방대한 데이터를 빠르게 처리해야 하는 AI 시대. 메모리 반도체 성능에 대한 기대는 계속 높아지고 있으나, 회로 선폭을 좁혀 성능을 높이는 미세 공정은 물리적 한계에 다다랐다. 이 간극을 극복하기 위해 반도체 산업의 패러다임은 이제 ‘패키지 기술’로 향하고 있다.

TSV(Through-Silicon Via)는 AI 시대를 선도하는 HBM의 압도적인 성능을 완성한 패키지 기술 중 하나다. 반도체 칩 자체에 수천 개의 수직 관통 구멍을 뚫어 층간 신호를 직접 전달하는 TSV는 기존 배선 방식이 가진 물리적 제약을 극복하며 HBM이 요구하는 초고속 · 저전력 성능을 뒷받침한다.

반도체 칩 사이를 연결하는 전통적인 방식은 ‘와이어 본딩(Wire Bonding)’이다. 칩 바깥으로 가느다란 금속 선을 뽑아 연결하는 이 구조에서 데이터는 외부로 우회한 뒤 다시 다른 칩으로 진입하게 된다. 층수가 늘어날수록 경로도 길어지고, 신호 전달 속도는 느려지며 전력 소모도 커진다. 마치 고층 건물을 오르내릴 때마다 건물 밖 비상계단을 빙빙 돌아야 하는 셈이다.

TSV는 이 구조를 근본적으로 바꿨다. 칩 내부를 수직으로 관통하는 미세한 구멍을 뚫어, 칩과 칩을 직접 연결해 최단 경로를 구축한다. 마치 건물 한가운데 초고속 엘리베이터를 설치한 것과 같다. 이를 통해 신호 지연을 최소화하여 고대역 데이터의 고속 전송을 구현하고, 전력 소모를 대폭 줄여 저전력 · 고효율을 동시에 달성한다.

TSV는 단일 칩의 한계를 넘어 어드밴스드 패키징(Advanced Packaging) 혁신을 이끄는 핵심 인터커넥션 기술이다. 그러나 TSV를 활용해 칩을 수직으로 높이 쌓아 올리는 과정은 결코 단순하지 않다. 층이 높아질수록 심화되는 휨 현상(Warpage)이나 밀집 구조로 인한 발열 등의 물리적 난제가 계속해서 발생하기 때문이다. 따라서 TSV와 같은 혁신 기술 개발뿐만 아니라, 이를 제어하기 위한 신규 소재와 공법을 개발하여 최적의 수율과 신뢰성을 확보하는 것까지 모두 PKG개발 직무의 역할이다.

AI 시대를 선도하는 패키지 기술의 정수, TSV. 이에 대한 대학생 앰버서더들의 쉽고 명쾌한 설명은 아래 ‘하이피디아’ 숏폼 영상에서 확인할 수 있다.