[반도체 사전] Ball Grid Array - fcBGA



Description


Flip chip interconnect는 전통적인 wire bonding을 대체하며 die에서 substrate로의 area interconnection을 가능하게 합니다. 이는 전체 die 면적을 전기적 연결에 사용함으로써 die의 perimeter 영역만 사용하는 것보다 I/O count를 훨씬 높입니다. 또한, high inductance를 가진 wire를 low inductance를 갖는 solder connection으로 대체하여 전기적 성능을 향상시킵니다. Amkor의 flip chip BGA (fcBGA)는 stacked vias, ultra fine pitch의 배선라인 등을 갖춘 집약된 substrate를 사용하여 더욱 향상된 전기적 특성을 가집니다.


Reference


▲ Cross Section – Bare die


앰코코리아 홈페이지에서 자세한 정보 보기




WRITTEN BY 미스터반

안녕하세요. 'Mr.반'입니다. 반도체 정보와 따끈한 문화소식을 전해드리는 '앰코인스토리'의 마스코트랍니다. 반도체 패키징과 테스트가 저의 주 전공분야이고 취미는 요리, 음악감상, 여행, 영화감상입니다. 일본, 중국, 필리핀, 대만, 말레이시아 등지에 아지트가 있어 자주 출장을 떠나는데요. 앞으로 세계 각 지역의 현지 문화 소식도 종종 전해드리겠습니다.




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fleXBGA® (TFBGA)


fleXBGA 패키지는 가장 진보된 어셈블리 공정과 설계기술을 이용하여 광범위한 분야에 걸쳐 최고 입출력 밀도 해법을 제공한다. 칩이 위로 향하며 와이어 본딩을 사용하는 구조로서, 기판은 테이프를 이용하고 몰드로 봉합한다. 테이프 기판의 미세 신호선 구현이 가능하므로 신호선과 와이어 본드 핑거 피치(finger pitch)를 줄일 수 있다. fleXBGA는 칩 크기와 거의 비슷한 크기며, 솔더볼 피치는 1.0mm에서 0.65mm까지 가능하다. 이미 검증된 PBGA와 유사한 구조, 제조방법, 설계규칙, 재료를 이용하여 앰코는 fleXBGA 패키지의 성능과 표면 실장 능력을 극대화한다. fleXBGA는 얇고 실장접면(foot print)이 작으면서 솔더볼 피치가 1.0mm보다 작은 분야에서 잘 어울린다. 더 높은 입출력 밀도와 작은 실장면적을 제공하는 fleXBGA는 휴대전화, 페이저, 디스크 드라이브, 노트북, 디지털카메라, 비디오 제품, 무선통신, 캠코더 등에 적합하다.


▲ fleXBGA® (TFBGA) 구조



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SuperBGA® (SBGA)


SuperBGA® (SBGA / Super BGA) 기술은 패키지 높이가 낮고 고전력이 필요한 분야에 적용할 수 있는 BGA 패키지. 칩은 구리 열방출판에 직접 실장되며, 칩과 입출력 단자가 같은 쪽에 있기 때문에 신호 경로(signal via)가 제거될 수 있다. 따라서 전기적 성능(인덕턴스)이 눈에 띄게 향상된다. SBGA는 다양한 볼 수를 수용할 수 있고, 표준 JEDEC 패키지 크기로 생산되며, 현재 일반적으로 사용되는 소켓, 트레이 등의 기본 인프라를 그대로 이용할 수 있다. 특히, 검증된 어셈블리 공정 및 재료와 더불어 진일보된 기판 설계기술을 이용하기 때문에 고객의 칩 성능을 보장한다. 이 기술은 ASIC, 마이크로 프로세서, Gate Array, DSP와 같이 고성능을 요구하는 고속, 고전력 반도체 분야에 적합하다.


