모바일 애플리케이션 프로세서의 열 효율 개선을 위한 신규 패키지 아키텍처 도입

오늘날 고도로 경쟁이 심화된 반도체 시장에서, 모바일 AP는 제한적인 실장 환경 내에서 지속적인 성능 향상을 동시에 요구받고 있다. 스마트폰 폼팩터가 점점 슬림해지는 가운데, 고성능 연산과 온디바이스 AI 활용 확대에 따라 작은 폼팩터 내에서 더 많은 전력이 소모되고 있으며, 이는 전력 밀도 상승과 발열 증가로 이어지고 있다. 사용자 관점에서는 더 긴 배터리 사용 시간과 얇고 가벼운 디자인에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있어, 모바일 AP는 단순한 성능 향상을 넘어 제한된 내부 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 구조적 진화가 필수적인 과제로 부각되고 있다.

이러한 흐름 속에서 모바일 AP 패키지는 칩을 보호하는 전통적 역할을 넘어, 열을 효율적으로 분산·제어하고 시스템 레벨의 공간 효율을 극대화하는 핵심 기술로 진화하고 있다. 특히 패키지 구조 설계와 열 방출 최적화를 통해 성능과 안정성을 유지하는 동시에, 배터리 공간 확보와 슬림한 제품 설계를 가능하게 하며 모바일 AP에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다.

모바일 AP는 성능을 높이기 위해 더 많은 전력을 사용할수록 그에 비례하여 칩 온도가 상승하게 되며, 일정 수준을 초과할 경우 열에 의한 성능 제약이 발생한다. 상승한 온도를 낮추기 위해 전력 제한 시 발열은 완화할 수 있으나, 이는 결국 칩이 본래 설계된 성능을 충분히 발휘하지 못하게 만든다. 이로 인해 모바일 AP 설계에서 열 저항 관리는 성능 안정성을 좌우하는 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 기존 모바일 패키지에서는 열 성능 개선을 위해, 열전도율이 높은 소재를 사용하거나 실리콘 다이의 두께를 증가시키는 등의 접근 방식이 활용되어 왔다. 그러나 모바일의 소형화가 가속화되는 현 시장 환경을 고려할 때, 소재 물성 개선과 두께 증가만으로는 열 문제를 근본적으로 해결하는데 한계가 존재한다.

기존 PoP 설계의 한계

플래그십 애플리케이션 프로세서의 경우, 고성능 구현을 위해 AP 칩에 DRAM 을 적층하는 PoP(Package on Package) 구조가 주로 활용되어 왔다. 그러나 모바일 기기 특성상 전체 패키지 두께에 대한 제약이 엄격해지면서, 패키지 두께는 세대가 거듭될수록 지속적으로 감소하고 있다. 패키지가 얇아질수록 AP 다이 두께 역시 줄어들게 되고, 이는 다이 내부에서 발생한 열을 외부로 전달하는 열 확산 경로를 제한하는 요인으로 작용한다. 그 결과, 열이 효과적으로 방출되지 못하고 칩 온도가 빠르게 상승해 열 한계에 도달하게 되며, 이는 지속 성능(Sustained performance)에 직접적인 제약으로 이어진다.

AP가 동작할 때, 패키지 내부의 실리콘 다이에서 발생한 열은 칩 온도를 낮추기 위해 외부로 빠르게 전달되어야 한다. 이 과정에서 패키지의 열저항이 낮을수록 열 방출 효율이 향상되며, 이는 고부하 환경에서도 칩 성능을 보다 안정적으로 유지하는데 기여한다. 이를 위해 Set 업체들은 히트 스프레더(Heat spreader)나 베이퍼 챔버(Vapor chamber)와 같은 열 방출 부품을 적용해 AP 다이에서 발생한 열을 패키지 외부의 냉각 구조로 전달한다. 그러나 기존 PoP 구조에서는 AP 칩 상부에 DRAM 패키지가 위치하게 되면서, AP와 열 방출 부품 사이의 직접적인 열 전달 경로가 제한된다. 이러한 구조적 특성은 열 전달 효율을 저하시켜, 패키지 및 시스템 레벨에서의 성능 향상을 제약하는 구조적 한계로 작용한다.

삼성의 HPB: 지속적인 성능 개선을 요구하는 모바일 AP의 해답

삼성은 열이 집중적으로 발생하는 AP 칩 상단에 HPB(Heat Path Block)을 배치하는 구조를 통해 열 관리 성능을 크게 개선했다. 해당 구조는 업계 최초로 FoWLP(Fan-out Wafer Level Packaging)에 HPB를 적용한 사례로, 패키지 내부의 열 저항을 개선하고, 고부하 환경에서도 안정적인 성능 유지를 가능하게 한다.

