세계 반도체 수탁생산(파운드리) 1위인 대만 TSMC가 새로운 후공정 공장(팹) 건설을 마쳤다. 첨단 반도체 패키징(조립)과 테스트(검수) 공정으로, 최근 급증하는 인공지능(AI)을 비롯한 신규 수요에 대응한다는 전략이다. TSMC보다 6개월가량 앞서 3나노미터(㎚) 공정을 출시하며 전공정 경쟁력을 뽐낸 삼성전자도 후공정 부문에서도 기술 개발에 속도를 내며 치열한 경쟁을 예고하고 있다.

TSMC는 지난 8일 대만 먀오현에 신규 후공정 팹인 어드밴스드백앤드팹6(AP6)를 완공하고 운영을 시작했다. 지난 2020년 건설을 시작한 지 3년만이다. AP6가 가동에 들어가며 TSMC는 후공정을 담당하는 5개 공장을 갖추게 됐다. 신규 공장에는 고성능컴퓨팅(HPC)과 AI, 스마트폰용 애플리케이션 프로세서(AP) 등 첨단 반도체를 위한 후공정 설비가 들어섰다. 크기는 14만3000제곱미터(㎡)로 TSMC가 운영하는 후공정 공장 중 가장 넓다.

신규 공장 생산능력은 12인치 반도체 원판(웨이퍼) 기준 연간 100만개 이상이다. 테스트 수행 시간은 연간 1000만 시간이 넘는다. TSMC는 지능형공장(스마트 팩토리) 기반 자동화 기술을 사용해 생산성도 기존 시설보다 크게 개선했다고 설명했다.

반도체 생산 과정은 크게 전공정과 후공정으로 구분된다. 전공정을 통해 웨이퍼가 화학적 처리를 거치며 전기가 흐르는 회로를 새기게 된다. 이후 후공정을 거치며 완제품으로 조립되고 검수받는다. 구체적으로 웨이퍼에서 각 칩을 떼어내 조립하는 과정을 패키징이라고 하며, 완성된 반도체를 최종 검수하는 공정이 테스트다. 최근에는 전공정을 통한 반도체 미세화 난도가 높아지면서 후공정 중 패키징을 고도화해 성능을 높이는 방안이 주목받고 있다. 시장조사업체 욜디벨롭먼트에 따르면 첨단 패키징 시장은 2021년 374억달러(약 48조원)에서 오는 2027년 652억달러(약 84조원)로 성장할 전망이다.

파운드리가 생산하는 시스템반도체는 다양한 용도에 맞춰 다품종소량생산으로 제작된다. 그만큼 패키징 기술도 반도체 종류마다 다르게 진행된다. 여기에 반도체 크기는 줄이면서도 성능을 높이기 위해 고객사를 중심으로 많은 칩을 수직으로 쌓는 3차원(3D) 패키징 등 차세대 기술에 대한 주문도 증가하는 추세다. TSMC가 신규 후공정 공장을 마련해 생산능력을 확대하고 관련 기술 개발에 나서는 배경이다.

TSMC가 마련한 신규 팹에서는 적층 패키징 기술인 '시스템 온 인터그레이티드칩(SoIC)' 공정이 운영된다. 칩을 수직으로 쌓는 과정은 동일하지만 세로 간격을 종전 5분의 1 수준까지 줄여서 전송 속도를 높이고 소비 전력을 줄였다. 현재 TSMC는 SoIC를 포함해 다양한 패키징 기술을 통합해 '3D패브릭(Fabric)'이라는 이름으로 제공하고 있다. 목적과 성능별로 다양한 시스템반도체 고객사 수요를 겨냥해 고객 맞춤형 패키징 서비스를 갖추기 위해서다.

삼성전자 역시 TSMC를 추격하기 위해 후공정 패키징 분야에서도 기술 개발에 속도를 내고 있다. 회사는 지난 2020년 자체 3D 적층 기술인 엑스큐브(X-Cube)를 공개했고, 이종집적 기술로는 이듬해 '아이큐브(I-Cube)4'를 내세우고 있다. 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU) 등 연산 반도체와 고대역폭메모리(HBM) 4개를 한 반도체처럼 동작하게 해 성능을 대폭 확장했다.

올해 초에는 어드밴스트패키징(AVP) 사업팀을 새로 출범하며 기술 투자에 집중하고 있다. 한 번에 패키징하는 HBM 수를 기존 4개에서 8개, 12개 이상까지 확장하는 방향으로도 개발이 진행되고 있다.

삼성전자가 급증하는 첨단 반도체 수요에 발맞춰 신규 패키징 설비를 갖출 가능성도 있다. 현재 국내 삼성전자 온양캠퍼스와 천안캠퍼스 등 두 곳에서 후공정을 담당하고 있다. 지난 2월 이재용 삼성전자 회장이 방문해 차세대 패키징 경쟁력과 중장기 사업 전략 등을 점검하기도 했다.