반도체 패키징 이야기와 차세대 반도체 패키징 장비재료 산업전 (ASPS. Advanced Semiconductor Packaging Show)

저는 이번 주 수원에서 열렸던 차세대 반도체 패키징 산업전을 다녀왔습니다.
 
많은 분들에게 반도체 "패키징"이란 단어가 조금 생소하게 들릴지 모르겠어요. 과연 반도체 패키징 공정은 무엇일까?
그럼 "패키징 산업"은 무엇이길래 해당 공정만 분류해서 별도로 산업 전시회를 개최하게 되었을까?
그리고, 지자체에서 주관하는 반도체 산업전은 어떤 의미와 목적을 가지는 걸까? 함께 하나씩 정리해 보기로 해요
 
반도체 패키징 공정은 무엇일까?
반도체 공정은 기판을 만드는 전공정과 효율적으로 사용하게 하고자 하는 후공정으로 나누어지며,
패키징 공정(Packaging Process)은 후공정 내에서 반도체 보호 및 물리적 연결을 담당함 (현업에서는 사실상 후공정 자체를 지칭) 최근 미세기술의 한계를 극복하고자 3D 패키징, SIP, SOC 등 공간의 효율적인 활용 및 적층 기술이 발전하게 됩니다

그럼.. 반도체에서 공정 미세화와 패키징이 중요하게 된 이유는 무엇일까요

Step 1. 초창기 SW 최적화 이야기
좀 뜬금 없지만, 프로그래밍의 세계에서도 컴퓨팅 파워나 메모리의 자원이 부족하던 IT 산업 초기에 알고리즘 Core부 Low level단의 코딩(*연산량이 많은 핵심부분이나 반복 연산이 있는 곳을 저급 언어를 통해 최적화 시킴)이나 이미지의 재활용은 필수적인 요소였습니다. 인기 놀이공원 건설 운영 시뮬레이션 게임인 "롤러코스터 타이쿤"을 한 천재 분(Chris Sawyer)께서 All 어쌤블리어로 짜놓은 덕에 온갖 놀이기구들로 맵을 꽉 채워도 게임이 쾌적하게 돌아간다던지, 월드 1-1에서 시작하여 8-4까지의 긴 서사로 이루어져있는 슈퍼마리오 브라더스가 불과 40KB 메모리에 담겨졌다던지 하는 이야기처럼, 지금까지의 모든 반도체 산업은 동일하고 평평한 물리적 공간 내에 집적도를 점점 높여가는 방식으로 발전되어 왔습니다. 
 

슈퍼마리오 게임의 용량은 40KB (참고로 지금 보이는 이미지의 용량은 242KB). 용량 최소화를 위한 예로 구름과 수풀이 똑같은 모양에 색만 바꿔 재활용 됨 (Palette Swap 방식)

Step 2. 반도체 공정 미세화의 역사 (전 공정 이야기)
진공관에서 트렌지스터로, 트렌지스터는 IC(집적회로)로, 집적회로는 무어의 법칙(Moore's Law)을 따라 2년에 2배씩 향상되며 메모리와 컴퓨팅 능력이 증가해왔는데 이것이 말씀드렸던 칩의 집적도를 높이는 방식. 즉, 공정을 미세화하여 전류 선폭을 좁힘으로 동일 공간 내 전자의 이동거리도 단축시키고 트랜지스터의 용량도 넓혀 갈 수 있었습니다. 하지만 10nm이하 물리적인 한계(전류 조절기능 상실 - 전자가 벽을 튀어나간다거나 하는)의 벽에 부딪히며 기술 난이도도 급격히 증가하고 설비, 시설 투자비용도 기하급수적으로 증가하게 되는데요. 알고보니 예측이 아니라 납기였던 이 무서운 법칙을 (수많은 공돌이들을 희생시켜가며) 불안불안하게 따라가다가 결국 2010년 들어서는 더 이상 쫓아가기를 포기하게 됩니다.
 

