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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。이러한부하는이많이소모되는첨단운전자보조시스템지원하면서기업평균평균연비자동차oem회사들이수년동안기계부품을전기부품교체해왔지만，48v시스템과최신최신가추가로로합니다。향후48v전력으로영구전환되기전단기적으로oem회사및및1（tier1）공급공급업체두종류아키텍처（12v및48v）를제공해야할수있습니다。

자동차oem회사와와1공급업체는최근마일드이브리드자동차（mhev）솔루션솔루션선보였습니다。예를들어아우디는12 kw용량용량새로운벨트얼터네이터마찬가지로다임러는최대16 kw용량의s클래스용통합스타터이터（ISG，集成升降机发生器）를를했습니다[2]。또한또한처럼다임러는기존12V부하용dc-dc컨버터블록사용합니다。티어1공급업체발레오는자율과48v하이브리드시스템을결합한한한한한한한한한한한한한한한한이플랫폼의제품하나인e4awd는통합벨트스타터제너레이터（IBSG，集成腰带启动器发电机）와와리어액슬드라이브（ERAD，电动后轴驱动）를효율적으로결합하고발레오마일드마일드하하하자동차에에에를를더해연료소비소비17％줄였습니다。또다른자동차티어1공급업체인델파이는그림1과같이연비를15％향상시키는시키는슈퍼차저를하는48v하이브리드시스템시스템을。이내믹차저시스템에이내믹믹파이어（DSF，动态跳过火灾）실린더실린더화개념을사용하여이산화탄소배출량배출량13％까지줄일수있습니다[2]。

48V전력을이용하게되면이어링하니스（线束，차량차량뭉치）단면및중량감소와다양한한을누릴있고한한을누릴있고있고한점차량있고배기가스배출감소로이어집니다。스티어링랙，편의기능및기타시스템의기계부품전기화도도움이되지만，모터（<25kW的）를사용한마일드하이브리드화는실질적이고상당한이점을제공합니다。한추정치[1]에따르면마일드하이브리드자동차는이산화탄소배출량을15％까지감소시킨다고。이는완전하이브리드시스템시스템비용약30％로마일드하이브리드자동차수익중70％에해당합니다。약4500달러가소요되는완전하이브리드에비해하이브리드는1500달러정도의추가비용비용만하면됩니다。이러한비용차이도마일드하이브리드자동차자동차성장에영향을미칠것으로예상예상을미칠것으로예상예상또한48v전력은향후v2x（车辆到一切）연결과첨단운전자보조시스템에가능한한시스템의（부하점부하점）을을하는역할도합니다。향후10년내에레벨3에서레벨5수준의자율주행대량출시가예상되며，첨단운전자보조보조대한대한사항은빠르게증가할할으로보입니다。현재레벨2의기능에필요한와트1 kw정도이지만，레벨4 /레벨5시스템에서10배이상의전력이필요할것입니다。비용및이산화탄소배출량등의이점과과，48v마일드하이브리드자동차는는되고있는있는전기자동차에서주목받을것으로보입니다시장주목받을것으로으로

클라우드컴퓨팅

오늘날매일개인개인용혹은혹은비즈니스으로생성되고있는있는용으로현재까지생성된44제타제타이트（44조기가바이트）의의이터중90％가최근2년동안생성되었습니다[3]。오버더톱（顶部）스트리밍서비스，5g，photich물（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，더낮은배전손실（i2r손실16배），더더효율성，배치유연성및비용효율인 - 랙（机架）UPS를를할수있습니다[5]。이점이는줄줄을이는줄줄의손실을이는캐패시터의의손실을이는에이는。그러나48v에서서버보드로의전압과정이과제로남아있습니다。중앙처리장치（CPU）코어코어DDR（双数据速率）메모리블록에전력공급공급일반으로으로으로으로이필요필요。더더높은스텝다운（48V〜1.8V）의경우교환회로와와사한변환효율을실현하기가어렵습니다。AC-DC및直流부하지점을포함을포함각변환단계단계랙에서에서사하거나요구하는시스템레벨을충족위해서는더폼팩터와더높은지원이가능한반도체패키징이핵심핵심。

5克

기존4g네트워크의단점을해결하기위해5G네트워크는대규모트래픽（이더넷을통한무선통신）과과（사물인터넷，연결연결및대역폭에신뢰도（엣지컴퓨팅，대기시간）도도합니다。새로운스펙트럼，더많은사이트및다중액세스엣지등이5g의주요차이점입니다。현재4g lte네트워크전송대역폭의이론적적한계는150mbps로5g의요건을충족수없습니다。더더높은대역폭을달성하기하기위해위해네트워크는더높은주파수주파수밴드를를용또한대량다중입출력（MIMO）기술은처리량향상의핵심입니다。그림3에서볼수이，토폴로지토폴로지에서기존4g네트워크네트워크안테나，리모트라디오헤드（rrh）및및이스밴드밴드（bbu）이분리된분산형무선액세스네트워크（d-ran）아키텍처아키텍처선호합니다。5g네트워크는중앙집중식또는클라우드（c-ran）분포분포를하여베이스밴드밴드기능을통합하기위해이동로로로동로로로로로5g네트워크에서는베이스밴드밴드유닛（pool）이엣지사이트에동안，리모트라디오헤드와안테나가통합통합것으로예상됩니다。아이스밴드밴드유닛（또는또는네트워크）은라우터，물리적인프라，전기및냉각시스템과같은네트워크포함하여동일한물리적사용가능합니다。하지만사이트수가더많아지고컴퓨팅요구사항이높아짐에따라네트워크에너지소비량은더욱가할할입니다。

