이전 글에서 반도체 공정 중 패키지와 테스트 공정에 대한 기초적인 내용을 간략하게 포스팅 해보았습니다.
아직 못 보신 분들은 아래 링크 통하여 바로 읽어보실 수 있으십니다.
2024.01.05 - [반도체 이야기/반도체 이론] - 반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (1)
반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (1)
개인적인 일로 블로그 포스팅에 소홀하였습니다. 새해를 맞이하여... 다시 공부하면서 포스팅을 천천히 해보려고 합니다. 2024년 첫 글은 반도체 후공정에 대한 기초를 다시 한번 복습하는 포스
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2024.01.07 - [반도체 이야기/반도체 이론] - 반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (2)
반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (2)
지난 글에서 반도체 제조 공정 중에 테스트와 패키지에 대한 글을 작성하였습니다. 2024.01.05 - [반도체 이야기/반도체 이론] - 반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (1) 반도체 후공정 : 반도체 테
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이번 포스팅에서는 반도체 패키지 공정에 대해서 좀 더 세부적인 내용을 포스팅 해보려고 합니다.
패키지 공정이 중요하다는 말은 많이 들었는데, 도대체 패키지 공정이 뭐고 왜 중요한걸까요?
이번 포스팅의 내용
- 반도체 패키지의 정의
- 반도체 패키지의 역할
- 반도체 패키지의 개발 트렌드
- 반도체 패키지 개발 업무 과정
반도체 패키지의 정의
패키징 기술은 모든 전자제품의 하드웨어 구조물과 관련된 기술이며 하드웨어 구조물은 반도체 소자, 저항, 캐패시터 등의 소자를 의미합니다.
패키지 기술은 그 범위와 순서에 따라 0차 레벨 패키지부터 3차 레벨 패키지까지의 체계로 구분할 수 있는데요.
웨이퍼에서 칩을 잘라내는 것을 0차, 칩을 단품화 하는 것은 1차, 단품을 모듈 또는 카드에 실장하는 것을 2차, 그리고 단품과 모듈이 실장된 카드를 시스템 보드에 장착하는 것을 3차 레벨 패키지라고 합니다.
아래 그림을 통해 실리콘 웨이퍼에서 단일 칩을 잘라내고 (0차), 이를 단품화하여 모듈 (Module)을 만들고 (1차), 모듈을 카드 또는 보드에 장착하여 (2차) 시스템 보드에 장착되는 (3차) 일련의 과정들을 찾아보실 수 있습니다.
반도체 패키지의 역할
반도체 패키지는 내용물의 기계적 보호 (Protection), 전기적 연결 (Electrical Connection), 기계적 연결 (Mechanical Connection), 열 방출 (Heat Dissipation) 등의 4가지 역할을 한다고 할 수 있습니다.
패키지의 사전적 의미는 포장된 물품이라고 해석할 수도 있죠. 우리는 왜 물건을 포장하여 사용할까요?
여러 이유가 있겠지만 당연하게도 가장 큰 이유 중 하나는 내용물을 보호하기 위함입니다.
반도체의 패키지 공정도 이와 마찬가지라고 할 수 있으며, 여기서 내용물이란 반도체의 칩, 소자 등을 말합니다.
반도체 패키지는 반도체 칩, 소자를 EMC (Epoxy Mold Compound)와 같은 패키지 재료로 감싸서 외부의 기계적 및 화학적 충격으로부터 보호하는 역할을 합니다.
반도체 칩은 수백 단계의 웨이퍼 공정을 통해 메모리, 로직 등의 기능을 할 수 있게 만들어졌지만 기본적인 재료는 실리콘 입니다.
우리가 잘 알고있는 것처럼 실리콘은 유리 조각처럼 쉽게 깨질 수 있는데요. 그리고 웨이퍼 공정으로 형성된 구조체들 역시 기계적, 화학적 충격에 취약합니다. 그래서 패키지 공정을 별도로 진행하여 외부 요인으로부터 칩들을 보호해야 하는 것이죠.
그리고 패키지는 물리적, 전기적으로 칩을 시스템에 연결하는 역할을 하기도 합니다.
