2.5D Packaging

1. Definition: What is 2.5D Packaging?

2.5D Packaging는 반도체 집적 회로(IC)를 설계하고 제작하는 데 사용되는 혁신적인 기술로, 여러 개의 칩을 수평적으로 배치하여 하나의 패키지로 통합하는 방식입니다. 이 기술은 주로 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI), 데이터 센터, 그리고 모바일 디바이스와 같은 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 2.5D Packaging의 주요 역할은 칩 간의 연결성을 극대화하고, 전력 소모를 최소화하며, 공간 효율성을 향상시키는 것입니다.

2.5D Packaging는 기존의 2D 패키징 기술에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 칩 간의 물리적 거리가 줄어들어 신호 전송 지연(latency)을 감소시킵니다. 이는 특히 고속 데이터 전송이 필요한 응용 프로그램에서 중요한 요소입니다. 둘째, 여러 개의 기능을 가진 칩을 하나의 패키지에 통합함으로써 시스템의 복잡성을 줄이고, 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 셋째, 2.5D Packaging는 고속 데이터 전송을 위한 고밀도 인터커넥트(interconnect)를 지원하며, 이는 전통적인 패키징 기술에서는 구현하기 어려운 부분입니다.

이 기술은 또한 Through-Silicon Via (TSV)와 같은 고급 인터커넥트 기술을 활용하여, 칩 간의 직접적인 연결을 가능하게 합니다. 이러한 접근 방식은 데이터 전송 속도를 높이고, 전력 소모를 줄이는 데 큰 기여를 합니다. 따라서 2.5D Packaging는 디지털 회로 설계에서 필수적인 요소로 자리 잡고 있으며, 지속적으로 발전하고 있는 분야입니다.

2. Components and Operating Principles

2.5D Packaging의 구성 요소 및 작동 원리는 여러 단계로 나뉘어 설명할 수 있습니다. 이 기술의 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다:

Interposer: Interposer는 칩이 장착되는 중간 기판으로, 여러 개의 칩을 연결하는 역할을 합니다. 이 기판은 일반적으로 실리콘으로 제작되며, TSV를 통해 칩 간의 전기적 연결을 제공합니다. Interposer는 신호 전송 경로를 최적화하고, 전력 분배를 효율적으로 관리하는 데 중요한 역할을 합니다.
Chips: 2.5D Packaging에서는 여러 개의 칩이 하나의 패키지에 통합됩니다. 각 칩은 특정 기능을 수행하며, 서로 다른 기술 노드에서 제조될 수 있습니다. 이러한 다양한 칩의 조합은 시스템의 성능을 극대화하는 데 기여합니다.
TSV (Through-Silicon Via): TSV는 칩과 interposer 간의 수직적 연결을 제공하는 기술로, 전기적 신호와 전력을 전달하는 데 사용됩니다. TSV는 높은 데이터 전송 속도를 지원하며, 전력 소모를 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다.
Packaging Materials: 패키징 재료는 신호 전송 및 열 관리를 최적화하는 데 매우 중요합니다. 일반적으로 사용되는 재료로는 FR-4, 폴리이미드, 그리고 금속 기판 등이 있습니다. 이러한 재료는 각기 다른 열 전도율과 전기적 특성을 가지고 있어, 응용 분야에 따라 적절한 선택이 필요합니다.
Thermal Management Solutions: 2.5D Packaging에서는 여러 개의 칩이 밀집되어 있기 때문에, 열 관리가 필수적입니다. 이를 위해 열전도성이 높은 재료를 사용하거나, 액체 냉각 시스템과 같은 고급 열 관리 솔루션을 도입할 수 있습니다.

이러한 구성 요소들은 상호작용하여 2.5D Packaging의 전반적인 성능을 향상시킵니다. 각 칩에서 발생하는 데이터는 interposer를 통해 빠르게 전달되며, TSV를 통해 서로 연결된 칩 간의 통신이 이루어집니다. 이러한 구조는 고속 데이터 전송을 가능하게 하고, 시스템의 전반적인 효율성을 높이는 데 기여합니다.

2.1 Interposer의 상세 분석

Interposer는 2.5D Packaging의 핵심 구성 요소 중 하나로, 여러 개의 칩을 통합하는 데 필수적인 역할을 합니다. Interposer는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다:

High Density Interconnect (HDI): Interposer는 고밀도의 전기적 연결을 제공하여, 칩 간의 데이터 전송 속도를 극대화합니다. HDI는 여러 층의 배선 구조를 통해 구현되며, 이는 작은 공간에서 많은 신호를 전송할 수 있도록 합니다.
Electrical Performance: Interposer는 전기적 성능을 최적화하기 위해 설계되었습니다. 이는 신호의 왜곡을 최소화하고, 전송 지연을 줄이는 데 기여합니다.
Thermal Performance: Interposer는 열 관리에도 중요한 역할을 합니다. 열 전도성이 높은 재료로 제작되어, 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시키는 기능을 합니다.

2.5D Packaging는 여러 관련 기술과 비교할 수 있습니다. 이 기술은 2D 패키징 및 3D 패키징과의 비교가 특히 유의미합니다.

2D Packaging: 전통적인 2D 패키징 기술은 단일 칩을 패키징하는 방식으로, 여러 개의 칩을 통합하는 데 한계가 있습니다. 2D 패키징은 공간 효율성이 떨어지며, 칩 간의 연결성이 제한적입니다. 반면, 2.5D Packaging는 여러 칩을 수평적으로 배치하여 연결성을 극대화하고, 성능을 향상시킵니다.
3D Packaging: 3D 패키징은 칩을 수직적으로 쌓아 올리는 방식으로, 공간 효율성을 극대화하는 데 유리합니다. 그러나 3D 패키징은 제조 공정이 복잡하고, 열 관리가 어려운 단점이 있습니다. 2.5D Packaging는 이러한 단점을 보완하며, 칩 간의 전기적 연결이 용이하여 신호 전송 속도가 빠릅니다.
System-in-Package (SiP): SiP는 여러 개의 IC를 하나의 패키지에 통합하는 기술로, 2.5D Packaging와 유사한 점이 많습니다. 그러나 SiP는 칩 간의 연결성이 상대적으로 떨어지며, 성능 면에서 2.5D Packaging에 비해 한계가 있습니다. SiP는 주로 소형 디바이스에 적합합니다.

이러한 비교를 통해 2.5D Packaging의 장점이 부각됩니다. 높은 연결성, 공간 효율성, 그리고 성능 향상은 2.5D Packaging의 주요 특징이며, 이는 다양한 응용 분야에서의 경쟁력을 높이는 데 기여합니다.

4. References

IEEE Solid-State Circuits Society
International Society for Hybrid Microelectronics (ISHM)
Semiconductor Industry Association (SIA)
Advanced Packaging Conference (APC)
Companies such as Intel, AMD, and TSMC that are actively involved in 2.5D Packaging technology.

5. One-line Summary