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Semiconductor/반도체 이야기

[반도체 이야기] Mobile AP (Application Processor), 2편


Embedded Cu block


몇 년 전에 기판을 제작하는 한 회사에서 Cu block을 사용해서 AP 발열 성능을 개선했다는 뉴스가 있었습니다. AP 패키지에 사용하는 기판에 특히 hot spot이 발생하는 곳 바로 아래에 Cu block을 집어넣는다는 발상입니다. 어느 칩이든지 Hot spot이 발생할 수 있습니다. 특정 기능을 작동하면 칩의 일부 면적에서만 발열할 수 있고 그 부분만 상당히 뜨거워지는 현상이 발열할 수 있습니다. Cu block이 과연 얼마나 효과가 있는지 평가해봤습니다. 


▲ Fig7. Embedded Cu block in Substrate


유한요소 분석을 했습니다. 조건은 역시 JEDEC에서 규정한 보드와 실험조건을 그대로 모사했습니다. AP 칩 내에 1W의 Hot spot이 있다고 가정하고 그 위치 아래에 Cu block 역시 모사하였습니다. 결과를 보면 Cu block을 넣었음에도 온도는 거의 차이가 없다고 볼 수 있습니다. 


▲ Fig8. Max die temperature comparison with embedded Cu block


기대했던 것과 달리 개선의 효과는 볼 수 없었는데요. 왜 그럴까요? 구리는 다른 절연체는 물론이며 상대적으로 높은 열전도도를 갖습니다. (387W/mK) 하지만 아무리 열전도도가 높더라도 열은 솔더볼을 통과하여 보드로 열이 전달됩니다. 즉 솔더볼과 보드가 그대로라면 Cu block의 효과는 그대로입니다. 대신 Heat Capacitor의 역할을 한다고 볼 수 있습니다. 


▲ Fig9. Cu block의 Heat capacitor 역할


일반적으로 열전달 해석을 할 때 두 가지 방법이 있습니다. 정상상태와 과도 열 해석입니다. 모로 가도 서울만 가면 된다는 말이 있죠? 빨리 가든지 천천히 가든지 목표로 했던 곳에 도착한다면 결과는 같다고 볼 수 있습니다. 속도는 고려하지 않고 최종적으로 평형 상태에 이르렀을 때의 결과를 분석하는 방법을 정상상태(Steady state) 해석이라고 합니다. 그런데 시간에 따른 변화를 보겠다면 과도(Transient) 열 해석을 하게 됩니다. 아래 그림을 보면 Hot spot을 포함하여 3.5~4.5W를 주기적으로 바꿔주는 환경에서 AP 칩의 온도를 평가했습니다. Power 변화와 비슷하게 AP 칩의 온도도 오르락내리락했습니다. 정상상태 해석에서는 차이가 없었지만 과도 해석에서는 Cu block에 따라 0.6℃ 정도 온도가 내려갔습니다. Cu block 때문에 AP 칩의 온도가 조금 천천히 올라갔다고 볼 수 있습니다. 이 정도로 별 효과가 있냐고 할 수 있습니다만 순간적으로는 최대 9W까지도 Power가 사용될 수 있으니 저 정도의 차이도 유의미할 수 있다고 합니다.


▲ Fig10. Dynamic Power에 따른 과도 열 해석 결과

  

이런 효과 때문에 Cu block을 적용했던 것 같습니다. 아래 그림은 일정한 power를 사용하여 발열하였을 때에 과도 해석 결과입니다. 아주 오랜 시간이 지나면 Cu block의 유무와 상관없이 앞서 보였던 결과처럼 최종 온도는 비슷해집니다. 하지만 아래 결과를 보면 Cu block이 있을 때 상대적으로 천천히 온도가 올라갑니다. 칩 온도는 천천히 올라가고 빨리 식을수록 칩 설계에 큰 이점이 있다고 합니다. 같은 해석 조건에서 Cu block으로 인해 특정 온도에 도달하는 시간이 상당히 지연되었다고 볼 수 있습니다.

 

▲ Fig11. Cu block에 따른 과도 열 해석 결과

 

AP 패키지의 열 성능을 평가하면서 JEDEC 조건 외에도 실제 스마트폰 환경에서도 평가해볼 필요가 있었습니다. 여기에는 이태리 장인이 한 땀 한 땀 정성을 들이듯이 실제 스마트폰을 분해해서 구조와 치수를 분석했습니다. 


▲ Fig12. Smartphone Thermal modeling

 

모델이 복잡하며 사용된 소재의 물성을 확인하기가 쉽지는 않았습니다만 JEDEC 환경보다 좀 더 실제와 유사한 결과를 얻는 데 사용하고 있습니다. AP 패키지의 뿐만 아니라 주변의 온도 분포도 평가할 수 있습니다. 


▲ Fig13. 스마트폰 모델링의 열 해석 결과

 

이번 이야기에서는 스마트폰에 사용되는 Mobile AP와 패키징에 대해서 간단히 살펴봤습니다. 열 성능 개선을 위해 몇 가지 아이디어와 분석 결과도 설명했습니다. 아주 작은 개선 효과가 과연 도움이 될까 싶을 정도지만 그 정도의 작은 차이라도 유의미할 만큼 기술의 발전 정도와 한계 근처에 있다고 생각합니다. 그럼에도 더 나은 개선을 만들기 위한 고민이 엔지니어의 역할이겠지요. 제 고민은 다음은 또 어떤 이야기를 써볼까 입니다. 하하. 한 달 동안 고민하고 또 다른 이야기로 찾아뵙겠습니다.




WRITTEN BY 정규익

청운의 푸른 꿈을 안고 앰코에 입사한 지 어느덧 만 10년이 되었군요. 10년이면 강산도 변한다는데 마음만은 늘 신입사원처럼 모든 일이 신기하고 궁금해서 즐겁게 일했으면 하는 바람입니다.