시스템 인 패키지
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1. 개요
시스템 인 패키지(SiP)는 여러 개의 칩이나 다이를 하나의 패키지에 통합하는 기술이다. 이 기술은 칩렛, 와이어 본딩, 플립칩, 쓰루 실리콘 비아(TSV) 등 다양한 기술을 활용하여 칩을 수직 또는 수평으로 배치하며, CPU, DRAM, 플래시 메모리, 수동 소자 등을 하나의 기판에 장착하여 완전한 기능 유닛을 구성한다. SiP는 공간 제약이 있는 환경에서 유용하며, 인쇄 회로 기판의 복잡성을 줄여주지만, 패키지 내 칩 결함으로 인한 수율 감소의 단점이 있다. 시스템 온 칩(SoC)과 비교하여 통합 수준이 낮으며, 웨어러블 컴퓨터, 모바일 기기, 사물 인터넷 분야에서 주로 사용된다. 주요 공급사로는 AMD, 삼성전자 등이 있으며, 한국은 메모리 반도체 경쟁력을 바탕으로 SiP 기술 개발에 적극적으로 참여하고 있다.
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시스템 인 패키지 | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
유형 | 집적 회로 |
기술 | 반도체 제조 |
관련 기술 | 다중 칩 모듈 (MCM) 시스템 온 칩 (SoC) |
설명 | |
정의 | 여러 개의 집적 회로 칩을 단일 패키지 내에 통합하는 기술 |
특징 | 소형화 고성능 저전력 소비 |
응용 분야 | 모바일 장치 웨어러블 기기 IoT 장치 고성능 컴퓨팅 |
장점 | |
소형화 | 여러 부품을 하나의 패키지로 통합하여 전체 시스템 크기를 줄임 |
고성능 | 칩 간의 짧은 연결 거리로 인해 신호 지연 감소 및 성능 향상 |
저전력 소비 | 전력 효율적인 설계 및 최적화 가능 |
유연성 | 다양한 기능의 칩을 통합하여 맞춤형 솔루션 제공 |
비용 절감 | 전체 시스템 비용 절감 효과 |
단점 | |
설계 복잡성 | 칩 간의 상호 작용 및 호환성 고려 필요 |
제조 비용 | 고집적 기술 요구로 인해 초기 제조 비용 높을 수 있음 |
열 관리 | 고집적으로 인한 열 발생 문제 해결 필요 |
테스트 및 검증 | 복잡한 구조로 인해 테스트 및 검증 어려움 |
기술 동향 | |
3D 패키징 | 칩을 수직으로 쌓아 집적도를 더욱 향상 |
이종 집적 | 서로 다른 기능을 가진 칩을 통합하여 성능 극대화 |
팬아웃 패키징 | 입출력 단자 수를 늘려 신호 처리 능력 향상 |
관련 용어 | |
MCM | 다중 칩 모듈 (Multiple Chip Module): 여러 개의 칩을 기판 위에 실장하는 방식 |
SoC | 시스템 온 칩 (System on Chip): 하나의 칩에 시스템의 모든 기능을 통합하는 방식 |
PoP | 패키지 온 패키지 (Package on Package): 여러 개의 패키지를 수직으로 쌓아 올리는 방식 |
2. 기술
SiP 기술은 사물 인터넷, 웨어러블 컴퓨터, 모바일 기기 등에서 주로 사용되며, 초기 시장 트렌드를 주도하고 있다. 특히 사물 인터넷의 발전과 함께, 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 센서를 별도의 다이에 통합하고 연결성을 제어하기 위해 시스템 온 칩(SoC) 및 SiP 수준에서 혁신이 이루어지고 있다.[16]
SiP 솔루션은 플립칩, 와이어 본딩, 웨이퍼 레벨 패키징, 쓰루 실리콘 비아(TSV), 칩렛 등과 같은 다양한 집적 회로 패키징 기술을 활용할 수 있다.[17][7]
2. 1. 칩 통합 방식
SiP는 칩렛 또는 퀼트 패키징과 같은 기술을 사용하여 칩들을 수직으로 쌓거나 수평으로 배열할 수 있다. SiP는 표준 오프칩 와이어 본딩 또는 솔더 범프로 칩들을 연결하며, 쓰루 실리콘 비아(TSV)를 사용하여 칩들을 통과하는 도체로 쌓인 실리콘 칩들을 연결하는 3차원 집적 회로와는 다르다.[8]SiP는 중앙 처리 장치(CPU), DRAM, 플래시 메모리와 같은 여러 칩 또는 다이와 저항, 커패시터와 같은 수동 소자를 동일한 기판에 모두 장착할 수 있다. 즉, 완전한 기능 유닛을 단일 패키지로 구축할 수 있으므로 작동을 위해 외부 구성 요소를 거의 추가할 필요가 없다. 이는 MP3 플레이어 및 휴대 전화와 같이 공간 제약이 있는 환경에서 특히 유용하며, 인쇄 회로 기판의 복잡성과 전체 설계를 줄여준다. 그러나 패키지 내의 결함이 있는 칩은 해당 패키지의 다른 모든 모듈이 작동하더라도 작동하지 않는 패키지 집적 회로를 초래하므로, 이 기술은 제조 수율을 감소시킨다.
