팹리스, 파운드리, 패키징을 알아?

우리는 주변에서 반도체에 관하여 많은 이야기를 들으며 살고 있다. 반도체는 현대 산업의 쌀이라고 말할 할 만큼 그 중요성이 점점 커지고 있고, 한나라의 미래가 반도체에 달려있다고 해도 과언이 아닌 세상에서 살고 있다. 반도체를 잘 만드는 나라가 미래의 기술 강국이 될 것이고 세계 경제를 지배할 것이라고 한다. 나라의 운명이 걸렸다고까지 말을 한다. 다행히 대한민국은 삼성과 SK하이닉스라는 대기업에서 반도체를 만들어내는 반도체 강국 중의 하나이다. 그런데 반도체산업은 우리나라가 강한 메모리 분야뿐만 아니라 비메모리 분야인 시스템반도체 분야도 있는데, 우리나라는 안타깝게도 메모리 분여는 세계 최고의 기술 강국이지만 비메모리 분야는 그렇지 못하다. 앞으로 우리나라가 나아갈 방향은 메모리 반도체 분야는 계속 선두를 유지하고 비메모리 반도체 분야를 발전시켜 세계 최고의 반도체 강국이 되는 것을 목표로 삼아야 한다. 여기서 우리는 팹리스, 파운드리, 패키징이라는 단어를 많이 들었으나 확실하게 그 뜻이 무엇인지 아는 사람은 많지 않을 것이라고 생각되어 지금부터 그것을 알아보고자 한다.

반도체란 무엇인가?

반도체는 전기를 잘 통하게 하는 도체와 전기가 흐르기 어려운 절연체의 중간 성질을 가지는 것을 뜻한다. 반도체는 평소에는 전기가 전혀 통하지 않지만 특수한 조건에서는 전기가 통하는 물질로 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 대표적이다. 반도체에 관한 자세한 내용은 양자역학의 설명이 필요하므로 여기서는 생략한다.

반도체 칩

메모리 반도체와 비메모리 반도체의 비교

대표적인 메모리 반도체
DRAM - 임시 기억 저장 장치로서 초고속 데이터 전송용 메모리로서 기억 밀도가 높고 가격이 저렴하다. 저장내용을 주기적으로 재생하지 않거나 전원이 사라지면 저장 내용이 사라진다. 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 주력 제품이다.
SRAM - 플리플롭 방식의 메모리 셀을 가진 임의 접근 기억 장치로서 컴퓨터의 캐시, 전자오락기 등에 사용되고 전원이 공급되는 동안만 저장된 내용을 기억한다. 소용량의 메모리가 캐시메모리에 주로 사용되고 고가이다. 
Flash Memory(비휘발성 메모리) - 디지털카메라 등 소형단말기에서 주로 사용되고 RAM의 정보수정과 ROM의 비휘발성 장점 모두 가짐
NAND Flash - 영구 저장 장치로서 SSD, USB 등에 사용
메모리 반도체는 보통 설계와 제조가 동일한 회사에서 이루어진다.

DRAM

대표적인 비메모리 반도체
시스템 반도체 : 계산 목적의 반도체로서 CPU, GPU, AP, DDI 등
광소자 반도체 : 이미지센서, LED

비메모리 반도체는 메모리 반도체와는 달리 설계와 제조가 분리된 경우 많다. 삼성전자와 SK하이닉스의 주력 제품은 D램 반도체였으나 2019년 삼성전자는 시스템 반도체에 133조 원 초대형 투자 프로젝트 계획을 발표했다.

비메모리 반도체 제조 산업(시스템 반도체 제조 산업)은 세계 반도체 사장 규모에서 메모리 반도체 제조 산업보다 몇 배가 크며, 대규모 자본이 필요하기 때문에 그 진입 장벽이 높아 거의 독점 산업이나 다름없다. 그래서 현재 대만의 TSMC와 한국의 삼성 두 회사가 세계시장을 이끌고 있다. 반도체는 크게 설계, 생산, 조립•검사, 유통 과정을 거쳐 탄생한다. 기업들 중에는 이 모든 역할을 수행하는 종합 반도체 기업(IDM)도 있고, 파운드리나 팹리스처럼 특정 역할을 전문적으로 담당하는 기업도 있다. 이 단계에서 우리는 팹리스, 파운드리, 패키징이라는 뜻을 알아보자.