▲ SuperBGA® (SBGA) 구조



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Thin ChipArray® BGA (CTBGA / TFBGA) 

Very Thin ChipArray® BGA (CVBGA / VFBGA)


칩어레이 패키지를 한층 얇게 만든 Thin ChipArray Ball Grid Array패키지는 얇은 코어 라미네이트 재료와 얇은 몰드캡을 이용해 패키지의 총 높이가 1.2mm(CTBGA), 1.0mm(CVBGA)에 불과하다. 얇은 코어 라미네이트(core laminate)를 이용하면 레이저 드릴 비아(lazer drilled vias)를 사용할 수 있어 고밀도의 라우팅이 가능하기 때문에 같은 크기의 패키지라도 멀티 칩 패키지에서와 같이 더 많은 입출력 단자를 요구하는 응용분야에서 유용하다. CTBGA와 CVBGA는 기존의 BGA라인과 SMT기술을 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다. 이러한 장점으로 휴대전화나 노트북, PC, 기타 무선기기들과 같이 크기가 작고 얇은 패키지를 요구하는 새로운 응용분야에 적합하다.


▲ Thin ChipArray® BGA 구조


▲ Thin ChipArray® BGA 구조



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자, 지난 호에 이어 이번 달에는 반도체가 있는 교실 속 불순물 반으로 다시 들어가 보겠습니다.


ⓒ백종식


불순물 반불순물 반도체입니다. ‘정규학생’은 ‘실리콘’으로 ‘청강생’은 ‘불순물’로 이해를 하면 되겠습니다. 청강생은 학교의 정규학생이 아니므로 선생님을 덜 무서워하는군요.


먼저 P(인) 같은 5족 불순물이 실리콘에 첨가된 N형 반도체를 살펴보도록 하겠습니다. P는 5개의 최외각전자를 가지고 있어서 4개는 실리콘과 공유결합을 이루기 위해 속박되어 있고, 남은 1개가 약하게 붙들려 있다가 약간의 에너지만 공급해줘도 쉽게 떨어져 나가 자유전자처럼 활동합니다. (600원을 가지고 있는 철수를 생각하세요) 이를 밴드 구조로 설명하면 아래 그림과 같습니다.


ⓒ백종식


왼쪽 그림에서, 온도가 0K일 때 여분의 전자는 P에 약하게 구속되어 있는데, 그 결합력은 위 그림에서 Ec와 Ed의 차이만큼(왼쪽 그림)입니다. 오른쪽 그림에서, 온도가 올라가면(온도>0K) 열에너지에 의해 여분의 에너지가 P의 구속으로부터 해방되어 자유전자처럼 떠돌게 되고, (전자가 전도대 위로 올라간 것으로 이해하면 됩니다) P원자는 전자를 잃었으므로 + 전기를 띤 양이온이 됩니다. P원자는 전도대에 전자를 공급한다고 해서 도너(전자를 제공한다고 해서 donor라고 부릅니다)라고 불립니다. 또한, P원자 내의 여분의 전자는 Ec 근처에 에너지 준위를 형성하는데, 이를 도너레벨(donor level)이라고 부릅니다. 위 그림에서 보면 Ed로 표시되어 있습니다.


이제 B(붕소) 같은 3족 불순물이 실리콘에 첨가된 P형 반도체를 살펴볼까요? B는 3개의 최외각전자를 가지고 있어서 실리콘과 4개의 공유결합을 이루는데 하나의 전자가 부족합니다. 하나가 부족하다는 것은 하나가 남는 것의 반대 개념으로 생각할 수 있습니다. 이렇게 전자가 하나 부족한 것은 Ev의 바로 위에 억셉터준위(acceptor level)를 점유하며 열에너지에 의해 가전자대 속에 있는 전자를 하나 받아(공유결합을 충족시키기 위해 실리콘으로부터 여분의 전자를 받아들일 수 있다고 해서 억셉터라고 부르게 되었습니다) - 전기를 띈 음이온이 되고 가전자대에 정공을 생성하게 됩니다. 이때 정공은 전자의 빈자리이므로 다른 실리콘 원자로부터 전자를 받아 채우려고 합니다. 이런 식으로 빈자리, 즉 정공은 움직일 수 있게 되며 정공이 움직인다는 것은 사실은 전자가 움직이는 것이므로 전류가 흐르게 됩니다.


