HBM4 양산에 필요한 소재 및 제조 공정 기술

목차

1. HBM4 시대의 개막 – 고성능 메모리 시장의 기술 진입장벽

2. TSV(Through-Silicon Via) 공정 기술

3. 마이크로 범프 및 본딩 재료

4. 실리콘 인터포저 제조 기술

5. HBM4용 열 인터페이스 재료(TIM)와 열관리 솔루션

6. 공정 장비와 자동 검사 시스템

7. 소재 수급 및 공급망 전략

 

1. HBM4 시대의 개막 – 고성능 메모리 시장의 기술 진입장벽

HBM4(High Bandwidth Memory Generation 4)는 AI, 고성능 컴퓨팅(HPC), 데이터센터, 클라우드 등 차세대 시스템에서 요구되는 초고속·저전력 메모리 설루션이다.

최대 1.2TB/s 이상의 대역폭, 1024bit 이상의 인터페이스, 12~16단 스택 구성 등 HBM4는 성능뿐만 아니라 제조 공정 및 소재 기술 측면에서도 매우 까다로운 조건을 요구한다.

 

HBM4 양산

 

HBM4의 성공적인 양산은 단순한 DRAM 기술이 아닌, 정밀 공정과 첨단 소재 기술의 융합을 통해서만 가능하다.

2. TSV(Through-Silicon Via) 공정 기술

HBM4의 3D 적층 구조를 실현하는 핵심은 바로 TSV(실리콘 관통 전극) 공정이다.
이 기술은 실리콘 웨이퍼를 수직으로 관통하는 구멍을 뚫고, 그 안에 도전성 금속을 채워 층간 신호와 전력을 연결하는 구조이다.

주요 공정 단계:

• Via Hole Etching: 수직 구멍 형성 (직경 약 5~30μm)
• Isolation Layer Deposition: 절연막 도포
• Barrier/Seed Layer 증착: Cu 도금 전 처리
• Cu ECD(전기화학증착): 동(銅) 채움
• CMP(화학적 기계 연마): 평탄화 작업

필요 소재:

• Cu, Ta, TiN: 전도 및 배리어 금속
• SiO₂, Polyimide: 절연 및 라이너 재료
• TSV 감광제 및 식각가스: 고정밀 식각을 위한 특수 소재

TSV 공정의 균일성과 수율은 HBM4의 성능, 발열, 신호 안정성에 직결되며 극미세 공정과 고순도 소재가 필수다.

3. 마이크로 범프 및 본딩 재료

HBM4는 스택 다이 간 연결을 위해 마이크로 범프(Micro Bump)를 사용한다.
피치가 20μm 이하인 이 범프는 각 층의 데이터/전원 신호를 전달하며, 양산 시 수천 개의 범프를 정밀하게 정렬해야 한다.

공정 요소:

• Under Bump Metallization(UBM): 범프 아래 전극 형성
• SnAg 솔더 증착: 납 없는 솔더 범프 형성
• Thermocompression Bonding: 압착/열 본딩을 통해 접합

필요 소재:

• 솔더 범프 재료 (SnAgCu)
• 플럭스 및 클린 설루션
• 본딩용 Polyimide 필름, 접착제
• 스택 간 절연 필름(PI 계열)

이러한 공정은 0.1μm 오차도 허용되지 않는 고정밀 작업으로, 첨단 본딩 장비와 저온·저 응력 접합 기술이 필수적이다.

4. 실리콘 인터포저 제조 기술

HBM4는 일반 PCB가 아닌, 실리콘 인터포저(Si Interposer) 상에 배치되어 SoC와 연결된다.
이 인터포저는 수천 개의 신호 라인을 고밀도로 집적한 중 계층이다.

핵심 공정:

• 재배선층(RDL) 형성
• TSV 삽입 및 도금
• 도체/절연층 다층 적층(>4 Layer)
• 초미세 포토리소그래피 공정

필요 소재:

• RDL용 동박 및 도금 설루션
• 저유전율 절연재(Low-k PI, BCB 등)
• TSV용 고순도 구리, 감광제
• 초정밀 감광막 및 노광장비용 Photoresist

실리콘 인터포저는 HBM4의 전기적 특성뿐 아니라, 패키지 구조와 냉각 효율에도 영향을 주기 때문에 전기-기계-열 통합 해석 기반 설계와 소재 선정이 중요하다.

5. HBM4용 열 인터페이스 재료(TIM)와 열관리 설루션

HBM4는 스택 구조로 인해 중앙부에 열이 집중되기 쉬운 설계다.
따라서 열 해소를 위한 TIM(Thermal Interface Material), 방열판, 수냉 구조 등이 병행되어야 한다.

필수 열관리 기술:

• TIM2 (HBM ↔ 히트스프레더)
• 히트싱크 및 Vapor Chamber 설계
• Thermal Simulation 기반 설계 최적화

주요 열관리 소재:

• 고열전도 TIM (실리콘계, 금속계, 그 래핀계)
• Gap Filler + Phase Change Material(PCM)
• Thermal Interface Film
• EMI 차폐 + 열전도 복합소재

열이 제어되지 않으면 신호 지터, 불량률 상승, 수명 단축이 발생하므로 HBM4 양산에서는 열소재와 방열 구조까지 포함한 설계가 필요하다.

6. 공정 장비와 자동 검사 시스템

HBM4 양산은 수백 개의 공정과 수천 개의 미세 접합이 포함되며, 정밀도와 수율 확보를 위한 자동화 장비 및 검사 기술이 필수이다.

필요 장비:

• TSV 식각/도금 장비 (Lam, AMAT, TEL 등)
• Micro-Bump 본딩 장비 (ASM, EVG 등)
• X-ray 및 AOI 검사기
• Wafer Warpage 측정기, 열팽창 계측기

검사 포인트:

• TSV 저항 및 단락 검사
• 범프 위치 정렬 정밀도 측정
• 패키지 응력/열 변형 분석
• 본딩 강도 및 Void 비율 평가

HBM4는 불량 한 개가 전체 스택을 망칠 수 있기 때문에 불량률 0.001% 이하의 수율 확보가 목표로 설정된다.

7. 소재 수급 및 공급망 전략

HBM4는 전용 소재, 초미세 재료, 공정가스 등 다품종 고기능성 자재를 필요로 한다.
이를 안정적으로 공급받기 위해 소재 기업과의 전략적 제휴 및 국산화 투자 확대가 필수다.

주요 소재 기업 예시:

분야, 대표 기업

 

감광제 / Photoresist	TOK, 동진쎄미켐, 이엔에프테크놀로지
TSV 도금재 / Cu	LG화학, 5N Plus, MacDermid
PI 필름 / 절연재	PI첨단소재, 코오롱인더스트리
TIM 및 열소재	Laird, 베셀, 한솔케미칼
고기능 솔더 / 범프	Senju, Duksan, Indium Corp

 

맺음말 – HBM4 양산은 소재와 공정 기술의 집합체

HBM4는 단순한 DRAM이 아니다.
그 내부에는 수십 개의 적층, 수천 개의 접합, 나노 단위의 공정이 집약되어 있으며 이를 가능하게 하는 초정밀 소재, 복합 공정, 자동화 장비, 열/전력 해석 기술이 동원된다.

HBM4는 메모리 기술의 정점일 뿐 아니라, 소부장 산업 전반의 총체적 경쟁력을 평가하는 바로미터가 된다.

 

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