반도체 공정의 Game Changer, FC-BGA란?

[개요]

 

언젠가부터 주요 반도체 기판 생산업체들이 FC-BGA 사업을 확대한다는 이야기가 부쩍 자주 들리고 있다.

FC-BGA는 고성능 반도체 칩을 만드는데 필요한 기판 중 하나인데,

Flip Chip-Ball Grid Array의 약자이며, 플립칩 방식과 솔더볼을 이용한 BGA 방식이 결합된 기술이다.

 

<용어 설명>

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① 반도체 패키지 기판(Substrate)

   : 웨이퍼 단위로 제작된 반도체는 각각의 칩으로 쪼개지는데, 이러한 칩들이 설치되는 곳이 Substrate

 

② PCB

   : 패키지 기판이 설치되는 곳

 

     ∴ 칩은 substrate 위에 설치되고 substrate는 PCB 위에 설치된다.

 

 

[Flip Chip 방식]

 

1. 리드 프레임 방식

lead frame 방식

이전에는 리드프레임 방식이라 해서 반도체 칩을 PCB에 lead frame으로 연결하는 방식을 사용했다.

리드프레임 방식은 일종의 와이어 본딩이라 생각하면 이해하기 쉽다.

이 방식의 경우, substrae 없이 칩과 PCB를 리드프레임으로 직접 연결한다.

저부가가치 칩에 많이 사용되며 현재 가장 많은 점유율을 차지하고 있다.

 

2. 플립칩 방식

 

플립칩 방식은 반도체가 고성능화되면서 I/O가 더 많이 필요해졌고 이를 만족시키기 위해 도입되었다.

플립칩 방식은 총 세 가지가 있다.

 

1) PGA 방식(Pin type)

 

위 그림처럼 핀을 무수히 꽂아 I/O 단자를 증가시키는 방식이다.

현재는 CPU의 핀 손상으로 인한 오류를 방지하기 위해 LGA로 가는 추세이다.

 

2) LGA 방식(Land type)

 

 

인텔이 주로 사용하는 방식으로 평평한 단자 위에 소켓을 얹는 방식이다.

PGA 대비 같은 면적에 더 많은 I/O를 배치할 수 있어 성능이 높아진다.

 

3) BGA 방식(솔더볼 이용)

 

<솔더 범프 방식>

솔더 범프 방식

전통적인 방식으로는 Wire bonding이 있지만, 이 방식은 반도체 칩의 각 4면만 활용할 수 밖에 없었다.

"I/O의 갯수 = 반도체의 성능" 이기 때문에 더 많은 I/O를 생성하기 위해 솔더 범프 방식이 도입되었다.

솔더 범프 방식은 반도체 칩과 패키지 기판을 솔더볼이라는 전기적 신호 연결 소재를 활용하여 I/O의 수를 대폭 늘렸다.

 

BGA

출처 : 대덕전자

위 그림은 솔더볼을 이용하여 substrate와 PCB를 연결하는 BGA 방식을 도식화한 것이다.

 

<FILP Chip 방식의 비교>

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위 표에서 볼 수 있는 것처럼,

FC-BGA가 핀 수를 가장 많이 늘릴 수 있으며, LGA 방식보다 pitch를 절반 이상 줄일 수 있다.

따라서 GPU, CPU에 BGA 방식의 적용이 점차 늘어나는 추세이다.

▶ pitch가 좁다 = 더 많은 I/O 설치 가능 = 더 높은 성능

 

 

[FC-BGA의 활용]

 

반도체의 고성능화 추세에 따라서 5G, 클라우드, 서버, AI, 자율주행, 노트북 등에서 FC-BGA의 수요가 급증하고 있다.

고성능 반도체를 만들기 위해서는 두뇌 역할을 하는 코어 수가 많은 CPU, GPU를 탑재해야 하는데, 코어 수가 증가하면 반도체 기판의 크기도 커져야 한다. 이에 따라 FC-BGA 방식이 많이 도입되는 추세이다.

 

FC-BGA의 수요는 늘고 있지만, 이를 생산하는 기업의 수는 적다.

고부가가치 기술인 만큼, 해당 기술의 구현이 어렵기 때문이다.

층간 규격은 미세한 부분까지 정확하게 맞아 떨어져야 하고, 기판은 넓고 얇게 제조해야한다. 기판이 얇아지면 그만큼 수율도 낮아지기 때문에 기술 구현의 난이도가 꽤 높은 편에 속한다.

 

일본의 신코전기(Shinko), 대문의 유니마이크론이 대표적인 선두 주자이고

국내 기업으로는 삼성전기와 대덕 전자가 있으며, 최근 LG 이노텍이 해당 분야에 진출하였다.