플립칩이란? 칩은 솔더 볼로 어떻게 외부에 연결될까

플립칩(flip chip)은 칩을 ‘뒤집어서’ 외부에 연결하는 방법이다. 먼저 칩 표면의 접점마다 작은 범프(bump)를 하나씩 만든다. 범프는 솔더로 만든 것이 많아 흔히 솔더 볼이라고도 부른다. 그다음 칩을 앞면이 아래로 가게 뒤집어 범프를 기판의 접점에 맞추고 가열해 납땜한다. 와이어를 하나하나 연결할 필요 없이 모든 접점이 한 번에 연결된다.

플립칩과 와이어 본딩은 무엇이 다를까?

칩은 웨이퍼 위에서 만들어진다. 회로는 앞면에 있고, 외부와 전원을 주고받고 신호를 전달하는 작은 금속 조각(접점)도 앞면에 있다.

와이어 본딩은 먼저 칩을 앞면이 위로 가게 작은 기판에 붙이고(다이 본딩), 머리카락보다 가는 금속 와이어로 칩 네 변의 접점에서 기판까지 하나씩 연결하는 방식이다(‘와이어 본딩이란? 칩은 어떻게 외부와 연결될까’ 참고).

플립칩은 칩을 뒤집어 앞면을 아래로 향하게 한다. 범프를 납땜하면 칩이 고정되는 동시에 전기적으로도 연결된다. 다이 본딩과 와이어 본딩이 한 단계로 합쳐지는 셈이다(그 뒤에 언더필로 보강한다).

	와이어 본딩	플립칩
칩 앞면	위로	아래로
연결 방식	가는 와이어를 하나씩	작은 범프를 한 번에 모두 납땜
접점 위치	대개 네 변	면 전체 가능
신호 경로	와이어마다 일정한 길이	범프 높이만큼

이 방식은 새롭지 않다. 1960년대에 이미 있었다.

왜 칩을 뒤집을까?

연결을 많이 할 수 있다. 와이어 본딩의 접점은 네 변에 늘어서므로, 테이블 가장자리에만 사람이 앉을 수 있는 것과 같다. 플립칩은 면 전체를 쓸 수 있다. 가정한 숫자로 계산해 보자. 한 변이 10mm인 칩에서 와이어 본딩 접점을 0.05mm 간격으로 놓으면 네 변을 한 바퀴 돌아 약 800개다. 플립칩의 범프는 더 커서 0.2mm 간격이라고 가정해도 면 전체에 놓을 수 있으므로 50줄 × 50개, 2,500개가 된다. 칩이 클수록 차이는 더 벌어진다. 네 변은 변의 길이에 비례해 늘어날 뿐이지만, 면 전체는 면적에 비례해 늘어나기 때문이다.

경로가 짧아 신호가 빠르다. 선이 길수록 신호가 빠르게 바뀔 때 느려지고 일그러지기 쉬우며, 손실도 늘어난다. 범프는 높이가 아주 낮아 신호가 빠르게 드나든다.

방열에 유리하고 공간을 아낀다. 뒤집으면 칩 뒷면이 위를 향하므로 금속 덮개나 방열판을 바로 붙일 수 있고, 열은 범프를 따라 아래로도 빠져나간다. 옆에 와이어를 끌어낼 공간을 남길 필요가 없어 패키지도 더 작게 만들 수 있다.

범프는 어떻게 만들까?

범프는 보통 웨이퍼를 자르기 전에 웨이퍼 전체에 한꺼번에 만든다. 대략 다음과 같다.

1. 바탕층 깔기: 접점마다 아주 얇은 금속을 몇 층 깔아 솔더가 잘 붙게 하고, 솔더가 아래쪽 금속과 반응하지 않도록 막는다.
2. 작은 구멍 내기: 포토레지스트를 한 층 도포하고, 팹과 같은 노광·현상으로 접점마다 그 위에 작은 구멍을 낸다.
3. 솔더 채우기: 전기 도금으로 솔더를 조금씩 구멍 안에 성장시킨다(인쇄로 채우는 방법도 있다).
4. 가열해 볼 만들기: 포토레지스트를 씻어 내고 한 번 더 가열한다. 솔더가 녹으면 표면 장력 때문에 동그란 작은 볼로 오므라든다. 연잎 위의 물방울처럼.

기존 범프의 간격은 대략 100~200µm이고(1µm는 1mm의 1,000분의 1), 첨단 패키징에 쓰는 더 작은 ‘마이크로 범프’는 간격이 수십 µm로 머리카락 굵기와 비슷하다.

칩은 어떻게 뒤집어 납땜할까?

웨이퍼를 하나하나 다이싱한 뒤의 과정이다.

1. 플럭스 묻히기: 범프나 기판 접점에 플럭스(flux)를 조금 묻혀, 가열했을 때 솔더가 잘 녹아 붙게 한다.
2. 뒤집어 정렬하기: 장비가 칩을 집어 뒤집고, 카메라로 칩의 범프와 기판의 접점을 동시에 보면서 정확히 맞춘 뒤 내려놓는다.
3. 가열해 리플로우: 오븐에 넣으면 솔더가 녹아 기판 접점과 붙고, 식으면 굳는다. 녹은 솔더에는 표면 장력이 있어서 조금 비뚤게 놓인 칩도 정중앙으로 끌려오는 경우가 많다.
4. 언더필: 칩과 기판 사이에는 아주 좁은 틈이 남는다. 칩 가장자리에 액상 수지를 한 줄 떨어뜨리면, 수지가 스스로 틈으로 스며들어 범프 사이를 채운다. 휴지 한 귀퉁이가 물에 닿으면 물이 저절로 빨려 올라가는 것과 같다. 그다음 가열해 수지를 경화시킨다.

