오늘날에는 열 성능에 대한 반도체 디바이스 사용자들의 인식 수준이 몹시 높아졌다. 현재 열 성능은 인기 있는 제품 품질의 한 축을 차지하고 있다. 신뢰성으로부터 클럭 속도에 이르기까지 많은 것에 영향을 미치기 때문이다. 이제는 열 특성 측정을 모든 전자 부품이나 시스템의 설계 프로세스에 일상적인 단계로서 포함시켜야 할 때다.
데이터 전송속도에서 피처 크기 그리고 LED 광출력에 이르기까지, 반도체의 최상급 성능들이 한껏 홍보되고 있다. 이러한 가운데서도 아무런 언급도 되지 않는 것이 하나 있다. 정션온도가 바로 그것이다.
정션온도(TJ)는 고전류 및/또는 빠른 전원 개폐속도에 따라 원치 않는, 하지만 피할 수 없는 부작용을 일으킨다. p-n 접합부는 CPU 칩 상의 수백만 개 중의 하나이든, 혹은 파워 LED 내에 단 하나 밖에 없는 것이든 상관없이 열을 만든다.
지난 20년 간 업계는 소모 전력이 수십 배씩 증가하는 것을 목격해 왔다. 성능이 높아짐에 따라 소모 전력과 온도 또한 더욱 높아짐을 의미한다.
이러한 현상으로 인한 결과는 명백하다. 정션온도가 10° 증가하면 반도체 장치의 기대 수명은 최대 50%까지 줄어든다. 이로 인해 서로 다른 열팽창 특성을 갖는 패키징 소재들의 계면부분을 열화하게 만들며, 나아가 장치를 파괴할 위험도 있다. LED에서는 정션온도가 증가함에 따라 휘도와 색상 모두에 악영향이 미친다.
안전성과 냉각이라는 두 가지 화두는 단지 발열의 원인인 반도체 장비뿐 아니라 시스템 전체의 설계에까지 영향을 미친다.
앞서 나열한 모든 사실들은 칩 수준에서의 열 특성은 물론, 열 인터페이스 소재(TIM)와 심지어 히트싱크까지도 철저하게 파악할 필요가 있음을 시사한다. 진정한 이해는 실제 장치에 대해 물리적 측정을 수행함으로써 얻을 수 있다.
Mentor Graphics MicReD T3Ster는 동급 최상의 열 특성 측정 시스템으로, 이러한 응용사례에 필요한 효율성·재현성·유연성·사용 편의성을 제공한다.
열 특성 측정을 모든 전자 부품이나 시스템의 설계 프로세스에 일상적인 단계로서 포함시켜야 한다. 왜 그래야 하냐고? 충분한 이유가 적어도 열 가지는 있다.
1. 초기 제품 불량에 대비한 보험 조치
정션온도 측정(Junction Temperature Measurements)은 이름에서 알 수 있듯, 정확한 정션온도를 측정하기 위한 목적으로 고안된 방법이다.
정션온도를 정량화하는 것은 사전에 제품 설계에 불량이 없도록 하기 위한 ‘사전 분석’ 영역의 한 부분이다. 이는 설계자들이 예측하지 못했던 높은 수준의 정션온도를 감지하고, 장비의 구동 전류를 낮추거나 다른 부품을 선택하도록 돕는다. 이를 통해 설계 과정 후반은 물론, 최악의 경우 시판 이후에 일어날 수 있는 고장을 미연에 방지한다.
오랜 경험을 통해 제조업자들은 잘못 선택한 부품을 설계단계에서 재고하는 비용이 고객의 손에 들어간 제품을 리콜하는 데에 필요한 비용보다 수십 내지 수백 배 적게 든다는 것을 알고 있다.
2. 완전한 열 전달 경로의 구현
동작 상태에서의 단일 정션온도 측정은 설계의 성공 여부를 나타내는 합리적인 예측변수이다. 하지만 장치를 켜거나 끌 때 발생하는 정션온도 변화량을 측정하면 한층 더 유용한 정보를 얻을 수 있다.
