3DPP®(3D 파워 패키징)의 발전

3DPP^®(3D 파워 패키징)란 무엇인가?

전자장치 시장이나 응용 분야의 시스템 성능 극대화는 모든 전원 공급 장치, 전력 변환 장치, 필터, 보호 장치, 상호 연결 장치(커넥터, 전선, 케이블, 회로 기판 트레이스 등)를 포함하는 전원 서브시스템에 크게 의존하는 경향이 있습니다. 따라서 크기, 무게 및 전력 지표(이른바 SWaP 요소라고 하며, 비용 지표와 결합할 경우에는 SWaP-C라고 함)에 중점을 두어 특성화가 이루어집니다[1].

SWaP-C 최적화를 지속적으로 추구하는 툴박스에서 가장 좋은 도구 중 하나는 특히 3DPP(3D 파워 패키징)분야의 고급 패키징 기술입니다. 3DPP는 최대 전력 밀도와 최소 설치 공간을 허용하는 새로운 최첨단 조립 공정입니다. 3DPP는 표면 실장형 DC/DC 변환기에 적용될 경우, 동급 최고의 성능과 최대 전력 밀도 및 최소 설치 공간을 겸비한 솔루션을 가능하게 합니다. 그 결과 다른 전력 변환 모듈보다 훨씬 작고 값비싼 공간을 차지하지 않으면서도 여전히 매우 효율적인 전력 제품이 탄생합니다[2].

3DPP 기술은 고유한 부품을 리드 프레임에 직접 장착하여 내부 인쇄회로기판(PCB)이 필요하지 않으므로 모듈 내의 변환 부품에 필요한 공간이 줄어듭니다. 예를 들어 새로 출시된 3DPP 스위칭 레귤레이터 제품 중 하나인 RPX-1.0 은 크기가 3mm x 5mm x 1.6mm에 불과해 집적회로(IC)만큼 작습니다. 이러한 크기 감소를 통해 엔지니어와 설계자는 비용이 많이 드는 맞춤형 변환기 설계를 추구하지 않고도 통합 전력 변환으로 보다 간소화된 PCB 프로파일을 얻을 수 있습니다. 3DPP 기술 기반 장치는 LGA(Land Grid Array), 갈매기 날개형, QFN(Quad-Flat No-Leads), 블록 및 필라, 솔더볼을 비롯한 여러 패키지 유형으로 제공되며 이는 공간 제약이 있는 응용 분야에서 큰 차이를 만들 수 있습니다.

RECOM은 이와 관련하여 가치 제안과 최신 제품에 대한 탁월한 개요를 제공합니다[3]. 아래 그림은 벤치 테스트를 단순화하고 제품 출시를 가속화하기 위해 제시하는 평가 솔루션의 예시입니다.

DC/DC 변환기의 소형화 실현

3DPP와 기타 고급 패키징 기술이 어떻게 DC/DC 변환기의 지속적인 소형화를 이끄는지 이해하려면 부품 기술의 발전과 함께 다양한 패키징 사례를 조금 더 깊이 파고드는 것이 좋습니다.

이전에 분리되어 있던 부품을 단일 어셈블리로 결합하는 것은 새로운 개념이 아니지만 지난 수십 년 동안 방법론 측면에서 큰 발전이 있었습니다. 전력 솔루션에서 통합 모듈은 일반적으로 얇은 FR-4 조각(PCB라고도 함)에 부품을 빽빽이 채워 넣은 다음 일종의 플라스틱 또는 금속 캡으로 덮는 전형적인 개별 구현을 의미했습니다. 금속 캡은 전자기간섭(EMI) 및/또는 열 완화 측면에서 실용적인 역할을 할 수도 있지만, 캡은 대부분 미학적으로 하나의 IC와 같은 어셈블리라는 인상을 주기 위한 용도로 사용되었습니다.

그런 다음 이러한 모든 분리된 부품에 대해 현재 이기종 통합으로 알려진 실제 공정 통합을 추진하는 움직임이 일었습니다. 국제전기전자공학회(IEEE) 전자 패키징 협회(EPS) 이기종 통합 로드맵(HIR)에서 이기종 통합에 대해 내리는 정의는 다음과 같습니다.

