전자 패키지와 반도체
장동규 한국마이크로전자패키징연구조합
전자 패키지
전자 패키지(Electronic package)란 전자제품에서 사용되는 Device를 효율적으로 포장하는 기술을 의미한다.
전자 패키지는 IC Chip들이 동작할 수 있도록 Power와 신호를 전달하며 다른 시스템과 전기적 역할이 가능하도록 채널을 공급하여 Interfacing이 가능하도록 하는 동시에 전체 시스템을 물리적으로 보호하여 신뢰성을 보장하는 역할을 수행한다.
전자 및 반도체 패키징 분야는 재료, 부품, 기판 및 Module이 고성능화(High Performance), 고집적화(High Density Integration), 다기능화(Multi Functionality), 소형화(Miniaturization)되며 기술이 발전하고 있다.
전자 패키지의 과정을 살펴보면, 우선 Wafer를 낱개로 조각을 내어(Chip) BT Substrate에 접착한다. Chip과 Board를 연결하는 Wire Bonding 및 Welding(Gold & Alu-minum Wire 사용) 단계를 거쳐 Chip을 PCB에 장착하여 연관되는 다른 소자들과 연결한다. 그 후 Module화된 Card를 전체 Main Board에 연결하여 최종적으로 제품을 완성 조립한다.
그림 1, 2에 고밀도 실장의 적용 예를 나타냈다.
1. 실장기술 트렌드
실장기술 트렌드로는 제품의 경박단소화에 필요한 PCB Assembly의 고밀도화 기술(표 1), 다기능 소형제품에 대응하기 위한 부품/기판/Set 실장의 Boundary-less화(그림 3), 소형화/박형화/집적화/신뢰성 보증을 위한 고밀도 실장 기술 개발(그림 4), Mobile 기판의 고밀도 다층화, 액정기판의 Rigid-Flex화, 기판 내층의 부품 실장을 통한 기판 크기 소형화와 전기적 특성 향상, 차세대 실장 기술 Issue(표 2) 등이 있다.
기판 내층의 부품 실장을 통한 기판 크기 소형화는 수동 부품 전체 내장 시 30%정도가 소형화 되는 것이다.
때문에 고속/고주파 부품 실장에 따른 전기적 특성 저하 문제가 해결되고 신호감쇄, Noise 간섭문제가 낮아지는 반면, Embedded PCB 활용을 위한 설계, 검사, 수리 기술 확보가 필요하다.
반도체
반도체란 물리적 의미의 반도체가 아닌 직접회로 산업, 기술을 의미한다. 여기서 직접회로(IC, Integrated Circuits)는 Transistor, Capacitor Resistor, Diode, 배선회로 등을 수억분의 1로 소형화 고직접화시켜 전기적으로 동작하도록 한 것이다.
반도체는 N형 반도체와 P형 반도체로 구분하며, 데이터를 저장하는 용도의 메모리 반도체와 데이터를 저장하는 일을 제외한 다른 일을 하는 시스템 LSI(Large Scale Integ-rated Circuit)로 나뉜다.
메모리는 D램, 낸드플래스, S램, 노어플래시가 있다. 시스템 LSI는 쓰임에 따라 마이크로컴포넌트, 로직, 아날로그, 개별소자 광학반도체으로 나뉘며 다시 CPU(중앙처리 장치), DSP(디지털신호처리프로세서), 통신용칩, 아날로그칩 등 수천가지로 나뉜다.
반도체의 기본 구조를 그림 5에 나타냈다.
1. 반도체 원리
전기를 통하게 하는 것은 들뜬 전자와 정공, 즉 자유전자 혹은 가전자이다. 자유롭게 돌아다닐 수 있는 이 자유전자(전자·정공)가 많으면 전류가 잘 흐르는 도체라 하고, 전자나 정공이 적으면 전류를 잘 흐르게 하지 못하는 부도체라 한다.
반도체는 도체와 부도체의 중간 정도로, 자유전자나 가전자가 적당하게 존재한다.
주로 반도체의 재료로 사용되는 것이 실리콘이나 게르마늄인데 이들은 형제(전자)가 4명이 있는 4족 원소다. 우리가 4인 가족이 가장 안정적이라고 말하듯 원소도 마찬가지이다. 이들은 서로 결합할 때 8명이 묶이면 가장 안정적인데, 이 경우에는 전류가 통하지 않는다.
순수 실리콘이나 순수 게르마늄으로 만들어진 진성반도체에서 전기가 통하지 않는 이유는 이들이 4개의 원자를 가진 4인 가족(4족 원소) 구성체로 돼 있기 때문에 들떠있는 자유전자나 정공이 없어 너무 안정적이기 때문이다.