이를 바탕으로 AP 다이에서 발생한 열을 모바일 기기의 방열 부품으로 효율적으로 전달하는 새로운 패키지 타입이 개발되었다. 이 구조에서는, 기존 PoP 구조에서 AP 칩 상부에 위치하며 열 전달을 방해하던 DRAM 패키지를 주요 발열 영역과 겹치지 않도록 재배치하고, 열을 신속하게 외부로 전달할 수 있는 HPB를 발열원 바로 위에 배치함으로써 효율적인 열 방출을 구현했다.

HPB의 핵심 이점

삼성은 하나의 목표 아래 HPB를 개발했다 — 안정적인 성능을 위해 AP 다이에서 발생하는 열을 보다 효과적으로 외부로 방출하는 것이 그 핵심이다. 또한 HPB가 적용된 상태에서도 패키지의 구조적 안정성을 확보하기 위해, 높은 열전도율과 우수한 접착 신뢰성을 제공하는 새로운 열 인터페이스 소재 TIM (Thermal Interface Material)을 함께 적용했다. 이를 통해 열 방출 성능과 신뢰성을 동시에 만족시키는 구조를 구현했다.

기존 PoP 구조의 하부 AP 다이에서 발생한 열이 상부로 전달되기 위해서는 중간에 위치한 DRAM 패키지를 반드시 통과해야 하는 구조적 제약이 존재했다. 열 전달 경로는 DRAM 패키지의 하단 솔더볼, 기판(Substrate), DRAM 다이, 그리고 EMC¹⁾순으로 이어진다. 이 경로 상에서 비교적 열전도율이 높은 솔더볼은 제한된 영역에만 분포해 있으며, 기판의 유전체층(Dielectric layer)²⁾, 다이 적층에 사용되는 DAF³⁾, 그리고 EMC는 모두 열전도율이 낮은 소재이다. 이로 인해 DRAM 패키지 내부를 경유한 열 전달은 비효율적일 수 밖에 없으며, 결과적으로 베이퍼 챔버와 같은 모바일 기기의 방열 부품으로 열을 효과적으로 전달하는데 한계를 가진다.

반면 Exynos 2600에 적용된 HPB는 금속(구리, 열전도율은 약 400 W/m·K 수준) 소재로 제작되었으며, 이는 기판의 유전체층, DAF, EMC와 같은 폴리머 기반 소재에 비해 약 500~1000배 높은 열전달 성능을 제공한다. 이를 통해 AP 다이에서 발생한 열을 패키지 외부로 신속하게 전달할 수 있어, 발열원 온도 상승을 억제하여 지속 성능 측면에서 유리한 환경을 제공한다.

모바일 패키지 도전과 극복의 개발 여정, 그리고 삼성전자의 모바일 패키지 미래

신규 패키지 개발 과정에서는 기존 PoP 구조 대비 AP 다이에서 발생한 열을 보다 효율적으로 HPB 방향으로 전달하기 위해, DRAM 패키지 면적을 절반 수준으로 축소하고, 이에 맞춰 전체 패키지 높이와 AP 패키지 두께를 함께 최적화하는 설계가 적용되었다. 이 구조 변화는 패키지 크기 증가를 최소화하면서도 열 전달 경로를 개선하는 것을 목표로 진행되었다.

비대칭적인 DRAM 배치에 따라 AP–DRAM 인터페이스 구조 역시 변경되었으며, 칩과 패키지 전반을 새롭게 설계함으로써 성능과 신뢰성을 동시에 확보했다. 또한 HPB 적용 시 열 저감 효과는 다각도의 시뮬레이션을 통해 사전 검증되었으며, 유관 부서 간 긴밀한 협업을 바탕으로 소재·공정·제품 단계별 원인 분석과 반복 실험을 통해 목표 성능을 안정적으로 달성했다.

모바일 프로세서의 성능 요구가 지속적으로 증가하는 가운데, 제품의 폼팩터가 엄격하게 제한되는 환경에서 패키지 수준의 열 저항 설계는 AP 성능 향상을 지속 가능하게 만드는 핵심 요소로서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이러한 관점에서 HPB 기반 패키지 아키텍처는 열 전달 경로의 구조적 변화를 통해 기존 패키지의 물리적 제약을 효과적으로 극복할 수 있음을 보여준다.

HPB 개발 과정에서 축적된 기술적 경험과 검증 방법론, 그리고 유관 부서 간의 긴밀한 협업 체계는 향후 패키지 기술 진화의 중요한 기반이 될 것이다. 삼성전자는 이를 기반으로 차세대 모바일 플랫폼에서 성능, 열 안정성, 공간 효율을 동시에 만족시키는 AP 패키지 기술을 지속적으로 고도화해 나갈 계획이다.

_{¹⁾ 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC): 반도체 패키지에서 칩을 보호·밀봉하기 위해 사용되는 몰딩 재료
²⁾ 유전체층(Dielectric layer): 배선(인터커넥트) 사이를 절연해 주는 절연층
³⁾ DAF(Die Attach Film): 실리콘 다이를 기판에 접착하기 위해 사용되는 필름 형태의 접착 소재}