시스템인패키지(SiP) 응용 분야용 세라믹 기판 재료

시스템인패키지(SiP) 응용 분야용 세라믹 기판 재료

시스템 온 패키지(SiP) 기술은 서로 다른 기능을 가진 여러 수동 및 능동 부품을 단일 패키지에 통합하여 시스템 수준 또는 서브시스템 수준의 기능을 제공하는 표준화된 모듈을 구현합니다. 시스템 기능 향상, 크기 및 무게 감소, 전체 비용 절감에 대한 시장 요구를 충족하기 위해 SiP는 첨단 패키징 분야의 주요 개발 추세 중 하나로 자리 잡았습니다.

1. SiP용 기판 재료 요구사항

SiP 기판은 우수한 기계적, 유전적, 열적 및 전기적 특성을 보여야 하며, 동시에 성형, 가공이 용이하고 비용 효율적이어야 합니다. 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.

①낮은 유전 상수(Dk)

신호 전송 속도는 유전 상수와 전파 거리에 큰 영향을 받습니다. 유전 상수(Dk)가 낮을수록 신호 전파 속도가 빨라집니다.

②낮은 유전 손실(Df)

전기 전도 및 이완 분극 과정에서 전자기 에너지의 일부가 열로 변환됩니다. 낮은 유전 손실은 기판 내부의 열 축적을 크게 줄여줍니다.

③높은 열전도율

칩 밀도, 전력 소비량 및 스위칭 속도가 증가함에 따라 발열량이 급격히 증가합니다. 높은 열전도율은 고밀도 집적 칩에서 발생하는 열을 빠르게 방출할 수 있도록 합니다.

④적절한 열팽창 계수(CTE)

기판과 칩 사이의 열팽창 계수(CTE) 불일치는 작동 중에 열 응력을 발생시켜 솔더 접합부 피로, 박리 또는 칩 손상까지 초래할 수 있습니다. 따라서 기판 재료는 소자의 CTE와 정확히 일치해야 합니다.

⑤ 탁월한 기계적 강도

소결 과정에서 변형을 최소화하고, 치수 정확도를 유지하며, 조립 및 사용 중 기계적 견고성을 확보하기 위해서는 높은 굽힘 강도와 탄성 계수가 필요합니다.

2. SiP용 세라믹 기판 재료

세라믹 기판은 SiP 모듈에서 기계적 지지력과 전기 절연 기능을 모두 제공합니다. 전통적으로 Al₂O₃와 BeO가 주로 사용되어 왔지만, 다음과 같은 문제점이 있습니다.

• 알₂그만큼₃ 낮은 열전도율과 실리콘과의 열팽창 계수 불일치 문제를 안고 있습니다.
• BeO는 뛰어난 성능을 제공하지만 가격이 비싸고 독성이 매우 강해 채택에 제약이 있습니다.

성능, 비용 및 환경적 요인을 고려할 때, 이러한 소재들은 더 이상 현대의 고성능 반도체 요구 사항을 완전히 충족할 수 없습니다. 그 결과, 최근 몇 년 동안 AlN 및 LTCC 소재가 널리 개발되었습니다.

①질화알루미늄(AlN)

적층형 SiP 구조는 열원이 집중되는 반면 방열 면적은 비례적으로 증가하지 않기 때문에 열 밀도가 높아집니다. 적층된 칩 간의 열 결합은 열 관리 문제를 더욱 악화시키며, 내장된 수동 소자 또한 추가적인 열 부하를 발생시킵니다. 따라서 SiP 열 관리를 위해서는 열전도율이 높은 세라믹 기판을 선택하는 것이 필수적입니다.

AlN은 다음과 같은 특징을 가진 우르자이트 구조의 세라믹입니다:

• 열전도율은 최대 170 W/(m·K)입니다.
• CTE는 4.2×10입니다.^-6°C⁻¹, Si, GaAs 및 GaN과 매우 유사함
• 높은 기계적 강도와 탁월한 밀도로 밀폐성을 보장합니다.
• 낮은 유전 상수 덕분에 고출력 및 고주파 작동이 가능합니다.

따라서 AlN은 고출력, 대형 폼팩터 및 다핀 SiP 장치에 가장 선호되는 기판 및 패키징 재료 중 하나입니다.

②저온 동시소성 세라믹(LTCC)

LTCC 기술은 후막 소재를 사용하고 세라믹 층, 전극 및 내장형 수동 부품을 단일 공정에서 동시 소성하여 SiP 통합의 핵심 요소가 됩니다. LTCC의 장점은 다음과 같습니다.

• 낮은 유전 손실과 뛰어난 고주파 안정성
• IC와의 CTE 호환성
• 칩과의 손쉬운 통합
• 고밀도 다층 배선 및 3D 수동 구조

이러한 장점 덕분에 고밀도, 소형, 다기능 시스템 모듈을 구현할 수 있습니다.

LTCC 기반 SiP의 주요 장점:

① 다층 상호 연결 기능

시스템 통합 밀도를 크게 향상시킵니다.

② 내장형 수동 부품 및 기능 구조

공동, 매립형 장치 및 3D 수동 네트워크는 도체 길이를 줄이고, 상호 연결 기생 성분을 낮추고, 배선 밀도를 높이고, 외부 회로를 단순화하여 조립 효율성을 향상시키고 시스템 비용을 절감합니다.

③ 유전 상수의 폭넓은 조절 가능성

재료 조성을 조정하거나 서로 다른 재료를 동시 소성함으로써 LTCC 기판은 다양한 RF, 마이크로파 및 혼합 신호 응용 분야에 맞게 맞춤 제작할 수 있습니다.

낮은 소성 온도는 금, 은, 구리 도체를 사용할 수 있게 하여 상호 연결 손실을 최소화하므로 고주파 및 고속 회로에 이상적입니다.

④ 탁월한 열 관리

LTCC의 열전도율은 비아 필 구조와 함께 수직 방향의 열 방출을 향상시킵니다.

⑤ CTE 호환성

실리콘, 갈륨비소, 인듐과 유사한 열팽창계수(CTE) 값 덕분에 칩을 직접 접합할 수 있고 장기적인 성능도 안정적입니다.

3. 미래 동향

패키징 밀도가 지속적으로 증가하고 시스템 기능이 점점 더 다양해짐에 따라 단일상 소재의 성능으로는 더 이상 충분하지 않습니다. 미래의 전자 패키징 기판은 차세대 반도체 시스템의 요구 사항을 충족하기 위해 상호 보완적인 특성을 결합한 다상 복합 세라믹으로 나아갈 것입니다.