ΔTJ(t)값(여기서 괄호 안의 t는 접합부 온도의 시간에 따른 변화, 즉 열 과도 현상을 보여준다. t의 값을 0으로부터 무한대까지에서 취한 뒤 이를 인가된 전력으로 나누면 열 임피던스를 얻게 된다. 편집자 주)의 측정을 통해 열을 발생시키는 정션을 넘는 열 전달 경로를 관찰할 수 있다. 단, 시간에 따른 온도의 변화량 측정이 충분한 정확도와 해상도로 이루어지고, 이 데이터에 대해 엄격한 후 처리가 이루어졌다고 가정했을 경우에 한해 이를 실현할 수 있다.
그림 1은 파워 LED로부터 뻗어 나오는 열전달 경로를 보여준다. 이 경로는 일련의 인터페이스들로 이루어져 있으며, 열의 흐름에 대해 저마다 독자적인 반응을 보인다. 예를 들어 히트 슬러그(Heat Slug)는 열을 효율적으로 전도한다.
이와는 대조적으로, LED를 메탈 코어 인쇄회로기판(MCPCB)에 본딩시키는 접착제의 열전도 효율은 그보다 떨어진다. 물론 경로 상에서의 결함요소들은 열에 대한 반응에 영향을 미칠 수 있다.
이러한 것들이 중요한 이유는 거의 모든 경우 정션부에서부터 열을 제거하고 이를 분산 매체로 유도해야 하기 때문이다. 이러한 분산 매체 역할은 대개 주변 환경의 몫이다. 그림 1의 경우에는 냉각판이 그 역할을 하고 있다.
시간에 따른 온도의 변화량 측정을 이용해 기술자들은 목적에 가장 적합하고 비용 효율적인 소재들을 결정할 수 있다. 냉각판이 정말로 필요한 걸까? 아니면 보다 저렴한 히트싱크로 이를 대체할 수도 있는 걸까? 어떤 종류의 인터페이스 소재를 사용해야 MCPCB를 냉각판에 가장 비용 효율적으로 결합할 수 있을까?
열 측정은 설계자가 광범위한 재료·부품·인터페이스 소재 중에서 가장 적합한 요소를 선택하고, 각 요소의 정밀한 조정을 통해 시스템 설계의 목표를 최상으로 실현할 수 있도록 돕는다.
커넥터와 하우징도 수많은 열 전달 경로 설계의 일부분이다. 이 또한 열 과도값 측정을 통해 관찰할 수 있다. 핀과 리셉터클이 있는 커넥터도 열 전도 경로 상의 또 다른 요소에 불과하다. 측정 시스템이 이를 ‘볼 수’ 있을 만큼 민감하기만 하다면 말이다.
다음 절에서는 이러한 개념에 대한 약간의 배경지식을 제공하고, 그 이점에 대해 설명한다.
3. 시뮬레이션을 위한 소형 모델 개발
크기가 작고 간편한 모델은 오늘날 모든 전자 설계에 사용되는 시뮬레이션 공정의 초석이다. 열 설계 역시 예외는 아니다.
열 영역에서 소형(콤팩트) 모델의 역할은 단지 열 전달 경로 상의 열 저항과 캐패시턴스를 표시하는 데에서 그치지 않는다. 소형 모델은 독점적인 부품 정보를 가지고 있는 매체를 제공하는 한편, 그 수령자(어쩌면 다른 기업의 시스템 설계자)가 자신의 응용사례에서 장치설계에 이용할 수 있는 성능 특성도 제공한다. Mentor Graphics FloTHERM과 같은 툴은 그림 2에서 볼 수 있듯 파워 트랜지스터나 LED와 같은 장치의 측정된 값들 및 소형 모델을 반영하여 최종 애플리케이션에서 해당 부품의 열 특성에 대한 신뢰성 있는 예측을 제공하도록 설계되어 있다.