SiP는 기능을 기반으로 구성 요소를 단일 회로 다이로 통합하는 일반적인 시스템 온 칩(SoC) 집적 회로 아키텍처와 대조된다. SoC는 일반적으로 CPU, 그래픽 처리 장치(GPU), 메모리 인터페이스, 하드 디스크 드라이브 및 USB 연결, 램 및 롬 컴퓨터 메모리, 보조 저장 장치 및/또는 해당 컨트롤러를 단일 다이에 통합한다. 이에 비해 SiP는 이러한 모듈을 하나 이상의 칩 패키지 또는 다이 내의 개별 부품으로 연결한다. SiP는 SoC에 비해 통합 수준이 낮다.
SiP 솔루션은 플립칩, 와이어 본딩, 웨이퍼 레벨 패키징, 쓰루 실리콘 비아(TSV), 칩렛 등과 같은 여러 집적 회로 패키징 기술을 필요로 할 수 있다.[17][7]
과거의 집적 회로는 하나의 반도체 칩 위에 필요한 모든 기능(시스템)을 집적하는 것을 목표로 미세 가공화가 진행되어 왔다. 이 반도체 칩을 시스템 온 칩(SoC)이라고 한다. SoC의 단점은 확산 공정이 크게 다른 기능을 조합해야 하는 경우(예: CPU와 대용량 메모리, 고내압 전원 IC와 저전압 CPU 등을 원칩화) 확산 공정이 매우 복잡해지고, 제조 공기가 길어지며, 높은 제조 수율을 기대하기 어려워진다는 것이다.
SiP는 이러한 문제점을 개선하기 위해 탄생했다. SiP에서는 확산 공정이 크게 다른 기능은 각각 개별적으로 최적화된 확산 공정으로 제조한다. 패키지 상에서 각 칩을 적절하게 배선함으로써, 보다 고도한 기능을 가진 집적 회로를, 보다 안정적인 생산 공정으로 제조할 수 있다.
또한, 기존에 2개의 패키지로 나뉘어 있던 칩을 1개의 패키지로 봉지함으로써 실장 면적을 줄일 수 있어, 휴대 전화 등의 소형화를 촉진하는 목적으로도 이용되고 있다.
SoC에도 소비 전력을 줄일 수 있고, 극단적인 광 대역 메모리를 통합할 수 있으며, 칩 간의 배선을 별도로 할 필요가 없는 등의 장점이 있어, SiP와 조합하여 사용되고 있다.
