널리 알려진 "무어의 법칙 종말" 트랜지스터 밀도가 2년마다 두 배로 증가한다는 관찰은 오진입니다. 무어의 법칙이 사라진 것이 아니라, 단순히 리소그래피라는 수평적인 영역에서 첨단 패키징이라는 수직적인 영역으로 이동했을 뿐입니다. 수십 년 동안 "후처리" 공정(포장)은 귀중한 실리콘을 포장하는 단순한 물류 보조 요소로만 여겨져 왔습니다.하지만 나노미터 스케일링(프런트엔드)의 물리적 한계가 열 문제에 부딪히면서 패키징이 반도체 패권 경쟁의 새로운 격전지로 떠올랐습니다. 이 글에서는 SK하이닉스가 고대역폭 메모리(HBM) 시장을 장악할 수 있었던 비결인 매스 리플로우 몰드 언더필(MR-MUF) 공정에 대해 자세히 살펴봅니다. 표면적인 정의를 넘어, 이 "액체 재료 전략"이 기존의 비임계 유동(NCF) 방식을 사용하는 경쟁사들이 겪었던 열 방출 문제를 어떻게 효과적으로 해결했는지 분석합니다. 또한 솔더 범프를 완전히 없애고 AI 시대의 칩 통신에 대한 물리적 규칙을 재정의할 것으로 예상되는 구리 대 구리 연결 기술인 하이브리드 본딩으로의 불가피한 전환에 대해서도 살펴볼 것입니다.
HBM 최고 기여자 MR-MUF 프로세스 완료 분석
SK하이닉스가 고대역폭 메모리(HBM) 시장에서 독보적인 선두 자리를 확립할 수 있게 해준 근본적인 엔지니어링 혁신은 고체 구조 결합 방식에서 대량 리플로우 성형 언더필(MR-MUF), 즉 "액체 패키징 패러다임"으로의 전환입니다. 이것이 왜 혁신적인지 이해하려면 먼저 경쟁업체들이 사용하는 기존 열압착 비전도성 필름(TC-NCF) 방식의 한계를 분석해야 합니다. NCF 방식은 각 실리콘 층에 접착제를 바르고 가열된 다리미로 눌러 붙이는 것과 유사합니다. 이 방식은 신뢰할 수 있지만, 미세한 돌출부에 엄청난 물리적 압력을 가해 균열 위험을 높이고, 필름 자체가 절연체 역할을 합니다. 이와는 완전히 대조적으로, SK 하이닉스의 MR-MUF 공정은 "대량 리플로우" 오븐을 사용하여 먼저 칩을 적층합니다. 이는 케이크의 여러 층을 개별적으로 굽는 것이 아니라 한 번에 모두 굽는 것과 유사합니다. 그런 다음, 자체 개발한 액체 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)를 주입하여 빈 공간을 채웁니다. 이 "저압" 방식은 12층 적층 구조에 가해지는 물리적 스트레스를 획기적으로 줄여 고층 반도체 제조에서 수율 손실의 주요 원인인 "휘어짐"(칩 변형) 현상을 효과적으로 제거합니다. 적층 및 보호 충진 단계를 분리함으로써 SK 하이닉스는 기존의 층별 압축 방식보다 이론적으로 두 배의 생산 처리량을 달성하여 기존 방식 대비 상당한 생산 능력 우위를 확보합니다. 하지만 MR-MUF의 진정한 전략적 가치는 수율뿐만 아니라 탁월한 "열역학적 소산 능력"에도 있습니다. NVIDIA H100과 같은 AI GPU는 전력 소모량이 기하급수적으로 많기 때문에, 함께 사용되는 HBM 모듈에서 상당한 열이 발생하여 "열 스로틀링"이 발생하고 시스템 속도가 저하될 수 있습니다. SK하이닉스가 개발한 액상 EMC 소재는 표준 NCF 필름보다 열전도율이 훨씬 높은 고함량 세라믹 필러를 사용하여 화학적으로 설계되었습니다. 경화되면 이 액상 소재는 DRAM 다이 사이에 통합된 단일 방열판 역할을 하여 열에너지를 수평 및 수직 방향으로 훨씬 낮은 저항으로 방출할 수 있도록 합니다. 이러한 구조적 이점 덕분에 MR-MUF로 제작된 HBM3 모듈은 대규모 언어 모델(LLM) 학습과 같은 극한의 연산 부하 조건에서도 안정적인 온도로 작동할 수 있습니다. 궁극적으로 고객이 SK하이닉스를 선택하는 이유는 단순히 브랜드 선호도 때문만이 아니라, MR-MUF 패키지의 물리적 특성 덕분에 GPU가 과열 없이 더 빠르고 오래 작동할 수 있기 때문이며, 이것이 바로 AI 하드웨어 생태계의 숨은 '킹메이커'라고 할 수 있습니다.
