가족여행을 위해 신차를 구입한 Kris. 그러나 생산 차질로 1년 가까이 차량을 인도받지 못하고 기약 없는 기다림을 이어가고 있다. 최근엔 아이들의 학습을 위해 온라인에서 주문한 노트북도 배송까지 두 달이 걸렸다. 주위에서도 비슷한 경험을 토로하는 이들이 늘어나는 것으로 보아 Kris 가족만의 이야기는 아닌 것 같다. 전세계적으로 무슨 일이 일어나고 있는 걸까?

원인은 반도체 공급난에 있었다. 코로나19가 촉발한 공급망 병목 현상은 전 세계적인 반도체 품귀 현상을 낳았다. 2021년, 반도체 수급 부족으로 자동차 생산 라인이 중단되었을 때 반도체 산업은 종전에 없던 스포트라이트를 받기 시작했다. 이어서 스마트폰과 PC, 가전제품 등에서도 반도체 부족으로 인한 공급망 우려와 제품 생산 차질이 거론되며 그 관심은 더욱 뜨거워졌다.

사람들이 검색한 키워드의 지수를 보여주는 Google Trend에서 이를 확인할 수 있다. 2020년 말부터 ‘반도체 부족(semiconductor shortage)’이라는 키워드가 등장했고, 2021년 2분기에는 검색이 최고치에 이르렀다. 사람들은 마치 공기처럼 당연해서 인식하지 못했던 사실을 최근에야 깨닫게 된 것이다. 우리가 반도체의 세상에서 살고 있다는 것을 말이다.

반도체 수요 상승으로 인한 반도체 시장의 호황은 장기간 이어질 것으로 전망된다. 2022년 2월, 미국의 반도체산업협회(SIA)는 2021년 전세계 반도체 칩 매출이 5,559억 달러로 전년 대비 26.2% 증가하며 사상 최대치를 기록했다고 발표했다. 또한 시장 수요에 대응하기 위해 반도체 제조사들이 신규 공장 건설에 투자함에 따라 2022년에도 8.8%의 성장율을 보일 것으로 예상했다. 특히, 4차 산업혁명 관련 기술이 비약적으로 발전할수록 고성능 반도체에 대한 수요도 급증할 것으로 보인다. 초연결사회로 패러다임이 변화하면서 많은 제품이 '스마트화'되고 이 제품들의 데이터를 저장하고 처리하는 성능 역시 고사양으로 발전해야 하기 때문이다. 초연결사회의 필수 조건인 5세대 이동통신(5G), 인공지능(AI), 자율주행, 클라우드의 확대는 필연적으로 고성능 반도체에 대한 수요를 불러오게 된다. 

반도체 기판의 떠오르는 주인공, FC-BGA

한편, 반도체 미세공정을 통해 달성할 수 있는 반도체의 성능 향상은 거의 한계에 가까워진 상황이다. 이로 인해 반도체 후공정 기술인 ‘패키지’ 공정의 기술 혁신이 가져오는 부가가치를 주목하여, 반도체 패키지 기판에 대한 시장 내 관심이 급증하고 있다.  

반도체 패키지 기판은 반도체를 전기적으로 연결하고 기계적으로 지지하는 회로 연결용 부품으로, TV, 냉장고와 같은 가전제품은 물론 스마트폰, 자동차, 비행기 등 반도체를 사용하는 모든 제품에 사용된다. 그 중에서도 ‘플립칩 볼그리드 어레이’, 즉 FC-BGA는 PC, 서버용 CPU/GPU 등 고집적 반도체 칩을 메인보드에 연결하기 위해 사용되는 고집적 패키지 기판으로써, 반도체 패키지 기판 중에서도 신성장동력으로 여겨지고 있다. 

