KR-20260061391-A - Optical Communication Package Structure Utilizing Thermal Anisotropy of Carbon-Based Nanomaterials

Abstract

본 발명은 반도체 칩(110), 전광 변환 소자(120) 및 이방성 전도성 배선(130)을 포함하는 광 통신 패키지 구조(100)에 관한 것이다. 이방성 전도성 배선(130)은 탄소 나노튜브(132) 또는 그래핀(133)을 포함하는 탄소 기반 나노 소재(131)로 구성되며, 탄소 기반 나노 소재(131)는 반도체 칩(110)에서 전광 변환 소자(120) 방향인 수평 방향(H)으로의 전기 전도성을 확보하도록 배향된다. 탄소 기반 나노 소재(131)는 수평 방향(H)에 수직인 수직 방향(V)으로의 열전도율이 수평 방향(H)으로의 열전도율보다 낮게 형성된 열적 이방성 구조를 가짐으로써, 반도체 칩(110)의 열이 전광 변환 소자(120)로 전달되는 것을 억제한다. 본 발명에 의하면, 별도의 열 절연층 없이 이방성 전도성 배선(130) 자체가 전기 전도와 열 차단 기능을 동시에 수행하여 패키지 집적도를 향상시키고 광 통신 패키지의 신호 품질 및 신뢰성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

Inventors

• 안범주

Assignees

• 안범주

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20260416

Claims (1)

1. 데이터를 처리하며 열을 발생하는 반도체 칩; 상기 반도체 칩으로부터 전기적 신호를 전달받아 광 신호로 변환하는 전광 변환 소자; 및 상기 반도체 칩과 상기 전광 변환 소자 사이를 전기적으로 연결하는 이방성 전도성 배선(Anisotropic Conductive Interconnect)을 포함하되, 상기 이방성 전도성 배선은 탄소 나노튜브(CNT) 또는 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 포함하는 탄소 기반 나노 소재로 구성되고, 상기 탄소 기반 나노 소재는 상기 반도체 칩에서 상기 전광 변환 소자 방향인 수평 방향으로의 전기 전도성을 확보하도록 배향(Alignment)되되, 상기 수평 방향에 수직인 방향으로의 열전도율이 상기 수평 방향으로의 열전도율보다 낮게 형성된 열적 이방성 구조를 가짐으로써, 상기 반도체 칩의 열이 상기 전광 변환 소자로 전달되는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 광 통신 패키지 구조.

