반도체 기판

반도체 기판 은 시스템 반도체만큼이나 중요한 기술 요소입니다.

아무리 고성능의 시스템 반도체가 있다고 하더라도 이 기능부를 주기판, 즉 마더보드와 원활하게 연결해 줄 수 있는 연결부가 없으면 제품으로 쓰일 수 없습니다.

기판은 칩을 연결해 주는 판처럼 생긴 전자 부품

전기회로를 만들기 위해서는 전기로 동작하는 구성요소들을 연결하여 전기가 흘러다닐 수 있는 길을 만들어 주어야 합니다.

전선으로 만들 수도 있습니다만 반도체와 같이 많은 수의 입력 출력 단자를 가진 구성요소들을 선으로 연결할 수는 없습니다.

고성능 반도체의 경우 단자수가 몇 천개 이상이기 때문에 전선을 사용해서 전기가 다닐 수 있는 길을 만들수는 없습니다.

대신 판위에 전기가 흐를 수 있는 길을 구리와 같은 도체로 그려서 전기를 통할 수 있게 해 줍니다.

이런 판과 같이 생긴 전자 부품을 기판이라고 부릅니다.

기판의 특수한 형태인 반도체 기판 (패키지 서브스트레이트)

그 중 반도체 기판은 조금 특별합니다.

식당에 가면 아기들이 일반의자에 앉을 수 있도록 유아용 의자를 제공해 줍니다.

아기들은 이런 보조의자를 사용해서 어른이 앉을 수 있는 의자에서 식사를 할 수 있습니다.

반도체 기판도 이 보조의자와 비슷한 역할을 하는 전자부품입니다.

• 이른바 실리콘 칩과 주가되는 PCB 기판을 연결해 주는 인터포저를 역할을 하게 됩니다.
• 정교하게 만들어진 반도체가 메인이 되는 기판에 물리적 그리고 전기적으로 결합이 잘 될 수 있도록 중간에 보조 역할을 합니다. 
• 패키지 서브스트레이트 즉 패키지 기판이라고도 부르며 실리콘칩이 직접 실장되는 기판을 말합니다.
• 절연층에 사용되는 재료는 화학무기물인 올가닉(Organic)혹은 폴리머(Polymer)를 사용합니다. 때로는 세라믹을 이용하는 경우도 있습니다.

반도체 기판 에는 크게 2가지 종류가 존재

반도체 기판 기술의 트렌드를 보게 되면 크게 두 가지가 있습니다.

와이어 본딩(Wiring method)

와이어 본딩은 통상적으로 메모리 반도체와 같은 솔루션에 사용됩니다.

실리콘 칩에서 트랜지스터가 가공되어 있는 부분을 액티브면이라고 합니다.

그 부분이 위로 올라도록 기판에 붙이고 기판의 전극과 실리콘 칩의 미세전극을 와이어 본딩으로 연결을 하는 방법입니다.

플립칩 방식(Flip chip method)

반면 반도체 칩이 고용량의 데이터와 여러 많은 기능들을 처리하시 시작하면서 칩의 입출력을 담당하는 전극의 수가 기하 급수적으로 늘어나게 되었습니다.

이런 반도체의 경우는 메모리처럼 주변에 전극을 형성하는 것만으로는 그 수가 부족합니다.

그렇기 때문에 칩 전면에 솔더 범프 등을 이용해서 전극을 만들고 뒤집어서 반도체 기판에 장착을 한다고 해서 “플립” 칩 방식이라고 합니다.

최근의 고성능 빈도체 패키지는 대부분 플리칩 방식이며, 그 중에서 작은 형태의 볼형태로 전극을 만드는 것이 FC-BGA(Ball grid array) 방식입니다.

FC-BGA의 제일 큰 장점은 핀수를 많이 늘릴 수 있다는 장점이 있습니다.

계속 증가하는 고성능 반도체 기판 수요

최근 이러한 FCBGA 타입의 고성능 반도체 기판에 대한 수요가 급증을 하고 있습니다.

계속해서 증가하는 하이엔드 반도체 제품군이 주요한 원동력입니다.

