[테마특강] 멀티 칩 모듈(MCM)기술

백경욱 서울대학교 금속공학과 학사 한국과학기술원 재료공학과 석사 미국 코넬대학 재료공학과 박사 한국과학기술연구원 연구원 미국 GE 연구센터 책임 연구원 현재 한국과학기술원 재료공학과 조교수 전자패키징기술은 최근 경박단소화와 고전기적 성능화로 이루어지고 있다.

메모리칩패키지를 예로 보면 DIP형태는 초기 QFP.SOP에서 극세피치형 TQFP.

TSOP등을 거쳐 최근에는 칩 크기 패키지(CSP)형태로 발전하고 있다. CSP기 술은 현재 16메가급 이상 메모리칩 패키지의 주종을 이루고 있는 LOC(Lead On Chip)형 패키지가 대표적이다.

또한 비메모리칩 패키지에 사용되는 PGA도점차 발전되어 테이프를 사용한TCP Tape Chip Package), 납땜 불을 이용해접속하는 BGA(Ball Grid Array), CSP와 BGA기술을 혼합한 미세BGA 등 극소형화가 이뤄지고 있다. 한편 여러가지 패키지가 안된 칩(베어칩스)들을 서로 패키지하는 COB(Chip On Board)와 MCM(Multichip Module)기술도 개발되고 있다.

특히 극소형.고전기적 성능의 MCM기술은 점차 컴퓨터.정보통신.이동통신.

고급가전제품등 그 활용범위를 넓혀가고 있고 이에 따라 MCM시장규모도 급속도로 확대되고 있다. 또한 MCM기술도 초기 디지털 MCM기술에서 점차 디지털.아날로그방식의 혼합형 MCM기술로 발전하고 있으며 마이크로.밀리미터 웨이브 MCM기술과 광전자 MCM기술개발도 뚜렷하게 나타나고 있다.

LCD기술분야에서도 LCD구동칩 및 PCB기판을 접속하는 패키지기술인 TAB을 사용하는 COT(Chip On Tape)나 COG(Chip On Glass)기술은 고해상도.고색상.

고신뢰성LCD제품을 생산하는데 있어 매우 중요한 제조기술이다. 또한 2차원 적패키징기술은 평면패키징의 한계를 넘어 칩이나 패키지 또는 모듈을 3차원 으로 적층해 최소의 크기로 최대의 용량을 얻는 3D스택(Stack) 패키징기술이 등장하여 이미 워크스테이션용 및 극소형 대용량 메모리셀 등으로 실용화됐다. 전자패키징이란 여러가지 전자회로부품, 즉 반도체소자.저항체.축전체.다 이오드 등을 조립한 전기 하드웨어 구조물을 말한다. 전자패키징의 체계는 최종 시스템의 형태에 따라 여러단계로 나뉜다. 반도체칩을 와이어본드.TAB.

플립칩(FlipChip)을 사용해 접속, 보편적으로 사용되는 플라스틱(DIP.QFP.S OP)이나 세라믹(PGA)패키지 등 싱글 칩 모듈을 만드는 1단계 패키징과 만들어진 싱글칩 모듈을 표면실장기술(SMT)이나 삽입식실장기술(PTH)을 이용해 PCB 또는 금속 코어보드 등에 접속하는 2단계 패키징이 있다.

더 나아가 3단계와 그 이상의 패키징 단계는 제조된 PCB카드를 보드 등에접속 원하는 전자회로시스템을 제조하는 단계다. 그러나 이같은 종래의 패 키징방법은 하드웨어시스템이 필요이상으로 커짐에 따른 최근의 전자제품 경 박단소화 및 고전기적 성능화를 만족시키지 못하는 문제가 있다. 이러한 경향은 정보통신 및고기능 컴퓨터 등에서 더욱 분명하게 나타나고 있다. 그래서 새로운 개념의패키징기술인 MCM기술이 나타나고 있는 것이다.

이러한 기술은 기존의 1단계와 2단계 패키징기술을 하나로 합쳐 모듈과 카드를 통합한 새로운 1.5단계 패키징기술로 시스템 크기감소 및 전기적 성능 을 향상시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 이로 인해 MCM기술의 활용은 미래 전자제품의 외형과 성능을 크게 바꾸어놓게 될 것이며 그 수요도 급증할 것으로 보인다. 이와 함께 MCM기술의 중요성과 필요성은 더욱 크게 부각되고 있다. MCM기술은 종래의 단일칩모듈(SCM)이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 개발된 기술이다. MCM기술이 갖고 있는 대표적인 장점을 보면 우선 소형경량 화를 꼽을 수 있다. MCM기술은 베어칩을 이용하므로 SCM에 관련되는 패키지 의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있을 뿐 아니라 조립과정에서도 전체 PCB크 기와 무게 및 이에 관련된 커넥터 등 접속재의 사용도 감소시킬 수 있다. 또MCM기술은 소형화로 인해 칩과 칩 사이의 연결길이가 매우 짧아진다. 이는신호선에서 발생하는 잡음신호를 줄임과 함께 최고의 시스템 전기적 성능을 갖게 하는 장점도 있다.

