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완강한바다사자135
반도체 제조 공정에서 물리적 미세화 한계를 극복하기 위한 3D 적층 기술
반도체 회로 선폭을 몇 나노미터 수준으로 줄이는 미세 공정이 물리적 한계에 부딪히면서, 최근에는 칩을 위로 쌓아 올리는 3D 패키징 기술이 핵심으로 떠오르고 있다고 들었습니다. 이러한 적층 구조에서 발생하는 발열 문제를 공학적으로 어떻게 해결하나요?
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
정확해요. 칩을 위로 쌓는 3D 적층에서 발열이 가장 큰 골칫거리인 이유부터 짚고, 그걸 어떻게 푸는지 풀어드릴게요.
왜 발열이 심각한지부터 보면, 평면으로 펼쳐져 있던 칩들을 위로 쌓으면 같은 면적에 열을 내는 소자가 몇 배로 빽빽해져요. 아파트를 생각하면 쉬워요. 단층 주택이 여러 채 흩어져 있으면 열이 사방으로 잘 빠지는데, 같은 세대를 고층으로 쌓으면 가운데 층은 위아래가 다 막혀서 열이 갇혀버리잖아요. 3D 칩도 똑같아요. 위아래로 다른 칩이 덮고 있으니 안쪽 층에서 나온 열이 빠져나갈 길이 막히는 거예요. 게다가 칩 사이를 메우는 접착 소재나 절연층이 열을 잘 전달하지 못해서 열이 더 잘 갇혀요.
이걸 푸는 첫 번째 방법은 열이 지나갈 전용 통로를 뚫는 거예요. 칩을 수직으로 관통하는 미세한 구멍을 내고 그 안을 구리로 채우는데, 이걸 실리콘 관통 전극이라고 해요. 원래는 위아래 칩끼리 전기 신호를 주고받으려고 뚫는 통로인데, 구리가 열도 아주 잘 전달하니까 이 기둥들이 열을 아래로 빼주는 방열 통로 역할도 같이 해요. 건물에 엘리베이터 통로를 여러 개 뚫어 공기가 순환되게 하는 것과 비슷해요. 그래서 신호 전달용 통로 외에 순전히 열만 빼내기 위한 더미 기둥을 일부러 더 넣기도 한답니다.
두 번째는 칩 사이를 메우는 소재를 열을 잘 전달하는 물질로 바꾸는 거예요. 층과 층 사이에는 미세한 빈틈이 생기는데, 여기에 공기가 차 있으면 열이 거의 안 통해요. 공기가 단열재거든요. 그래서 이 틈을 열전도가 좋은 특수 충전재로 빈틈없이 채워서 열이 위층에서 아래층으로 잘 흘러가게 만들어요. 칩과 방열판 사이에도 서멀 그리스 같은 열전달 물질을 발라서 접촉면의 공기를 밀어내고요.
세 번째는 칩을 더 얇게 깎는 거예요. 쌓을 칩 하나하나를 종잇장처럼 얇게 만들면 열이 통과해야 하는 거리가 짧아져서 그만큼 빨리 빠져나가요. 두꺼운 이불보다 얇은 이불을 통해 체온이 더 잘 전해지는 것과 같아요. 그래서 적층용 칩은 일반 칩보다 훨씬 얇게 연마하는 공정을 거쳐요.
여기서 한발 더 나아간 게 냉각수를 직접 흘리는 방식이에요. 칩 내부나 층 사이에 머리카락보다 가는 미세 유로를 새기고 그 안으로 냉각액을 흘려보내는 건데, 발열이 가장 심한 고성능 칩에서 연구되고 있어요. 사람 몸속 혈관이 열을 실어 나르듯 칩 안에 냉각 혈관을 만드는 셈이에요. 아직 대중적인 양산 단계는 아니지만 AI 가속기처럼 열이 극심한 칩에서 점점 주목받고 있어요.
마지막으로 설계 단계에서 열을 분산시키는 방법도 있어요. 열을 많이 내는 소자를 한곳에 몰아두지 않고 여러 층에 골고루 흩어 배치하거나, 가장 뜨거운 칩을 방열판과 가까운 맨 위층에 두는 식이에요. 처음부터 열이 안 뭉치게 자리를 잡아주는 거죠.
