저전력 SoP용 칩 패키지 Co-design의 설계 이슈

표면실장용 부품 및 패키징 동향

서론전자 및 통신 산업 시장의 급속한 확장 및 이동제품의 급속한 수요 증가로 인해 고속, 고성능, 고집적의 IT 컨버전스 제품에 대한 시장의 수요가 팽창하고 있어 기존의 실리콘 기술의 보완 기술로 SoP(System-on-Package)의 중요성이 날로 커지고 있다. SoP 기술의 장점은 제품을 다품종 소량생산 할 때 가격대비 성능이 뛰어나고 저렴한 시기에 다양한 제품을 개발 공급할 수 있다는 점이다. 이는 기존 기술과 제품의 재사용에 따른 초기 개발비 절감에 원인이 있다.기존 반도체 기술과 SoP 기술의 차이점은 다른 기술들을 하나의 패키지로 집적 및 구현하는 것이라고 할 수 있다. 즉, 그림1에서처럼 기존에 다른 기술로 존재하는 여러 칩들을 하나의 패키지에서 구현하여 면적, 파워, 원가, 시장의 요구에 실시간 대응 등의 장점을 가지도록 만드는 기술을 의미한다. 예를 들어 기존의 DVD 플레이어를 모바일용으로 만들 때 SoC나 SoP처럼 만들어 공간이나 파워 등을 줄이는 방법이 사용된다. 이중 SoP 기술의 장점은 기존에 개발된 칩의 큰 구조적, 공정적 변화 없이 제품을 구현할 수 있다는 점이다.그러나 이러한 기술은 여러 가지 기술적인 장벽이 존재한다. 이중 기본적인 것들은 다음 네 가지로 요약 된다.첫째, SoP는 SoC보다 신호 배선 개수 사용에 한계가 있어 칩 간 연결에 제약적인 문제가 있다. 이를 극복하기 위해서는 3D구조의 패키지 안에서 제한된 신호선에 고속으로 신호를 보내는 고속 시스템 설계가 필수적이다.둘째, SoP는 좁은 공간에 많은 칩들과 신호선이 집중되어 있어 잡음의 발생제어나 이를 억제하는 칩 패키지 설계가 필수적이다.셋째, 제작된 SoP의 성능 검증 및 측정이 쉽지 않다는 점이다. 이는 기존의 칩 설계와는 달리 여러 기능의 다양한 소자를 기능과 성능을 동시에 검증해야하는 문제로 새로운 SoP용 BIST(Built-In Self-Test) 방법 연구가 필수적이다.넷째, 파워 문제이다. 이는 모바일을 기반으로 한 유비쿼터스 네트워크 기술의 핵심으로 칩과 패키지의 공동 설계가 반드시 필요한 분야이다.SoP와 SoCSoP에서 저전력 문제를 다루기 위해서 먼저 개념적인 문제를 정의했다. SoP는 단독적인 기능 시스템 혹은 서브시스템에 대한 요구 사항들의 전부 또는 상당 부분을 단일 패키지에 통합하고자 하는 공정/설계/제작 기술 모두를 포함하는 종합기술로 요약될 수 있는 구현 기술에 대한 새로운 개념이다. SoP는 여러 가지 기존의 기술과 혼동을 겪고 있으며 경우에 따라서 오해되고 있는 실정이다.먼저 기존의 MCM이나 멀티부품 모듈과의 여러 가지 공통점에도 불구하고 근본적인 차이점은 단독 시스템 구현의 유·무라 할 수 있다. 일반적으로 MCM이나 멀티부품 모듈은 전체 시스템의 성능 향상을 위한 접근에서 시작되었으며, 하나의 단독 시스템을 위한 기술로 개발되지 않았다. 일반적으로 비교되고 있는 SoC 방법론은 시스템으로 구현하고자 하는 IC 기능들의 형태 및 성능을 하나의 웨이퍼 공정에 의해 절충하여 구현하는 기술이다. SoC는 소프트 IP 형태로 지원되어 공정에 독립적으로 구현될 수 있는 기술로 처음 제안되었으나 웨이퍼로 구현 시 제조 공정에 의해 SoC 성능 및 성공여부가 결정되는 문제가 발생되고 있다. 반면 SoP 기술은 공통적인 공정의 제약요소에 의해 제한되지 않고 여러 공정과 관련 설계에 자유로운 HDD IP 기반의 기술로 제공되어 쉽게 단일 패키지 위에 통합될 수 있는 특성을 지니게 되었다. 이러한 특성을 바탕으로 두 기술을 요약하면 다음과 같다. SoC 기반 기술의 경우 칩 기술이 시스템 자체를 의미하며 SoP 기반 기술은 SoC를 포함한 모든 칩들이 하나의 전기적 부품으로 고려돼야 한다.또한 SoP 기술은 제품 설계의 방법론이지 그 자체가 제품이 될 수 없다. 즉 SoP 기본 기술은 칩들과 수동소자를 간단하게 통합하여 제품 경쟁력을 높이는 기술이다. SoP 설계만의 기본 기술은 칩 기술과 별도로 개발되어야 할 사항이며 제품 선택에 따라 노력해서 개발하는 응용 기술과도 구분이 될 수 있다. 