[반도체] HBM 냉각 설계는 열이 빠져나가는 경로부터 달라집니다
HBM의 열관리 특허는 냉각수의 유무보다 열이 지나가는 금속 접점, 칩 측면, 적층 다이 내부 유로의 구조로 구별됩니다. Micron과 ND Hi·Etron의 공개청구항을 대조하면 개발팀이 검증할 성능과 특허분석에 필요한 증거가 각각 달라집니다.
HBM(고대역폭 메모리)은 여러 메모리 다이를 수직으로 연결해 대역폭을 높입니다. 적층 밀도와 전력밀도가 높아지면 발열은 칩의 평균온도만이 아니라 접합면, 다이 중앙부, 인접 프로세서와 맞닿은 패키지 영역의 국부 온도분포로 나타납니다. 외부 냉각판을 강화하더라도 열이 그곳까지 도달하지 못하면 내부의 온도 병목은 남습니다.
이 글에서는 금속 접점으로 열을 이동시키는 구조, 메모리의 측면으로 빼내는 구조, 다이 내부에 유체 통로를 만드는 구조를 서로 다른 기술선택으로 검토합니다. 공개된 특허청구항과 열관리 연구를 읽어 실제 개발에서 무엇을 확인해야 하는지 제시합니다.
1. 같은 냉각 성능이라도 열이 지나가는 경로는 다릅니다
열관리의 출발점은 열발생 위치와 배출 경로의 열저항을 구분하는 것입니다. 단순 정상상태 모델에서는 온도상승 ΔT ≈ 발열량 Q × 열저항 Rth로 표현할 수 있습니다. 그러나 적층 HBM의 실제 열전달은 실리콘, 구리 배선, 접합 절연막, 언더필, 열계면재(TIM), 냉각부 사이에서 직렬·병렬 경로가 겹칩니다. 이 식 하나로 국부 최고온도나 유량에 따른 냉각효과를 산정할 수는 없습니다.
2025년 HBM 하이브리드 본딩 열문제 연구와 2026년 첨단 HBM 패키지 열관리·신뢰성 종설은 접합면의 공극, 재료 열팽창계수(CTE) 불일치, TIM의 점도·탄성·열전도 특성이 함께 작동한다는 점을 설명합니다. 열전도도가 높은 재료로 교체하는 결정도 계면 밀착·응력·공정수율을 같이 확인해야 하는 이유입니다.
이때 특허를 검색하며 ‘HBM 액체냉각’이라는 상위 키워드만 모으면 기술의 차이가 흐려집니다. 실제 청구항은 냉각장치라는 명칭보다 열경로를 형성하는 접점의 연결관계, 다이의 배치와 냉각면, 유로가 관통하는 구조를 각각 다르게 요구합니다.
2. 접합면의 금속을 열경로로 활용하는 Micron의 접근
Micron의 미국 공개출원 US20260040917A1(2026년 2월 5일 공개)은 Thermal Structures for Hybrid Bonding에 관한 것입니다. 공개 독립항 1은 단순한 방열 패드가 아니라 두 반도체 디바이스와 그 접점들의 특정 전기적 연결관계 및 본딩 조합을 청구합니다.
첫 번째 디바이스의 금속 도체는 기판 관통 비아(TSV)에 직접 연결되는 그룹과 직접 연결되지 않는 그룹으로 나뉩니다. 두 그룹에는 대응하는 비아와 표면 접점이 있고, 두 번째 디바이스에는 기판 관통 비아에 연결되는 접점과 그 비아로부터 전기적으로 절연된 접점이 있습니다. 서로 대응하는 접점 그룹이 접합됩니다. 명세서는 신호·전력 전달에 직접 참여하지 않는 접점과 금속 경로를 열 분산에 활용하는 실시형태를 설명합니다.
따라서 완성 패키지에 더미 구리 패드가 존재한다는 사실만으로 위 독립항의 모든 구성이 충족되는 것은 아닙니다. 어느 접점이 어느 도체·비아·TSV와 직접 결합되는지, 상대 다이의 어떤 접점과 본딩되는지를 함께 읽어야 합니다. 특히 첫 번째 디바이스의 ‘TSV에 직접 연결되지 않음’과 두 번째 디바이스의 ‘TSV에서 전기적으로 절연됨’은 서로 다른 문언입니다. 이를 일률적으로 ‘전부 전기적 부유(floating)’로 바꾸어 해석해서는 안 됩니다.
개발팀에는 접합 패드의 좌표보다 패드–비아–배선–TSV 연결표가 먼저 필요할 수 있습니다. 접점의 수·면적을 늘릴 때는 열전달경로뿐 아니라 금속 밀도, 전기적 간섭, 접합부 공극 및 열사이클 뒤의 계면 신뢰성을 동시에 평가해야 합니다. 관련 설명과 접점 단면은 공보 원도면 및 청구항에서 확인할 수 있습니다.
