[AI반도체 메가 사이클](下) 국내 대장주는?

SK하이닉스와 삼성전자가 이끄는 차세대 반도체↑

[아이뉴스24 고종민 기자] 국내 AI반도체 메가 사이클의 중심은 삼성전자와 SK하이닉스다. 삼성전자와 SK하이닉스의 설비 투자 규모와 일정에 따라 협력사들의 희비가 엇갈리고 있으며 방향성은 공격적인 투자로 점철되고 있다.

반도체 공정 밸류체인 [사진=이베스트증권]

◆ 국내 AI 반도체 대표 분야 ‘파운드리, 공정장비, 소재

AI 반도체와 관련해 주목받는 국내 분야는 파운드리, 메모리, 공정장비, 소재 등이다.

파운드리는 AI반도체를 대량 양산할 수 있는 삼성전자를 꼽는다. TSMC가 엔비디아의 GPU 파운드리(위탁생산)를 거의 독점하다시피한 가운데, 삼성전자가 2.5D 패키징 공정으로 세컨 밴더 역할을 차지할 전망이다.

메모리는 HBM(고대역폭메모리) 세계 선두주자 SK하이닉스와 삼성전자다.

공정장비와 소재 분야는 후공정 중심으로 설비투자 집중을 전망한다. 현재 수준에선 메모리 전공정 투자를 상대적으로 늦추고, 2.5D 패키징(삼성전자)과 HBM(SK하이닉스, 삼성전자)와 관련한 장비 발주가 집중될 전망이다.

특히 SK하이닉스와 삼성전자의 HBM 생산 설비는 매년 2배 이상씩 증가할 것으로 전망된다. 또한 이에 맞춰 공격적인 후공정 투자와 후공정 장비 기업의 수주가 이어지고 있다. 반도체 성능 향상이 다양한 패키징 방식을 통해 이뤄지고 있으며, 후공정 장비의 중요성이 높아지는 상황이다.

하나증권에 따르면 첨단 패키징은 와이어 본딩(Wire bonding)을 사용하지 않는 패키징이다. 기존 Wire bonding은 1차 연결단자로 본딩 와이어, 2차 연결단자로 리드프레임을 많이 써왔다.

차세대 기술인 어드밴스트 패키징(Advanced Packaging)은 1차 연결단자로 솔더범프 또는 골드범프, 2차 연결단자로 솔더볼을 사용한다. 범프와 솔더볼은 본딩 와이어나 리드프레임보다 연결할 수 있는 입출력(I/O) 개수가 많고 패키지 내 차지하는 부피가 작아 고성능 반도체에 많이 활용되고 있다. CPU나 AP처럼 비메모리 반도체가 고사양화되면서 와이어 본딩 대신 플립칩 공정 또는 팬아웃(Fan-out) 공정이 사용되기 시작했다.

대표적인 AI반도체 후공정 장비 기업은 한미반도체다. 한미반도체는 GPU에 동반되는 HBM을 붙여주는 본딩 장비를 만든다. 일례로 엔비디아와 SK하이닉스가 AI 반도체 관련 설비를 늘릴 때 한미반도체에 본딩 장비 발주를 주는 셈이다.

또한 프로텍(언더필) PSK홀딩스(리플로우), 에스티아이(리플로우), 레이저쎌(리플로우), 이오페트닉스(마킹, 웨이퍼절단), 고영(후공정 검사장비), 파크시스템스(후공정검사장비), 인텍플러스(후공정검사장비). 코세스(솔더볼 어태치 납품) 등이 대표적인 후공정 투자 수혜 대상이다.

전공정은 차세대 공정장비, EUV소재(펠리큰, 블랭크마스크) 등이 테마를 형성할 것으로 보인다. 대표적인 기업은 주성엔지니어링(국내 최초 ALD 장비 개발, EUV 공정 필수), 피에스케이(스트립 장비 글로벌 점유율 1위), 에스앤에스텍(EUV용 펠리클 블랭크 마스크 국산화), 지오엘리먼트(ALD 전구체 이송·보관 장치인 캐니스터와 전구체 레벨을 모니터링 레벨센서 납품) 등이다.

