반도체 칩 패키징 는 반도체 제조 체인에서 가장 중요한 마지막 단계로, 제작된 실리콘 다이가 전자 기기에 사용할 수 있는 부품으로 변환되는 곳입니다.
집적 회로 자체에는 수십억 개의 트랜지스터가 포함되어 있지만 적절한 패키징 없이는 시스템에서 작동할 수 없습니다. 패키징은 기계적 보호, 전기적 상호 연결, 열 방출 및 환경 차폐 기능을 제공합니다. 반도체 제품의 성능, 신뢰성, 심지어 비용까지도 패키징 방식에 따라 크게 달라집니다.
계측의 관점에서 칩 패키징은 모든 단계에서 정밀한 치수 검증이 필요합니다. 본딩 패드 정렬, 기판 두께 또는 납땜 범프 높이의 작은 변화는 연결 실패 또는 디바이스 수명 단축으로 이어질 수 있습니다.
패키징 프로세스
칩 패키징 공정에는 상호 의존적인 여러 단계가 포함되며, 각 단계마다 정확성과 엄격한 공정 모니터링이 필요합니다.
1. 웨이퍼 준비 및 다이싱
웨이퍼가 제작되면 개별 다이로 다이싱됩니다. 최신 다이싱은 기존의 블레이드 다이싱 외에도 스텔스 레이저 다이싱과 플라즈마 다이싱을 사용합니다. 계측 시스템은 모든 다이가 치수 표준을 충족하는지 확인하기 위해 커프 폭, 치핑 및 다이 크기 균일성을 검사합니다. 예를 들어, MEMS 디바이스의 경우 2~3µm의 오버컷만 있어도 디바이스를 사용할 수 없게 될 수 있습니다.
2. 다이 부착
각 다이는 리드 프레임 또는 기판에 부착해야 합니다. 이는 에폭시 접착제, 유텍 본딩 또는 납땜 기반 다이 부착 방법을 사용하여 수행됩니다. 부착 층의 평탄도와 두께 균일성을 확인해야 합니다. 비접촉 측정 시스템은 다이 기울기와 본드 라인 두께를 평가하는데, 이러한 요소는 열 방출과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.
3. 상호 연결 - 와이어 본딩 및 플립칩
상호 연결은 다이 패드를 외부 회로에 연결합니다.
- 와이어 본딩 는 직경 15µm의 미세한 금, 구리 또는 알루미늄 와이어를 사용합니다. 와이어 루프 높이와 본드 배치는 정밀한 계측 검증이 필요합니다.
- 플립칩 본딩에는 다이에 납땜 범프를 증착한 다음 이를 뒤집어 기판에 직접 연결하는 작업이 포함됩니다. 이때 범프의 동일 평면성, 직경 및 높이 균일성을 엄격하게 제어해야 합니다. 단 몇 미크론의 편차만으로도 개방 회로가 발생할 수 있습니다.
4. 캡슐화 및 성형
다이와 와이어는 환경 스트레스로부터 보호하기 위해 에폭시 몰딩 컴파운드로 캡슐화됩니다. 캡슐화 두께, 보이드 감지, 필러 분포와 같은 파라미터가 중요합니다. 예를 들어, 자동차 전자장치에서 습기가 유입되면 박리가 발생하여 시스템 고장으로 이어질 수 있습니다. 광학 좌표 측정 시스템은 패키지를 손상시키지 않고 캡슐화된 프로파일을 검사하는 데 도움이 됩니다.
5. 도금 및 표면 마감
리드와 접점은 산화를 방지하고 납땜성을 보장하기 위해 NiPdAu, NiAu 또는 Ag로 도금됩니다. 표면 거칠기, 도금 두께, 코팅 접착력은 모니터링이 필요합니다. 불균일한 도금으로 인해 리플로우 중에 솔더 브리징이 발생할 수 있으므로 정밀 계측 도구는 도금 균일성을 미크론 이하 수준까지 측정합니다.
6. 테스트 및 번인
배송 전에 칩은 고온에서 기능 및 스트레스 테스트를 거칩니다. 이 단계에서는 전기적 무결성뿐만 아니라 패키지의 견고성까지 검증합니다. 광학 및 3D 비전 측정 시스템은 인쇄 회로 기판의 조립에 영향을 줄 수 있는 휨, 패키지 동일 평면성, 기판 휨을 감지하는 데 사용됩니다.
포장 재료
포장재는 전기적, 열적, 기계적 성능을 기준으로 선택됩니다.
1. 기판 재료
기판은 전기적 라우팅과 기계적 지지력을 제공합니다. 일반적인 재료는 다음과 같습니다:
- BT 수지 및 FR-4 라미네이트 - 주류 IC에 사용되는 저비용 유기 재료.
- 세라믹(알루미나, 질화알루미늄) - 열 전도성이 뛰어나 고주파 또는 고전력 장치에 사용됩니다.
- 실리콘 인터포저 - 고급 2.5D 및 3D 패키징을 지원합니다.
2. 본딩 재료
- 와이어 본딩 와이어: 금선은 안정적이지만 가격이 비싸고, 구리선은 비용이 저렴하고 전기 성능이 우수하여 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
- 납땜 범프: RoHS 규정 준수 때문에 무연 Sn-Ag-Cu 합금이 주를 이룹니다. 높이 균일성과 직경은 플립칩 수율에 매우 중요합니다.