이와 같은 안정 상태를 불안정한 들뜬 상태로 만들기 위해 내부에 분란을 일으킬 필요가 있다. 반도체 제조공정에서 불순물을 투입하는 과정이 있는데, 3명의 형제(전자)가 있는 3족원소(인듐, 칼륨)를 4인 가족 구성체에 투입하면 가장 안정적인 8명의 형제가 아닌 7명의 형제가 되고 1명의 빈자리(정공)이 생기게 된다.
이 빈자리가 캐리어로서 전류를 나르게 되는데, 이 같은 형태의 반도체를 P형 반도체라고 한다.
한편 순수반도체(4족 원소)에 5명의 형제가 있는 5족 원소(안티몬, 비소, 인)를 넣으면 각각 4명이 손을 잡고, 한명의 노는 전자(자유전자) 발생하는데, 이 자유전자가 캐리어로서 전류를 나르게 된다. 이를 N형 반도체라 한다.
이 같은 P형이나 N형 반도체는 재미있는 특성을 가진다. 작은 전류를 크게 키우는 증폭 기능과 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 정류가 그것이다. 이를 활용할 경우 반도체의 논리회로나 증폭기 등으로 사용할 수 있다.
이런 P형이나 N형 반도체로 어떻게 트렌지스터를 만들까?
P형과 N형을 하나로 결합한 P-N-P형 반도체 혹은 이와는 반대로 N-P-N형으로 접합함으로써 트랜지스터를 만들 수 있다.
일반적으로 전류는 P에서 N 방향으로만 흐르는데 N에서 P로 흐르기 위해서는 N형 반도체에 전압을 일정한 수준 이상으로 걸어주면 N에서 P로 전류가 흐르면서 증폭이 일어나게 된다.
또한 P형 반도체와 N형 반도체가 결합하면 중간에 전자와 정공이 없는 공간인 공핍층(양이온과 음이온만 존재)이 생긴다.
그 이유는 전자와 정공이 그대로 있는 상태에서 P형 반도체의 음이온과 N형 반도체의 양이온이 서로 끌어당겨 중앙으로 몰리기 때문인데, 이것이 장벽 역할을 한다. 그리고 이 상태에서 양쪽에 전압을(p형은 +전압, n형은 -전압) 걸어주면 +극에서는 음이온을 당기고, -극에서는 마찬가지로 양이온을 당겨 중앙에 모여 있는 양이온과 음이온은 각각 전극을 향해 조금씩 이동한다.
이것을 반도체의 순방향 바이어스라고 하며, 그 반대는 역방향 바이어스라 한다.
2. 반도체 패키지 진화
전자기기의 고속 통신화, 대용량 처리화, 다기능화, 휴대화가 진행 중인데, 반도체 디바이스의 고속화와 대집적화는 먼저 프로세스의 미세화에 의해 추진되어 왔다.
더불어 반도체 집적회로용 패키지의 표면실장 기술 진전에 의해 다핀화, 고밀도 실장화, 고속화, 휴대화가 실현되어 왔다. 1970년대 후반에 나타난 QFP(Quad Flat 패키지)나 SOP(Small Outline Package)로 대표되는 주변 단자형의 표면 실장용 패키지가 다핀, 고밀도화에 대응해 실용화(제1차 혁명기)된지 오래지만, 1990년에 들어와서는 다핀 대응의 패키지로서 Area Array 단자형의 표면실장 패키지인 BGA(Ball Grid Array Package)나 초소형 대응의 CSP (Chip Scale Package/Chip Size Package : 칩사이즈에 가까운 소형 Package의 애칭)가 출현하였다.
또한 고속화 대응을 위한 기술로서, 단배선장화를 실현할 수 있는 Wireless 접속기술(FCB, Flip Chip Bonding)이나 TAB(Tape Automate Bonding 등)도 존립하여, 각종 BGA /CSP 구조가 개발 및 양산화 되는 눈부신 발전을 이루어 왔다(제2차 혁명기).
특히 일본에서 제안된 CSP는 휴대전화 기기 용도의 소형 패키지로서 급속하게 세계로 퍼졌었으나, 다시 21세기에 들어 형태가 변하여 새로운 형태의 실장기술이 예견되고 있다.
이에 반도체 패키지의 진화과정을 표 3에, 메모리 반도체의 진화에 대해 표 4에 정리했다.
3. 미래 반도체
‘무인자동차, 인공지능 로봇, 무인 의료기기…’ 미래 반도체는 바이오·로봇·나노·자동차 등 첨단 기술과 접목돼 인류의 삶을 보다 편리하고 윤택하게 바꿔놓을 전망이다.
초미세 기술의 끊임없는 발전은 원자 수준 트랜지스터와 인간 두뇌 수준의 고용량 반도체 칩 탄생을 예고하고 있기 때문이다.
