삼성·SK, HBM향 하이브리드 본딩 도입 시점 두고 고심

최근 HBM 발열 특성 개선…두께 표준 완화 움직임도

차세대 고대역폭메모리(HBM) 구현을 위한 하이브리드 본딩 기술 도입을 두고 삼성전자와 SK하이닉스의 고민이 깊어지고 있다.

해당 기술 주요 강점인 '두께 감소'와 '방열 성능 강화' 필요성이 낮아진 탓이다. 업계에선 HBM의 I/O(입출력단자) 수가 폭증하는 시기에 하이브리드 본딩 도입 필요성이 다시 대두될 것이란 관측이 나온다.

6일 업계에 따르면 차세대 HBM에 하이브리드 본딩이 본격 적용되는 시점이 예상 대비 지연될 수 있다는 관측이 제기된다. 당초 HBM4(6세대 HBM)부터 하이브리드 본딩 기술이 적용될 수 있다는 전망도 있었지만 기술 난도 등으로 현실화되지는 않았다. 

삼성전자가 지난 2월 중순부터 양산에 들어간 차세대 고대역폭메모리 HBM4. (사진=삼성전자)

삼성전자, SK하이닉스 등 주요 메모리 기업은 HBM에 차세대 패키징 기술인 하이브리드 본딩을 적용하기 위한 연구개발(R&D)을 지속해 왔다. 현재 HBM 양산에 쓰이는 본딩 기술은 열압착(TC) 본딩이다. D램과 D램 사이에 미세한 돌기인 범프(Bump)와, 지지대 역할의 언더필(Underfill) 소재를 넣고 열과 압력으로 이어붙이는 구조다.

하이브리드 본딩은 각 D램의 구리 배선을 직접 이어붙인다. 범프를 쓰지 않아 전체 HBM 두께를 줄이는 데 용이하고, 방열 특성과 전력 효율을 높일 수 있다. HBM 내부에서 데이터 전송통로 역할을 맡는 I/O(입출력단자)도 더 밀도 있게 연결할 수 있다. 

당초 삼성전자·SK하이닉스 등은 이르면 HBM4(6세대 HBM)부터 하이브리드 본딩 기술이 적용될 수 있을 것으로 예상돼왔지만 기존 TC 본딩을 적용했다. 현재는 16단 HBM4E(7세대 HBM)부터 채택될 수 있다는 전망이 나온다. 적용 예상 시점이 밀렸다.  

두께 감소 필요성 낮아지는 차세대 HBM

업계에선 하이브리드 본딩 기술 도입 시기가 더 밀릴 수 있다는 관측도 나온다. 하이브리드 본딩 장점인 ▲HBM 두께 감소 ▲발열 특성 개선 등의 필요성이 낮아지고 있다는 이유에서다. 

HBM 두께의 경우, 업계 표준이 점차 완화되는 추세다. 당초 HBM 표준은 HBM3E(5세대 HBM)까지 두께가 720마이크로미터였으나, HBM4에 들어서며 775마이크로미터로 상향된 바 있다. HBM4에서 D램 적층 수가 기존 8단·12단에서 12단·16단까지 상향된 것이 주된 영향을 미쳤다. 

국제반도체표준화기구(JEDEC)는 HBM5 등 20단을 적층하는 차세대 HBM 두께를 900마이크로미터에서 최대 1000마이크로미터 수준까지 완화하는 방안을 논의 중인 것으로 알려졌다. 두께 표준이 완화되면 D램 간격을 극한으로 줄이지 않아도 돼, 본딩 기술 부담을 덜 수 있다. 

엔비디아 등 핵심 고객사의 고적층 HBM 수요가 밀리고 있다는 점도 변수다.

메모리 업계 한 관계자 A는 "현재 고객사와 메모리 제조기업 사이에서 16단 HBM에 대한 논의가 활발하게 진행되지 않고 있다"며 "현재로선 HBM4E에서도 12단 제품이 주력으로 쓰일 가능성이 유력하다"고 설명했다.

SK하이닉스가 공개한 iHBM 개념도. HBM 코어다이 옆으로 발열을 담당하는 별도 소자를 집적했다(사진=SK하이닉스)

삼성·SK, 별도 소자로 HBM 방열 개선…HBM5부터 적용

하이브리드 본딩은 열전도율이 낮은 언더필 소재를 제거해, HBM 발열 특성 향상에도 유리하다. 

그러나 삼성전자, SK하이닉스는 최근 HBM의 발열 특성을 다른 방식으로 높일 수 있는 기술을 고안했다. HBM 옆에 별도로 열을 방출하는 소자를 추가 배치하는 것이 핵심이다. 삼성전자는 이를 히트패스블록(HPB)으로, SK하이닉스는 iHBM(ICE HBM)이라고 부른다. 양사 모두 HBM5에 해당 기술을 적용하기 위해 테스트 중이다.

패키징 업계 관계자 B는 "방열 소자 구현 및 이를 HBM 코어 다이 옆에 배치하는 것은 기술적으로 크게 어렵지 않기 때문에, 상용화 난점은 없을 것으로 본다"며 "메모리 기업 입장에서는 안정적인 선택지"라고 말했다.

"하이브리드 본딩 연구개발은 지속"

그럼에도 삼성전자, SK하이닉스의 하이브리드 본딩 연구개발은 지속될 전망이다. 차세대 HBM에서 I/O 수가 늘어나고, 밀도가 향상될 경우 하이브리드 본딩 적용이 유리하기 때문이다.

일례로 HBM4는 이전 세대인 HBM3E 대비 I/O 수가 2배 늘어난 2048개로 구현한 바 있다. 이 경우 HBM 내부 간 간격은 크게 좁혀져야 한다. TC 본딩은 범프가 녹으면서 옆으로 퍼지기 때문에, I/O를 더 이상 초과 구현하는 데 어렵다는 평가를 받고 있다.

패키징 업계 관계자 C는 "중장기적으로, HBM5E부터 I/O 수가 또 다시 2배 늘어난 4096개로 집적될 것이라는 논의가 나오고 있다"며 "이 경우 I/O 간격이 매우 좁기 때문에 하이브리드 본딩을 적용해야 할 필요가 있다"고 밝혔다.