반도체는 우리의 삶에 필수적인 요소입니다 . 스마트폰 , 컴퓨터 , 자동차 , 가전제품 등 다양한 분야에서 반도체가 사용되고 있습니다 . 반도체는 전기 신호를 제어하고 , 데이터를 처리하고 , 메모리를 저장하는 역할을 합니다 . 반도체의 성능은 공정 기술과 패키징 기술에 의해 결정됩니다 . 공정 기술은 반도체 칩을 만드는 과정으로 , 미세화가 진행될수록 더 많은 트랜지스터를 적재할 수 있습니다 . 패키징 기술은 반도체 칩을 보호하고 , 연결하고 , 집적하는 과정으로 , 성능 향상과 비용 절감에 기여합니다 .
반도체 공정 기술은 1010 나노미터 이하로 접어들면서 , 물리적인 한계와 기술적인 어려움이 증가하고 있습니다 . 이에 따라 , 반도체 패키징 기술의 중요성이 높아지고 있습니다 . 반도체 패키징 기술은 기존의 칩을 잘라서 기판에 붙이는 방식에서 벗어나 , 칩과 칩 , 혹은 칩과 기판을 고도화된 방식으로 연결하는 어드밴스드 패키징 기술로 발전하고 있습니다 . 어드밴스드 패키징 기술은 2.5D 패키징과 3D 패키징으로 구분되며 , 각각의 업체들이 자신들의 기술력을 발휘하여 경쟁하고 있습니다 .
이번 포스팅에서는 반도체 어드밴스드 패키징에 대해 알아보겠습니다 . 반도체 어드밴스드 패키징이란 무엇이고 , 어떤 기술들이 있으며 , 국내에서는 어떤 기업들이 관련되어 있는지 , 그리고 반도체 어드밴스드 패키징의 미래는 어떻게 될지에 대해 살펴보겠습니다 .
반도체 어드밴스드 패키징이란 ?
반도체 어드밴스드 패키징은 반도체 칩을 보호하고 , 성능을 향상시키고, 다양한 기능을 집적하기 위해 칩과 칩 , 혹은 칩과 기판을 연결하는 고도화된 패키징 기술을 말합니다 . 반도체 패키징은 반도체 공정의 마지막 단계로 , 전공정에서 만들어진 반도체 칩을 진동이나 먼지 , 외부 충격으로부터 보호하고 , 내부 열 방출을 하기 위해 포장하는 단계입니다 . 가장 중요한 역할은 다른 외부 기기들과의 신호 연결 및 전원을 공급하는 것입니다 .
반도체 패키징 기술은 반도체 공정의 미세화와 성능 향상에 따라 지속적으로 발전해 왔습니다 . 초기에는 칩을 잘라서 기판 위에 놓고 와이어로 연결하는 방식이었으나 , 이후에는 칩의 크기를 최소화하고 , 원가를 절감할 수 있는 WLP(Wafer Level Package) 기술이 등장했습니다 . WLP 는 가공이 완료된 웨이퍼 위에 기판을 대신하는 RDL(Re Distribution Layer) 라는 재배선층을 놓은 후 절단하는 방식으로 , 칩의 크기로 패키징 되는 WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging) 을 사용하면 기판을 사용하지 않아 생산성과 원가 측면에서 우위를 가질 수 있습니다 .
하지만 WLCSP 는 FI(Fan-In) 구조로 되어 있어 , 칩의 데이터를 송수신하는 I/O 를 늘리는데 한계가 있습니다 . 이를 극복하기 위해 , I/O 를 다이 밖으로 빼내어 더 넓은 I/O 면적을 확보하고 , 다른 기능의 칩들을 집적하여 패키징 할 수 있는 FO(Fan-Out) WLP 기술이 개발되었습니다 . FO WLP 기술은 기판을 사용하지 않는다는 특징으로 , 파운드리 업체들이 패키징 시장에 본격적으로 진입하는 계기가 되었습니다 .
FO WLP 기술을 선도한 업체는 TSMC 로 , 2015 년부터 애플의 AP 를 모두 수주하면서 FO WLP 기술을 도입했습니다 . TSMC 는 FO WLP 기술을 InFO(Integrated Fan-Out) 라고 부르며 , 칩의 고사양화가 지속되자 RDL 의 한계를 극복하기 위해 RDL 사이에 부분적인 실리콘 , LSI(Local Silicon Interconnect) 를 넣은 InFO-L 기술도 개발했습니다 . FO WLP 기술을 지속 확장하여 네트워킹 스위치 , ASIC 등 다양한 어플리케이션에 적용했습니다 .
