플래그십 스마트폰 베이퍼챔버 적용 — 표면 온도 3.4°C 저감

상황

고객사는 설계 동결을 8주 앞두고 열 이슈를 발견했습니다. 고부하 게이밍 시나리오 20분 시점에서 후면 표면 온도가 내부 규제 한계를 2.8°C 초과했고, AP 스로틀링이 6분 시점부터 시작되어 목표 프레임을 유지하지 못했습니다.

이미 그라파이트 시트 2겹과 TIM 갭 패드가 적용된 상태였고, 기구 구조는 금형 발주 직전이라 변경 가능한 범위가 매우 좁았습니다.

원인 규명

먼저 기존 설계의 열저항을 경로별로 분해했습니다. 상세 열해석 결과, 전체 열저항의 절반 이상이 AP 패키지 상면에서 그라파이트 시트로 열이 퍼지는 확산 구간에 몰려 있었습니다.

구간	열저항 기여도
AP 정션 → 패키지 상면	18%
패키지 상면 → 확산층 (확산 저항)	54%
확산층 → 후면 커버	21%
커버 → 주변 공기	7%

그라파이트 시트를 한 겹 더 쌓아도 확산 저항 자체가 바뀌지 않기 때문에 개선 폭이 작다는 것이 수치로 확인되었습니다. 실제로 고객사가 앞서 시도했던 그라파이트 추가 안은 0.4°C 개선에 그쳤고, 해석 예측(0.5°C)과도 일치했습니다.

접근

확산 저항을 직접 낮추려면 유효 열전도율이 훨씬 높은 층이 필요했습니다. 남은 두께 예산은 0.4mm였습니다.

• 전면 베이퍼챔버는 두께와 원가 모두 초과했습니다.
• 국부 베이퍼챔버 — AP 상부와 그 주변 확산이 필요한 영역에만 한정한 0.35mm 구조를 제안했습니다.

윅 구조는 소결 분말 대신 메시 적층 방식을 선택했습니다. 0.35mm 두께에서 소결 윅은 유효 두께를 확보하기 어렵고, 양산 편차도 크기 때문입니다. 작동 유체 충전량은 해석과 시작품 3차 반복으로 결정했습니다.

검증

시작품 12개를 제작해 열저항과 최대 전달 열량(Q-max)을 측정했습니다.

• 해석 예측 대비 실측 편차: 정션 온도 기준 1.2°C 이내
• 시작품 간 산포: 표면 온도 기준 ±0.6°C
• 기울기 시험(중력 반대 방향 5mm): 성능 저하 4% 이내

편차가 예상보다 컸던 초기 시작품은 진공 배기 시간이 부족했던 것이 원인으로, 배기 조건을 표준화한 뒤 산포가 절반으로 줄었습니다.

양산 이관

성능 재현성이 공정 조건에 크게 의존하는 부품이라, 다음 항목을 관리 특성으로 정의하고 공정능력 기준을 설정했습니다.

• 진공 배기 도달 압력 및 유지 시간
• 작동 유체 충전량 (중량 기준, 상하한 설정)
• 봉지부 실링 강도 및 헬륨 리크 기준
• 조립 시 접촉 압력 및 TIM 도포량

초도 양산 3,000개 기준 열성능 관련 불량률은 0.8%였고, 이 중 대부분이 봉지부 리크였습니다. 실링 조건을 재조정해 3개월 차에 0.2% 수준으로 안정화되었습니다.

결과

• 후면 표면 온도 3.4°C 저감 — 규제 한계 대비 0.6°C 여유 확보
• 지속 성능 유지 시간 2.1배 (6분 → 12.6분)
• 설계 동결 일정 준수

이 사례의 수치는 고객사 동의 범위 내에서 공개한 값입니다. 구체적인 구조와 공정 조건은 NDA 체결 후 별도 공유가 가능합니다.