Mass Reflow-Molded Underfill (MR-MUF) 공정

Mass Reflow-Molded Underfill (MR-MUF) 방식은 반도체 패키징 공정에서 사용되는 기술로, 여러 개의 반도체 칩을 효율적으로 연결하고 안정성을 강화하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 공정은 특히 다층 적층을 필요로 하는 고대역폭 메모리(HBM)와 같은 고성능 메모리 칩 패키징에서 널리 사용됩니다.

MR-MUF의 공정 절차:

적층 및 납땜 준비:

• 여러 개의 칩이 적층된 상태에서 각 칩은 TSV(Through Silicon Via)로 전기적 연결이 되어 있습니다. 이 상태에서 칩들은 기판 위에 정렬됩니다.
• 각 칩 사이에는 언더필 공간을 남겨두며, 적층된 상태에서 리플로우 공정을 준비합니다.

대형 리플로우 장비 사용:

• 칩은 대형 리플로우 장비에 배치됩니다. 여기에서 고온을 가하여 각 칩을 동시에 납땜하고 접합합니다.
• 이때 열을 이용해 모든 칩이 정렬된 상태로 유지되고, 칩 간 연결이 이루어지면서 납땜이 진행됩니다.

언더필 주입:

• 칩의 적층과 납땜이 완료된 후, 칩과 칩 사이의 공간에 액체 형태의 언더필이 주입됩니다. 이 언더필은 칩 사이의 틈을 채워 구조적으로 강화하고 외부 충격에 대한 저항력을 제공합니다.
• 언더필이 주입된 후 이를 고온에서 경화(굳히기)하여 칩 간의 밀봉을 완성합니다. 이 과정은 반도체의 온도 변화로 인해 생길 수 있는 열 팽창 문제를 최소화하도록 설계됩니다.

경화 및 마무리 작업:

• 언더필이 완전히 경화된 후, 패키지는 기계적, 전기적 검사 및 후처리 과정을 거쳐 완성됩니다. 이 과정에서 리플로우 공정으로 인한 열 스트레스나 균일성 등의 문제를 점검하여 제품의 품질을 보증합니다.

주요 특징 및 장점:

• 수율 향상: MR-MUF 공정은 높은 수율을 제공하며, 적층 수가 증가해도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 예를 들어, SK하이닉스는 HBM3E 16단 제품에 MR-MUF 공정을 적용하면서 12단 제품과 거의 동등한 수율을 확보했다고 보고된 바 있습니다.
• 열 및 기계적 안정성 강화: 언더필이 경화되면서 구조적 안정성이 강화되며, 칩 적층에서 발생할 수 있는 휨(Warpage) 등의 문제를 줄이는 데 도움이 됩니다.
• 비용 효율성: MR-MUF 공정은 한 번에 여러 칩을 대규모로 처리할 수 있어 대량 생산 시 비용 효율성을 제공하며, 고도화된 패키징을 안정적으로 수행할 수 있습니다.

한계 및 도전 과제:

MR-MUF(Mass Reflow-Molded Underfill) 공정의 한계는 다음과 같은 측면에서 구체적으로 나타날 수 있습니다.

 

적층 단수 증가에 따른 기술적 한계:

MR-MUF 공정은 HBM(High Bandwidth Memory) 같은 고적층 반도체 패키징에서 흔히 사용됩니다. 하지만 적층 단수가 늘어날수록 칩 사이의 공간에 액체 언더필이 고르게 분포하고 제대로 경화되기 어려워지는 문제점이 있습니다.

높은 적층 수에서는 웨이퍼 휨(Warpage) 현상이 더 심해질 수 있는데, 이로 인해 칩이 균일하게 접합되지 않아 공정 수율에 악영향을 미칠 수 있습니다. 특히 12단 이상의 고적층 제품에서는 휨이나 열팽창에 의한 변형을 해결하는 데 추가적인 기술적 과제가 필요합니다.

 

언더필 주입 및 경화 시간

MR-MUF 방식에서는 언더필 재료를 칩 사이에 주입한 후 경화시키는 과정이 필요합니다. 이러한 공정 단계는 시간이 소요되며, 경화가 불균일할 경우 칩 간 결합의 강도나 내구성이 낮아질 수 있습니다.

언더필 공정에서의 미세 균열이나 공기 기포 문제는 열 스트레스나 기계적 충격을 받을 때 패키지의 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

 

열 및 기계적 스트레스

MR-MUF 공정은 여러 반도체 칩을 대형 오븐에서 한 번에 납땜한 후 언더필로 고정하는 방식이기 때문에 열과 기계적 응력이 집중될 수 있습니다. 고온의 리플로우 및 경화 과정에서 응력이 발생하고, 이는 전체 패키지의 내구성을 위협할 가능성이 있습니다.

추가로, 칩과 칩 사이의 언더필이 모든 부위에 고르게 침투되지 않는다면 특정 영역에서 결합이 약해지고 제품 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.

 

경쟁 기술 대비 한계

새로운 패키징 기술들이 MR-MUF 공정의 한계를 보완하거나 대체하려 하고 있습니다. 예를 들어 Copper-to-Copper 본딩이나 하이브리드 본딩 기술은 보다 직접적인 칩 결합 방식을 사용하여 전체적인 패키지 두께를 줄이고 전기적 특성을 개선할 수 있습니다. 이러한 기술들이 시장에서 자리잡을 경우, MR-MUF의 경쟁력이 상대적으로 약화될 수 있습니다.

MR-MUF 방식은 특정 공정에서 효율적일 수 있으나, 단수 증가와 새로운 공정 요건이 더 정교해질수록 이를 유지하는 데 더 높은 기술적 난이도와 비용이 필요합니다.

 

결론적으로, MR-MUF 방식은 반도체 패키징에서 중요한 역할을 수행하며, 특히 고성능, 고적층 칩을 위한 생산 공정에서 필수적인 공법으로 자리잡고 있습니다.