FLOEFD와 T3STER를 함께 활용하면 무엇이 달라질까?

FLOEFD와 T3STER를 함께 활용하면 무엇이 달라질까요? FLOEFD에서 계산한 반도체 패키지의 온도 응답을 T3STER 실측과 비교해 모델의 가정을 점검하고, 보정한 모델이 다른 조건에서도 온도를 예측하는지 확인할 수 있습니다.

같은 정상상태 온도에 도달하는 설계안도 가열이나 냉각 속도는 다를 수 있습니다. 일정한 부하에서 온도 한계를 확인할 때와 짧은 전력 펄스가 반복될 때는 필요한 검증 자료가 달라집니다. 시험팀과 해석팀이 어떤 온도를 어느 조건에서 비교할지 먼저 합의해야 하는 이유입니다.

그림 1. FLOEFD 해석과 T3STER 실측을 같은 조건에서 비교하는 개념 (출처: 개념도)

핵심 요약

• T3STER로 접합온도의 시간 변화를 측정하고, FLOEFD에서 동일한 시편과 냉각 조건을 재현합니다.

• 한 시점의 온도와 함께 과도 응답 곡선을 비교하고, 민감도가 높고 물리적으로 설명할 수 있는 입력을 보정합니다.

• 보정에 쓰지 않은 별도 조건에서 다시 비교한 뒤 모델을 적용할 설계 조건의 범위를 정합니다.

FLOEFD와 T3STER가 각각 보는 것

Simcenter FLOEFD는 CAD 형상에 발열량, 재료 물성, 접촉 및 냉각 조건을 입력해 온도 분포와 유동을 계산하는 전산유체역학(CFD) 도구입니다. 패키지를 상세하게 모델링하면 다이에서 접합층과 패키지, 열전달 재료(TIM), 냉각판으로 열이 이동하는 경로를 표현할 수 있습니다. 어떤 경로가 중요한지는 시편 구조와 장착·냉각 조건에 따라 달라집니다.

Simcenter T3STER는 전기적으로 접근 가능한 반도체 소자의 과도 열응답을 측정합니다. 예를 들어 다이오드의 순방향 전압처럼 온도에 따라 달라지는 온도 민감 전기 파라미터(TSP)를 먼저 보정합니다. 시편을 가열한 뒤 감지 조건으로 전환하고, 전기 신호의 변화를 온도로 환산해 시간에 따른 접합온도(Tj) 응답을 얻습니다.

그림 2. 냉각판으로 이어지는 반도체 패키지의 대표 열전달 경로 (출처: 개념도)

냉각 응답을 전력 변화량과 시험 절차에 맞춰 처리하면 시간에 따른 과도 열임피던스 Zth(t)를 얻을 수 있습니다. 이 응답을 후처리한 구조함수(Structure Function)는 누적 열저항과 누적 열용량의 관계를 보여 줍니다. 구조함수는 열 경로 변화의 후보를 좁히는 데 쓰며, 곡선의 특정 구간을 재료층 하나에 대응시키려면 패키지 구조와 장착 조건을 함께 확인합니다.

실측과 해석을 맞추는 절차

1. 비교 기준과 시험 조건을 합의합니다

시편과 구동 소자, 발열 전력의 시간 이력, 냉각 시작 시점, 냉각판 온도 또는 냉각수 조건, 시편 고정 방식과 TIM 조건을 기록합니다. 비교 지표는 접합온도 응답이나 과도 열임피던스 중에서 정하고, 시간 원점과 온도 기준, 장비 전환 직후의 유효 시간 범위를 합의합니다. 실측의 감지 영역과 해석의 평가 영역이 대응하도록 온도 추출 위치나 평균 방법도 정합니다.

2. 해석 모델에 실제 시험 조건을 반영합니다

발열 영역과 다이 접합층, 기판, 냉각 지그를 모델링합니다. 냉각판의 특정 지점에서 온도를 제어했다면 모델에도 해당 위치와 제어 조건을 반영합니다. 접촉 조건은 지그의 장착 방식과 TIM 정보로 정하고, 초기 온도장과 가열 시간도 시험과 맞춥니다.

그림 3. 반도체 패키지 열모델의 발열 영역, 접합온도 평가 위치, 냉각수 입·출구 (AI 생성 개념도)

T3STER 곡선의 시간 기준에 맞춰 FLOEFD에서 온도 이력을 추출합니다. 비교 대상이 냉각 중 접합온도 하강이라면 해석도 냉각이 시작되는 시점과 기준 온도를 맞춥니다. 온도 분포는 접합부 외에 시험에서 확인하기 어려운 열 경로를 해석하는 보조 자료로 사용합니다.

