고성능 AI 가속기의 극한 환경에서 열은 처리량을 저하하는 조용한 주범입니다. HBM 스택이 12층, 16층으로 증가함에 따라 기존의 "비전도성 필름"(NCF)을 사용하는 방식은 열적 한계에 부딪혔습니다. 이러한 필름은 마치 딱딱한 담요처럼 작용하여 미세한 공기층을 가두어 열을 제거하기보다는 오히려 차단하는 역할을 합니다. SK 하이닉스의 혁신은 고체를 버리고 유체를 사용한 데 있습니다. MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill) 공정을 통해 액체 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)를 사용하여 칩 사이의 틈을 물처럼 유동적으로 채운 후 경화시켜 견고한 구조를 만듭니다. 이 액체 소재의 장점은 절연 공기를 완전히 제거하고 표준 필름보다 열전도율이 두 배 높은 고밀도 세라믹 매트릭스로 대체할 수 있게 해 준다는 것입니다. 이는 단순한 패키징이 아니라 칩의 열역학적 재설계이며, GPU가 과부하 없이 최대 속도로 작동할 수 있도록 하는 완벽한 "열 고속도로"를 만들어냅니다.
액체 물질로 빽빽하게 채워진 열 방출 경로
MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill) 공정의 열 방출에 대한 과학적 우월성은 "열 절연체의 죽음"이라 불리는 공기를 제거하는 근본적인 능력에서 비롯됩니다. 경쟁 방식인 TC-NCF(Thermal Compression Non-Conductive Film) 방식에서는 고체 필름이 층 사이에 물리적으로 압착됩니다. 하지만 미세한 규모에서는 범프 상호 연결부의 거친 표면으로 인해 고체 필름이 완전히 침투하기 어려운 미세한 틈이 생깁니다. 이렇게 갇힌 공기 주머니(공극)는 약 0.026W/mK의 열전도율을 가지며, 스택 중심부에 열을 가두는 강력한 장벽 역할을 합니다. SK 하이닉스의 액체 소재 전략은 이러한 충전 방식의 물리적 원리를 바꿉니다. 점도가 낮은 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC) 액체를 주입하면 모세관 현상과 수압을 이용하여 수천 개의 미세 돌기 주변의 나노미터 크기 틈새까지 흘러 들어갑니다. 이러한 "유체 포화"는 100% 계면 접촉 면적을 보장합니다. 액체가 경화되면 기포가 없는 단단한 연속체가 형성됩니다. 열역학적으로, 이는 절연 공기층을 전도성 매체로 대체하여 수천 개의 막힘없는 "열 통로"를 효과적으로 열어, 열에너지가 하단의 뜨거운 로직 다이에서 상단의 방열판으로 절연 틈을 거치지 않고 이동할 수 있도록 합니다. 또한, 열 방출 경로의 "밀도"는 단순히 공간을 채우는 것만이 아니라 액체 매트릭스의 "충전재 함량" 능력과도 관련이 있습니다. 고체 필름(NCF)은 열 전도성 입자를 너무 많이 함유하면 다루기 어려울 정도로 부서지기 쉽거나 접착하기 어려울 정도로 뻣뻣해지기 때문에 함유할 수 있는 입자의 양에 한계가 있습니다. 