SK하이닉스, '하이브리드 본딩' 카드 꺼냈다…HBM4·5 경쟁 분수령

범프 한계 넘는 차세대 공정…고집적·저전력 동시 구현

HBM4 일부 적용·HBM5 본격화 전망…AI 메모리 판도 좌우

열압착(Thermo Compression) 본딩 vs 하이브리드 본딩 [사진=카운터포인트리서치, BESI]

SK하이닉스가 차세대 고대역폭메모리(HBM)에서 '하이브리드 본딩' 기술 도입을 추진하면서 HBM 시장 경쟁의 중심이 적층 구조에서 공정 기술로 이동하고 있다는 분석이 제기된다.

6일 시장조사업체 카운터포인트리서치는 최근 보고서를 통해 HBM이 고단 적층 구조로 발전하면서 기존 마이크로범프 기반 연결 방식이 신호 손실과 발열, 패키지 높이 등의 한계에 직면하고 있다고 진단했다. 이에 따라 칩 간을 구리-구리 방식으로 직접 연결하는 하이브리드 본딩이 차세대 핵심 공정으로 부상하고 있다는 설명이다.

하이브리드 본딩은 미세 피치 구현이 가능해 동일 면적에서 더 많은 연결을 확보할 수 있고 데이터 전송 속도 향상과 전력 소모 감소를 동시에 달성할 수 있는 기술로 평가된다. 특히 적층 수가 증가할수록 문제가 되는 열 관리와 신호 무결성 문제를 완화할 수 있어 HBM4 이후 세대에서 중요성이 더욱 커질 것으로 관측된다.

현재 HBM은 로직 베이스 다이 위에 다수의 D램 다이를 수직으로 쌓는 구조를 갖는다. 다만 적층 수가 12단, 16단 이상으로 증가할수록 기존 범프 방식은 기술적 한계에 부딪힌다는 지적이 꾸준히 제기돼 왔다. 업계에서는 이러한 구조적 제약을 해결하기 위해 주요 메모리 업체들이 하이브리드 본딩 도입을 검토하거나 관련 장비 투자를 확대하고 있는 것으로 알려졌다.

공정 난도는 주요 변수로 꼽힌다. 하이브리드 본딩은 원자 단위 수준의 정밀 정렬과 초평탄 표면 확보가 요구되며 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정 품질이 수율에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석된다. 이에 따라 어플라이드 머티리얼즈와 BESI 등 장비업체들이 CMP, 표면 처리, 본딩, 다이 배치 등을 통합한 솔루션을 제시하며 시장 선점을 시도하고 있다는 평가다.

카운터포인트는 SK하이닉스가 이러한 통합 공정 솔루션을 활용해 하이브리드 본딩 적용 시점을 앞당길 경우 AI 반도체용 HBM 공급망에서 기술 우위를 더욱 강화할 수 있을 것으로 분석했다. 특히 엔비디아를 비롯한 주요 고객사들이 대역폭과 전력 효율을 동시에 요구하고 있어 차세대 공정 도입 여부가 경쟁력의 핵심 변수로 작용할 가능성이 크다는 설명이다.

업계에서는 하이브리드 본딩이 단기간 내 전면 적용되기보다는 HBM4 일부 제품을 시작으로 점진적으로 확대되고 HBM5 전후 시점에서 본격적인 전환이 이뤄질 가능성이 높다고 보고 있다. 고집적·저전력 요구가 지속적으로 강화되는 AI 반도체 시장 특성상 해당 공정 도입은 선택이 아닌 필수로 자리 잡을 수 있다는 전망도 나온다.

이에 따라 차세대 HBM 경쟁은 단순히 적층 단수를 늘리는 수준을 넘어 연결 방식과 공정 기술 확보 여부가 시장 판도를 좌우하는 핵심 요인으로 부상하고 있다는 분석이 업계에서 제기된다.