패키지 형태 및 구조 설계 [패키지 설계]

󰊱 반도체 패키지의 기능

반도체 패키지는 반도체 칩을 외부 환경으로부터 안전하게 보호하는 기능, 칩과 기판 또 는 리드 프레임의 회로 연결을 제공하는 기능, 전원을 필요한 칩에 연결하는 기능, 칩이 동작할 때 발산하는 열을 외부로 자연스럽게 배출해 주는 기능을 제공한다.

 

1. 신호 연결

반도체 제품이 제 기능을 발휘하기 위해서는 반도체 소자 간에 신호를 주고 받을 수 있 는 연결 부분이 매우 중요하다. 패키징 공정은 반도체 소자간 신호를 연결하는 기능을 갖는다.

 

2. 전력 공급(Power Distribution)

반도체 소자를 작동하기 위하여 전력이 필요하며, 전류가 공급되는 동안에는 전압이 안정 화 되어야 한다. 저 잡음 전력설계, 접지 설계 등을 통해 안정적인 성능이 발휘될 수 있도 록 한다.

 

3. 열 방출 (Heat Transfer)

반도체소자가 작동하면서 발생하는 열은 소자의 성능을 저하시키고 신뢰성에 큰 영향을 미치므로 발생하는 열이 잘 방출될 수 있도록 재료 및 구조를 선택해야 한다.

 

4. 외부 환경으로부터 패키지 보호 (Protection)

반도체 칩과 연결부분을 기계적, 화학적, 열적인 외부 환경의 영향에서 안정적으로 동작하 도록 하기 위해 패키지의 각 부분에 대한 구조와 재료를 잘 선택할 필요가 있다. 특정 형태의 패키지가 제안되고 사용되기 위해서는 제대로 성능이 발휘되는 품질, 사용되는 외부 환경에서 안정적으로 동작할 수 있도록 신뢰성이 확보 되어야 하지만 무엇보다도 저렴하게 제품을 공급할 수 있도록 가격 면에서 경쟁력을 가지는 것이 중요하다. 패키지의 생산성, 높은 제품 수율, 단순한 공정체계가 확보되면 꾸준하게 사용될 수 있다.

 

󰊲 반도체 패키지의 종류

반도체 패키징 공정은 반도체 칩을 리드프레임(Lead Frame)에 부착하고 금선(Au Wire)으 로 반도체 칩의 회로단자와 리드프레임의 리드와 전기적으로 연결을 한 다음에 외부의 환 경으로부터 보호하기 위하여 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound : EMC)로 몰 딩(Molding)하고 기판에 부착(Mount)할 때, 납땜이 잘 되도록 패키지의 리드(Lead)부분을 주석이나 납으로 표면처리 한다.

 

1. 리드프레임 패키지

리드프레임을 이용하는 패키지 형태로 패키지의 주변으로 리드가 나오는 형태를 가지므로 패리패럴 패키지라고 한다. 패키지의 형태는 물리적 형태의 규격으로 정의하며 폼 팩터라 고 한다. DIP (Dual Inline Package), TSOP (Thin Small Outline Package), QFP (Quad Flat Package) 등이 리드프레임을 사용하는 대표적인 패키지이다.

 

2. PCB 패키지

PCB 기판을 사용하는 패키지는 PCB 아래의 전체 면적에 I/O 게이트를 만들 수 있어서 리 드프레임 패키지에 비해 많은 수의 I/O를 가질 수 있는 장점이 있다. BGA(Ball Grid Array), PGA(Pin Grid Array), LGA(Land Grid Array) 등이 PCB 기판을 사용하는 에리어 어레이 패 키지 (Area Array Package)이며, 경박단소화 구현이 가능하여 휴대용 전자기기에는 대부분 사용 되고 있다.

 

3. 플립칩 패키지

플립칩 패키지는 와이어 본드 대신 솔더 볼을 이용하여 반도체 소자와 PCB 기판을 연결하 는 형태의 BGA이며, FCBGA(Flipchip Ball Grid Array)라고 한다. 플립이라는 의미는 뒤집는 다는 의미를 가지며, 와이어 본딩을 하는 경우 반도체 소자의 패드가 위를 향하는 것과 다 르게 플립칩의 범프가 있는 부분이 아래를 향하도록 하고 기판에 접착을 하여 붙여진 이 름이다. PCB 기판과 연결하기 위해 칩에는 범프를 만들고 범프의 레이아웃에 맞추어 설계 된 PCB 기판에 접착을 한다. PCB 기판위에 올려진 플립칩은 리플로우 로(Reflow Furnace) 를 통과할 때 솔더가 녹으면서 접합이 된다.

 

4. MCP(Multi-Chip Package)와 SIP (System in Package)

하나의 패키지에 여러 개의 칩이 탑재된 패키지를 MCP(Multi Chip Package)라고 한다. SIP (System In Package : from 1 Level)는 하나의 패키지 혹은 여러 개의 패키지에 많은 칩들 을 적층 탑재하여 하나의 독립된 기능을 가진 패키지이다. 패키지 자체가 Logic IC를 포함 하여 별개의 기능을 갖고 있으면 SIP, 단순히 동일기능의 칩을 많이 적층한 경우에는 MCP 라고 할 수 있다.

