반도체와 기기를 더욱 단단하게,
언더필(Underfill) 소재Underfill

다양한 크기와 형태의 솔더 범프를 기판에 접합하기 위해서는 리플로우 공정이 사용된다. 리플로우 공정은 솔더 범프에 형성된 산화막을 제거하기 위해서 반도체 소자와 기판 사이에 송진을 기반으로 만든 플럭스(Flux, 산화막의 환원을 촉진하기 위한 물질)를 도포한 후에 반도체와 기판을 정렬하고 가열하는 공정이다. 리플로우 공정 뒤에 반도체와 기판 사이에 플럭스가 남아있게 되면 부식되거나 오염되는 등의 문제가 발생하기 때문에 남아있는 플럭스를 제거하는 세척 공정도 필요하다. 이렇게 플럭스를 제거하고 나면 반도체 소자와 기판 사이 솔더 범프의 기계적 안정성을 위해 반도체와 기판 사이에 전기가 통하지 않는 절연체를 채워넣는다. 이 절연체를 ‘언더필’이라고 부르는데, 이 언더필은 모세관 현상을 통해 반도체와 기판 사이를 채운다. 식물의 뿌리에 있는 물이 줄기에서의 모세관 현상으로 잎까지 공급되는 것과 같은 원리다.

새로운 소재가 더 정밀한
반도체 회로를 가능하게 하다New material

그런데 반도체 소자와 기판 사이의 간격이 좁아질수록, 즉 솔더 범프의 크기가 작아질수록 세척 공정이 어려워지며 언더필 공정에서 공극(Void, 공기로 채워진 틈)이 발생하게 된다. 특히, 반도체 소자와 기판 사이의 간격이 20μm 이하가 되는 경우에는 세척 공정 및 언더필 공정이 불가능하게 된다. 따라서 2010년도 이후에는 플립칩 공정과 언더필 공정을 동시에 만족하고, 기존 플립칩 공정을 위한 소재가 포함하지 않고 있던 플럭싱 기능까지 가지고 있는 소재와 공정의 개발이 필요했다. 이에 이 조건들을 만족시키는 ‘에폭시 기반 접합 소재’가 주목받고 있다.

첫 번째로 플럭싱 언더필 소재를 플럭스 대신 기판에 도포하고 리플로우 공정을 하면 세척 및 언더필 공정이 필요없게 된다. 플럭싱 언더필 소재는 산화막을 제거하는 플럭스 기능을 고분자로 구현할 뿐만 아니라 모든 성분이 고분자로 되어 있어 세척이 필요 없다. 또한, 리플러우 공정 이후에도 솔더의 기계적 신뢰성을 높여 언더필 역할을 한다.

두 번째로 하이브리드 언더필 소재는 플럭싱 언더필 소재에 솔더 분말을 섞은 것이다. 하이브리드 언더필 소재는 솔더 범프가 형성되지 않은 상태의 반도체와 기판 간 전극을 연결하기 위한 소재다. 하이브리드 언더필 소재를 공정에 적용하면 먼저 기판의 금속 패드 위에 하이브리드 언더필 소재를 도포한 후 솔더 범프가 형성되지 않은 상태의 반도체 소자를 정렬한다. 여기에 리플로우 공정을 적용하면 솔더 분말이 녹는 것과 함께 하이브리드 언더필 소재의 레진에 의해 산화막이 제거된다. 그 뒤로 솔더 분말은 솔더 범프를 형성하고 동시에 기기와 반도체 사이가 솔더 범프로 연결된다. 플럭싱 언더필에서와 마찬가지로 솔더 범프는 레진에 의해 신뢰성이 증가된다.

이번 글에서는 반도체 패키징 과정과 소재로서 주목받고 있는 소재를 소개했다. 앞으로도 차세대 대형 디스플레이, AR, VR 등 다양한 분야에서 반도체의 활약이 더욱 두드러질 것으로 예상되는 가운데 차세대 반도체 소재 관련 연구를 관심 있게 지켜보도록 하자!