Fan-In WLP에서 UBM은 RDL과 범프(Bump)의 금속 접합을 안정적으로 구현하기 위해 필수적으로 형성하는 금속 스택 구조입니다. UBM의 두께, 재료 구성, 웨트팅(Wetting) 품질, 금속 확산 방지 능력은 범프 형성 이후 리플로우 신뢰성과 기계적 강도를 결정합니다.
앞선 단계인 PSV(Passivation)에서 패드 오픈이 정확하게 이루어져야 UBM이 균일한 면적과 두께로 형성되며, 이는 Bump Formation의 품질을 좌우합니다.
[PSV 공정 설명 보기]
1. UBM 공정의 역할
1.1 금속 접합 플랫폼 제공
UBM은 범프가 부착될 접합 금속의 기반층 역할을 합니다.
UBM이 없으면 다음 문제가 발생합니다.
- 솔더가 Al Pad 또는 RDL 금속과 직접 반응하여 접합층이 불안정해짐
- 확산속도 증가로 인해 IMC(금속간화합물)가 과도하게 성장
- 리플로우 후 접합 강도 저하
따라서 UBM은 접합의 안정성 확보를 위한 금속 구조물입니다.
1.2 확산 방지(Barrier)
UBM의 핵심 기능은 Ni(Nickel) 층이 금속 확산을 차단하는 것입니다.
Ni Barrier는 다음을 방지합니다.
- Cu가 솔더 내부로 과도하게 확산
- Sn이 RDL로 역확산
- 두 금속 간 부정형 IMC 성장
Ni층은 SnAg 솔더 사용 환경에서 신뢰성 유지에 가장 중요한 금속층입니다.
1.3 솔더 젖음성(Wetting) 확보
Ni 위에 도금되거나 스퍼터링된 Cu(Capping Layer)는
솔더 웨트팅성을 높여 균일한 범프 볼륨을 형성합니다.
2. UBM 구조
UBM은 일반적으로 다음과 같은 2~3중 금속 스택으로 구성됩니다.
2.1 Ti / TiW (Adhesion Layer)
- 절연막(PSV)과 니켈층(Ni) 사이의 밀착력을 높이기 위한 층
- PSV 표면의 Chemical 접착력을 확보하는 기능
- 일반 두께: 50~200 nm
2.2 Ni (Barrier Layer)
- Cu–Sn 확산을 차단하는 핵심 구조
- SnAg 솔더 환경에서 IMC 형성속도 제어
- 일반 두께: 3~10 µm
2.3 Cu (Capping Layer)
- 솔더 젖음성 향상을 위한 상부층
- 리플로우 시 솔더와 쉽게 반응해 균일한 범프 형성을 유도
- 일반 두께: 0.2~1 µm
이 구조는 솔더볼뿐 아니라 Cu Pillar 기반 범프에서도 동일하게 사용됩니다.
3. UBM 공정 흐름
3.1 표면 준비(Surface Pre-treatment)
PSV 오픈 후 패드 표면에는 산화막 및 유기물 잔사가 남을 수 있습니다.
이를 제거하기 위해 다음 공정을 수행합니다.
- Wet Cleaning
- Ar / O₂ Plasma Cleaning
Cleaning 품질이 낮으면 금속 박리, 비젖음 불량이 발생합니다.
3.2 금속 스퍼터링(Sputtering)
Adhesion Layer(Ti/TiW), Ni Barrier Layer, Cu Capping Layer를
순차적으로 스퍼터링합니다.
중요 요소:
- 계면 밀착력 확보
- 두께 균일도 확보
- Target contamination 관리
3.3 PR 코팅·노광·현상
UBM 금속이 남아야 할 영역을 정의하는 단계입니다.
정렬 정확도는 패드 오픈과 일치해야 하며,
정합 불량이 발생하면 범프 위치가 틀어질 수 있습니다.
3.4 금속 식각(Metal Etching)
PR 패턴을 마스크로 사용해 불필요한 UBM 금속을 제거합니다.
Ni 식각 조건은 UBM 품질을 크게 좌우합니다.
주의할 점:
- 과식각(over-etch)은 패드 손상
- 부족 식각(under-etch)은 UBM 변형 및 단차 발생
3.5 PR Strip(제거)
식각 후 PR을 제거하여 최종 UBM 패턴을 노출시킵니다.
4. UBM 공정에서 발생하기 쉬운 주요 불량
4.1 UBM 금속 박리(Delamination)
원인:
- PSV 표면 Cleaning 불량
- Adhesion Layer(Ti/TiW) 스퍼터링 불량
결과: - 범프 접합 강도 저하
- Reflow 후 Lift-off 발생
4.2 Barrier Layer 불량
Ni Barrier 두께 부족 또는 결함은
Cu–Sn 확산을 막지 못해 IMC가 비정상 성장합니다.
4.3 Capping Layer 비젖음
Cu 표면 산화 또는 세정 불량으로 인해
솔더가 퍼지지 않고 Ball Collapse가 발생합니다.
4.4 UBM 패턴 치수 불량
오픈 정합이 맞지 않으면
- 범프 직경 변형
- 접합 단면적 감소
- Height 편차 증가
로 이어집니다.
5. UBM 이후 공정과의 연결
5.1 Bump Formation(구 Ball Drop)
UBM 위에서 솔더 범프가 형성되므로
UBM의 평탄도·두께·금속 청정도는 범프 품질의 기준이 됩니다.
UBM 불량 → 범프 비젖음 → 접합 강도 저하로 이어지는 구조입니다.
5.2 패키지 조립(Assembly)
UBM–Bump 인터페이스 품질은
SMT 실장 또는 패키지 적층 시
전기적 접속 신뢰성에 결정적인 영향을 줍니다.
6. 마무리
Fan-In WLP 구조에서 UBM은 단순한 금속층이 아니라
범프 접합을 위한 플랫폼이자 확산·젖음성을 제어하는 핵심 구조입니다.
특히 Ni Barrier 품질과 PSV와의 계면 접착력은 WLP 전체 신뢰성을 결정합니다.
UBM 공정을 안정적으로 관리하면 범프 형성과 리플로우 이후 접합 품질까지
전체 공정이 안정된 상태로 유지됩니다.