베시 하이브리드 본더 제품. / 사진=besi

최근 고대역폭메모리(HBM)를 둘러싼 차세대 패키징 기술로 다시금 '하이브리드 본딩'이 주목받고 있다. 넥스트 메모리 HBM4E(7세대)부터 이 장비가 본격 활용된다는 전망에서 비롯됐다. 다만 기술 적용 방식과 제조 현실을 고려할 때, 현재 시장에서 나오는 기대감은 다소 과장된 측면이 있다는 지적이 나온다. 시기적으로도 '이르다'는 것이다.

27일 반도체 업계에 따르면 현재 상용화가 논의되는 하이브리드 본딩은 대부분 D2W(Die-to-Wafer) 방식에 기반하고 있다. 이는 개별 다이를 웨이퍼에 접합하는 방식으로, 이미지센서나 일부 로직 반도체(시스템반도체)에서 활용돼 온 기술이다.

반면 하이엔드 HBM은 12단 이상 고적층 구조와 KGD(검증된 다이) 기반 조립이 필수적인 특성을 갖는다. 이 때문에 웨이퍼 단위에서 불량 다이가 포함될 수밖에 없는 D2W 방식은, 적층 수가 늘어날수록 수율이 급격히 저하되는 구조적 한계를 안고 있다.

업계 한 관계자는 "HBM은 다이 하나만 불량이어도 전체 스택을 폐기해야 하는 구조"라며 "D2W 방식으로 12단 이상 적층을 시도하는 것은 현재 기준으로는 경제성도 맞지 않고, 양산 라인에서 받아들이기 어려운 리스크를 안고 있다"고 설명했다.

현재 주요 메모리 업체들이 주력으로 활용하는 HBM 패키징 장비 TC(열압착)본더는 C2C(Chip-to-Chip) 타입이다. 이 구조를 대체하기에는 D2W 방식의 경제성이 떨어진다는 분석이다.

이같은 이유로 D2W 방식의 하이브리드 본더는 HBM 스택 전체가 아니라, 베이스 다이와 로직 간 인터페이스 영역에 부분적으로 활용될 가능성이 높게 점쳐진다. HBM 내부 구조를 바꾸는 기술이라기보다, HBM과 GPU·ASIC 등 로직 반도체 간 연결 효율을 개선하는 보조적 역할에 가깝다는 의미다.

실제로 TSMC는 SoIC(System on Integrated Chips)를 통해 로직 적층에서 이미 하이브리드 본딩을 적용하고 있다. 국내 삼성전자와 SK하이닉스 역시 HBM4E부터 패키징 경쟁력 확보 차원에서 하이브리드 본더 활용을 검토 중이다. 다만 HBM 스택 전체에 대한 전면 적용보다는 로직 결합 영역 중심의 단계적 도입에 무게를 두는 것으로 알려졌다.

글로벌 장비업체 '베시'가 이 장비의 선두 업체로 잘 알려져 있다. 국내에선 세메스를 비롯해 한화세미텍 등이 이같은 타입의 하이브리드 본더를 다루고 있는 것으로 파악된다. 한미반도체의 경우 하이브리드 본더 관련 로드맵이 2028년정도로 미뤄져 있는 상태다. 다만 D2W가 아닌 C2C 타입의 하이브리드 본더를 개발 중인 것으로 알려졌다.

업계에서는 진정한 'HBM 게임체인저'는 D2W가 아닌 C2C 기반 하이브리드 본딩이 될 것으로 보고 있다. 다이 단위 정렬과 초정밀 접합이 가능한 C2C 방식이 구현될 경우, HBM 스택 구조 자체를 근본적으로 바꿀 수 있기 때문이다. 하지만 이는 정렬 정밀도, 수율 관리 등에서 높은 기술 장벽이 존재해 단기간 내 상용화는 쉽지 않다는 게 업계 중론이다.

김형준 차세대지능형반도체사업단장은 "D2W 하이브리드 본딩은 저단 적층에서나 가능하고 HBM 스택 쌓기용으로는 수율에서 한계가 있다"며 "C2C가 이론적으로 HBM 게임체인저인 것은 맞다. 다만 기술 구현이 단기간내 쉽지는 않을 것"이라고 말했다.

설동협 머니투데이방송 MTN 기자