단층 구조에서 두꺼운 그래핀을 이용한 효과적인 열 분산 연구

Abstract

칩들의 고성능화와 함께 IC의 Integration level이 커지면서 높은 Power density로 인한 IC의 열 관리는 피할 수 없는 문제가 되었다. IC의 Thermal management를 위해 Micro Fluidic channel, Thermoelectric cooler 등의 방법이 있지만 이는 공정이 복잡하고 신뢰성에서 문제가 있으며 여분의 공간이 필요하여 칩 크기를 키우는 등의 문제를 안고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 열 분산기(Heat spreader)를 대안으로 적용할 수 있다. CNT, Diamond 등 Carbon 계열의 물질은 우수한 열전도도를 갖는 것으로 알려져 있으며 특히 그래핀의 경우 2000W/mK에서 최고 5000W/mK까지 열전도도를 갖는 것으로 문헌상으로 보고된 바 있다. 본 논문에서는 우수한 열 전도도를 두꺼운 그래핀을 열 관리 목적으로 단층 구조 칩에 적용하는 것을 제안하였다. 두꺼운 그래핀의 열 분산 특성을 알아보기 위해 열 분산 특성 측정 소자를 설계하고 서울대학교 반도체공동연구소, KIST Nano Fab을 이용하여 제작하였다. 열 분산 특성 측정 소자는 전체 크기 30 x 30mm2이며, 중앙에 10 x 10mm2을 식각하여 멤브레인 구조를 갖는다. 멤브레인의 두께는 50μm이며 두꺼운 그래핀은 멤브레인 위에 Hot pressing 및 열박리테이프(Thermal Release Tape, TRT)를 이용하여 전사되었다. JEDEC Standard에 근거하여 측정 환경, 측정 방법 등을 정하였다. 열원은 저항을 이용한 Joule 열을 이용하였고, 저항측온기를 이용하여 열 분산 특성 소자의 온도를 측정하였다. 50nm, 500nm, 5μm 두께의 그래핀을 전사하여 측정을 진행하였고, 50nm-1.0℃, 500nm-1.5℃, 5μm-9.06℃ 열원의 온도 감소 효과를 확인할 수 있었고 시뮬레이션과 측정결과 비교를 토대로 두꺼운 그래핀의 열전도도가 약 2000W/mK임을 확인할 수 있었다. Future work로 두꺼운 그래핀을 3D IC에 적용하여 시뮬레이션을 진행하였고 5층 적층구조 3D IC에서 11.42℃ 온도 감소 효과를 확인하였다.