앞서 설명한 모든 공정은 모든 것은 T3Ster 시스템을 이용해 얻은 열 과도값 측정에서 도출한 누적 구조함수 그래프로부터 시작된다.
열은 소스(정션부)로부터 멀어져 감에 따라 열 저항(RTH) 및 열용량 속성과 마주치게 된다. 그림 3은 열이 겪게 되는 여정을 나타낸다. 이런 종류의 플롯에서는 열의 근원점이 그래프의 원점과 일치한다. 위로 향하는 각 단계는 하나의 저항으로부터 캐패시턴스를 통해 또 다른 저항으로 나아가는 열의 진행 과정을 나타낸다.
이 그래프를 열 경로의 로드맵으로 삼으면 각 개별 소재들이 이러한 경로를 따라 나타내는 성능을 손쉽게 평가할 수 있다. 예를 들어, 칩 자체의 RTH/CTH 비율은 낮지만, 서멀 그리스나 플라스틱의 층은 그 비율이 훨씬 더 높을 수 있다.
T3Ster 시스템은 정상상태 모델링을 지원하기 위한 측정을 보다 손쉽게 수행할 수 있다. RthJC로 알려져 있는 열 저항값 하나면 충분하다. 여기서 JC라는 문자는 ‘접합부에서 케이스까지(junction-to-case)’를 나타낸다.
LED 패키지의 동적 콤팩트 모델이 필요하다면 단순한 RthJC 저항값을 접합부로부터 케이스에 이르는 열 전달 경로 전체의 열 임피던스에 대한 적절한 모델로 대체해야 한다. 이러한 값들 역시 T3Ster를 이용한 측정으로부터 얻을 수 있다.
누적 구조함수의 단계적 근사치를 이용해 여러 단계에 걸친 카우어(Cauer)형 사다리 모델에 대한 일련의 열 저항 및 열용량 값들을 얻을 수 있다. 정션에서 케이스까지의 경로에 대한 RC 모델은 그래프 밑에 표시된 바와 같다. 여기서도 각각의 저항이나 용량은 이제는 정량화된 값을 갖는 실제적인 물리적 특징을 나타낸다. 이는 고객이 개발 중인 응용사례 내의 장치를 모델화하기 위해 필요로 하는 모든 정보에 해당된다.
그러나 라이브러리 모델이 실세계의 부품에서 나타날 수 있는 수많은 결함들을 전부 반영하는 경우는 드물다. 결합 표면이 평탄하지 않을 수도 있고, 접착제나 그리스의 도포가 균일하지 않을 수도 있으며, 소재가 공차누적(tolerance stacking) 효과를 겪을 수도 있다. 또한 라이브러리 모델이 낡은 것이거나 혹은 현존하는 최신 툴보다 훨씬 정확성이 떨어지는 툴을 이용한 측정에서 얻은 것일 수도 있다.
이와 같은 예기치 않은 문제들은 실제적인 열 특성에 영향을 미친다. 이에 대한 해결책은 샘플 장치에 대해 엄격한 열 측정을 수행함으로써 라이브러리 모델들이 필요로 하는 만큼의 정확성을 갖도록 만들고, 해당 모델들을 개선해야 할 경우 이를 지원할 수 있는 데이터를 제공하는 것이다.
오늘날의 일부 도구, 그 중에도 특히 MicReD T3Ster는 구형 측정 시스템보다 최소한 10배는 높은 열 해상도를 제공하고 있다.
5. 떠오르는 산업 표준의 준수
열적인 면에서 중요한 것이 무엇인가에 대한 해석은 대부분 부품 최종 사용자의 몫으로 남겨져 있다. 예를 들어 장비의 사양은 좁은 주변온도 범위 내에서 부품의 행동특성을 요약해 보여줄 수 있지만, 이는 해당 장비가 일상적인 실제 상황에서 맞닥뜨리게 될 상황과는 전혀 동떨어진 것이다. 다른 업계 종사자들이 이미 경험했듯이, 모호하거나 일관성 없는 사양의 실현은 신기술의 수용을 방해하고 업계의 성장을 지연시킨다.
