하이브리드 본딩과 마이크로 범프의 차이: 피치·접속 밀도·평탄도 비교

둘 다 칩과 칩, 또는 칩과 웨이퍼를 다수의 단자로 수직 연결하는 기술입니다. 마이크로 범프는 구리 기둥 끝 등에 붙인 작은 솔더를 녹여 접합하므로, 솔더가 삐져나와 이웃과 연결되지 않도록 간격이 필요하며 피치는 수십 µm가 기준입니다. 하이브리드 본딩은 솔더를 사용하지 않고 평평하게 연마한 구리 전극과 절연막의 면끼리 직접 접합하므로, 피치를 10 µm 미만으로 할 수 있어 접속 밀도를 자릿수가 다르게 높일 수 있습니다. 그 대신 접합면에는 나노미터 수준의 평탄도와 청정도가 요구됩니다.

비교 항목하이브리드 본딩마이크로 범프
접합 방법구리 전극끼리와 절연막끼리를 면으로 직접 접합함구리 기둥 등에 붙인 솔더 범프를 가열해 접합함
솔더사용하지 않음사용함
접속 피치 기준10 µm 미만. 수 µm까지 좁힐 수 있음수십 µm. 좁아도 약 20 µm 정도
접속 밀도(1 mm²당)약 1만(10 µm 피치)~십수만(3 µm 피치)수백(40 µm 피치)~수천(20 µm 피치)
표면 평탄도·청정도나노미터 수준의 평탄도가 필요. 작은 파티클로도 접합되지 않는 보이드가 생김솔더가 높이 편차를 흡수하므로 그다지 엄격하지 않음
칩 사이틈이 없어 언더필이 불필요틈이 생기므로 언더필이나 수지 필름으로 메움
주요 공정CMP로 평탄화 → 세정·플라즈마로 활성화 → 정렬 후 접합 → 어닐(대표적으로 수백 ℃)로 구리끼리 접합도금으로 범프 형성 → 정렬 → 열압착(TCB)이나 리플로로 접합 → 언더필
접합 단위웨이퍼 대 웨이퍼, 또는 칩 대 웨이퍼칩 단위(칩 대 웨이퍼, 칩 대 칩)가 중심
전기 특성접합부가 매우 짧고 기생 용량이 작음. 1비트 전송에 필요한 에너지가 작음범프만큼 기생 용량이 커서 하이브리드 본딩보다 불리함
주요 용도적층형 이미지 센서, 프로세서 위에 캐시용 SRAM 적층 등HBM의 DRAM 적층, 인터포저 위 칩의 접속 등

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

하이브리드 본딩
칩 사이에서 매우 많은 배선을 짧고 낮은 전력으로 연결하고 싶을 때. 화소와 로직의 적층이나 프로세서와 메모리의 적층 등 10 µm 미만의 피치가 필요한 경우.
마이크로 범프
수십 µm의 피치로 충분할 때. 실적 있는 공정으로, 평탄화나 청정도의 엄격한 관리 없이 칩을 적층하거나 인터포저에 탑재하고 싶은 경우.
추세
더 좁은 피치와 높은 대역폭이 요구되는 용도부터 마이크로 범프를 하이브리드 본딩으로 대체하는 움직임이 진행되고 있지만, 비용과 수율 측면에서 두 방식이 구분되어 사용되고 있습니다.

자주 묻는 질문

하이브리드 본딩에서 피치를 훨씬 좁게 할 수 있는 이유는 무엇인가요?

솔더를 사용하지 않기 때문입니다. 마이크로 범프에서는 녹은 솔더가 이웃 범프와 연결되지 않도록 간격이 필요하지만, 하이브리드 본딩은 구리 전극이 절연막에 매립된 평평한 면끼리 접합하므로 그런 제약이 없습니다. 접속 수는 피치의 제곱에 반비례하므로, 피치를 1/10로 하면 밀도는 100배가 됩니다.

접합면에 높은 평탄도와 청정도가 필요한 이유는 무엇인가요?

면끼리 직접 접합하므로, 요철이나 파티클이 있으면 그 주위가 떠서 접합되지 않는 공동(보이드)이 생기기 때문입니다. 작은 입자 하나도 훨씬 넓은 범위의 접합을 방해할 수 있으므로 CMP와 세정, 청정 환경의 관리가 중요합니다.

‘하이브리드’란 무엇과 무엇을 조합한 것인가요?

절연막끼리의 접합과 구리 전극끼리의 접합을 같은 공정에서 동시에 수행하는 것을 가리킵니다. 먼저 절연막끼리 접합되고, 이후 가열로 구리가 팽창해 구리끼리 밀착하고 확산해 일체가 됩니다.

