KR-20260061392-A - Optical Communication Functional Semiconductor Package Featuring Dual-Functional Nanoporous Aerogel Thermal Barrier and Capacitively Coupled Data Transmission Structure

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Abstract

본 발명은 반도체 칩(100)인 GPU와 전광 변환 소자(400)인 레이저 다이오드를 단일 패키징 기판(600) 상에 수평 방향으로 이격 집적하는 반도체 패키지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열 차단 배리어(200)는 나노 다공성 에어로젤(210)을 포함하며, 배리어 양면에 각각 제1 도전성 플레이트(220) 및 제2 도전성 플레이트(230)가 형성된 결합 커패시터(240)를 통해 반도체 칩(100)의 데이터 신호를 금속 직접 접촉 없이 용량 결합 방식으로 전달한다. 전광 변환 소자(400)의 구동 전류는 배리어 내측에 배치된 LD 드라이버 집적회로(300)가 공급하므로 고전류 경로가 배리어를 통과하지 않는다. 이를 통해 나노 다공성 에어로젤(210)이 열 차단 소자와 결합 커패시터 유전체로서의 이중 기능을 동시에 수행하여, 전광 변환 소자(400)의 접합부 온도를 ±2°C 이내로 제어하고 파장 편이를 ±0.2 nm 이하로 억제함으로써 WDM 채널 안정성이 보장된다.

Inventors

안범주

Assignees

안범주

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20260416

Claims (1)

데이터 처리를 위한 반도체 칩; 상기 반도체 칩으로부터 전기적 신호를 전달받아 광 신호로 변환하는 전광 변환 소자; 상기 반도체 칩과 상기 전광 변환 소자를 물리적으로 지지하는 패키징 기판; 및 상기 반도체 칩과 상기 전광 변환 소자 사이의 이격 공간에 배치되어 상기 반도체 칩에서 발생하는 열이 상기 전광 변환 소자로 전달되는 것을 차단하는 열 차단 배리어를 포함하는 반도체 패키지에 있어서, 상기 열 차단 배리어는 나노 다공성 에어로젤을 포함하고, 상기 열 차단 배리어의 상기 반도체 칩을 향하는 제1 면에 형성된 제1 도전성 플레이트 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면에 형성된 제2 도전성 플레이트를 포함하는 결합 커패시터를 더 포함하되, 상기 나노 다공성 에어로젤이 상기 결합 커패시터의 유전체로 기능하여, 상기 반도체 칩으로부터 출력된 데이터 신호가 금속 직접 접촉 없이 용량 결합 방식으로 상기 전광 변환 소자 측으로 전달되고, 상기 열 차단 배리어가 열 차단 소자 및 상기 결합 커패시터의 유전체로서의 이중 기능을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 광 통신 기능을 구비한 반도체 패키지.

