첨단 패키징에서 패키지 기판의 역할은 같은 범주 안에서 다른 기판으로 대체할 수 있는 요소에서 시스템 아키텍처와 직접 연결된 구성요소로 변하고 있다. 더 큰 패키지, 더 많은 층, 더 미세한 연결 경로, 새로운 절연 소재, 통합 수동 부품은 모든 애플리케이션에 일반화할 수 없는 전기적·열적·기계적 제약의 조합을 요구한다.
Semiconductor Engineering의 Gregory Haley가 작성한 이 자료는 기판에 대한 지출 증가가 반드시 출하되는 유닛 수의 비슷한 증가로 이어지지는 않는다고 지적한다. 각 기판이 더 많은 소재를 소비하고 더 복잡한 구조를 필요로 하기 때문이다. 특히 대형 본체와 flip-chip BGA 연결을 사용하는 서버 및 인공지능 패키지에서 이러한 현상이 두드러진다.
생산 능력이 완전한 해답은 아니다
가동되지 않은 생산 공간이 있다고 해서 공급업체가 필요한 기판을 제조할 수 있다는 의미는 아니다. 호환성을 확보하려면 특정 설계에 대해 층 구조, 치수, 전기적 특성, 소재 시스템, 요구되는 수율 수준을 재현해야 한다. 따라서 동일한 크기의 유기 기판을 생산하는 두 공급업체가 실제로 서로를 대체할 수 있는 것은 아닐 수 있다.
chiplet과 HBM에서는 문제가 더욱 커진다. 다이 사이의 신호가 빠르게 이동해야 하고, 제한된 손실과 노이즈로 전력을 공급해야 하며, 메모리가 처리 로직과 가까운 위치를 유지해야 하기 때문이다. 그 결과 절연체의 특성, 층 수, 배선 간격, 열팽창 거동, 전력 공급 능력은 단순한 패키징 세부사항이 아니라 시스템 수준의 결정 사항이 되었다.
제조 수율이 설계의 한계를 정한다
설계가 기술적으로 구현 가능하더라도 대량 생산에서는 경제적으로 매력적이지 않을 수 있다. 층 수가 늘어나면 결함과 정렬 오류의 가능성이 커지고, 본체가 커지면 기계적 공차의 영향이 확대되며, 더 미세한 배선은 공정 여유를 줄인다. Amkor의 사례는 설계 규칙이 고객의 구조, OSAT 기업의 조립 규칙, 기판 공급업체 공정의 한계와 동시에 일치해야 한다는 점을 보여준다.
따라서 ‘세컨드 소스’라는 표현은 사용 가능한 생산 능력을 보유한 다른 공장이 있다는 뜻이 아니라, 동일한 구조에 대해 인증을 받고 요구되는 수율과 특성을 반복적으로 달성한 공급업체를 의미한다. 기판의 특수성이 높아질수록 전체 공급업체 수가 많아 보이더라도 실제로 사용할 수 있는 공급업체의 수는 줄어든다.
특화는 소재와 장비로 확장된다
기판은 제조 공정과 분리되어 작동하지 않는다. 기판은 일시적으로 캐리어에 고정되고, 가열과 냉각, 코팅, 화학 처리, 박막화, 분리 및 세정 공정을 거칠 수 있다. 따라서 임시 접합 소재는 접촉 표면, 열 예산, 휨, 접착 요구사항에 맞춰 설계된다. 패키지 버전이 바뀌면 소재 자체를 변경해야 할 수도 있다.
유리 기판에서도 동일한 신뢰성 문제가 나타난다. 관통 유리 비아 내부의 유리, 라이너, 구리 사이에서 열팽창계수와 강성의 호환성을 제어해 균열을 줄여야 하기 때문이다. 또한 패널 수준의 제조는 코팅 균일성, 응력, 휨과 관련된 추가적인 과제를 제기한다.
이러한 요구사항은 처리 장비에도 전달된다. 제조업체는 더 넓은 면적, 더 많은 층 수, 더 미세한 배선 간격을 지원해야 하며, 어떤 기술 경로가 대량 생산에 도달할지 명확해지기 전에 여러 경쟁 기술 경로를 지원해야 할 수도 있다. 이는 기판의 최종 구조가 아직 확정되지 않은 상태에서 장비를 조기에 개발해야 하므로 투자 위험을 만든다.
실제로 무엇이 변하는가?
현재의 흐름은 하나의 기판이 승리한다는 것을 의미하지 않으며, 목표에 따라 선택지가 차별화된다는 것을 의미한다. 인공지능 패키지와 고성능 컴퓨팅은 높은 연결 밀도, 전력 전달 능력, 높은 대역폭을 필요로 한다. 반면 공동 패키징 광학은 청정도, 정렬, 광학적 결합에 대한 요구사항을 추가하며, 공기 공동이나 굴절률 정합 소재를 필요로 할 수 있다. 자동차 분야에서는 ADAS와 중앙 컴퓨팅에서 첨단 패키징의 사용이 증가하고 있음에도 비용, 신뢰성 기록, 검사 요구사항 때문에 기존 패키지가 계속 선호될 수 있다.
여기서는 설계 도구의 또 다른 격차도 드러난다. 기판, 재배선층, interposer에 대해 이용 가능한 정보만으로는 통합된 설계 흐름 안에서 열적·전기적·기계적 거동을 항상 모델링하기에 충분하지 않다. 이는 패키지 설계자, 공급업체, 장비 및 소재 제조업체 간의 협력과 테스트 차량 및 물리적 인증이 계속해서 필수적이라는 것을 의미한다.
편집자 해석: 실제 변화는 유기 기판을 실리콘이나 유리로 대체하는 것이 아니라, 기판 선택이 시스템 엔지니어링의 초기 단계로 이동하는 것이다. 전력, 대역폭, 열, 신뢰성, 비용, 제조 가능성을 동시에 개선하는 선택지는 없다. 따라서 특화 기판의 지도가 확대될 것이며, ‘가용 생산 능력’은 특정 설계에 대해 인증된 생산 능력과 연결되지 않는 한 오해를 불러일으키는 지표가 될 수 있다.