패키지 온 패키지 기술이란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

더 작고, 더 빠르고, 더 강력한 전자 제품을 구축하기 위한 경쟁에서, 초박형 스마트폰부터 소형 의료용 웨어러블까지, 기존의 칩 배치 방식은 한계에 도달했습니다. 패키지 온 패키지(PoP) 기술이 등장했습니다. 이는 칩 패키지(예: 하단에 프로세서, 상단에 메모리)를 수직으로 쌓아 PCB 공간을 최대 50%까지 줄이면서 성능을 향상시키는 획기적인 솔루션입니다. PoP는 공간 절약뿐만 아니라 신호 경로를 단축하고, 전력 사용량을 줄이며, 업그레이드를 더 쉽게 만듭니다. 이는 모든 밀리미터와 밀리와트가 중요한 장치에 매우 중요합니다. 이 가이드는 PoP가 무엇인지, 작동 방식, 주요 이점, 실제 적용 사례 및 미래를 형성하는 최신 발전을 자세히 설명합니다.

주요 내용
1. 공간 효율성: PoP는 칩을 수직으로 쌓아(vs. 나란히) PCB 공간을 30~50% 줄여 스마트워치 및 폴더블 폰과 같은 더 얇은 장치를 가능하게 합니다.
2. 더 빠른 성능: 적층 칩(예: CPU + RAM) 간의 신호 경로 단축으로 지연 시간을 20~40% 줄이고 전력 소비를 15~25% 줄입니다.
3. 모듈성: 각 칩은 개별적으로 테스트되고 교체 가능합니다. 결함이 있는 RAM 칩을 수리하기 위해 전체 프로세서 패키지를 교체할 필요가 없습니다.
4. 다용도성: 서로 다른 공급업체의 칩(예: Qualcomm CPU + Samsung RAM)과 함께 작동하며 업그레이드(예: 4GB RAM을 8GB로 교체)를 지원합니다.
5. 광범위한 응용 분야: 소비자 전자 제품(스마트폰, 태블릿), 자동차(ADAS 시스템), 의료(웨어러블 모니터) 및 5G 통신(기지국)을 지배합니다.

패키지 온 패키지(PoP) 기술이란 무엇입니까?
PoP는 두 개 이상의 반도체 패키지를 수직으로 쌓아 단일의 소형 모듈을 만드는 고급 패키징 기술입니다. 기존의 "나란히" 배치(CPU와 RAM이 별도의 PCB 공간을 차지하는 경우)와 달리, PoP는 핵심 구성 요소(일반적으로 하단에 로직 칩(CPU, SoC)과 상단에 메모리 칩(DRAM, 플래시))를 겹쳐서 작은 솔더 볼 또는 마이크로 범프로 연결합니다. 이 설계는 전자 제품을 구축하는 방식을 변화시켜 성능 저하 없이 소형화를 우선시합니다.

핵심 정의 및 목적
PoP는 핵심적으로 현대 전자 제품의 두 가지 가장 큰 과제를 해결합니다.

1. 공간 제약: 장치가 얇아짐에 따라(예: 7mm 스마트폰) 나란히 칩을 배치할 공간이 없습니다. PoP는 수평 공간 대신 수직 공간을 사용하기 위해 구성 요소를 쌓습니다.
2. 성능 병목 현상: 멀리 떨어진 칩(예: PCB 한쪽 끝의 CPU, 다른 쪽 끝의 RAM) 간의 긴 신호 경로는 지연 및 신호 손실을 유발합니다. PoP는 칩을 몇 밀리미터 간격으로 배치하여 데이터 전송을 가속화합니다.

PoP는 또한 모듈식입니다. 각 칩은 적층 전에 테스트됩니다. 메모리 칩에 오류가 발생하면 전체 모듈이 아닌 해당 부품만 교체합니다. 이러한 유연성은 통합 패키지(칩이 영구적으로 결합된 경우)에 비해 큰 장점으로, 수리 비용을 60% 절감합니다.

PoP 스택의 주요 구성 요소
기본 PoP 설정에는 네 가지 중요한 부품이 있습니다. 고급 설계는 더 나은 성능을 위해 인터포저와 같은 추가 기능을 추가합니다.

