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최신 전원장치에 적합한 향상된 패키징 기법

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글/Stefan Preimel, Concept and Application Engineer, 인피니언 테크놀로지스

어떤 첨단 기술이든 한 가지 공통점이 있다. 바로 정해진 사양대로 동작을 하기 위해서 신뢰할 수 있고, 크기가 작고, 성능이 우수한 전원장치를 필요로 한다는 것이다. 최종 제품이 갈수록 더 복잡해짐에 따라서 전원장치를 설계하기도 점점 까다로워지고 있다. 갈수록 더 작은 크기로 점점 더 높은 전력과 더 높은 효율을 요구하기 때문이다. 또한 에너지 비용이 상승함에 따라서 어떤 전원장치 디자이너에게든 효율이 중요한 문제가 되었다.
전원장치 토폴로지는 계속해서 개발되고 향상되어 왔으며, 이제는 첨단 스위치 모드 전원장치(SMPS)의 동작과 성능에 있어서 반도체 디바이스가 핵심적인 역할을 하게 되었다. 집중적인 투자를 통해서 더 효율적이고 더 빠르게 스위칭할 수 있는 반도체 디바이스들이 개발되었으며, 그럼으로써 SMPS 설계 엔지니어들의 요구를 충족할 수 있게 되었다.
그런데 스위칭 MOSFET의 패키징은 주류 기술들에 비해서 개발이 뒤쳐져 왔으며, 여전히 쓰루홀 디바이스(THD)가 주로 많이 사용되고 있다. THD 디바이스는 장점도 있고 단점도 있다.
이 글에서는 SMPS 애플리케이션 용으로 반도체 패키징에 대해서 설명한다. 최신 SMPS의 성능 요구를 충족하도록 열 관리와 패키징이 어떻게 향상되고 있는지 살펴본다.
빠른 스위칭, 높은 효율, 크기와 무게 감소, 총 유지비용(TCO) 최소화 같은 최신 SMPS의 공통된 요구들을 충족하기 위해서 반도체 소재에 대한 집중적인 개발이 이루어져 왔다. 온 상태 저항을 낮추고, 게이트 전하를 향상시키고, 스위칭 손실을 낮추는 최신 수퍼정션(SJ) MOSFET 기술에 CoolSiC™ 같은 향상된 쇼트키 다이오드 기술을 결합함으로써 하드 및 소프트 스위칭 애플리케이션으로 이러한 요구들을 충족할 수 있게 되었다.
반도체 소재가 발전해 온 것과 달리, 최근까지도 전원 스위칭에는 TO-220이나 TO-247 같은 THD 타입이 주로 사용되고 있다. 그런데 이러한 패키지 타입은 특히 최신 SMPS 용으로 중요한 한계점들이 존재한다. 긴 리드 때문에 기생 인덕턴스를 발생시키고, 이것은 스위칭 속도를 떨어트리는 것으로 이어진다. 그러면 그에 따른 자기 소자 때문에 크기가 커지고 비용이 높아진다. 게다가 PCB 상의 다른 모든 소자들은 표면 실장 소자(SMD)인데, 이러한 THD 소자들을 PCB로 탑재하고 솔더링하기 위해서 특수한 공정을 필요로 함으로써 제조 복잡성과 비용을 증가시킨다.
또 한편으로 현재 나와 있는 SMD 소자들은 리드가 짧고 제조 시에 취급하기가 쉽다는 등의 장점이 있으나, 여전히 냉각과 관련해서 불리하다. 현재 SMD 디바이스는 PCB와 접촉한 상태에서 바디나 리드를 통해서 냉각을 한다. 이 점이 PFC(power factor correction) 같은 애플리케이션으로 어려움을 초래하며, 고전력 SMPS 애플리케이션으로 여전히 TO-220이나 TO-247이 주로 사용되는 이유이기도 하다.

