삼성전자 반도체 모멘텀의 마지막 퍼즐은 '패키징'

사업 전반 성과 속 도약 준비...첨단 패키징은 대형 고객 부재'

(지디넷코리아=장경윤 기자)삼성전자 반도체 사업이 고대역폭메모리(HBM), 파운드리를 중심으로 본격 반등세에 올랐다. 그러나 인공지능(AI) 칩 제조 핵심으로 부상한 최첨단 패키징 분야에서는 아직 뚜렷한 존재감을 드러내지 못하고 있다. 업계에선 특히 2.5D 패키징에서 대형 고객 확보가 시급하다는 평가가 나온다. 

8일 업계에 따르면 삼성전자의 자체 2.5D 패키징 기술 '큐브(Cube)' 누적 출하량은 아직 소량인 것으로 파악됐다. 현재 확보한 수주도 스타트업 초도물량이나 단기 프로젝트성 비중이 큰 것으로 알려졌다. 주요 경쟁사인 TSMC·인텔이 2.5D 패키징 사업을 적극 확대하는 것과 대비된다.

시스템반도체와 HBM을 집적한 2.5D 패키징 개념도(사진=삼성전자)

TSMC·인텔 치고 나가는데…삼성전자, 2.5D 패키징 대형 고객사 부재

2.5D 패키징은 반도체 칩과 기판 사이에 얇은 막 형태 인터포저를 삽입해, 칩 성능을 높이는 기술이다. 반도체 업계에서 중요성이 점차 커지고 있다. AI 데이터센터 필수요소인 AI 가속기가 고성능 시스템 반도체와 HBM 등을 2.5D 패키징으로 집적해 만들기 때문이다. 실제 삼성전자는 HBM 시장이 확대되던 시기, 자사 파운드리와 HBM, 2.5D 패키징을 턴키(Tunr-key)로 제공하는 비즈니스를 무기로 삼아 왔다.

삼성전자가 패키징 분야에서는 지난 2024년부터 자체 2.5D 패키징 기술 큐브 시장 확대에 힘써 왔다. 그러나 삼성전자 2.5D 패키징 기술이 빅테크의 AI 가속기에 채택된 사례는 아직 확인된 바 없다. 현재 삼성전자의 2.5D 패키징을 활용 중인 고객은 미국 IBM과 국내 AI 팹리스 스타트업인 리벨리온 등으로 파악된다. 

패키징 업계 한 관계자는 "삼성전자 2.5D 패키징 플랫폼을 채택한 고객은 아직 출하량이 적거나 수개월 단위 단기 프로젝트성 생산에 머무르고 있다"며 "최첨단 패키징이 칩 성능을 크게 좌우하는 시대가 된 만큼 삼성전자도 해당 분야 경쟁력을 집중 보강할 필요가 있다"고 설명했다. 

삼성전자 주요 경쟁사인 TSMC, 인텔이 각각 2.5D 패키징에서 괄목할 만한 성장을 거두는 것과 대비된다.

전 세계 파운드리 시장을 선도하는 TSMC는 자체 2.5D 패키징 '칩-온-웨이퍼-온-서브스트레이트(CoWoS)' 생산능력을 지난해 말 월 3만 5000장 수준에서 올해 말 13만장 수준까지 확대하는 투자를 집행 중이다. 

인텔은 자사 2.5D 패키징 '임베디드-멀티다이-인터커넥트-브릿지(EMIB)' 상용화를 본격화하고 있다. 구글이 자체 AI 반도체 텐서처리장치(TPU) 양산에 EMIB를 채택해, 내년부터 양산에 나설 것으로 알려졌다.

시스템반도체와 HBM을 집적한 2.5D 패키징 개념도(사진=삼성전자)

칩 대형화...삼성전자, PLP로 반전 가능성

삼성전자에 기회가 없는 것은 아니다. 현재 삼성전자는 2.5D 패키징 개발 방향성을 기존 웨이퍼레벨패키징(WLP)에서 패널레벨패키징(PLP)으로 선회하고 있다.

패널레벨패키징은 넓은 사각형 패널 위에서 패키징을 진행하는 공정이다. 기존 웨이퍼(직경 300mm) 상 패키징 대비 면적이 넓고, 칩을 효율적으로 배치할 수 있어 생산성이 높다. 특히 최근 AI 반도체는 성능 향상을 위해 칩 사이즈가 커지고 있어, PLP 적용성은 확대될 전망이다. 

이에 삼성전자는 큐브에 WLP 대신 PLP를 적용하는 한편, 초대형 칩을 위한 '시스템온패널(SoP)' 상용화를 추진 중이다. SoP는 대형 사각형 패널 위에서 여러 반도체를 이어 붙이는 기술로, 현재 415x510mm 크기로 개발되고 있다.

또 다른 패키징 업계 관계자는 "삼성전자가 메모리 반도체 대비 시스템 반도체용 최첨단 패키징 기술의 양산 개발에 소홀했던 것이 향후 사업 경쟁력을 저해하는 요소로 작용할 위험이 있다"며 "AI 칩 분야에서 PLP 적용이 본격화되는 시점에 아이큐브 고객사를 빠르게 확보해야 할 것"이라고 밝혔다. 

한편, 2.5D 패키징을 제외하면 삼성전자 반도체 사업은 전체적으로 올해 뚜렷한 개선세를 보이고 있다. 글로벌 빅테크의 공격적 AI 인프라 투자로 최첨단 반도체 수요가 크게 증가했고, 최첨단 공정 개발도 속도가 붙었다. 

삼성전자는 지난 2월 엔비디아향 HBM4(7세대 HBM) 양산 출하를 시작했다. 부진했던 HBM 사업을 반등시킬 초석을 마련했다. 올해 HBM 출하량을 전년비 3배 이상 확대한다는 계획도 세우고 있다. 파운드리 사업은 이르면 올해 하반기 흑자 전환할 것이란 기대가 나온다. 최근 테슬라, 엔비디아, 그록 등을 최첨단 공정 고객사로 유치했다. 

장경윤 기자(jkyoon@zdnet.co.kr)