Fan-Out Packaging②
TSMC에 가려진 Fan-Out 패키징 시장에 대해
우리는 여러 언론 매체를 통해 Apple 스마트폰의 두뇌 역할을 하는 AP(Application Processor)가 Fan-out 패키징 방식으로 생산되는 것을 익히 알고 있다. 그럼 Apple의 AP 외, 도대체 어떤 반도체가 Fan-out 패키징으로 생산이 될까? Fan-out의 시장에 대해 설명하기에 앞서, Fan-out 패키지의 개발 목적을 다시금 짚어 볼 필요가 있다.
Fan-out 방식으로 멀티 die가 집적된 반도체는 신호전달을 위한 Wire & Wafer bump 그리고 기판을 삭제했기 때문에 Device가 Bump(Device용)을 통해 Main PCB에 직접 실장 된다. 신호 전달 과정이 짧고 Main PCB와 직접 이루어지기 때문에 전통적인 패키징을 채용한 Device 대비 빠른 응답 속도와 낮은 소비 전력, 그리고 Data의 손실도 적다. 빠른 응답 속도와 Data 저 손실 특성을 필요로 하는 반도체를 떠올리며 Fan-Out 패키징 시장에 대한 추적을 시작하도록 하자.
시장조사 기관인 Yole는 "Fan-Out WLP and PLP Technologies 2021"에서 Fan-out 패키징의 주요 Application을 위와 같이 정리했다. 상기 도표에는 2000년대에 개발된 Device까지 모두 망라되어 있기 때문에 현재 Fan-Out 패키징 시장과는 괴리가 있다. 상기 자료의 Player 중 몇몇 업체는 이미 Fan-out 패키징을 포기하고 독자적인 2.5D방식을 채택하거나 양산이 용이한 SiP(System in Package)로 패키징 방식을 전환하며 시장을 이탈했다. 많은 업체들이 Fan-Out 패키징 방식에 대해 관심을 가졌으나 반도체를 구매하는 전자기기 Set 업체와 전자기기를 구매하는 소비자의 외면으로 다수의 Project들이 좌초했다. 일례로 최근 막판까지 삼성전자와 TSMC를 두고 고심한 Tesla는 삼성전자에 자율주행 칩을 위탁했다. 삼성전자의 Foundry에서 Wafer가공이 이뤄질 경우, TSMC의 InFO기술을 사용할 수 없기 때문에 Tesla의 신규 Device는 Silicon Interposer를 적용한 2.5D 패키징을 고려할 수밖에 없다. 이외에도 도표에는 명기되지 않았지만 Hisilicon의 Processor인 Hi1382도 ASE의 FOCos 기술을 통해 잠시 양산되었다가 TSMC로부터 Wafer 조달이 어렵게 되면서 생산이 중단되었다. 한 장의 도표를 통해 모든 시장 자료를 담을 수 없어 빠진 내용이 다수 있을 수 있으나 Fan-Out 패키지의 주요 Application을 이해할 수 있는 자료이기 때문에 참조용으로만 사용하길 바란다.
1. 모바일
1) Apple : Application processor(iPhone용) & Processor(iWatch용)
2) Samsung : Processor(Galaxy Watch용)
3) Qualcomm : Power Management IC & Audio Codec
2. 차량용
1) NXP : 크로스오버 MCU & Radar Transceiver(77 GHz)
2) Infineon : Radar Transceiver(77 GHz), Telecommunication Transceiver, Radar Sensor
3) Mediatek : Radar 플랫폼
Yole의 자료와 별도로 현재 주요 OSAT를 통해 양산 중인 Device를 정리했다. 자료를 보면 모바일(+Watch)과 통신 그리고 자동차용 반도체에 Fan-Out 기술이 사용된 것을 알 수 있다. Fan-Out 패키징이 가진 빠른 응답성 때문에 자동차의 레이더 관련 Devcie와 모바일 기기의 Processor 그리고 모바일에 실장 되어 있는 반도체의 전원을 제어하는 PMIC와 Audio Codec용 반도체가 현재 Fan-Out의 주요 Application이다. 물량과 매출 규모로 봤을 때, Apple향 Device가 압도적이며 그 뒤를 Qualcomm의 PMIC가 차지한다. PM8150이란 모델명을 가진 PMIC는 다수의 모바일 기기에 사용되는 범용 제품이다. 다양한 Fan-Out 패키징 기술을 통해 다수의 OSAT에서 생산되는 것으로 파악된다.
