[산업공부] 반도체 패키지 기판을 공부하자

​

2022년 들어 계속 이어지는 약세장 속에서도 심택, 대덕전자와 같은 기판 기업들의 주가는 견고했다. OSAT 공부할때 패키징도 같이 공부했어서 기판 기업들 빠르게 한번 보고 일부 매수 고려를 하려 했었다.

그런데 생각 외로 반도체 기판, 패키지 기판, 반도체 서브스트레이트, PCB 기판 등등의 용어들에 대해 그림이 한번에 그려지지가 않았다..

각 단어들은 익숙한데 단어들이 조합된 단어는 익숙하지가 않았고, 저들 중 하나에 속하는 FC-BGA, FC-CSP 등은 물론, 이들에서 파생된 FO-WLP, FO-PLP 등은 그림이 한번에 그려지는데;;

문제는 반도체 기판, 패키지 기판, 반도체 섭스트레이트 PCB 기판 등등..;; 한 번 정리를 해보자

PCB: Printed Circiut Board

반도체, MLCC 등의 전자 소자를 회로를 그려서 전기적으로 연결해 주는 역할.

​

컴퓨터 본체 열면 볼 수 있는 저런 녹색의 판.

이게 헷갈리지는 않았다.

​

PCB는 단단하여 휘어지지 않는 일반적인 Rigid PCB(PCB)와 휘어지는 Flexible PCB(FPCB)로 나눌 수 있다. Rigid PCB는 보통 그냥 PCB라고 부른다.

​

일반적으로 녹색으로 된 부분이 단단한 PCB이고, 황색으로 된 부분이 FPCB. 두 종류를 섞어서 사용하기도 한다. FPCB의 응용처는 스마트폰, 카메라, 노트북 등 중소형 전자제품에 많이 사용된다.

​

(여기까지는 어렵지도 헷갈리지도 않음)

문제의 패키지 기판. Substrate를 기판으로 지칭. 그렇다면 패키지 기판은 무엇일까?

​

반도체를 사용하기 위해선 PCB와 연결을 해야하는데, 반도체와 PCB를 한번에 연결하지 못해서 이 둘을 이어주는 것이 패키지 기판. 한번에 연결하지 못하는 이유는 반도체와 PCB의 크기 차이 때문. 반도체는 너무 작고 PCB는 반도체 대비 너무 크고ㅎㅎ

반도체를 한번 패키징하기 때문에 패키지 기판이라고 하는 것 같다. 반도체와 직접 연결된 기판이기 때문에 반도체 기판이라고도 하는 것 같다. 패키지 기판이라는 용어를 가장 많이 사용하는 것으로 보인다.

​

문제의 용어 해결은 했다;; 이제 이걸 바탕으로 FC-BGA, FC-CSP과 같은 용어가 어떻게 나왔는지 보자.

연결이 필요한 곳은 두 곳. 반도체-패키지 기판, 패키지 기판-PCB.

반도체와 패키지 기판을 연결하는 방식은 크게 두 가지 방법이 있다.

​

1) Wire Bonding

그림에서 보면 하얀색이 반도체이고, ②로 되어 있는 연한 주황색이 패키지 기판으로 보면 된다. 반도체와 패키지 기판을 ③으로 표시된 노란색 선이 연결해주고 있다. 오른쪽 그림을 보면 가느다란 선이 나와있는데 이것이 왼쪽 그림의 노란 선과 같다. 바로 요것이 Wire Bonding. 말 그대로 금속 선으로 연결한 것.

그림에서와 같이 반도체의 면 쪽에서 연결 선을 뽑기 때문에 최대 네 개의 면에서만 연결이 가능하다. 그래서 I/O가 제한된다.

​

2) Flip Chip

그림에서 보면 반도체에 동글동글한 회색 공을 붙이고 뒤집는다 (Flip). 뒤집어서 패키지 기판과 연결한다. 이처럼 반도체를 뒤집어서어서(Flip) 패키지 기판과 연결하는 방식을 Flip Chip방식이라고 한다.

이때 사연결 매체는 그림에서 Solder라고 표시되어 있는 Bump. Bump는 튀어나온 것을 의미하는데 반도체에서 튀어나와 있어서 이렇게 명명된 것 같다. 자료에 따라 Solder Ball이라고 하는 것도 있는데 Solder는 납땝이다. 납땝을 동그랗게 공 모양으로 만들었다고 해서 Solder Ball이라고 하는 것다.

Bump에 사용하는 소재는 금(Au)이나 납(Solder). 사용하는 소재에서 Solder Ball 명칭을 따온 것 같기도 하다.

