'방열(放熱), 내열(耐熱)과의 싸움'

반도체는 선폭 미세화 작업으로 점점 더 많은 회로가 칩 다이(Die)에 집적되는 식으로 발전해 왔습니다. 회로 크기가 작아지는 것이기 때문에 이론상으로는 동일 소비전력일 때 더 높은 성능을, 동일 성능 기준으론 더 낮은 소비전력을 보여야 합니다. 물론, 어디까지나 이론입니다. 선폭 미세화 속도가 더뎌지고 있는 현 시점에선 소자 간 연결로의 저항값 확대, 누설전류 문제 등으로 전력을 더 먹는 것이 현실입니다. 더 많은 열이 발생하는 것도 이 때문입니다.

근래 반도체 패키지 소재 공정 분야에선 고온 환경에 대응하는 방열과 내열이 핫 토픽입니다. 칩에서 발생한 열을 효과적으로 빼내고, 고온에서도 신뢰성을 잃지 않는 패키지 재료 개발과 공정이 활발하게 이뤄지고 있습니다. 열이 나는 건 어쩔 수 없으니 잘 빼내고, 열로 인해 패키지가 망가지지 않도록 하겠다는 것입니다.

열이 많이 나는 중앙처리장치(CPU)나 그래픽처리장치(GPU), 기타 시스템온칩(SoC) 위로는 히트싱크가 탑재됩니다. 이들 칩 위로 히트싱크를 붙이려면 접착 성분이 있는 고분자 재료를 발라야 합니다. 업계에선 TIM(Thermal Interface Material)이라고 부릅니다. 이 재료에는 열 전도율을 높이기 위해 실리카나 알루미나 파우더 등이 첨가됩니다. 첨가물 양이 너무 많으면 접착 성능이 떨어집니다. 때문에 그 비율을 적절히 조절하는 것이 중요합니다. 기존에 없던 첨가물 재료를 쓰려는 움직임도 보입니다. 애플이나 TSMC가 10의 열 전도율을 갖는 TIM을 원한다면 업계가 최대한 맞출 수 있는 수준이 6~7에 그치는 게 현 상황입니다. 일본 레조낙, 세키스이가 이 분야에선 잘 합니다. 다우코닝과 바커도 개발 중이지요. 국내에선 내일테크놀로지가 질화붕소나노튜브(BNNT) 기술로 이 시장을 노크하고 있습니다. BNNT는 열 전도율이 아주 높은 물질입니다. 

칩 다이를 붙이는 필름 역시 열 전도율을 높이는 식으로 진화하고 있습니다. 메모리는 여러 층을 쌓아올려서 패키징해야 되기 때문에 열을 잘 빼는 것도 중요하지만 보다 얇게 만들면서도 파손되지 않도록 신뢰성을 확보해야 합니다. 일본 레조낙이 이 시장의 강자인데, 최근 LG화학이 강성을 보강하면서도 아주 얇은 수준의 다이 어태치 필름을 개발해 성과를 내고 있습니다. LG화학 제품은 낸드용이 두께가 5마이크론, D램용이 10마이크론입니다. 사람 머리카락 두께가 60마이크론입니다. 

반도체 칩 다이와 기판을 붙일 때 쓰는 언더필(Underfill) 재료 역시 화두는 높은 열 전도율입니다. 방열이 화두인겁니다. 언더필은 반도체 칩 다이와 기판 간 전기가 통하는 구 형태 범프(bump) 사이사이 빈 공간을 채우는 재료입니다. 절연(絶緣)이 주 목적이고 연결 부위를 보호합니다. 헨켈과 나믹스가 이 재료를 굉장히 잘 합니다. 

액상 몰딩 기법인 LCM(Liquid Compression Molding) 역시 방열에 효과적인 솔루션으로 꼽힙니다. SK하이닉스가 최신 고대역폭메모리(HBM)에 적용하고 있는 MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill) 공정은 LCM 기법의 한 종류입니다. 삼성전자는 HBM 생산에 필름형 언더필 소재(NCF:Non-conductive Film)를 쓰고 있습니다. 일본 레조낙으로부터 받아옵니다. 쌓아올릴 때 마다 NCF를 깔면서 공정을 합니다. 이에 반해 SK하이닉스 MR-MUF는 칩 다이를 쌓은 뒤에 액상 재료를 압력으로 흘려넣어 경화합니다. 공정이 효율적이고, 방열에 아주 효과적입니다. MR-MUF용 재료를 공급한 곳은 일본 나믹스입니다. LCM은 대만 TSMC가 애플 칩 패키징을 할 때 쓰는 InFO(Intgrated Fan Out) 공정에서도 활용됩니다. 그 재료는 일본 나가세가 공급하고 있습니다. LCM 역시 열 전도율을 높이기 위해 알루미나 등 첨가물 재료를 넣습니다. 액상 재료이기 때문에 첨가물을 보다 많이 넣을 수 있다고 합니다. 열 전도율을 높이기가 더 유리합니다. SK하이닉스는 MR-MUF 공정으로 생산된 자사 HBM의 열 전도율이 기존 대비 두 배 가량 더 높다고 밝히고 있습니다.

열이 많이 나는 실리콘카바이드(SiC) 등 화합물 전력 반도체 패키징에선 기존 접착 소재인 솔더 페이스트 대신 은(Ag)이 기초가 되는 복합 재료를 쓰고 있습니다. SiC 전력반도체는 열이 많이 날 때 온도가 200도 이상까지 올라갑니다. 이 정도 온도라면 기존 솔더는 녹아버립니다. 이 때문에 나온 것이 소결(Sintering) 방식으로 만들어진 Ag 재료입니다. 소결된 Ag 재료는 350도까지 버티는 능력이 있습니다. 열 전도율도 기존 대비 두 배나 높습니다. 다만 높은 가격을 낮추는 것은 해소해야 할 과제입니다. 최근 전기차 업체 테슬라가 SiC 전력반도체 사용을 75% 줄이고 기존 실리콘계 소자를 사용하겠다고 발표한 것도 높은 가격 때문으로 풀이되고 있습니다. 소결형 Ag 재료 시장의 강자는 알파메탈입니다. 국내에선 SK실트론이 인수한 테라온이 이 재료로 시장 진입을 도전하고 있습니다. 

패키지 기판과 반도체 칩 다이를 연결하는 솔더볼 분야에서도 변화의 바람이 불고 있습니다. 기존 솔더볼이 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu) 3원계로 구성돼 있었다면 니켈(Ni)이나 인듐(In)과 같은 한 두가지 소재를 더 첨가해 내열성을 높이는 방향으로 개발이 이뤄지고 있습니다.

전자부품 전문미디어 디일렉은 오는 4월 12일 서울 삼성동 코엑스 콘퍼런스룸 3층 308호에서 이 같은 방열, 내열 패키징 소재 및 공정 기술을 주제로 '2023 어드밴스드 반도체 패키지 혁신 공정 콘퍼런스'를 개최합니다. 삼성전자, SK하이닉스, 스태츠칩팩코리아, 엠코테크놀로지코리아, LG화학, 내일테크놀로지, 헨켈, 엠케이전자, 티에스이, 테라온, 케이던스코리아 같은 패키징 분야의 선두 기업 소속 공정 및 소재 개발자가 나와 최근 패키지 업계의 상황을 브리핑합니다. 

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