SiP란? 칩과 작은 부품을 작은 모듈 하나로 패키징하는 기술

SiP는 System in Package의 약자로, 시스템 인 패키지라고 한다. 칩과 칩에 필요한 작은 부품, 예를 들어 저항, 커패시터, 그리고 흔히 다른 칩까지 작은 기판 하나에 함께 올리고, 플라스틱으로 봉지해 작은 모듈 하나로 만든 것이다. 겉으로는 평범한 칩 하나처럼 보이지만, 안에는 작은 시스템 하나가 들어 있다.

칩 옆에는 왜 작은 부품이 잔뜩 있나?

전자제품을 뜯어 보면, 회로 기판에는 검은 칩 말고도 깨알만 한 부품이 넓게 깔려 있는 경우가 많다. 대부분 저항과 커패시터다.

• 저항: 전류의 크기를 제한한다. 수도관을 조금 좁게 쥐는 것과 같다.
• 커패시터: 전기를 조금 저장해 두었다가 필요할 때 곧바로 보충한다. 옆에 놓아둔 작은 물통과 같다. 칩이 갑자기 전기를 많이 쓸 때도 전압이 한꺼번에 뚝 떨어지지 않게 해 준다.

칩은 이 부품들에 기대야 안정적으로 동작한다. 왜 칩 안에 넣어 만들지 않을까? 넣을 수 있는 것도 있다. 하지만 전기를 많이 저장해야 하는 커패시터는 칩 위에서 큰 면적을 차지하는데, 칩 위의 면적은 비싸다. 그래서 따로 만든 작은 부품을 쓰는 경우가 많다. 제품 하나에 들어가는 칩도 하나가 아닌 경우가 많다.

SiP는 무엇을 함께 패키징하나?

일반적인 패키징은 대부분 칩 하나를 패키지 하나로 감싼다(‘패키징이란? 완성된 칩을 왜 또 감싸야 할까’ 참고). 제품을 만드는 쪽은 그 칩과 옆에 놓일 작은 부품 수십 개를 하나씩 회로 기판에 납땜한다.

SiP는 이 일을 패키징 단계에서 미리 끝낸다. 칩과 작은 부품을 먼저 작은 기판에 올려 연결한 뒤 통째로 봉지한다. 제품을 만드는 쪽이 받는 것은 부품 하나뿐이다.

도시락과 비슷하다. 반찬은 그대로지만 작은 상자 하나에 미리 담아 두어, 받자마자 먹을 수 있다.

SiP에는 모두가 동의하는 정의가 없다. 엄격한 정의로는 서로 다른 칩이 두 개 이상 들어 있어야 한다. 흔한 SiP도 실제로 칩 여러 개에 저항과 커패시터를 더한 것이고, 안테나나 센서까지 들어간 것도 있다. 뉴스에서 말하는 ‘이종 집적(heterogeneous integration)’은 따로 만든 서로 다른 것들을 함께 패키징하는 것을 말하며, SiP는 그 흔한 형태 가운데 하나다.

왜 SiP로 패키징하나?

• 작고 공간을 아낀다: 원래 회로 기판 여기저기에 흩어져 있던 부품을 모듈 안에서는 더 촘촘히 배치할 수 있어, 전체가 하나로 줄어든다. 이어폰, 시계, 보청기처럼 작으면서 많은 기능을 넣어야 하는 기기에 이 점이 가장 필요하다.
• 경로가 짧다: 커패시터가 칩에 가까울수록 전기를 제때 보충할 수 있고, 신호가 지나는 경로도 짧아진다.
• 받아서 바로 쓸 수 있다: 모듈은 출하 전에 통째로 테스트를 마치므로, 제품을 만드는 쪽은 납땜할 부품이 크게 줄어든다.

SiP와 SoC는 무엇이 다른가?

SoC는 System on Chip의 약자로, 시스템 온 칩이라 한다. 연산, 메모리, 무선 같은 기능을 모두 칩 하나에 설계해 넣은 것이다. SiP는 따로 만든 칩과 부품을 패키지 하나에 넣은 것이다.

비유하자면 SoC는 모든 가게를 큰 건물 하나에 들인 것이고, SiP는 각자 지은 작은 가게 몇 곳을 같은 땅에 나란히 세우고 담을 두른 것이다.

	SoC(시스템 온 칩)	SiP(시스템 인 패키지)
구성 요소의 위치	모두 칩 하나 안에	여러 가지가 패키지 하나 안에
만드는 방법	모두 같은 공정으로 만든다	칩마다 가장 알맞은 방법으로 만들 수 있다
크기	가장 작다	SoC보다 크지만, 회로 기판에 흩어져 있을 때보다 훨씬 작다
칩 사이의 경로	가장 짧다. 칩 안에 있다	칩 안보다 길고, 회로 기판보다 짧다
새로 하나 만들 때	처음부터 설계하고 포토마스크를 만들어야 해 오래 걸리고 비싸다. 아주 많이 만들면 개당 가격은 가장 싸다	이미 만들어 테스트를 마친 칩을 조합할 수 있어 대개 더 빠르다

왜 전부 SoC로 만들지 않을까? 연산을 맡는 회로와 같은 방법으로 함께 만들기 어려운 것들이 있기 때문이다. 무선 신호를 증폭해 내보내는 부품, 일부 메모리와 센서가 그렇고, 비교적 큰 커패시터도 넣을 수 없다. 이런 것들은 따로 만들어 함께 패키징한다.

둘 중 하나를 고르는 문제도 아니다. 많은 SiP 안에는 SoC가 하나 들어 있고, 여기에 SoC에 필요한 다른 칩과 작은 부품이 더해진다.

SiP와 첨단 패키징은 또 무엇이 다른가?

