환경 규제에 따라 무연 솔더를 사용하게 되면서 각종 어플리케이션에 전기 도금을 통해 증착되는 SnAg가
널리 사용되고 있다. 하지만 여러 요구 사항을 충족하면서 각기 다른 어플리케이션에 적용하는 부분에서 어려움이 있었다.
이에 다우전자재료는 Bump내 Silver 조성의 엄격한 제어, Bump높이 분포의 균일성, 부드러운 표면 같은 핵심 성능 특성에
영향을 주지 않으면서도 매우 다양한 도금 속도로 SnAg도금이 가능한 SnAg 도금 약품을 개발했다.

Flip-Chip, Wafer Level Packag-ing 및 3D TSV(Through Silicon Via) 같은 Advanced Packaging Application은 대개 Interconnect 구조의 핵심 요소로 Lead Free Solder Joint를 사용한다.
새로운 패키징 기술이 검증되고, 공정의 관리 범위(process window)가 계속 넓어짐에 따라, 도금 약품은 비용 경쟁력을 유지할 수 있도록 Mush-room Bump에서부터 In-via Bump, 그리고 Cu Pillar Capping에 이르는 다양한 어플리케이션에 문제없이 활용될 수 있어야 한다.
이와 동시에 도금 약품은 약 70㎛ 높이의C4 Bump에서부터 직경이 20㎛인 Micro Cu Pillar에 이르는 각기 다른 구조에 대한 요건 또한 만족시켜야한다.
더불어 업계의 3D TSV 기술이 더욱 발전해 나가려면 고성능 Lead-free Solder Bump를 생성할 수 있는 도금 약품이 필수적이다.
새로운 소재 기술의 발전으로 인해 Lead-free Solder는 기존에 사용하던 납(Pb) 기반 솔더의 훌륭한 대안으로 떠오르고 있다.
새롭게 제정되는 표준에 맞춰, 전자 업계가 중금속을 사용하지 못하게 되면서 무연 소재로 전환하는 것이 하나의 필요조건으로 자리 잡게 된 것이다.
이러한 어플리케이션에서는 일반적으로 전기 도금을 통해 증착되는 SnAg가 가장 널리 사용되는데, 다른 소재보다 비용이 저렴하면서도 안정성이 뛰어나다는 특징이 있다.
반면, SnAg 도금 약품이 직면한 가장 큰 문제 중 하나는 서로 다른 여러 가지 요구 사항을 충족시키면서도 다양한 어플리케이션에 적용시켜야 하는 것이다.
이번에 새롭게 개발된 SnAg 도금 약품은 Bump내 Silver 조성의 엄격한 제어, Bump 높이 분포의 균일성, 부드러운 표면 같은 핵심 성능 특성에 영향을 주지 않으면서도 매우 다양한 도금 속도로 SnAg 도금이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
다우전자재료의 SOLDERON™ BP TS 6000 SnAg 도금 약품은 한 가지의 약품 조건으로 기존의 공정을 변경하지 않고 다양한 어플리케이션에 쉽게 적용할 수 있다는 것을 양산 공정에서 검증했다.
특히 직경 20∼25㎛ 및 Bump Pitch 50㎛의 고급 어플리케이션에 적합하며, 이보다 더 작은 Pitch 및 직경도 전기 도금을 통해 처리할 수 있다.
칩의 기능이 점점 정교해져 감에 따라 I/O 집적도도 높아지고 있다. 이는 전기 도금으로 형성되는 Bump가 3D 적층용 혹은 Flip-chip Bumping용에 관계없이 동일하게 해당되는 내용이다.
따라서 이렇게 높아진 집적도의 모든 I/O에서 안정적인 접점을 보장하기 위해서는  Bump높이의 균일도를 확보해야 하며, 이는 어셈블리 (Assembly Process)의 수율에 매우 중요한 영향을 미친다.
SnAg 도금 약품의 또 다른 요구 사항은 빠른 도금 속도에서도 마찬가지로 양호한 균일도(Bump Uniformity)를 낼 수 있어야 한다는 점이다. 이번 신제품 개발 시에는 특히 도금 속도가 빠른 조건에서의 주/보조 첨가제(Suppressor)를 평가 후 결정했다.
어떤 첨가제의 경우 균일도 면에서 양호한 결과를 보일 수 있지만 다른 여러 가지 평가 측면에서도 그 첨가제가 반드시 좋은 결과를 장담할 수 없다. 또한 이렇게 선택된 첨가제는 넓은 범위의 다양한 어플리케이션에 맞게 조정되어야 하는 요건도 필요하게 된다. 이러한 방식으로 첨가제를 선택하는 일은 끝없이 반복될 수밖에 없는 과정이다.
하지만 정말 뛰어난 첨가제라 한다면 연결되는 모든 문제를 충족할 수 있을 것이다. Bump의 균일도를 설명한 것은 패키지의 높은 수율을 달성하는데 필요한 하나의 요소를 예를 들어 설명한 것이며, 최종적인 도금 약품은  프로세스 상에서 요청되는 모든 뛰어난 성능을 만족시킬 수 있게 설계되어야 한다.
개발 공정의 핵심 부분은 수율 및 처리량에 대한 설계 행렬의 모든 요구 사항을 고려하고, 첨가제를 선택하여 고속 도금에 적합한 조건과 양호한 Bump 높이를 제공하는 올바른 기술을 확인하는 일이다.
새롭게 개발된 도금 약품은 컴플렉서(Complexer)와 주/보조 첨가제(Primary/Secondary)의 세 부분으로 이루어진 첨가제 시스템으로 구성되는 MSA 기반의 SnAg 전해조이다.
이 욕조는 As-plated 상태에서의 부드러운 표면 상태, Ag 조성 제어, 다이 내(WID, Within-die) 그리고 웨이퍼 내(WIW, Within-wafer) 높이 균일도 등의 안정성 및 호환성을 갖춘 Bump를 형성할 수 있게 해준다.
따라서 이 기술은 유연성과 다양성을 바탕으로 고속과 저속의 모든 도금 속도를 실현하며 서로 다른 Bump 크기를 만들어 낼 수 있다.
특히, 다양한 전류 밀도 범위에서 300㎜ 웨이퍼 전반에 걸쳐 일정한 Bump 높이를 형성하도록 WID와 WIW의 균일도를 각각 5%와 10% 미만으로 유지한다(그림 1).

