삼성전자, 온양서 '패키징 승부수'…HBM·파운드리 동시 강화

온양 HBM 후공정에 46조 투자…공장 가동 1년 앞당겨
메모리 적층 기술 고도화·2.5D·3D 패키징으로 턴키 경쟁력 강화
TSMC는 AI 반도체 패키징 시장 선점…인텔도 기술 개발 속도

[아이뉴스24 박지은 기자] 삼성전자가 첨단 패키징을 앞세워 고대역폭메모리(HBM)와 파운드리(반도체 위탁생산) 경쟁력 강화에 나섰다.

인공지능(AI) 반도체 시장이 성장하면서 반도체를 정밀하게 쌓고 연결하는 기술이 성능과 수율을 좌우하고 있기 때문이다. 삼성전자는 HBM 후공정 생산능력을 확대하는 동시에 메모리·파운드리·패키징을 결합한 통합 솔루션을 강화한다는 전략이다.

(왼쪽부터) 이재용 삼성전자 회장과 이재명 대통령. [사진=연합뉴스]

삼성전자는 12일 충남 아산시 온양사업장에서 이재명 대통령과 이재용 삼성전자 회장 등이 참석한 가운데 첨단 패키징 공장인 '온양 5라인' 착공식을 개최했다.

회사는 온양사업장에 공장 건설비 6조원과 장비 투자비 40조원 등 총 46조원을 순차적으로 투입한다. 신규 공장 가동 시점도 1년 앞당긴 2028년 6월로 정했다.

HBM도 패키징이 경쟁력…온양에 46조 투자

첨단 패키징은 여러 반도체를 수평으로 연결하거나 수직으로 쌓아 성능과 전력 효율을 높이는 기술이다. 과거에는 반도체를 보호하고 외부 회로와 연결하는 후공정으로 여겨졌지만, 최근에는 반도체 자체의 경쟁력을 결정하는 핵심 기술로 부상했다.

특히 HBM은 여러 개의 D램을 수직으로 쌓아 만드는 제품이다. 적층 수가 늘어날수록 칩을 정밀하게 접합하고 발열을 제어하는 기술이 중요해진다. 패키징 기술이 부족하면 메모리 성능을 충분히 끌어올리기 어렵고 수율 확보에도 어려움을 겪을 수 있다.

삼성전자의 온양 패키징공장 조감도. [사진=KTV 유튜브 채널 캡처]

삼성전자가 온양사업장에 대규모 투자를 결정한 배경이다. 온양 5라인은 3개 층, 연면적 약 9400평(3만1000㎡)의 클린룸을 갖추고 차세대 HBM의 적층·접합·검사 등 첨단 후공정을 담당한다.

삼성전자는 급증하는 AI 서버용 메모리 수요에 대응하기 위해 공장 가동을 1년 앞당겼다. 온양과 천안을 잇는 생산 기반을 강화해 충청권을 첨단 패키징의 핵심 거점으로 육성한다는 구상이다.

이재용 회장은 이날 착공식에서 "일반 반도체를 단순 조립·검사하는 공정이 중심이었던 이곳이 앞으로는 AI 반도체의 심장인 최첨단 HBM 거점으로 변모할 것"이라고 강조했다.

메모리·파운드리 함께 키운다…2.5D·3D 기술 고도화

삼성전자는 HBM 자체의 후공정뿐 아니라 연산 반도체와 메모리를 하나로 결합하는 첨단 패키징 기술도 강화하고 있다.

AI 반도체는 그래픽처리장치(GPU)가 방대한 데이터를 연산하고 HBM이 필요한 데이터를 빠르게 공급하는 구조다. 두 반도체를 효율적으로 연결해야 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높일 수 있다.

삼성전자는 GPU와 HBM을 실리콘 인터포저 위에 나란히 배치하는 2.5차원(2.5D) 패키징 '큐브-S(Cube-S)'를 비롯해 실리콘 브리지 기반 '큐브-E(Cube-E)', 재배선층(RDL) 기반 '큐브-R(Cube-R)' 기술을 확보하고 있다.

이재용 삼성전자 회장이 1일 일본 요코하마에 위치한 삼성전자 첨단 반도체 패키징 연구거점(Advanced Package Lab·APL)에서 카와히라 히로이치 삼성전자 DS 리서치 재팬 연구소장(부사장, 이 회장 왼쪽), 카리야 다카시 APL 랩장(상무) 등과 함께 패키징 기술 현황을 점검하고 있다. [사진=삼성전자]

3차원(3D) 패키징 분야에서는 열압착접합(TCB) 방식의 '큐브-T(Cube-T)'와 하이브리드 구리 본딩을 적용하는 '큐브-H(Cube-H)'를 개발하고 있다. 특히 큐브-H는 칩 사이 연결 간격을 6마이크로미터(㎛) 이하로 줄이는 기술이다.

삼성전자의 강점은 메모리와 파운드리, 첨단 패키징을 모두 보유하고 있다는 점이다. 고객이 원하는 연산 반도체를 생산하고 HBM과 결합해 공급하는 일괄 생산, 이른바 '턴키(Turn-key)' 사업이 가능한 구조다.

이재용 회장도 기술 확보를 직접 챙기고 있다. 지난 6월 천안사업장에서 HBM 후공정을 점검한 데 이어 이달 1일에는 일본 요코하마의 첨단 패키징 연구거점인 어드밴스드 패키지 랩(APL)을 방문했다. 삼성전자는 이곳에서 하이브리드 본딩과 유리기판 등 차세대 기술을 연구하고 있다.

TSMC는 3D 패키징 확대…인텔도 추격

글로벌 첨단 패키징 시장에서는 대만 TSMC가 앞서고 있다.

TSMC는 칩온웨이퍼온서브스트레이트(CoWoS) 기술을 활용해 엔비디아 등 주요 고객사의 AI 반도체를 생산하고 있다. CoWoS는 GPU와 HBM을 하나의 패키지에 결합하는 2.5D 패키징 기술이다.

TSMC는 AI 반도체 수요 증가에 맞춰 CoWoS 생산능력을 확대하는 동시에 칩을 수직으로 쌓는 3D 패키징 기술인 '시스템온인티그레이티드칩(SoIC)'도 고도화하고 있다.

TSMC의 첨단 패키징 플랫폼 '3DFabric' 구성도. 칩을 수직으로 적층하는 'SoIC'와 로직칩·고대역폭메모리(HBM)를 연결하는 'CoWoS', 재배선층(RDL)을 활용하는 'InFO' 등을 포함한다. [사진=TSMC 홈페이지 캡처]

미국 인텔 역시 반도체를 수직으로 쌓는 '포베로스(Foveros)'와 실리콘 브리지로 칩을 연결하는 'EMIB' 기술을 앞세워 첨단 패키징 사업을 확대하고 있다.

삼성전자는 메모리와 파운드리, 패키징을 모두 보유한 강점을 활용해 이들과 경쟁한다는 전략이다. 다만 TSMC가 주요 AI 반도체 고객사와 구축한 생태계를 추격하려면 기술 완성도와 수율, 대규모 양산능력을 입증해야 한다.

온양 투자를 통한 HBM 경쟁력 강화와 차세대 패키징 기술 확보가 실제 고객 수주로 이어질지가 삼성전자의 향후 과제다.

/박지은 기자(qqji0516@inews24.com)