개관

최근 반도체 업계에서는 웨이퍼 완성 후의 패키징·조립·검사 등 후공정이 큰 주목을 받고 있다. 칩렛이나 2.5D/3D 실장, 팬아웃형 패키지 같은 기술 혁신에 더해 AI와 HPC의 급속한 수요 확대, 나아가 지정학적 리스크가 호재로 작용하며 후공정의 전략적 중요성이 높아지고 있다. 본 리포트에서는 일본 기업의 동향과 업계 단체의 노력을 개관한다.

<반도체 제조 공정과 반도체 산업의 관계>

 [자료: Hanol Publishing]

반도체 업계가 지금 가장 열중하는 것은 '후공정'

반도체 제조는 트랜지스터를 형성하는 전공정(FEOL: "Front End of Line"), 이후 배선 형성을 수행하는 BEOL("Back End of Line"), 그리고 웨이퍼 완성 후 칩을 절단하여 패키징 및 검사를 수행하는 후공정의 세 단계로 크게 구분된다. 후공정은 기존에는 비용 경쟁력이 중시되는 영역으로 여겨져 왔으나, 최근 들어 양상이 크게 변화하고 있다. 반도체 미세화 기술은 무어의 법칙에 따라 진화해 왔으나, 2010년 경을 기점으로 미세화 속도는 둔화되기 시작했고, 전공정에서의 물리적 기술발전은 한계에 근접해 왔다. 이에 성능이나 소비 전력 향상을 실현하는 수단으로서, 패키징을 통한 혁신이 불가피해졌다. 

특히 AI나 HPC("High Performance Computing". 고성능 컴퓨팅) 분야에서는 HBM("High Bandwidth Memory". 고대역폭 메모리)나 고속 칩 간 연결이 요구되며, 후공정 기술력이 제품 전체의 성능을 좌우하게 됐다. 또한 공급망 분산화가 진행되는 가운데, 국가나 지역 차원에서 후공정 역량을 확보하는 것도 국가 전략 과제로 자리매김하고 있다. 이러한 배경으로 인해, 이제 후공정은 반도체 산업의 최전선에서 부상하고 있다.

<일본의 반도체 제조 공정 후공정 관련 기업 사례>

 [자료: 각종 자료를 바탕으로 도쿄 무역관에서 작성]

일본 주요 반도체 관련 메이커의 후공정 최신 동향

라피더스는 홋카이도 치토세시에 위치한 전공정을 담당하는 최첨단 공장 'IIM-1(이엠원)'에 인접하여 후공정 연구개발 거점 'RCS(Rapidus Chiplet Solutions)'를 개설했다. 여기에는 4가지(RDL, Si 인터포저, 하이브리드 접합, FCBGA)의 실장 공정 파일럿 라인을 설치한다. 세계 최초로 600mm 사각 캐리어를 사용한 PLP 방식의 RDL 제조 공정 파일럿 라인을 2026년 3월에 가동할 예정이다. 코이케 아츠요시 사장은 "전공정뿐만 아니라 후공정, 설계 지원까지. 이 삼위일체가 된 비즈니스 모델(=RUMS)의 실현이 중요하다"고 언급했다.

 ※RUMS: "Rapid & Unified Manufacturing Service". Rapidus 주식회사가 제안하는 설계부터 제조, 패키징까지 일체형으로 제공하는 파운드리 서비스.

<IIM-1에서 시제품 제작에 성공한 2나노미터 노드 GAA 트랜지스터(왼쪽). 신설한 후공정 연구개발 거점 "RCS"(오른쪽)>

 [자료: 래피더스]

소니는 2024년 2월 차량용 이미지 센서 등을 생산하는 후공정 거점으로 태국에 신공장을 개소했다. 해당사는 CMOS 이미지 센서 분야에서 세계를 선도하는 가운데 하이브리드 본딩(Hybrid bonding) 기술을 조기에 도입했다. 양산에서는 1.5마이크로미터, 연구 수준에서는 0.4마이크로미터 피치의 미세화를 실현하고 있다. 이 기술로 화소부와 신호 처리 회로를 고밀도로 결합할 수 있어 카메라 내부에서 AI 처리를 수행하는 에지 AI 개발에 주력하고 있다. 하이브리드 본딩은 이미지 센서에 사용돼 왔으나 점차 기술적 평가를 높여 2030년까지는 첨단 반도체 전반에 채택될 칩 간 접합의 필수 기술이 될 전망이다.

