[테마특강] MCM(다중칩모듈:Multi chip Module) 패키징기술

실리콘 웨이퍼에 가공된 칩을 외부환경으로부터 안전하게 보호해주는 패키징(Electronic Packaging)의 중요성이 날로 높아지고 있다. 칩보호 외에도패키징은 다른 소자, 칩, 인쇄회로기판(PCB), 케이블 및 커넥터로 구성되는시스템과 원활한 기능적 연결을 제공하는 배선기술을 포함하는 총체적 기술로 주목받고 있다.

패키징은 그 목적 및 대상에 따라 레벨을 두어 기술을 분류하고 있다. 웨이퍼 상의 칩가공을 0차 레벨 패키지라고 하며 이로부터 각 단계별로 차수를올리며 각각의 기술을 분류하고 있다. 이중 칩 패키징은 웨이퍼상의 칩과 하부구조의 PCB(2차레벨 패키지)을 연결시키는 기술로 통상 1차레벨 패키지라하며 MCM(Multichip Module)패키징기술이 여기에 속한다.

1차레벨 패키지의 근본적인 목적은 칩을 1백∼5백미크론(1천분의 1㎜)에이르는 외부환경으로 연결시키기 위한 스케일업이다. 패키징의 전형적 공정은 회로가 가공된 웨이퍼상 칩을 절단한 후 리드프레임에 접착시키고 다이의회로단자와 리드 사이를 골드 와이어로 전기적으로 연결한다. 와이어 본드된다이와 회로를 외부환경으로 부터 보호하기위해 에폭시몰딩 컴파운드(EMC)로몰딩하고, 리드를 주석/납으로 표면처리해 PCB에 실장시 납땜이 용이하도록하는 것으로 구성된다.

패키징은 60년대초 삽입실장형의 한 형태인 DIP(Dual Inline Package)를선두로 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier), QFP(Quad Flat Package), TAB(Tape Automated Bonding) 등으로 발전됐다. 한편으로는 얇은 패키지 형태로개발이 이루어져 SOP(Small Outlet Package), TSOP (Thin SOP), PTP(Paper Thin Package)로 발전되어 왔다.

고밀도 패키지 구현을 위한 패키지도 개발돼 PGA(Pin Grid Array), LGA(Land Grid Array)와 납볼이 부착된 형태의 BGA(Ball Grid Array), MCM 등으로발전해왔다.

그러나 IC회로의 고집적화로 무게 및 비중이 증가되고 배선 길이의 증가에따른 신호지연 등으로 싱글칩 패키징으로는 기술적 한계에 도달하게 되었다.

또한 시스템의 경박단소화를 위한 파워의 감소, 시스템당 능동소자 수의 감소, IC의 밀도 및 핀 수의 증가 등이 요구되고 있으나 기존의 싱글칩 패키징기술로는 리드의 피치 간격의 한계 등으로 인한 기술적인 문제가 있다. 또 J타입 표면실장소자의 경우 한번의 외부와 대화를 위해 골드와이어, 패키지,리드, 솔더 조인트, PCB, 솔더조인트, 리드, 패키지, 골드와이어 등 9단계를거치는 과정에서 발생되는 신호지연과 리드 수 증가에 따른 가격상승 등으로인해 고성능, 고기능, 고속화의 시대적 요구를 충족시키는데 한계가 있다.

따라서 이러한 패키징상의 문제점을 극복하기 위해 MCM 기술이 필요하게되었다. 갈수록 짧아지고 있는 전자제품의 라이프사이클 또한 MCM패키지 기술의 도입을 필연적인 것으로 유도하게 된 것 중의 하나다. MCM은 싱글칩 패키지에 대응하여 사용된 용어로 종래의 하나의 IC칩을 리드프레임에 부착시키는 방법 대신에 IC 칩간의 회로를 미리 구성시킨 기판 위에 여러개의 IC칩을 탑재해 모듈화시킨 것을 말한다.

MCM에서는 시그널 경로가 골드와이어-서브스트레이트-골드와이어의 3단계로 축소돼 시그널 전송거리 및 인터페이스에 있어 신호지연을 극소화시킬 수있다. 따라서 CPU, 고성능 워크스테이션, 노트북PC, ABS(안티록 브레이크시스템), 에어백, 군사용 레이더 등에 주로 이용되고 있다.