Description

이중 기능 나노 다공성 에어로젤 열 차단 배리어 및 용량 결합 데이터 전달 구조를 구비한 광 통신 기능 반도체 패키지{Optical Communication Functional Semiconductor Package Featuring Dual-Functional Nanoporous Aerogel Thermal Barrier and Capacitively Coupled Data Transmission Structure} 본 발명은 인공지능(AI) 연산 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서 광 통신 기능을 구비한 반도체 패키지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 데이터 처리를 수행하는 반도체 칩(100)인 GPU와, 상기 GPU로부터 전달받은 전기적 신호를 광 신호로 변환하는 전광 변환 소자(400)인 레이저 다이오드(LD)가 단일 패키징 기판(600) 상에 수평 방향으로 이격 배치되는 집적 광전 패키지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 상기 반도체 칩(100)과 상기 전광 변환 소자(400) 사이에 나노 다공성 에어로젤(210)을 포함하는 열 차단 배리어(200)를 배치하되, 상기 열 차단 배리어(200)가 열 차단 소자와 용량 결합(capacitive coupling) 커패시터의 유전체로서의 이중 기능을 동시에 수행하여, 금속 직접 접촉 없이 고속 데이터 신호를 전달하면서 상기 반도체 칩(100)의 발열이 상기 전광 변환 소자(400)로 전달되는 것을 원천 차단하는 패키지 구조 및 신호 전달 방법에 관한 것이다. 최근 대규모 언어 모델(LLM) 학습 및 추론, 과학적 시뮬레이션, 고주파수 금융 연산 등 연산 집약적 응용 분야의 급격한 성장에 따라, GPU를 비롯한 AI 가속기 칩의 내부 연산 처리 속도가 수 페타플롭스(PFLOPS) 수준에 도달하였다. 이처럼 칩 내부 연산 속도가 향상될수록, 칩 간(chip-to-chip) 또는 칩-메모리(chip-to-memory) 간의 데이터 전송 대역폭이 전체 시스템 성능의 결정적 병목 요인으로 부상하고 있다. 기존의 구리 배선 기반 고속 직렬 인터페이스(SerDes)는 신호 감쇠, 반사, 전자기 간섭(EMI) 등의 물리적 한계로 인해 채널당 전송 속도를 112 Gbps 이상으로 확장하는 데 근본적인 어려움을 내포하고 있으며, 이를 초과하는 대역폭 요구를 전기적 방식만으로 충족하는 것은 현재 기술 수준에서 실질적으로 불가능에 가깝다. 이러한 한계를 극복하기 위한 유력한 대안으로서, 전광 변환 소자(400)인 레이저 다이오드를 데이터 처리 칩과 동일한 패키징 기판(600) 위에 근접 집적하는 집적 광 인터커넥트(Co-Packaged Optics, CPO) 기술이 광범위하게 연구·개발되고 있다. CPO 방식에서는 반도체 칩(100)의 SerDes 송신단(110)이 출력하는 고속 전기 신호가 전광 변환 소자(400)에 의해 광 신호로 변환된 뒤 광 도파로(700)를 통해 전파되므로, 전기 배선의 저항·인덕턴스·커패시턴스에 의한 신호 왜곡 문제가 원천적으로 해소된다. 또한, 광 신호는 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 통해 단일 광 도파로(700) 상에서 수십 개의 독립 채널을 동시에 운용할 수 있으므로, 동일한 물리적 배선 공간에서 전기 인터페이스 대비 수십 배 이상의 유효 대역폭을 실현할 수 있다. 그러나 CPO 방식의 실용화를 가로막는 가장 심각한 기술적 장벽 중 하나는, 반도체 칩(100)인 GPU에서 발생하는 막대한 발열이 인접 배치된 전광 변환 소자(400)인 레이저 다이오드의 동작 특성에 미치는 부정적 영향이다. 최신 AI 가속기용 GPU는 단일 패키지 기준으로 수백 와트(W)에서 최대 1 킬로와트(kW)를 초과하는 전력을 소비하며, 이에 상응하는 대규모 열 발생이 불가피하다. 반도체 칩(100)에서 발생한 열은 패키징 기판(600)을 통한 전도, 공기 중의 열 복사 및 대류, 패키지 내부 충전재를 통한 측면 전도 등 다양한 경로를 통해 인접한 전광 변환 소자(400)로 전달된다. 레이저 다이오드는 반도체 기반의 전광 변환 소자(400)로서, 그 발진 파장이 접합부(junction) 온도에 극도로 민감하게 의존하는 특성을 가진다. 구체적으로, 일반적인 분포 귀환형 레이저 다이오드(DFB-LD)의 경우 온도 1°C 상승당 발진 파장이 약0.08 nm에서 0.12 nm의 범위로 장파장 방향으로 편이된다. WDM 광 통신 시스템에서는 ITU-T G.694 규격에 따라 채널 간격이 최소 0.4 nm(50 GHz 격자)로 규정되어 있으며, 이를 고려할 경우 단3°C에서 5°C의 온도 상승만으로도 해당 LD 채널이 인접 WDM 채널 대역으로 이탈하여 채널 간 간섭(crosstalk)이 발생하고, 시스템 전체의 비트 오류율(BER)이 급격히 악화되는 결과를 초래한다. 이와 함께, 온도 상승은 레이저 다이오드의 발진 임계 전류(threshold current)를 증가시키고, 양자 효율(quantum efficiency)을 저하시키며, 장기적으로는 반도체 활성층의 열화(degradation) 속도를 가속하여 소자의 수명을 단축시킨다. 