[토토 사이트 커뮤니티 김언한 기자] 반도체 패키징의 세대 교체가 임박했다. 삼성전자와 대만 TSMC가 하이브리드 본딩을 적용한 3D 패키징에서 맞붙는다.

12일 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 TSMC는 시스템온인티그레이티드칩(SoIC)이라는 패키징 서비스에서 애플, 브로드컴, 엔비디아 등 4곳의 대형 고객사를 확보했다. SoIC는 TSMC의 어드밴스드(첨단) 패키징 브랜드 중 하나다.

2.5D 패키징이 메모리칩과 로직칩(논리 연산을 수행하는 칩)을 수평 배열한다면 SoIC는 이를 수직으로 적층하는 3D 패키징이다. 칩 간 연결통로의 일종인 '범프'를 없애기 위해 하이브리드 본딩이 사용된다.

하이브리드 본딩은 칩과 기판의 연결통로인 범프(가교)를 없애고 구리(Cu)로 직접 연결하는 차세대 본딩 기술이다. 기존 방식 대비 입·출력(I·O) 수를 획기적으로 늘릴 수 있다. I·O가 늘어나면 그만큼 데이터처리 속도가 빨라진다.

SoIC를 처음 사용한 고객사는 AMD다. TSMC는 AMD의 AI 가속기 MI300 시리즈에 SoIC와 2.5D 패키징 기술 '칩온웨이퍼온서브스트레이트(CoWoS)'를 혼합해 적용했다.

TSMC의 SoIC 생산능력(캐파)은 올해 말 웨이퍼 기준 월 2000장에서 2027년 1만장까지 확대될 전망이다. 이 패키징은 현재 대만 주난(Zhunan)에 있는 공장에서 이뤄진다. TSMC는 대만 자이(Chiayi)에 짓고 있는 공장에서도 SoIC 패키징을 할 계획이다.

삼성전자도 올해부터 3D 패키징인 '세인트(SAINT)'의 고객사를 확보하는 데 힘을 싣는다. S램을 로직 위에 올리는 형태의 SAINT-S의 기술 검증을 이미 완료했다.

로직 위에 D램을 올리는 SAINT-D, 로직과 로직을 위아래로 연결하는 SAINT-L 등도 갖췄다. 삼성전자는 이를 위해 하이브리드 본딩을 도입할 전망이다.

이 기술들은 모두 AI 시대를 겨냥한 것이다. 생성형 AI를 일상적으로 활용하려면 데이터 처리 속도가 지금보다 획기적으로 빨라져야 한다. 칩을 칩 위에 바로 올리면 칩 사이 거리가 수평 배열 방식보다 짧아져 전기적 특성도 우수하다.

이 패키징이 적용된 반도체는 데이터센터, 온디바이스 AI를 지원하는 전자기기 등에 폭넓게 사용될 전망이다. 시장조사업체 욜인텔리전스는 어드밴스드 패키징 시장이 2022년 443억달러에서 2028년 786억달러 규모에 이를 것으로 관측했다. AI가 어드밴스드 패키징 수요를 이끌게 된다.

업계 관계자는 "지금은 AI 반도체 수요가 전체 반도체 출하량에 막대한 영향을 주는 단계는 아니다"면서 "하지만 AI가 기술의 중심으로 이동할수록 전체 반도체 산업이 받는 영향은 점점 커질 수밖에 없다"고 말했다.

다만 3D 패키징의 경우 칩 위에 칩을 올리는 것인 만큼 발열 문제를 어떻게 해결할 것이냐가 숙제로 떠오를 수 있다. 로직에서 발생한 열이 메모리에 전달될 수 있기 때문이다. 발열은 반도체의 신뢰성과 내구성을 떨어뜨려 완성품의 품질 문제로 이어질 수 있다.

업계 관계자는 "메모리반도체의 온도 범위 기준을 좀 더 폭넓게 변경하거나 전체 설계에서 방열을 강화하는 쪽으로 고민하게 될 것"이라고 말했다.