반도체 8대공정(8)-Packaging

반도체 패키징 과정은 반도체를 시스템내에 통합하여 동작할 수 있도록  반도체 chip(Die)을 보호하는 패키지에 감싸는 중요한 단계입니다. 패키징의 목적은 반도체 chip을 각종 물리적, 환경적 요인으로부터 보호하고, 외부 회로와 전기적 연결을 가능하도록 하며, 열 관리를 지원하는 것입니다. 오늘은 반도체 패키징 과정에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 웨이퍼 준비

. 웨이퍼 제조: 이 단계에서는 실리콘과 같은 반도체 재료로 웨이퍼를 생산하는데, 도핑, 포토리소그래피, 식각, 금속화와 같은 공정을 포함합니다. 웨이퍼에는 여러 개의 집적 회로(IC)가 각각 웨이퍼의 작은 부분에 형성됩니다.

. Dicing: 제조가 완료된 후, 웨이퍼는 개별 chip이나 Die로 잘립니다. 이 과정은 고정밀 레이저나 톱을 사용하여 웨이퍼에서 Die를 분리합니다.

 

2. Die 부착 (또는 Die 본딩)

. Die 배치: 개별 반도체 Die는 기판 또는 리드프레임에 부착됩니다. 이는 전도성 에폭시나 solder와 같은 접착제를 사용하여 수행됩니다. 기판이나 리드프레임은 패키지의 외부 회로와 전기적 연결을 위한 전도성 패드나 리드를 가지고 있습니다.

. 열 관리: 고성능 chip의 경우, 열 방출을 돕기 위해 열 싱크나 열 패드가 부착될 수 있습니다.

 

3. 와이어 본딩 또는 flip-chip 본딩

. 와이어 본딩: 이 단계에서는 금이나 알루미늄 와이어를 사용하여 chip의 본드 패드를 패키지의 외부 리드에 연결합니다. 와이어 본딩은 열, 압력, 초음파 에너지를 사용하여 안정적인 전기적 연결을 형성합니다.

. flip-chip 본딩: 와이어 본딩 대신, 일부 고급 패키지는 chip을 뒤집어서 기판에 직접 납땜하는 플립 chip 기술을 사용합니다. 이 방법은 더 높은 밀도의 연결을 제공하며, 열 성능도 개선됩니다.

 

4. Encapsulation 또는 몰딩

. 보호: Die가 부착되고 와이어 본딩(또는 flip-chip 본딩)이 완료된 후, chip은 보호 재료(대개 플라스틱 또는 에폭시 수지)에 의해 감싸집니다. 이는 반도체 chip을 물리적 손상, 습기 및 기타 환경적 요인으로부터 보호합니다.

. 몰딩: 패키지는 일반적으로 몰드에 넣고, 수지를 주입하여 다리 주변에 단단한 보호 쉘을 만듭니다. 일부 경우에는 내구성과 열 성능이 향상된 세라믹이나 금속 재료를 사용할 수 있습니다.

 

5. 테스트

.  전기적 테스트: 패키지가 형성된 후, 각 반도체 장치는 기능을 검증하기 위해 전기적 테스트를 거chip니다. 이에는 단락, 개방 회로 확인 및 장치가 사양에 맞게 작동하는지 확인하는 과정이 포함됩니다.

. 기능적 테스트: 실제 동작 조건에서 장치의 성능을 시뮬레이션하여 타이밍, 전력 소비 및 하중에 따른 반응을 확인하는 추가 테스트가 수행될 수 있습니다.

 

6. 검사 및 품질 관리

. 시각적 검사: 최종 패키지된 장치는 균열, 몰드의 결함 또는 본딩 불량 등 결함이 있는지 면밀히 검사됩니다.

. X-레이 검사: 복잡한 패키지(예: flip-chip 본딩)가 있는 경우, 내부 연결을 검사하고 본딩이나 납땜에 문제가 없는지 확인하기 위해 X-레이 검사를 사용할 수 있습니다.

. 기계적 테스트: 장치는 온도 변화, 기계적 스트레스 또는 진동과 같은 조건에서 패키지의 강도와 무결성을 확인하는 기계적 테스트를 거칩니다.

 

7. 마킹 및 라벨링

패키지는 부품 번호, 제조사 로고 및 배치 번호와 같은 식별 정보를 마킹합니다. 이는 일반적으로 레이저나 잉크 프린팅을 사용하여 수행됩니다.

전기적 특성과 전력 등급에 관한 정보도 패키지에 포함될 수 있습니다.

 

8. 최종 패키징

테스트 및 검사를 완료한 후, 장치는 배송을 위해 포장됩니다. 일반적으로 장치는 자동화된 회로 기판(PCB) 장착을 위해 트레이나 릴에 담기거나 고객에게 배송됩니다.

 

9. 반도체 패키지의 유형

다양한 응용 프로그램 및 성능 요구 사항에 따라 여러 종류의 반도체 패키지가 사용됩니다. 일반적인 패키지 유형에는 다음과 같습니다.

. 듀얼 인라인 패키지(DIP): 두 줄의 핀이 있는 전통적인 패키지로, PCB의 스루홀에 삽입할 수 있습니다.

. 표면 실장 기술(SMT): PCB 표면에 직접 납땜할 수 있도록 설계된 패키지입니다. 예로는 SOP(소형 패키지)와 COB(chip 온 보드)가 있습니다.

. 볼 그리드 배열(BGA): 패키지 하단에 볼 형태로 배열된 납땜 볼을 사용하여 PCB에 장착하는 방식입니다. BGA는 고밀도 연결 및 더 나은 열 방출을 제공합니다.

. 플립 chip 패키지: Die가 뒤집어져 기판에 직접 납땜되며, 고성능 및 고밀도 연결을 제공합니다.

. chip 온 보드(COB): Die를 PCB에 직접 부착하고 와이어 본딩을 통해 연결하는 방식으로, 소형 장치에서 흔히 사용됩니다.

 

10. 고급 패키징 기술

. 시스템 인 패키지(SiP): 이 방법은 센서, 메모리, 프로세서 등 여러 구성 요소를 하나의 패키지에 통합합니다. 주로 컴팩트하고 다기능 장치에 사용됩니다.

. 3D 패키징: 여러 개의 chip을 수직으로 쌓고 through-silicon vias(TSV)를 사용하여 성능을 높이고 패키지 크기를 줄이는 방식입니다. 고성능 컴퓨팅 및 메모리 장치에 사용됩니다.

. Fan-Out 웨이퍼 레벨 패키징(FO-WLP): 웨이퍼의 표면에서 인터커넥트를 재배치하여 더 작은 크기와 얇은 패키지를 가능하게 합니다. 주로 모바일 및 소비자 전자 제품에 사용됩니다.

 

반도체 패키징 공정은 반도체의 성능, 신뢰성 및 기능을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 과정은 chip을 보호하고 전기적 연결을 제공하며 열 관리를 돕습니다. 반도체가 점점 작고 빠르게 효율적으로 동작할 수 있도록 발전하며, 새로운 패키징 방법들이 계속해서 개발되고 있습니다.