[디지털데일리 배태용 기자] "과거 로직 반도체에서는 일부 기업이 점유율 대다수를 차지했으나, 현재는 시장 참여자가 늘어나고 요구하는 성능도 다 달라졌다. 이게 삼성전기 기판사업에 기회 요소가 될 것이라 보고 있다." (황치원 삼성전기 패키지개발 팀장)

삼성전기는 지난 22일 서울 중구에 있는 태평로빌딩에서 제품 학습회를 열고 회사의 주력 제품 중 하나인 FC-BGA(플립칩볼그리드어레이) 기본 개념부터 기술 전망 등을 소개했다.

◆ 10마이크로미터 수준 비아 구현…세계 최고 수준

패키지 기판은 반도체칩과 메인 기판 간 전기적 신호를 전달하고, 반도체를 외부의 충격 등으로부터 보호해 주는 역할을 하는 부품이다. 웨이퍼에서 나온 반도체 칩은 반도체의 미세한 회로와 온도에 따른 변화 등의 이유로 직접 메인 기판에 실장 하는 것이 어렵다. 이 때문에 반도체 칩과 메인 기판 사이를 연결해 주는 다리 역할을 하는 기판이 필요한데, 이것이 패키지 기판이다.

패키지 기판의 종류는 반도체 칩을 기판에 붙이는 방법으로 두 가지로 구분된다. 가느다란 금속 선으로 반도체 칩과 기판을 연결하는 '와이어 본딩' 방식과 작은 범프를 이용해 연결하는 '플립칩(Flip Chip)' 방식이 있다.

BGA기판은 와이어 본딩 방식을 사용하는 패키지 기판이다. 기존에 널리 사용돼 왔던 BGA기판은 반도체 신호 처리량이 증가하면서 신호가 들어오고 나가는 단자 수도 늘어나면서 한계점이 나타나기 시작했다. 와이어 방식은 단자를 만들 수 있는 부분이 반도체 칩 외각에만 한정돼 있기 때문이다.

FC-BGA는 출력 단자를 외각뿐 아니라 반도체 칩의 모든 면적에 만들어 놓은 방식으로 동그란 볼(Ball) 형태의 범프를 형성해 반도체 칩과 기판을 연결한 구조이다. 이렇다 보니 신호를 빠르게 전달하고, 노이즈가 감소하는 장점이 있다. 방대한 데이터를 빠르게 처리하는 AI 서버 구축, 게임 등에 사용되는 칩에 FC-BGA를 사용하는 이유다.

FC-BGA의 제작하는 핵심 기술은 미세 가공 기술 과 미세 회로 구현이다. 전자기기의 기능이 많아질수록 필요한 부품도 많아지고, 신호 전달에 필요한 길, 즉 회로가 많이 필요하고 복잡해진다. 한정된 기판 면적 안에 많은 길(회로)을 만들어야 하므로 한 면으로는 부족해 4층, 6층, 8층, 10층 등 여러 층으로 만들어야 한다.

층간에도 회로가 연결돼야 하므로 구멍을 뚫어 전기적으로 연결하기 위한 도금 과정을 거친다. 각 층을 연결해 주는 구멍을 비아(Via)라고 하는데, 일반적으로 80마이크로미터(um) 크기의 면적 안에 50㎛의 구멍을 오차 없이 정확히 뚫어야 하므로 정교한 가공 기술력이 필요하다.

삼성전기는 A4용지 두께의 1/10 수준의 10㎛ 수준의 비아를 구현할 수 있어 세계 최고 수준의 미세 비아 형성 기술을 가지고 있다.

전기신호가 지나가는 길인 회로는 부품의 단자가 많아지고 연결해야 할 신호가 많아지면서 회로 선폭과 간격도 미세화되고 있다. 제작 과정은 원하는 회로 두께만큼 도금 후 남는 부분을 코팅한 다음 화학 작용(에칭)을 통해 필요한 회로만 형성하게 된다.

◆ 고객사 칩렛 선호 늘어나…고객 맞춤성 포트폴리오 구축

회로 폭과 회로 간 간격이 8~10㎛ 수준의 얇은 선 폭을 구현해야 하는 어려운 기술이다. 최근에는 반도체 입출력 단자 수가 증가하면서 더 미세한 회로 구현이 필요로 하는데 삼성전기는 머리카락 두께의 1/20인 5㎛ 이하 수준의 회로선 폭을 구현할 수 있는 미세회로 형성 기술을 보유하고 있다.

황 상무는 최근 기술의 발전에 따라 고성능 칩이 많이 등장하면서, 패키지 기판 시장도 또 한 번 변화의 흐름에 맞닥뜨리고 있다고 설명했다. 기존 단일(Monolithic) 칩의 성능 한계 및 높은 비용을 극복하기 칩렛(반도체 조각) 방식을 선호하는 고객사들이 늘어나고 있는 것.

황 상무는 "반도체 고성능화는 패키징 플랫폼 고도화, 고성능 기판 수요로 이어지고 있다. 고객들은 100mm x 100mm, 26L 이상 대형, 고다층 기판뿐 아니라, 칩렛 적용 기판을 요구, 주류가 되고 있다"라며 "칩렛이 아니면 서버 반도체 패키지는 가격 2~3배는 뛸 것이다"라고 설명했다.

이어 "이외에 신호 손실을 최소화하는 것도 요구사항도 큰 가운데 삼성전기는 여기에 맞는 약품을 개발하고 있다"라고 덧붙였다.

황 상무는 고객들이 요구 사항이 다양화되는 것은 삼성전기로선 기회라고 설명했다. 칩렛 기판, 고다층 기판 등 고객들이 차별화된 제품 포트폴리오를 갖고 있는 만큼, 고객들 요구사항에 맞출 수 있다는 설명이다.

이를 통해 삼성전기는 2026년까지 서버, AI, 전장, 네트워크 등 고부가 FC-BGA 제품의 비중을 50% 이상으로 확대할 계획이다. 지난 7월 글로벌 반도체 기업인 AMD와 고성능 컴퓨팅(HPC) 서버용 FCBGA 공급 계약을 맺고, 제품 양산을 시작하는 성과를 거두기도 했다.

황 상무는 삼성전기가 FC-BGA 후발주자임에도 기술 측면에서는 경쟁사에 뒤지지 않는다고 자신감을 드러냈다.

황 상무는 "FC-BGA 시장에서 20년 업력을 갖고 있으나 경쟁사는 30년 했으니 엄밀히 따지면 후발 주자는 맞다"라며 "저희도 대만, 일본 등 경쟁사하고 케파(생산능력⋅CAPA) 등 여러 가지 잣대로 비교하고 있는데, 지금 현재 기준으로 보면 기술력은 뒤처지지 않는다"라고 강조했다.