반도체 기판에 관하여_메리츠자산운용

FC-CSP와 FC-BGA 기판 [사진=삼성전기 ]

패키지 기판

 

반도체 칩은 실리콘으로 만들어져 외부 충격에 손상되기가 쉽기 때문에 반도체를 보호할 수 있으면서 동시에 반도체와 전자기기간의 연결을 위한 매개체 역할을 할 부품이 필요하게 되었고 이 역학을 담당하고 있는 것이 패키지 기판(이하' 기판') 입니다. 기판에 인쇄된 회로를 통해 부품들이 서로 연결되고 상호작용을 하기 때문에 기판은 신경과 같은 역할을 한다고 생각할 수 있습니다.

 

과거 반도체 의 구조가 단순하던 시기에는 기판의 구조 또한 단순하였고, 따라서 높은 기술력이 요구되지 않았습니다. 이로 인해 반도체 산업의 성장만을 바탕으로 설비투자를 집행하였던 많은 아시아 기판 업체들은 오랜 기간 동안 낮은 수익성 혹은 손실을 경험하게 되었습니다. 즉, 기판 산업 내의 추가적인 공급 및 기술 발전 정도는 지난 10년간 상당히 제한적이었습니다.

 

반면, 최근 들어 기판에 대한 새로운 수요가 다음과 같은 이유로 나나타기 시작하였습니다.

1. 기판의 적층화:  다층기판을 만들어 더 많은 전기 신호 전달이 가능하게 하는기술

2. 기판의 대면적화:  펜데믹 이후  데이터센터와 같은 서버향의 수요가 급증, 데이터센터에서 요구하느 기판은 기존의 기판보다 훨씬 크기 때문에 하나의 결함이 야기하는 수율 하락의 정도는 이전보다 훨씬 높은 환경이 되었다.

 

이러한 수요 변화를 이끈 주요 테크놀러지 중 하나가 칩렛(Chiplet) 구조입니다. 반도체 미세화가 지속적으로 진행되며 무어의 법칙(Moore's Law)이 한계에 부딪히게 되었고, 반도체 업체들은 후공정 업그레이드를 시작하게 되었습니다. 후공정 차별화의 핵심중 하나가 바로 칩렛 구조를 활용한 패키징입니다. 기존의 단일 칩구조를 유지하게 되는 경우 성능 향상은 칩 사이즈의 확대, 그리고 이에 따른 파운드리 수율의 저하를 의미합니다. 칩렛 구조는 기존의 단일칩을 다양한 다이(Die) 형태로 쪼개어 각각의 칩을 서로 다른 기술을 활용하여 만드는 방식으로, 단일칩 이용 시 불필요한 선단 노드 활용을 줄임으로써 효율성을 향상시키는 장점도 있습니다. 이렇듯 칩렛 구조는 전공정의 효율성을 의미 있게 향상시킬 수는 있으나, 여러 개의 다이를 재정렬 하는 과정에서 공간이 생길 수 밖에 없기 때문에 기판의 크기가 더 커지게 되고 이는 후공정의 수율 저하를 야기할 수 있습니다. 또한, 여러 개의 다이 간의 상호 연결을 원활하게 하는 적층화 기술력 또한 쉽지 않기 때문에 후공정 및 기판의 중요성이 과거 어느 때보다 강조되고 있습니다.  따라서, 우수한 기판 제조 기술을 가진 기업들의 수익 창출 능력은 지난 10년 과는 다른 확장성을 보여 줄 것으로 생각합니다.

 

칩렛 구조를 적용하여 서버 시장 점유율을 공격적으로 확장해 가고 있는 기업은 펀드가 편입하고 있는 AMD이며, 인텔(Intel)역시 칩렛 구조의 제품을 준비 중에 있습니다. 칩렛 구조를 성공적으로 구현하는 데 있어서 기판이 필수적인 만큼, 팹리스(Fabless), IDM(Integrated Device Manufacturer), 파운드리(Foundry) 등 반도체 밸류체인(Value Cain)의 상위에 있는 기업들은 기판 확보를 위해 기판 제조업자들을 대신하여 장비 등에 대한 투자를 집행하는 등 직접적인 투자도 아끼지 않고 있습니다.  한편, 팹리스와 IDM들이 서버향 기판에 대한 선점을 공격적으로 함에 따라, PC 향 기판 역시 부족 현상을 보이고 있습니다.

 

실제로 일본의 대표적인 기판 기업인 이비덴, 신코는 향후 증설될 생산 캐파의 상당 부분을 인텔에게 할당한 것으로 알려져 있으며, 한국의 삼성전기나 대반의 유니마이크론도 예외는 아닌 것으로 보입니다. AMD 역시 내부적으로 수요가 높은 적용처를 중심으로 기판에 대한 배정을 하고 있다고 언급하였으며, 이는 기판 공급이 충분하지 않음을 의미합니다.

저희 운용팀이 소통한 미국 IDM 업체들에 따르면 높은 기술력을 요구하지 않는 차량용 반도체의 경우도 기판은 현재 가장 확보하기 어려운 부품인 것으로 확인되었습니다.

 

이렇듯 기판에 대한 수요 성장의 가시성은 매우 높은 편입니다. 그렇다면 공급은 어떨까요? 반도체 후공정이 중요하지 않던 시기에 기판의 중요도는 낮았고, 특히 TSMC가 기판을 필요로 하지 않는 패키징에 성공하면서 기판업체들의 캐파 확장은 오랜 기간 제한적이었습니다. 그러나 반도체 미세화에 따라 기판의 역할이 중요해지면서 IDM, 팹리스, 파운드로 기업들 모두 기판 확보에 총력을 기울이게 되었고, 이에 따라 기판 업체들은 10 여 년 만에 처음으로 공격적인 투자 게획을 발표하고 있습니다. 시장은 2~3년 후 잠재적인 과잉 공급에 대해 조심스레 예측하기도 하지만 다음의 이유들로 인해 기판 시장은 판매자 우위의 시장이 당분가 지속될 것이라고 생각됩니다.

