반도체 패키징 (1)

반도체 패키징 공정

전공정(Front-End)이 완료된 반도체 칩은 패키징 공정을 통해 전기적으로 신호가 전달될 수 있는 신호 path를 만들어주어야 합니다. 또한 외부 충격으로부터 반도체 칩을 감싸서 보호하고, 장시간 외부 환경에서 견딜 수 있도록 만들어주는 공정이 패키징 공정입니다.

패키징 목적

1. 전력 공급: 반도체 소자에 필요한 전력을 공급하게 해줍니다.

2. 신호 연결: 반도체 소자 간의 신호 연결 기능을 합니다.

3. 방열 기능: 반도체 소자에서 발생되는 열을 방출시키는 기능을 합니다. (열은 반도체 소자의 성능을 저하시키고, 신뢰성에 영향을 줍니다.)

4. IC(Integrated Circuit) 보호: 외부 환경으로부터 반도체 소자를 보호하는 기능을 합니다.

컨벤셔널 패키징 순서

• 컨벤셔널 패키징: 웨이퍼를 칩 단위로 먼저 자른 후 패키지를 진행 (vs. 웨이퍼 레벨 패키지: 웨이퍼 상태에서 패키지 공정을 진행한 후 자름)
• EDS Test를 마친 웨이퍼를 준비합니다(Wafer Preparation) → 다이아몬드 Blade나 Laser로 웨이퍼를 잘라 낱개의 Die/Chip으로 분리합니다(Wafer Sawing) → 양품으로 판정된 Die/Chip을 Lead Frame이나 Substrate Pad에 부착합니다.(Die Attach) → Die/Chipe과 Lead Frame을 가는 금선(Au Wire)으로 연결합니다 (Wire bonding)→ 외부 환경으로부터 Die/Chip을 보호하고 원하는 형태의 패키지로 만들기 위해 EMC(Epoxy Molding Compound)로 몰딩합니다.(Molding)
• 리드프레임 타입 패키지: 리드를 각각 분리하는 Trimming(몰딩 후, 각각의 리드 사이를 연결해 주던 댐바(Dambar)를 절단 펀치(Cutting Punch)로 잘라서(Trim) 제거해 주는 공정) → 리드의 끝부분에 솔더를 도금해 주는 Solder Plating → 하나의 패키지 단위로 분리하고 리드를 시스템 기판에 붙일 수 있게 구부려주는 Forming을 거침
• 서브스트레이트 타입 패키지: 몰딩 이후 서브스트레이트 패드 부분에 솔더 볼을 붙이는 Solder Ball Mounting → 개별 패키지로 잘라내는 Singulation을 거침

반도체 패키징 순서 [출처] 엠코인스토리

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지금부터 서브스트레이트 타입 패키지 공정의 각 단계를 좀 더 세부적으로 다뤄보겠습니다. 이번 편은 백 그라인딩, 웨이퍼 다이싱 단계를 중점적으로 포스팅 할게요!

Back Grinding

백 그라인딩 공정 순서 [출처] SK하이닉스뉴스룸

• 웨이퍼의 크기가 커지고, 두께는 얇아지면서 다이싱 공정 중 Chipping(칩의 모서리나 가장자리가 미세하게 깨져 나가는 불량)이나 Crack(깨짐)과 같은 문제가 발생 → Back Grinding을 먼저 진행한 후 다이싱 공정을 진행하여 웨이퍼에 가해지는 물리적 손상을 줄임 (절단해야 할 두께가 줄어들어 칼날이 가하는 마찰, 저항, 진동이 줄어들기 때문에 물리적 손상을 줄일 수 있는 것.)
• 1. Tape Laminating: 백 그라인딩 전, 회로가 구현된 웨이퍼 앞면에 물리적 손상이 생기지 않도록 보호용 테이프인 백 그라인딩 테이프를 붙임 → 이후 뒷면(백)을 연마(그라인딩)
• 2. Back Grinding & Polishing: 입자 크기가 큰 휠을 이용하여 목표 두께 근처까지 빠른 속도로 그라인딩 한 뒤, 고운 입자를 가진 휠을 이용해 목표 두께까지 섬세히 그라인딩 함. 이후 입자가 고운 패드로 그라인딩한 웨이퍼의 뒷면을 평탄화 해주는 폴리싱 작업을 진행함.
  • 폴리싱 작업이 필요한 이유: 그라인딩 한 면이 거칠면 후속 공정 중에 응력이 가해졌을 때 균일이 발생하기 쉽기 때문에 표면을 매끈하게 다듬어주어야 함
• 3. Frame Mounting: 칩을 적층해야 하는 경우, 동일한 패키지 두께에 더 많은 칩을 적층해야 하므로 그만큼 웨이퍼 두께를 더 줄여야 함. 이때 웨이퍼를 그라인딩 하면 앞면에 공정으로 생긴 잔류 응력 때문에 수축이 발생하고, 웨이퍼가 스마일 모양으로 휨 (tensile). 웨이퍼가 얇아지면 휘는 정도는 더 심해짐. 따라서 백 그라인딩 된 웨이퍼 뒷면에 마운팅 테이프를 붙인 후, 이것을 원형 틀에 붙여 웨이퍼가 펴지게 만들어주어야 함.
• 4. 백 그라인딩 테이프 제거

 

