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😄안녕하세요, 님 !

오늘은 'TSV' 에 대해 알아봅니다.

최근 인공지능(AI) 시장이 매우 가파르게 성장하고 있습니다. 특히 ChatGPT와 같은 인공지능이 다양한 산업에 진입하면서 고대역폭 메모리(HBM)에 대한 주문량도 크게 늘고 있습니다.

AI 기술은 많은 데이터 처리와, 빠른 속도가 필요한 만큼 더욱 뛰어난 성능을 가진 메모리 반도체가 필요하기 때문에, 반도체 제조 기업들은 기존 메모리의 한계를 뛰어넘는 고성능 메모리를 개발하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다.

이처럼 AI 시장이 떠오르며 성장하기 시작하는 초기 시장인 만큼 공부하여 좋은 기업을 선점하는 시간을 가져 보도록 합니다.

메모리 반도체 업계에서 파괴적인 성능으로 주목받고 있는 고대역폭 메모리 (HBM, High-Bandwidth Memory)에 관해 알아보겠습니다.

TSV를 알려면 일단 HBM 반도체를 알아야 합니다. HBM부터 알아보겠습니다.

HBM이란?

HBM이란 “High-Bandwidth Memory”의 약자로 고성능 컴퓨터 시스템에서 사용되는 혁신적인 메모리 기술을 말합니다. HBM은 현존하는 메모리 칩 기술보다 훨씬 빠르면서 전기 소비량이 적고 공간도 덜 차지합니다. 현재 혁신적으로 성장하고 있는 AI와 고성능 컴퓨팅(HPC)에서 주목받고 있습니다. HBM은 2008년 그래픽카드로 유명한 미국의 AMD와 우리나라의 SK하이닉스가 공동 개발을 시작하였으며, 2013년 반도체 업계 표준 기구인 JEDEC에 의해 적층형 메모리 규격으로 채택되었습니다. 1세대 HBM 개발 이후 2세대 HBM2 규격이 승인된 데 이어(2016년), 현재는 3세대 HBM2E(2018년)와 4세대 HBM3(2022년)를 중심으로 생산이 이뤄지고 있습니다.

HBM은 대역폭을 높여 데이터 전송 속도를 빠르게 한 고성능 D램*으로 분류됩니다. 서버에서 AI 서비스를 원활히 지원하려면 GPU(그래픽처리장치)와 함께 HBM 탑재가 필수인데요. 데이터 처리가 필수적인 만큼 HBM의 수요는 크게 증가할 것으로 전망되고 있습니다.

특히 SK하이닉스는 2023년 AMD와 HBM을 공동개발한 이후 2022년 세계 최초로 HBM3를 양산했으며, 올 4월에는 D램 단품 칩 12개를 수직 적층해 현존 최고 용량인 24GB*를 구현한 HBM3 신제품을 개발하기도 했습니다.

최근 SK하이닉스는 엔비디아에 독점으로 HBM을 납품하고 있습니다. 아직은 SK하이닉스가 국내 독점 기업이라면 최근 삼성전자는 HBM에 1조 이상 투자를 하겠다는 발표를 하였습니다.

CPU, GPU와 함께 작동하며 서버의 학습, 연산 성능을 크게 향상시키는게 특징입니다. 현재 주도권은 SK하이닉스가 쥐고 있고 엔비디아, AMD 등에 공급하고 있습니다. 최근 HBM3는 가격이 치솟고 있습니다.

TSV란?

Cell 미세화를 통한 칩 성능 향상에 대한 한계점을 극복하기 위한 대안으로서 제기된 것이 TSV 기술을 이용한 Chip 적층입니다. Si 기판을 관통하는 홀을 형성하고, Chip 적층시 Si 기 판의 위와 아래를 연결하여 Chip 간 신호 및 파워를 전달 할 수 있게 만드는 기술입니다. 쉽게 말해 2개 이상의 반도체 칩을 적층하기 위해 이를 관통하는 구조로 전극을 형성하여 패키징을 소형화 하는 기술입니다.