마이크로범프를 없애는 하이브리드 본딩
하이브리드 본딩으로의 전환은 반도체 제조 역사에서 근본적인 변화를 의미하며, "납땜 시대"의 종말과 "직접 연결 시대"의 시작을 알립니다. 이 기술의 시급성을 이해하려면 먼저 현재의 마이크로범프(주석-은 솔더) 기술이 직면한 물리적 한계를 인식해야 합니다. 업계에서 더 높은 대역폭을 요구함에 따라 입출력(I/O) 범프 사이의 거리, 즉 "범프 피치"를 줄여야 합니다. 하지만 이 피치가 임계점인 20마이크로미터(μm) 미만으로 떨어지면 기존 리플로우 공정에 사용되는 액체 솔더는 용융 단계에서 "브리징"(인접한 범프 사이의 단락)이 발생할 위험이 매우 높습니다. 하이브리드 본딩은 납땜이라는 "중간 매개체"를 완전히 제거함으로써 이러한 근본적인 문제를 해결합니다. 대신, 두 칩의 금속 패드를 화학 기계적 연마(CMP)를 사용하여 원자 수준의 평탄도로 연마한 후 접합하는 직접적인 구리-구리(Cu-Cu) 본딩 기술을 사용합니다. 솔더 층을 제거함으로써 단락 위험을 없애고, 매우 좁은 I/O 피치(잠재적으로 10μm 미만)를 구현하며, 솔더 접합부 자체와 관련된 전기 저항 및 기생 정전 용량을 제거할 수 있습니다. 결과적으로 신호 전송 속도를 높이고 전력 손실을 줄여, 기존의 좁은 도로(솔더 범프)로는 결코 지원할 수 없었던 전용 데이터 "고속도로"를 효과적으로 구축할 수 있습니다. 전기적 이점 외에도 하이브리드 본딩의 "공간 효율성"은 차세대 16층 HBM4의 핵심 성공 요인입니다. 표준화된 반도체 하드웨어 환경에서 메모리 패키지의 전체 수직 높이는 JEDEC 표준(일반적으로 720μm)에 의해 엄격하게 제한됩니다. 기존 마이크로범프를 사용하여 16개의 실리콘 층을 적층하면 솔더 구체의 누적 부피와 각 다이 사이의 필요한 "간격"(스탠드오프 높이)으로 인해 물리적으로 높이 제한을 초과하는 타워 구조가 형성됩니다. 하이브리드 본딩은 이러한 간격을 완전히 제거합니다. 칩들이 돌출부 없이 서로 마주보게 접합되기 때문에, "제로 갭" 아키텍처는 각 층 계면의 두께를 크게 줄여줍니다. 이러한 "높이 감소" 덕분에 엔지니어들은 기존에 12개 또는 8개만 수용할 수 있었던 수직 공간에 16개의 다이를 통합할 수 있게 되었으며, 실리콘 웨이퍼를 종이처럼 얇고 깨지기 쉬운 상태로 연마하는 위험한 공정을 생략할 수 있게 되었습니다. 또한, 열 절연층(언더필 및 솔더 갭)이 없어 연속적인 수직 구리 경로가 생성되므로 열전도율이 크게 향상됩니다. 이는 최하단 코어 다이에서 발생하는 열을 상단 방열판으로 훨씬 효율적으로 방출할 수 있음을 의미하며, 차세대 AI 가속기의 발열 문제를 해결하고 장치 과열을 방지합니다.
