반도체 방열 소재 기술 탐구
HBM 메모리 등 반도체 적층 및 고집적에 따른 열배출 문제 알아보기
반도체에 열이 왜 문제가 되나?
HBM(High Brandwidth Memory, 고대역 메모리)가 연일 화제다. 컴퓨팅 성능에 대한 니즈가 높아지면서 메모리를 적층한 방식에 대해 시장의 반응이 뜨겁다. 삼성전자와 SK하이닉스와 같은 한국 기업들이 HBM 분야를 이끌어나가고 있어 한국 언론의 반응이 더 크게 느껴진다.
https://www.chosun.com/economy/tech_it/2024/05/16/ZFL5ADGQLBGHVPNEJINKFDPSHY/반도체의 성능을 높이기 위해 기술이 고도화되면서, 반도체를 3D로 쌓거나(적층), 7나노 이하 최신 반도체 공정 기술을 바탕으로 세밀하게 트랜지스터 간격을 좁혀 집적도(density integration)를 높이는 방법이 있다.
이러한 방법들을 통해 데이터 전송을 빠르게 진행하고, 소형화와 높은 성능, 저전력 소모를 꾀할 수 있다는 장점이 있으나, 칩 내부의 전력 밀도가 증가하게 되면서 열 발생이 늘어나게 되고, 이를 제대로 통제하지 못하면 칩 내부에 있는 소자 성능이 떨어지고, 손상이 발생할 수 있다.
칩 내부에서 열이 발생하는 것은 크게 3가지 유형이 있는데, 전류가 흐르면서 발생하는 저항에 따른 열이 있고, 트랜지스터가 스위칭할 때 발생하는 열, 소자가 작아질 때 누설되는 전류에 따른 열 발생이 그것이다.
칩 방열 문제 해결 방법
칩에서 발생하는 열 문제를 해결하기 위해 다양한 방법들이 적용되고 있다. 가장 대표적인 것이 금속을 활용하거나 탄소/그래핀과 같은 신소재를 활용하여 열전도율을 높여 칩 내부에서 발생한 열을 방출할 수 있도록 하는 방법이다.
1. 금속 소재 활용
먼저 가장 전통적인 방법이 열전도율이 높은 금속 소재를 활용하는 것이다. 가장 많이 사용되는 것이 은과 구리와 같은 금속 물질이다. 은소재를 활용하여 고열에 강하고, 높은 열전도율을 가지는 칩을 위한 방열 접착체로 활용이 가능하다.
은의 열전도율은 429W/mk로 매우 높으며, 은 페이스트를 활용하여 TIM(Thermal Interface Materal)로 활용하거나, 은나노와이어를 활용하여 열전도 경로를 최적화할 수 있다. 또는 은코팅을 통해 기판 또는 방열판 표면의 열전도율을 높이는 방법도 있다.
2. 탄소/그래핀 소재 활용
탄소 역시 높은 열전도성을 가지는 소재이다. 최근 탄소나노튜브(CNT) 양산 기술이 발전하여, 탄소나노튜브(CNT)는 배터리 소재로도 많이 활용되고 있다. 그래핀은 탄소 원자들의 2차원 구조로 역시 열전도성이 높은 특징을 가진다. 그래핀 필름은 유연성이 뛰어나고, 고밀도 집적 회로와 같은 복잡한 형태의 소자에 적용하기에 좋다.
탄소나노튜브(CNT)를 활용한 복합소재에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 단일 CNT를 첨가하여 제조한 방열복합체에 비해 열전도도가 6배 높고, 단일 GNP를 첨가하여 제조한 방열 복합체에 비해 1.5배 열전도도가 향상 가능하다는 분석이 있다. 이를 통해 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 열전도성 플라스틱 대비 높은 열전도와 낮은 가격(경제성), 경량성 확보 가능하다는 강점을 가진다.
방열 문제를 해결하기 위한 여러 방법(방열 면적확대, 대류효과 이용, 열매개체를 활용하여 열을 방열부까지 원활하게 전달)들 중 접촉 열저항을 줄이기 위한 TIM(Thermal Interface Material) 개발 접근이 있다. TIM에는 알루미늄, 은, 실리카 등의 TCP(Thermal Conductive Particle)을 사용해왔으나, 실온에서 1~5W/mk 열전도 발현을 위해 금속 재료를 많이 사용해야 하여, TCP 함량을 줄여 비용을 낮출 필요가 있다. 열전도 효율을 더 높이기 위해 나노 수준의 카본소재(탄소나노튜브, 그래핀 등)를 활용하고, 탄소나노튜브에 고분자수지(에폭시 수지)를 카본 필러에 혼합하여 고분자 매트릭스 계면에서의 낮은 열전대 문제 해결이 가능하다. 아울러 탄소나노튜브(CNT)를 통해 열전도도(기존제품 20W/mK→36~79W/mK급 개발)도 높게 확보가 가능하다.
방열과 절연이 모두 가능한 소재
칩에 활용하기 위해서는 방열과 더불어 절연의 특성도 함께 가질 필요성이 있다. 금속의 경우에는 방열도 잘 되지만, 동시에 전기가 잘 통하는 특성을 가지고 있다.
나노튜브에 대한 기술이 발전하면서 질화붕소를 활용한 중성자 차폐 소재에 대한 실험실 수준의 연구들도 활발해지고 있다. 우주 공간에서 방사능 차폐에 활용하기에 적합한 소재이다. BNNT(질화붕소나노튜브)로 불리는 이 소재는 절연과 방열이 동시에 가능하다.
현재 고방열 소재는 일본에서 많이 수입하고 있으며, 국내에서도 대량생산과 높은 순도를 가질 수 있는 BNNT 소재에 대한 연구를 활발하게 진행 중에 있다.
