NCF 열전도의 전략적 혼합 배치를 통한 3D HBM 패키지 수직 방열 향상 연구 = Vertical Thermal Dissipation Enhancement in 3D HBM Packages through Strategic Combination of NCF Thermal Conductivity

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the role of the Non-Conductive Film (NCF), an inter-die insulating and bonding material, as a key design variable in improving vertical heat dissipation in 3D High Bandwidth Memory(HBM) packages. While prior studies have focused primarily on Thermal Interface Materials(TIM), heat spreaders, TSV structures, and external cooling solutions, the accumulated thermal resistance of NCF layers—whose intrinsic thermal conductivity is significantly lower than that of silicon or metal conductors—has not been sufficiently addressed. Moreover, the substantial mismatch in the coefficient of thermal expansion (CTE) between NCF, silicon(Si), and TSV metals induces localized interfacial deformation and stress when thermal gradients are present, making NCF a critical factor in both thermal and mechanical reliability.
Finite element method(FEM) simulations were conducted using ANSYS Workbench 2024 R2 on HBM stacks of varying heights (4Hi, 8Hi, and 12Hi). The thermal conductivity of NCF was varied from 0.1 to 20 W/m·K, and selective placement strategies were evaluated through five configuration groups: AL(All-Low), BH(Bottom-High), MH(Middle-High), TH(Top-High), and AH(All-High). To reflect realistic HBM operating conditions, 38 distinct power map scenarios were constructed based on the activity of Base PHY, Base TSV, Core Bank, and Core TSV regions, and both steady-state and transient simulations were performed.
The results reveal that the dominant thermal bottleneck within the HBM stack shifts with stack height, transitioning from bottom(4Hi) to top(8Hi) and back to bottom(12Hi). In 4Hi structures, heat stagnates near the base die, and the BH configuration demonstrates the greatest improvement. For 8Hi stacks, the bottleneck moves to the upper layers, and the TH configuration most effectively reduces ΔT and mitigates upper die deformation. In 12Hi stacks, accumulated NCF thermal resistance becomes the dominant factor, causing the bottleneck to reappear near the bottom; consequently, BH again provides the most significant thermal and mechanical improvements. These findings indicate that the placement of high thermal conductivity NCF, rather than its total quantity, is the determining factor for vertical heat path enhancement.
This study redefines NCF as a core thermal-mechanical design parameter in 3D HBM, rather than a passive insulating adhesive. The results provide stack height-dependent guidelines for selective NCF placement, enabling improved thermal uniformity, reduced interfacial deformation due to CTE mismatch, and enhanced long term package reliability. The methodology and insights presented herein are expected to contribute to the thermal management strategies of next generation high density 3D memory packages.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 3D HBM(High Bandwidth Memory) 패키지에서 DRAM 다이 사이의 인터페이스 재료로 사용되는 비전도성 필름(NCF, Non Conductive Film)의 열전도도를 설계 변수로 설정하여, 스택 높이(4Hi, 8Hi, 12Hi)에 따른 수직 열전달 경로(Vertical Heat dissipation)의 변화를 정량적으로 규명하고 우수한 NCF 배치 전략을 도출하는 것을 목표로 한다. 기존 연구들은 TSV, TIM, 히트스프레더 등의 외부 구조 개선에 집중해 왔으나, 실제로 HBM 내부에서는 NCF의 누적 열저항이 수직 열전달의 가장 큰 열 병목(thermal bottleneck)을 형성한다는 점이 충분히 고려되지 않았다. 또한 NCF는 실리콘(Si) 및 TSV 금속(Cu)과의 열팽창계수(CTE) 차이가 커서 온도구배(Thermal Gradient)가 존재할 경우 계면 변형 및 응력 집중을 유발하는 중요한 기계적 요소이기도 하다.
본 연구에서는 ANSYS 기반 FEM 해석을 통해 NCF 열전도도를 0.1~20 W/m·K 범위에서 변화시키고, 특정 층을 선택적으로 고 열전도도 NCF로 대체하는 AL(All-Low), BH(Bottom-High), MH(Middle-High), TH(Top-High), AH(All-High) 다섯 가지 조합을 구성하였다. 또한 실제 HBM 동작 특성을 반영하기 위해 Base PHY, TSV, Core Bank 등 주요 블록의 전력 분포 변화를 고려한 38개의 power map을 적용하여 정적, 과도 열해석을 수행하였다.