반도체 표면 전체적으로 연결할 Bump를 만들 수 있기 때문에 wire bonding에 비해 I/O가 많고, wire bonding에 비해 빠른 전기적 신호처리가 가능하다.

​

Wire Bonding과 Flip Chip 방식의 schematic 단면을 위 그림과 같다.

​

Wire Bonding과 Flip Chip 방식의 실물은 위 그림과 같다.

사실 패키지 기판과 PCB의 연결 방식 또한 반도체와 패키지 기판 연결 방식과 큰 차이가 나지 않는다. 패키지 기판과 PCB간의 연결 방식도 wire 아니면 bump.

​

​

1) Lead Frame

패키지 기판과 PCB를 wire 방식으로 연결한 방법이 리드프레임 (lead frame). 리드프레임 역시 wire bonding과 같이 패키지 기판의 네 개의 면에서만 연결이 가능하기 때문에 I/O가 제한적.

​

2) Ball Grid Array

패키지 기판과 PCB를 bump 방식으로 연결한 방법이 Ball Grid Array (BGA). BGA 역시 FC와 같이 I/O를 크게 증가시킬 수 있고, 신호처리 속도도 빠르다. 그래서 모바일 기기에 많이 사용된다.

하지만 thermal stress와 mechanical stress에 취약하기 때문에 신뢰성이 높아야하는 전장 부품에는 잘 사용되지 않는다.

​

CSP는 Chip Scale/Size Package의 약자. 직역하면 칩 크기의 패키지. 이 말 그대로다.

​

CSP는 Chip (반도체) 크기와 거의 유사한 크기의 패키지 기판을 지칭한다.

BGA는 상대적으로 Chip (반도체) 보다 큰 크기의 패키지 기판을 지칭한다.

두 방식 모두 패키지 기판과 PCB의 연결 방식으로는 bump를 사용한다.

​

두 방식의 절대적인 구분은 없지만 일반적으로 위 표와 같은 크기를 기준으로 구분하는 것 같다.

​

FC-BGA와 FC-CSP의 schemati 단면은 위 그림과 같다. 그림과 같이 FC-BGA에서의 반도체 FC-CSP에서의 반도체 보다 패키지 기판에 비해 작은 것을 알 수 있다.

요 그림으로 정리가 된다.

반도체를 활용하기 위해선 PCB에 연결을 해야하는데 반도체가 PCB 대비 크기가 너무 작아서 중간에 패키지 기판이라는 것을 활용.

반도체와 패키지 기판의 연결 방식은 wire boning 혹은 flip chip (FC).

패키지 기판과 PCB의 연결 박식은 lead frame 혹은 ball grid array (BGA).

그리고 BGA 방식을 이용하면서 패키지 기판이 반도체와 면적이 유사하면 chip scale package (CSP).

​

그래서 연결 방식 조합에 따라 이름이 나온다.

Wire Bonding 방식 + Chip Scale Package 방식 = WB-CSP

Flip Chip 방식 + Chip Scale Package 방식 = FC-CSP

Flip Chip 방식 + Ball Grid Array 방식 = FC-BGA

​

Bump - Lead Frame 조합은 따로 없는 것고 리드프레임의 경우 wire bonding을 사용하는 것 같다.

(내가 못 찾았을 수도 있지만 convestional한 방법들이라 그럴지도)

​

Wire Bonding - Bump 조합은 Plastic Ball Grid Array (PBGA)라고 별도로 부르는 명칭이 있긴하다.

반도체를 사용하용하는 어플리케이션에 따라 적절한 방법으로 연결하여 패키징을 한다. 또한 PCB에 실장하는 패키징 방법에 따라 System in Package (SiP) 방식이 있기도 하고, 이를 활용한 Antenna in Package (AiP) 방식이 있다. 또한 chip make인 TSMC, 삼성전자, Intel 각각의 패키징 방법들도 다 따로 있다. 그렇지만 가장 기본적인 단위인 반도체에서 패키지 기판을 거쳐 PCB로 연결하는 방법은 위에 설명한 연결 방벙에 따라 분류가 된다. 위의 방법들을 머리속에 잘 넣어두고 있으면 복잡한 패키징 자료를 보아도 조금 이해가 수월할 것이다.

참고로 앞서 설명한 방법들 외에 실리콘 인터포저와 TSV (Through Silicon Via)란 연결 방식도 있긴한데, 이는 다음에 포스팅.

​

(사실 모든 내용들이 이전에 포스팅했던 "OSAT를 공부사자" 시리즈에 다 있다;; 본 포스팅 내용은 "본딩 & 패키징 & 외관" 포스팅에 있음)

​