“이기종 통합이란 개별적으로 제조된 부품을 전체적으로 향상된 기능과 향상된 작동 특성을 제공하는 상위 수준의 어셈블리로 통합하는 것을 의미합니다.” [4]

HIR은 이 분야에서 첨단(SOTA)을 달리는 워크숍과 컨퍼런스의 수많은 이해관계자와 업계 리더 및 절차가 모여 이룬 최고의 성과였습니다. 이러한 노력에 대한 포괄적인 개요는 이 블로그 기고문의 범위를 벗어나지만, 전력 변환기/솔루션과 관련된 몇 가지 주요 동인을 살펴보고자 합니다. 이 토론의 시작 부분에서 약술한 SWaP 요소의 최적화 노력을 떠올려 보십시오. 크기/무게를 줄이려는 욕구는 더 가시적일 수 있지만 전력 밀도를 높이고 그 목표를 달성하기 위한 전략은 덜 가시적일 수 있습니다.

대부분의 스위칭 전력 토폴로지(즉, 하나의 전압에서 다른 전압으로 전력 변환을 변조하기 위해 세심하게 제어되는 스위치를 사용하는 토폴로지)에서 크기를 주도하는 주요 성능지수(FOM)는 전력 변환기의 스위칭 주파수와 관련이 있습니다. 변환기 설계/부품 계산과 스위칭 주파수 사이의 수학적 관계를 설명하는 일련의 방정식에 대한 개요 대신(간단한 Google 검색만으로도 많은 정보를 얻을 수 있으므로), 여기에서는 몇 가지 경험 법칙만 살펴보겠습니다. 스위칭 주파수는 종종 전원 공급 장치의 전체 크기/무게를 지배하는(그리고 심지어 전체 시스템 크기/무게의 주요 원인이 될 수도 있는) 에너지 저장 및 필터 부품(예: 변압기, 인덕터, 토로이드, 초크, 벌크/전해 캡, 안전 캡 등)의 크기에 반비례합니다.

긴 상호 연결 장치의 인덕턴스 기생 효과와 더 높은 스위칭 주파수에 의해 유도된 빠른 전류 전환[v(t)=L*di/dt]은 변환기의 제어 체계 및/또는 파워트레인에 치명적인 전압 스파이크(즉 과도현상)를 유발할 수 있습니다. 시스템에서 도체의 자연스러운 분리로 인한 커패시턴스의 기생 효과와 더 높은 스위칭 주파수에 의해 유도된 빠른 전압 전환[i(t)=C*dV/dt]은 여러 가지 바람직하지 않은 방식으로 문제를 일으킬 수 있는 재해성 에너지 저장과 순환 전류를 유발할 수 있습니다.

전력 전자 설계에서 와이드 밴드갭(WBG) 전력 반도체(예: 질화갈륨(GaN), 실리콘 카바이드(SiC) 등)의 사용이 증가함에 따라 두 세계의 장점과 단점이 모두 제공됩니다. WBG 장치는 더 큰 열 FOM(신뢰성과 전력 밀도 향상)과 함께 스위칭 주파수를 크게 증가시킬 수 있지만 향상된 전력 밀도 FOM을 보완하는 가파른 학습 곡선을 제공할 수도 있습니다. 이 블로그의 범위를 벗어나지만 WBG 장치용 게이트 드라이버 회로만 하더라도 기존의 실리콘 전력 반도체에 대한 설계 규칙에서 벗어난 스위칭 속도 증가와 과도현상으로 인해 훨씬 더 복잡할 수 있다는 점에 유의해야 합니다[5]. 이러한 문제에 대한 훌륭한 개요와 참고 자료는 여기에서 확인할 수 있습니다. 확실히 향후 논의를 위한 더 깊은 주제이지만, 고주파 자기 재료의 발전이 WBG 기반 솔루션의 중요한 구현 요소이며 이 분야의 연구 격차로 인해 지난 10년 동안 집중적인 관심을 받아왔다는 점에 주목해야 합니다(이 웹사이트 하단에 있는 일부 무료 워크숍 참조).

