열압착 비전도성 접착 필름(Thermally Conductive Non-Conductive Film, TC-NCF) 공정

열압착 비전도성 접착 필름(Thermally Conductive Non-Conductive Film, TC-NCF) 공정은 반도체 패키징에서 미세 접합을 위해 사용되는 접착 기술로, 특히 고집적 반도체와 고대역폭 메모리(HBM) 등의 적층 공정에 널리 활용됩니다. 이 공정은 반도체 칩과 칩을 수직으로 쌓아 연결할 때 사용되며, 열과 압력을 이용해 결합함으로써 신뢰성과 전기적 성능을 높이는 데 기여합니다.

1. TC-NCF 공정의 개요

• 비전도성 접착 필름(NCF)은 반도체 칩 사이의 결합층 역할을 하는 얇은 필름 형태의 소재입니다. NCF는 열을 가하면 반응해 점성이 낮아졌다가 접합 후 다시 경화하는 특성을 지닙니다.
• 비전도성이라는 이름은 전류가 흐르지 않도록 설계된 필름이라는 점을 강조하며, 반도체 칩 간의 접합부에서 전기적으로 절연 기능을 수행합니다.
• TC-NCF 공정은 기존의 솔더 범프 접합 방식과 조합되거나 대체하는 형태로 활용되며, 열과 압력을 가해 반도체 칩을 견고하게 결합하고 기계적 신뢰성과 열 안정성을 제공합니다.

2. TC-NCF 공정 과정

1. 필름 도포: NCF 필름은 기판 위나 반도체 칩의 표면에 고르게 도포됩니다.
2. 칩 정렬 및 배치: 쌓아야 하는 반도체 칩을 정확히 위치에 배치합니다. 이 단계에서 TSV(Through Silicon Via)를 통해 상하 칩 사이의 전기적 연결이 보장됩니다.
3. 압착 및 열 가공: 도포된 NCF와 반도체 칩을 열과 압력을 가해 결합합니다. 이 과정에서 NCF는 유동성을 가졌다가 가열과 압착을 통해 경화하면서 강력한 접착과 밀폐 기능을 제공합니다.
4. 결합부의 경화: 가열 및 압력의 작용이 끝난 후, NCF는 완전히 경화되어 기계적 강도를 가지게 됩니다. 이로 인해 접합된 칩 간의 전기적 절연성과 기계적 강도, 신뢰성을 제공합니다.

3. TC-NCF 공정의 주요 장점

비전도성 접착 필름(Thermally Conductive Non-Conductive Film, TC-NCF) 공정은 반도체 칩을 적층하여 고밀도 패키지를 구현하는 데에 유리한 여러 장점을 가지고 있습니다. 이러한 장점들은 반도체 성능 향상과 공정 효율성에 큰 기여를 합니다. 아래에 TC-NCF 공정의 주요 장점을 구체적으로 설명하겠습니다.

우수한 기계적 접합 및 결합 강도 제공:

• 고온·고압 접합으로 강력한 결합: TC-NCF 공정은 칩을 적층하는 과정에서 열과 압력을 가해 접합합니다. 이를 통해 반도체 칩들이 물리적으로 매우 견고하게 결합되어 기계적 안정성이 우수합니다. 이러한 결합 강도는 적층된 칩의 충격 내구성을 강화하고, 열 팽창과 수축에 대한 저항성을 제공합니다.
• 균일한 접착층 형성: NCF는 반도체 칩 사이에 균일하게 분포되며, 접착 면적 전체에 걸쳐 균일한 접착층을 형성하기 때문에 접합의 안정성과 신뢰성을 높입니다. 균일한 접착은 장기적인 신뢰성을 보장하며, 접착 불량을 줄이는 데 도움이 됩니다.

