Pakaging이란 반도체를 최종 제품화하는 과정으로 일반적으로 Wafer Sawing→Die Attach→Wire Bonder→Molding→Trim→Form으로 진행된다. 이 공정 중 Molding은 반도체 패키지를 물리적, 전기적, 화학적 충격으로부터 보호하기 위하여 열경화성수지를 이용해 밀봉하여 칩을 보호하고 제품 사용 중에 발생하는 열을 발산하는 역할을 한다. 일반적인 밀봉 재료는 Plastic Resin, Ceramic 등을 이용하였으나 최근에는 이를 대체할 수 있는 물질을 개발하여 공정에 적용 중에 있으며 또한 밀봉없이 칩이 대기 중에 노출되어 있는 여러가지 신 개념 패키지들이 개발되고 있다. 이는 반도체 패키지 개발 방향이 경박단소화, 고밀도화, 미세피치화(Fine Pitch)되면서 기존에 리드프레임(Lead Frame)을 사용하여 생산하는 방식에서 탈피하여 BGA 등 다양한 제품이 개발되고 있다. 이러한 패키지가 개발됨에 따라 성형하는 방법도 금형, 성형재질, 장비 등이 개발되고 끊임없는 연구개발이 이루어지고 있으며, 이중 현재 가장 많이 사용되는 EMC(Epoxy Mold Compound)를 Tablet화 해서 Molding화는 Plastic Package 조립 공정에서 사용되는 금형 및 장비기술에 대하여 소개하고자 한다.
Ⅱ. 본론
1. 기술 및 장비의 발전과정 반도체 패키지는 고성능화로 인하여 리드프레임을 이용하지 않고 직접 보드에 실장할 수 있는 방법을 연구개발하면서 다양한 방법이 개발되고 있으며 다양한 재질을 사용하게 되었으나, 금형 및 장비는 이러한 변화에 대응하지 못하였다. 이는 독자적으로 개발에 따른 변화에 적응을 하기에 어려움이 있으며 다양한 방법도 기존 방식에서 벗어나지 않는 방식으로 이루어지고 있다. 금형 및 장비 기술의 변화는 반도체 패키지가 다양하게 개발되면서 리드프레임에 조립되어 반도체 칩을 수지로 성형하는 방법에 대한 기술이 병행되어 개발되고 있다. 이러한 기술의 변화 중 과거에서 현재까지 변화하여 온 기술에 대한 핵심적인 내용에 대하여 설명하고 최근 기술 동향에 대하여 설명하고자 한다.
1) Main 구동장치 발전 Molding 장비의 핵심은 Press이며 리드프레임의 Dem -ber를 일정한 압력으로 가압하여 EMC 성분에 포함되어있는 Resin의 유출을 방지하여 양품의 제품을 만들기 위한 구조로 되어 있어야 한다. 종래에 사용되던 Press는 유압을 이용한 기구장치로 Chase에 안착되어 있는 다수의 리드프레임을 가압하기 때문에 크기가 대형화되었고 이로 인해 장비의 정비, 유압의 유출로 인한 오염 및 관리의 문제, 균일한 가압력 유지, 제품의 품질 등의 문제로 개선을 통한 개발이 되었다. 근래에는 Simple한 기구 구성 및 Servo Motor를 이용한 정밀 제어 기술을 확보하여 균일한 압력을 가압하여 품질을 좌우하는 Resin, Voide 등을 최소화할 수 있는 Mechanical Press 장치가 개발되었으며 칩과 리드프레임을 연결하는 Wire 관련한 불량에 대하여 방지할 수 있는 EMC 주입속도를 정밀하게 제어할 수 있는 구조로 개발되어졌다.
