반도체 패키징이 대세라는데 한국의 대응은?

기술적, 경제적 한계효용에 부딪히는 반도체 미세화
대만, 일본은 후공정 연합체로 후공정 강화 중
국내 OSAT, 산학연 연계 및 대기업과의 동반성장이 중요

[테크월드뉴스=박규찬 기자] 반도체 미세화 공정의 한계가 계속 거론되고 있다. 현재 삼성전자, TSMC가 3나노에 이어 2025년 2나노 공정 양산에 돌입할 것을 목표로 하고 있지만 전문가들에 따르면 2나노 이상의 미세화는 극복해야 할 기술적, 경제적 장벽이 높다는 의견이 대부분이다. 물론 시간과 비용의 지속적 투자로 달성은 가능하겠으나 비용 대비 효익 관점에서 대안으로 급부상하고 있는 패키징 기술을 통해 성능과 효율을 높이는 것이 더 이상적이란 분석이다.

삼성전자 이재용 회장이 천안캠퍼스를 방문해 패키지 라인을 둘러보고 있다. [사진=삼성전자]

▶삼성, TSMC는 3나노 공정 양산 돌입…인텔, 라피더스는 글쎄...

지난해 세계 최초로 3나노 공정 양산을 시작한 삼성전자를 필두로 대만의 TSMC도 같은해 12월 양산에 들어갔다. 미국 인텔은 지난 2021년 파운드리 재진입을 선언하며 2024년 2나노 공정 양산을 발표하고 가장 후발주자인 일본 라피더스는 2025년 2나노 공정 양산을 목표로 하고 있다.

하지만 현재 삼성전자와 TSMC를 제외하고는 3나노 공정 이상을 양산을 하고 있는 기업은 없으며 인텔과 라피더스는 계획만 있을 뿐 실제 2025년에 2나노 공정 양산에 성공할 지도 미지수다.

아울러 삼성전자와 TSMC는 2027년에 1.4나노 공정을 도입을 발표했지만 이 역시 실제 양산에 들어가기까지는 꽤 긴 시간이 소요될 것으로 예상된다. 또한 높은 기술력이 요구되는 만큼 전문인력의 필요성도 커짐에 따라 현재 모든 반도체 기업들이 겪고 있는 전문인력 부족 현상도 해결해야할 문제점으로 지적되고 있다.

▶한계에 부딪힌 미세화 공정…차세대 패키징 기술력 높여야

이 같은 현상에 대해 최근 전문가들은 향후 반도체 미세화 공정에 한계가 올 것으로 내다보고 있다. 원자의 크기를 감안했을때 시간이 지날수록 미세화에 물리적 한계가 곧 올 것이란 의견이다.

지난해 개최된 ICT 산업전망 컨퍼런스에서 프랑스국립과학연구원 소린 크리스톨로베아누 이사는 “반도체 미세화의 한계로 3나노 이하로는 한계에 봉착할 것”이라며 “이는 양자 터널링 현상 때문으로 반도체 미세화에서 성능 및 비용 등을 고려하면 10나노가 한계”라고 지적했다.

오사카대학 산업과학연구소의 스가누마 카츠아키 명예 교수 [사진=SHARP]

지난 7일 일본에서 개최된 ‘SHARP Tech-Forum’에서 일본 오사카대학 산업과학연구소 스가누마 카츠아키 명예교수는 “앞으로는 반도체 칩을 조합함으로써 고밀도 고성능을 실현하는 칩렛화에 관심이 모아지고 있다”며 “성능향상에 있어서 큰 중요성을 갖는 것이 3D 패키징 기술”이리고 설명했다.

KIET 김양팽 전문연구원은 “향후 반도체 미세화 공정 한계 직면에 따라 방향성이 그렇게 가고 있다. 이와 함께 반도체 실리콘웨이퍼 제작의 한계로 무어의 법칙이 무너지고 있다”며 “이에 전파의 간섭, 발열처리 등 전공정에서 이뤄졌던 것들이 패키징 기술로 해결해야 한다. HBM이 대표적 예이며 이같이 앞으로는 패키징 기술을 통해 성능을 높이는 방향으로 가야한다”고 설명했다.

▶TSMC 앞세운 대만, 일본의 JOINT2, 한국은?

현재 세계 3대 패키징 OSAT 업체는 대만의 ASE, 미국의 AMKOR, 중국의 스태츠칩팩(JCET)으로 후공정 시장에서 대만은 52%의 점유율로 1위를 차지하고 있다. 대만 OSAT 시장 규모는 2021년 기준 TSMC를 중심으로 27조 380억 원의 매출을 기록했다. 국내 OSAT 시장과 비교하면 8.6배 차이다.

특히 대만의 TSMC와 ASE는 동반성장을 통해 경쟁력을 키운 사례로 국내뿐만이 아닌 해외에서도 우수 사례로 꼽히고 있다. ASE는 2021년에 이미 20억 달러(한화 2조 6320억원)에 달하는 시설 투자를 추가 단행할 정도로 후공정 역량 확보에 집중하고 있다.

일본은 레조낙을 중심으로 13개 소부장 기업 차세대 반도체 패키징 기술협력을 위해 JOINT2 컨소시엄을 설립했다. 이들은 일본을 대표하는 반도체 장치, 재료, 기판 기업으로 반도체 후공정에서 사용하는 차세대 패키지 재료를 공동으로 개발·평가하고 있다. 일본은 기존 후공정에서 보유하고 있던 앞선 기술력과 JOINT2를 통해 패키징 기술력을 더 키워 나간다는 전략이다.

국내 기업은 세계 OSAT 점유율 25위 안에 하나마이크론, SFA반도체, 엘비세미콘, 네패스 등 4개 기업만 간신히 이름을 올리고 있다. 인력 부족도 심각한 수준이다. 지난 2020년 기준 국내 패키징 전문 인재는 500명 수준으로 같은해 TSMC 후공정 R&D 인력만 7404명인 것을 보면 국내 OSAT 시장이 얼마나 열악한지 파악할 수 있다.

일본의 JOINT2에 대해 김양팽 전문연구원은 “기업 간의 컨소시엄보다는 산학연이 협력하는 것이 오히려 성과가 좋게 나타나지 않을까 생각한다”고 언급했다.

이어 그는 “대기업이 앞장서서 산학연 연계를 통한 기술개발, 인재양성 및 공급을 활용해 국내 OSAT를 육성해 나가야 한다”며 “특히 전문인력 확보와 기술개발을 위한 대학과의 연계가 중요하다”고 강조했다.

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