반도체 패키지 공정

Semiconductor Package

개요

반도체 칩에 필요한 전원을 공급하고, 반도체 칩과 메인 PCB 간에 신호연결을 위해 전기적으로 연결하고, 반도체 칩에서 발생되는 열을 방출하고, 외부의 습기나 불순물불부터 보호될 수 있도록 포장하는 데 필요한 공정이 후공정의 반도체 패키징 공정이다.

• 전기적 연결 면에서 볼 때: 반도체 패키징이 필요한 이유는 반도체 칩과 전자제품 메인보드의 회로 폭에 차이가 있기 때문이다. 전자 제품을 동작시키는 역할의 반도체 칩은 그 자체로는 아무런 역할을 할 수 없고, 전자 제품을 구성하는 회로에 연결되어야 비로소 반도체 칩의 기능을 수행할 수 있다. 반도체 칩을 회로 위에 바로 장착할 수 없다. 따라서 반도체 패키징은 상호간의 회로 폭 차이를 완충시켜 줄 수 있는 역할을 담당한다.

전자제품의 전체 전기신호 지연은 50% 이상이 패키지 지연에 의해 발생하며 그 지연은 시스템의 크기가 클수록 더 증가할 것으로 예상된다. 신제품의 출시 주기가 짧고 수많은 설비와 프로세스 스텝이 얽혀있어 가공 난이도가 높은 반도체 공정의 특성으로 인해 생산관리가 매우 어려운 산업이다.

반도체 패키지의 구성요소

일반적인 반도체 패키지는 실리콘 칩, 접착제, 아래 4개 등으로 구성되어 있다.

• 기판(Substrate) : 반도체 칩을 실장하는 용기이며, 칩과 메인PCB간 전기적 신호의 연결 통로의 역할을 한다. 절연층 위에 전기적 신호를 전달할 수 있는 도체를 배열한 구조로서, 칩의 미세한 배선을 메인PCB의 스케일로 변환시켜 준다.
• 금속선(Metal Wire) : 반도체 칩과 기판 사이를 연결하며, 주로 금(Au)이나 구리(Cu) 등이 사용된다. 최근에는 칩의 패드(Pad) 위에 돌기를 형성시킨 범프(Bump)가 금속선 대신 사용되기도 한다.
• 솔더볼(Solder Ball) : 기판과 메인 PCB를 연결시켜 준다. 솔더볼이 사용되기 이전에는 리드프레임이 사용됐었으며, 현재도 리드프레임 기반 반도체 패키지가 사용되고 있다.
• 몰딩 컴파운드(Molding Compound) : 제품 최종성형 및 부품고정을 위해 사용된다. 몰딩 컴파운드의 재료는 세라믹, 금속, 플라스틱 등이 사용되는데, 현재는 값이 저렴한 플라스틱이 주류를 이루고 있다. 에폭시 수지에 실리카 등의 무기재료와 각종 부재료(경화재, 난연재, 이형제 등)가 첨가된 EMC(Epoxy Molding Compound)가 주로 사용된다.

세부 공정

Back Grinding

B/G 웨이퍼에서 반도체의 역할을 하는 부분은 일부분뿐이며 대부분 전기적 신호와 무관한 실리콘 덩어리이다. 패키징 시에 칩을 적층하거나 얇게 하기 위해 얇은 웨이퍼를 요구하게 되는데 이 때 웨이퍼 뒷면을 갈아서 얇게 만드는 공정을 와이퍼 'back grinding 공정'이라고 한다. 웨이퍼 뒷면의 불필요한 막을 제거하고, 두꺼운 뒷면을 깎아 저항을 줄이고 열전도율의 향상할 수 있도록 하며 전자기기의 소형, 박형, 경량화를 위해 필요하다. 현재 가장 일반적인 방법으로는 기계적으로 웨이퍼를 갈아낸 후 최종 폴리싱 공정을 거쳐 원하는 두께의 웨이퍼를 만들어 낸다.

