AI 반도체 핵심 기판 ‘FC-BGA’, 韓 기업 경쟁 가속…‘대형화’·‘R&D' 숙제

인공지능(AI) 서버용 반도체 수요가 폭발하면서 고성능 로직과 고대역폭메모리(HBM)을 연결하는 플립칩 볼그리드어레이(FC-BGA) 기판이 핵심 부품으로 부상하고 있다. 대규모 연산을 담당하는 GPU·AI 가속기가 잇따라 출시되면서 데이터센터용 패키징 수요가 급증한 결과다. 1일 업계에 따르면 국내 주요 반도체 기업들은 일제히 FC-BGA 생산 능력을 확충하고 있다. 삼성전기는 베트남과 세종 사업장을 중심으로 생산라인을 확대해 서버·AI용 고부가 제품 비중을 오는 2026년까지 절반 이상으로 늘린다는 목표다. LG이노텍은 지난해 12월 양산에 들어간 구미 스마트 팩토리를 기반으로 수율 경쟁력을 높였다. 심텍 역시 말레이시아 서스티오 공장을 증설해 해외 고객사 대응에 나서고 있다. FC-BGA는 칩을 뒤집어 기판에 직접 접합하는 구조로, 기존 와이어본딩 방식보다 신호 경로가 짧아 전력 손실과 지연을 크게 줄일 수 있다. 수만 개에 이르는 입출력 단자를 처리하면서도 발열을 효과적으로 잡을 수 있어 고전력 고속 신호가 필수적인 AI 서버 칩에는 불가결한 요소로 자리잡았다. 최근에는 한 변이 100mm에 달하고 3만 개 이상의 핀을 담아내는 대형 기판까지 요구되면서 설계·공정 난도 역시 동시에 상승하고 있다. 패키지 기술 전환도 기판 수요를 자극하고 있다. 최근 엔비디아가 블랙웰 세대부터 채택하기 시작한 TSMC의 CoWoS-L 방식은 유기 라미네이트와 실리콘 브리지를 결합해 대면적 패키지를 구현하는 방식으로, 하부 유기기판의 전력·신호 분배 부담이 이전보다 커졌다. 이에 따라 유기 FC-BGA는 더 넓은 면적과 더 미세한 배선 규칙을 동시에 소화해야 하는 과제에 직면했다. 특히 TSMC의 경우 향후 300mm급 기판의 필요성을 강조하며 상용화를 추진할 것이라고 밝히기도 했다. 확장하는 패키징 산업이 직면한 과제는 신소재 발굴을 위한 R&D와 기판 대형화다. 현행 주석(Sn) 계열 솔더는 향후 구리(Cu)로의 전환 가능성이 점쳐지나, 공정 난도가 높아 비용 부담이 커진다는 점이 단점으로 꼽힌다. 기판 대형화 역시 쉽지 않다. 향후 수십 개 칩을 동시에 탑재하기 위한 300mm급 초대형 기판 수요가 예상되지만, 주류인 300mm 원형 웨이퍼로는 기판에 필요한 300mm 정사각형을 만드는 것이 불가능하다. 대형 기판을 만들 수 있는 450mm 웨이퍼 연구개발이 이전에 진행된 바 있으나 아직까지 비주류에 속해, 양산 사례 역시 없다. 서울과학기술대학교 김사라은경 교수는 "대형 기판 생산은 단순히 사이즈를 키우면 끝나는 문제가 아니다"라며 "기판 특성과 사용처를 종합적으로 고려해야 하기 때문에 상용화엔 부담이 있다"라고 말했다.