Wafer Dicing/Sawing

• Wafer Dicing/Sawing: 웨이퍼의 Scribe Line을 다이아몬드 톱이나 레이저로 잘라 낱개의 Die로 분리하는 공정
• 방법: Blade Dicing 방법(블레이드 이용), 스텔스 레이저 방법(UV나 IR 레이저를 이용하는 방법) 
  • Blade Dicing
    • 원리: 다이아몬드 입자들이 붙어있는 Blade를 고속으로 회전시켜 웨이퍼를 자르는 방법입니다
    • 특징: Blade의 두께는 약 15마이크로미터이고, DIW를 분사하며 자릅니다 (DIW는 다이싱 시 윤활유 역할과 냉각수 역할을 합니다)
    • 공정 변수: 웨이퍼 피딩 속도, 블레이드 높이, 블레이드 각도 등
    • 종류: Dual Cutting(블레이드 2개 사용), Step Cutting(폭이 넓은 블레이드로 약 80% 절단 후 나머지는 폭 좁은 블레이드로 마무리), Bevel Cutting(끝이 브이자 형태인 블레이드로 표면을 약 10% 절단 후 나머지는 폭 좁은 블레이드로 마무리)
    • 장점: 빠른 시간 내에 많은 양의 웨이퍼를 잘라낼 수 있음
    • 단점
      • 웨이퍼를 파내는 피딩 속도가 지나치게 증가하면 다이의 모서리가 깨지는 Chipping이 발생하므로 블레이드 휠의 회전 수를 조절해야 합니다
      • 다이아몬드 입자에 의해 Scribe Line을 자를 때 자른 면의 폭인 커프(Kerf, 블레이드 두께)가 Scribe Line 폭을 넘는 커프 로스가 발생하므로 주의해야 합니다
      • 기타: 다이에 금이 가는 Crack, 다이의 파편이 발생하는 Debris(데브리스), 다이의 구조적 손상, 데브리스가 칩에 달라 붙는 Debris Adhesion(데브리스 어드히전)

왼쪽) Blade Dicing [출처] SK하이닉스 뉴스름 / 오른쪽) Bevel Cutting [출처] DISCO COPORATION

• Laser Dicing: UV 레이저 다이싱, 스텔스 레이저 다이싱
  • 장점: 매우 좁은 Scribe Line을 잘라낼 수 있으며, 블레이드 다이싱과 비교하여 속도는 10배 빠르고, 스텔스 다이싱의 경우 DIW를 사용하지 않는 건조 공정이며, 데브리스나 크랙이 발생하지 않습니다. 
  • 종류: UV 레이저 방법, 스텔스 레이저 방법(IR을 레이저 소스로 사용)
  • UV Laser Dicing
    • UV 레이저를 소스로 멀티 빔을 이용하여 자르는 표면 처리 방법
    • 단점: 데브리스, 커팅 로스가 발생, DIW로 세정 필수, 웨이퍼 처리량(Throughput)이 낮습니다.
  • Stealth Laser Dicing
    • IR 레이저를 소스로 포커싱 렌즈를 통해 자르는 내부 처리 방법
    • 장점: 데브리스로 인한 오염이 없고, DIW로 세정이 필요 없는 건조 공정이며, 표면에 손상이 없고, 웨이퍼 처리량이 높습니다. 또한 매우 좁은 스크라이브 폭의 스크라이브 라인을 절단할 수 있어 고품질의 MEMS 디바이스 가공이 가능하고, 미세화에 의한 수율 향상이 가능합니다.
  • 다이 분리 방법
    • 스텔스 레이저 다이싱 후 다이 분리기를 이용해 다이싱 테이프를 확장하여 웨이퍼를 다이 형태로 분할합니다. 
    • 고온에서 테이프를 열 수축시켜 쳐짐을 해소하여 테이프를 다시 장착하지 않고도 프레임 그대로 다음 공정에 반송할 수 있도록 합니다.

레이저 다이싱 종류 [출처] SK하이닉스 뉴스룸

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마무리

분류	핵심 단어	세부 내용 및 특징
패키징 목적	패키징 목적	전력 공급, 신호 연결, 방열(열 방출), IC 보호(외부 환경 차단)
패키징 순서	패키징 순서	웨이퍼 준비 → 다이싱 → Die/Solder Ball 부착 → 와이어 본딩 → 몰딩 → 마킹 → 절단 → 패킹
다이싱 (1)	Blade Dicing	물리적 절단: 다이아몬드 톱 사용 / DIW 필수(냉각·윤활) / 치핑(Chipping) 및 커프 로스 주의
다이싱 (2)	UV Laser	표면 처리: 멀티 빔 활용 / 미세 절단 가능하나 데브리스 발생 / 세정 공정 필요 및 처리량 낮음
다이싱 (3)	Stealth Laser	내부 처리: IR 레이저 활용 / 건조 공정(세정 불필요) / 손상 없고 수율 높음 / 고품질 MEMS 적합
주요 결함	리스크 관리	Chipping(모서리 깨짐), Crack(금), Debris(파편), Kerf Loss(절단폭 초과 손실)
주요 공정 기술	Back Grinding	다이싱 전 웨이퍼 두께를 얇게 갈아내어 물리적 손상을 최소화하는 선행 공정

 

다음은 Die Attach 공정과 Wire Bonding 공정에 대해서 다뤄볼게요!

빠이 ~