해석 결과, 스택 높이에 따라 열 병목의 위치가 하단부 → 상단부 → 하단부 형태로 이동함을 확인하였다. 4Hi에서는 열이 주로 하단부에 정체되며 BH 조합이 가장 큰 ΔT 개선을 보였다. 8Hi에서는 상단부에서 열저항이 집중되어 TH 조합이 가장 효과적이었고, 변형 또한 상단부 Si–NCF 계면에서 가장 크게 감소하였다. 12Hi에서는 NCF 누적 열저항의 영향이 커져 열 병목이 다시 하단으로 이동하였으며, BH 조합이 ΔT와 변형 모두에서 가장 높은 개선 효과를 보였다. 이러한 결과는 NCF 열전도도의 절대값보다 배치 위치가 열전달 및 변형 저감 성능을 결정하는 핵심 요소임을 보여준다.
본 연구는 NCF를 단순 절연 접합 재료가 아니라, 3D HBM 내부의 수직 열경로와 열-기계적 안정성을 결정하는 핵심 설계 변수로 재정의한다. 또한 스택 높이에 따라 최적 NCF 배치 전략이 달라지는 설계 가이드라인을 제시함으로써, 차세대 고적층 HBM 패키지의 효율적 열관리 및 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 1
• 제 2 절 연구의 목적 및 필요성 3
• 제 3 절 연구 방법 4
• 제 4 절 논문의 구성 5
• 제 2 장 선행연구 및 이론적 배경 6
• 제 1 절 HBM 패키지의 구조 및 열전달 특성 6
• 2.1.1 HBM의 기본 구조 7
• 2.1.2 HBM 내 열전달 경로의 복잡성 8
• 제 2 절 비전도성 필름(NCF)의 물성 및 역할 8
• 2.2.1 NCF의 구성 및 물성 특성 8
• 2.2.2 NCF의 열적 영향과 문제점 9
• 2.2.3 3D HBM 스택의 수직 열전달 메커니즘 10
• 2.2.4 HBM 열저항 구성 요소와 NCF 누적 열저항의 영향 11
• 2.2.5 열병목의 형성 위치위 NCF 배치 전략 필요성 11
• 제 3 절 선행 연구 고찰 13
• 2.3.1 HBM 및 3D 패키지의 열관리 관련 연구 13
• 2.3.2 본 연구의 차별성 14
• 제 3 장 해석 모델 및 조건 설정 16
• 제 1 절 해석 모델의 개요 16
• 제 2 절 재료 물성 및 열전달 특성 18
• 제 3 절 해석 조건 및 경계 설정 19
• 3.3.1 HBM 발열 조건(Power Map)과 구성 배경 19
• 3.3.2 시뮬레이션 경계 조건 21
• 3.3.3 NCF 열전도도 조합 배치 전략 24
• 제 4 장 해석 결과 및 분석 27
• 제 1 절 스택 높이에 따른 NCF 조합 별 열 전달 특성 27
• 4.1.1 4Hi HBM 구조의 열 전달 특성 27
• 4.1.2 8Hi HBM 구조의 열 전달 특성 26
• 4.1.3 12Hi HBM 구조의 열 전달 특성 30
• 제 2 절 스택 높이에 따른 NCF 조합 별 변형 특성 33
• 4.2.1 4Hi HBM 구조의 변형 특성 33
• 4.2.2 8Hi HBM 구조의 변형 특성 33
• 제 3 절 스택 높이에 따른 NCF 배치 전략 분석 35
• 4.3.1 4Hi HBM 구조의 NCF 배치 전략 35
• 4.3.2 8Hi HBM 구조의 NCF 배치 전략 36
• 4.3.3 12Hi HBM 구조의 NCF 배치 전략 37
• 제 4 절 스택 높이에 따른 열거동 차이 분석 및 Thermal Bottleneck 형성 매커니즘 38
• 4.4.1 스택 높이에 따른 수직 열전달 거동의 변화 38
• 4.4.2 Thermal Bottleneck 이동과 NCF 배치 전략의 상관관계 38
• 4.4.3 Cooling Impact Zone 관점에서의 외부 냉각 한계 40
• 제 5 장 결론 41
• 참고문헌 44
• Abstract 46