칩 열화의 새 변수, 패키징: 화톈테크놀로지가 주목한 FOPLP 열 설계

트랜지스터 집적도가 높아지고 칩의 전력 소비가 커지면서 반도체 패키지는 단순히 실리콘을 보호하는 외피가 아니라 열 관리의 일부가 됐다. 화톈테크놀로지(Huatian Technology)는 팬아웃 패키징 전 과정에서 열 거동을 설계하고 시뮬레이션하는 역량을 구축했다고 설명한다. 핵심은 칩을 조립한 뒤 열 문제를 해결하는 것이 아니라, 패키지 구조를 설계하는 단계부터 열을 관리하는 것이다. 8

FOPLP(fan-out panel-level packaging·팬아웃 패널 레벨 패키징)의 기대 효과는 다이에서 패키지와 기판, 시스템 냉각부로 이어지는 열의 흐름을 더 짧고 제어 가능한 경로로 설계할 수 있다는 데 있다. 다만 FOPLP라는 구조 자체가 모든 애플리케이션에서 더 나은 열 성능을 보장하는 것은 아니다.

칩이 강력해질수록 패키지가 열 문제의 핵심이 되는 이유

더 많은 연산 기능이 더 작은 다이 면적에 집중되면 열은 좁은 영역에서 발생한다. 이때 칩 접합부의 온도는 실리콘만으로 결정되지 않는다. 다이 어태치와 몰드 컴파운드, 재배선층(RDL), 패키지 표면, PCB, 열 인터페이스 소재, 히트싱크, 공기 흐름을 모두 통과하는 열 경로가 영향을 준다.

열 경로의 열저항이 높거나 특정 지점에 핫스팟이 생기면 칩은 더 높은 온도에서 작동하게 된다. 이는 성능을 낮추거나 신뢰성 여유를 줄일 수 있다. 장기적으로는 인터커넥트 피로, 소재 박리, 열팽창 차이에 따른 응력과 변형 같은 열화 메커니즘도 문제가 된다.

SOP·QFP·QFN의 열 방출 능력은 어떻게 봐야 하나

SOP와 QFP 같은 전통적인 리드형 패키지는 열의 상당 부분을 리드와 리드프레임을 통해 전달한다. 이 방식은 상대적으로 길고 제한적인 열 경로를 만들 수 있다. 화톈테크놀로지는 이러한 구조와 비교해 FOPLP가 기존 패키지 기판을 사용하지 않고 열 경로를 줄일 수 있다는 점을 강조한다. 6

다만 QFN을 일괄적으로 열에 취약한 패키지로 보는 것은 정확하지 않다. 노출형 패드(exposed pad)나 파워 QFN은 PCB 방향으로 효과적인 열 경로를 제공할 수 있다. 실제 한계는 리드프레임의 형상, 열 패드의 크기, PCB의 구리 면적, 비아 구성, 보드의 열 확산 능력에 따라 달라진다. 결국 QFN의 적합성은 패키지 이름이 아니라 칩의 전력과 전체 시스템 조건으로 판단해야 한다.

FOPLP가 열 관리에 기여할 수 있는 방식

팬아웃 패키징은 기존 패키지 기판에만 의존하는 대신, 다이의 연결을 재배선층(RDL)을 통해 바깥쪽으로 확장한다. 이 구조는 높은 배선 밀도와 낮은 인덕턴스를 지원할 수 있다. 4

FOPLP에서 기대되는 주요 특징은 다음과 같다.

• 기존 패키지 기판을 사용하지 않는 구조
• 높은 I/O 밀도
• 얇은 패키지 두께
• 전기적 연결과 열 확산에 모두 활용될 수 있는 RDL
• 소재와 패키지 형상을 함께 최적화할 수 있는 설계 자유도

독일 프라운호퍼 IZM은 팬아웃 패키지를 기판이 없는 패키지로 설명하며, 패키지 부피와 두께를 크게 줄이고 낮은 열저항을 구현할 가능성을 제시한다. TSMC의 InFO 역시 고밀도 RDL과 비아를 활용해 모바일 및 고성능 컴퓨팅용 시스템 통합을 지원하는 사례다. 1213

그러나 얇은 두께와 높은 I/O 밀도만으로 열 성능이 자동으로 좋아지는 것은 아니다. 구리 배선, 몰드 컴파운드, 다이 후면, 히트 스프레더, PCB와 시스템 히트싱크가 실제로 효율적인 열 경로를 형성해야 한다.

모바일·자동차·HPC에서 달라지는 열 설계 목표

팬아웃 패키징은 모바일과 무선 분야에서 이미 양산에 적용됐고, 자동차 및 의료 분야로도 확대되고 있다. 고밀도 팬아웃 플랫폼은 모바일과 고성능 컴퓨팅 분야에도 활용 가능성이 제시된다. 113

애플리케이션별로 FOPLP의 열적 가치는 다르게 나타난다.

