삼성 HBM4E! 칩 사이 간격 제로? 하이브리드 본딩으로 완성하는 AI 반도체 괴물 성능

 

📋 목차

1. HBM4E란? 왜 지금 주목받는가
2. 하이브리드 본딩 기술, 어떻게 다른가
3. 삼성전자의 HBM4E 하이브리드 본딩 전략
4. 핵심 기술 과제와 해결 방안
5. 향후 전망 및 AI 반도체 시장에 미치는 영향

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🚀 HBM4E란? 왜 지금 주목받는가

요즘 AI 반도체 업계에서 가장 뜨거운 키워드를 꼽으라면 단연 HBM4E와 하이브리드 본딩이라고 할 수 있습니다. ChatGPT를 필두로 한 AI 열풍이 계속되면서 엔비디아 GPU에 들어가는 초고성능 메모리 수요가 폭발적으로 늘고 있는데요, 그 중심에 있는 기술이 바로 고대역폭메모리(HBM)입니다.

 

삼성전자는 2026년 2월, 세미콘코리아 2026 기조연설에서 HBM4E와 차세대 패키징 기술 로드맵을 공개하며 업계의 이목을 집중시켰습니다. 특히 "칩 사이 간격을 없애는" 하이브리드 본딩 기술을 HBM4E 단계부터 본격 도입하겠다는 선언은 SK하이닉스와의 기술 경쟁 구도를 완전히 바꿀 수도 있는 승부수로 평가받고 있습니다.

 

HBM이 무엇인지 잘 모르시는 분들을 위해 간단하게 설명하자면, D램 여러 장을 수직으로 탑처럼 쌓아 올려 데이터를 아주 빠르게 주고받을 수 있도록 만든 메모리 반도체입니다. AI 연산을 처리하는 GPU나 NPU 옆에 붙어서 엄청난 양의 데이터를 실시간으로 공급하는 역할을 하죠. 그런데 층수가 늘어날수록 기존 방식으로는 한계가 생기기 시작했고, 그 해결책으로 등장한 것이 바로 하이브리드 본딩입니다.

💡 알아두면 좋은 포인트!
삼성전자는 2026년 하반기 HBM4E 샘플 출하를 계획 중이며, 2026년 HBM 매출이 2025년 대비 3배 이상 증가할 것으로 전망하고 있습니다.

🔬 하이브리드 본딩 기술, 어떻게 다른가

하이브리드 본딩을 이해하려면 먼저 기존 방식인 열압착(TC) 본딩이 어떻게 작동하는지부터 알아야 합니다. 지금까지 HBM을 만들 때는 D램 칩과 칩 사이에 작은 땜납 볼(솔더 볼), 즉 마이크로 범프라는 금속 돌기를 이용해서 연결했습니다. 눈에 보이지 않을 정도로 작지만, 이 범프가 존재하면 칩 간 간격이 생길 수밖에 없고, 열 전달 경로도 복잡해집니다.

 

하이브리드 본딩은 이 범프를 아예 없애버리는 기술입니다. 구리(Cu) 배선과 구리 배선을 직접 맞붙여 연결하는 방식으로, 칩 사이 간격이 사실상 제로에 가까워집니다. 이렇게 하면 데이터 전송 경로가 짧아져 속도가 올라가고, 열이 빠져나가는 경로도 직선화되어 발열 관리가 훨씬 용이해집니다.

 

삼성전자 송재혁 CTO는 세미콘코리아 2026에서 직접 실험 데이터를 공개했는데, HBM 12단과 16단을 하이브리드 본딩으로 적층했을 때 열 저항이 20% 이상, 베이스 다이 온도가 11% 이상 감소했다고 밝혔습니다. 이는 AI 서버 운영 시 가장 큰 골칫거리 중 하나인 발열 문제를 크게 완화할 수 있다는 의미로 업계가 크게 주목했습니다.