TSV 기반 칩 적층에 최적화된 구조:

• 실리콘관통전극(TSV)과의 결합 지원: TC-NCF 공정은 TSV 기반 적층 구조에서 특히 유리합니다. TSV는 반도체 칩 간에 수직으로 데이터를 전송하는 역할을 하며, NCF는 TSV 주변에서 적절한 절연 및 지지 역할을 수행합니다. TSV 기반 구조에서 TC-NCF는 높은 데이터 전송 효율을 보장하면서 동시에 기계적 안정성을 제공하여, 고속 데이터 전송이 필요한 HBM 같은 고성능 메모리 패키지에서 활용도가 높습니다.

열 관리 효율성 및 열 전도 개선:

• 발열 관리에 유리한 구조: TC-NCF는 접합된 칩 사이에서 열 전달 경로를 최적화해 발열을 관리하는 데 도움이 됩니다. 반도체 패키지의 발열 관리는 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치기 때문에, TC-NCF 공정은 칩 적층 중 발생하는 열을 효과적으로 분산시켜 온도 제어에 기여할 수 있습니다.
• 열전도성 개선 옵션: 일부 TC-NCF 재료는 열전도성을 강화한 특성을 갖추고 있어, 반도체 칩의 온도 균일화를 돕고 고성능 전자 장치에서의 과열 방지를 지원합니다.

낮은 전기적 결함과 절연성 확보:

• 비전도성 필름의 특성: TC-NCF는 비전도성 특성을 지니기 때문에 칩 사이의 전기적 단락이나 불필요한 전기적 간섭을 방지할 수 있습니다. 이는 고속 신호 전송을 안정적으로 유지하며, 다양한 회로 구성에서 전기적 결함을 줄이는 데 기여합니다.
• 고속 신호 무결성 확보: 비전도성 필름이 적절하게 결합되면서 데이터 전송 경로에서의 신호 무결성을 보장합니다. 이를 통해 칩 적층 구조 내에서 신호 간섭이나 전자기적 노이즈를 최소화할 수 있습니다.

고단 적층 지원 및 패키지 크기 축소:

• 적층 효율성 향상: TC-NCF 공정은 칩과 칩 사이를 효율적으로 접합할 수 있기 때문에, 고단 적층을 구현할 때 패키지 크기를 줄이는 데 기여합니다. 이는 HBM 같은 고밀도 메모리 패키지에서 더 많은 D램 칩을 적층할 수 있도록 돕고, 데이터 처리 성능을 극대화하는 데 유리합니다.
• 소형화된 패키지 설계: 여러 반도체 칩을 수직으로 적층할 때 TC-NCF는 전체 패키지 두께를 최소화할 수 있도록 돕기 때문에, 소형화된 전자 제품 설계에 적합합니다.

응력 분산 및 패키지 신뢰성 증대:

• 기계적 스트레스 분산: TC-NCF는 반도체 칩 사이의 공간을 채우며 기계적 응력을 분산시키는 역할을 합니다. 이는 외부 충격이나 환경적 변동에 따른 패키지 손상을 줄이고, 장기적인 신뢰성을 보장하는 데 기여합니다.
• 온도 변화에 대한 내구성: TC-NCF는 열팽창과 수축에 대한 저항성을 제공하여 온도 변화가 심한 환경에서도 패키지의 구조적 안정성을 유지할 수 있습니다.

4. 도전 과제 및 한계

비전도성 접착 필름(TC-NCF) 공정의 한계는 반도체 칩 적층에서의 여러 이점을 제공하는 동시에 일부 단점이나 공정상의 제약을 동반합니다. 이러한 한계는 기술적 과제 및 구현상의 복잡성에 기인하며, 주요 내용을 구체적으로 설명하면 다음과 같습니다:

열과 압력의 균일성 문제:

• 균일한 가열과 압착의 필요성: TC-NCF 공정은 칩과 칩을 결합할 때 열과 압력을 가해 접합하는 방식입니다. 이때 칩 전체에 균일한 온도와 압력을 적용해야 결합부가 안정적으로 접합되며, 국소적인 온도 차이 또는 압력 차이가 발생할 경우 결합 불량이나 불균일한 접착이 생길 수 있습니다. 특히, 대형 기판을 처리하거나 다단 적층일 경우 이러한 균일성 문제가 심화됩니다.
• 수율 저하: 공정이 정밀하게 이루어지지 않으면 접합 불량으로 인해 수율이 저하될 위험이 있습니다. 이는 대량 생산 시 생산성과 품질 관리의 어려움을 초래할 수 있습니다.

