패키징은 더 이상 단순히 칩을 잘라 포장하여 기판에 얼기설기 배선을 연결하는 공정이 아니다. 점점 작아지는 칩과 기판의 연결, 서로 다른 칩과 칩 간의 연결, 그리고 이를 모두 조밀하게 집적하는 고밀도 인터커넥션이 패키징 공정의 핵심이 되었다고 할 수 있다. 특히 서로 다른 크기와 기능을 가진 칩들을 하나의 패키지로 제작해 단일 제품처럼 작동하는 이종 접합 기술의 발전이 두드러진다. 과거에는 소자의 종류가 CPU 와 메모리 정도로 적었지만, 모바일과 웨어러블 시장 등이 커지면서 공간적 제약을 이겨내기 위한 방식으로 SoC(System on Chip)이 소개되었다. 

전공정 기술을 활용하여 한 칩에 집적하고 배선하는 방식이다보니, 다이 크기가 커지면서 웨이퍼 수율은 떨어지고 불량률은 상승했다. 또한 SoC 방식을 사용하면 가장 첨단의 공정을 이용해 모든 칩을 만들어야하기 때문에 비용 면에서도 불리했다. 이에 떠오른 대안이 바로 칩렛(Chiplet) 기술이다. 기존 칩에서 필요한 기능을 각각 분리하여 작은 칩으로 따로 제조한 뒤에 하나로 합치는 이종 집적 방식이다. 선택과 집중을 통한 개발이 가능하고, 주문 제작식에 용이하여 이미 AMD 의 서버용 GPU 와 삼성전자의 I-Cube 4 등의 제품에 적용되었다. 이 칩렛 방식에서 현재 활발히 사용되는 본딩 방식이 바로 TSV 본딩이고, 기업들은 하이브리드 본딩 상용화를 위한 연구·개발을 진행하고 있다. 

칩렛과 헤테로 인테그레이션 기술이 이끄는 어드밴스드 패키징 시장은 지난해 44 억달러 규모에서 2027 년 65 억달러로 확대될 것으로 예상된다. 이 시기에는 마이크로프로세서의 80%가 칩렛 방식으로 제조될 것으로 전망한다. 특히 2.5D와 3D 패키징 시장이 2 배 이상 성장할 것으로 예상되는 바, 관련된 서플라이 체인에 대한 관심은 계속 커지고 있다

기업별 반도체 후공정 투자 계획 

인텔 

인텔의 경우 가장 강도 높은 어드밴스드 패키징 투자를 진행하는 기업이라고 할 수 있다. 지난 5 월 약 47 억달러 규모의 투자를 발표하면서 2025 년 어드밴스드 패키징 캐파를 올해 대비 4 배 수준으로 확대할 계획을 밝혔다. 이에 따라 인텔은 첫 외부 거점이었던 말레이시아의 페낭 지역에 60 억달러 규모의 추가 팹을 건설할 예정이다.

TSMC

TSMC 의 경우 이미 어드밴스드 패키징 공정이 도입된 공장 5 개를 보유하고 있으나, 대만 내 3.7 조원 규모의 추가 투자를 발표했다. 엔비디아의 제품이 2024년까지 캐파의 40%를 차지할 것으로 예상되는 바, CoWoS 기술을 도입한 생산능력을 2024 년 말까지 월 2.8 만장으로 확대할 계획이다. 관련하여 OSAT 기업들인 ASE 와 Amkor 는 TSMC 의 제조 병목으로, 후공정 일부를 엔비디아로부터 직접 인증받아 빠르면 내년 상반기부터 생산할 예정이다.

삼성전자 

국내 기업들 가운데 삼성전자는 올 한 해 2 조원 이상을 패키징 라인 증설에 투자하며 천안 사업장을 어드밴스드 패키징 투자 거점으로 계획하고 있다. SK 하이닉스도 미국 내 패키징 공장 신설을 위한 150 억달러 규모의 투자를 진행할 예정이다. 한편 국내 OSAT 기업인 하나마이크론은 베트남 공장을 증설하며 SK 하이닉스의 패키징과 테스트 공정을 진행할 것으로 예상된다.

2.5D Packaging에선 TSV TC Bonder가 어디에 활용될까?

TSMC의 CoWoS, 삼성전자의 I-Cube 등 2.5D Packaging은 Substrate와 다이 사이에 실리콘 인터포저가 추가되는 구조를 보이고 있다. 실리콘 인터포저를 통한 연결로 기존 2D Packaging 대비 상호 연결 속도와 대역 폭을 향상시킬 수 있고, 지연성이나 전력소모를 감축시킬 수 있다. 현재 부각 받고 있는 AI 반도체에도 2.5D Packaging이 적용되고 있다.

2.5D Packaging은 어떻게 이뤄질까?

TSMC의 CoWoS (Chip On Wafer On Substrate)의 경우, 웨이퍼위에 칩을 올리는 CoS는 TSMC가, Substrate 위에 Wafer를 올리는 WoS는 ASE, Amkor 등 주요 OSAT 업체들이 수행하고 있는 것으로 추정된다.

