반도체 기판 공부하기 - (1)

안녕하세요 개인적으로 산업공부를 위해 작성된 글입니다.

전문가가 아니기 때문에 약간의 오류가 있을 수 있으며 댓글로 알려주시면 수정하겠습니다 ^^

이번시간에는 반도체 기판에 대해서 공부해 보도록 하겠습니다.

 

반도체 패키지용 PCB(인쇄회로기판)란?

인쇄회로기판(PCB) - 전자기기 속 여러 가지 선이 그려진 초록색 판. 다양한 부품들을 연결한다.

전자기기의 여러 기능들이 잘 구현되도록 전기적으로 연결하는 것. 반도체를 보호하는 역할도 한다.

 

 

반도체 패키지, 연결(본딩)의 분류

출처: SK하이닉스 뉴스룸

▶와이어본딩(전선으로 연결): 리드프레임에 칩을 부착할 때 구리선을 이용해 부착하는 전통적 방식. IC칩의 전극이 위로 드러나있어 기판과 구리선으로 연결됨. (속도가 느리다)

 

▶플립칩 방식(볼 형태의 범프로 연결): 칩에 범프 같은 미세한 볼을 달아서 뒤집는다. IC칩과 기판 사이에 범프라는 볼이 신호를 연결. 요즘 많이 쓰이는 방식으로 뒤집는 것 때문에 플립칩 방식이라 한다. (고속, 저전력)

 

 

출처: 삼성전자

▶ 3D 패키징, TSV: 칩에 미세한 홀을 뚫어 연결하는 본딩, 가장 최신식 기술로 고사양의 반도체라 할 수 있다. (고속, 저전력, 고밀도, 고사양)

 

FC-CSP와 FC-BGA의 차이

출처: LG이노텍

 

▶ FC-CSP(Chip Scale Package): 칩과 기판의 크기가 비슷해 공간 활용이 중요한 모바일용 AP나 가정용 칩의 패키징에 활용된다. 2층에서 16층정도로 쌓을 수 있다. (BGA대비 층수가 낮음)

 

▶ FC-BGA(Ball Grid Array): 칩보다 기판의 크기가 크며, 고성능을 요하는 인공지능(AI), PC, 서버, 클라우드, 전기차 등에 활용된다. CPU, GPU 등을 한판에 올리고 각 반도체를 전기회로로 연결해 주는 역할을 하며 대량 정보 처리가 필수적인 통합칩(SoC) 구성을 위해선 FC-BGA가 필수. 미세회로를 통해 전기신호를 빠르게 전달하고 신호 전달에 따른 손실도 적다. 그리고 20층 이상 쌓아 올릴 수 있어 회로를 더 많이 확보할 수 있다.

 

SoC와 SiP의 개념과 차이점

SoC와 SiP 모두 여러 하드웨어를 하나의 칩에 구현했다는 공통점이 있다.

차이점은 SoC의 경우 완벽하게 하나의 칩에 제작을 하고, SiP의 경우 각 소자를 따로 제작하여 하나의 기판에 붙여서 만든다. SiP보다는 SoC가 더 높은 기술 수준이 요구되며 SiP는 SoC를 가기 전단계이지만 투자 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다.

 

리드프레임

반도체칩을 기판에 붙이기 전에 중간다리 역할을 하는 것으로 칩을 지지해 주며 칩과 외부회로를 전기적으로 연결한다.

 

 

칩렛 기술이란

칩셋 기술은 AMD에 의해 2015년도에 생긴 개념이다. 이후 19년부터 칩렛 CPU가 나오기 시작했고 인텔은 AMD의 뒤를 이어 곧 칩렛 CPU를 출시할 예정이다.

 

칩렛은 각기 다른 기능을 수행하는 여러 칩렛은 블록으로 해서 프로세서를 만드는 기술이다. MCM(Multi Chip Module)도 비슷한 개념인데, MCM은 하나의 단위의 칩이 독립적으로 동작할 있도록 모든 기능이 들어가 있고 칩렛은 각 칩렛이 단위칩으로 동작할 수 없다는 차이가 있다.

 

지금껏 칩을 이어 붙이는 방법은 많았다. 앞서 언급한 MCM뿐만 아니라 TSV, MCP, COB, SiP 등등 다양하다. 칩렛도 칩을 이어 붙이는 방법 중 하나로 기존에 잘하던 기업들이 그대로 잘할 가능성이 높다.

 

칩렛은 고성능 칩을 만들기 위해 쓰이는 기술로 난이도가 매우 높아 기존에 잘하던 기업들 중에서도 기술력이 높은 기업들이 앞서 나갈 것이다.

 

 

칩렛과 고성능 기판 인터포저, 2.5D 패키지

칩렛은 칩렛을 붙여줄 기판을 고성능으로 만들어야 한다. 그래서 기판이 중요하다. 그런데 기판 성능이 너무 높아 기존에 PCB 업체들이 만들어내지 못하기도 한다. 그래서 고성능 칩렛에 사용되는 새로운 기판은 반도체 업체들이 직접 만들게 되었다. 이런 기판을 인터포저라 부른다. 

 

인터포저는 PCB 업체들이 만드는 기판이 아니라, 반도체 공법을 이용해서 제조하는 특수한 기판이다. 겉모양도 반도체 칩과 비슷하다. 그래서 인터포저 위에 칩렛들을 붙이게 되면 칩위에 칩이 올라간 모양새처럼 보인다.

 

칩 위에 여러 칩들이 적층 되어 있는 듯한 모양으로 완성된 이것을 우리는 2.5D 패키지라 부른다.

 

 

기판에 두 개의 칩이 수평으로 놓여있으면 2D, 수직으로 붙어 있으면 3D이다. 그럼 2.5D는 왜??

 

앞서 서술한 대로 인터포저는 엄청난 고기능 기판이라 인터포저 위에 수평으로 놓인 두칩은 엄청난 고성능을 낼 수 있다. 따라서 수평으로 놓여 있지만 수직으로 붙은 마냥 작동한다고 해서 2.5D로 부른다. 결국 2.5D 패키지는 인터포저가 동원된 기술이다. 그래서 이를 인터포저 테크놀로지라고도 부른다.

 

칩렛을 이용해 고사양 칩을 만들 때 인터포저가 쓰이는 경우가 종종 있다. 인터포저가 쓰이면 2.5D 패키징이라고 부른다. 하지만 칩렛을 만들 때 인터포저를 쓰지 않는 경우도 있다. 2.5D 패키징은 다양한 칩렛 기술 중 하나라고 생각하면 된다.

 

인터포저는 반도체 업체들이 반도체 공정을 통해 만드는 기판이기 때문에 가격이 너무 비싸다는 단점이 있다.

 

 

인터포저 기판이 PCB 기판을 완전히 대체하는가?

위 질문에 대한 답변부터 하자면, NO다. 인터포저 기판은 제조 비용이 워낙 높다 보니 기존의 패키지 기판을 모두 대체하는 것은 불가능하다. 기존 PCB 기판이 꼭 함께 필요하다. 그래서 인터포저와 기존의 PCB 패키지 기판은 나란히 함께 쓰인다. 기존 PCB 기판 위에 인터포저가 얹어지게 된다.

 

고사양 칩에 인터포저가 쓰이고 인터포저는 매우 고사양의 기판이라고 말했다. 따라서 여기에 쓰이는 PCB도 고사양 PCB가 필요하다. 이때 FC-BGA와 같은 고사양의 패키지 기판이 쓰인다. 따라서 칩렛시대에도 FC-BGA는 중요도가 날로 높아질 것이다.