Greatek Electronics Inc.
Lead Frame base 시스템반도체 패키징 강자
Greatek Electronics Inc.(超豐電子)
TWSE Code : 2441
설립일 : 1983년 3월 7일
종업원 : 3,987명(2020년 말 기준)
홈페이지 : https://www.greatek.com.tw/index-en.html
트랜지스터의 개발 이후 반도체 산업은 트랜지스터의 고집적화에 초점을 맞춰 발전해 왔다. 동일한 개수의 트랜지스터를 더 작은 공간 안에 집적할 수 있다면 트랜지스터 사이의 간격이 좁아져 전자의 이동속도가 빨라지기 때문에 반도체의 동작 속도가 빨라진다. 또한 더 작은 크기의 트랜지스터가 집적됨으로써 소비 전력이 줄고 반도체에서 발생하는 방열 측면에서도 이점이 있다. 만약 더 좁은 공간에 더 많은 수의 트랜지스터를 집적할 수 있다면 기존 세대 제품과 비교하여 비약적인 성능 개선을 할 수 있다.
수십 년간 축적된 트랜지스터 집적 기술은 부단한 제조 공정의 혁신과 개선 그리고 장비와 소재의 뒷받침을 발판으로 현재에 이르러서는 수십억~수백억 개에 달하는 트랜지스터를 한 개의 반도체에 집적하는 것이 가능해졌다. 이를 통해 우리는 고사양 컴퓨팅이 가능한 CPU & GPU와 대용량 저장 기능을 가진 메모리 반도체를 사용할 수 있게 되었다. 최근의 반도체 업계는 여기서 한발 더 나아가 트랜지스터의 고집적화와 함께 패키징 레벨에서의 이종집적화(Heterogeneous Integration)를 통해 각각의 기능을 가진 여러 Die(단일 칩)를 하나의 반도체에 통합하여 더욱 강력한 반도체를 구현하기 위해 힘을 쏟고 있다.
이번 글에서 다루고자 하는 주제는 위에서 언급한 고기능 반도체가 아닌 고기능 반도체를 보조하기 위한 반도체(Sub-Device) 혹은 더 낮은 기능을 가진 반도체이다. 예를 들어 영화를 제작하는 데 있어 엑스트라와 촬영 스탭이 없이 주연 배우들만으로는 영화를 만들 수 없는 것처럼 CPU, DRAM 등 메인 디바이스가 원활히 구동하고 제 기능을 할 수 있도록 보조해 주는 서브 반도체들이 반드시 필요하다. 흔히 전통 패키징(Traditional Packaging)라고 불리는 반도체는 그 용처가 다양하고 생산 공정이 비교적 단순하기 때문에 수량 기준으로 선단 패키징(Advanced Packaging)으로 생산된 반도체를 아득히 넘어선다. 2022년 기준 선단 패키징(Advanced Packaging)과 전통 패키징(Traditional Packaging)의 매출 비율은 각각 45.6%와 54.4%로 선단 패키징이 빠른 속도로 성장하고 있으나 아직 전통 패키징 방식의 점유율이 높다.
반도체의 성능과 공정 개선을 위한 연구 개발은 선단 패키징(Advanced Packaging)과 전통 패키징(Traditional Packaging)에서 각각 별개의 방식으로 진행된다. 선단 패키징에 대한 연구 개발이 다양한 공법과 새로운 소재 개발을 통한 미세화, 집적화 구현에 있다면 전통 패키징은 공정과 원자재 개선을 통한 양산성 향상에 중점을 두고 있다. 먼저 전통 패키징 방식의 범위를 확정하도록 하자. 분류하는 주체에 따라 PCB 기판을 사용하는 Wire bonding 방식도 전통 패키징에 포함시키기도 하지만 이 글에서는 리드프레임 기반의 패키징 방식만을 전통 패키징 방식으로 규정하고자 한다. 이렇게 범위를 한정하면 QFN, QFP, SOIC, TSOP, LCC, DIP를 아직 OSAT업계에서 활발히 사용하는 전통 패키징 방식(이후 "리드프레임 패키징 방식")으로 볼 수 있다.