ⓒ백종식


한 가지 재미있는 점이 있습니다. P원자 내의 전자가 원자핵에 결합된 에너지의 크기가 상황에 따라 다르다는 것이지요. P가 고립된 원자로 존재할 경우 5개의 최외각전자는 원자핵으로부터 대략 1옹스트롬(옹스트롬은 거리 단위로, 1옹스트롬은 만분의 일 마이크로미터입니다)의 거리를 두고 수eV의 에너지로 원자핵에 속박되어 있습니다. 그런데 이 P원자가 실리콘 내에 불순물로 존재하면 5개의 최외각전자 중 4개의 전자는 실리콘 원자와 공유결합을 이루고, 남은 하나의 전자는 원자핵으로부터 대략 15옹스트롬의 거리를 두고 약 0.05eV의 약한 에너지로 속박되어 있어, 약간의 열에너지만 공급해도 원자핵의 속박을 끊고 자유전자처럼 거동하게 됩니다. 이렇게 실리콘에 불순물 원자를 넣어 줌으로써 쉽게 자유전자(또는 정공)를 얻을 수 있는 원리를 이용한 것이 바로 불순물 반도체입니다.


전도대 내에 있는 전자와 가전자대 내에 있는 정공을 반도체의 캐리어라고 부르며, 반도체의 전도성(전류를 얼마나 잘 흐르게 하느냐 하는 성질)은 캐리어의 농도에 따라 결정됩니다. 캐리어는 열에너지에 의해 생성된 자유전자(전도대에 존재)와 정공(가전자대에 존재)의 쌍, 그리고 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자(N형 반도체, 전자가 전도대로 올라가고 불순물은 양이온이 됩니다)와 정공(P형 반도체, 불순물이 실리콘으로부터 전자를 받아 음이온이 되고 가전자대에 정공이 생깁니다)으로 이루어집니다.


진성 반도체에서 생성되는 캐리어(자유전자와 정공의 쌍)는 열에너지에 의해서 생성되므로 캐리어의 농도가 온도에 의존합니다. 즉, 온도가 높아질수록 열에너지가 높아지므로 캐리어의 농도가 높아집니다. 불순물 반도체에서의 캐리어는 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍, 그리고 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공으로 이루어지며, 캐리어의 농도는 온도보다는 주입되는 불순물의 양에 주로 의존합니다(공급된 불순물은 도너레벨과 억셉터레벨이 전도대나 가전자대 근처에 있으므로 실온에서 모두 이온화되어 공급된 불순물의 양만큼 캐리어가 생성되는 것으로 이해하면 되겠습니다).


불순물 반도체에서 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍은 그 수가 많지 않으므로 소수 캐리어라고 부르며, 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공은 그 수가 훨씬 많으므로 다수 캐리어라고 부릅니다. 즉, 불순물 반도체의 전기전도성은 다수 캐리어의 농도에 의해 결정되므로 얼마나 많은 불순물을 어떻게 주입해 주느냐 하는 것이 중요합니다. 이렇게 실리콘에 불순물을 주입하는 것을 도핑이라고 부르는데, 도핑 방법에 대해서는 다음에 다뤄보겠습니다. 위에 설명한 대로, 소수 캐리어만 생성할 수 있는 진성 반도체는 널리 사용되지 않고, 다수 캐리어를 쉽게 생성할 수 있는 불순물 반도체가 산업계에서 널리 쓰이고 있습니다.