2. 2. 구성 요소
SiP는 중앙 처리 장치, DRAM, 플래시 메모리와 같은 여러 칩 또는 다이와, 저항, 커패시터와 같은 수동 소자를 동일한 기판에 모두 장착하여 포함할 수 있다. 즉, 완전한 기능 유닛을 단일 패키지로 구축할 수 있으므로 작동시키기 위해 외부 구성 요소를 거의 추가할 필요가 없다.[8] 이는 MP3 플레이어 및 휴대 전화와 같이 공간 제약이 있는 환경에서 특히 유용하며, 인쇄 회로 기판의 복잡성과 전체 설계를 줄여준다.2. 3. SoC와의 비교
SiP는 기능을 기반으로 구성 요소를 단일 회로 다이로 통합하는 시스템 온 칩(SoC) 집적 회로 아키텍처와는 다릅니다. SoC는 일반적으로 CPU, GPU, 메모리 인터페이스, 하드 디스크 드라이브 및 USB 연결, 램 및 롬 컴퓨터 메모리, 보조 저장 장치 및/또는 해당 컨트롤러를 단일 다이에 통합합니다. 반면에 SiP는 이러한 모듈들을 하나 이상의 칩 패키지 또는 다이 내의 개별 부품으로 연결합니다.[8] SiP는 SoC에 비해 통합 수준이 낮습니다.SoC는 CPU와 대용량 메모리, 고내압 전원 IC와 저전압 CPU 등과 같이 확산 공정이 크게 다른 기능을 조합해야 하는 경우, 확산 공정이 매우 복잡해지고 제조 공기가 길어지며 높은 제조 수율을 기대하기 어려워지는 단점이 있습니다. SiP는 이러한 단점을 개선하기 위해 탄생했습니다. SiP에서는 확산 공정이 크게 다른 기능을 각각 개별적으로 최적화된 확산 공정으로 제조합니다. 패키지 상에서 각 칩을 적절하게 배선함으로써, 보다 고도한 기능을 가진 집적 회로를, 보다 안정적인 생산 공정으로 제조할 수 있습니다.
기존에 2개의 패키지로 나뉘어 있던 칩을 1개의 패키지로 봉지함으로써 실장 면적을 줄일 수 있어, 휴대 전화 등의 소형화를 촉진하는 목적으로도 이용되고 있습니다. SoC에도 소비 전력을 줄일 수 있고, 극단적인 광 대역 메모리를 통합할 수 있으며, 칩 간의 배선을 별도로 할 필요가 없는 등의 장점이 있어, SiP와 조합하여 사용되고 있습니다.
하이브리드 집적 회로(HIC)는 SiP와 다소 유사하지만, HIC는 아날로그 신호를 처리하는 경향이 있는 반면,[9] SiP는 일반적으로 디지털 신호를 처리합니다.[10][11][12][13][14]
3. 장점 및 한계
시스템 온 칩(SoC)은 하나의 반도체 칩 위에 모든 기능을 집적하는 방식으로, 제조 공정이 복잡하고 제조 기간이 길어질 수 있으며, 높은 제조 수율을 기대하기 어렵다는 단점이 있다. 반면 SiP는 확산 공정이 다른 기능들을 개별적으로 최적화된 공정으로 제조하여 패키지 상에서 각 칩을 연결하는 방식이다. 이를 통해 보다 고도한 기능을 가진 집적 회로를 안정적인 생산 공정으로 제조할 수 있다.
SoC는 소비 전력을 줄이고, 광 대역 메모리를 통합하며, 칩 간 배선이 필요 없는 등의 장점이 있어, SiP와 조합하여 사용되기도 한다.
3. 1. 장점
SiP는 여러 개의 칩을 하나의 패키지에 통합하여 실장 면적을 줄일 수 있어, 휴대 전화와 같은 소형 기기에 특히 유용하다.[8] 또한, 서로 다른 공정으로 제조된 칩들을 최적화하여 결합함으로써 더 높은 성능을 달성할 수 있다.SiP는 시스템 온 칩(SoC)에 비해 다양한 종류의 칩을 통합하기가 더 쉽다. SoC는 CPU, 그래픽 처리 장치(GPU), 메모리 인터페이스 등을 단일 다이에 통합하는 반면, SiP는 이러한 모듈을 하나 이상의 칩 패키지 내의 개별 부품으로 연결한다.
개별 칩을 개발하고 통합하는 시간을 줄일 수 있어 개발 기간 단축에도 유리하다.
