글로벌 파운드리 Big3의 첨단 패키징 기술개발 동향

첨단 패키징 기술은 표 1에서 보듯이 크게 FlipChip(FC) 패키징, 이종접합패키징(Heterogeneous Integration), System in Package(SiP) 기술, Fan-Out(FO) 기술, TSV(Through Si Via) 기술 등 5가지로 구분할 수 있다.

Flip-Chip(FC) 패키징은 반도체 칩과 기판을 서로 마주 보는 형태로 구성해 패키징 크기를 줄이고 방열효과가 우수하다.

이종접합패키징(HI) 기술은 전기적, 열적 성능이 우수하고, 작은 폼팩터로 다기능을 구현하며 다양한 패키징 기술이 개발되어 최근 광범위하게 활용된다.

SiP 기술은 다수의 첨단 패키징 기술을 조합해 최종 응용소자에 대한 맞춤형 활용이 가능하다.

Fan-Out(FO) 기술은 집적화와 전기적 성능을 향상시킨다.

TSV 기술은 2개 이상 반도체칩을 적층하기 위해 관통하는 Via Hole 구조로 전극을 형성해 패키지를 소형화하는 기술이다[2].

그동안 반도체 업체들은 나노급 반도체 미세공정 개발 경쟁에 집중하고, 패키징분야는 단순 업무로 전문업체(OAST)에 외주를 주고 맡겨왔다. 그러나 미세화 공정이 한계에 부딪히며 패키징 기술이 부각되고 있다.

표 2에서 보듯이 ASE, Amkor, JCET, TFME, PTI 등 전문 OAST 업체들은 TSMC, 삼성전자, UMC 등 파운드리 업체와의 유대관계 및 다양한 M&A를 통해 규모의 경제를 형성하고 성장해왔다.

특히 인공지능(AI) 시장이 급성장하면서 복잡한 패키징 기술이 필요하다. 또 애플, 엔비디아, AMD 등 팹리스 수요 업체의 요구로 파운드리 업체들은 첨단 패키징 기술개발에 주력하고 있다.

Yole Development에 따르면 2022년 글로벌 첨단 패키징 매출 Top 30사를 보면 대만이 11개사, 중국이 8개사, 한국 5개사, 말레이시아 3개사, 미국 2개사, 싱가포르 1개사 순이다. 대만 ASE가 119.5억 달러로 세계 1위, 미국 Amkor가 70.9억 달러로 2위, 인텔이 55억 달러로 3위, TSMC가 53.1억 달러로 4위, 중국 JCET가 48.9억 달러로 5위, 삼성전자가 40억 달러로 6위, 중국 TFME가 31억 달러로 7위를 차지했다. 첨단 패키징 투자액은 1위 인텔 35억 달러, 2위 TSMC 30.6억 달러, 3위 ASE 23억 6,300만 달러, 4위 삼성전자 13억 7,600만 달러, 5위 TFME 10억 2,300만 달러, 6위 Amkor 9억 800만 달러, 7위 TSHT 7억 8,000만 달러의 순이다[3].

첨단 패키징 선도 상위 10대 기업이 첨단 패키징 전체 캐파의 93%를 차지하고 있다. 이들 선도 기업들은 지위를 유지하기 위해 대규모 투자를 지속하고 있다.

IC 기반 시장은 대만 Unimicron이 16% 점유율로 1위, 일본 Ibidn이 12%로 2위, 한국 셈코가 11%로 3위, 대만 난야 PCNB가 9% 점유율로 4위를 차지하고 있다[3].

대만은 파운드리를 중심으로 IP‧팹리스, 디자인 하우스, 후공정 생태계가 촘촘히 구축돼 있다. 미디어텍, 리얼텍 등 팹리스가 TSMC, UMC 등 파운드리 업체에 자사가 설계한 사양의 반도체 제조를 맡기고, 수율이 개선되도록 공정을 개선하고 있다.

TSMC 외에도 ASE, PTI, KYEC 등 대만의 반도체 패키징 전문업체들(OAST)은 글로벌 패키징 시장의 52%를 장악하고 있다.