뉴스에서 흔히 말하는 첨단 패키징은 칩 여러 개를 인터포저(interposer) 위에 나란히 놓거나 바로 쌓아 올려, 아주 가깝고 촘촘하게 연결해 큰 칩 하나처럼 쓰게 하는 것이다(“뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?” 참고). 첨단 패키징이 신경 쓰는 것은 칩 사이의 경로가 아주 짧고 넓어야 한다는 점이며, AI 칩에 가장 필요하다.

SiP가 신경 쓰는 것은 작은 시스템 하나가 다 들어가느냐다. 칩, 저항, 커패시터, 때로는 안테나까지 작은 모듈 하나에 모두 넣는다. 연결 방식은 대부분 아주 성숙한 기술이다. 부품 실장, 와이어 본딩, 또는 칩을 뒤집어 기판에 바로 납땜하는 플립칩이다.

두 용어는 겹치기도 한다. 칩을 쌓아 올린 SiP도 있고, 첨단 패키징을 SiP의 한 종류로 보는 사람도 있다. 이렇게 기억하면 된다. 첨단 패키징은 칩 여러 개를 칩 하나처럼 만들고, SiP는 작은 시스템 하나를 부품 하나처럼 만든다.

SiP는 어떻게 만드나?

와이어 본딩으로 칩을 바깥과 연결하는 SiP를 예로 들면, 대략 다음 단계를 거친다(부품 실장과 다이 본딩의 순서는 게임 속 패키징 라인을 따랐다).

1. 먼저 테스트하고, 그다음 자른다: 웨이퍼 위의 칩 하나하나를 먼저 가는 바늘로 테스트(웨이퍼 테스트)한 뒤, 뒷면을 갈아 얇게 만들고 하나씩 다이싱한다.
2. 부품 실장: 기판의 작은 금속 면에 솔더 페이스트를 한 겹 인쇄하고, 작은 저항과 커패시터를 올려 긴 오븐에 넣는다. 솔더 페이스트가 녹았다가 굳으면 부품이 납땜된다.
3. 다이 본딩: 양품 칩을 하나씩 집어 접착제로 기판에 붙인다. 웨이퍼 테스트에서 불량으로 판정된 칩은 집어 올리지 않는다.
4. 와이어 본딩: 머리카락보다 가는 금속 와이어로 칩의 접점을 한 가닥씩 기판에 연결한다(자세한 내용은 ‘와이어 본딩이란? 칩은 어떻게 외부와 연결될까’ 참고). 와이어 본딩 대신 플립칩을 쓰는 SiP도 있다.
5. 몰딩: 모듈 여러 개가 늘어선 기판 한 장을 통째로 금형에 넣어 플라스틱으로 감싼 뒤, X선을 비춰 와이어가 밀려 휘지 않았는지 본다.
6. 자르기: 봉지를 마친 기판 한 장을 다시 모듈 하나하나로 자른다.
7. 파이널 테스트: 모듈 전체를 한 번 더 테스트한다. 봉지한 뒤에야 드러나는 문제도 있기 때문이다.
8. 포장, 출하: 모듈을 테이프 앤 릴에 담는다. 플라스틱은 수분을 흡수해서 회로 기판에 납땜할 때 가열되면 갈라질 수 있으므로, 건조한 뒤 방습 포장까지 한다.

안에 든 것 하나가 불량이면 어떻게 되나?

SiP에는 골치 아픈 점이 하나 있다. 안에 든 것 가운데 하나만 불량이어도 모듈 전체를 쓸 수 없고, 나머지 양품까지 함께 버려진다. 봉지한 뒤에는 뜯어서 고치기도 어렵다.

가정한 숫자로 계산해 보자. 모듈 하나에 칩 4개를 넣고, 칩마다 양품일 확률이 90%라고 하자. 4개가 모두 양품일 확률은 0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9로, 약 3분의 2밖에 되지 않는다.

그래서 칩은 하나하나 먼저 테스트해서 양품만 넣는다. 자르기 전에 웨이퍼 테스트를 먼저 하는 이유도 여기에 있다(‘칩은 어떻게 테스트할까? 웨이퍼 테스트(CP)와 파이널 테스트(FT)의 차이’ 참고).

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서 플레이어는 후공정 공장의 패키징 공정 엔지니어다. 라인장 수후이가 플레이어를 다이싱 장비에서 부품 실장 라인으로 데려가 말한다. “Glowmere는 SiP 모듈에 들어가요. 작은 기판 위에 칩이 있고, 저항이랑 커패시터가 몇 개 있어요.” 부품 실장을 먼저 하고, 그다음에 다이 본딩을 한다. 와이어 본더가 늘어선 줄에 이르면 WB-03의 풀 테스트 샘플링에서 두 가닥이 이상하게 나와, 장비를 세울지 플레이어가 정해야 한다. 챕터 13 ‘아버지의 손에’에서는 Glowmere가 들어간 새 보청기가 선 대표 아버지의 손에 전해진다.

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어를 고르면, 기기의 시각에 따라 근무 하나가 배정된다. 네 근무 모두 이 패키징 라인에서 펼쳐지며, 오후 근무가 곧 챕터 11이다.

게임 속 Glowmere 모듈은 비교적 단순해서 칩 하나에 저항과 커패시터 몇 개뿐이다. 엄격한 정의로는 서로 다른 칩이 두 개 이상 들어 있어야 SiP라 부르지만, 게임에서는 더 넓은 의미로 이 이름을 쓴다. 게임 속 후공정 공장, 칩, 인물, 장비 번호는 모두 가상이다. SiP가 무엇이고 어떻게 만드는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, ‘90%’는 가정한 숫자다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.