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

빅테크들의 자체 칩 개발도 테스트 소켓업체들에게는 긍정적일 것으로 판단한다. 같은 세트 출하를 가정하면 다양한 고객사의 등장은 곧 샘플 테스트 소켓 시장의 성장과 연결되기 때문이다. 일반적으로 소켓업체들 매출의 40%~60%가 샘플용 소켓 매출에서 발생하는 것으로 파악된다. 리노공업의 경우 매출의 60% 가량이 샘플용 소켓 매출에서 발생하는데, 이는 리노공업의 포고 소켓이 신규 칩 출시를 위한 주문제작에 강점이 있고 고객사가 원하는 조건의 소켓을 가장 잘 만들기 때문이다.

새로운 칩을 출시하기 위해 샘플용 테스트 소켓을 몇 개나 보낼지는 파악하기가 쉽지않다. 하지만 기본적으로 샘플용 테스트 소켓은 양산용 소켓보다 개당 단가가 훨씬 비싼 편이며, 샘플을 할 고객사가 늘어난다는 것은 그만큼의 샘플용 소켓 매출처와 신규 양산 고객사 확보로 이어진다. 현재 구글, 테슬라, 아마존은 실리콘 러버 소켓, 포고 소켓 둘다 사용해 테스트를 진행하고 있는 것으로 파악된다.