[본문에 들어가기에 앞서...]

한 때 인텔의 메인스트림 CPU 라인업에도 적용되었지만, 현재는 고급형 라인에 한해 적용되고 있는

'CPU 솔더링(soldering)' 에 대해 심층적으로 다루고 있는 글입니다.

저를 포함해서 이것에 대해 그저 막연하게만 알고 있던 분들께 도움이 될 것같아 번역해 올립니다.

이 글의 원문은 Delid die mate (일명 뚜따 킷) 으로 잘 알려진 해외 오버클러커 der8auer가 작성하였습니다.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The Truth about CPU Soldering

2015년 11월 24일, der8auer 작성

출처 : Overclocking.Guide

스카이레이크 CPU의 뚜껑을 따는 일은 매우 흔한 일이 되었고, IHS(Integrated heatspreader)와 다이(die) 사이에 써멀 페이스트를 채워넣은 인텔에 대해 불만을 가지는 글을 자주 접할 수 있게 되었습니다. 스카이레이크의 성능은 훌륭하지만, 부하가 걸렸을 시의 온도에 대해서 사람들은 만족하지 못하는 것입니다. IHS와 다이 사이가 솔더링되었던 샌디브릿지와 같은 이전 세대들과는 다르게, 그 이후의 세대에서는 일반적인 써멀 페이스트가 채우고 있습니다. 그럼 인텔은 왜 제조 공정을 바꿨으며, 써멀 페이스트를 채워넣은 이 결정은 정말 나쁘기만 한 것일까요?

솔더링은 무엇이며, 왜 하는가?

요즈음의 CPU들은 C4 flip chip package 방식으로 제조됩니다(사진 1). 실리콘 웨이퍼는 CPU생산의 기본인데, 실리콘은 단결정 구조이기 때문에 원자수준의 온전한 층을 만들 수 있습니다. 그 실리콘에 집적회로를 만든 다음, 그 아래에는 연결을 위해 금속성의 패드가 놓여집니다. 그리고 결과적으로 솔더 볼이 PCB와 칩 사이를 연결하게 됩니다.

다이는 많은 양의 열을 내뿜게 되는데 이는 다이의 그 크기에 비해 굉장히 큰 것이기 때문에, 따라서 IHS가 필요하게 됩니다. 그리고 IHS가 필요한 또다른 이유는 LGA 소켓 방식이라는 점 때문입니다. 스카이레이크 PCB의 두께는 0.78mm 이기 때문에, 다이에 쿨러의 압력을 그대로 주게 되면 결국 PCB는 휘어지게 될 것입니다(하스웰은 1.17mm). 그래서 LGA 소켓 핀과의 완벽한 연결을 위해 PCB가 곧게 펴져있을 수 있게 하려면 IHS또한 필요하게 됩니다.

중요한 것은 'IHS와 다이 간에 어떻게 열을 완벽하게 전달할 것인가' 하는 것입니다. 반도체를 구성하는 물질은 대개 실리콘이며, IHS의 경우에는 열전도율도 401W/mK에 달하며 비용 또한 합리적이기 때문에 구리를 이용해 만들어집니다. 열 전도를 위해 다이와 IHS간을 연결하는 이론적 방법은 많이 있습니다만, 현실적으로 접근해보면 칩에 허용되는 최대 온도나 열전달 물질의 열 전도성 등의 요인들을 고려했을 때 그 방법은 제한적일 수밖에 없습니다.

사진 1 : C4 Package

사진 1은 현재 인텔의 CPU가 어떻게 생겼는지를 대충 보여주고 있습니다. 다이는 떔납 범프를 통해 PCB와 연결되며, 이어서 LGA 소켓과도 연결됩니다. 사진에서의 Underfill 구역도 필요한 것입니다. 왜냐하면 PCB, 다이, 땜납 범프의 열팽창 계수가 각각 달라 열팽창이 되었을 때 CPU에 가해질 수 있는 손상으로부터 보호해주기 때문입니다. 그리고 IHS는 다이로부터 방출된 열을 IHS 위에 얹혀진 쿨러로 전달해주며, Adhesive(접착제)는 유연하기 때문에 열팽창이 되었을 때 CPU가 손상을 입지 않도록 해줍니다.

다이와 IHS의 사이에 존재하는 열전도물질(TIM)은 CPU가 열을 발산하는 정도에 따라 일반적인 써멀 컴파운드를 사용할 것인가, 아니면 솔더링을 할 것인가를 정할 수 있습니다.

실리콘과 구리 간의 땜질은 어떻게 하게 되는가?