이제 패키지 크기 축소, 패키징으로 유도된 기생, 반도체의 SOTA 지원에 대한 필요성을 훨씬 더 잘 이해하게 되었으므로 3DPP 제품에서 이기종 통합에 도움이 되고 이를 실현할 수 있는 다른 부품으로 초점을 돌릴 수 있습니다. 또한 전체 전력 솔루션을 축소한다는 것은 다른 능동 장치(예: IC, 스위치)와 수동 장치(예: 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드)를 축소하고 이기종 배열에 내장하여 더 가깝게 묶는 것을 의미합니다. 어느 시점이 되면 내부 패키지 상호 연결 장치(예: 핀, 범프, 패드 등)도 원치 않는 기생을 유도합니다. 수동 장치와 능동 장치를 모두 내장할 수 있는 수많은 기술이 있습니다. 여기서 깊이 다루지는 않지만 평면 자기학의 활용도가 크게 높아졌다는 점에 주목해야 합니다. 이는 육중한 자기 코어 주위에 물리적으로 감긴 배선이 있는 전통적인 자기에서 벗어나 훨씬 더 깔끔하고 엄격하게 제어되지만 반복 가능하고 견고한 자기 부품을 위해 자기 코어 재료 주위에 라우팅된 PCB 트레이스를 사용하는 쪽으로 바뀌고 있음을 나타냅니다. [6]

모든 주요 기술 발전과 마찬가지로 수많은 과제도 해결해야 합니다. 전통적으로 분리된 많은 제조 공정을 결합하려면 적응형 공급망과 학습 곡선이 필요합니다. 서브어셈블리에는 추가 공정 단계가 필요할 수 있으므로 아마도 다른 현장으로의 이동 및/또는 처리가 통합 작업으로 결합될 수 있으며, 여기서 공정 잠식에 따른 새로운 측면에 대한 학습 곡선과 관련 작업자 교육이 발생할 수 있습니다. 제조 공정의 변화와 마찬가지로 공급망 위아래로 파문처럼 번지는 변화가 나타납니다. 이러한 변화에는 부품/소모품 처리, 새로운 자본 장비, 더 엄격한 환경 제어, 향상된 품질경영시스템(QMS) 감독, 기능 테스트, 검사/재작업, 유해물질 취급/폐기 등이 포함될 수 있습니다.

옛말처럼 “세상에 공짜는 없습니다.”

열 및 전력 밀도 FOM 개선

전자 장치의 신뢰성과 작동 수명은 현지 환경 온도와 부품 온도를 조절하는 시스템의 기능을 중심으로 이루어집니다. 온도가 품질 지표(예: 최소/최대/경감 작동 온도, 평균 고장 간격 또는 MTBF, 평균 고장 시간 또는 MTTF, 작동 시간 내 고장 수 또는 FIT 속도 등)을 지배하는 유일한 요소는 아니지만 전자 장치를 “열적으로 만족스럽게” 유지하는 것은 본래의 작동 매개변수와 수명을 충족하는 견고한 제품 수명을 위한 좋은 전략입니다.

3DPP는 재료를 더 가깝게 압착하여 열 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 인접 장치의 복사열이 이웃 장치에 영향을 미치는 형태일 수 있지만, 이 열을 가두는 기능은 단순히 더 큰 어셈블리에서 빈 공간을 제거하여 줄일 수 있습니다. 결국, 공기는 (열적으로나 전기적으로나) 우수한 절연체입니다. 이기종 재료를 결합하는 모든 시스템에서 중요한 열 문제는 서로 다른 열팽창 계수(CTE)의 균형을 맞추려고 할 때 발생할 수 있습니다[7]. 이 문제는 앞서 설명한 이기종 통합된 어셈블리에서 특히 두드러지는데, 이기종 통합된 어셈블리는 금속, 세라믹, 유리 섬유, 다양한 잉크, 아교/접착제 및 기타 재료를 하나의 큰 샌드위치로 결합하는 이전의 모든 개별 공정 중 가장 큰 문제를 일으킵니다. 지금까지도 충분히 어려웠던 만큼, 이 블로그에서는 플렉시블 하이브리드 전자(FHE) 어셈블리에 이러한 요소가 미치는 영향은 다루지 않을 것입니다!

