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권순 사공
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1 수요자연계형 04 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비개발

3 과제명 1 개요 기존의패키지공정은그림 1에나타낸것과같이소자가제작된웨이퍼에서각칩 ( 다이 ) 을분리한후각다이를유기또는세라믹기판위에실장후전기적으로연결하고물리적인보호층을입히는순서로진행됨. 따라서, 다이수에비례하여공정비용이증가하는단점이있음. 그림 1. 기존의패키지공정 이에반해 Fan-out 패키지는그림 2에나타낸것과같이캐리어기판위에다이를배열한후몰딩, 재배선, 다이싱공정을진행함으로써종래의패키지와달리기판이없어얇은특징이있고, 웨이퍼단위로몰딩및재배선공정이진행됨에따라다이수가증가해도공정비용이큰변화가없는장점이있음. 그림 2. fan-out 패키지공정 - 3 -

로구분되어각자의사업영역을지켜왔으나, 최근대만의 TSMC가 fan-out 패키지기술을기반으로파운드리와패키징에대한일괄서비스를제공하면서한국반도체산업에위협이되고있음 2016년파운드리업체인 TSMC 가 fan-out 패키지기술로애플의 A10칩에대한독점생산을시작하면서기존의소자업체및패키지업체들의

4 이때재배선및솔더의배열위치에따라 fan-in 또는 fan-out 의두가지형태로나뉘며, 전체 I/O의확장성및이종칩의수용여부면에서 fan-out 형태가유리함 그림 3. fan-in vs fan-out 본딩 / 디본딩소재및장비는 Fan-out 패키지제조공정중얇게몰딩된웨이퍼혹은패널을캐리어에본딩후후속공정을수행한다음디본딩공정에사용되는소재및장비기술임 현재반도체산업은한국이주도하는소자분야 (IDM) 와대만중심의파운드리, 그리고한국과중화권이양분하는패키징분야 (OSAT) 로구분되어각자의사업영역을지켜왔으나, 최근대만의 TSMC가 fan-out 패키지기술을기반으로파운드리와패키징에대한일괄서비스를제공하면서한국반도체산업에위협이되고있음 2016년파운드리업체인 TSMC 가 fan-out 패키지기술로애플의 A10칩에대한독점생산을시작하면서기존의소자업체및패키지업체들의 fan-out 패키지기술에대한수요가급격히높아짐반도체산업의주도권을유지하기위해서는패키지업체들의 fan-out 패키지기술에대한신속한대응이필요하나, 현재중소기업중심의패키지업체들은자체기술개발력의부족과고가의설비 / 소재의수입으로인한높은투자비용으로인해대응이어려운상황임따라서 fan-out 패키지기술에대한국내장비 / 소재 / 소자기술에대한정부의지원을통해국내산업의가장큰비중을차지하고있는반도체소자업체의글로벌경쟁력의유지및발전을도모해야함 - 4 -

5 무어의법칙으로대변되는반도체집적화기술이최근물리적, 기술적한계에부딪히게됨으로써, 3D IC 등과같이새로운기술을이용하여반도체집적화와신기능을추구하는기술동향이나타남이가운데 fan-out 패키지기술은새로운공정을이용한제작비용의절감외에도칩두께의감소, 이종칩의패키징을통한신기능패키지의구현이가능하게되어기존의 SOC, SiP, PoP 등의기술을능가할신기술로평가받고있음특히모바일가전분야에서는낮은두께, 저렴한비용, 다기능성의장점으로높은주목을받고있으며, 애플의차세대 A10칩에전격적인적용으로관련산업에서의중요도가급격하게높아지고있음향후패키지기술분야뿐만아니라 IoT, 메모리등소자분야에도큰영향을미칠것으로판단되는 fan-out 패키지기술에대해기술개발초기부터적극적인지원이필요함 TSMC의애플칩수주에서보듯이 fan-out 패키지기술은패키지산업분야뿐만아니라소자업체전반에큰영향을미치는기술로대한민국이글로벌반도체산업의주도권을유지하기위해서는필수적으로개발이필요함삼성전자에서관련기술을자체개발하며관련업체의관심을유도하고있으나, 네패스, 한미반도체등패키지주력업체들은 fan-out 패키지기술개발을주도하기에는기업규모가작아, 관련장비 / 소재산업을리드하는데한계가있음현재관련장비및소재는대부분외국기업에의존하고있어, 가격경쟁력이중요한패키지산업의특성상국내중소규모기업들이사업을추진하는데어려움이있어, 정부주도의기술개발지원이절실한상황임정부지원을통해관련소재, 장비, 소자업체들이공동으로기술개발을함으로써외산제품대비가격경쟁력을확보하고, 공동기술개발을통한적기기술개발을통해글로벌반도체산업경쟁력을제고하고자함 - 5 -

