1 개요
반도체 직접회로기술의 괄목할만한 기술발전과 제품의 경.박.단.소화 추세에 대응하고 표면실장 기술의 급속한 신장에 부응키 위하여 고기능 패키지기술이 요구되는 가운데 최근 수년동안 기존의 전통적인 Through Hole Type의 패키지 기술에서 표면실장패키지로의 기술로 시장수요가 급변하고 있다.표면실장 패키지 기술로의 급속한 변화는 여러 요인에 기인하고 있지만 특히 고밀도화, 고기능화, 고열처리화,고전도성화 등의 시장기술요구에 부응하는 것으로 휴대형 컴퓨터기기, 휴대형 통신기기, 첨단기술집약형 AV기기 등 향후 전자.전기제품의 대중화를 이끌 제품군에 일괄적용 될 것으 로 예상되고 있다.
2 시장규모 및 응용분야
2.1 시장 규모
칩부품 패키지 시장은 집적회로의 급속한 신장에 상응한 성장을 보이고 있으며 특히 수량성장은 최근 약10%의 안정된 성장을 보이고 있다. 반도체 시장이 가격 및 수요대비 탄력성이 큰 점에 비해 칩부품 패키지 시장은 가격 및 탄력성이 비교적 적어 견실한 성장이 지속될 것으로 예상된다.
반도체 집적회로 제품의 고기능화, 고밀도화 그리고 각종 기기의 고기능화, 고밀도화 추세에 따라조립 패키지의 기술 및 시장수요도 Fine Pitch 패키지 및 Thin 패키지, Hign Pin Count 패키지 등의 고기능.고밀도 패키지의 요구가 높아지고 있어 이의 대응이절실히 요구되고 있다.
이러한 시장추이에 따라 기존의 주도적인 패키지였던 Through Hole Type 패키지의 시장점유가 계속해서 떨어지고 있으며 상대적으로 표면실장 수요에 대응한 Surface Mount Type 패키지의 수요가 급속도로 진행되고 있다. Through Hole Type인 DIP및 PGA의 시장규모가 축소하는 대신 Surface Mount Type인 SOP/SOJ, QFP 등의 시장점유가큰폭으로 신장될 것으로 예상된다.
2.2 응용분야
표면실장형 첨단 패키지의 주수요처는 고밀도화, 소형화, 박형화가 주도하는 휴대형 컴퓨터,통신기기, 첨단 AV기기, 산업용기기로서 장착되는 칩의 특성에 맞게 특정 패키지가 사용되고 있다.
첨단 패키지별 주사용분야를 나열한 것이다. 주요 적용사례에서 보는 바와 같이 표면실장형첨단 패키지는 다양한 부분에서 사용될 것으로 예상되며 특히 High I/O 및 열특성치를 강화시킨 BGA의시장 수요가 크게 신장될 것으로 예상되며 또한 점증하는 고기능, 고발열성 반도체 회로의 채택 증대로 Power Package의 수요가 증대할 것으로 예상된다. 똰특정부분에서 주로 사용되는 TAB은 안정적인시장점유를 지속할 것으로 보이며 차세대 모듈 패키지의 출현을 촉발하는 MCM의 시장적용도 몇가지 기술적인 문제만 해결되면 상업용 도로 큰폭의 시장증대가 예상된다.
3 표면실장용 부품의 분류
3.1 LC복합 부품
SMD부품의 형상과 대표적인 예를 정리한 것이다. 기본적으로 리드가 없고 각판형과 원통형을칩부품이라고 한다. 그리고 스위치 등과같이 이형부품의 경우일지라도 자동장착기로 실장할 수 있고 리플로우 납땜이 가능한 부품한 SMD에 속한다. 부품의 종류와 용량값이나 저항값 등 특성의 폭이 증가해 설계자에게는 부품의 선택폭이 넓어짐을 의미한다. 그러나, 각형 칩부품이 주류를 이루고있으며 고정저항기(탄소계, 금속피막계, 금속박계 등), 컨덴서(적층세라믹,탄탈고체전해 등), 적층형 칩인덕터, 권선형 칩인덕터, 칩형서미스터, 세라믹필터 등의 부품이 있다.
3.2 신뢰성 향상의 복합부품
복합부품의 추구는 부품개수를 적개 함으로써 부품관리를 간략화할 수 있으며 신뢰성의 향상을 도모하게 된다. 아울러, 납땜-배선-납땜의 접속부품수의 삭감으로 실장면적도 감소,토탈코스트의 절감과 고부가가치를 창출한다.