구분	기존 TC(열압착) 본딩	하이브리드 본딩
연결 방식	마이크로 범프(솔더 볼) 사용	구리-구리 직접 접합 (범프 없음)
칩 간 간격	약 15~20 마이크로미터 이상	사실상 0에 가까움
열 저항	기준치	약 20% 이상 감소
발열 온도	기준치	베이스 다이 기준 약 11% 이상 감소
적용 가능 단수	최대 16단 이하 (점점 한계)	20단 이상 대응 가능
공정 난도	상대적으로 쉬움	매우 높음 (나노 단위 평탄화 필요)
현재 수율	높음 (안정화 단계)	약 10% 내외 (개발 초기)

💡쉽게 비유하자면
기존 TC 본딩은 레고 블록처럼 작은 돌기로 연결하는 방식이라면, 하이브리드 본딩은 두 블록의 표면을 완벽하게 갈아서 그냥 딱 붙여버리는 것과 같습니다. 훨씬 단단하고, 열도 잘 통하고, 높이도 줄어드는 거죠.

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📍 삼성전자의 HBM4E 하이브리드 본딩 전략

삼성전자의 HBM 전략은 꽤 공격적입니다. 원래 업계에서는 하이브리드 본딩이 20단 이상의 HBM부터 필수적으로 도입될 것이라는 게 중론이었는데, 삼성전자는 한 발 앞서 HBM4E 12단과 16단부터 이 기술을 시범 적용하겠다는 계획을 세웠습니다.

 

구체적인 로드맵을 보면, HBM4(6세대) 16단까지는 기존 TC 본딩으로 대응하고, 7세대인 HBM4E에서는 하이브리드 본딩을 점진적으로 도입해 양산성을 검증한 뒤, 8세대 HBM5(20단)부터 하이브리드 본딩을 메인 공정으로 전면 적용한다는 계획입니다. 이미 엔비디아를 비롯한 주요 고객사에 하이브리드 본딩 적용 HBM4 샘플을 제공하고 품질 평가를 진행 중이기도 합니다.

 

업계 전문가들은 삼성전자가 경쟁사인 SK하이닉스보다 하이브리드 본딩에 더 적극적인 이유를 기존 접합 기술에서 찾고 있습니다. SK하이닉스는 자체 개발한 MR-MUF(매스 리플로우-몰디드 언더필) 방식이 삼성전자의 TC-NCF 방식보다 생산성이 높아 당장의 경쟁에서 우위를 점하고 있습니다. 반면 삼성전자 입장에서는 하이브리드 본딩이라는 완전히 새로운 게임의 룰로 판을 바꾸는 것이 더 유리한 전략인 셈입니다.

🚀 "삼성 HBM4 기술은 업계 최고이며, HBM4E, HBM5 등 차세대 제품에서도 1위가 될 것입니다."
— 송재혁 삼성전자 CTO, 세미콘코리아 2026 기조연설

 

흥미로운 점은 삼성전자가 하이브리드 본딩을 HBM에만 적용하려는 게 아니라는 점입니다. 세미콘코리아 2026에서는 GPU 위에 HBM을 수직으로 쌓는 zHBM 개념도 공개됐는데, 이는 기존보다 데이터 전송 속도가 4배 높고 전력 소비는 4분의 1 수준이라는 놀라운 수치를 보여줬습니다. 이 모든 것이 하이브리드 본딩 기술을 기반으로 가능한 이야기입니다.

세대	제품명	적층 단수	적용 본딩 기술	예상 시기
5세대	HBM3E	최대 12단	TC 본딩 (MR-MUF / TC-NCF)	현재 양산 중
6세대	HBM4	최대 16단	TC 본딩 (일부 하이브리드 테스트)	2025년 양산 출하
7세대	HBM4E	12~16단	TC + 하이브리드 본딩 혼용 (삼성 선도)	2026년 하반기 샘플, ~2028년 양산
8세대	HBM5	20단 이상	하이브리드 본딩 메인 공정 전면 적용	2028년 이후

⚙️ 핵심 기술 과제와 해결 방안

하이브리드 본딩이 이렇게 좋은 기술이라면 왜 진작에 상용화가 되지 않았을까요? 당연하게도, 실현하는 것이 말처럼 쉽지 않기 때문입니다. 현재 하이브리드 본딩 적용 HBM의 초기 수율은 약 10% 내외로 매우 낮은 수준인 것으로 알려져 있습니다. 이 수율을 끌어올리는 것이 삼성전자가 풀어야 할 가장 큰 숙제입니다.

