1958년, 텍사스 인스트루먼트(TI)의 잭 S. 킬비는 게르마늄(Ge) 기판에 트랜지스터, 저항, 콘덴서를 연결하여 세계 최초의 집적 회로를 개발하는 데 성공했습니다. 이후 로버트 노이스는 실리콘(Si) 기반의 집적 회로를 발명했습니다. 오늘날 대부분의 반도체 응용 분야는 실리콘 기반 집적 회로(소위 1세대 반도체)를 사용합니다. 반도체 칩은 현대 산업의 "석유"와 같은 존재가 되었습니다.

반도체 산업이 처음 시작되었을 때는 IDM(통합 디바이스 제조) 모델이 주를 이루었습니다. 인텔과 TI가 칩을 설계하고 제조했기 때문에 소규모 기업들이 반도체 산업에 진출하기 어려웠습니다.

TI 출신의 장중모는 1987년 전문 웨이퍼 파운드리 회사인 TSMC를 설립하고 '디커플링'을 통해 반도체 파운드리 시대를 열었습니다. 칩 생산은 설계, 웨이퍼 제작, 패키징 및 테스트의 세 단계로 나뉘며, 설계 회사(팹리스 설계, 팹리스 모델)는 웨이퍼 제작, 패키징 및 테스트를 외주화하고 설계, 판매 및 서비스에 집중할 수 있게 되었습니다.

기술 분야 베테랑인 다이후이입니다. 늘 과거의 일화를 하나 공유하고 싶었는데, 오늘 드디어 기회가 생겼습니다. 1993년, 왕샹푸 선생님께서 우리 반을 이끌고 우시로 인턴십을 갔었는데, 조립 라인에서 회로 기판을 수작업으로 용접하는 일이었습니다. 매일 아침저녁으로 높은 담으로 둘러싸여 삼엄한 경비가 이루어지는 건물 안에 '화경(華經)'이라는 커다란 글자가 적힌 간판을 보았습니다. 당시 저는 이곳이 무엇을 위한 곳인지 궁금했습니다. 그때는 908 프로젝트의 5인치 3um 생산 라인이 한창 건설 중이었습니다.

대만의 반도체 외주 조립 및 테스트(OSAT, Outsourced Semiconductor Assembly and Testing) 산업은 빠르게 발전해 왔습니다. ASE와 Silicon Products는 모두 1984년에 설립되었습니다.

퀄컴과 엔비디아 같은 유명 기업들을 비롯해 자산 경량화 칩 설계 회사들이 수없이 많이 생겨났고, 중국 본토 역시 차세대 칩 설계 분야에서 큰 발전을 이루었습니다. 1991년에는 레노버의 니광난이 칩을 설계했고, 화웨이의 쉬원웨이도 (텍사스 인스트루먼트에서 제조한) 칩을 만들었습니다. 1993년에 설립된 궈웨이는 선전의 칩 산업을 이끄는 황푸군관학원과 같은 존재가 되었습니다. 현재 중국 본토에는 수천 개(일부는 수만 개)의 칩 설계 회사가 있습니다.

물론 자산 집약적인 IDM 모델은 항상 존재해 왔으며, 두 모델 모두 나름의 장점이 있습니다. AMD는 IDM 모델에서 팹리스(Fabless) 모델로 성공적으로 전환한 사례인 반면, 인텔은 IDM 모델을 고수해 오다가 최근 IDM 2.0 모델로 업그레이드하면서 첨단 패키징에 대규모 투자를 하고 웨이퍼 파운드리 시장에 재진입했습니다.

클로즈드 베타 테스트 과정은 "비밀리에" 진행되며 일반에 공개되지 않습니다. 실제로 패키징과 테스트는 독립적으로 진행될 수 있으며, 한 공장에서 또는 여러 공장에서 이루어질 수 있습니다. 패키징 및 테스트는 "제공된 자재로 가공"하는 비즈니스 모델을 채택하고 있으며, 주문은 반도체 설계 제조업체로부터 들어옵니다.

기존의 칩 스케일 패키징은 웨이퍼를 절단하여 다이를 밀폐된 공간(케이싱)에 넣어 외부 환경, 불순물 및 물리적 힘의 영향으로부터 보호하는 방식입니다. 동시에 해당 핀(또는 여러 개의 핀)을 뽑아내어 최종적으로 기본 구성 요소로 사용합니다.

웨이퍼 레벨 패키징(Wafer Level Packaging) 기술은 웨이퍼 전체를 패키징하고 테스트한 후 절단하여 하나의 완성된 칩을 얻는 기술입니다. 패키징된 칩의 크기는 베어칩의 크기와 동일합니다.

IC 테스트는 다양한 방법을 사용하여 불량 칩 샘플을 검출합니다. 테스트는 크게 두 단계로 나뉘는데, 하나는 패키징 전 웨이퍼 테스트이고 다른 하나는 패키징 후 완제품 IC 테스트입니다. 최근에는 패키징 단계에서 육안 검사도 도입되고 있습니다.

