SEMI에 따르면, 글로벌 반도체 조립‧제조장치 판매액은 2020년 38억5000만달러에서 2021년 60억1000만달러로 56% 급증했다. 또다른 조사에서도 후공정 위탁생산(OSAT) 상위 10사의 2021년 2분기 매출액이 78억8000만달러로 전년동기대비 26.4% 급증한 것으로 나타났다.

2021년 반도체 공급부족 사태 해결을 위해 생산을 확대했고 재택근무로 노트북과 서버 수요가 증가했을 뿐만 아니라 중국의 5G(5세대 이동통신) 스마트폰 보급 확대 등 다양한 요인이 동시에 겹쳐 매출이 증가한 것으로 파악되고 있다.

 

후공정용 소재는 봉지재, 패키지 기판, 배선소재 등이며 봉지재와 패키지는 주요 원료인 수지 품질이 중요하게 평가되고 있다.

봉지재는 에폭시수지(Epoxy Resin)를 사용하며 고기능화 흐름에 맞추어 경화제나 필러 등으로 기능을 향상시키는 움직임이 정착되고 있다. 수지 종류 변경을 희망하는 수요기업도 있어 화학기업들이 관련 투자와 연구를 강화하고 있다.

세계 최대 봉지재 메이저인 스미토모베이클라이트(Sumitomo Bakelite)는 중국에서 범용 에폭시수지 생산능력을 1.5배 확대했다. 급증하고 있는 중국 수요에 대응하기 위한 것이며 2026년까지 안정공급체제를 유지할 수 있을 것으로 판단하고 있다.

타이완에서는 MUF(Molded Underfill) 소재 수요가 증가함에 따라 공급을 확대하고 있다. 5G 기기 등 고기능제품에 요구되는 고열전도제품 제안을 강화하면서 시장점유율을 확대하는 것을 목표로 하고 있다.

JFE Chemicals은 고내열 에폭시 경화제로 유리전이온도(Tg)를 섭씨 200도 이상으로 올린 트리스페놀메탄 수지를 공급하고 있다. 말레이미드 수지에도 적용이 가능한 벤조옥사딘에도 관심을 나타내고 있으며 전기자동차(EV) 성장과 함께 수요 증가가 기대되는 탄화규소(SiC) 파워반도체용 도입을 준비하고 있다.

패키지 기판 소재 분야에서는 신소재 개발이 활성화되고 있다.

비스말레이미드‧트리아딘(BT) 수지로 패키지 기판 소재를 생산하며 세계 시장점유율 40%를 차지한 MGC(Mitsubishi Gas Chemical)는 타이완 합작기업을 통해 비BT 소재 개발도 추진하고 있으며 앞으로 성장이 기대되는 중국시장에 대한 공세를 강화하고 있다.

에폭시계를 생산하고 있는 일본화약(Nippon Kayaku)은 주력제품인 말레이미드 수지로 5G 수요를 확보하고 있으며 추가적인 저유전화에 대응하기 위해 탄화수소계 소재도 개발하고 있다.

5G가 차세대 통신규격인 6G로 전환될 때를 대비해 샘플 출하에 나선 것으로 알려졌다.

 

패키지 기판과 인터포저, 재배선층 등 배선을 담당하는 금속 소재도 수지와 마찬가지로 중요도가 높아지고 있다.

배선 형성이나 실리콘(Silicone) 관통 전극(TSV)에 사용되는 구리도금은 오쿠노제약(Okuno Chemical)과 우에무라(Uyemura), JCU, 멜텍스(Meltex) 등 일본기업이 개발하고 있다.

긴 역사를 가진 본딩와이어 소재도 세계 시장점유율 1위를 달리고 있는 다나카귀금속(Tanaka Kikinzoku)이 파워반도체용 태물 와이어와 리본제품을 개발해 전기자동차 등 수요가 증가하고 있는 대전력 수요에 대응하고 있다.