6 2 기획과제분석 fan-out 패키지기술은프리스케일과인피니온에서처음개발하였으나, 현재자체생산보다는기술라이선싱에주력하고있음 fan-out 패키지기술을이용한생산은 TSMC 과스태트칩팩, 나니움등에서하고있음애플의 A10 프로세서에의전격적인 fan-out 패키지기술채용이후관심이급격히높아지고있으며, 자동차용 ADAS 용레이더등적용분야가확대되고있음독일 IZM에서는 PLP(panel level package) 형태의 fan-out 패키지콘소시움을형성하는등관련기관들간의기술교류및협력이활발하게일어나고있음 네패스에서인피니온기술을라이선싱하여 fan-out 패키지제품을전장용반도체로양산하고있으며자체기술개발도진행하고있음 Amkor Korea, 하나마이크론등도자체적으로관련기술개발을진행하고있으며, 양산시기를저울질하고있음삼성전기, 삼성전자등은 PLP 형태의 fan-out 패키기기술개발을 2015년부터시작하였으며, 내부제품용으로기술을개발하고있음 fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비는모두해외에서전량수입하고있어관련소재 / 장비의국산화개발이시급함 - 6 -

7 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비분야는기존의미국, 일본등에서많은기술개발이이루어져있으나, 국내에는관련특허출원이많지않은상황으로, 국내외에서지재권을확보할수있는미개척기술분야로판단됨 국내에서는현재 fan-out 패키지기술에대한연구가본격적으로이루어지는상황에서향후 3~4 년안에본격적으로산업이성장할것으로판단되는바, 본기술개발을통해시장형성초기에진입할경우해외소재 / 장비에대해성공적인시장선점을이룰수있음 Fan-out 패키지는두께가얇은장점이있어서최근스마트폰에적용되기시작하였고다양한반도체칩에적용이가능하여시장및기술의고도화가지속적으로유지 성장할것으로예상됨반도체후공정소재시장은전공정소재시장과대등한규모임과동시에대한민국이반도체강국을유지하고위해서는반도체후공정소재, 장비, 공정, 설계기술에지속적인투자가요구됨 Fan-out 패키지관련소재및장비는대부분해외수입중이고향후이와관련된지속적인시장확대가예상됨으로관련된소재및장비기술이확보되면관련산업체의차세대먹거리및국제경쟁력이확보될수있을것으로판단됨 현재모바일 AP를양산하는대만 TSMC 를제외하면모든소자업체들이 fan-out 패키지기술의적용분야및양산가능성에대해서소재 / 장비 / 공정을최적화하는단계로 TRL 4/5 단계에해당함 TRL 단계 ( 현재기준 ) : 4단계 ( 소재 / 장비 ) 및 5단계 ( 소자 ) - 소재및장비분야의경우다양한본딩 / 디본딩소재에대해서적용공정에따른최적의조성및형태를개발하는단계로 TRL 4단계의부품 / 시스템성능검증단계에해당함 - 소자분야의경우다양한모듈에적용하여공정을최적화하는 TRL 5단계의부품 / 시스템시제품제작에해당함 - 7 -

