TSV (through Silicon Via) 공정이란?

반도체 패키지 공정 중 웨이퍼간 또는 칩간 연결 방식은 크게 3가지 방식이 있다.

1. 와이어본딩 : Chip + 기판을 금속 배선으로 연결

 - 상대적으로 속도가 느림

 - Chip을 기판에 와이어로 하나하나 연결함

2. 플립칩 본딩 : Chip 바닥에 연결용 범프를 부착 후 바닥을 아래로 향하도록 다시 뒤집어서 기판에 부착

 - Chip이 기판에 직접 맞닿아 이동 경로가 단축되어 빠른 속도 구현이 가능함

 - 기판과 맞닿는 부위만 연결이 되므로.. 단일Chip이나 Chip을 수평으로 이어붙인 구조에서만 적용 가능함

3. TSV (through Silicon Via) : 여러겹 쌓인 Chip에 구멍을 뚫어 전류를 흐르게 함 (수직 관통 전극)

 - 수직으로 빠르게 데이터 이동이 가능

 - 전력 소모 감소 (성능 향상)

 - 패키지 사이즈를 감소 (특히 두께)

 

오늘은 이 중 가장 최신 공정이라고 할 수 있는 TSV 공정에 대해서 알아보자. 

TSV를 공부하기 전 HBM에 대해서 먼저 확인이 필요하다.

 

1. HBM이란??

HBM (High Band-width Memory)

- TSV공정을 이용해 메모리 칩을 적층하여 데이터 처리속도를 극대화한 고대역폭 메모리. 

- Band-width(대역폭) : data 전달 성능 (Memory Bus 수 x Memory clock 수)

- SiP (System in Package)에서 주로 사용

- 대용량 데이터 처리에 특화된 메모리 (주로 GPU와 같은 고성능 분야에 활용되었음)

- 초고온, 초절전, 초고속에 특화되어 있음 (자율주행, 머신러닝 등 향후 4차산업에서 많은 데이터 처리가 필수인 만큼 적용 분야가 많아질 것으로 예상됨)

<SiP 설명 - 출처 : 삼성전기 홈페이지>

SiP는 HBM과 CPU/SoC를 interposer*를 통해서 하나의 칩으로 연결하고..이 연결된 칩을 패키징과 연결시키기 위해 Package substrate라는 반도체 기판을 이용함. (* : Interposer : IC와 PCB사이에 추가적으로 삽입하는 미세 회로 기판)

이렇게 SiP는 3D 구조의 HBM과 CPU를 2D 방식으로 연결해서 2.5D 구조라고도 함.  

DRAM의 경우 NAND와는 달리 3D 형성이 어려워서 TSV를 이용한 Chip to Chip 패키징이 이용됨.

 

2. TSV 공정이란??

와이어본딩 vs TSV

- Wafer & Wafer 또는 Chip & Chip을 쌓은 뒤 구멍을 뚫어 관통시키는 기술로 기존 와이어 본딩 기술을 대체함.
- 실리콘 웨이퍼를 관통하는 미세 홀을 형성한 후, 홀 내부에 전도성 물질을 충전시켜 칩 내부에 직접적인 전기적 연결 통로를 확보하는 기술.
- Chip vertical stacking + wirebonding 시 발생하는 접촉 불량, 물리적 입출력 유닛 갯수의 제한 등과 같은 문제점 해결 가능