따라서 SoP의 하향(Top-Down) 설계 시 상위개념은 칩 설계가 될 수 없으며 오히려 시스템 결정에 따른 SoP 설계 기술에 따라 다시 조합되는 부품 기술에 불과하다.SoP 에서의 저전력 문제현재 많이 시도되는 초기 SoP 관련 제품은 파워 측면에서 크게 3가지로 구분할 수 있다.첫째, 외부의 신호에 수동적으로 반응하는 배터리 장착 제품들로 수동형 RFID 등을 위한 SoP가 있다. 둘째, 배터리의 수명이 길어야하는 능동형 RFID 같은 제품을 위한 SoP가 있다. 셋째, 고성능 모바일 시스템에 사용되는 SoP가 있다. 현재 수동형 및 능동형 RFID 등의 SoP 제품은 파워 관련 설계 기법이 거의 필요하지 않는다. 반면 향후 큰 시장을 차지할 고성능 모바일 시스템에 사용되는 SoP는 여러 가지 측면에서 파워 문제를 고려해야 한다. 고성능 모바일 시스템용 SoP에서 저전력 SoP 기술 요소를 해결하기 위해 앞에서 언급한 것처럼 SoP자체를 독립적인 시스템으로 분석할 필요가 있다. 우선 하드웨어와 소프트웨어 요소로 구분할 필요가 있다. 하드웨어 요소의 경우 SoP는 칩, 수동소자 및 패키지 기판으로 구성되며 소프트웨어는 OS 및 응용프로그램으로 구성되어 있다.이들 요소가 저전력 알고리듬을 사용 전력하여 제어하는 형태로 되어 있다. 일반적으로 칩과 소프트웨어에서의 저전력 문제는 많이 연구가 되었으나 통합적인 측면에서는 현재 연구가 미흡한 실정이다. 일반적으로 저전력 시스템은 높은 전압의 배터리나 전력 공급 장치에서 불필요한 대기 전력을 줄이거나 칩 내의 여러 기능 블록이 일에 맞는 적절한 동작 주파수 및 전압을 사용하는 방법이 많이 사용되고 있다. 배터리 구동 시스템의 경우 최근에 파워를 극단적으로 줄이기 위해 전압과 주파수를 일의 양에 맞게 조절해가는 방법과 동작의 순서를 변경하여 동시 작업을 줄여 순간 사용 전압을 줄이는 방법을 통해 배터리 사용 수명을 연장하는 방법 등이 연구되고 있다.저전력 SoP 시스템은 근본적으로 기존의 저전력 시스템과 칩의 동작 및 특성 측면에서는 동일하나 저면적에서 시스템 레벨의 집적이 요구됨에 따라 파생되는 문제를 고려해야 한다. 첫째, 시스템이 요구하는 다양한 전압들을 적은 면적에서 공급해야 하기 때문에 전압 공급 선로를 처음부터 고려해서 칩과 패키지를 설계해야 한다. 둘째, 전압안정화모듈(VRM)에 사용되는 고용량 커패시터와 인덕터를 구현해야 한다. 셋째, 파워간의 간섭 및 전압변동 같은 잡음 성분을 최소화시켜야 한다. 이것은 특별한 SoP용 칩 개발의 필요성이나 칩들의 통합 시 시스템의 구조를 고려해서 설계해야 한다는 것을 의미한다. 또한 개별 소자를 구동할 시스템 PMU와 칩 안의 저전력 동작과의 조절이다. 이를 위해 SoP 시스템 레벨의 전원 관리 정책이 필요하다. 이상의 요구를 정리하면 저전력 SoP 구현을 위한 요구 사항은 다음과 같다.1) 고성능 SoP를 위하여 배터리가 충분한 시간동안 충분한 전류를 공급할 수 있어야 한다.2) 누설 전류에 의한 파워소모는 효과적으로 제어할 수 있어야한다.3) DC 파워 외에 AC 및 전이(transition) 파워 공급에 의한 열 문제를 해결할 수 있어야 한다.4) 전압 안정기와 디커플링 커패시터 같은 파워 관련 부품을 위한 공간이나 방안이 있어야 한다.5) 여러 칩들의 동시 파워 소모에 의한 칩간 파워 잡음 전달 및 이에 따른 해결 방안이 있어야 한다.6) 전압 변동폭이 20~40mV로 낮아질 때를 위한 대안이 수립되어 있어야 한다.저전력 SoP 개발에 필요한 요소 기술성공적인 SoP 기술 개발을 위해서는 설계 기술, 공정 기술, CAD 기술 등에서 많은 연구가 선행돼야 한다. 이러한 기술은 기존의 시스템 업체 요구에 따라 칩 설계 및 제작 업체가 수요자로서 통합되고 기존의 패키지 모듈 외에 여러 기판 공정을 지원하는 업체가 결합되어 모듈 설계 기술을 위한 CAD 및 방법론을 구축해야 한다. 이렇게 구축된 시스템 위에 각각의 SoP 제품 개발에 대한 효율적 접근이 가능하리라 예상된다. 이러한 대략적인 SoP 구현 관련 기본 기술에 대한 것이 그림 2에 정의 되어있다.