필름에 세라믹 분말을 과도하게 첨가하면 균열이 발생합니다. 하지만 액체 EMC는 이러한 한계와는 다른 유변학적 법칙에 따라 작동합니다. K 하이닉스 엔지니어들은 가공성을 저하하지 않고 고농도의 알루미나($Al_2O_3$) 또는 기타 첨단 세라믹 미세 충전재로 액체 수지를 과포화시킬 수 있습니다. 이러한 충전재는 수지 내에 현탁 된 "열교" 역할을 합니다. 액체는 고체 필름보다 훨씬 더 많은 전도성 입자를 운반할 수 있기 때문에, 경화된 MR-MUF 층은 필름 기반 제품보다 훨씬 높은 전체 열전도율을 나타냅니다. 이 고밀도 충전재 네트워크는 포논(진동 열에너지)이 재료를 통해 효율적으로 이동할 수 있는 투과 경로를 생성하여 패키지의 전체 열 저항($R_{th}$)을 유기 적층재에서는 이전에는 달성할 수 없다고 여겨졌던 수준까지 효과적으로 낮춥니다. 마지막으로, 이 소재의 액체적 특성은 열적 고장의 이차적인 원인인 "응력 유발 박리" 문제를 해결합니다. 고체 필름 공정에서는 층 접합에 필요한 고압으로 인해 상당한 내부 기계적 응력이 발생합니다. 시간이 지남에 따라 칩이 가열되고 냉각되는 열 순환 과정에서 이러한 응력으로 인해 층이 분리(박리)될 수 있습니다. 박리된 계면은 본질적으로 열전달을 완전히 차단하는 거대한 진공 틈과 같아서 칩이 즉시 손상됩니다. MR-MUF 공정은 본질적으로 "저압" 성형 기술입니다. 액체가 약한 돌기를 강한 압력 없이 부드럽게 감싸고, 경화되면서 약간 수축하여 층들을 단단히 결합하는 압축 밀봉을 형성합니다. 이 "응력 완화" 구조는 극한의 온도 변화(-40°C ~ 125°C)에서도 물리적 무결성을 유지합니다. 액체 소재는 다이 스택의 구조적 분리를 방지하여 HBM 제품의 전체 수명 동안 열 방출 경로가 온전하고 기능적으로 유지되도록 보장함으로써 하이퍼스케일 데이터 센터에 필요한 장기적인 신뢰성을 제공합니다.
기존 필름 대비 두 배 높은 열전도율을 달성하는 비결
SK하이닉스의 MR-MUF 공정에서 열전도율을 두 배로 높이는 비결은 액상 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)가 고체 비전도성 필름(NCF)에 비해 "필러 함량" 측면에서 갖는 근본적인 유동학적 이점에 있습니다. 재료 과학에서 복합재료의 열전도율은 폴리머 매트릭스에 얼마나 많은 열 전도성 세라믹 입자(예: 알루미나, $Al_2O_3$ 또는 실리카, $SiO_2$)를 채워 넣을 수 있는지에 따라 결정됩니다. 고체 필름은 물리적인 "취성 한계"에 직면합니다. NCF에 세라믹 필러를 50~60% 이상 채우려고 하면 필름이 너무 뻣뻣해져서 다루기 어려워지고, 라미네이션 공정 중에 마른 크래커처럼 갈라집니다. 그러나 MR-MUF에 사용되는 액체 EMC는 유연성이 아닌 점도에 의해 결정됩니다. 이를 통해 재료 엔지니어는 제조 공정에 지장을 주지 않고 충전재 함량을 80% 임계값 이상으로 높일 수 있습니다. SK 하이닉스는 액체 담체에 고밀도의 세라믹 입자를 현탁 시켜 "플라스틱"보다 "세라믹"에 더 가까운 소재를 만들어냅니다. 