반도체 기술 탐구: 5G와 패키지 기판

5G 환경 차세대 패키지 기술 광범위 확산

 

5G 환경에서는 고속 및 대용량 데이터 처리를 위해 차세대 패키지 기술이 광범위하게 확산될 것이다. 클라우드 서비스를 위해 데이터센터용 CPU 수요가 증가하고, ADAS와 인공지능 학습을 위해서는 GPU용 패키지 수요가 증가할 것이다.

 

 

 

5G용 AiP 부각

 

아울러 5G 보급과 함께 Antenna-in-Package(AiP)를 주목할 필요가 있다. AiP는 송수신칩과 필터류, 전력 증폭기 등의 부품과 Baseband까지 포함하는 패키지에 안테나를 통합한 패키지다. AiP는 패키지나 모듈 내에서 연결성을 제공하기 위해 사용되며, 5G, WiGig, Radar처럼 고주파 영역에서 필수적이다.

 

mmWave처럼 28~80GHz 초고주파 영역에서는 송수신칩과 안테나가 매우 약한 신호의 감쇠를 막기 위해 근접해 있다. 게다가 RF 신호는 직진성이 뛰어나 사용자 신체에 의해서도 쉽게 차단되기 때문에, 5G 스마트폰에서는 여러 안테나가 스마트폰 둘레에 서로 다른 방향을 가리키도록 배치돼야 한다.

 

그 결과 휴대폰 가장자리에 배치할 수 있고, 메인 기판의 Baseband에 연결될 수 있는 소형 안테나 모듈이 개발됐다. 각 안테나 모듈에는 송수신칩, 필터링과 증폭을 위한 RF Front end 부품, 다중 요소 안테나 등이 포함돼 있다.

 

5G 스마트폰에서는 RF SiP가 주파수 대역만큼 복잡성이 증가해 더 높은 층수의 기판을 채택하게 되고, 신규 mmWave 안테나와 AiP 모듈이 중요한 수요처가 될 것이다.

 

5G 이전에도 더 많은 기능이 더 적은 수의 SiP 모듈로 통합돼 왔다. 부품 수는 지속적으로 증가하는데, 배터리를 고려해 메인보드 면적을 줄이기 위해 SiP가 대안으로 활용된다. 특히 RF Front end(전단 부; 필터, 스위치, 전력 증폭기, 안테나 등 포함) SiP 모듈이 다양한 필터류와 부품들을 통합하고 있다.

 

 

Sub-6와 mmWave 구조 차이

 

5G 유형에 따라 스마트폰 구조가 달라진다. Sub-6도 새로운 5G 칩셋과 RF Front end가 필요하지만, 부품과 패키징 기술이 기존 4G의 연장선상에 있다. 이에 따라 Baseband, Transceiver(송수신칩), RF 모듈 등에서 4G 부품과 통합이 빠르게 진 행되고 있다.

 

이에 반해 mmWave는 초고주파의 강한 직진성과 높은 감쇠 특성 때문에 부품과 패키징 기술의 상당한 변화가 요구된다. Baseband 기능은 기존 2G/3G/4G 칩과 통합되고 있지만, Transceiver와 안테나는 한동안 4G 부품과 분리돼 존재할 것이다. 별도의 mmWave AiP(Antenna-in-Package) 모듈이 반드시 필요하다는 말이다. mmWave폰의 원가가 비싼 주요 원인이다.

 

 

 

mmWave는 AiP 모듈 필수

 

mmWave AiP 모듈은 Transceiver와 안테나를 통합하기 위해 사용된다. 초고주파 영역에서는 Transceiver와 안테나가 신호의 감쇠를 막기 위해 근접해 있어야 한다. 또한 RF 신호는 직진성이 뛰어나 사용자 신체에 의해서도 쉽게 차단되기 때문에, 여러 안테나가 스마트폰 둘레 에 서로 다른 방향을 가리키도록 배치돼야 한다. mmWave 스마트폰에서는 통상 2~4개의 AiP 모듈이 배치되고 있다.

 

 

Qualcomm은 14층, Apple은 16층 AiP 채용

 

현재 대부분의 mmWave AiP 모듈은 Qualcomm의 칩셋과 디자인을 이용한다. Transceiver를 PCB 안테나 구조에 연결하기 위해 복잡한 14층짜리 기판이 사용된다. 이 중 7층은 Flip chip Die를 라우팅하기 위해 고집적 층으로 제작되고, 나머지 7층은 안테나 구조를 위해 저집적 층으로 제작된다.

 

그런가 하면, Apple의 아이폰 12 Pro는 측면 mmWave AiP 모듈에 Qualcomm의 Transceiver와 Power칩을 사용했지만, 자체적인 모듈 디자인을 채택했다. 이유는 모듈의 두께 때문으로 해석된다. Qualcomm의 AiP 모듈의 폭은 4.2mm이며, 이 폭이 스마트폰의 두께를 좌우한다. Apple은 16층짜리 기판을 사용함으로써 모듈의 폭을 3.7mm로 줄였다. 8층은 Flip chip Die 라우팅을 위해 고집적 층으로 제작되고, 8층은 안테나 구조를 위해 저집적 층으로 제작됐다. 고집적 층의 회로선폭은 40㎛ 수준 이다.

 

아이폰 12 Pro의 후면 mmWave 안테나도 독특한데, 역시 두께를 고려한 결정으로 보인다. Qualcomm의 후면 AiP 모듈은 두께가 1.9mm이고, 메인보드에 부착된다. 이에 비해 Apple은 8층짜리 기판으로 제작된 수동 안테나를 분리해 메인보드 후면에 장착했고, mmWave Transceiver, PMIC, 수동소자를 포함한 별도의 mmWave 모듈에 의해 구동되도록 했다. 아이폰 12 Pro 시리즈에는 2개의 수동 mmWave 안테나를 포함해 3개의 AiP가 탑재된다.

 

출처: Prismark, 키움증권, Qualcomm, Ibiden

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/274

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