반도체의 성능 향상은 공짜로 이뤄지지 않는다. 성능 향상을 위해 채택한 Fan-Out 패키징 방식의 제조 비용은 他Device 대비 비싸기 때문에 해당 기술을 사용한 Device의 가격경쟁력을 갖추기 어려웠다. 그렇다 보니 많은 반도체들이 시양산 단계에서 다른 패키징 방식으로 전환하게 됐다. 시장에 Fan-Out 패키징 기술을 가진 회사들은 많지만 충분한 생산능력과 공정 기술을 갖춘 곳은 많지 않다. Fan-Out이 기판을 사용하는 전통적인 패키징 방식과 Silicon Interposer를 사용하는 2.5D 패키징 기술 사이에서 살아남을 수 있을지 판가름하는 것은 결국 규모의 경제 실현에 있다.
Fan-Out 패키징은 차량용 Radar 센서용으로 시작해서 스마트폰용 AP와 PMIC에서 대량으로 양산되었다. 전문가들은 향후 HPC(High Performance Computing)으로의 확장을 예상하고 있지만 개인적으로는 자동차 자율주행과 관련된 레이더 탑재로 인해 자동차용 수요가 늘어날 것으로 생각된다. 결국 중요한 것은 Fan-Out 패키징을 원하는 고객사가 많아져야 함은 두말할 필요가 없다.그럼 Fan-Out 기술이 태동하기까지 어떤 경로를 통했는지 그 출현 배경에 대한 의문을 파헤쳐 보자. Fan-Out 패키징의 기반 기술 중 가장 오래전 개발된 기술은 Wafer Bumping으로 1960년대 IBM에 의해 개발되었다. 1990년대에는 Bumping 기술과 RDL 기술이 접목된 Flipchip 기술이 개발되어 패키징 주류로 자리 잡았다. 2000년대 들어서 양산성과 경제성을 두루 갖춘 WLCSP 방식이 여러 업체들을 통해 사용되기 시작했다. 수십 년에 걸쳐 축적된 Wafer Level 패키징 기술은 2000년대 후반에 이르러 드디어 Fan-Out으로 꽃을 피웠다.
2007년 Freescale은 RCP(칩 재분산) 기술을 개발했다. 이 기술은 당시 Single Die의 SOC(System On Chip)로는 구현 불가능한 형태의 System을 구현할 수 있게 해 줬다. RCP는 어찌 보면 WLCSP를 집적한 초기 형태의 SiP로 볼 수 있는데 당시로서는 획기적인 패키징 방식이었다. Freescale은 Device의 크기를 줄이고 성능을 높이면서 SOC 대비 월등한 가격경쟁력을 가진 유연한 패키징 방식임을 내세우며 RCP 기술을 적극 어필했다. RCP 기술은 2010년 한국의 네패스로 라이선스 되었으며 2015년 Freescale이 NXP로 인수되면서 RCP는 NXP의 기술이 되었다. 현재 네패스 laweh(네패스로부터 분사한 Fan-Out 패키징 자회사)는 NXP향 제품을 Wafer level로 생산하고 있다.
