전소영 기자 입력 : 2024.08.25 09:00 ㅣ 수정 : 2024.08.26 10:15
FC-BGA, PC·서버·네트워크·자동차CPU·GPU에 사용하는 '만능 부품' AI 반도체 기판 수요 힘입어 FC-BGA, 향후 시장점유율 50%로 늘리기로 글로벌 FC-BGA 시장 규모, 오는 2030년 약 23조원대로 커져
반도체 기판 사업을 이끌고 있는 황치원 삼성전기 패키지개발팀 상무가 지난 22일 SEMinar(세미나·제품학습회)에서 반도체 기술과 관련해 설명하고 있다. [사진 = 뉴스투데이]
[뉴스투데이=전소영 기자] AI(인공지능) 반도체 시장이 커지면서 반도체기판(Package Substrate) 수요도 커지는 추세다.
AI 반도체는 많은 양의 데이터 처리와 빠른 전기 신호를 요구하기 때문에 반도체 칩과 메인보드를 연결하는 반도체 기판 역할이 매우 중요하다. 이에 따라 △다층화 △미세회로 구현 △층간 미세 정합 △두께 슬림화 등 고난도 기술 경쟁력이 필수다.
이와 관련해 삼성전기는 지난 22일 SEMinar(세미나·제품학습회)를 열어 자사 반도체 기판 핵심 기술과 강점, 미래 전망 등을 설명했다. 이날 발표는 반도체 기판 사업을 이끌고 있는 황치원 삼성전기 패키지개발팀 상무가 직접 했다.
삼성전기 반도체 기판 관련 유튜브 콘텐츠 캡처 [사진 = 삼성전기 유튜브]
■ FC-BGA, 2030년 22조원 대로 커질 듯…제품 비중 2026년까지 50%까지 확대
반도체 기판은 반도체와 메인 기판 간 전기 신호를 전달하고 반도체를 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 한다.
쉽게 설명하면 반도체 칩이 '두뇌'라면 반도체 기판은 뇌를 보호하는 ‘뼈’와 뇌에서 전달하는 정보를 각 기관에 연결해 전달하는 ‘신경·혈관’이다.
삼성전자가 특히 주목하는 반도체 기판은 FC-BGA(플립칩 볼그리드 어레이·Flip Chip Ball Grid Array)이다.
반도체와 반도체 패키지 기판을 연결해주는 단자를 ‘I/O(인풋(In-put)/아웃풋(Out-put))’으로 부르며 금속 선으로 두 개를 잇는 방식이 ‘와이어 본딩(Wire Bonding)’이다.
반도체 기능이 다양해져 I/O 수량도 많을 수밖에 없다. 이에 따라 와이어본딩은 칩을 둘러싼 4개 변에 가까운 바깥면만 활용해 선을 뽑아내는데 한계가 있다. 이를 '플립칩 본딩(Flipchip Bonding)'이라고 한다.
플립칩은 선을 대신해 작은 볼을 활용하는데 바깥면이 아닌 반도체와 패키지 기판 접촉면을 활용해 더 많은 I/O 단자를 만들 수 있다. 또한 전기 저항이 작고 속도가 빨라 데이터 전송량이 크다는 장점이 있다.
이러한 플립칩 본딩이 적용된 반도체 기판이 FC-BGA다. FC-BGA는 반도체 칩과 기판을 플립칩 방식으로 연결해 전기 및 열적 특성을 높인다. 이에 따라 FC-BGA는 주로 PC, 서버, 네트워크, 자동차용 CPU(중앙처리장치), GPU(그래픽 처리 장치)에 사용된다.
일본 후지카메라종합연구소에 따르면 글로벌 FC-BGA 시장 규모는 2022년 80억달러(약 11조1200억원) 에서 2030년 164억 달러(약 22조7900억원)까지 커질 것으로 보이는 유망사업이다.
이에 따라 삼성전기는 2021년 말 베트남 생산법인을 FC-BGA 생산 거점으로 삼고 생산 설비와 인프라 구축에 1조3000억원을 투자했다. 그리고 삼성전기는 AI 반도체 기판 시장에서 주도권을 쥐기 위해 올해 상반기 FC-BGA를 본격적으로 생산하기 시작했다.
베트남 공장은 자동화된 물류 시스템과 첨단 제조환경을 토대로 한 지능형 제조 시스템을 갖춰 이른바 '스마트 팩토리 시스템'으로 불린다.
또한 베트남 공장은 지능형 제조 시스템을 통해 공장 내 모든 운영 데이터를 자동 수집·분석해 라인 운영에 실시간 반영한다.
이와 함께 이 공장은 AI 딥러닝 기술을 활용해 최적의 레시피를 자동 적용하고 데이터에 기반한 실시간 분석을 통해 최고 품질의 제품을 안정적으로 양산하고 있다.
삼성전기는 업계 최고 수준의 FC-BGA 기술력으로 서버, 자율주행 등 하이엔드 기판 시장을 집중 공략해 오는 2026년까지 하이엔드 기판 시장점유율을 50%로 늘리겠다는 의지를 드러냈다.