무어의 법칙과 첨단 패키징의 종말
"무어의 법칙이 끝났다"는 통념은 엄밀히 말하면 오진입니다. 혁신이 멈춘 것이 아니라, 업계는 "수율 함정"으로 알려진 가혹한 경제적 제약과 "시야 한계"로 알려진 물리적 제약에 직면해 있는 것입니다. 반도체 제조 기술이 옹스트롬 시대에 접어들면서 전 세계 파운드리 업체들은 로직, 메모리, I/O를 하나의 최첨단 칩에 통합한 거대한 모놀리식 "시스템 온 칩"(SoC)을 계속 생산하는 것이 재정적으로 부담이 되고 있다는 사실을 깨달았습니다. 핵심 문제는 현재의 리소그래피 스캐너가 고정된 레티클 크기(약 858mm²)보다 큰 표면적을 노출할 수 없다는 점이며, 설령 가능하다 하더라도 크기가 커질수록 미세한 결함이 전체 슬래브를 망칠 확률이 기하급수적으로 증가한다는 것입니다. 이러한 "전부 아니면 전무" 방식의 제조 접근법은 먼지 입자 하나만으로도 초고가 프로세서 전체의 가치를 떨어뜨릴 수 있다는 위험성을 내포하고 있습니다. 따라서 업계의 생존 전략은 무분별한 크기 조정에서 "칩렛 아키텍처"로 전환되었습니다. 칩렛 아키텍처에서는 하나의 칩 블록을 더 작은 개별 다이로 분할합니다. 일부는 고성능을 위해 고가의 3nm 공정을 사용하여 제작하고, 다른 일부는 비용 효율성을 위해 기존 공정을 사용하여 제작합니다. 이렇게 분할된 다이들을 조립하여 완제품을 만듭니다. 이러한 전략적 분리를 통해 제조업체는 웨이퍼당 양품 다이 비율을 극대화하고 혁신의 부담을 패키징 엔지니어에게 넘김으로써 리소그래피의 물리적 한계를 효과적으로 극복할 수 있습니다. 이 새로운 생태계에서 "고급 패키징"이라는 개념은 근본적으로 "이종 통합"으로 변모하며, 단일 패키지 내에서 컴퓨터 시스템을 재구성하는 미세한 마더보드처럼 효과적으로 기능합니다. 이러한 변화의 핵심 원동력은 "대역폭 장벽"입니다. 이는 GPU가 기존 PCB 구리 트레이스를 통해 정보가 전송되는 속도보다 빠르게 데이터를 처리하는 것을 막는 병목 현상입니다. 2.5D 실리콘 인터포저 및 3D 수직 스태킹과 같은 기술은 로직과 메모리 사이의 물리적 거리를 밀리미터에서 마이크로미터로 줄여 전기 저항이 거의 없는 "실리콘 신경계"를 구현함으로써 이러한 지연 장벽을 극복합니다. 이러한 근접성 혁명은 "패키지"가 더 이상 수동적인 보호 껍데기가 아니라 시스템 성능을 능동적으로 결정하는 요소가 되었음을 의미합니다. 메모리 업계의 거물인 SK 하이닉스에게 있어 이러한 변화는 단순한 부품 공급업체에서 "플랫폼 설계자"로의 근본적인 비즈니스 모델 진화를 의미합니다. 이제 그들은 로직 파운드리와 함께 "패키지 내 시스템"(SiP)의 열 및 전기 경로를 공동 설계해야 하며, 이는 미래 반도체 시장의 주도권이 누가 가장 작은 트랜지스터를 생산할 수 있느냐가 아니라 이러한 파편화된 실리콘 도시들의 복잡한 상호 연결을 누가 가장 효율적으로 조율할 수 있느냐에 달려 있음을 보여줍니다.
