2.5D vs 3D 패키징: 칩 집적 방식 비교

두 방식 모두 여러 칩을 하나의 패키지에 넣어 회로 기판이 제공하는 것보다 높은 대역폭을 얻습니다. 2.5D 패키징에서는 칩들이 실리콘 인터포저 위에 나란히 놓이고, 인터포저가 미세 피치로 칩들을 배선합니다. 3D 패키징에서는 칩들이 서로 위에 적층되고 실리콘 관통 전극(TSV) 또는 하이브리드 본딩으로 실리콘을 관통해 연결됩니다. 3D는 연결이 가장 짧지만 냉각과 제조가 더 어렵습니다.

비교 항목2.5D3D
구조칩이 실리콘 인터포저(또는 실리콘 브리지) 위에 나란히 배치칩이 서로 위에 수직으로 적층
인터커넥트인터포저까지 마이크로 범프, 인터포저 내부에 매우 미세한 배선층칩을 관통하는 TSV를 마이크로 범프 또는 하이브리드 본딩으로 접합
대역폭 밀도높음가장 높음. 연결이 가장 짧기 때문
발열더 쉬움: 각 칩을 위쪽에서 냉각할 수 있음더 어려움: 아래쪽 칩의 열이 위쪽 칩을 통과해야 함
점유 면적더 큼: 인터포저가 모든 칩을 담아야 함더 작음
제조 난이도큰 인터포저가 필요하여 비용 증가웨이퍼를 수십 마이크로미터로 얇게 갈고, TSV를 형성하고, 각 다이를 신중히 테스트해야 함
대표 사례같은 패키지에 HBM을 탑재한 AI GPU(TSMC CoWoS 등)HBM 자체(적층된 DRAM 다이)와 프로세서 위에 적층된 캐시
대표 용도프로세서, 메모리, 칩렛의 연결메모리 적층, 또는 가장 짧은 경로를 위한 로직과 캐시의 적층

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

2.5D
큰 프로세서를 여러 메모리 스택이나 칩렛과 결합하면서도 냉각을 쉽게 하고 싶을 때.
3D
적층 메모리처럼 연결 길이, 전력, 점유 면적이 가장 중요할 때.
함께 사용
고급 AI 가속기는 둘 다 씁니다: HBM은 DRAM 다이를 3D로 적층한 것이며, 2.5D 인터포저 위에서 프로세서 옆에 배치됩니다.

자주 묻는 질문

실리콘 인터포저란 무엇인가요?

2.5D 패키징에서 나란히 놓인 여러 칩을 연결하는, 매우 미세한 배선과 종종 TSV를 가진 실리콘 층입니다.

3D 패키징의 냉각이 더 어려운 이유는 무엇인가요?

아래쪽 칩의 열이 그 위에 적층된 칩을 통과해야 하는 반면, 2.5D에서는 각 칩을 위쪽에서 냉각할 수 있기 때문입니다.

HBM은 2.5D인가요, 3D인가요?

둘 다입니다. HBM은 DRAM 다이를 3D로 적층한 것이며, 2.5D 인터포저 위에서 프로세서 옆에 배치됩니다.

TSV란 무엇인가요?

실리콘 관통 전극(through-silicon via)은 얇게 간 실리콘 칩을 수직으로 관통하는 연결로, 적층된 칩들을 잇는 데 쓰입니다.

이해도 확인

2.5D 실장과 3D 실장의 차이로 올바른 것은?

