[반도체] 비메모리 OSAT 산업 기초 #2

2021.04.06. #반도체 #비메모리 #OSAT / 현대차증권 박찬호

[반도체] 국내 비메모리 OSAT 산업의 기회

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반도체는 국내 시가총액 1, 2위 기업을 모두 보유한 산업 입니다. 반도체를 제외하고는 국내 증시에 균형감 있게 투자하기는 어렵습니다. 글로벌 비메모리 반도체 쇼티지가 지속되고 있고, 삼성전자의 비메모리 반도체에 대한 투자가 증가하면서 국내 후공정 업체들의 성장이 기대됩니다. 성장하는 비메모리 반도체 OSAT 산업의 기초에 대해 살펴봅니다. 오늘은 국내 OSAT 산업의 기회요인에 대해 기록해둡니다. 보고서 내용 정리 중 파란색 글씨는 청춘한삼의 코멘트/첨언 입니다.

국내 OSAT 산업의 기회, 삼성전자 파운드리

- OSAT 산업은 파운드리 산업과 같이 성장합니다. 국내 반도체 산업은 메모리 반도체 위주로 성장했으나, 글로벌 반도체 시장에서는 비메모리 반도체 비중이 더 높습니다. 2020년 우리나라 반도체 수출액 992억 달러 중 689억 달러로 69% 수준이었으며, 글로벌 비메모리 반업 비중은 2021년 70%로 전망됩니다. 삼성전자는 비메모리 반도체 분야에서도 글로벌 1위를 목표로 '반도체 비전 2030'을 발표했습니다. 목표 달성을 위해 2030년까지 133조원을 투자하며, 세부적으로는 R&D 분야에 73조원, 최첨단 생산 인프라에 60조원을 투자할 계획입니다. 최근 삼성전자는 평택에 파운드리와 메모리 반도체를 포함한 생산라인을 구축하고 있습니다. 평택 2공장에는 4만 3천장 규모의 5 nm 라인 도입을 계획 중, 미국 오스틴 공장에는 파운드리 증설 및 19조 규모 투자가 추정됩니다. 

- 삼성전자의 반도체 비전 2030은 삼성전자 파운드리 성장 뿐만 아니라 국내 비메모리 생태계 조성 및 성장에 기여할 것으로 전망됩니다. 삼성전자가 시행하는 SAFE (Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 프로그램의 주요 내용은 파트너 및 고객 사이의 협력을 강화하고 IP에 대한 접근성을 높여 고객 및 파트너사들이 빠르게 설계를 할 수 있도록 도와주는 것입니다. 

- 대한민국 정부 또한 바이오, 미래형 자동차와 함께 비메모리 반도체를 3대 중점 육성 산업으로 선정, 지원하기로 결정했습니다. 정부는 삼성전자의 2030년 비메모리 반도체 분야 1위 달성과 함께 국내 팹리스 기업의 글로벌 시장점유율 10% 달성을 목표로 세웠습니다. 주요 지원 내용은 1) 수요연계 연구개발에 총 2,400억원 자금 투자, 2) 팹리스 전용펀드 구성 및 MPW(Multi Project Wafer) 확대, 3) 파운드리 업체들의 투자세액 공제 혜택 등이 있습니다.

- 삼성전자와 정부 투자를 통해 삼성전자 비메모리향 매출 증가, 국내 비메모리 반도체 산업 밸류체인의 전반적인 성장으로 이어질 걸로 예상됩니다. 따라서 비메모리 산업 생태계의 조성과 향후 확장은 후공정을 담당하는 OSAT 업체들에게도 성장 모멘텀으로 작용할 것으로 전망됩니다.

 

- TSMC는 글로벌 1위이자 최초의 파운드리 업체입니다. 오랜 기간 반도체를 위탁생산하며 기술력이 축적되어 있으며 선단공정 개발 또한 리드하고 있습니다. 2020년 기준 매출 1.3조 NTD(약 51조원) 중 36%인 4,821억 NTD(약 19조원)는 7 nm 이하의 선단공정 매출이었으며, 애플, 엔비디아, 퀄컴 등 주요 글로벌 팹리스 업체들을 고객사로 두고 있습니다. TSMC의 반도체 생산 공정은 현재 가장 앞선 수준으로 2020년 5 nm 공정으로 양산에 성공했으며, 2023년 3 nm 공정 양산 목표로 EUV 도입 생산 라인을 증설하고 있습니다. 