○ QFN : MCU, PMIC, 메모리, 통신 IC, MOSFET, LCD 드라이버, 증폭기, 변환기, 능동 필터 등
○ QFP : MCP, DSP, DSC, 메모리, LCD 드라이버, 디지털 변환기, 통신 IC 등
○ SOIC : 메모리, 스위치, 인버터, 변환기, MOSFET, MCU, 게이트 드라이버 등
○ TSOP : 메모리, 인버터, 아날로그 스위치, LDO 전압 레귤레이터, 증폭기 등
○ LCC : RF혼합기, RF 증폭기, 아날로그-디지털 변환기, MOSFET, 스위치 등
○ DIP : 커넥터, 스위치, 컨버터, 리드 릴레이 등
리드프레임 패키징에 있어 가장 중요한 원자재는 반도체의 기판 역할을 하는 ①리드프레임(Lead Frame)과 반도체 칩을 기판 위에 고정하는 ②접착제, 리드프레임 위에 부착된 반도체 칩과 리드 프레임간 신호, 전력을 주고받을 수 있게 하는 ③와이어(Wire-금 & 구리) 그리고 와이어 연결이 끝난 반도체를 밀봉하는 ④밀봉재(EMC-Epoxy Molding Compound)를 들 수 있다. 이와 함께 각각의 원자재를 사용할 수 있도록 해주는 Die Attach 설비, Wire bonding 설비, Molding 설비 등이 필요하다.
Low-Mid end 레벨의 반도체를 생산하는 리드프레임 패키징도 끊임없이 진화하고 있다. 리드프레임에 Die를 안착할 수 있는 패드(Pad)의 집적도가 높아지며 리드프레임 한 매에서 생산할 수 있는 반도체 개수가 증가하는 한편 한 개의 Pad에 여러 개의 Die를 집적하여 작은 규모의 SiP를 구현하기도 한다. 공정에 체류하는 시간이 길어지면서 Die Attach 공정과 Wire Bonding 공정이 병목 현상을 일으키게 되는데 이들 설비의 보유 대수를 통해 OSAT업체의 생산 능력과 업체 능력을 가늠해 볼 수 있다.
복잡하고 이해하기 어려운 2.5D, 3D 패키징 방식을 보고 있노라면 리드프레임 패키징 방식이 단순해 보일 수 있지만 그 안에는 오랜 시간 축적된 다양한 노하우가 존재한다. 최적의 패키지를 완성하기 위해 소재 업체와 설비 업체 그리고 이를 운용하는 패키징 업체들의 노력에 의해 지금의 제조 공정이 완성되었다. 그리고 이런 리드프레임 패키징의 노하우들의 모여 QFN(Quad Flat No-Lead)의 대중화를 이끌었다. QFN 패키지는 1990년대 말부터 개발되어 2000년대부터 본격적으로 양산에 들어간 패키징 방식으로서 현재는 리드프레임 패키징 방식의 메인으로 자리 잡았다. QFN 패키지가 빠른 속도로 세를 넓힐 수 있었던 가장 큰 이유는 폭넓은 확장성과 기존 설비의 가용이 가능했기 때문이다. 2010년을 기점으로 QFN 패키지는 상위 선단 패키징 방식의 Low end 디바이스와 리드프레임 패키징 방식의 하위 패키징 기법인 QFP의 물량을 잠식하면서 급격하게 생산량을 늘려왔다. 이 기세가 이어진다면 장담컨대 QFN 패키지는 향후 단일 패키지로는 최대 물량을 가진 패키지가 될 것이 분명하다.
이처럼 반도체 전체 패키지 중, QFN 패키지의 점유율이 상승하면서 리드프레임 패키징 방식에 몸 담고 있는 모든 OSAT업체들이 QFN 패키지 시장을 선점하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 아래는 QFN 패키지의 핵심인 Lead Frame에 대한 내용이다. 기존 Wire bonding 방식에서 더 나아간 Dual row, Muliti row로 단순한 I/O를 확장하거나 Flipchip 방식을 도입하여 Wire bonding 공정을 삭제하여 반도체의 성능 개선을 꾀하고 있다. 이를 위해 리드프레임 업체에서는 QFN 패키지의 신뢰성과 공정성 향상을 위해 다양한 방안을 검토 및 적용하고 있다. QFN을 비롯한 리드프레임 베이스의 패키징 공정과 위에서 언급한 원자재의 공급업체들에 대해서는 다른 기회를 통해 설명하고자 한다.
리드프레임 패키징 방식을 통해 제품화되는 반도체는 일반적으로 서브스트레이트(Substrate)를 사용하여 패키징 되는 제품에 비해 저렴하다. 제품이 저렴하다 보니 제품을 위탁 생산하는 업체의 부가가치 역시 높지 않다. 하지만 QFN 패키지를 비롯한 리드프레임 패키징 물량은 선진 패키징 물량에 대해 경기 변동에 덜 민감하고 선진 패키징 물량의 고객사와 리드 프레임 패키징의 고객사가 동일한 곳이 많기 때문에 고부가가치 제품 수주를 위해 리드프레임 패키징을 수주해야 한다. 그렇기 때문에 ASE holdings, AMKOR, SPIL과 같은 1 tier OSAT업체들도 리드프레임 패키징 제품과 선진 패키징 제품을 적절한 비율로 조합하여 수익을 창출한다. 이와 반대로 패키징 기술이 부족하거나 회사 규모가 영세할 경우, 리드프레임 패키징 비율이 높다. 이런 경우 대부분의 업체는 매출과 영업이익이 저조할 수밖에 없다.
