❖본 조사 보고서의 견적의뢰 / 샘플 / 구입 / 질문 폼❖
2.5D 및 3D 반도체 패키징 시장은 인공지능(AI) 훈련 클러스터, 자동차 센서 융합 플랫폼, 공간 제약이 있는 모바일 기기 등의 수요 증가에 힘입어 2025년 111.2억 달러에서 2026년 127.4억 달러로 성장했으며, 2031년에는 251.8억 달러에 달할 것으로 예측됩니다. 이는 2026년부터 2031년까지 연평균 14.6%의 높은 성장률을 나타낼 것입니다. 이러한 성장은 인터포저 용량, 칩렛 표준, 열 효율적인 기판에 대한 생태계 전반의 투자에 의해 주도되고 있습니다. 파운드리 기업들은 마진 확보와 로드맵 통제를 위해 패키징을 내재화하고 있으며, OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 기업들은 자동차 및 포토닉스 분야의 특수 조립에 집중하고 있습니다. 미국, 유럽, 아시아 정부의 보조금은 지역 다각화를 지원하지만, 실리콘 인터포저 부족과 냉각 한계는 단기적인 성장을 제약하고 있습니다. 글래스 코어 기판, 하이브리드 본딩, 공동 패키징 광학(co-packaged optics)이 대량 채택됨에 따라, 향후 10년간 시스템 성능은 트랜지스터 밀도보다는 패키징 혁신에 의해 좌우될 것으로 전망됩니다.
주요 시장 동향 및 분석:
Mordor Intelligence의 분석에 따르면, 주요 시장 동향은 다음과 같습니다.
* 패키징 기술별: 3D TSV(Through-Silicon Via) 스태킹은 2025년 시장 점유율의 43.72%를 차지했으며, 2031년까지 연평균 14.85%로 성장하며 선두를 유지할 전망입니다.
* 최종 사용자 산업별: 데이터 센터 및 고성능 컴퓨팅(HPC)이 2025년 매출의 37.35%를 차지했으며, 자동차 및 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 부문이 2031년까지 연평균 15.62%로 가장 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다.
* 응용 분야별: 고성능 로직이 2025년 시장의 50.45%를 점유했으며, RF 및 포토닉스 분야는 2031년까지 연평균 16.75%로 가장 빠른 성장을 보일 것입니다.
* 지역별: 아시아 태평양 지역이 2025년 시장의 60.05%를 차지하며 지배적인 위치를 유지했으며, 북미 지역은 2026년부터 2031년까지 연평균 15.2%로 가장 강력한 성장이 예상됩니다.
시장 성장 동력:
1. 초고대역폭 메모리를 요구하는 AI/ML 워크로드: 1조 개 이상의 파라미터를 가진 하이퍼스케일 훈련 모델은 기존 DDR 인터페이스의 한계를 넘어 GPU 공급업체들이 HBM3 스택과 로직을 공동 패키징하여 소켓당 3TB/s의 대역폭을 제공하도록 유도하고 있습니다. TSV 기술은 트레이스 길이를 단축하고 지연 시간을 줄여 시스템 전력 예산을 15% 절감하며, CoWoS 및 Foveros 플랫폼은 메모리와 가속기 다이를 공유 인터포저에 배치하여 엣지 추론 장치에도 이점을 제공합니다. 삼성과 SK하이닉스의 PIM(Processing-in-Memory) 프로토타입은 로직과 스토리지의 경계를 허물며, 2.5D 및 3D 반도체 패키징이 성능 병목 현상을 해소하는 핵심 역할을 하고 있음을 보여줍니다.
2. 스마트폰 및 웨어러블 기기의 소형화: 프리미엄 스마트폰은 SiP(System-in-Package) 모듈 내부에 50개 이상의 기능을 통합하여 보드 면적을 40% 축소하고 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키징(FoWLP)을 통해 Z-높이를 0.5mm 미만으로 줄이고 있습니다. 스마트워치는 100mm² 미만의 패키지에 라디오, 센서, 전력 관리 기능을 이종 통합해야 하는 더 높은 밀도를 요구합니다. 차세대 웨어러블을 위한 신축성 전자제품은 유기 기판으로는 충족할 수 없는 기계적 변형 제약을 추가하여, 뒤틀림에 강한 RDL-first 팬아웃 공정의 채택을 촉진하고 있습니다.
