팬아웃 패키징이란? 접점을 둘 자리가 모자랄 때 칩 바깥으로 끌어내는 방법

팬아웃 패키징(fan-out, 정식 명칭은 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키징, 약칭 FOWLP)은 칩의 접점을 칩 바깥으로 끌어내는 패키징 방식이다. 다이싱과 테스트를 마친 칩을 간격을 두고 늘어놓고 둘레를 플라스틱으로 채워 웨이퍼처럼 생긴 원판을 만든 뒤, 그 위에 가는 구리 배선을 만들어 접점에서 바깥쪽으로 끌어낸다. 이렇게 하면 아래쪽 솔더 볼을 칩보다 넓게 배치할 수 있다. ‘팬아웃’이라는 이름은 바로 이 배선에서 왔다. 팬(fan)은 부채라는 뜻으로, 칩에서 사방으로 퍼져 나가는 배선의 모습이 펼친 부채 같다.

패키징과 솔더 볼의 기본은 ‘패키징이란?’과 ‘칩 패키지에는 어떤 모양이 있을까?’에서 다뤘다.

‘웨이퍼 레벨 패키징’이란?

일반적인 패키징은 먼저 웨이퍼를 자른 뒤 칩을 하나씩 패키지에 넣는다. 웨이퍼 레벨 패키징은 순서가 반대다. 칩이 아직 웨이퍼 한 장에 이어져 있을 때 보호층, 접점, 솔더 볼을 모두 만들고 마지막에 자르므로, 잘라 낸 것이 곧 패키징이 끝난 칩이다. 웨이퍼 전체를 한꺼번에 가공해 한 번에 천 개가 넘는 칩을 처리하며, 완성된 패키지도 가장 작고 얇다.

팬인이란? 접점이 많은 칩은 왜 들어가지 못할까?

웨이퍼 위에서 바로 솔더 볼을 만들면 볼은 칩 바로 아래에만 놓을 수 있다. 접점은 원래 칩의 네 변에 배치되는 경우가 많은데, 이때는 먼저 배선층 하나로 접점을 안쪽으로 끌어들여 밑면 전체에 고르게 배치한다. 그래서 팬인(fan-in)이라 하며, 완성된 패키지는 칩과 크기가 같다.

문제는 칩 밑면이 칩 크기만큼밖에 안 된다는 점이다. 가정한 숫자로 계산해 보자. 한 변이 3mm인 칩에 솔더 볼을 0.4mm 간격으로 놓으면 한 줄에 7개, 전체 면에 최대 49개가 들어간다. 접점이 백 개 넘게 필요한 칩은 다 넣을 수 없다.

볼을 끝없이 작고 촘촘하게 만들 수도 없다. 회로 기판의 솔더 패드를 그렇게 촘촘하게 만들 수 없고, 볼이 너무 작으면 납땜이 단단히 되지 않는다. 볼을 놓으려고 칩을 키우는 것도 실리콘이 비싸서 수지가 맞지 않는다. 그래서 팬인은 대개 접점이 많지 않은 작은 칩에 쓴다.

팬아웃은 솔더 볼을 어떻게 칩 바깥에 놓을까?

먼저 자르고, 그다음 칩마다 둘레에 땅을 한 바퀴 덧대 준다. 칩을 간격을 두고 늘어놓고 그 틈을 플라스틱으로 채우면, 덧붙은 플라스틱 테두리에도 배선을 깔고 볼을 놓을 수 있다. 같은 3mm 칩에 사방으로 1mm씩 덧대면 5mm 정사각형이 되어 한 줄에 12개, 전체 면에 144개가 들어간다. 약 세 배다.

팬아웃 패키징은 어떻게 만들까? 단계별로 보기

흔히 쓰는 방식 가운데 하나는 ‘칩 퍼스트(chip-first), 페이스다운(face-down)’이다.

1단계: 양품 칩 골라내기

• 하는 일: 웨이퍼 위의 칩을 모두 가는 바늘로 먼저 테스트하고(웨이퍼 테스트), 다이싱한 뒤 양품만 가져온다.
• 이유: 칩 하나를 패키징할 때마다 배선과 솔더 볼 비용이 들어간다.
• 제대로 안 되면: 불량 칩까지 패키징되어 그 칩에 들인 작업이 모두 헛수고가 된다.

