2010년대 초, 고대역폭 메모리(HBM)는 반도체 업계에서 "기술적 호기심"으로 여겨졌습니다. 놀라운 속도를 자랑하지만, 가격이 지나치게 비싸고 제조가 매우 어렵다는 악명이 높았기 때문입니다. 경쟁사들이 HBM을 고성능 게임용 틈새시장 제품으로 보고 주저하는 동안, SK 하이닉스는 젠슨 황의 비전을 통해 미래를 내다보았습니다. NVIDIA CEO는 자사의 엄청난 성능을 요구하는 GPU에 필요한 메모리를 공급하기 위해 기존 와이어 본딩의 물리적 한계를 뛰어넘는 메모리 파이프라인을 요구했고, 이는 실리콘 엔지니어링 기술을 극한까지 몰아붙였습니다. 이에 SK 하이닉스는 MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill) 패키징 기술을 개발하여 대응했습니다. SK하이닉스는 표준 열 압착 방식을 버리고 액체 에폭시 공정을 채택함으로써 초기 프로토타입 개발을 가로막았던 핵심 문제, 즉 열 방출과 생산 수율이라는 "두 가지 악마"를 해결했습니다. 이러한 계산된 엔지니어링 위험은 취약했던 실험을 생성형 AI 혁명의 초석으로 탈바꿈시켰고, 전 세계가 모방하려 애쓰는 NVIDIA와의 10년 간의 긴밀한 협력 관계를 공고히 했습니다.
아무도 관심 없던 초기 시장 HBM 가능성에 과감한 배팅
2010년대 초반 반도체 메모리 시장은 "고대역폭 메모리"(HBM)에 대한 회의론이 매우 강해서, HBM은 종종 지나치게 복잡한 과학 실험으로 치부되곤 했습니다. 당시 삼성전자와 마이크론 같은 업계 거물들은 "하이브리드 메모리 큐브(HMC)"라는 경쟁 표준에 막대한 투자를 하거나, 검증된 GDDR5 기술의 수명 연장에만 만족하고 있었습니다. 그들은 HBM의 핵심 요구 사항인 TSV(Through-Silicon Via), 즉 실리콘 다이에 수천 개의 미세한 구멍을 뚫는 공정을 제조상의 악몽이자 수율이 극도로 낮은 난제로 여겼습니다. 이론적으로는 TSV가 우수하지만, 인터포저 비용과 3D 스태킹의 복잡성 때문에 상업적으로는 자살행위나 다름없다는 것이 일반적인 의견이었습니다. 이러한 무관심 속에서 SK 하이닉스는 독자적인 도전을 감행했습니다. 바로 "폰 노이만 병목 현상"(프로세서와 메모리 간의 속도 제한)이 머지않아 미래 GPU의 성능을 저하해 GDDR을 비용과 상관없이 쓸모없게 만들 것이라는 결론을 내린 것입니다. 당시 고객이 전무했던 기술에 수십억 달러의 연구 개발비를 쏟아붓기로 한 이 결정은 단순한 전략이 아니었습니다. 시장에서 늘 2인자에 머물던 그들의 처지에서 비롯된 생존을 위한 도박이었으며, 위계질서를 뒤흔들 패러다임의 전환이 절실했던 것입니다. 이 험난한 여정의 첫 번째 가시적인 결실은 NVIDIA가 아닌 2015년 AMD와의 협력에서 나왔는데, 이 파트너십은 SK 하이닉스 엔지니어들에게 매우 중요한 "실전 훈련"과 같은 역할을 했습니다. 그 결과물인 Radeon R9 Fury는 이 "피지 프로젝트"를 통해 SK 하이닉스는 초기 TC-NCF(열압축 비전도성 필름) 패키징 공정과 관련된 심각한 수율 문제를 해결할 수 있었습니다. 