반도체 장비 업계 관계자는 “AI반도체가 현재 후공정 장비 중심으로 설비 투자 수요를 일으키오 있다”며 “또 HBM 등을 고도화하는 과정에서 초박화, 고다층화를 하게 되며, 이는 전공정 장비 수요로도 연결될 수 있을 것”이라고 말했다.

이어 “다만 아직 HBM 등과 관련한 장비 업체들의 매출 비중·규모가 크지 않아, 2025년까지 예상되는 실적 가칠를 선반영하는 경향이 보이고 있다”며 “소재 기업과 달리 공정 장비는 전방기업의 투자 사이클과 수요에 영향을 미칠 수 있어, 고평가 영역에선 투자에 주의할 필요가 있다”고 지적했다.

반도체 후공정 밸류체인 [사진=하나증권]

◆ 차세대 CPU, 생성형 AI 등에 따른 FC-BGA와 고다층 MLB 성장

차세대 CPU, 생성형 AI, 고성능 네트워크 장비 트렌드가 PCB 산업의 트렌드를 변화시키고 있다. FC-BGA가 더욱 대면적화되고, MLB는 고다층, 고정밀, 저손실 소재 성능이 요구된다.

키움증권에 따르면 글로벌 PCB 시장은 향후 5년간 연평균 4% 성장할 전망이다. 성장의 중심엔 고부가가치 패키지의 약진이 있다.

김지산 키움증권 연구원은 “패키지 기판과 고다층 MLB가 시장 성장률을 상회할 것”이라며 “전기차, ADAS 등 전장 분야는 고성능 MLB, 저손실 FPCB 등에 성장 기회를 제공할 것”이라고 내다봤다.

그러면서 “인공지능의 확산은 더 빠른 데이터 전송 속도를 구현하는 PCB를 원한다”며 “패키지 기판 내에서는 FC-BGA, SiP·모듈 기판, HDI 내에서는 전층과 SLP(Substrate-like PCB) 제품이 고성장할 것”이라고 강조했다.

HDI는 전장, 고성능 컴퓨팅, 고속 네트워킹, 위성통신 등이 성장을 뒷받침한다. FPCB는 폴더블폰과 OLED 디스플레이가 우호적인 환경을 제공할 것으로 보인다.

실제 글로벌 반도체 기업의 개발 트렌드가 이를 증명하고 있다.

김 연구원은 “AMD Genoa, 인텔 Sapphire Rapids 서버 CPU용 FC-BGA는 패키지 사이즈가 더욱 커지고, 라우팅 피치가 축소됐다”며 “엔비디아 AI 가속기는 병렬로 연산하는 수십, 수백개 코어를 가지고, HBM 메모리와 함께 패키지 되기 때문에 대면적일 수밖에 없다”고 설명했다.

이어 그는 “브로드컴(Broadcom)의 네트워크 장비 토마호크(Tomahawk) 5 스위치는 최초로 51.2Tbps의 스위칭 용량을 구현했다”며 “패키지 기판과 MLB는 고속에서 신호무결성을 유지하도록 설계돼야 한다”고 덧붙였다.

브로드컴은 2년마다 스위치 용량을 2배로 늘려 왔다. 토마호크5는 256개의 CPU 또는 AI 가속기와 직접 연결해 각각 200Gbps의 네트워크 대역폭을 제공할 수 있다. 스위치 다이는 8천개 이상의 핀을 가진 대면적 FC-BGA로 패키지된다.

서버, 네트워크 장비 등등 영역에서 고성능·고용량의 제품을 적용하기 위한 FCB의 적용은 정해진 수순인 셈이다.

대표적인 관련 기업이 이수페타시스, 바이옵트로 등이다.

이수페타시스가 AI가속기와 서버에 들어가는 MLB(고다층 메인보드 기판)을 공급하고 있으며 북미, 유럽향 다수의 고객사들에게 공급 중이다.

바이옵트로는 신규 검사 장비 ‘FC-BGA BBT’를 국내 최초(세계 두번째)로 출시했다.

대기업인 삼성전기도 FC-BGA 기판을 생산하는 대표적인 기업이다.

/고종민 기자(kjm@inews24.com)