패키징이란? 완성된 칩을 왜 또 감싸야 할까

패키징(packaging)이란 웨이퍼 위에서 완성된 칩을, 칩을 보호하면서 회로 기판에도 연결할 수 있는 외장 안에 넣는 일이다. 휴대폰이나 컴퓨터를 열어 보면 회로 기판 위에 검고 작은 사각형들이 있는데, 대부분 칩 그 자체가 아니라 패키징된 칩이다. 진짜 칩은 그 안에 들어 있고, 외장보다 훨씬 작은 경우가 많다.

칩은 처음 만들어졌을 때 어떤 모습인가?

칩은 웨이퍼 위에서 만들어진다. 웨이퍼는 둥글고 얇은 실리콘 판으로, 그 위에 똑같은 칩 수백, 수천 개가 바둑판처럼 늘어서 있다. 칩 하나하나는 작은 사각형 실리콘 조각이며, 크기는 쌀알보다 작은 것부터 손톱만 한 것, 그보다 더 큰 것까지 있다.

이 작은 실리콘 조각은 아주 얇다. 웨이퍼는 원래 두께가 1밀리미터가 안 되어 신용카드와 비슷하다. 패키징하기 전에는 뒷면을 갈아 더 얇게 만드는데, 종이 한 장 정도나 그보다 더 얇게 가는 경우가 많다. 게다가 실리콘은 유리처럼 단단하지만 잘 깨져서, 모서리를 부딪히면 한 조각이 떨어져 나갈 수 있다.

칩을 그대로 휴대폰에 넣을 수 있을까?

그럴 수 없다. 맨 칩에는 적어도 세 가지 문제가 있다.

• 건드릴 수 없다: 얇고 잘 깨져서 떨어뜨리거나 누르기만 해도 금이 간다. 표면의 회로는 아주 가는 금속과 박막이어서, 먼지나 습기, 손의 땀이 닿으면 시간이 지나며 부식되어 망가진다. 빛만 받아도 영향을 받는 회로도 있다.
• 바깥과 연결할 수 없다: 칩은 표면에 있는 작은 금속 조각을 통해 바깥과 전기를 주고받고 신호를 전달하는데, 이 작은 금속 조각을 접점이라 한다. 접점은 현미경으로 봐야 제대로 보일 만큼 작고 촘촘하게 늘어서 있다. 회로 기판의 납땜 자리는 그렇게 가늘게 만들 수 없어서 칩을 바로 솔더링할 수 없다.
• 열을 내보낼 수 없다: 칩은 동작할 때 열을 낸다. 휴대폰을 오래 쓰면 따뜻해지는데, 칩이 그 열의 원인 중 하나다. 작은 실리콘 조각만으로는 열이 갈 곳이 없고, 너무 뜨거워지면 칩이 오동작하거나 심하면 망가진다.

패키지는 어떤 세 가지 일을 하나?

패키징은 이 세 가지 문제를 한꺼번에 해결한다.

1. 보호: 단단한 플라스틱(세라믹이나 금속을 쓰기도 한다)으로 칩 전체를 감싸 충격, 먼지, 오염 물질, 빛을 막는다.
2. 접점을 바깥으로 이어 주기: 칩 위의 가늘고 촘촘한 접점을 하나하나, 외장 바깥에 보이는 금속 핀이나 아래쪽에 줄지어 붙은 작은 솔더 볼로 잇는다. 핀과 솔더 볼은 접점보다 훨씬 크고 간격도 넓어서 회로 기판에 솔더링할 수 있다.
3. 방열: 칩의 열이 외장과 핀을 따라 회로 기판으로 전달되어 흩어지게 한다. 전력을 많이 쓰는 칩은 외장 위에 방열판을 붙이거나 팬을 달기도 한다.

두 번째 일은 변환 어댑터와 비슷하다. 한쪽은 칩 위의 아주 작은 접점에, 다른 한쪽은 회로 기판 위의 훨씬 큰 납땜 자리에 맞추고, 그 사이를 패키지가 이어 준다.

패키징은 어떤 단계로 이루어지나?

패키징 방법은 여러 가지다. 가장 흔한 방식 하나를 예로 들면 대략 다음과 같은 단계를 거친다.

