요약
⏱ 00:071. HBM의 배경과 패키징·입출력 단자
⏱ 00:07두 번째 주제는 후공정 본딩 기술입니다. 최근 반도체 쪽에서는 엔비디아가 오르고 있는데, 결국 AI 서버 때문입니다. 여기에서 핵심적인 역할을 하는 것이 우리나라로 보면 HBM입니다. 오늘은 HBM에 관한 이야기를 해보겠습니다. 그 전에 최근 반도체 기사부터 보겠습니다. 6월 7일 기사에는 메모리 반도체 혹한기의 출구가 보이고, PC·모바일 D램 수출이 증가한다는 내용이 있습니다. 앞서 휴대폰 쪽이 조금 나아진다는 이야기를 했지요. 감산 효과로 7월부터 공급이 줄어들고, 내년도 반도체 시장이 반등한다는 기사도 있습니다.
⏱ 01:05오늘 나온 HBM 기사도 흥미롭습니다. 지금은 네 개를 넣고 있지 않나요? 이를 여덟 개까지 넣는다는 이야기입니다. 아이큐브(I-Cube)를 만들고 여기에 패키징 기술의 성능 테스트를 완성한다는 내용인데, 결국 HBM 패키징 성능 테스트를 더 업그레이드한다는 뜻입니다. 그러면 HBM에는 어떤 것들이 있는지 공부해봐야 합니다. HBM에 들어가기 전에 이베스트증권 리포트로 기본적인 이야기를 해보겠습니다. 기존에는 실리콘으로 다이를 하나씩 만들고, 이를 잘라 다이싱한 뒤 패키징했습니다. 그림의 이것은 실리콘입니다. 최근에는 웨이퍼 상태에서 패키징하고 다이싱하는데, 이를 웨이퍼 패키징이라고 부릅니다. 이에 따라 관련주들도 나오는 것이고, 관련 내용은 하나씩 보시면 됩니다.
⏱ 02:15예전에 TSMC가 크게 성공하게 된 계기는 팬아웃 기술이라고 말씀드렸습니다. 팬아웃과 팬인은 패키징 크기가 웨이퍼 크기와 같으냐, 더 크냐 하는 구분입니다. 그림에서 여기가 웨이퍼이고 여기가 패키징입니다. 입출력 단자가 어느 정도 확보되어야 웨이퍼의 기능을 발휘할 수 있습니다. 통상적으로는 웨이퍼 크기만큼 패키징했기 때문에, 웨이퍼 성능이 아주 좋아도 패키징의 입출력 단자가 적어 성능을 제대로 발휘하지 못했습니다. 그런데 TSMC는 웨이퍼보다 큰 패키징을 만들어 성능을 개선했습니다. 칩을 뒤집어 보면 BGA, 즉 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array)가 있습니다. 정사각형으로 4개씩, 8개씩, 16개씩 배열되는 식으로 크기가 나옵니다.
⏱ 03:31과거 BGA 방식 이전에는 선을 따서 와이어 본딩으로 외부에 연결했습니다. 다리처럼 핀이 나와 있었고, 관통형도 있고 위에 마운트하는 것도 있었습니다. 어쨌든 납땜해서 외부로 연결한 것입니다. 본딩은 붙인다는 뜻이지요. 그런데 이렇게 하면 바깥쪽에서만 출력이 나오므로 입출력 단자가 부족합니다. 그래서 구멍을 뚫고 금속으로 마운팅한 뒤 칩을 뒤집는 플립칩 BGA, 즉 FC-BGA 방식으로 입출력을 늘려 칩 성능을 개선합니다. 앞서 공부했던 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키지를 다시 짚어본 것입니다. BGA 배열을 보면 4 × 4 = 16, 8 × 8 = 64, 16 × 16 = 256, 32 × 32 = 1,024입니다. 이렇게 1,024개의 입출력 단자가 나오는 것입니다.
⏱ 05:002. CoWoS 구조와 솔더볼·하이브리드 본딩
⏱ 05:00다음 용어는 조금 어렵습니다. 칩 온 웨이퍼 온 서브스트레이트(Chip on Wafer on Substrate), 즉 CoWoS라고 합니다. 용어보다 그림을 보면 오히려 쉽습니다. 실리콘 인터포저를 넣었느냐, 넣지 않았느냐에 따라 2.5D냐 2D냐를 구분하는 것입니다. 실리콘 인터포저와 패키지 기판이 그림에 나오는데, 빠른 데이터 처리를 위해 실리콘으로 만든 구조입니다. 위에서 보면 연결해주는 것이 범프이고, 이 범프가 솔더볼입니다. 솔더볼로 납땜하는 것입니다. 동그란 솔더볼에 열을 가하고 누르면 타원형으로 눌리면서 접점이 늘어나 전기적으로 연결됩니다.
⏱ 05:49솔더볼의 전기적 특성은 칩 내부보다는 좋지 않습니다. 저항이 생기기 때문입니다. 이 저항으로 에너지 손실이 발생하고 속도도 줄어듭니다. 그래서 가능하면 솔더볼이 없는 것이 좋고, 그렇지 않으면 작은 것이 좋습니다. 위쪽에는 마이크로 범프, 즉 작은 솔더볼로 붙입니다. 그것도 피하고 싶다면 TSV로 연결하는 것입니다. 관통한다는 뜻입니다. TSV는 많이 들어보셨을 것입니다. 오늘 공부할 곳은 그림의 HBM 부분입니다. 여기에는 인터포저와 패키징이 있고 패키지 볼로 연결되는데, 이것이 앞에서 본 BGA와 그 단자 개수에 해당합니다. 이제 HBM이 어떻게 붙는지를 공부하겠습니다. 반복되는 내용이니 차분하게 보겠습니다.
