CoW와 WoW, 칩을 얹을까 웨이퍼를 통째로 붙일까

샌드위치 가게에는 쌓는 방법이 두 가지 있습니다. 하나는 빵 위에 햄과 치즈를 손님 주문에 맞춰 한 장씩 골라 올리는 방식이고, 다른 하나는 큰 빵판 위에 햄판을 통째로 겹친 뒤 한꺼번에 잘라 내는 방식입니다.

칩을 쌓는 방법에도 같은 갈림길이 있습니다. CoW와 WoW는 각각 칩을 웨이퍼 위에 얹는 방식과 웨이퍼를 통째로 붙이는 방식이며, 수율과 크기 정합, 정렬에서 서로 다른 선택을 합니다.

비유와 다른 점이 있습니다. 샌드위치의 재료는 조금 어긋나도 먹을 수 있지만, 칩의 접합은 마이크로미터보다 작은 오차에서 성패가 갈립니다. 판 속에 상한 재료가 섞여 있다는 것도 칩에서는 눈에 보이지 않아 따로 시험으로 찾아야 합니다.

CoW와 WoW가 갈리는 이유, 적층의 단위를 정하는 문제

칩을 위로 쌓으려면 어떤 단위로 쌓을지 먼저 정해야 합니다. 웨이퍼 하나에는 같은 회로가 수백에서 수천 개 들어 있어, 낱개 칩으로 자른 뒤 쌓을 수도 있고 웨이퍼째 쌓은 뒤 자를 수도 있습니다.

낱개로 쌓으면 칩을 고를 수 있는 대신 하나씩 다뤄야 합니다. 웨이퍼째 쌓으면 한 번에 수천 개를 붙이는 대신 고를 수 없습니다. 이 맞바꿈이 두 방식의 모든 차이를 만들어 냅니다.

이 둘은 업계에서 각각 다이 투 웨이퍼(D2W)와 웨이퍼 투 웨이퍼(W2W)라고도 부릅니다. 이름은 달라도 적층 단위를 낱개로 하느냐 판째로 하느냐라는 기준은 같습니다.

CoW, 양품 칩을 골라 웨이퍼 위에 얹는 방식

CoW(Chip on Wafer, 칩 온 웨이퍼)는 웨이퍼에서 잘라 낸 낱개 칩을 다른 웨이퍼 위에 하나씩 올려 접합하는 방식입니다. 아래의 웨이퍼를 베이스 웨이퍼, 올리는 칩을 상부 칩이라고 부릅니다.

가장 큰 장점은 상부 칩을 시험으로 골라 양품만 쓸 수 있다는 점입니다. 이렇게 시험을 거쳐 품질이 확인된 칩을 KGD(Known Good Die, 양품 다이)라고 하고, 베이스 웨이퍼의 불량 위치를 알면 그 자리는 건너뛸 수 있습니다.

상부 칩의 크기와 종류가 서로 달라도 되는 것도 장점입니다. 공정 세대가 다르거나 기능이 다른 칩을 하나의 베이스 위에 섞어 올릴 수 있어, 이종 칩을 모으는 구조에 잘 맞습니다.

WoW, 웨이퍼 두 장을 통째로 붙이는 방식

WoW(Wafer on Wafer, 웨이퍼 온 웨이퍼)는 웨이퍼 두 장을 정렬해 통째로 접합한 뒤 한꺼번에 잘라 칩으로 만드는 방식입니다. 웨이퍼 한 장 안의 수천 개 접합이 한 번에 끝나므로 처리량이 높습니다.

웨이퍼 전체가 한 번에 정렬되므로 같은 시간에 붙이는 칩 수가 많고, 칩 하나당 비용을 낮출 수 있습니다. 이런 이유로 웨이퍼 단위 접합은 같은 크기와 같은 배치의 칩이 위아래로 대응하는 제품에서 널리 쓰입니다. 예를 들어 이미지 센서의 화소 층과 회로 층을 위아래로 붙이는 구조가 있습니다.

대신 붙이기 전에 칩을 골라낼 수 없습니다. 각 웨이퍼에서 칩 위치별로 양품과 불량이 이미 정해져 있고, 같은 위치끼리 그대로 만나기 때문입니다.

수율 계산으로 보는 가장 큰 차이

CoW와 WoW의 수율 차이를 가상의 숫자로 계산해 보겠습니다. 베이스 웨이퍼와 상부 웨이퍼 모두 칩 100개가 있고 양품률이 90%라고 두며, CoW의 조립 수율은 99%라고 가정합니다.

WoW는 층이 늘수록 수율이 곱해져 빠르게 떨어지고, 한쪽의 불량 때문에 상대편의 멀쩡한 칩까지 함께 버려집니다. CoW는 양품 칩을 골라 올리므로 수율이 베이스 웨이퍼의 양품률과 조립 수율로 정해집니다.