2단계: 앞면을 아래로 해 임시 캐리어에 붙이기

• 하는 일: 둥글고 아주 평평한 단단한 판(임시 캐리어)에 접착층을 입히고, 칩의 접점 면을 아래로 향하게 해 하나씩 간격을 두고 올려놓는다.
• 이유: 접점이 모두 같은 평면에 붙어 있어야 캐리어를 떼어 낸 뒤 플라스틱과 거의 같은 높이가 되어 배선을 만들 수 있다. 칩 사이의 간격은 솔더 볼을 놓을 자리가 된다.
• 제대로 안 되면: 칩이 비뚤게 놓이거나 조금이라도 돌아가 있으면 나중에 만드는 배선이 접점에 맞지 않는다.

3단계: 몰딩해 ‘재구성 웨이퍼’ 만들기

• 하는 일: 몰딩 컴파운드(패키징용 플라스틱, 대개 에폭시 수지)로 판 전체를 덮어 틈을 채우고 가열해 경화시키면 하나의 원판이 된다. 이를 재구성 웨이퍼(reconstituted wafer)라고 한다.
• 이유: 플라스틱이 칩을 고정하고, 칩 둘레에 덧댈 땅도 만들어 준다. 웨이퍼 모양으로 만들어야 이후 공정을 원판 전체에 한꺼번에 진행할 수 있다.
• 제대로 안 되면: 흘러가는 플라스틱이 칩을 밀고, 경화하면서 수축도 하므로 칩이 원래 자리에서 벗어난다. 실리콘과 플라스틱은 열에 의한 팽창·수축 정도가 크게 달라, 식고 나면 원판 전체가 휘기도 한다. 오븐에서 구부러진 쿠키처럼.

4단계: 임시 캐리어 떼어 내기

• 하는 일: 캐리어와 접착층을 떼어 내면 접점 면이 드러난다. 접점 면은 주변 플라스틱과 거의 같은 높이다.
• 이유: 접점이 드러나야 배선을 연결할 수 있다. 캐리어는 잠시 받쳐 주는 역할일 뿐이다.
• 제대로 안 되면: 접착제가 접점에 남으면 배선이 제대로 연결되지 않고, 너무 세게 떼어 내면 원판 전체가 손상될 수도 있다.

5단계: 재배선층을 만들어 접점을 바깥으로 끌어내기

• 하는 일: 절연 재료를 한 층 도포하고 접점 위에 작은 구멍을 낸다. 아주 얇은 금속을 바탕층으로 깔고 포토레지스트를 도포한 뒤 노광하고 현상해 배선 모양을 만들고, 전기 도금으로 구리 배선을 성장시킨 다음 포토레지스트와 남은 바탕층을 제거한다. 구리 배선은 접점에서 바깥 테두리까지 이어지며, 한 층으로 부족하면 한 층을 더 쌓는다. 이 배선층을 재배선층(RDL, redistribution layer)이라 하며, 재분배층이라고도 한다.
• 이유: 팹의 포토 공정 방식으로 찍어야(‘포토리소그래피(포토 공정)란?’) 배선을 가늘고 촘촘하게 만들 수 있고, 원판 전체를 한꺼번에 가공할 수 있다.
• 제대로 안 되면: 패턴은 ‘칩이 있어야 할 위치’를 기준으로 찍는다. 3단계에서 칩이 밀려났거나 원판이 휘었다면 구멍과 배선이 접점에 맞지 않는다. 팹에서 오버레이가 틀어진 것과 같아서, 연결되지 않거나 옆 배선에 닿는다.

6단계: 솔더 볼 붙이기

• 하는 일: 맨 위층의 구리 패드에 솔더 볼을 올리고 가열해 솔더를 녹여 단단히 붙인다.
• 이유: 솔더 볼은 회로 기판에 납땜되는 다리이며, 칩 바깥 테두리까지 배치할 수 있다.
• 제대로 안 되면: 볼이 너무 작거나 떨어져 나가면 회로 기판에 납땜할 때 그 자리가 연결되지 않는다.

