삼성전자, 첨단 패키징 '3D 큐브-H' 내년 초 개발완료 목표

"내년 초 첫 디자인 키트 완성 계획" 관측...파운드리 사업 반등 핵심

삼성전자가 내년 초까지 '3D 큐브(Cube)-H' 개발을 마친다는 계획을 수립한 것으로 10일 파악됐다. 3D 큐브-H는 첨단 패키징 기술인 하이브리드 본딩을 기반으로, 수직(3D) 적층 구조를 구현하는 기술이다. 

3D 큐브는 각 칩을 수직 적층하는 첨단 패키징 기술이다. 칩을 수평 배치하던 기존 구조 대비 같은 면적에서 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있다. 삼성전자는 이미 열압착(TC) 본딩 기술을 적용한 3D 큐브-T를 개발했다. 이후 차세대 기술로 하이브리드 본딩 기술을 적용한 3D 큐브-H를 개발 중이다. 

3D 큐브-H 핵심 적용처는 초고성능 인공지능(AI) 반도체다. 삼성전자가 관련 기술을 성공적으로 개발할 경우, 미래 AI 반도체 경쟁력은 물론 파운드리 사업에서 빅테크 고객 확보를 위한 초석을 다질 수 있을 것으로 기대된다. 

사안에 정통한 업계 관계자는 "(그동안) 삼성전자가 3D 시스템(로직) 반도체용 하이브리드 본딩 기술을 적극 개발해 왔다"며 "내년 초 첫 디자인 키트가 완성돼, 이후 잠재 고객과 평가를 시작할 계획"이라고 말했다.

이재용 삼성전자 회장이 1일 일본 요코하마에 위치한 삼성전자 첨단 반도체 패키징 연구거점에서 카와히라 히로이치 삼성전자 DS 리서치 재팬 연구소장(부사장, 이 회장 왼쪽), 카리야 다카시 APL 랩장(상무) 등과 함께 패키징 기술 현황을 점검하고 있다. (사진=삼성전자)

삼성전자는 피치(단자 간 거리)가 6마이크로미터(um) 수준인 3D 큐브-H를 개발해 왔다. 기존 TC 본딩 기반 칩의 피치가 최소 25um 정도임을 고려하면 매우 미세한 수준이다. 

3D 큐브-H는 향후 초고성능 AI 반도체에서 수요가 증가할 전망이다. 그래픽처리장치(GPU) 등 고성능 로직 반도체를 쌓거나, 고대역폭메모리(HBM) 등 메모리 위에 로직 반도체를 얹는 구조가 대표 사례다. 

다른 반도체 업계 관계자는 "하이브리드 본딩을 적용하면 칩 연결밀도를 비약적으로 높일 수 있고, 비트 당 에너지 소모도 낮출 수 있다"며 "발열 측면에서도 TC 본딩 대비 유리하다"고 말했다. 

첨단 패키징 기술은 AI 반도체 경쟁우위를 결정할 핵심요소로 꼽힌다. 이재용 삼성전자 회장은 최근 일본 요코하마에 위치한 첨단 패키징 연구거점 '어드밴스트 패키지랩(APL)'을 찾아 AI 반도체 경쟁력 확보를 위한 소재·공정 기술 개발 상황을 살펴보고 현지 기업과 협력 현황을 점검했다. 

삼성전자의 3D 큐브-H의 개념도. (사진=삼성전자)

앞서 삼성전자가 3D 큐브 구현에 먼저 채택한 기술은 TC 본딩이었다. TC 본딩은 각 칩 사이에 미세한 크기 범프를 넣고, 열과 압착으로 칩을 이어붙이는 기술이다. TC 본딩은 이미 다양한 반도체 제조에 활용한 기술이다. 비교적 수율과 비용 효율이 높다. 삼성전자에서는 3D 큐브-T라고 부른다. 

다만 3D 로직 성능이 고도화되면서, TC 본딩은 성능과 발열에서 한계를 만났다. 대안으로 떠오른 기술이 하이브리드 본딩이다. 하이브리드 본딩은 칩과 칩 간 구리를 직접 이어붙이는 기술로, TC 본딩 대비 발열 특성이 뛰어나다. 데이터 전송통로 역할인 구리 단자를 더 촘촘하게 배열해 성능과 전력 효율도 높일 수 있다. 하이브리드 본딩을 적용한 삼성전자 기술명이 3D 큐브-H다.