예: 스마트폰의 PoP 모듈은 5nm Snapdragon 8 Gen 4(하단 패키지)와 8GB LPDDR5X RAM(상단 패키지)을 0.4mm 피치 솔더 볼로 연결하여 쌓을 수 있습니다. 이 모듈은 PCB 공간의 15mm × 15mm만 차지하며, 이는 나란히 배치의 절반 크기입니다.

PoP 기술 작동 방식: 단계별 프로세스
PoP 조립은 정렬 및 신뢰성을 보장하기 위해 특수 장비(예: 레이저 솔더 볼 제터, X-ray 검사기)가 필요한 정밀 주도 프로세스입니다. 다음은 표준 워크플로우입니다.

1. 사전 조립 준비
적층 전에 모든 구성 요소를 청소, 테스트 및 준비하여 결함을 방지해야 합니다.

a. PCB 청소: 기본 PCB는 초음파 또는 압축 공기로 청소하여 먼지, 오일 또는 잔류물(솔더 결합을 파괴하는 오염 물질)을 제거합니다.
b. 솔더 페이스트 도포: 스텐실(작은 구멍이 있는 얇은 금속 시트)을 사용하여 PCB의 패드 위치(하단 패키지가 놓일 위치)에 정확한 양의 솔더 페이스트를 도포합니다.
c. 칩 테스트: 하단(로직) 및 상단(메모리) 칩을 개별적으로(자동 테스트 장비, ATE 사용) 테스트하여 기능적인지 확인합니다. 결함이 있는 칩은 적층에 시간을 낭비하지 않도록 폐기됩니다.

2. 하단 패키지 배치
로직 칩(예: SoC)은 스택의 "기초"이므로 먼저 PCB에 배치됩니다.

a. 정밀 배치: 픽앤플레이스 머신(1~5μm 정확도)은 하단 패키지를 솔더 페이스트로 덮인 PCB 패드에 배치합니다.
b. 임시 고정: 리플로우 중에 이동을 방지하기 위해 패키지는 저온 접착제 또는 진공 압력으로 제자리에 고정됩니다.

3. 상단 패키지 배치
메모리 칩은 하단 패키지 위에 직접 쌓여 솔더 패드에 정렬됩니다.

a. 솔더 볼 부착: 상단 패키지(메모리)에는 하단 표면에 미리 적용된 솔더 볼(0.06~0.9mm)이 있습니다. 이 볼은 하단 패키지의 패드 레이아웃과 일치합니다.
b. 정렬 확인: 비전 시스템(카메라 + 소프트웨어)은 상단 패키지가 하단 패키지와 완벽하게 정렬되었는지 확인합니다. 0.1mm의 정렬 불량도 연결을 끊을 수 있습니다.

4. 리플로우 솔더링
전체 스택을 가열하여 솔더를 녹여 영구적인 결합을 만듭니다.

a. 오븐 처리: PCB + 적층 패키지는 제어된 온도 프로파일(예: 무연 솔더의 경우 250°C 피크)이 있는 리플로우 오븐을 통과합니다. 이렇게 하면 PCB의 솔더 페이스트와 상단 패키지의 솔더 볼이 녹아 강력한 전기적 및 기계적 연결이 형성됩니다.
b. 냉각: 스택은 열 응력(솔더 균열을 유발)을 방지하기 위해 천천히 냉각됩니다. 이는 장기적인 신뢰성에 매우 중요합니다.

5. 검사 및 테스트
엄격한 검사 없이는 PoP 모듈이 공장을 떠나지 않습니다.

a. X-ray 검사: X-ray 기계는 육안으로 볼 수 없는 숨겨진 결함(예: 솔더 공극, 누락된 볼)을 찾습니다.
b. 전기 테스트: "플라잉 프로브" 테스터는 상단/하단 패키지와 PCB 간에 신호가 올바르게 흐르는지 확인합니다.
c. 기계적 테스트: 모듈은 열 사이클링(예: -40°C ~ 125°C) 및 진동 테스트를 거쳐 실제 사용에서 생존하는지 확인합니다.

전문가 팁: 고급 PoP 설계는 TSV(Through-Silicon Vias)를 사용합니다. 이는 칩을 통해 드릴링된 작은 구멍으로, 솔더 볼 대신 레이어를 연결합니다. TSV는 신호 지연을 30% 줄이고 3D 적층(3개 이상의 레이어)을 가능하게 합니다.