3. 2. 한계
SiP는 패키지 내부에 결함이 있는 칩이 하나라도 있으면, 해당 패키지의 다른 모든 모듈이 정상적으로 작동하더라도 전체 패키지가 작동하지 않게 된다. 이 때문에 제조 수율이 감소하는 단점이 있다.[8]4. 응용 분야
SiP는 여러 집적 회로를 하나의 패키지로 묶는 기술이다. 확산 공정이 서로 다른 기능들을 각각 최적의 공정으로 제조한 뒤, 패키지 안에서 결합하여 만든다. 이렇게 하면 더 발전된 기능을 가진 집적 회로를 안정적으로 만들 수 있다. 또한 여러 칩들을 하나의 패키지에 넣어 실장 면적을 줄일 수 있기 때문에, 휴대 전화처럼 작은 기기를 만드는 데에도 도움이 된다.
SiP는 시스템 온 칩(SoC)과 함께 사용되기도 한다. SoC는 소비 전력을 줄이고, 넓은 대역폭의 메모리를 통합하며, 칩 사이의 배선을 간단하게 하는 등의 장점이 있다.
4. 1. 주요 응용 분야
SiP는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다.분야 | 설명 |
---|---|
모바일 기기 | 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같이 공간 제약이 있는 환경에서 SiP 기술을 통해 전체 설계를 줄이고 복잡성을 낮춘다.[8] |
웨어러블 컴퓨터 | 스마트워치, 피트니스 트래커 등과 같이 소형화가 필수적인 분야에서 SiP 기술이 활용된다. 이는 확립된 소비자와 비즈니스 SoC 시장만큼 많은 수의 생산 유닛을 요구하지 않는 초기 시장 트렌드에 의해 주도되고 있다.[16] |
사물 인터넷 (IoT) | 미세 전자 기계 시스템 (MEMS) 센서를 별도의 다이에 통합하고 연결성을 제어할 수 있도록 시스템 온 칩 및 SiP 수준에서 혁신이 이루어지고 있다.[16] |
기타 | MP3 플레이어 등 소형 전자기기에도 SiP가 사용되어 완전한 기능 유닛을 단일 패키지로 구축, 외부 구성 요소를 거의 추가할 필요 없이 작동 가능하다.[8] |
SiP 기술은 여러 칩 또는 다이(중앙 처리 장치, DRAM, 플래시 메모리 등)와 수동 소자(저항, 커패시터 등)를 동일한 기판에 모두 장착하여, 완전한 기능 유닛을 단일 패키지로 구축할 수 있다.[8] 이는 인쇄 회로 기판의 복잡성과 전체 설계를 줄여준다.[8]
5. 공급사
SiP 기술을 제공하는 주요 공급사는 다음과 같다. 이 중 대한민국 기업으로는 삼성전자가 있다.[1]
다른 공급사에 대한 자세한 내용은 주요 공급사 목록 섹션에서 확인할 수 있다.
5. 1. 주요 공급사 목록
주요 공급사 |
---|
AMD |
앰코 테크놀로지 |
아트멜 |
사이프러스 세미컨덕터 |
도시바 |
르네사스 일렉트로닉스 |
샌디스크 |
삼성전자 |
AMPAK Technology Inc. |
NANIUM, S.A. |
ASE 그룹 |
CeraMicro |
ChipSiP Technology |
STATS ChipPAC Ltd |
실리콘 래버러토리스 |
Octavo Systems |
노르딕 세미컨덕터 |
JCET |
데세이 SIP |
유니버설 사이언티픽 인더스트리얼 |
참조
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[2]
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[3]
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System-in-Package (SiP), a success story
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[4]
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Apple Watch Teardown
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Analysis of Apple Watch's S1 chip reveals 30 individual components in 'very unique' package
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Introduction to MEMS Microphone Technology—Analog vs Digital Microphones - Technical Articles
https://www.allabout[...]
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문서
All components in the Apple S1 SIP have digital interfaces for example amplifiers, the STM32 microcontroller, gyroscopes, MEMS microphones, power management ICs, NFC chips which can be seen by looking at their datasheets or datasheets of similar products from the same manufacturers like https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/MAX98390.pdf https://www.renesas.com/us/en/document/dst/da9080-datasheet https://www.st.com/resource/en/datasheet/lsm6dsox.pdf www.sensors.ch/doc/wearables_eloy_markets.pdf
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Why Packaging Matters
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