 
Step 3. 공정 미세화의 한계, (후공정) 패키징의 중요성으로
기술과 투자비가 급속히 증가하게 된 파운드리(=전공정 생산)는 수율의 문제를 해결하기 위해 ZEN 아키텍쳐의 MCM(Multi-Chip Module) 방식을 통해 AMD에서든 인텔에서든 보안책을 찾아가고 있으며, FinFET등의 기술을 통해 공정의 미세화도 이루어지고 있으나, 결국 반도체 산업의 큰 방향이 이제는 패키징을 통한 성능향상을 하는 것이 합리적인 대안으로 자리 잡아가고 있어요.
땅 값이 비싸질수록 처음엔 앞마당에 상추도 심고 하던 단독주택이, 점점 세대수를 늘리면서 주택 평수가 좁아지더니, 결국엔 아파트 층 수를 높여가게 되듯이, 상대적으로 기술 진입장벽도 낮고, 투자비 효율도 높은 패키징 산업이 주목 받는 건 당연한 일인 것이죠 (그렇다고 이 "아파트"를 무조건 높일 수는 또 없어요. 그러면 칩이 우리 휴대폰 액정을 뜷고 나오게 되는 거니까요)
 
즉, 전 공정 미세화의 "한계" → 후 공정의 "효율" 이 중요하게 된 상황 
(무어 깨져서 요즘은 조립식 아파트 만드는 식의 집적도 증가를 무어라고 우김 =  beyond moore)

여기까지 패키징 배경 탐구 끝. 이제부터 이러한 배경을 가진 패키징 전시회 정리본으로 넘어갈께요~
 

차세대 반도체 패키징 장비재료 산업전 
(ASPS. Advanced Semiconductor Packaging show)
: 대한민국 정부의 2030 'K-반도체 전략'에 따라 경기도 수원에서 주도적으로 열린 첫 반도체 산업 컨퍼런스
(경기도는 한국 반도체의 메가 클러스터 역할을 희망하고 있음)
 
*참고 1 : K-반도체 전략 : I자 : 기흥-화성-평택-온양, <자 : 이천-용인-청주을 이은 K자 반도체 벨트 벨트 추진 전략. 업체는 510조 이상 투자 목표, 정부세액공제 R&D최대 50%, 시설투자 최대 20% 
*참고 2 : 미국 시설투자 25% 공제(최대 40%), 일본 TSMC 시설유치 보조금 40%, 중국 10년간 소득세X, 2030년 까지 관세면제
↑ 외국의 이런 좋은 유치 조건들 때문에 올해 초 한국 정부에서도 부랴부랴 급하게 법을 제정하였음

어떻게든 K 글자를 만들어내고야 마는군

일시 : '23.8/30(수) ~ 9/1(금). 10:00~16:30
장소 : 수원 컨벤션센터
규모 : 국내/외 91개 기업 276개 전시부스
부대행사 : 장비·재료 혁신전략 콘퍼런스, 참가업체 기술세미나
 
타 반도체 전시회와 비교

구분	SEMICON CHINA (반도체 전시회)	SEMICON KOREA (반도체 전시회)	SEDEX (반도체 대전)	ASPS (차세대 반도체 패키징 장비재료 산업전)
주관	SEMI China	SEMI Korea	한국반도체산업협회	경기도, 수원시
목적	시장동향 공유, 홍보, 투자유치, 채용
범위	중국내수	국내	국내	지자체 (경기중심)
장소	중국 상하이	서울 COEX	서울 COEX	수원 컨벤션 센터
기업	1,100	500	253	91
부스	4,000	2,000	800	276
공정	전체(전/후) 공정			반도체 후 공정(PKG)
분야	반도체 소재, 부품, 장비, SW, 산학			SW 이번에 없었고 지자체가 포함됨
예정일정	2024.3/20 ~3/22	2024.1/31 ~2/2	2023.10/25 ~10/27	완료

 
느낀점 Summary
비교적 소규모 전시회에 참여하여, 업체 부스에서 질문하며 세부적으로 기술력을 확인 할 수 있는 기회가 되었음.
정부 뿐아니라 지자체, 학교에서도 반도체에 대한 관심을 가지고 투자 하고 있으며, 기존 SEMI(국제반도체장비재료협회), SEDEX(한국반도체산업협회) 등 업계에서만 진행하던 전시회가 지자체의 주도로 처음 시작된 것이 고무적이었다. 
기존 SEMICON, SEDEX와 내용면에서 유사한 부분이 있어 차월 말에 있을 SEDEX의 국내 패키징 부분의 내용을 사전에 경험해 볼 수 있다는 점도 좋았다. 
 
