웨이퍼 레벨 패키지, WLP와 WLCSP의 구조와 차이

택배 물류센터에서는 상자를 하나씩 완충재로 감싸 따로 보내지 않습니다. 팔레트에 상자를 올린 채로 송장 부착과 포장 확인을 마치고, 목적지가 갈리는 마지막 단계에서 낱개로 나눕니다.

칩을 패키징하는 방법에도 같은 두 가지가 있습니다. 칩을 먼저 자른 뒤 하나씩 포장하는 방식과, 자르기 전에 포장 공정을 끝내는 웨이퍼 레벨 패키지입니다.

비유와 다른 점도 있습니다. 상자는 크기가 그대로지만, 웨이퍼 단계에서 패키지를 만들면 칩의 크기와 접속 단자의 배치가 서로 부딪히는 문제가 생깁니다. 이 문제를 푸는 방법이 오늘의 중심 구조입니다.

기존 패키징과 웨이퍼 레벨 방식의 순서 차이

전통적인 패키징은 웨이퍼를 먼저 낱개 칩으로 자른 뒤, 칩 하나씩 기판이나 리드 프레임 위에 올려 접속하고 몰딩합니다. 그래서 패키지는 칩보다 훨씬 커지고, 칩 수만큼 공정을 반복해야 합니다.

웨이퍼 레벨 방식은 순서를 뒤집습니다. 웨이퍼 전체에서 접속 단자와 보호층을 만들고 마지막에 자릅니다. 수백 개의 칩이 한 번의 공정으로 동시에 패키지가 되는 셈이라 칩 하나당 공정 비용을 낮추기 쉽습니다.

웨이퍼 레벨 패키지, 재배선으로 패드를 옮기는 구조

웨이퍼 레벨 패키지(WLP, Wafer Level Package)는 웨이퍼 상태에서 재배선과 접속 단자 형성을 마치는 패키지를 가리킵니다. 핵심 장치는 재배선층(RDL, Redistribution Layer)입니다.

칩 패드는 간격이 너무 좁거나 가장자리에 모여 있어서 보드에 직접 붙이기 어렵습니다. RDL은 절연층 위에 구리 배선을 새로 그려서 패드를 칩 전면에 고르게 퍼진 위치로 옮깁니다. 옮겨진 자리 위에 솔더 볼을 올리면 보드에 바로 붙일 수 있는 단자가 됩니다.

이처럼 단자가 칩 면적 안에 놓이는 구조를 팬인(Fan-in)이라고 합니다. 단자를 칩 바깥까지 넓혀 배치하는 팬아웃은 별도의 구조이며, 이 글은 팬인에 한정해 다룹니다.

WLCSP, 칩 크기 그대로의 패키지

WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package)는 팬인 방식 웨이퍼 레벨 패키지의 대표적인 형태입니다. 패키지의 가로세로가 칩과 거의 같아서 칩 크기 패키지, 곧 CSP(Chip Scale Package)의 한 종류로 분류합니다.

WLP와 WLCSP를 서로 다른 기술로 보는 것은 흔한 오해입니다. WLP는 웨이퍼 단계에서 패키지를 만드는 방식이고, WLCSP는 그 방식으로 얻은 칩 크기의 결과물입니다. 현업에서도 두 말을 섞어 쓰는 일이 많습니다.

웨이퍼에서 낱개 칩이 되기까지의 흐름

공정의 대부분이 웨이퍼 전체에서 한꺼번에 이루어지므로, 칩이 작고 단자 수가 적을수록 한 장에서 나오는 개수가 많아 경제성이 좋아집니다.

칩 면적이 정하는 단자 수의 상한

팬인 구조는 단자가 칩 면적 안에만 놓일 수 있다는 제약이 있습니다. 그러니 칩이 작을수록 놓을 수 있는 솔더 볼의 수에 한계가 생깁니다.

핀 수가 많이 필요한 칩은 이 상한 때문에 팬인으로 감당하기 어렵습니다. 이때 단자를 칩 바깥으로 넓히는 팬아웃 같은 다른 선택지가 나옵니다.

칩 크기 패키지가 안고 가는 약점

칩이 그대로 패키지가 되므로 칩 옆면과 뒷면을 감싸는 몰딩이 없습니다. 실리콘은 단단하지만 깨지기 쉬워서 조립과 운반 중에 모서리가 깨지는 일을 조심해야 합니다. 그래서 뒷면에 보호 필름을 붙이거나 옆면까지 감싸는 보호층을 두는 방식이 쓰입니다.

또 하나는 열팽창 차이입니다. 솔더 볼이 보드에 직접 붙으므로 칩과 보드의 팽창 차이가 솔더 볼에 그대로 걸립니다. 칩이 커질수록 이 힘도 커지므로 웨이퍼 레벨 패키지가 비교적 작은 칩에 주로 쓰이는 이유 중 하나로 설명할 수 있습니다.

WLP와 기존 패키지 비교 표

구분	기존 패키지(BGA 등)	팬인 WLP(WLCSP)
패키징 시점	낱개로 자른 뒤 칩마다 진행	웨이퍼 상태에서 마친 뒤 자름
패키지 크기	칩보다 훨씬 큼	칩과 거의 같음
칩과 보드의 연결	기판을 거쳐 연결	솔더 볼로 보드에 직접 연결
단자 수	많이 확보 가능	칩 면적이 상한
칩 보호	몰딩이 칩을 감쌈	옆면과 뒷면 보호를 따로 챙겨야 함
보드에서의 신뢰성	기판이 중간에서 일부 완충	팽창 차이가 솔더 볼에 직접 걸림
놓치기 쉬운 점	패키지가 클수록 안전하다는 단순한 판단	모든 WLP가 칩과 같은 크기라는 오해, 팬아웃은 더 큼

핵심 정리

웨이퍼 레벨 패키지는 자르기 전에 재배선과 솔더 볼 형성을 마치는 방식이고, WLCSP는 그 팬인 구조에서 나온 칩 크기의 패키지입니다. 작고 얇고 공정 비용을 낮추기 쉬운 대신, 단자 수가 칩 면적에 묶이고 칩 보호와 보드 신뢰성을 따로 챙겨야 합니다.

팔레트째 송장을 붙이고 마지막에 나누는 물류 방식은 규격이 같은 상자일 때 효율이 가장 큽니다. 칩의 크기와 단자 수가 이 방식의 규격에 맞는지가 선택의 출발점입니다.

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