[반도체 패키징] 반도체 패키징의 정의와 역할

안녕하세요. 이번 포스팅은 반도체 패키징 첫번째 포스팅입니다. 

 

오늘은 반도체 패키징이 무엇인지 그리고 그것이 왜 필요한지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

반도체 패키징의 정의

패키징이란 무엇일까요?

Packaging은 사전적의미로 포장을 의미합니다. 

 

 

이걸보고 반도체 패키징이 대강 어떤 것을 의미하는 지 감이 오시나요?

네. 반도체 패키징이란 말그대로 반도체를 포장하는 것을 의미합니다. 

그럼 이것을 머리속에 새기고 이제부터 조금 더 자세히 살펴볼게요. 천천히 따라오세요!

 

반도체 패키징은 포장의 범위를 어디까지 보느냐에 따라 다르게 정의될 수 있습니다. 

 먼저 반도체 패키징이란 넓은 의미에서 볼 때, Wafer에서부터 chip이 들어있는 카드가 장착된  System board를 만드는 것까지를 패키징이라고 말합니다.

 이 때, 위의 패키징 과정은 zero level package 부터 3rd level package로 총 4단계로 구분할 수 있습니다. 각 단계는 다음과 같이 정의 됩니다. 

 

Zero level package : Wafer를 잘라 Chip으로 만드는 것

1_st level package : Chip을 단품화하는 것

2_nd level package : 단품화된 chip을 Module이나 Card에 실장하는 것

3_rd level package : Module 이나 Card를 System board에 장착하는 것

 

 

 하지만 좁은 의미에서 봤을 떄, 반도체 패키징이란 Wafer를 chip으로 자르고 단품화하는 것까지를 의미합니다.

즉, 위의 단계중 zero level package, 1st level package 만을 이야기하는 것이죠.

 

일반적으로 반도체 패키징이라고 말하면 방금 말씀드린 좁은 의미의 패키징을 의미합니다. 앞으로 반도체 패키징이라고 하면 단품화까지라고 생각하시면 됩니다.

 

반도체 패키징의 역할

 반도체 패키징은 칩이 원활하게 제 기능을 하게 하기 위해 여러가지 역할을 수행합니다. 중요한 역할이 물리적 보호, 기계적 연결, 전기적 연결, 열 방출 4가지 인데요. 하나씩 공부하며 이런 역할들이 왜 필요한지 알아봅시다.

 

물리적 보호

 아까 패키징은 포장이라는 의미를 가진 단어라고 했죠? 그렇다면 우리가 일반적으로 포장을 하는 이유가 무엇인가요?

여자친구에게 선물을 줄 때 겉면을 이쁘게 포장해서 주기 위해? 여러 개의 물건을 쉽게 들고 다니기 위해? 

모두 맞습니다.

 반도체 또한 위와 비슷한 이유들 때문에 패키징을 진행합니다. 그 수많은 이유들 중 가장 중요한 이유는 바로 물리적인 충격으로부터 보호해 주는 것입니다. 

반도체 칩은 전공정 단계에서 수백 단계의 단위 공정을 거쳐 만들어지기 때문에 만드는데 많은 시간과 비용이 필요합니다.

 그러나 반도체 칩의 기본 재료는 여러분들이 잘 아시다시피 실리콘입니다. 실리콘하면 무엇이 생각나시나요? 

우리가 흔히 쓰는 주방용품의 재료...? 이것이 생각나시는 분은 Silicone과 Silicon의 차이에 대해서 검색해보시기 바랍니다.

 맞습니다. 유리의 주 성분이죠. 유리가 물리적 충격에 잘 깨지듯이 실리콘으로 만들어진 실리콘 기판 또한 물리적 충격에 약합니다. 또한 수백 단계의 단위 공정을 거치면서 화학적 충격에도 취약한 상태가 되죠. 이 상태에서 제작한 chip을 그대로 컴퓨터나 스마트폰에 끼워 사용한다면 고장이 정말 자주 일어나겠죠?

 이러한 상황을 방지하기 위해 패키징을 통해 chip을 물리적으로 보호할 수 있는 방어막을 형성시켜줍니다. 즉, 패키징은 chip을 물리적으로 보호하는 역할을 합니다.

 

기계적 연결

 자 이제 chip을 물리적으로 보호하기 위해 방어막을 형성했다고 칩시다. 그러면 끝인가요?