둘째 전력사용의 감소다. MCM기술은 칩과 칩 사이의 접속길이를 줄여 도선 내의 저항손실을 줄일 수 있다. 그러므로 종전의 SCM보다도 낮은 양의 전력 을사용해 회로를 작동시킬 수 있으며 작동중 발생열량을 감소시킬 수 있다.

따라서휴대형 전자제품에 사용될 때 배터리의 사용시간이 증가될 수 있다.

셋째 칩.기판 면적의 증가다. MCM기술은 패키지 안된 칩을 사용하므로 단 위기판면적당 더 많은 양의 칩을 접속할 수 있다. 실제로 MCM의 경우 SCM에 비해 5배 이상의 칩.기판 면적비를 늘릴 수 있다.

넷째 수리가 간단하다. MCM기술은 제품 활용시 작동상의 문제로 인한 칩수 리가 필요할 경우 고장난 칩을 용이하게 수리, 교환할 수 있도록 설계되어 있다. MCM기술의 형태는 패키지 하는 칩의 종류, 요구성능, 사용용도, 제품가격 등에 따라 MCM L(Laminated), MCM C(Ceramic), MCM D(Deposited) 등 3가지로 구분된다.

MCM L은 극세선 PCB기판을 이용하여 다층구조 PCB기판 위에 여러개의 베어칩을 패키지하는 것으로 주로 메모리형 반도체와 같이 간단하며 높은 전기 적성능을 요구하지 않는 용도로 사용된다. 그 예로는 캐시메모리 모듈, PCMC IA카드, 일반가전제품과 같은 것이 있다.

MCM C는 종전의 세라믹 하이브리드 기술로부터 유래한다. 절연체로는 주로알루미나 세라믹이나 유리를 사용하며 도체로는 절연체와 함께 W, Mo 또는저온용 Cu를 이용한다. 용도는 높은 신뢰성을 요구하는 대형컴퓨터 시스템이 나 군사용, 항공산업용이다. 가격은 MCM L보다는 비싸지만 MCM D보다는 유리한 편이다.

MCM D는 반도체 칩 제조공정으로부터 발전된 것으로 도체로는 동 또는 알루미늄 필름을, 절연체로는 유전체상수가 낮은 폴리머 계통의 재료를 도포해 여러개의 층을 적층해 사용한다. 대표적인 절연체 필름으로는 폴리이미드(Po lyimide)를 사용하며 회전도포(Spin Coater), 또는 분사도포(Spray Coater), 라미네이트(Laminate) 식으로 기판에 도포한다.

MCM D는 MCM L이나 MCM C에 비해 매우 작은 선폭, 선 간격, 비아 크기등을 갖고 있어 전기적 성능이 우수하다. 또 단위기판면적당 칩면적 비율이 매우 높다. 그러나 가공비용이 높은 것이 단점으로 지적되고 있다. 사용범위 도매우 광범위하여 경박단소형과 높은 전기적 성능이 요구되는 컴퓨터부품, HDTV.케이블TV용 세트톱박스나 B ISDN의 ATM 모듈 등 많은 양의 신호를 고속도로 처리하기 위한 정보통신 핵심부품, 고속 워크스테이션의 프로세서 모 듈또는 이동통신의 부품 등으로 사용되고 있다.

MCM D.C는 MCM D와 MCM C를 결합한 것으로 다층 세라믹 구조 위에 다층 구조 동.폴리이미드 구조를 제작한 것이다. MCM D 중에서도 Si기판을 사용하는 경우 이를 MCM Si로 부르기도 한다. MCM Si는 회로상의 수동소자들을 Si기판 위에 Si칩 제조공정을 사용해 집적시킴으로써 칩.기판 집적도를 극대 화시킬 수 있는 장점이 있다.

MCM D는 폴리이미드를 절연체로 사용하므로 유전체 상수 값이 가장 작아 빠른 전기신호 처리를 기대할 수 있다. 실제로 MCM D의 성장지연은 MCM L의13%에 불과한 고전기적 성능을 나타내고 있다. 이러한 MCM D의 우수한 성능에도 불구하고 MCM시장은 MCM L과 MCM C가 주도하고 있다. 궁극적으로 고전기적 성능을 요구하는 제품의 필요성이 증가함에 따라 고성능 MCM D의사용이 점차 증가할 것으로 예상된다.

전자패키징 기술은 전자부품에서부터 완제품 제조에 이르기까지 관여되는 광범위한 제조기술로 부가가치제품개발의 핵심이 되고 있다. 이같은 중요성 으로 인해 미국.일본.EU 등 기술 선진국들은 전자패키징 분야를 핵심 기술로 정해 많은 투자와 기술 개발에 열을 올리고 있다.