이러한 높은 함량 덕분에 소재는 세라믹 입자가 물리적으로 접촉하여 연속적이고 끊김이 없는 열전도 사슬을 형성하는 임계점인 "퍼콜레이션 임계값"을 넘어설 수 있습니다. 열에너지(포논)는 이러한 세라믹 브리지를 통해 빠르게 이동하여 열 절연 폴리머 수지를 완전히 우회할 수 있는데, 이는 밀도가 낮은 필름 구조에서는 물리적으로 불가능한 현상입니다. 충전재의 양적인 측면 외에도, MR-MUF 소재 내의 "입자 크기 분포(PSD)" 설계는 열 유속을 극대화하는 데 중요한 역할을 합니다. 일반적인 필름은 대개 단일 크기의 입자를 사용하기 때문에 절연 수지로 채워진 상당한 공간이 남게 됩니다. 이와 대조적으로, 액상 EMC는 큰 구형 입자와 훨씬 작은 미세 입자를 혼합하는 "다중 모드" 분포 전략을 활용합니다. 이는 마치 유리병에 골프공을 가득 채운 다음 그 사이사이에 모래를 붓는 것과 같습니다. 작은 세라믹 입자들이 큰 입자들 사이의 공간을 채워 "밀집 구조(Close-Packed Geometry)"라고 알려진 초고밀도 패킹 구조를 형성합니다. 이 기술은 포논 산란의 "평균 자유 경로(Mean Free Path)"를 최소화합니다. 밀도가 낮은 물질에서는 열에너지가 수지 내 입자 간 이동을 시도하는 동안 산란되어 손실됩니다. 반면 고밀도 MR-MUF 매트릭스에서는 입자 간 간격이 나노미터 수준으로 줄어들어 열이 최소한의 저항으로 전달될 수 있습니다. 이러한 구조적 엔지니어링을 통해 열전도율($k$)이 기존 필름의 표준값인 0.5~0.8W/mK에서 1.5~2.0W/mK 이상으로 급증하는 벌크 재료 특성이 생성되어, 언더필 층이 수동적인 열 차단막이 아닌 능동적인 열 확산기를 효과적으로 전환됩니다. 마지막으로, MR-MUF 공정의 우수성은 "계면 습윤"이라는 열역학적 원리와 카피차 저항 감소 때문에 확고히 자리매김합니다. 열전도율은 열이 물질을 통해 얼마나 빨리 이동하는지뿐만 아니라 얼마나 쉽게 물질에 침투하는지에 대한 것입니다. 고체 필름(NCF)은 실리콘 다이에 적층 됩니다. 미시적 수준에서 접촉은 단순히 물리적인 것으로, 표면 거칠기의 봉우리를 가로질러 연결되고 골짜기에는 틈이 남는 경우가 많습니다. 이에 따라 높은 "접촉 열 저항"이 발생합니다. 그러나 액체 EMC는 경화 전 표면 장력이 낮아 실리콘 표면을 완전히 적실 수 있습니다. 액체 EMC는 실리콘 뒷면의 미세한 골짜기와 요철, 그리고 구리 마이크로 범프 속으로 흘러 들어가 원자 수준에서 화학적 결합을 형성합니다. 이러한 긴밀한 접촉은 "유효 열전달 면적"을 극대화합니다. 적층 필름에서 발생하는 미세한 경계 저항을 제거함으로써, 액체 소재는 열을 발생시키는 로직 다이와 열을 방출하는 패키지 사이의 열적 결합을 거의 완벽하게 만들어, 소재 고유의 높은 전도성을 실제 환경에서 매우 뜨거운 HBM3E 스택을 냉각하는 데 최대한 활용할 수 있도록 합니다.