이른바 개별적인 정상상태의 열 측정치를 측정하기 위한 열 표준은 수십 년 전부터 사용되어 왔다. JEDEC JESD51 제품군도 그 중 하나이다. 그러나 과도적 행동특성을 나타내는 동적 열 속성을 정의하는 표준은 어디에도 없었다. 이제는 업체와 사용자 모두가 이 점을 인식하고 있다. 상황이 변화하고 있는 것.
열 과도 특성의 측정 및 표시를 위한 실질적인 제안들이 JEDEC 및 기타 단체들의 후원 하에 등장하고 있다. 이에 머지않아 본격적인 표준으로서 등장 및 시행될 예정이다.
최근의 진전사항 중 하나는 JEDEC JC15 위원회가 전력 반도체의 접합부에서 케이스까지의 열 저항을 측정하기 위한 과도적인 방법들을 다루고 있다는 것이다. 새로운 방법은 구조 함수를 토대로 하고 있는데, 이는 RthJC의 측정에 있어서 기존의 정상상태 방법들보다 훨씬 높은 반복가능성을 제공한다.
게다가 싱글 다이 열 측정 기술은 멀티 다이 패키지(스택드 다이)나 측면 배열된 SiP를 망라하도록 확장되고 있다. 또한 파워 LED의 측정 표준 개발 역시 JEDEC 위원회와 CIE(Commission Interna-tionale de I’Eclairage, 국제 조명 위원회)의 계획에 포함되어 있다.
JEDEC는 지난 2010년과 2011년에 걸쳐 여러 새로운 열 시험 표준들을 내놓았다. 이러한 표준화 추세는 열 측정(열 과도현상을 비롯한)이 반도체 부품을 사용하는 거의 모든 설계 프로젝트에 있어서 일상적인 부분이 될 가능성이 높음을 시사한다.
6. 정확하고 검증 가능한 제품 데이터의 발표
반도체 최종 사용자들은 제품 제조업체들이 발표하는 장치의 성능자료에 의존한다. 부품 데이터시트는 특정한 대역폭과 에지율(edge rate), 타이밍 및 진폭 값, 그리고 심지어는 물리적인 치수까지도 제공한다. 새로운 열 표준이 도래함에 따라, 데이터시트는 특히 파워 LED에 있어 열 특성에 대한 새롭고도 보다 심층적인 세부사항까지 밝혀야 한다.
오늘날에는 패키지의 콤팩트 열 모델을 가지고 작업할 수 있는 열 시뮬레이션 툴들이 점차 보편화되고 있다. 따라서 엔지니어들은 이제 이 중요한 데이터를 제조업체의 재량에 맡겨둘 필요가 없다.
통합된 열 측정 솔루션을 선택함으로써 반도체 업체들은 정확한 열 성능 데이터를 습득 및 분석하고 문서화하며 손쉽게 발표할 수 있는 수단을 갖게 된다. 정보는 측정 시스템으로부터 분석 소프트웨어로, 그리고 스프레드시트와 데이터베이스로 이식되며, 최종 사용자가 시스템 수준 제품들에 부품을 설계해 넣을 때 필요로 하는 도표 및 그래프를 생성하게 된다.
7. 제조성과 생산의 지원
앞서 설명한 구조 함수를 통해 다이 부착 품질과 같은 패러미터들의 문제점을 신속하게 밝혀낼 수 있다. 따라서 생산이 시작되기 전에 공정 단계들을 개선할 수 있다.
또한 고 신뢰성 응용사례나 스트레스가 많은 환경을 겨냥한 부품 등, 필요하다면 열 측정 시스템이 인라인 다이 부착 테스트를 수행하도록 적응시킬 수도 있다. 이 같은 경우에는 높은 처리 속도의 다채널 열 테스트를 제조 흐름 속에 짜 넣는 것이 바람직하다.