다만, 아쉬운 점이 있다면 전시회의 특색과 전문성이 조금 부족했다는 점인데,
전통적인 Mega 전시회인 세미콘, 세덱스의 "규모중심" 전시회 방식을 그대로 모방했다는 점이다. 물론 규모가 가장 크다면 어떻게든 그 나름의 특색이 될 수 있으나, ASPS는 후발주자인데다 패키징 분야에만 ROI를 한정지었다면 오히려 그런 부분에 더욱 강점으로 두고 새로운 전시회를 고민했어도 좋았겠다는 생각을 했다. 
반도체와 패키징, AI 검사로 전환에 대한 관심과 이해는 점점 대중적으로 확산되고 있으나 여전히 전시회는 대중 친화적이지 못해 업계에 어느정도 이해도를 가진 사람이 해당 기술 도메인 있는 업체를 찾아가지 않는다면 의미가 없겠다는 느낌을 받았으며, 어떻게든  목적지 업체를 잘 찾아갔다 하더라도 쇼업 나온 분들이 본인 분야만의 엔지니어 혹은 일반 모델 분이라 그런지 모르겠으나 질문을 하기가 조심스러울 정도로 본인 업체와 소개된 기술들에 대한 이해가 부족하다는 느낌을 받았다. 
어떻게든 AI 딥러닝, 메타버스, 디지털트윈 등의 단어를 넣고 실제로는 맞지 않은 의미에 적용하는 업체도 더러 있었는데.. 이런 부분은 모두 업체 자율에 맡기는 것보다 공신력있는 단체에서 전체적인 검증이나 자문을 사전에 한 번 해주는 건 어떨까 싶다
+ 전시회는 라이브 방송 형태로 유튜브를 통해 공식 소개도 되고 있었는데 소개하시는 리포터 역시 반도체에 대해 전혀 모른다고 말하는, 이 분야 주식 외 별로 흥미 없어 보이는 개그우먼을 섭외한 것도 아쉬웠다. 기술과 개그는 도대체 어떤 관련이 있나 (영상은 하단 링크)
 
부스(참가업체)요약
#1. 경기도관 융합기술 지원관(국비/지자체비 지원) : 39개 공공 연구기관 보유 기술, 인프라, 인력을 소부장 기업 기술지원, 현재 지원 받는 업체 소개
종류 : 시스템반도체, 로봇자동화, 패키징 방열기술, 차량반도체
 
#2. ASMPT : 싱가폴 본사 글로벌 업체. 본딩, SMT(실장)기술 보유 글로벌 업체. TC 방식으로 반도체를 부착 본딩 장비 개발. (실리콘관통전극(TSV)과 후공정(OSAT) 이후 공정활용) TSV로 미세한 구멍을 뚫어 수직으로 쌓은 D램을 열 압착으로 접합. 칩과 칩, 칩과 웨이퍼 본딩에 활용, 그 밖의 에폭시 도포 방식, 리플로우 납땜 방식 접합 소개
 
#3. 프로텍 : 디스펜싱 정량토출 글로벌 1위(국내 U/Fill 시장규모 95%, 동남아 50%). 레이저 리플로우 설비소개 (레이저 통해 PCB에 칩 본딩. TC 방식 대비 열 손상이 적고 칩의 Warpage감소). 다이 상단에서 레이저를 조사, 진동을 통해 본딩 접점만 열을 가해 뒤틀림을 방지 기술. 뒤틀린 웨이퍼를 펴는 동시에 본딩 기술 등
자사 소개시 TC대비 전력 70%↓, 공간 20%↓, TC 5um 대비 2um 수준 본딩
 
#4. 팸트론 :  스크래치, 브릿지, 크랙 불량, 실장 정확성 확인, 소팅 함께 하는 설비 (경쟁사 KLA라고 함)
 
#5. 미르텍 : 비전검사 솔루션 업체. 모아레+레이저 검사 기술. 3단계 AI 딥러닝 유일 기술력 소개 (1단계 간단 검사 AI, 2단계 복잡 검사, 3단계 AI를 활용한 공정 축소)
         
#6. 삼성전자 : 주제 - 패키징의 현재와 미래. 스마트 팹, 서버향 메모리 2.5D, 3D 기술, 상생협력, ESG 소개
 
#7. 레이저셀 : 레이저 솔더링, Chip 접합 (250도 수준의 리플로우 - Area 히터같은 개념). 기존 리플로우가 Area, 온도 등의 컨트롤 힘든 단점을 보완
 
 
컨퍼런스 내용 요약
# 세션 1. 차세대 패키지 공정 기술 로드맵 및 도전 과제
Adv. PKG Solution을 통한 Beyond Moore 실현 방안 고민.
향후 반도체 소자의 고집적, 다기능 구현을 위한 핵심 기술로 주목 받고 있는 Adv. PKG기술 및 자사 로드맵, 제품라인업 소개
 