중요 세부 정보: 상호 연결 및 재료
PoP를 작동시키는 "접착제"는 상호 연결 시스템(솔더 볼 또는 마이크로 범프)과 스택을 구축하는 데 사용되는 재료입니다. 이러한 선택은 성능, 신뢰성 및 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.

솔더 볼: PoP 연결의 중추
솔더 볼은 상단 및 하단 패키지를 연결하는 주요 방법입니다. 크기, 합금 및 배치는 스택이 얼마나 잘 작동하는지 결정합니다.

인터포저: 고성능 PoP를 위한 고급 연결
고급 장치(예: 5G 기지국, 게이밍 GPU)의 경우 PoP는 상단 및 하단 패키지 사이에 인터포저(얇은 레이어)를 사용하여 신호 및 열 문제를 해결합니다.

1. 인터포저란 무엇입니까? 칩 간의 "브리지" 역할을 하는 작은 와이어 또는 TSV가 있는 얇은 시트(실리콘, 유리 또는 유기 재료)입니다. 전력을 분배하고, 누화를 줄이며, 열을 분산시킵니다.
2. 실리콘 인터포저: 고성능의 표준입니다. 초미세 배선(1~5μm 너비)과 TSV가 있어 모듈당 100,000개 이상의 연결을 가능하게 합니다. NVIDIA GPU와 같은 칩에 사용됩니다.
3. 유리 인터포저: 새로운 대안 – 실리콘보다 저렴하고, 내열성이 뛰어나며, 대형 패널과 호환됩니다. 5G 및 데이터 센터 칩에 이상적입니다.
4. 유기 인터포저: 저비용, 유연성 및 경량. 비용이 성능보다 중요한 소비자 장치(예: 중급 스마트폰)에 사용됩니다.

예: TSMC의 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)는 실리콘 인터포저를 사용하여 GPU를 HBM(High-Bandwidth Memory)과 함께 쌓는 고급 PoP 변형입니다. 이 설계는 기존의 나란히 배치보다 5배 더 많은 대역폭을 제공합니다.

PoP 기술의 이점
PoP는 단순히 공간 절약 트릭이 아니라 장치 설계자, 제조업체 및 최종 사용자에게 실질적인 이점을 제공합니다.

1. 공간 효율성: #1 장점
PoP의 가장 큰 장점은 PCB 공간을 줄이는 능력입니다. 칩을 수직으로 쌓으면:

a. 크기 감소: PoP 모듈(CPU + RAM)은 나란히 배치보다 30~50% 더 적은 공간을 차지합니다. 예를 들어, 15mm × 15mm PoP 모듈은 두 개의 12mm × 12mm 칩을 대체합니다(288mm² vs. 225mm²).
b. 더 얇은 장치: 수직 적층은 칩 간의 넓은 PCB 트레이스가 필요하지 않아 얇은 설계를 가능하게 합니다(예: 기존 패키징의 10mm 모델과 비교하여 7mm 스마트폰).
c. 더 많은 기능: 절약된 공간은 더 큰 배터리, 더 나은 카메라 또는 추가 센서에 사용할 수 있습니다. 이는 경쟁력 있는 소비자 전자 제품에 매우 중요합니다.

2. 성능 향상: 더 빠르고, 더 효율적
적층 칩 간의 더 짧은 신호 경로는 성능을 변화시킵니다.

a. 더 빠른 데이터 전송: 신호는 1~2mm만 이동합니다(vs. 나란히 설계의 10~20mm), 지연 시간(대기 시간)을 20~40% 줄입니다. 이렇게 하면 앱이 더 빠르게 로드되고 게임이 더 원활하게 실행됩니다.
b. 더 낮은 전력 사용량: 더 짧은 경로는 전기 저항을 줄여 전력 소비를 15~25% 줄입니다. PoP가 있는 스마트폰은 한 번 충전으로 1~2시간 더 오래 사용할 수 있습니다.
c. 더 나은 신호 품질: 거리가 짧아지면 누화(신호 간섭) 및 손실이 줄어들어 데이터 신뢰성이 향상됩니다. 이는 5G 및 고속 메모리(LPDDR5X)에 매우 중요합니다.

