[건강한 반도체 이야기] 더 작고 얇지만 더 싸게

앰코인스토리 독자 여러분, 안녕하세요? 2016년의 마지막을 장식할 반도체 패키지 이야기를 하려고 합니다. 패키징의 숙명이기도 한, 더 작고 더 얇게, 하지만 더 싸게 만들기 위해 연말에도 엔지니어들의 노력은 계속되고 있습니다. 한두 개만 만든다면, 혹은 시간의 여유까지 있다면 작고 얇게 만드는 것도 어렵지 않은 일입니다. 하지만 더 싸게 만들려면 대량 생산이 필요하고 만드는 시간도 아주 짧아야 합니다. 이 모든 요구 조건을 만족하게 하려면 패키징의 공정마다 더 섬세하고 민감한 관리를 필요로 하는 등, 이전보다 더 높은 수준의 기술이 필요하겠지요. 자, 오늘은 그중에서도 몰딩(Molding) 공정에 관해 이야기를 해보려고 합니다.

패키지를 보호하는 EMC

패키지 공정 중에는 몰딩이 있습니다. 몰딩은 금이나 구리로 된 와이어 등이 충격에 손상되지 않도록 보호하는 역할을 하는데요, 갑자기 몰딩 공정을 꺼낸 이유는 앞에서 말한 더 작고 얇게, 그리고 더 싸게 만드는데 많은 고민이 필요한 공정이기 때문입니다. 몰딩에 사용하는 소재는 EMC (Epoxy Mold Compound)입니다. 전체 무게의 80% 내외는 필러, 즉 돌가루로 채워져 있고 나머지는 에폭시와 여러 화학약품이 포함되어 있습니다.

▲ 몰딩 공정 순서도 / EMC (Epoxy Mold Compound)

사진출처 : (좌) https://goo.gl/aSMB4z/(우)https://goo.gl/ofJCVM

몰딩 공정의 관건은 짧은 시간 안에 몰딩 금형 내부를 완전히 채우는 것입니다. EMC의 구성 성분량에 따라 EMC의 흐름성에 영향을 미칠 수 있습니다. 흐름성이 달라진다면, EMC가 다 채워지지 않고 부분적으로 채워지지 않는 미충진 (Incomplete mold) 불량이 발생할 수 있습니다. EMC의 흐름에 영향을 미치는 요소는 또 있습니다. 패키지가 점점 얇아지면서 EMC가 흘러갈 수 있는 공간도 점점 좁아지고, 간혹 공정이 다 끝났음에도 반도체 칩 일부가 노출되는 경우도 있습니다. 플립칩(Flipchip)은 언더필(underfill)이 필요한데 언더필 대신에 EMC로 한 번에 몰딩하는 경우도 있습니다. 그러면 플립칩 아래에 촘촘하게 배열된 범프들 사이로 EMC가 채워져야 합니다. 더 싸게 만들려면 한 번에 여러 개를 몰딩해야 하겠지요. 그러려면 패키지가 배열되는 기판의 크기도 점점 더 커져야 할 텐데, 몰딩 공정의 입장에서는 여러모로 어려운 일이 됩니다. 자, 이 모든 어려움을 극복하고 열심히 일을 하는 엔지니어들에게 박수 한 번 보내주셔야 할 것 같습니다.

컴퓨터를 활용한 EMC 흐름 예측

문제가 발생하면 실험 계획법을 작성해서 가능한 여러 수단을 적용해 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 시간이 곧 돈이고 촉박한 개발 기간 내에 빨리 해결하기 위해서는 컴퓨터를 통해 불량 발생 예측을 해 볼 수 있습니다. Mold Flow analysis라고 하여 최근에 SIP(System In Package)와 같은 복잡한 구조의 패키지에 EMC 몰딩 과정을 모사하고 불량을 예측하는 경우가 많아졌습니다. EMC의 물성을 구한 다음 실제 EMC가 채워질 회로기판 전체를 모델링하여 컴퓨터로 해석을 하게 됩니다. 말은 쉬운데 이것도 좀 손이 많이 가는 작업입니다. 우선 물성을 구하기가 참 어렵습니다. 탄성 계수나 열팽창계수와 같이 간단한 물성이 아니라 EMC의 점성(Viscosity)과 경화(Curing kinetics)와 관련된 물성이 필요합니다. 온도, 압력, 시간, 속도 등에 따라 달라지며 복잡한 수식을 통해서 최종 필요한 물성을 계산해 냅니다.

▲ 온도에 따른 점성 거동 / 온도에 따른 경화도 거동

이미지출처 : Moldex3D material Library

요즘은 회로기판 크기가 점점 커지다 보니 Mold flow 해석을 하는데 아주 좋은 성능의 컴퓨터를 사용하더라도 수십 시간이 소요되기도 합니다. 자 그렇다면 이런 수많은 어려움을 차치하고 Mold flow 분석을 했는데 어떤 결과를 기대할 수 있을까요?

우선, 첫 번째로는 미충진에 대해서 예측할 수 있습니다. 실제로 미충진 불량이 발생한 제품이 있었습니다. 여러 해결 방법을 모색하기 전에 먼저 Mold flow 해석을 통해 실제와 같이 불량이 발생하는지 확인해보았습니다. 결과로 위치와 크기가 거의 유사한 결과를 얻었습니다.

▲ 불량 발생 위치와 Simulation 결과 일치

이미지출처 : 앰코코리아 사내 자료

▲ EMC 흐름

이미지출처 : 앰코코리아 사내 자료

두 번째로 앞서 검증을 완료하였다면, 이후에는 EMC 소재를 바꾼다거나 패키지 설계 변경, 몰딩 공정 조건 변경 등을 통해 불량을 해결할 방법을 평가해볼 수 있습니다. Mold flow 해석을 통해 얻을 수 있는 가장 중요한 장점입니다. 굳이 실험을 해보지 않더라도 시간과 노력을 줄여서 문제를 해결할 수 있기 때문입니다. 요즘에는 문제가 생기기도 전에 제품 개발 단계에서 미리 해석해봅니다. 만약 조금이라도 불량의 위험이 있다면 곧바로 대응할 수 있는 대안을 미리 세우려는 이유이지요.

크리스마스와 연말에는 사랑하는 가족과 감사를 전하고픈 분들께 크고 작은 선물을 준비합니다. 이번에는 남편에게 큰마음 먹고 최신형 스마트폰을 선물해보려고 합니다. 매끈한 외형과 HD 영상을 볼 수 있는 넓은 화면, 가격은 비싸지만 선물을 받고 즐거워할 가족을 생각하며 큰 결심을 했습니다. 그런데 누구 눈에는 무엇만 보인다는 말이 있지요. 최신형의 얇고 가벼운 스마트폰을 보면, 거기에 녹아 있는 많은 엔지니어의 수고가 느껴집니다. 저렇게 작고 얇게 만들려고 얼마나 고생을 했을까요. 더 얇고 작게 만들어야 하지만 언제나 그렇듯 가격은 더 싸져야 한다는 압박까지 고스란히 견디면서, 올 한해를 수고한 우리 앰코가족들의 수고도 기억했습니다. 한 해 동안 모두 수고 많으셨습니다. (^_^)

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WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.

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