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지난번엔 OSAT 회사에 대해 알아봤는데, 이번에는 반도체 후공정 OSAT 회사들이 담당하는 패키징 공정에 대해 알아보자.
뉴스를 보면 TSMC나 삼성전자 등 파운드리 회사에서 5 나노, 3 나노 공정 등 Si node 미세화를 위한 투자가 이루어지고 있다. 나노미터(nm) 단위는 실리콘 웨이퍼에 새기는 회로 선폭으로 이해하시면 된다. 이 폭이 작을수록 더 고난도 기술이고, 불량이 발생할 가능성이 높기 때문에 수율이 낮다.
최근에는 이러한 회로 선폭 미세화에 한계가 있어서 이를 극복하기 위해 후공정에서 패키징 기술을 개발하고 있다. 예전에는 패키징이 단순히 Die (실리콘 웨이퍼를 하나의 IC Chip으로 자른 것)를 기판에 연결하고 보호하는 조립의 개념이었다. 그러나 이제는 고성능을 위해 Advanced 패키징 기술 개발이 필요하게 됐다.
칩에 전기 신호를 연결하는 I/O (Input Output) 수량이 많아지면서 Die와 기판 혹은 Die와 Die를 서로 연결하는 Interconnection 기술이 계속 발전해 왔다. 어떻게 하면 더 많은 I/O를 더 빠르게 연결할 수 있을까?라는 고민을 하게 된 것이다.
그렇다면 어떻게 더 빠르게 연결할 수 있을까? 신호들의 연결 부위를 짧게 만들면 된다!
그래서 기존 Wire bonding에서 Flip chip bonding 방식으로 변화했고, Advanced 패키징 기술에서는 대부분 Flip chip bonding이 사용되고 있다.
Wire bonding 기술은 칩의 패드와 기판 사이를 Wire로 연결하는 것이고, Flip chip bonding 기술은 말 그대로 칩을 뒤집은 후 패드에 범프를 형성하여 기판에 Bonding 하는 방식이다. 아래 그림을 보면 연결 부위가 짧아지고 패키지 두께도 얇아질 수 있는 것이다.
그런데 Flip chip bonding이 기존 Wire bonding 방식을 개선하기 위해 개발된 건데.. 개인적으로 Wire bonding이 더 어려워 보인다. 긴 금속 Wire를 각 패드에 붙여서 연결한다는 게.. 쉽지 않아 보인다. Wire들이 서로 붙으면 Short 불량, Wire가 끊어지면 Open 불량이 난다. 다음 공정인 Mold 공정에서도 Wire를 건드리기 때문에 불량이 발생되지 않을까 생각된다. 반면에 Flip chip은 달랑 거리는 Wire가 아닌 짧은 범프로 붙여주니까 공정 중 불량 발생률이 상대적으로 낮아 보인다.
패키징 공정 순서
그러면 주요 공정 위주로 전반적인 패키징 공정 흐름을 살펴보자.
Wafer saw
고객으로부터 받은 Wafer를 잘라서 가공해야 한다. 앞서 말한 하나의 IC Chip인 Die로 만들기 위함이다. Wafer는 원 판 형태이고 지름이 8인치, 12인치 두 가지 타입이 있다. 이 Wafer를 디자인된 사이즈에 맞게 사각형 모양으로 자르는 공정이다.
Die (Chip) attach
잘라진 Die를 기판에 붙이는 공정이다. Flip chip의 경우 열을 가해서 Die 쪽 패드에 형성된 범프와 기판의 패드를 접착시킨다
.
Encapsulation(Mold, Underfill)
칩을 붙였다면 이를 보호하기 위해 Capsulation을 진행해야 힌다. 외부에 노출되지 않도록 하여 부식 및 끊어지지 않도록 유지하는 목적이다. EMC (Epoxy Mold Compound) 혹은 Underfill 용액을 굳혀서 칩과 기판 사이의 연결 부위를 안정적으로 보호한다.
Solder ball attach
기판 아랫부분에 Solder ball을 붙이는 공정입니다. 나중에 Main board에 실장 해야 하기 때문에 필요한 공정이다. IC 칩의 기능과 신호를 Bump - 기판 (Substrate carrier) - Solder ball을 통해 메인 기판과 주고받게 된다.
주요 공정에 대해서만 간단히 알아보았고, 패키징 공정을 정리하자면..
자르고(Wafer saw), 붙이고(Die attach), 보호한다(Mold, Underfill)라고 이해하면 쉬울 것 같다.
지금까지 기본적인 패키징 공정에 대해 알아보았고, 추후에는 Advanced 패키징 기술에는 무엇이 있는지 알아보자.
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