정리하면 3D 적층의 발열은 열이 빠져나갈 통로를 뚫고, 틈을 열전도 좋은 소재로 채우고, 칩을 얇게 만들고, 필요하면 냉각액까지 흘리고, 설계로 열을 분산시키는 여러 방법을 겹겹이 동원해서 해결해요. 미세화가 한계에 부딪혀 위로 쌓기 시작한 순간부터 열 관리가 곧 성능을 좌우하는 핵심 기술이 된 거라, 요즘 반도체 기술의 승부처가 여기에 있다고 해도 과언이 아니랍니다 :)
채택된 답변안녕하세요. 박재화 박사입니다.
3D 적층 반도체는 칩을 위로 쌓기 때문에 면적을 줄일 수 있습니다. 그러나 안쪽에서 생긴 열이 빠져나가기 어려운 문제가 발생하게 됩니다. 그래서 설계 시 열으 많이 내는 연산 칩과 메모리 칩의 위치를 조정해서 한곳에 열이 몰리지 않도록 하는 방법으로 발열 문제를 해결하고자 합니다.
칩 사이에는 열전도율이 좋은 접착층이나 방열 소재를 넣어 열이 위아래로 잘 이동하도록 만들게됩니다. TSV 같은 수직 연결 구조도 전기 신호뿐 아니라 열이 빠져나가는 통로 역할을 어느정도 하게끔 할 수도 있고, 또한 패키지 바깥쪽에는 히트스프레더나 방열판, 고성능 열전달 소재를 붙여 열을 넓게 퍼뜨리게 합니다.
결국에는 3D 적층 기술의 핵심은 칩을 잘 쌓는 것도 중요하고, 내부에 생긴 열을 얼마나 빠르고 균일하게 빼내느냐에 달려있다고 보시면 되겠습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
3D 패키징에서는 칩을 여러 층으로 쌓기 때문에 내부에 열이 집중되기 쉬워 열전도율이 높은 방열 소재와 TSV 를 활용한 열 배출 경로를 솔계하고 히트 스프레더와 방열판을 함께 적용해 열을 효과적으로 분산시킵니다 또한 발열이 큰 칩은 위아래 위치를 최적화하거나 전력 제어 기술을 적용해 열 발생 자체를 줄이는 설계도 함께 사용합니다 이러한 열관리 기술은 적층 구조의 성능과 신뢰성을 유지하는 핵심 요소로 고성능 AI 반도체와 고대역폭 메모리에서 특히 중요하게 활용되고 있습니다
반도체를 여러 층으로 쌓으면 작은 방안에 히터 여러 개 틀어놓은 것처럼 열이 많이 발생합니다. 문제는 아래쪽 칩이 열이 위쪽 칩 때문에 빠져나가지 못하게 됩니다.
그래서 엔지니어들이 고안한 방법은 열이 잘 전달되는 금속층과 열전도 재료를 넣어서 열을 밖으로 빼내고 또 칩 사이에 아주 작은 통로를 만들거나, 고성능 제품들은 냉각판과 액체 냉각 기술을 적용시키기도 하면서, 열 문제를 해결하고자 하고 있습니다.
AI 반도체처럼 발열이 큰 제품은 열이 많이 나는 회로를 한곳에 몰지 않고, 칩 내부에 분산 배치하는 방식으로 온도를 낮추기도 합니다.
안녕하세요.
쉽게 설명 드리면 평평한 집 한 채 대신에 여러 층으로 아파트를 쌓는 것과 비슷합니다. 공간은 절약되지만 위층에서 생긴 열이 아래층까지 전달될 수 있어서 식히기가 더 어려워지죠.
이것을 해결하기 위해서 반도체는 열이 잘 빠지는 특수 방열 소재를 넣고, 칩 사이에 열이 지나가는 통로를 만들어 열을 밖으로 빼냅니다. 그리고 전기를 많이 쓰는 회로를 한곳에 몰아두지 않고 분산해서 배치하거나, 사용하지 ㅇ낳는 회로는 잠시 꺼서 발열 자체를 줄이는 형태로 설계합니다.
최근에 보니 아주 가능 액체 냉각 통로나 새로운 패키징 기술들도 연구되고 있더라구요.
감사합니다.