그러나 리드프레임 패키징 위주의 사업 구조를 가진 업체들 중에 독보적인 업체가 있으니 바로 대만의 GREATEK이다. GREATEK의 성장 과정을 복기해 보고 레드오션인 리드프레임 패키징 만으로 저수익으로 악명 높음 OSAT업계에서 경쟁 우위를 점할 수 있었는지 알아보자.
GREATEK은 1983년 대만 타이베이에서 설립된 반도체 패키징 위탁업체이다. 설립 당시 사명은 Hede Integrated Circuit Co., Ltd.(合德积体电路有限公司)으로 반도체 수동소자를 설계, 제조했던 Hetai Semiconductor(合泰半导体有限公司)의 반도체 유통과 연구개발을 담당하는 회사였다. Hetai Semiconductor가 반도체 Wafer 생산라인을 UMC로 매각하여 Fabless로 전환하자 1995년 비로소 사명을 GREATEK으로 변경하고 반도체 패키징 사업을 시작했다. Hetai Semiconductor의 현재 사명은 Holtek Semiconductor(盛群半導體股份有限公司)로서 32bit, 8bit MCU를 설계하는 업체이다. 기존 사명인 Hetai Semiconductor는 Holtek의 중국 자회사에서 사용하고 있다.
GREATEK의 초기 설립자들은 모두 ITRI(Industrial Technology Research Institute-대만 산업 기술연구소) 출신으로 현재 대만의 핵심 기업들을 배출한 벤처 사관학교와 같은 곳이다. GREATEK의 설립자들은 UMC, TSMC, Mediatek 등 이제는 대만 반도체 업계의 거두가 된 이들과 한 연구소에서 같이 일했기 때문에 Holtek에서 떨어져 나와 홀로서기를 해야 했을 때, 필연적으로 반도체 패키지 위탁사업을 선택할 수밖에 없었다. 1996년 대만 미야오리현 주난(竹南) 과학단지에 구축한 반도체 패키징 공장이 준공되자 GREATEK의 거침없는 성장이 시작됐다. 초기 GREATEK의 성장을 이끈 것은 같은 뿌리를 가진 Holtek의 패키징 물량이었다. 공장 가동 후 2년간, GREATEK에서 위탁 생산하는 물량 대부분을 Holtek의 수주를 통해 채웠다.
1996년 매출액 77억 원, 영업이익 -4억 원이었던 GRATEK의 매출액은 Hexing plant가 정상 가동된 1997년 매출액 434억 원, 영업이익 104억 원으로 수직 상승한다. GRATEK의 경영진은 Holtek에 편중된 매출 구조를 다변화하기 위해 Realtek, MediaTeK 등 신규 고객사를 유치하는 한편 아시아 금융위기로 인해 어수선한 분위기에서도 Gongyi Plant I를 준공했다. Goingyi Plant가 가동을 시작하고 DIP 패키징에서 PLCC, QFP로 라인업이 넓어지며 1999년에는 매출액이 어느새 1,000억 원을 넘보기 시작할 정도로 성장했다. 이 기세를 몰아 GREATK은 대만 증시에 성공적으로 안착했다.
2001년 닷컴 버블로 매출액이 주춤했지만 GRATEK은 부가가치가 낮은 패키지에서 QFN으로 제품 포트폴리오를 점차 조정하면서 매출액 증가와 20%가 넘는 영업이익이라는 두 마리 토끼를 모두 잡았다. GREATEK은 他OSAT를 인수하거나 다른 사업으로 눈을 돌리지 않고 오로지 리드프레임 패키징에 전력을 쏟았다. 조그마한 OSAT업체들도 가지고 있는 중국 본토 사업장조차 없다.
GREATEK은 어찌 보면 단순할 정도로 QFN 패키지에 대한 올인으로 Gongyi Plant I의 생산 능력을 최대로 끌어올렸다. GREATEK은 Gongyi Plant 1이 가동을 시작한 지 12년 만인 2010년 Gongyi Plant 2를 준공하고 양산을 시작했다. 이와 함께 사업 초기 도약의 기반이 되었던 Hexing plant를 폐쇄하여 생산력 분산을 막고 Gongyi Site의 생산 능력 증강에 집중했다. 마치 TSMC가 감가상각이 끝난 8인치 Fab. 을 통해 막대한 영업이익을 남기는 것처럼 GREATEK 역시 생산라인의 감가상각이 완전히 끝난 후에 신규 라인에 대한 투자를 집행하여 높은 영업이익을 유지할 수 있었다.
