삼성전자가 차세대 고대역폭메모리(HBM4E) 패키징에서 추구하는 고적층 전략의 기술적 우수성을 객관적으로 입증했다.
하이브리드 구리 접합(Hybrid Copper Bonding, HCB) 기술이 기존 열압착 접합(Thermo-Compression Bonding, TCB) 대비 열 관리 측면에서 뚜렷한 우위를 가진다는 정량적 연구 결과를 처음으로 발표했다.
25일 업계에 따르면 삼성전자 연구팀은 최근 서버급 실환경에 가까운 조건에서 다중 규모 모델링과 실제 테스트 칩 실험을 통해 TCB 대비 HCB의 열 관리 우위를 체계적으로 실증했다. 칩/패키지 시뮬레이션 레벨 연구에서 더 나아가 실질적인 고적층 환경에서 HCB 우위를 입증한 것이다.
삼성전자가 TCB 및 MR-MUF(Mass Reflow-Molded Underfill) 방식과 비교해 명확한 기술 방향 차별화를 이뤘으며, 전기적 성능뿐만 아니라 열 관리·신뢰성 측면에서도 앞서나가고 있음을 보여준다.
특히 더 많은 층(16단 이상) 적층 시 발생하는 열 문제를 효과적으로 완화할 수 있어 향후 HBM4E 양산 경쟁력 강화에 중요한 기술적 뒷받침이 될 전망이다. 해당 연구(2.5D 첨단 패키징 적용 하이브리드 Cu 본딩 HBM의 시스템 레벨 열 특성 분석)는 이달 IEEE(전기전자공학자협회)에 게재됐다.
삼성전자 연구팀은 물리 기반 다중 규모 수치 모델링(multi-scale numerical modeling) 기법을 개발해 칩 단위 미세 구조부터 패키지, 서버 시스템 레벨까지 열 특성을 정밀하게 분석했다. 칩 스케일에서는 금속 연결성과 유전체 박막 효과를 상세히 고려하고, 이를 유효 열 물성 추출을 통해 패키지 및 서버 레벨 시뮬레이션으로 전파하는 방식이다.
또한 실리콘 인터포저 위에 HCB와 TCB 기반 HBM 테스트 차량을 ASIC 테스트 차량과 함께 실장한 후, 실제 서버 환경의 공랭(air-cooling) 조건에서 실험 측정을 진행해 모델의 정확성을 검증했다.
연구 결과, 실제로도 핫스팟 접합 온도가 TCB 대비 낮아 과열 위험이 줄었다. 또한 열 간섭이 완화돼 메모리 스택과 아래 연산 칩(ASIC) 사이 열 전달이 줄어 상호 방해 현상이 감소했다. 같은 냉각 조건에서 더 높은 전력 허용치를 확보할 수 있어 성능 향상 여지도 커졌다. 아울러 HCB 적용 시 스택 높이가 15% 이상 줄어들어 전체 패키지가 얇아지면서 열 축적도 유리한 것으로 나타났다.
TCB는 작은 돌기(bump) 형태로 중간에 언더필(underfill) 재료가 들어가 열 전달 경로가 단절되고 열 저항이 크다. 반면 HCB는 구리 직접 접합으로 열이 빠져나갈 경로가 많아 열 방출 효율이 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 HCB 접합 패드 밀도에 대한 파라미터 연구를 통해 향후 열 방출 효율을 더욱 높일 수 있는 설계 방향도 함께 제시했다.
삼성전자 연구팀은 “이번 연구로 개발된 예측 설계 프레임워크가 차세대 HPC(고성능 컴퓨팅) 패키징 아키텍처에서 본딩 기술 평가와 열 최적화에 활용될 것”이라고 설명했다.
이형두 기자 dudu@etnews.com