고성능 인프라 장비가 PCB 산업에 미칠 영향

- 서버, AI 시스템, 네트워크 스위치 및 라우터 등 모든 고성능 인프라 장비는 랙(Rack) 시스템으로 실행된다. 랙 시스템을 활용해 인프라 장비를 데이터센터 내에 밀집 배치할 수 있고, 전력, 열, 케이블 등을 관리하는데 효율적이다. 

- 최근에는 데이터센터 1개에 랙시스템이 256개까지 필요하다. 일반적인 랙 시스템은 폭이 19”이고, 다양한 개별 모듈이 삽입된다. 개별 모듈은 서버 또는 스위치 프로세서, 전원 공급 장치, 팬 등으로 구성된다.

- 랙 시스템 내 메인 프로세서는 대면적 고성능 패키지 기판을 사용하고, 마더보드는 주로 MLB(8~30층)이며, 많은 핀 수, 고속 부품 등을 지원하기 위해 대면적과 복잡성이 요구된다.

차세대 서버 CPU 출시

- AMD는 지난해 하반기에 EPYC Genoa CPU를 출시했다.

- Intel은 올해 초부터 Sapphire Rapids CPU의 양산을 시작했다.

- 두 제품 모두 멀티칩 칩렛을 채용했고, 프로세서의 전기적, 열적, 기계적 요구를 충족시키기 위해 고성능 패키지 기술을 사용했다. 이 점이 FC-BGA의 대면적화를 촉진한다.

MLB 복잡성 증가, 고성능화 추세

향후 5년간 서버용 MLB의 기술 트렌드로서 

1) 최대 층수가 현재 24~28층에서 30~34층으로 증가하고, 

2) 최대 두께는 현재 130밀(mil, 1mil=0.0254㎜)에서 140~150mil로 두꺼워지며, 

3) 최소 패드 사이즈는 현재 10mil에서 8mil로 축소될 전망이다.

1H23 세트업체의 재고 소진이 지속되는 구간 속에서 OSAT 업체는 1분기를 저점으로 2분기 소폭 회복할 것으로 기대된다. 다만 전방업체의 재고가 정 상 수준보다 여전히 많 고 모바일 수요가 여전히 부진하다. 현재 한국 OSAT 업체들의 모바일 매출 비중이 높은 점을 고려하면 모바일 수요 부진은 OSAT 업체의 실적에 부정적이다. 이에 2분기 뚜렷한 가동률 상승 가능성은 제한적으로 판단한다.

2H23 OSAT 주요 실적 변수 : 1) 재공품 2) DDR5, 3) 다각화

OSAT 업체들은 1H23을 저점으로 2H23에 접어들며 다소 유의미한 가동률 상승을 보일 것으로 전망한다. 하반기 모바일 신제품 출시에 따른 후공정 가동률 상승은 당연한 수순이다. 다만 주요 실적 변수인 ‘1) 생산업체의 높은 재공품 비중, 2) DDR5 전환 수혜, 3) 포트폴리오 다각화’에 주목해야한다.

1) 1Q23 삼성전자의 재고자산 항목을 보면 ‘반제품 및 재공품’은 22.1조원(재고자산 내 40.6% 차지)으로 ‘제품 및 상품(16.2조원, 재고자산 내 29.8% 차지)’ 대비 상당히 많은 수준(1Q19 42.5%가 역대 수준)이다. 생산업체의 ‘반제품 및 재공품’ 증가 구간에는 생산량 대비 외주 물량이 감소하여 OSAT 업체의 실적이 부진할 수밖에 없다. 다만 재공품 감소(재공품 후공정 제품 출하) 구간에서 OSAT 업체는 생산업체 대비 강한 반등을 보일 가능성이 높다. 생산업체는 과대 축적한 재공품 재고 소진 이후에 생산량이 증가하기 때문이다. 반도체 수요의 점진적 회복에 따라 이번 하락 Cycle의 재공품 감소 시점은 2H23으로 전망한다. 따라서 2H23 OSAT 업체의 실적 상승이 기대된다

2) DDR5를 지원하는 서버용 CPU Sapphire Rapids가 지난 1월 출시한 이후, 하반기부터 DDR5 교체 수요가 긍정적일 것으로 전망된다. DDR5 제품은 DDR4 대비 20-30%의 가격 프리미엄으로 갖고 있어, OSAT 업체의 실적 개선 효과가 크다. 1Q23 서버(메모리) 제품 내 DDR5 비중(분기 출하 용량 기준)은 10%로 전분기 대비 4% pt 상승한 것으로 보인다. AI 투자에 따라 서버용 DDR5 고용량 제품 수요가 증가하며, 2023년 말 서버 DDR5 전환 비중은 26%로 전망한다.

3) 포트폴리오 다각화에 성공한 OSAT 업체에 주목해야 한다. 한국 OSAT 업체는 ‘1) 주요 고객사 = 삼성전자, 2) 주요 매출처 = 모바일’에 편향된 경향이 있다. 이는 삼성전자 모바일 실적에 따른 한국 OSAT 업체의 실적 변동성이 크다고 볼수 있다. 이에 OSAT 업체들은 다각화된 포트폴리오(고객사, 제품, Application)가 요구된다. 결국 이번 하락 Cycle에서 다각화된 포트폴리오로 실적 방어에 성공하고, 2H23 반도체 수요의 점진적 회복에 따른 외주 물량 수혜를 받을 수 있는 기업이 차별화된 실적을 보일 것으로 전망한다.