다만 CoW는 칩마다 시험하고 하나씩 올리는 비용이 들고, 시험을 통과했는데도 남는 불량이 있을 수 있어 선별의 정확도가 중요합니다. 어느 쪽이 유리한지는 칩 하나의 가격과 칩의 양품률, 접합 단가를 함께 놓고 판단합니다.

크기 정합, 같은 크기여야만 하는 WoW

WoW는 위아래 웨이퍼의 칩이 같은 위치에서 정확히 겹쳐야 하므로, 두 칩의 크기와 배치 간격이 같아야 합니다. 웨이퍼 지름도 맞아야 하고, 접합면의 패드 위치도 두 웨이퍼가 처음부터 짝을 이루도록 설계해야 합니다.

그래서 WoW는 같은 종류의 칩을 쌓는 경우나 함께 설계한 짝 제품에 알맞습니다. 서로 다른 크기의 칩, 예를 들어 큰 연산 칩 위에 작은 메모리 칩을 올리는 구조는 WoW로는 만들기 어렵습니다.

CoW는 상부 칩이 자유로운 크기를 가질 수 있어 이 제약에서 벗어납니다. 칩렛처럼 서로 다른 칩을 하나로 모으는 구조에서 CoW가 쓰이는 까닭입니다.

정렬 방식과 처리량의 맞바꿈

CoW와 WoW는 정렬 방식도 다릅니다. WoW는 웨이퍼 전체를 한 번에 정렬하므로 빠르고 일반적으로 높은 정밀도를 얻기 쉽지만, 웨이퍼가 한 장 전체에서 조금씩 휘거나 늘어난 만큼 가장자리와 중앙의 어긋남이 달라질 수 있습니다.

CoW는 칩 하나하나를 인식해 정렬하고 올립니다. 칩마다 위치를 보정할 수 있는 대신 올리는 장비의 속도가 처리량을 정하고, 범프 없이 구리 패드를 직접 맞붙이는 하이브리드 본딩에서는 허용 오차가 아주 작아 장비 부담이 커집니다.

칩을 자르는 과정에서 생기는 부스러기도 CoW의 과제입니다. 접합면이 매우 매끄러워야 하는 직접 접합에서는 아주 작은 입자 하나가 접합을 막는 빈 공간을 만들 수 있어, 다이싱 뒤의 세정과 청정도가 중요합니다.

CoW 공정의 일반적인 흐름

WoW에서는 이 흐름의 1~4단계가 사라지고, 두 웨이퍼를 정렬해 한 번에 접합하는 단계로 바뀝니다. 선별 단계가 없어지는 만큼 앞서 본 수율 부담이 생깁니다.

CoW와 CoWoS를 같은 것으로 보는 오해

CoW와 CoWoS는 같은 기술의 다른 이름이다라는 이해는 정확하지 않습니다. CoW는 칩을 웨이퍼 위에 올려 접합하는 방식을 가리키는 일반적인 용어이고, CoWoS는 특정 패키징 플랫폼의 이름입니다.

CoWoS는 칩을 인터포저 웨이퍼 위에 나란히 올리는 단계에서 CoW 방식을 쓰고, 이어서 그 인터포저를 기판에 올려 완성하는 2.5D 구조입니다. 반대로 CoW 방식은 칩을 위로 쌓는 3D 구조에도 쓰이므로 둘은 범위가 다릅니다. WoW는 이 이름과 관계없는 별개의 접합 방식입니다.

CoW 방식과 WoW 방식 비교 표

구분	CoW (D2W)	WoW (W2W)
접합 단위	낱개 칩을 웨이퍼 위에	웨이퍼 전체를 한 번에
양품 선별	KGD만 골라 올림	선별 불가, 위치끼리 그대로 만남
수율 구조	베이스의 양품률과 조립 수율	두 웨이퍼의 수율이 곱해짐
크기 정합	칩 크기와 종류가 달라도 됨	칩 크기와 배치 간격이 같아야 함
정렬 방식	칩마다 개별 정렬	웨이퍼 전체를 한 번에 정렬
처리량과 비용	낮은 처리량, 칩당 비용 높음	높은 처리량, 칩당 비용 낮음
잘 맞는 제품	이종 칩을 모으는 구조	같은 크기의 짝 제품, 이미지 센서 등

핵심 정리

CoW와 WoW의 차이는 낱개 칩을 올리느냐 웨이퍼를 통째로 붙이느냐이고, 그 선택이 양품 선별과 크기 자유도, 정렬 방식, 처리량을 모두 결정합니다. CoW는 선별과 자유도를, WoW는 처리량과 낮은 단가를 얻는 대신 각각 속도와 수율을 내놓습니다.

샌드위치를 한 장씩 올릴지 판째 겹칠지는 재료의 상태와 만드는 양에 따라 달라지듯, 칩도 칩의 양품률과 크기, 물량으로 방식을 고릅니다. 어떤 구조를 보든 같은 크기인지, 양품을 고를 수 있는지, 정렬이 어떻게 이뤄지는지부터 확인해 보세요.

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