뚜껑 접착 구조를 바꾸면 die에서 열이 빠지는 길도 바뀐다
금속 lid가 단단히 붙어 있는 package에서도 die 온도는 높을 수 있다. 뚜껑이 잘 고정됐다는 사실과 die에서 그 뚜껑으로 열이 잘 전달된다는 사실은 같지 않다. Lid Attach를 볼 때는 기계적으로 lid를 지지하는 연결과 die 위의 열 접촉을 각각 확인해야 한다.
flip chip 구조에서는 die의 전기 연결면이 substrate를 향하고, 반대쪽에서 lid로 열을 전달할 수 있다. 이때 die와 lid 사이 TIM 또는 열전도성 접착층이 중앙 경로를 만든다. lid의 가장자리를 substrate 쪽에 붙이는 접착 구조는 lid의 위치와 높이를 유지하는 역할을 할 수 있다. 실제 구조에 따라 재료와 연결 방식이 달라지므로 모든 lid가 같은 두 층을 갖는다고 가정하지 않는다.
Amkor의 2020년 FCBGA TIM 연구 2절은 die 영역의 TIM과 별도의 lid adhesive를 구분해 도포하는 공정을 설명한다. metal sheet와 graphite sheet 사례에서는 lid adhesive가 substrate 위에, 열전달 재료는 die 또는 lid 면에 배치된다. 이 구분만으로 접착 강도를 열저항의 대용치로 쓸 수 없다는 점을 알 수 있다.
TI FCBGA 지침 6.1절도 top에 외부 heatsink를 쓰는 경우 die에서 package top으로 가는 경로가 중요하며, 높은 열전도율의 lid와 얇고 열을 잘 전달하는 attach층을 고려한다고 설명한다. 금속 lid의 면적이나 두께만 바꾸면 그 앞의 interface 문제까지 해결된다고 볼 수는 없다.
가상 열 회로를 생각하자. die와 lid 사이 중앙 TIM의 면적은 100 mm², 두께 50 μm, k는 5 W/(m·K)다. 정상 상태의 균일한 평판 모델에서는 내부 저항이 0.1°C/W다. 첫 조건에서는 추가 접촉 저항을 0으로 이상화하고, lid와 외부 냉각을 합친 이후 경로를 0.4°C/W로 둔다. 위쪽 총저항은 0.5°C/W다.
die에서 substrate와 board를 거쳐 같은 ambient로 가는 별도 경로는 2°C/W라고 지정한다. 가장자리 접착층을 통한 열은 이 예에서 무시할 만큼 작다고 가정한다. 위쪽과 아래쪽의 병렬 합은 0.5 × 2 / (0.5 + 2) = 0.4°C/W다. die power가 30 W이면 ambient 대비 온도 상승은 12°C다. 모두 실제 제품값이 아닌 자체 모델이다.
이제 lid의 외형과 고정 상태는 그대로인데 중앙 접촉이 나빠져 접촉 저항 0.4°C/W가 추가됐다고 두자. 위쪽 총저항은 0.9, 전체는 약 0.621°C/W, die의 온도 상승은 약 18.62°C다. 겉으로 lid가 움직이지 않아도 중앙 interface의 상태가 약 6.62°C의 차이를 만든다.
나빠진 접촉은 그대로 두고 lid 이후 저항만 0.4에서 0.2로 개선해 보자. 위쪽 총저항은 0.7, 전체는 약 0.519°C/W가 되어 온도 상승은 약 15.56°C다. 개선 효과는 있지만 처음의 12°C로 돌아오지 않는다. 앞에서 남은 TIM·접촉 구간이 개선된 lid의 이득을 제한한다. 이는 lid를 키우지 말라는 결론이 아니라, 어느 구간을 바꿨는지 구분한 계산이다.
실제 평가에서는 평균 저항 외에 국소 접촉도 본다. die 한쪽의 gap이나 delamination은 균일한 층으로 만든 모델과 다른 온도 분포를 만들 수 있다. edge adhesive의 높이와 경화 후 변형이 중앙 bondline에 영향을 줄 수도 있지만, 정확한 관계는 lid의 stiffness와 조립 공정에 따라 달라진다. pull test를 통과했다고 die 위의 모든 영역이 열적으로 잘 연결됐다고 단정할 수 없다.
반대로 낮은 초기 열저항만 확인해도 충분하지 않다. 온도 변화 뒤 lid 고정과 interface가 유지되는지, die에 허용되지 않은 힘이 걸리는지 검증해야 한다. 기계적 지지와 열 접촉은 연결된 설계 문제이며 서로 다른 관찰로 확인해야 한다. 이 글의 저항 계산은 접착 파괴 하중이나 수명 예측을 제공하지 않는다.
Lid Attach의 품질을 판단하려면 lid가 붙어 있는가에 한 질문을 더한다. die의 열이 실제로 어느 면을 지나 lid에 도착하는가. 중앙 열 접촉, 가장자리 지지, 외부 냉각을 각각 확인하면 단단한 뚜껑과 좋은 냉각을 구분하고, 다음 개선을 어느 계면에 적용할지 정할 수 있다.