• 모바일 기기: 대형 히트싱크를 사용하기 어려운 좁은 섀시 안에서 얇은 두께를 유지하면서 열을 넓게 퍼뜨리는 것이 중요하다.
• 자동차 전장: 큰 폭의 온도 변화와 반복적인 열 사이클을 견디는 패키지 신뢰성이 핵심이다.
• 고성능 컴퓨팅(HPC): 전체 전력량이 훨씬 높기 때문에 패키지의 열 설계만으로는 부족할 수 있다. 리드, 콜드 플레이트 등 외부 냉각 인프라가 함께 필요하다.

따라서 FOPLP는 시스템 냉각을 대체하는 기술이라기보다, 시스템 냉각이 작동하기 전 단계에서 열 경로를 더 효율적으로 만들 수 있는 패키징 플랫폼에 가깝다.

열저항과 열 특성 파라미터를 혼동하면 안 되는 이유

JEDEC의 열 측정값은 특정 시험 조건과 함께 해석해야 한다. 열저항 θ는 정의된 열 흐름 조건에서의 저항을 의미한다. 반면 Ψ로 표시되는 열 특성 파라미터는 접합 온도와 패키지 상단 또는 PCB에서 측정한 온도를 연결하기 위한 특성값이다.

예를 들어 RθJC는 열을 패키지 케이스 표면으로 의도적으로 유도하는 조건에서 접합부와 케이스 사이의 경로를 평가한다. 열판이나 히트싱크를 사용해 케이스 쪽의 열 흐름을 지배적으로 만든 시험에 해당한다. 실제 PCB에서는 열이 패키지 상단, PCB, 볼이나 리드, 주변 공기 등 여러 경로로 나뉘므로 동일한 조건이 아니다.

따라서 다음 공식을 실제 작동 온도를 구하는 일반식처럼 사용해서는 안 된다.

Tj = Tc + P × RθJC

Texas Instruments는 현대적인 보드 실장 애플리케이션에서 접합 온도를 추정할 때 ΨJT와 ΨJB가 더 편리한 경우가 많다고 설명한다. 13 적용 조건이 맞는다면 다음과 같은 관계를 사용할 수 있다.

Tj ≈ Ttop + P × ΨJT
Tj ≈ Tboard + P × ΨJB

ΨJT와 ΨJB는 기하학적 배치와 측정 방식, 적용 시스템에 의존하는 특성 파라미터다. 모든 열이 두 기준점 사이로만 흐른다고 가정하는 근본적인 1차원 열저항과는 다르다.

화톈테크놀로지의 ‘전 공정’ 열 설계가 의미하는 것

회사 설명에 따르면 화톈테크놀로지의 접근법은 소재 선택, 배선 설계, 패키지 구조를 아우르며 다중물리 시뮬레이션을 통해 열 방출과 장기 신뢰성을 개선하는 데 초점을 둔다. 8

공학적으로는 다음과 같은 작업이 포함될 수 있다.

• 몰드 컴파운드, 다이 어태치, 열 인터페이스 소재 선택
• 열 확산을 고려한 구리 RDL의 두께와 배치 설계
• 핫스팟 식별 및 완화
• 전기적 손실과 열전도 현상의 연계 분석
• 휨(warpage)과 소재 간 열팽창계수(CTE) 불일치 검토
• 열 사이클에서 발생하는 인터커넥트 피로와 응력 평가

패널 레벨 패키징은 구조가 넓고 얇기 때문에 열·기계적 해석의 중요성이 더욱 커진다. FOPLP 연구에서도 냉각 과정에서 소재 거동과 변형 변화를 분석해 왔으며, 휨과 다이 이동은 여전히 신뢰성 설계의 주요 과제로 거론된다. 3

결론: FOPLP의 약속은 측정 데이터로 검증돼야 한다

FOPLP는 패키지 아키텍처 단계에서 열 문제를 다룰 수 있는 선택지를 제공한다. 불필요한 구조층을 줄이고, 고밀도 RDL을 전기적 연결과 열 확산에 활용하며, 패키지가 완성되기 전에 소재와 형상을 함께 최적화할 수 있다는 점이 기대되는 장점이다. 이러한 방향은 팬아웃 패키징의 일반적인 기술적 강점과도 맞닿아 있다. 812

하지만 이것만으로 화톈테크놀로지의 특정 제품이 실제로 더 나은 열 성능을 낸다고 단정할 수는 없다. 현재 공개된 자료에서는 회사 제품의 열저항, 접합 온도 또는 수명에 관한 독립적으로 검증된 수치가 확인되지 않는다.

실질적인 평가는 특정 PCB, 전력 분포, 냉각 경계 조건, 공기 흐름, 열 사이클 프로파일에서 측정한 접합 온도와 신뢰성 결과를 바탕으로 이뤄져야 한다. 중요한 질문은 패키지의 RθJC가 얼마인가가 아니다. 실제 시스템이 제품 수명 전체에 걸쳐 칩을 허용 온도 범위 안에 유지할 수 있는가가 핵심이다.