Advanced Packaging은 기판산업을 어떻게 바꾸고 있는가?

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엔비디아의 AI용 GPU와 Chat GPT로 인해 2.5D Packaging에 사용되는 Chiplet 구조가 엄청난 주목을 받고 있다. 아래 장표로만 봐도 칩렛의 성장성이 굉장한 것을 알 수 있다.

하지만 Chiplet이라는 것이 주목받기 시작한 것은 꽤 오래되었다. 미세화로 인한 한계와 고비용 구조로 인해 무어의 법칙이 무너지며 후공정쪽에서의 효율을 찾기 시작했다.

위 장표와 같이 선단노드를 개발할때마다 천문학적인 돈이 들기 시작했고 결과는 AVP에 더 많은 투자를 이끌어 내고 있다.

기존 단순히 Chip이 PCB 메인 기판에 올라갔던 구조에서2.5D 구조로 HBM, GPU, CPU 등이 함께 실장되며 실리콘 인터포저가 적용되고 있고 이에 따라 FC-BGA도 점점 대면적으로 발전하고 있다.

따라서 칩의 크기는 점점 커지고, 연결해야할 회로의 수(I/O)가 많아짐에 따라 Ball간의 Pitch도 점점 좁아지고 있는 추세로 가고 있다.

앞으로 FC-BGA 기판의 발전은 더 넓게, 더 조밀한 Ball을 갖도록 발전하게 될 것이다.

실제로 Yole에서 예측한 자료를 보아도 I/O Ball 개수는 3천개 이상으로 증가하고, Pitch는 좁아지며, Package Size는 커지는 것을 알 수 있다.

출처: Yole

 

2.5D 칩렛구조가 그럼 FC-BGA의 대면적화를 실제로 이끌고 있을까?

 

1) 엔비디아

서버용인 H100과 A100을 보면 800mm2 이상의 Die size를 가지고 있다. GPU Chipset의 크기만 이정도이니 함께 실장되는 HBM과 다른 부품들 면적까지 고려하면 더 큰 면적을 가질 것이다.

출처: Semi analysis

A100의 경우 FC-BGA 패키지 기판의 면적은 3,025mm2이다.

 

2) 인텔

HBM이 적용된 인텔의 사파이어 래피즈 Die Size 400mm2.
해당 구조에서는 CPU Chipset 4개와 4개의 HBM이 함께 패키징되며 전체 패키징 사이즈는 5,700mm2 / 표준구성인 사파이어 래피즈도 4,446mm2.

EMIB Pitch는 55um, Core Pitch 100um. 

인텔 GPU인 폰테베키오 역시 Base Die 650mm2, 패키지 면적 4844mm2.

 

3) AMD

AMD 역시 엔비디아의 H100을 겨냥해 MI300과 MI300X를 출시했다. MI300의 특징은 HBM3를 8개를 실장함으로써 연산속도를 늘리려고 하고 있다.

출처: https://twitter.com/Locuza_/status/1611048510949888007

MI300이 아직 공개되지는 않았으나 프로토타입 측정을 통해 패키지 다이의 크기가 5,429mm2에 근접한다는 것을 알 수 있다.

 

4) 삼성전자

삼성전자의 경우 I-Cube라는 2.5D Chiplet의 수주를 위해 고군분투 중에 있다. 특히 AMD와 엔비디아향 GPU 물량을 따내야만 하는 상황이다.

HBM 탑재량이 계속 증가하면서 아이큐브4 -> 아이큐브8 -> 아이큐브12로 가면서 점점 더 넓은 기판 면적이 필요해지고 있다.

아이큐브4: 패키지 기판 4,225 mm2
아이큐브8: 패키지 기판 7,225 mm2
아이큐브12: 패키지 기판 7,225 mm2

이처럼 앞으로 더 성능이 좋은 칩을 위해 HBM 8개를 넘어 12개 이상 때려박는 괴물 칩들이 나올 것이고 이것은 인터포저 뿐 아니라 FC-BGA 면적을 늘리는 방향으로 가게될 것이다.

그렇기 때문에 AI GPU 붐이 커질수록 GPU, HBM 뿐 아니라 FC-BGA기판 중 하이엔드급 기판 역시 수요가 올라가게 된다. 

FC-BGA 기판의 스펙 역시 굉장히 다양하고 주로 어플리케이션별로 커스터마이징을 해서 공급을 하게된다.

