1편으로 끝내려 했던 반도체 후공정 이야기를 3편으로 나눠서 맛보고 있다...이제는 진짜 끝내야지ㅠㅠ
우리는 1편에서 후공정의 기초지식 및 소부장 위주로. 2편에서는 트렌드1)에 해당하는 OSAT에 대해 알아봤다.
3편인 본 포스팅만 읽어도 크게 문제 없으나, 원활한 이해를 위해 1편을 참조하기를 바란다. 본 포스팅은 트렌드2)에 해당하는 ADVANCED PACKAGING을 다룬다.
1. 2) ADVANCE PACKAGING는 말그대로 차세대 기술이기 때문에 아직 초입단계이다. 즉, 아직 명확한 서플라이체인은 형성되지 않았다. 그래서 이번에는 기업 자체보다는 각 기술의 진보와 어플리케이션에 초점을 두어 공부하고자 한다. 이 공부가 제대로 되면 서플라이체인에 속할 기업을 먼저 찾을 수도 있다.
2. ADVANCED PACKAGING을 알아보기 전에, 기판/패키징구조의 역사와 종류를 알아봐야 한다. 1편에서 후공정 기초지식을 전반적으로 알아본 것 같은데, 사실 이것이 핵심이다.
3. 기판/패키징구조를 공부해야, 전방시장 성장으로부터 어느기판이 수혜를 받을 수 있을지 알 수 있다. 반도체의 대부분 공정이 그러하듯 패키징 기술 및 기판 또한 어플리케이션 별로 차이가 심하기에, 변화가 일어나는 곳이 있는 반면 변화가 없는 곳도 있기 때문에 더더욱 중요하다.
4. 예를 들어, 차량용 반도체 같은경우 '신뢰성'에 초점을 맞춰, 차량용 MCU에는 아직까지 레거시 기술인 리드프레임 기술을 적용하고 있다(솔더볼은 고온이나 진동에 약하다). 그래서 우리는 어플리케이션별로 기판/패키징구조를 공부해야 한다.
1편에 첨부된 '작은슈퍼개미'님의 글도 이해해야하고, 다음글도 이해해야 도움이 될것이다.
5. 간단하게 요약하자면, 리드프레임 및 와이어본딩이 장악하던 기판시장에 솔더볼이라는 놈이 등장했다. 칩과 기판사이를 솔더볼(범프)로도 떼우는 놈도 있고, 기판과 PCB(보드)를 솔더볼로도 떼우는 놈이 생기며 다양한 기판이 등장했다 (FCBGA, FCCSP, BOC 등). FCBGA는 I/O가 많아 고성능반도체인 CPU, GPU에 많이 쓰이고, FCCSP는 칩크기에 중점이 되어 AP칩과 같이 소형 어플리케이션에 많이 쓰인다.
6. 그런데 TSMC에서 새로운 놈을 만들었다. FOWLP라고, 정확히 기판은 아니고 반도체 칩을 웨이퍼(실리콘)에 실장하는 기술이다. 웨이퍼에 실장하기 때문에 기판이 필요없어졌다. FCCSP나 FCBGA 기판업체들에게 위협이 되었다. 현재 FOWLP로 만든 AP칩 같은 경우 성능이 좋아 AP시장을 야금야금 먹으며(TSMC가 애플의 AP를 전량 수주) FCCSP업체들에 큰 위협이 되고 있다.
7. 이런 기판들이 등장하는 동시에 패키지 구조와 기술 자체에도 새로운 것들이 등장했다. SiP라고, 패키지 하나에 칩과 수동소자를 묶어서 넣는 구조이다(SiP구조에 쓰이는 기판 이름도 SiP기판). 그렇게 하면 집적도가 높아지고 효율이 좋아진다. SiP는 대표적으로 웨어러블기기 및 블루투스이어폰 등 크기가 작은 어플리케이션에 이용된다.
8. 사실 이 구조는 SoC라는 구조에서 차선책으로 나온 구조이다. SoC는 패키징 구조가 아니라 칩 하나에 여러반도체를 넣는 구조이다. 우리가 아는 모바일 AP나 RF가 대표적인 SoC고, 애플의 M1칩도 대표적인 SoC이다. 즉, 칩 하나에 메모리 GPU, CPU 다 때려넣는것. 하지만 SoC는 너무 비싸고 만들기 어렵기 때문에 SiP구조에서 방안을 찾는 것이다. (동시 이용가능-애플의 최신 맥북을 보면 SiP, SoC(칩 M1) 구조를 둘다 이용하여 말도 안되는 프로세서를 만들어냈다)
9. 여기까지가 기초가 되는 기판 및 패키지기술의 핵심요약이고, 이제부터가 ADVANCED PAKAGING의 시작이다. (언제 시작하냐;;)
10. TSMC와 애플의 WLP, SoC를 보면서 인텔과 AMD는 똥줄이 타기 시작했다. 하지만 무작정 SoC를 쓸 수는 없다. SoC로 다이크기를 키우면 수율이 떨어지기 때문이다. 그래서 2019년 AMD에서는 칩렛구조를, 2017년 인텔에서는 EMIB를 개발했다.