7단계: 잘라 내고 다시 테스트하기

• 하는 일: 칩 사이의 플라스틱을 따라 하나씩 잘라 낸 뒤 다시 테스트한다(파이널 테스트).
• 이유: 잘라 낸 하나하나가 패키징이 끝난 칩이어서 바로 회로 기판에 납땜할 수 있다.
• 제대로 안 되면: 앞 단계에서 손상된 칩이나 배선이 제대로 연결되지 않은 칩이, 테스트하지 않으면 제품에 섞여 들어간다.

팬아웃 패키징의 장점은?

• 접점을 많이 놓을 수 있다: 솔더 볼을 칩 바깥까지 배치하므로 더 이상 칩 크기에 묶이지 않는다.
• 얇다: 플립칩은 칩을 작은 기판 위에 납땜해야 한다(‘플립칩이란?’). 팬아웃은 칩 위에 바로 배선을 만들어 기판을 생략하므로 매우 얇아, 스마트폰에 많이 쓰인다.
• 경로가 짧다: 칩 퍼스트 방식에서는 접점이 구리 배선에 바로 연결되어 범프나 와이어, 기판을 거치지 않는다.

재배선층의 선폭은 흔히 수 µm에서 10µm 안팎이며(1µm는 1mm의 1,000분의 1), 회로 기판의 배선보다 훨씬 가늘다.

팬아웃 패키징의 어려운 점은?

• 다이 시프트와 워피지: 3단계에서 본 두 가지 문제다. 배선은 층마다 정렬되어야 하므로 몰딩 재료와 조건을 딱 맞게 조정해야 한다.
• 양품 칩까지 함께 잃는다: 칩 퍼스트에서는 칩을 한번 몰딩하면 꺼낼 수 없어, 이후 어느 단계에서든 문제가 생기면 양품 칩도 함께 스크랩된다. 그래서 순서를 거꾸로 한 ‘RDL 퍼스트’ 방식도 있다. 배선을 먼저 캐리어 위에 만들어 검사한 뒤 양품 칩을 연결한다.
• 배선이 실리콘 위만큼 가늘지 않다: 칩 사이에 가장 많은 데이터를 주고받아야 할 때는 실리콘으로 만든 인터포저를 대신 쓰는 경우가 많다.

여러 칩을 함께 패키징할 수 있을까?

할 수 있다. 2단계에서 칩 여러 개를 나란히 놓고 함께 몰딩하면, 재배선층이 칩끼리도 연결해 준다. 실리콘 한 장을 따로 만들 필요가 없어 비용은 낮지만 배선은 더 굵다. 칩을 나눴다가 다시 합치는 이유와 다른 방식은 ‘칩렛(chiplet)이란?’과 “뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?”에서 다룬다.

fab24hr에서는

게임에는 팬아웃 패키징이 없다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서 플레이어는 후공정 공장의 패키징 공정 엔지니어다. 보청기 칩 ‘Glowmere’는 SiP 모듈의 작은 기판 위에 앞면이 위를 향하도록 다이 본딩되고, 가는 와이어로 와이어 본딩해 연결한 뒤 몰딩한다. 와이어 본더의 설명에는 칩 하나에 와이어가 십여 가닥이라고 적혀 있다. 접점이 적어 바깥으로 끌어낼 필요가 없다.

가장 가까운 것은 몰딩이다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어를 고른다. 근무는 기기의 시간에 따라 정해진다. 저녁 근무에는 몰딩 장비의 금형이 바뀌었는데, 주입구에서 가장 먼 캐비티 두 곳에서 가는 와이어가 플라스틱에 밀려 휘어 있다. 주입 속도를 낮출지(너무 느리면 기포가 남는다), 트레이마다 X선 검사를 할지 골라야 한다. 팬아웃 패키징을 몰딩할 때 플라스틱에 밀리는 것은 칩 전체다.

다이 본더도 웨이퍼 테스트에서 양품으로 판정된 칩만 집어 올린다. 1단계와 같다. 도감의 ‘장비 목록’에서는 몰딩 장비와 노광 장비를 분해해 볼 수 있다.

게임 속 후공정 공장, 칩, 인물, 장비는 모두 가상이다. 팬아웃 패키징이 무엇이고 어떻게 만드는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 솔더 볼 개수를 계산할 때 쓴 칩 크기와 간격은 가정한 숫자다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.