반도체 PCB 와 패키지 기판 산업의 이해와 관련 기업 정리

반도체 칩은 갈수록 미세화되고 고집적화 되면서 반도체 후공정에 대하여 중요도가 한층 올라 가고 있다. 이번 포스팅에서는 반도체 PCB와 패기지 기판 산업에 대해 알아보고 관련 기업에 대해 정리해 보았다.

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기판의 이해

기판은 크게 경성 기판(Rigid PCB), 연성 기판(Flexible PCB), 패키지 기판(Substrate)으로 구분하며, PCB는 인쇄회로기판(PRINTED CIRCUIT BOARD) 이라 한다.

반도체 칩은 단독으로 작동할 수 없다. 그 기능을 수행하기 위해서는 PCB에 탑재되어 전기적으로 연결되어야 한다. 아래 그림에서와 같이 순서는 반도체 칩 -> 패키지 기판(Substrate) -> PCB 순으로 연결된다. 반도체 칩을 PCB에 탑재하기 위해서 징검다리 역할을 수행하는 패키지 기판이 필요하다.

**반도체 칩과 패키지 기판 간의 연결 방법 구분 (출처 하나금융투자)**

반도체 칩과 패키지 기판 연결 방법

패키지 기판과 반도체 칩을 연결하는 방법은 다음과 같이 크게 3가지로 분류된다. (위 그림 참고)

a) 와이어 본딩(WB): WB는 얇은 금속선을 사용해 반도체 칩 상단의 패드와 패키지 기판의 단자를 연결하는 방법이다.

b) 테이프 자동 결합(TAB): TAB는 유연한 테이프를 사용하여 칩을 패키지 보드에 연결하고 PCB에 장착하는 동안 자동으로 리드를 절단하는 방법이다.

c) 플립 칩 본딩(FCB): FCB는 칩 상단 표면에 범프를 만든 다음 칩을 뒤집어 패키지 보드의 터미널에 직접 연결하는 방법이다. 이 방법을 사용하면 연결 지점 수가 많아져 고기능 반도체 칩을 위한 방법으로 사용되고 있다.

FCB 공정

FCB(Flip Chip Bonding) 공정에서는 반도체 칩 윗면에 다른 금속이 확산되는 것을 방지하기 위한 배리어메탈로서 티탄 혹은 백금을 스퍼터링한 후에 범프를 형성한다. 그런 다음 칩을 뒤집고 가열과 압력을 통해 범프를 패키지 보드의 단자에 연결한다. 절연 수지는 언더필 공정인 갭을 채워 응력과 변형을 줄이면서 열 특성을 향상시킵니다.

FCB의 장점은 다음과 같습니다.

연결 접점 증가 (기판과 연결할 수 있는 금속 패드들의 수가 기하급수적으로 증가)
사이즈 축소
Wire Bonding에 사용되는 수십 μm의 와이어 길이보다 약 10배 이상 짧다. 이로 인해 고속 신호 처리가 가능하기 때문에 고성능 반도체 칩과 RF 분야에서 선호도도 높다.
와이어 가격 변동성으로부터 상대적으로 자유롭기 때문에 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
와이어를 보호하지 않아도 되어 칩 뒷면 효율적인 냉각

패키지 기판과 메인 PCB 간의 접속 방법

반도체 기판과 메인 PCB 간의 결합 방식은 크게 DIP, QFP와 같이 리드 프레임을 사용한 경우와 리드프레임에 의한 불필요한 공간을 줄이고, 전기적 신호 특성을 높일 수 있는 BGA(Ball Grid Array) 등이 있다. DDR2부터 패키징 과정에서 리드프레임이 아닌 BGA를 사용하게 되었다.

a) BGA(Ball Grid Array): BGA는 솔더볼을 사용하여 메인 PCB에 연결되므로 속도와 전기적 성능이 뛰어납니다. 이는 집적 회로의 크기를 줄이지만 열적 및 기계적 스트레스에 민감하여 자동차와 같은 분야에서는 잘 사용되지 않는다.

반도체 칩을 보호하는 패키징 소재에 따라 PBGA(Plastic), CBGA(Ceramic), TBGA(Tape)로 분류된다.

a-1) FC(Flip Chip)-BGA(Ball Grid Array): 반도체 칩과 패키지 기판을 플립칩으로 연결해 메인 PCB에 BGA방식으로 연결하는 방법이다. 주로 PC 및 서버의 CPU향 패키지 기판으로 사용되고 있다.

b) CSP(Chip Scale/Size Package): BGA와 패키지 방식 자체는 유사한 기판이다. FBGA(Fine pitch BGA)로 부르기도 한다. 단어 그대
로 반도체 칩과 최대한 유사한 사이즈로 패키지한 것을 말한다. CSP는 주로 NAND향 패키지 기판으로 사용되고 있다.

b-1) FC-CSP(Chip Scale/Size Package): FC-BGA보다 크기에 제약이 있는 모바일 기기 중심으로 채택되는 경우가 많다. 스마트폰의 AP와 인터포저(Interposer)에 주로 사용되는 패키지 기판이다.

c) BOC(Board on Chip): DRAM이 고사양화 됨에 따라 발생하는 열과 전기적 성능 문제에 효율적으로 대응할 수 있다. 칩의 I/O 슬롯이 일반적인 반도체와 달리 중앙에 배열되어 있어 Wire-Bonding 또한 기판 중앙에 위치한다. 칩과 기판 간의 거리가 단축되기 때문에 신호 손실이 최소화되는 장점이 있다. I/O 핀 수의 다양화와 칩의 수직 적층도 가능하여 고속화 및 대용량화가 용이하다.

d) SiP(System in Package) 및 MCP(Multi Chip Package): 2개 이상의 반도체 칩을 하나의 패키지에 탑재하는 기술이다.

