[기고문] 첨단 패키지 기술로 반도체 한계 넘는다

.

Beyond Moore의 시대: 반도체의 한계를 넘어라

과거 반도체 회사들은 같은 크기의 칩에 트랜지스터를 얼마나 더 작게, 더 많이 집적할 수 있는지에 초점을 두고 제품을 개발해 왔습니다. 일찍이 ‘고든 무어(Gordon Moore)’는 ‘반도체 집적도는 24개월마다 두 배로 늘어난다’라고 예측했는데, 이것이 우리가 잘 알고 있는 ‘무어의 법칙’입니다. ‘무어의 법칙’은 반도체 기술 발전 속도에 따라 조금씩 변하였지만, 지금까지 50년이 넘는 시간 동안 지켜져 왔으며, 반도체 산업 발전의 근간이 되어 왔습니다.

스마트폰, 모바일 인터넷, AI, Big Data의 시대가 도래하면서 요구되는 컴퓨팅 성능은 빠르게 증가하고 있습니다. 하지만 반도체 기술의 진보와 혁신의 속도가 과거 대비 느려지고, 반도체 공정 미세화가 물리적 한계에 도달하여, 집적도의 증가 속도가 과거 대비 느려졌습니다. 즉, ‘무어의 법칙’이 한계에 가까워지고 있는 상황입니다.

또한 우리는 아날로그, RF 무선통신 등 여러가지 다양한 기능을 하나로 통합한 다재 다능한 반도체를 원합니다. 하지만 공정이 미세화 될수록 아날로그 성능은 열화되는 문제가 있어, 무어의 법칙에 기반한 공정 미세화만으로는 이러한 요구에 효율적으로 대응하기 어려운 것이 사실입니다. 

이러한 반도체 기술 한계를 극복하기 위해서는 무어의 법칙을 넘어설 새로운 방법이 필요하며, 우리는 이것을 ‘비욘드 무어(Beyond Moore)’라고 부릅니다.

.

Advanced Package, Beyond Moore 시대를 이끌다

‘비욘드 무어’ 시대를 이끌 수 있는 것이 첨단 패키지(Advanced Package) 기술입니다. 여러 반도체를 수평으로, 수직으로 연결하는 이종집적(Heterogeneous Integration) 기술을 통해 더 작은 반도체에 (정확히는 더 작은 반도체 패키지 안에) 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있으며, 각각의 성능을 뛰어넘는 더 강력한 성능을 제공할 수 있습니다.

시장조사기관에 따르면, 첨단 패키지 시장은 2021년부터 2027년까지 연평균 9.6%의 고성장을 기록할 것으로 예상됩니다. 특히 이종집적 기술을 사용한 2.5차원, 3차원* 패키지의 경우 매년 14% 이상 성장해 전체 첨단 패키지 시장을 상회할 것으로 전망됩니다.

첨단 패키지 기술 연구개발(R&D)에 대한 각국 정부의 관심도 증가하고 있습니다. 지난 2월, 대한민국 정부는 산업통상자원부 주최로 반도체 패키지의 발전을 위한 포럼 출범식을 개최했고, 미국 국방성 산하 핵심 연구개발 조직인 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 22년 4월, 첨단 패키지 관련 분야에 대규모 신규 예산을 편성하기도 했습니다. 일본 또한 민간 패키지 연구소 유치에 보조금/인프라 등의 인센티브를 지원하고 패키지 심포지엄을 구축하는 등 첨단 패키지에 관심을 쏟고 있습니다.

* 2.5차원 패키지: 단층의 로직 반도체와 다층의 메모리 반도체를 기판 위에 집적한 패키지
* 3차원 패키지: 여러 개의 로직/메모리 반도체를 수직으로 집적한 패키지

.

고성능 저전력 첨단 패키지 솔루션을 원스톱으로

이처럼 첨단 패키지 기술 중요성이 높아지는 상황에서, 삼성전자는 작년 12월 첨단 패키지 기술 강화 및 사업부간 시너지 극대화를 위해 DS부문 내 AVP(Advanced Package)사업팀을 신설했습니다.

삼성전자는 세계에서 유일하게 메모리, 로직 파운드리, 그리고 패키지 사업을 모두 가지고 있는 회사입니다. 이러한 강점을 살려 이종집적 기술을 통해, EUV를 사용한 최선단 로직 반도체와 HBM 등의 고성능 메모리 반도체를 하나로 연결한 경쟁력 있는 2.5차원, 3차원 패키지 제품을 시장과 고객에 제공할 수 있다는 것입니다.

AVP사업팀은 고객이 원하는 고성능·저전력 솔루션을 원스톱으로 제공하는 첨단 패키지 사업 모델을 가지고 있습니다. 이를 통해, 고객과 직접 소통하며 고객별, 제품별로 맞춤형 첨단 패키지 기술과 솔루션 사업화에 나섭니다. 특히, RDL, Si Interposer/Bridge, TSV* 적층 기술 기반의 차세대 2.5차원, 3차원 첨단 패키지 솔루션을 집중 개발할 예정입니다.

* RDL(Redistribution Layer, 재배선): 크기가 작은 반도체 회로와 크기가 큰 기판의 회로를 전기적으로 연결하기 위해 중간에 새로운 회로를 구성하는 기술
* Si Interposer/Bridge, 실리콘 인터포저/브릿지): IC 칩과 PCB 사이에 추가적으로 삽입하는 미세회로 기판을 의미하며, 중간 수준의 배선을 구현해 칩과 기판을 물리적으로 연결해주는 역할을 함
* TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통전극): 칩을 얇게 간 다음, 수백 개의 미세한 구멍을 뚫고, 상단 칩과 하단 칩의 구멍을 수직으로 관통하는 전극을 연결한 첨단 패키징 기술

.

연결 이상의 연결 그리고 우리의 미래

AVP사업팀의 목표는 ‘초연결’입니다. ‘초연결’이란 각각의 반도체가 가진 성능과 기능을 단순히 더하는 것이 아니라 큰 시너지를 만들어 내는 것입니다. 그리고 이를 통해, 반도체를 세상에 연결하고, 사람과 사람을 연결하며, 고객의 상상을 현실로 연결하는, 연결 이상의 연결을 목표합니다.

삼성전자는 대면적화 트렌드에 적합한 독자 패키지 기술을 보유하는 등 경쟁력 있는 개발, 생산 전략을 전개하고 있습니다. 이를 바탕으로 고객의 요청에 적기 대응할 수 있는 ‘고객 중심의 사업 전개’를 통해, ‘세상에 없는 제품’을 가능하게 하는 AVP사업팀이 될 것입니다.