전기적으로는 칩과 시스템을 연결해 칩에 전원을 공급하고, 원하는 기능을 할 수 있도록 신호를 입력하거나 출력할 수 있는 통로를 만들어야 하구요. 기계적으로는 칩이 사용되는 동안 시스템에 잘 부착될 수 있도록 연결되어 있어야 합니다. 또 그와 동시에 칩, 소자에서 발생하는 열을 빠르게 발산시켜 주어야 하구요.
반도체 제품이 동작한다는 것은 내부적으로 전류가 흐르고 있다는 말입니다. 전류가 흐르면 필연적으로 저항이 생기며 그에 따른 열이 생길 수 밖에 없죠.
아래 그림과 같이 반도체 패키지는 칩을 완전히 둘러싸고 있는 형태를 하고 있습니다. 이때 패키지가 열을 잘 발산하지 못하면 칩이 과열되고 내부 트랜지스터의 온도가 동작 가능 온도 이상으로 올라가 결국 트랜지스터의 동작이 멈추는 상황이 발생할 수도 있습니다.
그러므로 반도체 패키지는 효과적으로 열을 발산해주는 역할이 필수적입니다.
반도체 제품의 속도가 빨라지고, 기능이 많아짐에 따라 패키지의 냉각 역할의 중요성은 점점 더 커지고 있는 이유인 것이죠.
반도체 패키지의 개발 트렌드
반도체 패키지는 당연히 패키지의 기본 역할을 잘 할 수있도록 기술이 발전되고 있습니다.
최근의 트렌드는 열 방출의 역할을 잘하기 위해서 열전도도가 좋은 재료를 개발했고, 반도체 패키지 구조도 열 방출을 잘 할수있도록 설계 및 제작되고 있습니다.
고속 전기 신호 전달 (High Speed) 특성을 만족시킬 수 있는 반도체 패키지 기술 개발도 중요한 트렌드인데요.
만약 20Gbps* 속도까지 나올수 있는 칩/소자를 개발하였는데, 그것에 적용되는 반도체 패키지 기술이 2Gbps 속도만을 대응할 수 있다고 하면 결국 시스템에서 인지하는 반도체 제품의 속도는 20Gbps가 아닌 2Gbps 입니다.
(*Gbps: Giga bit per second의 약자. 초당 이동하는 기가 비트 정보량을 의미)
칩이 아무리 속도가 빠르다고 해도 시스템으로 나가는 전기적 연결 통로는 패키지에서 만들어지기 때문에 반도체 제품의 속도는 결국 패키지에 큰 영향을 받을 수 밖에 없습니다.
그러므로 칩의 속도가 빨라졌다면 그에 대응하는 반도체 패키지도 빠른 속도로 구현되는 기술로 개발되어야 하는 것입니다.
이러한 경향은 최근 인공지능 및 5G 무선통신 기술에서도 더욱 도드라지고 있는데요.
플립칩 (Flip chip) 패키지 기술, 실리콘 관통 전극 (TSV, Through Silicon Via) 을 이용한 패키지 기술 등이 모두 고속 특성을 위해 개발된 패키지 기술입니다.
3차원 반도체 적층 (Stacking) 기술은 반도체 패키지 기술 중에서도 획기적으로 중요한 트렌드입니다.
기존에 반도체 패키지는 하나의 칩 만을 패키징하였지만, 이제는 한 패키지에 여러 개의 칩을 넣은 MCP (Multichip Package), SiP (System in Package) 기술들이 개발되었습니다.
또 하나의 패키지 기술 개발 트렌드는 소형화 입니다.
반도체 제품들이 모바일뿐만 아니라 웨어러블 (Wearable)로 까지 적용 범위가 넓어지면서 소형화는 고객의 중요한 요구 사항이 되었는데요. 그러므로 이를 만족시키기 위해서 패키지 크기를 줄이는 기술 개발이 많이 이루어져 왔습니다.
반도체 제품들은 점점 더 다양한 환경에서 사용되고 있습니다. 일상적인 환경에서뿐만 아니라 열대우림, 극지방, 심해에서도 사용되고 있고 당연히 우주에서도 사용되고 있죠.
패키지의 기본 역할이 칩/소자의 보호 (Protection)이므로 이런 다양한 환경에서도 반도체 제품이 정상적으로 동작할 수 있도록 신뢰성 (Reliability)이 높은 패키지 기술이 개발되어야 합니다.