3. 다이의 반대쪽 측면으로 열을 빼는 ND Hi·Etron의 접근
ND Hi Technologies Lab과 Etron의 US20260068186A1(2026년 3월 5일 공개)은 메모리 접속과 액체냉각의 위치관계를 하나의 패키지 구조로 제안합니다. 공개 독립항 1은 다수의 반도체 다이가 수평방향으로 서로 분리된 메모리 스택, 각 다이의 첫 번째 측벽에 위치한 엣지 패드, 그 패드와 전기적으로 연결되는 하부 기판을 요구합니다.
여기에 메모리 스택 옆에 배치된 프로세서 다이와, 메모리 다이의 반대쪽 두 번째 측벽 및 프로세서 상부면을 통해 양쪽 모두와 열적으로 결합하는 액체냉각 구조가 더해집니다. 즉 ‘패키지 상부에 냉각수가 흐른다’는 설명보다 엣지 패드를 배치한 면과 방열에 이용하는 반대 면, 프로세서의 상대적 배치가 청구항을 구체화합니다.
실시형태의 냉각수가 반드시 메모리 실리콘에 직접 닿는 것도 아닙니다. 이 출원의 종속항 4는 냉각수가 두 번째 측벽에 직접 접촉하지 않도록 열확산 부재를 두는 구성을 추가합니다. 반대로 다른 종속항은 측벽과 냉각수가 접촉하는 캐비티를 다룹니다. 냉각수 직접접촉 여부를 독립항 1의 필수조건이라고 읽으면 서로 다른 선택형 구성을 혼동하게 됩니다.
이 설계를 검토할 때는 메모리 다이의 방향, 첫째·둘째 측벽의 위치, 엣지 패드와 기판의 연결, 프로세서 높이 및 냉각 커버의 단면을 함께 확인해야 합니다. 기술시험도 측면 열저항, 프로세서와 메모리 사이 온도 편차, 유로 압력손실, 패키지 밀봉 및 열팽창에 따른 계면응력을 구분하는 편이 유리합니다. 공보 도면·종속항 원문을 함께 볼 필요가 있습니다.
4. 적층 다이 내부에 냉각유로를 만드는 Micron의 접근
Micron의 WO2025259433A1(2025년 12월 18일 PCT 국제공개)은 냉각유체를 적층 내부의 실리콘 트렌치에 수용하는 방향을 제시합니다. 공개 독립항 1은 인터페이스 다이와 복수의 메모리 다이를 포함하는 HBM에 관하여, 두 개 이상의 메모리 다이 중 적어도 일부에 걸쳐 형성되고 스택 상단에서 내부 깊이까지 연장되며 냉각유체를 받을 수 있는 트렌치를 요구합니다.
여기서 중요한 것은 금속 TSV와 냉각 트렌치가 다르다는 점입니다. TSV는 전기연결 또는 금속 열전달의 경로가 될 수 있지만, 위 청구항의 트렌치는 유체를 수용하는 구조입니다. 트렌치의 직경이나 깊이를 설계하는 일은 셀 배치면적, 전기적 절연, 누설 위험과 직접 충돌할 수 있습니다.
독립항 1에 펌프·두 개의 트렌치·트렌치 사이 연결채널·절연 라이너·캡슐런트를 모두 덧붙일 수는 없습니다. 이들은 각각 종속항 2–5, 9–10에서 구체화됩니다. 명세서는 유체를 정체시켜 열을 전달하는 실시형태와 펌프로 순환시키는 실시형태를 구별합니다.
한 가지를 더 확인해야 합니다. 같은 국제공개문헌의 별도 독립항 11은 ‘하나 이상의 다이를 적어도 일부 통과하는 냉각 트렌치’를 포함하는 반도체 디바이스 형태로 기재되어, 독립항 1의 ‘두 개 이상 메모리 다이’ 문언을 그대로 반복하지 않습니다. 독립항 1만 비교하고 같은 공보의 다른 독립항을 빠뜨리는 것은 경쟁특허 검토에서 피해야 할 오류입니다. 청구항 1·11과 Fig. 2·3의 원공보를 각각 대조해야 합니다.
이 문헌은 PCT 국제공개이며, 그 자체를 한국·미국에서 등록된 특허권으로 취급할 수 없습니다. 실제 출시국의 국내단계 진입·등록 여부와 현재 청구항은 별도로 확인해야 합니다.
