위 재 경 공학박사 숭실대학교 정보통신전자공학부 교수 SOC(System On a Chip)시대에서 차세대 시스템모듈(SoP)기술의 출현은 부품 및 시스템 시장이 요구하는 기술이 무엇인지, 시장에 무엇을 공급해야 하는지를 잘 보여주는 하나의 좋은 예이다. 이제 새로운 IT-Convergence 시대에 큰 설계 물결로서 몰아치는 SoP 기술이 무엇인지를 살펴보고자 한다. 1. 서론 전자 및 관련 산업 시장의 급속한 확장 및 이동제품의 급속한 수요 증가로 인하여 고속, 고성능, 고집적의 IT-Convergence 제품에 대한 시장의 수요가 팽창하고 있으나, 기존의 실리콘 기술은 Time-to-Market을 만족시키는데 어려움을 겪고 있다. 또한 다품종 소생산이 확대되고 있는 현 시장 상황에서는 기존의 실리콘에 기반한 솔류션은 시장에서 요구하는 가격대비 성능비를 만족시키는 것이 쉽지 않은 실정이다. 또한 그림 1처럼 무어의 법칙에 따라 증가하는 반도체 집적도의 변화에 비해 패키징 기술은 느리게 진보하므로 반도체 칩의 구현에 존재하는 장애 요인을 타개하면서 차세대 모바일 시스템의 고속화, 고집적화, 소형화의 요구를 충족시키기 위해서는 고성능 극소형 차세대 시스템 모듈 기술 개발이 필요해 지는 실정이다. 이에 따라 세계의 여러 국가들은 기업들뿐 아니라 산학연 연구 센터를 통해 이러한 문제점을 해결할 다른 대안을 찾고 있으며, 이중 가장 실용성 및 시장성에서 인정 받고 있는 것이 SoP(System-on-Packa ge) 기술이다. 기존의 반도체 기술에 대한 SoP기술의 차이점은 “상이한 기술들을 하나의 패키지로의 집적 및 구현"으로 말할 수 있다. 즉, 그림 2에서처럼 기존의 상이한 기술로 존재하는 여러 칩들을 하나의 패키지에서 구현하여 면적, 파워, 원가, 시장의 요구에 실시간 대응등의 장점을 가지도록 만드는 기술을 의미한다. 예를 들어 기존의 DVD player를 모바일용으로 만들 때 SoC나 SoP처럼 만들어 공간 및 파워등을 줄이는 방법이 사용된다. 이중 SoP 기술의 장점은 기존의 개발된 칩의 큰 구조적, 공정적 변화없이 제품을 구연할 수 있다는 점이다. 또한 초기 개발비 및 연구비가 적게 들어 중소 시스템 업체들이 기존의 기술 보다 훨씬 용이하고 저렴하게 적기에 시장 상황에 맞춰 새로운 첨단 제품을 개발 공급할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 세계적으로 굉장히 다양하고 광범위하게 산업체뿐 아니라, 산학연 공동연구가 시행되고 있다. 2. SoP 기술의 부품 상에서의 위치 및 배경 개념적으로 가장 정확한 ‘시스템-온-패키지(SoP)’ 는 단독적인 기능 시스템 혹은 서브 시스템에 대한 요구 사항들의 전부 또는 상당 부분을 단일 패키지에 통합하고자 하는 공정/설계/제작 기술 모두를 포함하는 종합기술로 요약 될 수 있는 ‘구현 기술에 대한 새로운 개념’이다. 따라서 이러한 기술은 여러 가지 기존의 기술과 혼동을 겪고 있으며, 때에 따라서는 오해되고 있는 실정이다. 먼저 기존의 MCM이나 멀티부품 모듈과의 여러 가지 공통점에도 불구하고 근본적인 차이점은 ‘단독 시스템 구현’의 유무라 할 수 있다. 일반적으로 MCM이나 멀티부품 모듈은 전체 시스템의 성능 향상을 위한 접근에서 시작되었으며, 하나의 단독 시스템을 위한 기술로 개발되지 않았다. 또한 일반적으로 비교되고 있는 시스템-온-패키지(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 구현시 제조 공정에 의해 SoC 성능 및 성공여부가 결정되는 문제가 발생되고 있다. 이에 반해 SoP 기술은 공통적인 공정의 제약요소에 의해 제한되지 않고 여러 공정과 관련 설계에 자유로운 하드 IP 기반의 기술로 제공되어, 쉽게 단일 패키지 위에 통합될 수 있는 특성을 지니게 되었다. 이러한 특성을 바탕으로 두 기술을 요약 정리 하면 다음과 같다. 1)SoC 기반 기술의 경우 칩 기술이 시스템 자체를 의미 하지만 SoP 기반 기술은 SoC를 포함한 모든 Chip들이 하나의 전기적 부품으로 고려되어야 하며, 2)SoP 기술은 제품 설계의 방법론이지 그 자체가 제품이 될 수 없다. 