SK하이닉스는 차세대 HBM4에 "범프리스" 하이브리드 본딩 기술을 적용하는 전략적 전환을 통해 반도체 패키징 분야의 중요한 변혁을 공식적으로 이뤄냈습니다. 이 기술은 단순한 업그레이드가 아니라, 업계 최초로 775마이크로미터의 엄격한 수직 제한 내에서 16층 적층을 구현하기 위한 물리적 필수 요소입니다. SK하이닉스는 기존의 열 절연체 역할을 하는 솔더 "범프"를 제거하여 구리-구리(Cu-to-Cu) 직접 연결 경로를 만들어 메모리 스택 전체를 하나의 "열 전도체"로 변환했습니다. 이러한 획기적인 아키텍처 변화는 AI 데이터 센터 엔지니어링의 두 가지 주요 과제인 밀도와 발열 문제를 해결합니다. 그 결과 탄생한 HBM4 모듈은 자체 냉각 기능을 갖춘 단일체 형태로, 기존의 접합 구조 대비 열효율이 40% 향상되었습니다. 이러한 "냉각 물리학"에 대한 탁월한 기술력을 바탕으로 SK하이닉스의 HBM4는 멀티 테라비트급 AI 가속기의 안정적인 핵심 소자로 자리매김할 것이며, 경쟁사들은 16층 집적 공정에서 발생하는 극심한 발열을 해소하는 데 어려움을 겪을 것입니다.
범프리스 접합을 없애는 혁신적인 직접 접합 기술
"범프리스" 직접 접합으로의 기술적 도약은 반도체 패키징의 법칙을 근본적으로 재정립하는 것으로, 거시적인 "납땜" 공정을 원자 수준의 "냉간 용접" 기술로 효과적으로 대체합니다. 적층된 다이 사이의 간격을 연결하기 위해 녹인 주석-은 솔더 볼(마이크로 범프)에 의존하는 기존의 플립칩 방식과 달리, 다이렉트 본딩은 초정밀 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 사용하여 구리 접점과 주변 유전체 층을 0.5 나노미터 미만의 표면 거칠기로 평평하게 만듭니다. 이처럼 거울처럼 매끄러운 표면 덕분에 다이는 상온에서 반 데르 발스 힘에 의해 즉시 접촉하여 접착제 없이도 산화물 대 산화물 밀봉을 형성합니다. 그 후, 정밀한 저온 어닐링 공정을 통해 구리 패드의 열팽창이 발생하여 패드가 약간 돌출되고 영구적인 금속학적 결합으로 융합됩니다. 이 메커니즘은 기존 패키징에 필요한 "언더필" 간격을 완전히 없애고, 레이어 간의 물리적 이격 거리를 제거하여 기계적 및 구조적으로 단일 솔리드 다이와 구별할 수 없는 모놀리식 실리콘 블록을 생성합니다. 전기 신호 무결성 관점에서 볼 때, 솔더 범프를 제거함으로써 수직 신호 경로에서 가장 큰 "기생 인덕턴스" 및 "저항" 발생 원인을 제거하여 HBM4 인터페이스에 필요한 주파수 잠재력을 확보할 수 있습니다. 기존의 마이크로범프는 신호 품질을 저하하고 높은 전류 밀도에서 줄 발열 효과로 인해 상당한 열을 발생시키는 병목 현상 "병목 지점" 역할을 합니다. 다이렉트 본딩은 거의 0에 가까운 임피던스를 가진 연속적인 순수 구리 상호 연결을 생성하여 솔더 인터페이스와 관련된 삽입 손실 없이 핀당 10 Gbps 이상의 속도로 데이터를 전송할 수 있도록 합니다. 또한, 이 기술은 납땜의 "피치 한계"를 뛰어넘습니다. 마이크로범프는 솔더 브리징(단락) 위험 때문에 10 마이크로미터 피치 이하로 축소하기 어렵지만, 다이렉트 본딩은 "서브마이크론" 인터커넥트 피치를 가능하게 합니다. 이러한 기하학적 스케일링을 통해 SK 하이닉스는 동일한 크기에 10만 개 이상의 TSV(Through-Silicon Via)를 집적할 수 있으며, 칩의 물리적 크기를 늘리지 않고도 차세대 AI 메모리 대역폭을 정의하는 2,048비트의 대규모 인터페이스 폭을 구현할 수 있습니다. 이 범프리스 아키텍처의 가장 중요한 전략적 이점은 탁월한 "열전도율"에 있으며, 이는 메모리 스택을 매우 효율적인 방열판으로 만들어줍니다. 기존 스택에서는 솔더 범프와 유기 폴리머 언더필이 "열 장벽" 역할을 하여 DRAM 다이 코어 내부에 열을 가두고 조기 열 스로틀링을 유발합니다. 다이렉트 본딩은 이러한 절연층을 수천 개의 수직 구리 기둥으로 대체하여 효율적인 "열 비아" 역할을 하며, 활성 로직 레이어에서 방열판으로 열을 전달하는 속도가 납땜보다 훨씬 빠릅니다. 이 향상된 열전달 경로는 16층 HBM 스택의 핵심 물리적 원리입니다. 이 경로가 없으면 16개 층의 활성 실리콘에서 발생하는 누적 열이 접합 온도 한계를 초과하게 됩니다. SK 하이닉스는 통합 열 블록을 설계함으로써, 대규모 언어 모델(LLM) 학습과 같이 메모리 서브 시스템이 수 주 동안 100% 활용률로 작동하는 극한의 연산 부하 조건에서도 JEDEC 표준에서 정의한 안전 신뢰성 마진 내에서 기기가 작동하도록 보장합니다.