8 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비개발분야와관련된국내 외특허건수를살펴보면, Thinned device wafer 핸들링을위한임시접착필름 (AA) 는한국 229 건, 미국 146 건, 일본 407 건및유럽 24건, Bump 및 Mold 가포함된완성된 Device wafer(ab) 는한국 249건, 미국 432건, 일본 370건및유럽 19건및 Temporary-bonding 및 De-bonding 등 wafer handling 을위한공정및장비기술 (AB) 은한국 209건, 미국 285건, 일본 104건및유럽 10건이유효특허로선별되었음 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비개발분야와관련된주요시장국연도별특허동향을살펴보면, 분석초기구간부터증가하였으나, 2010년이후다소감소하고있는것으로분석됨주요시장국내 외국인특허출원현황을살펴보면, 일본출원이 881 건, 미국출원이 863 건에해당하여각각 34% 로가장높은점유율을보이고, 한국출원과유럽출원이그뒤를이어각각 30%, 2% 의점유율을차지하고있는것으로나타남기술시장성장단계를살펴보면, 1구간 (1995년 ~1999년 ) 부터 3구간 (2005년 ~ 2009년 ) 까지출원인수와출원건수가증가하여성장기단계에있는것으로평가됨주요출원인 Top20 을살펴보면, 한국의삼성이 193건으로전체다출원인 1위로나타냈으며그뒤를이어일본의 HITACHI, 한국의앰코테크놀로지코리아등이이기술분야에서다수의특허를출원하고있는것으로나타남. 특히, 주요출원인 Top20 중일본국적의출원인이 12명으로과반수넘게차지하고있으며, 이는일본기업이상대적으로 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비에관한연구개발에보다많은노력을하는것으로분석됨다출원인 2위인일본의 HITACHI 및일본의 NITTO 는공통적으로주요시장국모두에서고르게활발한특허출원을하고있는것으로나타나국제적인시장경쟁력을확보한것으로판단되며, 특히, 일본의 NITTO 는특허출원증가율은증가세를나타내어최근특허출원이증가한것으로분석됨 Fan-Out 패키지기술개발은일본과미국이먼저시작했으나, 실제양산기술과소재 / 장비는대만과일본이주도하고있는상황에서국내업체들이양산기술을따라잡고있음소자기술의경우네패스에서이미양산을하고있으며, Amkor Korea, 하나마이크론등도관련기술개발을완료하고양산적용을검토하고있는상황이며, 최근삼성전자, 삼성전기에서전사적으로관련기술을개발하고있어소자기술면에서는 TSMC 등해외선진사와동등또는 1년이내의격차를갖고있는것으로파악됨 - 8 -

9 소재기술의경우일본및미국업체들이강세를보이고있으며, 국내의경우본격적인기술개발초기단계로 2~3년의격차를갖고있는것으로파악되나, 장비및소자와함께개발되어야하는패키지소재의특성을고려할때본격적으로소자업체들이개발을시작하는현시점에서공동개발이이루어질경우양산시점에서는충분히동등또는나은수준을확보할수있을것으로판단됨장비의경우미국, 일본등선발업체에비해서아직시작단계이나, 관련패키지장비에대한국내업체의개발경험및보유시장을고려할때장비기술력자체로는 2년이내의기술격차를갖고있으나소재및소자업체와의공동개발시 2년이내에동등수준을보유할것으로판단됨 < 기술수준및격차 > 관련기술명 기술선도국및기업 / 연구소 상대적수준 (%) 기술격차 ( 년 ) 본딩 / 디본딩소재 일본 NItto Denko 60 3 본딩 / 디본딩장비일본 Hitachi 60 3 fan-out 패키지공정기술대만 TSMC 60 1 본과제의목표시장은 Fan Out Wafer Level Package(FOWLP) 시장으로 Fan-out 패키지용본딩및디본딩관련소재와장비를의미함 - Wafer level package 는칩을실리콘웨이퍼에직접실장하는반도체패키지공정으로, 원가경쟁력이높으며얇은두께와높은방열기능등의장점을지님 - Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재란 fan-out 패키지제작공정중얇게몰딩된웨이퍼혹은패널을 carrier에본딩후후속공정을진행한이후디본딩공정에사용되는소재및장비기술임 - 기존패키지대비 1/16 수준으로칩크기를줄일수있고하나의패키지에여러개칩을넣는시스템인패키지가가능해스마트폰, 사물인터넷및웨어러블기기에적용이유리한제품임본과제에서개발되는기술의적용제품으로는데이터센서용메모리, 프로세서모듈, FPGA, 이미지센서등으로, 이는반도체패키지, 스마트폰, 사물인터넷 / 웨어러블기기, 자동차전자부품등에사용됨 - 9 -