쉽게 설명하면 아래 사진처럼 왼쪽이 기존 반도체 입니다. 양 옆으로 이동하는 와이어 본딩이(계단) 있다면 TSV는 아파트 엘리베이터처럼 수직으로 전력을 빠르게 일정하게 전달할 수 있다 보시면 됩니다. 즉, 전력을 전달하는 이동 경로가 짧고 그만큼 전력 소모도 적다는 소리 입니다. 효율적인 방식

TSV는 후공정 기술인 패키징에 속합니다. TSV를 알기전에 TC본딩을 알아 두어야 합니다.

TC본딩이란?

TC 본딩은 ‘ThermoCompression’ 즉 열압착 방식입니다. 다리미판 같은 원리인데 D램 칩 연결할 곳을 겹쳐서 놓은 뒤에, 달아오른 다리미로 위 쪽을 꾹 눌러서 붙이는 방식입니다.

SK하이닉스가 사용한 기술입니다.

1. 테스(095610)

   PE-CVD(증착장비) 저온상태에서 공정 높은 박막의 부착 강도 삼성전자, SK하이닉스에 해당 장비들을 납품중에 있습니다.

2. 프로텍(053610)

   한미반도체는 TC본딩장비를 공급하고 있는데요. 프로텍은 갱본더 장비를 개발하고 양산테스트중입니다.

   
   

   
   [갱본더 장비란?]
   머리카락 한 가닥(약 40~70㎛)의 절반보다 얇은 20마이크로미터(㎛)급 유연 반도체 칩을 파손 없이 고집적 유연기판에 배열하고 조립정밀도 ±2㎛ 이내로 접속·적층시킬 수 있는 대면적 규모의 패널 레벨 패키지 조립 장비라고 합니다.
   
   

   기존의 방식은 대면적을 한 번에 가열하는 단일 셀 구조로 열충격에 의한 히터 파손 문제로 가열 성능에 한계가 있었다는 겁니다. 설비를 통해 반도체를 웨이퍼나 각각의 칩단위가 아닌 패널 단위로 패키징해 생산 속도를 대폭 늘렸고 기존 일반 후공정 기술 대비 최대 100배 증대할 수 있는 것으로 기대하고 있습니다
   
   

   히트슬러그-FCBGA, 디스펜서 히트슬러그 : 반도체 몰드 장비로 회로기판(PCB)위에 반도체 칩을 부착한 뒤 외부 충격과 접촉으로부터 보호하기 위한 작업 시장 점유율 1위 입니다.
   
   

   디스펜서 : 원하는 물질을 적량 토출하는 장비 후공정 가운데 언더필 공정에 들어가서 플립칩 패키지를 구성하는 공정으로 칩에 형성된 작은 솔더 범프를 보호, 열을 분산, 칩과 기판 사이의 접착력 향상시켜 칩의 신뢰성을 증가시킵니다.

3. 코스텍시스(169670)

   TSV 3D 패키징 공정에 사용하는 반도체임시접착장비(TBDB)를 국내 처음으로 국산화하고 LED용으로 공급하기 시작했습니다. LED뿐만 아니라 메모리 분야에도 적용할 수 있는것으로 알려집니다.

4. 한미반도체(042700)

   한미반도체 TC본더는 SK하이닉스와 장기간 공동 개발 후 공급하고 있습니다. 고속 HBM 메모리 생산에 활용됩니다.

5. 자비스(254120)

   세계 최초로 삼성전자에 IC 패키지 내의 플립칩 범프 납땜 상태의 결함 및 불량을 검출하는 IC솔더링 검사장비를 납품한 바 있습니다. 다층으로 스택된 구조의 고대역폭 메모리(HBM)에 많이 사용되는 TSV 결함은 광학식 카메라를 사용한 검사가 불가능한 것으로 알려져 있습니다.

6. 케이씨텍(281820)

   반도체를 만드는 여러 단계에서 웨이퍼 표면은 완벽한 평탄도를 유지하거나 평탄화되어야합니다. 이를 통해 잔여 물질을 제거하거나 그 다음 층의 회로 패턴을 형성하기 위해 완벽하게 바탕을 평평하게 만들어야 합니다. TSV 기술을 위해 구멍을 뚫을 때 CMP로 연마하여 표면을 매끈하게 만들어 3D반도체가 될 수록 더 많이 쓰게 됩니다. 케이씨텍은 CMP기기와 연마제를 공급하고 있습니다.

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오늘도 수고하셨습니다!