슈퍼컴퓨터와 맞먹는 CPU가 개발되면서 무인 의료 기기는 속속 상용화 단계에 진입한 상태다. 첨단 반도체가 장착된 의료기기는 건강검진에서 수술에 이르기까지 의사의 도움 없이 원스톱으로 처리하는 수준으로 발전할 것으로 기대된다. 더불어 초정밀 센서 기술과 반도체가 만나면서 머지않아 무인자동차 시대도 열릴 전망이다.
반도체와 바이오 기술의 융합은 신개념 반도체의 등장도 예고하고 있다. 삼성전자는 향후 25년 뒤 생체 에너지를 이용해 스스로 작동하는 이른바 ‘생체 파워 반도체(바이오 반도체)’가 나올 것으로 전망하고 있다.
체온을 이용해 전력을 생성하고 체온조절 기능까지 갖춘 이 반도체는 인공심장이나 인공폐가 일시적인 전력 저하시 보조적인 기능까지 담당할 수 있다. 이같은 원리는 향후 태양열·지열 반도체로 응용돼 반도체를 이용한 친환경 에너지 개발도 가능해질 것으로 예상된다.
탄소 나노공정과 같은 극미세 입체 회로 기술을 이용한 테라급 반도체는 이외에도 로봇·조선·항공 등 다양한 산업분야에 접목되어 인공지능 로봇, 무인선박이나 항공기 등 혁신적인 발명품의 산파 역할을 톡톡히 할 것으로 기대된다.
메모리 반도체를 선도하는 삼성전자와 하이닉스반도체는 캐패시터 없이 트랜지스터만으로 정보를 저장할 수 있는 Z램, 플래시메모리와 D램의 장점을 한꺼번에 갖춘 P램 등의 개발도 시도하고 있기 때문에 고용량·초고속 메모리 시대도 성큼 다가올 전망이다.
4. 반도체 제조 Process
반도체 제조 프로세스는 다음과 같다.
· 단결정 성장 : 반도체 원료로 쓰이는 물질은 규소인데, 규소는 모래에 많이 들어있다. 이것을 반도체 원료로 쓰기 위해서는 다음과 같이 정제과정이 필요하다. 먼저 모래(실리콘)를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것으로 둥근 막대(잉곳)모양을 만든다. 이것을 식히면 단결정, 즉 규소봉이 만들어진다.
· 규소봉 절단 : 웨이퍼 탄생, 규소봉의 지름에 따라 웨이퍼의 크기가 결정됨
· Wafer 연마 : 규소봉에서 잘라낸 웨이퍼의 표면은 약간의 흠결도 있고 매끄럽지 못하다. 이것을 회전판 위에 올려놓고 연마액을 사용하여 표면을 거울처럼 반짝이게 갈아내는 것
· 회로 설계 : CAD 등으로 전자회로 설계, 회로 설계도 완성
· Mask 제작 : 큰 전자회로 Pattern을 작은 유리판에 옮긴 후 전자빔 설비를 이용해 회로 패턴을 유리판 위에 그려 넣으면 Mask가 완성됨
· 산화공정 : 고온에서 산소를 Wafer 표면에 화학반응 시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막(sio₂)을 형성
· 고온 : 800-1200℃
· 감광액 도포 : Wafer에 감광물질(PHOTO-RESIST)를 고르게 바르고 Wafer 표면을 사진 Film과 같은 상태로 만듦
· 노광 : Wafer에 Mask를 놓고 빛을 쪼여주면 회로패턴을 통과한 빛이 Wafer에 회로패턴을 형성
· 현상 : 노광시킨 Wafer에 사진을 현상할 때와 같은 화학처리를 해주면 Wafer에 사진 필름과 같은 회로패턴이 형성됨
· 증착 : 챔버라는 방에서 Warer 표면에 얇은 막을 입힘
· Gas와 Wafer 사이의 화학반응으로 절연막이나 전도성 막이 형성
· 식각 : 회로패턴을 형성하기 위해 불필요한 부분을 깎아냄
· 배선 : Wafer 표면에 형성된 각 회로를 연결해주는 알미늄 배선을 만들어줌
· Wafer 뒷면 연마 : Wafer의 뒷면을 연마하여 되도록 Wafer를 얇게 만들어줌
· 이온 주입 : 이온층으로 Wafer에 불순물(인, 붕소 등)을 투입, 그 이유는 순수한 반도체는 전기가 안 통하므로 불순물(인, 붕소 등)을 넣어줘야 전기소자의 특성을 갖기 때문이다.
