첨단 패키징 배우기의 2탄입니다. 출처는 염승환의 반도체 함께 배우기를 토대로 제 지식과 서치를 더해 정리하였습니다.
2편으로 1편이 궁금하실 경우 아래 게시글 참고 부탁드립니다.
첨단 패키징 배우기1_본딩/TSV/WLP/CoWos
첨단 패키징에 대해 공부한 글을 공유합니다. 염승환 이사님의 함께 배우기를 참고하며 요약한 글입니다. 이해한 내용을 c최대한 쉽게 작성하고자 하였습니다. 문과생 직장인으로, 초보 입문자
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HBM을 부르는 AI 가속기
TSV 방식을 통해 만들어지는 메모리가 HBM입니다. 이렇게 만들어진 HBM은 Cowos 패키징을 거쳐 엔비디아나 AMD에서 만든 AI반도체로 구현되게 됩니다. 아래는 엔비디아와 AMD의 AI반도체입니다.
성능을 보면 H100의 엔비디아보다 M1300X의 AMD가 우수합니다. 하지만 두 기업의 차이는 소프트웨어에 있습니다. 엔비디아는 '구보'라는 소프트웨어를 함게 제공하여 사용자의 편리성을 더합니다. 반면 AMD는 소프트웨어가 부재한 상황이죠. 이런 요인으로 삼성이나 하이닉스도 엔비디아 수주에 좀 더 집중하게 되는 경향이 있습니다.
본딩의 종류
본딩은 와이어본딩 -> 플립칩 -> TCB -> Fan-out -> 하이브리드 본딩으로 발전하였습니다.
와이어와 플립칩은 상기 서술하였기에 생략, TCB는 열압착 방식의 본딩으로 삼성이 주로 진행합니다. 하이브리드 본딩은
솔더블 없이 구리 대 구리로 부착하는 방식으로 난이도가 높고 어려워 아직 대중화는 안된 기술입니다.
한미반도체의 주가가 엄청 상승했죠? 한미반도체는 하이닉스 HBM을 제조에 필요한 본딩장비를 공급하는 기업입니다. 하이닉스의 엄청난 HBM 퍼포먼스에 편승한거죠
글로벌한 본딩 장비 기업은 네덜란드의 베시가 있습니다.
아래는 기술 개발에 대한 요약본입니다. 참고해주세요
HBM과 본딩의 진화
HBM도 기술 개발이 되고 있습니다. 기술 개발을 위해서는 어떻게 할까요? 층 수를 높이면 됩니다.. 기존 4층에서 4~8층, 현재는 8~12층입니다. HBM4는 12층 이상으로 진행된다고 합니다. 근데 더 높은 층을 쌓기 위해서는 무엇이 필요할까요? 바로 본딩 기술입니다. 그래서 본딩 기술에 대해 알아보고자 합니다.
1) TC본딩(열압착)
전공정이 끝난 웨이퍼에 NCF 필름을 붙입니다. NCF필름은 접착제 역활을 합니다. 필름을 부착한 후 웨이퍼를 다이싱하며(갈아버림) 최대한 얇게 만듭니다. 웨이퍼 위에 제작 된 D램 모양별로 짜릅니다.
웨이퍼 위에 필름을 입히고 구리 기둥을 올립니다. 구리 필라라고 합니다. 칩과 기판의 구리 필라를 서로 붙은 뒤에 본딩 장비로 열과 압력을 가합니다. 기판 위에 정렬된 칩을 열과 압력을 가하여 연결합니다. 300도로 가열된 세라믹 헤드로 실리콘 소자 하나를 15초간 열과 압력으로 누르고 본딩하며 부착시킵니다.
하나하나 작업을 해야하기에 시간이 오래걸리는 단점이 있습니다.
삼성전자가 작업하는 방식입니다.
예상 밸류체인 본딩 장비는 한미반도체, 세라믹히터(열과 압력을 순간적으로 가하는) 미코, 디스컴(찌꺼기 제거)장비는 피에스케이홀딩스, 세정 장비 제우스가 있습니다.(가능성이 있는 기업으로 실제로 구현되는지는 추가적인 확인이 필요합니다.)
2) MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill)
하이닉스 한미반도체가 공통 개발한 방식입니다.
위의 TC본딩과 다르게 대량을 한번에 하는 방식으로 시간이 빠른 장점이 있습니다.
아래의 그림처럼 칩에 금속결한물질을 도포하여 적층합니다.
빵을 오븐에 넣어 한번에 굽는 것과 유사합니다. 본딩 기계에 넣어 대량의 마이크로 범프를 한번에 녹여 칩과 회로를 연결합니다.
칩과 칩 기판 사이의 빈 공간을 채우며 몰딩작업을 진행합니다.
대량을 한번에 하는 방식으로 디테일이 TC본딩에 비해 떨어지는게 일반적이나, 하이닉스는 이를 극복하였다고 하네요. 어느게 좋은지는 지켜봐야 할 것 같습니다.
서로 비교를 비교한 내용입니다.
현재는 HBM에 대해서 하이닉스가 앞서있으니 대단한 기술인건 분명한 것 같습니다.
MR MUF의 장점입니다.
요약으로는 빈틈이 없으며, 품질이 우수하다(TC본딩의 경우 고온으로 웨이퍼 휘어짐이 생기는데 MR-MUF는 휘어짐이 최소화된다), 속도가 빠르기에 생산성이 향상된다.
3) 레이저 리플로우
레이저로 하기에 정밀하면서 속도감이 빠른 본딩 방식입니다. 레이저쎌이 대표 기업이죠
균일한 면 레이저를 이용하여 본딩이 필요한 부위만 수초이내 짧은 가열이 가능합니다. 그로 인해 본딩 부위 외에는 데미지가 없으며 휘어짐 등 불량 최소화 된다는 장점을 지닙니다.
리플로우는 열을 가해서 솔더블(범프)을 녹이고 높이는 과정입니다. 다이를 올린 기판을 높으면 벨트가 움직이면서 순차적으로 열을 받게 합니다. 5~7분이라는 긴 시간 동안 칩과 패키지 기판 전체가 열에 노출되어 붙게됩니다. 열로 인해 휘어짐이 발생하기도 하고 납땜이 제대로 되지 않는 불량이 발생하기도 합니다.
대표적인 기업은 레이저쎌과 프로텍이 있습니다.
기술비교를 나타낸 장표입니다.
어느 기술이 더 좋고 나쁜지는 심도 있는 분석이 필요해보입니다. 좋고 나쁘기보단 현재의 쓰이는 기술과 기업이 어느 기술에 관심이 있는지가 중요합니다. 그 전에 물론 3가지 모두 다 쓰이기에 전체적인 학습도 필요하고요.
출처 : 한국 ir 협의회
4) 하이브리드 본딩
범프 없이 구리 필라로 연결하는 방식입니다. 범프가 없기에 적층할 떄 높이가 낮아져 더 높은 층을 쌓을 수 있는 한차원 높은 기술입니다. 난이도가 높기에 기술개발이 필요한 방식입니다.
아래의 그림을 보면 범프없이 연결한 경우 더 촘촘함을 볼 수 있습니다.
하이브리드 본딩을 위해서는 전공정의 식각과 증착이 필요합니다.
층이 되게 작아 높이 쌓을 수 있기에 성능도 극대화 될 수 있습니다.
촘촘히 적층하기에 층간의 오염은 치명적일 수 있습니다. 세정이 중요해집니다.
세정과 아울러 첨단 패키징일수록 칩의 부가가치가 높아지기에 검사와 수율역시 중요해지게 됩니다.
아래는 범프를 이용한 TSV방식과 하이브리드 본딩을 적용한 TSV를 비교한 그림입니다.
5) AI반도체의 밸류체인
HBM을 만들기위해서 필요한 TSV는 어떤 본딩으로 이뤄지는지에 대해 알아보았습니다. 열로 하나하나 붙이느냐, 대량의 오븐에서 하느냐 아님 레이저로 하느냐로 이해하면 좋을 것 같습니다. 각각의 장점과 기술방향은 더 많은 자료와 뉴스를 보며 추적해야될 분야이죠.
투자할 기업을 알아보기 전에 기술적인 흐름과 개괄적인 이해를 돕기위해 작성하였습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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