3 발열부품과 소형화의 한계
많은 종류의 부품이 표면실장화를 지향하고 있으나 모든 부품에 있어서 표면실장이 가능한것은 아니다. 물론 기판의 조립공정에서는 모든 부품의 표면실장화가 실현되어 동일한 공법으로 탑재하기를 바라고 있다.그러나, 발열량이 많거나 중량, 형상이 큰 부품의 경우에는 뒤따르는 제약으로 쉽게 실현되지 못한다.
즉, 발열부품의 경우에는 수지기판에서 어느 정도 거리를 두고 실장하지않으면 기판이나 납접합부를 파괴한다. 그리고, 기판용 커넥터 등 접속단자부분의 납땜만으로는 기계적 강도를 유지하기 어려운 부품도 있으며 트리밍용 반고정저항기, 컨덱서, 다변저항기, 바라콘 등은 기기의 외측에서 사용자가 접촉하는 경우가 많기 때문에불특정 다수의 사용자에 대해서 축 등에 가해지는 힘의 크기, 방향 등의 규제가 어렵고 예측이 어려운 힘에 의한 납접합부의파괴위험성이높다.
이러한 현실에 비추어 부품의 표면실장화 범위가 확대된다고 하지만 리드부품과 혼재기판의 비중도 무시할 수 없는것이다. 한편, 실장밀도의 향상에 의한 소형화의 추구는 적극적으로 추진되고 있으나 기술적인 면과 경제적인 측면에서 해결해야 할 과제를 안고 있다.
특히, 우수한 재료의 개발과 납땜, 그리고 소형부품을 실장하는 자동장착기 등의 문제를 들수가있으며 원료에 대한 제품의 비율과 최적생산량과 가격 등 경제적인 측면에서의 문제점도심각하다. 때문에 복합부품에 대한 인식은 자연적으로 높아질 수 밖에 없을 것이다.
4 주요 기술 현황
4.1 Chip On Board(COB)
기존의 개별 패키지가 갖는 제반 문제점(Size, 전도성, 열방출성 등)을 피하고저 기판에 직접 Bare Chip을 부착시키는 방법이다. 이 방식은 개별패키지 대비 고밀도성, 고기능성, 저가격 및 고생산성 등의 특장점이 있으며 또한 Capacitance 및 Conductance가 향상된다.한편 동방식에는 리드 프레임이 없으므로 Mold 패키지보다 신호전송거리가 대폭 감소한다.그러나 Rework 및 Test의 어려움이 문제점으로 대두되고 있다.
COB 방식의 기판과의 Interconnection 방법은 그림 8와 같이 여러 방법이 있으나 칩 및 Wire를 보호하기 위한 봉지방법은기존의 Transfer Mold하고는 다른 특성.외양을 가지므로 기술적 검토가 요구된다. Glop Top Encapsulatiog Material은 IC 칩과 Fine Wire Bond를 보호하기 위해서 기계적 환경적 특성을 보유하여야하며 또한 효율적인 열처리를 할 수 있어야 한다. 적어지는 Line Width, 점증하는 Die Size 및 고기능성, 다양한 기판재료는 Lower Expansion Encapsulant Material의 수요를 증대시킨다.
4.2 Tape Automated Bonding(TAB)
1968년 미국 General Electric사의 Mini Board 방식에서 시작되었으며 기존 Wire 대신 칩과 외부 Lead 또는 PCB의 Circuit를 테이프로 연결하는 방식이다. Smaller Bonding Pad Size(통상 2mil) 및 Narrow Pad Size(통상3~4mil)추세에 적합한 Interconnection 기술로서 기존 패키지의 Wire Bonding 보다 많은 I/O 수가 가능하다. 또한 Lower Wire Loop가 가능하므로 Thin 패키지 및 고밀도실장이 쉬우며 PreTestability가 가능함으로 품질 및 신뢰성 제고가 가능하다. Inductance 및 Resistance, Crosstalk 감소가 가능함으로 전기적 특성이 좋아진다. TAB의 주유자재인 테이프는 Multilayer로 구성되며 각 Layer는 Copper, Polyimide로 구성되어 있고 Bump 형성은 여러가지 방식이있는데 Conv
entional Bump, Transferred Bump, Mesa Bump, Ball Bump 등이 있다. Bonding 방법으로는 Thermo Compression을 이용한 Gang Bond와 Single Point Bond가 있다.