3. 자동차 ADAS의 전동화 추진: 레벨 4 자율주행 스택은 견고한 BGA 풋프린트 내에 CPU, GPU, LPDDR 메모리를 공동 패키징하는 125 TOPS 도메인 컨트롤러에서 초당 최대 2,300프레임의 카메라 데이터를 처리합니다. 전기 구동계는 100kHz 이상으로 스위칭하는 800V SiC 전력 모듈로 전환되고 있으며, 이는 저인덕턴스 레이아웃을 가진 몰드 SiC 패키지만 견딜 수 있는 200°C 접합 온도를 생성합니다. 자동차 인증은 15년의 필드 수명을 요구하며, 중앙 집중식 구역 컴퓨팅은 ADAS, 인포테인먼트 및 배터리 관리가 통합됨에 따라 2.5D 및 3D 반도체 패키징 시장으로 더 많은 콘텐츠를 유입시키고 있습니다.
4. 글래스 코어 기판의 양산 시험 진입: 글래스 코어는 유기 BT 라미네이트에 비해 유전 손실을 절반으로 줄이고 실리콘의 열팽창 계수와 일치하여 뒤틀림 없이 10,000 비아/mm²의 상호 연결 밀도를 구현합니다. 2026년 서버 배치를 위해 아시아 태평양 지역에서 초기 생산이 진행 중이며, 통합 광 도파관은 공동 패키징 광학을 지원하여 112G PAM4 이상의 온보드 구리 도달 거리를 단축합니다. 더 얇은 Z-두께는 열 경로를 개선하여 직접 다이 액체 냉각을 가능하게 합니다.
시장 제약 요인:
1. TSV/인터포저 팹의 자본 지출(CapEx) 증가: 개별 CoWoS 라인은 표준 조립 용량의 3~4배에 달하며, 사이트당 총 투자액을 100억 달러까지 끌어올립니다. 감가상각 기간이 10년으로 길어져 OSAT 기업들은 높은 고정 비용에 묶여 가격 민첩성이 저해됩니다. 장비 공급업체 과점은 장비 리드 타임을 18개월 이상으로 늘려 공급망 위험을 높이며, 소규모 조립업체들의 시장 진입을 어렵게 합니다.
2. 테스트를 위한 설계(Design-for-Test) 복잡성 및 수율 손실: 스택형 SoC의 KGD(Known-Good-Die) 테스트 커버리지는 90% 미만에 머물러, 하나의 불량 레이어가 1,000달러 상당의 어셈블리를 폐기시킬 수 있습니다. 추가적인 TSV 프로브는 다이 면적과 IO 수를 증가시켜 밀도 이점을 상쇄하며, 칩렛 공급업체 간의 독점적인 테스트 IP는 상호 운용성을 방해합니다.
3. 실리콘 인터포저 잉곳 부족: 아시아 태평양 공급망에서 실리콘 인터포저 잉곳 부족은 단기적인 제약 요인으로 작용합니다.
4. 열 관리 신뢰성 한계: 고전력 애플리케이션에서 열 관리의 신뢰성 한계는 장기적인 과제로 남아 있습니다.
지역별 시장 분석:
* 아시아 태평양: 2025년 매출의 60.05%를 차지하며 시장을 지배했습니다. 대만의 CoWoS 라인과 말레이시아의 글로벌 후공정 생산량 13% 점유율에 힘입은 바 큽니다. 베트남과 태국의 인센티브가 기판 및 테스트 용량을 추가하면서 2031년까지 연평균 15.14%의 성장이 예상됩니다.
* 북미: CHIPS Act 보조금에 힘입어 성장을 가속화하고 있습니다. 인텔의 오하이오 단지와 앰코(Amkor)의 20억 달러 규모 애리조나 공장은 현지 생산량을 20% 증가시킬 것입니다. 국방 패키징 의무는 보안 워크로드를 미국 내에 집중시키고 있으며, SK하이닉스의 캔자스 시설 계획은 주요 클라우드 데이터 센터 고객 근처에서 HBM-로직 조립을 확대할 것입니다.