SEMICON CHINA 2021(국제 반도체 전시회)에서 가장 강하게 느낀 점은 중국 본토의 패키징 및 테스트 산업이 급성장하고 있으며, 이로 인해 장비 및 소재 관련 기업들이 크게 성장하고 있다는 것이었습니다. Zhongke Feichi, Plessin, Leiming Laser, Silicon Power, Yuexin, Acceleration, Hongtai, Hongbang, Octavia Ideal 등 여러 기업의 국산 모델들이 다양한 장비 카테고리에서 눈에 띄었습니다. 현재 국산 장비의 시장 점유율은 아직 미미하지만, 앞으로 성장 가능성이 매우 크다고 생각합니다.

물론 패키징 및 테스트 기술은 저항, 콘덴서, 인덕터와 같은 개별 부품, LED, 디스플레이, 태양광 폴리실리콘 등을 포함하는 팬칩 분야에서도 사용되지만, 이 글에서는 다루지 않겠습니다. 신치 마이크로패키지는 PCB 및 디스플레이(FPD)를 비롯한 여러 분야에 집중하고 있습니다.

하나,본토포장 및 시험 산업: 호황20출간연도

현재 세계 10대 반도체 패키징 및 테스트 제조업체는 주로 중국-대만 ASE(실리콘 프로덕츠 및 USI 제외), 미국 암코르, 창디안 테크놀로지(중국 본토), 실리콘 프로덕츠(대만), 리청(대만), 통푸 마이크로일렉트로닉스(중국 본토), 화톈 테크놀로지(중국 본토), 싱가포르 유나이티드 테스팅, KYEC 라디오(대만), 신방 테크놀로지(대만) 등으로 구성되어 있습니다. 중국 본토의 '삼총사'로 불리는 창디안 테크놀로지, 통푸 마이크로일렉트로닉스, 화톈 테크놀로지는 세계 10대 기업에 속합니다.

지난 2~3년간 반도체 산업 건설 붐이 일면서 수백 개의 중국 본토 기업이 패키징 및 테스트 분야에 진출했습니다. 전 세계 패키징 및 테스트 산업에서 중국 본토의 점유율은 점점 높아져 50%를 넘어설 것으로 예상됩니다.심지어 폭스콘까지 패키징 분야에 진출했습니다. 이 수치는 중국의 PCB(인쇄회로기판) 베어보드 및 SMT(표면 실장) 생산 능력의 세계 점유율과 비슷합니다. 중국 본토에는 30,000만 개 이상의 SMT 생산 라인이 있으며, 이는 전 세계 총량의 절반 이상을 차지합니다. 한때 이런 농담이 있었습니다. "둥관에 교통 체증이 생기면 전 세계 전자 제품 가격이 변동한다."

중국 본토의 패키징 및 테스트 업체들의 수준이 기본적으로 국제적인 선진 수준에 도달했다는 것이 일반적인 견해입니다. 중국 본토 반도체 산업이 전면적으로 세계를 선도할 첫 번째 산업 분야는 아마도 패키징 및 테스트 산업일 것입니다.

완제품 제조 산업에 사용되는 칩은 기본적으로 중국 본토에서 패키징될 것으로 예상되며, 중국 본토에서 패키징된 칩은 베트남/인도와 같은 신흥 완제품 제조(SMT 기반) 시장으로 대규모로 수출되고 있습니다.

다시 말해, 중국 본토가 포장 산업을 발전시키지 않으면, 향후 SMT 생산 설비의 일부가 이전될 경우 전자 제품 공급망에서 중국 본토의 핵심적인 입지가 약화될 것입니다.

포장 장비 및 자재의 공급망은 유럽, 미국, 일본, 대만 등지에 집중적으로 분포되어 있는 등 국제적으로 다양화되어 있다는 점을 주목할 필요가 있다.

중국 본토는 포장 및 테스트 산업을 적극적으로 발전시켜 왔으며, 이는 세계적인 생산 능력을 증대시켰을 뿐만 아니라 전자 제품의 비용을 절감하고 전 세계 사람들에게 혜택을 가져다주었습니다.

중국 본토 포장 산업 발전의 핵심 요소는 다음과 같습니다.

1. 2000년경 장쑤성 남부를 중심으로 현대 포장 산업이 대규모로 진입하기 시작함

2000년 이전에는 주로 전통적인 포장 단계에 머물렀습니다. 그 후 첨단 포장 기술이 빠르게 발전하면서 중국 본토는 이를 따라잡고 앞지를 기회를 얻었습니다.

산업 발전의 일반적인 논리는 중국의 거대한 전자제품 소비자 시장과 풍부한 노동력이 전자 산업을 견인한다는 것입니다. 외국 자본의 반도체 회사들은 단순히 반도체 패키징과 테스트를 중국 본토로 보내 완제품 공장에 직접 공급합니다. 예를 들어, AMD의 쑤저우 패키징 공장은 쑤저우 산업단지의 PC 마더보드 제조 산업과 밀접한 관련이 있습니다.

기계 산업 전체의 추진력이 없으면 칩을 만들 수 없습니다. 저는 기계 분야 출신이기 때문에 이 점이 저에게는 매우 중요합니다.

중국 본토의 첨단 패키징 산업은 시기, 장소, 인력 면에서 유리한 조건을 갖춘 장쑤성 남부에 기반을 두고 있습니다. 이곳은 쑤저우 산업단지, 상하이의 ODM/IDH 기업들(화친, 윙텍, 룽치 등), 그리고 장강에 위치한 다수의 반도체 설계 회사들과 인접해 있습니다.