언더필은 무엇을 보호할까?

물체는 가열하면 팽창하고 식으면 수축하지만, 재료마다 팽창하는 정도가 다르다. 실리콘은 열을 받아도 조금만 팽창한다. 흔히 쓰는 기판은 대부분 수지로 만들어져 실리콘의 몇 배나 팽창한다.

칩은 쓸 때마다 뜨거워지고 멈추면 식으므로, 사이에 낀 작은 범프는 양쪽에서 서로 다른 방향으로 당겨진다. 이렇게 오래 비틀리다 보면 금이 간다. 철사를 앞뒤로 계속 구부리면 결국 끊어지는 것처럼. 칩이 클수록, 중심에서 먼 범프일수록 더 심하게 비틀린다.

언더필은 칩과 기판을 면 전체로 붙여, 당기는 힘을 면 전체가 나눠 받게 한다. 그러면 솔더 접합부가 견딜 수 있는 가열·냉각 횟수가 훨씬 늘어난다. 언더필은 몰딩과 다르다. 몰딩은 플라스틱으로 칩 전체를 감싸는 것이고, 언더필은 칩 아래의 틈만 채운다.

플립칩의 단점은?

• 비용이 높다: 범프를 만드는 단계가 추가되고, 기판에도 그 많은 범프를 연결할 수 있도록 아주 촘촘한 접점과 가는 배선을 만들어야 한다. 접점이 많지 않은 칩이라면 대개 와이어 본딩이 더 경제적이다.
• 수리가 매우 어렵다: 솔더 접합부가 칩 아래에 숨어 보이지 않으므로, 납땜이 잘됐는지, 언더필이 다 채워졌는지는 X선이나 초음파 검사로 확인해야 한다. 언더필이 굳으면 칩을 떼어 내기 매우 어려워, 불량이 나면 패키지 전체를 버려야 하는 경우가 많다. 그래서 납땜하기 전에 칩을 모두 테스트해(웨이퍼 테스트) 양품만 쓴다.
• 열팽창과 수축에 약하다: 앞에서 말한 당기는 힘의 문제다. 기판이 열을 받아 휘어 오를 수도 있다.
• 설계 단계에서 정해야 한다: 접점과 기판을 모두 플립칩에 맞춰 설계해야 한다. 와이어 본딩이 더 유연하다.

플립칩의 솔더 볼과 패키지 아래의 솔더 볼은 같은 것일까?

같지 않다. 크기가 크게 다르다. 칩 아래의 범프가 가장 작으며, 기판에 납땜된다. 기판 아래에는 훨씬 큰 솔더 볼을 하나하나 올려 회로 기판에 납땜한다(‘패키징이란?’에서 말한 것이 바로 이 볼이다). 기판은 중간에서 변환 어댑터 역할을 한다. 위로는 작고 촘촘한 범프를, 아래로는 큰 솔더 볼을 마주한다.

플립칩은 첨단 패키징과 어떤 관계일까?

뉴스에서 말하는 첨단 패키징은 여러 칩을 인터포저라는 얇은 판 위에 나란히 놓거나 바로 위로 쌓는 기술이다(“뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?” 참고). 이때 칩을 연결하는 방식도 상당수가 바로 플립칩이다. 칩을 뒤집어 아주 작은 마이크로 범프로 인터포저에 납땜하고, 인터포저는 더 큰 범프로 기판에 연결하며, 기판은 그보다 더 큰 솔더 볼로 회로 기판에 연결한다. 세 층의 볼이 한 층씩 내려갈수록 커진다.

적층 메모리도 층과 층 사이를 아주 작은 범프로 납땜하는 경우가 많다(“뉴스에서 말하는 ‘HBM’이란?” 참고). 마이크로 범프보다 더 촘촘하게 연결하기 위해, 솔더를 쓰지 않고 두 층의 구리 접점을 직접 맞붙이는 하이브리드 본딩도 있다.

fab24hr에서는

게임에는 플립칩이 없다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서 플레이어는 후공정 공장의 패키징 공정 엔지니어다. 이 패키징 라인에서 Glowmere 칩은 SiP 모듈의 작은 기판 위에 앞면이 위를 향하도록 붙고, 가는 와이어로 와이어 본딩해 연결한 뒤 몰딩한다. 와이어 본더의 설명에는 칩 하나에 와이어가 십여 가닥이라고 적혀 있다. 접점이 많지 않으니 와이어 본딩이 딱 맞다.

플립칩에 가장 가까운 것은 부품 실장 라인의 긴 리플로우 오븐이다. 솔더 페이스트를 인쇄하고 저항과 커패시터를 올린 뒤 오븐을 한 번 통과시키면, 솔더가 녹았다가 굳으면서 부품이 고정된다. 플립칩을 가열해 납땜하는 것도 같은 원리이고, 납땜하는 대상이 뒤집힌 칩이라는 점만 다르다.

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤 ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어를 고르면, 기기의 시간에 따라 근무 하나가 배정된다. 심야에는 와이어 본딩을 기다리는 기판, 오전에는 다이싱 장비의 블레이드, 오후에는 챕터 11의 풀 테스트, 저녁에는 몰딩 때 밀려 휜 와이어를 다룬다.

게임 속 후공정 공장, 칩 ‘Glowmere’, 인물, 장비는 모두 가상이다. 플립칩이 무엇이고 어떻게 만드는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 접점 수를 계산할 때 쓴 칩 크기와 간격은 가정한 숫자다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.