삼성전자가 고대역폭 메모리(HBM) 패키지의 신뢰성 문제 해결을 위한 신규 특허를 출원한 것으로 확인됐다. HBM4E와 HBM5 등 고적층 시대가 임박하면서 메모리 다이를 보호하는 '더미 다이(Dummy Die)' 구조를 혁신, 구조적 안정성과 수율 안정성을 추구하고 있는 것으로 나타났다.
28일 해당 HBM 패키징 특허에 따르면 삼성전자는 스택 최상단의 더미 다이 측면을 3단 계단식 +곡면 구조로 가공하는 기술을 개발했다. 고적층 HBM에서 흔히 발생하는 칩 박리(Delamination), 균열(Cracking), 휨(Warpage) 문제를 효과적으로 개선할 수 있는 방식이다.
HBM은 베이스 다이 위에 다수 메모리 다이를 수직 적층하고, 그 위에 최상부 더미 다이를 올리는 구조다. 더미 다이는 전체 패키지 높이를 규격에 맞추고, 기계적 보호 및 방열 역할을 수행한다.
그러나 적층 수가 12단을 넘어 16단 이상으로 증가하면서 최상부 더미 다이의 신뢰성이 수율과 장기 안정성의 핵심 변수로 부상했다. 통상 8단에서 12단으로 갈 때 수율이 10~20%p 하락하고, 16단로 갈수록 더 급락해 40~60%대로 떨어진다. 이 때 더미 다이 구조 개선은 수율 하락의 중요 원인 중 하나인 휨 문제와 열팽창 차이 문제를 개선해 준다.
삼성전자는 더미 다이에 '딥 그루브 쏘잉(Deep Groove Sawing)' 공정을 활용한다. 딥 그루브 쏘잉은 웨이퍼를 깊게 홈을 파서 칩(다이)을 분리하는 고정밀 절단 공정으로, 기존 일반 블레이드 소잉(기계적 톱질)보다 더 깊고 정밀하게 홈을 만드는 기술이다. 레이저를 기반으로 반도체 결정 구조 손상을 최소화하는 것이 장점이다.
이 구조는 최상부 더미 다이의 하면(접합면)은 좁게 유지하고 상면은 넓어지는 역피라미드 형태로 설계됐다. 측면은 제1·제2·제3 측면으로 구분되며, 각 연결부에서 기울기가 급변하는 불연속 구조와 상부로 볼록한 곡면을 특징으로 한다. 이로 인해 기존 단순 수직 측면 대비 기계적 강도가 크게 향상될 전망이다.
또한 비접합 영역(NBR)에 트렌치(Tr)를 미리 형성해 소잉 과정에서 발생하는 잔해물(debris)이 본딩 계면을 오염시키는 문제를 해결했다. 이를 통해 퓨전 본딩(Fusion Bonding) 신뢰성도 강화된다.
발열 관리 측면에서도 주목할 만하다. 특허는 본딩 절연층 하면과 수평 연장면 사이의 수직 거리를 1~10㎛로 정밀 설계해 열 전달 효율을 기존 수준으로 유지할 수 있도록 했다. 몰딩층(EMC) 부피를 최소화하는 돌출면 구조 변형안도 포함돼, 오히려 열 전달 경로를 개선할 가능성도 제시됐다.
삼성전자는 이번 기술을 하이브리드본딩과 HPB(Heat Path Block) 등 기존 HBM 패키징 기술과 연계해 종합적인 신뢰성 경쟁력을 강화, HBM 점유율 확대에 나설 것으로 보인다.
업계 관계자는 “실제로 12단 이상 고적층 HBM에서는 최상부 더미 다이의 워피지(휨) 문제가 수율에 큰 영향을 미치는 핵심 변수”라며 “16단 이상 HBM5를 겨냥한 미래 지향적 기술로 보인다”고 설명했다.
이형두 기자 dudu@etnews.com