SMD로 상단면 냉각

열이 발생될 때 하단의 PCB로 열을 소산시키는 기존의 SMD 패키지도 나름의 장점이 있으나, 열을 상단면 쪽으로 소산시키면 더 우수한 성능을 달성할 수 있다. 물리적 특성에 거스르는 것이 아니라 물리적 특성에 부합하게 동작하기 때문이다.
Infineon Technologies의 새로운 Double DPAK(DDPAK) 패키지가 바로 전원장치 용으로 그러한 상단면 냉각을 할 수 있는 표면실장 패키지이다. 이 패키지 방식은 고전력, 고전압, 고신뢰성 애플리케이션에 적합하며, MOSFET과 SiC 다이오드 둘 다에 적용될 수 있다. 그럼으로써 전원 시스템으로 일대 변화를 일으킬 것으로 기대된다.

[그림 1]  DDPAK은 SMD 패키지로 상단면 냉각을 채택했다.

DDPAK은 드레인 전류 용으로 5개 핀, 3개 소스 핀, 게이트 참조 전위 용으로 1개 소스 검출 핀, 표준 게이트 구동 용으로 1개 핀을 제공한다. 이러한 4단자 접근법은 기존의 THD 패키지로도 가능하고 전기적으로 더 깨끗한 구동 신호를 제공하고 스위칭 손실을 낮출 수 있다. 그렇기는 하나 THD 디바이스는 공간적 제약이 여전히 문제가 된다.
또한 DDPAK은 SMD 패키지 크기로 리드 인덕턴스를 50% 낮춘다. DDPAK은 TO-220 패키지보다 크기가 작다. 그러므로 공간을 절약하고 더 높은 전력 밀도를 달성한다. 그런데다가 반도체 접합부와 케이스 사이에 열 결합이 18% 향상된다.

[그림 2] DDPAK은 TO-220에 비해서 크기와 성능 면에서 훨씬 유리하다.

또한 폼팩터가 더 얇기 때문에 최신 제품 디자인에 잘 맞으며 더 얇은 최종 제품을 설계할 수 있다. DDPAK의 바디는 PCB 표면과 직접 접촉하지 않는다(둘 사이에 간격이 약 150μm). 이 점이 또한 디자이너들이 설계 시에 유연성을 높인다.
UL(Underwriters Laboratories) 같은 많은 제품 안전성 표준들에서 FR4 기반 PCB로 동작 시에 허용될 수 있는 최대 온도를 규정하고 있다. 반도체 디바이스(MOSFET, SiC 다이오드 등)가 PCB와 직접 접촉할 때는 이 규정 때문에 반도체 온도가 제한되며, 그러므로 SMPS의 성능을 제약한다.
PCB 상에서 기존 SMD 패키지의 어려운 점 중의 하나는 디바이스/패키지와 PCB 사이의 열 팽창 비율이 다르다는 것이다. 이것은 두 소재 사이의 열 팽창 계수(CTE) 차이 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해서 IPC9701에서는 TCOB(Temperature Cycling On Board)라고 하는 테스트를 정의하고 있다.

[그림 3] DDPAK을 PCB로부터 떨어트림으로써 디자이너들을 위해서 설계 시에 유연성을 높인다.

DDPAK의 리드들은 일종의 스프링과 같은 특성을 가지며 DDPAK의 바디와 PCB 사이에 버퍼 역할을 한다. 또한 이 혁신적인 패키지는 솔더 접합부 피로나 스트레스로 인한 내부 패키지 결함 같이 CTE와 관련해서 발생되는 결함들을 일으키지 않는다. 실제로 DDPAK으로 2천 사이클 이상으로 TCOB 테스트를 실시했을 때 어떤 결함도 나타나지 않았다. 그러므로 산업용 제품이면서도 자동차 표준을 충족하는 품질 수준을 제공한다.

