저자: 강영훈대표 · 한국인
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한미반도체가 SK하이닉스로부터 HBM3 관련 840억원 수주를 공시했다는 배경에서, HBM 경쟁력을 결정하는 요인을 설명. 핵심은 전공정(TSV 등 웨이퍼 단계 기술), 본더 및 소재(NCP vs NCF/MUF, 플럭스 제거 공정), 열·압력·얼라인먼트 등 공정 최적화 변수. SK하이닉스는 NCP 단계, 삼성·마이크론은 NCF 단계에 머물러 있다고 주장. 삼성의 HBM3 엔비디아 납품 지연 언급. 다음 편에서 삼성·마이크론·SK하이닉스 전략을 다룰 예정.
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안녕하세요. 인포마켓 강영훈 대표입니다. 지난 2월 2일, 한미반도체가 840억 원 규모의 HBM3 장비를 SK하이닉스로부터 수주했다고 공시했습니다. 이 소식 이후 많은 분들이 관심을 갖게 된 것이 SK하이닉스, 삼성전자, 마이크론 테크놀로지가 HBM을 두고 벌이는 경쟁의 전망이죠. 그런데 제가 외부에서 강의를 해 보니, 아직도 HBM의 성능 경쟁력을 무엇이 결정하는지 여러분들이 혼란을 겪고 계시더라고요. 그래서 HBM3, HBM3E의 전략에 대해서는 다음에 말씀드리기로 하고, 오늘은 기초로 돌아가서 HBM 경쟁력을 무엇이 결정하는지 이야기해 보겠습니다.
첫 번째는 전공정이 중요하다는 점입니다. HBM은 웨이퍼 단계에서 공정을 먼저 끝낸 뒤에 자르는 방식으로 만듭니다. 그래서 웨이퍼 단계에서 전공정 기술이 많이 들어갑니다. 이것을 어드밴스드 패키징이라고 부르는데, 웨이퍼 단계에서 수행하는 것 자체가 어드밴스드 패키징의 특징이라고 할 수 있습니다. 명확하게 정의된 개념은 아니지만, 다이를 떼어내기 전에 이미 전공정 장비로 TSV, 즉 실리콘 관통 전극을 뚫는 작업을 하는 것이 핵심입니다.
직경 3마이크로미터 정도의 TSV를, 손톱만 한 칩 하나에 2,000~3,000개, 대략 2,500개 이상 뚫어야 합니다. 이런 작업을 얼마나 잘하느냐가 경쟁력을 결정합니다. HBM은 8단, 12단, 앞으로는 16단까지 쌓는데, 쌓기 전 웨이퍼 단계에서 공정을 얼마나 잘하느냐에 따라 수율이 결정됩니다. 수율이 잘 나와야 회사 이익이 늘어나죠. 즉 웨이퍼 단계에서 이미 승패의 많은 부분이 결정된다고 말씀드릴 수 있습니다.
두 번째는 물질과 본더, 즉 접합 장비입니다. 본더의 구조를 보면, 위쪽은 본드 헤드, 아래쪽은 스테이지라고 부릅니다. 아래에 본딩 대상물이 놓이는데, 일반적으로는 두 대상물의 크기가 다릅니다. 그러나 HBM은 위아래로 쌓는 칩의 크기가 똑같아서 칩 대 칩 본딩으로 분류합니다. 여기서 열과 압력을 가해 본딩을 하는데, 하단 부위의 진공 관리도 잘 되어야 합니다.
칩 사이에는 필러가 있고, 필러 수는 셀 수 없을 만큼 많습니다. 필러와 필러 사이의 피치는 약 40마이크로미터, 실제 간격은 15마이크로미터 정도로 매우 좁습니다. 이 미세한 구조에서 필러끼리 정확히 맞물려서 본딩이 되어야 합니다. 이때 본딩이 잘 되도록 돕는 물질이 쓰입니다.
물질의 발전 순서는 CF, MUF, NCF, NCP 순으로 발전해 왔습니다. CF는 캐필러리 언더필, MUF는 몰디드 언더필의 약자입니다. MUF는 칩 사이뿐 아니라 위에도 덮어씌우는 몰딩 공정이어서, 오버몰딩이라고도 부릅니다. 이 두 가지는 본딩이 끝난 뒤에 넣는다고 해서 포스트 어플라이(post apply) 방식이라고 합니다. 목적은 본딩 구조물을 단단히 결속시키고, 열을 방출하며, 외부 진동으로부터 보호하는 것입니다.
