반도체 입문 · 21강

패키징과 테스트

웨이퍼가 완성되었다고 해서 바로 쓸 수 있는 칩이 되는 것은 아니다. 먼저 테스트하고, 자르고, 와이어로 연결하고, 외장으로 감싼 뒤 다시 한 번 테스트해야 제품에 넣을 수 있다.

학습 목표

패키징이 하는 세 가지 일, 즉 칩 보호, 접점의 외부 연결, 칩의 방열을 설명할 수 있다.
웨이퍼 테스트(CP)와 파이널 테스트(FT)가 각각 언제 이루어지고 어떤 문제를 잡아내는지 구분할 수 있다.
와이어 본딩과 플립칩이라는 두 가지 연결 방식의 차이를 알고, BGA, QFN 같은 패키지 이름이 무엇을 뜻하는지 이해한다.

웨이퍼가 칩이 되는 순서: 웨이퍼 테스트, 연삭과 다이싱, 다이 본딩, 와이어 본딩 또는 플립칩, 몰딩, 파이널 테스트, 출하. 테스트는 웨이퍼 테스트와 파이널 테스트, 두 번이다. — 웨이퍼 테스트는 웨이퍼를 자르기 전에 하며, 불량 칩은 패키징하지 않는다. 패키징한 뒤 한 번 더 테스트하는데, 패키징 과정에서도 칩이 손상될 수 있기 때문이다. 플립칩은 칩을 뒤집어 바로 납땜하는 방식으로, 붙이기와 연결이 한 번에 끝난다.

핵심 설명

칩이 완성되어도 바로 쓸 수는 없다

웨이퍼 위에 완성된 칩은 얇고 깨지기 쉬운 작은 실리콘 조각이다. 칩 표면에서 바깥과 전기를 주고받고 신호를 전달하는 작은 금속 조각을 접점이라고 하는데(업계에서는 흔히 패드(pad), 본딩 패드라고 부른다), 현미경으로 봐야 똑똑히 보일 만큼 작다. 칩은 작동할 때 열도 낸다. 패키징은 이 칩을 외장에 넣어 세 가지 일을 한꺼번에 하는 것이다. 첫째, 충격, 먼지, 습기, 오염물, 빛을 막는다. 둘째, 가늘고 촘촘한 접점을 바깥의 훨씬 큰 금속 리드나 작은 솔더 볼에 연결해, 일종의 변환 어댑터 역할을 한다. 셋째, 열이 외장과 리드를 타고 회로 기판으로 빠져나가게 한다. BGA, QFN 같은 패키지 이름은 회로 기판 쪽에서 본 모습을 가리킨다. 양쪽으로 가는 리드가 뻗어 나온 것은 SOP, 네 변 모두에서 뻗어 나온 것은 QFP, 리드가 밖으로 나오지 않고 바닥 네 변을 따라 금속 패드가 한 칸씩 늘어선 것은 QFN, 바닥에 작은 솔더 볼이 가득 깔린 것은 BGA다. 접점이 아주 많은 칩은 네 변에 다 늘어놓을 수 없어서, 대개 바닥 전체에 솔더 볼을 깐 BGA를 쓴다.

후공정의 흐름: 테스트, 절단, 부착, 연결, 패키징, 재테스트

웨이퍼 위에 회로를 만드는 것을 일반적으로 전공정이라고 한다. 웨이퍼를 테스트하고, 자르고, 패키징하고, 다시 테스트하는 것은 후공정이라고 하는데, 패키징과 테스트를 아우르는 말이다. 흔한 순서는 다음과 같다. 먼저 칩을 하나하나 테스트하고, 웨이퍼 뒷면을 갈아 얇게 만든 뒤 낱개로 자른다. 양품 칩을 작은 기판에 붙이고, 가는 와이어로 바깥과 연결한 다음, 플라스틱으로 감싸 밀봉하고, 마지막으로 다시 한 번 테스트한다. 웨이퍼를 얇게 갈 때는 앞면에 보호 테이프를 붙이고 뒷면을 갈아 내는데, 흔히 절반 넘게 깎아 내고, 얇은 것은 원래 두께의 10분의 1 정도만 남긴다. 그래야 패키지를 작고 얇게 만들 수 있다. 처음부터 얇게 만들지 않는 이유는 웨이퍼가 팹에서 수백 단계를 옮겨 다니며 고온을 드나들어야 하는데, 너무 얇으면 휘거나 깨지기 때문이다. 자를 때는 웨이퍼 뒷면을 금속 프레임에 팽팽하게 붙인 테이프에 붙이고, 칩 사이에 남겨 둔 가는 틈(스크라이브 라인. 그 위에는 측정용 TEG만 두며, 함께 잘려 나간다)을 따라 아주 얇은 다이아몬드 블레이드로 물을 뿌리면서 자르거나 레이저로 자른다. 잘린 칩은 원래 자리에 그대로 붙어 있어서, 앞서 테스트 결과를 위치별로 기록해 둔 웨이퍼 맵과 맞아떨어지며, 다이 본더는 양품만 밀어 올려 집어 간다. 이 일은 흔히 전문 후공정 업체에 맡기는데, 같은 장비와 경험으로 여러 고객사를 상대할 수 있기 때문이다.