DDPAK으로 히트싱크 부착

DDPAK은 열적으로 매우 효율적이기는 하지만, 실제 애플리케이션에서는 거의 모든 경우에 열 에너지를 반도체 접합부에서 주변 공기로 이동시키기 위해서 상단면으로 일정한 형태의 히트싱크를 부착해야 한다.

[그림 4] DDPAK 디바이스로 히트싱크를 부착하기 위해서 다양한 방법을 사용할 수 있다.

어떤 히트싱크를 사용할지는 여러 요인에 따라서 선택할 수 있다. 그 중에서도 중요한 두 가지는 얼마만큼의 열 에너지를 소산시켜야 하고 디자인 내로 얼마만큼의 공간을 사용할 수 있느냐 하는 것이다. DDPAK은 패키지로 히트싱크를 부착하기 위해서 여러 가지 방법을 사용할 수 있다. 클립을 사용하거나, 푸쉬 핀을 사용하거나, 접착제를 사용할 수도 있으며, 직접 솔더링을 하는 방법을 사용할 수도 있다. 최종적인 선택은 디자인의 필요와 제조 공정상 어떤 것이 적합하냐에 따라서 결정될 것이다. 히트싱크 표면이나 패키지 표면은 어떤 것도 100% 완벽하게 평평할 수 없으므로 써멀 패드나 써멀 페이스트를 사용하는 것이 좋다. 그럼으로써 DDPAK과 히트싱크 사이에 열적으로 우수한 접촉을 달성할 수 있다.

실제 사례: 1600W 티타늄 등급 서버 전원장치

DDPAK 디바이스의 성능을 보여주는 실제 사례로서 1600W 티타늄 등급 서버 전원장치를 보자.

[그림 5] 티타늄 등급의 까다로운 서버 전원장치 사양

기본적인 하드웨어 구성은 입력 필터, AC/DC 변환 스테이지, 제어/바이어스 보드, DC/DC 스테이지로 이루어진다. 대개의 서버 전원장치처럼 내장 팬을 통해서 강제 공기 냉각을 한다. 이 방법으로 DDPAK 디바이스가 탑재되어 있는 전원 보드로 공기가 흐르게 한다.
도터 카드로 PFC와 하프 브리지 LLC 스테이지를 포함하고 230VAC 입력으로 최대 1600W 전력을 제공한다. 그림 6은 전체적인 디자인을 보여준다. 50% 부하로 80 PLUSⓇ Titanium 표준에서 요구하는 효율을 충족하며 10%, 20%, 100%의 주요 부하 수준으로 이 표준 요구를 상회한다.

[그림 6] 1600W 서버 전원장치 데모 셋업의 기본적인 레이아웃

맺음말

SMPS를 설계하기가 갈수록 더 까다로워지고 있다. 계속해서 더 높은 전력 밀도와 효율이 요구되기 때문이다. 반도체 소재는 계속해서 개발되고 발전되어 온 것에 비해서, 패키지는 개발이 뒤쳐져서 THD 패키지가 전원 관련 애플리케이션에 여전히 주로 사용되고 있다.
Infineon Technologies가 개발한 DDPAK은 까다로운 최신 애플리케이션의 요구를 충족하는 새로운 패키징 솔루션을 제공한다. 상단면 냉각을 사용해서 열 성능이 향상되고, 기생 인덕턴스가 50% 낮아짐으로써 스위칭 속도를 높인다. 또한 기계적 디자인을 혁신함으로써 모듈을 PCB로부터 떨어트릴 뿐만 아니라 순응적인 레그를 사용해서 CTE와 관련된 결함들을 제거한다.
CoolMOS™ G7과 CoolSiC™ G6 같은 최신 실리콘 기술에 DDPAK을 결합함으로써 최신 SMPS 용의 스위칭 디바이스로 한 차원 진보를 이루게 되었다. Infineon 웹사이트로 들어가면 DDPAK 상단면 냉각 패키지에 관한 추가 정보와 관련 애플리케이션 노트를 볼 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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