같은 해 독일의 자동차용 반도체 전문 업체인 Infineon은 Freescale의 RCP에 대항하기 위한 eWLB(embedded Wafer Level Ball Grid Array) 기술을 개발했다. 이 기술은 ST Micro, Amkor, JCET(StatChipPAC), ASE에 라이선스 되면서 Intel, Marvell, Spreadtrm 등의 반도체 제조에 사용되었다. 그러나 대부분의 Device의 양산은 단발성 이벤트에 그치며 한동안 라이선스 보유 업체인 Infineon향 제품에만 적용되었다. 현재는 ASE, Amkor, JCET 3대 패키징 업체에서 채용한 범용 Fan-Out 패키징 기술로서 가장 널리 사용되는 기술이 되었다.
2012년 Fan-Out 시장에 M-Series라는 패키징 기술을 가지고 신생 업체가 참전했다. Amkor에서 퇴직한 Tim Olson이 설립한 Deca Technology는 2009년에 설립된 업체로 Freescale과 Infineon과는 비교할 수 없는 짧은 역사를 가지고 있다. 하지만 M-series의 잠재력을 눈여겨본 Cypress Semiconducor는 Deca Techonology에 대한 투자를 통해 지분 60%를 확보했다. 2019년 Cypress가 Infineon에 인수되면서 Infineon은 자사의 eWLB 기술과 Deca의 M-Series 2가지 Solution의 원천기술을 보유하게 됐다.
미국의 통신 반도체 업체인 Qualcomm 역시 지분 투자를 통해 Deca의 지분을 확보했다. Deca는 자사 Fan-Out 기술인 M-Series를 활용하여 Qualcomm의 PMIC를 수주받아 필리핀 공장에서 양산하기 시작했다. 2016년 ASE는 6천만 달러를 투자하여 Deca의 Main 주주로 등록, M-Series의 라이선스를 공유할 수 있게 되었다. 현재 ASE는 Deca와 합작으로 설립한 Panel Level Fan-Out 라인을 대만 가오슝에서 가동 중에 있다. 마지막으로 2019년 한국의 네패스는 Deca의 필리핀 공장을 389억 원에 인수했다(現네패스 hayyim). 이어서 네패스는 Deca의 지분 10%를 확보함과 동시에 M-Series에 대한 라이선스를 공유받았다. 언론을 통해 거론되는 네패스의 Fan-Out 기술은 RCP(NXP 원천기술)과 M-Series(Deca 원천기술)이다. 이를 통해 현재 네패스 laweh에서 진행 중인 미국 반도체 업체의 FO-PLP 승인 작업은 Deca의 M-Series 기술을 적용한 Wafer Level 기술을 Panel Level로 이식 중인 것을 알 수 있다. 발주처는 Deca 필리핀 공장의 메인 발주처인 Qualcomm이며 Application은 PMIC인 PM8150으로 추정된다.
2015년 드디어 Fan-Out 기술이 TSMC를 통해 Apple의 메인 Device인 AP에 적용되었다. TSMC는 InFO에 대한 압도적인 기술력과 Wafer Foundry에서 패키징 & 테스트까지 이어지는 수직계열화를 구축하면서 他업체로서는 범접할 수 없는 철옹성을 쌓아 올렸다. 발주처인 Apple 역시 TSMC를 통해 핵심 Device를 일괄 생산할 수 있기 때문에 Device에 대한 보안 및 품질에 대해 확신을 가지고 모든 물량을 몰아주고 있다.
위에서 언급한 업체들 외에도 다수의 1 tier OSAT들은 자신만의 Fan-Out 기술을 개발하여 보유하고 있거나 개발 중이다. 2017년 Naninum(現Amkor 포르투갈)이 "IMAP SiP Technology Conference"에서 발표한 자료를 보면 반도체 업계에서 지명도를 가지고 있는 IDM, OSAT, 기판 업체들이 저마다 Fan-Out 기술(+유사기술)을 가지고 있음을 알 수 있다. 당시에는 춘추전국시대와 같아 TSMC의 InFO를 제외하고 어느 누가 패권을 잡을 수 있을지 아무도 장담할 수 없었다. 저마다 자신의 기술이 표준이 되길 바라며 적극적으로 자신의 기술을 홍보했다. 그로부터 5년여의 시간이 흐르면서 대다수의 기술들은 사장되거나 기업 간 M&A로 인해 통합되었다. 아직 RCP, e-WLB, M-Series는 건재하지만 아직 어떤 기술이 시장을 주도할지는 정해진 것이 없다.