아래 표는 이러한 성능 향상을 정량화합니다.

3. 모듈성 및 유연성
PoP의 모듈식 설계는 다양한 요구 사항에 쉽게 적응할 수 있도록 합니다.

a. 칩 혼합 및 일치: 한 공급업체(예: MediaTek)의 CPU를 다른 공급업체(예: Micron)의 RAM과 페어링할 수 있습니다. 전체 패키지를 다시 설계할 필요가 없습니다.
b. 쉬운 업그레이드: 스마트폰의 "12GB RAM" 버전을 제공하려는 경우 PCB를 변경하는 대신 상단 패키지(4GB → 12GB)를 교체하기만 하면 됩니다.
c. 더 간단한 수리: 메모리 칩에 오류가 발생하면 전체 CPU 모듈이 아닌 해당 부품만 교체합니다. 이렇게 하면 제조업체의 수리 비용이 60% 절감됩니다.

4. 비용 절감(장기적)
PoP는 초기 비용(특수 장비, 테스트)이 더 높지만 시간이 지남에 따라 비용을 절감합니다.

a. 더 낮은 PCB 비용: 더 작은 PCB는 더 적은 재료를 사용하고 더 적은 트레이스가 필요하므로 생산 비용을 10~15% 절감합니다.
b. 더 적은 조립 단계: 하나의 모듈에 두 개의 칩을 쌓으면 별도로 배치하고 솔더링할 필요가 없으므로 작업 시간을 단축할 수 있습니다.
c. 확장된 생산: PoP 채택이 증가함에 따라(예: 플래그십 스마트폰의 80%가 PoP를 사용) 규모의 경제로 인해 구성 요소 및 장비 비용이 낮아집니다.

PoP 응용 분야: 현재 사용되는 곳
PoP 기술은 우리가 매일 사용하는 장치와 혁신을 주도하는 산업에 있습니다.

1. 소비자 전자 제품: 최대 채택자
소비자 장치는 소형화와 성능의 균형을 맞추기 위해 PoP에 의존합니다.

a. 스마트폰: 플래그십 모델(iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24)은 SoC + RAM 모듈에 PoP를 사용하여 8GB~16GB RAM의 얇은 설계를 가능하게 합니다.
b. 웨어러블: 스마트워치(Apple Watch Ultra, Garmin Fenix)는 CPU, RAM 및 플래시 메모리를 10mm 두께의 케이스에 맞추기 위해 작은 PoP 모듈(5mm × 5mm)을 사용합니다.
c. 태블릿 및 노트북: 2-in-1 장치(Microsoft Surface Pro)는 더 큰 배터리 공간을 절약하기 위해 PoP를 사용하여 배터리 수명을 2~3시간 연장합니다.
d. 게임 콘솔: 휴대용 장치(Nintendo Switch OLED)는 맞춤형 NVIDIA Tegra CPU를 RAM과 함께 쌓아 소형 폼 팩터에서 부드러운 게임 플레이를 제공하기 위해 PoP를 사용합니다.

2. 자동차: 커넥티드 카에 전원 공급
최신 자동차는 공간과 신뢰성이 중요한 중요한 시스템에 PoP를 사용합니다.

a. ADAS(첨단 운전자 지원 시스템): PoP 모듈은 레이더, 카메라 및 라이다 시스템에 전원을 공급합니다. 프로세서와 메모리를 쌓으면 대기 시간이 줄어들어 자동차가 위험에 더 빠르게 대응할 수 있습니다.
b. 인포테인먼트: 자동차 터치스크린은 PoP를 사용하여 대시보드 공간을 너무 많이 차지하지 않고 내비게이션, 음악 및 연결 기능을 실행합니다.
c. EV 구성 요소: 전기 자동차 배터리 관리 시스템(BMS)은 PoP를 사용하여 마이크로컨트롤러를 메모리와 함께 쌓아 배터리 상태를 실시간으로 모니터링합니다.