  1. A2.5D는 칩을 중계 기판(인터포저 등) 위에 가로로 나란히 놓고, 3D는 칩을 수직으로 쌓는다
  2. B2.5D는 칩을 수직으로 쌓고, 3D는 칩을 가로로 나란히 놓는다
  3. C2.5D와 3D에는 차이가 없다
정답과 해설 보기

정답: A. 2.5D는 칩을 중계 기판(인터포저 등) 위에 가로로 나란히 놓고, 3D는 칩을 수직으로 쌓는다

2.5D 실장은 실리콘 인터포저 등의 중계 기판 위에 여러 칩을 나란히 놓고 기판의 미세 배선으로 연결하는 방식입니다. 3D 실장은 칩끼리를 TSV나 하이브리드 본딩으로 수직으로 쌓아 연결하는 방식입니다. 2.5D는 방열이 쉽고, 3D는 배선이 가장 짧아집니다. HBM(3D 적층)을 GPU 옆에 나란히 놓는(2.5D) 것처럼 두 가지를 조합한 구조도 사용되고 있습니다.

2.5D 실장에 사용되는 실리콘 인터포저의 역할로 올바른 것은?

  1. A칩을 식히기 위한 히트싱크
  2. B여러 개의 칩을 나란히 올려 놓고 미세한 배선으로 고밀도로 연결하는 중계 기판
  3. C노광에 사용하는 포토마스크
정답과 해설 보기

정답: B. 여러 개의 칩을 나란히 올려 놓고 미세한 배선으로 고밀도로 연결하는 중계 기판

실리콘 인터포저는 반도체의 배선 공정을 이용해 1 µm 이하의 미세한 배선을 만든 실리콘 중계 기판입니다. 그 위에 프로세서와 HBM 등 여러 칩을 나란히 올려, 배선 폭이 수십 µm인 일반 유기 패키지 기판으로는 구현할 수 없는 고밀도 배선으로 연결합니다. 인터포저 자체는 TSV를 통해 패키지 기판과 연결됩니다. 냉각 부품이나 포토마스크와는 관계가 없습니다.

TSV(실리콘 관통 전극)에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A칩 표면에만 형성하는 가로 방향 배선
  2. B실리콘 기판을 두께 방향으로 관통하는 전극으로, 적층한 칩끼리를 위아래로 연결한다
  3. C패키지의 외부 단자로 사용하는 솔더 볼
정답과 해설 보기

정답: B. 실리콘 기판을 두께 방향으로 관통하는 전극으로, 적층한 칩끼리를 위아래로 연결한다

TSV(Through-Silicon Via)는 실리콘 기판에 직경 수 µm~십수 µm의 구멍을 뚫고 도체를 채워 기판의 앞면과 뒷면을 전기적으로 연결하는 전극입니다. 칩을 쌓아 올려 와이어 본딩보다 짧은 거리에서 수천 개 이상의 연결을 만들 수 있어 3D 실장, HBM, 실리콘 인터포저에 사용됩니다. 표면에만 있는 가로 방향 배선은 일반적인 다층 배선이고, 솔더 볼은 외부 단자입니다.

  1. 칩을 수직으로 쌓는 3D 실장에서 특히 문제가 되기 쉬운 것은?
  2. TSV를 형성한 칩을 적층하기 위해 웨이퍼를 뒷면에서 연삭하여 얇게 만드는 두께의 기준으로 올바른 것은?
  3. AI용 GPU에서 GPU 칩과 HBM을 하나의 실리콘 인터포저 위에 나란히 실장하는 주된 이유는?

첨단 패키징(3D와 칩렛) 문제 풀기

주요 용어 설명

2.5D実装
複数のチップを、シリコンインターポーザなどの中継基板の上に横に並べ、微細な配線で高密度に接続する実装方式。GPUとHBMの接続などに使われる。
3D実装
チップを縦に積み重ね、TSVやハイブリッドボンディングで上下を接続する実装方式。配線が短くなり高速・低消費電力になるが、放熱が課題になる。
TSV(シリコン貫通電極)
シリコン基板を貫通する電極。積層したチップどうしを上下に短い距離で接続する。
シリコンインターポーザ
複数のチップを並べて載せ、微細な配線で高密度に接続するシリコンの中継基板。GPUとHBMの接続などに使われる。
チップレット
機能ごとに分けてつくった小さなチップ。複数を1つのパッケージ内で接続して大きなシステムを構成する。

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