첨단 패키징 (Advanced Packaging)

첨단 패키징이 부상한 이유

첨단 패키징은 ‘무어의 법칙을 다른 방식으로 이어가기 위한 답’이다.

트랜지스터 미세화는 점점 어려워지고 비용은 폭증하고 있다.

동시에 AI·HPC 응용은 한 칩에 더 많은 트랜지스터, 더 많은 메모리 대역폭, 더 빠른 다이 간 통신을 요구한다.

단일 다이로 이 요구를 모두 해결하려면 다이 면적이 레티클 한계에 가까워지고 수율이 급락한다.

그래서 ‘큰 칩을 작은 다이 여러 개로 나눠 만들고, 패키지 안에서 다시 조립한다’는 칩렛 + 첨단 패키징의 길이 열렸다.

대표 기술 비교: CoWoS, EMIB, Foveros, I-Cube

대표 기술은 회사별로 갈린다.

TSMC의 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)는 실리콘 인터포저 위에 로직 다이와 HBM 다이를 올려 마이크로 범프와 인터포저 RDL로 연결한 뒤, 큰 기판에 올린다.

NVIDIA H100, AMD MI300, 다양한 HPC 칩이 CoWoS로 만들어진다.

CoWoS-S(실리콘 인터포저), CoWoS-R(RDL), CoWoS-L(LSI 브리지) 등 변종이 있다.

인텔의 EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)는 큰 인터포저 대신 작은 실리콘 브리지를 기판에 임베드해 다이 간 핵심 신호 라인만 연결하는 방식이다.

Foveros는 로직 다이를 위로 적층하는 3D 기술로, Meteor Lake 같은 인텔 신제품에 도입됐다.

삼성의 I-Cube는 CoWoS와 유사한 2.5D, X-Cube는 Foveros와 유사한 3D 기술이다.

TSMC의 SoIC는 더 미세한 피치의 하이브리드 본딩 기반 3D 적층이다.

인터포저와 TSV의 역할

인터포저와 TSV는 첨단 패키징의 ‘척추’다.

인터포저는 다이들을 올리고 그 위에서 미세한 배선으로 다이 간 신호를 연결하는 ‘얇은 실리콘 또는 유기 또는 유리 기판’이다.

실리콘 인터포저는 미세 피치(<10μm)의 RDL을 만들 수 있어 HBM처럼 1024비트 폭의 인터페이스에 적합하다.

유기 인터포저는 비용이 낮지만 RDL 피치가 더 크다.

유리 인터포저는 차세대 후보다.

TSV(Through-Silicon Via)는 인터포저나 다이를 수직으로 관통해 위·아래를 연결하는 비아다.

HBM의 D램 다이를 적층할 때 핵심이고, 인터포저의 전력·신호 분배에도 사용된다.

하이브리드 본딩과 3D 집적

하이브리드 본딩은 ‘마이크로 범프 없이 다이를 직접 본딩하는’ 차세대 기술이다.

다이 표면의 SiO₂를 매우 평탄하게 다듬고 Cu 패드를 만들어, 두 다이를 맞대 SiO₂끼리 본딩하고 후속 어닐로 Cu끼리 결합시킨다.

마이크로 범프 대비 피치가 매우 미세(1μm 이하)하고 신호 무결성·전력·열 모두 우수하다.

TSMC SoIC, 삼성 X-Cube, 그리고 차세대 HBM4의 일부 옵션에 도입되고 있다.

하이브리드 본딩은 본딩 직전 표면 평탄도와 입자 청결도가 매우 까다로워, CMP·세정·본더 모두에서 새로운 표준이 필요하다.

HBM과 AI 가속기

HBM과 AI 가속기는 첨단 패키징 수요의 가장 큰 동력이다.

NVIDIA H100·B200, AMD MI300, Google TPU, AWS Trainium 등은 모두 ‘로직 다이 + HBM 4~8개’ 구조다.

CoWoS 한 패키지가 한 GPU 또는 가속기 칩이 되고, 그 캐파가 곧 시장 출하 속도다. 2023~2024년 이후 NVIDIA의 호황을 떠받치는 것은 GPU 다이뿐만 아니라 TSMC의 CoWoS 캐파, SK하이닉스·삼성·마이크론의 HBM 캐파다.

첨단 패키징의 산업 구조

산업 구조는 ‘파운드리 + OSAT + 메모리 IDM + 기판 + 장비’의 결합이다.

파운드리(TSMC, 삼성, 인텔)는 첨단 패키징의 일부를 직접 운영하며 캐파를 통제한다.

OSAT는 비교적 외주 가능한 후속 단계와 다양한 첨단 패키지를 다룬다.

메모리 IDM은 HBM 적층과 베이스 다이를 직접 만들어 공급한다.

첨단 기판(이비덴, 신코덴키, AT&S, 대덕전자, 심텍)은 FC-BGA·BT 기판을 공급해 패키지 외부 인터페이스를 담당한다.

장비 측에서는 한미반도체의 TC 본더, 도쿄일렉트론·EVG·SUSS의 본더, 디스코·DAITRON의 본딩·다이싱 장비가 활동한다.