2) Manual 장비에서 자동화 Manual 공정에서는 짧은 시간에 많은 제품의 생산을 위해서 한 번 성형시 보통 리드프레임 8개를 작업하였다. 모든 작업은 수작업으로 진행되었고 작업방법은 알루미늄 Carrier를 이용하여 리드프레임을 정렬하여 금형에 Setting하고 제품 성형하는 수지도 Size가 크기 때문에 예비가열을 하여 중앙에 위치한 하나의 Pot에 넣어 성형을 실시하기 때문에 이와 같은 방법은 장치 1대당 1인의 작업자가 있어야 하고 유압 Press 방식으로 인한 대형화, EMC 예비가열 장치 등이 필요하게 되었으며 작업자의 작업능력에 따라 품질, 수율, 생산성에 많은 문제가 발생하여 자동화가 되었다. 이를 개선하기 위해서 자동화 장치가 개발되었으며 초기에는 유압 Press를 기반으로 하여 자동화 장치가 고안되었으며 기존에 수작업이었던 리드프레임과 EMC 공급이 자동화되었으며 성형된 자재의 정렬 또한 자동화하여 다음 공정을 원할하게 할 수 있게 하였다. 자동화의 주요장치는 리드프레임 자동공급장치, EMC 자동공급장치, Multi Plunger장치, Mechanical Press, Cull 제거장치 및 리드프레임 적재장치 등이 핵심 기술이다. Multi Plunger장치 기술 적용과 기존 유압방식에서 1개의 Press로 구성되어 있던 장비를 1개 이상의 Press를 Docking 사용할 수 있게 하고 1~4 Chase를 장착하여 자동화를 통한 성형 사이클을 단축시켰으며, 작업자들이 수작업으로 Handling하는 일련의 공정들이 자동화로 품질, 수율, 생산성 향상에 많은 것들이 해소되었다.
3) Single Plunger에서 Multi Plunger 초기에는 제품 성형에 EMC가 분말 형태로 공급되는 사출방식을 이용하여 비산으로 인한 오염 발생으로 많은 문제가 생겨났다. EMC 공급업체의 Tablet화 기술이 개발되고 발전함에 따라 Single Post Transfer Molding Die와 Manual Molding 장비의 개발 붐이 일어났다. Manual 장비는 반도체 패키지 성형시 중앙에 위치한 1개의 Pot에 가열된 EMC를 수동으로 넣어 가압하여 Cavity에 주입 성형하는 방법으로 되어있다. 이때 사용하는 EMC를 Tablet 형태로 만든 Size가 크기 때문에 열을 가해 용융상태로 가는 시간과 금형의 많은 Cavity가 있어 이를 채우기 위한 시간이 많이 소모가 된다. 이와 같이 한 개의 Pot에 하나의 Tablet을 사용하는 방식을 Single Plunger라 한다. 이후에 소자업체들이 보다 빠르게 시장에 진출하기 위해 많은 생산량을 갖는 장비의 요구와 제품 양산시에 발생하는 원가 발생요인을 요구하게 되었다. 이에 자동화 설비의 개발이 본격적으로 진행되면서 원가 발생요인을 요구하게 되었다. 이에 자동화 설비의 개발이 본격적으로 진행되면서 고안된 장치인 Multiple Post Plunger를 이용한 빠른 성형, Short Runner 기술로 EMC 소모량 감소, 대형 유압방식의 Press 방식에서 Servo Motor를 이용한 정밀제어 기술을 이용 Mechanical Press장치가 개발되었다. 이를 Multi Plunger 방식이 개발되어 EMC를 작은 구경의 Tablet 형태로 반들어 금형 중앙부에 복수의 Pot으로 설치하여 Cavity에 수지를 공급하는 방식으로 자동화를 이루었으며 정밀하게 제어할 수 있는 기술 개발도 병행되어 품질 향상에 많은 기여를 하였다. 이와 같은 방법은 수지의 주입속도를 균일하고 미세하게 조절이 가능하여 품질, 생산성이 비약적으로 발전하였으며 근래에는 이와 같은 방법이 표준화 되어있다.
2. 최신 기술 동향, 국내외 시장 및 업계 동향 반도체 Package 변화가 고밀도, 다기능화, 경박단소화, 저가격화 등으로 다양하게 개발되고 있으며 이러한 기술로 개발되는 제품은 Thin & Stack 기술을 기반으로 다음과 같은 Device 기술을 통하여 MCP(4~6 Chips), SiP, 3D Stack, WLP, WF Stack 등이 개발되었다. 다양한 제품이 개발되면서 형상이 복잡하고 많은 Bonding Wire 등의 영향으로 수율과 품질을 향상시키기 위해 기존 방법을 개선시키는 공정 기술이 개발되고 양산에 적용을 하고 있는 최신 기술에 대하여 몇 가지 설명한다.
1) 이종 Device Molding Die & Equipment 장비에서 패키지 Design이 변경됨에 따라 몇 가지 Conversion Kit와 금형을 바꾸어 기존 장비에서 다른 제품을 성형할 수 있다. 이러한 방법은 자동화되면서 한 장비에서 소량 다품종을 생산할 수 있게 하는 방법으로 고안되었다. 이 방법의 적용은 교체에 따른 시간이 발생하고 생산조건을 확인하여야 하는 불편함이 야기되고 있어 몇몇 회사에서는 전용설비로 사용하고 있지만, 시설에 많은 비용을 투자하기에는 많은 어려움이 있어 개발되었다. 이에 두 가지 패키지를 한 대의 장비에서 Conversion Kit와 금형의 교체를 하지 않고 사용할 수 있는 장치를 개발하게 되었으나 소자업체의 패키지 Design에 따른 적용에 어려움이 많아 실용화에 어려움이 발생하고 있다.