저전력 SoP을 구현하기 위한 기본 기술로는 먼저 칩 레벨 부품(Chip Level Components)에서 SoC, RF, 메모리칩들에 전원을 안정되게 공급하기 위한 다중 전압 공급을 동력 분배 네트워크(power distribution network) 기능 테스트가 가능하도록 하는 설계 기법 및 효율적 파워 제어 방법이 설계되어야 한다. 이를 위해 5~7개의 파워 버스 경로가 필요하며 이들의 임피던스를 사용 전류 및 허용변동전압에 비례해서 낮추어야한다. 현재의 시스템 설계 기법에서는 전압 안정화를 위한 매우 큰 디커플링 커패시터가 필수적이며 이에 따른 면적과 가격 증가는 피할 수 없는 실정이다.또한 고속 시스템의 경우 매우 크고 많은 커패시터들이 사용되어야 한다. 이러한 문제를 피하기 위해 그림 3과 같은 일체형 전압 안정화 시스템이 연구 개발되고 있다. 칩-패키지 일체형 DC-DC의 경우 고용량의 커패시터를 위한 high-k 절연체와 고용량의 인덕터을 위한 상자성체 금속 측면의 소재/공정 개발 및 전원 잡음의 억제을 위해 아주 낮은 파워버스 임피던스가 요구된다. 칩의 측면에서는 On-Die DC-DC나 LDO의 연구 등이 필수적으로 요구된다.이를 위해 기존의 독립적 전압 변환 칩과 이산 소자로 구현된 커패시터나 인덕터 대신 단일칩 기반에서의 저전력 시스템 설계가 일반화될 것이다. 이를 위해 패키징 레벨 부품(Packaging Level Components)에서는 다층 회로 기판에 기반한 고비중 패키지(High Density Package) 및 하이 스피드 패키지(High Speed Package) 연구가 진행되어 다중 전원을 사용하는 칩들의 전원장치용 동력 분배 네트워크(Power distribution network) 설계 방법이 기본으로 사용된다. 고용량의 인덕터를 적은 패키지 면적에 구현하기 위해 강자성체 물질을 프린팅 하여 높은 인덕턴스를 작은 면적에 SoP 신뢰성에 문제가 없도록 만드는 기법이 필요하다.이처럼 저전력 SoP의 성공은 기본적으로 칩 개발과 SoP의 공정 개발이 필수적이다.이러한 실제 구현기술에 뒷받침돼야 하는 기술로는 효과적 설계를 위한 CAD 기술을 뺄 수 없다. 무엇보다 동력 분배 네트워크(Power Distribution Network) 설계를 위한 툴과 칩-패키지 일체형 기능 Co-시뮬레이터(Function Co-Simulator), 서킷 시뮬레이터(Circuit Simulator), 시스템 레벨 LVS 체커(System-level LVS Checker), 시스템 레벨 DRC 체커(System-level DRC Checker) 및 System-level Parasitic Extraction and Modeling Verificator 등이 필요하다. 이외에 실제적인 제품 생산을 위해서는 SI, PI, EMI Simulators, Signal Integrity, Power Integrity및 Noise Estimator/ Suppression을 위한 툴과 방법이 필요하다. 이처럼 저전력 SoP 기술은 여러 가지 측면에서 통합적이고 종합적인 측면에서 체계적인 접근이 필요한 실정이다.결론본고에서 IT 컨버전스 시대에 새로 부상하고 있는 SoP 기술을 저전력 기술 측면에서 간단히 언급했다. 현재 SoP 기술은 모바일 제품들에 적용되고 있으며 여러 가지 다른 분야로 빠르게 적용범위를 확대하고 있다. 여러 측면에서 SoP는 종합 부품적 성격과 시스템적인 성격을 동시에 가지고 있다. 이미 메모리( Memory) 관련 기술뿐 아니라 시스템 전반에 소형과 고집적화를 가져올 수 있는 종합 부품-시스템 통합 기술로써 전 세계적으로 주목받고 집중 연구되고 있다.지금의 기술 진척이 본격적인 양산으로 실현되기까지는 아직 극복해야 할 기술적 문제가 남아 있다. 따라서 차세대 시스템 모듈 분야에 관심이 있는 시스템, 설계 회사, 재료 공정, 패키지 전문회사들의 적극적이고 집중적인 연구 개발이 필요한 시기라 판단된다.

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오영관 (webmaster@techworld.co.kr)

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