그림 4. Fan Out Wafer Level Package 최근스마트폰에 Fan-out 구조의 AP채택과함께웨어러블기기, 자동차등으로그수요가확대되고있음 - 스마트폰시장은성장세가정체되었으나애플리케이션프로세서 (application processor) 적용으로 FOWLP 시장의규모는급증하고있음 - 자율주행등신기술적용확대로자동차의전자부품시장이확대됨에따라,

10 그림 4. Fan Out Wafer Level Package 최근스마트폰에 Fan-out 구조의 AP채택과함께웨어러블기기, 자동차등으로그수요가확대되고있음 - 스마트폰시장은성장세가정체되었으나애플리케이션프로세서 (application processor) 적용으로 FOWLP 시장의규모는급증하고있음 - 자율주행등신기술적용확대로자동차의전자부품시장이확대됨에따라, FOWLP 시장의성장이예상됨반도체패키지경박단소, 고밀도, 고대역폭, 고품질, 집적, 저원가가지향되면서, FOWLP 소비는지속적으로증가할것으로예상됨 국내 FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비시장은연평균 22.6% 의성장률을보이며, 2015년 179억원에서 2021년약 606억원규모의시장을형성할것으로전망됨 - FOWLP 본딩 / 디본딩소재시장은 Yole development(2016) 의전세계 FOWLP 시장데이터에해당제품의비중 5% 와국내시장점유율 18% 를적용하여국내시장규모를추정함 - FOWLP 본딩 / 디본딩장비시장은 Glass Wafer Carrier 크기, FOWLP 패키지크기, 수율을감안하여장비사용량을추정함국외 FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비시장은연평균 22.1% 의성장률보이며, 2015 년 1.0억달러에서 2021년약 3.2억달러규모의시장을형성할것으로전망됨 - FOWLP 본딩 / 디본딩소재시장은 Yole development(2016) 의 Fan-Out: Technologies & Market Trends 2016 데이터에해당제품의비중 5% 를적용하여산정함 - FOWLP 본딩 / 디본딩장비시장은 Glass Wafer Carrier 크기, FOWLP 패키지크기, 수율을감안하여장비사용량을추정함

( 단위 : 억원, 억달러 ) 구분 2015 년 2017 년 2019 년 2021 년 CAGR 국내 ( 억원 ) 국외 ( 억달러 ) FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비 FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비 179 299 440 606 22.6% 1.0 1.6 2.3 3.2 22.

11 ( 단위 : 억원, 억달러 ) 구분 2015 년 2017 년 2019 년 2021 년 CAGR 국내 ( 억원 ) 국외 ( 억달러 ) FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비 FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비 % % 출처 : ( 국내 ) Yole(2016) 과 semi(2015) 의자료를사용하여 이노싱크컨설팅에서재구성함 ( 국외 ) Fan-Out: Technologies & Market Trends 2016, Yole development, 2016 < 국내시장규모및성장률 > < 국외시장규모및성장률 > 예상시장점유율 - 처음으로매출발생이기대되는 2022년에국내 FOWLP 본딩 / 디본딩장비, 소재의예상시장점유율은 15%, 국외의예상시장점유율은 10% 로예측됨 ( 단위 : % ) 구분 2022년 2023년 2024년 2025년 2026년 국내 (%) FOWLP 장비, 소재 15% 20% 25% 30% 40% 국외 (%) FOWLP 장비, 소재 10% 15% 15% 20% 20% 예상시장총매출 ( 장비 + 소재 ) - 국내 FOWLP 본딩 / 디본딩장비및소재의 2022년에서 2026년까지 5년간예상시장총매출액은 1,541억원이고, 국외의 2022년에서 2026년까지 5년간예상시장총매출액은 5,128 억원이며, 국내외의 2022 년에서 2026 년까지 5년간예상시장총매출액은 6,670억원으로전망됨

