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자동차，클라우드클라우드，산업자동화, 통신 (5G) 인프라와 같은 신생 성장 애플리케이션 분야에 나날이 더 많은 관심이 집중되고 있습니다. 애플리케이션 사용 분야는 다르지만, 시스템 수준에서 전압 변환 및 전력 분배가 이루어지는 방식은 유사합니다. 시스템 수요는 유효 탄소발자국을 줄이기 위해 더욱 중요해지고 있습니다. 그 결과 고효율을 포함한 다양한 목표를 달성하기 위해 새로운 48V 생태계가 개발 및 적용되고 있습니다. 전력 공급, 컴퓨팅 요소 또는 메모리 블록 등 어느 곳에서나 반도체는 이러한 요구를 충족시키는 솔루션의 핵심입니다. 본 내용에서는 각 애플리케이션 분야의 시장 및 기술 동향을 논의하고, 혁신적인 전력 패키징 플랫폼이 전기 및 열 요건을 모두 충족하기 위해 어떻게 연구되고 있는지를 공유하고자 합니다.

자동차

오늘날대부분의고급자동차에는최대에는에는의전자장치（ECU）와와만회선의코드코드작동합니다[1]。자동차의전기화，편의기능및첨단운전자시스템（adas）의의이향상되면서총총예산의이더욱대두되고있습니다。00오늘날사용되는일반차량트리는12v배터리에서워터＆오일펌프，실내온도조절컴프레서，액티브액티브컨트롤，헤드라이트및및미등과같은적보조（일반일반으로5〜7 kW미만）으로으로동력을공급。이러한부하는이많이소모되는첨단운전자보조시스템지원하면서기업평균연비규제제도（企业平均燃油经济性）의더욱더욱엄한한한기준기준을해야하기때문에효율성을개선것하기쉽지쉽지을하는은쉽지쉽지자동차oem회사들이수년동안기계부품을전기부품교체해왔지만，48v시스템과최신최신가추가로로합니다。향후48v전력으로영구전환되기전단기적으로oem회사및및1（tier1）공급공급업체두종류아키텍처（12v및48v）를제공해야할수있습니다。

자동차OEM 회사와 티어1 공급 업체는 최근 마일드 하이브리드 자동차(MHEV) 솔루션을 선보였습니다. 예를 들어 아우디는 12 kW 용량의 새로운 벨트 얼터네이터 스타터(BAS, Belt Alternator Starter)를 도입하여 마일드 하이브리드 자동차에 전력을 공급하는 동시에 기존 12V 시스템을 혼용하면서 DC-DC 컨버터를 사용했습니다 [2]. 마찬가지로 다임러는 최대 16 kW 용량의 S 클래스용 통합 스타터 제너레이터(ISG, Integrated Starter Generator)를 도입했습니다 [2]. 또한 아우디처럼 다임러는 기존 12V 부하용 DC-DC 컨버터 블록을 사용합니다. 티어1 공급 업체 발레오는 자율 주행과 48V 하이브리드 시스템을 결합한 eCruise4u 플랫폼을 소개했습니다. 이 플랫폼의 제품 중 하나인 e4AWD는 통합 벨트 스타터 제너레이터(iBSG, integrated Belt Starter Generator)와 전기식 리어 액슬 드라이브(eRAD, electric Rear Axle Drive)를 효율적으로 결합하고 발레오의 마일드 하이브리드 전기 자동차 시스템에 22 kW를 더해 연료 소비를 17% 줄였습니다. 또 다른 자동차 티어1 공급 업체인 델파이는 그림 1과 같이 연비를 15% 향상시키는 e-슈퍼차저를 포함하는 48V 하이브리드 시스템을 선보였습니다. e-슈퍼차저 시스템은 또한 다이내믹 스킵 파이어(DSF, Dynamic Skip Fire) 실린더 비활성화 개념을 사용하여 이산화탄소 배출량을 13%까지 줄일 수 있습니다 [2].