2) FAME(Film Assisted Molding Equipment) 리드프레임 패키지의 품질을 좌우하는 하나인 Resin Leakage로 인하여 도금 및 실장시 납땜이 제대로 되지 않는 경우가 발생하고 있다. 성형시 금형 Damber 틈으로 새는 Resin으로 인하여 발생하는 제품 불량을 줄이고자 하는 방법이 고안되었으며, 이와 같은 방법을 이용하여 금형의 수명을 증가시키고 제품 성형 후 금형을 청소할 필요성이 없어지게 되어 시간과 비용이 절감되는 방법이다. 그러나 Film을 이용하는 비용이 별도로 들게 되는 단점도 갖고 있다.
3) Injection Molding WLP 패키지는 PCB 기판에 바로 실장하여 사용을 하고 있다. 이와 같은 방법을 활용함에 있어 외부의 충격에 취약하고 사용상 발생하는 열로 인하여 PCB에 부착되어 있는 패키지의 단락이 발생하고 있다. 현재 가장 손쉽게 사용할 수 있는 것은 Dispenser를 이용하여 Encapsulation 하는 방식을 이용하지만 많은 제품을 처리하고 또한 패키지와 PCB 사이 틈으로 수지를 유동시켜 Void 없이 성형하기에는 많은 어려움이 있으며 시간이 많이 걸린다는 취약점이 있다. 이와 같은 방법을 개선하고자 기존의 사출성형 방법을 이용, 반도체 공정 적용을 위해 연구개발이 진행중이다. 성형조건에서 가장 중요한 요소는 EMC 물성, 금형온도, 사출압력, 사출속도, 압력유지 시간 등에 좌우되고 있다.
4) Vacuum Molding Die 반도체 패키지가 다양화되면서 MCP, SiP, 3D Stack, WLP, W/F Stack같은 복잡한 Device와 같은 Wire 많은 제품은 성형성이 문제가 되고 있다. 이를 개선하고자 금형 내부를 진공화시키는 Vacuum 장치를 이용한 Void 발생률을 감소시키는 장치를 적용하게 되었다. 이 기술을 적용함으로 BGA 제품의 Warpage, Miss Loading, Resin Leakage, Wire Sleep 등에 대하여 효과적으로 감소시키는 장치구조를 개발하게 되었다. 이 장치는 금형 내부를 진공화시켜 불완전 성형되는 것으로 인한 Void 방지와 많은 Wire로 구성되어 있는 신규 Package의 등장으로 인한 MEC 속도 조절을 통한 Wire Sleep, Void 문제로 인한 품질 문제를 최소화하기 위해 고안된 장치이며 Disk Spring 방식, Space Plate 방식, Cylinder 방식 등이 있다.
3. 국내외 장비 및 금형 생산 주요업체 관련기술에 대한 특허기술은 대부분 선진업체에서 보유하고 있으며 국내의 장비 및 금형생산업체는 대부분 기술제휴를 통한 생산을 실시하고 있다. 국내 금형관련 기술은 선진사와 비교할 만큼 수준이 향상되어 있지만 장비 기술은 아직도 기술 개발에 따른 초도비용이 많이 소요되므로 쉽게 개발하지 못하고, 신뢰성에 따른 선진사와의 경쟁에서 많은 어려움을 안고 있다. 이러한 제반적인 여건을 개선할 제도적인 뒷받침이 있어야 하며 또한 업계에서는 고객의 다양한 요구에 대응할 수 있는 금형 및 장비기술 확보를 통한 연구개발 활동이 끊임없이 요구되고 있다.
Ⅲ. 결론
금형 및 장비 기술 발전은 품질 좋은 제품을 보다 빠르게 생산할 수 있게 하는데 기반을 둔다고 말할 수 있으며, 이는 패키지 생산에 필요한 EMC 물성, 타공정 기술, Package Design 등의 기술과 연관성이 있다. 패키지 성형 최적화 장치의 개발은 소자업체의 공정기술과 품질을 만족해야 하므로 장비업체와 소자업체는 Package Trend에 따라 장치기술 개발에 동반적 관계를 유지하면서 개발이 이루어져야 한다.