# 세션 2. DS부문 Back-End 제조혁신 및 Smart Fab
Back-End Fab의 H/W 및 S/W 자동화 기술을 통한 Smart Fab으로의 진보 현황 및 Back-End의 Smart Factory에 대한 구상 소개
 
# 세션 3. EV 자동차용 파워모듈 패키징 접합기술 동향
COVID-19 팬데믹 이후 가솔린 자동차에서 하이브리드 및 전기자동차로 변환기를 맞음. Single Charge Mileage의 증가에 따라 전기차의 수요는 더욱 증가 추세있으며 전기차에 사용되는 핵심 반도체 부품인 파워모듈 (전력반도체모듈) 수요도 증가하고 있다. 파워모듈에 사용되는 전력반도체는 기존의 Si 디바이스에서 실리콘 카바이드 (SiC) 와 같은 화합물반도체(Wide Band Gap, WBG)로의 전환이 진행됨. 최근 EV/HEV에 사용되는 파워모듈 패키지의 국내외 기술개발 동향을 분석, 자동차용 전력반도체 패키징 기술의 요구성능 수준과 개발 현황을 및 자동차의 고성능과 고신뢰성을 위한 패키징 접합기술 및 고전압/대전류를 사용하는 파워모듈 패키징용 접합기술 개발 동향 공유
 
# 세션 4. LAB(Laser Assisted Bonding) & 레이저를 이용한 차세대 AI반도체 본딩기술
프로텍에서 LAB기술을 소개하였는데. 애플 M1패키지 부터 양산 적용된 기술로 OSAT(스태츠칩팩⋅앰코테크놀러지, JECT)에서 사용됨. 기존 디스펜서도 국내, 동남아 독점이 되는데다, 이 LAB전량을 프로텍 장비로 진행해서 기술 자부심이 있었음. 어쩐지 10년 사이 점점 부스도 넓고 쾌적해지는 것이..옛날 고 이사님이 여사원 한 분 소개시켜 줄테니 프로텍 넘어 오라고 꼬셨을때 나는 갔었어야 했나
LAB 본딩 기술에 대한 소개 : 기존 Reflow를 통해 Solder Ball Attach 하는 경우의 단점들을 보완하기 위한 LAB 본딩 기술 소개함. 기존 Reflow 방식(Convection Reflow - 대류열에 의한 납땜. 기판 위에 살짝 올려진 플립칩이 지나가면서 상단의 솔더가 녹았다 다시 굳으며 본딩이 되는 구조)을 사용하는 경우, Chip외 전체 기판이 동일하게 열을 받으므로 열팽창 격차에 의한 응력증가 → Warpage → 파손 발생.
LAB은 레이저를 이용해 반도체와 패키지 기판을 접합하는 공정 기술. 칩과 패키지 기판 사이 솔더볼에 레이저(1000W 안팎)로 열을 가해 순간적으로 녹였다가 다시 굳는 과정에서 둘을 접합. 기존 5~7분 이상의 시간을 1~2초로 단축함
 
# 세션 5. 칩렛 집적을 위한 Laser-Assisted Bonding with Compression (LABC) 공정 기반 타일링 집적 공정 기술
첨단 반도체 패키징 기술의 핵심인 칩렛 집적 기술이 왜 필요한지와 이를 구현하기 위한 기존의 기술의 장단점을 살펴보고 Laser-Assisted Bonding with Compression (LAB) 장비와 소재에 기반을 둔 타일링 집적 공정 기술을 소개하며 기존 기술과 차별성을 설명
 
# 세션 6. 반도체 공정 및 첨단 패키징 소재 개발 현황
지속적인 반도체 공정 미세화와 다기능 고성능 컴퓨팅의 수요에 따라 소재의 원천 물성 연구와 신개념의 소자 개발이 요구됨. 물리적 한계를 극복하기 위한 초고밀도 실장용 첨단 패키징 기술 - 재배선 (RDL) 등 요소 기술의 개발 현황과 관련 특허 동향을 소개, 향후 첨단 패키징 기술의 개발 방향 공유
 
 
참고문헌
1. 지식맛집 : https://tristanchoi.tistory.com/420
2. 애플이 M1 칩 패키지에 사용한 LAB 기술은? : https://www.kipost.net/news/articleView.html?idxno=211752
3. 전자신문 : http://www.sek.co.kr/2023/semipack
4. 현장투어 LIVE] 차세대 반도체 패키징 장비·재료 산업전 : https://www.youtube.com/watch?v=YkIdvbOMdzY

놀랐나요. 저도 놀랐습니다