즉 SoP 기본 기술은 chip들과 수동소자를 economical integ ration하여 제품 경쟁력을 높이는 기술이며, 3)SoP 설계만의 기본 기술은 칩 기술과 별도로 개발 되어야 할 사항이며, 제품 선택에 따라 dedicating해서 개발하는 응용 기술과도 구분이 될 수 있다. 4)따라서 SOP의 Top-Down 설계 시 Top은 chip 설계가 될 수 없으며, 오히려 시스템 결정에 따른 SoP 설계 기술에 따라 다시 조합되는 부품 기술에 불과하다. 3. SoP 기술의 시장 동향 SoP 기술은 Speed X density측면에서 기존의 실리콘 기반 기술 보다 훨씬 가격 및 시장 선점 능력이 뛰어나다. 이에 Alpine Microsystems나 SIA Road Map을 포함한 국제 시장 조사 기관은 2005년부터 SoP 설계 기반으로 하는 새로운 제품들이 급팽창하리라 예측하고 있다. 이러한 모바일용 SiP 제품군은 Electronic Trend Publication에 의하면 올해 6억개에서 2006년 12억개로 2배 성장하리라 예측하고 있다. 또한, 고급 Package 기술의 적용사례로 현재 전세계 Flip-chip 공정 웨이퍼가 약 400만장(8인치, 12인치 포함) 정도 생산되었고 2006년도에는 1600만장 정도로 성장할 것으로 예상하고 있으며, 노키아 8310 휴대폰 내부의 361개의 소자 중 46%가 RF 관련 소자이며 이 중 90%가 수동 소자. 앞으로 모든 수동 소자가 모두 SoP에 집적할 예정이다. 이러한 기술은 고성능 차세대 PC부품, 무선 통신용 부품뿐 아니라 MEMS, 카메라 폰 모듈도 SoP 기술을 도입하고 있다. 이에 따라, 국내에는 삼성 전자, Hynix, LG전자, Amkor, ASE, ChipPack 등의 반도체 패키지 회사, 대덕전자, 삼성 전기 등의 기판회사, 무선 통신 단말기 제조사 등 수 많은 IT 부품 기업이 SoP 방향으로 사업 전환 모색 중에 있다. 이러한 시장의 흐름은 향후 모든 휴대 단말기 등이 SoC와 RF 모듈, memo ry등을 embedded passive와 같이 단일 모듈에 삽입하여 면적, 파워, 가격 등을 절감하고 시장에 빠르게 대응하는 방식으로 변화하리라 예측하고 있다. 국내 SoP 시장의 또 하나의 중요 수요는 메모리 칩들의 급격한 단일패키지의 요구를 들 수 있다. 이는 현재 모바일 기기에 사용되는 memory-chip-package(MCP)와 더불어, 차세대 고속 DRAM들이 SoP 형태를 채택하려는 움직임에서도 중요하며, 이러한 메모리시장의 움직임은 우리 나라에 가장 큰 SoP 시장이 되리라 예상하고 있다. 더불어 현재 미국과 유럽, 일본에서는 고속 SoC 및 processor들을 3D 구조의 SoP 형태를 채택 하려는 움직임을 가시화 하고 있으며 이러한 기술을 standard화시켜 새로운 IP-business를 창조하려는 움직임이 있다. 4. SoP 개발에 필요한 요소 기술 성공적인 SoP 기술 개발을 위해서는 설계 기술, 공정 기술, CAD기술 등에서 많은 연구가 선행되어야 한다. 이러한 기술은 기존의 시스템 업체의 요구에 따라 칩 설계 및 제작 업체가 수요자로써 통합되고, 기존의 패키지 모듈 외에 여러 기판 공정을 지원하는 업체가 결합되어, 모듈 설계 기술을 위한 CAD 및 방법론을 구축해야 한다. 이러한 구축된 시스템 위에 각각의 SoP 제품 개발에 대한 효율적 접근이 가능하리라 예상된다. 이러한 대략적인 SoP 구현 관련 기본 기술에 대한 것이 그림 3에 정의되어 있다. 먼저 SoP 설계 기술에서 구현될 기술로는 Chip Level Components에서 SoC, RF, 및 Memory Chips 들에 전원을 안정되게 공급하기 위한 power distribution network 설계와 SoP 상에서 기능 테스트가 가능하도록 하는 설계 기법 및 효율적 파워 제어 방법이 연구되어야 한다. 