구리 pillar 높이가 solder bump 지름보다 중요한 경우
접점 pitch를 줄이면서 solder bump도 작게 만들었더니, 칩 아래로 언더필이 들어갈 높이까지 줄어든다. Copper Pillar Standoff를 쓰는 이유 중 하나는 이 두 치수를 어느 정도 분리하는 데 있다. 구리 기둥이 높이의 일부를 담당하고, 위의 solder는 접합을 담당한다.
녹는 부분과 높이를 지키는 부분
일반적인 solder bump는 reflow 중 녹고 젖으면서 접합 형상이 바뀐다. 구리 pillar의 구리 부분은 그 공정에서 solder처럼 녹아 퍼지는 부분이 아니다. 따라서 작은 solder 양으로 접합하면서도 구리 기둥이 제공하는 높이를 유지할 수 있다.
Huffman·Garrou의 패키징 논문은 이 non-collapsible 구리 구조와 solder cap을 구분하고, fine pitch에서도 높은 standoff를 유지할 수 있다는 점을 설명한다. 이는 실제 조립 높이가 항상 초기 cap 높이까지 그대로 남는다는 뜻은 아니다. IMAPS 2010, Copper Pillar technology
같은 solder 접합 높이의 두 구조
가상 구조 A는 구리 높이 30µm와 최종 solder 접합 높이 10µm를 갖고, B는 구리 높이 15µm와 같은 solder 높이 10µm를 갖는다고 하자. 다른 층과 기준면은 같다고 두면 접합 기준면 사이 높이는 각각 40µm와 25µm다. solder 부분이 두 구조 모두 5µm까지 낮아지는 조립 조건이라면 최종 높이는 35µm와 20µm다.
구리 높이의 차이 15µm는 여전히 남는다. solder 양만 늘려 같은 높이를 얻으려는 방법과 달리, 고체 구리로 높이를 확보한 것이다. 다만 실제 칩 밑의 빈 높이는 passivation, 기판 표면의 단차와 국소 휨까지 반영해야 한다. 위 숫자는 모두 그 영향이 없는 설명용 구조다.
TI 지침은 underfill 선택이 접점 pitch와 조립 뒤 standoff에 달리고, 낮은 높이에는 더 좋은 흐름 특성이 필요하다고 설명한다. 높이를 정한 뒤 재료를 대입하는 관계를 확인할 수 있다. AN-1281, 3절의 Other considerations
평균 높이가 충분해도 일부 틈이 8µm 낮아진다는 가정을 더하면, 처음의 A와 B에서 최소 높이는 32µm와 17µm다. 직경 20µm 구형 filler 하나를 통과시키는 기하학적 여지는 서로 다르다. 하지만 32µm라는 높이만으로 입자 현탁액이 void 없이 채워진다고 판정할 수는 없다. 옆 접점 사이 통로, 점도와 공급 방향도 남는다.
전체 높이가 solder의 변형 길이는 아니다
높은 standoff를 보면 열팽창 차이로 생기는 변형도 전체 높이에 고르게 나뉠 것 같다. 구리 기둥과 solder의 강성이 다르므로 이 계산에는 주의가 필요하다.
자유 열팽창 차이를 보는 가상 예로 칩과 기판의 차이 Δα=12ppm/K, 온도 변화 100K, 중심에서 접점까지 거리 3mm를 놓으면 상대 이동량은 3.6µm다. 이를 전체 높이 40µm와 25µm로 나누면 0.09와 0.144가 나오지만, 두 숫자가 실제 solder의 shear strain이라고 보장되지는 않는다.
극단적으로 구리 기둥은 전혀 휘지 않고 상대 이동 전체를 10µm solder 층이 받는 모델이라면 두 구조 모두 비율은 3.6/10=0.36이다. 실제 조립체에서는 구리의 휨, 패드와 기판, underfill의 하중 분담이 있어 이 극단도 그대로 성립하지 않는다. 두 계산은 전체 gap이 커졌다는 이유만으로 접합 변형을 같은 비율로 줄여 계산할 수 없다는 반례다.
높이와 pitch를 함께 맞춘다
Amkor 기술 시트는 여러 구리 구조와 cap stack-up을 제시한다. 하나의 높이를 모든 pitch에 공통으로 적용하는 대신, 접점 지름과 pad·trace 배치, solder 양을 함께 정해야 하는 구조다. Copper Pillar, Benefits 및 Bump Design Rules
pillar를 높여도 옆 접점 사이 간격은 저절로 커지지 않는다. 높이 균일도와 접촉 가능 범위, 젖음과 접합 뒤 형상도 확인해야 한다. Copper Pillar Standoff는 작은 접점으로도 조립 높이를 확보할 수 있게 해 주지만, 흐름과 기계적 신뢰성은 그 높이가 만들어 낸 실제 구조에서 다시 판단해야 한다.