반도체 패키징은 기존의 1차원 PCB 설계에서 웨이퍼 레벨의 최첨단 3차원 하이브리드 본딩으로 발전했습니다. 이러한 발전 덕분에 단일 마이크론 범위의 인터커넥트 간격과 최대 1000GB/s의 대역폭을 구현하면서도 높은 에너지 효율을 유지할 수 있게 되었습니다. 첨단 반도체 패키징 기술의 핵심은 2.5차원 패키징(중간층에 부품을 나란히 배치하는 방식)과 3차원 패키징(활성 칩을 수직으로 쌓는 방식)입니다. 이러한 기술들은 미래의 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템에 매우 중요합니다.
2.5D 패키징 기술은 다양한 중간층 소재를 사용하며, 각 소재는 고유의 장단점을 가지고 있습니다. 완전 수동형 실리콘 웨이퍼와 국부형 실리콘 브리지를 포함한 실리콘(Si) 중간층은 최고의 배선 성능을 제공하여 고성능 컴퓨팅에 이상적인 소재로 알려져 있습니다. 그러나 이러한 소재는 재료 및 제조 비용이 높고 패키징 면적에 제약이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 정밀한 기능이 중요한 부분에 실리콘을 전략적으로 배치하면서 면적 제약도 해소하는 국부형 실리콘 브리지의 사용이 증가하고 있습니다.
팬아웃 성형 플라스틱을 사용하는 유기 중간층은 실리콘에 비해 비용 효율적인 대안입니다. 또한 유전 상수가 낮아 패키지 내 RC 지연을 줄여줍니다. 이러한 장점에도 불구하고, 유기 중간층은 실리콘 기반 패키징만큼의 상호 연결 특징 축소를 달성하지 못하여 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에서의 적용이 제한적입니다.
최근 인텔이 유리 기반 테스트 차량 패키징을 출시하면서 유리 중간층에 대한 관심이 크게 높아졌습니다. 유리는 열팽창 계수(CTE) 조절 가능성, 높은 치수 안정성, 매끄럽고 평평한 표면, 패널 제조 지원 능력 등 여러 장점을 제공하여 실리콘과 유사한 배선 기능을 갖춘 중간층의 유망한 소재로 주목받고 있습니다. 그러나 기술적 어려움 외에도 유리 중간층의 주요 단점은 아직 성숙하지 않은 생태계와 대규모 생산 능력의 부족입니다. 생태계가 성숙하고 생산 능력이 향상됨에 따라 반도체 패키징 분야에서 유리 기반 기술의 성장과 도입이 더욱 확대될 것으로 예상됩니다.
3D 패키징 기술 분야에서 Cu-Cu 범프리스 하이브리드 본딩은 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다. 이 첨단 기술은 유전체 재료(예: SiO2)와 내장된 금속(Cu)을 결합하여 영구적인 상호 연결을 구현합니다. Cu-Cu 하이브리드 본딩은 10마이크론 미만, 일반적으로 한 자릿수 마이크론 범위의 간격을 달성할 수 있어, 범프 간격이 약 40~50마이크론인 기존 마이크로 범프 기술에 비해 크게 개선되었습니다. 하이브리드 본딩의 장점으로는 I/O 증가, 대역폭 향상, 3D 수직 적층 성능 개선, 전력 효율 향상, 그리고 하단 충진이 없어 기생 효과 및 열 저항 감소 등이 있습니다. 그러나 이 기술은 제조 공정이 복잡하고 비용이 높다는 단점이 있습니다.
2.5D 및 3D 패키징 기술은 다양한 패키징 기법을 포괄합니다. 2.5D 패키징에서는 중간층 재료의 선택에 따라 위 그림과 같이 실리콘 기반, 유기 기반, 유리 기반 중간층으로 분류할 수 있습니다. 3D 패키징에서는 마이크로 범프 기술 개발을 통해 간격 치수를 줄이는 것을 목표로 했지만, 현재는 하이브리드 본딩 기술(직접적인 구리-구리 접합 방식)을 채택하여 한 자릿수 간격 치수를 달성함으로써 이 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다.
**주목해야 할 주요 기술 트렌드:**
1. **더 넓은 중간층 영역:** IDTechEx는 실리콘 중간층이 3배 레티클 크기 제한을 넘어서기 어렵기 때문에 2.5D 실리콘 브리지 솔루션이 HPC 칩 패키징의 주요 기술로 실리콘 중간층을 곧 대체할 것이라고 예측한 바 있습니다. TSMC는 NVIDIA를 비롯해 Google, Amazon 등 주요 HPC 개발업체에 2.5D 실리콘 중간층을 공급하는 주요 업체이며, 최근 3.5배 레티클 크기의 1세대 CoWoS_L 양산을 발표했습니다. IDTechEx는 이러한 추세가 지속될 것으로 예상하며, 주요 업체들을 다룬 보고서에서 향후 기술 발전에 대해 자세히 논의할 예정입니다.