• 그 이유는 최근 각광받는 클라우드 AI 자율주행 이런 기술 부분은 많은 양의 수학적 연산이 필요하고 이 부분을 하드웨어에 의존하고 있습니다.
• 결과적으로 많은 양의 데이터 입출력이 필요하고 내부에도 이런 데이터 처리를 위한 기능들이 많아져 반도체의 구조와 이들을 서로 연결하는 구조가 복잡해 져서 그렇습니다.
• 아울러 자기들이 사용할 맞춤칩을 개발하는 빅테크 기업들의 움직임도 이러한 수요를 증가시키고 있습니다.
• 아주 중요한 칩들에 대해서는 빅테크들이 설계를 하고 파운드리를 통해서 그리고 기판도 직접 수급을 해서 반도체 패키지를 만들어서 자기네들 서버나 클라우드에 이용을 하고 있습니다.

빅테크 고유 반도체 기판

이렇게 하는데는 여러 가지 이유가 있는데요. 제일 큰 이유는 자기들만의 고유한 스펙을 가진 칩으로 효율화를 하겠다는 전략이라 할 수 있겠습니다..

GPU라든지 CPU 서버 분야는 엔비디아나 인텔이 큰 마켓셰어를 가지고 있습니다.

그러나 이 회사들은 빅테크 기업의 요구사항만으로 구현이 된 반도체를 만들수는 없습니다. 따라서 빅테크 기업들이 우리 클라우드에는 특정 부분을 줄이고 다른 기능을 더 넣고 싶다 해도 그러지 못하는 경우가 있습니다.

그러면 칩을 더 구입을 해야 합니다. 아울러 서버 칩은 또 가격도 상당히 비싸기 때문에 투자의 효율성을 찾기 어려운 문제가 있습니다.

다른 이유로는 빅테크들이 운영하고 있는 클라우드 서비스에는 빅테크 기업들이 개발한 자사 소프트웨어가 있습니다.

빅테크 기업들이 자사의 고유 반도체 솔루션을 도입할 때는 자사 소프트웨어의 성능을 최대한 발휘하기 위해서입니다.

이 목적을 위해서도 빅테크기업들의 고유 반도체는 해당 기업에 특화된 방향으로 발전될 수 밖에 없습니다.

반도체 기판 향후 기술적 과제

반도체 기판은 범용 반도체가 아닌 특화 반도체의 발전이 계속 증가하는 추세에 맞추어 발전할 수 밖에는 없습니다.

애플사가 자사의 제품군들에 들어가는 중앙처리장치를 개발한 것을 필두로 퀄컴이나 미디어 테크와 같은 경쟁업체들이 지속적으로 자사의 시스텝 반도체를 고사양으로 시장에 공급하고 있습니다.

주요한 이유는 계속해서 증가하는 고품질의 멀티미디어 처리 능력과 밧데리 소모를 최소화 하는 최적화된 구조를 발전시키기 때문입니다.

이는 반도체 기판 위에 올라가는 다이의 복잡성을 증가시켜 반도체 기판 자체에서 처리를 해야 하는 기술적 난이도를 더욱 높게 만들고 있습니다.

서버 부분도 마찬가지 입니다.

처리를 해야 하는 미디어의 품질은 계속해서 높아지고 AI의 등장으로 인하여 기존에는 처리하지 않던 새로운 계산 용량의 등장으로 인하여 더욱 복잡하게 변화합니다.

반도체 기판의 측면에서는 가장 중요한 것이 고속 대용량의 신호처리를 제공해야 합니다. 이것이 핵심입니다.

아울러 계속해서 미세화하는 제조 공정과 칩 내부에서 늘어나는 트랜지스터의 개수, 그리고 여러가지 다른 다이들이 복합적으로 연동되어 기능을 제공하기 때문에 각 요소별로 원활한 전력 공급이 중요합니다.

이를 위해서는 이른바 어떻게 Loss를 줄이고 Power integrity의 특성을 높이느냐가 중요한 부분이 됩니다.

마지막으로는 제조 단가입니다.

훌륭한 기능을 제공하더라도 이른바 수율이라던지 기판 자체의 생산 단가가 중요한 문제라 할 수 있겠습니다.