<칩 간 연결 방식 비교>

 [자료: 각종 자료를 바탕으로 도쿄 무역관에서 작성]

오므론은 후공정 자동화에서 센싱과 검사를 과제로 인식하고 있다. 현재는 온도나 전기장 분포 등의 획득이 불충분하여 자동화에 필요한 정보는 30% 정도에 그친다. 특히 웨이퍼 온도 측정은 '영원한 과제'로 여겨져 내부 온도 관리가 불가능한 점이 품질 안정화를 방해해 왔다. 해당사는 새로운 측정 원리와 추정 알고리즘을 개발하여 3D 적층 및 칩릿 실장으로 증가하는 열 응력과 뒤틀림 문제 해결을 목표로 한다. 검사 분야에서는 CT형 X선 자동 검사 장치 'VT-X950'을 도입해 첨단 패키지를 비파괴적이고 고속으로 검사할 수 있게 했다. 클린룸 규격에도 대응하며 양산부터 개발 단계까지 활용되고 있다. 또한 생성형 AI를 통한 작업 지원을 도입해 숙련자의 암묵적 지식을 명시적 지식으로 전환함으로써 경험이 적은 기술자도 고도의 검사가 가능한 환경을 조성 중이다.

<CT형 X선 자동 검사 장치 'VT-X950'(왼쪽). 검사 이미지(오른쪽)를 AI 처리하여 노이즈와 검사 대상을 명확히 분리, 숙련 작업자에 의존하지 않고 검사 자동화(이미지)>

 [자료: 오므론]

야마하는 후공정을 차세대 전략 사업으로 하고 있다. 2019년 본딩 및 몰딩(반도체 봉지) 장비를 다루는 신카와, 아픽야마다를 인수했으며, 2024년 7월에는 관련 3개사를 통합했다. 후공정 장비와 전자 부품 조립 장비 사업을 일체화하여 '야마하 로보틱스'로 통합 운영을 시작했다. 당사의 강점은 테스트 외 후공정에 관련된 장비를 모두 갖추고 있다는 점이다. 여기에 야마하 발동기의 이송 로봇 등을 결합한 자동화 제안도 가능하다. 이를 통해 당사의 제안능력과 개발 효율을 높이고, 후공정 장비와 표면 실장기와의 연계도 도모한다. 전략적으로는 원형 웨이퍼를 대체하는 패널형 기판 대응 및 HBM용 장비 개발을 추진해 생성형 AI 수요를 흡수한다.

<"반도체 후공정부터 전자 부품 실장 공정의 경계 없는 턴키 솔루션 제공자"를 표방>

 [자료: 야마하 로보틱스]

니콘은 자사 최초의 후공정용 노광 장치 'DSP-100'을 발표하며 후공정용 장비 시장에 본격 진출했다. 600mm 크기의 대형 기판에 1.0 마이크로미터의 라인 스페이스를 형성할 수 있는 능력을 갖춰 첨단 패키지용 기판 노광 수요에 대응한다. 지금까지 전공정 노광 장치로 명성을 떨쳐온 니콘이 후공정 분야에도 본격적으로 진출하기 시작한 점은 주목할 만하다.