퉁푸마이크로(1997년 합작 투자), 창디안(2000년 구조조정), 간쑤화톈(2003년 설립) 등 주요 포장 및 테스트 회사 세 곳은 모두 초기 전자 부품 공장을 기반으로 발전했습니다.

실리콘 프로덕츠는 2002년 말 쑤저우 산업단지에 실리콘 프로덕츠 테크놀로지(쑤저우)를 설립했습니다. ASE는 2002년부터 상하이 장장 하이테크 파크에 투자하여 공장을 설립해 왔습니다. 징팡 테크놀로지는 이스라엘에서 기술을 도입하여 2005년 6월 쑤저우에 설립되었습니다.

2. 자체 설계한 모방 GSM 휴대폰은 중국 본토의 칩 설계 산업에 큰 발전을 가져왔고, 패키징 산업 또한 활성화시켰습니다.

2000년 중국의 GSM 휴대전화 사용자 수는 두 배로 늘어 100억 명을 넘어섰고, 세계 최대 휴대전화 시장으로 성장했습니다. 둥관에 있는 노키아의 휴대전화 공장과 후이저우에 있는 삼성의 공장은 모두 대규모이며, 현지 휴대전화 브랜드들도 점차 발전하기 시작했습니다.

2006년부터 전 세계적으로 GSM 커버리지가 확대되면서(3G가 GSM을 대체할 것이라는 오해가 해소되면서), 자체 설계한 화이트 브랜드 GSM 휴대폰이 쏟아져 나오기 시작했습니다.

중국 본토의 반도체 설계 산업 또한 처음으로 큰 도약을 경험했으며, 이는 첨단 패키징 산업에도 큰 활력을 불어넣었습니다.

코어스타의 CEO이자 과거 하우에서 근무했던 두정은 CIS(CMOS 이미지 센서)는 웨이퍼, 패키징, 테스트 등 여러 요구 사항이 있으며, 전체 공정에서 높은 품질을 달성해야 한다고 말했다.

징팡은 이스라엘로부터 포장 기술을 도입했고, 하우이도 투자에 참여했습니다. 한때 징팡과 화톈 쿤산 공장의 포장 생산 능력 중 70%는 게코 마이크로의 CIS(Computer Information System)에서만 공급받았습니다.

테스트 측면에서도 CIS 제품은 큰 변화를 겪었습니다.

게커웨이 초기 이미지 센서의 화질 검사는 사람의 눈으로 판단해야 했다. 화이트 브랜드 GSM 휴대폰 시장이 급속도로 확장됨에 따라, 초저가형 CIS(100,000만 화소까지 가능)로 시작한 게커웨이는 꾸준히 성장해 왔다. 주로 테스트를 위해 장강에 있는 작업장으로 자주 이전하는데, 그곳에는 젊은 여성들이 가득하다.

참고: 아이폰 초기에는 카메라 기능이 수동으로 테스트되었습니다. 사진은 2008년 당시의 "아이폰 걸"의 모습입니다.

자동화 및 인공지능의 발전으로 강력한 자동화 장비(핸들러)와 AI 기반 검출 방법이 등장했다고 두정(Du Zheng)은 소개했습니다. 패키징 회사인 통푸 마이크로일렉트로닉스(Tongfu Microelectronics)의 미아오 샤오용(Miao Xiaoyong) 씨는 신시다(Xinshida)와 WLCSP(웨이퍼 레벨 칩 크기 패키징) 공정 협력에 대해 소개했습니다. 칩 스케일 패키징(CSP)과 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)을 하나로 통합한 이 칩은 "짧고 가볍고 얇은" 특징을 가지며, 이는 소비자 가전의 지능화 및 소형화 추세에 부합합니다.

지웨이닷컴(Jiwei.com)의 창립자인 라오 야오(왕옌후이) 역시 2007년에 소형 장비 테스트를 해봤지만, 나중에 미디어 쪽에 더 재능이 있다는 것을 깨달았다고 합니다. 하지만 그는 항상 이 업계에 관심을 가져왔습니다. 그는 "많은 칩 설계 회사들이 직접 테스트 장비를 구매/선정하여 테스트 생산 라인에 투입한다"고 말했습니다.

공교롭게도 애플도 생산 라인에서 똑같은 방식을 사용합니다.

3, 2014년 후, 글로벌 포장 회사들은 통합되었고, 중국 기업들은 인수합병을 통해 첨단 포장 시장에 진출하여 주요 고객을 확보했습니다.

창디안 테크놀로지는 싱가포르의 STATS ChipPAC을 인수했고, 통푸 마이크로일렉트로닉스는 AMD의 쑤저우와 펜저우 패키징 및 테스트 공장을 인수했으며, 화톈 테크놀로지는 미국의 FCI와 유니셈을 인수했고, 징팡 테크놀로지는 즈루이다와 안테리온을 인수하는 등 여러 기업이 인수했습니다.

인공지능이 크게 발전하면서 AMD의 수익은 급증했고, 쑤쯔펑의 어머니(쑤쯔펑)는 활짝 웃고 있으며, 통푸 역시 그 흐름에 발맞춰 성장했다.

