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"세계 10대 OSAT 배출, 첨단패키징 기술 선점에 달렸다" [OSAT 보고서]②김형준 과기부·산자부 산하 차세대지능형반도체 사업단 단장

김혜란 기자/ 이민우 기자공개 2022-08-05 09:30:49

[편집자주]

국내 반도체 생태계에서 패키징·테스트 외주기업(OSAT)은 유독 존재감이 약했다. 대만 ASE, 미국 앰코(AMKOR), 중국 스태츠칩팩(JCET) 등이 장악한 세계 OSAT 시장을 넘볼만한 기술도, 규모의 경제도 갖추지 못했다. 그러나 국가적 과제인 비메모리 육성은 후공정(패키징·테스트) 생태계가 뒷받침할 때 풀 수 있다. 시스템 반도체 성능을 좌우할 최첨단 패키징 기술을 어느 국가가 선점하느냐가 글로벌 반도체 주도권 전쟁의 승패를 가를 '키'가 됐다. 취약한 후공정 생태계를 어떻게 키워야 할까. 삼성전자부터 OSAT 기업을 만나 현주소를 짚어보고 의견을 들어본다.

이 기사는 2022년 08월 03일 08:12 thebell 에 표출된 기사입니다.

한국은 세계 1, 2위 메모리 반도체 기업과 글로벌 2위 파운드리(반도체 위탁생산)를 보유한 '반도체 강국'이다. 하지만 팹리스(반도체 설계 전문)와 반도체 패키지·테스트 외주기업(OSAT) 만큼은 글로벌 시장에서 존재감이 약하다. 세계 10위 안에 드는 기업이 없다.

시스템 반도체 분야까지 아우르는 종합 반도체 초강국 꿈은 파운드리와 팹리스, OSAT가 단단한 고리로 연결돼 건강한 생태계를 만들 때 이룰 수 있다. 특히 2030년까지 파운드리 전 세계 1위라는 국가적 목표를 세운 만큼 글로벌 팹리스를 국내 시장으로 유인하는 데 필요한 세계적 OSAT의 배출은 시급하고 중요한 과제로 부각되고 있다.

정부도 어느 때보다 OSAT 육성에 관심을 쏟고 있다. 과학기술정보통신부와 산업통상자원부 산하 조직 '차세대지능형반도체사업단'이 올해 들어 후공정 전문가 45명으로 구성된 태스크포스(TF)를 구성한 것도 국가 차원의 OSAT 지원책을 고민해 정부에 제안하기 위해서였다. 사업단은 2020년부터 2029년까지 총 1조96억원의 예산으로 차세대 반도체 기술 관련 국책 연구·개발(R&D)을 진행 중이다.

TF를 이끌어 최근 '반도체 초격차 경쟁력을 위한 패키지 선도전략'을 발표한 김형준 차세대지능형반도체사업단장(사진)을 만나봤다. 김 단장은 "전 세계 25여 개에 달하는 (규모 있는) OSAT 기업은 몇 년 후 10개 정도로 줄어드는 글로벌 시장 재편이 일어날 것"이라며 "한국 OSAT가 반드시 10대 기업 안에 들어야 한다"고 힘주어 말했다.

이어 "우리나라가 팹리스와 파운드리를 키우는 데 집중하고 있는데 패키징 역량이 떨어지면 파운드리 수주를 받기 쉽지 않은 상황이 될 것"이라며 "최첨단 패키징 기술력을 갖춘 세계적 OSAT를 배출하는 데 정부의 정책적 지원이 이뤄져야 한다"고 목소리를 높였다.

김 단장과의 인터뷰는 경기도 성남시 분당에 있는 사업단 사무실에서 이뤄졌다.

◇"고부가 패키징 기술 선점 못하면 생태계 붕괴"

전 세계 순수 OSAT 시장점유율 25위 안에 드는 국내 기업은 하나마이크론과 SFA반도체, 엘비세미콘, 네패스까지 총 4곳이다. 그러나 한국 OSAT 중에선 삼성전자나 SK하이닉스 등의 메모리 반도체 패키지 외주 물량을 소화하며 성장한 곳이 많다. 메모리 반도체 패키징 위주로 R&D가 이뤄지다 보니 당연히 대만 OSAT ASE나 미국 앰코(AMKOR)에 비해 기술력이 뒤처질 수밖에 없었다.

후공정은 반도체를 보호하는 물질을 씌운 뒤 입출력 단자(IO, Input Output)를 연결하는 '패키징'과 칩이 제대로 성능을 발휘하는지 검사하는 작업을 아우른다. 반도체의 직접회로 성능은 2년마다 두 배로 증가한다는 '무어의 법칙'이 흔들릴 정도로 반도체 미세화 기술이 비약적으로 발전하면서 전공정에서 반도체 집적도를 더 끌어 올리기는 쉽지 않다. 이제는 패키징에서 돌파구를 찾을 수밖에 없다.

김 단장은 "지금까지 후공정은 전공정에 비해 기술 난이도가 높지 않다고 여겨져 (국가적으로) OSAT에 대한 관심이 덜했고 R&D 지원도 잘 안 이뤄졌다"며 "그러나 지금은 패키징의 중요성이 굉장히 높아졌다"고 말했다.

이어 "2.5차원(2.5D), 3차원(3D) 패키징이 앞으로의 대세"라며 "지금 첨단 패키징'(Advanced Packaging)' 분야에 투자하지 않으면 우리나라 OSAT들은 수익성 낮은 패키징 사업만 하게 될 것이고 세계 시장에서 도태돼 결국엔 사라질 가능성이 크다"고 지적했다.

