자동차 칩 산업은 변화를 겪고 있습니다
최근 반도체 엔지니어링 팀은 앰코의 소형 칩 및 FCBGA 집적 담당 부사장인 마이클 켈리와 소형 칩, 하이브리드 본딩, 그리고 신소재에 대해 논의했습니다. ASE 연구원 윌리엄 첸, 프로멕스 인더스트리 CEO 딕 오테, 그리고 시놉시스 포토닉스 솔루션즈의 R&D 디렉터 샌더 로젠달도 이 논의에 참여했습니다. 아래는 이 논의의 발췌문입니다.
오랫동안 자동차용 칩 개발은 업계를 선도하지 못했습니다. 그러나 전기차의 등장과 첨단 인포테인먼트 시스템의 발전으로 이러한 상황은 크게 달라졌습니다. 어떤 문제점을 발견하셨나요?
켈리: 고급 ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)는 시장 경쟁력을 위해 5나노미터 이하의 공정을 갖춘 프로세서가 필요합니다. 5나노미터 공정으로 진입하면 웨이퍼 비용을 고려해야 하는데, 이는 5나노미터 공정으로는 대형 칩을 제조하기 어렵기 때문에 소형 칩 솔루션에 대한 신중한 고려로 이어집니다. 또한 수율이 낮아 비용이 매우 높습니다. 5나노미터 이상의 공정을 다룰 때, 고객들은 일반적으로 전체 칩을 사용하는 대신 5나노미터 칩의 일부를 선택하여 패키징 단계에 대한 투자를 늘리는 것을 고려합니다. "더 큰 칩에서 모든 기능을 구현하는 것보다 이렇게 필요한 성능을 달성하는 것이 더 비용 효율적인 선택이 아닐까?"라고 생각할 수도 있습니다. 따라서 고급 자동차 회사들은 소형 칩 기술에 분명히 주목하고 있으며, 업계 선도 기업들도 이를 예의주시하고 있습니다. 컴퓨팅 분야에 비해 자동차 산업은 소형 칩 기술 적용에 있어 2~4년 정도 뒤처져 있지만, 자동차 분야에서의 소형 칩 적용 추세는 분명합니다. 자동차 산업은 매우 높은 신뢰성 요건을 가지고 있기 때문에 소형 칩 기술의 신뢰성은 반드시 검증되어야 합니다. 하지만 자동차 분야에서 소형 칩 기술이 대규모로 적용될 가능성은 분명 있습니다.
첸: 큰 어려움은 없었습니다. 관련 인증 요건을 심도 있게 학습하고 이해해야 할 필요가 있다고 생각합니다. 이는 계측학 수준으로 거슬러 올라갑니다. 매우 엄격한 자동차 기준을 충족하는 패키지를 어떻게 제조할 수 있을까요? 하지만 관련 기술이 끊임없이 발전하고 있다는 것은 분명합니다.
다중 다이 부품과 관련된 많은 열 문제와 복잡성을 고려할 때, 새로운 스트레스 테스트 프로파일이나 다른 유형의 테스트가 도입될까요? 현재 JEDEC 표준이 이러한 통합 시스템을 포괄할 수 있을까요?
첸: 고장 원인을 명확하게 파악하기 위해서는 더욱 포괄적인 진단 방법을 개발해야 한다고 생각합니다. 계측과 진단을 결합하는 방안을 논의해 왔으며, 더욱 견고한 패키지를 제작하고, 더 고품질의 재료와 공정을 사용하며, 이를 검증하는 방법을 모색해야 할 책임이 있습니다.
켈리: 요즘 저희는 고객들과 사례 연구를 진행하고 있는데, 고객들은 시스템 수준 테스트, 특히 기능 보드 테스트에서의 온도 충격 테스트를 통해 많은 것을 배웠습니다. 이는 JEDEC 테스트에서는 다루지 않는 부분입니다. JEDEC 테스트는 단순히 등온 테스트이며, "온도 상승, 하강, 온도 변화"를 포함합니다. 하지만 실제 패키지의 온도 분포는 실제 환경에서 발생하는 온도 분포와는 매우 다릅니다. 모든 고객이 이를 인지하는 것은 아니지만, 점점 더 많은 고객들이 이러한 상황을 이해하고 시스템 수준 테스트를 조기에 실시하기를 원합니다. 시뮬레이션 기술 또한 중요한 역할을 합니다. 열-기계 조합 시뮬레이션에 능숙하다면 테스트 중 어떤 측면에 집중해야 할지 알 수 있기 때문에 문제 분석이 더 쉬워집니다. 시스템 수준 테스트와 시뮬레이션 기술은 서로 보완적인 역할을 합니다. 하지만 이러한 추세는 아직 초기 단계에 있습니다.
과거보다 성숙한 기술 노드에서 해결해야 할 열 문제가 더 많아졌습니까?