48V 전력을 이용하게 되면 와이어링 하니스(wiring harness, 차량 배선 뭉치) 단면 및 중량 감소와 같은 다양한 이점을 누릴 수 있고, 이는 차량 경량화 및 배기 가스 배출 감소로 이어집니다. 스티어링 랙, 편의 기능 및 기타 시스템의 기계 부품 전기화도 도움이 되지만, 모터(< 25kW)를 사용한 마일드 하이브리드화는 실질적이고 상당한 이점을 제공합니다. 한 추정치 [1]에 따르면 마일드 하이브리드 자동차는 이산화탄소 배출량을 15%까지 감소시킨다고 합니다. 이는 완전 하이브리드 시스템 비용의 약 30%로 마일드 하이브리드 자동차 수익 중 약 70%에 해당합니다. 약 4500 달러가 소요되는 완전 하이브리드에 비해 마일드 하이브리드는 1500 달러 정도의 추가 비용만 지불하면 됩니다. 이러한 비용 차이도 마일드 하이브리드 자동차 성장에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 또한 48V 전력은 향후 V2X(vehicle-to-everything) 연결과 첨단 운전자 보조 시스템에 적용 가능한 시스템의 성숙 (부하점 컨트롤)을 제공하는 역할도 합니다. 향후 10년 내에 레벨 3에서 레벨 5 수준의 자율 주행 차량 대량 출시가 예상되며, 첨단 운전자 보조 시스템에 대한 전력 요구 사항은 빠르게 증가할 것으로 보입니다. 현재 레벨 2의 기능에 필요한 전력 와트는 1 kW 정도이지만, 레벨 4/레벨 5 시스템에서는 10배 이상의 전력이 필요할 것입니다. 비용 및 이산화탄소 배출량 등의 이점과 함께, 48V 마일드 하이브리드 자동차는 확장되고 있는 전기 자동차 시장에서 주목받을 것으로 보입니다.

클라우드 컴퓨팅

오늘날 매일 개인용 혹은 비즈니스용으로 생성되고 있는 2.5 퀸틸리언(250경·1조의 250만배) 바이트 이상의 데이터를 관리하기 위해서는 전 세계적으로 700만 개 이상의 데이터 센터가 필요합니다. 현재까지 생성된 44 제타바이트 (44조 기가 바이트)의 데이터 중 90%가 최근 2년 동안 생성되었습니다 [3]. 오버더톱(Over-the-Top) 스트리밍 서비스, 5G, 사물 인터넷 (IOT.）및소셜미디어의출현으로인에이터빅데이터데및엣지이터시장센터을크게크게변화시킬예상예상예상예상예상일반적인데이터센터는데이터저장，처리，네트워킹및 보급과 같은 서비스를 제공합니다. 이러한 서비스를 관리하기 위해서는 수백 MW 수준의 전력이 필요합니다. 데이터 센터 운영 비용의 최대 40%는 서버 랙에 전력을 공급하고 냉각하는 데 필요한 에너지에 기인합니다 [4]. 전력 사용 효율(PUE, Power Usage Effectiveness) 및 총 소유 비용(TCO, Total Cost of Ownership)은 데이터 센터 운영자가 비용을 절감하고 가동률을 높이는 데 활용할 수 있는 중요한 지표입니다. 평균적으로 교류 전력에서 개별 서버의 마이크로 프로세서로 변환될 때 평균적으로 전력의 약 30~35%가 손실된다고 합니다. 이 과정에서 손실을 최소화할 수 있는 세 가지 영역이 있습니다. 범용 전원 공급 장치(UPS, grid-to-data center), 서버 랙 전원 공급 장치 그리고 개별 서버 전원 공급 장치가 이 영역에 해당됩니다. 몇 년 전까지만 해도 데이터 센터는 랙당 4 ~ 5 kW의 출력 밀도로 설계되었지만 현재는 랙당 최대 10 kW입니다. 랙 출력 밀도를 30 kW 이상으로 높이는 것은 향후 시장의 트렌드가 될 것입니다 [5]. 결과적으로 전력 사용 효율을 개선하기 위해 더 작고 효율적인 전원 공급 장치의 수요가 늘어날 것이고, 이로 인해 서버 밀도가 높아지고 공간당 수익($/ft)이 증가할 것입니다.

