반도체 기술 탐구: 차세대 패키지 기술 종합 1 - EMIB

차세대 패키지는 미세 설계와 이종 통합에 초점

 

차세대 패키지 기술은 미세 설계와 이종 Die 통합 기능에 초점을 맞춘다. 차세대 패키지 기술은 FO-WLP, 실리콘 인터포저 접근법, 3D Die 스태킹 등을 포함한다.

2017년까지만 해도 소수의 업체들이 2.5D 실리콘 인터포저 접근법을 활용하는 수준이었지만, 최근 3 년간 FO-MCM(TSMC, ASE, SPIL), EMIB(Intel), 3D-TSV(Intel) 등의 기술이 상용화됐다. 앞으로 새로운 패키지 변형들이 더욱 확산될 것이다. 향후 5년간 패키지 시장 성장 금액의 40%가 차세대 패키지에서 비롯할 전망이다.

 

 

EMIB는 이종 Die 연결을 위한 실리콘 브리지

Intel은 동일한 패키지에 여러 종류의 칩을 통합해 성능을 개선하고 시스템 기능을 확장하는데 초점을 맞추고 있다. Intel의 EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge) 기술은 이종 Die를 연결하기 위해 실리콘 인터포저를 사용하지만, 실리콘 인터포저가 FC-BGA 기판에 내장되는 점이 차이점이며, 이를 ‘실리콘 브리지’라 칭한다.

EMIB는 작고 단순하다. 보드 면적 및 패키지 높이 축소, 소비 전력 절감 등의 장점을 구현하며, 실리콘 브리지의 면적이 실리콘 인터포저보다 좁기 때문에 생산 원가를 낮출 수 있다. EMIB는 단면 구조이기 때문에 TSV 공정이 필요 없다는 점에서 2.5D 대면적 실리콘 인터포저와 비교 된다. EMIB 단면 실리콘 원가는 1센트/㎟로서, 5센트/㎟ 수준인 대면적 실리콘 인터포저보다 경쟁력이 앞선다.

아래 그림에서 보듯이 소형 실리콘 칩(EMIB)이 Die 사이에 초고밀도 Interconnect를 통합한다. EMIB를 통해 멀티 칩을 통합하면 보드 면적 및 패키지 높이 축소, 소비 전력 절감 등의 장점을 구현할 수 있다. 혹자는 EMIB를 여러 Die간 빠른 속도로 데이터를 주고 받을 수 있도록 다리를 놓는 것에 비유한다.

하나의 패키지에서 복수의 Die를 연결하기 위해 복수의 EMIB가 쓰이기도 한다.

Intel의 EMIB 기술은 Nervana CPU, FPGA, 모바일 CPU/GPU/HBM(High Bandwidth Memory), AI 및 데이터센터용 GPU 등 다수 응용처에 적용되고 있다. EMIB 기반 High-end 노트북용 프로세서(Core i7-8809G 등)가 대표 사례다. 여기에는 2,270개 I/O 를 가진 31x58.5㎜ 크기의 FC-BGA가 쓰였으며, 12~15㎛ 선폭에 5-2-5-2층 구조로 돼 있다.

Intel CPU와 AMD GPU, HBM이 통합돼 있고, GPU와 HBM이 EMIB 기술로 연결돼 있다. 이 제품은 2018 년부터 양산이 시작됐지만, 경쟁사 GPU를 사용하는 문제로 생산이 중단됐다. Intel은 여러 기종의 복수칩 통합이 요구되는 서버와 게임용 제품 중심으로 EMIB 적용을 확대하고 있다.

EMIB와 이종 Die 통합 방식 비교

EMIB 기술의 이해를 돕기 위해 다른 기종 Die를 통합하는 방식을 비교해 보면,

◎ 전통적인 Multi-Chip 패키지는 원가가 싸고, 기술이 성숙돼 있어 신뢰도가 높으며, KGD(Known Good Die)를 가려내기 용이하다. 하지만 Die와 패키지 기판간 연결 밀도와 Die와 Die간 상호연결 밀도가 상대적으로 낮은 편이다. 소비 전력도 단점이다.