삼성전기는 지난 22일 SEMinar(세미나·제품학습회)를 열고 자사의 FC-BGA 핵심 기술과 강점, 미래를 공유했다. 삼성전기가 실제 고객사에 납품하는 반도체 기판 [사진 = 삼성전기]
■ 반도체 고도화에 고객사 수요 갈수록 다양하고 많아져...삼성전기엔 '큰 기회'
AI 시대 개막 등 반도체가 고도화되면서 반도체 기판에 대한 고객 수요도 다양해지고 있다.
구체적으로 살펴보면 우선 ‘대면적·고다층 기판’을 꼽을 수 있다. 더 많은 칩을 배치해야 성능을 높일 수 있기 때문에 그만큼 기판 면적은 점점 넓어지고 층수는 높아질 수밖에 없다.
두 번째 ‘Chiplet(칩렛) 기판’이다. 칩렛은 각기 다른 역할을 하는 여러개 반도체 칩을 하나로 묶는 방식이다. 이에 따라 고객사 수요에 따라 기능을 추가하거나 제외할 수 있다.
세 번째 ‘신호손실 최소화’다. 고속 신호를 전달하는 과정에서 생기는 소음으로 신호가 손실된다. 이에 따라 삼성전기는 여러 가지 약품처리와 다른 업체와의 제휴로 이에 대한 해법을 마련하고 있다.
네 번째 ‘저전력 기판’이다. 대형 서버에는 여러개 CPU가 탑재돼 엄청난 열이 발생한다. 반도체가 고도화될수록 더 많은 열이 발생하기 때문에 기판 내 전력관리 기능이 중요해지고 있다.
이에 따라 삼성전기는 대면적·고다층 기판을 위한 전용 자동화 라인을 구축해 제조 경쟁력을 높였다.
특히 사람이 손을 되지 않아도 이물질을 제거하고 자동화한 최신 양산 시스템을 구축했다. 또한 디자인과 프로세스를 최적화해 기판 평탄도를 개선했다. 기판이 평탄하지 않으면 적층 과정에 불량이 발생한다.
이와 함께 삼성전기는 GPU와 AI 고성능화를 위한 미래기술을 선점해 차별화를 극대화하고 있다.
황치원 상무는 "이를 위한 기술이 앞서 언급한 칩렛"이라며 "만일 칩렛 기술이 없다면 서버 반도체 기판 가격은 2~3배 이상으로 치솟게 될 것"이라고 설명했다.
고속 프로세서 신호 연결을 위한 신호 전송 손실 감소도 두드러진 대목이다.
신호 손실은 자동차 속도가 빨라지면 주변에 있는 나뭇가지가 더 강하게 흔들리는 원리와 같다.
이에 따라 신호 속도가 올라갈수록 주변 소음에 따른 신호 손실 가능성이 크다. 예를 들어 100개 신호를 보냈을 때 50개가 손실된다면 이를 10~20개로 줄이기 위한 신규 공법이 개발 중이다.
이밖에 반도체 기판 내 콘덴서(Condenser)를 내장해 CPU 코어와 메모리 증가에 따른 전력 손실을 예방한다.
삼성전기는 지난 22일 SEMinar(세미나·제품학습회)를 열고 자사의 FC-BGA 핵심 기술과 강점, 미래를 공유했다. 삼성전기가 실제 고객사에 납품하는 반도체 기판 [사진 = 뉴스투데이]
시장조사업체 프리스마크에 따르면 반도체 기판 시장 규모는 2024년 4조8000억원에서 2028년 8조원으로 연평균 약 14%로 성장할 것으로 보인다.
황 상무는 “고객사마다 요구하는 성능이 각기 다르고 다양해지고 칩을 직접 설계해 만드는 기업이 많아지는데 이는 삼성전기에게 엄청난 기회”라고 평가했다.
실제 AI 반도체는 미국 반도체 기업 엔비디아가 사실상 독점해 수요에 비해 공급이 턱없이 부족하고 가격도 높게 형성돼 있다. 이에 따라 주요 글로벌 빅테크 기업이 자체 AI반도체 개발에 뛰어들고 있다.
황 상무는 “특히 전장(자동차 전자장비), 서버, AI, ARM(첨단로봇 제조)이 큰 성장 동력"이라고 전망했다.
현재 전 세계에서 CPU 연평균 성장률은 △전장 10% △서버 15% △AI 21% △ARM 31% 수준으로 예측된다.
삼성전기는 세계 유수 기업에 제품을 공급하며 기판업계를 이끌고 있다. 특히 최고사양 모바일 AP용 반도체 기판은 점유율, 기술력으로 독보적인 1위를 차지하고 있다.
황 상무는 “삼성전기는 기술 경쟁력 확보에 집중하고 있으며 이번 세미나에서 소개한 반도체 기판 관련 기술은 어느 경쟁사와 비교해도 밀리지 않는다고 확신한다”고 강조했다.
