TCB 본딩과 매스 리플로우, 열과 압력으로 갈리는 차이

고속도로 톨게이트에는 하이패스 차로와 일반 차로가 나란히 있습니다. 하이패스 차로는 차들이 속도를 크게 줄이지 않고 줄지어 통과하고, 수동 정산 부스에서는 차 한 대씩 멈춰 확인한 뒤 보냅니다.

칩을 기판에 붙이는 두 방식이 이 풍경과 닮았습니다. 여러 칩을 오븐에 한꺼번에 통과시키는 매스 리플로우, 그리고 칩 하나씩 정밀하게 눌러 붙이는 TCB 본딩입니다.

비유와 다른 점은 빠른 쪽이 거칠고 느린 쪽이 꼼꼼하다는 단순한 구분이 아니라는 것입니다. 칩과 기판은 열을 받으면 서로 다르게 휘기 때문에, 얼마나 정밀하게 붙을 수 있는지는 가열하는 방식에서 갈립니다.

칩을 붙일 때 열과 힘이 필요한 이유

플립칩(Flip Chip) 접합에서는 칩 범프의 솔더를 녹여야 합니다. 그러려면 접합부가 솔더의 녹는점 이상으로 올라가야 하고, 칩의 접속 자리와 기판의 접속 자리가 정확히 맞아야 합니다.

문제는 칩과 기판이 열을 받으면 서로 다른 만큼 늘어나고 휜다는 점입니다. 칩의 주재료인 실리콘은 팽창이 작고, 유기물 기판은 그보다 훨씬 크게 늘어납니다. 이 차이가 접합하는 순간의 정렬과 접촉을 흔듭니다.

매스 리플로우, 오븐에서 한꺼번에 녹이는 방식

매스 리플로우(Mass Reflow, MR)는 칩을 기판 위에 올려 둔 채로 여러 개를 한꺼번에 가열 오븐에 통과시키는 방식입니다. 오븐 안에서 솔더가 녹으면서 접합이 이루어집니다.

칩을 올려놓는 시간만 들이고 가열은 오븐이 한꺼번에 맡으므로 처리량이 높습니다. 오래 쓰여 와서 공정 조건이 안정적이라는 점도 강점입니다.

한계는 오븐 안에서 가열되는 동안 접합 자리를 눌러 주는 힘이 없다는 점입니다. 칩과 기판이 서로 다르게 휘면 어떤 범프는 접속 자리에 닿지 못하고, 어떤 범프는 이웃과 붙을 수 있습니다. 간격이 좁고 칩이 얇을수록 이 문제가 커집니다.

TCB 본딩, 칩 하나씩 눌러 붙이는 방식

열압착 본딩(Thermo-Compression Bonding, TCB)은 본딩 헤드가 칩을 집어 기판 위의 정확한 자리에 놓은 뒤, 위에서 열과 압력을 함께 가해 접합하는 방식입니다. 한 번에 칩 하나를 처리합니다.

눌러 주는 덕분에 칩이나 기판이 약간 휘어 있어도 범프를 접속 자리에 맞대어 접합할 수 있고, 접합 뒤의 높이도 관리하기 쉽습니다. 헤드가 칩 위에서 가열하므로, 기판 전체를 오븐처럼 오래 달구지 않아도 되는 편입니다.

간격이 좁고 칩이 얇은 곳에서 TCB가 주로 쓰입니다. 얇은 칩을 여러 장 쌓는 적층 메모리가 대표적인 예입니다.

대신 칩 하나마다 가열과 냉각을 거치므로 한 사이클이 길고, 장비도 비싸고 정밀해야 합니다. 이 점이 TCB의 가장 큰 대가입니다.

속도와 정밀도를 맞바꾸는 계산

두 방식의 처리량 차이를 가상의 숫자로 따져 보면 감이 옵니다. 실제 장비의 사이클 타임과 불량률은 제품과 공정마다 크게 다릅니다.

불량률이 이만큼 높아도 매스 리플로우의 양품 수가 훨씬 많으니, 간격이 넓고 칩이 두꺼운 제품이라면 굳이 TCB를 쓸 이유가 없습니다. 반대로 불량 하나가 값비싼 칩 여러 장을 함께 버리게 만드는 제품이라면, 처리량이 낮아도 접합 성공률이 높은 쪽이 이득입니다. 이때 TCB 본딩의 처리량 한계는 비용으로 받아들여야 합니다.

TCB가 매스 리플로우보다 항상 더 좋은 방식이라는 오해가 있습니다. 두 방식은 우열이 아니라 제품의 간격과 두께, 불량 한 건의 손실에 따라 고르는 선택지입니다.

접합 뒤 틈을 메우는 방법의 차이

접합이 끝나면 칩과 기판 사이에 틈이 남고, 이 틈은 수지로 채워 줘야 합니다. 이 수지가 언더필(Underfill)이며, 범프에 걸리는 응력을 나눠 받아 접합부를 지켜 줍니다.

매스 리플로우에서는 보통 접합이 끝난 뒤 액체 수지를 가장자리에 떨어뜨려 모세관 현상으로 틈 안으로 스며들게 합니다. 반면 TCB는 접합 전에 NCF(Non-Conductive Film)라는 필름형 수지를 먼저 붙여 두고, 누르면서 솔더를 녹일 때 틈을 함께 메우는 조합이 쓰이기도 합니다.

간격이 좁거나 칩 사이 틈이 얇으면 액체 수지가 구석까지 채워지기 어렵기 때문에, 미리 놓아 두는 방식이 선택되는 경우가 있습니다. 어떤 수지를 쓸지는 틈의 크기와 사용하는 접합 방식에 맞춰 함께 정해집니다.

TCB 본딩과 매스 리플로우 비교 표

구분	매스 리플로우	TCB
가열 방식	오븐에서 기판 전체를 가열	헤드가 칩 위에서 가열하며 가압
처리 단위	여러 칩을 동시에	칩 하나씩
휨에 대한 대응	접합 중 누르는 힘이 없어 휨의 영향이 큼	압력으로 접촉을 확보
적합한 조건	간격이 넓고 칩이 두꺼운 제품	간격이 좁고 칩이 얇은 제품
접합 보조 소재	플럭스, 접합 후 액체 언더필	NCF나 페이스트를 먼저 올리는 조합도 가능
처리량과 장비 부담	처리량 높음, 장비 부담 낮음	정밀도 높음, 사이클이 길고 장비 부담 큼
놓치기 쉬운 점	휨이 큰 칩에서 접촉 불량	느려서 모든 제품에 쓸 수는 없음

핵심 정리

매스 리플로우는 오븐에서 여러 칩을 한꺼번에 녹이는 빠른 방식이고, TCB 본딩은 칩 하나씩 열과 압력으로 눌러 붙이는 정밀한 방식입니다. 둘을 가르는 기준은 휨을 어떻게 다루는가와 속도를 얼마나 내주는가이며, 간격이 좁고 칩이 얇아질수록 TCB 쪽 비중이 커집니다.

하이패스 차로와 수동 정산 부스처럼, 어느 쪽이 더 우월하다기보다 들어오는 차의 조건에 맞는 차로를 고르는 문제입니다. 반도체에서는 그 조건이 접점 간격과 칩 두께, 그리고 불량 하나가 남기는 손실입니다.

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