새로운 마그네틱 패키징 기술이 '전원 모듈'의 미래를 바꾸는 방법

겐지 가와노 텍사스인스트루먼트 전력 담당 선임 매니저

글로벌 반도체 기업인 텍사스인스트루먼트(TI)는 이달 초 세계 최초로 첨단 소재인 매그팩(MagPack)과 마그네틱 패키징 기술을 활용해 업계 '초소형 전력 모듈' 출시하며 주목을 받았다. TI의 매그팩 전력 모듈은 경쟁 모듈에 비해 크기를 최대 23%까지 줄어들고, TI의 이전 세대 제품 대비 50% 축소됐다는 점이 특징이다.

이 같은 성과를 내기 위해 TI의 전세계 설계 디자이너, 연구원, 제조업체팀은 많은 시간과 노력을 기울였다.

겐지 가와노(Kenji Kawano) TI 전력 담당 선임 매니저. 새로운 기술을 개발하는 과정은 마라톤과 같다.(사진=TI)

매그팩 전력 모듈 개발에 참여한 안톤 윙클러(Anton Winkler) TI 독일 지사 시스템 엔지니어는 "새로운 기술을 개발하는 것은 마라톤과도 같은 과정이었다"라며 "여러 과정을 차례 겪으면서 이전보다 더 높은 전력 밀도, 더 높은 효율, 더 낮은 시스템 비용을 제공하는 전력 모듈용 통합 마그네틱 패키징 '매그팩' 개발에 성공했다"고 말했다.

그는 이어 "매그팩 전력 모듈은 산업, 엔터프라이즈, 통신 애플리케이션 설계자들에게 이전에는 달성할 수 없었던 성능을 제공한다"고 강조했다. 

■ 효율성 향상의 필요성

전력 모듈은 현대 기술에서 필수적인 요소다. 여러 전자 부품을 단일 패키지로 통합한 전력 모듈은 설계자가 개발에 소요되는 시간을 단축할 수 있도록 돕는다. 최근 전 세계적으로 전력 소비가 증가하고 애플리케이션이 점점 더 작아짐에 따라 디지털 펜과 같은 소형 기기에 적합한 크기와 효율성을 갖춘 전력 모듈의 필요성이 대두된다.

TI, 새로운 마그네틱 패키징 기술이 적용된 전력 모듈(사진=TI)

안톤 윙클러 엔지니어는 "전력 모듈 성능 개선을 위해 고민해 왔고, 현장에서의 작업은 지와 장기적인 협업으로 이어졌다"라며 "여러 팀이 협력해 전력 모듈 기술 개발을 진행했다"고 말했다.

■ 간단한 설계 원칙, 까다로운 구현

전력 설계에서는 크기가 중요하다. 설계자는 더 작은 공간에 더 많은 전력을 집적해야 하며, 이는 부품을 촘촘히 배치하고 단락 없이 다양한 전압을 처리하는 과정에서 상당한 도전 과제로 여겨진다. 이 때 부하에 적절한 양의 에너지가 흐르도록 해야 한다. 그렇지 않으면 부하가 제대로 작동하지 않아서 손상될 수 있다.

전력 모듈에는 일반적으로 기판에 부착된 반도체와 마그네틱장에 에너지를 저장하고 전기의 흐름을 원활하게 하는 별도의 인덕터가 포함된다. 그러나 인덕터는 효율성에 병목 현상을 일으킬 수 있으며, 보드에서 많은 공간을 차지할 수 있다. 적절한 인덕터를 선택하는 것 역시 설계자에게는 시간이 많이 소요되는 과정이다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 인덕터와 집적 회로를 결합해 부피를 절약하고 전력 밀도를 높이는 방법을 고안했다. 설계 원리는 간단했지만 구현 과정은 복잡했다. 연구팀은 신경망 기반 접근 방식을 사용해 인덕터를 최적화했으며, 3D 패키지 성형 공정을 통해 새롭게 설계된 독점적인 재료로 최적화된 전력 인덕터를 포함하는 '매그팩' 패키지의 공간을 최대한 활용했다.

안톤 엔지니어는 "이 과정에는 기계적, 전기적, 화학적 공정이 모두 포함됐다"라며 "여러 분야의 전문가들이 참여한 프로젝트였다"고 설명했다.

TI, 새로운 마그네틱 패키징 기술로 전력 솔루션 크기를 이전 보다 절반으로 축소했다. (사진=TI)

새로운 전력 모듈은 설계자에게 크기 또는 성능 측면에서 다양한 옵션을 제공한다. 이를 통해 엔지니어는 전력 솔루션 크기를 절반으로 줄이고 전력 밀도를 두 배로 높일 수 있다. 예를 들어, 광학 모듈 설계자는 매그팩 기술이 적용된 전력 모듈을 사용해 기존 폼 팩터를 유지하면서 전력 밀도를 두 배로 높일 수 있다. 이는 데이터 센터와 같이 막대한 전력을 소비하는 애플리케이션에서 특히 중요하다.

이 기술은 또한 시스템 손실을 최소화하고 모듈의 온도를 낮추며 마그네틱 간섭을 줄이는 데 도움된다. 또한 기술 개발에 노력을 기울이고 협력하면 궁극적으로 설계자는 전력 설계에 소요되는 시간을 45%까지 절약할 수 있다.

■ 현상 유지에 대한 도전

프로토타입이 준비된 후, 다음 과제는 산업 규모로 전력 모듈을 생산하는 것이다. 패키징 팀은 제조 공정을 정의하고, 재료를 조달하며, 부품 생산을 위한 새로운 툴을 준비했다. 

당시 제조 작업을 총괄한 카를로 몰리나(John Carlo Molina) 패키징 엔지니어링 매니저는 "흥미진진하면서도 엄청난 부담감을 느꼈다"고 소감을 말하며 "우리는 기존의 틀을 깨고 새로운 패키지 구성을 도입하는 획기적인 작업을 했다. 하지만 단지 독창성만으로 성공을 판단할 수 없다는 것도 알고 있었다"고 전했다. 

이어서 그는 "처음부터 우리는 대량 생산을 지원할 수 있는 공정을 사용해 안정적이고 고품질의 제품을 개발하는 데 중점을 뒀다. 첫 번째 테스트용 샘플을 배송했을 때, 안도감과 함께 다음 단계에 대한 큰 동기부여가 됐다"고 밝혔다.

개발자들은 매그팩 전력 모듈이 환자 모니터링 및 진단, 계측, 항공우주 및 방위, 데이터 센터 등 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

안톤 엔지니어는 "개인적인 목표는 우리가 공략할 수 있는 시장을 계속 확장하고, 궁극적으로 차량용 등급 인증 기술이 되기 위해 필요한 업계 표준을 충족하는 것"이라며 "모든 시장과 애플리케이션에서 전력 수요가 기하급수적으로 증가함에 따라, 새로운 매그팩 통합 마그네틱 패키징 기술은 전력 설계의 미래를 재편하고 있다. 또 엔지니어들이 이전보다 더 작은 공간에 더 많은 전력을 공급할 수 있도록 지원할 것이다"고 전했다.

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* 이 글의 작성자 겐지 가와노(Kenji Kawano) 전력 담당 선임 매니저는 TI 일본 지사 혁신 연구소 '킬비 랩(Kilby Labs)'에서 근무하고 있으며, TI 매그팩 전력 모듈 개발에 참여했다. 

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