TI의 글로벌 팀은 전력 모듈을 위한 새로운 MagPack™ 패키징 기술을 개발하기 위해 도전을 거듭하여 전력 설계의 미래를 발전시키는 데 도움이 될 획기적인 기술을 개발했습니다.
노련한 마라톤 선수인 Kenji Kawano는 멀리 떨어진 결승선을 향해 노력할 때 인내와 끈기의 가치를 잘 알고 있습니다. 새로운 기술을 개발하는 것은 점진적인 발전, 불가피한 좌절, 힘겹게 얻은 성공 등 마라톤과도 같은 과정입니다. 혁신적인 혁신을 위한 응용 연구소인 Kilby Labs의 일본 소재 전력 담당 선임 매니저인 Kenji는 이 과정을 여러 번 운영한 경험이 있습니다.
Kenji와 당사의 글로벌 디자이너, 연구원 및 제조업체 팀은 전자 설계의 플러그 앤 플레이 부품인 전력 모듈을 개선하기 위해 설계된 기술을 개발하는 데 상당한 시간과 노력을 투자했습니다.
그 결과 산업, 엔터프라이즈 및 통신 애플리케이션 설계자에게 이전에는 달성할 수 없었던 성능 수준을 제공하는 새로운 독점적인 전력 모듈용 통합 자기 패키징 기술인 MagPack이 탄생했습니다.
"이 기술은 더 높은 전력 밀도, 더 높은 효율, 더 낮은 시스템 비용을 제공합니다."라고 Kenji는 말합니다.
효율성 향상의 필요성
전력 모듈은 현대 기술에서 어디에나 존재합니다. 여러 전자 부품을 단일 패키지로 통합하여 설계자가 설계 흐름에 소요되는 시간을 줄일 수 있도록 도와줍니다. 그러나 전 세계가 더 많은 전력을 소비하고 애플리케이션이 점점 더 작아짐에 따라 디지털 펜과 같은 소형 기기에 들어갈 수 있도록 전력 모듈 크기를 줄이고 효율성을 높여야 한다는 요구가 끊임없이 제기되고 있습니다.
독일에 있는 시스템 엔지니어이자 모듈 기술자인 Anton Winkler는 전력 모듈 성능을 개선하기 위해 고심했습니다. 현장에서 그의 작업은 결국 Kenji와의 장기적인 협업으로 이어졌습니다.
"Kenji도 이 작업을 하고 있었다는 것을 알고 있었습니다."라고 Anton은 말했습니다. "그래서 저희는 여러 팀에서 기술 개발을 진행했습니다."
간단한 설계 원칙, 까다로운 구현
전력 설계에서는 크기가 중요합니다. 설계자는 더 작은 공간에 더 많은 전력을 집적해야 하는데, 부품을 촘촘히 배치하고 단락 없이 다양한 전압을 처리해야 하는 경우 이는 어려운 과제입니다.
"우리는 부하에 적절한 양의 에너지가 흐르기를 원합니다. 그렇지 않으면 부하가 제대로 작동하지 않거나 파괴될 수 있습니다."라고 Anton은 말합니다.
전력 모듈에는 일반적으로 기판에 부착된 반도체와 자기장에 에너지를 저장하고 전기의 흐름을 원활하게 하는 별도의 인덕터가 포함되어 있습니다. 인덕터는 효율성에 병목 현상을 일으킬 수 있으며, 보드 공간을 많이 차지할 수 있습니다. 올바른 인덕터를 선택하는 것도 설계자에게는 시간이 많이 소요되는 과정일 수 있습니다.
이러한 딜레마를 인식한 연구팀은 인덕터와 집적 회로를 결합하여 부피를 절약하고 전력 밀도를 높였습니다. 설계 원리는 간단했지만 이를 구현하는 것은 쉽지 않았습니다. 연구팀은 신경망 기반 접근 방식을 사용하여 인덕터를 사양에 맞게 최적화했으며, 3D 패키지 성형 공정을 통해 새롭게 설계된 독점적인 재료로 최적화된 전력 인덕터를 포함하는 MagPack 패키지의 높이, 무게, 깊이를 최대로 활용할 수 있었습니다.
"여기에는 기계적, 전기적, 화학적 공정이 수반되었습니다. 정말 여러 분야의 전문가가 참여한 프로젝트였습니다."라고 Anton은 말합니다.
새로운 전력 모듈은 설계자에게 크기 또는 성능 측면에서 다양한 옵션을 제공합니다. 이를 통해 엔지니어는 전력 솔루션 크기를 절반으로 줄이고 전력 밀도를 두 배로 높일 수 있습니다. 예를 들어, 광학 모듈 설계자는 MagPack 기술이 적용된 전력 모듈을 사용하여 기존 폼 팩터를 유지하면서 전력 밀도를 두 배로 높일 수 있습니다. 이는 데이터 센터와 같이 막대한 전력을 소비하는 애플리케이션에서 특히 중요합니다.
이 기술은 또한 시스템 손실을 최소화하고 모듈의 온도를 낮추며 전자기 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그리고 기술 개발에 노력을 기울이고 협력하면 궁극적으로 설계자는 전력 설계에 소요되는 시간을 45%까지 절약할 수 있게 됩니다.
현상 유지에 대한 도전
프로토타입이 준비되었으므로 다음 과제는 산업 규모로 전력 모듈을 생산하는 것이었습니다. 패키징 팀은 제조 공정 정의를 주도하고, 재료를 조달하고, 부품 생산을 위한 새로운 툴을 준비했습니다. 제조 작업을 주도한 필리핀의 패키징 엔지니어링 매니저인 John Carlo Molina는 흥미진진하면서도 "엄청난 부담감"을 느꼈다고 말합니다.
"우리는 기존의 틀에 도전하고 새로운 패키지 구성을 도입하는 등 획기적인 무언가를 만들고 있었습니다."라고 John Carlo는 말합니다. "하지만 우리는 독창성만으로 성공을 판단할 수 없다는 것을 알고 있었습니다. 처음부터 우리는 대량 생산을 지원할 수 있는 공정을 사용하여 안정적이고 고품질의 제품을 개발하는 데 중점을 두었습니다. 첫 번째 테스트용 샘플을 배송한 것은 안도감과 함께 다음 단계에 대한 큰 동기 부여가 되었습니다."
이 기술은 새로운 기술이지만 개발자들은 환자 모니터링 및 진단, 계측, 항공우주 및 방위, 데이터 센터와 같은 크고 작은 애플리케이션에 적용할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.
"제 개인적인 목표는 우리가 공략할 수 있는 시장을 계속 확장하고 궁극적으로 차량용 등급 인증 기술이 되기 위해 필요한 업계 표준을 충족하는 것입니다."라고 Anton은 말합니다.
모든 시장과 애플리케이션에서 전력 수요가 기하급수적으로 증가함에 따라 새로운 MagPack 통합 자기 패키징 기술은 전력 설계의 미래를 재편하고 엔지니어가 이전보다 더 작은 공간에 더 많은 전력을 공급할 수 있도록 지원할 것입니다.