먼저, 실리콘(사진 2)과 구리는 완전히 다른 물질이라는 점부터 이해하실 필요가 있습니다. 실리콘(Si)은 얼핏 보기에 금속처럼 보이지만 그 본질적인 성질은 유리(SiO₂)에 가깝습니다. 실리콘의 열전도율은 149W/mK로 괜찮은 편이며 열팽창계수는 2.6µm/mK입니다.

사진 2 : 가공되지 않은 실리콘 [powerguru.org]

구리(Cu)는 연성이 좋으며 전기·열 전도성이 뛰어납니다. 구리의 열팽창계수는 16.5µm/mK인데, 이는 실리콘의 약 6배에 달하는 것입니다. 주석(Sn)과 납(Pb)의 합금인 Sn60Pb40(사진 3) 같은 흔한 것으로도 땜질을 할 수는 있겠습니다만...

사진 3 : Sn60Pb40 땜납 [pollin.de]

그러나 이 땜납은 실리콘에는 전혀 달라붙지 않습니다. 게다가 땜질 후 굳히는 과정에서 수축이 크게 되면서 CPU의 다이에 손상을 주게 됩니다.

인듐(사진 4)은 실리콘과 구리에 둘 다 달라붙을 수 있는 유일한 물질로 알려져 있으며, 굳히는 과정에서 수축되는 정도도 그리 크지 않습니다

사진 4 : 인듐 [bloomfieldknoble.com]

열전도율은 구리만큼 높진 않지만 81.8W/mK로 다른 그 어떤 열전도 물질들보다는 높습니다. 일반적인 써멀 컴파운드는 5~10W/mK의 열전도율을 가집니다.

그리고 인듐은 연성이 좋아서 다이와 IHS가 열팽창을 하더라도 제품에 손상을 주지 않습니다. 또한 인듐의 녹는 점은 157°C입니다.

솔더링에 대해 자세히 알아보기 전에 인듐에 대해 좀 더 알아야 할 부분이 있습니다. 알루미늄처럼 인듐도 공기에 노출되었을 시에 얇은 산화피막을 형성합니다. 그리고 인듐은 전이후 금속으로서, 매우 희귀합니다. 금이 연간 약 3000톤 정도 생산되는 것과 비교해봤을 때, 인듐은 1000톤에도 미치지 못하므로 매우 희귀한 금속이라고 할 수 있겠습니다. 2014년 기준으로 인듐의 가격은 kg당 800$(USD)입니다. 지금은 400$ 정도로 떨어졌다지만, 여전히 매우 비싼 것입니다. CPU의 크기에 따라, 제품 한 개당 드는 인듐의 비용은 대략 2~5$입니다.

CPU 솔더링, 직접 해볼까?

대부분의 사람들은 솔더링에 관해 말할 때 철에다가 땜질하는 것과 같은 것들을 생각합니다. 하지만 다이와 IHS 사이에 하는 것은 완전히 다른 이야기입니다. 인듐은 실리콘과 구리 모두에 달라붙을 수 있지만, 그 접착력은 장기적으로 볼 때 성능이나 내구성에 큰 영향을 미치게 됩니다. 그래서 IHS와 다이 사이에 솔더링을 하기 전에는 준비과정이 필요합니다.

히트스프레더에서의 준비

사진 5 : 뚜껑이 제거된 CPU. 왼쪽은 IHS, 오른쪽은 CPU [xtreview.com]

IHS(사진 5)는 니켈(Ni)로 도금되어 있습니다. 니켈은 구리가 부식되는 것을 막는 역할을 합니다. 인듐은 니켈에도 붙기는 하지만, 그리 잘 붙는 것은 아니기 때문에 접착력을 높이기 위해서는 안쪽에 다른 금속으로 한 층 덧씌워줘야 합니다. 여기에는 잘 붙는 성질때문에 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd)같은 값비싼 금속이 사용됩니다. 은과 금의 녹는점은 1000°C 내외로 비슷하지만 팔라듐은 녹는점이 1555°C이기 때문에 팔라듐은 IHS에 적용하기에는 다소 무리입니다. 그래서 금과 은 중에 골라야하는데, 그 중에 금은 인듐과 합금 형성도 잘 되고 잘 붙기 때문에 금이 사용됩니다. 따라서 솔더링을 하게 된다면 그 전에 IHS 안쪽에 금으로 한 층 씌워주게 됩니다. 이때 금의 두께는 대략 1~3µm 정도입니다.

사진 6 : 금을 부분적으로 씌운 IHS

땜질에 사용할 물질

위에서 언급했듯이, 인듐이 사용할 수 있는 유일한 물질입니다. 솔더링하기에 앞서서 인듐에서 산화피막을 제거해주어야 합니다. 이 과정에는 염산을 사용합니다.

