차세대 HBM용 본딩 고민하는 삼성전자, '플럭스리스' 평가 돌입

[이슈진단+] 고적층 HBM 플럭스리스 시대가 온다①

삼성전자가 고적층 HBM(고대역폭메모리)을 위한 새로운 본딩 기술로 '플럭스리스(Fluxless)'에 주목하고 있다. 최근 주요 협력사와 관련 장비에 대한 데모 테스트에 돌입한 것으로 파악됐다. 

'플럭스리스' 기술이 아직은 연구개발(R&D) 수준으로 평가되는 단계지만, 업계에선 차세대 HBM용 본딩 기술의 잠재적 후보로서 진지한 고민이 이뤄지고 있다는 평가가 나온다.

4일 업계에 따르면 삼성전자는 차세대 HBM용 본딩 기술로 플럭스리스를 비롯한 다양한 방안을 검토하고 있다. 이를 위해 삼성전자는 올해 초부터 해외 주요 협력사와 플럭스리스 본딩에 대한 초기 평가 작업을 시작했다. 적용처는 HBM4(6세대)로, 올 연말까지 평가를 마무리하는 것이 목표다.

삼성전자의 HBM3E 제품 이미지(사진=삼성전자)

플럭스리스 본딩, 고적층·고밀도 HBM 구현에 용이

현재 삼성전자는 HBM 제조를 위한 후공정 기술로 'NCF(비전도성 접착 필름)'를 채택하고 있다.

HBM은 여러 개의 D램을 수직으로 적층해 데이터 처리 성능을 높이는 메모리반도체다. TSV(실리콘관통전극)를 통해 각 D램에 미세한 구멍을 뚫고, 이를 전기적으로 연결하는 구조다. 각 D램을 연결하기 위해서는 작은 돌기 형태의 마이크로 범프가 쓰인다.

삼성전자는 층층이 쌓인 각 D램 사이에 NCF를 집어넣고, 위에서부터 열압착을 가하는 TC 본딩 공정을 진행해 왔다. NCF가 고온에 의해 녹으면서 범프와 범프를 연결하고 칩 사이를 고정하는 역할을 맡는다.

반면 플럭스리스는 MR-MUF(매스리플로우-몰디드언더필)에 주로 적용되는 기술이다. MR-MUF는 필름을 사용하지 않고 액체 형태의 'EMC(에폭시 고분자와 무기 실리카를 혼합한 몰딩 소재)'를 활용한다.

MR-MUF는 D램을 하나씩 쌓을 때마다 열로 임시 접합한 다음, 완전히 적층된 형태에서 열을 가해(리플로우) 접합을 마무리하는 과정을 거친다. 이후 각 칩 사이에 EMC를 빈틈없이 주입한다. EMC는 각 칩을 지지하는 '언더필(Underfill)'과 외부 오염 방지 등의 역할을 수행한다.

기존 MR-MUF에는 범프에 잔존하는 산화막을 제거하기 위해 플럭스라는 물질을 도포한 뒤 씻어냈다. 그런데 HBM의 입출력단자(I/O) 수가 HBM4에서 이전 대비 2배인 2024개로 늘어나고, D램의 적층 수가 많아지면 범프 사이의 간격도 줄어들게 된다. 이 경우 플럭스가 제대로 세정되지 않아 칩 신뢰성에 손상이 갈 수 있다.

이에 반도체 업계는 플럭스리스 본딩을 고안해냈다. 장비업체에 따라 플럭스리스에 대한 기술적 방식은 다르나, 플럭스를 쓰지 않고 범프 주변의 산화막을 제거하는 것이 핵심이다.

삼성전자, 차세대 HBM용 본딩 다방면 검토…"고민 깊을 것"

삼성전자 역시 이 같은 장점에 주목해 플럭스리스 본딩 적용을 면밀히 검토해 온 것으로 알려졌다.

사안에 정통한 관계자는 "삼성전자가 당초 로직 반도체에 플럭스리스 본딩을 첫 도입하려 했으나, 메모리에 투자를 집중하면서 먼저 HBM4향으로 적용 평가에 들어간 것으로 안다"며 "올해 말까지 양산 인증을 받는 것이 목표"라고 설명했다.

삼성전자가 실제로 차세대 HBM 본딩 공정에 플럭스리스 기술을 적용할 지는 아직 미지수다. 현재 삼성전자는 기존 본딩인 NCF 기술 고도화는 물론, 차세대 본딩 기술인 '하이브리드 본딩'에 대한 연구개발도 병행하고 있다. 하이브리드 본딩은 범프 없이 구리 배선을 직접 붙이기 때문에 HBM의 두께를 줄이는 데 유리하다.

때문에 업계는 삼성전자가 HBM4용 본딩 기술로 ▲NCF ▲플럭스리스 ▲하이브리드 본딩 등 크게 세 가지의 가능성을 모두 고려하면서 향후 기술 전략을 짤 것으로 보고 있다.

또 다른 관계자는 "NCF는 범프 수와 D램 적층 수가 많아질수록 신뢰성 및 방열 특성을 제대로 구현하기 어렵고, 하이브리드 본딩도 기술적 성숙도가 부족한 상황"이라며 "때문에 플럭스리스를 하나의 대안으로서 고려 중이나, 이 역시 장비 인프라를 다 변경해야 하는 부담으로 삼성전자의 고민이 깊을 것"이라고 밝혔다.

SK하이닉스도 플럭스리스에 관심 지속

한편 SK하이닉스도 HBM4에 플럭스리스 본딩을 적용하는 방안을 고려 중이다. SK하이닉스의 경우 MR-MUF를 적용해 왔기 때문에, 플럭스리스 기술에 대한 접근성이 더 높다.

다만 SK하이닉스가 플럭스리스를 적용하려는 시기는 빨라야 HBM4 16단 수준으로 알려졌다. 그간 MR-MUF 기술을 지속적으로 다뤄오면서, 플럭스 세정에 대한 기술적 노하우가 상당히 쌓였다는 평가다.

반도체 업계 관계자는 "SK하이닉스는 HBM4 16단을 목표로 기존 기술과 플럭스리스를 병행 개발하고 있다"며 "현재는 어드밴스드 MR-MUF로도 충분히 대응할 수 있지만, D램 적층 수가 올라가 칩 사이 간격이 더 줄어들게 되면 플럭스리스를 쓸 수 밖에 없는 상황"이라고 말했다.