차세대 반도체 패키징 - 3D 패키징과 글라스 기판

 

9월 29일에 있었던 인텔 이노베이션 2023에서 CEO인 펫 겔싱어가 특별한 웨이퍼를 들고 등장했다.

 

바로 차세대 반도체 패키징에 사용되는 글라스 기판 (유리 기판) 웨이퍼다.

 

 

기존 반도체 웨이퍼는 바이든 대통령이 들고 있는 것과 같은 실리콘으로 만들어지고, 여기서 생산된 칩이 플라스틱 기판 위에 실장 되어 완성 칩으로 만들어진다.

 

인텔이 올해 5월에 있던 아시아-태평양 회의에서 글라스 기판을 도입하겠다고 처음 밝혔고 도입 시기를 원래는 2025~2030년으로 예상했는데 이번 인텔 이노베이션 2023에서 그 논조가 좀 더 강해져 2025년부터 도입을 시작한다고 한다.

 

AI의 확산으로 인한 AI 반도체 시대, 그로 인한 HBM 발전기가 현재 반도체 시장의 가장 큰 화두이고, 이를 배경으로 차세대 반도체 패키징인 유리 기판 패키징의 도입이 당겨진 것이다.

 

이런 흐름을 이해하기 위해서는 반도체의 미세화와 패키징의 발전 과정, 그 흐름을 제대로 이해해야 한다.

 

ASML의 EUV가 도입된 배경을 생각해 보자, 반도체의 핵심은 성능과 생산성이다.

 

반도체 업계는 칩의 성능은 상승시키면서 생산단가를 줄여야 하는 어려운 논제에 직면한다.

 

출처: 미래에셋증권

2016년 나온 미래에셋증권의 리포트를 보면 당시의 반도체 산업에 대해서 알 수 있다.

 

쿼드러플 패터닝으로는 비용의 증가 때문에 EUV를 도입해야 한다는 주장이다.

반도체 칩의 성능이 상승할수록 반도체 웨이퍼에 그려 넣어야 하는 반도체 회로의 수가 증가, 하지만 웨이퍼의 크기는 한정적이고, 그 안에 많은 회로를 그려 넣어야 하면 필연적으로 더 얇게 회로를 그려야 하는데 이것이 DUV로는 쿼트러플 패터닝으로 가능했지만 EUV로는 한 번에 가능했기에 성능과 비용을 모두 잡은 장비였다.

 

결국 돌이켜 보면 EUV의 도입은 성공적이었고, 2023년 현재 3나노미터까지 반도체를 만드는 데 성공해냈다.

 

하지만 3나노에 들어서 기존 EUV로는 더 미세화로 나아가기 힘들어져 반도체의 성능을 향상시키기 위해 패키징의 중요성이 강조되고 있다.

 

우리가 AI 혁명을 겪지 않았다면 반도체 업계가 이렇게 빠르게 성능을 향상시키기 위해 급변하지는 않았을 것이다.

 

삼성전자가 3나노에 진입한지 이제 고작 1년밖에 되지 않았기 때문이다.

 

2022년 12월 챗 CPT가 불러온 AI 혁명이 더 고성능의 반도체를 원했기 때문에 이러한 변화가 찾아온 것이다.

 

그리고 이러한 요구에 답으로 등장한 것이 바로 2.5D 패키징이다.

 

2.5D 패키징은 칩 다이 여러 개를 이어 붙여 하나의 패키지로 만드는 패키징 기술이다.

 

단일 칩으로는 성능의 한계에 도달했기 때문이다.

 

 

기존 엔비디아 DGX 서버의 구성을 살펴보자.

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인텔의 X86 기반 사파이어 래피즈와 H100을 결합한 다음과 같은 구조를 가진다.

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CPU는 DDR5 와 연결하고, GPU는 HBM과 연결한다.

 

 

하지만 내년 3분기에 출시되는 엔비디아 GH200은 DGX 서버 구조와 다르다.

 

엔비디아 GRACE CPU와 H100(GPU)을 결합하여 GH200이라는 새로운 칩을 만들어낸다.

 

 

기존에는 GPU와 CPU를 각각 결합하여 데이터 센터에 사용했는데 AI 혁명으로 인해 더 고성능의 데이터 센터를 원하기에 GH200이 출시되었다.

 

GH200은 기존 DGX 서버보다 LLM(Large Language Model) - (대용량 언어 모델)에서의 성능 차이가 크다.

