HBM5 개발의 징검다리, HBM4의 기술적 한계와 극복 전략

목차

1. HBM4가 HBM5로 진화하기 위한 전제 조건

2. 한계① – TSV와 스택 높이에 따른 생산 수율 저하

3. 한계② – 신호 무결성(SI)과 테스트 복잡도

4. 한계③ – 열 밀도와 패키지 발열 제어

5. 한계④ – 비용 문제와 시장 보급 확대의 어려움

6. HBM5로의 자연스러운 전이 전략

7. 핵심 요약 – HBM4 극복 전략 표

 

1. HBM4가 HBM5로 진화하기 위한 전제 조건

차세대 고대역폭 메모리인 HBM5 개발은 HBM4 기술의 완성도를 기반으로 해야 한다.
HBM4는 단순한 업그레이드가 아니라, 2배 늘어난 인터페이스(2048bit)와 심화된 TSV 적층(최대 16단) 등 과거 기술의 한계를 깨는 요소들을 포함하고 있다.

 

HBM5 개발의 징검다리

따라서 HBM5의 개발은 HBM4에서 발생한 설계·제조·패키징·신호·열 등 전 영역의 한계를 전부 보완한 연장선상에서 이루어진다.

2. 한계① – TSV와 스택 높이에 따른 생산 수율 저하

HBM4는 최대 16개의 메모리 다이를 TSV로 연결하며, 인터페이스 또한 2048비트로 증가했다.
층수가 늘어날수록 TSV 밀도와 전력·열 스트레스가 증가,
공정에서 미세 결함이 발생하기 쉽고 초기 수율이 낮아진다 SK hynix Newsroom -+15 Semiconductor+15 Engineering+15 Semiconductor+15 Engineering+15.

극복 전략:

• 하이브리드 본딩(hybrid bonding)―SK하이닉스·삼성·Micron 등은 잔류 스트레스와 피치 문제 해결을 위해 사용 중이며,
  SK하이닉스는 16층 HBM4 2026년 양산, 20층 HBM4 E 이후 2028년 도입 목표 SemiAnalysis+4TrendForce+4siliconhub.ai+4
• TSV 공정 개선 및 CMP 최적화를 통해 균일도 향상

3. 한계② – 신호 무결성(SI)과 테스트 복잡도

HBM4는 2048-bit 병렬 인터페이스를 지원하기 때문에 신호 지터, 크로스토크, 반사 반응이 더욱 심화된다.
또한 인터포저에 통합된 3D 패키지에서 AFTER-ASSEMBLY probing 자체가 불가능해 테스트 작업이 매우 까다롭다 TrendForce+5 Semiconductor.

극복 전략:

• 온보드 신호 모니터링 및 BIST(Built-in Self Test) 기능 내장
• EDA 툴 기반의 SI/PI 다물리 시뮬레이션
• CoWoS/Foveros 설계 시 경로 매칭(length matching) 강화
• AI 기반 이상 신호 자동 분석

4. 한계③ – 열 밀도와 패키지 발열 제어

높은 스택 구조는 작은 면적에 많은 열이 집중되기 쉬워 발열 제어와 패키지 안정성에 큰 난제가 있다. .

• 스택 내 중간층을 중심으로 37°C 이상의 열 스트레스 발생
• 발열 억제 없이는 'throttling'이나 수명 단축 가능성 존재

극복 전략:

• 마스 리플로우 언더필(MR-MUF) 기술로 열 전도도 향상 arxiv.org+3semiwiki.com+3SemiAnalysis+3arxiv.org +3semiwiki.com+3SemiAnalysis+3TrendForce+3SK
• 방열 성능 향상을 위한 Vapor chamber + TIM 조합 설계
• EDA 기반 열 해석 시뮬레이션 (Celsius, Icepak 등)

5. 한계④ – 비용 문제와 시장 보급 확대의 어려움

HBM4는 공정, 패키징, 소재 모두 고난도 기술의 집합체이기 때문에, 단가가 DDR·GDDR 대비 몇 배 이상 비싸고 범용 보급에 한계가 있다 Wevolver+1SK hynix Newsroom -+1 Wevolver+4allaboutcircuits.com +4DirectorsTalk+4.+1Wevolver+4allaboutcircuits.com+4DirectorsTalk+4.

극복 전략:

• 공정 단순화: TSV 피치 및 범프 구조 최적화,
• 소재 국산화 및 스탠더드화: 금속, 절연체, bonding 소재 등
• 대량 생산 설비 확대: 삼성 Pyeongtaek, SK하이닉스 이천·청주 등
• 응용 시장 확대: AI, HPC, 에지 AI, 자동차용 SoC에 HBM4 혼합 활용

6. HBM5로의 자연스러운 전이 전략

HBM5는 목표 스택 수와 인터페이스 대역폭이 더욱 확대된 구조다.
이에 따라 HBM4에서 터득한 다음과 같은 극복 경험들이 그대로 이어진다:

• 하이브리드 본딩이 HBM5에서 사실상 기본화
• TSV 밀도와 전기 신호 안정성 기준이 강화
• 열 스트레스 대응 설루션에 기반해 3D 패키지 설계 강화
• BIST, in-field monitoring 등 실시간 진단 기술이 필수화
• 양산 비용 저감 전략은 더 중요해짐

또한, HBM-PIM(Processing-in-Memory), eMRAM 등 기술과 결합되며, HBM5는 HBM4 경험 기반 위에 AI, 패키징, EDA, 소재 분야 융합 기술 집약체로 진화할 것이다 DIGITIMES AsiaSK hynix Newsroom -+5allaboutcircuits.com +5Wevolver+5supermicro.com+3Wevolver+3allaboutcircuits.com+3Lin kedIn+1위키백과+1.+5allaboutcircuits.com+5Wevolver+5supermicro.com+3Wevolver+3allaboutcircuits.com+3LinkedIn+1위키백과+1.

7. 핵심 요약 – HBM4 극복 전략 표

기술 한계, 해결 전략

 

TSV 적층 및 피치 스트레스	하이브리드 본딩, CMP 최적화
신호 무결성 악화	AI 기반 BIST, 시뮬레이션 강화
열 집중 이슈	MR‑MUF, TIM 개선, 열 시뮬 최적화
고비용 문제	공정 단순화, 소재 내재화, 응용 확대
테스트 접근성 한계	In-system 모니터링, predictive maintenance

 

결론: HBM4는 HBM5 도약의 디딤돌이다

HBM4는 HBM5 개발에서 기술 플랫폼을 제공한다.
HBM4를 통해 얻은 TSV 설계, SI/PI 시스템 검증, 패키징 열 제어, BIST 기술은 HBM5가 단순한 속도 향상을 넘어 범용성, 신뢰성, 경제성을 동시에 갖추게 하는 핵심이다.

HBM5는 HBM4 경험의 유효성 위에서 단순 메모리 성능 향상이 아닌, 시스템 수준의 패키징 혁신, AI 메모리 통합, 실시간 진단 & 개선 구조를 아우르는 혁신적 기술이 될 것이다.

 

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