MCM의 장점은 단일칩이나 다층 인쇄회로기판의 경우보다 최대 10분의 1까지 크기를 줄일 수 있다는 것이다. 이에따라 주어진 면적에 여러 추가 기능들을 추가하거나 전체 PCB의 크기 및 층수를 감소시켜 생산성과 수율 향상에따른 시스템 단가 절감을 꾀할 수 있는 것이다. 또한 MCM에 패키지되도록 설계된 칩들은 엄격한 노이즈 마진과 초소형화가 가능하므로 IC칩의 가격 인하와 전력소모의 감소 역시 가능하다. 그러나 베어 다이의 구입이 용이하지 않다는 것과 설계에 필요한 시뮬레이션 소프트웨어 개발이 아직 미흡하다는 사실, 그리고 성능이 테스트된 논굿다이(Known Good Die)의 가격이 비싸고 불량품의 수리가 어렵다는 것 등이 MCM 기술발전을 가로막고 있다.

MCM은 89년8월 IPC(국제패키징협의회)회의에서 정식으로 패키지기판의 재질 및 가공기술에 따라 크게 MCM-L,MCM-C,MCM-D의 3가지로 분류됐다.

MCM-L(MCM Laminated)은 라미네이트 또는 인쇄회로기판을 기초기판으로 사용해 제작하는 기술로 실제로 현재 많은 PCB공장들이 MCM-L의 기판을 제작할수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문에 아주 폭 넓은 잠재 생산 하부구조를갖추고 있다. 제품의 신뢰성은 MCM-C 및 MCM-D 기술에 비해 다소 열세일 수있으나 단위 면적당 생산 단가가 상대적으로 저렴하고, 低유전도의 유기재료를 기본으로 하는 기판의 특성상 모듈의 고속화가 유리하기 때문에 MCM패키지 제품중 가장 발전 가능성이 크다고 볼 수 있다. 현재 이 기술의 선두 주자로는 미국 새너제이에 위치한 헤스티아社와 일본 이비덴社라고 할 수 있다.

이 패키징 기술은 보통 2∼3개의 다이를 와이어본딩으로 기판에 연결 시킨후 PLCC 또는 PFQP 형태로 몰딩하는 것이 보통이며 배선의 한계와 비아(via)의 형태 및 방열의 저효율성이 단점으로 꼽힌다.

일본 등 선진국에서는 이미 상당 수준의 MCM-L패키징 기술이 정립되어 있는 실정이다. 최근 각광을 받고 있는 핀을 볼(Ball)로 대체한 BGA패키지기판제조의 경우 패드밀도에 따라 차이는 있으나 대략 수율이 70~90%에 달하고있다. 그러나 국내에서는 아직 양산단계에 들어갈 수 있을 정도의 수율이 이뤄지지 않고 있는 실정으로 모듈산업의 역할을 감안할때 MCM-L의 근간이 되는 라미네이트 기판 제조기술 확보를 위한 적극적인 투자와 공정 개발 및 개선이 시급히 이뤄져야 할것이다. MCM-C(MCM Cofired Ceramic)는 여러층의 그린쉬트(green sheet)를 동시에 소성시켜 만든 것이다. 한번에 한개층씩 소성시켜 제조하는 후막 하이브리드IC와는 구분된다. 이 기술은 내화 금속 페이스트를 이용한 75미크론 내외의 미세패턴의 인쇄 및 소성기술과 그린쉬트 저온소성 기술, 저온소결 유전재료의 합성 기술, 그리고 이들을 이용한 다층세라믹기판 제작기술 등이 핵심 기술이다.

MCM-C 패키지는 축전기(C), 저항기(R), 필터 등과 같은 수동소자를 가장많이 탑재할 수 있는 장점을 갖고 있다. 70년대 후반 이래 메인프레임 및 군사용 컴퓨터와 자동차산업에 많이 응용되고 있다. 실제 응용사례로는 IBM 3090메인프레임과 IBM이 개발한 TCM(Thermal Conductive Module) 등이 있다.

내구성과 최대 3백50의 고온 작동성 및 뛰어난 내열 신뢰성 등이 장점이다.

MCM-D(MCM Deposited)패키지는 캐리어 기판(실리콘, 세라믹, 금속)위에 유기절연 물질을 얇게 코팅해 박막을 형성하고 그 위에 회로와 비아를 가공하여 회로층을 형성시키며 순차적으로 같은 공정을 번복하며 층수를 높여 나가는 MCM패키징기술이다. 이 기술은 메인프레임과 시스템의 클럭레이트가 5백MHz 이상인 통신분야 등에 이용된다. 보드의 크기가 제한 되어 있는 경우나칩의 발열이 10~1백W인 경우에 많이 이용되고 있으며 때에 따라 다이가 직접실리콘위에 탑재되는 경우도 있다. MCM-D의 제조 공정은 반도체 제조공정과매우 흡사하며 고가의 장비를 사용해야 하기 때문에 고성능, 고신뢰성의 장점을 갖고 있는 반면 제조원가가 상당히 높다는 단점이 있다. 따라서 제조원가를 낮추기 위해 제조기판의 크기에 아주 민감하며 평판디스플레이(FPD)산업에 사용되고 있는 공정과 유사한 대면적패널기술 등이 이용된다.