그리고 인듐층의 두께는 열팽창 시 갈라지는 것을 막기 위해 대략 1mm 정도의 넉넉한 두께로 적용합니다.

다이에서의 준비

다이는 실리콘으로 만들어지는데 이 실리콘에다가 직접 솔더링을 할 수는 없습니다. 인듐이 실리콘에 침투함으로 인해 시간이 경과함에 따라 칩에 손상을 주게 되기 때문입니다. 그래서 다이 위에 일종의 장벽을 쳐둘 필요가 있습니다. 그 장벽은 티타늄, 니켈, 그리고 바나듐으로 이루어진 여러 층으로 구성됩니다.

그리고 그 위에는 다시 금 층을 씌워 인듐이 더 잘 붙게 만들어줍니다.

솔더링 과정

다이와 IHS사이를 솔더링하기 전에 어떤 물질들이 적용되는지 보겠습니다.

사진 7 : 솔더링 과정 전에 쌓여진 것들

니켈도금된 IHS가 제일 위에 있는데, 그 안쪽에는 인듐이 더 잘 붙게 하기 위에 금 층이 씌워져 있습니다. 그리고 다이와 IHS 사이에는 인듐층이 있고, 다이는 각각 티타늄-니켈+바나듐-금 이렇게 세 개의 층으로 덮여 있습니다.

솔더링을 할 때의 온도는 대략 170°C 내외입니다. 이보다 낮으면 다이와 IHS간에 접촉이 잘 안되어서 온도가 너무 높아져 CPU에 손상을 주게 되고, 이는 결국 정상적인 제품이 만들어지는 비율도 낮추게 됩니다.

솔더링 과정에서 일부 물질들은 합금을 생성하게 됩니다. 솔더링을 모두 마치게 되면 결과적으로 아래와 같이 될 것입니다.

사진 8 : 솔더링 과정 이후에 쌓여진 것들

보시면 금이 인듐, 그리고 니켈과 각각 다른 두께의 합금을 생성한 것을 알 수 있습니다. 이것으로 다이와 IHS는 연결되었고, 나쁘지 않은 것처럼 보이지만 이제부터 얘기할 부정적인 측면들이 있습니다.

제품이 변형될 수 있음

사진 9 : 인듐이 굳으면서 IHS와 다이 모두를 잡아당김

솔더링 과정에서 IHS를 PCB와 접착시켰는데, 솔더링 과정에서 인듐이 굳어 수축하면서 IHS와 다이가 잡아당겨지게 됩니다.결과적으로 IHS에도 변형을 가져올 수 있습니다.

좋지 않은 결과가 발생하는 메카니즘

열 사이클 현상에 의해 수축·팽창이 심하게 가해질 경우 인듐에도 손상이 생길 수 있습니다. 땜질된 인듐 내의 인장 응력이 빈 공간을 만들게 되는 것입니다(사진 10).

사진 10 : 열 사이클 현상에 의해 땜질된 인듐에 생긴 빈 공간

이러한 빈 공간들은 열전도성을 낮추고, 열저항은 높이게 됩니다. 그리고 결국 다이의 가장자리로부터 미세한 균열들이 생겨버리게 됩니다(사진 11).

사진 11 : 과도한 열 사이클 현상에 의해 발생한 미세한 균열. 총 길이는 대략 400µm정도.

이러한 미세한 균열은 열전도성을 떨어뜨릴 뿐 아니라 다이 가장자리의 열저항을 높이게 됩니다. 금 층을 다이 위에 씌우지 않는다면 조금의 열 사이클 만으로도 땜질된 인듐에 균열이 생겨버릴 것입니다. 미세한 균열들은 대개 200~300회의 열 사이클 이후에 생기게 되는데, 각 열 사이클은 -55°C 에서 125°C의 범위로 15분동안 변화하는 것을 이야기합니다. 이 균열들은 시간이 갈수록 커지며, 땜질된 인듐이 완전히 갈라져버리면 열저항이 과도하게 높아져 결국 CPU에도 손상을 주게 됩니다.

열 전도를 방해하는 빈 공간과 미세한 균열이 생기는 현상은 땜질되는 영역, 그러니까 다이의 크기에 따라 영향을 받습니다. 스카이레이크와 같이 작은 다이 사이즈(130mm² 이하)에서는 빈 공간이 더욱 많이 생길 수 있게 됩니다. 하지만 하스웰-E와 같이 중간사이즈에서부터 큰 다이 사이즈(270mm² 이상)에서는 열 사이클 과정에서도 미세한 균열이 과도하게 증가하지는 않습니다(사진 12).

사진 12 : 과도한 열 사이클 현상 이후에 열 저항이 증가함. 작은 다이 사이즈에서는 중간 이상의 다이 사이즈에 비해 영향을 크게 받음.