단수 증가 시 공정 난이도 상승:

• HBM과 같은 고단 적층 구조에서의 제약: 반도체 칩 적층의 단수가 증가할수록 적층된 칩 사이의 열 전도와 기계적 압착을 유지하는 것이 어려워집니다. 이로 인해 TC-NCF 공정은 적층 높이가 늘어날 때 성능과 안정성을 일관되게 유지하기 어렵다는 도전에 직면합니다.
• 패키지 두께 제어: 적층 높이가 높아질수록 전체 패키지의 두께 관리가 까다로워지며, 각 층의 NCF가 균일하게 경화되고 접합되는 것이 더욱 중요합니다. 이를 제대로 관리하지 못하면 패키지 안정성과 전기적 특성이 저하될 수 있습니다.

TSV와의 통합 공정에서 복잡성:

• 실리콘관통전극(TSV)와의 조화: TC-NCF 공정은 TSV와 결합된 칩 구조에서 많이 사용됩니다. TSV는 반도체 칩 간의 전기적 연결을 보장하지만, TC-NCF 공정에서 정확히 결합해야 하므로 미세 정렬과 접합 과정이 복잡해질 수 있습니다. TSV가 제대로 연결되지 않거나 NCF가 접합부에 불완전하게 작용하면 데이터 전송의 안정성 및 속도에 문제가 생길 수 있습니다.

열 팽창 계수(CTE)의 차이로 인한 스트레스:

• 칩과 접착제 간의 열 팽창 계수 차이: 반도체 칩과 NCF는 서로 다른 재질로 구성되어 있어 열을 가하거나 온도 변동이 발생할 때 서로 다른 정도로 팽창, 수축할 수 있습니다. 이러한 차이는 내부 응력(stress)을 유발해 시간이 지나면서 접합부에 균열이 생기거나 구조적 손상을 야기할 수 있습니다.
• 장시간 사용 시 신뢰성 문제: 이로 인해 장기적으로 TC-NCF 공정을 통해 적층된 반도체 패키지의 신뢰성이 감소할 위험이 있습니다.

솔더 범프와의 결합 한계:

• 기존 솔더 범프 사용 시 제한: TC-NCF 공정은 솔더 범프와 결합되어 반도체 칩을 적층합니다. 하지만 솔더 범프가 미세화되거나 단수가 높아질수록 전기적 연결과 기계적 접합을 완벽하게 유지하기 어려운 한계가 있습니다. 따라서 차세대 고단 적층 기술에서는 솔더 범프를 없애거나 새로운 접합 방식을 도입해야 하는 경우가 많아, TC-NCF 공정은 미래의 고도화된 기술에 제약을 받을 수 있습니다.

비전도성 특성에 따른 전기적 연결성 한계:

• 고속 데이터 전송의 저항 요소: NCF는 비전도성 물질로서 반도체 칩 간의 전기적 절연을 제공하지만, 고속 데이터 전송이 필요한 응용 분야에서는 이러한 절연층이 일부 전송 성능에 제한을 줄 가능성이 있습니다. 특히, 고주파나 초고속 데이터 처리에서의 저항 요소로 작용할 수 있습니다.

TC-NCF 공정은 반도체 적층 공정에서 열과 압력을 활용해 비전도성 접착 필름을 활용하여 칩과 칩을 정밀하게 결합시키는 기술로, 미세한 적층 구조와 높은 열·기계적 안정성을 제공하여 고성능 반도체 패키지에서 필수적인 기술로 자리 잡고 있습니다.