3. 의료: 작고 신뢰할 수 있는 의료 기기
의료 웨어러블 및 휴대용 도구는 PoP의 소형화에 의존합니다.

a. 웨어러블 모니터: Apple Watch Series 9(ECG 포함)와 같은 장치는 PoP를 사용하여 심박수 센서, CPU 및 메모리를 10mm 두께의 밴드에 맞춥니다.
b. 휴대용 진단: 휴대용 혈당 측정기는 PoP를 사용하여 데이터를 빠르게 처리하고 결과를 저장합니다. 이는 당뇨병 환자에게 매우 중요합니다.
c. 이식형 장치: 대부분의 이식형 장치는 더 작은 패키징을 사용하지만 일부 외부 장치(예: 인슐린 펌프)는 크기와 기능의 균형을 맞추기 위해 PoP를 사용합니다.

4. 통신: 5G 이상
5G 네트워크는 빠르고 소형 칩이 필요합니다. PoP가 제공합니다.

a. 기지국: 5G 기지국은 PoP를 사용하여 신호 프로세서를 메모리와 함께 쌓아 소형 실외 장치에서 수천 개의 연결을 처리합니다.
b. 라우터 및 모뎀: 가정용 5G 라우터는 PoP를 사용하여 공간을 절약하고 책 크기의 장치에 모뎀, CPU 및 RAM을 장착합니다.

아래 표는 PoP의 산업 응용 분야를 요약합니다.

PoP 기술의 최신 발전
PoP는 훨씬 더 작고 빠른 장치에 대한 수요에 따라 빠르게 발전하고 있습니다. 다음은 가장 영향력 있는 최근 개발 사항입니다.
1. 3D PoP: 2개 이상의 레이어 적층
기존 PoP는 두 개의 레이어(CPU + RAM)를 쌓지만 3D PoP는 더 많은 레이어를 추가하여 훨씬 더 높은 통합을 가능하게 합니다.

a. TSV 기반 적층: Through-silicon vias(TSV)는 칩을 통해 드릴링하여 3개 이상의 레이어(예: CPU + RAM + 플래시 메모리)를 연결합니다. 스마트폰용 Samsung의 3D PoP 모듈은 3개의 레이어를 쌓아 12GB RAM + 256GB 플래시를 15mm × 15mm 패키지로 제공합니다.
b. 웨이퍼 레벨 PoP(WLPoP): 개별 칩을 쌓는 대신 전체 웨이퍼를 함께 결합합니다. 이렇게 하면 비용이 절감되고 정렬이 개선됩니다. 중급 스마트폰과 같은 대량 생산 장치에 사용됩니다.

2. 하이브리드 본딩: 구리 대 구리 연결
솔더 볼은 초고성능을 위해 하이브리드 본딩(구리 대 구리 링크)으로 대체되고 있습니다.

a. 작동 방식: 상단 및 하단 패키지의 작은 구리 패드를 함께 눌러 직접적이고 저항이 낮은 연결을 만듭니다. 솔더가 필요하지 않습니다.
b. 이점: 솔더 볼보다 mm²당 5배 더 많은 연결; 더 낮은 대기 시간(1ns vs. 2ns); 더 나은 열 전달. AMD의 MI300X GPU(AI 데이터 센터용)와 같은 고급 칩에 사용됩니다.

3. 고급 인터포저: 유리 및 유기 재료
실리콘 인터포저는 성능에 매우 좋지만 비쌉니다. 새로운 재료는 인터포저를 더 쉽게 사용할 수 있도록 합니다.

a. 유리 인터포저: 실리콘보다 저렴하고, 내열성이 뛰어나며, 대형 패널과 호환됩니다. Corning의 유리 인터포저는 5G 기지국에 사용되어 모듈당 100,000개 이상의 연결을 가능하게 합니다.
b. 유기 인터포저: 유연하고, 가볍고, 저렴합니다. 성능 요구 사항이 데이터 센터보다 낮은 스마트워치와 같은 소비자 장치에 사용됩니다.

4. Co-Packaged Optics(CPO): 칩 및 광학 장치 병합
데이터 센터의 경우 CPO는 광학 구성 요소(예: 레이저, 감지기)를 PoP 스택과 통합합니다.

a. 작동 방식: 상단 패키지에는 광섬유를 통해 데이터를 송수신하는 광학 부품이 포함되어 있으며, 하단 패키지는 CPU/GPU입니다.
b. 이점: 별도의 광학 장치보다 50% 낮은 전력 사용량; 10배 더 많은 대역폭(채널당 100Gbps 이상). AI 워크로드를 처리하기 위해 클라우드 데이터 센터(AWS, Google Cloud)에서 사용됩니다.