Wafer Sawing

W/S =Dicing(다이싱)

반도체 전공정에서 만들어진 웨이퍼를 일정 크기의 패턴을 개개의 칩으로 분리시키는 공정을 sawing 공정이라고 한다. 최근에는 웨이퍼를 테이프에 부착한 후 블레이드를 약 30000RPM 으로 회전시켜 웨이퍼의 두께를 100%까지 자르는 방법을 일반적으로 사용하고 있다. 상세한 설명은 반도체 웨이퍼 다이싱 공정 문서 참조.

Attach 공정

웨이퍼를 독립적인 기능을 가진 각각의 개별칩으로 분리한 후 직접회로를 리드 프레임에 접착제를 도포한 후 접착시키는 공정을 attach 공정이라 한다.

고온에 견디는 세라믹 등을 기판으로 이용하는 Die attach (D/A) 에는 유테틱 기술이 이용될 수 있다. 이 방법의 매개물로는 프리폼이라고 불리는 일종의 솔더를 이용한다.

유테틱에 이어 저변화 되어 있는 방법이 흔히 말하는 에폭시 attach 이며 일반 상업용으로 사용되는 소자에는 주로 상대적으로 접착 후의 신뢰도가 낮은 고분자를 이용한 접착물이 칩 attach 용으로 사용된다. 이것은 에폭시, 폴리이미드, 아크릴레이트 등을 기본으로 하여 사용하고자 하는 목적에 맞게 여러 가지 첨가물을 넣어 만든다. 여러 종류의 제품 중에서 우리가 주로 많이 사용하는 것은 은가루를 첨가하여 전기가 통할 수 있도록 만들어진 제품이며, 이렇게 은가루가 있기 때문에 대부분의 제품들이 회색으로 보인다.

Wire bonding 공정

W/B 실리콘이나 갈륨아세나이드를 소재로 하여 제조된 칩의 단자와 칩이 올려지는 기판을 전기적으로 연결하여 칩에 내장된 그 기능의 출력이 가능하게 하는 공정이다. Wire bonding 공정의 기본은 압력, 열, 초음파 에너지의 결합과 응용으로 열음파 방식, 초음파 방식, 열 압착 방식으로 구분할 수 있다. Wire bonding 공정에서는 칩과 리드프레임을 가는 고순도 금, 알루미늄, 구리선을 이용하여 상호 연결하게 된다.

Molding 공정

Wire bonding 공정이 끝난 반도체가 공기 또는 외부에 대한 부식 등 여러 가지 원인에 의한 전기적인 열화로부터 보호되고 기계적인 안정성을 도모하면서 반도체에서 발생하는 열의 효과적인 발산을 할 수 있도록 밀봉하는 공정이다. 에폭시 수지를 바탕으로 하는 열 경화성 수지를 이용해 소자 전체를 감싸주는 방법으로 열과 압력을 이용하여 열 경화성 수지를 액체로 변화시켜 반도체 칩을 둘러싸게 하는 방법이 Molding 이다. 칩을 둘러싼 액체는 순간적인 화학 반응을 이용하여 다시 고체 상태가 된다.

Marking

레이저로 개별 제품에 제품 정보를 새기는 공정

Solder Ball Mount

회로기판에 솔더 볼을 붙여 아웃단자를 만드는 공정

Singulation 공정

PKG Sawing

리드프레임이나 PCB 같은 스트립 상에 붙어있는 패키지들을 하나하나 각각의 개별화된 패키지로 나누는 공정으로 제품의 사양 용도에 적합하도록 인쇄회로기판의 불필요한 부분을 전기적으로 독립시켜 주어 독자적인 기능을 갖게 하는 역할을 하며 이후 테스트에 적합하도록 한다.

최신 동향

패키징 공정에서 높은 집적도로 인한 공간적 한계를 극복하기 위한 방법 중 하나가 MCP(Multi-Chip Package)이다. 가장 주목받고 있는 기술로는 TSV 기술이 있다.