⏱ 06:57솔더볼에는 일반 솔더볼도 있고 마이크로 크기도 있습니다. 결국 크기에 관한 이야기입니다. 크기가 작아지다가 나중에는 솔더볼이 없어져야 더 작아질 수 있습니다. 그래야 전기적 특성이 개선되고, 속도가 빨라지며 에너지도 적게 씁니다. 저전력이 되는 것입니다. 따라서 솔더볼은 계속 작아져야 하고, 끝내는 없어져야 한다는 것입니다. 솔더볼이 있으면 저항이 생기니까요. 그러면 나중에는 어떻게 할까요? 마이크로 범프 대신 그냥 접합하는 하이브리드 본딩을 하자는 것이고, SoIC를 하자는 이야기입니다. TSMC는 열 배 빠른 속도를 갖췄고, 앞으로 더 향상시킬 것이라는 내용입니다. [이 대목의 원자막 표현인 ‘9 마미인더키친’은 정확한 수치·용어를 확인하기 어렵습니다.] 앞에서 말한 2.5D와 2D는 실리콘 인터포저가 있느냐 없느냐로 이해하시면 됩니다. 이렇게 계속 미세화하는 방향으로 나아가는 것입니다.
⏱ 08:163. HBM3의 성능과 정밀 본딩의 역할
⏱ 08:16기존 그래픽 메모리인 GDDR과 HBM을 비교해보겠습니다. 입출력 개수는 32개와 1,024개로, HBM이 굉장히 많은 입출력 단자를 가지고 있습니다. 대역폭도 기존의 64GB/s에 비해 HBM은 1초에 819GB입니다. 약 15배 정도라는 설명입니다. 총용량도 16기가와 192로 비교하는데, 몇 개를 쌓느냐에 따라 달라집니다. [192 뒤의 단위는 원자막이 ‘192b’여서 확정하기 어렵습니다.] 이런 식으로 HBM3는 매우 빠르고 대역폭이 크며 용량도 큽니다. 기존에 쓰던 그래픽 메모리보다 성능이 엄청나다는 이야기입니다.
⏱ 09:13후공정 순서를 보여주는 영상에는 이런 것들이 있습니다. 웨이퍼 테스트, 라미네이션, 백그라인딩 등을 하고, 이런 공정은 외국 회사들이 많이 합니다. 웨이퍼와 마운트 관련 과정도 있고, 싱귤레이션도 있습니다. 소 싱귤레이션(saw singulation)이라고 하며, 비전 플레이스먼트도 합니다. 몰드·마킹을 하고 레이저로 마킹한 뒤, 패키지 테스트와 모듈 테스트도 모두 해야 합니다. 이런 내용은 나중에 한번 보시고, 관련 기업들도 자료에 나와 있으니 확인하시면 됩니다. 이제 본더를 볼 텐데, 서울경제신문의 강혜령 기자가 설명을 잘하고 있습니다. 해당 기사를 찾아보시면 되고, 지금 보고 있는 기사도 강혜령 기자의 기사입니다.
⏱ 10:16하이닉스의 HBM3만 다시 보겠습니다. 입출력 숫자는 앞에서 말씀드렸으니 다시 확인하시면 됩니다. 램을 만들고 나서 옆으로 와이어를 빼서 통신시키는 방식과, 두 램을 가까이 붙인 뒤 통신 채널을 만들고 구리를 넣어 서로 연결하는 방식을 생각해보세요. 어느 쪽이 더 빠르고 저전력일까요? 당연히 가까이 붙여 통신하는 쪽이 낫습니다. 그래서 구멍을 뚫어 함께 통신시키는 것입니다. 구멍은 전공정에서 각각 뚫고, 하나씩 뚫은 뒤 서로 붙입니다. 붙이는 장비가 본더입니다. 구멍이 1,024개 있고 통신 채널이 많으므로, 엄청나게 많은 데이터를 빠르게 주고받을 수 있는 것입니다.
⏱ 11:37그러면 1,024개는 어떻게 배치될까요? 웨이퍼 하나를 크게 그려보면 램을 만들고 여기에 16개, 저기에 16개의 구멍을 뚫은 구조가 있습니다. 이런 것들을 여러 개 옆으로 붙이는 것입니다. 측면에서 봐서 그렇지, 윗면에서 보면 아주 미세한 두 부분을 붙이면서 1,024개의 연결을 맞춰야 합니다. 이렇게 많은 연결을 오류 없이 빠르게 연결하는 것이 본딩 기술입니다. 그 내용을 더 보기 전에 메모리 배치를 보면, 기존 GDDR은 GPU 옆에 놓여 있었고 HBM은 스택 형태로 네 개가 놓여 있었습니다. 앞서 삼성은 이것을 여덟 개까지 배치하는 패키지를 하겠다고 한 것입니다. 이런 식으로 놓입니다.
