[반도체] HBM 냉각 설계는 열이 빠져나가는 경로부터 달라집니다

Micron과 ND Hi·Etron의 HBM 냉각 관련 공개특허를 비교하여 금속 접점, 측면 액체냉각, 내부 냉각 트렌치의 청구항 구성 및 실험·설계변경 증거를 분석합니다.

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.il-reading .il-summary{background:#EAF1F7!important;background-color:#EAF1F7!important;background-image:linear-gradient(#EAF1F7,#EAF1F7)!important}핵심 요약HBM의 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
상부 다이하부 다이TSV 연결 접점비직접 연결다이 간 접합 계면Cu 본딩 접점구조 개념도 · Micron US20260040917A1 · Fig. 3A–3B 원도면·청구항구성 해설용 재구성 도식입니다. 원공보 도면은 링크에서 확인할 수 있습니다. 독립항 1의 TSV 직접 연결/비직접 연결과 상대 접점 본딩의 대응이 핵심입니다. 특허공보 원도면·청구항 보기
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
기판·인터포저프로세서제1 측벽: edge pads제2 측벽·상부면: 열 방출구조 개념도 · ND Hi·Etron US20260068186A1 · Fig. 5A–5D 원도면·청구항엣지 패드가 형성된 제1 측벽과 냉각에 활용되는 반대편 제2 측벽, 인접 프로세서 상부면을 구분하기 위한 개념도입니다. 특허공보 원도면·청구항 보기
ND Hi Technologies Lab과 Etron의 US20260068186A1(2026년 3월 5일 공개)은 메모리 접속과 액체냉각의 위치관계를 하나의

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