die attach를 얇게 바르면 열저항은 어디까지 줄어들까

Die attach 접착층을 얇게 만들면 열이 더 짧은 거리를 지나므로 열저항이 줄어든다. 그런데 접착층을 줄인 시료가 계산보다 덜 차가워지거나, 오히려 부분적으로 뜨거워질 수 있다. Die attach bondline을 고를 때는 얇아진 재료층의 이익과, 그 두께에서 실제 접촉이 유지되는지를 같이 보아야 한다.

접착층은 die를 기계적으로 붙이면서 열이 빠져나가는 경로도 만든다. TI의 Semiconductor Packaging Assembly Technology, Die Attach는 coverage와 두께 변동, 공극이 열전달과 접합 신뢰성에 영향을 준다고 설명한다. 재료의 thermal conductivity가 높다는 조건은 이 경로가 실제로 연속해 있다는 조건과 다르다.

균일한 재료층의 가장 단순한 열저항은 R_layer = t/(kA)다. t는 두께, k는 열전도율, A는 면적이다. 두 면이 각각 일정한 온도이고, 옆으로 새는 열이 없으며, 재료층 내부의 수직 정상상태 열전도만 있다고 가정한다. 실제 die attach 전체의 열저항이나 junction-to-ambient 값을 뜻하지 않는다.

가상으로 A를 5×5 mm, 즉 25×10⁻⁶ m², k를 2 W/(m·K)라고 두자. 두께 50 μm에서는 R_layer가 1 K/W이고, 25 μm에서는 0.5 K/W다. 이 층을 통해 흐르는 열이 3 W라면 층 양단의 온도차는 각각 3 K와 1.5 K다. 접착층이 절반이 되어 재료층의 열저항도 절반이 됐다.

이제 위·아래 접촉 경계에 각각 0.4 K/W의 저항이 추가된다고 가정하자. 같은 수직 경로의 합은 50 μm에서 1.8 K/W, 25 μm에서 1.3 K/W다. 재료층만 절반이 됐어도 경로 전체가 절반이 되지는 않는다. 접촉이 지배하기 시작하면 두께를 더 줄이는 조정의 상대적 이익은 작아진다.

TI의 Semiconductor and IC Package Thermal Metrics §2.3, 식 (7)는 package와 heat sink 사이 interface의 t/(kA) 추정이 표면 간 열적 접촉 저항을 제외한다고 명시한다. 이는 die attach 전용 측정값을 제공하는 식은 아니지만, 재료층 계산과 접촉까지 포함한 결과를 구분해야 한다는 동일한 열전도 원리를 보여 준다. 접촉 저항을 모르는 상태에서 bulk k와 두께만으로 전체 경로를 확정할 수 없다.

매우 얇은 bondline에서는 표면의 높이 변동이 상대적으로 커진다. nominal 두께가 25 μm이고 위치별 간격 변동을 단순히 ±12 μm로 나타내면 국부 두께는 13–37 μm다. nominal을 10 μm로 낮추고 같은 변동을 유지하면 계산상 −2–22 μm가 된다. 실제 두께가 음수가 되는 것이 아니라, 균일한 연속 층이라는 모델 자체가 그 위치에서 성립하지 않는다는 신호다.

실제 조립에서는 die와 substrate가 변형되거나, 접착제가 흐르고, 일부 위치가 먼저 닿을 수 있다. 그러므로 이 산술만으로 void 크기를 예측할 수는 없다. 표면 거칠기·warpage·기울기와 접착제의 흐름 및 경화 조건을 함께 확인해야 연속적인 접촉이 생기는지 판단할 수 있다. 얇게 바른 양과 최종 경화 뒤의 bondline은 같은 정보가 아니다.

공극이 있는 경우 면적을 단순히 줄여 보는 계산도 제한적이다. die 전체가 등온이고 공극 경로의 열전도를 무시한다는 이상적인 조건에서, 25 μm 층의 유효 면적이 80%라면 열저항은 0.5/0.8 = 0.625 K/W다. 하지만 실제 열원과 온도가 균일하지 않으면 공극의 위치가 중요해지고, 이 면적 보정만으로 hotspot을 판정할 수 없다.

Die attach bondline을 줄이는 조정은 먼저 재료층이 전체 열 경로에서 얼마나 차지하는지 확인한 뒤 평가해야 한다. 얇아진 조건에서도 coverage와 국부 두께가 유지되는지, 경화 뒤의 접촉 상태에서 실제 열저항이 줄었는지를 연결하는 것이 필요하다. 가장 얇은 접착층보다, 필요한 열전달과 접합을 동시에 재현하는 두께가 설계의 답이 된다.