[필독] 반도체 산업 리포트 : 새로운 전쟁이 시작되다, 이종집적기술 (2)

 

 

 

 

반도체 - 새로운 전쟁이 시작되다: 이종집적기술 (현대차증권)

 

 

 

2026년 첨단 패키징 시장은 기존 컨벤셔널 패키징 시장을 추월할 것
기존에는 무어의 법칙으로 반도체의 기술 발전이 이루어졌으나 3nm이하로 가면서 점점 공정이 어려워 지고 있고, 전공정이 어려워지면서 후공정에서 기술 격차가 발생하고 있음. 즉 전공정만으로 PPA를 개선하던 시대에서, 첨단 패키징 기술 적용을 통해 PPACt를 극대화하는 것으로 주류가 변화하고 있음. 3차원 집적이 각광을 받게 된 것은 반도체 소자의 사용처가 다양해졌기 때문임. 기존의 SoC의 단점을 극복하는 방법으로 제시된 것이 Chiplet 기술로, 기존 칩에서 필요한 각각의 기능을 분리하여 작은 면적의 칩으로 따로 제조하고 Chiplet 기술을 통해서 하나의 칩으로 만드는 것인데, 최근에는 서로 다른 두 개의 칩을 하나로 패키징하는 기술 또한 Chiplet에 포함됨. Amkor에 따르면, 패키징 시장은 2026년까지 960억 달러(약 138조원) 규모로 성장할 것으로 예상되며, 2026년에 처음으로 첨단 패키징이 기존 컨벤셔널 패키징 시장을 추월할 것으로 전망함.


이종집적 내 3D 패키징에서 가장 중요한 기술은 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)
이종집적에서 중요한 것은 각각의 다이들이 높은 I/O를 가지고 접합되어야 함. 그러나 지금까지 접점으로 사용하고 있는 범프의 면적은 그러한 목표를 달성하기에는 너무 큰 문제가 있음. 3D 패키징으로 발전 했을때 마이로범프는 기존 40㎛에서 20㎛, 10㎛으로 축소됨. 하지만 10㎛이하로 줄이는 것은 매우 어려운 일이며 그래서 주목받는 기술이 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)임. 하이브리드 본딩은 범프 없이 구리 배선의 패드끼리 직접 붙이는 기술로, 전기신호 밀도를 1,000배 이상으로 올릴 수 있는 기술임. 삼성전자 역시 3D IC 솔루션으로 마이크로 범프에 기반하여, 하이브리드 본딩 기술을 적용하는 것을 목표로 하고 있음. 하이브리드 본딩 장비는 주로 HPC, 서버, 데이터센터, AI 등 하이엔드 컴퓨팅을 중심으로 초기에는 적용되며, 첨단 패키징 시장 확대에 따라 관련 적용 시장도 늘어날 것임.


2.5D 이상의 첨단 패키징이 가능한 업체만들이 첨단 패키징 시장을 이끌어나가게 될 전망
결과적으로 4차산업혁명이 본격화되는 시점에는 IDM이 확보하고 잇는 반도체 패키징 능력을 넘는 물량을 처리하기 위해 OSAT이 필요함. 이미 코로나-19에 따른 디지털 전환으로 전세계는 반도체 공급 부족을 경험했고, HPC나 AI의 경우 더욱 디지털화가 빠르게 요구되기 때문에 OSAT의 위탁 물량은 증가할 것임. 첨단 패키징기술과 공정 기술, 양산 라인을 보유한 일부 상위업체를 제외하고는 중저가 패키징 물량 확보를 위해 경쟁해야 하며, 2.5D 이상의 첨단 패키징이 가능한 업체들만이 첨단 패키징 시장을 이끌어나 가게 될 것임. 그에 따라 현재 이종집적과 관련된 하이브리드 본딩 기술을 구현할 수 있는 국내 업체로 가장 기대되는 것은 한미반도체로, 향후 비메모리 시장중에서도 가장 큰 역할을 할 첨단 패키징 시장 성장과 더불어 수혜를 받을 것으로 판단됨.

 

 

 

II. 하이브리드 본딩 기술의 등장

 

HPC, 서버, 데이터센 터,AI 등에서 점차 시장 확대될 것

 

1) 하이브리드 본딩 기술에는 웨이퍼-to-웨이퍼(W2W) 접합, 다이-to-다이(D2D), 다이 to-웨이퍼(D2W) 접합 방법이 있음.

 

2) 쓰루풋은 D2D가 가장 낮고 W2W가 가장 높으며, W2W 접합은 스마트폰의 카메라에 사용되는 CIS 플래시 메모리에서 Cell과 주변회로를 붙이는 적층에 이미 적용됨.

 

3) W2W 하이브리드 본딩은 적용될수 있으나 제약 조건이 소자의 크기나 같으며, 수율이 매우 높은 두 다이의 접합에 쓰여야 함.

 

4) 수율이 높지않은 웨이퍼를 W2W로 붙인다면 작동하지 않는 다이와 작동하는 다이가 붙어도 제품은 작동하지 않게 되므로 수율은 더욱 떨어짐.

 

5) 따라서 이종집적의 경우 작동하는 다이를 전기적 테스트를 통해 찾은 다음 D2D 또는 D2W로 접합하게 됨.

 

 

6) D2W는 HBM, 3D 패키지, 로직 인 메모리 등에 적용되며, 접합전에 다이와 웨이퍼를 정확하게 정렬해야 함.

 

7) 하이브리드 본딩의 전기 신호 밀도를 높이기 위해서는 Cu 패드를 작게 만들어서 밀도를 높여 접합하여야 하나, 두 다이의 정렬 정확도를 높이는 것은 매우 어려움.