전력아키텍처측면에서현재데이터센터센터는2와와같같같전력망으로설계。자동차의48v시스템과가지로，데이터센터센터의전력아키텍처는는는는는지원지원지원지원지원지원지원지원48V로의전환을통해높은전력밀도，더낮은배전손실이점이는줄줄을이는줄줄의손실을이는캐패시터의의손실을이는에이는。그러나48v에서서버보드로의전압과정이과제로남아있습니다。중앙처리장치（CPU）코어코어DDR（双数据速率）메모리블록에전력공급공급일반으로으로으로으로이필요필요。더더높은스텝다운（48V〜1.8V）의경우교환회로와와사한변환효율을실현하기가어렵습니다。AC-DC및直流부하지점을포함을포함각변환단계단계랙에서에서사하거나요구하는시스템레벨을충족위해서는더폼팩터와더높은지원이가능한반도체패키징이핵심핵심。

5克

기존 4G 네트워크의 단점을 해결하기 위해5G네트워크는대규모트래픽（이더넷을통한무선통신）과과（사물인터넷，연결연결및대역폭에신뢰도（엣지컴퓨팅，대기시간）도도합니다。새로운스펙트럼，더많은사이트및다중액세스엣지등이5g의주요차이점입니다。현재4g lte네트워크전송대역폭의이론적적한계는150mbps로5g의요건을충족수없습니다。더더높은대역폭을달성하기하기위해위해네트워크는더높은주파수주파수밴드를를용또한대량다중입출력（MIMO）기술은처리량향상의입니다。그림3에서볼수이，토폴로지토폴로지에서기존4g네트워크네트워크안테나，리모트라디오헤드（rrh）및및이스밴드밴드（bbu）이분리된분산형무선액세스네트워크（d-ran）아키텍처아키텍처선호합니다。5g네트워크는중앙집중식또는클라우드（c-ran）분포분포를하여베이스밴드밴드기능을통합하기위해이동로로로동로로로로로5g네트워크에서는베이스밴드밴드유닛（pool）이엣지사이트에동안，리모트라디오헤드와안테나가통합통합것으로예상됩니다。아이스밴드밴드유닛（또는또는네트워크）은라우터，물리적인프라，전기및냉각시스템과같은네트워크포함하여동일한물리적사용가능합니다。하지만사이트수가더많아지고컴퓨팅요구사항이높아짐에따라네트워크에너지소비량은더욱가할할입니다。

통신 회사에 따르면 1 밴드 5G 장비의 전력 소비량은 유사한 구성을 가진 4G의 350%에 달한다고 합니다 [6]. 5G 베이스밴드 장치는 약 300 W를 소비하고 리모트 라디오 헤드는 30% 로드에서 약 900 W를 소비합니다 (최대 전력 1.4 kW). 향후 3년 내에 더 많은 주파수 대역이 추가됨에 따라 최대 전력 소비량은 약 14 kW로 증가할 것입니다. 그 외에도 밀리미터파까지 더해지면 최대 전력 소비량은 최대 20 kW까지 증가될 수 있습니다 [6]. 기존 4G 통신 전원 공급 장치는 -48V로 설계되어 있지만, 이러한 전원 공급 장치는 5G 요구사항에 맞지 않습니다. 4G 시스템의 전원 공급 케이블에서 발생하는 절대 전력 손실은 전력 요구 사항이 1kW 정도이기 때문에 더 적은 편입니다. 그러나 동일한 케이블 길이에 대한 절대 손실은 5G 시스템에서 더 많으며, 케이블에서 더 높은 전압 강하가 발생합니다. 대부분의 전원 공급 장치와 마찬가지로 전압이 '최저 출력 전압' 아래로 떨어지면 전원 공급이 차단됩니다. 이러한 문제를 줄이기 위해 전원 공급 장치 설계자는 추가 DC-DC 컨버터를 사용하여 전압 레벨을 약 -57V로 높일 수 있습니다 [6]. 결과적으로 5G 네트워크 사용으로 인한 전력 소비량 증가는 전체 전원 공급 장치에서 해결해야 하는 과제로 남아있습니다.