5. 패널 레벨 PoP(PLPoP): 대규모 대량 생산
패널 레벨 패키징은 단일 대형 패널에 수백 개의 PoP 모듈을 구축합니다(개별 웨이퍼와 비교).

a. 이점: 생산 시간을 40% 단축; 모듈당 비용을 20% 절감. 스마트폰과 같은 대량 생산 장치에 이상적입니다.
b. 과제: 패널은 처리 중에 구부러질 수 있습니다. 새로운 재료(예: 강화 유기 기판)가 이 문제를 해결합니다.

FAQ
1. PoP와 3D IC 패키징의 차이점은 무엇입니까?
PoP는 완성된 패키지(예: CPU 패키지 + RAM 패키지)를 쌓는 반면, 3D IC는 TSV를 사용하여 베어 칩(패키징되지 않은 다이)을 쌓습니다. PoP는 더 모듈식(칩 교체가 더 쉬움)인 반면, 3D IC는 더 작고 빠릅니다(GPU와 같은 고성능 장치에 더 적합).

2. PoP 스택은 고온(예: 자동차)을 처리할 수 있습니까?
예. 자동차 등급 PoP는 내열성 솔더(예: 주석-납 합금) 및 재료(ENIG 마감)를 사용하여 -40°C ~ 125°C에서 생존합니다. 신뢰성을 보장하기 위해 1,000회 이상의 열 사이클을 테스트했습니다.

3. PoP는 소형 장치에만 사용됩니까?
아니요. PoP는 스마트폰/웨어러블에서 흔히 사용되지만 5G 기지국 및 데이터 센터 서버와 같은 대형 시스템에서도 사용됩니다. 이러한 시스템은 인터포저가 있는 더 큰 PoP 모듈(20mm × 20mm 이상)을 사용하여 고전력을 처리합니다.

4. PoP 기술은 기존 패키징에 비해 비용이 얼마나 듭니까?
PoP는 초기 비용(장비, 테스트)이 20~30% 더 높지만 장기적인 절감 효과(더 작은 PCB, 더 적은 수리)가 이를 상쇄합니다. 대량 생산(100만 개 이상)의 경우 PoP가 기존 패키징보다 저렴해집니다.

5. PoP를 AI 칩과 함께 사용할 수 있습니까?
물론입니다. AI 칩(예: NVIDIA H100, AMD MI300)은 고급 PoP 변형(인터포저 포함)을 사용하여 GPU를 HBM 메모리와 함께 쌓습니다. 이는 AI 워크로드에 필요한 높은 대역폭을 제공합니다.

결론
패키지 온 패키지(PoP) 기술은 스마트폰에서 5G 기지국에 이르기까지 장치에 대해 "너무 작음"을 "적절함"으로 바꾸면서 현대 전자 제품을 구축하는 방식을 재정의했습니다. 칩을 수직으로 쌓음으로써 PoP는 소형화와 성능이라는 이중 과제를 해결합니다. PCB 공간을 30~50% 줄이고, 대기 시간을 60% 줄이며, 전력 사용량을 25% 줄이는 동시에 설계를 모듈식으로 유지하고 수리 가능하게 합니다.

기술이 발전함에 따라 PoP는 더욱 발전하고 있습니다. 3D 적층, 하이브리드 본딩 및 유리 인터포저는 한계를 뛰어넘어 훨씬 더 작고, 빠르고, 효율적인 장치를 가능하게 합니다. 자동차(ADAS) 및 의료(웨어러블 모니터)와 같은 산업에서 PoP는 사치품이 아니라 엄격한 크기 및 신뢰성 요구 사항을 충족하기 위한 필수품입니다.

설계자 및 제조업체에게 메시지는 분명합니다. PoP는 단순한 패키징 트렌드가 아니라 전자 제품의 미래입니다. 얇은 스마트폰, 견고한 자동차 시스템 또는 데이터 센터 GPU를 구축하든 PoP는 경쟁력을 유지하는 데 필요한 공간 절약, 성능 및 유연성을 제공합니다. 더 작고 스마트한 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 PoP는 혁신의 최전선에 남아 우리가 내일 사용할 전자 제품을 형성할 것입니다.