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[나는 신입사원입니다! Ep.8] 반도체 제조의 마지막을 장식하는 패키지 기술! 그리고 반도체의 미래를 설계하는 ‘패키지 개발 담당자’

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수백 개 이상의 공정을 거쳐야 하는 반도체 제조. 그 마지막 단계는 바로 ‘패키지’ 공정입니다.

Fab에서 만들어진 웨이퍼에는 수많은 반도체 칩들이 있는데요. 통상적으로 패키지 기술은 이 칩을 하나씩 낱개로 잘라낸 뒤, 칩 외부의 시스템과 신호를 주고받을 수 있도록 전기적으로 연결하고, 여러 외부 환경으로부터 칩을 안전하게 보호하는 단계를 의미합니다.

‘나는 신입사원입니다!’의 여덟 번째 주인공은 삼성전자 반도체에서 차세대 패키지 기술 개발을 담당하고 있는 김헌우 님인데요. 반도체 제조의 마침표이자, 미래 반도체에 새로운 가치를 불어 넣고 있는 패키지 개발 업무의 또 다른 모습에 대해 자세한 이야기를 나눠보겠습니다.

“저는 삼성전자 반도체 TSP총괄 Package개발실에 있는 차세대PKG개발팀에서 근무하고 있고, 2.5D, 3D 패키지 기술 및 제품 개발 업무를 담당하고 있습니다. 저희 팀에서는 기존의 기술적 한계를 넘어서는 새로운 융복합 패키지 기술을 개발하고 있습니다.”

2.5D, 3D 패키지 기술, 조금은 생소한 용어인데요. 어떤 기술일까요?

“2.5D, 3D 패키지 기술은 TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통전극)을 통해 칩과 칩을 수직으로 연결하는 기술로, 2.5D가 Si Interposer(실리콘 인터포저)라는 매개체를 통해 여러 칩을 연결한다면 3D는 이러한 매개체 없이 칩을 연결하는 기술입니다. 이를 통해 기존에 PCB(Printed Circuit Board: 인쇄 회로 기판)을 통해 칩을 연결하는 것보다 훨씬 높은 밀도의 connectivity를 구현할 수 있고 AI 가속기나 HPC(High Performance Computer)에 필수적으로 사용되고 있습니다.

기존 패키지가 단순히 칩을 외부와 전기적으로 연결하고 보호하는 역할이었다면, 최근에는 칩으로 구현하기 어려운 부분을 보완하는 역할도 하는데요. 특히 하나의 칩으로 구현하는 것보다 칩을 수평으로 배치하는 2.5D, 혹은 분리해서 수직으로 쌓는 3D 패키지 기술이 수율, 원가, 개발 기간 등에서 효율을 가져올 수 있어 최근 제품화가 활발히 이루어지고 있습니다. 이는 삼성전자가 설계부터 Fab, 패키지까지 모두 가지고 있는 종합 반도체 회사(IDM: Integrated Device Manufacturer)로서 확보하고 있는 중요한 사업 경쟁력 중 하나라 생각합니다.”

* AI 가속기 : 인공지능을 실행하기 위한 전용 하드웨어

헌우 님은 패키지 기술 개발 중 주로 ‘Post-Fab’ 업무를 담당하고 있습니다.

“’Post-Fab’이란 순서상으로는 Fab에서 생산된 웨이퍼를 조립 공정을 통해 패키지로 만들기 전 진행하는 공정 모듈을 통칭합니다. Post-Fab에서는 Fab과 마찬가지로 Photo, Etch, CVD 등 8대 공정을 진행하는데, 풀기 어려운 문제가 하나 있습니다. 웨이퍼의 앞면과 뒷면을 전기적으로 연결하기 위해서는 웨이퍼를 수십 마이크로미터 수준으로 얇게 만든 상태에서 회로를 형성해야 하기 때문에 기술 난이도가 매우 높다는 것입니다. 이러한 배경 때문에 WSS(Wafer Supporting System)라는 기술이 고안되었고, 이를 통해 웨이퍼를 얇게 만들어 TSV를 노출시키고 다른 칩들과 연결하는 것이 가능해진 것이죠.