TSMC 의 독주가 계속되자 , 삼성전자는 삼성전기의 PLP(Panel Level Package) 기술 개발을 통해 앞서 나가고자 노력했습니다 . PLP 는 칩들을 원형 웨이퍼 모양이 아닌 사각형 패널 위에 올려놓고 패키징 하는 방식으로 , 면적이 넓어진 만큼 FO WLP 대비 5 배의 생산 효율성을 가지며 , 원재료도 동일 면적 기준 40% 만 사용하여 비용 절감에 효과적입니다 . 하지만 PLP 는 기존 원형 웨이퍼에 맞춰진 설비 및 기술력의 한계를 극복해야 하며 , 양산을 시도 중인 회사들의 패널 사이즈 규격도 통일되어 있지 않다는 점도 기술 진척의 어려움을 겪었습니다 . 수율 확보의 어려움이 발생하자 삼성전기는 2019 년 PLP 사업을 삼성전자로 이관했습니다 3.
고사양 반도체를 위한 어드밴스드 패키징 기술
반도체 어드밴스드 패키징 기술은 고사양 반도체를 위해 더욱 발전해 왔습니다 . 고사양 반도체는 서로 다른 칩을 인터포저를 통해서 하나로 연결하는 2.5D 패키징 기술이나 , 칩을 수직으로 쌓는 3D 패키징 기술을 사용하여 성능을 향상하고,, 공간 효율성을 달성합니다 . 이러한 기술들은 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate), EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge), SoIC(System on Integrated Chips) 등 다양한 명칭으로 불리며 , 각각의 업체들이 자신들의 기술력을 발휘하여 경쟁하고 있습니다 .
CoWoS
CoWoS 는 TSMC 가 개발한 2.5D 패키징 기술로 , 서로 다른 칩 (CPU, GPU, HBM 등 ) 을 실리콘 인터포저 위에 올려서 연결한 이후 패키지 기판을 통해 메인 보드와 연결하는 방식입니다 . 각 기판과 칩들은 TSV(Through Silicon Via), 범프 , 패키지 볼 , 와이어 등을 통해 연결됩니다 . 인텔의 데이터센터 CPU( 사파이어 래피즈 ), 엔비디아의 데이터센터 GPU(P100, V100, A100), 애플의 M2 등 대부분의 고사양 칩이 CoWoS 구조로 되어 있습니다 . CoWoS 패키징은 향후 2.5D 패키징 내 가장 큰 부분을 차지할 것으로 전망됩니다 .
하지만 CoWoS 는 실리콘 인터포저가 가격이 비싸다는 단점이 있습니다 . TSMC 는 이를 해결하기 위해 인터포저의 형태에 따라 CoWoS 라인업을 다양화했습니다 . CoWoS-S 는 실리콘 인터포저 , CoWoS-R 은 RDL 인터포저 , CoWoS-L 은 LSI + RDL 인터포저를 사용하는 방식입니다
국내 반도체 어드밴스드 패키징 관련 기업들
국내에서는 삼성전자와 SK 하이닉스가 반도체 어드밴스드 패키징 기술을 선도하고 있습니다 . 삼성전자는 PLP 기술을 통해 FO WLP 시장에 진출하고자 하며 , SK 하이닉스는 HBM 메모리를 위해 CoWoS 기술을 활용하고 있습니다 . 또한 , 삼성전자와 SK 하이닉스는 각각 EMIB 와 HBM-PIM 기술을 개발하여 고사양 반도체 패키징에 대비하고 있습니다 .
대형주는 삼성전자와 SK 하이닉스 외에도 , TSMC, 인텔 , 엔비디아 등이 있습니다 . 이들은 자체적으로 반도체 어드밴스드 패키징 기술을 개발하거나 , 다른 업체와 협력하여 고사양 반도체를 제조하고 있습니다 . 중소형주는 반도체 어드밴스드 패키징 기술을 지원하는 업체들로 , 재료 , 설비 , 부품 , 테스트 등 다양한 분야에서 활동하고 있습니다 . 국내에서는 다음과 같은 기업들이 있습니다 .
시그네틱스 : 반도체 패키지 기판을 생산하는 기업입니다 . FCBGA, FC-CSP, POP, PLP 등 다양한 패키지 기판을 공급하고 있습니다 . 삼성전자 , SK 하이닉스 , 인텔 , 엔비디아 등의 고객사를 보유하고 있습니다.
하나마이크론 : 반도체 패키지 서비스를 제공하는 기업입니다 . OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체로 , 반도체 칩을 조립하고 테스트하는 과정을 외주로 수행합니다 . HBM, CoWoS, EMIB 등의 어드밴스드 패키징 기술을 보유하고 있습니다 . 삼성전자 , SK 하이닉스 , 엔비디아 , AMD 등의 고객사를 보유하고 있습니다.