12 ( 단위 : 억원, %) 구분 2022 년 2023 년 2024 년 2025 년 2026 년합계 국내 ( 억원 ) 국외 ( 억원 ) 시장규모 (A) ,062 1,268 1,513 5,481 점유율 (B) 15% 20% 25% 30% 40% - 예상시장총매출액 (C)=(A) (B) ,541 시장규모 (A) 4,143 4,944 5,899 7,039 8,399 30,425 점유율 (B) 10% 15% 15% 20% 20% - 예상시장총매출액 (C)=(A) (B) ,408 1,680 5,128 국내 외예상시장총매출액 ,151 1,788 2,285 6,670 적용환율 : $1=1100 원 해당기술의적용대상시장인 FOWLP 시장은반도체패키지등의기존수요외에 Apple 사의 AP 도입에따른모바일칩의신규수요추가로시장확대가예상됨그러나현재까지 FOWLP 공급이 TSMC 외의소수업체들에의해서만이루어지고있으며, 수요자가증가하시장의단계는도입기로판단됨목표시장인 FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비의시장진입장벽은높은것으로판단됨 - FOWLP 산업은반도체소자의기술조건이매우민감하게적용되어주요공급업체는반도체산업의초기부터시장에진입한업체들을중심으로시장이구성되어있음 - 미국, 유럽, 일본의글로벌기업이기술력을기반으로시장을장악하고있어이는후발기업들에게진입장벽으로작용할수있음 - 국내공급업체들의경우, 현재까지는주요공급업체들의높은진입장벽으로세계시장진입이여의치못했으나, 2015년이후일부기업 ( 네패스등 ) 이진입을시작하고있음초기진입제품의출시시기및경쟁자수를고려했을때, FOWLP 본딩 / 디본딩소재및장비의시장은도입기로판단됨 Fan-out 패키지용본딩및디본딩소재및장비개발의사업화에는약 2.5년미만 (2년이상 ~2.5년미만 ) 의기간이소요될것으로예상되고, 약 100억원미만 (50억원이상 ~100억원미만 ) 의비용이필요한것으로판단됨

13 본과제의기술및제품의마케팅과판로확보가능성이높고, 원재료 부품입수는수월하여사업화적합성이높은것으로판단됨 - 국내에는 FOWLP 의주요수요기업인삼성전자, SK하이닉스등의세계적인반도체생산업체와삼성전자, LG전자, 현대자동차등의스마트폰및자동차생산업체가다수있어마케팅및판로가능성이높은것으로전망됨 - 또한위기업들의 FOWLP 관심도가높아지면서, Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비제품화에필요한원재료및부품입수는수월할것으로예상됨 IP부상도의현황분석을살펴본결과, 특허평가지표의평가점수는 2점으로 IP부상도가낮음에해당하는것으로평가되었음. 패키지관련한제반의기술이상당히과거에다수출원된것이그원인인것으로분석미국등록특허의가치평가를통해살펴본평가점수가각중분류기술별로높지않은것으로분석되었으나, 이는개발기술분야를주도하고있는일본에서미국, 한국등의외국에서의 IP확보보다는각자국내에서의기술력개발에중점을두고있기때문으로분석됨따라서, 본 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비개발 분야는현재비교적많이출원되지않은분야로서, 국내외에서지재권을확보할수있는미개척기술분야내지시장이여전히존재하는것으로분석되며, 향후성과창출이기대되는유망기술분야라고판단됨 IP장벽도분석결과, Thinned device wafer 핸들링을위한임시접착필름및 Temporary-bonding 및 De-bonding 등 wafer handling 을위한공정및장비기술은선행기술들에개시되어있어선행특허들에개시된내용을면밀히검토하고두께 450 μm이하의스마트폰 AP 모듈개발을위한 Fan-out 패키지용본딩 / 디본딩소재및장비개발을위한과제해결수단을선행특허와의차별화하여 IP확보 ( 권리화 ) 전략이필요할것으로판단되며, 이를통해국내외 IP확보 ( 권리화 ) 가가능할것으로보임

