삼성전자와 대만 tsmc

반도체 공정은 웨이퍼를 제작하고 회로를 식각하는 전 공정과 칩을 패키징하고 테스트하는 후 공정으로 나뉩니다. 최근에는 패키징 기술을 중심으로 한 반도체 후공정이 주목받기 시작했습니다. 반도체 미세화 경쟁이 한계에 다다랐기 때문입니다. 

삼성전자도 2030년 시스템(비메모리) 반도체 1위를 목표로 첨단 패키징에 투자를 집중하고 있습니다. 업계에서는 패키징 시장 수요가 아날로그에서 첨단 공정으로 전환되는 시점에 삼성이 TSMC를 제치고 1위 자리를 차지할 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.

차세대 반도체 리더십, '패키징 기술'에 달렸다

반도체 업체들의 개발 로드맵에는 최대 1.5㎚(나노미터-10억분의 1미터)까지 등장했습니다. 이는 반도체 미세화 기술 개발이 한계에 다다르고 있다는 것을 의미합니다. 최근 7나노 이하 반도체에 필수적인 극자외선(EUV) 장비를 구하기 어려워지고 있습니다. 또한 공정 단위가 높아질수록 수조 원 이상의 개발 비용이 투자되어야 합니다.

향후 반도체의 성능을 향상시키기 위해서는 패키징 기술 개발이 필수적입니다. 패키징은 다양한 종류의 반도체 칩을 하나의 기판에 효율적으로 집적하는 기술입니다.

외부 환경도 패키징 역량을 요구하는 방향으로 변화하고 있습니다. 최근 애플, 구글 등 전 세계 IT 기업들이 자체 칩 개발에 나서면서 고객 맞춤형 반도체를 제작하는 파운드리 패키징 업체들이 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 

또한 6G 기술, 자율주행차 등 새롭게 떠오르는 분야에서도 고성능 반도체가 요구되면서 패키징 기술은 필수 불가결한 요소가 되었습니다. 패키지에 들어가는 반도체가 초미세 공정으로만 구성될 경우 원가가 크게 상승하고 수율 확보가 어려워지기 때문입니다.

이 때문에 고성능 반도체 분야에서는 아날로그 공정 반도체를 기능별로 묶어 '칩렛'을 만들어 패키징 기술로 사용하는 경우가 많습니다. 칩렛은 서로 다른 공정에서 생산된 반도체 칩을 한 곳에 연결하는 기술입니다. 현재 파운드리 시장에서는 미세공정보다는 28나노와 같은 아날로그 레거시(숙련된) 공정에 대한 수요가 더 많습니다. 

김양팽 한국생산기술연구원 전문연구원은 "웨이퍼 공정 기술 개발이 한계에 도달하면서 최근에는 반도체를 어떻게 패키징하느냐에 따라 반도체 성능이 결정되고 있다"고 말했다. "미세공정에서는 전류 제어에 작은 오차만 있어도 웨이퍼 전체가 고장날 수 있기 때문에 아날로그 레거시(숙련된) 공정에 대한 수요가 높다"고 설명합니다.

'첨단 공정 시대'가 삼성의 턴어라운드를 위한 토대를 마련하다

결국 삼성이 파운드리 산업을 선도하기 위해서는 패키징 기술 개발이 필수 불가결한 과제가 됐습니다. 이재용 삼성전자 부회장은 지난달 천안캠퍼스를 방문해 반도체 패키징 라인을 둘러보며 미래 패키징 기술의 중요성을 강조했습니다. 

이재용 삼성전자 부회장이 지난달 17일 삼성전자 천안캠퍼스를 방문해 패키징 라인을 둘러보고 있다. / 사진: 삼성전자

현재 삼성전자는 시스템 반도체에서 TSMC에 크게 뒤처져 있다. 삼성전자는 2030년까지 시스템반도체 글로벌 1위를 달성하겠다는 목표를 세웠지만, 지난해부터 TSMC와의 격차가 더 벌어졌다. 

시장조사업체 카운터포인트리서치에 따르면 지난해 4분기 삼성전자의 파운드리 시장 점유율은 13%로 전년 동기 대비 2%포인트 하락한 반면, TSMC의 점유율은 4%포인트 상승해 60%에 달했다. 두 회사의 점유율 격차는 1년 동안 41%에서 47%로 확대되었습니다.

글로벌 파운드리 시장 점유율 추이 / 그래픽=비즈워치

삼성이 TSMC와의 격차를 쉽게 좁히지 못하는 이유는 두 회사의 역사 차이에서 찾을 수 있다. TSMC는 1987년부터 파운드리 사업에 뛰어들었다. 파운드리를 꾸준히 성장시켜온 덕분에 아날로그 레거시 공정 설비를 충분히 확보했고, 아날로그부터 첨단 공정까지 다양한 제품을 생산할 수 있게 됐다.

이에 비해 삼성은 2017년에야 파운드리 사업을 시작했습니다. 삼성 입장에서는 아날로그 공정에 투자하는 것이 수익성이 높지 않습니다. 결국 아날로그 공정은 첨단 공정으로 전환될 것입니다. 그 결과 현재 삼성의 사업 포트폴리오는 협소합니다. 이것이 TSMC에 비해 시장 점유율이 낮은 이유입니다.

