기판 이해하기. 2019년 하나은행 리포트

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1) 패키지 기판의 종류

패키지 기판(Substrate): 반도체 칩과 PCB를 연결하기 위한 징검다리

반도체 칩이나 전자 부품 등은 단독으로 작동할 수 없다. 각각의 기능을 수행하기 위해서 반 도체 칩 또는 전자 부품은 PCB에 탑재되어 전기적으로 연결되어야 한다. 반도체 칩을 PCB 에 탑재하기 위해서 징검다리 역할을 수행하는 패키지 기판이 필요하다. 이를 Substrate라 고 부르며, 반도체 칩과 메인 PCB간 전기적 신호의 연결 통로 역할을 한다. 절연층 위에 전 기적 신호를 전달할 수 있는 도체를 배열한 구조로서, 반도체 칩의 미세한 배선을 메인PCB 의 스케일로 변환시켜 준다.

 

반도체 칩과 패키지 기판 간의 연결 방법에 따라 기술 분류

패키지 기판과 반도체 칩을 연결하는 방법은 크게 3가지로 분류된다. WB(Wire Bonding)는 반도체 칩 윗면의 패드와 패키지 기판의 단자를 실같이 얇은 금속류 와이어로 연결하는 방 법이다. TAB(Tape Automated Bonding)는 플렉서블한 테이프 상태의 패키지 기판에 칩을 연결시킨 후에 PCB위에 탑재될 때 자동으로 리드를 절단하는 방법이다. FCB(Flip Chip Bonding)는 칩 상부에 연결을 위한 범프를 형성한 후에 칩 자체를 뒤집어서 패키지 기판의 단자와 연결하는 방법이다. 접속 지점을 많이 형성할 수 있어 주로 고기능 반도체 칩을 위한 방법으로 사용되고 있다.

와이어본딩

Tape Automated Bonding

Flip Chip Bonding

FCB: 반도체 칩 상에 범핑을 형성해 뒤집어서 패키지 기판의 단자와 연결

반도체 칩 패키지의 주류인 Flip Chip Bonding의 공정에 대해 알아보자. 반도체 칩 윗면에 다른 금속이 확산되는 것을 방지하기 위한 배리어메탈로서 티탄 혹은 백금을 스퍼터링한 후 에 범프를 형성한다. 그리고 칩을 뒤집어서 칩 상의 범프와 패키지 기판 상의 단자를 가열, 가압해서 연결한다. 이후 칩과 패키지 기판의 틈새를 절연 수지로 메워서 마무리한다. 이를 언더필 공정이라 부르는데, 칩과 기판 사이의 열팽창 계수 차이로 발생하는 응력과 변형을 재분배하는 역할을 수행한다. 또한 습기나 다른 모듈에 끼치는 전기적, 자기적 환경의 영향 을 최소화시킨다

 

FCB의 장점: 1) 연결 접점 증가 2) 사이즈 축소 3) 고속 신호 처리 가능 4) 열 특성 상향

Wire Bonding에 사용되는 칩 위의 금속 패드 배치는 일차원적인데 반해 Flip Chip Bonding은 금속 패드들의 배치가 2차원적으로 배열되므로 기판과 연결할 수 있는 금속 패 드들의 수가 기하급수적으로 증가한다. 이로 인해 Input/Output 수가 많은 칩들의 전기적 신호 연결에 특화될 수 있는 장점을 갖는다. 또한 칩의 접촉을 위한 별도의 영역이 필요하지 않기 때문에 이상적인 사이즈를 구현할 수 있다. Flip Chip Bonding의 접합부 길이는 반도체 칩 상의 범프와 패키지 기판이 직접 접촉해서 연결되는 방식이기 때문에 Wire Bonding에 사용되는 수십 μm의 와이어 길이보다 약 10배 이상 짧다. 이로 인해 고속 신호 처리가 가능하기 때문에 고성능 반도체 칩과 RF 분야에서 선호도도 높다. 또한 Flip Chip Bonding은 귀금속 가격에 따른 와이어 가격 변동성으로부 터 상대적으로 자유롭기 때문에 Input/Output 수가 많은 칩의 경우, 비용을 절감할 수 있 는 장점도 있다. 마지막으로 와이어 보호를 위해서 진행되는 봉지를 진행하지 않기 때문에 칩의 뒷면을 효율적인 냉각을 위해 활용할 수 있어 열 특성도 상향된다.

 

패키지 기판과 메인 PCB 간의 접속 방법도 다양

반도체 기판과 메인 PCB 간의 결합방식도 다양하다. DIP, QFP와 같이 리드 프레임을 사용 한 경우와 리드프레임에 의한 불필요한 공간을 줄기고, 전기적 신호 특성을 높일 수 있는 BGA(Ball Grid Array) 등이 있다. 앞서 언급한 FCB의 장점 등과 유사한 부분이 있어 IT 기기 특히 모바일 기기에는 주로 BGA 방식을 사용한다.

