어드밴스드 패키징의 모든 것

현재의 반도체 업황은 응용처 뿐 아니라, 제품에 따라서 완전히 차별화 되는 국면이 나오고 있다. 현재 메모리에서 가장 주목해야할 부분은 "High-End DRAM". 삼성전자와 SK하이닉스 2Q 컨콜에서 "DDR5", "LPDDR5" 그리고 "HBM" 을 강조했다.

제품별 차별화

DDR5의 경우는 레거시 수요 부진으로 인한 빠른 전환

LPDDR5의 경우는 아이폰 전모델 채택과 전장용 칩들의 채택율 증가

HBM은 이미 AI수요로 인하여 엄청난 성장.

글로벌 업계1,2위 업체인 테라다인(미), 어드밴테스트(일) 도 비메모리 테스트는 수요의 감소를 우려하고 있으나, 메모리 테스트 시장은 하이엔드 디램으로 인한 강한 수요를 전망.

어드밴스드 패키징의 모든 것

HBM, TSV, 열압착본딩, MR-MUF, 레이저본딩, 하이브리드본딩 패키징

(1) 패키징 시장 규모

 

전통 패키징 시장은 매년 감소

어드밴스드 패키징 시장은 2022년부터 2028년까지 연평균 23% 성장

(2) 반도체

패키징

- 반도체 칩과 기판을 연결

- 반도체 칩의 경우, 2년에 2배 미세화

- 기판은 4년에 2배 미세화

- 반도체 칩과 기판의 미세화 차이 간극이 증가

→ 간극 메우기 위해 Wire 대신 전송속도 빠른 범프 사용한 BGA 도입

한계 봉착

- 반도체 미세화 비용 급증

- 공정 난이도 증가

- 개발 속도 지연

(3) 연결(본딩)

와이어 본딩

- 기판과 다이(반도체 칩)을 구리선으로 연결

- 속도가 느림

- 와이어 연결 면적 limit으로 I/O 제한

FC-BGA

- 기판에 다이(반도체 칩)을 뒤집어서 범프로 연결

- 고속, 저전력

- I/O 증가

(4) WLP(WaferLevel Pacage) 

전통 패키징

가공 완료된 웨이퍼를 다이로 잘라서 기판 위에 놓고 패키징

WLP

가공 완료된 웨이퍼 위에 기판을 대신하는 RDL(재배선층) 놓고 절단

(5) FO-WLP 

RDL 한계 극복위해 LSI 도입 LSI(Local Silicon Interconnect)

FI(Fan In

다이와 기판 크기가 비슷해 I/O(입출력단자) 늘리는데 한계

FO(Fan Out)

다이보다 기판이 크기 때문에 I/O 를 칩 밖으로 빼낸 방식 → I/O 면적 확대 → 칩 성능 극대화 

 

TSMC

- 패키징 기술 선도 기업 

- 2011년 칩렛 기술 개발

- 2016년부터 아이폰 독점 생산

(6) CoWoS - TSMC

 

CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)

- 2.5D 패키징 : 서로 다른 칩을 인터포저(실리콘 공정)를 통해서 하나로 연결

- 2D 패키징 : 인터포저 없이 다른 칩들을 기판을 통해 연결

(7) 인터포저

인터포저(Interposer)

- 직접회로(CPU vs D램, GPU vs D램)의 배선 연결을 도와주는 부품

- 기판 대신 실리콘을 사용하여 열적 안정성을 보유

- 다이 연결 시 TSV 이용

삼성전자

1) I -Cube 8 : 8개의 HBM 구현(2023년)

2) I - Cube 12 : 12개의 HBM 구현 (24년 4분기)

(8) 와이어 본딩 VS TSV

Wire 본딩

- Stack 개수 제한되어 배선 공간 활용도 낮음

- 시스템의 성능이 제한적임

TSV

- 공간 활용도가 높아 고집적 기능 및 저전력 동작 가능

- 높은 집적도 로 시스템 구성 및 성능 극대화 가능

(9) TSV공정

TSV (Through Silicon Via, 작은 통로)

- 다이(칩)과 인터포저를 연결하는 기술

- 칩의 실리콘 기판을 통과하는 수직 전기연결을 생성하는 기술

- 장점:와이어나 플립칩에 비해 더 짧은 인터커넥트 길이로 빠른 전기 신호 전달

2) 고대역폭

3) 전력 소모 감소

(10) 고성장 HBM

트렌드포스

- HBM 공급량 2024년까지 +105% 증가

- 2023년~ 2024년은 AI 개발의 중추 적인 해

- HBM 매출 2024년 +127% 증가, 89억달러(12조원)

모건스탠리 HBM 시장 규모 상향 조정

- 2024년 40억달러 → 96억달러 규모 (13조원)

(11) HBM을 부르는 AI가속기 전쟁

(1) H100 (엔비디아)

- 80GB HBM3

- 1.6TB/초 대역폭

- 800억개 트랜지스터

- SK하이닉스 공급 중

(2) MI300X(AMD)

- 192GB HBM3

- 5.2TB/초 대역폭

- 1460억개 트랜지스터

- 23년 4분기 출시 예정

(3) GH200 (엔비디아)

- 141GB HBM3e

- 5TB/초 대역폭

- 듀얼 구성

- 24년 2분기 출시

(12) 리플로우

열을 가해서 솔더볼(범프)을 녹이고 붙이는 과정

일종의 오븐, 다아를 올린 기판을 놓으면 벨트가 움직이면서 순차로 열을 받게 함

5~7분이라는 긴 시간 동안 칩과 패키지 기판 전체가 열에 노출

-> 휘어짐 현상과 납탬이 제대로 되지 않는 현상 발생

레이저 리플로우

본딩의 종류 

HBM과 본딩의 진화

1) TC 본딩(열압착 연결)

밸류체인

- 본딩 장비 : 한미반도체

- 세라믹히터 : 미코

- 디스컴 : 피에스케이홀딩스

- 세정 장비 : 제우스

TC 본딩 : 기판 위에 정렬된 칩을 열과 압력을 가하여 연결. 300도로 가열된 세라믹 헤드로 실리콘 소자 하나를 15초간 열과 압력으로 누르고 본딩

2) MR - MUF 

SK하이닉스 5년 이상 연구개발, 세계 최초 (HBM3 적용)

1 . Micro bump 를 부착한 Chip 에 금속결합물질을 도포하여 적층

2 . 대량의 Micro bump 를 한번에 녹여 Chip과 회로 간 연결 사진

3 . Chip 과 Chip, 기판 사이의 빈 공간을 채우고 절연, 외부로부터 하는 몰딩까지 동시에 진행

MR-MUF VS TC-NCF

당 기술은 TC - NCF 와 달리, Chip 간 Gapfill 소재 (NCF)를 Bump 로 고온/가압 관통시킬 필요 없음

대기 상태로 Bonding 하므로, 1) Chip Warpage 제어와 2) Gapfill - MUF 소재가 핵심 기술임

1) Warpage 제어는 Nonwet 수율(대형불량)에, 2) MUF 소재는 Chip 간 Void 품질/신뢰성에 직결

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