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우리가 흔히 아는 GPT가 바로 이 LLM의 일부분이다.

 

 

젠슨 황이 직접 공개한 GH200의 모습을 보면 손바닥 보다 큰 사이즈임을 알 수 있다.

 

CPU와 CPU를 결합시키고, HBM3를 탑재하여 연산속도를 높인 차세대 엔비디아 칩이다.

 

2.5D 패키징은 여러 개의 다이를 수평 접합하기 때문에 반도체의 대면적이 커질 수밖에 없다.

 

여기서 모순점이 발생한다.

 

EUV의 도입이 반도체 미세화로 가는데 왜 최종 칩의 크기는 점점 커지는지에 대해서 말이다.

 

기존 반도체 패키징은 미세화된 반도체로 더 작은 최종 칩을 만들어내는 방향이었지만 오늘날은 하나의 반도체 칩에 요구하는 기능이 더 많아지다 보니 크기가 커지게 되는 것이다.

 

그리고 이렇게 커지는 반도체의 크기는 필연적으로 생산성 하락을 불러온다.

 

엔비디아 H100의 다이 사이즈는 814 mm²인데 300mm(12인치) 웨이퍼의 면적은 70,659 mm²이다.

 

계산해 보면 86개를 생산할 수 있고, 웨이퍼 에지의 버려지는 부분을 제외하면 60개 정도 생산할 수 있다.

 

여기서 TSMC 파운드리의 수율을 계산하면 실제 생산되는 칩의 개수는 더 적어진다.

 

SK하이닉스가 생산하는 DDR5-6400의 다이 사이즈가 76 mm²이고 애플의 A17 바이오닉이 100 mm²인 것을 감안하면 H100의 크기가 얼마나 큰지, 그 생산성이 얼마나 떨어지는지 알 수 있다.

 

여기서 반도체의 대면적이 더 커질 수 없다면 앞으로의 성장 방향은 어떻게 될까?

 

그래서 대안으로 제시되는 것이 바로 3D 패키징이다.

 

2.5D 패키징이 실리콘 인터포저 위에 여러 개의 반도체 다이를 수평 접합하는 것이 핵심이라면 3D 패키징에서는 실리콘 인터포저를 사용하지 않고, 반도체 칩을 수직으로 적층하는 방식의 패키징이다.

 

실리콘 인터포저는 2.5D 패키징에서 중요한 역할을 하지만, 이걸 3D 패키징에서 사용하면 수직으로 적층하기에 반도체의 두께가 지나치게 두꺼워진다.

 

현재는 삼성전자도 2.5D 패키징인 아이큐브 8을 개발하여 연내에 공급할 예정이고, TSMC 역시 CoWoS 패키징을 증설하여 2.5D 패키징에 주력하고 있다.

 

하지만 글라스 기판이 공급되기 시작하는 24년(SKC)~25년(인텔)에 3D 패키징 역시 주목받을 것이라고 생각한다.

 

결국 커지는 대면적을 해결하기 위해 차세대 패키징인 3D 패키징으로 나아가는 것은 시간의 문제이지 방향적으로 맞는 이야기다.

 

인텔이 글라스 기판 패키징을 빠르게 도입하기로 결정한 것도 CPU에서는 AMD, GPU에서 엔비디아에게 밀린 상태인데 이를 패키징을 통해서 극복하겠다는 의지가 담긴 것이다.

 

글라스 기판 패키징은 기존 패키징에 비해서 여러 장점이 있다.

 

출처: 삼성디스플레이

유리로 만든 기판이라는 점만 놓고 본다면 디스플레이에 이미 사용된 기술이다.

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다만 반도체에서는 플라스틱 기판 다음 기술이 글라스 기판인데, 디스플레이에서는 글라스 기판 다음 기술이 플라스틱이라는 차이가 있다.

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이는 기술의 발전 방향이 서로 다르고, 유리와 플라스틱이 갖는 서로 다른 성질 때문이다.

 

출처:wevolver 

열팽창계수라는 개념을 먼저 설명하자면, 대부분의 물체는 열을 받으면 부피가 커지고, 커지는 정도를 표기하는 지표로 열팽창계수라는 수치가 도입되었다.

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유리의 열팽창계수는 4ppm/C 정도이지만, 플라스틱은 최소 5배에서 20배 정도 된다.