그림 1. Die 및 Wafer 내의 균일한 도금 높이

SOLDERON™ BP TS 6000 SnAg는 이러한 이점을 바탕으로 Flip-Chip/C4 제조 공정에 맞게 조정되었으며, 그 결과 PKG 제조업체의 제조비용(CoO, Cost of Ownership)을 개선했다.
이에 따라 PKG 제조업체는 새로운 도금 장비의 투자와 확장된 팹 인프라에 대한 자본 비용 지출(CAPEX)도 줄일 수 있게 되었다. 이 도금 약품에 고속 기능을 더함에 따라 제조회사들은 현재와 동일한 풋프린트(Foot-Print)를 유지하면서 제조 성과를 늘릴 수 있게 된 것이다.
올바른 방향의 기술 개발은 하나의 단편적인 부분이며, 다른 방향에서 도금 약품이 다른 화학 물질과 상호 작용하는 방식을 이해하는 것 또한 필수적이다. Bump의 균일도는 전기 도금이 진행되는 과정 동안 확정되게 된다.
그러나 범핑 공정 중에 SnAg 도금 약품과 접촉하게 되는 포토레지스트(Photo Resist)는 양호한 Bump 균일도를 유지하는 데 핵심 역할을 한다.  포토레지스트가 도금 약품에서 녹으면 솔더 자체의 성능이 떨어질 수 있기 때문이다.
하지만 적절한 전해질(Electrolyte) 및 첨가제 시스템을 사용하면 포토레지스트가 도금 약품에서 녹는 것을 방지할 수 있다. 적절한 농도 등의 조건이 설정된다면 도금 약품의 성능은 고객이 사용을 결정하는 포토레지스트 유형에 영향을 받지 않으며 Bump 균일도를 유지할 수 있게 해준다.
따라서 이 이상적인 SnAg 도금 약품이 포지티브 톤 포토레지스트에서 네거티브 톤 드라이 필름(Negative-tone Dryfilm)에 이르는 모든 유형의 포토레지스트와 함께 사용할 수 있으며, 특정 포토레지스트만을 사용해야 하는 제약이 없어지게 된다(그림 2).

