기술의 개요
회로가 설계된 반도체칩에 전기적인 연결을 해 주고, 외부의 충격에 견디게끔 밀봉 포장해 비로소 실생활에서 사용할 수 있게 물리적인 기능과 형상을 갖게 해주는 것이 패키징의 역할이다. 반도체패키지는 반도체칩을 최종 제품화하는 패키징 공정의 결과물이다.고성능의 칩을 지속적으로 발전시켜오다 보니 이제는 반도체 칩 자체의 한계보다는 패키지의 물리적 특성에 따른 제약이 많아졌다. 칩의 크기 축소, 열방출 능력 및 전기적 수행능력 향상, 신뢰성 향상, 그리고 가격 저하 등이 패키징 기술에 좌우된다. 따라서 반도체 디바이스의 고집적화와 고성능화를 뒷받침해 줄 수 있는 패키징 능력 향상을 요구하게 되었다.
기술개발 흐름
반도체 패키지 기술의 발달 흐름을 보면, 리드 수에 따라 패키지 이름이 바뀌어 왔다고도 볼 수 있다. 전기인출단자의 수를 늘리기 위해 리드를 패키지 옆면 모서리에 달았는데, 한쪽에만 리드가 있는 것을 SIP (Single Inline Package), 양쪽에 모두 있는 것을 DIP (Dual Inline Package), 사방의 네 군데에 모두 리드를 단 것을 QFP (Quad Flat Package)라 부른다. 이제는 QFP와 같이 패키지의 모든 모서리 부분을 사용하여 리드 수를 늘리는 것도 한계에 달하여, 패키지 바닥면에 바둑판에 바둑알 놓듯이 둥근 볼(ball) 형태의 리드를 배열하는 BGA (Ball Grid Array) 패키지가 보편화되고 있다.휴대용 전자제품이 소형화하면서 반도체가 실장될 공간은 더욱 줄어들고, 제품은 더욱 다기능화하고 고성능화되기 때문에 이를 뒷받침해 줄 반도체의 개수는 늘어나는 추세이다. 따라서 단위 체적당 실장효율을 높이기 위해서 패키지는 경박단소(輕薄短小)화에 부응할 수밖에 없다. 이러한 요구로 상용화된 것이 칩 크기와 거의 같은 크기의 패키지인 CSP(Ch ip Size Package)이다. 최근의 패키지 개발 추세는 칩의 크기에 맞게 줄이는 것을 넘어서, SCSP (Stacked CSP)처럼 칩 위에 또 칩을 올려 쌓아올리거나 기능이 다른 여러 개의 반도체 칩을 하나의 패키지 안에 배열하는 MCM(Multi Chip Module) 패키지의 개발에 까지 이어지고 있다.
이와 함께 최근 환경규제가 점점 강화되면서 무연솔더링도 부각되고 있다.
여기서는 반도체 패키지기술을 CSP(Chip Scale Package), MCM (Multichip Module), 플립칩(Flip Chip), 무연솔더(Pb-free Solder)를 중심으로 분류했다.
산업 및 시장동향
◇CSP= 국내의 경우 웨이퍼레벨 패키징이 거의 실현되었다. 다이와 최종 패키지 사이의 전기적 테스트 데이터 상관관계는 거의 신뢰성 수준 확인 단계에 도달하였다. 삼성전자는 Tiles, MOST, Ultra CSP 등 세가지 종류의 웨이퍼레벨 패키지를 제안했다.◇MCM= 국내의 MCM 기술은 초기 단계로서 삼성전자, LG정보통신 등의 회사에서 R&D 수준에 와 있다. 그러나 심텍의 경우 99년 말 국내 최초 CSP, MCM용 기판 양산 발표, 99년 7월 대우전자부품의 다중칩 모듈 기판 사업 추진 계획 발표, ETRI의 MCM 연구, KAIST MCM 선행연구 등이 최근의 동향이라 하겠다.
◇플립칩= 플립칩 기술의 경우 국내 기업의 수요가 급증하고 있는 상황에서 기업의 연구 개발이 활발히 진행 되고 있으나, 국내 반도체 회사들은 이제 그 시작단계로 현재는 필요한 플립칩 범핑을 일본이나 미국에 공정을 의뢰하고 있는 실정이다.
◇무연솔더 기술= 국내에서도 삼성, 현대, LG 등의 대기업을 중심으로 무연솔더의 개발이 한창 진행 중에 있다. 하지만, 실질적으로 생산에 적용한 경우가 보고되고 있지 않기 때문에 시기적으로 늦은 감이 없지 않다.
특허출원현황
MCM 기술과 플립칩 기술은 1990년부터 증가 추세가 두드러지기 시작하였고, CSP 기술은 1994년을 전후로 증가 추세에 들어섰음을 알 수 있다.
특히, CSP 기술은 MCM 기술이나 플립칩 기술에 비하여 뒤늦게 개발됐으나 1990년 중반에 들어서면서 특허출원이 급증했다. 이는 1990년대 들어 초소형 전자제품 및 휴대용 통신기기 시장이 폭발적으로 성장하면서, 가볍고 얇은 패키지에 대한 급격한 수요 확대에 부응한 것으로 판단된다. 또한, wafer level package의 등장과도 무관하지 않은 것으로 보인다.
향후 전망
CSP관련 기술은 1990년을 전후해 출원되기 시작했고, 1990년대 중반부터 Wafer Level CSP 기술이 출원되기 시작했다. 또한 기판, Interconnection에 관한 출원은 1980년대에도 있었으나, 1990년대에 접어들면서 MCM 관련 출원이 본격화 됐다. 1990년대 후반부터는 SIP, SOC, 내장형 수동소자 등에 관한 기술이 출원됐으며, 플립칩 관련 출원은 1990년대 초부터 계속되고 있다.CSP기술은 단자밀도를 BGA 수준으로 끌어올린 리드프레임이 개발되고 있으며, Rigid Substrate보다 Flexible Substrate를 활용한 CSP의 개발이 증가하고 있고, 솔더 접합 구조의 스트레스 감소와 관련된 출원도 지속적으로 이뤄지고 있다.
MCM기술은 단일칩 패키지의 대안에서 출발 3차원 적층기술로 발전되고 있으며, 패키지 적층, 멀티칩 모듈 적층 형태로 영역이 확장되고 있고, MCM 기술의 연장선 상에서 SIP 및 SOC 기술이 발전되어 가고 있다.
플립칩기술은 저가형 범핑 기술과 유기 기판에서의 플립칩 기술이 복합된 DCA 기술이 주목을 끌고 있으며 언더필 물질, 공정 개선, 신뢰성 향상에 대한 연구가 지속적으로 이뤄지고 있다. 또한, 저가이면서 높은 열안정성과 미세피치, 미세비아를 갖는 HDI 기술이 점차 대두되고 있다.
무연솔더 기술은 미국의 NEMI 프로젝트, 일본의 IMS, JWES, EIAJ, JIEP 프로젝트 등이 진행중이며, 신뢰성 확보, 생체 영향 문제, 용출성, 실장성 등에 관한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.