기존 Wire Bonding의 대체 방법으로서의 TAB은 Wire Bonding 특성을 보유하고 있다. 사용 테이프는 통상 35, 48, 70mm의 Width를 가지며 75㎛, 100㎛, 125㎛의 두께를 보유하고 크기에 따라 Standard, Wide, Super 등으로 구분되어 진다. Bump 형성의 주요 요소는 Bump의 수평도가 일정하게 유지되어
야 하며 Chip Bonding Pad의 산화막이 제거되어야 한다. 또한 Bump의 Shear Strength가 높아야하며 접촉부의 접촉저항이 낮아야 한다. TAB 방식은 Flexible 패키지, Thin/Small 패키지 등에 적용하고 있으며 규격화되지 않은 패지키에의 응용이 가능하여 소량 및 다품종에 적용가능하다.
4.3 Ball Grid Array(BGA)
동방식은 기판에 Solder Ball을 Attrach하여 기존의 Pin Grid Array를 대체하도록 고안된 패캐지로서 주로 High Pin패키지의 대체용으로 사용될 전망이다. 동방식은 Solder Ball을 사용함으로 Ass`y Test, PCB 실장시 Damage를 입지 않으며 Solder Ball이 칩의열을 PCB에 쉽게전달하는 Pipe의 역할
을 한다. 현재 미국의 IBM, Motorola, LSI Logic, Intel, HP 등의 대형업체들이 참여하고 있으며 일본의Hitachi,Toshiba, NEC, Citizen등도 참여중인 차세대 칩부품 패키지임.
특히 Motorola의 OMPAC(Over Molded Pad Array Carrier)Type이 일반적임. 현재 BGA에는 기판의 종류에 따라 Ceramic BGA와 Plastic BGA의 두 가지가 있으나 향 후 Plastic Type 이 보다 선호될 것으로 예상된다.
4.4 Multi Chip Module(MCM)
2개 이상의 칩을 1개의 모듈 패키지에 실장시키는 것으로써 경박단소형 및 고기능 전자기기를 위한 고밀도화, 소형화, 고기능화 추세에대응키 위한 칩부품 기술임. 특히 Higher Performance 및 Smaller Size에 특장점을 보유하고 있는데 특징은 다음과 같다.
① Higher Performance (고기능화)
l 도체거리 축소로 신속전달 향상.
l 개별 칩의 추가외부단자 불필요.
l 저유전계수의 물질이용 가능.
l 다층배선 가능.
l 열방출 관리기능.
② Smaller Size (소형화)
l 실리콘 상태의 높은 효율성 이용 가능.
l IC 기술 활용한 복합형.
l 고밀도 다층구조 기판 사용.
l PCB의 복잡성 감소.
동방식에는 다양한 Interconnection 기술이 포함되어 있으며 모듈 패키지도 다양한 형태가 가능함.
① Interconnect 기술COB, Wird Bond, TAB, Flip Chip, BIP(Bonded Interconnect Pin) 등.
② 모듈 패키지 형태PCB 이용 Type, BGA, 기존 Plastic 패키지 이용 Type, 각종 Ceramic/Alumina 패키지 Type등.동패키지 방식에는 3가지 기본 Type이 있다.
lMCM-L : Laminated Board Approach.
lMCM-C : Cofired Ceramic Approach.
lMCM-D : Thin Film Approach(Organic or Inorganic Dielectric).
상기 2가지의 기본 Type의 응용 Type이 있음.
lMCM-D/C : Thin Film On Cofired.
lMCM-D/L : Thin Film On Laminate.
다양한 MCM Type 중 각 Device별 선정기준은 Pad Density, Clook Frequency, Thickness, Size 등이다. 동제품은 표면실장 이후의 차세대 패키지로서 Application Specific Assembly(ASA)를 위한 기
반을 제공하며 IC의 Shrink 추이는 PCB보다 빨라 고밀도/고집적실장의 요구가 증대하며 Multiple Bare LSI Chip을 Small Substrate에 직접 부착할 수 있도록 패키징이 가능하다.MCM은 PC Board, Ceramic Substrate, Lead Frame 등의 다양한 형태로 가능하다.
4.5 기타
상기 기술한 COB, TAB, BGA, MCM외에 칩의 열방산성을 강화시킨 Thermal Enhanced 패키지가 주목받는 패키지로서 시장이 성장되고있는데 이에는 기존 Plastic 패키지에 Heat Spreader/SLUG를 내장시킨 Type와 Heat Sink를 표면에 부착시킨 Type이 있으며 이와는 별도로 열방산성이 좋은 재료를 활용한 Metal Quad 등이 있다.
이외 칩과 Board간에 Interconnection 단계를 대폭 축소한 Flip Chip(C4)와 Chip On Tape, Chip On Glass, Chip On Silicon 등도 특정부문에서 개발, 생산중이다. 또한 메모리반도체의 고집적도화 추세에 따른 새로운 Interconnection 방법인 Lead On Chip, Chip On Lead도 더욱 각광 받을 것으로 예상된다.