그림 2. 광전 센서의 종류

이는 또 다른 이점과 함께 다음 그림과 같은 다양성을 보여준다.
Micro Capping 어플리케이션과 같은 구조의 경우 X-ray 검사 및 FIB-SEM 단면 이미지를 통해 Micro 및 Macro Void-Free성능을 확인할 수 있다.
이러한 모습은 다양한 직경과 Mu- shroom 및 In-via 형태, Standard Copper Pillar 및 Micro Capping 전반에 걸쳐 드라이 필름 포토레지스트와 액상 포토레지스트에서 모두 동일하게 관찰됐다(그림 3).

그림 3. ‌Bumpint 및 Capping 어플리케이션에 대해 X-Ray 검사 및 FIB-SEM을 통해 확인한 SOLDERONTM BP TS 6000의 Micro 및 Macro Void-Free 결과

도금 약품에 대한 공정 온도, 전류 밀도 및 기타 파라미터는 약품의 성능에도 영향을 줄 수 있다. 하지만 이 역시 제품의 유연성 문제로 다시 돌아오게 된다. 앞서 언급했듯이, 이 도금 약품의 개발 목표 중 하나는 기존에 출시된 다른 도금 약품에 비해 매우 넓은 관리 범위에서 동작해야 한다는 점이었다. 약품에 대한 열 노화 성질(Ther-mal Aging)을 실험한 결과, 40°C에서 6주 이상 보관 후 도금 시에도 안정적인 Ag 조성이 유지됨은 물론 Bump의 매끄러운 형태가 유지되고 보이드가 발견되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
또한 탱크 용량을 유지할 만큼의 소모 성분 보충 및 배출량을 관리하면서 노화 실험(Aging Test)을 진행한 결과에서도 100AHr/L 이후 도금된 Bump의 균일도와 Ag 조성 역시 안정적인 것으로 나타났다(그림 4).

그림 4. 열 및 전해조 노화 실험 결과

3D TSV 적층형 IC가 지금보다 더 보편화 되는 시점에는 SnAg 도금 약품의 다재성과 유연성이 훨씬 더 중요하게 부각될 것이다. 동일한 3D 적층 패키지 내에서 SnAg약품이 많이 사용되기 때문이다.
고객의 요구 사항을 충족하려면 동일한 약품 농도와 성분 조건에서 단지 공정 파라미터만 변경함으로써 원하는 도금 결과를 얻어낸 다음, 서로 다른 부품에서 각기 다른 기능을 수행할 수 있어야 한다.
SOLDERON™ BP TS 6000 기술의 다재성은 Bump 성능의 요구 사항을 충족하는 것 외에, 3D TSV의 CoO를 낮추는 데에도 도움이 된다. 또한 약품의 수명이 길기 때문에 웨이퍼 처리량이 늘어나면서 CoO가 절감된다.
CoO와 관련하여 현재 개발 중인 또 다른 측면은 도금 욕조의 사용자 설정을 최소화하도록 각 고객의 특정 공정에 최적화한 RTU(Ready-to-Use) 기술이다. 이 기술은 약품의 도금 효과를 극대화하도록 약품 분석 및 관리에 대한 온라인 계측 방법을 제공한다.
지난 수년간 반도체 업계에서는 솔더 도금을 당연 시 해 왔다. 하지만 현실적으로, 범핑 전문 업체 또는 공급 업체가 다양한 제품 포트폴리오를 처리해야 하는 경우 마이크로범핑 어플리케이션만으로 공정을 설계할 수는 없다.
기술과 요구는 항상 겹치기 마련이다. 예를 들어 Micro Bump타입의 초점은 정밀 도금이지만 C4타입 Bump는 처리량과 관련이 있다. 또한 이러한 모든 작업을 하나의 화학 약품으로 수행해야 한다. 일단, 특정 고객에 맞는 화학 약품을 지정하기만 하면 특정 어플리케이션을 위한 추가 조정 작업은 필요 없다.
이는 차세대 컨슈머 기기를 구현하기 위한 TSV 기술과 관련하여, 탁월한 소재가 C4에서 20㎛ 직경의 Micro Pillar에 이르는 다양한 Bumping 어플리케이션 전반에 걸쳐 어떻게 CoO를 줄일 수 있는지를 여실히 보여주는 사례라 할 수 있다.

Jeff Calvert, Masaaki Imanari, 김윤주, 이인호, 이일학  다우전자재료