패키지 설계

안녕하세요? 앰코인스토리 독자 여러분, [반도체 이야기]의 새로운 필자인 정규익 책임입니다. 2017년을 맞아 제가 새롭게 이야기를 이어 나가려고 해요. 저는 설계팀으로 입사해서 6년 정도 설계 업무를 했습니다. 입사하기 전까지는 패키지가 무엇인지도 몰랐습니다. 하지만 많은 분의 도움을 얻어서 패키지에 문외한이었던 제가 패키지 전반에 대해 잘 이해할 수 있었습니다. 그래서 첫 번째 이야기로, 패키지 설계에 관해 이야기해보려 합니다.

사전적 의미의 ‘설계’는 기계, 기구, 장치 등을 생산할 때 사용 목적에 만족하도록 기구, 구조, 각 부의 재료, 형상, 크기, 그 밖에 제작에 관한 일체의 것을 계획하고 결정하는 것이라고 되어 있습니다. 느낌만으로도 알 수 있는 단어인데 사전적 의미는 이렇게 복잡하네요. 반도체 패키징 산업이 시작한 이래로 수많은 종류의 패키지 제품들이 개발되었습니다. 오늘 말하는 ‘설계’는 이 제품 중 하나를 선택하여 거기에 알맞게 설계하는 일을 설명하려고 합니다.

그래서 필자는 설계의 첫 번째 단계를 패키지 종류 선정이라고 생각해요. 필요한 입출력 단자의 개수(I/O), 패키지 외형의 크기, 전기적 열적 특성, 그리고 무엇보다 중요한 가격까지, 여러 조건을 꼼꼼히 따져보면서 가장 알맞은 제품으로 선택하게 됩니다. 설계 전부터 이미 결정되기도 하지만, 간혹 앞서 말한 여러 조건 때문에 변경되기도 합니다.

기판 (Substrate) 설계

두 번째 단계로 기판(Substrate) 설계가 있습니다. 패키지 종류를 구분하는 기준 중 하나는 어떤 기판(substrate)을 사용하느냐입니다. 전통적으로 구리 동판에 에칭을 통해 배선을 만드는 방식인 리드프레임(Leadframe)이 있습니다. 상대적으로 값이 싸고 열적, 전기적 특성의 장점이 있어서 지금까지도 다양한 종류의 제품에 적용됩니다. 하지만 반도체 칩의 기능이 더욱 다양해지면서 필요한 입출력 단자는 점점 늘어가는데, 리드프레임 패키지의 구조적인 한계에 직면하게 되었습니다. 입출력 단자들이 패키지 외곽에만 있는데요, 더 많은 단자를 만들려면 그만큼 패키지는 더 커져야 하는 단점이 있습니다. 아래 그림처럼 한 줄 대신 두 줄, 그리고 다양한 형태의 입출력 단자를 만들어보지만 필요를 따라가기에는 어려움이 있습니다. 또한, 하나의 배선층만 사용할 수 있어서 설계에 어려움이 종종 있습니다.

▲ 리드프레임

▲ 다양한 종류의 리드프레임 패키지

반도체 패키징 관련 일을 하지 않아도 ‘PCB’라는 말은 한 번쯤 들어보셨을 것 같아요. PCB는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)이며 리드프레임의 단점을 많이 보완할 수 있지요. 그림을 통해 간단한 구조를 살펴볼까요.

▲ 여러 종류의 패키지 기판 (substrate)

사진출처 : https://goo.gl/o5Umpb

▲ PCB를 사용한 패키지와 단면 구조

기본적인 구조는, 전기적으로 절연된 소재를 사이에 두고 목적에 따라 설계한 배선층을 적층한 것입니다. 말로 설명하기에 좀 어렵군요! 자, 아래 그림을 보시면 리드프레임은 배선 설계의 제한 때문에 와이어 본딩(wire bonding)을 할 때는 가급적 가까운 리드 핀(Lead pin)으로 해야 합니다. 하지만 아래 붉은색처럼 반대편에 있는 핀으로 연결하려면, 불가능한 것은 아니겠지만 여러 가지 공정상이나 패키지 성능에도 문제가 될 수 있는데요, PCB는 여러 층으로 구성된 배선층과 각각의 배선층을 수직으로 연결해주는 Via를 통해 원하는 곳으로 연결할 수 있습니다. (다음 호에 계속)