11. 칩렛은 다이를 더 작게 하여 칩들을 만드는 대신 칩들을 같이 패키징하는것이다. 어떻게 보면 SiP의 발전이라고 볼 수 있다. 여기서 핵심은, 칩렛구조 다른 종류의 칩들을 실리콘 인터포져라는 친구로 연결시켜주는 것이다. 그러면 성능이 좋아진다. EMIB도 이와 비슷한데, EMIB는 실리콘 인터포져의 크기를 줄여 필요한 부분에만 사용하는 실리콘 브릿지 개념을 도입했다(비용절감). 이 기술들이 차세대 패키징인 2.5D/3D패키징의 시작이다.
12. 여기서 TSMC하고 삼성이 가만히 보고만 있었을까? TSMC하고 삼성도 2.5D/3D패키징 기술을 도입한다.
TSMC: 2.5D-CoWos, 3D-SoIC
인텔: 2.5D-EMIB, 3D-Foveros
삼성전자: 2.5D-ICube, 3D-XCube
13. 기업별 이름은 다르지만 구조는 비슷하다. 2.5D패키징은 인터포져 위에 이종 칩들을 옆으로 타이트하게 연결하는 것이고, 3D패키징은 이종 칩들을 적층하는데에 집중하는 것이다. 3D패키징은 로직위에 로직쌓고 다음 메모리쌓고, 또 메모리 쌓고 이런 식으로 적층을 한다. 여기서 이종 칩들을 연결하는 본딩기술이 중요하다.
14. 현재 양산 가능한 최신 본딩 기술은 TSV기술이다. TSV기술은 와이어본딩/범프본딩과 다르게 웨이퍼를 관통하여 홀을 형성한 뒤 전극을 만들어 연결시키는 것이다. 그렇게 하면 외곽으로 본딩할 필요없이, 다이와 다이사이를 직속으로 마이크로범프로 연결 할 수 있다. 2.5D/3D패키징에서는 실리콘인터포져와 기판(섭스트레이트)을 연결할 때에도 TSV기술을 이용한다.
15. 여기서 한 단계 더 나아가, 이제는 하이브리딩 본딩 방식을 도입하고자 한다. 이종 칩간의 연결에 있어서 본딩의 범프사이즈를 더 줄이고자 함이다. 전공정에서 다루는 다마신 프로세스가 들어간다. 웨이퍼에 VIA(구멍이라고 보면 된다) 패턴을 에칭하고 구리를 CVD로 증착해서 패드를 만든다. 그리고 나서 CMP로 웨이퍼 표면을 연마하고 나면 마이크로 범프가 들어갈 작은 홈이 만들어진다.
16. 말만 들어도 과정이 복잡하다. 식각과 증착과정이 필요하며, 기존보다 정밀한 CMP, FC본더가 필요하기 때문에 하이브리딩 본딩 방식은 전공정 팹에서 이뤄지게 된다.
17. 그러면 우리는 이러한 대형사들의 기술진보를 공부하는 동시에 낙수효과를 받을 소부장의 변화를 어떻게 찾을까?
18. 소부장의 변화는 다음 4가지로부터 수혜를 받을 수 있다고 본다. A) FC-BGA 기판 수요증가, B) 전공정업체들의 참여 증가, C) 테스트난이도 및 스텝 증가, D) 기타장비 수요증가.
19. ADVACNCD PACKAGING방식의 실리콘 인터포져나 브릿지는 I/O가 중요하기 때문에 A) FC-BGA위에 올라가야 한다(그러한 이유는 5번에서 설명했다). 더불어 FC-BGA의 크기는 인터포져와 브릿지보다 커야하기 때문에(FC-BGA의 대면적화) FC-BGA의 수요는 급증하고 있다. 대표적인 FC-BGA 해외업체로는 일본의 아비덴, 신코, 대만업체 난야가 있고(이 3업체가 점유율이 높다), 국내업체로는 삼성전기, LG이노텍, 대덕전자가 있다. 몇몇 다른 기판도 그렇지만, FC-BGA는 표준화되어 있지 않아 한번 계약을 하면 이탈이 쉽지 않기 때문에 기판업체 입장에서는 특정고객에 대한 의존도가 높다.
20. FC-BGA기판업체만 좋을까? FC-BGA와 동반되는 모든 소모품의 UPSIDE는 커질 것이다. 대표적인 소모품으로는 솔더볼과 실리콘 러버소켓이 있다. 패키징 방식이 고도화 됨에 따라 I/O 수는 증가할 것이다. 그럴려면 솔더볼은 작아져야 되고 양은 늘어나야 한다. 결국은 솔더볼 업체가 수혜를 볼 것이다. 대표적인 국내업체로는 덕산하이메탈이 있다.
