반도체 산업 영역은 크게 IC (Integrated Circuit) 설계 > IC 제조공정 > 패키징 > Test 으로 나눌수 있다.
이중에 패키징 공정을 알아보자.
반도체 패키징이란?
반도체제조의 최종 단계이며, (이후에 ATE를 진행하는데, 제조공정이 아님) 반도체에 전원을 공급하고, PCB와 반도체사이 전기 신호를 연결하는 역할 을 하고, 반도체에서 발생하는 열을 방출하고, 외부 충격, 습기 분순물로 부터 보호하는데 필요한 공정이다.
메인 PCB와 반도체 사이에 선폭 차이가 있기때문에 패키지를 이용해서 전원이나, 신호를 공급한다.
Display driver IC(DDI)의 경우 package없이 바로, 도전 tape를 통해 panel에 바로 연결하기도 한다.
패키지에 의한 신호 delay가 발생한다. 미세공정으로 갈수록 timing margin이 부족하기 때문에 패키지의 기생성분에 의한 delay가 큰 영향을 준다.
따라서, Wafer상태에서 기본적인 test를 진행하고, 패키징 공정후에 ATE로 넘어가 고객이 원하는 spec을 만족하는지 test한다.
반도체 패키징 순서
반도체 패키징은 아래와 같은 순서로 진행한다.
1) Wafer 준비
2) Wafer sawing
- 웨이퍼를 개별 단위(net die)로 잘라내는 공정, Wafer를 Blade나 Laser로 자름
3) Die attach
회로기판(substrate)에 칩을 붙여 고정하는 공정
4) Wire bonding
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.
5) Molding
외부 충격, 습기로 부터 반도체(Die)를 보호하기 위해 경화수지로 덮는다.
몰딩 컴파운드의 재료는 세라믹, 금속, 플라스틱 등이 사용되는데, 현재는 값이 저렴한 플라스틱이 주류를 이루고 있다.
6) Marking
Laser를 이용해 반도체 고유번호를 기록한다.
반도체 history를 파악하는 용도로 사용한다.
7) Ball attach
8) 패키지 sawing
모듈/보드/카드에 실장하도록 개별 반도체로 잘라내는 공정
9) 포장
10) 출하
반도체 패키징 역사
반도체가 작아지면서 패키지도 따라서 작아지고, 고집적화 되고 있다.
반도체 패키징 기술은 크게 3단계의 진화과정을 거치며 발전하고 있다.
1세대는 Lead Frame 계열의 패키지다.
DIP(Dual Inline Package)를 시작으로 SOJ(Small Outline J-Lead), QFP(Quad Flat Package) 형태로 진화하면서 삽입실장형(Through Hole Mounting)에서 표면실장형(Surface Mounting)으로 실장기술이 전환됐다.
2세대는 BGA(Ball Grid Array) 계열의 패키지다.
이는 패키지와 메인 PCB와의 연결 방식이 리드프레임에서 솔더볼(Solder Ball)로 전환된 것이다. 이로써 I/O 단자 수가 획기적으로 증가했다. 이후 부품 소형화와 반도체 공정기술의 미세화로 CSP(Chip Scale Package)와 플립칩(Flip Chip) 본딩 방식이 개발되었으며, CSP는 패키지의 면적이 내장된 칩 면적의 120%가 넘지 않는 패키지로, 주로 DRAM, SRAM, Flash 메모리, 주문형 반도 체 (ASIC:Application Specific Integrted Circuit), 디지털신호처리(DSP:Digital Signal Processing) 등에 적용되고 있다.
3세대 패키지는 여러 개의 칩을 패키지 레벨에서 융합하는 기술이다.
작은 면적에 다수의 칩을 패키지하기 위해 3차원 적층기술이 개발됐고, 칩과 수동소자가 함께 내장되는 모듈 형태의 패키지도 새롭게 등장했다. 2세대까지의 패키지 기술이 소형화와 배선의 고밀도화에 주력했다면 3세대에서는 기존의 기술을 활용해 단일 패키지 상에서 다수의 기능을 구현하는 MCM(Multi Chip Module), SOP(System on Package), SIP(System in Package), POP(Package on Package), TSV기술(Through Silicon Via), S-CSP(Stacked CSP), FC-S-CSP(Flip Chip Stack CSP), Fan out Package 등의 개발이 진행되고 있다.
반도체 패키징 기술은 단순하게 여러 칩을 하나로 통합하는 형태에서 벗어나, 같거나 다른 기술을 접목시키는 역할을 하면서 새로운 시장을 만들고 있다.