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따라서 발광다이오드를 통해서 열을 지속적으로 받는 디스플레이에서는 유리 기판 기술이 먼저 사용되었던 것이다.

​하지만 열에 강하다는 성질은 곧 가공이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

디스플레이에서 사용되는 유리 기판은 사각형 형태에 두께도 어느 정도 있어 가공 난이도가 그렇게 어렵지 않지만, 디스플레이 유리 기판의 20분의 1 정도로 얇아야 하는 반도체 기판용으로 유리를 사용하기에는 기술력이 부족했다.

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그에 반해 플라스틱은 열을 가하면 잘 구부러지고, 가공이 쉽다.

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우리가 실생활에서 쓰는 페트병은 소재 자체의 성질이 변해 환경 호르몬이 나오는 열 변형 온도는 다른 플라스틱에 비해 꽤 높은 편이지만, 열팽창계수는 다른 플라스틱에 비해 낮아 열을 가하면 가공이 쉽다.

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반도체용 기판에는 대량생산이 필요했고, 구리와 결합이 쉬운 플라스틱 기판이 주로 사용되었다.

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그래서 지금까지 시장의 주류는 디스플레이는 유리 기판, 반도체는 플라스틱 기판이 주가 된 것이다.

 

출처: 삼성디스플레이

2013년부터 플렉시블 디스플레이 기술이 화두가 되었다.

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현재 삼성의 폴더블 스마트폰의 기반이 바로 이 플렉시블 디스플레이였고, LG디스플레이에서 영화관에서 질리게 광고하던 롤러블 디스플레이가 이 기술의 정점이다.

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플렉시블 디스플레이는 잘 구부리고, 원상 복구가 되어야 되기 때문에 유리 기판으로 구현이 매우 어렵고, 단가가 우주로 가버렸다.

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그래서 플렉시블 디스플레이에 플라스틱 기판을 도입하려는 시도가 있었다.

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디스플레이에서 기술의 발전이 새로운 물질로 기판을 만드는 시도를 불러왔듯이 반도체에서도 글라스 기판을 도입하려는 노력이 현재 진행되고 있는 것이다.

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반도체가 점점 고도화되면서 기존의 FC-CSP로 패키징의 한계가 찾아왔고 더 많은 기능을 수행하기 위해 더 많은 칩을 탑재할 수 있는 FC-BGA가 주목받게 되었다.

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하지만 FC-BGA도 감당할 수 없을 정도로 요즘 시대의 반도체는 고도화되고 있다.

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더 많은 칩을 탑재할 수 있다는 것은 그만큼 I/O가 증가한다는 것이고 이는 곧 발열을 불러온다.

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그동안 플라스틱 기판 역시 많은 연구를 통해서 높은 절연성과 내열성을 갖추는데 성공했지만, 오늘날의 고성능 반도체는 더욱 높은 절연성과 내열성이 필요하다.

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특히 칩 가격이 현재 하늘까지 올라가고 있는 상태에서 패키징 된 칩에서 문제가 생기면 이는 곧 커다란 손실이다.

 

그리고 이런 내열성은 가공 과정에서 기판에 더 많은 가공을 할 수 있게 만든다.

 

현재의 패키징은 크게 소재와 공정, 두 가지 방향으로 나가고 있는데 글라스 기판이 소재에서의 발전이라면 공정에서는 레이저의 적극적 활용이 진행되고 있다.

 

레이저는 고열이기 때문에 내열성이 뛰어난 유리 기판이 레이저 적용이 더 쉬워지는 효과가 있다.

 

그리고 이런 내열성이 바로 인터포저 기능 자체를 기판에 탑재하여 패키징 할 수 있게 만드는 원동력이다.

 

SKC의 자회사 앱솔릭스의 자료를 보면, 그 차이가 눈에 보인다.

 

출처: DNP

실리콘 인터포저를 사용하지 않고, 글라스 기판 자체가 인터포저의 역할을 수행하기에 TSV가 아니라 TGV라는 개념을 사용한다.

 

SKC

인텔

현재 글로벌 시장에서 SKC의 자회사 앱솔릭스, 인텔, dai nippon printing(DNP)이 글라스 기판을 개발하여 출시 예정이다.

 

현재 반도체 기술이 무어의 법칙의 한계에 다다르며 후공정 시장에 투자가 집중되고 있기 때문에 이쪽 시장에서 기회가 많이 있을 것이라고 본다.

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