동시에 반도체 패키지는 곧 최종 제품이므로 원하는 기능을 잘 발휘하면서도 제조 비용까지 낮출 수 있는 기술개발이 중요합니다.
반도체 패키지 기술: WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package), TSV (Through Si Via)
WLCSP의 의미 기존의 패키지 기술은 웨이퍼 상태에서의 팹 공정이 끝난 후 웨이퍼의 각 제품의 칩을 낱개로 분리해서 진행되는 데 비해, 웨이퍼 레벨 (Wafer Level) CSP는 팹 공정을 이용하여 패키지
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2023.03.27 - [반도체 이야기/반도체 이론] - 선행 패키지 공정 (Package Process): Flip Chip Package, RDL
선행 패키지 공정 (Package Process): Flip Chip Package, RDL
반도체 공정 중 제일 마지막 공정인 패키지 공정은 별도의 기술이 필요없고 불량률이 낮은 공정이라고 생각하실 수도 있겠습니다만 반도체 칩의 크기가 작아지고 발열량을 줄이는 것이 점점 중
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반도체 패키지 개발 업무 과정
반도체 패키지 개발은 2가지 경우로 나눌 수 있습니다.
첫번째는 반도체 칩이 새로 개발되어 그 것을 반도체 패키지로 만들어 평가를 통해 개발을 완료하는 것이고,
두번째는 새로운 반도체 패키지 기술을 개발하이 위해 기존의 칩을 새로운 패키지 기술로 검증/개발 하는 것입니다.
일반적으로 새로운 칩을 개발하면서 동시에 새로운 패키지 기술을 같이 적용하는 경우는 없습니다.
왜냐하면 칩도 새로운 기술이고 패키지도 검증되지 않은 기술이면 패키지 후 불량이 발생했을 때 원인을 찾는 것이 너무 어렵기 때문입니다.
그래서 새로운 반도체 패키지 기술은 불량이 거의 없는 기존 양산칩에 적용해서 패키지 기술만을 검증하는 방법으로 개발하고 있습니다. 그리고 이렇게 검증된 패키지 기술을 새로운 칩을 개발할 때 적용하여 반도체 제품을 개발하는 것입니다.
첫번째 경우가 반도체 칩이 새로 개발될 때 기존의 반도체 패키지 기술을 적용하여 개발한다고 설명하였는데요. 반드시 칩 설계 과정 중에 패키지 기술과 결합하여 전체적으로 특성이 최적화될 수 있도록 설계되어야 합니다.
그 때문에 칩이 설계되기 전에 이 칩이 실제 패키지가 가능한지를 패키지 부서에 검토 요청을 하게 되는데요.
가능성 검토를 할 때는 실제 패키지 설계를 개략적으로 진행해보고, 전기/열/구조 해석을 통해 실제 양산 시에 문제가 없는지도 검토하게 됩니다. 여기서 반도체 패키지 설계는 칩이 기판에 실장 되기 위한 매개체가 되는 Substrate 또는 Leadframe의 배선 설계를 의미합니다.
패키지 부서에서는 패키지 가설계와 해석을 통한 검토 결과를 바탕으로 패키지 가능성에 대해서 칩 설계 담당자에게 피드백합니다.
패키지가 가능하다고 가능성 검토가 완료되어야 비로소 칩 설계가 완료되고, 이어서 웨이퍼 제작을 하게 됩니다.
이렇게 웨이퍼가 제작되는 동안 패키지 부서에서는 패키지 제작에 필요한 Substrate 또는 Leadframe을 설계하고, 제작 업체를 통해서 제작을 진행합니다. 동시에 패키지 공정을 위한 툴 (Tool) 등도 미리 준비하여 칩이 구현된 웨이퍼가 웨이퍼 테스트 후 패키지 부서에 인계되었을 때 바로 패키지 제작을 진행하게 됩니다.
반도체 제품은 패키지로 제작되어야 실제적인 특성을 측정하고 확인할 수 있습니다. 설계가 잘 되었는지, 공정이 잘 진행되었는지 확인할 수 있어야 신뢰성 시험까지 진행할 수 있는 것이죠.
특성이나 신뢰성을 만족하지 못하는 경우에는 그 원인을 분석하여 원인을 해결할 수 있는 단계부터 앞의 과정을 반복하면서 원하는 특성을 만족해야 개발이 완료 됩니다.
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