"칩 사이 빈틈 잡아라"…삼성·SK하이닉스, 첨단 패키징 승부수

(서울=뉴스1) 황진중 기자 = 삼성전자(005930)와 SK하이닉스(000660)가 반도체 접합 불량과 균열을 줄이는 기술을 개발하며 첨단 패키징 경쟁력 강화에 나섰다. 삼성전자는 칩을 정확히 붙였는지 확인하는 검사 기술을, SK하이닉스는 연결부의 손상을 줄이는 소재 기술을 고도화하고 있다.

미세공정의 비용 부담이 커지고 인공지능(AI) 반도체에 요구되는 성능이 높아지면서 여러 칩을 하나로 묶는 첨단 패키징이 반도체 경쟁의 핵심 기술로 부상하고 있다. 칩을 얼마나 촘촘하고 정확하게 연결하면서 불량을 줄이느냐가 제품 성능과 생산성으로 직결되고 있다.

7일 미국 특허청(USPTO)에 따르면 삼성전자는 칩 접합 전후 검사에 사용하는 표식을 하나로 통합한 반도체 패키지 구조로, SK하이닉스는 칩과 기판 사이 연결 층의 절연 소재를 개선해 온도 변화에 따른 균열을 줄이는 구조로 각각 특허를 출원했다.

삼성전자는 칩 표면의 위치 확인용 표식을 통합해 검사 공간을 줄이고 접합 품질을 높일 수 있는 구조를 제시했다. 접합 전 위치를 맞추는 표식과 접합 후 정렬 상태를 확인하는 표식을 하나로 만든 방식이다.

접합 전에는 카메라로 위아래 칩의 표식을 촬영해 위치를 맞추고, 접합이 끝난 뒤에는 적외선으로 같은 표식을 다시 확인한다. 위아래 표식의 선폭을 서로 다르게 설계해 두 표식이 겹쳐 보이는 형태를 바탕으로 정렬 오차를 확인할 수 있도록 한 구조다.

하나의 표식을 두 검사에 활용하면 칩에서 표식이 차지하는 공간을 줄일 수 있다. 표식끼리 맞닿아 붙는 구조는 접합 면의 빈 곳과 층간 박리를 줄이는 것에 도움을 줄 수 있다. 특허에는 적용 가능한 제품 중 하나로 HBM이 언급됐다.

삼성전자 연구진은 "표식이 차지하는 면적을 줄여 반도체 칩의 크기를 줄일 수 있다"면서 "표식을 서로 맞붙이는 구조로 접합 면의 빈 곳과 층간 박리를 줄여 칩 사이의 접합 품질을 개선할 수 있다"고 설명했다.

SK하이닉스가 제시한 기술은 칩과 기판을 잇는 금속 배선 주변의 절연막을 개선해 열로 인한 손상을 줄이는 방식이다. 반도체가 뜨거워졌다 식는 과정이 반복되면 소재마다 팽창하는 정도가 달라 연결부에 힘이 쌓일 수 있다.

SK하이닉스는 절연막이 열에 따라 많이 늘어나거나 줄어드는 것을 억제하고 변형을 견디는 특성을 높였다. 연결부에 몰리는 힘을 줄여 균열 가능성을 낮추고 패키지의 안정성을 높이려는 기술이다.

SK하이닉스 연구진은 "절연막에 내열성·절연성이 높은 고분자 소재 폴리이미드를 중량 기준 50% 이상 적용하면 열 변화에 따른 물리적 힘에 더 잘 견딜 수 있다"면서 "피로가 누적돼 균열이 생길 가능성을 낮출 수 있다"고 설명했다.

삼성전자와 SK하이닉스는 각각 칩을 정확하게 붙이는 기술과 연결부의 내구성을 높이는 기술을 제시하며 첨단 패키징 경쟁력을 강화하고 있다.

반도체 미세화만으로 성능을 끌어올리기 어려워지면서 여러 기능을 나눠 가진 칩을 하나의 제품처럼 연결하는 기술의 중요성이 커지고 있어서다.

칩 자체의 성능뿐 아니라 칩 사이 간격을 얼마나 줄이고, 정렬 오차와 연결부 손상을 얼마나 낮추느냐가 전체 제품의 성능과 품질을 좌우하는 요소로 부상하고 있다는 설명이다.

신현철 광운대 반도체시스템공학부 교수는 "과거에는 소자를 미세화해 하나의 칩에 모든 기능을 넣으려 했지만, 미세화의 한계로 여러 칩을 결합하는 방식이 발전하고 있다"면서 "기능별로 나눈 칩을 평면에 배치하거나 수직으로 쌓아 작은 면적과 부피 안에 더 많은 기능을 구현할 수 있다"고 말했다.

이어 "메모리 칩을 쌓으면 대역폭을 늘릴 수 있고, 프로세서 바로 옆에 HBM을 붙이면 데이터 처리 속도를 높일 수 있다"면서 "기존 패키징으로 구현하기 어려운 속도와 대역폭을 확보하려면 칩을 얼마나 정교하고 밀도 있게 연결하느냐가 중요하다"고 덧붙였다.

jin@news1.kr