[반도체 8대공정] 8. 패키징 공정(기본+TSV 공정)

1. 패키징 공정(Packaging)이란?

• 전공정을 거친 후 낱개로 잘린 칩, 즉 Die는 외부와 전기신호를 주고받을 수 없으며, 외부 충격에 의해 손상되기 쉽다. 즉 반도체 칩을 기판이나 전자기기에 장착하고 칩이 외부와 신호를 주고받을 수 있도록 길을 만들고 보호해주는 과정을 패키징(Packaging)이라 한다.

​2. 패키징 과정

 

2-1. 웨이퍼 절단(Wafer Sawing)

웨이퍼를 낱개의 칩으로 분리하는 단계로 스크라이브 라인(Scribe Line)을 따라 웨이퍼를 다이아몬드 톱이나 레이저를 이용하여 절단한다.

 

2-2. 칩 접착(Die attach)

절단된 칩을 반도체 칩을 외부 회로에서 전기신호를 전달하고 보호해주는 리드프레임 또는 PCB로 옮긴다

2-3. 금속 연결(Wire Bonding)

[와이어본딩(Wire Bonding)]

•반도체의 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선을 사용하여 연결하는 공정

•전통적 방식

 

[플립칩(Flip Chip)]

•반도체의 속도를 향상

•칩의 회로와 기판을 직접 볼 형태의 범프(Bump)로 연결

•작은 전기 저항 + 빠른 속도

•작은 폼팩터(Form Factor) 구현 가능

•범프의 소재: 금(Au), 솔더(Solder, 주석/납/은 화합물)

 

2-4. 성형 공정(Molding)

•열, 습기 등의 물리적 환경으로부터 반도체 집적회로 보호하기 위한 공정

 

•원하는 형태의 패키지로 만들기 위한 공정

•반도체 칩을 화학 수지로 밀봉하는 공정

2-5. 패키지 테스트 공정(Package Test)

- 테스트를 거쳐서 다양한 환경에서 칩의 신뢰성을 검증하고 그 과정에서 생긴 주요 이슈는 제조공정이나 조립 공정에 전달해 사전에 오류를 방지해 제품의 질을 향상시킬 수 있도록 한다.

[패키지 테스트(Package Test)]

• 반도체 부품의 최종 불량 유무 선별하는 테스트

• 완제품 형태를 갖춘 후 검사를 진행 = 파이널 테스트(Final Test)

 

[반도체를 검사 장비(Tester)에 넣고 다양한 조건에서 테스트 수행]

• 전압, 전기 신호, 온도, 습도 등의 조건

• 제품의 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도 측정

 

[테스트 데이터 분석]

• 제조공정이나 조립공정에 피드백 ▶ 제품 질 향상

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1. TSV(실리콘 관통전극)

• TSV(Through Silicon Via)공정은 와이어를 이용해 칩을 연결했던 적층 기술인 wire bonding을 대체하는 기술로, 칩에 미세한 구멍(Via)를 뚫어 상,하단 칩을 전극으로 연결하는 패키징 기술이다.

 

​2. TSV의 장점

• TSV는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 관통하는 미세 홀(via)을 형성한 후, 홀 내부에 전도성 물질(conductive materials)을 충전시켜 칩 내부에 직접적인 전기적 연결 통로를 확보하는 기술로, 칩 내부에 직접 연결 통로가 확보되기 때문에 다수의 칩을 수직으로 적층할 때 와이어 본딩을 이용한 3차원 패키징에서의 I/O(input/output unit) 수의 제한, 단락 접촉 불량과 같은 문제점을 해결할 수 있다.
• 추가적인 공간을 요구하지 않아 패키지 크기 소형화 가능
• 칩 간의 상호 접속(Interconnection) 길이를 감소시킬 수 있어 빠른 신호전달, 고용량, 저전력

 

3. TSV의 적용 분야

•CMOS 센서

•MEMS

•HB-LED 모듈

•DRAM, HBM(초고대역폭 메모리)

 

4. TSV의 요구 기술

•Bumping 기술 : Via hole 형성

•기능성 박막 층 형성기술

•전도성 물질 충전 기술

•웨이퍼 연마 기술

•칩 적층 기술

•TSV신뢰성 해석 기술

 

5. TSV의 기술 동향

1) 삼성전자에서는 12단3D-TSV 기술을 개발

• 사람 머리카락 굵기의20분의 1 수준의 수 um직경의 통로 6만개를 만들어 오차 없이 연결하는 첨단 패키지 기술 이를 바탕으로 한 HBM-PIM을 제작해 세계최초 인공지능 연산용 가속기가 포함된 메모리를 만들어 기존 HBM2 대비 2배의 성능, 70% 저하된 전력 사용율을 개발

2) SK하이닉스는 초고속 D램인 HBM2E를 개발

• HBM2보다 처리속도가 50% 빠르게 만들었다. 메모리 칩을 모듈로 만들어 메인보드에 붙이는 방식이 아니라 칩 자체를 GPU같은 로직에 수십 um간격으로 장착해 더 빠른 데이터 처리가 가능.