2012년 GREATEK은 새로운 전환점을 맞았다. 대만 3위 OSAT이자 메모리 반도체 전문 OSAT인 PTI의 지분 매입으로 PTI 산하로 편입된 것이다. 메모리 반도체 패키징 사업에 편중된 PTI의 사업구조와 리드프레임 기반 시스템 반도체에 편중된 사업구조를 가진 GREATEK, 양사 모두에게 있어 PTI의 투자는 서로의 부족한 부분을 채워주는 상호보완의 시너지를 발휘했다. 이를 반영하듯 GREATEK의 주가는 대폭 상승하여 시장의 기대에 부응했다. PTI는 GREATEK 인수 이후, PTI 내부에서 진행 중이던 리드프레임 베이스의 시스템 반도체 개발을 중단하여 그룹 내 중복 투자를 막아 개발 효율성을 높일 수 있었다.
2016년 Toufen 신공장이 준공되면서 GREATEK은 사업 범위를 Wafer Bumping까지 넓혔다. 그동안 신중한 투자를 해왔던 GREATEK 답게 Toufen 공장에서도 QFN 패키징을 양산하기 시작했으며 8인치 Wafer Bumping을 통해 Flipchip QFN 패키징까지 부가가치가 더 높은 QFN 패키징으로 제품 라인업을 넓혔다. 2022년 2Q Tofen Plant의 Phase 2의 설비 Set up이 완료되어 생산력을 대폭 늘릴 예정이다. 수백 대에 달하는 Wire bonding, Die attach 설비의 미입고 수량까지 더해진다면 ASE CL site와 물량으로 경쟁할 수 있는 유일한 업체가 될 것으로 생각된다.
1996년부터 2020년까지 GREATEK의 매출 내역을 보면 글로벌 경기 변동 사이클을 정확히 짚어낼 수 있다. 2001년의 닷컴 버블, 2008년 글로벌 금융 위기, 2011년 유럽 재정 위기, 2015년 중국을 비롯한 신흥국 경제 침체, 2019년 글로벌 경제 저성장 국면 진입까지 GREAK의 매출액 변화를 통해 모두 설명 가능하다. GREATEK의 사업 포트폴리오는 소비재 전자 산업과 밀접한 리드프레임 패키징으로 이루어져 있고 400여 곳이 넘는 글로벌 고객사들의 물량을 위탁 생산하고 있기 때문에 글로벌 경기에 민감하게 반응한다.(대만 73.54%, 미주 12.42%, 중국 5.83%, 유럽 3.95%, 기타 4.26%) 2021년 역시 COVID-19의 영향으로 20%에 가까운 매출 성장을 했으며 2022년의 출발도 순조롭다. 하지만 GREATEK의 매출이 흔들리는 순간이 바로 글로벌 경기 변동의 변곡점이 될 가능성이 높다.
GREATEK의 현재 사업 분야는 리드 프레임 기반의 Old 패키지(QFP 외), QFN 패키지, BGA 패키지, Flipchip 패키지 그리고 8인치 Wafer 기반의 WLCSP로 다른 OSAT에 비하면 단출하다. GRATEK은 지속적인 프로세스 개선과 자동화 라인 도입 통한 생산 효율성 증대로 제품 경쟁력을 강화하여 현재의 QFN 패키징 시장에서의 지배력을 확고히 한다는 계획을 가지고 있다. 또한 해외 고객사의 발굴을 통해 특정 지역에 쏠린 Risk를 분산하고 거대 OSAT가 진입하기 껄끄러운 틈새시장에 대한 공략을 이어나가겠단 전략을 견지하고 있다.
치열한 경쟁으로 부가가치가 낮아 남들이 꺼리는 레드오션에서도 자신의 입지를 굳건히 한 GREATEK의 선전은 OSAT업체들에게 있어 시사하는 바가 크다. 아무리 힘든 시장에서도 다른 업체들과 차별화할 수 있는 자신만의 고유한 무기가 있다면 급변하는 기술 트렌드의 파고 속에서도 살아남을 수 있음을 보여줬다. 우리나라 OSAT업체들만이 가진 경쟁력이 무엇인지 다른 업체들과 어떤 점에서 차별화할 수 있는지 생각해 볼 만하다.
