삼성전자, 차세대 패키징 기술로 TSMC 맹추격

1개의 로직칩 + 4개의 메모리 '아이큐브4'
HPC·AI·클라우드 등 적용 기대
TSMC는 첨단 패키징 기술 장인
패키징 기술 부족해 애플 놓친 쓰라린 기억

삼성전자의 차세대 반도체 패키지 기술 ‘아이큐브 4’. 아이큐브는 삼성전자의 패키지 2.5D 기술의 브랜드명이다. 아이큐브 뒤에 붙는 숫자 4는 메모리 반도체 숫자를 의미한다./제공=삼성전자

삼성전자 파운드리 사업부가 차세대 반도체 패키징 기술인 ‘아이 큐브4’를 개발했다. 아이 큐브4는 로직반도체인 중앙처리장치(CPU) 혹은 그래픽처리장치(GPU) 1개와 메모리 반도체 4개를 하나의 기판에 올려 만든다. 그만큼 속도, 용량, 구동력이 모두 빠른 것이 특징이다. 패키징 기술은 점점 더 초고성능을 요구하는 고객사에 대응할 수 있다는 점에서 파운드리 기업의 경쟁력으로도 꼽힌다.

◇삼성전자 ‘아이큐브4’ 기술 개발…첨단 파운드리 고객 대응 폭 넓어질 듯
삼성전자는 6일 로직 반도체와 4개의 고대역폭 메모리(HBM) 칩을 하나의 패키지로 구현한 2.5D 패키지 기술 ‘아이 큐브4’를 개발했다고 밝혔다.

2.5D 패키지 기술이란 실리콘 인터포저 위에 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU) 등 로직 반도체와 HBM을 배치해 하나의 반도체처럼 동작하게 하는 이종 집적화 패키지 기술이다. 쉽게 표현하면 여러 개의 반도체를 하나의 패키지 안에 배치하고 연결한 것이다. 삼성전자는 2.5D 패키지 기술에 ‘아이 큐브’라는 브랜드를 붙여 운영하고 있다. 아이 큐브 뒤에 붙는 숫자는 로직 반도체와 함께 배치되는 메모리 반도체의 숫자다.

첨단 패키징 기술인만큼 내구성도 끌어올렸다. 삼성전자는 인쇄회로기판(PCB)과 칩 사이에 실리콘 인터포저를 넣어 회로 폭의 차이를 완충하고 초미세 배선이 안정적으로 구동할 수 있도록 했다. 아이 큐브 4에 담기는 5개의 반도체는 머리카락보다 살짝 두꺼운 100마이크로미터(μ) 수준의 인터포저 위에서 연결된다. 삼성전자는 인터포저가 패키지 내부에서 변형되지 않고, 패키지 내부의 열을 효과적으로 방출하는 구조를 찾았다. 여기에는 그동안 메모리 반도체 생산으로 터득한 삼성전자의 노하우가 반영됐다. 5개의 반도체를 배치하고 그 위에 케이스를 입히기 전, 중간 공정에 동작 테스트를 진행하는 점도 눈길을 끈다. 삼성전자는 “이를 통해 사전 불량을 걸러내고 전체 공정 단계를 줄였다”고 설명했다.

강문수 삼성전자 파운드리사업부 마켓전략팀 전무는 “고성능 컴퓨팅 분야를 중심으로 차세대 패키지 기술의 중요성이 높아지고 있다”며 “삼성전자는 아이 큐브2 양산 경험과 차별화된 아이 큐브4 상용화 기술 경쟁력을 기반으로 고대역폭 메모리를 6개, 8개 탑재하는 신기술도 개발해 시장에 선보이겠다”고 밝혔다.

삼성전자의 차세대 반도체 패키지 기술 ‘아이큐브4’ 기술이란/제공=삼성전자

◇왜 패키징인가?
반도체 수탁생산(파운드리) 사업 경쟁력의 25%는 후공정(패키징)이 차지한다는 말이 있다. 과거 패키징은 선로를 새긴 웨이퍼를 수천, 수백 개로 자르고 전선을 연결하는 역할이었지만, 최근에는 여러 성능의 칩을 하나로 합하는 영역까지 포함된다.

반도체 패키징 기술은 1나노미터(㎚, 1억분의 1m)의 선폭을 줄이는데 수조원의 투자가 필요해지면서 더욱 주목받고 있다. 초미세공정만으로 반도체 성능을 구현하기 보단, 여러 반도체를 연결한 패키지 제품으로 원하는 성능을 얻을 수 있기 때문이다. 시장조사업체 욜디벨롭먼트에 따르면 글로벌 반도체 후공정 시장 규모는 2019년 290억달러에서 오는 2025년 420억달러까지 연평균 6.6% 성장할 전망이다.

강성철 한국반도체디스플레이기술학회 연구위원은 “과거에는 반도체 후공정(패키징)을 외주를 주는 비중이 많았지만, 첨단 반도체를 만드는 기업일수록 자체 패키징 기술 확보에 적극 나서고 있다”며 “삼성전자와 TSMC도 패키징 외주 물량이 있긴하지만 첨단 패키징은 직접 한다”고 설명했다.

삼성전자는 아이 큐브4 기술을 내세워 고성능 컴퓨팅, 인공지능(AI), 데이터센터와 클라우드서비스 고객사 수요에 대응할 계획이다.실제로 아마존, 구글, 페이스북, 인스타그램 등 글로벌 IT 기업들은 자체 반도체 설계에 집중하고 있다. 아이 큐브4와 같은 첨단 패키징 기술을 갖추면 고객사가 선택할 수 있는 기술의 폭이 더 넓어진다. 삼성전자 파운드리 사업부의 신규 고객사에 제안할 수 있는 패키지 기술 품목이 더 늘어났다는 점에서도 의미를 더한다.

삼성전자가 대만 파운드리 기업 TSMC와 경쟁하기 위해서도 첨단 패키징 기술은 필수적이다. 반도체 업계에서는 삼성전자가 2015년 애플의 A8 프로세서 물량을 모두 놓친 배경에 TSMC보다 패키징 기술이 떨어졌기 때문이라고 분석한다. 삼성전자가 파운드리 시장에서 TSMC와 경쟁하려면 패키징 기술을 지금보다 더 끌어올려야 한다는 지적도 많다.

강 연구위원은 “대만은 패키징 관련 생태계가 국내와 비교할 수 없을 정도로 풍부하고 세계적인 규모의 패키징 소재·장비 대형 기업들이 포진해있다”며 “국내 패키징 기업들은 세계 10순위에 들지 못하는 규모라 아직 더 많은 지원이 필요하다”고 했다. 그는 또 “패키지 소재와 재료의 경우 반도체 품질 보증 기간동안 품질을 약속해야 하는 만큼 개발이 어려운 분야”라고 덧붙였다.