패키징이라고 하면 단순히 웨이퍼를 자르고 겉면을 씌우는 일이라고 생각하실 수도 있는데, 현재 반도체 산업의 화두인 Advanced Packaging은 각각의 기능을 가지고 있는 칩과 칩을 자유롭게 연결시킬 수 있는 다리를 만들어주는 것 입니다. 마치 레고처럼요.”

헌우 님은 패키지 업무의 특성을 레고에 비유해 설명했는데요.

“작은 레고 블록 하나 하나를 쌓아 나만의 작은 세계를 만드는 것처럼 반도체 패키지 분야는 자유도가 굉장히 높습니다. 레고 블록처럼 칩 하나만 놓고 보면 간단하지만 그 칩을 어디에 어떤 방식으로 쌓는지에 따라 결과가 크게 달라질 수 있기 때문이에요. 여러 칩들이 모여 복잡한 시스템을 이루기도 하고요.

현재 공정 미세화를 통한 반도체 성능 향상이 점점 어려워지고 있기에 이를 극복하기 위한 방편으로 패키지 분야가 전 세계적으로 주목받고 있는 상황인데요. 지금 이 순간에도 여러 차세대 패키지 기술이 개발되고 있으며 잠재력이 무궁무진한 분야입니다. 수십 년 동안 끊임없이 새로운 제품이 출시되고 있는 레고처럼 말이죠.”

헌우 님이 느끼는 차세대 패키지 개발 업무의 장점은 무엇일까요?

“제 눈으로 반도체 제조의 최종 ‘결과물’을 볼 수 있다는 점이 가장 매력적이에요. 하나의 반도체가 만들어지기까지는 수많은 공정을 거쳐야 하는데, 제품의 목적에 맞게 후반부 공정 및 조립이 진행되고 마침내 고객의 제품에 바로 탑재될 수 있는 형태로 제조되는 곳이 패키지 단계입니다. 제가 개발에 참여했던 반도체 제품이 생산되어 최종 결과물로 나오는 걸 보았을 때 정말 뿌듯했습니다.”

기계공학과를 전공한 헌우 님. 반도체 업계에 관심은 있었지만, 전공을 살려 반도체 회사로 취업할 수 있을지, 취업하고 나서 업무를 잘 수행할 수 있을지에 대해 고민이 많았다고 합니다.

“한창 진로에 대한 고민을 하고 있을 때, 후공정 분야가 반도체의 성능을 결정짓는 미래 핵심 기술로 떠오른다는 기사를 접했어요. 그리고 문득, 후공정은 기계적, 열적 특성이 중요하니 오히려 기계공학과 출신인 제가 회사에 꼭 필요한 사람이 될 수 있을 것이라는 생각이 들었어요. 그래서 자신감을 갖고 지원하게 됐습니다.”

헌우 님은 학부 시절 배운 지식을 어떻게 실무에 활용하고 있을까요?

“웨이퍼 혹은 반도체 칩을 얇고 넓게 만들게 되면, 쌓인 레이어(층) 간 CTE(Coefficient of Thermal Expansion: 열팽창 계수) 차이 때문에 휘는 현상이 발생합니다. 이는 제품의 신뢰성에 큰 영향을 미치기 때문에, 칩에 사용할 소재의 특성을 고려하여 휘는 정도가 후속 공정 진행에 문제가 없도록 해야 하는데요. 이러한 의사결정 과정에서 기계공학적 지식이 많은 도움이 되고 있습니다.”

2019년 8월에 입사한 이후 약 2년 정도 반도체 패키지 개발 실무를 경험한 헌우 님, 그 동안 어떤 점을 느꼈을지 궁금합니다.

“업무를 진행하면서 ‘필기하는 습관’의 중요성을 크게 느꼈습니다. 동시에 다양한 업무를 하다 보니 정리가 잘 안되는 경우가 많더라고요. 필기를 시작한 후, 해야 할 일을 더욱 철저하게 체크하게 됐고, 일의 경중에 따라 효율적으로 처리할 수 있게 되었어요. 처음에는 노트에 적었는데, 지금은 엑셀에 저만의 양식을 만들어서 정리합니다.