· Wafer 절단 : Laser나 공업용 Diamond Tip을 이용하여 Wafer를 직접회로 Chip 단위를 Cut 함
· 칩자동 선별 : 웨이퍼에 형성된 집적회로칩들의 전기적 동작여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 선별
· Gold 또는 Aluminum Wire 연결 및 성형 : 직접회로 Chip 내부의 외부연결단자와 리드프레임을 Gold 또는 ·Aluminum Wire로 Bonding 및 Welding 처리 이후 직접회로 Chip, Lead Frame 연결한다. 이후 금 또는 알루미늄 선을 보호해주기 위해 화학수지로 밀봉 처리함
· 최종 검사 : 성형된 Chip의 전기적 특성 및 기능을 컴퓨터로 검사 실시
· Marking : 제품명과 회사명 등 필요한 내용을 표시함
· 출시 : 입고 검사를 거쳐 소비자에게 판매
5. 반도체 용어
이번 파트에서는 반도체 용어에 대해 알아본다.
· 나노미터 : 10억분의 1미터, 50나노 공정은 머리카락 2,000분의 1 굵기의 회로를 사용해 메모리칩을 제작하는 기술
· 기가비트 : 비트는 컴퓨터 회로의 최소단위로 0 또는 1을 저장한다. 16기가비트는 한글 10억자를 저장할 수 있는 용량
· 플래시메모리 : 전기가 끊기면 저장한 데이터가 사라지는 D램과 달리 데이터가 사라지지 않는 메모리 반도체이다. 속도가 빠르지만 용량을 늘이는데 한계가 있는 노어형과 대용량으로 제작하기 쉬운 낸드형이 있다. 노어형은 인텔, 낸드형은 삼성전자가 시장의 절반 이상을 차지
· 1비트 : 반도체에 데이터를 저장할 때는 0이나 1로 하게 됨. 0 또는 1을 1비트라고 함(영어 : 8비트 문자, 한글 : 16비트 문자), 1비트는 하나의 셀(D램의 경우 트랜지스터 1개와 케파시터 1개)로 구성되며 하나의 셀이 1비트의 데이터가 저장됨
· 1바이트 : 1비트 8개
· Module : 반도체를 PC에 넣을 때는 칩 1개만을 넣는게 아니라 8개의 칩을 묶어서 탑재하는데, 이를 Module이라 함
· Kilo : 1의 1,000배
· Mega : 킬로의 1,000배
· Giga : 메가의 1,000배
· Tera : 기가의 1,000배
· 1메가 바이트 : 100만 바이트
· D램 : 1개의 TR과 1개의 Capacitor로 이루어짐
· Memory Cell : TR과 Capacitor의 조합으로 이루어진 단위
· 1비트셀 : 메모리셀이 기억정보 단위인 1비트를 기억하므로 단위셀 또는 1비트셀이라고도 함
· Transistor : 트랜지스터는 ‘0’을 ‘1’로 만들 때 Capacitor에 전류를 흘려보내 전하를 채워주는 역할을 한다. 즉, 트랜지스터는 전류라는 물을 보내는 On과 Off 작용을 해주는 스위치 같은 역할
· Wafer : 모래로부터 원료를 추출해 규소봉을 만들어 얇게 자른 것
· Clean Room : 반도체의 회로는 너무 미세하기 때문에 아주 작은 먼지에도 문제가 발생하므로 천정의 Filter를 통해 항상 맑은 공기를 아래로 흐르게 하는 Clean Room이 필요하다. 샤워실은 3면에서 공기가 나와 먼지를 털어주고 털어진 먼지는 밑으로 빠져 나가며 두 번을 거쳐 Clean Room으로 들어간다.
· Class : 클린룸의 깨끗한 정도를 클래스(Class)라는 단위로 표시하는데, 클래스 1이란 가로세로 높이 30㎝의 입· 방체(1세제곱피트)내에 사람 머리카락 직경의 1000분의 1크기 먼지 하나가 존재하는 상태를 말함
· 복장 : 방진복, 방진화, 방진장갑, 방진마스크, 방진모자 등
· 방진복 역할 : 전혀 땀이 밖으로 배출되지 않고 몸에 붙는 먼지도 밖으로 나오지 못하게 되어 있음
· 45나노 쿼트코어용량 : 1954년 세상에 처음 나온 트랜지스터 라디오에는 4개의 트랜지스터가 들어갔다. 70년대 인텔이 처음 개발한 컴퓨터 칩에 탑재된 트랜지스터는 2300개가 고작이었다. 그렇다면 2007년 11월 인텔이 발표한 45나노 쿼드코어 제품에는 몇 개의 트랜지스터가 집적돼 있을까. 답은 8억 2,000만개이다. 사람 머리카락 한올 너비면 45나노 트랜지스터 2,000개 이상이 들어갈 수 있다. 핀의 머리 부분에는 3,000만개 이상이 들어갈 수 있을 정도로 45나노 공정은 미세하다. 45나노 트랜지스터는 스위치를 초당 3,000억 번 켜고 끌 수 있다. 제 아무리 빛의 속도라고 해도 45나노 트랜지스터가 스위치를 켜고 끄는 시간 동안에는 10분의 1인치도 못 간다.