네패스 : 반도체 패키지 장비를 생산하는 기업입니다 . TSV, 본딩 , 플립칩 , 웨이퍼 레벨 패키징 등의 장비를 공급하고 있습니다 . 삼성전자 , SK 하이닉스 , TSMC, 인텔 , 엔비디아 등의 고객사를 보유하고 있습니다.
네패스아크 : 반도체 패키지 장비를 생산하는 기업입니다 . 네패스의 자회사로 , 실리콘 인터포저 , 패키지 기판 , 웨이퍼 레벨 패키징 등의 장비를 공급하고 있습니다 . 삼성전자 , SK 하이닉스 , TSMC, 인텔 , 엔비디아 등의 고객사를 보유하고 있습니다.
고영 : 고영테크놀러지는 이번 전시회에서 처음으로 ‘Meister W 시리즈 ’ 검사장비를 선보이며 웨이퍼레벨패키징 (Wafer-Level Packaging) 공정 검사 솔루션도 공개했다 . ‘Meister 시리즈 ’ 중 하나인 ‘Meister WD+’ 는 세계 유일하게 패키징 공정에서 거울 성질의 경면 다이 (Die) 와 부품을 3 차원으로 동시에 검사할 수 있다 . 동시에 자체개발한 인공지능 (AI) 엔진을 통해 초소형 크랙 , 이물질 , 조각 (Chipping) 등 다양한 검사솔루션을 제공
LB 세미콘은 국내 반도체 후공정 외주기업 (OSAT) 으로 , 디스플레이구동칩 (DDI), 이미지센서 (CIS), 전력관리반도체 (PMIC) 등 시스템 반도체에 경쟁력을 지닌 기업입니다 . LB 세미콘은 삼성전자 시스템 LSI,LSI, 노바텍 , LX 세미콘 등 세계 3 위권 DDI 개발 업체를 고객사로 두고 있으며 , DDI 에 치중한 사업 구조에서 벗어나려고 노력하고 있습니다 . LB 세미콘은 모바일 애플리케이션프로세서 (AP), CIS 를 비롯한 통신 반도체 등 시스템 반도체 분야를 다루는 종합 OSAT 로 도약해 해외 대형 고객사를 유치하기 위해 첨단 패키징 기술을 확보하고자 합니다 . LB 세미콘은 2025 년 글로벌 10 위 OSAT 업체로 도약한 뒤 2027 년 매출 11조 원을 돌파한다는 목표를 세웠습니다 .
LB 세미콘과 관련된 다른 기업들은 다음과 같습니다 .
한미반도체 : 웨이퍼를 자르고 붙이는 장비를 생산하는 국내 기업으로 , SK 하이닉스와 공동 개발한 TC 본딩 장비를 통해 어드밴스드 패키징 시장에 진출하고 있습니다.
이오테크닉스 : 웨이퍼를 레이저로 잘라내는 장비를 생산하는 국내 기업으로 , 어드밴스드 패키징 공정에 필요한 장비를 공급하고 있습니다.
미코 : 펄스 히터라는 세라믹 부품을 제조하는 국내 기업으로 , 어드밴스드 패키징 공정에서 본딩 장비의 소모품으로 사용되는 펄스 히터를 국산화하였습니다.
네패스 : 어드밴스드 패키징 공정에서 사용되는 재배선층 (RDL) 을 형성하는 장비를 생산하는 국내 기업으로 , TSMC 와 협력하여 InFO 패키징 기술을 개발하였습니다.
네패스아크 : 네패스의 자회사로 , 어드밴스드 패키징 공정에서 사용되는 실리콘 인터포저를 제조하는 국내 기업입니다.
SFA 반도체 : 반도체 패키징 공정에서 사용되는 테스트 장비를 생산하는 국내 기업으로 , HBM 과 같은 고성능 메모리 반도체의 테스트를 위한 장비를 공급하고 있습니다 .
대덕전자 : FCBGA 기판을 생산하는 국내 기업으로 , 서버 CPU, GPU 에 많이 사용되는 기판을 제공하고 있습니다
반도체 어드밴스드 패키징의 미래
반도체 어드밴스드 패키징은 반도체 공정의 미세화가 한계에 다다르면서 , 성능 향상과 비용 절감을 위해 더욱 중요해지고 있습니다 . 반도체 어드밴스드 패키징 기술은 2.5D 패키징과 3D 패키징으로 구분되며 , 각각의 업체들이 자신들의 기술력을 발휘하여 경쟁하고 있습니다 . 국내에서는 삼성전자와 SK 하이닉스가 반도체 어드밴스드 패키징 기술을 선도하고 있으며 , 다른 중소형주들도 이에 따라 성장할 가능성이 있습니다 . 반도체 어드밴스드 패키징은 고사양 반도체의 수요가 증가하는 5G, AI, 클라우드 , 자율주행 등의 분야에서 더욱 활용될 것으로 예상됩니다