SiP는 와이어 본딩과 Flip Chip 범프의 복합기술로 칩의 수직 적층과 다른 기능의 칩을 병렬로 배열해 초경량 초소형의 반도체 기능을 확보하는 것이 가능하다. 주로 RF관련된 반도체 칩에 활용되고 있다.
MCP는 박판의 기판위에 50~80um의 얇은 칩을 여러 개 수직으로 적층하여 용량과 성능을 증가시킨 구조다. 웨이퍼를 얇게 하는 기술과 얇은 칩을 적층하고 와이어 본딩하는 기술이 필요하다. 모바일 기기에 탑재되는 메모리에 사용된다.

e) AiP(Antenna in Package): 송수신 칩셋부터 필터, 전력증폭기 등의 다양한 전자부품과 통신모델을 하나의 안테나 패키지로 통합한 기판 솔루션이다. 2020년 애플의 아이폰 12(28Ghz, mmWave)에 처음으로 채택되었다.

AIP 단면도 (출처 대신증권) — **AiP 단면도 (출처 대신증권)**

PCB 종류

PCB(Printed Circuit Board)는 에폭시 수지의 절연판 위에 동박을 입혀 회로를 형성하고 그 위에 반도체와 저항기, 콘덴서 등의 전자부품을 실장하여 각 부품들을 전기적으로 연결해 주는 기판을 말한다.

a) HDI(High Density Interconnection): 배선의 폭을 줄여 배치 밀도를 높인 고성능 PCB를 말한다. PCB 패턴을 형성한 후, 차례로 쌓아 올려 적층하는 제조 공법으로 만들어진다. 스마트폰 메인기판으로 사용된다.

b) MLB(Multi Layer Board): 한정된 공간에 많은 배선을 배치하기 위해 층수를 증가시킨 PCB를 말한다. 고밀도의 회로 설계가 가능하며 PCB 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 제작비용이 비싸고, 회로 설계 후 변경이 곤란하며, 제조공정이 비교적 긴 편이다. 서버, 통신장비에 사용된다.

c) FPCB(Flexible PCB): 연성 소재인 폴리이미드(Polyimide)로 만든 PCB이다. 얇고 잘 구부러지는 특성 덕분에 기존에 구현하지 못했던 3차원 배선 구조를 실현, 전자제품의 소형화 및 경량화를 가능케 했다. 스마트폰, 카메라, 노트북 등의 중소형 전자제품에 널리 쓰이고 있다. 형태에 따라 Single/Double Side, Multi, RF-PCB로 구분한다.

PCB 와 패키지 기판 전방 산업 과 관련 기업

PCB 산업은 HDI 축소, 연성PCB 부진하나 패키지 부문만 고성장

한국 PCB 업체는 여러 업체가 경쟁했던 HDI, 연성PCB 분야에서 철수(사업 정리)가 진행되고 있다. 반면에 대규모 투자와 반도체 기술(MSAP)을 수반한 반도체 기판(Package Substrae) 사업으로 전환하고 있다. 다양한 PCB 포트폴리오 보유보다 경쟁력(가격 + 기술)을 보유한 선택적 PCB 사업을 선택하고 있다.

삼성전기와 LG이노텍은 HDI 사업을 중단한 이후에 반도체 기판만 영위하고 있다. 대덕전자는 양/단면, HDI 중심의 사업을 중단하였으며 반도체 기판, 연성PCB, MLB(통신장비) 사업을 영위하고 있다. 점차 연성PCB 사업을 축소할 것으로 예상, 반도체 기판도 메모리 중심에서 비메모리 비중을 확대하고 있다. 심텍은 메모리모듈 중심에서 FC CSP, MCP, SiP 등 다양한 비메모리 계열의 반도체 기판 매출이 증가하고 있다. 코리아써키트는 FC BGA 시장 참여로 반도체 기판 사업을 확대하고 있다.

패키기 기판 전방산업

기업별 주력 제품 및 실적

구 분	매출			영업이익			주력제품
구 분	2021	2022	2023	2021	2022	2023	주력제품
삼성전기	16,792	20,883	17,174	2,622	4,646	1,766	FC BGA, FC CSP, SiP, AiP MCP
LG 이노텍	15,701	16,937	13,221	3,628	3,762	1,255	FC CSP, SiP, AiP, MCP
대덕전자	10,009	13,162	9,097	725	2,325	237	FC BGA, FC CSP, MCP, CPS / RF PCB
심텍	13,658	16,975	10,419	1,743	3,524	-881	FC CSP, BOC, CSP, MCP
비에이치	10,369	16,200	12,716	711	1.313	847	RF PCB
코리아써키트	7,024	8,601	7,061	–	–	–	FC BGA, BOC, MCP / HDI
인터플렉스	4,470	4,427	4,381	31	260	216	RF PCB

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