반도체 패키징은 반도체 칩을 보호하고 전기적 및 기계적 연결을 제공하여 다양한 장치나 시스템에 통합하는 프로세스를 말합니다. 이 프로세스는 반도체 칩을 외부 환경으로부터 보호하고, 칩과 외부 장치 간의 통신을 가능하게 함으로써 제품의 성능과 안정성을 향상시킵니다. 최근 고성능 컴퓨터와 AI시장에서 반도체기술로 주목받고 있는 HBM(High Bandwidth Memory)도 패키징의 한 종류인데요. HBM 기술에서 고비용고난도 기술을 대체하고 성능을 극대화하기 위해 유리기판을 사용하고자 하는 반도체 기업이 증가하고 있습니다. 이 글에서는 HBM에서 유리기판이 왜 중요한지에 대해 자세히 알아보겠습니다.
반도체 패키징이란:
- 칩 (Chip): 반도체 칩은 실리콘 웨이퍼 위에 집적된 전자 부품으로, 트랜지스터, 다이오드 등이 포함됩니다. 이러한 칩은 주로 집적회로(IC)를 형성하고, 다양한 기능을 수행합니다.
- 칩 패키지 (Chip Package): 칩 패키지는 반도체 칩을 보호하고 외부와의 연결을 제공하는 케이스 혹은 쉘을 말합니다. 이는 칩을 물리적으로 보호하고 외부 장치와의 인터페이스를 제공하여 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 합니다.
- 전선볼 (Wire Bond): 전선볼은 칩의 패드와 패키지의 핀을 연결하는 작은 금속 선입니다. 이러한 전선볼은 칩과 패키지 간의 전기적 연결을 제공합니다.
- 소켓 (Socket): 소켓은 패키지와 시스템 보드를 연결하는 장치로, 칩을 쉽게 교체하거나 업그레이드할 수 있도록 합니다.
반도체 패키징 유형:
- DIP (Dual In-line Package): DIP는 칩 패키지의 초기 형태 중 하나로, 직사각형 모양의 패키지에 칩이 배치됩니다. 이러한 패키지는 핀이 패키지의 양쪽에 나란히 배치되어 있으며, 시스템 보드에 삽입되어 사용됩니다.
- BGA (Ball Grid Array): BGA는 칩의 하단에 작은 볼을 배열 형태로 놓은 패키지입니다. 이러한 볼은 칩을 시스템 보드에 다이렉트로 납땜하여 전기적 및 기계적 연결을 제공합니다. BGA는 칩의 높은 핀 밀도와 열 효율성을 제공하며, 고밀도 반도체 패키지로 널리 사용됩니다.
- QFN (Quad Flat No-lead): QFN은 평면 형태의 패키지로, 칩의 주변에 작은 납땜 패드가 있습니다. 이러한 패키지는 납땜 기술을 통해 시스템 보드에 칩을 부착하며, 공간 효율적이고 경제적입니다.
- CSP (Chip Scale Package): CSP는 칩의 크기에 맞게 작은 패키지로, 칩과 패키지의 크기가 거의 동일합니다. 이러한 패키지는 고밀도 칩 패키징을 제공하며, 소형 전자 제품에 널리 사용됩니다.
- SiP (System in Package): SiP는 여러 칩과 다른 부품을 단일 패키지에 통합하는 기술로, 고성능 및 복잡한 시스템을 작은 공간에 통합할 수 있습니다.
HBM
HBM은 고대역폭 메모리로, 기존의 메모리 기술보다 훨씬 빠른 데이터 전송 속도를 자랑합니다. HBM의 가장 큰 장점은 메모리 대역폭을 크게 늘릴 수 있다는 점인데요, 이를 통해 데이터 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 이를 구현하기 용이하도록 HBM은 기존의 DRAM과는 다른 구조를 가지고 있습니다. HBM은 고밀도로 적층된 메모리 칩을 3차원 구조로 패키징하는 기술입니다. 각 메모리 칩은 시스템 칩 위에 집적되어 있으며, 패키지는 이러한 메모리 칩을 보호하고 외부 환경과의 연결을 제공합니다.
HBM의 패키징은 특별한 설계와 제조 공정이 필요합니다. 일반적으로 HBM 패키지는 고밀도 인터페이스 및 전기적 연결을 제공하기 위해 볼 그리드 어레이(BGA) 또는 고밀도 패키지 기술을 사용합니다. 각 메모리 칩은 패키지의 하단에 있는 볼 그리드에 납땜됩니다. 이렇게 함으로써 메모리 칩과 시스템 칩 간의 전기적 연결이 이루어지며, 고대역폭 메모리 시스템을 구현할 수 있습니다. 또한, HBM의 패키징은 열 관리에도 중요한 역할을 합니다. 고밀도로 적층된 메모리 칩은 열을 발생시킬 수 있으므로, 패키지는 효율적인 열 전도와 냉각을 위한 디자인이 필요합니다. 이를 통해 HBM은 높은 성능과 안정성을 유지하면서도 온도를 관리할 수 있습니다. 따라서 HBM은 반도체 패키징 기술의 한 형태로 볼 수 있으며, 고성능 및 고밀도 메모리 시스템을 구현하는 데 필수적입니다.
유리기판의 역할과 중요성
이제 HBM에서 유리기판의 역할에 대해 알아보겠습니다. HBM의 성능을 최대한으로 끌어올리기 위해서는 메모리 다이를 적층하는 데 사용되는 기판이 매우 중요합니다. 여기서 유리기판이 큰 역할을 합니다.
유리기판 vs. 기존 기판
HBM에서 사용되는 기판은 주로 실리콘이나 세라믹으로 만들어지지만, 유리기판은 이들과 비교해 다음과 같은 장점을 가집니다.