HBM4 16단일층 적층 구현의 핵심
16층 HBM4 스택을 구현하려면 실리콘 두께를 대폭 줄여야 하므로 개별 DRAM 다이를 30 마이크로미터(사람 머리카락 굵기의 약 3분의 1)까지 미세하게 가공해야 합니다. 이처럼 극도로 얇게 만드는 공정은 치명적인 기계적 취약점을 초래합니다. 웨이퍼가 사실상 유연한 막처럼 변하여 표준 진공 척으로는 파손 없이 다룰 수 없게 되는 것입니다. SK 하이닉스는 이러한 문제를 해결하기 위해 자체 개발한 "임시 캐리어 접합" 시스템을 적용했습니다. 이 시스템에서는 초박형 웨이퍼를 스태킹 챔버에 넣기 전에 UV 이형 접착제를 사용하여 견고한 유리 캐리어에 고정합니다. 이 지지 시스템은 패키지의 전체 수직 높이가 JEDEC 표준에 따라 775마이크로미터로 엄격하게 제한되어 표준 GPU 인터포저에 맞아야 하므로 매우 중요합니다. 따라서 여기에서 엔지니어링 성과는 단순히 접합 기술에 있는 것이 아니라, 300mm 웨이퍼 표면 전체에 걸쳐 총 두께 변화(TTV)를 나노미터 허용 오차 범위 내로 유지하는 "백그라인딩" 정밀도에 있습니다. 이를 통해 16번째 레이어가 아래 15개 레이어의 누적된 허용 오차에도 불구하고 완벽하게 평평하게 유지될 수 있습니다. 16개의 서로 다른 층을 접합하는 동안 발생하는 "열 변형"을 제어하는 것은 HBM4 제조 공정에서 가장 중요한 수율 저하 요인입니다. 적층 높이가 증가함에 따라 실리콘 다이, 구리 TSV, 그리고 몰딩 컴파운드 사이의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 심각한 내부 응력이 발생하고, 이에 따라 리플로우 공정 중에 적층 구조가 감자칩처럼 휘어지게 됩니다. 이를 해결하기 위해 SK하이닉스는 고적재에 특화된 "고급 대량 리플로우 금형 언더필(MR-MUF)" 기술을 사용하는데, 이 기술은 실리카 함량이 높은 액상 에폭시를 이용하여 열과 구조적 응력을 동시에 분산시킵니다. 하지만 HBM4에서 진정한 하이브리드 본딩으로 전환하기 위해서는 "상온 사전 본딩"이라는 전략으로 전환해야 합니다. 열을 가하지 않고 초기 산화막 결합을 형성함으로써, 최종 고온 어닐링 공정을 통해 구리 인터커넥트를 고정하기 전에 기계적 응력을 중화시킵니다. 이러한 2단계 접근 방식은 열팽창으로 인해 수직 연결부가 변형되기 전에 정렬 상태를 효과적으로 "고정"시켜 줍니다. 이는 SK 하이닉스가 구조적으로 취약한 실리콘 조각 16개를 적층하는 때도 "정렬 불량 제로" 수율을 달성할 수 있도록 하는 핵심 기술입니다. 16층 적층 구조를 구현하려면 스택의 맨 아래에 위치하여 호스트 GPU와 통신하는 기본 논리 계층인 "베이스 다이"의 아키텍처를 근본적으로 재설계해야 합니다. 이전 세대에서는 이 기본 다이가 기존 메모리 공정을 사용하여 제조되었습니다. 그러나 HBM4의 경우 SK 하이닉스는 TSMC와의 협력을 통해 12ffC+ 또는 N5 노드를 사용하는 고성능 "로직 공정"으로 전환하여 복잡한 신호 버퍼링 기능을 통합했습니다. 16층 메모리 밀도로 인해 긴 수직형 TSV(Through-Silicon Via)에서의 신호 저하 및 "정전 용량 부하"가 일반적인 수동 컨트롤러로는 제어하기 어려워집니다. 새로운 로직 기반 베이스 다이는 능동적인 "신호 리피터" 역할을 하여 상위 레이어의 데이터를 증폭하고 타이밍을 조정함으로써 길어진 수직 경로 전체에 걸쳐 데이터 무결성을 보장합니다. 이러한 변화를 통해 HBM4 모듈은 내부 메모리 코어 작동과 외부 인터페이스 속도를 분리하여 16개 레이어 스택의 물리적 지연 시간을 호스트 프로세서로부터 효과적으로 숨길 수 있습니다. SK 하이닉스는 이러한 "스마트 로직" 기반을 내장함으로써 신호 충실도를 희생하지 않고도 용량을 대폭 늘릴 수 있도록 하여, 물리적으로는 더 높지만 전기적으로는 더 빠른 메모리 서브 시스템을 구현했습니다.
