PoP 패키지, 모바일 기기에서 칩을 위로 쌓는 이유

자동차 지붕에 루프탑 텐트를 얹으면, 차 옆 땅에 텐트를 따로 치는 것보다 야영장 바닥을 거의 쓰지 않습니다. 대신 차의 높이가 올라가서 낮은 주차장이나 터널에는 들어가기 어려워집니다.

휴대 기기 안에서 PoP 패키지가 하는 일이 이와 같습니다. 연산용 칩 위에 메모리를 얹어 보드 면적을 아끼는 대신 높이와 열을 대가로 치르는 구조이며, 이 글에서는 구조와 조립 방식, 모바일 기기에서 쓰이는 이유를 풀어 봅니다.

텐트와 다른 점은 위아래가 전기로 연결된다는 것입니다. 지붕 위 텐트는 차와 전기적으로 얽히지 않지만, 위쪽 패키지는 솔더 볼 수백 개로 신호와 전원을 주고받으며 한 번 붙이면 쉽게 떼어 낼 수도 없습니다.

PoP 패키지가 나온 배경, 좁은 보드 위의 선택

스마트폰의 메인 보드는 배터리와 카메라 모듈, 안테나가 차지하고 남은 좁은 면적에 모든 칩을 올려야 합니다. 연산을 맡는 칩과 데이터를 담는 메모리를 나란히 놓으면 면적을 두 배 가까이 써야 하고, 둘을 잇는 배선도 길어집니다.

그래서 연산 칩의 위에 메모리를 얹는 방법이 등장했습니다. PoP(Package on Package, 패키지 위에 패키지)는 완성된 패키지 두 개를 위아래로 쌓아 하나처럼 쓰는 구조입니다.

여기서 중요한 것은 칩을 쌓는 것이 아니라 패키지를 쌓는다는 점입니다. 각 패키지가 따로 만들어지고 따로 시험된 뒤에 합쳐진다는 사실이 PoP의 장점과 한계를 모두 결정합니다.

아래에는 연산 칩, 위에는 메모리가 놓이는 구조

아래쪽 패키지에는 보통 애플리케이션 프로세서 같은 연산 칩이 들어 있고, 이 패키지의 바닥면에 있는 솔더 볼이 보드에 접합됩니다. 칩을 기판에 붙이는 방식은 플립칩이 흔하고, 와이어 본딩을 쓰는 경우도 있습니다.

위쪽 패키지에는 모바일용 DRAM이 들어가며, 여러 개의 메모리 칩을 쌓은 뒤 와이어 본딩으로 기판에 연결하는 형태가 흔합니다. 이 패키지의 바닥면에도 솔더 볼이 있고, 그 볼이 아래쪽 패키지의 윗면 패드와 만납니다.

정리하면 PoP에는 접합 층이 두 겹 있습니다. 아래쪽 패키지와 보드를 잇는 볼 층, 그리고 위쪽 패키지와 아래쪽 패키지를 잇는 볼 층입니다. 메모리의 신호는 위쪽 볼, 아래쪽 패키지 기판 배선, 연산 칩으로 이어지고, 연산 칩과 메모리 사이 거리가 짧아서 전기적으로 유리합니다.

위아래 패키지를 잇는 통로를 여는 두 가지 방법

아래쪽 패키지는 연산 칩을 보호하려고 몰딩으로 덮어야 하는데, 윗면 패드까지 덮어 버리면 위쪽 패키지와 연결할 수 없습니다. 그래서 몰딩을 하면서도 연결 통로를 열어 두는 방법이 필요합니다.

첫 번째 방법은 몰딩을 칩 위 중앙부에만 하고 가장자리의 패드를 열어 두는 것입니다. 구조가 단순한 대신 패드가 놓일 수 있는 위치가 가장자리로 제한되어 연결 개수를 늘리기 어렵습니다.

두 번째 방법은 칩 전체를 몰딩한 뒤 패드 위의 몰딩에 구멍을 뚫는 TMV(Through Mold Via, 몰드 관통 비아)입니다. 레이저 등으로 구멍을 뚫어 패드를 노출시키고 솔더로 채우므로, 패드를 더 촘촘하고 넓게 배치할 수 있다는 점이 장점입니다.

두 방법 모두 위쪽 패키지의 볼 배열과 아래쪽 패키지의 패드 배열이 위치와 간격까지 정확히 맞아야 합니다. 그래서 이 연결 배열은 메모리 제조사와 연산 칩 제조사가 규격으로 약속하는 경우가 많습니다.

조립이 진행되는 순서

PoP의 조립 방식은 여러 가지이지만, 보드 위에서 쌓는 흐름을 기준으로 보면 이해가 쉽습니다. 핵심은 두 패키지를 각각 시험해 양품만 쌓는다는 점입니다.

