[서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 삼성전자가 충남 아산 온양사업장의 첨단 패키징 공장 가동 시점을 1년 앞당기며 고대역폭메모리(HBM) 생산 경쟁력 강화에 속도를 내고 있다. 기존 반도체 조립·검사 중심의 온양사업장을 차세대 HBM의 핵심 생산거점으로 전환해 고적층 메모리 시장에 선제적으로 대응한다는 전략이다.

HBM의 적층 수가 늘어날수록 칩을 정밀하게 쌓고 연결하는 기술이 중요해지면서 삼성전자와 SK하이닉스의 하이브리드 본딩 경쟁도 본격화하고 있다. 차세대 HBM 시장에서는 메모리 자체의 성능뿐 아니라 패키징 기술의 완성도와 양산 수율, 원가 경쟁력이 시장 주도권을 가를 전망이다.

◆ 조립·검사 공장이 첨단 적층 거점으로

12일 반도체업계에 따르면 온양사업장은 1991년 반도체 조립·검사 라인으로 출발한 삼성전자의 대표적인 후공정 거점이다. 반도체 생산은 웨이퍼에 회로를 만드는 전공정과 완성된 칩을 조립하고 연결한 뒤 검사하는 후공정으로 나뉜다. 삼성전자는 평택 등에서 D램 웨이퍼를 생산하고 천안·온양에서 패키징 등 후공정을 수행하는 체계를 갖추고 있다. 그동안 천안에 집중됐던 첨단 패키징 역량을 온양까지 확대하는 것이 이번 투자의 핵심이다.

일반 D램의 후공정이 개별 칩의 보호와 외부 연결에 초점이 맞춰져 있다면 HBM은 여러 장의 D램을 수직으로 쌓고 각 층을 미세한 통로로 연결해야 한다. 칩을 높이 쌓을수록 두께가 두꺼워지고 열이 집중되며 작은 접합 불량도 완제품 수율을 떨어뜨린다. 패키징 기술이 단순 조립을 넘어 HBM의 성능과 생산성을 결정하는 이유다.

삼성전자가 온양 신규 라인을 서둘러 구축하는 배경에도 이러한 구조 변화가 있다. 6세대 HBM4부터 데이터 입출력 통로가 기존 1024개에서 2048개로 두 배 늘었고 차세대 제품에는 더 높은 적층과 효율 개선이 요구된다. 전공정에서 성능 좋은 D램을 생산하더라도 적층·접합 수율을 확보하지 못하면 제품 경쟁력으로 이어지기 어렵다.

◆ 삼성은 직접 접합, SK는 기존 공정 고도화

기술 경쟁의 중심에는 '하이브리드 본딩'이 있다. 기존 방식은 D램 사이에 미세한 금속 돌기인 범프를 두고 열과 압력을 가해 접합한다. 하이브리드 본딩은 구리 배선과 절연막을 직접 붙여 칩 사이 간격을 줄이는 기술이다. 같은 높이에 더 많은 D램을 쌓는 데 유리하지만 접합면의 미세한 이물질이나 빈 공간이 불량을 일으킬 수 있어 공정 관리가 까다롭다.

삼성전자는 HBM4 기반 하이브리드 구리 본딩(HCB) 샘플을 고객사에 공급했고 HBM4E에서 일부 사업화를 추진하고 있다. 초기에는 기존 열압착 방식을 활용하면서 새로운 기술의 양산성을 2027년까지 검증하겠다는 계획이다.

SK하이닉스는 검증된 공정의 생산성을 높이면서 차세대 접합 기술을 병행 개발하고 있다. 주력인 MR-MUF는 D램 적층 후 칩 사이에 액체 보호재를 채워 굳히는 공정이다. 지난 5월 공개한 'iHBM'은 패키지 내부에 별도 방열 경로를 마련해 열저항을 30% 이상 낮추는 기술로, 기존 MR-MUF 기반 생산공정을 활용할 수 있다. SK하이닉스는 HBM5 등 차세대 제품에 적용할 계획이다. 시장조사업체 카운터포인트리서치는 SK하이닉스가 2029~2030년 8세대 HBM5를 선보이며 하이브리드 본딩 도입을 확대할 것으로 전망했다.

반도체업계 관계자는 "차세대 HBM 경쟁에서는 적층 기술의 완성도뿐 아니라 안정적인 수율과 생산단가 확보가 중요하다"며 "하이브리드 본딩이 기술적으로 우수하더라도 양산 과정에서 경제성을 확보하지 못하면 기존 공정을 대체하기 어렵다"고 설명했다. 이어 "삼성전자의 온양 신규 공장 착공을 계기로 첨단 패키징 경쟁이 본격적인 생산체계 구축 단계로 접어들고 있다"며 "2029년 전후 고적층 HBM 시장에서는 누가 더 안정적이고 효율적인 양산체계를 갖추느냐가 주도권을 가를 것"이라고 내다봤다.

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