* 유럽: 자동차 및 산업 신뢰성에 중점을 두며, 독일의 실리콘 작센(Silicon Saxony)과 네덜란드의 포토닉스 클러스터가 Horizon Europe 기금을 받고 있습니다. 유럽의 점유율은 아시아에 비해 낮지만, 고신뢰성 부문에서 EU 콘텐츠가 증가하여 지역 2.5D 및 3D 반도체 패키징 시장 규모를 확대하고 있습니다.
* 신흥 지역: 남미, 중동, 아프리카 등 신흥 지역은 완제품 패키징 장치를 수입하지만, 최종 테스트를 현지화하기 위한 투자를 유치하여 전 세계적으로 집중된 공급망의 위험을 점진적으로 분산시키고 있습니다.
경쟁 환경:
2.5D 및 3D 반도체 패키징 시장은 중간 정도의 집중도를 보이며, 상위 5개 공급업체가 전체 매출의 약 60%를 차지합니다. TSMC, 인텔, 삼성과 같은 파운드리 통합 업체들은 웨이퍼와 패키지를 묶어 AI 가속기 시장에서 프리미엄 가격을 책정하고 있습니다. OSAT 기업들은 틈새시장을 공략하여 대응하고 있습니다. ASE는 칩렛 조립 흐름을, 앰코는 자동차 AEC-Q100 라인을, JCET는 중국 내수 시장을 공략하고 있습니다. 자본 집약도는 과거의 비용 우위를 희석시키고 있으며, 기판 공급업체 및 장비 제조업체와의 파트너십을 강요하고 있습니다. 틈새 시장 진입자들은 대량 생산 리더들이 충분히 서비스하지 못하는 포토닉스, 생체 의학 및 방사선 경화 기회를 목표로 합니다. 이제 경쟁 우위는 노동 비용보다는 IP 중심의 차별화에 의해 정의되며, 패키징이 반도체 가치 사슬 전반에 걸쳐 전략적 지렛대 역할을 하고 있음을 보여줍니다.
주요 기업으로는 ASE Group, Amkor Technology Inc., Intel Corporation, Samsung Electronics Co. Ltd, Siliconware Precision Industries Co. Ltd (SPIL) 등이 있습니다.
최근 산업 동향:
* 2025년 7월: 테슬라는 삼성 파운드리와 차세대 자율주행 SoC를 위한 165억 달러 규모의 다년간 웨이퍼 및 패키징 계약을 체결했습니다.
* 2025년 7월: 글로벌파운드리(GlobalFoundries)는 컴퓨팅 IP 및 통합 패키징 솔루션을 강화하기 위해 MIPS 인수를 발표했습니다.
* 2025년 6월: 애플은 보드 면적을 17% 줄이는 새로운 팬아웃 웨이퍼 레벨 스택 기반의 A20 애플리케이션 프로세서를 공개했습니다.
* 2025년 3월: TSMC는 미국 AI 고객을 위한 CoWoS 용량 확장을 위해 애리조나에 1,000억 달러 규모의 첨단 패키징 팹 두 곳을 건설하겠다고 발표했습니다.
* 2025년 2월: 스카이워터(SkyWater)는 인피니언(Infineon)의 오스틴 팹을 인수하여 국내 플립칩 및 TSV 용량을 추가하기로 합의했습니다.
본 보고서는 2.5D 및 3D 반도체 패키징 시장에 대한 심층 분석을 제공합니다. 2.5D 패키징은 실리콘 인터포저 위에 다수의 활성 반도체 칩을 나란히 배치하여 초고밀도 다이-투-다이 상호 연결을 구현하며, 3D 패키징은 다이 스태킹을 통해 최단 상호 연결과 최소 패키지 풋프린트를 달성하는 기술입니다. 이 두 기술은 높은 패키징 밀도와 에너지 효율성 측면에서 이상적인 칩셋 통합 플랫폼으로 각광받고 있습니다.
시장 규모 및 성장 전망에 따르면, 2.5D 및 3D 반도체 패키징 시장은 2026년 127.4억 달러에서 2031년 251.8억 달러로 연평균 성장률(CAGR) 14.6%를 기록하며 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 주로 AI 가속기, 자동차 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템), 그리고 소형 가전 기기의 수요 증가에 힘입은 바가 큽니다.