 

8) 하이브리드 본딩 장비는 주로 HPC, 서버, 데이터센터, AI 등 하이엔드 컴퓨팅을 중심으로 적용되며, 첨단 패키징 적용에 따라 관련 시장이 확대될 것임.

 

9) 일반적으로 하이브리드 본딩 장비 대당 가격은 3~4백만 달러이며, 플립칩 본딩 장비의 대당 가격이 0.3~0.6백만 달러인점을 감안하면 평균 약 6배 차이가 남.

 

 

10) 하이브리드 본딩 장비는 BESI와 ASMPT, Xperi, EVG 등의 해외업체들을 중심으로 생태계가 조정되어 있음.

 

11) 하이브리드 본딩 장비 1위 업체인 Besi는 TSMC와 Applied Materials가 최대 고객사이며, 신규로 국내 반도체 업체들을 확보하였음.

 

12) ASMPT는 2022년에 3nm이하의 초미세공정에 대한 하이브리드 본딩 장비를 출시해서 2023년에 대량 양산을 할 예정임.

 

13) BESI는 AMAT과 파트너십을 체결했고, EVG와 WTW를 위한 JDA 협약을 맺었으며 싱가폴 어플라이드 어드밴스드 패키징 센터와 협력하고 있음.

 

14) Xperi는 삼성이 주력 고객사이며, 최근 Micron과 하이브리드 본딩 장비 개발을 위한 라이선스를 체결하였음.

 

 

 

고객과의 접점이 중요한 첨단 패키징 시장

 

1) 첨단 패키징은 파운드리 업체간의 격차를 벌릴 수 있는 핵심으로, 고객과의 접점이 중요함.

 

2) 미국의 퀄컴, 브로드컴, 엔비디와 같은 팹리스들의 제품 대부분은 대만, 한국의 파운드리를 거쳐 아시아에 위치한 자사의 후공정 공장에서 패키징이 이루어짐.

 

3) 범용제품의 경우 자사 후공정 공장의 주변에 위치한 OSAT에서 패키징을 함으로써 물류비 절감과 웨이퍼 이동에 관리를 최소화함.

 

4) 미국 IDM의 경우 대부분 자사내 패키징 비율이 높기 때문에 OSAT에 위탁하는 물량이 매우 낮은 편이고, 그나마도 아시아에서 패키징을 하기 때문에 미국 내에는 OSAT 공장이 없음.

 

 

5) 유일하게 반도체 산업과 동일하게 성장하는 업체가 글로벌 2위 업체인 AMKOR임.

 

6) 유럽 역시 미국처럼 대부분의 물량의 자사 후공정에서 처리하는데 주로 동남아시아에 위치한 자사 후공정 주변업체들에게 의뢰하고 있음.

 

7) TSMC는 2.5D와 3D 패키징 제품을 단일 브랜드인 3D Fabric으로 통합했으며, 최근 고객으로 Apple과 AMD 뿐만 아니라 Intel, Mediatek/Qualcomm을 신규고객사로 확보하였음.

 

8) SK하이닉스는 첨단 패키지 공장을 미국에 설립하는데, 이는 HBM을 위한 포석 중 하나임.

 

9) 2021년 11월 삼성전자는 Amkor Technology를 파트너로 삼아 2.5D 패키징 “H-cube’를 개발했음.

 

 

10) 2021년 12월 ASE는 중국에 위치한 4개 공장(Shanghai, Kunshan, Suzhou, Weihai)를 매각했고, 이 매각대금을 바탕으로 대만에 TSMC향 WLP 공장을 건설하고 있음.

 

11) 2022년에는 반도체 패키징 장비 시장 규모가 71억달러(약 10조 2,000억원)로 전년대비 8.2% 성장할 것으로 전망됨.

 

12) 이 중 Die Attach 시장은 2020년부터 2023년까지 연평균 28.2% 성장하면서 패키징 장비 시장을 이끌 것으로 전망됨.

 

 

13) ASE, Amkor, JCET의 매출추이을 보면 SiP의 생산량이 늘기 시작한 2015년을 기점으로 공격적인 M&A와 설비투자를 통해 시장 변화에 적극적으로 대응하여 매출액 격차가 급격하게 벌어졌음.

 

 

14) 그러나 한국의 경우 메모리 반도체 패키징 비중이 높고, 최종 고객사로부터 일정하게 오더를 받아서 체질 개선에 둔감한 부분이 없지 않음.

 

15) 그리고 메모리 반도체에 국한된 고객사를 두고 치열하게 경쟁해야 하는 한국 업체들의 경우 고객사의 생산량이 늘지 않으면 정체가 일어남.

 

16) 결과적으로 4차산업혁명이 본격화되는 시점에는 IDM의 반도체 패키징 Capa를 넘는 물량을 처리하기 위해 OSAT 기업이 필요함.

 

17) 이미 코로나-19에 따른 디지털 전환으로 전세계는 반도체 공급 부족을 경험했고, HPC나 AI의 경우 더욱 디지털화가 빠르게 요구되기 때문에 OSAT의 위탁 물량은 증가하게 될 것임.

 

18) 그러나 중저가 패키징 물량 확보를 위해 경쟁해야 하며, 2.5D 이상의 첨단 패키징이 가능한 업체들만이 첨단 패키징 시장을 이끌어나가게 될 것임.

 

 

19) 따라서 현재 이종집적과 관련된 하이브리드 본딩 기술을 구현할 수 있는 국내 업체로 가장 기대되는 것은 한미반도체이며, 향후 비메모리 시장중에서도 가장 큰 역할을 할 첨단 패키징 시장 성장과 더불어 수혜를 받을 것으로 판단됨.