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기술 - Article 2022.04.29

ADAS Processor 고성능화에 따른 전장용 소형, 초고용량 MLCC 제안

▶0603i/10uF/6.3V/X7T (CL10Z106MQ9VPNC)

 

ADAS가 탑재된 자동차 내부 이미지

 

Abstract

ADAS가 탑재된 자동차는 각종 센서와 카메라를 통해 주변 사물과 환경을 인식하고 이에 맞게 대응해야 합니다. 고속으로 이동하는 자동차가 빠르게 사물을 인식하고 처리하기 위해서는 HPC(High performance computing) 이상의 고성능 프로세서 채용이 필수적입니다. 이를 위해 자동차에 사용되던 MLCC도 PC, Server와 유사하게 소형, 초고용량 제품(프로세서용 4~6.3V급 MLCC)의 비중이 급격히 높아지고 있습니다.
삼성전기는 AEC-Q200을 만족하는 전장용 125 ℃급 0603i(1608m)/10uF, 0805i(2012m)/22uF 등 다수의 초고용량 MLCC를 지원합니다.

 

High Performance Computing in Automotive
일반적으로 자동차용 MLCC를 생각하면 신뢰성은 좋으나 용량은 낮고, Size가 크거나 높은 전압용 제품이 떠오릅니다. 고속 연산이 필요한 고성능 프로세서가 사용되지 않다보니 자동차용 MLCC는 주로 배터리 또는 전압 변환용이었기 때문입니다.
그러나, 최근에는 단순 운전자 보조(Driver Assistance)를 넘어서 부분 자동화(Partial Automation) ADAS 적용이 확대되고 있어 대량의 센서 또는 이미지 데이터를 실시간으로 처리하고 주행 판단을 할 수 있는 고성능 Processor 탑재가 필수적입니다.

 

ADAS board layout

ADAS Board 구성은 “정보 입수” → “판단” → “주행 데이터 전송”으로 매우 단순합니다. 카메라, Radar, Lidar를 통해 수집된 정보를 ADAS SoC(System on Chip)에서 사람, 사물, 자동차로 식별하고, 상황에 맞는 주행을 결정한 후 판단된 데이터를 구동 기관으로 전달합니다. 이때 ADAS SoC가 다량의 고해상도 이미지 데이터 등을 빠른 시간 내 분석해 주행 결정을 내려야 하기 때문에 높은 Clock Speed와 더 많은 Core가 필요합니다.
이는 소비전력 증가로 이어져 더 많은 MLCC가 필요하게 됩니다. 이러한 Trend는 현재 PC, Server의 발전방향과 매우 유사하여 전장용 MLCC의 미래를 예측하기 위해서는 HPC의 MLCC Trend 분석이 중요합니다.

 

HPC - Core Count 및 MLCC 요구 용량 증가
CPU Core가 늘어나고 각종 기능이 추가되면서 PC와 Server CPU에서 요구하는 MLCC의 용량도 큰 폭으로 증가하고 있습니다. 특히 고성능 GPU와 각종 AI 기능이 CPU에 통합되면서 MLCC 요구 용량이 매년 빠르게 증가하고 있습니다.

 

Figure2. Required capacitance for PC and Server CPU


한정된 공간에 더 많은 MLCC를 넣는 방법
MLCC 요구 용량은 지속적으로 증가하는 데 반해 MLCC를 배치할 수 있는 면적은 제한적입니다. CPU의 고성능화에 따라 CPU 성능은 외부 Noise에 더욱 민감해지는데, MLCC와 CPU의 거리가 멀수록 Noise가 커집니다. 이 때문에 Desktop 및 Server 등 Socket Type을 사용하는 CPU는 Socket 안에 Cavity로 불리는 구멍을 뚫어 MLCC를 배치하기도 합니다.

 

Figure3. CPU Socket and MLCC inside cavity

두께 등의 제한이 있거나 CPU를 교체할 필요가 없어 Socket Type을 쓰지 않고 PCB에 Soldering 하는 경우는 MLCC를 CPU가 SMT 되어 있는 Board 바로 뒷면에 배치하여 CPU와 거리를 최대한 가깝게 유지하나, MLCC 실장이 가능한 영역은 한정되어 있습니다.

 

Figure4. CPU and MLCC for decoupling

현재 ADAS SoC의 평균적인 MLCC 요구 용량은 약 2,000uF 수준이나, 앞서 살펴본 HPC 사례를 보면, 1~2년 내에 2배 이상의 용량을 필요로 할 것으로 예상됩니다. 이는 2배 더 많은 MLCC를 사용해야 한다는 것인데, 한정된 공간에 더 많은 MLCC를 넣는 방법은 의외로 간단합니다. 바로 더 작은 Size를 사용하는 것입니다.
계산의 편의를 위해 부품 실장 간격은 고려하지 않고 chip size 만으로 간단히 시뮬레이션 해보겠습니다.

 

Figure5. 0805i(2012m) MLCC layout with ADAS SoC

현재, 일반적인 ADAS SoC의 면적은 576mm²(24x24mm)입니다. 2,000uF를 구현하기 위해 0805i(2012m), 10uF 제품을 200개 배치하면 MLCC 실장 면적은 480mm² 으로, 충분히 ADAS SoC 패키지 면적 내에 MLCC를 배치할 수 있습니다. 그러나, 향후 ADAS SoC의 고사양화로 HPC Trend와 동일하게 4,000uF까지 필요할 것으로 가정해 보면, 같은 0805i(2012m), 10uF 제품을 사용할 경우, MLCC를 ADAS SoC에서 먼 곳에 배치해야 합니다.

 

삼성전기 전장용 소형, 초고용량 MLCC
이러한 문제를 해결하기 위해 삼성전기는 AEC-Q200을 지원하면서도 더 작은 사이즈에서 고용량 구현이 가능한 0603i(1608m), 10uF, 6.3V를 새롭게 개발하였습니다.
4,000uF 구현을 위해 0805i(2012m)보다 더 작은 1608m, 10uF, 6.3V 400개를 사용하면 총 MLCC 면적은 512mm²으로 문제없이 ADAS SoC에 근접하게 MLCC를 배치할 수 있습니다. 그 외 양산 공급 중인 1210i(3225m), 100uF 제품과 혼용하면 더 작은 면적으로도 구성이 가능합니다.

 

Figure5. 0603i(1608m) Downsizing suggestion

추가적으로 소형 Size를 사용하면 내부 Path가 짧아져 ESL이 좋아지는 효과도 있습니다.

 

Figure6. ESL comparison by MLCC size

그 외에도 삼성전기는 0805i(2012m), 22uF, 6.3V 및 1206i(3216m), 47uF, 4V 제품을 양산 공급하고 있습니다. 다양한 제품을 원하는 사양에 맞추어 사용하실 수 있습니다.

 

Samsung Size (mm) Cap (Voltage) Temp. Data Sheet
CL10Z106MQ9VPNC 0603i (1608m) 10uF (6.3V) X7T (125℃)
CL21Z226MQYVPNE 0805i (2012m) 22uF (6.3V) X7T (125℃)
CL31Z476MRKVPNE 1206i (3216m) 47uF (4V) X7T (125℃)

 

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