수익성 높은 패키징이란 뭘까. 고객사 입장에선 생산 비용을 낮추면서도 성능은 좋아져야 높은 단가를 부담할 수 있다. 과거엔 칩을 하나하나 따로 포장했다면 이젠 여러 개 칩을 한 번에 묶는 시스템인패키지(SiP), 이종 칩을 한 칩처럼 적층하는 칩렛(Chiplet) 형태로 고성능·고집적도를 구현하고 단가를 절감한다.

또 미세 공정기술의 스펙트럼이 넓어진다고 해서 모든 칩을 3나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m) 초미세공정으로 생산할 순 없다. 미세공정일수록 생산 비용이 많이 들기 때문이다. 결국 서로 다른 공정에서 만들어진 칩도 한 패키징으로 서로 연결해야 하는데, 이를 구현할 첨단 패키징 역량을 키우지 못하면 미래 반도체 시장에서 뒤처질 수밖에 없다.

이때 기반이 되는 기술이 2.3D, 3D 패키징이다 . 메모리 반도체를 여러 층으로 쌓는 고대역폭메모리(HBM), 그리고 그 옆에 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU) 등 연산을 담당하는 로직(시스템) 반도체를 붙여 하나의 패키징으로 완성하는 게 2.5D다. 3D는 메모리, 시스템 구분 없이 모든 이종 칩을 위로 쌓아 하나의 칩처럼 결합하는 형태를 말한다.
칩렛 구조(출처:인텔, 삼성증권 리포트)

◇전공정과 후공정의 경계가 무너진다, 어떻게 대응할 것인가

과거 패키징은 인쇄회로기판(PCB) 위에 주로 에폭시(Epoxy) 물질을 녹인 후 봉합하는 인캡슐레이션(Encapsulation) 공정 방식으로 이뤄졌다. 그러나 이젠 적층이 중요해지면서 범프(Bump)를 이용한 접합 방식인 플립칩본딩(Flip Chip Bonding)이나 실리콘 관통 전극(TSV) 기술로 상용화돼 적층을 구현한다.

이를 넘어 범프 없이 구리와 구리의 직접 연결을 통해 하나의 칩으로 만드는 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)까지 개발됐다. 후공정 기술이 사실상 전공정에 가까울 정도로 고도화됐음을 의미한다. 전공정 반도체 기업들이 첨단 패키징 기술 개발에 뛰어들고 있는 이유다. 전공정 기술을 선도하는 기업들의 가세로 후공정 분야 경쟁 강도는 더 세질 수밖에 없다.

김 단장은 "TSMC가 OSAT는 아니라 통계에서 빠졌지만 TSMC의 패키징 쪽 매출 규모만 놓고 보면 전체 3~4위일 정도로 경쟁력이 있다"며 "인텔도 자체 기술인 '임베디드 멀티다이 인터커넥트 브릿지'(EMIB)를 개발했고, 세계 최대 반도체 장비 업체인 미국 어플라이드머티리얼즈(AMAT)도 패키징 기술 개발에 박차를 가하고 있다"고 말했다.

전 세계 대기업이 뛰어드는 시장에서 국내 중견·중소 OSAT가 살아남을 수 있을까. 김 단장은 "TSMC도 다 소화하진 못하고 자국 ASE와 협력하고 있다"며 "국내에서도 삼성전자와 OSAT가 패키징 공동 개발을 하는 게 중요하다"고 강조했다.

*출처:YOLE(2021), 차세대지능형반도체사업단

◇세계 10위권 OSAT 배출에 사활 걸어야

사업단은 현재 6%에 불과한 국내 OSAT의 세계 시장 점유율을 2030년까지 21%로 끌어올린다는 목표를 설정했다. 김 단장은 "지금 이대로 가면 (목표 달성) 가능성이 없다"며 "문제는 후공정 생태계가 무너지면 우리나라 반도체 산업이 현재 위치를 유지할 수 없게 된다는 점"이라고 우려했다.

글로벌 시장 점유율을 높이는 방법은 크게 두 가지다. 전체 반도체 산업의 70%를 차지하는 시스템 반도체 시장을 잡아야 하고, 고객사가 많아져야 한다. 이를 위해선 퀄컴이나 엔비디아, 브로드컴 등 글로벌 팹리스가 한국 OSAT에 주문을 넣을 정도로 매력적인 첨단 기술력으로 무장해야 한다.

김 단장은 "칩렛 기술을 내재화하지 않으면 세계 10위권에 들어갈 수 없고, 10대 기업에 못 들면 시장에서 사라질 것"이라며 "반도체 산업은 결국 '부익부 빈익빈'으로 귀결된다"고 지적했다. 파운드리도 결국엔 7나노 이하 미세공정이 가능한 TSMC와 삼성전자의 과점 구조로 재편됐다.

아직 기회는 있다. 첨단 패키징 시장은 이제 개화하고 있다. 지금 기술을 선점하면 오히려 더 많은 기회를 잡을 수 있다. 네패스는 세계 최초로 팬아웃패널레벨패키지(FO-PLP) 양산 기술을 개발하고 한 글로벌 팹리스의 수주를 받는 데까지 성공했다. 김 단장은 "네패스의 FO-PLP는 (생산단가를 낮출 수 있는) 상당히 좋은 아이디어"라며 "이런 시도와 성과가 많아져야 한다"고 덧붙였다.
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