CF와 MUF의 치명적인 문제는 본딩 전에 플럭스를 먼저 넣어야 한다는 점입니다. 플럭스는 접합을 잘 되게 돕는 물질인데, 플럭스가 남은 상태에서 CF나 MUF를 넣으면 박리가 일어나 원하는 효과가 나지 않습니다. 그래서 플럭스를 깨끗이 씻어낸 뒤 다시 CF나 MUF를 넣어야 하고, 공정이 매우 복잡해집니다. 특히 피치 간격이 100마이크로미터 이하로 좁아질수록 플럭스를 씻어내기가 훨씬 힘들어집니다.
이 문제를 해결하기 위해 플럭스와 언더필 물질을 하나로 합친 것이 NCF, 즉 논 컨덕티브 필름입니다. 공정 전에 필름 형태의 고체 물질을 넣고, 본드 헤드가 열과 압력을 가하면 필름이 녹으면서 본딩을 돕고, 이후 언더필 기능으로 보호 역할을 합니다.
그런데 NCF에도 문제가 있습니다. 첫째는 필렛 문제입니다. 필름을 녹이고 누르는 과정에서 미스가 생기면 물질이 튀어나와 본드 헤드를 건드리고, 시스템 자체가 망가질 수 있습니다. 둘째는 솔더 브리지 문제입니다. 과도하게 눌러 물질이 옆으로 튀어나오면 인접한 부분과 쇼트가 나서 한 층을 못 쓸 수도 있습니다. 셋째, 최근 지적되는 슬립 다이 문제입니다. 칩이 미끄러져 위치가 어긋나면 정렬이 맞지 않습니다. 넷째, 공정 시간이 꽤 길다는 점입니다. 필름을 녹여야 하므로 1~2초라도 시간이 더 걸리고, 이것이 모이면 공정 시간이 크게 늘어납니다. 다섯째는 열 배출 특성이 다소 떨어진다는 점입니다.
이번에 SK하이닉스가 개발한 것이 NCP입니다. SK하이닉스는 MUF를 주장하지만, NCP는 필름이 아닌 액체 형태로 뿌리는 방식입니다. 여기에 플럭스와 보호제가 섞여 있어서, 뿌린 뒤 본딩하고 말리면 끝입니다. 단 세 단계로 끝나고, NCF의 단점도 거의 없습니다. 공정 시간 증가도 없고, 필렛이나 솔더 브리지, 슬립 다이 문제도 거의 없습니다. 제품 성능은 NCF보다 훨씬 좋다고 평가받습니다.
현재 SK하이닉스는 NCP 단계에 있고, 삼성전자와 마이크론은 NCF 단계에 머물러 있습니다. 삼성전자는 작년 한 해 내내 NCF의 단점을 없앨 물질을 찾느라 고생했다는 이야기가 있습니다. 2024년 10월에 엔비디아 납품 기사가 나왔지만 결과적으로 사실로 확인되지 않았고, 업계에서는 12월 말쯤에는 HBM3E 납품이 있을 것으로 봤지만 아직 납품 소식은 들려오지 않습니다. 화학물질 문제가 지금 걸림돌인 것으로 보입니다.
본드의 성능도 중요합니다. 우수한 본드는 열이 순간적으로 몇백 도까지 급격히 올라갔다가 급격히 떨어져야 합니다. 특히 열 변화가 선형적으로, 즉 체계적으로 이루어져야 합니다. 또한 1호기, 2호기, 양산기마다 편차가 없어야 하고, 압력 센서도 예민하게 작동해 정밀한 압력 제어가 가능해야 합니다. 헤드 포지션도 매우 정밀해야 합니다.
현재 이 장비를 만드는 회사는 일본의 여러 회사, 한국의 한미반도체, 네덜란드의 BESI 등 세계적 기업들이 포진해 있습니다. 그중 HBM 칩 생산에 실제 쓰이는 본더를 공급하는 곳은 한미반도체가 유일합니다. 삼성전자가 한미반도체 본더를 채택할 것이라는 이야기도 있었는데, 이것은 다음 시간에 자세히 설명드리겠습니다. SK하이닉스는 여러 경쟁사 장비와 비교해 한미 제품의 성능이 월등하다고 판단한 것으로 보입니다.
