하이브리드 본딩은 패드의 좌표와 제조순서를 따로 보호합니다

핵심 요약

하이브리드 본딩은 금속 패드와 절연막을 함께 접합하는 기술이지만, 관련 특허의 권리범위를 ‘본딩을 한다’는 설명만으로 구분하기는 어렵습니다. SK하이닉스 US12740396B2는 네 쌍의 패드 중심이 놓이는 사분면 관계를, 삼성전자 US12733475B2는 신호·더미패드의 전기적 연결과 간격을, SK하이닉스 US12588565B2는 서로 다른 폭의 개구에 돌출 패드를 삽입하는 제조방법을 각각 청구합니다. 세 특허의 원도면과 공개·등록 청구항을 대조하면, 패키징 기업이 설계 좌표·접합면 구성·공정이력을 왜 별도의 증거로 관리해야 하는지 알 수 있습니다.

반도체 패키징 개발팀에서 “기존 하이브리드 본딩과 다른 방식으로 패드를 설계했으니 특허 문제는 없지 않을까?”라는 질문이 나올 수 있습니다. 답을 얻으려면 패키지 단면만이 아니라 패드의 평면 좌표, 신호를 전달하지 않는 패드의 전기적·기계적 역할, 접합 전에 만들어지는 개구와 돌출부의 제조순서를 분리해서 살펴봐야 합니다. 동일한 Cu/절연막 접합면을 구현하더라도 특허가 요구하는 구성은 서로 다를 수 있기 때문입니다.

1. 접합면의 물리: 전기적으로 연결되는 금속과 기계적으로 결합하는 절연막

하이브리드 본딩의 대표적인 형태에서는 두 반도체 구조체의 미세 금속패드가 금속 간 접합을 형성하고, 그 주변 절연막도 함께 접합됩니다. TSV(실리콘 관통전극)는 다이 내부를 수직 관통하는 배선으로 접합계면의 패드와 연결될 수 있지만, TSV 자체가 두 다이 사이의 본딩패드를 의미하지는 않습니다. 기존 솔더 마이크로범프와도 구분해야 합니다.

접합 특성을 좌우하는 변수는 패드의 개수나 피치만이 아닙니다. 접합 전 화학적·기계적 평탄화(CMP)에서 발생하는 금속부의 dishing(주변 절연막보다 표면이 움푹 들어간 형상), 정렬 오차(overlay), 표면 활성화와 어닐링 조건, 계면의 실제 접촉면적이 함께 작용합니다. 패드의 평면상 겹침면적을 A_overlap이라고 하더라도, 실제 전류가 흐르는 유효 접촉면적 A_real은 계면의 산화·공극·압착 상태에 따라 달라질 수 있습니다. 접촉 비저항을 ρ_c로 단순화하면 R_contact ≈ ρ_c/A_real이라는 관계를 검토할 수 있지만, 이 식만으로 개별 특허가 접촉저항 개선을 실증했다고 볼 수는 없습니다.

기술적 보호범위의 차이도 중요합니다. 삼성전자 등록특허의 독립항 1은 신호패드와 더미패드의 전기적 분리를 명시합니다. 반면 SK하이닉스의 다른 등록특허 독립항 1은 네 쌍의 패드가 갖는 상대 위치에 초점을 맞춥니다. 제품에서 동일한 금속 접합면이 관찰되더라도 두 청구항의 필수구성은 다릅니다.

물리적 배경을 살펴보면, Le·Choa의 2024년 유한요소해석 연구는 CMP dishing이 커지고 어닐링 온도가 낮아질 때 모델상 미접합 면적이 증가할 수 있는 반면, 높은 온도에서는 계면 박리응력이 문제가 될 수 있음을 보고했습니다. 연구 모델에서는 접합면적 90% 초과를 위해 200°C 초과의 조건이 필요하고 350°C에서는 균열위험이 커지는 상황이 제시됐습니다. 이는 특정 재료·구조를 대상으로 한 시뮬레이션 결과로, 세 특허의 실측 수율이나 모든 공정에 적용되는 권장온도를 뜻하지는 않습니다. 원자료는 Micromachines 2024, 15(11), 1332와 Nanomaterials 2025, 15(10), 729에서 확인할 수 있습니다.

