스마트폰 등 모바일 디바이스용 반도체 패키지 기술 동향이 큰 전환기를 맞이하고 있다. 현재 FCCSP/PoP를 바꿀 신기술로 TSV(실리콘 관통 비아)를 활용한 2.5D/3D 패키지 기술이 주목을 받은 지 오래다. 하지만 본격적으로 보급하기에는 고비용의 한계를 넘지 못했다. 이 가운데 애플이 채용한 FOWLP가 새롭게 각광을 받고 있다.
모바일 디바이스에 그 동안 활용됐던 반도체 기술을 대체할 FOWLP(Fan-Out Wafer Level Package, 이하 팬아웃)에 대해 적극적으로 채용하려는 움직임을 보이고 있다.
일반적으로 WLP(Wafer Level Package)는 패키지 I/O(Input/Output) 단자를 모두 칩 안쪽에 배치해야 한다. 즉 칩 사이즈가 작아지면 볼 크기와 피치 역시 줄여야하는데, 이때는 표준화된 볼 레이아웃을 사용할 수 없게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 칩 바깥에 패키지 I/O 단자를 배치시키는 기술이 바로 팬 아웃 웨이퍼 레벨 패키지(FOWLP: Fan-Out Wafer Level Package)다. 이 경우, 칩 크기가 작더라도 표준화된 볼 레이아웃을 사용할 수 있다(반도체 패키징 공정기술의 이해와 전망, 김병욱 전북테크노파크, 2015).
김병욱 전북테크노파크 책임연구원은 “FOWLP는 패키지 공정이 간단하고 두께를 얇게 구현할 수 있어서 BGA보다 소형화와 박형화가 가능하고 열 특성과 전기적 특성이 우수해 모바일 제품에 적합하다”며 “경박단소형의 장점이 있는 FOWLP는 초기 I/O 150~250 핀의 집적회로를 시작으로 점차 300 핀 이상의 집적회로로 확대될 것으로 예상되며, 적용 소자도 베이스밴드와 아날로그 집적회로, RF(Radio Frequency) 소자에 적용되기 시작해 AP(Application Processor)와 PMU(Power Management Unit)에 확대 적용될 것”이라고 밝힌 바 있다.





FCCSP의 한계 넘어설 FOWLP
지난해 말 소문으로만 무성했던 애플의 팬아웃 기술 채용 소식이 실제화되면서 차세대 반도체 패키지를 둘러싼 산업 환경은 단번에 국면이 달라졌다. 애플(Apple)이 아이폰 7에 팬아웃 기술을 접목한 반도체를 채용할 것이라는 보도에 ‘팬아웃(Fan-out)’에 대한 관심이 고조되고 있는 것이다.
애플은 기존 FCCSP의 문제(기판의 고비용, 저배화의 한계)를 극복하기 위해 FOWLP의 가능성에 주목했다. 팬아웃은 반도체 패키지 공정의 하나로, 칩을 인쇄회로기판(PCB)이 아닌 실리콘 웨이퍼에 직접 실장하는 기술이다. 즉 PCB가 필요 없기 때문에 스마트폰의 제조단가를 낮추고, 기존보다 더 얇게 만들 수 있다는 장점이 있다.
애플은 팬아웃 기술을 먼저 다양한 주파수 대역 신호를 안테나 하나로 송수신할 수 있도록 스위칭 기능을 제공하는 안테나 스위칭 모듈(ASM) 칩에 도입하고 애플리케이션 프로세서(AP)에도 적용할 계획이다. 스마트폰 주요 부품에 팬아웃 기술을 적용하는 것은 이번이 처음이다. 이는 단순한 패키지의 박형화가 아닌, 반도체 실장 기술의 일대 전환점이 될 가능성이 크다. AP의 경우 현재 플립 칩(FC) CSP 형태로 패키징돼 있는데, 그 위에 DRAM 패키지를 적층하는 PoP(Package on Package)가 주류를 이뤄왔다.
여기서 주목할 부분은 애플의 A10 프로세서 생산을 대만의 TSMC에서 독점으로 공급하기로 했다는 점이다. TSMC는 전통적으로 웨이퍼 프로세서를 수탁, 생산하는 파운드리 기업이지만, 최근에는 첨단 패키지 영역으로의 진출에 매우 의욕적이었다. 그 대표적 사례가 바로 ‘InFO(Intergrated Fan Out)’라 불리는 독자적인 팬아웃 기술이다.
TSMC는 2014년 11월에 퀄컴이 소유하고 있던 대만 타오 위안에 위치한 디스플레이 공장을 인수했다. 그리고 2015년 InFO의 대량생산체제 구축을 위한 장비를 구입하는 등의 움직임을 보였다. 현재 TSMC는 InFO 생산라인 장비 도입을 거의 마무리한 상태다. TSMC가 아이폰의 SoC인 A10 프로세서 공급을 수주한 데에는 역시 이 기술과 생산체제 구축이 주효했을 것이다.
TSMC는 원래 InFO를 2015년 20 nm 공정에 채용하려 했다. 하지만 전략적 차원에서 애플 A10 칩 수주를 위해 2016년 16 nm FinFET 공정에 채용하는 것으로 수정했으며, 2017년에는 10 nm 공정에도 InFO 기술을 채용할 계획이라고 밝혔다.
대만의 MediaTek도 미래에 FOWLP의 전환을 시사했다. 2015년 1월 도쿄 빅사이트에서 개최된 ‘반도체 패키징 기술전’의 세미나에서 강연한 MeidaTek의 찰스 첸(Charles Chen) 박사는 최적의 비용으로 장치의 고도화 실현 측면에서 FOWLP의 중요성과 필요성을 언급한 것이다.
InFO가 특정 고객 및 용도에 한정되어 있다는 점은 반도체 패키지 기업들이 염두에 두어야 할 사항이다. 즉 이번 아이폰의 팬아웃 도입으로 향후 해당 분야에서 새로운 기업들의 참가는 물론이고, 스마트폰을 시작으로 웨어러블 디바이스로까지 팬아웃 기술이 확산될 것으로 보인다.