[편집자 주] 더 작고 기능이 많은 전자 제품을 개발하는 추세는 임베디드 시스템 개발자들에게 기능이 풍부하고, 크기가 작은 MCU와 임베디드 프로세서를 요구하고 있다. 반도체 업체들은 이러한 요구에 부응하기 위해 프로세서의 성능을 저하시키지 않으면서도 초소형이면서도 여러 가지 기능을 포함하고 있는 제품을 만들기 위해 노력하고 있다. 이에 본지는 최근 텍사스인스트루먼트(Texas Instruments, TI) Alex Grudzinski가 발표한 ‘작지만 강력한 성능: MCU를 위한 작은 크기의 패키징과 통합이 공간이 제한된 설계를 최적화하는 방법’이라는 기술 문서를 통해 패키징과 아날로그 부품의 통합이 임베디드 프로세서의 성능을 저하시키지 않으면서 크기를 줄이는 데 어떻게 도움이 되는지, 그리고 최적화된 패키징이 제조 공정에 미치는 영향이 무엇인지 살펴봤다.
 

소비자들의 기대치가 하루가 다르게 높아지는 가운데, 전자제품의 핵심은 단순한 기능을 넘어 디자인의 소형화와 기능의 집약화로 요약되고 있다.

옛날 단순한 전화기에서 고화질 화면, 장시간 배터리, 빠른 처리 속도를 자랑하는 최신 스마트폰에 이르기까지, 소비자의 눈높이가 높아진 만큼 제조업체들은 공간 효율성을 극대화하는 새로운 기술에 주목하고 있다.

전통적인 패키징은 부품 보완을 위해 불필요한 플라스틱 외함과 리드를 사용해 왔으나, 최신 QFN(Leadless) 패키지는 불필요한 추가 요소를 제거하고 평면형 접촉 구조 및 하부의 열전달 패드(thermal pad)로 열 분산 성능을 획기적으로 개선했다.

TI의 대표 제품 중 하나인 MSPM0C1104는 20핀 QFN 패키지로 작지만 안정적인 성능을 입증하며, 차세대 소형 전자기기의 핵심 부품으로 주목받고 있다.

또한 TI는 기존 패키징 한계를 극복하기 위해 WCSP(Wafer Chip Scale Package) 기술을 선보이고 있다.

WCSP는 솔더 볼 어레이 방식을 채택해 실리콘 다이의 크기와 거의 동일한 크기의 패키지를 구현하게 함으로써, PCB 상에 필요한 면적을 극소화하고 설계자에게 추가 부품 배치와 배터리 용량 확장의 여지를 남긴다.

실제로 MSPM0C1104의 WCSP 버전은 동일 기능을 구현하면서 경쟁 제품에 비해 38% 작은 크기를 자랑하며, ‘공간 대비 기능의 극대화’를 실현하는 대표적인 사례로 평가된다.

최신 임베디드 시스템에서는 패키지 크기만 줄이는 것이 아닌, 다양한 기능의 집적에도 중점을 두고 있다.

과거 펄스 옥시미터와 같은 의료 기기는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 비교기, 전압 기준 등 각 기능별로 별도의 부품을 필요로 했으나, 이러한 기능들을 MCUs 내부에 통합함으로써 부품 수를 대폭 줄이고 PCB의 설계 복잡성을 최소화할 수 있다.

반면에 모든 기능을 맹목적으로 집적하면 오히려 칩의 크기와 제조 비용이 증가할 수 있기에, 시장의 실질적 요구를 반영한 맞춤형 기능 최적화가 필수적이다.

초소형 패키지 채용은 제조 공정에도 많은 혁신을 요구한다. 기존의 넓은 공간을 차지하는 패키지와 달리, WCSP 및 BGA (Ball Grid Array)와 같이 미세한 부품을 다루기 위해서는 PCB 설계 시 SMD(솔더 마스크 정의)와 NSMD(비 솔더 마스크 정의) 방식의 패턴 설계가 각광받고 있다.

특히 NSMD 방식은 리드 폭과 치수를 정밀하게 조정해 안정적인 솔더링 효과를 제공함으로써, 부품 간 간섭을 최소화하고 전기적 신뢰성을 높인다.

또한 최신 자동화 기술이 적용된 픽앤플레이스(Pick-and-Place) 기계와 비전 시스템은 부품의 미세 구조를 실시간으로 인식, 셀프 센터링 기능을 통해 오차를 보정하며 고정밀 조립을 가능케 한다.

TI를 비롯한 반도체 업계는 이번 기술 혁신을 기반으로, 제품의 소형화와 함께 배터리 수명 연장, 제조 효율 향상, 그리고 다양한 기능의 통합 등 다각적인 발전을 이루어내고 있다.

오늘날의 전자제품은 작지만 강력한 기능과 높은 효율성을 요구하며, 이에 대응하기 위해 전 세계 엔지니어들은 초소형 패키징과 기능 집적 기술을 적극 도입하고 있다.

산업 내에서는 이러한 혁신이 단순한 부품 소형화를 넘어, 제조 공정의 자동화 및 최적화, 그리고 차세대 디자인 전략 수립에 지대한 영향을 미칠 것으로 전망된다.

앞으로 반도체 소자의 지속적인 소형화와 기능 통합은 소비자들에게 더욱 편리하고 강력한 전자제품을 선보일 수 있는 발판이 될 전망이다.

TI는 이러한 기술 발전의 선두주자로서, 차세대 임베디드 시스템 설계를 위한 최적의 솔루션을 지속적으로 제공하며, 전 세계 설계자들이 보다 혁신적인 제품을 개발할 수 있도록 뒷받침하고 있다.

소비자의 기대와 시장의 경쟁이 심화되는 현 상황에서, 초소형 패키징 기술은 미래 전자산업 전반에 걸쳐 새로운 도전과 기회를 창출할 핵심 동력이 될 것이다.

이와 같은 혁신의 물결은 단순한 미니어처화에 그치지 않고, 우리 일상 속에서 보다 효율적이고 다기능적인 전자제품 사용 환경을 만들어 나갈 것으로 기대된다.

TI를 비롯한 관련 기업들의 지속적인 기술 투자와 연구개발 노력이 내일의 전자산업 지형도를 어떻게 바꿔놓을지 주목할 만하다.