반도체 부분에서 48V의 영향

앞서 설명한 시장의 요구에 따라 반도체 공급 업체의 새로운 시장 기회가 크게 증가하고 있습니다. 자동차 부문에서 마일드 하이브리드는 현재 총 생산량의 약 1.5% ~ 2%를 차지합니다. 하지만 10년 후에는 약 15%까지 성장할 것으로 보입니다. 따라서 마일드 하이브리드 시스템 사용으로 차량당 약 75달러의 전력 반도체 사용이 증가할 것으로 예상됩니다. 마찬가지로 하이퍼 스케일 및 5G 데이터 센터에서 48V 전력으로 전환이 이루어지면서 전력 장치 원재료 비용(BOM)이 약 40달러 인상될 예정입니다. 마지막으로 5G 인프라 설치로 인해 캐비닛 및 블레이드 전원 공급 장치가 요구되면서 전력 트랜지스터에 대한 필요성이 증가할 것입니다. 48V 에코시스템은 반도체 공급 업체가 이러한 애플리케이션 부문 간에 시너지를 적용할 수 있는 기회를 제공합니다. 그림 4는 전체적인 새로운 시장 기회에서 주요 애플리케이션 부문과 각각의 성장 전망을 개략적으로 보여줍니다. 자동차 및 클라우드 컴퓨팅에 사용되는 48V와 5G 전원 공급 장치, 기본 어셈블리 및 테스트 비즈니스의 -57V 모두 향후 10년 동안 크게 성장할 전망입니다.

전력 패키징이 필요한 기술 트렌드

지금까지논의된애플리케이션트렌드의공통된주제에이매우효율적이고공간을적게차지하면서안정인전력반도체솔루션을원한다는한다는한다는한다는한다는30년간실리콘（si）전력mosfet기술，전력패키지및서킷토폴로지（电路拓扑）의혁신으로전력효율효율비용（$ / w）이지속적으로개선되었습니다。실리콘이주로사용되어왔지만실리콘의성능계수（ron x qg，ron x qoss）는이론적적한계에도달도달。질산갈륨（gan）과같은최신재료이시장에도입되어더나은성능제공하고있습니다。시스템의전기적및이점을실현하는과정에서패키징이한계로작용작용는안됩니다。전력장치패키징은긴리드가있는至-247및TO-220과 같은 스루홀(through-hole) 패키지에서 D2PAK,DPAK.,SO-8과같은표면실장부품으로진화해왔습니다。또한리드패키지는无侵扰（TOLL）및PQFN처럼리드가없는표면실장옵션으로대체되었습니다。더높은전력솔루션신뢰수요구요구요구에산업은은를충족산업은은트렌드를충족혁신인옵션을를충족충족혁신적인인트렌드제공해야해야고객은패러시틱스（寄生料）를를이기위해위해사이드쿨링，칩스케일패키징및멀티다을통한효과인열기능을제공하는솔루션로할수있습니다솔루션필요로수있습니다있습니다을로수있습니다。그러나그러나，성능및신뢰성측면에서이있을수있습니다。

자동차분야사례를보면자세히알수있습니다。벨트스타터제너레이터애플리케이션은은전력시스템의중간이48v인경우약12 kw가필요합니다。모터에전원을공급하는단계단계전류전류가500a보다높고48v이상의mosfet을사용합니다。일반적으로전체요구사항을충족하기위해개개mosfet이병렬로연결됩니다。기기들이완전한阶段3구현을위해상단과하단의양쪽에서병렬로연결파워파워이지에서，특히파워스테이지지모터자체되면인쇄회로회로회로회로이러한애플리케이션및와트케이스사용용되는공통패키지D2PAK7L의패키지크기는15 x 10 x 4.4 mm입니다。하지만파워이지에여러패키지가필요한경우크기는가적인장점이됩니다。d2pak와비슷한收费（11.7 x 9.9 x 2.3 mm）은은및고신뢰애플리케이션최적최적화된몰드입니다。그러나TOLL(그림 5)은 면적을 30% 줄이고 50% 이상 더 작은 폼핏(form-fit)을 제공하여 컴팩트한 디자인과 높은 고전류 기능 및 낮은 열저항성(RthJC)을 허용합니다. 또 다른 중요한 점은 자동차 반도체에 사용되는 미션 프로필이 계속해서 진화하면서 보드 수준에서 더 높은 수준의 신뢰성을 요구하고 있는 것입니다.