Otte: 네, 하지만 지난 몇 년 동안 공평면성 문제가 점점 더 심각해졌습니다. 칩 하나에는 5,000개에서 10,000개의 구리 기둥이 50마이크론에서 127마이크론 사이의 간격으로 배치되어 있습니다. 관련 데이터를 자세히 살펴보면 이러한 구리 기둥을 기판에 배치하고 가열, 냉각, 리플로우 솔더링 작업을 수행하는 데 약 10만 분의 1 수준의 공평면성 정밀도가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 10만 분의 1 수준의 정밀도는 축구장 길이 내에서 풀잎 하나를 찾는 것과 같습니다. 저희는 칩과 기판의 평탄도를 측정하기 위해 고성능 Keyence 장비를 구매했습니다. 물론, 이에 대한 질문은 리플로우 솔더링 사이클 동안 이러한 휘어짐 현상을 어떻게 제어할 것인가입니다. 이는 반드시 해결해야 할 시급한 문제입니다.
첸: 저는 폰테 베키오에 대한 논의를 기억하는데, 성능상의 이유보다는 조립상의 이유로 저온 납땜을 사용했던 것입니다.
근처의 모든 회로에 여전히 열 문제가 있는 경우, 광자공학을 어떻게 통합해야 할까요?
Roosendaal: 모든 측면에 대해 열 시뮬레이션을 수행해야 하며, 입력되는 신호가 고주파 신호이기 때문에 고주파 추출 또한 필수적입니다. 따라서 임피던스 정합 및 적절한 접지와 같은 문제를 해결해야 합니다. 다이 자체 내부 또는 "E" 다이(전기 다이)와 "P" 다이(광자 다이) 사이에 상당한 온도 구배가 발생할 수 있습니다. 접착제의 열 특성을 더 자세히 살펴볼 필요가 있는지 궁금합니다.
이는 접합 재료, 재료 선택, 그리고 시간 경과에 따른 안정성에 대한 논의를 불러일으킵니다. 하이브리드 접합 기술은 현실 세계에 적용되었지만, 아직 대량 생산에는 사용되지 않았습니다. 이 기술의 현재 상황은 어떻습니까?
켈리: 공급망의 모든 당사자들이 하이브리드 본딩 기술에 주목하고 있습니다. 현재 이 기술은 주로 파운드리 업체들이 주도하고 있지만, OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체들 또한 이 기술의 상업적 적용을 진지하게 연구하고 있습니다. 기존의 구리 하이브리드 유전체 본딩 부품은 장기 검증을 거쳤습니다. 청결도 관리가 가능하다면 이 공정은 매우 견고한 부품을 생산할 수 있습니다. 하지만 이 공정은 매우 높은 청결도 요건을 요구하며, 자본 설비 비용도 매우 높습니다. AMD 라이젠 제품군에서 초기 적용 시도를 경험했는데, 당시 대부분의 SRAM에 구리 하이브리드 본딩 기술이 사용되었습니다. 하지만 다른 고객사에서 이 기술을 적용하는 사례는 많지 않았습니다. 많은 기업의 기술 로드맵에는 포함되어 있지만, 관련 장비들이 독립적인 청결도 요건을 충족하려면 몇 년 더 걸릴 것으로 보입니다. 일반적인 웨이퍼 팹보다 청결도가 약간 낮은 공장 환경에서도 이 기술을 적용할 수 있고, 비용도 절감할 수 있다면 이 기술은 더 많은 관심을 받을 것으로 예상됩니다.
Chen: 제 통계에 따르면, 2024 ECTC 학회에서 하이브리드 본딩 관련 논문이 최소 37편 발표될 예정입니다. 이 기술은 고도의 전문 지식을 요구하고 조립 과정에서 상당한 미세 공정을 수반하는 공정입니다. 따라서 이 기술은 분명 널리 적용될 것입니다. 이미 몇몇 적용 사례가 있지만, 앞으로는 다양한 분야에서 더욱 보편화될 것입니다.
"훌륭한 운영"이란 말은 상당한 재정 투자가 필요하다는 뜻인가요?
첸: 물론 시간과 전문성이 필요합니다. 이 작업을 수행하려면 매우 깨끗한 환경이 필요하고, 이는 재정적 투자를 필요로 합니다. 또한 관련 장비도 필요하고, 이는 마찬가지로 자금 조달을 필요로 합니다. 따라서 운영 비용뿐만 아니라 시설 투자도 필요합니다.