 

1. 장비부족:  대부분 일본 기업들이 제조, 오랜 기간 설비 투자가 없던 산업, 캐파 증설 속도 역시 제한적인 장비 캐파로 느려질 수밖에 없으며 대량 생산이 가능한 실질적인 기판 캐파 증가는 예상보다 오래 걸릴 가능성이 높습니다.  장비를 구하기 위한 리드타임은 30개월 이상 소요되고  다음 계약은 27-30년 캐파에 대해 가능하다고 대만 유니마이크론의 CEO 마이클 셴은 최근 애널리스트 미팅에서 언급

 

2. 수율: 기판의 대면적화는 기판 내 하나의 오류가 초래할 수 있는 수율 하락이 이전보다 훨씬 커졌음을 의미하며, 이에 따라 실질적인 공급 증가분은 캐파의 증가분보다 낮음을 의미한다.

 

 

서버  PC향 기판 제조에 쓰이는 주요 공법인 FC-BGA 와 ABF substrate

반도체 성능의 향상은 더 많은 전기신호의 교환을 의미하기도 합니다. 전기 신호의 입출력을 위해 반도체와 기판 사이에 선(I/O, Input/Output)을 이용하는데 이러한 패키징 방식을 와이어 본딩(Wire Bonding)이라고 합니다. 반도체 기능이 많아지면서 더 많은 I/O가 필요해졌고, 와이어를 이용해서는 무한한 확장이 불가한 한계에 다다르게 되었습니다. 이런 단점을 극복하기 위해 새로운 기술인 FC(Flip Chip) 방식을 도입하게 됩니다. FC 방식은 선이 아닌 작은 볼(Ball)을 활용해 연결하는 방식으로 반도체와 기판의 접촉면을 활용해 훨씬 더 많은 I/O를 형성할 수 있게 됩니다. 

-이비덴, 신코, 삼성전기, 유니마이크론, Nanya PCB, AT&S 등이 주요 기업

 

FC-BGA 방식은 대부분 ABF 기판(Ajinomoto Build-up Film Substrate)을 이용하는데 ABF는 일본 조미료 기업인 아지노모토(Ajinomoto) 사에서 공급하는 원료러 패키지 기판 층간 절연 재료입니다. 기판 내 발열 및 회로간 간섭이 발생할 수 있기 때문에 절연재가 필요한데 온도 변화에 따른 팽창 및 수축에 저항하는 내구성에 있어서 ABF는 초미세공정에서 생산되는 CPU/GPU에는 가장 이상적인 기판 소재로 여겨지고 있습니다.

 

모바일향 수요의 구조적 변화

BGA 방식은 칩보다 기판 사이즈가 더 큰 관계로 CPU 패키징에 주로 사용되는 반면, CSP(Chip Scale Package)는 칩과 기판 사이즈가 유사하여 스마트폰 AP(Application Processor) 용 패키지에 주로 사용됩니다. FC-CSP를 사용하는 대표적인 5G 모바일향 패키지 기판은 AiP(Antenna in Package) 입니다. 5G는 28Ghz를 제공해야 하는데, 고주파 신호는 직진성으로 인해 사물에 의해 쉽게 차된되는 경향이 있고, 이를 해결하기 위해 기기 내부에 설치하는 안테나 숫자가 증가하게 됩니다. 그러나 소형화가 중요한 모바일에서 안테나 수의 증가는 다른 기능의 부품 탑재를 불가능하게 하는 단점을 야기합니다. Aip는 안테나뿐만 아니라 다른 수동부품들을 하나로 모듈화해 초소형화 및 저전력 소모를 구현한 기술입니다. 이와는 별도로 스마트폰의 배터리 용량은 계속 증가해야 하는데 이 경우 다른 부품들을 실장하기 위한 메인보드 공간이 줄어들게 됩니다. 따라서 모듈화에 대한 수요는 5G 스마트폰에서 지속적으로 성장할 것으로 예상되며, 이는 기판 수요의 성장으로 연결됩니다. 모바일향 기판의 수요 재료는 BT(Bismaleimide Triazine)로 ABF 보다는 소싱이 좀 더 용이합니다.

 

이렇듯 5G가 이끄는 모바일향 새로운 기판 수요 역시 기판 수급에 있어서 판매자 우위의 시장에 힘을 실어주고 잇습니다.

 

기판 업체들 대부분은 아시아에 위치하고 있으며 고객과 어플리케이션의 다변화에 있어서는 대만 기업들이 매력적인 부분이 있습니다. 다만 해당 기업들의 밸류에이션은 그러한 장점을 이미 상당 부분 선반영하고 있다고 생각됩니다.

일본 기업들의 경우 수익성이 높은 서버향 기판에 집중적인 투자를 하고 있으나 고객군이 협소한 단점이 있습니다. 한국 기업들의 경우 아직 고객군이나 어플리케이션의 다변화에 있어서 상대적으로 매력도가 덜 하지만, 오랜 업력으로 인한 기술력을 가지고 있으며 적극적인 설비투자 계획을 고려 시 기판 산업의 구조적 성장에 대한 레버리지가 가장 클 것으로 예상됩니다. 동시에 밸류에이션은 경쟁사들 대비 가장 매력적입니다.