'반도체 신경망' 기판…삼성전기 주력사업 뜨는 FC-BGA

[이데일리 조민정 기자] “반도체 칩은 메인보드에 바로 붙일 수가 없어요. 여기서 ‘중간다리’ 역할을 하는 게 기판입니다. 그중에서도 FC-BGA(플립칩 볼 그리드 어레이)는 전력 손실을 줄이고 성능을 높인 우수한 기판입니다.” (황치원 삼성전기 패키지솔루션 상무)

반도체 칩의 ‘혈관’으로 불리며 신경망 역할을 하는 기판은 없어서는 안 될 중요한 부품이다. 반도체는 회로가 워낙 작은데, 메인보드 회로를 반도체보다 미세하게 만드는 것은 거의 불가능하다. 기판이 없으면 서로 연결이 불가능한 셈이다. 최근 인공지능(AI), 전기차 등으로 반도체 기술이 고도화하면서 반도체 기판도 최첨단 기술이 구현되고 있다.

반도체 기판을 현미경으로 확대한 모습. 손가락이 가리키는 머리카락과 비교했을 때 반도체 기판의 회로는 20분의1 수준이다.(사진=조민정 기자)

삼성전기는 지난 22일 서울 중구 삼성전자 본관에서 FC-BGA 제품 학습회를 열고 기술 전망을 소개했다. 삼성전기는 전자산업의 ‘쌀’로 불리는 적층세라믹콘덴서(MLCC) 외에 반도체 기판, 카메라모듈 등이 주력 사업이다.

FC-BGA는 반도체 칩을 뒤집고(FC·플립칩) 공 모양의 솔더볼을 붙여(BGA·볼 그리드 어레이) 기판에 부착하는 방식이다. 전통적인 기판 방식은 반도체 칩 가장자리에만 메인보드와 연결하는 선을 붙일 수 있어서 면적 활용에 한계가 있었다. 이것을 또 구리 선으로 연결하다 보니 속도가 느렸다. FC-BGA처럼 칩을 뒤집으면 모든 면적을 활용할 수 있는 데다 솔더볼로 직접 칩과 기판을 연결할 수 있어, 속도는 빨라지고 저전력 구현이 가능해진다.

반도체와 기판을 잇는 기존 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식(왼쪽)과 FC(플립칩) 방식.(사진=IBK투자증권)

FC-BGA는 반도체 기판 중에서도 어려운 기술이 요구되는 방식이다. 최근 기술 고도화로 반도체 칩은 기판에 들어가야 하는 수량이 많아지고 있다. 회로에서 이동하는 신호들의 속도가 빨라지면 노이즈가 발생하는데, 여기서 전송 손실이 발생한다. 전력 소모도 커지는데, 이는 곧 발열로 연결돼 성능을 떨어뜨린다.

반도체 칩뿐 아니라 기판 역시 전력 문제는 골칫거리다. 기판이 필요로 하는 전력량은 300~800W(와트) 정도이지만 곧 1000W(1 kW, 1키로와트)를 넘어설 전망이다. 이는 10인용 밥솥으로 밥을 지을 때 들어가는 전력량으로 작지 않은 수준이다.

삼성전기는 △대면적 평탄도 확보 △미세회로 기판 개발 △신규 자재 개발 △수동소자 임베딩 등 기술을 통해 기판에 요구되는 사항들을 충족하고 있다. 까칠한 패턴을 매끈하게 만들어 전기 신호가 매끄럽게 이동하도록 했고, 기판 내 캐패시터(축전기) 임베딩을 통해 경쟁력을 강화했다.

삼성전기 관계자는 “클라우드 시장 성장에 따른 고성능 서버 및 네트워크, 자율주행 등 하이엔드 반도체기판 시장에 집중해 (2년 내인) 오는 2026년까지 고부가 FC-BGA 제품 비중을 50% 이상 확보할 계획”이라고 말했다.

FC-BGA를 모형으로 구현한 모습.(사진=조민정 기자)

삼성전기는 일본과 대만이 앞서 있는 기판 시장에 뒤늦게 뛰어들었지만 자사의 차별화된 기술력으로 앞서 가고 있다. 특히 애플, 구글, 마이크로소프트(MS) 등 글로벌 빅테크 기업들이 자체 반도체 칩을 개발하는 추세가 기판 시장엔 기회로 작용하고 있다.

황치원 삼성전기 패키지솔루션 상무는 “엄밀히 말하면 후발주자가 맞지만 현재 삼성전기가 기판에서 강점을 갖고 있는 분야에선 선두를 달리고 있다”며 “전장용 기판에서 고객사들이 요구하는 신뢰성이 서버용보다 높은데 삼성전기의 전장용, 서버용 등 모든 기판은 모두 전장용에서 요구하는 것보다 신뢰성이 높다”고 말했다.

반도체와 메인보드를 연결하는 솔더볼(Solder Ball) 모형.(사진=조민정 기자)

황치원 삼성전기 패키지개발팀장 상무가 반도체패키지기판을 소개하고 있다.(사진=삼성전기)