반대로, 3DPP는 또한(일반적으로 더 많이) 소스에서 열을 제거하고 열을 더 빠르고 효율적으로 완화할 수 있는 곳으로 전송할 수 있는 기회를 제공합니다. 외부 핀을 완화하고 표면 실장 장치(SMD) 전원 모듈을 PCB에 직접 부착하는 기능은 열과 품질 측면에서 긍정적인 성과를 가져다줍니다(예: 수동으로 삽입한 핀, 솔더 조인트 등의 문제 감소). 아래 그림에서 볼 수 있듯이 높은 전력 밀도는 우수한 열 전도성과 가용 공간의 효율적인 사용을 위해 플러그 및 블라인드 비아를 활용하는 다층 내부 PCB로 이루어집니다.

패키지에서 열을 보다 효율적으로 제거하면 더 큰 열 질량(예: 시스템 전원 평면, 더 큰 구리 주입, 인접 어셈블리)으로 열을 분산시키는 기능도 용이해집니다. 패키지의 외부 측면에서 시스템 수준의 열 완화(예: 방열판, 대류 또는 강제 공랭, 수랭식 바닥판, 열 인터페이스 재료 또는 TIM 등)를 보다 효과적으로 활용할 수도 있습니다.

중요한 응용 분야에서 3DPP의 가치

짧은 블로그 글 안에서 3DPP가 제품 라인에 가져올 수 있는 모든 이점과 개선 사항을 다루기는 어렵습니다. 여기에 많은 내용을 언급했지만 매우 중요한 요소에 대해 눈에 띌 정도로 영향을 미치는 몇 가지 요소가 있습니다.

공급 보장, 원자재 소싱, 위조품, 관세, 배송 물류 등 공급망 문제로 타격을 받지 않은 전자업계 이해관계자를 만나기란 드뭅니다. 최근의 코로나19 팬데믹이 우리에게 보여주었듯이, 이제 최종 소비자들도 언뜻 무관해 보이는 이러한 모든 문제가 자동차나 식료품점 선반에 있는 음식의 비용을 통해 인플레이션에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 더 잘 인식하고 있습니다.

미션 크리티컬한 응용 분야에서 3DPP 기술을 사용하여 유기적으로 실현한 공정 통합은 오류의 소지가 훨씬 적어 위에 나열된 많은 위험과 골칫거리를 완화하는 데 도움이 됩니다. 하나의 제조 작업에 더 많은 공정을 통합하면 조달, ERP(전사적 자원 관리), 품질/부품 공학과 같은 그룹이 작업 준비에 심혈을 기울여야 할 뿐 아니라 협력의 성공을 보장하기 위해 최우선 과제 이상의 더 많은 협업과 사고가 요구됩니다. 이러한 점은 가능한 한 빨리 공장(아마도 국가) 간에 작업을 이전하기 위해 비즈니스 연속성 계획(BCP)을 세워야 하는 재난 상황(예: 불가항력, 정치적 불안 등)에서 커다란 역할을 할 수 있습니다.

공정과 공급망 관리를 통합하면 간접비와 물류비도 절감됩니다. 부품(특히 자기) 조립과 제조에 적용되는 더 엄격한 제어와 자동화는 제품 신뢰성을 향상시키는 동시에 규모의 경제를 적용합니다. 이는 SWaP 최적화 추진 및 전년 대비(YoY) 비용 절감에 중요한 요소입니다.

의료 장비 (와 절연/안전 요구 사항이 높은 용도 사례)는 3DPP가 많은 가치를 창출할 수 있는 중요한 응용 분야의 예시입니다. 작업자 보호 수단(MOOP)과 환자 보호 수단(MOPP)에 따라 분류한 것과 같이 안전 인증 의료 등급 절연 이 다양한 수준으로 요구됩니다[8].