대만 정부는 2019년 대만반도체연구소(TSRI)를 설립해 반도체설계센터(CIC)와 나노부품실험실(NDL)을 통합해 설계-제작-패키지의 전 과정 통합 연구를 지원하고 있다.

TSMC는 파운드리의 원조로 애플, 엔비디아, AMD 등 팹리스 수요 업체들과 높은 수율 등 뛰어난 품질을 바탕으로 오랫동안 신뢰관계를 구축해 AI 반도체 등 최첨단 반도체의 제조를 장악하고 있다. 삼성전자의 경우 최신 미세공정에 집중하고 있으나, TSMC는 28nm 이상의 레거시 공정도 동시에 운영하고 있어, 전반적으로 다양한 사양의 반도체를 제조할 여유가 있다.

TSMC는 2021년 패키징 매출 41억 달러, 2022년 매출 53억 1,300만 달러로 세계 4위 패키징 업체로 부상하였다. 파운드리 기업임에도 불구하고, 패키징 분야 기술력을 확보해 첨단 패키징 서비스를 제공한다. 표 3에서 보듯이 고성능 컴퓨팅용 대형 패키지 CoWoS(Chip-on–Wafer–on-Substrate), WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package), Integrated FO 등 첨단 패키징 기술을 세계 최고 수준으로 서비스하고 있다.

패키징뿐만 아니라 에셈블리‧테스트 분야 외주 파트너의 공급망을 관리해 고객에게 후공정 분야의 턴키 서비스를 제공한다. 2020년 매출의 9%를 첨단 기술 R&D에 할당해 최신의 소자 집적화와 패키징 기술 구현을 촉진하고, 대만에 5개의 패키징 전용공장을 운영하고 있다.

TSMC는 2012년 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate) 기술을 선보인 이후 계속해서 업그레이드하고 있다. 애플의 M1 Ultra의 경우 CoWoS 공정으로 하나의 인터포저 위에 2개의 로직 반도체와 8개의 메모리를 올려 고성능 칩 제작이 가능해지고, 엔비디아 A100‧H100 등 GPU도 CoWoS를 통해 패키지 처리한다[4].

엔비디아와 애플, AMD, 브로드컴은 TSMC의 패키징 기술력이 우수하기 때문에 2022년 삼성전자가 TSMC보다 3나노 양산에 먼저 성공했지만 TSMC 생산라인에 그대로 의존하고 있다. TSMC는 2016년 애플에 2.5D 패키징 기술 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate) 서비스를 공급하면서 첨단 패키징에서 주도권을 장악하고 있다[5].

표 4에서 보듯이 CoWoS는 수평뿐만 아니라 수직으로도 칩과 기판을 연결하는 첨단 패키징 기법으로 엔비디아 등 수요 업체의 AI 주문 폭주로 제대로 공급할 수 없는 실정이다[6]. 2023년 6월 TSMC는 엔비디아의 요청에 따라 CoWoS 패키징 생산 2배 확장을 발표했다[7]. 2023년 6월 최첨단 칩렛 제품 후공정 생산능력 확장을 위한 ‘팹6’ 가동에 들어갔는데, 첨단 AI 칩 후공정에 특화한 생산라인이다[8].

모바일용 소형 패키지 InFO(Integrated Fan Out) Wafer Level Packaging은 위아래로 적층하는 스택형 패키지 기술로 4층의 적층수를 상정하여, 8층은 제조기술 난이도가 심화되고 있다. 스택형 InFO 패키지 기술의 기반은 TSMC가 InFO-PoP(Package-on-Package)라 부르는 InFO 패키지에 반도체 패키지를 탑재한 기술이다.

그리고 ‘3D Fabric Alliance’라는 생태계를 구축해 TSMC 중심의 리더십을 강화하고 있다[9]. 일본과의 연구개발 생태계는 TSMC가 2021년 2월 설립을 발표한 일본 쓰쿠바의 반도체패키징연구센터가 담당할 예정이다.

TSMC는 미 애리조나 공장 건설에 미 정부 보조금 30억 달러 등 총 400억 달러를 투자하고 있으나 미국 내 패키징 기업‧인력‧시설 부족으로 가동 시점을 2024년에서 2025년으로 1년 연기했다[1].