5. 기술개발에 필요한 증거는 열경로에 따라 달라집니다
| 구조·열경로 | 공개문헌의 청구항 중심 | 먼저 확보할 설계·시험자료 | 우선 검토할 기술 위험 |
|---|---|---|---|
| 본딩면의 금속 접점 | TSV 직접 연결·비직접 연결 도체와 상대 접점 본딩 | 접점–비아–배선–TSV 연결표, 접합 단면, 열사이클 데이터 | 계면 공극, 전기적 간섭, 접합 응력 |
| 메모리 다이 측면의 액체냉각 | 수평 분리된 다이, 한쪽 엣지 패드, 반대 측벽 냉각, 인접 프로세서 | 패키지 3D 배치도, 엣지 접속, 유로·온도·압력손실 | 측벽 열접촉, 밀봉, 패키지 공간 |
| 적층 내부 냉각 트렌치 | 다이 내부 유체 수용 트렌치·깊이·다이 관통 범위 | 중간/완성 단면, 유로 연속성, 누설·절연·열충격 시험 | 셀·TSV 면적 침범, 누설, 기계강도 |
이 표는 서로 다른 문헌의 공개청구항과 공학적으로 확인해야 할 항목을 연결한 것입니다. 동일한 온도저감 수치가 나왔다는 사실만으로 같은 청구항의 기술구성이 된다는 뜻은 아닙니다. 세 방열경로는 상호 배타적일 필요가 없고 하나의 패키지에 동시에 존재할 수도 있으므로, 실제 제품에서는 기술별 구성과 복수 독립항을 각각 점검해야 합니다.
한편 특허를 읽는 과정에서 계산한 열저항 저감률과 실측한 수율·신뢰성은 엄격히 구분해야 합니다. 위 세 공개문헌만으로 특정 기업의 양산 채택, 상용 HBM의 온도개선율, 수율 향상이나 최종 권리범위를 단정할 자료는 확보되지 않습니다.
6. 특허조사를 마친 뒤 개발회의에서 결정해야 할 네 가지
첫째, 발열과 병목의 위치를 측정합니다. 다이 중앙의 핫스팟인지, 접합면의 온도 점프인지, 냉각부의 열교환 한계인지부터 분리해야 합니다. 동일한 냉각수 온도·유량·전력조건에서 다이별 최고온도와 온도분포를 비교하지 않으면 설계의 효과를 구분하기 어렵습니다.
둘째, 열경로별 구조 대안을 나누어 실험합니다. 접점·금속비아 밀도를 변경하는 안, 다이 방향과 측면 열접촉을 바꾸는 안, 트렌치의 위치·깊이·유로를 변경하는 안은 제조비용·적층높이·전기적 성능에 미치는 영향이 다릅니다. 실험 계획에는 열저항 외에 접합강도·밀봉·절연 및 열사이클 후 변화량을 넣어야 합니다.
셋째, 공개청구항을 구조증거와 일대일로 대응합니다. ‘냉각판을 다른 것으로 바꿨다’는 개발사실이 접점·비아의 연결구조나 다이 측벽 배치까지 바뀌었다는 뜻은 아닙니다. 설계안별 구조항 구성대응표를 작성하고, 제조방법 청구항은 해당 공정 이력까지 별도로 봐야 합니다. 위 세 출원 외 다른 경쟁권리도 분석범위에 포함해야 합니다.
넷째, 국가와 절차상태를 별도로 검증합니다. 미국 A1 두 건은 공개출원이고 WO 한 건은 PCT 국제공개입니다. 공개청구항은 연구개발의 조기 경보와 선행자료로 중요하지만, 현행 FTO의 권리범위는 출시국의 등록·보정·존속 여부를 확인한 후 평가해야 합니다.
7. INTLAW는 성능을 유지할 설계변경과 권리의 차이를 함께 검토합니다
INTLAW는 SK하이닉스 협력사 기술보호 컨설팅과 반도체 장비·공정 IP-R&D를 수행하며 실제 구조, 공정조건과 경쟁특허 청구항을 함께 분석해 왔습니다. 반도체 웨이퍼 절단장비와 제조공정, 광학 박막 등에서 기술요소를 분해하고 후속 권리화·설계변경을 검토한 경험은 HBM과 같은 첨단패키지에서도 적용할 수 있는 분석 접근입니다.
중요한 것은 냉각 기술을 한 가지 더 찾아내는 일이 아니라 제품의 성능을 유지한 채 변경 가능한 물리구조를 특정하고, 그 변경을 어떤 계측·시험자료로 증명할지 정하는 일입니다. 이 과정에서 특허청구항과 개발팀의 도면·시험결과를 분리하지 않고 같은 구조 단위로 비교해야 연구개발과 특허전략이 연결됩니다.
마치며 — HBM 냉각은 온도보다 열경로를 먼저 설계해야 합니다
HBM 냉각 문제를 하나의 ‘액체냉각 특허’로 묶어 다루면 금속 접점의 연결관계, 엣지 패드와 반대 측벽의 냉각, 다이 내부 트렌치라는 차이를 놓치게 됩니다. 각각의 설계는 열저항을 낮추려는 목적을 공유하지만 청구항의 필수구성과 제조·검증의 부담은 다릅니다.
다음 개발회의에서는 어느 다이와 계면에서 열이 막히는지, 그 경로를 바꾸는 실제 구조는 무엇인지, 변경의 효과와 특허 구성의 차이를 어떤 자료로 입증할지부터 정할 필요가 있습니다. 적층 메모리의 차세대 성능은 냉각방식의 명칭보다 열이 빠져나가는 구조를 얼마나 정밀하게 설계하고 검증하느냐에 달려 있습니다.