<플립칩 본딩 기술>

반도체 칩과 기판을 연결하는 기술은 미세 와이어를 사용해 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식에서 와이어를 사용하지 않고 범프를 사용하여 전기적인 연결로 속도가 빠르고 패키징의 사이즈를 줄일 수 있는 플립칩(Flip Chip) 방식으로 진화하고 있다. 플립칩 방식은 칩의 활성 영역을 아래로 뒤집어 다른 기판이나 칩에 붙이는 기술로, 땜납, 구리, 니켈, 금으로 볼 형태의 범프를 만들어 칩과 기판을 연결한다. 이러한 플립칩 기술 기반으로 제작된 기판은 크게 FC-CSP(Flip Chip-Chip Scale Package, 플립칩 칩스케일 패키지)와 FC-BGA(Flip Chip-Ball Grid Array, 플립칩 볼그리드 어레이)로 나뉘는데, FC-CSP가 주로 스마트폰에 사용되고 있다면, FC-BGA는 고성능 컴퓨터, 데이터 서버, 통신용 CPU/GPU에 적용되고 있다.

특히 FC-BGA는 면적, 밀도, 그리고 전기신호 전달 속도 측면에서 기술적 강점이 있다. 고성능 프로세서의 대형화와 대면적화에 따른 대응이 가능하고, 칩-기판 사이의 거리를 단축함으로써 입출력(I/O) 단자 수를 증대해 미세화된 폼팩터 구현이 가능하며, 범프로 칩과 기판을 바로 연결함으로써 전기 신호 전달 경로도 최소화하기 때문이다.

이 때문에 FC-BGA는 훨씬 복잡하고 높은 기술력을 필요로 하며, 전기적 신호교환이 많은 제품에 사용된다. PC/서버용 CPU/GPU, 통신기기/기지국용 반도체, 전장용 SoC(System on Chip)등 다양한 분야에서 수요가 증가하고 있으며, 특히 비대면 확산과 반도체 성능 향상으로 수요가 급증하는데 비해 기술력을 보유한 업체가 적어 한동안 공급 부족 현상이 지속될 것으로 보인다.  

<FC-BGA 주요 적용 분야 및 시장 수요 전망>

● 기존 기판소재 사업의 기술 경쟁력을 FC-BGA에 접목하다

글로벌 시장에서 인정받은 기존의 기판소재 사업의 강점을 FC-BGA에 접목하여 기술의 시너지 효과를 기대할 수 있다. RF-SiP, FC-CSP의 고다층화 및 미세 패턴 구현을 위한 기반 기술을 FC-BGA에 확대 적용 가능한 점 등, 소재 및 공법 측면의 다양한 기술 시너지 효과를 기대할 수 있을 것으로 예상된다.

● R&D 역량으로 미래를 준비하다

LG이노텍은 미래 고성능 반도체에 대응하기 위해 R&D 투자와 미래 기술 개발에도 박차를 가하고 있다. 특히, FC-BGA 기술 경쟁력 강화를 위해, 통신/PC/서버 등 고객 니즈에 맞는 소재 가공 기술, 미세 회로 기술 및 고품질 도금 기술, 시뮬레이션 기술 등 고성능 반도체 기판을 위한 미래 기술 연구 및 선행 제품 개발에 매진하고 있다. 

● 디지털 트윈 & 스마트 팩토리 

LG이노텍은 제품 설계에서 생산에 이르는 전 밸류 체인에서의 디지털 혁신을 통한 개발 및 제조 경쟁력을 보유하고 있다. 디지털 트윈 기반의 R&D 플랫폼은 가상으로 제품을 설계/검증하여 고객의 공정에서 발생 가능한 불량까지 미리 예측하고 대응함으로써, 고객의 제품 개발 리드 타임을 획기적으로 단축할 수 있다. 또한 AI/데이터 기반의 가상 공정을 통한 공장설계로, 준비 기간은 줄이고, 공정/물류 자동화를 통한 효율적 운영으로 초기수율이 높은 생산도 가능한 체계를 구축하고 있다. 

앞으로도 언택트 문화 지속에 따른 IT제품 수요, 자율주행 트렌드, 데이터센터 구축 등으로 반도체가 접목되는 현재와 미래 필수 기술은 늘어날 것이며, FC-BGA가 적용되는 PC/서버, 통신/기지국 산업 및 전장 산업 내의 수요도 지속 증대될 것으로 예상된다. LG이노텍은 다양한 기판 제품에 대한 오랜 사업 경험을 기반으로 축적된 안정적 양산 및 보급 능력과 가공 기술, 여기에 디지털 혁신을 더해 고객 경험의 혁신을 지속할 예정이다.