또, 아직도 많이 부족한 부분이긴 하지만, 처음엔 특히 업무 메일을 선배님들처럼 일목요연하게 쓰는 것이 많이 어려웠는데요. 선배님들이 쓰신 메일을 그대로 따라 써보기도 하고 구성을 분석해 보는 등의 노력이 큰 도움이 되었던 것 같아요.

‘협업 능력’도 개발 업무에 꼭 필요한 부분 중 하나입니다. 협업을 통해 필요한 데이터를 확보하고, 내가 전달하고자 하는 바를 상대방이 이해하기 쉽게 정리하는 능력이 필요한데, 이는 대학교 조별 과제와 비슷한 부분이 많습니다. 학교에서 조별 과제를 진행할 때, 실무를 위한 준비 과정이라고 생각하고 좀 더 적극적으로 도전해보는 것을 추천합니다.”

헌우 님이 근무하고 있는 TSP총괄 차세대PKG개발팀은 삼성전자 반도체 천안캠퍼스에 위치하고 있습니다. 천안캠퍼스만이 갖고 있는 장점은 무엇일까요?

“가장 먼저, 천안캠퍼스는 천안아산 KTX역까지 차로 10분~15분 거리에 있어 타 지역과의 접근성이 매우 좋습니다! 기차 시간만 잘 맞춘다면 서울까지 1시간 정도면 갈 수 있고 다른 지역으로도 쉽게 갈 수 있어요.

천안캠퍼스는 주변 인프라도 잘 갖추어져 있고 다양한 장점이 많지만 근무 인원 밀도가 다른 캠퍼스보다 적어 더 여유 있는 캠퍼스 생활을 즐길 수 있다는 점이 가장 좋습니다. 주차 공간도 넉넉해서, 차량으로 출퇴근하는 임직원들에게는 큰 장점이라고 생각합니다.”

한편, 차세대PKG개발팀은 남다른 팀 분위기를 자랑하는데요.

“먼저, 저희 팀장님은 팀원들의 사소한 의견도 항상 경청해 주시고, 직급이나 나이에 상관없이 모든 사람들이 자유롭게 의견을 낼 수 있는 수평적인 조직 문화 조성을 위해 직접 앞장서고 계세요. 입사 후 첫 회식 때가 기억에 남는데요. 분위기 있는 멋진 브런치 카페를 통째로 빌리신 점도 놀라웠는데, 직접 카메라를 가져오셔서 팀원들 개개인의 사진 촬영도 해주셨답니다.

멘토님도 빼놓을 수 없어요. 바쁜 와중에도 제가 질문 드릴 때마다 귀찮은 내색 하나 없이 친절하게 알려주셔서 저도 더욱 집중하게 됩니다. 특히 기억나는 일화가 있는데요. 제가 처음으로 세미나 발표를 맡았던 적이 있었는데, 멘토님이 저를 먼저 도와주느라 늦게까지 야근하면서 제게는 빨리 퇴근하라고 하셨던 적이 있어요. 그때 정말 감사했습니다.

마지막으로 헌우 님이 미래의 삼성전자 반도체 신입사원이 될 취준생들에게 전하고 싶은 메시지가 있다고 합니다.

“제 좌우명이 ‘아쉬움은 남아도 후회는 없게’입니다. 취업 준비를 하다 보면 결과에 대해 아쉬움이 남을 때도 있는데요. 후회는 남지 않도록 항상 최선을 다하시면 좋겠습니다.

그리고 ‘미래의 나’를 상상하고, 이미지 트레이닝하며 자신감을 갖기 바랍니다. 저도 취업 준비할 때 심적으로 압박을 많이 받았던 기억이 나는데요. 스스로 준비가 되어 있으면 언제든지 기회는 있을 테니 희망 잃지 마시고요!“

지금까지 차세대 패키지 기술을 연구하는 김헌우 님의 이야기를 들어봤는데요. ‘나는 신입사원입니다!’ 다음 주인공은 또 어떤 재미있는 이야기를 들려줄지 많은 기대 바랍니다!

* 기사에 포함된 사진들은 방역 수칙을 준수하여 촬영하였습니다.

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