AI 워크로드의 높은 대역폭 요구 사항으로 인해 반도체 제조업체들은 2.5D 및 3D 패키지로 향하고 있다. 이 패키지에서는 여러 다이 또는 칩렛을 작은 면적에 높은 연결 밀도로 집적한다. 그러나 연결 수를 늘리는 것만으로 성능 문제가 해결되지는 않는다. 반대로 패키지 내부의 열 관리, 기계적 응력, 일렉트로마이그레이션을 관리하기가 더 어려워진다.
2026년 8월 20일 Semiconductor Engineering에 게재된 분석은 이러한 과제를 해결하는 데 있어 인터포저(Interposer)의 역할에 초점을 맞췄다. 이 분석은 재료의 열팽창, 패키지 변형, 재배선층의 손상, 그리고 구리의 미세구조가 배선 수명에 미치는 영향을 다룬 연구 결과를 검토한다.
업계는 왜 2.5D로 향하는가?
3D 패키지는 하이브리드 본딩과 실리콘 관통 비아(TSV)를 사용해 다이를 수직으로 적층함으로써 가능한 가장 높은 연결 밀도를 구현한다. 그러나 이러한 긴밀한 집적은 정렬, 테스트, 신뢰성 측면에서 큰 과제를 제기한다. 또한 능동 소자의 부피가 열을 방출할 수 있는 가용 면적보다 빠르게 증가하기 때문에 열 방출도 더 어려워진다. 온도가 상승하면 TSV가 팽창하고, 이어서 층 사이에 균열이나 박리를 일으키는 응력이 발생할 수 있다.
반면 2.5D 패키지는 수동 인터포저 위에 다이를 배치하고, 여러 다이 사이 또는 다이와 패키지 기판 사이에서 신호를 재분배한다. 이 인터포저에는 일반적으로 배선과 경우에 따라 커패시터 및 저항이 포함되지만, 트랜지스터나 기타 스위치는 포함되지 않는다. 따라서 제조 및 모델링 측면에서 능동 회로보다 단순하며, 3D 패키지의 신뢰성 문제 일부를 피할 수 있다.
그러나 인터포저가 수동 부품이라는 사실이 설계가 쉽다는 뜻은 아니다. 인터포저는 연결과 기계적 지지를 제공하고 열 방출에도 기여해야 하며, 패키지는 열팽창 계수(CTE)가 크게 다른 재료로 구성된다. 실리콘과 구리는 상대적으로 낮은 열팽창 계수를 보이는 반면, 패키지 기판, 몰딩 컴파운드, 유기 언더필(Underfill) 재료는 더 큰 폭으로 팽창한다.
열 변형은 단순한 형태로 나타나지 않는다
제조 과정에서 패키지가 가열 및 냉각되거나 작동 중 저항 발열이 발생하면 층마다 서로 다른 속도로 팽창하고 수축한다. 단일 다이를 포함한 패키지에서는 이러한 거동을 상대적으로 쉽게 모델링할 수 있지만, 작동 중 열은 균일하게 분포하지 않는다. 열 분포는 다이 내부의 신호 경로와 동작 패턴에 따라 달라진다.
여러 다이를 집적하면 복잡성은 증가한다. 인접한 두 다이가 인터포저와 그 아래 기판에 서로 반대 방향의 응력을 발생시킬 수 있으며, 그 결과 단순한 오목 또는 볼록 굽힘이 아니라 안장과 유사한 변형 형태가 나타날 수 있다. 또한 좌굴을 방지하기 위해 특정 영역을 강화하면 응력이 제거되는 대신 다른 영역으로 이동할 수 있다. 결국 인터포저와 기판 사이의 접합부가 파손되거나 재배선층(RDL)이 박리될 수 있다.
서울대학교의 Hakjun Kim과 동료들은 열기계적 파손이 2.5D 패키지 신뢰성에서 가장 어려운 과제 중 하나라고 밝혔다. 또한 South China University of Technology의 Ming-Sheng Luo와 연구팀은 두 개의 다이와 세 개의 재배선층을 포함하는 모델에서 다이 사이의 거리와 인터포저와 몰딩 컴파운드 사이의 접합부를 파손에 취약한 영역으로 확인했다. 더 큰 패키지의 경우 연구진은 응력 균형을 위해 더미 다이, 즉 비어 있는 실리콘 다이를 사용할 것을 제안했다.
문제는 열에만 국한되지 않는다. 수분 흡수로 인해 재료가 서로 다른 속도로 팽창할 수 있으며, 재료의 습도에 따른 거동이 반드시 열에 따른 거동과 일치하는 것도 아니다. 이는 특히 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키지(Fan-Out Wafer-Level Package)에서 신뢰성 모델에 또 다른 부하를 추가한다.
구리 배선의 일렉트로마이그레이션
패키지 내부의 전류 밀도가 증가하면서 일렉트로마이그레이션은 연결부 고장의 더욱 중요한 원인이 되고 있다. 이 현상은 높은 전류가 금속 원자를 점진적으로 이동시킬 때 발생하며, 그 결과 배선에 보이드나 손상이 생길 수 있다.
National Yang Ming Chiao Tung University의 Yi-Quan Lin과 동료들은 전해 도금 공정으로 제작된 구리 배선의 결정 구조가 미치는 영향을 연구했다. 연구 결과, 나노결정 구조를 가진 구리는 일렉트로마이그레이션에 대한 민감도가 높아질 수 있는 것으로 나타났다. 이는 결정립계가 확산을 쉽게 하기 때문인 것으로 보인다. 반면 나노 트윈 구리는 특히 열처리 후 강한 (111) 결정학적 텍스처와 높은 비율의 일관된 쌍정 경계를 보였으며, 이는 산화물과 보이드의 형성을 억제하는 데 도움이 됐다.
ASE Group과 관련된 또 다른 연구는 작동 중 검사한 RDL 구조에서 결정립이 더 작은 배선이 결정립이 더 큰 배선보다 약 7배에 이르는 수명을 보였다고 밝혔다. 이는 미세구조를 제어하는 것이 합금 첨가물이나 트렌치 내부의 절연층에만 의존하지 않고 신뢰성을 개선하는 방법이 될 수 있음을 시사한다. 후자의 해결책은 회로 저항이나 제조 복잡성을 높일 수 있다.
실제로 무엇이 달라지는가?
인터포저 설계를 신호 밀도나 경로 길이만으로 평가하는 것은 충분하지 않다. 재료 선택, 다이 배치, 층 두께, 구리 구조, 연결부 위치는 모두 열 경로와 응력, 패키지 수명에 영향을 미친다. 한 영역의 변형을 줄이는 해결책이 다른 영역의 박리 위험을 높이는 원인이 될 수도 있다.
이 때문에 연구자들은 딥러닝 기반 대체 모델로 향하고 있다. 유한요소 시뮬레이션은 개별 영역을 정밀하게 연구할 수 있지만, 복잡한 패키지의 모든 영역과 층에 적용하면 계산 비용이 커진다. 초기 결과는 다중 스케일 딥러닝 모델이 각 경우마다 유한요소 분석을 다시 수행해야 할 필요를 줄이고, 더 큰 규모에서 변형과 비선형 거동을 예측할 수 있는 실용적인 경로를 제공할 수 있음을 보여준다. 이러한 모델이 물리 시뮬레이션을 없앤다는 뜻은 아니다. 대체 모델로 작동해 설계 탐색을 가속하고 더 상세한 분석이 필요한 경우를 선별할 수 있다.