SRAM에서 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키징의 필요성

웨어러블 기술의 미래에 대해 이야기하면서 Ralph Osterhout(Osterhout Design 그룹 CEO)는 다음과 같이 명확하고 관련성 높은 관찰을 했습니다. 철사로 된 망치 머리 상어처럼 보이게 만드는 것에 대해 이야기하고 있다면? 그럼 아닙니다. 작동하지 않을 것입니다." ( 출처 ) 이는 웨어러블 기술 혁신의 미래 방향을 분명히 보여줍니다. 웨어러블 전자 제품은 성능을 유지하면서 작아야 성공할 수 있다는 것은 분명합니다.

풋프린트와 결과적으로 전체 보드 공간을 줄이기 위해 마이크로컨트롤러는 매 세대마다 더 작은 프로세스 노드로 마이그레이션하고 있습니다. 동시에 더 복잡하고 강력한 작업을 수행하기 위해 진화하고 있습니다. 작업이 더 복잡해짐에 따라 캐시 메모리를 늘려야 할 필요성이 절박해집니다. 불행히도 모든 새로운 프로세스 노드에서 더 높은 SER, 더 낮은 수율, 증가된 전력 소비를 비롯한 여러 가지 이유로 임베디드 캐시(임베디드 SRAM)를 늘리는 것이 어려워지고 있습니다. 또한 고객은 SRAM 요구 사항을 맞춤화했습니다. MCU 제조업체가 가능한 모든 캐시 크기를 제공하려면 관리하기에는 너무 큰 포트폴리오가 필요합니다. 이로 인해 컨트롤러 다이에 내장된 SRAM을 제한하고 대신 외부 SRAM을 통해 캐싱해야 합니다.

그러나 외부 SRAM을 사용하는 것은 외부 SRAM이 상당한 보드 공간을 차지하기 때문에 소형화 프로세스 자체에 문제가 있습니다. 6개의 트랜지스터 구조로 인해 외부 SRAM 크기를 더 작은 프로세스 노드로 마이그레이션하여 축소하면 임베디드 SRAM의 소형화를 괴롭히는 것과 동일한 문제가 발생합니다.

이것은 우리에게 이 오래된 문제에 대한 다음 대안을 제시합니다. 즉, 외부 SRAM에서 칩 패키지 대 다이 크기 비율을 줄이는 것입니다. 일반적으로 패키지된 SRAM 칩의 크기는 다이 크기의 몇 배(최대 10배)입니다. 문제를 해결하는 일반적인 방법 중 하나는 패키지된 SRAM 칩을 전혀 사용하지 않는 것입니다. 대신 SRAM 다이(1/10 SRAM 칩 크기) 및 정교한 다중 칩 패키징(MCP) 또는 3D 패키징 기술(SiP 또는 시스템 인 패키지라고도 함)을 사용하여 MCU 다이와 함께 패키징합니다. 그러나 이 방법은 상당한 투자가 필요하며 가장 큰 제조업체에서만 실행 가능합니다. 설계 관점에서 SiP의 구성 요소를 쉽게 교체할 수 없기 때문에 유연성도 감소합니다. 예를 들어, 새로운 기술 SRAM이 있는 경우 SiP에서 SRAM 다이를 쉽게 교체할 수 없습니다. 패키지 내의 다이를 교체하려면 전체 SiP를 재인증해야 합니다. 자격을 다시 얻으려면 재투자와 추가 시간이 필요합니다.

그렇다면 MCU에서 SRAM을 유지하고 MCP의 번거로움을 피하면서 보드 공간을 절약할 수 있는 방법이 있습니까? 칩 대 칩 크기 비율로 돌아가 보면 상당한 개선의 여지가 있습니다. 다이에 더 가깝게 붙을 수 있는 패키지가 있는지 확인해보는 것은 어떨까요? 즉, 패키지를 제거할 수 없으면 대신 크기 비율을 줄이십시오.

현재 가장 발전된 접근 방식은 WLCSP(웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키징)를 사용하여 패키징된 다이 크기를 줄이는 것입니다. WLCSP는 웨이퍼에서 개별 단위를 다이싱(dicing)한 후 패키지로 조립하는 기술을 말합니다. 이 장치는 본질적으로 본드 와이어나 인터포저 연결을 사용하지 않고 범프 또는 볼의 어레이 패턴이 있는 다이입니다. 사양에 따라 칩 스케일 패키지 부품은 다이보다 최대 20% 더 큰 면적을 갖습니다. 오늘날 공정은 제조 공장에서 다이 면적을 늘리지 않고 CSP 장치를 생산하는 혁신 수준에 도달했습니다(범프/볼에 맞게 두께만 약간 증가).

그림. WLCSP(웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키징)는 패키징된 다이 크기를 줄이는 가장 진보된 접근 방식을 제공합니다. 여기에 표시된 WLCSP는 Deca Technologies에서 개발되었으며 이를 구성하는 다이의 면적을 증가시키지 않습니다. (출처:Deca Technologies/Cypress Semiconductor)

CSP는 베어 다이에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. CSP 장치는 테스트, 처리, 조립 및 수정이 더 쉽습니다. 또한 열전도 특성이 향상되었습니다. 그리고 다이가 새로운 프로세스 노드로 이동하면 다이가 축소되는 동안 CSP의 크기가 표준화될 수 있습니다. 이를 통해 다이 교체와 관련된 복잡한 문제 없이 CSP 부품을 차세대 CSP 부품으로 교체할 수 있습니다.

웨어러블 및 휴대용 전자 제품의 요구 사항과 관련하여 이러한 공간 절약이 중요하다는 것은 분명합니다. 예를 들어 오늘날 많은 웨어러블 기기의 메모리에 사용되는 48볼 BGA의 크기는 8mm x 6mm x 1mm(48mm ³ ). 이에 비해 CSP 유형 패키지의 동일한 부품 크기는 3.7mm x 3.8mm x 0.5mm(7mm ³ ). 즉, 볼륨을 85%까지 줄일 수 있습니다. 이러한 절감은 휴대용 장치의 PCB 면적과 두께를 줄이는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 이유로 웨어러블 및 IoT(사물 인터넷) 제조업체에서 SRAM을 넘어 WLCSP 기반 장치에 대한 수요가 새롭게 대두되고 있습니다. WLCSP를 사용한 설계에 대한 자세한 내용은 설계자가 칩 스케일 패키지 시작하기를 참조하십시오.