- 삼성전자는 현재 글로벌 파운드리 산업 2위 업체로서 TSMC와 유이하게 7 nm 이하 선단 공정에 대응하고 있습니다. 파운드리 사업부가 속한 삼성전자의 비메모리 사업 부문 매출액은 2020년 기준 17조 3,100억원 수준이며, 가장 큰 고객사는 AP(Application Processor), CIS(CMOS Image Sensor), DDI(Display Driver IC) 등을 판매하는 삼성전자 LSI 사업부(Large Scale Integration)입니다. 후발주자였던 삼성전자는 시장성장이 전망되는 선단공정에 투자를 집중했습니다. 2020년 삼성전자는 5 nm 공정을 적용하여 자사 AP인 Exynos 1080 양산에 성공해, 현재 TSMC와 유이하게 5 nm 칩셋 양산 경험을 갖추고, 3 nm 이하의 선단 공정 개발에 투자하고 있습니다. 현재까지 7 nm 이하 공정에서 양산에 성공한 다른 업체는 없습니다. 

- 삼성전자는 산업내 후발주자이며, IDM을 함께 영위한다는 점에서 해외 고객사 확보에 어려움을 가지고 있었으나, 최근 주요 글로벌 팹리스 업체들의 7 nm 이하 선단공정 수요가 증가했고 TSMC가 모든 수요에 대응하기 어렵다는 점이 기회가 되고 있습니다. 선단 공정 수요 증가와 7 nm 이하 공정으로 유의미하게 양산 가능한 업체가 TSMC와 삼성전자 뿐이므로 향후 선단 공정을 활용한 비메모리 반도체 시장을 두 업체가 이끌어 나갈 걸로 예상됩니다. 

 

- TSMC와 삼성전자의 경쟁에 따라 두 업체 모두 공정 미세화가 진행되면서 패키징의 중요도를 더욱 증가할 걸로 전망됩니다. TSMC가 애플의 AP를 독점 수주할 수 있었던 계기는 InFo 패키징을 도입한 덕분입니다. 당사 16 nm 공정으로 양산하던 TSMC는 InFo 패키징을 통해 반도체 집적도를 향상시키고 패키징 비용 절감과 효율성을 확보하여 AP를 성공적으로 양산했습니다. InFo는 TSMC가 네이밍한 FO-WLP 패키징 공법으로 반도체를 패키징 기판에 연결하는 대신 웨이퍼에서 패키징 및 RDL을 형성함으로써 범핑, 플립칩 어셈블리, 패키징 기판 등을 제거했습니다. 뿐만 아니라 InFo를 활용해 PoP(Package on Packaging)을 적용해 AP 위에 DRAM을 같이 패키징하여 생산했습니다. 

- TSMC의 또다른 패키징 기술인 CoWos(Chip on Wafer on Substrate)는 기판 위에 interposer를 올리고 그 위로 여러 칩을 연결하는 2.5D, 3D 패키징입니다. CPU 등의 로직 반도체와 RAM을 stacking한 HBM 등 다수의 칩을 함께 패키징하는 기술로서 고성능 컴퓨터 수요에 대응할 수 있습니다. 

 

 

- 삼성전자는 PLP(Panel Level Package)에 Fan Out 기술을 적용한 FOPLP와 3D packaging solution인 X-cube 등 기술로 차세대 패키징 기술력을 확보하려 하고 있다. PLP는 웨이퍼에 직접 패키징을 하던 Wafer Level Packaging (WLP)에서 생산성을 향상시킨 패키징 공법으로, 반도체 다이를 사각형 패널에 배치하여 패키징하는 기술입니다. 사각형 패널에서 하는 패키징을 통해 원형에서 진행하는 WLP 대비 생산성 증가 및 비용 절감 효과가 있습니다. FO-PLP 기술은 Fan Out 기술을 적용한 공법이며 삼성전자 및 네패스, 퀄컴, ASE 등이 개발하고 있습니다. 삼성전자는 삼성전기와 해당 기술을 공동 개발해 갤럭시워치3에 탑재된 Exynos 9110을 양산한 경험이 있습니다. 이후 삼성전자는 삼성전기의 FO-PLP 사업부문을 인수하였으며 2019년 PLP 분야에 1조 5천억원 규모의 투자 계획을 밝혔습니다. 

- X-cube는 삼성전자의 3D 패키징 솔루션입니다. RAM을 적충한 HBM(High Bandwidth Memory)과 로직반도체를 하나의 칩셋으로 패키징합니다. 적층시 와이어 본딩 대신 웨이퍼의 VIA(미세홀)를 통해 연결하는 TSV (Through Silicon Via)를 적용하여 처리되는 데이터의 전송 속도를 향상시킵니다. HBM과 로직반도체들은 인터포저를 통해 연결되며, 인터포저는 substrate(기판)에 연결되어 메인보드에 연결됩니다.  