예를 들어볼게요. 여러분이 매우매우 비싼 컴퓨터 부품을 인터넷으로 주문했어요. 칩 하나당 천만원짜리라고 합시다. 그런데 배송업자가 상자 하나에 반도체 칩만 달랑 넣어서 보냈다면 여러분은 어떤 생각을 하실 것 같나요?

 일반적으로 배송업자가 포장을 허술하게 해서 보냈다고 생각하실 겁니다. 상자를 통해 물리적으로 보호했는데 왜 허술한가요? 이것이 바로 칩과 패키지를 기계적으로 연결해주어야 하는 이유입니다.

 

 칩이 상자에 맞지 않고 그냥 들어가 있다면 우리가 들고 움직일 때마다 혹은 충격이 가해질 때마다 칩이 흔들릴 것입니다. 흔들리면서 우리가 충격을 보호하기 위해 만든 방어막에 부딪혀 오히려 손상을 입겠죠. 이러한 상황을 방지하기 위해 칩을 패키지에 기계적으로 연결시켜 줍니다.

 즉, 칩을 패키지에 기게적으로 연결시켜줌으로써 더욱 확실하게 물리적 충격으로부터 방어해줄 수 있습니다. 또한 다음에 이야기할 전기적 연결이 끊어지지 않게 하기 위해서도 기계적 연결은 필요합니다. 이것도 충격완화와 같은 맥락으로 볼 수 있겠네요.

 

전기적 연결

 위에서 간단하게 언급했었는데요. 칩 또한 반도체이기 때문에 사용하려면 전기적으로 연결이 되어야겠죠. 그런데 그냥 물리적으로 보호를 하기위해 사방을 다 막아 놓는다면 어떻게 될까요? 칩과 System board 사이에 전기적으로 연결이 될 수가 없겠죠. 따라서 패키징을 진행할 때 칩과 system을 연결하여 전원을 공급하거나 신호를 입출력할 수 있도록 통로를 만들어 주어야 합니다. 이 통로를 통해 전원을 공급받고 신호를 주고 받음으로써 칩이 우리가 원하는 기능을 수행할 수 있게 되는거죠. 

 

열 방출

 우리가 반도체 소자를 공부할 때 소자가 동작하기 위해 전원을 공급하면 열이 발생하며, 소자가 열을 받아 온도가 높아지게 되면 성능이 저하된다는 것을 배웠죠. 모르셔도 상관없습니다. '소자의 온도가 올라가면 성능이 저하된다'라는 것만 기억하세요.

 여러분들이 기억하기 쉽게 예시를 들어볼게요. 다들 노트북을 써보신 경험은 있으실 겁니다. 노트북을 쓰다가 어느 순간 만졌을 떄 굉장히 뜨거운 것을 경험하신 적이 있나요? 없으시다면 굉장히 좋은 노트북을 쓰시나 보군요... 

어쨋든, 노트북이 뜨거워지면 점점 속도가 느려지는 것을 다들 느끼셨을 겁니다. 이러한 현상이 소자의 온도가 올라가면 성능이 저하된다는 사실 때문에 발생하는 현상인 것이죠.

 다시 본론으로 돌아와서, 이것이 패키징과 무슨 상관이 있냐를 생각해봅시다. 여러분이 패키징된 칩을 사용하고 있는 상황이라고 합시다. 그런데 반도체 소자의 온도가 올라갔어요. 그러면 소자에서 열이 방출될 거에요. 그렇죠? 마치 우리가 불 옆에 있으면 뜨거운 것처럼요. 그렇게되면 반도체 소자에서 나온 열기로 인해 패키징 내부의 온도가 올라갈겁니다. 여기까지 맞나요?

 이 때, 열이 방출되지 않는다면 소자의 온도가 점점 올라가면서 결국 소자가 작동하지 않는 상태까지 가겠죠. 이것은 소자의 성능에 굉장히 치명적입니다. 따라서 패키징을 할 때 반도체 소자에서 발생하는 열을 외부로 잘 빼줄 수 있도록 설계하는 것이 중요합니다. 

 게다가 요즘에는 반도체 칩의 성능이 점점 빨라지고 기능이 다양해짐에 따라 열의 발생량이 점점 더 많아지고 있기 때문에 패키지의 냉각 기능은 점점 더 중요해 지고 있습니다.