TSMC는 2024년 미국에서 개최된 ‘국제고체회로학회 2024(ISSCC)’에서 AI 가속기 성능을 높이기 위한 새로운 패키징 플랫폼을 공개했다. 작은 칩들을 집적해 하나의 시스템 반도체를 만드는 칩렛과 AI 반도체 속도의 핵심인 HBM(고대역폭 메모리) 탑재를 늘리는 것이다. 이 과정에서 광섬유(Fiber)를 통해 데이터를 전송하는 ‘실리콘 포토닉스’를 적용해 반도체 간 유기적인 연결을 도모하는 것이다[10].

우리나라의 패키징 전문업체(OSAT) 세계시장 점유율은 4.5% 수준이며, 글로벌 25대 OAST 기업에 2022년 하나마이크론, SFA세미콘, 네패스, LB세미콘 등 4곳에 불과하다. 국내 OSAT 기업들은 삼성전자‧SK하이닉스의 혜택을 많이 받지 못했는데, 소품종 대량생산의 메모리 특성으로 삼성전자와 SK하이닉스가 직접 후공정 처리했고, 최근에야 파운드리 중요성이 부각되면서 수주가 증가했다.

삼성전자는 2021년 세계 패키징 매출 31억 달러, 2022년 40억 달러로 세계 6위를 기록했다. 인텔, TSMC에 비해 패키징 후발주자로 2021년 15억 달러 등 대규모 투자를 단행하고 있다. 후공정 분야 중 패키지 솔루션 기술은 TSMC에 비해 상대적으로 열세이다. 그동안 패키징 작업을 ASE 등 대만의 외부 전문업체(OAST)에 위탁했으나 첨단 패키징 기술의 중요성이 커지자 최근 들어 TSMC와 마찬가지로 직접 수행하고 있다.

표 3에서 보듯이 2019년 삼성전기의 FO-PLP 기술을 인수해 패키징 기술을 보강했다. 2021년에는 2.5D 패키징 기술 ‘H-큐브(Hybrid-Substrate Cube)’를 공개했다. 표 4에서 보듯이 H-Cube는 네트워크용 고사양 반도체에 사용되는 기술이다. HBM 탑재로 대면적 기판 제작의 어려움을 극복하며, 메인 기판 아래 보조기판 추가해 시스템 보도와 연결성을 확보한다. 2024년부터 3D 패키징을 본격 선보일 계획이다[5].

2024년부터 반도체 패키징 기술인 ‘SAINT(Samsung Advanced INter connection Technology)’를 활용한 3D 패키징을 본격적으로 선보일 계획이다[11].

첨단 패키징 기술개발을 위해 2023년 전담부서인 어드밴스드패키징(AVP) 사업팀을 발족하고 첨단 패키징 기술에 18억 달러 이상을 투자할 방침이다. TSMC 출신 전문가인 린준청을 2022년 영입했다[12]. 2023년 6월 27일 ‘삼성 파운드리포럼 2023’에서 “패키징 기술을 고도화하고, 관련 생태계를 키우겠다.”라며 TSMC와의 패키징 전면전을 예고했다[13].

TSMC가 강세를 보이는 FO-WLP도 2023년 후반기부터 2023년 10월 구글의 공개 예정인 스마트폰 ‘픽셀8’의 AP 텐서3와 4분기부터 신규 갤럭시 스마트폰에 탑재될 ‘엑시노스’ AP에 기존 4나노 공정을 활용하면서 처음으로 도입할 예정이다[14]. 기존 Packaging-on-Packaging(PoP) 방식보다 전력대비 성능이 우수하고 방열 성능을 높일 수 있다[15].

그리고 2023년 6월 세계 최초로 무인 반도체 패키징 라인을 가동하고 있다. 공정 대기와 이동시간을 절감해 생산성이 향상된다. 또 교대 근무 최소화로 직원 건강과 삶의 질을 개선하고, 무인화 공정으로 제조인력의 85%를 줄이며 설비고장 발생률이 90% 감소했고, 설비효율은 두 배 향상되었다. 현재 패키징 라인 중 무인화 비중은 약 20%로 2030년까지 전체 패키징 공장을 무인공장으로 전환할 계획이다[16].

