뉴스 속 낯선 반도체 용어들, 꼭 어려운 사전에서만 확인해야 할까?
반도Chat과 함께라면 잠깐의 출퇴근 시간 동안에도 손쉽게 반도체를 이해할 수 있다. 지금 바로 13개의 ‘반도Chat’ 에피소드를 돌아보며, 다시 한번 반도체 세계 속으로 떠나보자!

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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.

The post [반도Chat Ep.7] 미세 공정의 한계를 뛰어넘는 첨단 패키지 기술 ‘Advanced Package’ first appeared on 삼성전자 반도체 뉴스룸.

반도체 용어를 알기 쉽게 설명해주는 ‘반도체어 썰어드립니다(반썰어)’ 시리즈. 그 두 번째 주인공은 바로 반도체 공정 미세화의 한계를 극복할 첨단 패키지 기술, ‘AVP(Advanced Package)’입니다.

컴퓨터 성능은 점점 좋아지고, 이를 구현하기 위해 작은 반도체 칩 안에 점점 더 많은 회로를 담아야 합니다. 이러한 미세화도 언젠가는 물리적인 한계에 이른다고 하는데요. AVP(Advanced Package) 기술이 해결사 역할을 할 수 있다고 합니다. 반도체 패키지에 여러 칩을 수직과 수평으로 연결하는 이종 집적(Heterogeneous Integration) 기술을 통해, 더 많은 트랜지스터와 기능을 담아낼 수 있기 때문이죠. 좁은 공간을 알차게 활용하면서도 기존보다 더 빠르고 강력한 성능을 보장하는 AVP, 정말 대단하죠?

불가능을 가능하게 만드는 삼성전자 반도체 AVP만의 특별한 이야기, 지금 바로 영상을 통해 확인해보세요!

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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.

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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

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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

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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.

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