또한 Packaging Level Components에서는 High Density Package, High Speed Package, 및 Multiple Power Structures을 위한 설계 방법이 구현되어야 한다. PCB Level Components에서는 Mobile Products PCBs, High Speed/High Power Products PCBs, EMI-Aware Structures, Multiple Power/Hybrid Mobile Structures 및 Intra-Board Communication Structure (Off-chip BUS system) 등이 일차적으로 연구되어야 한다. 마지막으로 Discrete Level Components에서는 Antenna, VRM/Battery, Discrete R, L, C 및 Human Interface Devices 등이 효율적으로 SoP위에서 배치되고 작동되도록 연구되어야 한다. SoP의 성공적 설계를 위해 기본이 되는 공정 기술은 Bond ing Process (Wire, Lead Frame, BGA, Super Via등), Stacking Process (Planar structure, Vertical structure, 3D structure등), Substrate Process (LTCC, FR4, Silicon carrier, Ceramic, Organic), Embedded Passive Process (High dielectric, Low dielectric, High/Low receptive R, Patched/Printed Inductor) 및 Antenna Process (Patched/Printed, Bonding Wire)등 다양한 기술을 요구한다. 이를 효과적으로 설계하기 위한 CAD기술로는 요소 통합 tool인 Chip-Package-Board Co-simulator, Circuit simulator, System-level LVS Checker, System-level DRC Checker, 및 System-level parasitic extraction and modeling verificator등이 필요하다. 신호 검증 tool로는 SI, PI, EMI simulators, Signal Integrity, Power Integrity, Electro-magneticinter ference, 및 Noise estimator/Suppression이 있다. 마지막으로 SoP의 통합 동작 검증은 System-integra ting Simulators, System-level function verification for SoP 및 System-level Yield analysis for SoP등을 필요로 한다. 이러한 간단히 언급한 기술 항목에서 보듯이 SoP 기술은 여러 가지 측면에서 통합적이고 종합적인 측면에서 체계적인 접근이 필요한 실정이다. 5. 결론 본 기고문에서 IT-Convergence시대에 새로 부상하고 있는 SoP 기술을 여러 설계 기술의 개발 동향에서 간단히 언급하여 보았다. 이러한 SoP 기술은 여러 가지 측면에서 종합 부품적 성격과 시스템적인 성격을 동시에 가지고 있는 새로운 분야이다. 또한 이 분야는 이미 Memory 관련 기술뿐 아니라 시스템 전반에 소형과 고집적화를 가져올 수 있는 종합 부품-시스템 통합 기술로 전세계적으로 주목 받고 집중 연구 되고 있다. 지금의 기술 진척이 본격적인 양산으로 실현되기까지는 아직 시간이 남아 있으며, 따라서 아직 시간이 있는 이때 차세대 시스템 모듈 분야에 관심이 있는 시스템, 설계 회사, 재료 공정, package 전문회사들의 적극적이고 집중적인 연구 개발이 필요한 시기라 판단된다. 그림 1. Moore´s Law를 실현하기 위해 필요한 패키징 기술 그림 2. DVD Player를 예로든 SoC 와 SoP의 구현 그림 3. Application별 SoP 구현 및 기본 기술 필자약력 ·연세대학교 물리학과 ·서울대학교 전자공학 박사 ·하이닉스전자 메모리연구소 ·숭실대학교 정보통신전자공학부 조교수