히트스프레더부터 그래핀까지

반도체 패키징은 단순히 칩을 보호하는 역할을 넘어, 내부에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 전달하는 ‘열 관리의 핵심 구간’이다. 특히 AI, 서버, 모바일 반도체처럼 고발열 칩의 경우 패키징 구조와 소재가 칩의 온도와 수명을 결정한다. 오늘날의 패키징 기술은 단순한 물리적 연결을 넘어, 정교한 열공학의 집약체로 진화하고 있다.

1. 패키징 단계에서 열이 중요한 이유

칩 내부에서 발생한 열은 실리콘을 통해 히트스프레더로 전달되고, 이후 방열판이나 냉각장치로 방출된다. 이때 패키징 단계에서의 열저항이 너무 높으면, 아무리 좋은 냉각 장치를 써도 열이 제대로 빠져나가지 않는다. 따라서 패키징 내부의 구조, 소재, 접착 방식은 반도체의 신뢰성과 직결된다.

2. 열전달의 첫 관문

TIM은 칩 다이와 히트스프레더 사이의 미세한 공극을 메워 열전달을 돕는 소재다. 실리콘계 그리스, 금속 페이스트, 나노입자 복합소재 등 다양한 형태가 존재한다. 최근에는 구리 나노입자와 그래핀을 혼합한 고열전도 TIM이 연구되고 있으며, 기존 실리콘계 TIM보다 최대 5배 이상의 열전도율을 보여준다. TIM의 품질은 칩의 최대 온도를 5~10도까지 낮출 수 있는 결정적 요소다.

3. 히트스프레더(Heat Spreader)의 역할

히트스프레더는 칩에서 발생한 열을 넓은 면적으로 확산시키는 금속판이다. 주로 구리(Cu)나 알루미늄 합금으로 제작되며, 열을 빠르게 전도시켜 히트싱크로 전달한다. 최근에는 그래핀 코팅이나 다층 복합소재 스프레더가 등장하여, 열 확산 속도를 획기적으로 개선하고 있다. 특히 AI 칩처럼 면적 대비 발열이 심한 경우, 히트스프레더의 두께와 형상이 칩 성능을 결정짓는 중요한 설계 변수다.

4. 몰딩 및 패키지 재료의 열전도 개선

패키징의 몰딩 영역은 칩과 외부를 감싸는 보호층이지만, 동시에 열전달의 병목 구간이 되기도 한다. 전통적인 에폭시 몰딩은 절연 특성은 우수하지만 열전도율이 낮다. 이에 따라 최근에는 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 카바이드(SiC), 보론 나이트라이드(BN) 등 고열전도 세라믹 입자를 혼합한 복합 몰딩소재가 사용되고 있다. 이러한 신소재는 전기 절연성과 열전달을 동시에 확보할 수 있어, 고성능 패키징의 표준이 되고 있다.

5. 그래핀과 다이아몬드 기반의 차세대 열전도층

그래핀은 원자 한 층 두께의 탄소 물질로, 열전도율이 구리의 약 10배에 달한다. 패키징 내부에 그래핀 열전도층을 삽입하면 열이 수평으로 빠르게 확산되어 핫스팟을 줄일 수 있다. 또한 다이아몬드 박막은 가장 높은 열전도율을 가진 소재로, 극한의 발열 환경에서도 안정적인 열 분산이 가능하다. 실제로 일부 전력 반도체나 항공용 칩에는 다이아몬드 기반 서브스트레이트가 적용되고 있다.

6. 패키징 구조 설계의 진화

최근의 반도체 패키징은 단순한 2D 구조를 넘어, 3D 적층 구조로 확장되고 있다. HBM이나 GAA 기반 칩은 여러 층이 수직으로 연결되기 때문에, 열이 한 방향으로 몰리는 현상이 발생한다. 이를 완화하기 위해 열전도 경로를 다층화하거나, 수직 방향으로 미세한 구리 기둥(TSV)을 추가하여 열을 직접 배출하는 구조가 연구되고 있다. 이러한 설계는 3D 패키징의 수율과 신뢰성을 높이는 핵심 요소로 평가된다.

7. 결론

패키징 단계의 열관리는 반도체 성능 유지의 최후방어선이다. TIM, 히트스프레더, 몰딩소재, 그래핀 등 각 요소가 유기적으로 조화되어야 안정적인 열 분산이 가능하다. 앞으로의 패키징은 단순한 ‘보호 구조’가 아니라, 칩의 성능을 극대화하는 ‘열 설계 플랫폼’으로 진화할 것이다.