시장의 주요 성장 동력으로는 AI/ML 워크로드의 초고대역폭 메모리 수요, 스마트폰 및 웨어러블 기기의 지속적인 소형화, 자동차 ADAS 분야의 전장화 가속, 글래스 코어 기판의 양산 시험 진입, 미국 국방부의 온쇼어 3D-IC OSAT 보안 칩 의무화, 그리고 칩렛(Chiplet) 설계의 빠른 채택 등이 있습니다. 반면, 시장의 제약 요인으로는 TSV(Through-Silicon Via) 및 인터포저 팹 구축을 위한 막대한 자본 지출(CapEx), 설계-테스트 복잡성으로 인한 수율 손실, 글로벌 인터포저 실리콘 잉곳 부족 문제, 그리고 열 관리 및 신뢰성 한계 등이 지적됩니다.
보고서는 시장을 다양한 기준으로 세분화하여 분석합니다. 패키징 기술별로는 2.5D 인터포저/FO-SoW(CoWoS, EMIB, InFO-SoW 포함), 3D 스택형(TSV/하이브리드 본드, SoIC, Foveros, HBM 포함), 그리고 웨이퍼 레벨 CSP로 나뉩니다. 최종 사용자 산업별로는 가전제품, 데이터 센터 및 HPC(고성능 컴퓨팅), 통신 및 텔레콤, 자동차 및 ADAS, 의료 기기, 산업 및 IoT, 기타 산업으로 분류됩니다. 애플리케이션별로는 고성능 로직(CPU, GPU, AI 가속기 등), 메모리(HBM, 3D NAND 등), RF 및 포토닉스, 혼합 신호 및 센서 통합(ADC/DAC 혼합 신호 IC, MEMS 센서 등)으로 구분됩니다. 지리적으로는 북미, 유럽, 아시아 태평양, 남미, 중동, 아프리카 지역으로 상세하게 분석됩니다.
특히, 아시아 태평양 지역은 2025년 시장 점유율 60.05%로 생산 측면에서 지배적인 위치를 차지하고 있으며, 이는 대만의 CoWoS 라인과 말레이시아의 확고한 후공정 생태계를 포함한 대부분의 파운드리 및 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 생산 능력을 보유하고 있기 때문입니다. 주요 고객층은 하이퍼스케일 데이터센터 및 HPC 운영업체로, 2025년 수요의 37.35%를 차지하며 AI 훈련 클러스터에 필요한 초당 멀티 테라바이트 메모리 대역폭을 충족시키기 위해 첨단 패키징 기술을 적극적으로 채택하고 있습니다.
향후 상호 연결 밀도의 비약적인 발전을 이끌 기술로는 마이크로 범프를 제거하고 10 µm 미만의 구리-구리 접합을 가능하게 하는 하이브리드 본딩이 꼽히며, 이는 다이-투-다이 대역폭을 1 TB/s 이상으로 확장하고 수율을 개선할 것으로 기대됩니다. OSAT 기업들에게 가장 큰 비용 문제는 TSV 및 인터포저 팹 라인 구축에 최대 50억 달러가 소요되는 막대한 자본 지출이며, 이는 소규모 조립업체들이 고성능 부문에서 철수하거나 위험 분담을 위한 합작 투자를 모색하게 만듭니다. 또한, 미국 CHIPS Act, 유럽 Chips Act 등 각국 정부의 수십억 달러 규모 보조금은 지역 내 첨단 패키징 팹을 장려하고 단일 지역 공급 허브에 대한 의존도를 줄이는 등 공급망 지리에 큰 영향을 미치고 있습니다.
경쟁 환경 분석에서는 시장 집중도, 주요 기업들의 전략적 움직임, 공급업체 포지셔닝이 다루어지며, Advanced Semiconductor Engineering Inc., Amkor Technology Inc., Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited, Samsung Electronics Co., Ltd., Intel Corporation 등 주요 기업들의 프로필이 포함됩니다. 보고서는 또한 시장 기회와 미래 전망, 미개척 영역 및 충족되지 않은 요구 사항에 대한 평가를 제시합니다.