 

 

BGA: 솔더볼을 이용해 메인 PCB와 연결

BGA 방식은 솔더볼을 이용해 메인 PCB와 접속하는 방식이다. 집적회로의 핀이 많을 경우 에 반도체 크기가 커지는 문제를 최소화시킬 수 있고, 전기적 접촉점이 짧아 속도 및 전기적 성능이 우수하다. 반면에 열팽창 계수의 차이(열 스트레스)나 충격 및 진동(기계적인 스트레 스)에 취약해 자동차와 같이 온도와 진동이 필연적인 분야에서는 잘 사용되지 않는다. 반도 체 칩을 보호하는 패키징 소재에 따라 PBGA(Plastic), CBGA(Ceramic), TBGA(Tape)로 분 류된다. PGA 방식은 반도체 기판에 Pin을 만들어 메인 PCB 상의 소켓을 통해 접속하는 방 식으로 탈부착이 필요한 부품에 주로 사용된다. PGA 방식은 Pin의 간격이 최소 1.27mm로 제한되어, 패키지 기판의 크기가 칩에 비에 크다는 단점이 있다. LGA 방식은 패키지 기판에 Land(패드), 메인 PCB에 탄성을 가진 핀 소켓을 탑재하는 방식이다. PGA 방식대비 제조원 가와 패키지 크기가 감소한다.

 

 

FC-BGA: 반도체 칩과 패키지 기판을 플립칩으로 연결해 메인 PCB에 BGA방식으로 실장

FC(Flip Chip)-BGA(Ball Grid Array)는 앞서 언급한 반도체 칩과 패키지 기판을 플립칩으 로, 패키지 기판과 메인 PCB 간을 BGA로 연결하는 패키지 기판을 언급한다. 현재 주로 PC 및 서버의 CPU향 패키지 기판으로 사용되고 있다. FC-BGA 패키지는 회로 밀집도가 높은 패키지 기판으로 최대의 전기적 성능을 발휘할 수 있으며, 기존과 동일한 패키지 크기 로 수천 개의 회로연결을 지원할 수 있다. CPU의 고성능화 및 미세회로 공정의 진화에 따라 패키지 기판 층수의 증가가 동반된다. 금번 Intel의 CPU향 패키지에 EMIB 기술 도입이 FC-BGA의 CAPA 확대를 견인하고 있는 것으로 파악된다.

 

 

FC-CSP: FC-BGA보다 작은 사이즈의 패키지에 사용되는 패키지 기판

CSP(Chip Scale/Size Package)는 BGA와 패키지 방식 자체는 유사한 기판이다. CSP를 FBGA(Fine pitch BGA)로 부르기도 한다. 구분을 하는 기준은 1) 전극부인 볼 사이의 피치 차이로 0.8mm 이상을 BGA, 이하를 CSP로 총칭하는 것이 일반적이다. 2) 패키지 내부의 반도체 칩 사이즈가 전체 패키지 크기의 80% 이상을 차지하면 CSP로 분류한다. 단어 그대 로 반도체 칩과 최대한 유사한 사이즈로 패키지한 것을 말한다. 3) 볼 크기에서 760㎛, 500 ㎛는 BGA용, 350㎛ 이하는 CSP용으로 구분하기도 한다. CSP는 주로 NAND향 패키지 기 판으로 사용되고 있다. FC-CSP는 FC-BGA보다 크기에 제약이 있는 모바일 기기 중심으로 채택되는 경우가 많으 며, 현재 스마트폰의 AP와 인터 포저(Interposer)에 주로 사용되는 패키지 기판이다.

인터포저(Interposer) 단면도

BOC: 리드프레임 대신 BGA 사용 열과 전기적 성능 문제 해결

BOC(Board on Chip)는 리드프레임을 통해 칩과 기판 간에 신호를 주고받는 LOC(Lead on Chip)와 대응되는 개념이다. DDR2부터 패키징 과정에서 리드프레임이 아닌 BGA를 사용하 게 되었는데, 일반적인 BGA 구조와는 다르게 반도체 칩이 거꾸로 실장되는 특성 때문에 BOC라는 이름이 붙게 되었다. DRAM이 고사양화됨에 따라 발생하는 열과 전기적 성능 문 제에 효율적으로 대응할 수 있다. 칩의 I/O 슬롯이 일반적인 반도체와 달리 중앙에 배열되 어 있어 Wire-Bonding 또한 기판 중앙에 위치한다. 칩과 기판 간의 거리가 단축되기 때문 에 신호 손실이 최소화되는 장점이 있다. I/O 핀 수의 다양화와 칩의 수직 적층도 가능하여 고속화 및 대용량화가 용이하다.