경쟁사들이 HBM 탑재 그래픽 카드의 저조한 판매량을 보며 GDDR을 고수하기로 한 결정이 옳았음을 확신하는 동안, SK 하이닉스는 숨겨진 데이터를 발견했습니다. 바로 TSV 인터커넥트를 안정화하는 데 성공했다는 사실이었습니다. 이 "생산 지옥" 시기는 그들에게 3D 패키징 기술 학습 곡선에서 3년이라는 시간적 우위를 제공했고, 이후 AI 시대가 도래했을 때 가장 귀중한 자산이 될 실패 데이터 저장소를 구축하게 해 주었습니다. 그들은 사실상 업계 전체의 "수업료"를 지불한 셈이며, 초기 손실을 감수하면서 이후 도래할 2.5D 패키징 시대를 위한 완벽한 공식을 완성했습니다. 결정적으로, 이러한 초기 고립은 SK 하이닉스가 필연적으로 혁신을 이루도록 만들었고, 그 결과 그들의 "비밀 병기"인 MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill)를 채택하게 되었습니다. 2017년, 업계가 서서히 HBM의 가능성을 인식하기 시작했을 무렵에도 칩을 적층하는 표준 방식은 여전히 각 레이어에 개별적으로 열과 압력을 가하는 열 압착 방식이었습니다. 이 방식은 속도가 느리고 섬세한 TSV 범프를 훼손하기 쉬웠습니다. SK하이닉스는 같은 방식으로는 삼성과의 생산량 경쟁에서 이길 수 없다는 것을 깨닫고 MR-MUF라는 기술로 전환했습니다. 이 기술은 칩 사이에 액체 에폭시를 주입하고 대량 리플로우 오븐에서 경화시키는 방식으로, 강철을 용접하는 것보다 케이크를 굽는 것과 유사합니다. 초창기 어려운 시절의 절박함에서 탄생한 이 방법은 열 방출 측면에서 탁월한 것으로 입증되었으며, 이는 NVIDIA가 훗날 H100 Hopper 아키텍처에 요구하게 될 핵심 요소였습니다. 아무도 주목하지 않던 HBM에 과감히 투자한 덕분에, 기존의 막대한 시장 점유율을 지켜야 한다는 압박 없이 과감한 제조 방식 변화를 실험할 수 있었고, 결국 젠슨 황의 사무실로 향하는 문을 여는 "황금 열쇠"를 만들어냈습니다.
NVIDIA의 까다로운 속도 요구 사항을 충족하는 비결
NVIDIA가 H100 및 향후 출시될 블랙웰 아키텍처에 요구하는 seemingly impossible 한 속도 조건을 충족하는 "비밀"은 단순히 클럭 주파수를 높이는 것이 아니라 "열 유도 스로틀링" 문제를 해결하는 데 있었습니다. NVIDIA가 HBM3의 핀당 6.4Gbps 이상의 속도를 요구했을 때, 기존의 TC-NCF(열압축 비전도성 필름) 패키징은 열 절연체 역할을 한다는 물리적 현실이 존재했습니다. 칩을 접합하는 데 사용된 필름은 수천 개의 TSV(Through-Silicon Via)를 통해 고주파로 스위칭 될 때 발생하는 엄청난 열을 가두어 두었습니다. 스택 내부 온도가 상승함에 따라 구리 인터커넥트의 전기 저항이 증가하여 신호 품질이 저하되고, 데이터 손상을 방지하기 위해 GPU가 성능을 저하해야 했습니다. SK 하이닉스는 속도를 높이려면 냉각이 필수적이라는 사실을 깨달았습니다. 