첨단 패키징 공정에 집중해 기술 격차를 벌려 TSMC를 따라잡겠다는 게 삼성의 계산입니다. 지난해 말 조직개편에서 첨단 패키지 사업을 전담하는 조직인 첨단패키지(AVP)팀을 신설했습니다.



The semiconductor process is divided into pre-processing, where wafers are fabricated and circuits are etched, and post-processing, where the chips are packaged and tested. Recently, the post-processing of semiconductors centered on packaging technology has begun to receive attention. This is because the competition for semiconductor miniaturization has reached its limit. 

Samsung Electronics is also focusing its investment on advanced packaging with the goal of becoming the No. 1 system (non-memory) semiconductor in 2030. The industry predicts that Samsung will be able to overtake TSMC and take the top spot when packaging market demand shifts from analog to advanced processes.

Next-generation semiconductor leadership depends on 'packaging technology'

Up to 1.5㎚ (nanometer - billionth of a meter) has appeared on the development roadmap of semiconductor companies. This means that the development of semiconductor miniaturization technology is reaching its limits. Recently, EUV equipment, which is essential for sub-7nm semiconductors, has been difficult to obtain. In addition, as the process unit increases, the development cost of over trillions of won must be invested.

In order to improve the performance of semiconductors in the future, it is necessary to develop packaging technology. Packaging is a technology that efficiently integrates various types of semiconductor chips into a single substrate.

The external environment is also changing in a way that requires packaging capabilities. Recently, IT companies around the world, such as Apple and Google, have begun to develop their own chips, and foundry packaging companies that customize semiconductors for their customers are experiencing steep growth. 

In addition, packaging technology has become indispensable as high-performance semiconductors are required for emerging fields such as 6G technology and autonomous vehicles. If the semiconductors in the package are made up of only ultra-fine processes, the cost will increase significantly and the yield will be difficult to secure.

For this reason, in the field of high-performance semiconductors, analog process semiconductors are often grouped together by function to create "chiplets" and used as a packaging technology. A chiplet is a technology that connects semiconductor chips produced by different processes in one place. Currently, the foundry market demand is more for analog legacy (skilled) processes such as 28nm than for microfabrication. 

"As the development of wafer processing technology has begun to reach its limits, the performance of semiconductors has recently been determined by how they are packaged," said Kim Yangpang, an expert researcher at the Korea Institute of Industrial Technology. "With microfabrication, even a small error in current control can cause the entire wafer to fail, so there is a high demand for analog legacy (skilled) processes."

'Advanced process era' paves the way for Samsung's turnaround

Ultimately, developing packaging technology has become a necessity for Samsung to take the lead in the foundry industry. Samsung Electronics Chairman Lee Jae-yong visited the Cheonan campus last month and toured the semiconductor packaging line to emphasize the importance of future packaging technology. 

 Samsung Electronics Chairman Lee Jae-yong visited Samsung Electronics' Cheonan campus last month on the 17th and toured the packaging line. / Photo: Samsung Electronics

Currently, Samsung is far behind TSMC in system semiconductors. Samsung Electronics has set a goal to become the No. 1 global supplier of system semiconductors by 2030, but the gap with TSMC has widened since last year. 

According to market research firm Counterpoint Research, Samsung's foundry market share was 13% in the fourth quarter of last year, down 2 percentage points from the same period a year earlier, while TSMC's share grew by 4% to reach 60%. The gap between the two companies widened from 41% to 47% over the year.

Global Foundry Market Share Trends / Graphic=Bizwatch

The reason why Samsung cannot easily close the gap with TSMC is the difference in the two companies' history. TSMC has been in the foundry business since 1987. Because TSMC has been steadily growing its foundry, it has secured enough analog legacy process facilities and is now able to produce a wide range of products from analog to advanced processes.

In comparison, Samsung only started its foundry business in 2017. For Samsung, it is not profitable to invest in analog processes. Eventually, analog processes will be converted to advanced processes. As a result, its current business portfolio is narrow. This is why its market share is low compared to TSMC.

Samsung's calculation is to focus on advanced packaging processes and catch up with TSMC through the technology gap. In a reorganization at the end of last year, the company created an organization dedicated to the advanced package business, the Advanced Package (AVP) team. The team had existed as a task force (TF) but was reorganized as a full-fledged team due to the growing importance of packaging.

Catching up will not be easy, however. TSMC is also investing heavily in advanced packaging technology. It is building a packaging research and development center in Japan with a ¥37 billion investment in semiconductor packaging. It is also building a sixth semiconductor packaging plant in southern Taiwan. This plant will reportedly be responsible for TSMC's current flagship semiconductor, 5㎚. 

Industry observers believe that Samsung will likely catch up to TSMC when advanced processes become the mainstay of the foundry packaging market. "Currently, due to the high demand for analog processes, it is difficult for Samsung Electronics, which focuses on advanced processes, to catch up with TSMC," said Kim. "In the future, Samsung Electronics will have the opportunity to catch up with TSMC when the market demand changes if it continues to stay ahead of TSMC in terms of advanced processes such as 3-nanometer."