[건강한 반도체 이야기] 뜨거운 패키지, 1편

안녕하세요? 무더운 여름이 지나고 아침저녁으로는 선선하다 못해 두꺼운 옷을 빨리 꺼내야 할 것 같은 가을이 성큼 다가왔습니다. 가을의 풍성함과 아름다움을 충분히 느끼고 싶지만 단풍은 금방 떨어질 것 같고, 얼마 지나지 않아 추운 겨울이 곧 다가올 것만 같습니다. 추위를 이겨내려고 보온 성능이 뛰어난 옷을 준비하고 찬바람이 들어오지 않도록 집 안 구석구석을 살피는 일도 곧 해야 할 것 같습니다. 추워지면 따뜻한 온기는 더할 나위 없이 반갑지만 우리가 늘 고민하는 패키지에서는 달갑지 않은 손님입니다.

시간이 지날수록 패키징 기술의 수준도 그 끝이 어디까지일까 할 만큼 많이 발전하고 있습니다. 더 작아지고 얇아졌지만 더 많은 기능을 더 빨리 구현해 내고 있습니다. 하지만 끝없이 달려가던 기술력도 패키지의 열 문제를 무시하지 못하게 되었습니다. 발열 문제는 단순히 뜨거워지는 문제를 넘어 전자제품의 성능을 좌우하고 안전까지도 영향을 미치게 되었습니다. 어떤 고객사는 야심 차게 출시한 AP (Application Processor)의 발열 문제로 최대 고객에게 제품 납품에 실패했고, 이후 급격한 실적 악화와 구조조정의 아픔을 겪어야만 했습니다. 이렇듯 발열 문제는 칩 설계에서부터 최종 제품 설계에 있어서 중요한 요인이 되었습니다. 칩을 만드는 고객뿐만 아니라 패키징을 하는 앰코에서도 어떻게 하면 발열 문제를 해결하는 데 도움이 될지를 같이 고민하고 있습니다. 그렇다면 패키지에서는 왜 열이 발생하고 어떻게 하면 발열 문제 해결에 도움이 될지, 한 번 알아보도록 하겠습니다.

▲ 스마트폰의 발열

사진출처 : https://goo.gl/iJis0j

패키지에 열이 발생하는 이유

반도체 패키지 내부에 있는 칩을 동작시키려면 솔더볼 혹은 리드를 통해 칩에 전류를 흘려줍니다. 중고등학교 다닐 때 물리 시간을 기억하시나요? 에너지(Watt)는 전압(Voltage, V)과 전류(Current, I)의 곱으로 표현됩니다. P=V×I, 전류를 흘려주면 패키지에는 에너지가 전달되는 셈입니다. 그리고 이 에너지는 또 다른 형태로 변환이 될 텐데요, 우리가 승용차에 휘발유를 주유하면 차가 움직일 수 있고 밤에는 어둠을 밝히려고 전조등을 켭니다. 가끔은 졸음을 깨우려 시끄러운 음악을 틀기도 하고 춥거나 더우면 히터와 에어컨을 켤 수도 있습니다. 휘발유가 여러 형태의 에너지로 변환되었습니다. 그렇다면 반도체 패키지는 어떤 종류의 에너지로 변환이 되었을까요? 설마 패키지 안에서 칩이 움직이거나 소리를 지르지는 않겠지요?

칩으로 흘러들어 간 전류는 트랜지스터를 작동시키지만 대부분 열에너지로 변환이 됩니다. 문헌을 보면 95% 이상, 대부분 열로 변환된다고 합니다. 그렇다면 뜨거워지지 않게 스마트폰을 쓰면 되겠지만 100만 원 가까이하는 스마트폰인데 전화나 문자만 보내고 있을 수는 없겠지요. 요즘 스마트폰은 과거에 데스크톱에서나 가능했던 기능들, 예컨대 3D 게임이나 요즘은 가상현실(virtual reality)까지도 구현이 되는데요, 그러려면 필요한 에너지도 많아지겠고 칩 온도도 같이 올라갈 수밖에 없습니다. 그래서 칩을 설계하는 고객들은 저전력으로도 작동할 수 있도록 설계하겠지만, 패키징에서도 온도를 낮출 방법들을 같이 고민하고 있습니다.

   

▲ 고성능 스마트폰 기기들

사진출처 : (좌)https://goo.gl/Ai0pxh/(우)https://goo.gl/mSnBPu

패키지에서 열은 어떻게 전달될까요?

칩을 작동시키면 패키지에서 열이 발생하고 그 열은 패키지가 실장된 보드와 공기 중으로 열이 전달됩니다. 패키지의 구조와 어떤 재료를 사용하느냐에 따라서 얼마나 열이 잘 전달될 수 있는지 결정됩니다. 열 전달이 가장 잘 되는 것은 보드를 통한 전도입니다. 강제로 바람을 불어주거나 외부의 냉각 장치를 부착하지 않는다면 보통 90% 이상의 열이 보드를 통해 방출됩니다.

▲ 패키지의 열 전달 구조

전기 저항처럼 패키지의 열 성능을 평가하는 열 저항이 있습니다. 패키지가 실장되는 곳은 천차만별입니다. 워크스테이션, 벽걸이TV와 같이 큰 제품에서부터 우리가 쓰고 있는 작고 얇은 스마트폰까지, 패키지 주변 환경에 따라 열 저항은 얼마든지 달라질 수 있습니다. 그래서 JEDEC(국제 반도체 공학 표준 협의기구)이라고 하는 곳에서 보드(Board)의 크기와 구성, 열 저항을 측정하는 챔버 등에 대해서 표준화를 했고, 그 규정에 따라 열 저항을 측정하게 됩니다. 가장 기본적인 것으로 Theta JA가 있습니다. 칩을 작동시켰을 때에 칩 온도와 패키지를 둘러싸고 있는 대기의 온도 차이를 칩에 인가한 Power로 나눈 값입니다. Theta JA를 사용하면 칩 온도를 예측하거나 혹은 사용할 수 있는 최대 Power도 예측할 수 있습니다.

또 다른 열 저항으로는 Theta JC가 있습니다. 예를 들어, 컴퓨터 본체를 열면 그 안에 무지막지하게 큰 히트 싱크(Heat sink)와 팬(Fan)이 보입니다. 컴퓨터는 잘 몰라도 CPU는 한 번씩 들어보셨을 텐데요, CPU 속도가 빨라야 컴퓨터가 버벅거리지 않는다는 것도 아시겠지요. 

▲ 패키지 열저항 온도 측정 위치 & CPU 히트싱크와 팬

CPU의 성능이 좋아지면서 그만큼 더 많은 전력을 소비하고 열이 발생합니다. 열을 강제로 식히려고 히트 싱크를 부착하고 팬으로 바람을 불어줍니다. 이럴 때는 패키지와 보드 사이보다는 패키지와 히트 싱크 사이에 저항을 줄이는 것이 더 효과적인데요, 칩과 히트 싱크가 부착되는 패키지 표면의 저항, Theta JC가 중요합니다. 낮을수록 히트싱크와 팬의 효율이 높아져서 결국 패키지의 온도를 가장 효과적으로 낮출 수 있습니다. (다음 호에 계속됩니다)

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WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.

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