SK하이닉스가 기존 고대역폭메모리(HBM) 대비 데이터 전송속도를 2배 높일 수 있는 차세대 패키징 기술 개발을 진행 중이다. 하이브리드 본딩 기술을 적용한 첨단 패키징 공법으로 수년 내 양산 적용한다는 계획이다. 또한 2.5D 및 3D 칩렛 기술 등 융복합 패키징 기술 개발도 본격화한다.

문기일 SK하이닉스 부사장은 12일 서울 삼성동 코엑스에서 《디일렉》이 주최한 ‘2023 어드밴스드 반도체 패키지 혁신공정 콘퍼런스’에서 ‘이종 결합 시대에서의 반도체 패키지 기술의 새로운 가치’를 주제로 발표했다.

문 부사장은 주제발표를 통해 "패키징 기술 진화는 2010년까지 적층 중심으로 진행되다가, 2020년까지는 패키징 성능개선 플랫폼 개발 중심으로 이뤄졌다"며 "앞으로 2030년까지 패키징 기술의 트렌드는 적층과 성능개선을 동시에 추구하는 융복합의 시기가 될 것"이라고 말했다.

그는 ‘적층’에서 ‘성능’으로의 패키징 기술변화 사레로 TSV(실리콘 관통전극)을 활용한 HBM을 예로 들었다. TSV는 D램 칩에 수천 개의 미세한 구멍을 뚫어 상층과 하층 칩의 구멍을 수직으로 관통하는 전극으로 연결하는 기술이다. 이 TSV 기술을 활용해 D램을 수직으로 적층함으로써 데이터 전송률을 대폭 향상시킨 게 HBM이다. HBM은 챗GPT 등 생성형 AI 구동을 위한 차세대 메모리로 각광받고 있다.

문 부사장은 “한정된 패키징 사이즈에서 칩을 적층하면서 생기는 성능 차질 문제를 해결하기 위해 등장한 게 TSV”라며 “SK하이닉스는 TSV를 적용한 적층 과정에서 생겨난 방열 문제를 서멀 더미 범프와 MR-MUF 기술로 해결해, HBM 시장을 선도할 수 있게 됐다”고 말했다.

서멀 더미 범프는 발열을 제어하기 위해 만들어진 일종의 돌기로 HBM3에는 16만 개 이상이 적용됐다. 현재 SK하이닉스는 서멀 더미 범프 추가 탑재를 위해 기술 개발은 진행 중이다.

MR-MUF(Mass Reflow-Molded Under-fill)는 반도체 칩 다이와 기판을 붙이는 재료인 언더필 관련 솔루션이다. 언더필은 칩 다이와 기판 중간에 위치하는 범프 간 빈 공간을 채우는 재료로, 절연(絶緣)이 주 목적이지만 열을 방출하는 방열 성능도 요구받고 있다. 삼성전자의 경우 필름형 언더필을 사용하는 반면, SK하이닉스는 칩 다이를 쌓아올린 뒤 액상의 언더필 소재를 압력을 가해 흘려넣는 공법을 쓴다. 이 공법이 MR-MUF다. 문 부사장은 “(필름 부착식에 비해) MR-MUF 방식을 사용할 때 열 전도율이 월등히 높다”고 설명했다.

문 부사장은 차세대 패키징 기술의 키워드로 세 가지를 꼽았다. 먼저 발열 관련 솔루션이다. 그는 “현재 HBM3(A-Die)의 파워와 동작속도가 1세대 제품 대비 12배나 높아지는 등 칩 동작속도 향상에 따른 발열 문제를 개선하는 게 차세대 패키징 관련 고민 중 하나”라며 “실리카보다 열 전도율이 획기적으로 높은 산화알미늄, 알루미나 같은 소재 적용으로 이런 문제를 해결할 수 있다”고 설명했다.

두번째 키워드는 TSV 기술 고도화다. 문 부사장은 “현재 12층까지 적층한 HBM3에는 TSV와 MR-MUF 기술 등으로 발열, 데이터전송속도 등을 맞출 수 있지만, 밴드위스나 칩다이 적층 숫자가 늘어나면 새로운 공정기술이 필요하다”며 “SK하이닉스는 하이브리드 본딩을 통해 기존 HBM3 데이터 전송속도를 2배 높일 수 있는 기술 개발을 하고 있다”고 말했다. ‘하이브리드 본딩’은 범프 없이 칩과 웨이퍼를 구리와 구리로 직접 연결하는 기술이다.

세번째 키워드는 칩렛의 확장이다. 문 부사장은 “다양한 칩을 하나의 시스템 안에 구현하려는 이종 결합 수요가 늘고 있다”며 “최근 메모리 영역에서도 HBM, 지능형반도체(PIM), 컴퓨트익스프레스링크(CXL) 등 이종 결합 반도체 도입이 늘어나는 등 진화를 거듭하고 있다”고 설명했다. 그는 “이같은 융복합의 시대에서 어드밴스드 패키징의 중요성이 갈수록 커지고 있다”며 “특히 2.5D와 3D 칩렛 기술 등이 융복합을 위한 핵심 기술로 활용될 것”이라고 말했다.

디일렉=노태민 기자 tmnoh@bestwatersport.com
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