패키지에서 온도를 낮추는 방법

(지난 호에서 이어집니다) 첫 번째는 열 방출이 좋은 패키지를 선택해야 합니다. 패키지 구조에 따라 열 저항이 큰 차이를 보입니다. 보드로 열 방출이 잘 되려면 MLF처럼 패키지 바닥 면에 금속판이 노출되거나 칩 위에 금속 방열판을 붙이는 FCBGA도 고려할 수 있습니다. 하지만 패키지를 선정할 때는 크기와 필요한 입출력 핀의 개수, 가격 등도 같이 고려해야 하므로 종합적으로 판단해서 패키지를 선정할 필요가 있습니다.

▲ 패키지 구조에 따른 열 저항 개선

두 번째는 열전도도가 높은 재료를 사용해야 합니다. 칩을 둘러싸고 있고 패키지 재료들의 열 전도도가 높아지면 그만큼 열 방출에 도움이 됩니다. 칩을 보호하는 EMC, 칩을 기판에 붙일 때 사용하는 에폭시(Epoxy), 언더필(Underfill), 기판의 코어 등등 높은 열전도도를 갖도록 개발하고 있습니다. 그렇다고 열전도도가 두 배, 세 배가 되었다고 그만큼 열 저항이 향상되지는 않습니다.

▲ 높은 열전도도 재료를 통한 열 저항 개선

PBGA라는 패키지가 있습니다. 열 저항 개선을 위해 높은 열전도도를 갖는 구리 소재의 방열판을 포함한 것이 TEPBGA2(Thermal Enhanced PBGA)입니다. 보통 EMC의 열전도도가 1W/mK 미만인데, 그에 반해 구리는 387W/mK 정도 됩니다. 패키지 크기에 따라 차이가 있지만, 보통 10~20% 정도의 열 저항 감소를 기대할 수 있습니다. 3W/mK 이상 높은 열 전도도의 EMC도 개발되어 사용하고 있습니다. TEPBGA2에 높은 열 전도도의 EMC를 사용한다면 열 저항을 훨씬 더 낮출 수 있습니다. 하지만 앞에서도 말했듯이, 소재가 비싸고 공정도 까다로워지므로 종합적으로 판단해서 패키지 종류와 재료를 선정해야 합니다.

CFD 프로그램을 활용한 패키지 열 성능 예측과 평가

고객들은 자신들이 개발하고 있는 제품이 문제없이 잘 만들어질 수 있고 동작할 수 있을까를 고민합니다. 발열 문제도 그중 하나고, 최근에는 더 부각되고 있습니다. 만약, 문제가 될 것 같다고 해서 모든 종류의 패키지를 다 만들어보고 열전도도가 좋은 재료들을 하나씩 적용하면서 실제로 테스트를 한다면 필요한 시간과 돈은 엄청납니다. 그래서 CFD (Computational fluid dynamics) 프로그램을 사용하여 패키지를 모사하고 같은 환경을 설정해서 실제로 패키지에 발생하는 열을 예측할 수 있습니다. 그렇다면 실제 테스트보다 훨씬 짧은 시간 내에, 저렴한 비용으로 패키지의 열 성능을 예측할 수 있습니다. 요즘은 프로그램도 많이 좋아지고 컴퓨터도 좋아져서 이른 시일 내에 고객의 요청에 대응합니다. 패키지뿐만 아니라 패키지가 사용된 복잡한 시스템에서도 예측할 수 있습니다.

▲ CFD프로그램을 사용하여 네트워크 장비의 열 성능 예측 시뮬레이션

지금까지 패키지의 발열 문제와 어떻게 하면 열을 낮출 수 있는지에 대해 알아봤습니다. 발열 문제를 해결하기 위해 패키지를 설계하는 팀, 재료를 개발하는 팀, 패키지의 열 성능을 평가하는 팀이 한데 어우러져, 고객에게 최적의 패키지를 제안하고 발열 문제를 해결해 갑니다.

따뜻함은 어느 누군가에게는 추위를 이길 수 있는 소중함이지만, 우리가 날마다 마주하고 있는 패키지에는 피하고 싶은 불청객입니다. 오늘도 어떻게 하면 패키지 온도를 조금 더 낮출 수 있을까 고민입니다만, 추워지는 날씨에 마음만은 따뜻함을 고이 간직하고 싶습니다. (^_^)