[반도체 후공정] 차세대 패키징 CoWoS 기술이란?

 

 

 

 

차세대 패키징 CoWoS 기술이란? (느낌이블로그)

 

 

 

요즘 어드밴스드 패키징(Advanded Packaging) 기술들이 반도체 업계에서 뜨거운 감자입니다.

 

선단공정의 한계가 점점 다가오는 현 시점에서 후공정의 중요도는 훨씬 더 커지고 있죠.

 

삼성 파운드리가 TSMC에게 애플 물량을 뺐긴 가장 큰 이유도 당시 반도체 패키징 기술력의 차이였습니다.

 

그렇다면 TSMC의 반도체 패키징 기술력은 어느정도의 수준인지, 향후 패키징 기술 발전 방향은 어떤지 알아보겠습니다.

 

 

 

TSMC의 어드밴스드 패키징, CoWoS 기술

 

1) 반도체 패키징은 가공이 끝난 실리콘 웨이퍼에서 자른 칩을 포장하는 작업으로 각종 불순물과 충격으로부터 칩을 보호하고 메인 보드와 칩 사이의 신호를 원활하게 교류할 수 있도록 재배선하는 공정임.

2) 보통 반도체를 패키징할 때는 완성된 다이에 PCB를 칩 아래에 부착하여 재배선(RDL) 과정을 거치나, CoWoS는 메모리와 로직반도체를 실리콘 기반 인터포저라는 판에 한 번에 올리는 방법을 쓰고있음.

 

3) 인터포저 위에는 메모리와 로직 반도체를 평면 또는 수직으로 쌓기도 하며, 이 패키징 구조는 2D와 3D가 합쳐진 형태라 보통 2.5D 패키지 기술로 지칭함.

 

4) 따라서 CoWoS 역시 기존 2.5D 패키지 기술의 특성을 그대로 가지고 있으며, 2D 패키지처럼 칩이 수평 방향으로 배열되는 동시에 3D 패키지와 마찬가지로 속도 제한 없이 상호 연결이 가능함.

 

 

5) 게다가 CoWoS 기술은 기존 패키징 기술보다 반도체 간 거리가 가깝기 때문에 실장 면적이 줄고, 많은 양의 배선을 설치할 수 있어서 각 칩간 신호 전달 속도가 빨라질 수 있음.

 

6) 앞서 말한대로 CoWoS 의 핵심은 각 칩을 마치 하나의 다이처럼 연결해주는 실리콘 인터포저이며, 인터포저는 반도체 칩의 일종이지만 어떠한 로직 기능 없이 신호 연결만을 담당하는 게 특징임.

 

7) 또한 인터포저는 패키지 기판 대비 미세 회로 구현이 가능해 2.5D 패키지 내에서 각 칩을 연결하는데 사용되나, 두께가 100μm 수준으로 얇아 대면적으로 갈수록 공정 난이도가 높아져 가격이 비쌈.

 

 

8) 그러나 TSMC는 CoWoS를 팬아웃웨이퍼레벨패키지(FoWLP) 기술인 InFO와 함께 3D 패키지로 분류하고 있음.

 

9) CoWoS 기술은 각 칩을 어떤 방식으로 연결하느냐에 따라 CoWoS-S, CoWoS-R, CoWoS-L 3 단계로 구분함.

 

10) 참고로 작년 애플 M1 울트라 제조에 사용한 기술은 각 칩 연결에 풀사이즈 인터포저만을 사용하는 CoWoS-S 방식이며, M1 울트라는 기존 M1 맥스 2개를 CoWoS-S 기술로 이어 붙여 만듦.

 

 

11) CoWoS-S는 데이터 통신 속도는 가장 빠르지만 대면적 인터포저 탓에 제조단가는 가장 비싸며, 이에 비해 CoWoS-R과 CoWoS-L은 CoWoS의 가성비 버전임.

 

12) CoWoS-R은 고가의 인터포저 대신 재배선층(RDL)을 배치해 칩들을 연결하는 방식이며, 통신 속도는 CoWoS-S 대비 느리고 CoWoS-L은 칩 전체를 덮는 풀사이즈 인터포저 대신 LSI 라는 소형 인터포저를 사용함.

 

13) 이러한 CoWoS 반도체 패키징 기술은 고성능컴퓨팅 업계에서 주목받고 있으며, TSMC는 이 기술을 지속적으로 발전시켜 고객사 칩 양산에 적용하고있음.

 

14) 또한 기술이 발전하면서 인터포저 크기도 늘어나고 있으며, 2012년 TSMC가 처음으로 이 기술을 소개했을 때 인터포저 면적은 800㎟에 불과했었으나 현재 3배 이상의 크기 구현이 가능함.

 

 

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TSMC는 어떻게 갑이 될 수 있었을까?

 

1) 최근들어 빅테크 기업들의 AI 기술 경쟁이 급격하게 늘어나면서 전 세계가 엔비디아의 GPU를 구매하려고 난리지만, 공급이 모자란 이유는 엔비디아가 아닌 TSMC 때문임.

 

2) Chat GPT용 GPU인 엔비디아의 A100, H100은 TSMC가 전량 제작하는데, 근래 TSMC는 엔비디아의 요청에 따라 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate) 패키징 생산능력을 늘리기로 결정했음.