4. 심천 메모리는 저장 포장재의 빠른 발전을 주도합니다.

화창베이는 중국에서 가장 오래된 전문 전자제품 시장입니다. PC 메모리 모듈은 기계 시장에서 가장 인기 있는 제품 중 하나이며, 선전 메모리도 바로 이곳에서 시작되었습니다.

2014년 스마트폰과 모바일 인터넷(위챗으로 대표됨)의 발달로 저장 공간에 대한 수요가 크게 증가했는데, 특히 사진 저장 용량이 늘어나면서 제 휴대폰의 128GB로는 부족해졌습니다. 2018년 세계 반도체 산업 규모는 476.7억 달러에 달했습니다. 그중 메모리는 가장 큰 비중을 차지하는 반도체 분야로 전체 시장의 약 35%를 차지했습니다. 같은 해 중국 본토는 약 310억 달러 상당의 집적회로를 수입했는데, 그중 약 100억 달러가 저장 장치였습니다. 양쯔 메모리와 허페이 창신은 중국 본토에 자체 웨이퍼 생산 공장을 보유하고 있습니다.

중국 본토 브랜드 메모리의 성장 잠재력은 매우 높습니다. 선전에는 킨텍, 크리에이티브, 에이서, 롱시스, 메모리, 바이웨이, 자허진웨이(순서 무관) 등 여러 우수한 메모리 브랜드 기업들이 밀집해 있습니다. 킹스턴의 페이튼을 인수한 선전 테크놀로지와 콘카도 시장에 진출했습니다. 이들 기업은 칩 패키징 및 모듈 패키징 분야에도 진출해 있습니다.

선전의 메모리 수요에 힘입어 타이치 반도체, 창디안 테크놀로지, 통푸 마이크로일렉트로닉스와 같은 기업들은 스토리지 패키징 및 테스트 개발에도 박차를 가하고 있습니다.

국내 장비 개발에 기여한 또 다른 사례를 소개합니다. 2013년, 전자 제조 산업에 제조 기술 솔루션을 제공하는 선전 카이이 테크놀로지(Shenzhen Kaiyi Technology)의 스토리지 고객사들이 접합 자동 검사의 필요성을 제기했습니다. 카이이는 관련 제품 개발을 위해 한국과 일본의 공급업체에 접촉했지만, 높은 측정 정확도 요구 사항과 소프트웨어 알고리즘의 복잡성 때문에 거절당했습니다. 결국, 현지 제조업체인 선전 옥타비아(Shenzhen Octavia)와 협력하게 되었습니다. 옥타비아는 자사의 풍부한 SMT(정밀 표면 처리) 경험을 패키징 공정에 접목하여 온라인 연속 육안 검사를 구현했습니다. 이 시스템은 2015년부터 가동을 시작하여 스토리지, 센서 패키징 등 다양한 제품에 적용되었습니다.

5. AIoT와 전기 자동차가 첨단 포장 분야의 새로운 부흥을 이끌고 있습니다.

2021년 세미콘 차이나 전시회에서는 첨단 포장 및 고밀도 포장이 빠르게 발전하고 있음을 확인할 수 있습니다.

AIoT 시대가 발전함에 따라 차 마시기(물을 자동으로 끓이는 장치), 담배 피우기(전자담배), 문 열기(스마트 잠금 장치), 바닥 청소(로봇), 집에서 공부하기(노트북) 등 모든 기기에 수많은 칩이 탑재되고 있습니다.

테슬라가 링강에 공장을 건설합니다. 중국은 새로운 인프라를 구축하고 충전소를 확충하면서 전기차와 이륜 전기차 산업이 크게 발전했고, 이로 인해 칩 수요가 급증했습니다. 자동차용 칩은 높은 신뢰성과 특수한 패키징 요구 사항을 충족해야 합니다.

중국 포장 산업은 폭발적인 성장을 경험하고 있으며, 많은 기업들이 이 분야에 뛰어들고 있습니다. 닝보시도 이에 발 빠르게 대응했습니다. 새로 설립된 용시전자(Yongsi Electronics)는 첨단 포장 분야에 집중하여 빠르게 성장하며 업계 거물 반열에 올랐습니다. 현재 중국 내에서 매우 높은 순위를 차지하고 있다고 합니다.

2. 중국 본토의 포장 및 테스트 개발: 전자 산업은 중국을 피할 수 없다

휴대전화를 중심으로 한 전자제품은 중국의 최대 수출품이며, 그 뒤를 섬유가 잇습니다. 개혁개방 초기에 100억 벌의 바지를 비행기 한 대와 교환했다는 농담을 기억하시나요?

거시적인 관점에서 보면, 전 세계적인 전염병 퇴치 노력은 전자 제품과 뗄래야 뗄 수 없는 관계이며, 미시적인 관점에서 보면 샤워를 할 때에도 휴대폰을 손에 쥐고 있는 사람들이 많습니다!

전자 정보 기술 제품의 공급망은 매우 복잡합니다. 수많은 부품, 복잡한 소프트웨어 및 하드웨어 설계, 그리고 공정 요구 사항은 중국의 엔지니어링 역량과 제조업 경쟁력을 명확히 보여줍니다. 따라서 이 산업은 중국과의 연계를 끊기가 가장 어려운 산업입니다. '탈세계화'는 가능하더라도 '탈중국화'는 불가능합니다.

