3D IC와 2.5D 패키징이란 무엇인가?
반도체 패키징 기술이 발전하면서, 단순히 칩 하나를 기판 위에 올려 놓고 패키징하는 2D 방식에서 벗어나, 여러 개의 다이(die)를 하나의 패키지 내에 고집적으로 연결하는 ‘고급 패키징(Advanced Packaging)’ 방법들이 나오고 있습니다. 그 중 대표적인 두 가지가 2.5D 패키징(2.5D IC)과 3D IC(3D IC)입니다.
- 2.5D 패키징은 여러 개의 다이를 실리콘(interposer) 또는 유사 매체 위에 나란히(side-by-side) 배열하고, 이들 사이를 인터포저(interposer)를 통해 연결하는 방식입니다.
- 반면 3D IC는 다이를 수직으로(stacked vertically) 쌓거나 여러 층으로 쌓은 뒤, 다이와 다이 사이를 TSV(Through-Silicon Via)나 직접 접합(hybrid bonding) 기술로 연결하는 방식입니다.
두 기술의 차이점
간단히 표현하자면, 2.5D는 “칩이 나란히” 연결한 구조이고, 3D는 “칩이 위아래로 쌓은” 구조다 라고 이해하면 쉽습니다.
| 항목 | 2.5D IC | 3D IC |
|---|---|---|
| 다이 배열 구조 | 실리콘 인터포저 위에 다이들이 수평 배치 | 다이들이 위아래로 스택되거나 층을 이루며 수직 배치 |
| 인터커넥트 길이 | 2D보다 짧아졌지만 수평적 연결 | 다이를 통한 수직적(TSV) 연결 |
| 열 및 전력 해소 | 평면 구조 덕분에 열 확산이 상대적으로 용이 | 수직 스택 구조로 열이 쌓이기 쉬워 고급 냉각 설계가 필요. |
| 설계/제조 복잡성 | 3D보다는 낮은 편으로 중간형태 기술 | 가장 복잡하고 비용과 수율면에서 도전이 많음 |
| 적용 적합성 | 메모리 + 로직 병합, HBM(High Bandwidth Memory) 인접배치 등에 적합 | 초고성능 컴퓨팅(HPC), AI 가속기, 모바일 SoC 등 고밀도·저지연이 요구되는 응용에 적합 |
장단점 비교
2.5D의 장점
- 설계 및 제조 복잡성이 3D보다 낮아 비교적 빠른 개발 주기가 가능하고, 시장 출시까지 시간이 짧습니다.
- 열 관리 및 신뢰성 측면에서 유리한 편입니다. 칩이 한 층에 나란히 있기 때문에 열이 집중되는 수직 스택보다는 상대적으로 제어하기 쉽습니다.
- 다이 재사용, 칩렛(chiplet) 방식 적용에 용이해 모듈화 및 유연성이 높습니다.
3D IC의 장점
- 칩 간 연결 거리가 극도로 짧아져 신호지연(latency) 및 전력 소모가 줄어듭니다.
- 공간 이용 효율이 높아서 패키지 풋프린트가 축소되고, 고성능·저전력 설계에 유리합니다.
- 이종다이(heterogeneous) 통합, 메모리와 로직의 고밀도 결합 등에 뛰어난 잠재력을 가집니다.
2.5D의 단점
- 수직적 스택 방식인 3D에 비해 Integration Density(집적도)나 패키지 크기 축소 측면에서 한계가 있습니다.
- 궁극적인 성능 극대화가 필요한 매우 고급 응용에서는 부족할 수 있습니다.
3D IC의 단점
- 제조 공정이 매우 복잡하고 수율이 떨어질 위험이 높습니다. 정밀하게 다이를 맞대고 접합해야 하기 때문입니다.
- 열이 여러 층으로 쌓이기 때문에 열관리(thermal management)가 매우 중요한 과제가 됩니다.
- 비용이 상대적으로 높고, 설계 및 테스트 비용이 증가할 수 있습니다.
어떤 기술을 선택해야 하나?
패키징 기술을 선택할 때는 응용 목적, 성능 요구치, 열·전력 제약, 비용·제조 리스크 등을 종합적으로 검토할 필요가 있습니다.
- AI 가속기, 모바일 초소형 SoC, 엣지(Edge) 디바이스처럼 최대 성능·최소 면적·최저 전력이 요구되는 경우에는 3D IC 방식이 매우 매력적인 선택입니다.
- 반면 데이터센터 NIC, FPGA + HBM 조합, 다이 칩렛화를 통한 설계 유연성 확보 등이 중요한 경우에는 2.5D 방식이 비용·수율·열 관리 측면에서 균형 잡힌 선택이 될 수 있습니다.
- 또한 업계에서는 “2D → 2.5D → 3D”라는 패키징 진화 흐름을 점검하면서, 현재 2.5D가 상용화된 주류 기술로 자리 잡아 있고, 3D는 점차 미래형 고급 시장으로 확대되는 국면입니다.
2.5D 패키징과 3D IC는 반도체 패키징의 진화 단계이자 상호 보완적 기술입니다. 2.5D는 비교적 구현이 용이하고 시장 적용이 빠르며, 열·신뢰성 측면에서도 안정적입니다. 반면 3D IC는 기술적으로 난도가 높지만, 매우 높은 집적도와 뛰어난 성능 효율을 제시하며 차세대 반도체 패키징의 핵심 축이 되어가고 있습니다.