플립칩(Flip Chip) 기술의 활용이 증가하고 있다.

프랑스의 시장조사기관 욜디벨롭먼트(Yole Development)의 조사에 따르면, 2014년 1년 동안 플립칩 기술로 생산된 12인치 웨이퍼는 약 1,600만 개에 이른다. 2020년엔 이보다 2배 성장한 3,200만 개에 이를 전망이다.

2020년 예상되는 플립칩 기술의 시장 규모는 250억 달러다. 이를 실현하는 것은 무어의 법칙을 넘어선 ‘무어 이상의 법칙(More than Moore)’이다. 시장을 이끄는 동력은 모바일, 태블릿, 스마트TV 등 컨슈머 애플리케이션, 바로 LED와 CMOS 이미지 센서가 채용되는 영역이다. 네트워킹, 서버, 데이터센터 등과 같은 산업 영역도 플립칩 기술에 대한 대표적인 수요처다. 

골드 웨이퍼 범핑

플립칩은 기존 와이어 본딩 방식과는 반대로 범프(Bump)가 형성된 칩을 뒤집어 표면이 기판 방향을 향하도록 실장하는 방식이다. 뒤집기 때문에 ‘Flip’이라는 용어가 붙었다. 현재 반도체 패키징 중 가장 초소형 형태를 구현할 수 있는 기술이다.

최근 플립칩 범핑에서 증가하고 있는 방식은 도금을 통한 범핑이다. 금(Au)의 뛰어난 물리적, 화학적 특성 때문이다. 금은 전기 및 열전도성이 뛰어나며 화학적으로 안정도가 높다. 산과 알카리에 침해되지 않고 고온에 가열돼도 산화하는 일이 없는 특성을 가지고 있다.

욜디벨롭먼트는 울트라 고화질TV와 태블릿 및 스마트폰 대형 액정에 채용될 디스플레이 구동칩 DDI에 대한 수요로 인해 골드(Au) 웨이퍼 범핑이 꾸준한 성장의 보폭을 내딛을 것으로 전망했다. 2020년까지 연평균 4% 성장률을 나타낼 것으로 관측된다. 

골드 웨이퍼 범핑 업체가 마주한 것은 금값의 꾸준한 변화다. 원료가 되는 금값이 유동적이기에 이를 적정 수준으로 유지하는 방안을 찾는 것이 관건이다.

플립칩의 핵심 ‘구리 기둥’

플립칩 범핑 캐퍼시터 성장의 핵심 요인은 구리 기둥(Cu pillar)기술이다. 

구리 기둥은 솔더범프의 인접 높이를 증대시킴으로써 패키지의 신뢰성을 증대시키며 플립칩의 전기적인 성능을 향상시킬 수 있는 기술이다. 후지쯔(Fujitsu)의 슈퍼CSP 패키징에 최초로 도입된 이후 2010년 텍사스인스트루먼트(Texas Instrument)와 암코(Amkor)에 의해 구리기둥 플립칩 패키지가 발표되는 등 다양한 시도가 이어져왔다.

미세가공능력, 높은 I/O 카운트, 28 nm 이하의 리소그래피 노드, 2.5D/3D 패키징의 융합, 열 방출에 대한 이점을 갖춘 구리 기둥 기술은 플립칩 기술 발전을 위한 핵심으로 자리 잡게 될 전망이다. 

욜디벨롭먼트는 이외에도 3D IC 집적 기술(3차원 직접 회로)과 이를 위한 중간 단계로 여겨지는 2.5D 집적 기술의 융합이 향후 파운드리와 IDM 업체들에게 이익을 가져다 줄 것으로 내다봤다. 결과적으로 OSAT(outsourced semiconductor assembly and test, 후공정업체)에 대한 외주 비중을 약화시키게 될 것이라는 해석이다.