Description

탄소 기반 나노 소재의 열적 이방성을 이용한 광 통신 패키지 구조{Optical Communication Package Structure Utilizing Thermal Anisotropy of Carbon-Based Nanomaterials} 본 발명은 광 통신 패키지 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 칩과 전광 변환 소자 사이를 전기적으로 연결하는 배선 소재로서 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT) 또는 그래핀(Graphene)을 포함하는 탄소 기반 나노 소재를 사용하되, 상기 탄소 기반 나노 소재의 배향(Alignment)을 제어하여 수평 방향의 전기 전도성은 확보하면서 수직 방향의 열전도율을 수평 방향의 열전도율보다 낮게 형성하는 열적 이방성(Thermal Anisotropy) 구조를 구현함으로써, 반도체 칩에서 발생하는 열이 전광 변환 소자로 전달되는 것을 단일 배선 구조만으로 억제하는 광 통신 패키지 구조에 관한 것이다. 현대 데이터센터 및 고성능 컴퓨팅 환경에서 처리하는 데이터량이 기하급수적으로 증가함에 따라, 프로세서 간 또는 메모리와 연산 유닛 간의 신호 전달 속도와 대역폭에 대한 요구가 종래의 구리 배선 기반 전기 인터커넥트 기술이 제공할 수 있는 한계를 초과하고 있다. 이에 대응하여, 전기 신호를 광 신호로 변환하여 전송하는 광 인터커넥트(Optical Interconnect) 기술이 고속·광대역 데이터 전송 수단으로 주목받고 있으며, 이를 구현하기 위한 핵심 소자로서 전광 변환 소자(Electro-Optic Conversion Device)가 반도체 칩과 함께 단일 패키지 내에 집적되는 형태의 광 통신 패키지 구조가 널리 연구되고 있다. 전광 변환 소자는 반도체 칩으로부터 전달받은 전기 신호를 광 신호로 변환하는 역할을 수행하며, 대표적인 예로 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)와 전기-광 변조기(Electro-Optic Modulator, EOM)가 있다. 이들 전광 변환 소자는 공통적으로 온도에 매우 민감한 동작 특성을 나타낸다. 레이저 다이오드의 경우, 동작 온도가 상승할수록 발진 파장(Lasing Wavelength)이 장파장으로 천이되고 레이징 임계 전류(Threshold Current)가 증가하여 광 출력 효율이 저하된다. 전기-광 변조기의 경우에도 굴절률의 온도 의존성(Thermo-Optic Effect)에 의해 동작점이 이동하여 변조 대비(Extinction Ratio)와 선형성이 열화된다. 이와 같이 전광 변환 소자는 통상적으로 70°C에서 90°C 이하의 엄격한 최대 허용 온도 조건을 가지며, 이는 100°C에서 110°C 수준의 접합 온도를 허용하는 반도체 처리 칩에 비해 현저히 낮은 수준이다. 문제는 반도체 칩과 전광 변환 소자가 단일 패키지 내에 근접하여 배치될 때 필연적으로 발생한다. 반도체 칩은 데이터 처리 과정에서 단위 면적당 5 W/mm² 이상의 높은 전력 밀도를 가지는 열을 발생시키며, 이 열은 패키지 내부의 전기 배선, 기판, 공기층 등 다양한 경로를 통해 주변 소자로 전달된다. 반도체 칩과 전광 변환 소자를 전기적으로 연결하는 배선은 양 소자 사이에 직접 접촉하는 열 전달 경로를 제공하므로, 배선 소재의 열전도율이 높을수록 반도체 칩의 열이 전광 변환 소자로 보다 효과적으로 전달된다. 종래에 배선 소재로 널리 사용되는 구리(Cu)는 약400 W/m·K의 높은 열전도율을 가지므로, 구리 배선을 통한 열 전달이 전광 변환 소자의 온도 상승에 직접적으로 기여한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에는 반도체 칩과 전광 변환 소자 사이에 별도의 열 절연층(Thermal Insulation Layer)을 삽입하거나, 전광 변환 소자 주변에 독립적인 냉각 구조체를 배치하는 방법이 제안되었다. 그러나 별도의 열 절연층을 삽입하는 방법은 패키지 내부의 구조가 복잡해지고 두께가 증가하는 문제가 있으며, 전기 배선과 열 절연층을 독립적으로 제조하고 정렬하는 공정이 추가되어 제조 비용과 공정 시간이 증가한다. 또한, 열 절연층은 전기 신호 전달 기능을 제공하지 않으므로, 전기 배선과 열 절연 기능이 서로 독립적인 소자로 분리되어 패키지 집적도를 향상시키는 데 근본적인 한계를 가진다. 이에, 전기 신호를 전달하는 배선 자체가 동시에 수직 방향 열전도율을 낮추는 열 차단 기능을 수행함으로써, 별도의 열 절연 구조 없이도 반도체 칩의 열이 전광 변환 소자로 전달되는 것을 억제할 수 있는 새로운 배선 구조에 대한 필요성이 대두된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 패키지 구조의 전체 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 패키지 구조의 측면 단면도로서, 각구성요소의 적층 관계 및 수평 방향(H)과 수직 방향(V)을 나타낸다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 패키지 구조의 정면 단면도로서, 이방성 전도성 배선을 통한 전기 신호 전달 경로를 나타낸다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이방성 전도성 배선의 수평 방향 단면 확대도로서, 수평 방향으로 배향된 탄소 기반 나노 소재의 배열 상태 및 전기 전도 경로를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이방성 