팹리스 (Fabless)
팹리스는 반도체 설계를 전문적으로 하는 기업이다. 설계를 제외한 웨이퍼 생산, 패키징, 테스트 등은 모두 위탁 생산으로 진행되며, 위탁 생산을 통해 생산이 완료된 칩의 소유권이나 영업권은 팹리스에 있어 자사 브랜드로 판매한다. 팹리스는 대규모 자본이 드는 공장을 갖추지 않고 설계에 주력할 수 있는 비즈니스 모델이다. 반도체를 만드는 생산시설 없이 뛰어난 아이디어와 우수한 칩 설계 기술을 바탕으로 반도체 칩 개발에 집중한다. 따라서 다품종 소량 생산 형태로 기술적인 다양성을 갖는 시스템 반도체가 주로 팹리스의 형태를 가진다. 대표적인 업체로는 미디어텍, 브로드컴, 애플, 퀄컴, 엔비디아, AMD가 있다.

파운드리(foundry)
파운드리는 생산 공정을 전담하는 기업으로 자체 제품이 아닌 수탁생산을 주로 한다. 즉 반도체 생산설비를 갖추고 있지만 직접 설계하여 제품을 만드는 것이 아니라 고객으로부터 위탁받은 제품을 대신 생산해 이익을 얻는 것이다. 파운드리 기업은 자체적으로 IP(셀 라이브러리라고 하는 특정 설계 블록을 팹리스나 IDM, 파운드리 등에 제공하고 IP 사용에 따른 라이선스료, 로열티를 받는 기업)를 설계하기도 하며, IP회사들과 제휴를 맺어 고객들이 필요로 할 시 좋은 IP를 제공하기도 한다. 생산 전문 파운드리의 주 고객은 바로 팹리스, 시스템 반도체 회사이다. 반도체 생산을 위해서는 수조 원대의 막대한 시설 투자비용이 들고 고도의 생산기술이 필요해 반도체를 개발하는 모든 회사들이 반도체를 생산하기는 어렵기 때문이다. 파운드리는 이러한 수많은 팹리스 기업의 생산기지 역할을 수행한다. 대표적인 기업은 TSMC와 삼성이다.

세계 파운드리 시장 점유율

패키징(packaging)
패키징은 반도체 공정을 통해 만들어진 웨이퍼에 있는 수백 개의 칩은 외부와 전기신호를 주고받을 수 없으며, 외부 충격에 의해 손상되기도 쉽다. 이 칩을 낱개로 하나하나 잘라내어 기판이나 전자기기에 장착되기 위해 포장하는 작업을 말한다. 패키징 기업은 반도체 패키징 및 테스트 수탁기업으로 어셈블리 기업이라고도 불리며, 패키징 기업은 반도체 칩 포장을 전문으로 하는 곳이다. 폭넓은 의미에서 반도체 후공정 업계를 뜻하는데, 반도체 후공정은 크게 패키징, 테스트로 볼 수 있다. 패키징 공정을 마친 반도체는 완벽한 품질과 신뢰성을 위해 철저한 검사를 거친다. 고가의 전자 장비의 핵심 부품인 만큼 엄격한 신뢰성이 요구되기 때문이다. 반도체 기술이 고도화되며 제품의 속도가 빨라지고, 기능이 많아짐에 따라 열 문제는 점점 더 심각해지고 있어 반도체 패키지의 냉각 기능(Thermal Dissipation)이 중요해지고 있고, 고용량(High Density), 초고속(High Speed), 저전력(Low Power), 소형화(Small From Factor), 고신뢰성(High Reliability) 반도체 시장을 위한 최첨단 패키징 기술이 매우 중요하다, 우리나라의 삼성과 SK하이닉스에서도 후골정 기술인 패키징 기수 발전에 많은 투자를 하고 있다고 한다. 패키징을 잘함으로써 반도체의 사용 전력이 많이 감소될 수 있고 기능이 좋아지기 때문에 패키징 산업은 성장을 계속하고 있다.

반도체 패키징