전자 제품의 생산 공정은 크게 웨이퍼, 패키징, 그리고 완제품 제조(SMT, 표면 실장 공정이 핵심)의 세 부분으로 나뉩니다. 웨이퍼는 패키징 테스트와 연결되고, 완제품은 최종 조립 단계에서 연결됩니다.

웨이퍼 산업 종사자 수는 많지 않지만, 기술적 요소는 서방이 확고하게 장악하고 있어 격차가 뚜렷합니다. 이러한 ‘고착’ 문제를 완전히 해결하기까지는 아직 갈 길이 멉니다. 주목할 만한 점은 미국이 웨이퍼 제조 분야를 강화하고 있다는 것입니다. TSMC, 삼성, 인텔, 글로벌파운드리는 미국에서 가장 앞선 공정을 활용하여 웨이퍼 제조를 적극적으로 발전시켜 나갈 것입니다.

인도는 매년 1억에서 2억 대의 휴대폰을 판매하고 있으며, 당연히 제조업을 발전시켜야 합니다. 중국 본토의 완제품 제조는 필연적으로 일부 부품을 해외로 이전할 것입니다(예를 들어, 애플, Mi OV 등은 이미 인도에 생산 시설을 갖추고 있습니다).

따라서 전략적인 관점에서 볼 때, 상류의 반도체 패키징 및 테스트 분야를 강화하는 것이 필수적입니다. 그래야만 중국이 공급망에서 중요한 연결 고리 역할을 유지하고 "중국산"이라는 핵심 입지를 변함없이 지킬 수 있습니다.

난징우정통신대학교 난퉁포장연구소의 차이즈쾅 교수는 최근 포장에 대한 가장 큰 반응은 "냄새를 맡고 나면 색이 변한다"는 것이라고 감정적으로 말했다. 예를 들어, BGA 포장 생산 라인에서 BGA 기판 생산 능력이 충분하지 않으면 섣불리 주문을 받지 못한다는 것이다. 국가 차원에서 투자를 늘려 "기본을 듣고 나면 색이 변하는" 단계를 벗어나 "기본을 알고 나면 춤을 추는" 단계로 조속히 나아가 모든 사람이 기판을 확보하고 모든 가정이 생산 능력을 갖추도록 해야 한다.

이번에 SEMICON 전시장에 들어서자마자 선난 서킷과 톈신 인터커넥트 부스를 마주쳤습니다. 한쪽에서는 패키징 기판을 만들고 있었고, 다른 한쪽에서는 첨단 패키징을 제작하고 있었습니다.                                  

지웨이닷컴(Jiwei.com)의 기사는 그 이유를 다음과 같이 설명합니다. 포장재 부족 현상의 이면에는 상류 원자재 및 설비의 병목 현상이 생산 확장의 걸림돌이 되고 있다는 점이 있습니다.

리드 프레임 또한 중요한 포장재이지만, 생산 능력이 부족한 실정입니다.

온라인 디자인 회사들이 "생산 능력 부족에 허덕이고 있다"는 주장은 근거 없는 것이 아닙니다.

3. 고급 패키징: 웨이퍼 및 SMT와 결합

1첨단 포장 또한 첨단 기술입니다.

반도체 산업 발전 초기 단계에서 반도체 패키징은 기술 진입 장벽이 비교적 낮고 노동 비용이 상대적으로 높은 산업으로 여겨졌습니다. 패키징은 집적회로 산업 사슬에서 수익을 내기 가장 어려운 산업이며, 투자금 대비 수익률을 조금이라도 높이기 위해서는 지속적인 투자 증대가 필수적입니다.

칩 집적도가 높아짐에 따라 반도체 패키징에 대한 기술 요구 사항도 점점 더 높아지고 있으며, 이로 인해 반도체 패키징은 더 이상 단순한 기술이 아닙니다. 온갖 종류의 첨단 패키징과 새로운 공정들이 등장하여 저를 놀라게 합니다.

패키징의 복잡성이 지속적으로 증가함에 따라, 첨단 패키징은 생산량 증대의 중요한 원천이 되었습니다. 향후 칩의 세 가지 구성 요소(설계, 웨이퍼, 패키징)의 비율은 3:4:3이 될 것으로 예상됩니다.

기존의 패키징 방식은 칩 설계 회사의 설계 방식을 수동적으로 수용하는 데 그쳤습니다. 그러나 최근 추세는 칩 설계 업체들이 패키징 업체와 협력하여 설계를 진행하는 경우가 점점 늘어나고 있다는 점입니다. 포스트 무어 시대에는 칩 후공정 제조 기술이 고성능 및 고밀도 칩 개발을 주도할 것입니다.