1. 다이싱(dicing): 먼저 웨이퍼 뒷면을 갈아 얇게 만들고 테이프 위에 붙인 뒤, 다이아몬드 입자를 박은 얇은 블레이드로 칩 사이에 남겨 둔 가는 틈을 따라 자른다. 테이프 덕분에 잘린 칩이 흩어지지 않는다.
2. 다이 본딩(die bonding): 장비가 양품 칩을 하나씩 집어 작은 기판이나 리드프레임이라는 금속 틀 위에 접착제로 붙인다. 전력을 많이 쓰는 칩은 접착제 대신 금속 솔더를 써서, 칩 밑으로 열이 잘 빠져나가게 한다.
3. 와이어 본딩(wire bonding): 머리카락보다 가는 금속선으로 칩 위의 접점을 하나씩 기판이나 리드프레임에 잇는다. 장비가 먼저 와이어 끝을 녹여 작은 볼을 만들고, 이를 접점에 눌러 열, 압력, 초음파로 단단히 붙인 뒤, 와이어를 반대쪽 끝까지 끌고 가서 눌러 붙인다. 가는 실로 한 땀 한 땀 꿰매는 것과 비슷한데, 그 한 땀 한 땀을 모두 장비가 한다.
4. 몰딩(molding): 칩과 와이어를 금형에 넣고, 가열해 부드러워진 플라스틱을 밀어 넣어 전체를 감싼 뒤 금형 안에서 열로 굳힌다. 와이어가 아주 가늘어서 플라스틱이 흘러 들어갈 때 와이어가 휠 수 있으므로, 몰딩 후에는 X선으로 검사한다. 외장에 모델명과 로트 번호를 찍고, 마지막으로 잘라 내거나 다듬어 낱개로 만든다.
5. 파이널 테스트(final test): 패키징을 마친 뒤 다시 한번 테스트한다. 와이어가 제대로 연결되지 않았을 수 있고, 패키징 후에 달라지는 특성도 있으므로 다시 테스트해 양품만 출하한다.

와이어를 쓰지 않는 방법도 있다. 칩의 접점 위에 작은 범프를 만들고 칩을 뒤집어 기판에 바로 솔더링하는 방식으로, 플립 칩(flip chip)이라 한다. 어느 방식이든 하는 일은 앞의 세 가지와 같다.

후공정 공장은 무슨 일을 하나?

칩 하나를 만드는 과정은 크게 두 구간으로 나뉜다. 웨이퍼 위에 회로를 한 층씩 만들어 올리는 것은 팹의 일로, 일반적으로 ‘전공정’이라 한다(반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?). 완성된 웨이퍼를 테스트하고, 자르고, 패키징하고, 다시 테스트하는 것은 일반적으로 후공정이라 하며, 패키징과 테스트를 함께 가리키는 말로 흔히 쓴다.

전공정과 후공정을 모두 직접 하는 회사도 있지만, 패키징과 테스트를 전문으로 하는 공장에 맡기는 칩도 많다. 이런 공장을 후공정 공장이라 한다.

웨이퍼가 후공정 공장에 도착하면 대개 가장 먼저 하는 일은 자르기가 아니라 테스트다. 자르기 전에 아주 가는 바늘을 칩의 접점에 대고 칩 하나하나를 모두 측정해, 어느 칩이 불량인지 기록한다(웨이퍼 테스트). 비용을 아끼기 위해서다. 불량 칩을 먼저 골라내면 그 칩까지 돈을 들여 패키징할 필요가 없다. 패키징과 마지막 테스트를 마친 부품은 긴 테이프의 작은 포켓에 담아 릴 하나로 감는 경우가 많다(테이프 앤 릴). 이렇게 고객의 공장으로 보내면 장비가 하나씩 회로 기판 위에 올린다.

뉴스에서 자주 말하는 첨단 패키징은 또 무엇인가?

앞에서 다룬 것은 대부분 칩 하나를 부품 하나로 패키징하는 경우다. 요즘 뉴스에서 자주 나오는 ‘첨단 패키징’은 칩 여러 개를 나란히 놓거나 쌓아서 패키지 하나에 함께 넣는 것이다. 어떻게 만드는지, 왜 요즘 자주 언급되는지는 “뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?”에서 읽을 수 있다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’에서 제3막은 후공정 공장에서 펼쳐진다. 챕터 10 ‘대기 전류’에서는 테스트 엔지니어가 되어 테스트 항목 하나의 상한을 어디에 그을지 정한다. 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서는 패키징 공정 엔지니어가 되는데, 와이어 본더의 풀 테스트에서 와이어 두 가닥의 결과가 이상하다. 챕터 12 ‘출하 전날 밤’에서는 고객 담당이 되어 먼저 샘플링 검사를 할지, 그대로 출하할지 정한다. ‘직장인의 하루’의 ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르면 이 역할들을 어느 시간대에나 맡을 수 있다. 패키징 공정 엔지니어의 네 근무는 각각 한 공정을 지킨다. 심야에는 와이어 본딩을 기다리는 기판, 오전에는 다이싱 장비의 블레이드, 오후에는 풀 테스트, 저녁에는 몰딩 때문에 휜 와이어다.

게임 속 칩 ‘Glowmere’는 가상의 보청기 칩으로, 작은 SiP 모듈로 패키징된다. 칩 옆에 작은 저항과 커패시터가 함께 작은 기판 위에 실장되어 있다. 후공정 공장, 인물, 숫자는 모두 가상이며, 패키징이 무엇을 하고 왜 필요한지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.