[반도Chat Ep.7] 미세 공정의 한계를 뛰어넘는 첨단 패키지 기술 ‘Advanced Package’

반도체 성능은 한정된 공간에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣을 수 있느냐에 따라 결정된다. 이에 대해 ‘반도체 집적도는 24개월마다 두 배로 늘어날 것이다’라고 예측한, 일명 ‘무어의 법칙(Moore’s Law)’도 존재한다.

그러나 현재 빅데이터 기반 기술, 네트워크 등이 빠르게 성장하면서 컴퓨팅 성능은 점점 증가하는 데에 반해, 반도체의 성능 발전 속도는 이를 따라가지 못하고 있다. 이른바 Beyond Moore를 이끌 새로운 대안이 필요한 상황. 반도Chat 일곱 번째 에피소드의 주제는, 이러한 한계점을 뛰어넘는 첨단 패키지 기술 ‘Advanced Package’다.

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MAP 1. 반도체 미세화의 한계를 극복할 키

기존의 반도체들은 고유의 성능을 각자 가지고, 세트(완제품)를 통해 결합되어 각종 응용처에서 활용되어 왔다. 그러나 반도체의 핵심인 미세화 기술의 난이도가 급격히 증가하고 있으며, 이에 따른 개발 비용도 기하급수적으로 증가하고 있다.

또한 모바일, 웨어러블, 클라우드, 인공지능, 자동차 등 다양한 응용처에서 각종 반도체 칩들이 고밀도로 실장되어 고성능을 구현하기 위해서는 기존의 미세화 기술로는 요구되는 성능을 만족하기 어렵게 되었다.

이에 따라 서로 다른 종류의 반도체를 미세한 배선으로 수직 또는 수평으로 연결해 하나의 반도체를 만들어 내는 첨단 패키지 기술 ‘Advanced Package’가 핵심 경쟁력이 되고 있다.

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MAP 2. 서로 다른 기능의 반도체를 효율적으로 연결하는 이종 집적화

첨단 패키지의 핵심은 ‘이종 집적화(Heterogeneous Integration)’ 기술이다. 이종 집적화란 메모리, 시스템 반도체 등 서로 다른 기능을 하는 반도체를 효율적으로 배치해 하나의 칩으로 동작하게 하는 기술이다. 독립된 여러 개의 반도체 칩을 수평 혹은 수직으로 연결함으로써 더 작은 반도체(패키지) 안에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있고, 각각의 성능을 뛰어넘는 솔루션을 제공할 수 있다.

이종 집적 기술은 메모리 반도체와 시스템 반도체를 인터포저를 활용해 수평으로 배열하는 2.5차원 패키지와 수직으로 적층하는 3차원 패키지 등으로 나뉘는데, 삼성전자는 2.5차원 패키지 ‘I-Cube’, 3차원 패키지 ‘X-Cube’ 등 첨단 솔루션을 제공하고 있다. 해당 솔루션들은 어떤 특성을 지니고 있는지 자세히 알아보자.

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MAP 3. 무어의 법칙을 넘어서는 혁신 솔루션

우선 2.5차원 패키지는 로직과 메모리 반도체를 수평으로 기판 위에 집적한 패키지를 말하고, 3차원 패키지는 여러 개의 로직과 메모리 반도체를 수직으로 집적한 패키지를 뜻한다.

먼저, 2.5차원 패키지 솔루션으로는 ‘I-Cube’와 ‘H-Cube’가 있는데, ‘I-Cube(Interposer-Cube)’는 로직과 고대역폭 메모리(HBM)를 수평으로 집적해 빠른 속도로 데이터를 주고 받을 수 있도록 하는 솔루션이다. I-Cube의 I는 인터포저(Interposer)를 뜻하는데, 칩과 PCB(인쇄회로 기판)를 인터포저를 통해 물리적으로 연결하고, 인터포저 위에 로직과 HBM을 배치해 하나의 반도체처럼 동작하도록 지원한다.

2021년에는 HBM을 6개 이상 탑재 가능한 패키지 솔루션 ‘H-Cube(Hybrid substrate-Cube)’도 개발했다. H-Cube는 메인 기판 아래에 대면적 구현이 가능한 보조 기판을 추가해 시스템 보드와의 연결성을 확보한 것이 특징이다. 이로써 다수의 로직과 HBM을 적층하면서도 높은 안정성을 지닐 수 있다.

뿐만 아니라, 메인 기판과 보조 기판을 전기적으로 연결하는 솔더볼(Solder ball)의 간격도 기존 대비 35% 좁혀 기판의 크기를 최소화했다. 이는 데이터센터, 인공지능, 네트워크 등의 분야에서 다방면으로 활용될 수 있다.

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MAP 4. ‘초’연결까지 가능케 한 비법은?

삼성전자는 2020년에 ‘X-Cube(eXtended-Cube)’라는 3차원 적층 패키지 솔루션도 선보였다. ‘X’는 칩 간 연결과 기능의 확장을 의미하며, ‘X-Cube’는 로직 그리고 캐시메모리 역할을 하는 SRAM(Static Random Access Memory) 등의 개별 칩을 수직으로 적층해 연결성을 확장한 제품이다. 이로써 전체 칩 면적을 줄이면서 고용량 메모리를 장착해 속도와 전력 효율을 높였고, 지연 시간을 최소화해 고객의 설계 자유도도 높였다.

올해는 ‘u-Bump(micro Bump)형 X-Cube’의 양산을 앞두고 있다. TSV 공정에서 칩과 칩을 연결할 때 사용하는 범프는, 크기와 간격이 작을수록 작은 공간에서 반도체 패키지의 밀도와 연결성을 높이는 데 기여한다. u-Bump(micro Bump)형 X-Cube는 30마이크로미터보다 작은 범프 간의 간격을 활용해 연결성을 획기적으로 높인 제품으로, 모바일과 웨어러블, 증강현실(AR)·가상현실(VR), 슈퍼컴퓨터와 인공지능 등 초연결이 필수적인 분야에서 높은 활용성을 갖는다.

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MAP 5. AVP로 강화할 삼성 파운드리 경쟁력

삼성전자 반도체는 이러한 첨단 패키지 기술을 강화하기 위해 2022년 12월, AVP(Advanced Package) 사업팀을 출범해 차세대 기술 개발에 앞장서고 있다. 차세대 접합 기술 ‘HCB(Hybrid Copper Bonding)’가 대표적인 예다. HCB는 칩과 칩을 별도의 범프 없이 연결하는 기술로, 각 칩 표면에 드러난 구리를 직접 연결해 데이터 전송 속도를 더욱 향상할 수 있다. 2026년에는 HCB를 활용한 3차원 패키지, ‘Bump-less형 X-Cube’도 선보일 예정이다.

이외에도 ‘CoW(Chip on Wafer)’ 등 다양한 차세대 패키지 기술의 결합으로 성능과 효율성을 지속 향상함으로써 기술의 한계를 계속해서 뛰어넘고 있다. 최종적으로 패키지의 구조, 성능, 설계에 이르기까지, 응용처별 맞춤형 반도체를 다양한 형태의 패키지 솔루션으로 제공하며 AI 시대에서 파운드리 경쟁력을 강화해 나갈 계획이다.

차세대 패키지 기술의 결합으로, 기존 반도체의 한계를 넘어서는 첨단 패키지 솔루션 ‘Advanced Package’에 대해 보다 자세하게 알고 싶다면 반썰어 ‘AVP’ 편을 참고하길 바란다.