서버용 CPU와 5G 등 고주파 기기용 패키지 기판에서도 회로 동박의 평탄성이 중요해지고 있다.

미쓰이금속(Mitsui Metals)과 후루카와전기(Furukawa Electric) 등은 하이엔드제품을 개발하고 있고, 멕(Mec)은 표면조화 없이 접합할 수 있는 화학접합 소재를 제안하는 등 프로세스 자체의 변혁이 기대되고 있다.

 

전자기기 고도화를 타고 탑재 칩도 고도화되고 있다.

고발열이나 고주파 대응, 소형화 대응을 위해 소재부터 쇄신하는 흐름이 확대되고 있으며 기기 형태도 복잡해짐에 따라 다양한 연구가 진행되고 있다.

기존 반도체 패키지는 1개 칩을 1개 기기에 탑재하는 방식이 주류였으나 스마트폰용 시스템 온 칩(SoC) 등 여러 칩과 컨덴서 등 전자기기를 1개의 기기에 탑재하는 헤테로 집적화가 시작되고 있다.

칩을 수평으로 병렬하는 2.5D 패키지에서는 패키지 기판과 칩 사이에 인터포저로 불리는 접속층을 사용하며 배선, 칩-칩 접합을 통한 수직형 집적 방식도 주목받고 있다.

기기 소형화는 실장 자유도 뿐만 아니라 칩 사이에 거리를 단축하거나 저항 손실을 줄이는 등의 효과가 있는 것으로 평가된다.

 

개별 소재 뿐만 아니라 소재의 연계도 중요해지고 있다.

반도체 소재 생산기업들은 외부기업 혹은 관할 사업부가 아닌 다른 사업부와의 연계를 불사하면서 소재 간 연계를 강화하고 있다. 단독으로는 대응하기 어려운 과제를 해결하고 신제품 개발에 응용하기 위한 것으로 해석된다.

파나소닉(Panasonic)은 2021년 봉지재‧패키지 기판 사업 브랜드 렉심(LEXCM)을 출범시키고 여러 소재를 복합적으로 제안하고 있다. 칩 봉지재부터 패키지 기판, 기기에 실장하는 다층기판소재 등 풍부한 라인업을 활용해 2025년 이후 자동차와 대형 기기 등 차세대 패키지에도 적용하는 것을 목표로 하고 있다.

레조낙(Resonac)의 전신 쇼와덴코머터리얼즈(Showa Denko Materials)는 2.5D 패키지용 신규 컨소시엄을 설립했다.

PLP(패널 레벨 패키지)용 컨소시엄 조인트(Joint)의 뒤를 잇는 것으로 TOK나 디스코(Disco), 아지노모토화인테크노(Ajinomoto Fine-Techno) 등 소재‧장치 생산기업이 10사 이상 참여하고 있다. 칩과 인터포저 사이의 미세접속과 패키지 대형화에 따른 열 문제를 해결할 예정이다.

모회사 쇼와덴코(Showa Denko)가 보유한 수지 원료 등과 조합해 쇼와덴코 그룹 차원의 종합적인 능력을 발휘하겠다고 선언하고 있다.

전공정 소재에 특화된 생산기업들도 후공정 개발을 적극화하고 있다.

다이셀(Daicel)과 아데카(Adeka)는 사내 횡단조직과 횡단형 프로젝트 등을 통해 후공정 사업 확대와 신제품 개발을 본격화하고 있고, 후면 연마(백 그라인드)용 공정용 테이프 분야의 세계 1위인 미쓰이케미칼토셀로(Mitsui Chemicals Tohcello)도 미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals), 그룹과의 시너지를 활용하면서 다이싱 용도에서 횡적 전개에 나서고 있다.

 

TSMC는 전공정에서 축적한 미세화 기술을 후공정에도 적용하는 것을 목표로 하고 있다.

포토리소그래피 기술을 활용한 미세한 배선을 통해 2.5D 혹은 3D 패키지에 대응할 계획이며 쓰쿠바 연구개발 센터를 2022년 4월부터 운영함으로써 일본 소재 생산기업과의 연계를 강화할 예정이다.