1. 서론
- 1.1 연구 가정 및 시장 정의
- 1.2 연구 범위
2. 연구 방법론
3. 요약
4. 시장 환경
- 4.1 시장 개요
- 4.2 시장 동인
- 4.2.1 초고대역폭 메모리를 요구하는 AI/ML 워크로드
- 4.2.2 스마트폰 및 웨어러블 소형화
- 4.2.3 자동차 ADAS 전동화 추진
- 4.2.4 양산 시험 단계에 진입하는 글라스 코어 기판
- 4.2.5 미국 국방부의 국내 3D-IC OSAT에 대한 보안 칩 의무화
- 4.2.6 칩렛 설계의 빠른 채택
- 4.3 시장 제약
- 4.3.1 TSV/인터포저 팹에 대한 CapEx 증가
- 4.3.2 테스트를 위한 설계 복잡성 및 수율 손실
- 4.3.3 글로벌 인터포저 실리콘 잉곳 부족 문제
- 4.3.4 열 관리 및 신뢰성 한계
- 4.4 산업 가치 사슬 분석
- 4.5 규제 환경
- 4.6 기술 전망
- 4.7 포터의 5가지 경쟁 요인 분석
- 4.7.1 공급업체의 교섭력
- 4.7.2 구매자의 교섭력
- 4.7.3 신규 진입자의 위협
- 4.7.4 대체재의 위협
- 4.7.5 경쟁 강도
5. 시장 규모 및 성장 예측 (가치)
- 5.1 패키징 기술별
- 5.1.1 2.5D 인터포저 / FO-SoW (CoWoS, EMIB, InFO-SoW, 기타 인터포저/팬아웃 온 서브스트레이트 포함)
- 5.1.2 3D 스택형 (TSV / 하이브리드 본드) (SoIC, Foveros, HBM과 같은 스택형 DRAM 포함)
- 5.1.3 웨이퍼 레벨 CSP
- 5.2 최종 사용자 산업별
- 5.2.1 가전제품
- 5.2.2 데이터 센터 및 HPC
- 5.2.3 통신 및 텔레콤
- 5.2.4 자동차 및 ADAS
- 5.2.5 의료 기기
- 5.2.6 산업 및 IoT
- 5.2.7 기타 최종 사용자 산업
- 5.3 애플리케이션별
- 5.3.1 고성능 로직(CPU, GPU, AI 가속기, ASIC, FPGA)
- 5.3.2 메모리 (HBM, DRAM 스택, 3D NAND)
- 5.3.3 RF 및 포토닉스
- 5.3.4 혼합 신호 및 센서 통합 (ADC/DAC 혼합 신호 IC, MEMS 센서, 센서 허브 패키지)
- 5.4 지역별
- 5.4.1 북미
- 5.4.1.1 미국
- 5.4.1.2 캐나다
- 5.4.1.3 멕시코
- 5.4.2 유럽
- 5.4.2.1 독일
- 5.4.2.2 프랑스
- 5.4.2.3 영국
- 5.4.2.4 이탈리아
- 5.4.2.5 기타 유럽
- 5.4.3 아시아 태평양
- 5.4.3.1 중국
- 5.4.3.2 일본
- 5.4.3.3 대한민국
- 5.4.3.4 인도
- 5.4.3.5 기타 아시아 태평양
- 5.4.4 남미
- 5.4.4.1 브라질
- 5.4.4.2 아르헨티나
- 5.4.4.3 기타 남미
- 5.4.5 중동
- 5.4.5.1 이스라엘
- 5.4.5.2 사우디아라비아
- 5.4.5.3 아랍에미리트
- 5.4.5.4 기타 중동
- 5.4.6 아프리카
- 5.4.6.1 남아프리카 공화국
- 5.4.6.2 이집트
- 5.4.6.3 기타 아프리카
- 5.4.1 북미
6. 경쟁 환경
- 6.1 시장 집중도
- 6.2 전략적 움직임
- 6.3 공급업체 포지셔닝 분석
- 6.4 회사 프로필 (글로벌 개요, 시장 개요, 핵심 부문, 재무 정보(가능한 경우), 전략 정보, 제품 및 서비스, 최근 개발 포함)
- 6.4.1 Advanced Semiconductor Engineering Inc.
