삼성전자와 인텔, TSMC 등 글로벌 반도체 공룡들이 ‘패키지’ 기술 고도화 전쟁에 나섰다. 과거 단순히 반도체 포장이나 보호를 위한 작업이었던 패키징이 초미세공정의 기술한계를 극복하기 위한 핵심 기술로 부상하고 있기 때문이다. 반도체 업계는 차세대 패키지 기술 확보에 열을 올리고 과감한 시설 투자를 단행하고 있다.
 
삼성전자는 지난 6일 5개 칩을을 하나의 패키지에 담은 독자 구조의 ‘아이큐브(I-Cube)4’를 개발했다. 중앙처리장치(CPU)·그래픽처리장치(GPU) 같은 로직 칩과 HBM 칩 4개가 하나의 반도체처럼 구동할 수 있는 차세대 기술이다. 
 
이재용 삼성전자 부회장은 2019년과 2020년 두 번에 걸쳐 반도체 패키징 연구소가 있는 삼성전자 온양캠퍼스에 방문해 차세대 반도체 패키지 기술을 점검하는 등 패키지 기술에 대한 의지를 보여주기도 했다. 
 
삼성전자의 경쟁자이자 글로벌 파운드리 1위 기업인 대만 TSMC는 지난해 패키지 공정에 약 16조원 투자를 발표했고, 일본에 후공정 공장 설립을 추진 중이다. 
 
종합반도체기업으로서 글로벌 1위를 차지하고 있는 인텔은 약 4조원을 투자해 미국 뉴멕시코주 공장을 설립한 후 반도체 패키지 기술 확보에 나선다.
 

 
패키징을 포함한 반도체 후(後)공정은 그동안 ‘조연’ 쯤으로 여겨져 왔다. 단순히 반도체를 보호하거나 완제품으로 만들기 위해 포장하는 작업에 불과했다.
 
과거 수십년 간 반도체 업체들이 기술 우위를 점하기 위해 집중해 온 건 웨이퍼에 미세한 회로를 그려내는 전(前)공정이었다. 칩을 더 작게 만들기 위해 웨이퍼에 더 많은 회로를 새길 수 있는 ‘반도체 집적도’가 반도체 성능을 주도해왔기 때문이다.
 
일반적으로 종합반도체기업(IDM) 및 반도체 위탁 생산 기업(파운드리)에서 생산한 반도체 소자의 패키징 및 테스트 후공정은 주로 외주를 맡겨왔다. 하지만 최근 몇 년 새 후공정의 입지가 달라지고 있다.
 
반도체 미세공정 기술이 한계에 봉착했고 다양한 칩을 하나의 소자로 통합하는 데 ‘패키징’ 기술은 필수다.
 
한국과학기술기획평가원 채명식 부연구위원은 보고서를 통해 “패키징 기술은 개별 반도체 회로(IC) 단위에서 다수의 IC와 여러 소자를 집적한 모듈 형태로 진화하고 있다”며 “더 많은 부품을 하나의 패키지로 구현함에 따라 패키징 기술이 시스템 레벨 집적화 단계로 진화 중이고 궁극적으로는 적층 방식으로 발전 중이다”라고 분석했다.
 
삼성전자가 최근 개발한 ‘I-CUBE4' 역시 패키지 크기를 줄이고 전송 속도를 높이기 위해 여러 개의 칩을 1개의 패키지 안에 배치했다. 이론적으로는 쉬워 보이지만, 실제로 구현하는 데는 상당한 기술적 난이도가 있다. 일반적으로 패키지 안에 실장하는 반도체 칩이 많아질수록 인터포저의 면적도 함께 증가해 공정 상의 어려움도 커진다. 
 
삼성전자는 머리카락 굵기와 비슷한 100 마이크로미터 수준의 매우 얇은 인터포저가 변형되지 않도록 재료, 두께 등 다양한 측면에서 반도체 공정·제조 노하우를 적용했다.
 
이 기술을 바탕으로 삼성전자는 빠르게 성장하는 고성능 컴퓨팅 분야를 중심으로 인공지능(AI)과 데이터센터·클라우드서비스 등 고대역폭 데이터 전송과 고성능 시스템반도체가 필수적인 고객사의 수요에 적극 대응한다는 계획이다.
 
이종호 서울대 반도체공동연구소장은 “4차 산업에 해당되는 자율주행이나 인공지능, 고성능 컴퓨팅 등 단품이나 기존 모듈로는 구현하기 어려운 플랫폼이 등장하면서 기술적 요구에 대응하기 위해 차세대 패키지 기술이 등장하는 것”이라며 “특히 차세대 반도체 패키지 기술은 범용 메모리반도체와 파운드리가 만난 영역이라 할 수 있어 새로운 부가가치를 창출하고 반도체 기업들이 향후 경쟁력을 확보하기 위한 기술로 자리잡을 것”이라고 말했다. 
 
김영은 기자 kim.yeongeun@joongang.co.kr  
 
 

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