마이크로 범프는 더 이상 사용되지 않게 되나요?

당장 없어지지는 않습니다. 마이크로 범프는 실적 있는 공정이고 평탄도나 청정도의 요구가 느슨하며, 수십 µm의 피치로 충분한 용도가 많기 때문입니다. 필요한 피치, 대역폭, 비용, 수율에 따라 구분해 사용되고 있습니다.

이해도 확인

하이브리드 본딩에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A솔더 범프를 크게 하여 접속 신뢰성을 높이는 기술
  2. B와이어를 두 가닥씩 사용하여 연결하는 기술
  3. C범프를 사용하지 않고 구리 전극과 절연막의 면끼리 직접 접합하여 매우 높은 밀도로 연결하는 기술
정답과 해설 보기

정답: C. 범프를 사용하지 않고 구리 전극과 절연막의 면끼리 직접 접합하여 매우 높은 밀도로 연결하는 기술

하이브리드 본딩은 칩이나 웨이퍼의 표면을 CMP로 평탄화한 뒤, 구리 전극끼리와 절연막끼리를 동시에 직접 접합하는 기술입니다. 솔더 범프를 사용하지 않으므로 접속 피치를 10 µm 이하, 나아가 수 µm 수준까지 좁힐 수 있어 1 mm²당 접속 수를 자릿수 단위로 늘릴 수 있습니다. 적층형 이미지 센서에서 실용화되었고, 프로세서와 캐시의 적층이나 HBM에도 적용이 진행되고 있습니다.

TSV로 적층한 칩끼리, 또는 칩과 인터포저의 접속에 사용되는, 일반 솔더 볼보다 훨씬 작은 범프를 무엇이라 하는가?

  1. A마이크로 범프
  2. BBGA의 솔더 볼
  3. C리드
정답과 해설 보기

정답: A. 마이크로 범프

마이크로 범프는 수십 µm 정도의 피치로 배열된 직경 10~수십 µm의 매우 작은 범프로, 칩 간의 다수 접속에 사용됩니다. HBM의 DRAM 다이 적층이나 인터포저 위 칩의 접속 등에 사용되며, 열압착 본딩으로 접합하는 경우가 많습니다. BGA 솔더 볼의 피치는 0.4~1 mm 정도입니다. 더 좁은 피치가 필요한 경우에는 하이브리드 본딩이 사용됩니다.

하이브리드 본딩에서 접합하는 면에 요구되는 조건으로 올바른 것은?

  1. A표면을 거칠게 해 두는 것
  2. B나노미터 수준의 매우 높은 평탄성과 청정도
  3. C표면에 두꺼운 유막이 있는 것
정답과 해설 보기

정답: B. 나노미터 수준의 매우 높은 평탄성과 청정도

하이브리드 본딩은 범프를 사용하지 않고 구리 전극과 절연막의 면끼리 직접 접합하므로, 접합면의 요철이 나노미터 이하여야 하고 파티클이나 오염이 없어야 합니다. 100 nm 정도의 입자 하나만 있어도 그 주위에 직경 수 mm의 접합되지 않는 공동(보이드)이 생길 수 있습니다. 그래서 CMP와 세정 기술, 높은 청정도의 환경이 중요합니다. 거친 면이나 유막은 접합을 방해합니다.

  1. 구리와 절연막에 의한 하이브리드 본딩에서 구리 전극끼리 접합되는 원리로 올바른 설명은?
  2. 하이브리드 본딩 방식 중, 테스트에서 양품으로 판정한 칩만 골라 상대 웨이퍼에 접합할 수 있는 방식은?
  3. 칩과 기판을 가열·가압하면서 하나씩 접합하며, 휨이 큰 얇은 칩이나 좁은 피치 범프의 접속에 사용되는 방법은?

첨단 패키징(3D와 칩렛) 문제 풀기

주요 용어 설명

하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)
범프를 쓰지 않고 구리 전극과 절연막 면끼리 직접 접합하는 기술. 매우 좁은 피치로 많은 연결이 가능하다.
마이크로 범프(Micro Bump)
TSV로 적층한 칩끼리 또는 칩과 인터포저의 연결에 사용되는, 일반 솔더 볼보다 훨씬 작은 범프. 피치는 수십 µm 정도이다.
TSV(실리콘 관통 전극)
실리콘 기판을 관통하는 전극. 적층한 칩끼리 상하로 짧은 거리에서 연결한다.
CMP
화학 기계 연마. 슬러리의 화학 작용과 패드의 기계적 연마를 결합해 웨이퍼 표면을 평탄화한다.
HBM
여러 개의 DRAM 다이를 TSV로 적층하고 매우 넓은 버스 폭으로 높은 대역폭을 구현하는 메모리.

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