 

5. WLP(Wafer Level Package)

WLP는 웨이퍼를 대상으로 패키징 공정을 진행하고 웨이퍼 쏘잉을 하면 그대로 패키지가 되는 형태이므로 칩의 크기가 가장 작아진다. 일반 형태의 패키지 보다 공정이 많이 줄어 들기 때문에 저렴하게 반도체 제품을 만들 수 있다. 최근에는 가격 경쟁력을 높이기 위해 WLP 공정을 적용하는 사례가 늘어나고 있다. 사용되는 PCB기판의 선폭이 WLP에 있는 회 로의 선폭을 따라오지 못하는 경우 중간 매개체 역할을 하는 인터포우저(Interposer)를 사 용하기도 한다.

 

󰊳 반도체 패키지 설계 표준

1. 패키지 설계 표준

반도체는 전 세계적으로 공통적으로 사용하므로 패키지 설계 표준은 전 세계가 공통적으 로 (Specification)이라는 것은 업무나 사물에 대한 정의, 설명을 의미한다. 표준은 대량 생 산되는 제품의 균일 품질을 유지하기 위하여 필요한 제반의 관리요소들에 대한 변경을 관 리하는 일련의 문서화 활동을 하여 관리한다. 표준은 크게 규정(Procedure)과 규격 (Specification : SPEC)으로 분류할 수 있다.

 

󰊴 반도체 패키지 설계 절차

반도체 패키지 설계는 고객으로부터 디자인 요청으로 시작이 된다. 데이터를 입력하고 레 이아웃을 설계한 후 거버 파일을 출력한 후 디자인 룰을 점검하게 된다. 전체 패키지 디 자인을 마치고 고객 승인을 받으면 설계가 완료된다. 디자인 툴은 마스터 파일을 생성하 고 커버 파일을 만들어 낸 후 디자인 룰을 점검하는 소프트웨어, 거버 파일을 보고, 라인/ 스페이스 점검, 메탈 보완, 디자인 룰을 점검하는 소프트웨어, 기판과 본딩 다이어그램을 그리고 서류 작업을 진행하는 소프트웨어로 구분되어 있다.

 

[실습]

󰊱 반도체 패키지의 구조별 특성을 파악하고 패키지를 설계한다.

반도체 패키지는 반도체 칩을 외부 환경으로부터 안전하게 보호하는 기능, 칩과 기판 또 는 리드 프레임의 회로 연결을 제공하는 기능, 전원을 필요한 칩에 연결하는 기능, 칩이 동작할 때 발산하는 열을 외부로 자연스럽게 배출해 주는 기능을 제공한다. 칩과 기판의 신호 연결, 전력 공급, 저 잡음 전력설계, 접지 설계를 통한 안정적인 성능 확보, 열적 특 성 확보, 패키지의 신뢰성을 확보할 수 있는 패키지를 설계하여야 한다.

 

1. 신호 연결

반도체 소자를 구성하는 부품들이 서로 정해진 신호를 전달할 수 있도록 회로도대로 설계하는 것이 매우 중요하다. 회로 배선에 문제가 있을 경우 주어진 성능에 문제가 있게 되므로 설계가 매우 중요하다.

 

2. 전력 공급

반도체 소자가 동작하기 위한 전력이 제대로 공급되고 전류가 공급되는 동안에는 전압 이 안정화 되어야 하므로 저 잡음 전력설계, 접지 설계를 제대로 하여 안정적인 성능 이 발휘될 수 있도록 한다.

 

3. 열 방출 (Heat Transfer)

반도체소자가 작동하면서 발생하는 열이 제대로 방출되지 않을 경우 소자의 성능이 저 하되거나 오동작을 일으킬 수 있으므로 회로가 동작하면서 발생하는 열을 예측하고, 온도가 높아질 경우 열이 잘 방출될 수 있도록 재료 및 구조를 잘 설계해야 한다.

 

󰊲 반도체 패키지의 종류에 따른 구조와 특성을 이해한다.

리드프레임을 이용하는 패키지, PCB 기판을 이용하는 패키지, 플립칩 패키지, 여러 개의 칩을 한 번에 패키지하는 MCP와 SIP, WLP에 따라 그 특성이 달라지고 취약한 부분이 달 라지게 된다. 리드프레임 형태 패키지와 PCB 형태 패키지는 구조가 다르므로 제조공정, 특 성, 신뢰성 문제 등이 모두 다르게 되므로 각 패키지가 가지고 있는 특성을 잘 이해해야 설계가 가능하다. 각 형태별로 표준 규격을 잘 이해하고 이에 따라 설계할 필요가 있다.

 

󰊳 반도체 표준을 이해하고 설계 절차에 따라 설계를 진행한다.

반도체는 세계 어디서나 사용할 수 있어야 하므로 전 세계에서 통용되는 표준을 잘 따라 야 한다. 반도체 표준 기관이 지정하는 표준에 의하여 반도체를 설계해야 한다. 반도체 패키지 설계는 고객이 제공하는 디자인 내용을 진행하며 실제 데이터를 입력하고 레이아웃을 설계한 후 거버 파일을 출력한 후 디자인 룰을 점검하면서 진행한다. 전체 패 키지 디자인을 마치고 고객 승인을 받으면 설계가 완료된다. 디자인 툴은 마스터 파일을 생성하고 커버 파일을 만들어 낸 후 디자인 룰을 점검하는 소프트웨어, 거버 파일을 보고, 라인/스페이스 점검, 메탈 보완, 디자인 룰을 점검하는 소프트웨어, 기판과 본딩 다이어그 램을 그리고 서류 작업을 진행하는 소프트웨어로 구분되어 있다. 반도체 패키지 설계 표 준을 이해하고 표준을 고려해 반도체 패키지와 PCB/리드프레임을 설계할 수 있도록 설계 툴 사용법을 익히도록 한다.

 

 

 

 

* 출처 : NCS 학습모듈을 바탕으로 작성하였습니다.