아사히카세이(Asahi Kasei), 신에츠케미칼(Shin-Etsu Chemical), 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical), 미쓰이케미칼, 패키지 기판 생산기업인 이비덴(Ibiden), 장치를 생산하는 히타치하이테크(Hitachi Hightech)와 시마즈(Shimadzu) 등이 쓰쿠바에 소재하고 있다.

패키지 배선 형성에는 장기간에 걸쳐 드라이필름 레지스트(DFR)가 사용되고 있다. DFR은 필름 상태의 감광재로 현재 라인 & 스페이스(L&S)=10마이크로미터가 최첨단이며 관련기업들은 L&S=5마이크로미터 양산이 한계여서 추가 미세화를 위해서는 별도 소재로 대응해야 할 것으로 판단하고 있다.

최근에는 감광성 절연재가 주목받고 있다.

감광성 절연재는 액상 감광재로 초미세 배선 패턴과 절연층 등 2개의 역할을 수행해 칩이 최초로 접속하기 되는 재배선층 등에 사용되며 1자릿수 마이크로미터대의 미세한 L&S도 실현할 수 있다.

수지 인터포저 분야에서도 활용이 기대되고 있다.

그러나 감광성 절연재도 L&S=1마이크로미터에 가까워질수록 미세화 대응이 어려워질 수밖에 없어 미세화 극대화를 위해서는 전공정과 마찬가지로 액상 포토레지스트로 패턴을 형성해야 할 것으로 판단되고 있다.

레지스트를 생산하는 JSR과 스미토모케미칼 등이 후막 i선 레지스트를 제안하고 있는 것으로 알려졌다.

일본에서는 TSMC 유치 외에도 4개의 국가 프로젝트가 채택되며 첨단 시스템 기술 연구조직(RaaS)가 직접 접합, 소니(Sony)가 3차원 적층 요소 기술, 쇼와덴코머터리얼즈가 패키지 평가기판, 스미토모베이클라이트가 봉지재 개발을 추진하고 있다.

 

반도체 불황이 심화되고 있는 가운데 삼성전자와 타이완 TSMC의 수익성이 크게 대조되고 있다.

메모리 반도체가 주력인 삼성전자는 2022년 4분기에 수익성이 크게 악화된 반면 파운드리(반도체 위탁생산)가 주력인 TSMC는 매출, 영업이익이 큰 폭으로 증가했다. 경기침체 속에서도 메모리는 사상 최악의 불황을 겪고 있지만, 파운드리는 상대적으로 수요가 탄탄하기 때문이다.

TSMC는 2022년 4분기에 매출액이 6255억T달러(약 25조5800억원)로 전년동기대비 43%, 영업이익은 3250억T달러(약 13조2800억원)로 78% 급증했다. 첨단 반도체 생산에 힘입어 영업이익률이 무려 52%에 달했고, 7나노미터 이하 첨단 공정이 매출의 54%를 차지했다.

반면, 메모리 불황으로 직격탄을 맞은 삼성전자는 반도체 매출액이 19조원대로 25%, 영업이익은 4000억-9000억원대로 90% 이상 격감한 것으로 추정된다.

TSMC는 수익성 호조를 발판으로 일본에 No.2 반도체 공장 건설도 검토하고 있다. 도요타( Toyota)·소니·르네사스(Renesas) 등 수요기업들의 잠재적인 주문물량을 확보할 수 있기 때문이다.

구마모토(Kumamoto)에 건설하고 있는 No.1 공장은 2024년 말 가동할 예정이며 회로 선폭 12-28나노 반도체를 생산한다. 최첨단 반도체 공정과 비교해 몇세대 뒤처진 생산라인이나 일본 정부는 건설비용 86억달러(약 10조7000억원) 가운데 최대 4760억엔(약 4조6000억원)을 지원한다. (강윤화 책임기자: kyh@chemlocus.com)