그렇습니다. 눈치를 챘겠지만, N형 반도체에서는 자유전자가 다수 캐리어고 소량의 정공이 소수 캐리어이며, P형 반도체에서는 정공이 다수 캐리어고 소량의 전자가 소수 캐리어가 됩니다. 한 가지 더 욕심을 내서 설명한다면, 자유전자가 정공보다 움직임이 더 쉽습니다. 전문용어로는 자유전자가 정공보다 이동도가 크다고 표현합니다. ‘복도를 자유롭게 돌아다니는 학생’을 자유전자로, ‘그 학생 때문에 생겨난 교실 내의 빈 의자’를 정공으로 생각해 봅시다. 복도에 있는 학생은 자기가 움직이고 싶은 대로 움직일 수 있지만, 빈 의자의 움직임은 어떤가요? 먼저 어떤 학생이 빈 의자를 발견해야 하고 그 학생이 자기 의자를 비우고 그 의자에 앉는 방식으로 움직임이 발생합니다.


위의 세 가지 반도체(진성 반도체, N형 반도체, P형 반도체)의 밴드 구조가 이해되는지요? 이 구조가 이해가 되어야 다음 호에 소개할 P-N접합을 이해할 수 있으니 어렵더라도 꼼꼼히 읽어 보시기 바랍니다. 파이팅!



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ChipArray® BGA (CABGA / LFBGA)


앰코 칩어레이 패키지는 라미네이트 기판을 사용하며 솔더볼을 붙인 형태로 제공된다. 패키지 크기가 칩 크기에 근접하기 때문에 표준 크기와 솔더볼 수가 정해져 있다. 칩어레이 패키지는 기존의 표준 어셈블리 기술을 사용하고 있고 PBGA와 매우 유사하다. 기존 SMT 실장 프로세스와 기술 또한 접목이 가능하다. 패키지 크기와 설계 면에서 실장 면적이 작고 속도가 빠른 RF 분야에도 적합하다. 이 IC 패키지 기술은 기존의 PBGA보다 작은 패키지 크기를 요구하는 메모리, 아날로그, ASIC, 로직, RF, 단순한 PLD 분야에 적용가능하며, 저가이면서 최소의 면적, 고속을 요구하는 휴대전화, 노트북, 미니 노트북, PC, 위성탐지시스템, PDA 및 여타의 무선통신시스템을 그 적용분야로 분류할 수 있다.


▲ ChipArray® 구조



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SFFMC (Small Form Factor Memory Cards)


SFFMC(Small Form Factor Memory Cards) 어셈블리와 테스트에서는 여러 개의 칩과 수동소자들을 같은 모듈에 실장하는 것이 가능하고, LF구조는 멀티칩과 와이어다이버전만을 지원한다. SFFMC는 와이어 본딩, 몰딩, 기판 공정 등에서 기존의 공정을 사용하며, 최종공정에서 모듈에 플라스틱을 입힌다(몰딩).

유연성을 확보할 수 있는 칩-와이어를 기반으로 한 디자인을 사용함으로써 얻을 수 있는 여러 가지 장점이 있는데, 그 중 첫 번째가 규격에 맞추어 MMC/SDC 성능을 극대화 할 수 있는 기판을 설계할 수 있다는 점이다. LF구조는 칩과 칩을 연결하는 본딩을 최적화하는 맞춤형 리드프레임를 사용한다. 또 다른 장점은 뛰어난 물리적 강도. 몰딩공정이 적용되기 때문에 견고함을 가진다.

모든 카드 형태는 동일 기판에 하나의 표면 실장 접면 내 메모리 칩 적층이 가능하다. 이 방식을 사용하여 기판/리드프레임을 다시 설계하지 않고도 메모리 용량을 증가시킨다. 또한 SFFMC는 표면실장 가능한 패키지 자체를 이용할 수도 있다. 패키지 자체를 사용함에 따라 얻는 이점은 표면실장 전에 칩을 테스트할 수 있고, 양품의 패키지만을 SFFMC의 공정에 사용한다는 점이다. LF구조는 완전 몰딩이 가능하다.


▲ SFFMC의 구조

사진 출처 : http://www.amkor.co.kr/



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