와이드 밴드갭 전력 트랜지스터를 위한 낮은 열 저항 경로 개발
글/Bernd Schmoelzer_애플리케이션 엔지니어, Fabian Schnoy_스태프 엔지니어 표면 실장 기술, Wei Deng_수석 제품 마케팅 매니저 고전압 GaN, 인피니언 테크놀로지스
많은 애플리케이션에서 높은 전력 밀도에 대한 요구가 증가함에 따라 와이드 밴드갭 반도체 개발이 활발하게 진행되고 있다. 실리콘 기반 표준 전력 트랜지스터에 비해 탄화규소(SiC) 또는 질화갈륨(GaN) 같은 와이드 밴드갭(WBG) 소재를 기반으로 하는 디바이스는 많은 장점을 제공한다. 질화갈륨온실리콘(GaN-on-Si) 플랫폼을 사용하여 형성되는 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)는 향후 시장의 요구를 만족시키는 높은 수준의 전력 밀도를 제공하는 전력 트랜지스터를 만들 수 있다.
GaN 장점
인피니언의 CoolGaN™ e-모드 HEMT 같은 HEMT와 다른 유형의 트랜지스터를 구분 짓는 주요 차이점의 하나는 HEMT가 수직이 아닌 수평으로 형성된다는 점이다. 높은 절연파괴전계(실리콘의 약 10배), 전자 이동도(실리콘의 거의 2배)와 같은 GaN 소재 특성과 함께 이는 여러 가지 장점을 제공하는 구조를 갖는다. HEMT는 10배 낮은 출력 전하와 게이트 전하뿐 아니라 제로 역 회복 전하, 선형 출력 커패시턴스 특성을 제공한다.
이러한 특징은 새로운 전력 변환 토폴로지, 전류 변조 구조를 구현할 수 있게 하고 빠르고, 거의 손실 없는 스위칭으로 공진 회로에서 보다 우수한 효율을 제공한다. 최종 사용자에게 가져다 주는 장점은 간접적이지만 훨씬 더 강력하다. 높은 전력 밀도로 높은 효율과 함께 더 작고 더 가벼운 전력 컨버터 회로를 만들 수 있어 운영 비용을 절감할 수 있다. 또한 BOM 비용을 낮출 수 있어 전체 시스템 비용을 줄일 수 있다. 그림 1에서 보듯이 인피니언의 CoolGaN™ 트랜지스터는 노멀리 오프(normally-off) p형 증가형 모드 HEMT이다.
[그림 1] 질화갈륨온실리콘(GaN-on-Si) 와이드 밴드갭 HEMT 구조
특히 동일한(또는 더 적은) 공간에 더 많은 전력이 유리한 데이터 센터의 경우 전력 밀도를 증가시켜야 하는 압력이 항상 존재한다. 이러한 설계 과제에 대한 완벽한 해결책을 인피니언의 CoolGaN™ e-모드 HEMT가 제시한다. 보고된 수치는 CoolGaN™ 이 랙당 컴퓨팅 성능을 두 배로 증가시키면서 운영 비용을 두 자릿수로 향상시켜줄 수 있다는 것을 보여준다. 보다 일반적인 측면에서 그림 2는 질화갈륨, 탄화규소, 실리콘 기반 전력 스위치가 가치 제안을 갖는 응용 분야를 나타낸다.
[그림 2] 와이드 밴드갭 적용 분야
와이드 밴드갭 HEMT의 장점을 보존하려면 디바이스는 표면 실장 패키지로 제공되어야 한다. 이 패키지의 낮은 기생요소는 전체 디바이스 성능을 극대화한다. 그러나 표준 FR4 PCB에 장착되는 표면 실장 디바이스로부터 발생되는 열을 효과적으로 분산시켜야 하는 문제가 있다. 아래에서 보게 되겠지만, 인피니언의 엔지니어들은 최적의 솔루션을 검토하고 성공적으로 모델링했다.
열 관리
HEMT는 실리콘 전력 스위치에 비해 낮은 손실을 갖지만, 여전히 발산되는 전력을 제거하고 관리해야 할 필요가 있다. 어떤 반도체 디바이스도 무제한 접합부 온도에서 동작할 수 없으며, 스위칭 동작을 할 때마다 접합부 온도가 증가한다. 이러한 과정이 적절히 관리되지 않으면, 디바이스는 파손된다. 하지만 접합부로부터 열을 제거하는 데는 많은 물리적 장애가 있다. 무엇보다 접합부가 실질적으로 디바이스 내부에 깊이 묻혀 있기 때문이다. 그림 3은 표면 실장 패키지의 접합부에서 주변 대기까지 이어지는 열 경로 모델을 보여준다. 모든 단계의 열 저항은 접합부에서 주변 대기까지 전체 열 저항(Rthja, 와트당 켈빈 K/W 단위로 측정)에 기여한다. 최고의 성능을 달성하려면 낮은 열 저항이 바람직하다.
[그림 3] PCB에 납땜된 무연 패키지의 열 모델
다층 PCB에 구리 배선을 적용하는 데에는 일반적으로 구리 트랙과 연결된 도금된 스루홀 또는 비아가 사용된다. SMT 패키지 아래의 비아 매트릭스는 히트싱크에 효과적인 열 경로를 제공할 수 있다. 직관적 통찰은 사용할 비아 패턴의 유형을 알려준다. 그러나 추정을 피하기 위해 인피니언 엔지니어들은 이에 대한 광범위한 연구를 수행하고 그 결과를 애플리케이션 노트에 결과를 담았다. [B. Schm?lzer, F. Schnoy; “표면 실장 반도체 패키지의 열 성능, 인피니언 애플리케이션 노트, 2018년 3월].
아래 결과는 다양한 PCB 설계를 개발하고 테스트 지그를 사용하여 Rthja을 정확히 측정하여 수집된 것이다. 모든 경우에 동일한 솔더 영역이 사용되었다. 단 솔더 마스크 아래와 내부 PCB 레이어의 구리 양만 변화를 주었다. 나타난 일반적인 경향은 설계 간에 차이가 있다는 것을 보여준다.
참조된 애플리케이션 노트는 GaN에 사용된 두 패키지, DSO 및 TOLL(TO-leadless)에 대해서도 다루고 있다(아래에서 설명).
DSO 패키지
8가지 비아 패턴이 검사되었다. 설계가 공간이 제한되지 않은 경우 Variant 6이 권장된다. 공간이 제한된 경우 Variant 1이 권장된다.
[표 1] DSO recommendations DSO 권장 사항
TOLL(TO-leadless) 패키지
Table 2는 비용과 성능을 고려하여 GaN에 사용되는 TOLL 패키지를 위한 선호되는 비아 패턴을 보여준다. DSO 패키지와 달리 TOLL은 비아 밀도에 뚜렷하고 강한 의존을 보여준다.
[표 2] TOLL GaN recommendations TOLL GaN 권장 사항
결론
SMT 패키지에 와이드 밴드갭 HEMT 디바이스를 사용할 경우 성능을 유지하고 효율을 극대화하기 위해서는 디바이스의 열 관리를 고려해야 한다. 이 글에서 살펴보았듯이 FR4에 비아 패턴의 사용은 접합부에서 주변으로 열 경로의 전체 저항을 줄이는 데 크게 도움을 줄 수 있다.
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