21. 실리콘 러버 소켓은 1편에서 본 파이널테스트에 필요한 소모품이다. FC-BGA가 고도화되면서 탑재되는 솔더볼은 많아지고 소켓과 닿는 부분이 많아질 것이다. 기존에는 비메모리향으로는 포고핀이 많이 쓰였다. 하지만 I/O 수가 많아지고 테스트자체가 까다로워지면서(고주파 환경) 러버형의 수요가 늘고 있는 추세다. 대표적인 국내업체로는 ISC가 있다.
22. 16번에서 봤듯이 본딩기술이 고도화 되면서 식각과 증착이 패키징에도 필요하게 되었다. 그렇게 됨으로써 B) 전공정 소부장업체들의 참여가 커질 것이다. 현재 전공정 장비들을 선점하고 있는 업체들은 해외사들이지만, 우리나라 업체들도 많이 발전하였다. 대표적인 증착업체로는 주성엔지니어링과 원익IPS가 있다. 식각업체는 음...ㅎ.
23. C) 테스트 난이도 및 스텝 증가 역시 1, 2편에서 다룬 이야기다. 관련기업 또한 1,2편에 나와있다. 세트업체의 기술이 좋아지면 그에 따라 테스트업체들의 기술도 좋아져야 한다. 기술변화에 따라 바로바로 대응하는 업체 위주로 보면 된다.
24. D) 기타장비 수요증가는 반도체알못이라서 자세히 다루지는 못할 것 같다. 많은 칩들을 한번에 패키징하면 마킹수요가 늘것이다, 이오테크닉스. 후공정도 미세화되면서 AFM(원자현미경) 수요가 늘것이다, 파크시스템스. 적층을 할수록 본딩할일이 많아지므로 FC본딩 장비나 TC본딩 장비의 수요가 늘것이다, 한미반도체. 이외에도 인텍플러스나 피에스케이홀딩스, 오로스테크놀로지 등 많은 국내 업체들이 관련되어 있다. D)에 해당하는 업체들이 수혜를 받는 관련 기술들은 해외 대형업체들이 꽉 잡고 있기 때문에 아쉬운 부분이 있다.
작년부터 삼성전자가 파운드리에 집중하면서 기본 몇십조 단위의 투자를 하고 있다. SK하이닉스 또한 마찬가지로 메모리 TOP업체에서 안일하게 있지 않고 지속적으로 높은 CAPEX 지출과 M&A대상을 찾고 있다. 이뿐만인가? 파운드리 2강구조에 껴들기 위해 노력하는 인텔이, 한국 소부장업체를 둘러 보고 있다고 하였다.
AMAT나 램리서치, 테라다인, 도쿄일렉트론 등 강자가 많기는 하지만 ,국내 소부장들은 삼성전자와의 협력이라는 큰 무기가 있다. 기술변화에 따라 빠른 대응을 보여준다면, 적어도 삼성전자의 CAPEX를 매출로 전환할 수 있다는 것이다.
후공정의 꽃인 기판시장은? 오히려 국내업체의 경쟁력이 기대된다. 일본과 대만업체가 선점한 시장이지만, 국내에도 MSAP공법을 성공한 기판업체들이 많다. 그러한 업체들의 올해초 시설투자공시 규모는 절대 적은 규모가 아니며 세트업체들에게 매력적 크나큰 어필이 되었다.
이렇게 반도체 산업의 밸류체인을 그릴 수 있다면, 반도체가 쌀이 되고 있음이 더더욱 명확해지는 2020년대에 굶어죽을 투자는 하지 않을거라고 확신한다.
3편의 반도체 후공정 이야기를 마치며...
정말 많은 내용을 담고 싶었는데 글쓰기 실력이 부족해 담지 못한 내용이 많다. 삼성전자의 FOPLP, TSMC의 CoWoS 종류, TSMC의 InFO, HBM, 재배선층(RDL) 인터포져, TCB(열압축본더) 등등. 또한 사실조사가 불명확한 부분은 빼다 보니 몇몇 부분에서는 알멩이가 없을지도 모르겠다. 본문에 참조된 부분중에도 틀린 부분이 있을것 같다...
본 포스팅은 종목 추천이 절대 아니다. 반도체는 대형세트업체의 생태계가 강하기 때문에 산업공부에 있어 큰 도움이 될 것 같아 정리를 한것이다. 그래서 본 포스팅을 읽고 각 수혜에 대해 흥미가 생겨 기업을 매수하는 일이 꼭 없기를 바란다. (적어도 매출비중은 확인하여야 한다)
또한 본 포스팅을 포함한 후공정 이야기 3편 모두 이미지를 첨부하지 않았는데, 키워드 중심으로 정리하여 읽는이가 키워드를 직접 검색하여 시너지가 나게끔 유도하기 위해서이다(절대 귀찮아서가 아니다).
다시 한번, 산업공부의 힘을 깨닫는 과정이었다.
*위 포스팅은 2021년에 발간된 삼성증권의 'Tech', 한국투자증권의 '반도체 후공정 잘벌고 잘 쓴다', SK증권의 '반도체 소부장 한국OSAT의 현재와 미래, 그리고 그 역할', 키움증권의 '패키지기판 진화의 다른이름, 호황' 산업 리포트를 참고하여 작성했습니다.
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