켈리: 15마이크론 이상의 간격을 갖는 경우, 구리 필러 웨이퍼-웨이퍼 기술 사용에 대한 관심이 높습니다. 이상적으로는 웨이퍼가 평평하고 칩 크기가 크지 않아야 이러한 간격 중 일부에 대해 고품질 리플로우가 가능합니다. 이 기술은 몇 가지 어려움이 있지만, 구리 하이브리드 본딩 기술을 사용하는 것보다 훨씬 저렴합니다. 그러나 정밀도가 10마이크론 이하로 요구되는 경우, 상황은 달라집니다. 칩 스태킹 기술을 사용하는 기업은 4마이크론이나 5마이크론과 같은 한 자릿수 마이크론 간격을 달성할 수 있으며, 다른 대안은 없습니다. 따라서 관련 기술은 필연적으로 발전할 것입니다. 하지만 기존 기술 또한 지속적으로 개선되고 있습니다. 따라서 현재 저희는 구리 필러가 확장될 수 있는 한계와, 이 기술이 고객들이 진정한 구리 하이브리드 본딩 기술에 대한 모든 설계 및 "검증" 개발 투자를 미룰 만큼 충분히 오래 지속될 수 있을지에 집중하고 있습니다.
천: 수요가 있을 때에만 관련 기술을 도입할 것입니다.
최근 에폭시 몰딩 컴파운드 분야에서 많은 새로운 개발이 있었나요?
켈리: 성형 컴파운드는 상당한 변화를 겪었습니다. 열팽창 계수(CTE)가 크게 낮아져 압력 측면에서 관련 응용 분야에 더욱 유리해졌습니다.
오테: 이전 논의로 돌아가서, 현재 1마이크론 또는 2마이크론 간격으로 제조되는 반도체 칩은 몇 개입니까?
켈리: 상당 부분 그렇죠.
천: 아마 1% 미만일 거예요.
오테: 그러니까 우리가 논의하는 기술은 주류가 아닙니다. 선도 기업들이 실제로 이 기술을 적용하고 있기 때문에 연구 단계에 있는 것은 아니지만, 비용이 많이 들고 수율이 낮습니다.
켈리: 이 기술은 주로 고성능 컴퓨팅에 적용됩니다. 오늘날에는 데이터 센터뿐만 아니라 고성능 PC와 일부 휴대용 기기에도 사용됩니다. 이러한 기기는 비교적 작지만 여전히 고성능을 자랑합니다. 그러나 프로세서와 CMOS 애플리케이션의 더 넓은 맥락에서 보면 그 비중은 여전히 상대적으로 작습니다. 일반 칩 제조업체는 이 기술을 채택할 필요가 없습니다.
오테: 그렇기 때문에 이 기술이 자동차 산업에 진출하는 것이 놀랍습니다. 자동차는 칩이 극도로 작을 필요가 없습니다. 반도체 트랜지스터당 비용이 가장 낮은 20나노미터 또는 40나노미터 공정을 유지할 수 있습니다.
켈리: 하지만 ADAS나 자율주행에 필요한 컴퓨팅 요구 사항은 AI PC나 유사 기기의 컴퓨팅 요구 사항과 동일합니다. 따라서 자동차 산업은 이러한 최첨단 기술에 투자할 필요가 있습니다.
제품 주기가 5년이라면, 새로운 기술을 도입하면 이점을 5년 더 연장할 수 있을까요?
켈리: 매우 일리가 있는 지적입니다. 자동차 산업은 다른 관점을 가지고 있습니다. 20년 전부터 존재해 온 간단한 서보 컨트롤러나 비교적 간단한 아날로그 장치를 생각해 보세요. 이러한 장치들은 매우 저렴합니다. 이들은 소형 칩을 사용합니다. 자동차 산업 종사자들은 이러한 제품들을 계속 사용하고 싶어 합니다. 디지털 소형 칩이 탑재된 고성능 컴퓨팅 장치에만 투자하고, 가능하면 저비용 아날로그 칩, 플래시 메모리, RF 칩과 함께 사용하고 싶어 합니다. 자동차 산업에 있어 소형 칩 모델은 저렴하고 안정적인 기존 부품을 그대로 유지할 수 있기 때문에 매우 합리적입니다. 이러한 부품들을 변경할 필요도 없고, 그럴 필요도 없습니다. 그런 다음 ADAS 기능을 구현하기 위해 고성능 5나노미터 또는 3나노미터 소형 칩만 추가하면 됩니다. 실제로 자동차 산업은 하나의 제품에 다양한 종류의 소형 칩을 적용하고 있습니다. PC나 컴퓨팅 분야와 달리 자동차 산업은 더욱 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
천: 게다가 이 칩은 엔진 옆에 설치할 필요가 없으므로 환경 조건이 비교적 좋습니다.
켈리: 자동차 내부 환경 온도는 상당히 높습니다. 따라서 칩의 전력 소모가 크지 않더라도 자동차 업계는 우수한 열 관리 솔루션에 투자해야 하며, 환경 조건이 매우 혹독하기 때문에 인듐 TIM(열 인터페이스 소재) 사용을 고려할 수도 있습니다.
게시 시간: 2025년 4월 28일