자체 개발한 MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill) 기술은 실리카 함량이 높은 액체 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)를 사용하여 적층 된 금형 사이의 미세한 틈새까지 채워 넣는 방식입니다. 이 소재는 칩들을 구조적으로 접착시키는 역할뿐만 아니라, 경쟁사에서 사용하는 절연 NCF 필름보다 80% 더 효율적으로 열을 발산하는 우수한 열전도체 역할도 했습니다. 이러한 "열 여유 공간"이 바로 SK 하이닉스 칩이 NVIDIA가 요구하는 최고 버스트 속도를 열 장벽에 부딪히지 않고 유지할 수 있게 해 준 숨겨진 변수였습니다. 또한, MR-MUF 공정은 고속 수직 인터커넥트를 괴롭히는 "기생 정전 용량" 문제를 직접적으로 해결했습니다. 경쟁 방식인 TC-NCF 방식에서는 각 레이어를 접합하는 데 필요한 강한 압력으로 인해 "웨이퍼 휨"이나 마이크로 범프의 미세한 정렬 불량이 발생하여 TSV 채널 간에 예측할 수 없는 전기적 노이즈(크로스토크)가 발생했습니다. 신호 무결성에 집착하는 NVIDIA 엔지니어들은 이러한 노이즈 플로어가 메모리의 최대 안정 주파수를 제한한다는 사실을 발견했습니다. 이와 대조적으로 SK 하이닉스의 매스 리플로우 공정은 진공 환경에서 전체 스택에 열을 한 번에 고르게 가하여 열 압축 헤드의 물리적 압력 없이 액체 에폭시를 경화시킵니다. 이 "무응력" 접합 방식은 수천 개의 미세 돌기가 완벽한 기하학적 형태를 유지하도록 보장하여 데이터에 대해 깨끗하고 낮은 임피던스 경로를 제공합니다. 이러한 구조적 안정성 덕분에 디지털 1 또는 0이 유효한 시간 범위인 "데이터 아이(Data Eye)"가 훨씬 넓어져 NVIDIA의 메모리 컨트롤러는 거의 0에 가까운 비트 오류율로 전송 주파수를 물리적 한계까지 끌어올릴 수 있습니다. 패키징 설계에서 비롯된 이러한 전기적 순도는 젠슨 황이 가장 강력한 AI 가속기 출시 파트너로 SK 하이닉스를 선택한 이유입니다. 마지막으로, 데이터 센터 GPU의 10년 수명 동안 이러한 속도를 유지하는 비결은 MR-MUF를 통해 구현되는 "금속 간 화합물(IMC)" 관리 기능에 있습니다. 고속 스위칭은 "전기이동"이라는 현상을 발생시키는데, 이는 전자의 흐름이 솔더 접합부의 원자를 물리적으로 움직여 결국 개방 회로를 유발하는 현상입니다. SK 하이닉스가 사용하는 액체 EMC는 경화되면서 실리콘의 열팽창 계수와 완벽하게 일치하는 영률(강성)을 가진 매우 단단한 보호막을 형성합니다. 이는 AI 워크로드의 극한 열 순환(수 밀리초 만에 유휴 상태에서 100% 부하로 전환)으로 인한 납땜 접합부 균열을 방지합니다. 경쟁사들이 고속 작동 시 무작위 메모리 오류를 유발하는 "미세 균열" 문제로 어려움을 겪는 동안, SK 하이닉스는 NVIDIA에 기계적으로 사실상 파손되지 않는 부품을 제공했습니다. 이러한 안정성 덕분에 NVIDIA는 하드웨어가 극한의 상황을 견딜 수 있다는 확신을 가지고 CUDA 생태계에 공격적인 메모리 타이밍을 하드 코딩할 수 있었습니다. 따라서 "속도"는 단순히 사양 표상의 수치가 아니라, 우수한 화학적 결합을 통해 제공되는 지속적인 성능에 대한 보증이었습니다.