이러한 부분은 하스웰-EP CPU 라인과는 다르게, 하스웰이나 스카이레이크의 일반적인 CPU 라인에는 솔더링이 적용되지 않는 하나의 이유가 되기도 합니다.

스카이레이크를 솔더링하였음

스카이레이크 CPU를 솔더링할 수 있는 방법을 알아보기 위해 얼마간의 시간과 돈을 들였지만, 위에 언급했던 부분들에서 알 수 있듯이 말처럼 그리 쉬운 일이 아니었습니다. 현재로서는 열 사이클 결과를 알아보기 위해 기다리는 중이기 때문에 스카이레이크를 솔더링하는데 필요한 모든 정보를 제공할 수는 없지만, 지금 시점까지는 공랭 상태에서 훌륭하게 동작하고 있다는 것만큼은 말할 수 있습니다.

사진 13 : 공랭상태에서 테스트된 솔더링한 스카이레이크 CPU

Prime95 AVX 버전을 이용해 부하를 걸어준 상태에서 CPU의 온도는 대략 50°C 수준입니다. CPU는 24°C의 실온에서 Prolimatech Megahalems 쿨러에 팬 한 개를 장착해 냉각했습니다. 기본 상태에 비해 솔더링을 했을 때 대략 18°C정도 하락했습니다. 이는 리퀴드 메탈 컴파운드를 사용했을 때와 비슷한 수치입니다. 하지만 리퀴드 메탈은 영하의 온도에서는 정상적으로 작동하지 않습니다. 그래서 스카이레이크에 솔더링을 하려했던 것입니다.

사진 14 : 인듐으로 땜질한 스카이레이크 CPU

사진 15 : IHS의 안쪽 모습

액체질소로 오버클럭을 할 때는 온도가 -190°C 에서 30°C 까지 변화하기 때문에 열 사이클 현상은 중요한 문제입니다. 일반적인 써멀 컴파운드는 -180°C 같이 낮은 온도에서는 다이에 제대로 붙지 않기 때문에 익스트림 오버클러커들은 열전도 물질때문에 애를 먹어왔습니다. 주된 이유는 열팽창계수가 다르다는 점입니다. 실리콘과 구리, 그리고 열전도물질은 각각 다른 열팽창계수를 가지고 있어서 갑작스럽게 부하가 가해지면 이들 물질이 잘 접촉되지 않습니다.

솔더링한 6700K를 미국의 유명한 오버클러커인 Splave에게도 보냈습니다만, 불행히도 액체질소 테스트에 실패했습니다. 그래서 현재 그 원인에 대해 알아보고 있는 중입니다.

결론

"인텔 이 날강도들.. 300$ CPU에도 솔더링을 하지 않다니" 혹은 "인텔은 고작 2$를 아끼자고 왜 솔더링을 하지 않는거야?"와 같은 이야기를 접할 때마다 이런 생각을 하게 됩니다.

인텔에 대한 원망은 접어둡시다. 인텔은 금속공학에 있어 세계에서 내로라하는 엔지니어들을 보유하고 있습니다. 그들 자신이 하는 것에 대해 정확히 알고 있습니다. 그리고 최근의 데스크탑 CPU들에서 일반적인 써멀 페이스트를 적용하는 것이 그렇게 단순하게 보기만 할 일은 아니라는 것도 말입니다.

땜질된 인듐에 미세한 균열이 생기는 문제는 CPU를 사용하면서 장기적으로 CPU에 손상을 줄 수 있습니다. 반면에 일반적인 써멀 페이스트는 솔더링에 비해 그리 좋은 열전도 성능을 제공해주지는 못하지만, 작은 다이 사이즈를 가진 CPU들에서는 더 나은 내구성을 선사할 수 있습니다.

환경적인 측면을 고려해봤을때도 일반적인 써멀 페이스트를 적용하는 것이 더 타당할 수도 있습니다. 금이나 인듐은 희귀하고 값비싼 물질입니다. 그리고 이들 광물을 채취하는 과정에서 발생되는 환경오염, 또 채취과정에서의 복잡성도 고려하지 않을 수 없습니다.

6700K CPU들을 솔더링해보고 나니 이것이 매우 복잡한 과정이라는 것을 알 수 있었고, 액체질소와 같은 익스트림 오버클럭에서도 사용할 수 있게끔하기 위해 여전히 노력하고 있습니다. 그러나 인텔이 작은 다이 사이즈를 가진 CPU에 다시 솔더링을 해줄 것인가에 대해서는 회의적으로 보고 있습니다. 스카이레이크는 일반적인 써멀 페이스트로도 잘 작동하기에 인텔이 이에 대해 변화를 줄 이유가 없다고 보기 때문입니다.