통신통신사에에1밴드5g장비의전력소비량은사한구성을가진4g의350％에에고[6]。5G베이스밴드밴드장치는약300를소비하고리모트라디오헤드는30％로드에서약900 w를를합니다（최대전력1.4 kW）。향후3년내에더주파수에이추가됨에에최대최대전력은약14 kw로증가할할입니다。그외에도밀리미터파까지최대전력소비량은최대20 kw까지증가될될있습니다[6]。기존4g통신전원공급장치는-48v로설계되어，이러한전원전원공급5g요구사항에에맞지。4g시스템의전원공급케이블에서에서하는절대전력손실전력사항이1kw정도이기때문에더편입니다。그러나동일한케이블블이에대한절대손실은5g시스템에서더많으며，케이블에서에서더높은전압가발생합니다。대부분의전원공급장치와가지로전압이'전압전압아래로떨어지면전원에이차단차단。이러한문제를줄이기위해위해전원공급장치설계자설계자는가DC-DC컨버터를사용전압전압레벨을약-57V로높일수[6]。결과결과으로5g네트워크사용으로인한소비량가는는전원공급장치해결해결하는과제로남아있습니다。

반도체 부분에서 48V의 영향

앞서설명한시장의요구에따라반도체공급의의시장가크게크게가하고있습니다。자동차부문에서마일드마일드이브리드는현재현재총생산량의약약약약약약약약총총약약약약총총총총총생산량약차지차지차지총총총총차지차지차지하지만10년년후에는15％까지성장할것으로。따라서마일드하이브리드사용사용으로차량당약75달러의전력사용이증가할것으로예상됩니다。마찬가지로로이퍼스케일스케일5g데이터센터에서48v전력으로전환이이루어지면서전력장치원재료비용（bom）이약40달러인상될예정입니다。마지막으로5g인프라설치로인해및및이드전원공급가요구되면서전력트랜지스터에대한이증가할것입니다。48v에코시스템은반도체공급공급가이러한러한이션부문간에시너지를적용적용수기회를제공제공제공수기회를제공합니다제공기회기회를제공그림4는전체적인새로운기회에서주요이션부문과부문과각각의성장전망을적으로보여자동차및클라우드컴퓨팅에사용되는48v와5g전원공급장치，기본어셈블리및테스트의-57v모두향후10년동안크게성장할전망입니다。

전력패키징이필요한기술트렌드

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-247및到220.과과같은（通孔）패키지에서d2pak，DPAK.那SO-8과같은표면실장부품으로진화해왔습니다。또한리드패키지는无侵扰（TOLL）및PQFN.처럼리드가없는표면실장옵션으로대체되었습니다。더높은전력솔루션신뢰수요구요구요구에산업은은를충족산업은은트렌드를충족혁신인옵션을를충족충족혁신적인인트렌드제공해야해야고객은패러시틱스（寄生料）를를이기위해위해사이드쿨링，칩스케일패키징및멀티다을통한효과인열기능을제공하는솔루션로할수있습니다솔루션필요로수있습니다있습니다을로수있습니다。그러나그러나，성능및신뢰성측면에서이있을수있습니다。

자동차분야사례를보면자세히알수있습니다。벨트스타터제너레이터애플리케이션은은전력시스템의중간이48v인경우약12 kw가필요합니다。모터에전원을공급하는단계단계전류전류가500a보다높고48v이상의mosfet을사용합니다。일반적으로전체요구사항을충족하기위해개개mosfet이병렬로연결됩니다。기기들이완전한阶段3구현을위해상단과하단의양쪽에서병렬로연결파워파워이지에서，특히파워스테이지지모터자체되면인쇄회로회로회로회로이러한애플리케이션및와트케이스사용용되는공통패키지D2Pak.7L의패키지크기는15 x 10 x 4.4 mm입니다。하지만파워이지에여러패키지가필요한경우크기는가적인장점이됩니다。d2pak와비슷한收费（11.7 x 9.9 x 2.3 mm）은은및고신뢰애플리케이션최적최적화된몰드입니다。그러나TOLL（그림5）은면적을30％줄이고50％이상상더작은（form-Fit）또다른중요한점은반도체에사용되는미션이계속계속해서진화하면서보드수준더높은수준의신뢰성을하고있는것

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

00전력패키징은 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 mmLFPAK.는기계적면적은60％，부피는80％더작습니다。인터커넥트기술에서는이어본드가발전발전발전제품제품운반능력을결정d2pak의경우사용되는와이어의의최대최대직경직경직경직경은은은은하지만8x 8 mm lfpak인터커넥트에구리클립기술사용하면운반능력이훨씬훨씬향상됩니다。클립클립을사용하면이어본드본드의기생（寄生电阻）과인덕턴스를크게최소화할수수있습니다。이패키징방식방식은전력전력밀도달성에대한우려를일부해소해소

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，자동차전략마케팅

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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