전통적인 플립칩 패키징은 150~200um 수준으로 주로 PC용으로 사용.
최근엔 PC용 CPU나 GPU도 ~130um 수준까지 낮추고 하이엔드급 서버용 FC-BGA의 경우 Ball Pitch가 ~100um 내외 사용. 대부분의 1티어급 FC-BGA메이커는 100um 이하까지도 가능하다.

하이엔드 기판의 경우 I/O를 연결하기 위한 배선층도 더 복잡하고 많아져야하기 때문에 Layer도 함께 증가하게 된다.

일반적으로 PC/노트북향 Layer 8~10층, 하이엔드 서버향 Layer 16~22층으로 구성된다.
Server향은 PC향 FC-BGA 대비 면적은 3.6배, Layer는 2.5배 이상 크다. 이렇게 대면적+고다층으로 가면서 수율 역시 낮은 편이다.

당연하게도 AI용 GPU에 사용되는 FC-BGA는 하이엔드 서버급 FC-BGA가 사용된다.

출처: TSMC

TSMC의 장표에서도 보면 Flip Chip은 100~150 um의 피치가 사용됨을 알 수 있다.

글로벌 FC-BGA 플레이어들을 하나씩 살펴보면서 대면적 기판의 톤과 실제 Flip Chip의 Pitch와 같은 Product Spec을 비교해보면,

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1) 이비덴

현재 엔비디아 AI GPU용 FC-BGA를 Ibiden과 Unimicron이 주도적으로 공급하고 있는 것으로 알려져 있다.
동사는 현재 FC-BGA 글로벌 1위 MS를 가지고 있고 기술도 리딩하는 회사이다.

동사 IR자료를 보면 대면적 FC-BGA가 서버향으로 얼마나 빠르고 크게 성장하는지 한장으로 잘 보여준다.

출처: Ibiden

19년 수요를 100으로 가정했을때, Server의 대면전, 고다층의 FC-BGA 수요가 강하다.
동사의 경우 FC-BGA Bump Pitch, Layer등 상세 자료는 공개하고 있지 않지만, AI GPU용 기판을 공급하는 만큼 100 um pitch 이하의 기판을 생산하고 있을 것이라고 추정된다.

 

2) 신코

이비덴과 함께 하이퍼스케일러향 고다층 대면적 FC-BGA를 장악하고 있는 일본의 기판회사.

신코 역시 IR 자료에 다음과 같이 업황을 설명하고 있다.

"The market for cutting-edge semiconductors, particularly used for servers and other applications, is projected to expand significantly, driving increasing demand for semiconductors to achieve lager size, higher multi-layering, and ultra-high density fine wiring, in addition to higher functionality and speed as well as power saving. Demand for more advanced FC-BGA substrates that meet these needs is expected to increase dramatically. We are actively engaging in the development of next-generation FC-BGA substrates"

출처: Shinko

여기에 더해 신코는 si대신 유기 Interposer와 FC-BGA를 Integrated 시킨 제품을 개발중에 있다.

출처: Shinko

 

3) Unimicron

엔비디아 AI GPU 기판 메인 벤더중 하나인 대만의 Unimicron.

출처: Unimicron 홈페이지

Pitch 90 um까지 생산이 가능한 것으로 보이며, 역시 하이엔드 AI 서버향으로 알 수 있다.
패키지 기판의 사이즈도 굉장히 크며, 2.5D 칩렛에 사용된다고 밝히고 있다.

4) 삼성전기

이미 서버용 FC-BGA를 수주한 삼성전기도 비슷한 기술력을 보유하고 있다.

출처: 삼성전기 홈페이지

삼성전기는 현재 AMD향 서버용 CPU FC-BGA를 수주받아 생산중이며, 애플의 M2 프로세서 FC-BGA도 납품중이다. 기술력으로만 보면 삼성 파운드리가 엔비디아향 GPU를 수주하게 된다면 함께 들어갈 확률이 높다.

 

5) AT&S

오스트리아의 FC-BGA 기업으로 동사역시 엔비디아향으로 FC-BGA를 공급하고 있다.
모든 기판회사들이 서버와 HPC/AI에서 강력한 성장이 나올 것으로 예측하고 있다. 고성능의 칩렛이 요구될수록 더 많은 I/O수가 필요하므로 기판은 더 넓게, 더 두껍게 제작이 되어야 한다.