2019년 지웨이 반도체 서밋에서 장샹이(Jiang Shangyi) 회장은 반도체 산업 환경이 엄청난 변화를 겪고 있다고 분석했습니다. 이러한 변화는 주로 다음과 같은 측면에서 나타납니다. 첫째, 무어의 법칙이 물리적 한계에 다다랐고, 7nm, 5nm와 같은 최첨단 실리콘 공정은 극히 소수의 고수요 제품(예: 휴대폰 메인칩)에만 적용될 수 있습니다. 둘째, 패키징 및 회로기판 기술의 발전은 상대적으로 뒤처져 시스템 성능의 병목 현상이 되고 있습니다. 셋째, 칩(설계 회사)의 다양화 시대가 도래하고 있으며, 시장은 더 이상 소수의 제조업체 손에 있지 않을 것입니다. 각 시스템과 제품의 특수한 요구 사항에 따라 적절한 부품을 선별하고, 첨단 패키징 및 회로기판 기술을 통해 재통합하는 것이 포스트 무어 시대의 주요 발전 방향 중 하나가 될 것입니다.

창디안 테크놀로지의 CEO인 정리는 "오늘날의 반도체 패키징은 단순히 칩을 쉘에 밀봉하는 공정뿐만 아니라, 칩 내부의 배선, 상호 연결 인터페이스, 심지어 웨이퍼 재구성까지 수십 가지 공정을 필요로 합니다. 그 후, 일부 칩은 동일 패키지 내의 다른 칩들과 배치 및 상호 연결되어야 하며, 때로는 더 많은 작업이 필요합니다. 뿐만 아니라, 이러한 칩들은 다양한 기능 모듈이 유기적으로 작동할 수 있도록 고밀도로 연결되어야 합니다. 따라서 무어의 법칙 이후 시대에는 패키징이 더 이상 라인 폭, 라인 간격, 집적도에만 기반하는 것이 아니라 시스템 성능 향상과 전체 마이크로시스템의 집적도 향상에 초점을 맞춰야 합니다."라고 말했습니다.

2,패키징과 프런트엔드 웨이퍼 제조의 조합

놀라운 소식이 있습니다. TSMC와 SMIC 같은 웨이퍼 제조 업체들도 웨이퍼 레벨 패키징(WLP) 산업에 진출했다는 것입니다. 처음에는 패키징 산업에 위협이 될 것이라고 생각했지만, 창뎬(Changdian)의 CEO인 정리(Zheng Li)는 오히려 긍정적인 신호라고 보고 있습니다. 첨단 패키징의 발전 방향 중 하나가 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)이라는 점입니다. 웨이퍼 레벨 패키징이 2D, 2.5D, 3D 등 다차원적인 방향으로 계속 발전한다면, 필연적으로 웨이퍼 제조 업체와의 협력이 필수적일 것입니다. 웨이퍼 제조 업체는 웨이퍼 상에서 TSV(Through Silicon Via) 공정을 수행할 수 있기 때문입니다. 실리콘 트랜스퍼 보드(STB)의 경우, 웨이퍼 제조 업체는 고밀도 배선이 적용된 실리콘 인터포저(Silicon Interposer)도 제작할 수 있습니다. 패키징 및 테스트 공장에서는 RDL(웨이퍼 재분배) 공정을 거쳐 고밀도 배선을 패키징 및 테스트 단계에서 재집적화해야 합니다.

업계 전문가들은 창뎬과 ASE 간 고급 패키징 및 테스트 수율에서 약 10%의 격차가 있으며, 이를 개선하는 데는 시간이 걸릴 것이라고 언급했습니다. 하지만 중국 본토의 패키징 및 테스트 도입 속도는 이전 단계의 웨이퍼 제조 속도보다 빠를 것으로 예상됩니다. 클로즈드 베타 테스트를 백엔드로만 보는 시대는 이제 끝났습니다. 오늘날 클로즈드 베타와 프런트엔드는 여러 부분에서 교차하고 있습니다. 도전 과제는 도처에 있으며, 끈기와 인내가 필요합니다!

3고급 패키징 및 SMT 표면 실장 조합

위에서 설명한 웨이퍼 제조와의 통합 외에도, 패키징 및 테스트는 완제품 제조(SMT를 핵심으로 함)와도 긴밀하게 통합되어 있습니다.

2015년경, 저는 필요한 부품들을 모듈에 통합하여 패키징 및 배선 문제를 줄이고, 공간을 절약하며, 성능을 향상시키고, 전체 장비 비용을 절감하는 멀티칩 패키지 데모를 처음 보았습니다.

SiP(System-in-Package)와 SMT(Surface Mount)는 뗄래야 뗄 수 없는 관계입니다. ASM-PT, K&S 등의 주요 장비 제조업체들은 원래 SMT 배치 장비를 제작해 왔습니다. SiP는 칩 시스템 통합 과정에서 발생하는 공정 호환성, 신호 혼합, 잡음 간섭, 전자기 간섭 등의 문제를 줄여줍니다.