- 더 나은 열전도성: 유리기판은 열전도성이 뛰어나, 열 관리를 효율적으로 할 수 있습니다.
- 높은 강도와 내구성: 유리기판은 더 강하고 내구성이 뛰어나, 적층 구조를 안정적으로 유지할 수 있습니다.
- 전기적 성능: 유리기판은 전기적 성능이 우수하여, 신호 전달에 있어 더 나은 성능을 발휘합니다.
HBM에서 유리기판의 역할
유리기판은 HBM에서 다음과 같은 중요한 역할을 합니다.
- 적층 구조의 안정성 제공:
- 유리기판은 매우 강하고 단단합니다. 그러므로 MLCC 등 반도체 소자까지 유리기판 안에 내장할 수 있어 기판 위에 더 많은 칩을 탑재하는 등 메모리 다이를 안전하게 적층할 수 있습니다. 이는 TSV 기술과 결합하여 데이터 전송 속도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
- 열 관리: 유리기판은 열전도성이 뛰어나, 고성능 컴퓨팅에서 발생하는 열을 효과적으로 관리할 수 있습니다. 이는 메모리의 성능과 수명을 향상시키는 데 중요합니다.
- 전기적 연결: 유리기판은 기존 반도체 기판에 쓰였던 플라스틱 소재 대비 표면이 매끈하고 얇게 만들 수 있기 때문에 신호 전달 속도를 향상시키고 전력 효율성을 개선할 수 있습니다. 즉 유리기판은 전기적 특성이 우수하여, 메모리 다이 간의 신호 전달을 최적화함으로써 전체 시스템의 성능을 향상시키는 데 기여합니다.
유리기판을 사용한 HBM의 실제 응용 사례
이제 유리기판을 사용한 HBM의 실제 응용 사례에 대해 알아보겠습니다. 이는 HBM 기술이 실제로 어떻게 사용되는지, 그리고 유리기판이 어떤 역할을 하는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
그래픽 카드
그래픽 카드는 HBM 기술을 적극적으로 사용하고 있는 대표적인 예입니다. AMD의 Radeon 시리즈 그래픽 카드는 HBM을 사용하여 고해상도 그래픽과 빠른 데이터 처리를 가능하게 합니다. 여기서 유리기판은 메모리 다이의 안정적인 적층과 효율적인 열 관리를 제공하여, 그래픽 카드의 성능을 극대화합니다.
고성능 컴퓨팅(HPC)
고성능 컴퓨팅 시스템에서도 HBM이 많이 사용됩니다. 이는 복잡한 연산 작업과 대규모 데이터 처리를 필요로 하는 환경에서 중요한 역할을 합니다. 유리기판은 이러한 고성능 컴퓨팅 시스템에서 메모리의 안정성과 성능을 보장합니다.
인공지능과 머신 러닝
AI와 머신 러닝 작업에서도 HBM은 중요한 역할을 합니다. 이러한 작업은 대규모 데이터 처리와 빠른 연산을 필요로 하기 때문에, HBM의 높은 대역폭과 낮은 전력 소비가 매우 유리합니다. 유리기판은 메모리 다이의 안정성을 제공하며, 열 관리와 전기적 성능을 최적화합니다.
유리기판을 도입하는 반도체 기업들
업계에 따르면 AMD는 주요 글로벌 반도체 기판 업체들과 유리기판 성능평가를 진행하는 등 공급 업체 물색에 돌입했습니다. 현재 다수 업체들과 동시다발적으로 샘플 테스트에 착수했으며 AMD 유리기판 테스트를 통해 우리나라 삼성전기를 비롯해 대만 유니마이크론, 일본 신코, 오스트리아 AT&S 등을 주요 물망에 올린 것으로 알려졌습니다.
애플은 자사 차세대 모바일 프로세서에 첨단 반도체 패키징 기술인 유리기판을 적용하기 위해 삼성전자 계열사와 협력할 것이라는 추측이 제기되고 있으며 인텔은 한발 앞서 지난해 유리기판 사업 진출을 선언하면서 삼성전기 등 국내 반도체 장비업계와 협업을 진행한다는 소식이 함께 알려졌으며, 현재 유리기판 적용을 위한 준비를 이어가고 있습니다.
국내 대기업인 SKC, 삼성전기, LG이노텍 등은 새로운 성장동력을 확보하기 위해 유리기판 생산을 위한 투자를 확대하고 있습니다. SKC는 세계 최대 반도체 장비회사인 미국 어플라이드 머티어리얼즈(AMAT)와 합작해 앱솔릭스를 설립하고 유리 기판을 생산하기 위해 생산공장을 미국 조지아주에 세우면서 2억4000만달러를 투자했고 2024년 2분기부터 생산을 시작합니다.
LG이노텍도 주요 고객사인 북미 반도체 회사를 통해 유리기판 사업에 돌입할 것으로 예상되며 삼성전기는 삼성전자·삼성디스플레이 등 그룹 주요 전자 계열사들과 유리기판 공동 R&D에 착수한 것으로 알려졌습니다.
결론
HBM에서 유리기판의 중요성은 매우 큽니다. 유리기판은 메모리 다이의 안정적인 적층을 가능하게 하고, 효율적인 열 관리와 전기적 성능을 제공합니다. 이는 HBM의 성능을 극대화하고, 고성능 컴퓨팅, 그래픽 카드, 인공지능 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.
유리기판은 그 특성상 높은 강도와 내구성, 뛰어난 열전도성, 우수한 전기적 성능을 제공하여, HBM 기술의 발전에 큰 기여를 하고 있습니다. 앞으로도 HBM과 유리기판의 조합은 더 많은 혁신을 이끌어내며, 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 할 것입니다.