- 접착제: 에폭시 및 은 충전 페이스트는 우수한 열전도율로 다이 접착 안정성을 제공합니다.
3. 캡슐화 화합물
실리카 입자로 채워진 에폭시 몰딩 컴파운드는 강도를 높이고 응력을 줄입니다. 박리를 방지하기 위해 내습성과 열팽창 계수(CTE)의 균형을 맞춰야 합니다.
4. 리드 프레임 재료
구리 및 합금 42가 널리 사용됩니다. 납땜성을 향상시키기 위해 표면은 NiPdAu 또는 Ag로 도금됩니다. 도금 두께 계측을 통해 장기적인 접촉 신뢰성을 보장합니다.
5. 열 관리 재료
그리스, 젤, 상변화 화합물과 같은 열 인터페이스 재료(TIM)는 열을 발산하는 데 사용됩니다. 전원 장치에는 구리 히트 스프레더 또는 알루미늄 뚜껑이 사용됩니다.
6. 도금 및 코팅 재료
금, 니켈, 팔라듐, 은 코팅은 산화 저항성을 제공합니다. ENIG(무전해 니켈 침지 금)는 일반적인 표면 마감입니다. 정밀한 두께 검증을 통해 조기 마모를 방지합니다.
패키징 유형(애플리케이션 및 폼 팩터)
칩 패키지는 성능 및 비용 요구 사항에 따라 다릅니다:
- DIP(듀얼 인라인 패키지): 주로 사용되지 않는 구형 스루홀 패키지입니다.
- QFP(쿼드 플랫 패키지): 가전제품에 사용되며 동일 평면성 검사가 필요합니다.
- BGA(볼 그리드 어레이): 마이크로프로세서에서 흔히 볼 수 있는 솔더 볼이 아래에 있는 고밀도 인터커넥트입니다.
- CSP(칩 스케일 패키지): 매우 컴팩트한 크기로 금형 크기에 가깝습니다.
- WLP(웨이퍼 레벨 패키지): 웨이퍼 수준에서 패키징을 수행하여 비용을 절감하고 성능을 높입니다.
- 팬아웃 패키지: 모바일 디바이스 및 고급 프로세서를 위해 더 높은 I/O 밀도를 허용합니다.
패키지 유형마다 각기 다른 계측 검사 접근 방식이 필요합니다. 예를 들어, BGA는 3D 솔더 볼 검사가 필요한 반면, WLP는 웨이퍼 단위의 평탄도 및 두께 매핑이 필요합니다.
업계 과제 및 트렌드
반도체 패키징 산업은 여러 가지 도전 과제에 직면해 있습니다:
- 소형화: 점점 더 소형화되는 디바이스에는 상호 연결 및 동일 평면성에서 미크론 이하의 정확도가 요구됩니다.
- 열 관리: 고성능 칩은 더 많은 열을 발생시키므로 AlN 세라믹 및 그래핀 기반 TIM과 같은 새로운 소재가 필요합니다.
- 신뢰성 표준: JEDEC 및 MIL-STD를 충족하려면 정밀한 스트레스 테스트와 고장 분석이 필요합니다.
- 환경 규정: 무연 패키징으로 인해 제조업체는 새로운 합금과 접착제를 채택하고 있습니다.
- 계측 통합: 인라인 비전 계측으로 공정 제어를 보장하여 재작업과 수율 손실을 줄입니다.
반도체 패키징의 미래 트렌드
미래는 고급 통합에 있습니다:
- 2.5D 및 3D IC 패키징: 다이를 수직으로 쌓거나 인터포저를 사용하여 밀도를 높입니다.
- 이기종 통합: 로직, 메모리, RF, 아날로그를 단일 패키지에 결합합니다.
- 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키징: 모바일 프로세서 및 5G 디바이스에 필수적입니다.
- 고급 재료: 다이 접착용 나노 실버 페이스트, 그래핀 TIM 및 저-CTE 폴리머.
- 포장 계측 분야의 AI: 머신러닝을 이용한 자동화된 결함 감지는 대량 생산의 속도와 정확성을 향상시킵니다.
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웨이퍼 및 MEMS 제조, 칩 테스트, 조립 및 패키징(IDM, OSAT 및 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키징), 포토마스크, 와이어 본딩, PCB, 하드 디스크 드라이브, 모바일 장치, 약물 전달 시스템(이식형, 경피, 피내) 또는 기타 유형의 2D 비접촉 애플리케이션 등 어떤 작업에서든 VIEW는 마이크로 계측 시스템을 제공합니다. 매우 엄격한 공차를 가진 부품을 제조 공정에 맞춰 빠르고 정확하게 측정하도록 설계되었습니다. 당사의 시스템은 모든 단계에서 포장 정밀도를 보장하는 비접촉식 고해상도 측정을 제공합니다.
결론
반도체 칩 패키징은 단순한 보호 케이스 그 이상입니다. 전자 기기의 신뢰성, 성능, 수명을 결정하는 고도로 엔지니어링된 공정입니다. 웨이퍼 다이싱부터 최종 캡슐화까지 각 단계는 정밀한 재료, 제어된 프로세스 및 고급 검사에 따라 달라집니다.
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