삼성전자는 첨단 패키징 라인의 거점인 천안사업장 생산라인2(C2)의 본격 가동을 위해 2024년 8월부터 패키징 장비를 반입할 예정이다. 천안사업장은 반도체 패키징 1위 목표를 위해 HBM 양산 패키징 라인으로 증설을 진행 중이다[17].

미국 정부는 반도체 패권을 쥐려면 패키징 없이는 불가능하다고 인식하고 있으며, 반도체지원법으로 패키징 산업을 육성하려고 한다. 반도체 지원 2022~2026년 예산 500억 달러 중 첨단 패키징 분야에 2022년 25억 달러를 편성했다.

인텔은 2021년 패키징 매출 53억 달러, 2022년 매출 55억 달러로 ASE, Amkor에 이어 세계 3위의 패키징 업체이다. 품목별 매출을 보면 FCBGA가 92.7%로 대부분을 차지하고, 3D 적층 6.4%, EMIB가 0.9%를 점유하고 있다. 웨이퍼 생산은 FCBGA 98.57%, 3D 적층 1.4%, EMIB 0.03%의 순이다.

2030년 파운드리 시장에서 2위에 오르겠다고 목표를 세우고 있다. 파운드리 미세공정에서 TSMC 및 삼성전자에 뒤지고 있지만 패키징 기술에선 장기간의 업력으로 인한 뛰어난 경쟁력을 갖고 있다[18].

인텔은 패키징 분야의 강점을 살려 타 경쟁업체들의 생산까지 위탁해주는 ‘개방형 파운드리’를 제시하고 있다[19]. 2022년 2월 인텔은 반도체 설계부터 생산, 패키징, 테스트, 검사까지 반도체 전체 생산과정을 모듈처럼 나눠 고객사에 제공하는 ‘시스템 파운드리’ 전략을 발표했다.

TSMC와 삼성전자가 파운드리와 첨단 패키징을 결합한 턴키 서비스를 제공하는 반면, 인텔은 고객사들이 각자의 입맛에 맞게 분야별로 각자의 취향대로 타 업체에 공정을 맡길 수 있는 전략을 취하고 있다[20].

인텔은 1972년 말레이시아 페낭에 첫 패키징 공장을 완공한 이후 51년간 투자해 페낭을 세계적인 반도체 패키징 기지로 조성했다. 페낭에 인텔을 비롯해 브로드컴‧웨스턴디지털‧ADI‧도시바‧르네사스 등이 핵심 생산‧연구시설을 보유하고 있다.

인텔의 첨단 패키징 기술은 2019년 개발된 3D 패키징 적층기술 ‘포베로스’를 기반으로 하고 있다. 기존 패키징 대비 적은 면적을 차지하면서 신호 지연과 전력 소모를 줄일 수 있다. 인텔은 2023년 출시된 코어 프로세서 ‘메테오레이크’에 이 기술을 적용했다.

인텔은 이 기술을 더 발전시켜 반도체에 구멍을 뚫어 칩을 연결하는 실리콘관통전극(TSV)과 구리 기둥을 함께 활용해 전력 효율성을 높인 ‘포베로스 옴니’와 실리콘을 구리로 연결해 전력 효율성을 높인 ‘포베로스 다이렉트’를 통해 칩을 양산하고 있다[21].

기존 공장은 핵심 후공정 거점 역할을 수행하고 있고, 2023년 하반기 출시된 인텔 PC용 14세대 CPU ‘메테오레이크’와 최신 AI CPU, GPU 등이 미국에서 전공정과 핵심 패키징을 끝내고 조립‧테스트 과정을 거친다[22].

인텔은 2023년 첨단 패키징 설비에 47억 5,000만 달러를 투자했다. 2021년 미 뉴멕시코에 35억 달러를 들여 2.5‧3D패키징 전문 첨단 패키징 공장 확장계획을 발표했다. 독일에 팹(Fab), 프랑스에 R&D 및 디자인기지, 아일랜드‧이탈리아‧폴란드‧스페인에 R&D기지, 제조시설, 파운드리 서비스를 투자할 계획이다.