이러한 측정은 로트별 변화와 수율 급락을 감지해 추적하거나, 공급업체 및 기타 제조업체들의 관련 제품 및 공정들을 분석하는 데에도 유용하다.
8. 환경 변수의 통제
임의의 장치에 대해 신뢰성 있고 콤팩트한 열 모델을 개발하기 위해서는 안정적인 환경 내에서 측정을 수행해야 한다. 많은 준수 체계들이 테스트 환경을 매우 상세하게 정의하고 있다. 그 한 예가 콤팩트한 열 모델을 생성하기 위한 DELPHI 방법론이다. JEDEC가 내놓은 콤팩트 모델링 지침에는 유용한 반도체 장치 패키지 모델을 생성하기 위해 필요한 정의와 절차들에 대한 포괄적인 설명이 포함되어있다.
LED의 특성 분석은 환경 변수를 통제해야 할 필요성에 대한 바람직한 예이다. LED의 색상은 부품이 가열됨에 따라 변화한다. 순수한 열 판독치가 필수적이며, 그에 따른 색상 및 장치 효율성의 변동도 관찰 및 측정해야 한다.
그러나 이는 일반적인 실험실의 눈부신 천장 조명 하에서는 감지하기가 매우 어렵다. 또한 외부 조명 조건으로 인해 판독치가 변질되도록 허용되어서는 안 된다. 광 출력의 특성 분석에는 열 측정의 전류와 열 뿐만 아니라 그림 3의 MicReD TERALED 시스템에 포함된 일종의 소형 ‘암실’이 필요한 이유다. 이 영역 내에서 LED의 빛은 외부의 영향으로부터 방해받지 않는다. 암실 환경은 광속과 색 좌표 그리고 에너지 변환 효율성을 정확히 측정하는 데에 필수적이다.
주변 공기의 움직임도 열 측정 시 고려해야 할 또 다른 사항이다. 주변에서 부는 가벼운 바람조차 장치의 정션부로부터 열을 빼앗아감으로써 TJ의 측정에 영향을 미치고, 이로 인해 누적 구조함수의 플롯에까지 영향을 미칠 수 있다. MicReD T3Ster와 같은 본격적인 측정 시스템들은 일련의 환경 솔루션들을 제공한다. 여기에는 JEDEC을 준수하는 무풍 공기실과 필요에 따라 장치(DUT)의 방향을 조정하기 위한 고정장치가 포함되어 있다.
오늘날의 제품 개발자들은 전기 자동차용의 모터 드라이버 부품들, 비디오 장치와 같은 대면적의 IC, 대형 LED 어레이 등을 개발해야 한다. 이들 장치들은 킬로와트 급의 순간 전력을 요구한다. 고출력 장치의 열 응답과 그 열 전달 경로를 특성분석하기 위해서는 해당 경로를 매우 높은(그러나 순간적인) 전류로 자극해야 한다.
이 응용사례에 대한 측정 시스템 요건은 엄격하다. 높은 전압과 전류가 수반되므로 테스트는 효율적일 뿐만 아니라 안전하게 수행되어야 한다. 높은 정확성을 유지해야 하는 것은 물론이다. 이러한 요건들은 그림 4에서 볼 수 있듯 그 핵심 측정 기능들을 고전압·고 전류의 주변장치들을 이용해 명쾌하게 증강시킬 수 있는 확장 가능한 시스템을 요구한다. 이 시스템의 아키텍처는 수백 볼트 및 암페어에 이르기까지 고출력을 보장하고 분석 기능을 지원한다.
10. 품질에 대한 투자
엄격한 열 특성 분석 프로그램과 정확한 방열 데이터 발표를 위한 제조업체의 노력은 제품의 품질에 대한 보다 큰 메시지 전달의 일환으로 해석할 수 있다. 이러한 노력을 이끎과 동시에 열 특성 측정 툴, 기술 및 전략에 투자하는 업체들은 향후 수 년 동안 고객들의 요구에 부응할 수 있는 위치에 서게 될 것이다.