다른 방식으로, 위쪽 패키지를 아래쪽 패키지에 먼저 붙여 한 부품으로 만든 뒤 보드에 올리는 사전 적층 방식도 있습니다. 어느 쪽이든 두 패키지의 볼과 패드가 어긋나지 않아야 하고, 리플로우 도중에 패키지가 휘면 접합이 불량해지기 쉬워서 공정 관리가 까다롭습니다.

모바일 기기가 PoP를 쓰는 이유

첫째는 보드 면적입니다. 같은 면적에 두 칩이 들어가므로 보드를 작게 만들거나 그 자리에 배터리와 부품을 더 넣을 수 있습니다.

둘째는 신호 경로입니다. 연산 칩과 메모리가 위아래로 가까워서 배선이 짧아지고, 짧은 경로는 지연과 소비 전력, 신호 품질에서 유리합니다.

셋째는 공급망의 유연성입니다. 상하 패키지가 따로 만들어지므로 연산 칩과 메모리를 서로 다른 회사가 만들어도 연결 규격만 맞으면 조합할 수 있고, 메모리 용량이 다른 변형 제품도 아래쪽 패키지를 바꾸지 않고 만들 수 있습니다.

넷째는 개별 시험입니다. 각 패키지를 따로 시험해 양품끼리만 합치면, 한쪽 불량 때문에 다른 쪽의 비싼 칩까지 버리는 일을 줄일 수 있습니다. 첨단 패키징에서 중요하게 다뤄지는 양품 다이 보증의 부담을 나누는 방식입니다.

높이와 열과 휨, 치러야 하는 대가

가장 직접적인 대가는 높이입니다. 패키지 두 개와 그 사이의 솔더 볼 높이가 합쳐지므로 기기의 두께를 줄이는 데 한계가 생깁니다.

열은 더 까다롭습니다. 열이 많이 나는 연산 칩 바로 위에 메모리가 얹혀 있으면 열이 위로 빠져나가는 길이 막히고, 메모리는 온도가 오르면 데이터를 유지하는 시간이 짧아지는 성질이 있어서 온도 관리가 더 중요해집니다.

휨도 문제입니다. 위아래 패키지는 구조와 재료가 달라서 온도가 변할 때 서로 다른 방향이나 크기로 휘어질 수 있으며, 리플로우의 높은 온도에서 접합이 열리거나 이웃한 볼이 붙는 불량이 생길 수 있습니다.

또 하나는 연결 개수의 한계입니다. 위아래를 잇는 볼의 크기와 간격에는 물리적 제한이 있어서, 한 번에 주고받는 신호의 수를 크게 늘려야 하는 고대역폭 요구에는 다른 구조가 쓰입니다.

PoP는 칩을 위로 쌓아 높이만 늘리고 다른 장점은 없다는 이해는 흔한 오해입니다. 쌓는 것은 보드 면적과 신호 거리를 줄이기 위한 선택이며, 높이와 열은 그 이득의 대가로 설계가 함께 풀어야 하는 과제입니다.

PoP 패키지와 다른 배치 방식 비교 표

구분	PoP	단일 패키지 적층 (MCP)	보드에 나란히 배치
구성	완성된 패키지 두 개를 위아래로 접합	한 패키지 안에 칩을 적층하거나 나란히 담음	패키지를 각각 보드에 올림
보드 면적	작음	작음	가장 큼
높이	패키지 두 개와 볼 층만큼 높음	비교적 낮음	가장 낮음
칩 사이 거리	짧음	짧음	보드 배선만큼 긺
조합과 시험	패키지별로 시험해 조합 가능	한 패키지로 시험하므로 조합이 고정됨	가장 자유로움
놓치기 쉬운 점	열과 휨이 접합 불량으로 이어짐	한 칩이 불량이면 전체 폐기	면적과 배선 길이의 손해

핵심 정리

PoP 패키지는 완성된 패키지 두 개를 위아래로 쌓아 보드 면적을 아끼고 연산 칩과 메모리의 거리를 줄이는 구조입니다. 아래쪽 패키지의 연결 통로와 위쪽 패키지의 솔더 볼이 위치까지 맞아야 하고, 각각 시험한 양품을 합친다는 점이 가장 큰 특징입니다.

루프탑 텐트가 바닥 면적을 아끼는 대신 높이를 키우는 것처럼, 이 구조도 면적과 신호 거리를 얻는 대신 두께와 열, 휨을 관리해야 합니다. 얻는 것과 치르는 것을 함께 설명할 수 있어야 PoP가 모바일 기기에 쓰이는 이유를 정확히 이해했다고 말할 수 있습니다.

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