그림 4. 반도체 패키지와 냉각판 단면의 온도 분포 예시 (AI 생성 개념도)

3. 실측의 반복성을 확인하고 모델을 보정합니다

시편을 다시 장착했을 때 결과가 달라지는지 확인하고, 시험 보고서에 장착 조건과 감지 설정을 남깁니다. 온도 응답이 흔들리면 열모델 입력을 바꾸기 전에 전력 이력, 감지 전류와 TSP 보정, 열접촉의 변화를 확인합니다.

그림 5. 과도 열측정의 시편 고정, 냉각판 및 배선 구성 예시 (AI 생성 이미지)

비교 조건을 맞춘 뒤에는 발열량, 접촉 열저항, 재료 열전도율 등 후보 입력을 하나씩 바꿔 어느 구간이 민감하게 달라지는지 봅니다. 장비·소프트웨어 구성에 따라 FLOEFD의 T3STER 자동 보정 모듈을 사용할 수 있습니다. 이때도 변경할 입력과 탐색 범위는 시편 치수나 물성 자료로 정하며, 같은 곡선을 만드는 여러 조합 중에서 실제 구조와 맞는지 검토합니다.

그림 6. 접합온도 과도 응답의 보정 전후 비교 방법 (가상 데이터)

보정한 모델을 설계에 쓰는 판단 기준

보정은 정해진 시험 조건의 응답에 모델을 맞추는 작업입니다. 검증은 별도로 확보한 시험 데이터로 예측을 확인하는 작업입니다. 실제 설계에서 사용할 전력·냉각 조건의 범위 안에서 별도 시험을 계획합니다. 예를 들어 정해 둔 시간 구간에서 실측과 해석의 접합온도 차이 중 최댓값을 비교할 수 있습니다. 허용 차이는 온도 여유와 측정·입력 불확실성, 설계 판단에 미치는 영향을 기준으로 시험 전에 정합니다.

설계 검토 체크리스트

• 실측 곡선과 해석 곡선의 시간 원점, 온도 기준, 전력 조건이 같은가?

• 반복 측정 편차와 시간 간격·격자 변경의 영향이 판단을 바꾸는지 확인했는가?

• 보정에 사용한 입력과 범위를 기록하고, 별도 시험에서 모델의 적용 범위를 확인했는가?

그림 7. 시험 조건 합의부터 보정과 별도 조건 검증까지의 순서 (출처: 개념도)

CAD 형상에서 부품과 냉각 구조를 비교할 때는 Simcenter FLOEFD의 CAD 기반 유동·열해석을 활용할 수 있습니다. 기판과 함체를 중심으로 전자냉각 모델을 구축하는 팀은 Simcenter Flotherm의 전자기기 열·유동 모델링과 과도 열측정 연계를 검토할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

열화상 카메라의 온도를 T3STER 결과와 비교할 수 있나요?

열화상 카메라는 관측한 표면의 온도를, T3STER는 전기적 감지 영역의 접합온도 응답을 제공합니다. 해석에서 두 위치에 대응하는 결과를 각각 추출하면 표면과 접합부의 예측을 함께 점검할 수 있습니다.

구조함수만으로 접합층의 열저항을 알 수 있나요?

구조함수는 열경로의 차이를 추적하는 자료입니다. 패키지에 열이 여러 방향으로 퍼질 수 있으므로 층별 수치를 해석할 때는 시편 구조, 장착 조건, 추가 시험 결과를 함께 확인합니다.

보정한 패키지 모델을 실제 제품에 바로 적용할 수 있나요?

패키지 모델은 제품 해석의 입력으로 쓸 수 있습니다. 제품 기판의 구리 분포, 실제 TIM과 냉각 구조가 시험 조건과 달라질 수 있으므로, 제품 수준에서는 관심 부품 온도와 냉각 조건을 별도로 확인합니다.

참고 자료

• Siemens · Simcenter FLOEFD · CAD 기반 과도 열해석과 측정 연계

• Siemens · Simcenter T3STER · TSP 기반 측정과 구조함수

• Siemens · Simcenter FLOEFD T3STER Automatic Calibration module · 보정 모듈의 입력 변수와 적용 범위

• NASA Glenn Research Center · Validation Assessment · 모델의 사용 목적과 검증 기준

글쓴이 델타이에스 엔지니어

델타이에스는 Siemens Simcenter 파트너로, 본문에 언급된 제품의 공급과 기술 지원을 하고 있습니다.