전도성 배선의 수직 방향 단면 확대도로서, 수직 방향으로의 열전도율 차단 구조를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속성 단일벽 탄소 나노튜브(m-SWCNT)의 수평 배향 구조 모식도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브-그래핀 하이브리드 배향 구조 모식도로서, 그래핀이 CNT 간 브리지로 기능하는 구조를 나타낸다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 기반 나노 소재의 배향각에 따른 수평 및 수직 방향 열전도율 비교 그래프이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이방성 전도성 배선의 수평 및 수직 방향 전기 전도율 이방성 비교 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 분포 시뮬레이션 비교도로서, (a) 종래 금속 배선 사용 시 온도 분포와 (b) 본 발명의 이방성 전도성 배선 사용 시 온도 분포를 비교한다. 도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 농도 구배 배향 구조의 단면도이다. 도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 열 션트층 병용 구조의 단면도이다. 도 13은 본 발명의 제7 실시예에 따른 다층 교번 적층 구조의 확대 단면도이다. 도 14는 본 발명의 제8 실시예에 따른 포논 산란 결함 도입 구조 모식도이다. 도 15는 본 발명의 제9 실시예에 따른 VO₂ 온도 감응형 가변 차단 구조의 단면도 및 동작 모드 비교도이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기장 보조 배향 공정 흐름도이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 유동 배향 및 경화 공정 흐름도이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭 및 참조 부호는 설명의 편의를 위하여 임의로 부여한 것이며, 이로 인하여 본 발명의 권리 범위가 한정되지 아니한다. 제1 실시예: 기본 구성 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 통신 패키지 구조(100)의 기본 구성을 설명한다. 광 통신 패키지 구조(100)는 크게 반도체 칩(110), 전광 변환 소자(120), 이방성 전도성 배선(130) 및 기판(180)을 포함하여 구성된다. 반도체 칩(110)은 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU), 신경망 처리 장치(NPU) 또는 메모리 제어기 등 데이터를 처리하는 임의의 반도체 집적 회로로 구현될 수 있다. 반도체 칩(110)은 데이터 처리 과정에서 단위 면적당 5 W/mm²에서 50 W/mm²에 이르는 높은 전력 밀도의 열을 발생시킨다. 반도체 칩(110)의 접합부(Junction)는 통상적으로 100°C에서 110°C의 최대 허용 온도를 가지며, 이를 초과하는 경우 소자의 성능 저하 및 신뢰성 열화가 발생한다. 반도체 칩(110)은 기판(180) 위에 플립칩(flip-chip) 또는 와이어 본딩(wire bonding) 방식으로 실장될 수 있으며, 기판(180)은 실리콘 인터포저(silicon interposer), 유기 기판(organic substrate) 또는 세라믹 기판(ceramic substrate) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 전광 변환 소자(120)는 반도체 칩(110)으로부터 전달받은 전기 신호를 광 신호로 변환하여 광 신호 출력부(190)로 전달하는 역할을 수행한다. 전광 변환 소자(120)는 예를 들어 레이저 다이오드(Laser Diode, LD), 수직 공진면 발광 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL), 전기-광 변조기(Electro-Optic Modulator, EOM) 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 레이저 다이오드는 인가된 전기 에너지를 코히런트(coherent) 광으로 변환하며, 동작 온도가 1°C 상승할 때마다 발진 파장이 약 0.1 nm 내지 0.3 nm 장파장으로 천이된다. 전기-광 변조기는 반도체 칩(110)이 출력하는 고속 전기 신호를 레이저 광원의 세기 또는 위상 변조에 반영하여 데이터를 광 신호에 실어 전달하는 소자이며, 동작 온도 변화에 따른 굴절률 변화(열광학 효과, Thermo-Optic Effect)가 변조 특성에 직접 영향을 미친다. 전광 변환 소자(120)는 통상적으로 70°C에서 90°C의 최대 허용 동작 온도를 가지며, 이 범위를 초과할 경우 광 신호 품질이 급격히 열화된다. 전광 변환 소자(120)는 반도체 칩(110)과 동일한 기판(180) 위에 반도체 칩(110)과 수평 방향(H)으로 인접하여 실장되거나, 별도의 광학 기판(Photonic Substrate) 위에 실장된 후 기판(180)에 본딩되는 형태로 구현될 수 있다. 이방성 전도성 배선(130)은 반도체 칩(110)의 출력 전극 패드와 전광 변환 소자(120)의 입력 전극 패드를 수평 방향(H)으로 전기적으로 연결하는 인터커넥트이다. 이방성 전도성 배선(130)은 탄소 기반 나노 소재(131)를 주성분으로 하며, 탄소 기반 나노 소재(131)는 탄소 나노튜브(132), 그래핀(1