2. 첫 번째 보호축: 네 패드의 ‘개수’가 아니라 각 중심이 향하는 사분면

SK하이닉스 US12740396B2 — 미국 등록 2026.09.15 / 선공개 US20240079362A1

이 등록특허의 독립 장치항 1은 첫 번째 구조체의 도전층과 연결된 4개의 제1 본딩패드, 두 번째 구조체의 도전층과 연결된 4개의 제2 본딩패드를 전제로 합니다. 제1 패드 중심은 가상직선들의 네 교차점에 놓이고, 정상 정렬 시 대응하는 제2 패드 중심은 각 제1 패드 중심을 기준으로 서로 다른 사분면 방향으로 변위되도록 규정합니다. 등록항 1에는 해당 사분면 일부와 실제로 중첩하는 위치관계도 포함돼 있습니다.

미국 특허 원도면 · US12740396B2 · Fig. 2

Fig. 2에서 주의해서 볼 부분은 네 개의 패드가 있다는 사실보다 L1·L2로 정해지는 좌표계와 패드 130/230의 대응 위치입니다. 이 구조에서는 정상 정렬 상태에도 두 패드의 중심이 일치하지 않도록 설계합니다. 다이 전체가 우발적으로 어긋나는 제조오차와는 구분되는 의도적인 패드 배열입니다.

미국 특허 원도면 · US12740396B2 · Fig. 3A·3B

Fig. 3A·3B에서는 어떤 패드 쌍의 중첩이 줄어드는 동시에 다른 쌍의 중첩이 증가합니다. 따라서 ‘패드 네 쌍이 언제나 동일하게 접촉한다’는 설명은 정확하지 않습니다. 명세서가 의도한 것은 전체 접속 신뢰성을 고려한 중첩영역의 설계이며, 오정렬 시 네 쌍의 총 중첩면적 유지라는 추가 요건은 등록 종속항 12에 별도로 기재돼 있습니다.

독립항과 종속항을 분리하면 무엇이 달라지는가

공개청구항 1에도 네 사분면으로 중심을 변위시키는 기본 구상은 이미 존재했습니다. 다만 공개 종속항 2에 별도로 명시돼 있던 ‘각 사분면 일부와의 중첩’이 등록 독립항 1의 문언에 포함됐습니다. 따라서 A1 1항과 B2 1항의 번호만 대조하면서 신규한 구상이 심사 과정에서 비로소 등장했다고 해석해서는 안 됩니다. 이번 대조로 확인되는 것은 공보상의 문언 차이이며, 특정 OA나 인용선행기술 때문에 보정이 이루어졌는지는 공식 심사서류를 추가로 확인해야 합니다.

설계 관점에서 이 특허를 검토할 때에는 레이아웃 도면에 더해 정렬기준 좌표, 패드 중심점, 패드 쌍별 오버레이 분포, 실제 중첩면적과 접촉저항 분포를 함께 살펴봐야 합니다. 오프셋 방향 하나를 바꿨다는 사실만으로 독립항 전체의 충족 여부를 판단하기는 어렵습니다.

3. 두 번째 보호축: 신호를 전하지 않는 패드에도 접합상의 역할이 있다

삼성전자 US12733475B2 — 미국 등록 2026.09.08 / 선공개 US20240136311A1

등록 독립항 1은 하부 구조체의 제1 TSV와 연결된 신호패드(22)와, 신호패드 사이에 있으면서 해당 TSV로부터 전기적으로 분리된 더미패드(24)를 구분합니다. 상부 구조체에도 대응하는 신호패드와 더미패드가 있고, 신호패드끼리 접촉하며 더미패드끼리도 접촉합니다. 또한 제1 더미패드 사이 간격 g1이 제1 신호패드 사이 간격 g2의 약 0.5~1.5배라는 수치관계를 요구합니다.

미국 특허 원도면 · US12733475B2 · Fig. 3

Fig. 3에서는 패드의 배열주기인 피치 P와 패드 가장자리 사이의 간격 g를 구분해 읽어야 합니다. 청구항 1의 간격비를 판단할 때 중심간 거리(피치)와 실제 가장자리 간 간격을 혼동하면 측정값이 달라질 수 있습니다. 종속항 2에는 인접한 신호패드와 더미패드 사이 간격 g3에 관한 약 0.5~1.5배 한정이 추가되며, 종속항 3에는 더미패드 폭을 신호패드 폭의 약 0.8~1.2배로 정하는 한정이 추가됩니다.

미국 특허 원도면 · US12733475B2 · Fig. 8

Fig. 8에서 신호패드는 TSV(15/35)와 연결되지만, 더미패드는 동일한 방식으로 신호 전달을 담당하지 않습니다. 그렇더라도 상하 더미패드의 접촉·밀도와 CMP 이후 표면형상은 접합계면의 구조·기계적 안정성에 영향을 줄 수 있습니다. 이 점은 명세서가 제시하는 목적과 별도 물리적 검증의 대상이지, 독립항 1에 특정 수율 개선율이 필수구성으로 기재돼 있다는 의미는 아닙니다.