 

3) TSMC는 올해 엔비디아 AI 반도체 주력상품 H100 물량 약 55만대를 단독 생산할 것으로 추정되고 있으며, H100은 한 대에 4만 달러 안팎에 판매되는 고가 반도체임.

 

 

4) 이렇게 TSMC의 CoWoS 패키징 기술 앞에서는 엔비디아마저도 을인 셈이며, 엔비디아 뿐만 아니라 애플, AMD 모두 TSMC 없이는 자사의 하이앤드 제품을 만들 수 없는 상황임.

 

5) TSMC의 독보적인 패키징 기술은 지난해 삼성전자가 TSMC보다 먼저 3nm 공정 양산에 성공했음에도 불구하고 엔비디아를 포함한 글로벌  빅테크 거물들이 여전히 TSMC의 파운드리 생산라인만 바라보게 만들었음.

 

6) 결국 인공지능 반도체 시장이 급성장하여 엔비디아의 독주 체제가 이어질수록 자연히 엔비디아 제품을 독점 위탁생산하고 있는 TSMC의 실적도 더욱 돋보일 것으로 전망임.

 

 

5) 이전에 애플이 삼성파운드리를 버리고 TSMC에 칩 생산을 맡긴 배경에는 경쟁사라는 명분도 있었지만, 실질적 이유는 패키징 기술력에서의 차이가 너무 컸기 때문임.

 

6) 결국 삼성전자도 패키징 기술을 개발하기 위해 AVP사업팀 부사장으로 TSMC 출신의 린징청을 영입하는 등 조직개편까지 진행하면서 TSMC와의 패키징 전면전을 선포했음.

 

 

 

삼성전자는 TSMC를 따라잡기 위해 무엇을 하고 있나?

 

1) 삼성은 TSMC의 CoWoS를 뛰어넘기 위해 I-Cube 및 X-Cube 패키징 기술을 개발 중이며, 여러 개의 칩을 수직으로 쌓는 3D 패키징 분야에 집중하고 있음.

 

2) 삼성전자는 2021년 I-Cube(아이큐브)라고 명명한 2.5D 패키징 기술을 선보였으며, 이는 2.5세대는 얇은 인터포저를 사용해 GPU와 HBM을 묶는 기술로 TSMC 의 CoWoS 와 유사한 방식임.

 

3) 다만 삼성전자는 성능별로 공정을 세분화해 비용 절감에 초점을 맞춘 서비스를 제공하겠다는 전략을 세웠으며, 로직칩과 8개의 HBM을 구현한 I-CUBE8 과 12개의 HBM을 통합한 I-CUBE 12를 개발할 계획임.

 

 

4) 최근 이재용 삼성전자 회장은 삼성전자 천안·온양캠퍼스를 여러번 찾아 HBM, 웨이퍼 레벨 패키지(WLP) 등 첨단 패키징 기술이 적용된 생산라인을 둘러봤으며, 이는 삼성 반도체의 명운이 패키징 기술에 달렸음을 보여주는 증거임.

 

5) 그나마 삼성전자는 메모리 사업부와 파운드리 사업부 모두를 가지고 있어 이종접합 칩을 처음부터 끝까지 생산해낼 수 있으며, 향후 고객사로부터 턴키 수주 가능성도 있음.

 

6) 하지만 삼성전자는 SK하이닉스 대비 뒤처진 고대역폭메모리(HBM) 분야에서 TSMC가 증설을 마무리하기 전에 엔비디아가 요구하는 HBM 성능과 스펙을 맞춰 양산부터 성공해야함.

 

7) 삼성전자는 지난 2015년 고대역폭 메모리 HBM2 출시를 시작으로 2018년 I-큐브(2.5D), 2020년 X-큐브(3D) 등 패키징 적층기술을 선보였었음.

 

8) 추가적으로 삼성전자는 더 많은 데이터를 처리할 수 있는 마이크로범프(u-Bump)형 X-큐브를 2024년까지 양산할 계획이며, 2026년에는 범프리스형 X-큐브를 선보일 것으로 예상됨.

 

 

9) 삼성전자는 현재 엔비디아에게 엔터프라이즈용 그래픽처리장치(GPU)에 들어가는 고대역폭메모리3(HBM3)와 2.5D 패키지를 턴키로 공급 하겠다는 제안을 제시한 상태임.

10) 현재 엔비디아의 파운드리 전공정은 TSMC의 선단공정이 담당하고 있으며, HBM3는 SK하이닉스가 100% 공급중이고 패키징은 앞서 말한대로 TSMC의 CoWoS 임.

 

11) 보통 업계에선 TSMC의 첨단 패키징 연구 수준이 삼성보다 10년 이상 빠르다고 평가하고 있으며, TSMC는 지난해 기준 16곳의 패키징 관련 파트너사를 확보한 반면 삼성은 이제 막 패키징 협의체를 구성한 상태임.

 

12) 항후 AI 관련 고성능 컴퓨팅 수요 증가와 모바일 및 자율주행용 고성능 SoC의 수요 증가를 기반으로 삼성전자는 GAA 바탕의 3nm 공정 완성도를 높이면서 신규 공장을 통한 고객사 확보에 집중해야함.