클라우드 및 엣지 데이터 센터의 서버 전원 공급 장치와 CPU 코어, DDR 메모리 및 스텐바이 레일, 팬 그리고 드라이버와 같은 부하지점(POL, Point Of Load)에 대한 전원 공급은 전력 요구 사항이 서로 다릅니다. 부하지점 아키텍처가 선호되는 애플리케이션의 경우 단일 패키지의 파워 블록 또는 파워 스테이지가 최적의 선택입니다.PQFN(그림6)과같은패키지는통합이유연하여점점더각광받고있습니다。PQFN패키지는다이 패키지 비율과 노출된 방열판(heat sink)을 개선할 수 있는 범위를 제공하여 서버 전원 공급 장치의 전력 밀도를 높입니다. 더 큰 크기의 PQFN은 그림 6 PQFN 듀얼 스택에 표시된 것처럼 구리(Cu) 클립 기술을 사용하는 다이 스태킹을 통해 여러 (파워블럭) 전계효과 트랜지스터(FETs, Field Effect Transistors)를 통합합니다. 또 다른 옵션은 게이트 드라이버를 상단 및 하단 전력용 전계효과 트랜지스터와 통합하여 DrMOS와 같은 스마트 전력 애플리케이션을 구현하는 것입니다. 이것은 그림 6에서 싱글 스택 옵션으로 표시됩니다. 또한 PQFN은 통신 인프라, 베이스밴드 보드 및 DC-DC 컨버터와 같은 애플리케이션에 사용됩니다.

48V 에코시스템의 전력 패키징 트렌드

00전력 패키징은 앰코 말레이시아(ATM) 및 앰코 일본 후쿠이 (ATJ6)에서 생산됩니다. 첨단 리드 프레임 기술(XDLF), 구리 클립 인터커넥트, 알루미늄(Al) 웨지 본딩, 공간 절약형 표면 실장, 플랫 리드 디자인과 같은 다양한 가치 창출 기능 및 기술 차별화 요소를 광범위하게 제공합니다. 앞서 설명한 바와 같이 전력 패키징은 스루홀 (TO) 유형에서 표면 실장 (SMD) 패키지로 발전했습니다. 최근에는 TOLL과 같은 SMD 리드리스 패키지가 더 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 리드리스 패키지는 충분한 파워 사이클링 및 TCoB(Temperature Cycling on Board) 기능을 갖춰 미국 자동차 전자부품 협회(AEC, Automotive Electronics Council)의 AEC-Q101 표준을 완벽하게 준수합니다. 그러나 신뢰성, 전류 성능 또는 패키지 기생 전면에 제한이 생길 수 있습니다. 그러므로 새로운 48V 에코시스템 전력 패키징 시장의 요구 사항을 충족하기 위한 몇 가지 새로운 패키징 아이디어를 아래에서 논의하겠습니다.

IPC International의 IPC-9701 표준에 근거해, TOLL은 다이 크기 및 두께별 표준 요구 사항을 충족하기 위해 1000회 이상의 사이클에 이르기까지 결함이 발생하지 않아야 합니다. 하지만 높은 다이 대 패키지 비율 및 확장된 신뢰성을 확보해야 하는 설계자 입장에선 쉽지 않은 부분입니다. 일반적으로 사용되는 보드 기판은 FR4, 구리 또는 알루미늄 절연금속기판(IMS, Insulated Metal Substrate)입니다. 그러나 알루미늄 절연금속기판과 같은 기판 옵션을 고려하면, TOLL의 보드 레벨 신뢰성(BLR, Board Level Reliability)은 상이한 열 계수로 인해 편차가 더욱 심해질 수 있습니다. 구리 리드프레임과 알루미늄 절연금속기판 사이 연결이 잘못된 경우 솔더 부분에 부담이 되어 솔더에 피로 또는 균열이 발생할 수도 있습니다. TOLG는 TOLL 설계 (그림 7)에서 걸윙 방식을 사용함으로써 비슷한 전기 및 열 성능을 제공하면서 신뢰성도 크게 높입니다. 걸윙 디자인의 유연성이 신뢰성을 크게 향상시킨 것입니다. 이는 확장된 스트레스와 신뢰성이 핵심 시스템 요구 사항이 된 최종 사용자 부문의 미션 프로필 변경으로 인해 필수 조건이 되었습니다.