등록된 독립항은 1개가 아니라 3개다

여기서 중요한 점은 등록 독립항 19에 독립항 1의 g1/g2 비율을 자동으로 덧붙일 수 없다는 것입니다. 독립항 19는 별도의 적층 다이·몰딩층·스크라이브 레인 관련 필수구성을 갖습니다. 공개 A1의 17항에는 신호·더미 영역 구획에 관한 독립 청구항이 있었고, 등록 B2의 12항은 여기에 복수 영역 사이의 배치관계를 추가로 구체화합니다. 공개 A1의 19항은 취소항으로 표기돼 있지만 등록 B2에는 별도 독립항 19가 존재합니다. 공개·등록 청구항을 번호만 일대일 대응하지 말고, 전체 독립항을 보호대상별로 매핑해야 하는 이유입니다.

기업의 설계 검토에서는 더미패드를 ‘전기적 불활성 패드이므로 침해 비교에서 제외한다’고 처리해서는 안 됩니다. 넷리스트를 통해 TSV의 연결·부유 상태를 확인하고, 평면 레이아웃에서 g1/g2/g3와 영역 R1/R2를 측정하며, 접합 후 단면에서 금속·절연막 접합 및 스크라이브 레인 구조를 각각 대조해야 합니다. 수치한정의 ‘약(about)’을 임의의 ±오차율로 바꾸어 해석하는 것도 피해야 합니다.

4. 세 번째 보호축: 완성품의 접합 단면보다 먼저 일어난 제조행위

SK하이닉스 US12588565B2 — 미국 등록 2026.03.24 / 선공개 US20240243081A1

이 특허의 등록 독립항 1은 제품이 아닌 제조방법을 청구합니다. 제1 구조체의 절연층 130에는 폭 W1인 첫 개구 OP1이 있고, 그 위 본딩절연층 140에는 W1보다 좁은 폭 W2의 두 번째 개구 OP2가 중첩됩니다. 제2 구조체는 본딩절연층 240 밖으로 돌출된 초기 본딩패드 250A를 갖습니다. 두 본딩절연층을 접합하면서 돌출부를 두 개구에 삽입하는 행위가 등록항 1의 핵심 단계입니다.

미국 특허 원도면 · US12588565B2 · Fig. 3

이 도면에서 확인할 핵심은 계단형 개구 자체뿐 아니라 그 개구가 접합 전 어느 구조체에 형성돼 있고, 돌출부가 어느 구조체에서 나오는가입니다. 넓은 하부 개구 OP1과 좁은 상부 개구 OP2의 폭 관계 W1>W2는 등록 독립항 1에 포함됩니다. 반면 돌출부의 폭 W3≤W2는 종속항 5, 돌출 높이 H3≥H1+H2는 종속항 7의 추가 한정입니다.

미국 특허 원도면 · US12588565B2 · Fig. 4

Fig. 4의 완성 단면은 해당 제조방법으로 형성되는 구조를 이해하는 데 유용합니다. 그러나 제조방법 독립항과 관련해서는 완성 단면 하나만 확보했다고 하여 ‘돌출부를 삽입하면서 절연층을 접합했다’는 제조행위까지 곧바로 입증되는 것은 아닙니다. 접합 전 돌출부의 존재, 두 개구가 형성된 순서, 실제 접합 공정기록을 함께 확인할 필요가 있습니다.

미국 특허 원도면 · US12588565B2 · Fig. 5

Fig. 5는 이 특허를 해석할 때 특히 중요한 실시형태입니다. 등록 종속항 2는 돌출부가 변형돼 개구를 채우는 형태를, 종속항 3은 그 변형된 돌출부에 하나 이상의 void가 존재하는 형태를 명시합니다. 따라서 이 특허를 단순히 ‘void-free 접합을 보호하는 특허’로 소개하는 것은 부정확합니다. 제조과정에서 기공을 줄이려는 목적과 청구범위에서 기공이 전혀 없을 것을 요구하는지는 구분해야 합니다. 독립항 1은 어닐링 온도·시간을 특정 수치로 한정하지 않으며, 절연막 사이 공유결합을 형성하는 어닐링은 종속항 8의 추가 구성입니다.