- 삼성전자가 비메모리 반도체 1위를 달성하기 위해서는 국내 OSAT 업체들과 협력 체계를 더욱 공고히 할 걸로 예상됩니다. 글로벌 팹리스 고객 확보를 위해서는 선단 공정 개발을 리드하고 CAPA 확보가 필수적입니다. 애플, 퀄컴 같은 주요 AP 팹리스 업체들은 5 nm 이하 공정 적용을 계획하고 있으며, 2023년에 자체 7 nm 제품 양산을 준비하는 인텔과 이미 7 nm를 도입한 AMD 등 CPU 업체들 또한 7 nm 이하 공정 적용이 더욱 확대될걸로 전망되기 때문입니다. 이런 수요 증가에 따라 TSMC와 삼성전자 모두 CAPA 확대가 예상됩니다. 2020년 기준 TSMC는 EUV 장비를 40대 확보하였으며, 삼성전자는 18대를 확보한 것으로 파악됩니다. 올해는 TSMC 30대, 삼성전자 10대가 추가되며 EUV 라인 격자는 더 벌어질걸로 예상됩니다. 또한 TSMC는 2020년 172억 달러 수준의 CAPEX를 지출했으며, 2021년에는 250억 달러에서 280억 달러까지 투자를 늘릴 걸로 발표했습니다. 그 중 80%가 7 nm 이하 선단 공정에 투자될 계획입니다. 이 때문에 삼성전자에게는 CAPEX 부담이 이어질걸로 전망됩니다. 반도체 비전 2030을 통해 제시한 60조원 시설투자 중 오스틴 팹과 평택 파운드리 라인 증설 비용의 절반 수준을 차지합니다. 또한 3 nm 공정을 위한 GAA 구조 트랜지스터 도입 계획 등을 감안하면 연구개발 비용 부담도 있을걸로 예상됩니다. 

- 따라서 삼성전자는 국내 OSAT들과 협력 체계를 강화하는 것이 좋은 대안이 될걸로 보입니다. 패키징을 핵심 기술력의 일부로 보고 투자를 해오며 일부 내재화가 예상되지만, 1) TSMC와 선단공정 투자 경쟁의 비용 부담이 증가하면서도 후공정 격차 또한 줄여야 한다는 점, 2) TSMC는 자사 InFo와 CoWoS 패키징을 이미 확보 했다는 점, 3) TSMC는 대만의 OSAT 업체들과도 협력체계를 가지고 경쟁을 한다는 점에서 삼성전자가 추후 비메모리 산업 전개에서 국내 OSAT 업체들과의 협력체계를 강화가 좋은 방안으로 보입니다. 

 

국내 OSAT 산업의 기회, 비메모리 반도체 수요 증가

- 2020년 코로나19 영향으로 언택트 문화 확산, 재택근무와 홈스쿨링 등 생활 변화로 일부 IT 기기 수요가 급증하며 노트북 수요는 연평균 +29%, 태블릿 수요는 +13% 상승했습니다. 노트북과 태블릿 출하량 증가에 맞춰 탑재되는 반도체, 특히 DDI의 수요가 급격히 증가했습니다. 2021년도 노트북의 추가 수요 증가에 더해 데스크탑 및 스마트폰 시장 또한 성장이 전망되어 DDI 수요가 증가할걸로 전망됩니다. 

- 스마트폰 산업에서는 올해 출하량 회복과 함께 5G 침투율 증가 및 멀티카메라 트렌드가 지속될 것으로 전망됩니다. 5G가 도입되면 AP와 BP, 5G의 sub-6 GHz나 mmWave 등의 주파수 대역을 커버할 수 있는 RF component, 메모리 등 탑재되는 부품량이 증가합니다. 부품량 증가는 전력 소모를 심화시키기 때문에 전력의 효율적인 제어를 위해 Power Management IC를 4G 대비 추가 채용하며, 5G 스마트폰의 출하량 증가에 따라 PMIC 수요 도한 함께 증가할걸로 전망됩니다. 

- 2019년부터 시작된 멀티카메라 트렌드는 더블, 트리플에서 트리플, 쿼드 카메라 중심으로 이동할걸로 예상됩니다. 트리플 쿼드 카메라 비중 증가에 따라 카메라 모듈 뿐만 아니라 모듈 내 탑재되는 CIS 등 시스템 반도체 수요 또한 증가할걸로 전망됩니다. 

 

참고자료

- 보고서 원문

 [현대차] http://consensus.hankyung.com/apps.analysis/analysis.downpdf?report_idx=586161

 

- 보고서 정리 1부 

https://finfreedom.tistory.com/188

[반도체] 비메모리 OSAT 산업 기초 #1