왜 두 번 테스트하는가

칩의 불량은 겉으로 보아서는 알 수 없고, 전기를 넣어 실제로 동작시켜 봐야 한다. 그래서 칩 하나하나가 시험을 치러야 한다. 첫 번째는 웨이퍼 테스트(CP)다. 웨이퍼를 아직 자르지 않은 상태에서 진행하며, 프로브 카드에는 아주 가는 바늘들이 칩의 접점 위치에 맞춰 배열되어 있다. 웨이퍼를 위로 밀어 올리면 바늘이 접점에 닿은 뒤 조금 더 눌리며 살짝 미끄러진다. 많은 칩의 접점은 알루미늄이라 표면에 아주 얇고 전기가 잘 통하지 않는 산화막이 있는데, 이렇게 긁어서 뚫어야 테스터의 전기와 신호가 들어가고 결과도 읽어 올 수 있다. 많은 프로브 카드는 한 번에 여러 칩에 바늘을 내린다. 테스트가 끝나면 웨이퍼를 내리고 다음 위치로 옮겨 다시 밀어 올린다. 불량 칩은 위치대로 웨이퍼 맵에 기록해 두어, 패키징에 돈을 들이지 않는다. 두 번째는 파이널 테스트(FT)다. 패키징을 마친 뒤 다시 테스트하는데, 다이싱, 와이어 연결, 몰딩 과정에서 칩이 손상될 수 있고, 어떤 항목은 패키징을 마쳐야 테스트할 수 있기 때문이다. 합격선을 어디에 둘지는 트레이드오프다. 너무 엄격하면 양품까지 걸러 내고, 너무 느슨하면 불량을 통과시킨다.

와이어 본딩과 플립칩, 두 가지 연결 방식

와이어 본딩은 머리카락보다 가는 금속 와이어로 칩 네 변의 접점을 하나씩 기판에 연결하는 방식이다. 장비가 와이어 끝을 녹여 작은 볼로 만든 뒤 눌러 붙이고, 열, 압력, 초음파로 단단히 고정한다. 플립칩은 각 접점 위에 작은 범프를 만들고 칩을 뒤집어 한 번에 모두 납땜한다. 칩 면 전체에 접점을 배치할 수 있고, 신호가 지나는 길도 짧다. 플립칩은 연결할 수 있는 수가 많고 속도도 빠르지만 더 비싸고 수리하기 어렵다. 와이어 본딩은 저렴하고 성숙한 기술이라, 접점이 많지 않은 칩에는 지금도 널리 쓰인다.

흔한 오해

흔히 듣는 말패키징은 칩 바깥을 껍데기로 한 겹 감싸는 것일 뿐, 칩의 성능과는 관계없다.: 실제로는패키징은 열과 신호도 책임진다. 열이 빠져나가지 못하면 칩이 너무 뜨거워져 오동작하거나 아예 망가질 수 있다. 플립칩은 신호가 지나는 길을 짧게 해 주고, 여러 칩을 아주 가깝게 붙여 하나로 패키징하는 첨단 패키징도 칩의 성능을 계속 끌어올리는 방법 중 하나다.
흔히 듣는 말칩은 출하 전에 하나하나 테스트를 거치므로, 쓰기 시작한 지 얼마 안 돼 고장 나는 일은 없다.: 실제로는테스트가 묻는 것은 ‘지금 정상인가’다. 어떤 칩은 아주 작은 결함을 안고 있다. 예를 들어 연결선 하나가 충분히 단단하게 붙지 않았다면, 처음 전원을 넣었을 때는 모두 정상이고 테스트도 통과하지만, 몇 주나 몇 달을 쓴 뒤에야 고장 난다. 이를 초기 고장이라고 한다. 고장 나면 대가가 큰 제품, 예를 들어 차량용이나 의료용 칩은 출하 전에 고온에서 전원을 넣고 일정 시간 동작시키는 경우가 많은데, 이를 번인이라고 하며 약한 칩을 미리 골라낸다. 번인을 어떻게 하는지, 신뢰성 시험과는 무엇이 다른지는 다음 강에서 자세히 다룬다.