2.5D 인터포저(Interposer) 플랫폼의 발전 역시 프론트 엔드 파운드리의 지배력을 강화시키며 웨이퍼 공급업체는 이에 대한 일부 타격을 입게 될 가능성도 있다.

TCB 채택, IDM이 주도

열 압착을 이용해 칩을 본딩하는 TCB(Thermo-Compression Chip Bonder)도 플립칩 공정을 위한 핵심 사항으로 거론된다. 향후 대형 IDM으로부터 대량 생산을 위한 목적으로 대거 채택될 가능성이 높다.

인텔이 최근 네덜란드 기업 ASM의 하이 스루풋 TCB 장비를 자사 CPU의 14 nm 칩 조립 공정을 위해 채택한 사실이 이를 입증한다. 인텔의 이 CPU는 데이터센터, 서버, 하이엔드 컴퓨팅과 같은 애플리케이션에 채용될 예정이다. 

메모리 제조업체 사이에선 실리콘 관통전극(TSV) 기술 이후 다음 세대 차세대 기술로서 TCB(열 압착) 방식을 주목하게 될 공산이 크다.

욜디벨롭먼트는 플립칩 본더(Bonder)의 전체 시장이 2020년 4억 3,500만 달러 규모로 성장할 것으로 내다봤다. 예상되는 연평균성장률은 7%다.

플립칩 투자, 2018년 본격화 

욜디벨롭먼트는 “플립칩에 대한 신규 투자는 2018년부터 본격 시작될 가능성이 높다”고 전했다. 또 일부 파운드리로부터 구리 기둥 기술을 통한 12인치 웨이퍼 범핑 라인에 대한 높은 투자가 있을 것으로 내다봤다.

투자를 이끌 것으로 예상되는 기업은 대만의 TSMC와 중국 파운드리 SMIC다. 그리고 이는 OSAT의 웨이퍼 범핑 매출에 일부 영향을 끼칠 것이라는 게 욜디벨롭먼트의 분석이다. 파운드리가 일부 시장 점유율을 빼앗게 되기 때문이다.
하지만 OSAT의 영향력은 크게 변하지 않을 전망이다.

OSAT은 완성된 플립칩 서비스의 세트를 제공하기에 서플라이 체인에 대한 영향력을 보유하고 있다. 패키지 디자인, 웨이퍼 범핑, 웨이퍼의 내부 조달, 조립과 최종 테스트 등을 모두 담당한다. 이를 통해 웨이퍼 범핑과 조립 공정에서의 입지를 유지할 것으로 관측된다. 

인텔과 삼성과 같은 대형 IDM 업체들 역시 웨이퍼 범핑 캐퍼시티에 있어서 지배력을 지속적으로 유지해나갈 것으로 보인다. 욜디벨롭먼트는 2020년경에도 인텔이 구리 기둥 웨이퍼 범핑 부문에서 최상위 업체의 명성을 유지할 것으로 내다봤다.

이외에 반도체 산업에서 강자로 올라선 중국 기업 역시 예의주시해야할 대상이다. 패키징, 후공정 분야 20위권 상위 기업에 3개 업체가 진출해있다. 이를 가능케한 것은 인수합병이다.

2014년 11월 중국의 JCET는 스태츠칩팩(STATS ChipPAC)을 인수했다. 현재 JCET는 패키징, 후공정 분야 6위다. 중국의 Tianshui Huatian Technology Company 역시 작년 4월 FCI(FlipChip International LLC)를 인수한 바 있다.

이와 더불어 대만 기업의 시장 장악력도 커지고 있다. 욜디벨롭먼트는 “대만 기업 칩본드(Chipbond)와 칩모스테크놀러지(ChipMOS Technologies)는 디스플레이 드라이버 IC 제조를 위한 골드 범핑 부문에서 전체 시장의 2/3를 차지하고 있다”며 “시장 진입을 위해선 거대 자본이 필요하기에 신규 업체가 들어오기엔 몹시 어려운 영역”이라고 밝혔다.