HBM4 두께 표준 '완화' 합의…삼성·SK, 하이브리드 본딩 도입 미루나

HBM4 표준 775마이크로미터 채택…기존 패키징 기술로도 구현 가능

오는 2026년 상용화를 앞둔 12단·16단 D램 적층 HBM4(6세대 고대역폭메모리)의 표준이 정해졌다. 최근 진행된 논의에서 관련 기업들이 이전 세대인 720마이크로미터(μm) 보다 두꺼운 775마이크로미터로 패키지 두께 기준을 완화하기로 한 것으로 파악됐다.

이번 합의는 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등 주요 메모리 제조업체들의 향후 패키징 투자 기조에 큰 영향을 줄 것으로 관측된다. 이들 기업은 HBM4의 패키지 두께가 720마이크로미터로 제한될 가능성을 염두에 두고, 신규 패키징 기술인 하이브리드 본딩을 준비해 왔다.

그러나 패키지 두께가 775마이크로미터로 완화되는 경우, 기존 본딩 기술로도 16단 D램 적층 HBM4을 충분히 구현할 수 있다. 하이브리드 본딩에 대한 투자 비용이 막대하다는 점을 고려하면, 메모리 업체들은 기존 본딩 기술을 고도화하는 방향에 집중할 가능성이 크다.

8일 업계에 따르면 국제반도체표준화기구(제덱, JEDEC) 주요 참여사들은 최근 HBM4 제품의 규격을 775마이크로미터로 결정하는 데 합의했다.

삼성전자의 HBM3 '아이스볼트'(사진=삼성전자)

제덱은 국제반도체표준화기구로, 오는 2026년 상용화를 앞둔 HBM4의 규격에 대해 협의해 왔다. HBM3E(5세대 HBM) 등 이전 세대와 동일한 720마이크로미터, 혹은 이보다 두꺼워진 775마이크로미터 중 하나를 채택하는 게 주 골자다.

협의에는 삼성전자·SK하이닉스·마이크론 등 HBM을 양산할 수 있는 메모리 제조사와, 엔비디아·AMD·인텔 등 주요 시스템반도체 기업들이 다수 참여한다.

이들 기업은 1차와 2차 협의에서는 결과를 도출하지 못했다. 일부 참여사들이 HBM4 표준을 775마이크로미터로 완화하는 데 반대 의견을 보여왔기 때문이다.

그러나 최근 진행된 3차 협의에서는 12단 적층 HBM4, 16단 적층 HBM4 모두 775마이크로미터를 적용하기로 최종 합의했다. 메모리사들이 기존 720마이크로미터 두께 유지가 한계에 다다랐다는 주장을 적극 피력한 덕분이다. 엔비디아, AMD 등도 메모리 3사로부터 HBM을 원활히 수급받기 위해 해당 안을 긍정적으로 수용한 것으로 전해진다.

■ HBM4 표준이 중요한 이유…패키징 향방 '갈림길'

이번 제덱의 표준 규격 합의는 메모리, AI반도체 및 패키징 업계 전반에 적잖은 영향을 미칠 것으로 전망된다. HBM4 패키지 두께가 얼마나 되느냐에 따라 향후 첨단 패키징의 투자 기조가 뒤바뀌기 때문이다.

HBM은 여러 개의 D램을 수직으로 적층해 TSV(실리콘관통전극)으로 연결한 고부가 메모리다. HBM4는 오는 2026년 상용화를 앞두고 있다.

HBM4는 이전 세대 제품들과 달리, 정보를 주고받는 통로인 입출력단자(I/O)를 2배 많은 2024개 집적하는 것이 특징이다. 또한 적층 D램 수도 최대 16개로 이전 세대(최대 12개)보다 4개 많다.

다만 D램 적층 수가 늘어나는 만큼, 패키징 기술이 한계에 직면했다는 지적이 주를 이뤄왔다.

기존 HBM은 D램에 TSV 통로를 만들고, 작은 돌기 형태의 마이크로 범프를 통해 전기적으로 연결하는 TC(열압착) 본딩 기술을 적용해 왔다. 삼성전자와 하이닉스의 경우 세부적인 방식은 다르지만 범프를 사용한다는 점에서는 궤를 같이한다.

그런데 당초 고객사들은 D램을 최대 16단으로 적층하면서도, HBM4의 최종 패키지 두께를 이전 세대들과 동일한 720마이크로미터로 요구해 왔다. 기존 본딩으로는 16단 D램 적층 HBM4를 720마이크로미터로 구현하기에는 사실상 무리가 있다는 의견이 지배적이다.

HBM 내부 구조(사진=AMD)

■ 삼성·SK, 기존 본딩 기술 유지할 가능성 커져

이에 업계가 주목한 대안이 하이브리드 본딩이다. 하이브리드 본딩은 칩과 웨이퍼의 구리 배선을 직접 붙이는 기술이다. D램 사이사이에 범프를 쓰지 않아, 패키지 두께를 줄이는 데 훨씬 용이하다.

삼성전자·SK하이닉스 역시 공식 행사 등을 통해 HBM4에 하이브리드 본딩을 적용하는 방안을 고려 중이라고 언급한 바 있다. 양사 모두 어플라이드머티어리얼즈, 베시, ASMPT, 한화정밀기계 등 관련 협력사들과 관련 장비·소재를 개발 및 테스트 중이기도 하다.

그러나 하이브리드 본딩 장비는 기존 TC본더 대비 가격이 4배가량 비싸다는 단점이 있다. 공정 변경에 따른 초기 수율 조정이 필요하다는 점도 메모리 제조사들에겐 부담이다. 또한 하이브리드 본딩은 핵심 공정이 아직까지 완성 단계에 이르지 못할 정도로 기술적 난이도가 높다.

때문에 삼성전자·SK하이닉스는 하이브리드 본딩과 기존 TC 본딩을 병행 개발해 왔다. HBM4 패키지 규격이 변동되지 읺는다면 막대한 비용을 지불해서라도 하이브리드 본딩을 적용하되, 규격이 완화된다면 기존 본딩을 고수하겠다는 전략이 깔려 있었다.

이 같은 관점에서, 이번 제덱의 HBM4 규격 합의는 메모리 제조사들이 기존 본딩 기술을 이어갈 수 있는 명분을 제공한다.

반도체 업계 관계자는 "주요 메모리 3사 모두 기존 TC본딩으로 775마이크로미터 두께의 16단 적층 HBM4를 구현하는 데에 무리가 없는 것으로 관측된다"며 "하이브리드 본딩 활용시 제조비용이 크게 상승하기 때문에, 리스크를 굳이 먼저 짊어지려는 시도는 하지 않을 것"이라고 설명했다.