- 6.4.2 Amkor Technology Inc.
- 6.4.3 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited
- 6.4.4 삼성전자 주식회사
- 6.4.5 Intel Corporation
- 6.4.6 Siliconware Precision Industries Co., Ltd.
- 6.4.7 Powertech Technology Inc.
- 6.4.8 Jiangsu Changjiang Electronics Technology Co., Ltd.
- 6.4.9 GlobalFoundries Inc.
- 6.4.10 United Microelectronics Corporation
- 6.4.11 Tezzaron Semiconductor Corporation
- 6.4.12 STATS ChipPAC Pte. Ltd.
- 6.4.13 TongFu Microelectronics Co., Ltd.
- 6.4.14 하나마이크론
- 6.4.15 Kulicke and Soffa Industries Inc.
7. 시장 기회 및 미래 전망
❖본 조사 보고서에 관한 문의는 여기로 연락주세요.❖
2.5D 및 3D 반도체 패키징 개요
정의
2.5D 및 3D 반도체 패키징은 기존의 2차원 평면 패키징 기술의 한계를 극복하고, 반도체 칩의 성능, 전력 효율성, 소형화를 극대화하기 위한 첨단 패키징 기술입니다. 무어의 법칙이 물리적 한계에 도달함에 따라, 칩 내부의 트랜지스터 집적도를 높이는 것 외에, 여러 개의 칩을 수직 또는 수평으로 통합하여 시스템 수준의 성능 향상을 도모하는 것이 핵심 목표입니다. 2.5D 패키징은 인터포저(interposer)를 사용하여 여러 칩을 수평으로 배치하고 고밀도 상호 연결하는 방식이며, 3D 패키징은 칩들을 수직으로 적층하여 직접 연결하는 방식입니다. 이 두 기술은 칩 간의 데이터 전송 거리를 획기적으로 단축시켜 지연 시간을 줄이고 대역폭을 크게 늘리며, 전체 시스템의 크기를 줄이는 데 기여합니다.
유형
2.5D 패키징은 실리콘 인터포저 또는 유기 인터포저 위에 여러 개의 다이(die)를 나란히 배치하고, 이들을 인터포저를 통해 연결한 후 다시 기판에 실장하는 방식입니다. 대표적인 예로는 고대역폭 메모리(HBM)와 GPU를 하나의 패키지 안에 통합하는 경우가 있습니다. HBM은 여러 개의 DRAM 다이를 수직으로 적층한 후, 이를 GPU 다이와 함께 실리콘 인터포저 위에 배치하여 초고속 데이터 통신을 가능하게 합니다. 2.5D 패키징은 기존의 평면 패키징보다 훨씬 높은 대역폭과 낮은 전력 소모를 제공하지만, 인터포저의 크기 제한과 비용 증가가 단점으로 지적됩니다.
3D 패키징은 여러 개의 반도체 다이를 수직으로 직접 적층하고, 각 다이를 TSV(Through-Silicon Via)라는 미세한 수직 관통 전극을 통해 직접 연결하는 기술입니다. 이는 진정한 의미의 3차원 집적회로(3D IC)를 구현하는 핵심 기술입니다. 3D NAND 플래시 메모리는 이미 상용화된 대표적인 3D 패키징 사례로, 수십에서 수백 층의 메모리 셀을 수직으로 쌓아 올려 저장 용량을 극대화합니다. 또한, 로직 다이와 메모리 다이를 TSV로 직접 연결하는 3D 스택 로직-메모리 통합 기술도 연구 및 개발되고 있습니다. 3D 패키징은 칩 간의 연결 길이를 최소화하여 최고의 성능과 전력 효율성을 제공하며, 가장 작은 폼팩터를 구현할 수 있지만, 제조 공정의 복잡성, 수율 관리의 어려움, 그리고 열 관리 문제가 주요 과제로 남아 있습니다.