휴대폰 RF 프런트엔드 모듈(PAMiD 등)은 대부분 SiP 또는 유사한 공정을 사용합니다. 카이위안 커뮤니케이션즈의 지아빈은 5G의 보편화로 휴대폰에 탑재되는 무선 주파수 부품이 점점 늘어나고 있다고 말했습니다. 이러한 부품들을 개별적으로 패키징하여 PCB 보드에 배치하는 방식은 휴대폰 크기에 맞지 않을 수 있으므로 통합하는 것이 최적입니다. SAW, BAW, PA, LNA, RF 스위치와 같은 무선 주파수 칩의 기본 공정은 서로 다르기 때문에 SoC 솔루션을 사용할 수 없습니다. 대신 시스템 레벨 패키징(SiP) 등의 공정을 사용하여 여러 칩을 모듈 형태로 패키징할 수 있습니다. 스카이웍스, 코르보, 아바고(브로드컴 인수), 퀄컴 등 세계적인 기업들이 이러한 방식을 채택하고 있습니다. 온라인 검색 결과 GaAs, 벌크 실리콘 CMOS, SOI(절연 기판 실리콘), 실리콘 기반 MEMS, SiGe(실리콘 게르마늄) 등 다양한 무선 주파수 공정이 존재하는 것을 확인할 수 있었습니다.

카메라 모듈과 지문 인식 모듈은 COB(Chip on Board) 기술을 채택했습니다. 칩은 패키징되지 않고 베어 웨이퍼(다이)로 직접 절단되어, 접합 및 기타 패키징 공정은 모듈 단계로 미뤄집니다.

흔히 "소똥 칩"이라고 불리는 것도 COB 공정을 사용합니다. 베어 칩을 본딩 장비를 통해 PCB 회로 기판에 고정하고, 그 위에 에폭시 수지 접착제를 떨어뜨립니다. 그런 다음 SMT 공정을 통해 다른 부품들을 부착하면 회로 기판이 완성됩니다. 발신자 번호 표시 전화 제어 보드도 이와 같은 방식으로 작동합니다. 금색 선으로 된 원들은 다이를 둘러싸고 있는 수많은 본딩 금선입니다.

참고: CID 전화 제어 패널 (사진: 저자 다이후이, 톈쉰룽에서 촬영)

4. 첨단 포장: 특허 분쟁

포장 분야에서도 필연적으로 특허 분쟁이 발생할 것입니다. 지웨이왕(Jiweiwang)의 지적재산권 컨설팅 사업부 책임자인 마크 씨는 MEMS 마이크 산업에서 발생한 중국 기업과 외국 기업 간의 포장 특허 분쟁의 대표적인 사례를 언급했습니다.

MEMS 기술을 마이크 제조에 최초로 적용하여 기존의 일렉트릿 트랜지스터를 대체한 미국 기업 놀스(Knowles)는 2000년에 기본 패키징 특허를 출원했습니다. 놀스는 이 특허를 근거로 2006년에 미국 아쿠스티카(Akustica), 싱가포르 멤스텍(Memstech), 미국 ADI, 영국 울프슨(Wolfson), 한국 바오싱(Baoxing), 미국 암코르(Amkor), 중국 본토 괴르텍(Goertek)을 상대로 특허 침해 소송을 제기했으며, 심지어는 337조 조사까지 진행했습니다.

중국 본토의 MEMS 마이크 제조업체인 AAC는 특허 소송을 피하기 위해 일찌감치 Knowles와 특허 사용권 계약을 체결했습니다. 그러나 막대한 특허 사용권료 또한 본토 기업들이 직면해야 하는 현실이 되었습니다. 이와 대조적으로 대만의 산업계는 Knowles의 미국 특허를 우회하는 데 더욱 집중했습니다. 대만산업연구원을 중심으로 Meilu와 같은 주요 음향기기 제조업체들이 협력하여 Knowles의 패키징 특허를 우회하기 위해 최소 7개의 특허를 출원했습니다. 하지만 Knowles의 핵심 특허를 회피하는 데 지나치게 집중한 탓에 대만이 본래 강점으로 삼았던 반도체 제조 산업의 이점을 MEMS 마이크 분야에서 활용하지 못하고 시장 기회를 놓쳤으며, 결국 대만은 중국 본토의 AAC와 Goertek에 밀려나게 되었습니다.

다섯,봉인하다짐장비:"그룹의 부상"

저는 전화 및 프로그램 제어 교환기, 이동 통신 및 휴대폰 산업 그룹의 성장을 목격했으며, 중국 본토 반도체 산업에서도 그룹화의 발전을 이끌어 왔습니다. 특히 "그룹화의 부상"이라는 표현은 포장 및 시험 장비 산업을 지칭할 때 가장 적절합니다.

SEMICONChina 2021에서 저는 다양한 종류의 포장 및 시험 장비의 현지화를 목격했습니다. 포장 장비에는 연삭, 절단(다이싱), 다이 본딩(결정 접합), 와이어 본딩(와이어 본딩) 및 기타 주요 장비 분야가 포함됩니다.

국산 장비 개발은 독점 해소, 비용 절감, 성능 향상 및 효율성 증대에 매우 도움이 될 것입니다.

톈수이에서 열린 2020 포장 컨퍼런스에서 화톈샤오성리는 포장 및 시험 기업들이 경쟁보다는 협력이라는 개념을 고수하고, 국내 장비 및 자재 구축에 적극적으로 나서며, 시험 플랫폼을 점진적으로 완성해 나가야 한다고 말했다.

국산 장비를 사용하여 서구 장비의 독점을 깨뜨리면 비용을 효과적으로 절감할 수 있으며, 이는 포장에서 확연히 드러납니다.

