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.





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Mobile AP (Application Processor)


안녕하세요. 어김없이 한 달은 금방 지났고 기다리시던 독자분들을 위해 어떤 이야기를 할까 고민했습니다. 이번에는 모바일 AP와 패키징에 관해서 이야기하려고 합니다. 메이저 회사들은 앞다투어 최신 스마트폰을 출시하고 있습니다. 성능만 놓고 보자면 10여 년 전의 데스크톱보다도 훨씬 더 좋은 것 같습니다. 크기는 말도 안 되게 작은데 기능이나 성능은 비약적으로 발전했다고 볼 수 있습니다. 컴퓨터에는 크게 세 가지 중요한 칩이 있습니다. 흔히 알고 있는 CPU가 있습니다. 다음으로는 North bridge, South bridge chip이 있습니다. CPU에서 연산한 데이터를 주고받는 North bridge가 있고 키보드, 마우스, USB, 모니터 등등의 장치와 연결하는 역할을 하는 South Bride 칩이 있습니다. 크게 세 종류의 칩이 있어야 컴퓨터가 작동할 수 있습니다. 그렇다면 우리가 사용하는 스마트폰은 어떻게 되어 있을까요? 물론 지금 쓰시고 있는 폰을 분해해봐도 좋지만 재조립이 자신 없다면 참아주세요. 검색사이트에서 조금만 찾아봐도 스마트폰의 메인보드 사진을 볼 수 있습니다. 


▲ Fig1. 컴퓨터 메인보드


▲ Fig2. Position of the Northbridge and Southbridge on a Motherboard


딱히 설명서가 없으니 앞서 말한 세 종류의 칩이 어디에 있을까 찾기는 쉽지 않은데요. 그림에서 표시한 AP (application processor)에 위에 세 가지 칩의 기능을 모두 합쳐 놓았습니다. North bridge, South bridge 칩이 하던 역할을 작은 AP 안에 다 집어넣는 기술을 SoC (System on Chip)라고 합니다. 십수 년 전에 벽돌처럼 크던 전화기가 지금처럼 작아진 이유이기도 합니다. 


▲ Fig3. Mobile AP on Smartphone

AP를 메인보드에 실장하기 위해서는 패키징을 해야 하겠죠. 제가 하는 일이 유한요소 해석을 사용한 특성 평가라고 말씀드렸죠? 지금부터는 AP 패키징에 대해서 그리고 제가 하는 열 특성 평가와 관련된 내용을 이야기해 보겠습니다. 


AP 패키징


Mobile AP에 가장 많이 사용되고 있는 패키징 플랫폼은 PoP (Package on Package)입니다. 그 말 그대로 패키지 위에 패키지를 쌓은 구조입니다. 스마트폰의 크기와 두께가 더욱 얇아지다 보니 메인보드 면적도 넉넉하지 못합니다. 그래서 메모리 패키지를 AP 패키지 위에 수직으로 쌓는 구조가 현재 가장 많이 사용되고 있습니다. 그러려면 TMV (Through Mold Via)를 통해 AP와 메모리 패키지 사이를 연결해줘야 합니다. 저렇게 PoP구조를 만들면 두께는 얼마 정도가 될까요? 한없이 얇아지기를 바라는 고객의 염원을 담아 1mm 이하의 요구도 들려오고 있습니다. 



앞서 이야기에서 스마트폰의 발열 문제를 이야기했는데요. 스마트폰에서 대부분 열은 이곳 AP에서 발생합니다. 가로세로 15mm 정도에 많게는 3Watts 이상이 발열되기도 합니다. 여기에서 발생하는 열을 빨리 방출시켜줘야 따뜻하다 못해 뜨거워지지 않을 수 있습니다. AP의 방열 개선을 위해 몇 가지 연구를 소개합니다.


Thermal Interface Material


일반적으로 보드 위에 실장된 패키지에서 발생한 대부분 열은 보드를 통해 방출됩니다. 다시 말해 패키지 위쪽 면을 통해 공기 중으로 열 방출은 그리 많지 않다는 의미입니다. 패키지 표면을 통한 열 방출을 개선하기 위해 Heatsink를 붙이기도 하는데요. 스마트폰처럼 얇은 공간 안에 우리가 흔히 알고 있는 Heatsink를 붙인다는 건 불가능합니다. 그 대신 AP 패키지가 스마트폰의 넓은 면적의 하우징과 연결된다면 Heatsink 효과를 얻을 수 있습니다. 그래서 이미 대부분 스마트폰에는 패키지와 하우징 사이에 TIM (Thermal Interface Material)을 사용해 접촉되어 있습니다. 대부분 열은 AP패키지에서 발생하는데 하우징으로 열이 방출되려면 메모리 패키지를 거쳐야 합니다. AP 패키지에서부터 하우징에 이르기까지의 열저항을 낮추려면 어떻게 해야 할지를 고민하다가 두 패키지 사이에 전도성 접착제를 도포를 해보았습니다. 


▲ Fig4. 스마트폰 단면도


▲ Fig5. TIM (Thermal Interface Material between PoP)


JEDEC에서 규정한 보드와 측정 조건을 고려했습니다. AP와 메모리 패키지 전체에 2.5Watts가 발열했을 때에 TIM에 따라서 온도는 대략 1도 정도 감소했습니다만 Theta JA기준으로는 5% 가까이 개선된 결과를 보였습니다. TIM을 통해 패키지가 Housing에 접촉했을 때에 발생한 열의 절반 이상이 Housing을 통해 방출되었고 TIM을 사용하면 약간 더 증가하는 것을 확인할 수 있습니다. (다음 호에서 계속)



▲ Fig6. TIM사용과 열전도도 증가에 따른 AP 온도 변화




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.





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