<1.0 마이크로미터의 고해상도와 600mm 사각 대형 기판 대응의 'DSP-100'(왼쪽), 노출된 기판(오른쪽)>

 [자료: 니콘]

'개별'이 아닌 '집단'으로 승부 일본 업계 단체의 동향

일본의 후공정·OSAT 업계에서는 협조와 공동 창조, 경쟁력 강화를 목적으로 한 업계 단체 설립이 잇따르고 있다. 이 분야는 대만 ASE와 미국 Amkor가 세계 시장을 장악하고 있어, 많은 국내 중소기업들이 "개별적으로는 이길 수 없다"는 위기감을 공유하고 있는 것이 배경이다. 새롭게 탄생한 업계 단체는 아오이 전자(アオイ電子)와 암코 테크놀로지 재팬(アムコー・テクノロジー・ジャパン) 등 국내 OSAT 20여 개사가 참여한 2025년 4월 출범 예정의 일본 OSAT 연합회다. 생산 체계의 상호 보완과 부품 공동 조달, 인재 육성, 그리고 업계 전체의 인지도 향상을 목표로 하고 있다. 이를 통해 일본 OSAT 기업을 '개별'에서 '집단'으로 변화시켜 국제 경쟁력을 높이는 것을 노리고 있다. 그 외에도 2024년 5월 설립된 SATAS(반도체 후공정 자동화·표준화 기술 연구 조합)는 반도체 제조사와 반도체 제조장비 제조사 등이 조합원으로 참여하는 산학관 컨소시엄으로, 후공정 생산성 향상을 위해 자동화와 모듈화 표준 기술 개발에 주력하고 있다. 2027년에는 샤프 가메야마 공장에 검증 라인을 설치하고, 2028년 실용화를 목표로 하는 구체적인 계획이 진행 중이다. 또한 후공정에 특화된 전문 전시회 'SEMISOL'과 반도체 패키징 전시회 'APCS'가 일본에서 처음 개최되는 등 후공정·OSAT 업계 전반에 걸쳐 활기가 감지된다.

<SATAS가 후공정 연구개발 파일럿라인 구축에 착수했다 샤프 가메야마 공장(미에현)>

 [자료: SATAS]

전문가 코멘트

일본 OSAT 연합회 T・H 씨: 일본 내 OSAT의 과제는 품질 유지를 위한 중요한 설비의 유지·갱신이 자금 문제로 이뤄지지 못하고 있다는 점에 있다. 규모의 경제 측면에서는 해외 기업에 뒤지는 것이 사실이지만, 품질은 일본 기업도 뒤지지 않는다. 해외와의 차별화 측면에서는, 예를 들어 설비 가동률을 높은 수준으로 유지하거나, 수율(양품률)을 장인 수준의 미세 조정·개선 활동을 통해 수직적으로 개선할 수 있는 등, 이러한 부분이 최종적인 비용 경쟁력으로 이어진다. 규모에서 뒤지는 만큼, 이러한 품질 부분으로 커버해 나가고 싶다.

시사점

반도체 제조 공정의 후공정은 과거에는 비용 경쟁의 무대로 여겨졌지만, 현재는 최첨단 패키징이나 칩릿 연결과 같은 기술 혁신의 핵심 영역으로 변모하고 있다. 라피다스의 연구 거점이나 니콘의 신규 진출에서 볼 수 있듯이, 일본 기업들은 각자의 강점을 후공정으로 확장하기 시작했다. 또한 OSAT 연합회나 SATAS와 같은 업계 단체들도 점차 정비되고 있다. 앞으로 일본의 후공정은 부가가치 창출 측면에서 큰 가능성을 지닌다. 특히 고정밀 검사 기술과 자동화, 재료 기술 분야에서는 일본 기업의 강점이 발휘될 수 있다. 공급망 분산이 진행되는 최근이지만, 반도체 분야에 있어서는 한국·일본의 보다 긴밀하고 전략적인 관계 구축의 여지가 있다고 느껴진다.

자료:  Hanol Publishing, Rapidus, Sony, Omron, Yamaha robotics, Nikon, J-OSAT, SATAS 등