뒤따르는 OSAT와 FC-BGA 업체들의 증설 

국내 후공정 업체들의 고객사는 대부분 주요 OSAT 업체와 패키지기판 업체들이다. OSAT업체 외에도 패키지기판 증설도 주목해야 하는 이유다. 패키지기판 공정에서 한미반도체의 싱귤레이션 장비, 이오테크닉스의 PCB Driller, 인텍플러스의 Flip-chip 외관검사장비 등 후공정 장비가 사용되기 때문이다. 2023년 완공 예정인 후공정 팹으로는 ASE(대만), 인텔(뉴멕시코), Amkor(베트남), TFME(말레이시아)가 있다. FC-BGA 업체 중에서는 난야PCB(대만), 삼성전기(베트남), Ibiden(일본), Kyosera(일본), Zhen Ding(중국)이 있다. OSAT 업체와 패키지기판 업체들의 증설에 따라 후공정 장비 업체들의 매출 증가는 2023년 하반기부터 극대화 될 것으로 예상한다.

한국 기업 점유율을 모두 합쳐도 세계 5위인 PTI에도 미치지 못한다. 현재 세계 OSAT 점유율 25위 안에 드는 국내 기업은 하나마이크론 SFA반도체 LB세미콘 네패스 등 네 곳에 불과하다.

인력도 부족하다. 국내 패키징 전문 인재는 2020년 기준 500명 수준에 머물고 있다. TSMC의 후공정 연구개발(R&D) 인력이 2010년 2881명에서 2020년 7404명으로 2.6배로 증가한 것에 비하면 초라한 수준이다. 

반도체 패키징은 가공을 마친 웨이퍼를 칩 형태로 자른 뒤 쌓고 묶고 포장하는 대표적인 후공정 작업이다. 선폭이 10㎚(나노미터·1㎚=10억분의 1m) 아래로 접어든 미세공정이 기술적 난관에 부딪히면서 반도체 성능과 효율을 높일 첨단 패키징 수요가 증가하는 추세다. 

이렇게 웨이퍼 테스트에서 양품으로 판정한 칩은 패키징 공정을 진행하게 되고 , 이후 패키징 테스트를 추가적으로 진행 한다 . 웨이퍼 테스트에서는 웨이퍼 안에 있는 수많은 칩들을 테스트 해야하기 때문에 장비 성능 한계 등으로 충분한 테스트를 하지 못할 가능성 있음 . 반면 패키지 테스트는 패키징이 끝난 패키지 단위로 테스트 하기 때문에 장비에 부담이 적어 원하는 만큼 충분한 테스트를 진행하여 고객에게 양품의 제품 공급을 가능하게 한다.

반도체 패키징 (Packaging) 목적은 반도체 칩에 필요한 전원을 공급하고 칩과 메인 PCB 간의 신호를 연결 , 반도체 칩에서 발생되는 열 방출 , 그리고 칩을 외부의 습기나 불순물로부터 보호할 수 있게 포장하여 반도체로서의 온전한 기능을 할 수 있게 해주기 위함이다. 

백그라인딩은 제작이 완료된 웨이퍼를 적합한 두께로 만들기 위해 웨이퍼 뒷면을 가공하여 원형 틀에 붙이는 단계 이다 패드를 이용해서 표면의 거칠기를 가공하며 칩이 깨질 확률을 현저하게 낮 춰준다 이후 칩절단 (Dicing) 공정은 작업 완료된 Wafer 를 다이아몬드드릴 또 는 Laser 로 절단하여 낱개의 칩으로 분리하는 과정 이다. 이후 양품인 칩을 떼어내어 리드 프레임에 부착 또는 PCB(Printed Circuit Board) 위에 올리고 , 전기적 역할을 위한 볼 (Solder ball, BGA) 을사용하여 연결하는 과정을 진행하는데 이를 칩 접착 (Chip Attaching) 공정이라 한다 최 근에는 칩미세화 소형화 추세가 진행됨에 따라 마이크로 솔더볼 (Micro Solder Ball), Paste 등을 접착에 활용 한다. 

성형(Molding), 마킹 (Ma rking) 단계에서는 열 또는 습기 등 물리적인 충격으로부터 보호하기 위해 열강화수지 EMC(Epoxy Molding Compound) 로 기판을 감싸 준다 그리고 제품 번호 등을 Laser 를 이용해서 표면에 각인시키는 과정을 진행 한다. 완성된 PCB 와 패키지를 연결하기 위해 Substrate 에 솔더블 (Solder Ball) 을 부착하여 아웃단자 (Out terminal)을 만드는 과정이 이어지고 , 마지막으로 패키지절단용 다이아몬드 휠을 사용하여 Substrate 를 개별 제품으로 분리하는 과정이 필요하다