반도체 기술이 점차 미세화 한계에 도달하고, 성능·전력·면적(PPA) 최적화에 대한 요구가 높아지면서, 칩을 단일 구조가 아닌 여러 개의 칩으로 분할하여 하나의 패키지 안에 통합하는 방식이 각광받고 있습니다. 이와 같은 흐름에서 등장한 개념이 바로 '하이브리드 패키징(Hybrid Packaging)'입니다. 하이브리드 패키징은 이기종 반도체 칩들을 물리적으로 통합하면서도, 전기적 신호 손실을 최소화하고 공간 활용도를 극대화하는 패키징 기술로, 최근 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI), 데이터센터, 모바일 AP 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이 기술은 기존의 2D 패키지에서 진화하여 2.5D, 3D, 팬아웃(Fan-out), 적층형 SiP(System in Package), 그리고 Chiplet 기반 구조 등 여러 기술이 결합된 복합적 형태를 띠고 있으며, 전통적인 패키징 방식으로는 달성하기 어려운 성능과 유연성을 제공하고 있습니다. 이 글에서는 하이브리드 패키징의 개념과 구조, 적용 기술, 그리고 산업별 활용 사례 및 발전 방향에 대해 자세히 설명합니다.
하이브리드 패키징의 정의와 구조적 특징
하이브리드 패키징은 이름 그대로 서로 다른 기능과 특성을 가진 반도체 칩들을 하나의 패키지 안에 통합하는 기술을 말합니다. 이기종(hybrid)이라는 개념은 단순히 기능이 다른 칩을 통합한다는 의미에 그치지 않고, 서로 다른 제조 공정, 다른 크기, 다른 성능을 가진 칩들을 조합하여 최적의 시스템 구성을 구현하는 것을 포함합니다. 예를 들어 CPU와 GPU, 메모리, 전력관리칩(PMIC), 아날로그 칩 등을 하나의 패키지 내에 집적하면, 각각을 개별 칩으로 분리 설계할 때보다 면적, 전력 효율, 신호 지연 측면에서 훨씬 유리합니다. 하이브리드 패키징 구조는 크게 2.5D, 3D, 팬아웃, SiP 등으로 나뉘며, 각기 다른 인터포저, TSV(Through Silicon Via), RDL(Redistribution Layer), 범프 기술 등이 사용됩니다. 예를 들어 2.5D 패키징은 실리콘 인터포저 위에 여러 칩을 배치하고, 고밀도 배선을 통해 연결하는 구조로, 고대역폭 메모리(HBM)와 고성능 로직 칩의 통합에 적합합니다. 반면 3D 패키징은 칩을 수직으로 적층하여 TSV로 연결하는 구조로, 면적을 줄이면서도 고속 인터커넥트를 구현할 수 있는 장점이 있습니다. 하이브리드 패키징은 이처럼 여러 기술을 혼합하여 최적의 형태로 설계할 수 있어, 시스템 설계의 자유도를 크게 확장시켜줍니다.
적용 기술: Chiplet, RDL, TSV, Fan-out 구조
하이브리드 패키징을 실현하기 위한 주요 기술 중 가장 핵심적인 개념이 'Chiplet(칩렛)'입니다. 칩렛은 하나의 시스템을 여러 개의 작은 기능 블록으로 나눈 모듈형 칩 구조로, 각 칩렛은 독립적으로 제조된 후 패키지 수준에서 통합됩니다. 이 방식은 생산성과 수율을 높이면서도 다양한 기능의 칩을 유연하게 조합할 수 있어 하이브리드 패키징 구현에 최적입니다. 이를 가능하게 하는 기술로는 고밀도 RDL(Redistribution Layer), 마이크로 범프(Micro-bump), 다이렉트 본딩, CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate), InFO(Integrated Fan-out) 등이 있습니다. RDL은 칩 외부 입출력 단자를 재배치하여 다양한 칩 간 배선 연결을 용이하게 하는 층으로, 미세 패턴 구현과 신호 무결성을 동시에 고려해야 합니다. TSV는 실리콘 다이 내부에 미세한 수직 전도 경로를 삽입하여, 다층 칩 간 고속 통신을 가능하게 하는 기술이며, 3D 패키징에 필수적으로 사용됩니다. 한편 Fan-out 기술은 웨이퍼 레벨에서 패키징을 진행하는 방식으로, 칩을 인터포저 없이 RDL 위에 배치해 소형화와 저비용을 동시에 실현할 수 있습니다. 하이브리드 패키징은 이러한 기술들을 조합해 목적에 따라 최적화된 구조를 설계할 수 있으며, 특히 고대역폭 통신, 낮은 지연 시간, 저전력 구성이 필요한 AI/ML 시스템, 고성능 서버용 프로세서 등에서 효과적으로 적용되고 있습니다.
산업별 적용 사례와 발전 방향
하이브리드 패키징은 다양한 산업 분야에서 활발히 도입되고 있으며, 그 활용 범위는 지속적으로 확장되고 있습니다. 대표적으로 AMD는 Zen 아키텍처 기반의 Ryzen 및 EPYC 시리즈에서 칩렛 기반의 하이브리드 패키징 구조를 도입해 성능과 제조 유연성을 극대화했습니다. 이는 CPU 코어 칩과 I/O 다이를 분리 제작하고 패키지에서 통합함으로써, 각각의 공정 최적화를 달성하고 수율을 높일 수 있는 전략이었습니다. 인텔 역시 Foveros 기술을 통해 로직 칩을 수직으로 적층하고, EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)를 사용하여 칩 간 연결 성능을 개선한 하이브리드 패키징 기술을 상용화하고 있습니다. 삼성전자는 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)와 메모리를 통합하는 SiP 구조, 팬아웃 패키지 기술, HBM 통합 등 다양한 하이브리드 구조를 구현 중이며, 자율주행 및 AI SoC 영역에서도 관련 기술을 적극 개발하고 있습니다. 하이브리드 패키징의 미래는 더 높은 집적도, 더 낮은 전력 소모, 더 강력한 통신 대역폭이라는 세 가지 목표를 중심으로 진화할 것입니다. 특히, 패키지 설계 단계에서부터 신호 무결성(SI), 전력 무결성(PI), 열 방출(Thermal Dissipation) 등을 통합적으로 고려해야 하며, 이를 위해 EDA 툴의 진화와 시뮬레이션 정확도 개선이 동반되어야 합니다. 또한 소재 측면에서도 초미세 배선 구현을 위한 고성능 절연체, 범프 금속, 열전도 재료 등의 개발이 핵심 과제가 되고 있습니다.
하이브리드 패키징은 반도체 산업의 미세화 한계를 극복하고, 시스템 수준에서의 통합과 성능 최적화를 가능하게 하는 차세대 핵심 기술입니다. 기존의 단일 SoC 방식에서는 구현이 어려운 고복잡도, 고성능, 고효율 시스템을 실현할 수 있게 해주며, 반도체 설계와 제조의 새로운 패러다임을 열어가고 있습니다. 앞으로는 AI, 자율주행, 고속통신, 고해상도 센서 시스템 등 다양한 분야에서 하이브리드 패키징 수요가 급증할 것으로 예상되며, 기술적 고도화와 함께 생태계 전반의 협업이 더욱 중요해질 것입니다. 특히 설계, 공정, 테스트, 패키징 간 통합 개발 체계가 요구되며, 이를 위한 산업 전반의 R&D 전략이 필수적입니다. 하이브리드 패키징은 단순한 집적 기술을 넘어서, 반도체 혁신을 이끄는 ‘시스템 통합 플랫폼’으로 자리매김할 것입니다.