패키징 공정
#시작하며
4차 산업혁명 시대가 도래함으로써, 인공지능, 5G, 자율주행 등의 첨단기술이 확산되고 이를 통해 고성능, 초소형 반도체 수요가 폭증하고 있다. 이에 반도체가 최고의 성능을 선보이고, 높은 부가가치를 발휘할 수 있도록 하는 ‘패키징(Packaging)’ 공정 기술이 주목받고 있다.
#패키징 공정
패키징 공정이란, FAB 공정에서 완성된 웨이퍼 중 정상 동작하는 칩을 Back Grinding, Bonding, Molding 하여 전기적 연결 및 그 회로를 보호한 완성된 반도체 제품을 생산하는 공정을 말한다. 웨이퍼 위에 회로를 형성하는 전공정을 거친 반도체 칩은, 패키지와 TEST로 이루어진 후공정을 진행한다. 칩에는 수많은 미세 전기 회로가 집적돼 있으나, 자체로서 반도체의 역할을 수행할 수 없기 때문에, 패키징 공정은 칩이 제 역할을 할 수 있도록 외부와 전기적으로 연결하고, 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 수행한다.
반도체 기술의 고도화로 인해, 제품의 속도가 빨라지고, 기능이 다양해짐에 따라, 발열 문제는 보다 심각해지고 있다. 따라서 패키지의 냉각기능(Thermal Dissipation)이 중요해지고 있으며, 더불어 칩 속도가 빠르다 해도 시스템으로 나가는 전기적 연결 통로는 패키지에서 만들어지는 만큼, 빨라진 칩의 속도에 대응하기 위해 패키지 역시 빠른 속도로 구현돼야 하는 시점이다. 따라서 고용량(High Density), 초고속(High Speed), 저전력(Low Power), 소형화(Small From Factor), 고신뢰성(High Reliability) 반도체 시장을 위한 최첨단 패키징 기술이 매우 중요하다.
반도체 공정에서 패키징이란, 반도체 칩을 탑재될 기기에 적합한 형태로 만든다는 의미이다. 가령 집적회로가 두뇌에 해당한다면, 패키징은 신경계통이나 골격구조로 비유할 수 있다. 위 그림에서 IC칩은, 웨이퍼에서 절단된 날개의 칩이며, Ball은 전기적 연결 구실을 하고, 리드 프레임은 반도체 칩과 실리콘 기판 사이 전기 신호를 전달하고 외부의 습기나 충격 등으로부터 칩을 보호하는 골격 역할을 한다.
반도체 패키징 공정의 순서는 다음과 같다.
- Back Grinding
웨이퍼 백 그라인딩 공정은, 패키지 조립 시 필요한 웨이퍼 두께를 확보하기 위해 웨이퍼의 뒷면을 연마하여 원하는 두께를 만드는 공정이다. Back Grinding 전의 웨이퍼의 두께는 약 750um이기 때문에, 원하는 두께의 반도체 제품을 만들기 위해서는 많은 부분을 다이아몬드 휠로 갈아내야한다. 보통 우리의 스마트폰에 들어가는 메모리 제품은, 웨이퍼의 두께를 최대 30um 정도까지 갈아내고, 칩을 4층 이상 적층 하는 형태로 패키징을 실시한다.
라미네이션이 끝난 웨이퍼의 뒷면(패턴면 반대부분)을 연삭 하는 공정으로서, 웨이퍼 백 그라인딩 장비는 웨이퍼를 그라인딩 하는 부분과 그라인딩 된 웨이퍼를 테이프로 마운팅 하는 부분이 하나의 설비로 이루어져 있다.
*라미네이션 공정
- 웨이퍼의 백 그라인딩을 진행하기 전에 그라인딩 진행 시 발생하는 외부 하중으로부터 웨이퍼의 회로층을 보호하기위해 테이프를 붙이는 공정
- Wafer Sawing
Wafer Sawing은, 말 그대로, 웨이퍼를 자르는 과정이다. 웨이퍼에 바둑판처럼 만들어져 있는 실리콘 다이를 다이아몬드 휠이나 레이저로 자르는 공정이다.
- Die attach
Die attach는, Sawing공정을 통해 개별화된 칩을 하나씩 분리하여 외부와 전기적 연결 단자인 Substrate(리드 프레임 or PCB)에 부착하는 공정이다. attach 전, PCB 위에는 접착을 위한 에폭시가 온도를 올리면 attach가 이루어진다.
*반도체 패키지
- 리드프레임을 기판으로 사용하는 패키지 / PCB를 기판으로 사용하는 패키지
>> 제품의 크기와 양산성에서 장점을 가지고 있는 PCB를 기판으로 사용하는 패키지로 점차 바뀌어가고 있다.
>> 기판의 종류에 따라 생산공정과 필요한 설비가 달라진다.
최근에는 한정된 크기의 부품에 용량을 높이기 위하여 여러 개의 칩을 쌓아서 패키징하는 MCP(Multi Chip Package), 또는 다양한 종류의 칩을 PCB위에 실장한 후 몰딩하는 SIP(System In Package) 형태가 늘어나고 있다
- Wire Bonding
Wire Bonding공정은, Die attach가 완료된 상태에서 칩과 substrate(기판)을 전기적으로 연결하기 위해 칩의 패드와 기판 상의 패드를 와이어로 연결하는 공정이다.
*1차 Bonding
>> 캐필러리를 통과하고 있는 와이어의 끝 부분을 녹이는 공정으로 시작한다. 전기적 에너지를 와이어 끝 부분에 가해 녹이면, 볼 모양을 형성한다.
>> 와이어에 전기적으로 만든 불꽃을 가해 녹여서 볼 모양을 만드는 장치를 Electronic Flame-off(EFO) 라고 한다.
*2차 Bonding: (Stitch Bonding)
>> 볼 본딩 후 와이어를 PCB나 리드프레임에 접합시키는 공정이다.
>> 캐필러리가 2차 본딩 지점으로 이동하면 볼 본딩과 유사하게 볼과 리드 면이 접촉해 접합의 3요소인 히트 블록에 의한 가열, 하중, 초음파 진동에 의해 stitch 본딩이 이루어진다
*Bonding 종료
>> 2차 본딩이 완료된 후 캐필러리가 상승하여 미리 설정한 테일 길이에 이르면 클램퍼가 닫히고 그 상태에서 캐필러리가 상승하면 와이어는 리드 접합부에서 절단되면서 본딩이 마무리된다.
- Molding
Molding은, 열, 습기와 같이 물리적 요인으로부터 보호한다. 수지로 구성된 EMC(Epoxy Molding Compound)에 고온을 가해 젤 상태로 만든 후, 원하는 틀에 넣어 굳히는 공정이다.
- Marking
Marking은, 제품번호 등을 Laser를 통해 표면에 각인한다.
- Solder Ball Mount
Solder Ball Mount은, PCB와 패키지를 전기적으로 연결하기 위해 Substrate에 Solder Ball을 부착한다.
- Saw Singulation
Saw Singulation는, Substrate를 다이아몬드 휠을 이용해 개별 제품으로 분리한다.
#마치며
오늘은 반도체 패키징 공정에 대해 알아보았다. 패키지 테스트란, 패키지 형태로 만들어진 제품의 최종 불량 유무를 판단하는 최종 관문이다. 따라서 그 중요성은 계속해서 높아지고 있다.
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