용도
2.5D 및 3D 패키징 기술은 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI) 가속기, 데이터 센터, 서버 등 높은 연산 능력과 데이터 처리 속도를 요구하는 분야에서 필수적으로 활용됩니다. 특히, GPU와 HBM의 통합은 AI 학습 및 추론 시스템의 성능을 비약적으로 향상시켰습니다. 또한, 스마트폰, 웨어러블 기기 등 소형 전자기기에서는 제한된 공간 내에서 더 많은 기능과 긴 배터리 수명을 구현하기 위해 3D 패키징을 통한 소형화 및 전력 효율성 개선이 중요합니다. 자율주행차, ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)와 같은 자동차 전장 분야에서도 고성능 센서 데이터 처리 및 실시간 연산을 위해 이 기술의 적용이 확대되고 있습니다. 3D NAND는 대용량 저장 장치인 SSD(Solid State Drive)의 핵심 기술로 자리매김했습니다.
관련 기술
2.5D 및 3D 패키징의 구현을 위해서는 다양한 첨단 기술들이 뒷받침되어야 합니다. 핵심은 TSV(Through-Silicon Via) 기술로, 실리콘 웨이퍼를 관통하는 미세한 구리 기둥을 형성하여 칩 간의 수직 전기적 연결을 가능하게 합니다. 또한, 다이를 얇게 만드는 웨이퍼 씨닝(wafer thinning) 기술과 얇아진 웨이퍼를 정밀하게 적층하는 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 기술이 중요합니다. 칩 간의 미세한 연결을 위한 마이크로 범프(micro-bump) 또는 하이브리드 본딩(hybrid bonding) 기술은 연결 밀도와 신뢰성을 높이는 데 기여합니다. 여러 칩이 적층되면서 발생하는 열 문제를 해결하기 위한 첨단 열 관리 솔루션(예: 마이크로 채널 냉각, 액체 냉각)도 필수적입니다. 이 외에도, 적층 전 불량 다이를 선별하는 KGD(Known Good Die) 테스트 기술, 복잡한 3D 구조를 설계하고 시뮬레이션하는 EDA(Electronic Design Automation) 툴, 그리고 패키지 신뢰성을 보장하는 새로운 소재(언더필, 몰딩 컴파운드) 개발이 수반됩니다.
시장 배경
반도체 산업은 무어의 법칙 둔화와 함께 새로운 성장 동력을 모색하고 있으며, 2.5D 및 3D 패키징은 이러한 요구에 대한 핵심적인 해답으로 부상했습니다. 고성능, 저전력, 소형화에 대한 시장의 끊임없는 요구는 이종 집적(heterogeneous integration) 기술의 발전을 가속화하고 있습니다. 특히, AI, 5G, 자율주행, IoT 등 신기술 분야의 성장은 첨단 패키징 시장의 성장을 견인하고 있습니다. 주요 파운드리(Foundry) 업체, OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체, 그리고 IDM(Integrated Device Manufacturer) 업체들은 이 분야에 막대한 투자를 진행하며 기술 경쟁을 벌이고 있습니다. 그러나 높은 개발 및 제조 비용, 복잡한 공정으로 인한 수율 문제, 그리고 열 관리의 어려움은 여전히 시장 확대를 위한 주요 도전 과제로 남아 있습니다.
미래 전망
2.5D 및 3D 패키징 기술은 앞으로도 반도체 산업의 혁신을 주도할 핵심 동력이 될 것입니다. 미래에는 더욱 미세화된 TSV 기술과 고밀도 하이브리드 본딩 기술이 발전하여 칩 간의 연결 밀도와 효율성이 더욱 향상될 것으로 예상됩니다. 또한, 다양한 기능의 칩렛(chiplet)들을 2.5D 또는 3D 방식으로 통합하여 하나의 시스템 온 패키지(System-in-Package, SiP)를 구현하는 이종 집적 기술이 더욱 보편화될 것입니다. 이는 특정 애플리케이션에 최적화된 맞춤형 반도체 솔루션을 제공하며, 개발 비용과 시간을 절감하는 효과를 가져올 것입니다. 열 관리 기술의 발전과 함께, 공정 자동화 및 AI 기반 수율 예측 기술 도입을 통해 제조 비용을 절감하고 수율을 개선하는 노력이 지속될 것입니다. 궁극적으로 2.5D 및 3D 패키징은 인공지능, 양자 컴퓨팅, 엣지 컴퓨팅 등 미래 기술의 발전을 위한 필수적인 기반 기술로 자리매김할 것입니다.