반도체 다이(Die)당 최대 전력 소비량이 내년 1500W급으로 증가할 것으로 전망되면서, 반도체 패키지 내부의 열을 외부로 방출하는 고방열 열 관리 솔루션(Thermal Management) 기술이 핵심 경쟁력으로 부상했다.
최준영 스테츠칩팩(STATSChipPAC) 이사는 17일 서울 양재동 엘타워에서 열린 '테크데이, '판'이 바뀐다' 컨퍼런스에서 차세대 방열 기술 로드맵과 구체적인 성능 검증 데이터를 공개했다.
대면적 AI 패키지의 열을 식히는 일등 공신은 '베이퍼 챔버(Vapor Chamber)' 히트 스프레더다. 내부 액체의 증발과 응축이라는 상변화 원리를 이용해 대면적 칩 전체의 열을 빠르게 분산시킨다.
실제 측정 데이터에 따르면, 일반 구리 리드를 베이퍼 챔버로 교체했을 때 패키지 열저항이 19% 감소했다. 이를 통해 반도체 수명과 직결되는 최대 접합부 온도를 기존 99.73℃에서 75.68℃로 24℃나 낮추는 방열 효과를 입증했다.
칩(Die)과 히트 스프레더 사이의 미세한 틈을 메워 열을 전달하는 핵심 소재인 '열계면물질(TIM)' 라인업도 강화했다. 기존 고분자 기반 소재의 한계를 넘어 탄소 섬유나 그라파이트를 수직으로 정렬하고, 구동 시 열을 받으면 액체로 변해 열 저항을 극도로 낮추는 '액체 금속(Liquid Metal)' 하이브리드 기술을 도입했다.
이러한 차세대 방열 및 초미세 피치 공정을 안정적으로 구현하는 무대는 '글라스 코어 기판(Glass Core Substrate)'이 맡는다. 기존 유기기판은 대면적화될수록 고온 공정에서 쉽게 휘어지는 휨(Warpage) 현상이 발생해 방열판 밀착을 방해했다.
최 이사는 “유리기판에 에지코팅을 더해 휨 변형을 잡음으로써, 초미세 피치 공정에서 발생하는 범프 간 쇼트(단락)나 공면성 불량 등 공정 불량을 차단하고 평탄도를 확보했다”고 설명했다.
메탈 기반 TIM을 칩 배면에 안전하게 입히는 배면 금속화(BSM) 공정에는 '잉크젯 프린팅' 기술을 적용했다. 기존 스퍼터링 공정보다 장비 및 제조 원가를 낮추면서도 시간당 생산성(UPH)을 크게 높여, 고성능 방열 패키지의 가격 경쟁력을 확보한 방식이다.
최 이사는 “첨단 AI 칩의 낮은 웨이퍼 수율을 고려해 불량 다이를 제외한 양품 유닛 레벨에만 은(Ag) 잉크를 정밀 도포하는 잉크젯 BSM 기술로 원가 구조를 혁신했다”고 설명했다.
이형두 기자 dudu@etnews.com