지금 시점에서 Fan-Out기술을 활용하여 반도체를 생산할 수 있는 업체는 지극히 한정적이다. 아이러니하게도 많은 업체들이 저마다 Fan-Out 패키징 기술 하나쯤은 가지고 있지만 이를 양산에 적용할 수 있는 공정기술과 양산 라인이 없다. 더구나 TSMC를 제외하면 현재 구축된 생산라인을 가동하기 위한 물량이 상당히 제한적이다. Qualcomm과 NXP, Infineon의 물량 외 Mediatek의 물량이 있기는 하지만 생산 라인을 공격적으로 추가 증설할 정도는 아니다. 이런 상황에서 LCD & PCB 제조 기술을 기반으로 한 FO-PLP 업체들의 참전이 예정되어 있다. 이들의 시장 진입이 가시화되는 때를 기점으로 Fan-Out 시장에서는 생존을 건 치킨게임이 시작될 것으로 생각된다. 결국 중요한 것은 최종 고객사에게 선택받아 생산라인을 가동하며 시장에서 살아남는 것이다. 그렇기 때문에 Fan-Out 패키지 기술의 생존에 있어서 가장 중요한 것은 생산 물량을 보증해줄 확실한 고객사의 유무이다. TSMC조차 Apple 없으면 현재 가동 중인 InFO 생산라인의 5%도 채우지 못한다. 마찬가지로 OSAT도 확정 물량을 배정해줄 확실한 고객사가 필요하다. 이를 위해서 현재 표준에 가까운 Fan-Out 기술에 대한 라이선스를 공유받아 다양한 업체들의 물량을 수주하고자 사력을 다하고 있다.
Fan-Out 패키징 Line up(ASE)ASE Fan-Out 패키지 line up을 살펴보면 Infineon의 eWLB, Deca의 M-Series, Panel FO(ASE & Deca 합작)에 대한 내용을 찾아볼 수 있다. ASE는 독자기술인 FOCoS와 더불어 eWLB, M-Series 라이선스 공유 통해 수주한 물량으로 생산라인을 채우고 있다. 시장이 성숙하기 전에 집행한 선행투자는 자칫 재무적 부메랑이 되어 기업에 악영향을 끼칠 수도 있다. 2010년대 초반 ASE도 Infineon의 eWLB의 양산을 위해 Fan-Out 패키징 공장을 준공했다가 가동 물량이 부족하여 한동안 고생한 적이 있을 만큼 패키징 시장의 미래를 예측하기란 쉽지 않다. 합종연횡을 통한 Fan-Out 패키징 기술 라이선스의 공유와 대형 거래선의 고정적인 물량을 수주할 수 있느냐 없느냐가 향후 Fan-Out 패키징 시장에서의 생존자를 가릴 것으로 생각된다. Fan-Out 기술에 대한 라이선스(특허)의 중요성이 커지는 시대적 조류를 타고 M-Series라는 강력한 Fan-Out 기술을 보유한 Deca Technology는 자사의 생산공장을 OSAT(네패스)에게 넘기고 라이선스 공유를 업하는 공정기술 개발업체로 전환했다. 시대의 조류를 타고 라인센스 공유를 통한 수익창출이라는 새로운 형태의 비즈니스가 탄생했다. 그리고 Panel Level Fan-Out 분야에서 신규 Player들이 진입을 기다리고 있다. 이들의 참전으로 인해 머지않아 전혀 예상치 못한 곳에서 치킨게임이 벌어질 가능성이 높다.
