반도체 패키징의 조립 공정 및 잠재력

반도체-패키징

 

이번 글에서는 반도체 패키징이란 무엇이며 조립 과정과 잠재력에 대해 자세히 다루겠습니다.

 

 

반도체 패키징이란?

 

 

반도체 패키징은 반도체 칩을 보호하고 전기 연결, 열 관리 및 기계적 지원을 제공하는 구성 요소입니다. 다른 시스템과 연결하기 위해 반도체 제조 공정의 초기 단계에서 제조됩니다.

 

패키징의 주요 기능

보호 기능: 반도체 칩은 민감한 전자 부품으로 물리적 진동, 습기, 먼지 등 외부 요인에 쉽게 영향을 받습니다. 인캡슐레이션은 이러한 외부 요인으로부터 반도체 칩을 보호하고 칩의 안정성과 신뢰성을 향상할 수 있습니다.

전기적 연결 : 패키지는 반도체 칩과 다른 시스템 간의 전기적 연결을 제공하며 패키지 내부에는 칩에 핀이나 볼트가 연결되어 있어 칩에서 생성된 전기 신호를 외부로 전달하거나 외부 신호를 외부로 전달할 수 있습니다.

열 관리: 작동 시 열이 발생하지만 과도한 열은 칩의 성능을 저하시키거나 심지어 칩을 파괴할 수도 있습니다. 패키지는 열을 효과적으로 발산하고 칩의 온도를 안정화시켜 칩의 안정성과 성능을 유지합니다. 열을 전달하는 데 사용되는 히트 파이프는 열전달을 위한 패키지 자체의 구조 설계물입니다.

기계적 지지 : 패키지는 반도체 칩에 기계적 지지를 제공하여 외부 충격이나 진동으로부터 칩을 보호하고 칩의 물리적 손상을 방지하며 칩의 안정성을 유지합니다.

반도체 패키징의 모양과 크기가 다양하며 각 패키지는 특정 반도체 칩과 호환되도록 설계되었습니다. 최신 기술 발전으로 더 작고 효율적인 패키지가 개발되고 있으며 이를 통해 반도체 칩의 성능과 신뢰성이 향상되고 있으며 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

 

 

 

반도체 패키징 조립 공정

 

 

반도체 패키징의 조립 공정은 라미네이션, 백그라인딩, 마운팅, 웨이퍼 소잉, 다이 본딩, 와이어 본딩의 순서로 이루어집니다.

펩에서 가공된 웨이퍼 (12inch 870um 두께)는 아래의 백그라인딩 공정 Z1, Z2, Z3의 3개 공정으로 나뉘며, 각 공정은 거칠기가 다른 휠을 사용합니다. 
1차 그라인딩 : 원하는 두께에 근접할 때까지(#300 ~ #500 메쉬 그라인딩) (Z1)
2차 그라인딩 : 원하는 두께 근처에 약 20um 정도 근접(#2,000 메쉬 그라인딩) (Z2) 
3차 그라인딩 : 원하는 두께 근처에 약 1~2um 정도 근접(Slurry + DI 워터 그라인딩) (Z3)

반도체 패키징 웨이퍼 소잉의 중요 4가지 인자는 다음과 같습니다.   
1. 컷팅모드: 블레이드가 웨이퍼의 위에서 아래로, 아래에서 위로 회전하고 이것은 소잉 품질에 영향을 줍니다.
2. 피드(Feed) 속도 : 최적의 속도(웨이퍼가 블레이드를 지나가는 속도에 따라 다이의 칩핑 정도가 달라집니다.)
3. 블레이드 휠의 회전 수: 수만 rpm, 휠의 회전수는 소잉 품질에 소잉 품질은 최적의 회전수를 결정합니다.
4. 블레이드의 높이와 컷팅 워터의 유량: 블레이드 높이, 물의 흐름 속도의 최적화가 중요합니다.

반도체 패키징의 다이 본딩은 웨이퍼 내 소잉된 칩을 픽업하여 리드 프레임 또는 PCB에 붙이는 공정입니다. 칩을 붙이기 위해, 다이 어드헤시브 물질을 사용하는데, 이는 제품의 전기적 특성에 따라 비전도성/전도성 소재로 나누어지고 다이 어드헤시브 물질은 다이를 충분한 강도로 접착시키는 역할과 적절한 열전도도/전기전도도를 부여하는 역할을 합니다. 특정소재의 다이 어드헤시브 물질은 다이 본딩 후 물질을 경화하기 위한 큐어(150도, 1시간) 공정이 필요합니다. 

반도체패키지 와이어 본딩은 칩에 내장된 그 기능의 출력을 위하여 칩과 리드 프레임(또는 PCB)을 와이어를 이용하여 상호 연결하는 것을 말하는 것으로 현재까지 가장 보편적으로 사용되고 있는 방법이 골드, 구리 또는 알루미늄 와이어를 사용하여 연결하는 방법입니다.  와이어본딩은 4가지 중요한 파라미터들의 상호작용으로 이루어지며, 그 파라미터는 파워, 압력, 온도 그리고 시간입니다. 

 

 

 

 

반도체 패키징의 잠재력

 

반도체 패키징의 발전 잠재력은 매우 큽니다. 다양한 이유로 계속 발전하고 있으며, 더욱 효율적이고 성능이 뛰어난 패키지가 개발될 것으로 예상됩니다.

소형화 : 반도체 칩이 점점 작아지고 있어 더 작은 패키지와 더 높은 밀도의 설계가 요구되며, 미세 회로 부품과 전기 연결을 위한 핀과 볼트의 크기도 작아져야 합니다.

열 관리 : 반도체 칩은 작동 중에 열을 발생시키며, 더 빠른 속도와 성능이 요구되는 반도체는 더 많은 열을 발생시킵니다. 따라서 포장은 보다 효율적인 열 관리를 제공해야 합니다. 열 전도성 소재, 히트 파이프, 열 분석 및 소산 기술의 발전으로 열 관리가 향상될 수 있습니다.

전기적 성능 : 반도체 패키지는 전기 연결을 위한 핀이나 볼트를 제공합니다. 더 빠른 데이터 전송과 안정적인 신호 전송이 가능하도록 더 빠른 속도, 더 낮은 대역폭, 더 낮은 전력 소비에 대한 최신 반도체 기술 요구 사항을 충족하기 위해 전기적 성능을 향상하는 기술 개발이 필요합니다.

 

다기능 통합 : 반도체 패키지는 보호 및 전기 연결 기능 외에도 여러 기능을 통합할 수 있습니다. 예를 들어 센서, 무선 또는 통신 기능, 전원 관리 등을 패키지에 통합하여 시스템 기능을 향상할 수 있습니다.

신뢰성과 내구성 : 반도체 패키지의 신뢰성과 내구성은 매우 중요하며, 더욱 가혹한 환경을 견딜 수 있는 내구성 있는 패키지가 필요합니다. 또한, 패키징의 신뢰성 향상을 위해 첨단 소자, 소재, 신뢰성 시험 및 평가 기술도 지속적으로 개발되고 있습니다.

이러한 발전 가능성을 통해 반도체 패키지는 더 작고 더 효율적이며 성능이 우수한 제품으로 발전할 것으로 기대되며 이는 다양한 분야에서 반도체 기술의 발전과 함께 혁신적인 응용 분야를 열어갈 수 있을 것이라 예상됩니다. 

 

 

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