 

BOC 단면도

BOC 제품 사진

SiP: 서로 다른 기능의 반도체 칩을 하나로 패키지

전자 제품의 고기능, 다기능, 복잡화로 인해 복수의 기능을 가진 반도체 칩을 단일 패키지로 실장할 필요성이 높아졌다. 이를 위해 2개 이상의 반도체 칩을 하나의 패키지에 탑재하는 기술로 SiP(System in Package), MCP(Multi Chip Package) 등이 사용된다. SiP와 MCP 에 대한 정의는 접근 방식에 의해 차이가 나는데, SiP가 하나의 패키지 형태로 특정 시스템 기능을 수행한다고 이해하면 된다. SiP는 기판 위에 서로 다른 기능의 능동소자들을 올린 후에 하나의 패키지로 몰딩해서 소자 간 접속 경로의 단거리 확보를 통한 고성능과 우수한 전기적 특성을 확보할 수 있는 패키지 형태이다. SiP는 와이어 본딩과 Flip Chip 범프의 복합기술로 칩의 수직 적층과 다른 기능 의 칩을 병렬로 배열해 초경량 초소형의 반도체 기능을 확보하는 것이 가능하다. 주로 RF 관련된 반도체 칩에 활용되고 있는 추세이다.

 

MCP: 주로 여러 개의 칩을 수직으로 적층하는 구조

MCP는 박판의 기판위에 50~80um의 얇은 칩을 여러 개 수직으로 적층하여 용량과 성능을 증가시킨 구조다. 패키지 형태로는 FBGA (Fine Pitch Ball Grid Array)이다. 이와 같은 패 키지를 구현하기 위해서는 웨이퍼를 얇게 하는 기술과 얇은 칩을 적층하고 와이어 본딩하는 기술이 필요하다. 주로 모바일 기기에 탑재되는 메모리에 사용된다. 메모리 소자는 칩을 2층 쌓는 DDP(Double Die Packaging), 3층 쌓는 TDP(Triple Die Packaging), 4층 쌓는 QDP(Quad Die Packaging)가 사용되고 있다. 최근에는 소자 안에 컨트롤러를 내장한 eMMC(embedded Multi Media Card), eMCP (embedded Multi Chip Package)가 모바일 기기용 메모리 소자로 사용중이다.

 

 

2) PCB 구분과 종류

PCB: 전자산업의 밭

PCB(Printed Circuit Board)는 에폭시 수지의 절연판 위에 동박을 입혀 회로를 형성하고 그 위에 반도체와 저항기, 콘덴서 등의 전자부품을 실장하여 각 부품들을 전기적으로 연결해 주는 기판을 말한다. 소형 가전제품에서부터 첨단 통신기기에 이르기까지 모든 전자기기에 사용된다. 스마트폰을 비롯한 전자기기들의 소형화 및 대용량 배터리 탑재를 위해 작은 크기 의 PCB가 요구되는 추세이다.

 

HDI: 스마트폰 메인기판으로 사용

HDI(High Density Interconnection)는 배선의 폭을 줄여 배치 밀도를 높인 고성능 PCB를 말한다. PCB 패턴을 형성한 후, 차례로 쌓아 올려 적층하는 제조 공법으로 만들어진다. 전 자기기의 폼팩터가 축소되면서 레이저 비아홀이 적용된 HDI와 같은 첨단 PCB가 더욱 요구 되는 추세이다. 주로 스마트폰 메인기판으로 사용된다.

 

MLB: 서버, 통신장비에 사용

MLB(Multi Layer Board)는 한정된 공간에 많은 배선을 배치하기 위해 층수를 증가시킨 PCB를 말한다. 고밀도의 회로 설계가 가능하며 PCB 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 하 지만 제작비용이 비싸고, 회로 설계 후 변경이 곤란하며, 제조공정이 비교적 긴 편이다. 주 로 통신장비용 기판으로 사용된다.

 

PCB의 적층 구조

 

3) FPCB 구분과 종류

FPCB: 유연한 특성으로 3차원 배선 구조 실현

FPCB(Flexible PCB)는 연성 소재인 폴리이미드(Polyimide)로 만든 PCB이다. 얇고 잘 구부 러지는 특성 덕분에 기존에 구현하지 못했던 3차원 배선 구조를 실현, 전자제품의 소형화 및 경량화를 가능케 했다. 열에 강하고, 반복굴곡에 대한 높은 내구성을 갖고 있다. 스마트 폰, 카메라, 노트북 등의 중소형 전자제품에 널리 쓰이고 있다

 

형태에 따라 Single/Double Side, Multi, RF-PCB로 구분

Single Side FPCB는 가장 기본적인 형태로, 전자제품의 Sub Board에 사용되는 등 주로 간 단한 기능을 가진 제품에 적용된다. Double Side FPCB는 필름 양쪽에 동박이 형성되는 형 태로, 제한된 면적에 더 많은 패턴이 요구될 때 사용된다. Multi FPCB는 전자제품의 고기능 화에 따라 개발된 다층 FPCB이다. RF-PCB는 Rigid PCB와 Flexible PCB를 일체화시킨 형태로 3차원 공간을 이용한 입체 배선이 가능하다.

 

#FPCB 공정흐름