공개장치항과 등록방법항의 변화는 FTO의 출발점을 바꾼다

같은 발명군의 공개공보에 장치 독립항 1이 있었다고 해서 그 문언이 그대로 대응 B2 등록 독립항 1에 남아 있다고 판단해서는 안 됩니다. 반대로 물건항 보호가 모두 사라졌다고 단정할 수도 없습니다. 실제로 US20260198379A1에는 장치 청구항 1이 다시 공개돼 있습니다. 다만 공개공보 자체는 등록권리가 아니므로, 관련 계속·분할출원, 심사상태, 청구항별 우선권과 국가별 효력을 구분해 확인해야 합니다.

5. 세 공보를 하나의 FTO 차트로 합치면 생기는 오류

이 표를 모든 특허에 동일한 회피책을 적용하는 매뉴얼로 읽어서는 안 됩니다. 예컨대 더미패드 밀도를 줄이는 변경은 삼성전자 등록항 1의 간격비 검토와 관련될 수 있지만, SK하이닉스의 네 사분면 편심항이나 제조방법항 검토를 대신하지는 못합니다. 접합부에 기공이 남아 있다는 사정 역시 제조방법 독립항의 필수단계를 곧바로 부정하지 않습니다.

기술적 대안이 곧바로 사업적으로 유리한 것은 아니다

하이브리드 본딩에서 패드 좌표를 바꾸면 중첩면적과 정렬오차 허용성이 함께 달라질 수 있습니다. 더미패드의 유무·밀도를 조정하면 패턴 밀도, CMP 평탄성과 접합면 응력 분포에 영향을 줄 수 있습니다. 개구나 돌출부의 형상을 바꾸면 충전 상태, 공극 분포와 공정 제어 난이도도 달라집니다. 따라서 회피설계 가설을 검토할 때에는 허용 가능한 접촉저항, 수율, 열사이클·전단/인장 신뢰성과 제조원가를 함께 비교해야 합니다. 특허의 일부 문언을 피하는 설계가 곧 우수한 양산설계인 것은 아닙니다.

6. 마치며 — 특허분석 뒤 개발팀에 무엇을 남길 것인가

첫째, 패드 레이아웃과 정렬오차 데이터를 함께 남겨야 합니다. 피치 도면만으로는 네 사분면 방향의 편심 관계를 확인하기 어렵습니다. 접합면별 중심 좌표와 정상정렬 기준, 방향별 오버레이 분포와 실제 중첩면적을 기록하면 청구항 대조뿐 아니라 접합 불량의 원인을 분석할 때도 활용할 수 있습니다.

둘째, 신호패드와 더미패드의 역할을 각각 확인하되 접합계면에서는 함께 평가해야 합니다. 넷리스트상의 TSV 연결 여부, 더미·신호패드 간격비, 패턴 밀도와 CMP dishing을 분리 측정해야 합니다. 패드를 변경했을 때 접합 안정성과 실제 제품 성능이 어떻게 변하는지 실험하지 않으면 회피설계의 사업적 가치를 판단하기 어렵습니다.

셋째, 완성품 단면과 제조 과정에서만 얻을 수 있는 증거를 구분해야 합니다. 완성 패키지의 폭·층·접촉관계는 제품항 검토의 출발점이 됩니다. 반면 제조방법항은 개구 형성, 돌출부 삽입, 접합·어닐링의 순서와 제조국가·실시주체에 관한 기록까지 함께 검토해야 합니다. 공정기록은 FTO 검토뿐 아니라 자사 제조방법 특허의 향후 활용에도 중요한 자료입니다.

넷째, 공개항·등록항·후속출원과 국가별 권리를 별도로 관리해야 합니다. 한 미국 등록공보에서 물건 독립항이 사라졌더라도 관련 후속 공개출원의 장치항을 확인한 뒤 개발방향을 정해야 합니다. 미국 등록사실을 한국·유럽의 현행 등록권리로 곧바로 해석해서도 안 됩니다.

세 공보를 살펴보면 하나의 하이브리드 본딩 계면에서도 보호대상이 세 갈래로 나뉩니다. 패드 중심의 좌표, 더미패드의 접속·간격, 그리고 개구와 돌출부를 형성하고 접합하는 제조순서입니다. 개발팀은 특허 위험을 검토한 뒤 각 항목에 대응하는 도면·측정값·공정기록을 남기고, 바꿀 수 있는 구성과 반드시 유지해야 할 성능을 함께 정해야 합니다. 그래야 특허분석 결과가 실제 설계 변경과 다음 출원에 활용될 수 있습니다.

이 글의 내용을 한 문장으로 줄이면 “패드의 위치는 좌표로, 접합 성능은 측정으로, 제조방법은 공정기록으로 확인해야 합니다.”라는 것입니다.