 

기술적으로 가장 어려운 부분은 구리(Cu) 표면을 원자 단위 수준으로 평평하게 만드는 작업입니다. 두 칩의 구리 면을 직접 붙이는 만큼, 표면이 조금이라도 울퉁불퉁하면 접합이 제대로 되지 않기 때문입니다. 이를 위해 현재는 CMP(화학적 기계적 연마)라는 공정이 필수적으로 사용됩니다. 그런데 이 CMP 과정에서 구리가 주변 절연체보다 더 깊이 파이는 '디싱(Dishing) 현상'이 발생하고, 이 디싱의 정도를 정밀하게 제어하는 것이 하이브리드 본딩 기술의 핵심 난제입니다.

⚠️ 디싱(Dishing) 문제란?
구리 표면을 갈다 보면 구리 배선 부위가 주변 절연체보다 움푹 파이는 현상입니다. 이 깊이가 너무 깊으면 접합 불량이, 너무 얕으면 접합 자체가 불가능해집니다. 수 나노미터 단위의 정밀 제어가 필요한 고난도 작업입니다.

삼성전자는 이 문제를 해결하기 위해 습식 ALE(원자층식각, Atomic Layer Etching) 기술 도입을 검토 중입니다. 기존 CMP로 전체적인 평탄화를 진행하고, 구리 표면 지형을 정밀하게 맞추는 마지막 단계에서 습식 ALE를 적용해 1옹스트롬(0.1나노미터) 단위로 구리를 균일하게 깎아내는 방식입니다. 습식 ALE는 플라즈마를 사용하는 건식 방식보다 빠르고 비용이 낮다는 장점도 있어 수율과 비용 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 방안으로 주목받고 있습니다.

 

장비 측면에서는 네덜란드의 베시(Besi)가 세계 최고 수준의 하이브리드 본더를 공급하고 있으며, 세계 최대 반도체 장비 업체인 어플라이드 머티어리얼즈(AMAT)와 공동으로 키넥스(Kinex)라는 통합 시스템도 개발 중입니다. 베시 CEO는 최근 컨퍼런스콜에서 "2026년 2분기 초에 삼성전자의 하이브리드 본딩 도입 범위가 명확해질 것"이라고 언급하며 기대감을 높였습니다. 국내에서는 삼성전자 자회사인 세메스, 한화세미텍 등도 하이브리드 본딩 장비 개발에 뛰어든 상황입니다.

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🌐 향후 전망 및 AI 반도체 시장에 미치는 영향

삼성전자가 하이브리드 본딩 기술에 사활을 거는 이유는 명확합니다. AI 시대가 깊어질수록 GPU의 연산 속도를 따라가야 할 메모리의 성능 요구치도 기하급수적으로 높아지고 있기 때문입니다. 16단을 넘어서면 기존 열압착 방식으로는 발열을 잡기도, 칩을 얇게 유지하기도 사실상 불가능해집니다. 결국 하이브리드 본딩은 선택이 아닌 필수의 길로 가고 있습니다.

 

전문가들의 시각도 대체로 긍정적입니다. 인하대 윤창민 교수는 "삼성전자가 경쟁사보다 먼저 하이브리드 본딩이 적용된 HBM을 선보일 것으로 전망되며, 2026년에는 HBM 시장 경쟁이 더욱 심화될 것"이라고 분석했습니다. SK하이닉스는 현재의 MR-MUF 방식으로 기술적 우위를 유지하면서 20단 이상 제품부터 하이브리드 본딩을 본격 적용할 계획이고, 마이크론은 이미 3년 전부터 하이브리드 본딩 연구를 시작한 것으로 알려져 있습니다.

 

여기에 중국 반도체 기업들도 HBM4E를 목표로 하이브리드 본딩 준비에 돌입했다는 소식이 들려오면서, 기술 경쟁은 더욱 치열해질 전망입니다. 삼성전자가 HBM4E에서 하이브리드 본딩을 성공적으로 상용화한다면 그동안 SK하이닉스에 내주었던 HBM 시장 주도권을 되찾는 결정적인 계기가 될 수 있을 것입니다.

🚀 핵심 요약
삼성전자는 HBM4E 12~16단부터 하이브리드 본딩을 선제 도입해 수율 검증을 진행 중이며, HBM5(20단)부터 전면 적용할 계획입니다. 2026년 하반기 HBM4E 샘플 출하, 2028년 전후 본격 양산이 기대됩니다. 하이브리드 본딩 성공 여부는 AI 메모리 시장의 판도를 바꿀 핵심 변수입니다.

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