최근 과학기술혁신판에 상장한 신치마이크로디바이스(Xinqi Micro Devices)는 국내 마스크리스 리소그래피 장비 시장의 공백을 메웠습니다. 이 회사의 직접 쓰기 리소그래피 장비는 PCB(인쇄회로기판) 및 팬 반도체(FPD 디스플레이) 분야에 사용되고 있으며, 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)용 직접 쓰기 리소그래피 장비 개발도 계획 중입니다. 상장 후 주가가 급등했고, 반도체 업계 전체도 상승세를 보였습니다(단순한 반등이 아닌 지속적인 상승이기를 기대합니다).

참고: 사진 설명: 저자 다이 후이와 신치 마이크로 디바이스의 수석 과학자 취 루지에가 부스에서 포즈를 취하고 있다.

다이 본딩 장비 분야에서 동관 플레신은 한때 국내 선형 IC 레벨 다이 본딩 장비(DIE BOND) 시장의 공백을 메웠습니다.

비욘드 무어 펀드의 왕린은 다음과 같은 사례를 제시했습니다. 레이밍 레이저는 서구 기업과 견줄 만한 성능의 레이저 홈 가공 및 레이저 은폐 절단 장비를 출시하여 시장 독점을 깨뜨렸습니다.

6. 실험 장비: “집단의 부상”

테스트 장비는 주로 칩 레벨 테스트용 분류기인 핸들러, 웨이퍼 레벨 테스트용 프로브 스테이션인 프로브, 그리고 자동 테스트 장비인 ATE로 구성됩니다.

시험 장비의 국산화에는 큰 기회가 있습니다. 새로운 공정은 맞춤형 장비에 대한 수요를 발생시키는데, 국산 장비를 한 단계에 활용하면 효율성과 성능을 향상시킬 수 있습니다.

심천 실리콘 일렉트릭은 프로브 스테이션 및 분류기 제조업체입니다.

참고: 실리콘 부스에서 저자 다이후이와 하얼빈 공업대학 후홍 교수가 함께 포즈를 취하고 있다.

웨신 테크놀로지의 CEO인 장위에 씨는 제게 주력 제품인 메모리 테스트 장비를 소개해 주셨는데, 이 장비는 고효율, 일관성 및 안정성 측면에서 많은 노력을 기울여 제작되었습니다.

액셀러레이트 테크놀로지(Accelerate Technology)는 인공지능이 탑재된 고성능 자동 테스트 장비(ATE)를 출시했습니다.

참고: 사진 속 인물은 작가 다이후이와 액셀러레이션 테크놀로지 CEO 우강입니다.

샤오싱 홍방은 다양한 전력 기기 테스트 장비와 분류 장비를 전시했습니다. 저는 직접 소매를 걷어붙이고 그것들을 시험해 보았습니다.

참고: 샤오싱 홍방에서 전시한 개별 소자 테스트 장비

난징 홍타이 반도체는 다양한 반도체 자동 테스트 장비(ATE) 제품을 전시했습니다. 이 회사는 2019년 아날로그 테스트 기술로 유명한 일본의 아주르테스트(Azurtest Co., Ltd.)를 전액 인수했습니다.

참고: 홍타이 반도체는 혼합 신호 테스트 장비 MS8000을 전시합니다.

관련 서비스 기업들도 발전하고 있습니다. 상하이 지펑 전자는 재료 분석, 고장 분석 및 신뢰성 인증과 같은 서비스를 제공합니다.

일곱,포장 재료:꾸준한 발전

소재 분야에서도 중국 본토는 기판 및 리드 프레임과 같이 최근 "기본 색상 변경에 대한 논의"가 활발히 진행되는 등 빠르게 따라잡고 있습니다.

전자 산업은 주로 패키지 와이어 본딩에 귀금속인 금을 대량으로 사용합니다. 업계는 금을 대체할 구리(또는 알루미늄) 사용을 점점 더 많은 분야에서 장려하고 있으며, 중국 본토 기업들도 이 분야에서 많은 노력을 기울이고 있습니다.

선전의 반도체 제조 산업은 국내 다른 도시들에 비해 성장 속도가 더디기 때문에, 선전시는 특정 분야에서 격차를 좁히고자 합니다. 2020년부터 선전시는 차세대 정보통신 기술 개발을 적극적으로 추진할 계획입니다. 선전 로봇 협회 사무총장인 비 예레이는 2020년 12월 30일 중국과학원 산하 첨단과학연구원이 바오안에 선전 국제첨단전자재료혁신연구소(이하 "전자재료연구소")를 설립했다고 밝혔습니다. 이 연구소는 고급 전자 패키징 재료에 집중하고, 첨단 전자재료의 국산화를 촉진하여 "획기적인 발전"을 이루고자 합니다.

8. 진정한 "핵심" 영웅: 최초의 "핵심"을 잊지 말고 수천 마일에 달하는 실리콘 칩을 축적하세요.

국가집적회로기금의 이사장인 딩원우 씨는 "진정한 '칩' 영웅들"이라는 노래를 게시하며 많은 칩 업계 종사자들의 '핵심'에 대한 염원을 노래했습니다. 그는 우리의 '핵심'을 활용하여 중국의 '핵심의 꿈'을 함께 실현하고, 우리의 '핵심'이 별과 바다처럼 세상을 연결하고 상호작용하게 만들자고 말했습니다.

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