여기에 설명된 모든 3DPP 이점을 결합하여 높은 수준의 의료 등급 절연을 달성하는 DC/DC 변환기의 한 예는 RECOM에서 최근 출시한 R05CT05S 입니다. 이 제품은 5V 공칭 입력과 3.3V 또는 5V, 아니면 3.7V 또는 5.4V 중에서 선택 가능한 출력이 포함된 경제적인 0.5W 부품으로, 저전압 강하(LDO) 레귤레이터에 헤드 전압을 제공합니다. 이 변환기는 공간 제약이 있는 분야를 위해 높이가 2.65mm에 불과한 소형의 10.3mm x 7.7mm SMD 패키지로 제공됩니다.

의료 분야 를 위한 이 제품의 최고 사양은 5kVac 테스트 전압에서 IEC/EN 60601-1에 따른 2 x MOPP/250Vac 연속 정격입니다. 또한 250Vac/50Hz 분야에서 누설 전류가 미미하기 때문에 3.5 pF 커플링 커패시턴스를 가집니다. 비의료 분야에서 정격은 EN 62368-1에 따라 800Vac 작동 전압에서 훨씬 더 인상적인, 강화된 절연입니다. 작동 온도는 경감 시 최대 140°C이며 부품 기능은 저전압 잠금과 함께 활성화, 동기화 및 트림 기능을 제공합니다. [9]

이러한 가치 제안은 자동차, 컴퓨팅, 소비자 분야 공간 어디에나 있는 CAN(Controller Area Network) 버스, USB(Universal Serial Bus) 또는 PoE(Power over Ethernet)에서처럼 외부 통신 포트와 같은 응용 분야에 여전히 저전력 절연이 필요한 비필수 시스템으로 확장할 수도 있습니다.

결론

미래의 전자 제품 로드맵을 고려할 때 패키징이 항상 가장 먼저 떠오르는 것은 아닐 수 있지만, 이 블로그에서 검토한 바와 같이 패키징과 직접적으로 관련된 수많은 중요한 성능과 품질 요소가 있습니다.

3DPP와 이기종 통합은 패키징의 지속적인 발전을 이루고 있으므로, 전력 솔루션과 전체 시스템 수준에서 SWaP-C를 최적화할 때 거의 항상 최우선 순위가 됩니다.

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참고 문헌

[1] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM 블로그, 2022년 10월 21일, https://recom-power.com/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (2023년 1월 23일 접속).

[2] “Introducing RECOM 3D Power Packaging® (3DPP),” RECOM 블로그, 2021년 2월 26일, https://recom-power.com/rec-n-introducing-recom-3d-power-packaging-(3dpp)-145.html (2023년 1월 23일 접속).

[3] 3D Power Packaging® for Low Power DC/DC converters, https://recom-power.com/3dpp.html (2023년 1월 23일 접속).

[4] “Heterogeneous Integration Roadmap,” IEEE Electronics Packaging Society, 2017년 2월 8일 업데이트, https://eps.ieee.org/technology/heterogeneous-integration-roadmap.html ((2023년 1월 23일 접속).

[5]“DC/DC for GaN,” RECOM 블로그, 2022년 9월 16일, https://recom-power.com/rec-n-dc!sdc-for-gan-225.html (2023년 1월 23일 접속).

[6] PSMA Packaging Committee, “3D Power Packaging With Focus on Embedded Passive Component and Substrate Technologies,” PSMA 3D Power Packaging Phase III, Power Sources Manufacturers Association (PSMA), 2018년 2월.

[7] Wikipedia contributors, "Coefficient of thermal expansion," 무료 백과 사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion#Coefficient_of_thermal_expansion (2023년 1월 23일 접속).

[8] Wikipedia contributors, "Means Of Protection (MOP)," 무료 백과 사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_safety_testing#Means_of_Patient_Protection_(MOPP) (2023년 1월 23일 접속).

[9] “Advanced power packaging enables medical isolation in DC/DC converters,” RECOM 블로그, 2021년 3월 12일, https://recom-power.com/rec-n-advanced-power-packaging-enables-medical-isolation-in-dc!sdc-converters-144.html (2023년 1월 23일 접속).