불량률을 줄이는 MR-MUF 패키징 기술의 마법
SK하이닉스가 HBM3 생산에서 80% 이상의 안정적인 수율을 달성할 수 있었던 "비결"은 근본적으로 매스 리플로우(MR) 공정에 내재한 "자체 정렬 효과"에 있습니다. 이는 제조상의 오류를 능동적으로 수정하는 물리적 현상입니다. 경쟁 방식인 TC-NCF(열압착 비전도성 필름) 방식에서는 각 금형을 높은 압력을 기계적으로 압착합니다. 정렬이 단 몇 마이크로미터만 어긋나도 단단한 필름이 그 오차를 고정해 "냉간 접합" 또는 단락을 발생시킵니다. 반대로 SK 하이닉스의 MR-MUF 공정은 칩들을 서로 겹쳐 쌓은 후 전체 스택을 리플로우 오븐에 통과시킵니다. 솔더 범프가 녹으면서 액체 주석-은 합금의 표면 장력으로 인해 떠 있는 다이가 아래쪽 패드의 정확한 중앙으로 자연스럽게 끌어당겨집니다. 이 "열역학적 중심 맞춤" 힘은 자동 오류 수정 메커니즘 역할을 하여 외부 기계적 개입 없이 칩을 물리적으로 완벽한 정렬 위치로 이동시킵니다. 이는 고밀도 적층 구조에서 흔히 발생하는 "정렬 불량" 문제를 해결하여 SK 하이닉스가 기계식 본더로는 재현할 수 없는 정밀도로 12개 또는 16개의 다이를 적층할 수 있도록 합니다. 두 번째 중요한 결함 감소 방법은 액상 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)를 사용하여 "미세 기포"를 완전히 제거하는 것입니다. NCF 공정에서는 거친 실리콘 표면 사이에 고체 필름을 적층합니다. 휴대전화에 화면 보호 필름을 붙이는 것과 유사하게, 이 과정에서 솔더 범프 근처에 미세한 기포(기포)가 생기기 쉽습니다. 칩이 작동 중에 가열되면 내부에 갇힌 공기 방울이 폭발적으로 팽창하는데, 이를 "팝콘 효과"라고 하며, 이에 따라 패키지가 내부에서 파손됩니다. SK 하이닉스의 MR-MUF 기술은 진공 상태에서 특수 배합된 액체 소재를 틈새에 주입함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 이 유체는 유압유처럼 작용하여 TSV(실리콘 관통 비아)의 모든 틈새와 미세한 표면 불규칙성 속으로 스며듭니다. 충전 단계에서 액체 상태이기 때문에 모든 공기를 밀어내어 "무공극" 계면을 보장합니다. 경화 후에는 이 에폭시 고체 블록이 습기 침투와 산화를 방지하는 밀폐된 구조를 형성하여 필름 기반 방식에 비해 "장기 신뢰성 결함" 발생률을 획기적으로 낮춥니다. 마지막으로, MR-MUF는 웨이퍼의 응력 분포를 근본적으로 변화시켜 "뒤틀림으로 인한 균열"을 획기적으로 줄입니다. 기존의 열 압축 방식에서는 각 다이에 순차적으로 가해지는 고온과 고압으로 인해 누적 응력이 발생하여 웨이퍼가 냉각되면서 감자칩처럼 휘어지는 현상이 나타납니다. 이러한 기계적 변형은 섬세한 TSV 기둥에 전단력을 가하여 제품이 공장을 떠나기도 전에 부러뜨립니다. 하지만 SK 하이닉스의 공정은 "무응력" 환경에서 전체 스택을 동시에 경화시킵니다. 액체 EMC는 칩이 냉각되기 전에 칩을 감싸는 균일한 구조적 지지대를 형성하여 웨이퍼가 휘어지는 것을 방지하는 견고한 "외골격" 역할을 합니다. 에폭시의 강성을 실리콘의 열 수축에 맞춰 조정하는 이 "탄성률 매칭" 기술은 납땜 접합부에 응력이 발생하지 않도록 합니다. 결과적으로 최종 테스트 단계에서 "전기적 수율"이 크게 향상됩니다. 접합 과정의 강압으로 인해 접합부에 사전 응력이 발생하지 않았기 때문입니다. 이는 한때 50%에 달했던 불량률을 수익성 있는 대량 생산 엔진으로 전환하는 데 이바지합니다.