2. **패널 레벨 패키징:** 패널 레벨 패키징은 2024년 대만 국제 반도체 전시회에서 주목받았듯이 중요한 기술로 부상했습니다. 이 패키징 방식은 더 큰 중간층을 사용할 수 있게 해주고, 더 많은 패키지를 동시에 생산하여 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다. 하지만 잠재력이 크지만, 휨 현상 관리와 같은 해결해야 할 과제들이 여전히 남아 있습니다. 패널 레벨 패키징의 중요성이 커지고 있는 것은 더 크고 비용 효율적인 중간층에 대한 수요가 증가하고 있음을 반영합니다.
3. **유리 중간층:** 유리는 실리콘과 유사한 수준의 미세 배선을 구현할 수 있는 강력한 후보 소재로 부상하고 있으며, 조절 가능한 열팽창 계수(CTE) 및 높은 신뢰성과 같은 추가적인 이점을 제공합니다. 또한 유리 중간층은 패널 레벨 패키징과 호환되므로 보다 경제적인 비용으로 고밀도 배선을 구현할 수 있는 잠재력을 지니고 있어 미래 패키징 기술의 유망한 솔루션입니다.
4. **HBM 하이브리드 본딩:** 3D 구리-구리(Cu-Cu) 하이브리드 본딩은 칩 간 초미세 피치 수직 상호 연결을 구현하는 핵심 기술입니다. 이 기술은 적층형 SRAM 및 CPU를 사용하는 AMD EPYC를 비롯하여 I/O 다이에 CPU/GPU 블록을 적층하는 MI300 시리즈 등 다양한 고급 서버 제품에 적용되어 왔습니다. 하이브리드 본딩은 특히 16층 또는 20층을 초과하는 DRAM 스택과 같은 HBM 기술 발전에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
5. **코패키지 광 장치(CPO):** 데이터 처리량 및 전력 효율성에 대한 수요가 증가함에 따라 광 인터커넥트 기술이 상당한 주목을 받고 있습니다. 코패키지 광 장치(CPO)는 I/O 대역폭을 향상시키고 에너지 소비를 줄이는 핵심 솔루션으로 떠오르고 있습니다. 기존 전기 전송 방식과 비교하여 광 통신은 장거리에서의 신호 감쇠 감소, 누화 민감도 감소, 대역폭 대폭 증가 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 이러한 장점 덕분에 CPO는 데이터 집약적이고 에너지 효율적인 HPC 시스템에 이상적인 선택입니다.
**주목해야 할 주요 시장:**
2.5D 및 3D 패키징 기술 개발을 주도하는 주요 시장은 단연 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야입니다. 이러한 첨단 패키징 기술은 무어의 법칙 한계를 극복하고 단일 패키지 내에 더 많은 트랜지스터, 메모리 및 상호 연결을 구현하는 데 매우 중요합니다. 또한 칩의 분할을 통해 I/O 블록과 처리 블록을 분리하는 등 서로 다른 기능 블록 간의 공정 노드 활용을 최적화하여 효율성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
고성능 컴퓨팅(HPC) 외에도, 첨단 패키징 기술 도입을 통해 다른 시장들도 성장을 이룰 것으로 예상됩니다. 5G 및 6G 분야에서는 패키징 안테나와 최첨단 칩 솔루션과 같은 혁신 기술이 미래의 무선 액세스 네트워크(RAN) 아키텍처를 형성할 것입니다. 자율주행차 또한 이러한 기술의 혜택을 볼 것입니다. 센서와 컴퓨팅 장치를 통합하여 대량의 데이터를 처리하는 동시에 안전성, 신뢰성, 소형화, 전력 및 열 관리, 비용 효율성을 보장할 수 있기 때문입니다.
소비자 가전제품(스마트폰, 스마트워치, AR/VR 기기, PC, 워크스테이션 등)은 비용 절감에 대한 중요성이 점점 더 커지고 있음에도 불구하고, 더 작은 공간에서 더 많은 데이터를 처리하는 데 집중하고 있습니다. 이러한 추세에서 첨단 반도체 패키징 기술은 핵심적인 역할을 할 것이며, 패키징 방식은 고성능 컴퓨팅(HPC)에 사용되는 방식과는 다를 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 10월 7일