열 방출 성능이 획기적으로 향상된 쿨링 솔루션
SK하이닉스가 다이렉트 본딩(구리-구리) 방식으로 전환하면서 가장 혁신적인 측면은 10년 동안 적층형 메모리를 괴롭혀 온 "열 인터페이스 병목 현상"을 완전히 제거했다는 점입니다. 기존 아키텍처에서 DRAM 층을 연결하는 미세한 솔더 범퍼(주석-은)는 약 50W/m·K의 열전도율을 가지고 있습니다. 반면, 다이렉트 본딩에 사용되는 순수 구리 인터커넥트는 열전도율이 거의 400W/m·;K에 달하여 열전달 효율이 8배 향상되었습니다. 이러한 교체를 통해 수직 인터커넥트는 수동적인 전기 경로에서 능동적인 "히트 파이프"로 효과적으로 변환됩니다. SK 하이닉스는 유기 언더필 층과 저항성 솔더 접합부를 제거함으로써, 매우 뜨거운 하단 로직 다이에서 상단 방열판으로 포논(열에너지)이 직접 이동할 수 있는 연속적이고 끊김이 없는 금속 고속도로를 만듭니다. 이러한 구조적 변화는 16층 스택의 전체 "열 저항($R_{th}$)"을 약 40% 감소시켜, HBM4 모듈이 지속적인 AI 학습 작업 부하 동안 최대 대역폭으로 작동할 때도 접합 온도($T_j$)가 임계 온도인 95°;C보다 훨씬 낮게 유지되도록 합니다. 소재 변경 외에도 SK 하이닉스는 "열 더미 TSV(Through-Silicon Vias)"의 전략적 배치를 통해 냉각 효과를 극대화하기 위해 실리콘 레이아웃 자체를 설계하고 있습니다. 일반적인 DRAM 설계에서는 전기 신호가 흐르는 곳에만 TSV가 배치됩니다. 하지만 HBM4의 경우, SK 하이닉스 엔지니어들은 아래쪽 로직 다이에서 발생하는 "핫스팟"을 겨냥하여 수천 개의 추가적인 전기적으로 비활성인 구리 기둥을 삽입했습니다. 이러한 "열 배출구"는 전용 냉각탑 역할을 하여 실리콘층을 관통하여 민감한 데이터 저장 셀에서 열을 방출합니다. 이는 "다크 실리콘" 활용의 탁월한 사례입니다. 다이의 빈 공간을 로직 회로가 아닌 열 관리 용도로 활용하는 것입니다. 이러한 "구조적 냉각" 전략은 패키지 전체 표면에 열을 고르게 분산시켜 비트 오류나 기기 고장을 유발할 수 있는 국부적인 "열 폭주" 현상을 방지합니다. 이 기술은 열 밀도와 트랜지스터 밀도를 효과적으로 분리하여 SK 하이닉스가 칩을 녹이지 않고도 성능 향상을 위해 전압 레벨을 높일 수 있도록 합니다. 마지막으로, 이 향상된 열 아키텍처는 하이퍼스케일 데이터 센터에서 사용되는 차세대 "침수 냉각" 및 "칩 직접 냉각" 액체 냉각 시스템과 완벽하게 통합되도록 설계되었습니다. 다이렉트 본딩 스택의 탁월한 수직 열전도율 덕분에 GPU 상단에 있는 콜드 플레이트와 같은 외부 냉각 솔루션이 훨씬 더 효율적으로 작동할 수 있습니다. 기존 패키지에서는 아무리 뛰어난 액체 냉각기라도 칩 내부의 열 전달 속도(내부 저항) 때문에 냉각 성능에 한계가 있었습니다. 하지만 다이렉트 본딩 기술을 사용하면 내부 저항이 매우 낮아져 HBM 스택이 열적으로 투명해지므로 외부 냉각 루프가 열을 거의 즉시 감지하고 제거할 수 있습니다. 이 "시스템 레벨 열 결합"은 NVIDIA와 Google 같은 고객에게 매우 중요한 판매 포인트입니다. 이를 통해 고객은 AI 클러스터를 더 높은 클럭 속도로 작동시키면서 팬 속도는 낮출 수 있어 데이터 센터의 냉난방 시스템과 관련된 막대한 에너지 비용을 크게 절감할 수 있습니다. SK 하이닉스의 HBM4는 단순한 메모리 제품을 넘어 "친환경 컴퓨팅" 인프라 구축의 핵심 요소로 자리매김하고 있습니다.
