삼성전자, 차세대 반도체 패키지 기술 'I-Cube4' 개발

로직과 HBM 4개 한 패키지에 구현…하나의 반도체처럼 동작

2.5D 반도체 패키지 솔루션 확대...다양한 응용처 적용 확대

삼성전자 차세대 반도체 패키지 기술 'I-Cube4'.ⓒ삼성전자

삼성전자는 로직 칩과 4개의 고대역폭 메모리(HBM·High Bandwidth Memory) 칩을 하나의 패키지로 구현한 독자 구조의 2.5D 패키지 기술 'I-Cube4'를 개발했다고 6일 밝혔다.

I-Cube(Interposer-Cube)는 삼성전자가 선보인 독자적인 2.5D 패키지 솔루션 브랜드로 I-Cube 뒤에 붙는 숫자는 HBM 칩의 개수를 의미한다. HBM은 고대역폭 메모리 규격으로 데이터를 읽고 쓰는 속도에 따라 세대별로 HBM, HBM2, HBM2E, HBM3 등으로 구분된다.

2.5D 패키지 기술은 인터포저(Interposer)를 이용해 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU) 등 로직 칩과 메모리 칩(HBM 등)을 모두 1개의 패키지 안에 배치해 성능은 높이는 한편 패키지 면적은 줄이는 기술이다.

인터포저는 집적회로(Integrated Circuit·IC) 칩과 인쇄회로기판(PCB) 사이에 추가적으로 삽입하는 미세회로 기판이다. 중간 수준의 배선을 구현해 칩과 기판을 물리적으로 연결해주고 상호간의 회로 폭 차이를 완충시키는 역할을 한다.

'I-Cube4(Interposer-Cube4)'는 고대역폭 데이터 전송과 고성능 시스템 반도체를 요구하는 고성능컴퓨팅(HPC·High Performance Computing), 인공지능(AI)·클라우드 서비스, 데이터센터 등을 중심으로 폭넓게 활용될 것으로 회사측은 기대하고 있다.

'I-Cube'는 실리콘 인터포저 위에 CPU와 GPU 등의 로직과 HBM을 배치해 하나의 반도체처럼 동작하도록 하는 이종 집적화(Heterogeneous Integration) 패키지 기술이다.

이를 통해 복수의 칩을 1개의 패키지 안에 배치해 전송 속도는 높이고 패키지 면적은 줄일 수 있다.

삼성전자는 'I-Cube4'에 실리콘 인터포저(Si-Interposer)를 적용해 초미세 배선을 구현했으며 반도체 구동에 필요한 전력도 안정적으로 공급할 수 있도록 했다.

일반적으로 패키지 안에 실장하는 반도체 칩이 많아질수록 인터포저의 면적도 함께 증가해 공정상의 어려움도 커진다.

삼성전자는 100마이크로미터(㎛·100만분의 1ｍ) 수준의 매우 얇은 인터포저가 변형되지 않도록 재료와 두께 등 다양한 측면에서 반도체 공정·제조 노하우를 적용했다.

또 'I-Cube4'에 몰드(Mold)를 사용하지 않는 독자적인 구조를 적용해 열을 효율적으로 방출하도록 했다.

몰드는 패키지 공정 중 발생 가능한 습기·진동·충격으로부터 칩을 보호하기 위해 열경화성 수지를 사용하여 칩을 감싸는 소재다. 삼성전자는 I-Cube에 몰드 공정이 필요 없는 독자 구조를 적용해 우수한 열 방출 특성을 확보했다.

아울러 삼성전자는 패키지 공정 중간 단계에서 동작 테스트를 진행해 불량을 사전에 걸러내고 전체 공정 단계를 줄여 생산 기간을 단축했다고 강조했다.

강문수 삼성전자 파운드리사업부 마켓전략팀 전무는 "고성능 컴퓨팅 분야를 중심으로 차세대 패키지 기술의 중요성이 높아지고 있다"며 "'I-Cube2' 양산 경험과 차별화된 'I-Cube4' 상용화 기술 경쟁력을 기반으로 HBM을 6개, 8개 탑재하는 신기술도 개발해 시장에 선보이겠다"고 말했다.

한편, 삼성전자는 지난 2018년 로직과 2개의 HBM을 집적한 'I-Cube2' 솔루션을 선보였으며 2020년에는 로직과 S램(SRAM)을 수직 적층한 'X-Cube' 기술을 공개하며 차세대 패키지 기술도 차별화하고 있다.

삼성전자 차세대 반도체 패키지 기술 'I-Cube4' 인포그래픽.ⓒ삼성전자