16단까지 TCB…HBM5가 하이브리드 본딩 실질적인 전환점
SK하이닉스, 어플라이드·BESI 솔루션 조기 도입…주도권 선점
HBM5, 2029~2030년경 출시…하이브리드 본딩 본격 양산
[아시아타임즈=박요돈 기자] 고대역폭 메모리(HBM)가 인공지능(AI) 및 고성능 컴퓨팅(HPC)의 핵심 요소로 자리 잡은 가운데, SK하이닉스가 마이크로 범프의 한계를 극복할 '하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)' 도입을 통해 차세대 HBM 주도권 강화에 나선다는 분석이 나왔다.
TC본딩과 하이브리드 본딩 차이. (사진=카운터포인트리서치)
6일 카운터포인트리서치(카운터포인트)에 따르면 HBM은 일반적으로 12~16개의 D램 다이를 로직 베이스 다이 위에 적층해 그래픽처리장치(GPU)와 통합되며, 현재 이 적층 구조는 MR-MUF 또는 TC-NCF 방식의 마이크로 범프 인터커넥트를 주로 사용하고 있다.
하지만 적층 수가 20층 이상으로 증가함에 따라 마이크로 범프는 신호 무결성, 전력 효율, 열 성능을 제한하고 패키지 내 물리적 높이 및 집적 제약을 심화시키는 주요 병목 현상으로 부상했다.
이러한 한계를 극복하기 위해 시장은 10µm 이하의 미세한 인터커넥트 피치로 다이 간 간격과 적층 높이를 줄이고, 더 높은 대역폭과 전력 효율을 제공하는 하이브리드 본딩으로 이동하고 있다.
국제반도체표준화기구(JEDEC)가 HBM 높이 기준을 완화하면서 최대 16단까지는 기존 TC본더 사용이 가능해졌으나, 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등 주요 메모리 기업들은 차세대 AI 수요 대응을 위해 HBM4 이후부터 하이브리드 본딩 도입을 적극 추진 중이다.
하이브리드 본딩의 핵심 기반으로는 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정이 꼽힌다. 원자 수준으로 매끄러운 초평탄 표면이 필수적이며, 구리(Cu) 디싱(dishing)이나 침식, 오염 등의 결함이 수율과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 이에 따라 CMP는 HBM4 이후 성능과 확장성을 결정짓는 핵심 요소로 작용하고 있다.
이와 관련해 어플라이드 머티리얼즈(AMAT)와 BE 세미컨덕터 인더스트리즈(BESI)의 협력이 주목받고 있다. 양사는 CMP, 표면 처리, 하이브리드 본딩을 하나의 통합된 공정 흐름으로 결합해 공정 복잡도와 결함 리스크를 낮추고 정렬 정확도 및 본딩 수율을 향상시켰다.
카운터포인트는 SK하이닉스의 통합 하이브리드 본딩 장비 도입에 대해 "CMP 기반 표면 균일성, 파티클 결함, 초정밀 표면 거칠기 제어 등 주요 과제를 해결하기 위한 전략적 선택"이라며 "핵심 병목을 해결해 제조 안정성을 높이고 수율 리스크를 낮춰 양산 전환을 가속화할 것"이라고 평가했다.
도입 시 주요 과제로는 JEDEC의 표준 완화로 인한 지연 리스크와 높은 공정 민감도가 지목된다. 단기적으로 하이브리드 본딩 도입이 지연될 경우 투자 부담이 감소하고 기존 TC본더로 수율을 확보할 수 있지만, 엔비디아 등 주요 고객사의 워크로드가 더 높은 대역폭을 요구하고 있어 장기적인 도입은 불가피하다는 관측이다.
AI 도입 가속화로 인한 메모리 공급 부족 현상은 2030년까지 심화될 가능성이 크며, 2028년 새로운 생산 클러스터 가동이 중요한 수급 전환점이 될 것으로 예상된다.
현재 SK하이닉스는 메모리 셀 설계의 프론트엔드 공정 개선, 적층 기술 고도화, 전압 제어를 위한 로직 회로(IVC)의 베이스 다이 통합 등의 혁신을 통해 HBM 분야에서 선두 경쟁력을 유지하고 있다.
보고서는 20단 이상 적층과 미세 피치가 요구되는 HBM5가 하이브리드 본딩의 실질적인 전환점이 될 것으로 전망했다.
카운터포인트리서치는 "SK하이닉스가 어플라이드 머티리얼즈와 BESI의 통합 솔루션을 조기 도입함으로써 향후 대역폭, 지연시간, 전력 등 다양한 성능 요구를 충족할 전략적 우위를 확보했다"며 "차세대 AI GPU 사이클에 맞춰 2029~2030년경 HBM5를 출시하고, 해당 시점을 기점으로 하이브리드 본딩이 본격적인 양산 단계에 진입할 것"이라고 내다봤다.
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