14 현재해외반도체제조기업및국내기술개발업체들은모두기존의글로벌메이저공급업체들로부터소재및부품을전량수급하고있는등, 미국, 유럽, 일본의글로벌기업이기술력을기반으로시장을장악하고있어이는후발기업들에게진입장벽으로작용할수있음 개발기업후보 ㅇ이녹스, TACS, AMC, LG 화학, AP Systems, 코스텍시스템 수요기업 후보 ㅇ네패스, 암코코리아, 하나마이크론, 삼성전기, 삼성전자, SK 하이닉스, ASE, 스태트칩팩

15 3 연구목표및내용 최종목표 (1) Fan-out패키지제조용본딩 / 디본딩소재개발 - 패키지제조공정온도및화학물질에안정적인본딩 / 디본딩소재설계기술 - 본딩 / 디본딩시Void,particle, crack이발생하지않는본딩 / 디본딩소재설계기술 (2) Fan-out패키지제조용본딩 / 디본딩장비개발 - 본딩 / 디본딩소재에적합한장비기술개발 - 공정생산성을만족시키는장비기술개발 (3) Fan-out 모듈개발및신뢰성확보 - 본과제에서개발된본딩 / 디본딩소재및장비를적용한 Fan-out 모듈개발 - 개발된 Fan-out 모듈의 JEDEC Level 3 신뢰성확보 확보기술내용 핵심소재및사업화기술성능지표단위달성목표국내최고수준 세계최고수준 ( 보유국, 기업 / 기관명 ) 1 본딩 / 디본딩공정양산성 UPH > ( 日 /Hitachi) 2 몯딩휨 (warpage) μm < ( 日 /Nitto Denko) 3 본딩후접착력 gf/mm > 9-9 ( 日 /Nitto Denko) 4 디본딩시접착력 gf/mm < ( 日 /Nitto Denko) 5 Fan-out 모듈 JEDEC Level 신뢰성 - > ( 대만 /TSMC)

16 4 추진체계 주관기관 : 중소 / 중견기업 참여기관 : 제한없음 5 연구기간및연구비 연구기간 : 3 년이내 연구비 ( 현금 ) : 총정부출연금 3,600 백만원이내 ( 단위 : 백만원 ) 필요연구비현금 구분 주요기술개발내용 TRL 단계 인건비 ( 학생인건비포함 ) 연구시설 장비및재료비 기타 ( 연구활동비, 연구과제추진비, 연구수당, 간접비 ) 1 차년도 본딩 / 디본딩소재선정및개발본딩 / 디본딩장비설계및모듈제작본딩 / 디본딩소자설계 , 차년도 본딩 / 디본딩소재개발및최적화본딩 / 디본딩장비제작본딩 / 디본딩소자공정기술개발 , 차년도 본딩 / 디본딩소재개선본딩 / 디본딩장비신뢰성평가본딩 / 디본딩소자신뢰성개선 ,

17 기획위원 번호성명소속직급 1 홍승남키포유앤키월드수석연구원 2 최광성전자통신연구원수석연구원 3 김성동서울과학기술대학교교수

목 차 < 요약 > Ⅰ. 검토배경 1 Ⅱ. 반도체산업이경기지역경제에서차지하는위상 2 Ⅲ. 반도체산업이경기지역경제에미치는영향 7 Ⅳ. 최근반도체산업의여건변화 15 Ⅴ. 정책적시사점 26 < 참고 1> 반도체산업개관 30 < 참고 2> 반도체산업현황 31

반도체산업이경기지역경제에 미치는영향및정책적시사점 한국은행경기본부 목 차 < 요약 > Ⅰ. 검토배경 1 Ⅱ. 반도체산업이경기지역경제에서차지하는위상 2 Ⅲ. 반도체산업이경기지역경제에미치는영향 7 Ⅳ. 최근반도체산업의여건변화 15 Ⅴ. 정책적시사점 26 < 참고 1> 반도체산업개관 30 < 참고 2> 반도체산업현황 31 i / ⅶ ii / ⅶ iii / ⅶ iv