◎ 실리콘 인터포저는 Die와 인터포저간 연결 밀도와 Die와 Die간 상호연결 밀도가 양호하다. 상호연결 소비 전력도 낮다. 하지만 넓은 인터포저와 TSV 공정에 따라 생산 원가가 비싸고 수율이 낮은 편이다.

◎ EMIB는 실리콘 인터포저와 마찬가지로 Die와 브리지간 연결 밀도와 Die와 Die간 상호연결 밀도가 양호하다. 실리콘 브리지의 면적이 실리콘 인터포저보다 좁기 때문에 수율이 확보되면 생산 원가를 낮출 수 있다. 다만, 현재로서는 라우팅 길이가 제한돼 있다.

 

EMIB는 칩셋을 모듈처럼 배치 가능

 

EMIB 기술에서는 각 칩셋이 CPU에 내장되지 않고 프로세서 패키지 위에 별도의 모듈처럼 배치될 수 있다. 즉 기존에는 한정된 공간을 분할해 CPU와 GPU 등을 내장하는 방식이고, 단일 공정 생산에 따라 공정 효율성과 전력 효율성이 높은 장점을 가지지만, 통합 개발에 대한 부담이 크고 내장 GPU의 성능이 부족하다는 단점이 있다.

다른 공정 및 형태의 Die 연결

이에 대해 EMIB 방식은 CPU, GPU, 기타 칩셋을 각자 개발한 뒤 패키지에서 결합할 수 있다. 예를 들어 10nm 공정에서 CPU와 그래픽 코어를 구축하고, 14nm 공정에서 저성능 부품을 유지할 수 있으며, 전원 회로 등은 22nm 공정을 고수할 수 있다.

독립형 고성능 GPU를 통합할 수 있고, 하나의 프로세서에 통합함으로써 메인보드 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 이는 폴더블 및 웨어러블 디바이스 같은 새로운 폼팩터에 유용할 것이다. 서로 다른 공정과 서로 다른 형태의 Die를 연결할 수 있기 때문에 과거에 불가능했던 초대형 칩 제조도 가능해 질 것이다.

 

서버와 게임용 제품 중심 본격 확산

Intel의 EMIB 기술은 Nervana CPU, FPGA, 모바일 CPU/GPU/HBM(High Bandwidth Memory) 등 다수 응용처에 적용되고 있다. 일례로 EMIB가 채택된 High-end 노트북용 프로세서가 2018년 2분기 부터 생산에 들어갔다. Core i7-8809G/8709G, Core i5-8705G/8305G 등 4개 모델이고, 여기에는 31x58.5㎜ 크기의 2,270 I/O FC-BGA가 쓰였으며, 12~15㎛ 회로선폭에 5-2-5+2층 구조로 돼 있다.

Intel CPU와 AMD GPU, HBM이 통합돼 있고, CPU와 HBM이 EMIB 기술로 연결돼 있다. 향후 여러 기종의 복수 칩 통합이 요구되는 서버와 게임용 제품 중심으로 EMIB 기술 채용이 본격 확대될 전망이다.

 

EMIB 내장 FC-BGA 판가 상승

패키지 기판 업계에서는 실리콘 인터포저를 장착하거나 EMIB를 내장한 FC-BGA는 층수와 면적이 증가하고, 기술적 난이도와 함께 수율 이슈가 수반되며, 별도의 생산 설비가 필요한 만큼, 판가가 높아지는 계기가 된다. 물론 선두권 업체들은 높은 부가가치를 누릴 것이다. 여러 Die를 통합하는 만큼 FC-BGA 면적이 넓어질 것이다.

https://youtu.be/MeMMqhLB61g

출처: 키움증권, IHS markit, Ibiden, Intel, Prismark

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반도체 기술 탐구: 차세대 패키지 기술 종합 2 - 인터포저

 

 

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