을 접합하여 전기적으로 연결시켜 주는데 이를 SBM 공정이라 함

 

리플로우 공정

-      솔더 볼을 PCB 위에 부착하기 위해 고온을 가하여 솔더 볼과 PCB사이에 있는 솔더를 용융시켜 접합하는 공정

-      리플로우 온도 곡선 중 드웰 구간 – 솔더링의 양/불량 기준이 되는 구간

 

마킹 (Marking)

-      반도체 패키지에 잉크나 레이저로 인쇄

 

소잉 싱귤레이션

-      기판 상태로 진행된 strip 자재를 잘라 유닛을 개별화 하는 것

 

튜브 & 트레이

-      여러 개의 유닛이 개별화되어 튜브나 트레이에 적재

패키지 후공정 전체 흐름

패키지 방식에 따라 순서와 공정이 달라집니다. 대표적인 두 가지를 비교하면 다음과 같습니다.

순서	와이어 본딩 방식	플립칩 방식
1	웨이퍼 백그라인딩(두께 연마)	웨이퍼 범핑(RDL → UBM → 범프 형성 → 리플로우)
2	다이싱(칩 절단)	백그라인딩, 다이싱
3	다이 어태치(기판·리드프레임에 칩 고정)	칩을 뒤집어 기판에 접합(플립칩 어태치, 리플로우)
4	와이어 본딩(금속선으로 연결)	언더필(칩과 기판 사이 틈을 수지로 채움)
5	몰딩(EMC 밀봉)	몰딩 또는 리드 부착
6	마킹, 도금, 트림·폼(리드 가공)	솔더 볼 부착(BGA), 마킹
7	최종 테스트	최종 테스트

칩과 기판을 연결하는 세 가지 방식

방식	연결 방법	장점	단점
와이어 본딩	칩 가장자리 패드와 기판을 가는 금속선으로 연결	공정이 성숙하고 비용이 낮음	배선이 길어 전기적 특성이 불리, I/O 수 한계
플립칩	칩 면에 범프를 만들고 뒤집어 직접 접합	연결이 짧아 전기 특성 우수, 칩 전면을 I/O로 사용	범핑 공정과 기판 비용이 큼
WLP (웨이퍼 레벨 패키지)	웨이퍼 상태에서 재배열·범핑 후 절단	패키지가 칩 크기에 가까워 매우 작고 얇음	I/O 수와 패드 배치에 제한(Fan-in형), 설계 제약

범핑 공정 순서 정리

1. RDL(재배선층): 알루미늄 패드 위치를 원하는 위치로 옮깁니다.
2. 재부동태화: 절연막 개구를 범프에 맞게 보정합니다.
3. UBM 형성: 패드와 솔더 사이의 확산을 막고 접착을 돕는 금속층을 만듭니다.
4. 범프(솔더 볼) 형성: 도금이나 인쇄 등으로 솔더를 올립니다.
5. 리플로우: 솔더를 녹였다 굳혀 둥근 범프 형태를 만듭니다.

본문에서 솔더 합금을 납/주석이라고 정리하셨는데, 환경 규제 때문에 현재는 무연(lead-free) 솔더, 주로 주석-은-구리(SnAgCu) 계열이 널리 쓰입니다.

몰딩과 후공정에서 자주 나오는 개념

• EMC(Epoxy Molding Compound): 열경화성 수지로 칩을 밀봉해 먼지·습기·충격으로부터 보호
• PMC(Post Mold Cure): 몰딩 후 추가로 굽는 공정으로 수지를 완전히 경화
• 언더필: 플립칩에서 칩과 기판 사이를 수지로 채워 열팽창 차이로 생기는 솔더 접합부 응력을 줄임
• 트림 & 폼: 리드 프레임 패키지에서 불필요한 부분을 자르고 리드를 성형

패키지 신뢰성과의 연결

완성된 패키지는 온도 사이클(TC), 고온·고습 시험 등으로 신뢰성을 확인합니다. 시험 종류와 가속 모델은 반도체 신뢰성 평가 총정리에서 정리했습니다.

자주 묻는 질문

Q. 플립칩은 왜 "뒤집는다"고 하나요?

범프가 있는 칩의 활성면이 아래(기판 쪽)를 향하도록 뒤집어서 접합하기 때문입니다.

Q. 범프 재질은 한 가지인가요?

아닙니다. 솔더 범프가 대표적이지만, 구리 필라(pillar)처럼 더 미세한 피치를 위한 범프도 쓰입니다. 본문의 구분처럼 접합 중 녹는지 여부에 따라 솔더계와 고융점 범프로도 나눕니다.

Q. 몰딩은 왜 필요한가요?

칩과 연결부를 외부의 습기, 먼지, 충격으로부터 보호하고 기계적으로 고정하기 위해서입니다.

Q. WLP는 왜 작을 수 있나요?

웨이퍼를 자르기 전에 재배선과 범핑까지 끝내서, 칩과 거의 같은 크기로 패키지가 만들어지기 때문입니다.