또는 데이터 센터의 서버 팜이 48V 아키텍처로 전환됨에 따라, 전력효율지수(PUE)를 해결하기 위한 전력 밀도 요구사항이 주요 관심사가 될 것입니다. 설계자들은 전력 장치의 성능지수 개선을 위해 힘써 왔습니다. 바디 사이즈가 더 큰 8 x 8 mm LFPAK (그림 7)과 같은 최신 패키지는 훌륭한 추가 제품군이 될 것입니다. 기존 7L D2PAK에 비해 8 × 8 mmLFPAK는 기계적 면적은 60%, 부피는 80% 더 작습니다. 인터커넥트 기술에서는 와이어 본드가 발전 전력 제품의 운반 능력을 결정합니다. D2PAK의 경우 사용되는 본드 와이어의 최대 직경은 20 mil입니다. 하지만 8 x 8 mm LFPAK 인터커넥트에 구리 클립 기술을 사용하면 운반 능력이 훨씬 더 향상됩니다. 클립 기술을 사용하면 와이어 본드의 기생 저항(parasitic resistance)과 인덕턴스를 크게 최소화할 수 있습니다. 이 패키징 방식은 전력 밀도 달성에 대한 우려를 일부 해소합니다.

서버서버에서는마이크로가프로세서가요구하는빠른전환응답을을위해컨버터및전압조정기사용합니다。1MHz이상의의주파수에서작동기존전력전력전자패키지의임피던스는적합적합하지이와관련하여앰코는그림그림과같이파워트랜지스터용칩스케일패키징（PowerCSP™패키지）를를하고있습니다。이혁신적인컨셉은상단/리드프레임측면이방열판또는워터쿨링에되어양면이가능냉각한리드프레임기반칩패키징패키징패키징패키징패키지패키지바닥면은비아（热通孔）및및구리레이어를이용하여하여인쇄회로회로기판장착수수수수수수PowerCSP의의주요장점은은어본드및구리클립을제거기생저항과부유（杂散电感）를를전도손실（传导损耗）과과손실을줄이는것것。또한powercsp의감소된인덕턴스는더높은스위칭와전력밀도를달성하는데이됩니다。pqfn또는lfpak와같은플라스틱전력패키지에해powercsp디자인은프로세스플로우단순화하여신뢰성문제와된를줄일수있습니다관련요소를줄일수있습니다。또한PowerCSP패키징은转换包装套餐유형의솔루션을하기위한멀티에이통합용게이트이를제공할것입니다。

요약

환경적, 경제적, 사회적 요건을 충족하기 위해 총 소유 비용을 줄일 수 있는 정교한 전자 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 새로이 부상하는 48V 에코시스템은 전력 반도체 패키징 부품 활용의 기반이 됩니다. 전력 패키징 기술이 대두되고 있지만 새로운 트렌드를 충족하기 위해 필수적으로 개선해야할 부분이 남아있습니다. 다이 대 패키지 비율 개선, 패키지 파라시틱스 감소 또는 전류 전달 가능 상호연결 증가 등 광범위한 기존 포트폴리오와 혁신적인 새로운 접근 방식으로 솔루션을 제공합니다. 이러한 도전과제 해결을 위해서는 견고한 기술 노하우와 확고한 고객 파트너십이 필요합니다. 앰코는 이러한 요구 사항과 더불어 장비 및 시설에 투자를 아끼지 않고 있으며 자동차 및 기타 전력 고객을 장기적으로 지원하기 위해 재정 및 기술적 혜택을 제공합니다.

작성자：Ajay Sattu, Sr Manager, 자동차 전략 마케팅

참고 자료:

[1]。Manish Menon等人，“48V架构：2018年8月14日，OEM的成本效益主张”迎接增长规范“
[2]. Automotive IQ et al, “The rise of 48V technology – an Automotive IQ eBook”, Aug 14th, 2018
[3]. Branka Vuleta et al, “How much data is created every day?”, Jan 30th, 2020
[4]. Energy Innovation et al, “How much energy do datacenters really use?”, Mar 17th, 2020
[5]。Wiwynn等人，“48V：数据中心的改进的电力输送系统”，2017年6月
[6]. Global ICT Energy Efficiency Summit et al, “5G Telecom Power Target Network”, Oct 2019

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