삼성전자, 반도체 ‘새 패키징’으로 파운드리도 ‘초격차’

하나의 패키지에 로직칩·4개 메모리 묶는 '아이큐브4' 개발

파운드리 세계 1위 TSMC 맹추격…하반기 HBM 6개 실장 기술 개발

삼성전자가 반도체 공정의 미래 경쟁력으로 꼽히는 ‘패키징’ 기술 진화에 속도를 내고 있다. 초미세공정에 더해 패키지 개발 투자 확대로 차별화된 서비스를 제공하고, 파운드리 시장에서 경쟁력을 높이겠다는 전략이다.

◆ 로직 칩에 4개의 HBM ‘아이큐브4’…데이터 전송량↑

6일 삼성전자에 따르면 1개의 로직 칩과 4개의 고대역폭 메모리(HBM) 칩을 하나의 패키지로 구현한 독자적인 패키지 기술 ‘아이큐브(I-Cube) 4’를 개발했다. 2018년 ‘아이큐브 2’, 지난해 ‘엑스(X) 큐브’에 이은 신기술이다.

패키징은 집적회로(IC) 칩에 있는 전기적 신호 단자를 전자제품 보드에 물리적으로 연결하는 과정을 말한다. 칩을 보호하고, 다양한 사용 환경에서 장시간 사용할 수 있도록 신뢰성을 확보하는 게 관건이다. 이를 위해 저전력과 안정적이고 빠른 신호 배선 설계, 효율적인 열 방출 기술이 중요하다.

아이큐브 4는 실리콘 인터포저(IC 칩과 인쇄회로기판 사이 추가삽입하는 미세회로 기판)를 적용해 초미세 배선을 구현했으며, 반도체 구동에 필요한 전력도 안정적으로 공급할 수 있도록 했다.

일반적으로 패키지 안에 실장하는 반도체 칩이 많아질수록 인터포저의 면적도 함께 증가해 공정상의 어려움이 커지는데 삼성전자는 100마이크로미터 수준의 매우 얇은 인터포저가 변형되지 않도록 재료, 두께 등 다양한 측면에서 반도체 공정·제조 노하우를 적용했다고 설명했다.

또 아이큐브 4에 몰드를 사용하지 않는 독자적인 구조를 적용해 열을 효율적으로 방출하도록 했다. 몰드는 열경화성 수지를 사용해 칩을 감싸는 소재로, 칩을 보호하기 위한 공정이다.

삼성전자는 패키지 공정 중간 단계에서 동작 테스트를 진행해 불량을 사전에 걸러내고, 전체 공정 단계를 줄여 생산 기간을 단축했다.

수직 적층 기술을 적용해 칩의 부피를 줄인 X 큐브 기술이 모바일 반도체에 주로 사용된다면 아이큐브 4는 서버, 데이터센터 등 고성능·대용량 데이터 전송이 필요한 곳을 중심으로 활용될 전망이다.

◆ 반도체 수요 확대로 패키징 중요성 증대…기술개발 속도

삼성전자가 패키징 기술 개발에 속도를 내는 것은 파운드리 시장에서 경쟁력을 높이기 위한 차원으로 풀이된다. 그동안 패키징과 같은 후공정은 전공정 대비 차별화된 경쟁력을 구현하기가 어려웠지만, 최근 반도체 응용처가 다양해지면서 패키징 기술 역시 다양해지고 있다.

또 최근 파운드리 사업은 칩을 생산하는 공정뿐 아니라 패키징 등 후공정까지 한 번에 제공하는 추세다. 이에 파운드리 후발주자인 삼성전자가 세계 1위 TSMC를 따라잡기 위해서는 이러한 추세에 맞춘 차별화된 서비스를 제공해 고객을 확보하는 것이 중요하다는 분석이다.

시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 파운드리 시장 점유율 1위는 대만의 TSMC(56%)이며 삼성전자는 점유율 18%로 그 뒤를 이었다.

패키지 경쟁력 강화를 위해 삼성전자는 2018년 패키지 제조‧연구조직을 통합한 총괄조직을 신설했다. 특히 이재용 삼성전자 부회장은 지난해 7월 충남 온양사업장을 찾아 패키징 기술 현장을 점검하고, 경쟁력 강화를 위한 혁신기술 개발을 당부했다.

삼성전자는 패키지 시장에서 영역을 더욱 확장한다는 계획이다. 올해 하반기에는 HBM을 6개 실장하는 기술도 개발할 예정이다.

강문수 삼성전자 파운드리사업부 전무는 “고성능 컴퓨팅 분야를 중심으로 차세대 패키지 기술의 중요성이 높아지고 있다”며 “기술 경쟁력을 기반으로 HBM을 6개, 8개 탑재하는 신기술도 개발해 시장에 선보이겠다”고 밝혔다.
 

반도체 패키징 신기술 아이큐브 4. [사진=삼성전자 제공]