미국의 경우 첨단 연구 과제 관리를 담당하는 정부 기관인 ARPA에서는 전 자패키징 기술, 특히 MCM 기술분야를 국가 안보 및 산업에 직결되는 핵심기술로 정해 중점 육성 중이며 또한 SEMATECH.MCC.SRC 등 연구 컨소시엄과 IBM.AT T.모토롤러.인텔.GE.휴즈 등 대기업에서도 MCM 기술 개발 및 제품화에열을 올리고 있다. 현재 미국의 MCM 기술수준은 기술개발이 거의 끝난 상태 로시장개척과 함께 저가 MCM 제조 기술 개발에 열을 올리고 있다.

일본 또한 소니.히타치.미쓰비시 등 대기업과 중소전자부품 업체를 중심으 로활발한 기술 개발과 제품화가 이뤄지고 있다. 일본이 자랑하는 저가 고성 능전자 제품과 그 제조기술은 실제로 전자패키징 기술을 바탕으로 한 조립 및접속 기술의 산물이라고 볼 수 있다. 2년전 IBM에서 열린 국제회의에 참석 했던 히타치 출신 고령의 교수는 "미국은 소프트웨어에 앞서있지만 일본은 반도체칩을 패키지하는 하드웨어분야에서 미국보다 앞서 있다"고 말했다.

왜 오늘날 일본의 전자제품이 전세계를 석권할 수 있었는지에 대한 하나의답이라고 볼 수 있다. 한가지 일본의 특이한 상황으로는 베어다이를 사용한MCM기술이 가지고 있는 좋은 베어다이선별, 즉 KGD(Known Good Die)문제를 해결하기 위해 이미 테스트를 거친 DCP형태의 패키지를 사용한 MCM기술의 접근을시도하고 있음을 주시해야 할 것으로 보인다.

이러한 접근방식의 장점으로는좋은 베어다이 선별문제를 해결하여 MCM기술 의 수율을 높일 수 있을 것으로보이나 한편으로는 베어다이 사용으로 MCM기 술이 갖고 있는 전기적 성능의 극대화 장점을 잃게 되는 단점이 있다.

EU 역시 ESPRIT프로그램 수행을 통해 CMOS Si기술과 고급패키징기술(3D, MCM, 플라스틱 패키지)개발에 노력중이다. 대만.중국.싱가포르.말레이시아 등도 우리가 주시해야 한다. 세계 PC시장에서의 성공을 바탕으로 전자부문에 중점투자를 하고 있는 대만의 경우 최근 TI와 기술합작을 통해 8인치 웨이퍼 생산공장 건설에 약 11억달러를 투자했고 전자패키징 기술개발에도 ITRI를 중심으로 전자패키징 연구센터를 설립, 기업의 패키징기술 개발을 적극적으로 돕고 있는데 올해를 고급 MCM기술개발 목표달성의 해로 보고 있다. 또한중국.싱가포르.말레이시아에서도 많은 자본 및 기술투자가 이루어지고 있으며 점차 미국.일본 등 선진국의 전자패키지 제조기지화가 되고 있는 상황이 다. 우리는 어떠한가. 메모리분야의 눈부신 발전을 바탕으로 제2의 메모리라 할수 있는 분야가 놀라운 발전을 하고 있고 반도체.브라운관.PCB 등의 생산 과수출이 크게 늘고 있다. 그러나 이러한 발전중에도 국내의 전자패키징기술에관련된 상황은 그다지 낙관적이라 할 수 없다.

그간의 국내상황은 반도체3사를 중심으로 한 플라스틱 전자패키징기술에집중됐으며 대학과 연구소의 전자패키징기술 연구도 산발적으로 이뤄지고 있다. 고급패키징기술 개발과 관련된 연구는 거의 전무한 상황이다. 그러나 최근 MCM기술에 대한 관심이 고조되고 있음은 크게 고무적인 일이다. ISHM, IEEE CPMT 한국지부 설립, 생기원 주도하의 MCM L기술개발 과제공고, 최근 KAIST를 중심으로 한 산.학.

연 패키징기술 교환 및 공동연구를 위한 한국과학재단 지원, 전자패키징 기술연구회 발족 등은 매우 바람직하다. 또 우리나라의 입장으로 다행스러운것은 현재 국제 MCM기술 및 제품화가 고가격제품과 시장개척의 문제로 인해 주춤하고 있다는 것이다. 그러므로 지금이야말로 우리나라로서는 MCM기술개 발과 이에 관련된 기반구조를 확립할 수 있는 좋은 기회라 생각된다. 이를통해 국내 전자업체들의 기술경쟁력을 제고해 이제껏 반도체 부품 제조단계 에 머물러 있던 구조를 개선하고 더 나아가 부가가치가 높은 고급 패키징제 품을 개발, 새로운 시장개척에 적극적으로 나서야할 때라고 본다.