압력 낮춰 칩휘어짐 막고 열 방출 극대화
"저압"과 "높은 열 방출" 사이의 근본적인 과학적 연결 고리는 HBM 스택의 "평면성" 유지에 있습니다. 경쟁 방식인 열 압축(TC-NCF) 방식에서는 박막을 접합하기 위해 칩 스택에 수백 뉴턴에 달하는 막대한 수직 기계적 힘이 가해집니다. 이러한 고응력 환경은 실리콘 격자에 상당한 "잔류 응력"을 발생시킵니다. 압력이 해제되면 저장된 탄성 에너지로 인해 칩이 이완되고 변형되어 "미소"(오목한 모양) 또는 "찡그린 얼굴"(볼록한 모양)과 같은 휘어짐 프로파일이 생성됩니다. 이러한 곡률은 열 관리 측면에서 매우 심각한 문제입니다. 방열판(콜드 플레이트)은 완벽하게 평평해야 하기 때문입니다. HBM 칩이 휘어지면 방열판과 완전히 밀착되지 못하고 미세한 틈이 생기게 되는데, 이 틈은 두꺼운 열 전도성 물질(TIM) 층으로 채워져야 합니다. TIM은 실리콘과 금속을 직접 접촉하는 방식보다 전도성이 훨씬 낮기 때문에 칩이 휘어지면 패키지 상단에 "열 병목 현상"이 발생합니다. SK 하이닉스의 MR-MUF 공정은 액체 주입 방식을 사용하여 마치 물체를 물에 담그는 것처럼 모든 방향에 동일한 압력을 가하는 부드러운 "등방성 정수압"을 적용합니다. 이러한 저압 환경은 12층 구조가 응력 없이 광학적으로 평평한 상태로 경화되도록 보장합니다. 평평한 상단 표면은 열전도성 물질(TIM)의 접합선 두께(BLT)를 최소화하여 메모리에서 냉각 솔루션으로의 열전달 효율을 극대화합니다. 또한, MR-MUF 공정의 저압 특성은 패키지 내부의 열 균일성을 저해하는 "압출" 및 밀도 변화 문제를 방지합니다. 고압 필름 라미네이션에서 NCF 필름을 압축하는 데 필요한 점성력으로 인해 미세한 돌기들이 의도치 않게 정렬되지 않거나 필러 입자가 중요한 접합 부위에서 밀려 나와 열 절연성이 있는 "수지 함량이 높은" 영역이 생성될 수 있습니다. SK 하이닉스에서 사용하는 액상 성형 컴파운드는 강한 힘이 아닌 모세관 현상에 의해 낮은 압력(대개 수 기압 정도)에서 흐릅니다. 이러한 부드러운 흐름 덕분에 열전도성 세라믹 필러가 틈새 전체에 고르게 분포됩니다. 이 공정은 칩 중심부에서 가장자리까지 "필러 충진 밀도"가 일정하게 유지되도록 합니다. 필러를 분리하는 고압 구배를 방지함으로써 MR-MUF 공정은 균일한 열 블록을 생성합니다. 이러한 균일성은 매우 중요합니다. 왜냐하면 칩의 평균 온도가 낮더라도 저밀도 영역으로 인해 발생하는 단일 "핫스팟"이 GPU의 열 스로틀링 메커니즘을 작동시킬 수 있기 때문입니다. 저압 충전 방식은 장치의 전체 X-Y 평면에 걸쳐 열 저항이 예측할 수 있고 균일하도록 보장합니다. 마지막으로, 공정 압력을 줄이는 것은 "TIM 펌프아웃 효과"라고 알려진 장기적인 열화 현상에 대한 주요 방어책입니다. 고압에서 접합된 칩은 "스프링백" 메모리를 유지합니다. 작동 수명 동안 가열 및 냉각(열 순환) 과정에서 칩은 물리적으로 약간 휘어지고 변형되면서 이러한 스트레스를 해소하려고 합니다. 이 미세한 호흡 운동은 펌프처럼 작용하여 칩과 방열판 사이의 열전도성 그리스(TIM)를 천천히 짜냅니다. 몇 달에 걸쳐 TIM 층이 얇아지거나 기포가 생겨 서버가 갑자기 과열되어 고장 나는 원인이 됩니다. MR-MUF 공정은 저압 성형 덕분에 패키지를 "무응력 상태"에서 경화시키므로 HBM 스택은 기계적으로 비활성입니다. 내부 스프링 힘이 없기 때문에 열 순환 중에도 휘거나 변형되지 않습니다. 이러한 치수 안정성 덕분에 열전도성 소재(TIM)는 원래 위치에 그대로 유지되어 데이터 센터 서버의 5~10년 수명 동안 원래의 열전달 효율을 유지합니다. 이러한 신뢰성은 저압 공정의 숨겨진 경제적 가치이며, 과열된 부품에 서멀 페이스트를 다시 도포하기 위한 빈번하고 비용이 많이 드는 유지 보수 작업을 없애줍니다.