종래 기술에서는 레이저 다이오드의 온도 상승 문제를 해결하기 위해 열전 냉각 소자(TEC, thermoelectric cooler)를 LD 패키지에 내장하거나, 열전도성이 높은 세라믹 기판을 히트 스프레더로 사용하는 방법이 활용되어 왔다. 그러나 TEC는 전력 소비가 크고 패키지 부피를 증가시키며, 특히 GPU 발열과 같이 지속적이고 대용량인 열원에 대응하기 위해서는 TEC의 소비 전력이 수 와트(W)를 초과할 수 있어 전체 시스템의 전력 효율을 크게 저하시킨다. 또한, 세라믹 기판을 이용한 수동 방열 방식은 GPU로부터의 지속적인 열 유입을 차단하지 못하고 단순히 열을 분산·전달하는 데 그치므로, 열원인 GPU(100)와 열 피해 소자인 전광 변환 소자(400) 사이에 근본적인 열적 격리가 이루어지지 않는다는 본질적 한계를 가진다. 한편, 나노 다공성 에어로젤(210)은 90% 이상이 공기로 구성된 초경량·초다공성 고체 소재로서, 열 전도율이 0.015 W/m·K에서 0.030 W/m·K 수준에 불과하여 현존하는 고체 소재 중 가장 낮은 열 전도율을 가진다. 나노 다공성 에어로젤(210)의 이러한 우수한 열 차단 특성은 나노미터 규모의 기공 구조로부터 기인한다. 즉, 평균 기공 크기가 1 nm에서 100 nm의 범위에 있을 경우, 기공 크기가 상온 대기압에서 기체 분자의 평균 자유 경로(약 70 nm)에 근접하거나 이를 하회하게 되어 이른바 크누센(Knudsen) 효과가 발현된다. 크누센 효과 하에서는 기체 분자 간의 충돌보다 기체 분자와 기공 벽 사이의 충돌이 지배적이 되어 기체를 통한 열 전달이 사실상 억제되고, 그 결과 에어로젤의 유효 열 전도율이 정지 공기의 열 전도율(0.026 W/m·K)보다도 낮은 값을 실현하게 된다. 종래 기술에서는 에어로젤을 반도체 패키지의 열 차단 소자로 적용하는 시도가 있어 왔으나, 이는 단순히 발열 소자와 피보호 소자 사이의 열 차단만을 목적으로 한 것이었으며, 에어로젤을 통한 전기적 신호 전달 기능을 동시에 구현하는 이중 기능 구조에 대한 인식 및 이를 구체화하는 기술적 수단은 제시된 바 없다. 또한, 종래 기술에서 에어로젤 배리어를 통해 반도체 칩(100)과 전광 변환 소자(400) 사이에 전기적 신호를 전달하기 위해서는 금속 도체를 에어로젤 내부에 관통시키는 방식이 불가피하게 고려되었다. 그러나 이 방식은 비데만-프란츠(Wiedemann-Franz) 법칙에 따라 전기 전도도와 열 전도도가 동일한 자유 전자 운반자에 의해 결합되어 있는 금속의 근본 특성으로 인해, 금속 관통 도체가 열 단락(thermal short-circuit) 경로로도 동시에 기능하여 에어로젤 배리어(200)의 열 차단 효과를 원천적으로 무효화하는 심각한 문제를 내포한다. 이러한 열-전기 결합 문제는 단순한 소재 선택이나 구조 최적화로는 해결할 수 없는 물리적 제약에 해당하며, 고속 데이터 신호 전달과 고성능 열 차단을 동시에 달성하기 위한 근본적으로 새로운 접근이 요구된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 패키지의 전체 구성을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 절단선에 따른 반도체 패키지의 수평 단면도로서, 열 차단 배리어(200)의 내부 구조, 제1 도전성 플레이트(220), 제2 도전성 플레이트(230) 및 기판 트렌치(620)를 함께 나타낸다. 도 3은 본 발명에 따른 이중 기능 에어로젤 배리어(200)의 확대 단면도로서, 나노 다공성 에어로젤(210)의 기공 구조, 제1 도전성 플레이트(220)와 제2 도전성 플레이트(230) 사이의 전기장 결합 경로 및 열 전달 차단 원리를 도시한다. 도 4는 본 발명에 따른 데이터 신호 전달 경로를 나타내는 블록 다이어그램으로서, 반도체 칩(100)의 SerDes 송신단(110)으로부터 결합 커패시터(240)를 거쳐 LD 드라이버 집적회로(300)의 SerDes 수신단(310)에 이르는 신호 흐름 및 전광 변환 소자(400)의 구동 전류 경로를 도시한다. 도 5는 배리어 두께(d) 및 플레이트 면적(A)에 따른 결합 커패시터(240)의 임피던스-주파수 특성 그래프로서, LC 공진 회로(수단 14) 적용 시의 임피던스 극소점 및 목표 50 Ω 기준선을 함께 나타낸다. 도 6은 복수 쌍의 도전성 플레이트 어레이 및 접지 차폐 플레이트(250)의 배치를 나타내는 평면도이다. 도 7은 본 발명의 차동 신호 결합 실시예에 따른 양극 플레이트 쌍 및 음극 플레이트 쌍의 배치와 차동 데이터 신호 흐름을 나타내는 구조도이다. 도 8은 인터디지테이티드 핑거 전극(270)의 평면 패턴 및 주요 치수 관계를 나타내는 평면도이다. 도 9는 열 비대칭 캡슐 부재(500)의 단면도로서, 에어로젤 캡슐층(510), 열전도성 금속 외장층(520), 광 윈도우(530) 및 열전 소자(540)의 배치를 도시한다. 도 10은 CNT/그래핀 하이브리드 에어로젤의 나노 스케일 미세 구조 개념도로서, 실리카 기지(matrix), 탄소 나노 소재 퍼콜레이션 네트워크, 전자 수송 경로 및 포논 산란 접합점을 도시한다. 도 11은 탄소 나노 소재 함량(vol%)에 따른 전기전도도(