전력 package에서 wire를 copper clip으로 바꾸는 이득의 경계

전력 package 단면에 가는 wire 대신 넓은 구리판이 보인다. Copper Clip은 die와 terminal을 연결하는 도체를 면적이 큰 구조로 만드는 방법이다. 같은 전류를 낮은 저항으로 전달할 가능성이 있지만, 구리판 하나의 저항이 package 전체의 성능은 아니다. clip이 닿는 접합과 돌아오는 전류의 경로까지 봐야 한다.

Amkor PSMC 자료는 wire-bonded 제품과 비교한 Cu clip 구조의 전기 저항·열 성능 개선을 설명한다. 단면과 재료 항목에서는 die attach solder, Cu clip와 leadframe을 구분한다. 이 제품의 특징을 모든 clip package의 동일한 개선 비율로 읽지는 않는다. 여기서는 단면이 저항을 어떻게 바꾸는지 자체 계산으로 확인한다.

처음 비교는 같은 copper 재료, 같은 온도에서의 DC 도체만이다. resistivity를 계산용 1.7×10⁻⁸ Ω·m로 정한다. 길이 2 mm, 지름 100 μm인 wire 네 개가 같은 전압 노드 사이에 연결되고 전류가 균등하게 분배된다고 하자. 한 wire의 단면은 π×(50 μm)²이고, 네 개의 병렬 저항은 ρL/(4πr²) ≈ 1.08 mΩ다.

길이 2 mm, 폭 1 mm, 두께 0.2 mm인 가상 clip의 저항은 ρL/(w t) = 0.17 mΩ다. 같은 재료와 길이여도 전체 단면이 커져 도체 저항이 작아진다. 이것이 clip의 이득을 설명하는 첫 근거다. 실제 wire가 항상 구리이거나 이 치수라는 뜻은 아니다. 재료와 길이까지 바뀌면 각각 다시 계산해야 한다.

두 도체에 30 A가 일정하게 흐른다고 지정하면 도체의 I²R 손실은 네 wire에서 약 0.974 W, clip에서 0.153 W다. 이 가정에서는 약 0.821 W 차이다. 온도에 따른 resistivity 변화와 전류 불균형, 접합 저항은 아직 넣지 않았다. 실제 package의 총손실 또는 junction 온도가 같은 비율로 낮아진다는 결과는 아니다.

접합이 들어오면 비교의 범위가 바뀐다. wire 방식의 도체 외 나머지 경로 저항 합을 가상으로 0.8 mΩ, clip 방식의 접합·terminal 등 나머지를 1.8 mΩ라고 정하자. 전체는 각각 약 1.88 mΩ와 1.97 mΩ다. clip 몸체는 훨씬 좋아도 전체는 조금 더 나쁘다.

이 숫자는 clip 접합이 실제로 더 나쁘다는 주장이나 vendor 측정값이 아니다. 도체 부분만으로 전체의 우열을 보장할 수 없다는 반례다. 두 구조를 평가할 때 die와 clip의 접합, clip와 leadframe 연결, die attach와 terminal 경로를 같은 전류 조건에서 포함해야 한다. 접합 면적이 넓다는 사실만으로 모든 영역에 전류가 균일하게 흐른다고 가정할 수도 없다.

inductance는 또 다른 질문이다. clip의 낮은 높이와 넓은 연결은 loop를 줄이는 설계에 유리할 수 있지만, inductance는 도체 재료의 resistivity로 계산하지 않는다. 전류가 나갔다 돌아오는 전체 loop의 형상과 결합을 포함한다. 낮은 clip을 사용해도 PCB return이 멀리 돌면 전체 loop가 작아졌다고 보장할 수 없다.

wire를 여러 개 병렬로 쓰는 경우에도 각 wire의 inductance를 개수로 단순히 나누는 것은 충분하지 않다. 서로 가까운 wire의 자기적 결합과 실제 return이 들어간다. 빠른 switching에서의 분포를 앞의 DC 저항 모델로 대체하면 안 된다. 저항 개선과 loop inductance 개선을 각각 측정하거나 적절한 extraction으로 확인해야 한다.

열 성능도 경로 전체를 본다. clip이 die 위에서 열을 전달할 수 있어도 die attach와 외부 방열 조건이 큰 저항이면 이득이 제한된다. 접합층의 상태와 온도 변화 뒤의 유지도 중요하다. 초기 저항이 낮다는 사실만으로 열 cycling 후 접합 신뢰성까지 판정하지 않는다.

Copper Clip을 비교할 때는 넓은 구리판의 존재에서 한 단계 더 들어간다. 어느 경로의 저항이 줄었는지, 접합을 더한 총경로는 얼마인지, 전류 loop와 외부 열 경로도 함께 개선됐는지를 확인한다. 이 구분이 있어야 wire를 바꾼 선택의 이득과 남은 한계를 같은 근거로 설명할 수 있다.