세 번째 핵심은 본딩 공정 기술입니다. 우수한 물질과 우수한 본더를 가지고 있어도, 실제 운용을 통해 수율을 끌어올리는 것은 공정 기술자의 역량에 달려 있습니다.
본딩에서 가장 신경 써야 할 것은 열 관리입니다. TC 본더에서 금속 팁과 펄스 히터는 상단부 열을, 스테이지는 하단부 열을 담당합니다. 온도를 몇 도까지 올릴지, 하단은 상단보다 낮은 온도로 둘지 등을 정해야 합니다. 예를 들어 상단을 300도, 하단을 150도로 할지, 200도로 할지 결정하는 것입니다.
둘째는 압력 관리입니다. 열과 압력을 동시에 가할 때 범프가 녹으면서 미세하게 떨어지는 움직임이 생깁니다. 약 5마이크로미터 정도의 변화인데, 센서가 이를 감지해 "범프가 녹아 멜팅이 시작됐다"고 인식하고 멈춘다고 합니다. 그래서 압력을 매우 정교하게 관리해야 하고, 이것은 헤드 포지션 관리와 연동됩니다.
셋째는 얼라인먼트, 즉 정렬입니다. 기계적 완성도가 높아야 하고, 칩이 정확히 맞물렸는지 정밀하게 검사해야 합니다. 진공 관리도 정확해야 합니다.
넷째는 헤드 포지션 관리입니다. 300~400도의 열이 구동부로 전달되면 열팽창으로 인해 헤드가 수 마이크로미터 움직일 수 있습니다. 그래서 열의 영향을 받지 않도록 기계적 정밀도가 보장되어야 합니다.
공정 담당자들은 이런 요소들을 고려하면서 트라이 앤드 에러, 즉 시행착오를 통해 최적의 변수를 찾아냅니다. 물질과 본더가 우수하면 이 변수를 찾는 데도 도움이 됩니다. 반대로 적합한 화학물질을 찾지 못하거나 뛰어난 본더를 갖지 못하면 최적 변수를 찾는 데 시간이 훨씬 오래 걸립니다. 야구에 비유하면 스트라이크 존이 매우 좁은 어려운 심판을 만난 투수와 같은 처지가 되는 셈입니다.
또 하나 고려할 점은, 적층 구조에서 층마다 필요한 열과 압력이 다르다는 것입니다. 맨 아래층에 가해지는 열은 그대로 전달되지만, 중간층에는 열이 덜 전달되므로 실제로는 더 높은 온도가 필요할 수 있습니다. 압력도 층마다 다릅니다. 그래서 블록 단위로 나누어 블록을 만들고, 블록끼리 다시 본딩하는 두 단계 작업을 할 수도 있습니다.
SK하이닉스가 NCP를 쓰는 이유에 대해서는 이런 해석도 있습니다. 국내 논문에 따르면, TC 본딩 후 약간의 정렬이 어긋났을 때 MR 매스 리플로(Mass Reflow)를 한 번 더 하면 자체 보정 작용으로 정렬이 미세하게 바로잡힌다고 합니다. 이처럼 MR과 TC 본딩을 상호작용시켜 수율을 끌어올리는 것으로 보입니다. SK하이닉스는 한미반도체와 함께 기계를 계속 업그레이드하고 미세 조정을 하고 있는 것으로 알려져 있습니다.
결국 수많은 테스트, 수십만 번, 수백만 번의 실험을 거쳐 만들어 낸 최적의 변수값은 SK하이닉스가 가지고 있고, 그 자산에 대해 한미반도체가 독점적 권리를 가지고 있는 구도입니다.
정리하면, HBM의 성능 경쟁력은 첫째 전공정 기술, 둘째 물질과 본더, 셋째 본딩 공정 기술, 이 세 가지 요인으로 결정됩니다.
오늘 말씀드린 내용은 제가 과거에 강의한 내용을 한데 모아 정리한 압축판이라고 생각하시면 됩니다. 다음 편에서는 삼성전자, 마이크론, SK하이닉스의 HBM 전략을 자세히 말씀드리겠습니다. 그것을 이해하려면 오늘 내용을 꼭 먼저 보셔야 합니다. 감사합니다.
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