HBM 또 앞서가는 SK하이닉스···'꿈의 패키징' 기술 확보

'3세대 8단'에 하이브리드 본딩
4개항목 신뢰성 실험 모두 통과
차세대 제품에도 공정적용 목표

SK하이닉스의 하이브리드 본딩으로 결합해 만든 HBM2E 신뢰성 실험 결과. 자료 출처=SK하이닉스 IEDM 2023 발표 자

[서울경제]

SK하이닉스(000660)가 고대역폭메모리(HBM) 세계 1위 수성을 위한 새로운 공정 ‘하이브리드 본딩’ 개발에 박차를 가하고 있다. 꿈의 패키징 기술인 하이브리드 본딩을 업계에서 가장 먼저 적용해 맞춤형(스페셜티) 메모리 분야 선두를 이어갈 수 있을지 주목된다.

18일 업계에 따르면 SK하이닉스는 이달 미국에서 열린 세계적 반도체 학회 IEDM 2023에 참석해 HBM 제조용 하이브리드 본딩 공정에 대한 신뢰성을 확보했다고 밝혔다. SK하이닉스는 D램을 8단으로 쌓은 3세대 HBM(HBM2E) 제품을 하이브리드 본딩 공정으로 제조한 뒤 신뢰성 실험을 해봤더니 모든 분야에서 ‘통과’를 기록했다고 발표했다. SK하이닉스는 이번 테스트에서 이 HBM을 고온에서 방치했을 때의 수명 측정, 제품 출하 후 고객사의 칩 결합 과정에서 발생할 수 있는 문제 등을 4개 항목으로 나눠 다각도로 실험했다.

하이브리드 본딩은 HBM 산업에서 ‘꿈의 공정 기술’로 손꼽힌다. 지금까지 HBM은 D램과 D램 사이를 연결할 때 ‘마이크로 범프’라는 소재로 이어 붙였다. 하지만 하이브리드 본딩을 활용하면 범프 없이도 칩들을 연결할 수 있다. 가교 역할을 하는 범프를 없애면서 칩의 두께를 획기적으로 줄일 수 있게 된 것이다.

지금까지의 HBM 칩 두께 표준은 720㎛다. 2026년께 양산이 기대되는 6세대 HBM(HBM4)은 16개의 D램을 수직으로 쌓아올려야 하는데 기존 패키징 기술로는 고객사가 만족하는 조건을 맞추기가 쉽지 않다. 따라서 차세대 HBM에서 하이브리드 본딩 공정 적용은 불가피하다는 게 업계 중론이다.

이미 SK하이닉스는 올해 HBM4 제품에 하이브리드 본딩을 적용할 것이라고 예고한 바 있다. 이번 실험이 아직 16개 D램의 절반인 8단인 데다 HBM4 스펙보다 훨씬 덜 까다로운 3세대 제품으로 진행한 것이기는 하지만 대외적으로 회사가 하이브리드 본딩의 가능성을 보여준 것은 큰 의미가 있다.

SK하이닉스 HBM 패키징 공정 기술 로드맵. 출처=SK하이닉스 IEDM 2023 발표 자료

SK하이닉스는 올해 반도체 업계에서 HBM 돌풍을 일으킨 주역이다. 올해에도 5세대 HBM 생산에 매스리플로-몰디드언더필(MR-MUF)이라는 공정을 업계에서 가장 먼저 도입하면서 HBM 업계 1위 자리를 사수했다. 세계 인공지능(AI) 반도체 큰손인 엔비디아는 선수금까지 지급하며 SK하이닉스 HBM에 러브콜을 보내기도 했다.

HBM 분야에서 선두 SK하이닉스를 바짝 추격하고 있는 삼성전자(005930)도 HBM에 하이브리드 본딩 공정을 적용하기 위해 노력 중인 것으로 파악됐다. 삼성전자는 올 11월 천안 사업장에 베시의 하이브리드 본딩 장비를 들이고 HBM 양산 도입을 위한 연구에 매진하고 있다.

강해령 기자 hr@sedaily.com