이같은 3가지 MCM관련 패키징기술 외에 최근 상호간 장점을 이용하고 단점을 보완하기 위해, 또는 기능상 특수한 목적으로 세개의 기술이 서로 복합적으로 사용되기도 한다. 이러한 복합 MCM기술에는 MCM-L 및 MCM-C 패키지 기판위에 고밀도의 회로층을 MCM-D의 기술을 이용, 몇 개층의 회로를 형성 시켜 MCM-D의 장점을 부분적으로 취하는 패키지지의 형태가 있다. 또 플라즈마를 이용해 초미세 비아를 형성하여 MCM-D에 가까운 고밀도의 MCM-L을 추가비용의 발생이 거의 없이 제조하기도 하며, MCM-C에서 MCM-D의 박막 기술을이용하여 많은 수의 수동소자와 IC를 내부층에 집적시키기도 한다.

IC칩을 알루미늄과 같은 고방열특성 재료위에 놓고 그 위로 박막기술을 이용하여 회로층을 형성시켜 박막회로기술의 장점을 살리고 회로를 쉬트상태로가공하는 칩 1차 패키징 기술도 이용되고 있다. 이 패키지의 경우 때에 따라서는 MCM-D를 능가하는 성능을 나타내기도 한다. 이밖에 3차원(3D) MCM의 경우는 다이를 차례로 스택킹하여 X-Y 방향에 있어 실리콘/패키징 재의 비율이1대 1 이 안되는 정도로 패키징되는 경우도 있다. 이러한 3D MCM의 성공적예는 3D 메모리 제품이며 DSP의 3D MCM은 이미 고성능을 요구하는 우주 및항공산업 등에 이용되고 있다.

MCM 기술은 다시 제조 단계별로 MCM설계기술과 패키지기판 제조기술,칩실장 기술,그리고 몰딩을 포함한 후처리 공정과 제품 검사기술 등으로 다양하게 구분된다. 고주파 회로의 설계를 요하는 MCM 설계는 가장 핵심적인 설계정보로 신호지연, 크로스토크 등을 예측할 수 있는 설계 기구의 개발 및 사용이 필수적이나 아직 여러부분에 있어 경험에 의존하는 시행 착오적 방법이선택되고 있는게 현실이다.

또 MCM을 성공적으로 제작하기 위해서는 초기 MCM 설계 단계부터 인터페이스가 잘 디자인돼 있어야 하고,기판 제조기술,패키징 타입,목표 가격,모듈의테스트 방법,다이의 실장방법 등 여러환경이 설정되어야 한다. 특히 제조공정을 알지 못하더라도 설계자가 쉽게 출력보드를 예측할 수 있는 PCB의 경우와 달리 설계자와 MCM제조에 관련된 제작팀,테스트팀,모듈조립팀 등이 상호밀접한 협조체계가 이루어져야 한다.

MCM의 설계 및 제작에 있어 또하나의 중요한 점은 여러개의 칩들이 밀집돼있어 발열량이 기존의 경우보다 수 배에 이르기 때문에 방열기술의 개발 또한 매우 중요하다는 것. 방열방법으로는 에폭시 본드 및 솔더 본드를 통해기판으로 열을 방출시키는 경우와, 발열 칩 위에피스톤 및 금속 스프링을 접촉시켜 열을 히트 씽크로 유도해 방열시키는 방법, 비등액체와 히트씽크를이용하여 방열시키는 방법 등 수많은 종류의 방열기술이 응용되고 있다. NTT는 인테그랄 워터쿨링 방법을 이용, 면적 85㎠에서 3백60W를 방열시키고 있으며, NEC는 간접적 수냉법을 이용해 1백50㎠에서 2백50W의 열을 방열시키고있다.

MCM패키징 기술은 점점 고밀도화하고 있는 IC칩의 개발과 더불어 효율적인성능과 가격을 제공할 수 있다는 장점 등으로 인해 연간 10~15%의 속도로 성장세를 유지할 것으로 예측된다. MCM패키지의 세계시장 규모는 조사기관에따라 많은 차이가 있으나 93년 4억달러(이중 MCM-L이 67% 차지)에서 오는 2000년에는 대략 20억달러대로 크게 늘어날 것으로 예상된다.

<朱銘徹 >

약력: 서울대 공과대학 재료공학과 졸업,

미국콜럼비아 대학원 공학박사

IBM T.J.Wastson 연구소 근무

두산전자 중앙연구소 소장

CSS아시아 대표