USB 메모리는 어떻게 태어나는가 — 젓가락으로 반도체를 집는 공장

우리가 매일 쓰는 USB 메모리는 완성된 형태로만 접하기 때문에, 그 안이 어떻게 조립되는지 상상하기 어렵다. 하드웨어 해커로 잘 알려진 버니 황(Bunnie Huang)이 2013년 공개한 공장 방문기는 이 작은 장치가 놀라울 만큼 손이 많이 가는 아날로그 공정 속에서 만들어진다는 사실을 보여준다. 그는 실제로 봉지(encapsulation) 처리 전 단계의 칩-온-플렉스(chip-on-flex) 원판 한 장을 기념품으로 받아 왔고, 그 사진과 설명을 통해 대량 소비재 반도체 조립의 실상을 드러냈다.

클린룸 없는 조립 라인

USB 메모리의 출발점은 포장되지 않은 낱개의 낸드 플래시(FLASH) 칩, 즉 베어 다이(bare die)다. PCB에 올리기 전에 각 칩은 용량과 동작 여부를 선별받는다. 이 검사는 프로브 카드(probe card)라는 도구로 이뤄지는데, 카드에 달린 미세한 바늘이 칩 표면의 100마이크로미터 이하 크기 접점에 내려앉아 전기적 특성을 측정한다. 버니 황이 인상 깊게 지적한 대목은 이 작업 환경이 전혀 클린룸이 아니라는 점이다. 작업자들은 핀셋과 수동 흡착 지그로 칩을 직접 다루고, 아날로그 전류계를 고무줄로 묶어 고정해 쓰는 식이다. 반도체라고 하면 흔히 떠올리는 무균실의 이미지와는 거리가 멀다.

젓가락으로 집는 실리콘

가장 흥미로운 장면은 다이를 PCB에 얹는 공정이다. 자동 픽앤플레이스 장비가 아니라, 작업자가 손으로 깎은 대나무 막대, 사실상 개조한 젓가락으로 칩을 하나씩 집어 기판에 올린다. 버니 황의 추정에 따르면 대나무 끝의 표면 에너지가 실리콘 다이를 살짝 붙잡을 정도이고, 기판에는 미리 접착제 한 방울이 발라져 있어 다이를 갖다 대면 접착제의 표면 장력이 칩을 젓가락에서 떼어 낸다. 값싼 와이어본딩 시설에서 베어 다이를 수작업으로 놓는 것은 드문 일이 아니라는 게 그의 설명이다.

이렇게 손으로 놓인 칩은 자동 와이어본딩 장비로 기판에 연결된다. 이 장비가 이미지 인식으로 본딩 패드 위치를 스스로 찾아내기 때문에, 앞 단계에서 다이를 다소 거칠게 손으로 배치해도 공정이 성립한다. 즉 사람의 대략적인 배치와 기계의 정밀한 보정이 역할을 나눠 맡는 구조다. 배선은 머리카락보다 가는데, 잘못 본딩된 와이어를 작업자가 손으로 떼어 다시 걸어 넣는 장면까지 있었다.

한 장에 여덟 개, 그리고 8051

그가 받아 온 원판 한 장에는 USB 메모리 여덟 개분이 들어 있었다. 각 단위는 플래시 메모리 칩과 컨트롤러 IC 두 개로 구성된다. 컨트롤러는 USB 인터페이스와 원시 낸드 플래시 사이를 중개하는데, 불량 블록 관리(bad block map)와 오류 정정 같은 간단치 않은 일을 처리한다. 버니 황은 이 컨트롤러가 수십 MHz로 도는 8051 계열 CPU일 것으로 봤다. 본딩과 테스트가 끝난 패널은 에폭시로 오버몰딩된 뒤 개별 조각으로 절단되어 판매에 들어간다. 봉지 처리 전까지 조립체 전체가 휘어진다는 점도 특징인데, 실리콘 칩은 뒷면을 갈아 얇게 만들어 약간의 휨을 견디고 PCB 역시 얇아 유연하기 때문이다.

왜 컨트롤러를 플래시에 합치지 않나

댓글에서는 왜 플래시 다이에 컨트롤러를 통합하지 않느냐는 질문이 오갔다. 제기된 설명은 두 가지다. 하나는 컨트롤러가 USB의 5V 신호를 받아야 해 높은 ESD 보호가 필요한데, 미세 공정일수록 고전압에 취약하다는 점이다. 다른 하나는 메모리와 로직(CPU)의 제조 공정 자체가 크게 달라, 억지로 한 웨이퍼에 올리면 양품 수율이 급격히 떨어지고 원가 경쟁력을 잃는다는 점이다. 참고로 문제의 플래시는 인텔 각인의 L73A로, 29nm 공정 32Gb MLC 낸드로 지목됐다.

한국 IT 실무자 관점에서 이 기록의 가치는 두 가지다. 첫째, 저가 소비재 반도체의 원가는 첨단 장비가 아니라 인건비 기반 수작업과 기계의 절묘한 분업에서 나온다는 점을 보여 준다. 둘째, 검사·프로그래밍 공정이 조립 단계에 존재한다는 사실은 공급망 신뢰 문제와 직결된다. 실제로 댓글에서도 이 단계가 고객 요청 파일 사전 적재나 잠재적 변조 지점이 될 수 있다는 논의가 나왔고, 다만 소량 주문이라면 완제품 상태에서 처리하는 편이 현실적이라는 반박이 이어졌다. 10여 년 전 기록이지만, 눈에 보이지 않는 조립 공정을 어디까지 신뢰할 수 있는가라는 질문은 지금의 하드웨어 보안 논의에도 그대로 유효하다.