SK하이닉스, 2029년 일내나…'HBM5 등판' 깜짝 전망

SK하이닉스가 차세대 고대역폭메모리(HBM) 시장 주도권을 굳히기 위해 '하이브리드 본딩' 도입에 속도를 낼 것이란 관측이 나왔다. 업계에선 SK하이닉스가 이르면 2029년께 HBM5를 내놓으며 본격적인 기술 전환에 나설 가능성이 거론된다.

AI 반도체 핵심 된 HBM…차세대 전환 신호탄

7일 시장조사업체 카운터포인트리서치에 따르면 메모리 업체들은 차별화 전략의 일환으로 하이브리드 본딩 장비 도입을 적극 검토하고 있다. 이 가운데 SK하이닉스의 장비 도입 움직임은 대량 HBM 생산을 위한 하이브리드 본딩 확장 전환의 신호로 해석됐다.

HBM은 인공지능(AI)과 고성능컴퓨팅(HPC)용 반도체의 핵심 부품으로 꼽힌다. 대규모 언어모델(LLM) 등 데이터 처리량이 큰 연산에 필요한 초고속 대역폭과 전력 효율을 동시에 제공하기 때문이다. 현재 HBM은 통상 12~16개의 D램 다이를 로직 베이스 다이 위에 적층하는 구조다. 이 과정에서 MR-MUF(몰디드 언더필 기반 대량 리플로우)나 TC-NCF(비전도성 필름 기반 열압착 본딩) 등 마이크로 범프 기반 인터커넥트 기술이 주로 활용된다.

다만 적층 수가 늘어날수록 기존 방식의 한계도 뚜렷해진다는 게 문제다. 마이크로 범프는 신호 무결성과 전력 효율, 열 성능 측면에서 병목으로 작용할 수 있다. 특히 적층 단수가 20단 이상으로 높아질 경우 GPU 패키지 내 높이와 집적도 제약이 더 커질 수밖에 없다. 때문에 반도체 업계는 차세대 대안으로 하이브리드 본딩에 주목하고 있다. 하이브리드 본딩은 다이 간 간격과 전체 적층 높이를 줄일 수 있어 더 높은 대역폭과 전력 효율을 확보할 수 있다는 평가다.

HBM 적층 한계…하이브리드 본딩 전환 불가피

현재 JEDEC(국제표준기준)이 HBM 높이 기준을 일부 완화하면서 최대 16단 수준에서는 기존 열압착 본딩(TCB) 기술 활용이 가능하단 분석도 나온다. 다만 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등 주요 메모리 업체들은 HBM4 이후 세대부터는 하이브리드 본딩 도입이 불가피할 것으로 보고 대응에 나서고 있다.

하이브리드 본딩 전환의 핵심은 화학적 기계 연마(CMP) 공정이다. 기존 TCB 공정에서는 마이크로 범프가 표면의 미세한 불균일성을 일정 부분 흡수해 CMP의 역할이 제한적이었다. 반면 하이브리드 본딩은 초평탄, 원자 수준으로 평탄한 표면 품질이 요구돼 CMP가 사실상 수율과 성능을 좌우하는 핵심 공정으로 떠오른다. 특히 구리(Cu) 디싱, 침식, 오염, 파티클 등의 결함은 본딩 저항 증가와 신뢰성 저하, 수율 악화로 직결될 수 있다. 이에 업계에선 CMP를 단순한 전처리 공정이 아니라 HBM4 이후 세대의 성능과 확장성을 좌우할 '기반 기술'로 보고 있다.

SK하이닉스, 통합 본딩 솔루션 선점 승부수

SK하이닉스가 도입하는 장비는 어플라이드 머티리얼즈와 BE세미컨덕터인더스트리즈(BESI)가 공동 개발한 통합 하이브리드 본딩 솔루션으로 알려졌다. 양사는 CMP와 표면 처리, 하이브리드 본딩, 다이 배치 기술을 하나의 통합 공정 흐름으로 묶는 솔루션을 제공하고 있다. 공정 복잡도와 변동성, 결함 리스크를 낮추고 정렬 정확도와 본딩 수율을 높이는 데 초점을 맞춘 전략이다. 카운터포인트리서치는 SK하이닉스의 해당 장비 도입이 양산의 핵심 과제를 해결하기 위한 전략적 선택이라고 분석했다.

다만 '변수'도 있다. JEDEC의 표준 완화로 기존 TCB 기술의 수명이 예상보다 길어질 경우 하이브리드 본딩 도입 시점이 늦춰질 가능성이 있는데, 이는 관련 장비 투자 수요의 불확실성으로 이어질 수 있다는 우려다. 또 하이브리드 본딩 자체가 공정 민감도가 높은 만큼 CMP 품질 확보에 실패하면 수율 하락과 비용 증가 부담도 커질 수 있다. 그런데도 시장에선 장기적으로 하이브리드 본딩 도입이 불가피하다는 쪽에 무게를 싣고 있다. AI 반도체 시장의 핵심 고객인 엔비디아가 더 높은 대역폭과 효율을 지속적으로 요구하고 있어서다.

카운터포인트리서치는 HBM5를 하이브리드 본딩 확산의 분기점으로 봤다. 20단 이상 적층, 더 미세한 피치, 더 높은 대역폭을 구현하면서 동시에 대량 생산으로 확대하려면 CMP와 수율, 비용 측면의 기술적 돌파가 필수라는 설명이다. 이에 따라 SK하이닉스가 차세대 AI GPU 사이클에 맞춰 2029~2030년께 HBM5를 내놓고, 이를 계기로 하이브리드 본딩 양산이 본격화할 것이라는 전망이 나온다.

카운터포인트리서치는 "HBM이 점차 로직 공정 수준에 가까워짐에 따라 성능 확장을 지속하기 위해서는 하이브리드 본딩이 필수적인 기술로 자리 잡고 있다"며 "SK하이닉스의 하이브리드 본딩 장비 도입은 HBM 시장 리더십을 유지하는 데 중요한 전략적 우위를 제공할 것으로 기대된다. 이는 향후 매출 성장과 시장 점유율 확대에도 긍정적인 영향을 미칠 것"이라고 덧붙였다.

홍민성 한경닷컴 기자 mshong@hankyung.com