 

6) Nanya PCB

난야 또한 대만의 FC-BGA 플레이어이다.

그리고 난야 역시 110 ~ 90 um 수준의 Bump Pitch, 20L 이상의 FC-BGA Spec.을 제시하고 있다.

 

7) 교세라

일본의 또 다른 기판 Player인 교세라도 FC-BGA를 100 um으로 Product Spec.을 가지고 있다.

역시 사용처도 비슷.

 

8) Toppan

여기도 2티어급 일본 기판회사로 FC-BGA 사업을 영위하고 있다.

역시 Server, AI, ASIC 기반의 Network에서 수요가 강하다고 한다.

Spec.도 100 um 언저리.

 

9) 대덕전자

대덕전자는 아직 서버급 하이엔드 FC-BGA로는 진입을 하지 못했다.

다만 이미 기술력은 갖춘 상태로 Amkor와 퀄 테스트를 받고 있는 것으로 확인되며, 20L 이상의 100mmx100mm의 기판 생산능력도 확보한 것으로 알려져 있다.

 

이 외에도 다양한 기판회사가 있고 주요 FC-BGA 플레이어들은 20~22년 폭풍 증설을 했다. 그만큼 FC-BGA의 수요가 강해지고 있고, 그동안 과소평가로 인한 것도 있다. 

하나 증권 자료를 참조하면 Flip-Chip과 Chiplet의 성장세가 가파른 것을 확인할 수 있다.

최근 반도체 업황에서 변곡점이 엔비디아의 AI GPU에 의해 만들어졌는데, AI GPU의 병목이 CoWoS라는 2.5D Chiplet Packaging에 기인한 것이다.

따라서 파운드리 뿐 아니라 글로벌 OSAT에서 AVP에 대한 투자를 엄청나게 하고 있고, AVP Capa에 대한 투자는 고스란히 FC-BGA 대면적 기판으로 갈 것이다.

특히 AVP에서 가장 앞서있는 TSMC의 경우 엔비디아 GPU의 출하를 맞추기 위해 CoWoS Capa를 YoY로 100% 이상의 성장을 보여주고 있다. 엔비디아 H100 GPU의 YoY 성장은 CoWoS의 Capa에 달려있다 해도 과언이 아니다.

결론적으로 AI향 하이엔드 GPU 시장의 성장의 낙수 효과는 CoWoS라는 Chiplet 구조의 AVP 관련 장비 밸류체인에 엄청난 붐을 불고 왔다. 그리고 GPU의 성능을 위해 필수적으로 들어가는 HBM 관련 밸류체인이 뜨거웠다.

위 자료에서 봐왔듯 1) 대면적 2) 고다층 이라는 트렌드는 앞으로도 지속될 것이다.

그리고 앞으로 HBM 탑재량이 계속해서 증가하면서 기판은 계속 커질 것이다. 현재는 텍스트 기반의 생성형 AI가 많지만 계속해서 멀티모달로 나아가고 있고 그럴수록 더 고성능의 GPU가 필요해질 것이다.

출처: TSMC

 

엔비디아의 차기작 B100은 H100보다 더 대면적으로 알려져 있고 차차기작은 더 큰 면적을 가질 것이다.

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투자 아이디어를 떠올려보면,

당연히 HBM과 AVP 관련 장비 밸류체인이 좋을 것이다.

그리고 대면적 고다층을 검사하기 위한 소켓 역시 수혜를 입을 것이다.

물론 대면적을 검사하기 위한 검사 장비 역시 수혜를 입을 수 있다.

마지막으로 FC-BGA 기판 회사 중 서버향에 진입 성공한 회사와 그 회사에 마이크로 솔더볼을 공급하는 회사 역시 수혜를 입을 수 있다. (면적이 넓어지고 피치가 줄어들면서 MSB는 더 많이 사용된다.)

특히 FC-BGA 플레이어의 경우 메모리 업황과 맞물려 양쪽에서 성장을 이룰 수 있다고 생각한다.

반도체의 기나긴 다운턴이라는 암흑 터널을 거의 다 지나가고 있다고 생각이 든다. 업사이클에 부품이나 소재 관련 밸류체인도 좋겠지만 새로운 수요가 붙는 기판쪽이 더 투자로 가치가 있다고 생각한다.

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