파워 MOSFET은 다양한 소비재 및 산업용 전자 장비를 위한 파워 서플라이의 메인 스위칭 장치로 선호된다. 정부 및 산업 표준 기구와 최종 사용자들이 에너지 절감 요건을 충족하기 위해 전체 파워 서플라이 효율 개선 요건을 강화함에 따라 파워 MOSFET에 의한 큰 부하 전류를 허용하면서도 전력 손실을 감소시켜야 하는 과제가 점점 중요해지고 있다. 스위칭 속도, 장치 온도, 전력 밀도 애벌런시 용량 그리고 소자 패키지의 신뢰도 등은 기기 및 장비 설계자들이 면밀하게 조사하면서도 성능 요구가 높은 주요 영역들이다.
본문에서는 사용이 증가되고 있는 파워 MOSFET을 살펴보고 성능 요구를 충족시키기 위해 어떻게 배치하는지를 살펴보고자 한다. 그 다음 기존의 DPAK 패키지 소자들을 온세미컨덕터의 보다 새로운 ATPAK 포맷과 비교 및 대조한다.
최종 소비자인 고객들의 까다로운 요구들로 인해 전자 제품의 기능과 특징들이 점점 많아지면서도 보다 작고, 가볍고 더 저렴해진다는 것은 놀라운 일이 아니다. 알고 있는 것처럼 관심이 집중되고 있는 휴대용 기기들에 대한 분야에서는 경쟁이 심화되고 급격한 기술 발전이 이뤄지고 있다. 그런데 서로 상충하는 기술적 요구 조건들로 인해 전자 및 패키지 설계 측면에서 어려움이 늘어나는 추세다. 이에 따라 엔지니어들은 시장을 고려해서 설계를 최적화하기 위해 절충을 할 필요가 있다.
대부분의 전자 기기 또는 시스템은 메인, 태양 또는 배터리 등의 전력원을 장치에 유용한 전력 수준으로 변환하기 위해 일정한 형태의 파워 서플라이를 갖는다. 파워 서플라이는 시스템 구동에 필수적이지만 다른 유용한 기능을 필요로 하지 않는 것으로 여겨지는 경우가 종종 있다. 파워 서플라이 유닛은 최근의 휴대용 기기들이 갖는 크기와 중량을 고려해서 어떠한 추가 기능들을 더하지 않는다.
그런데 고객들이 주도하는 이러한 어려움 외에 새로운 파워 시스템의 설계자들은 환경적 관점의 많은 문제들에 직면하고 있다. 산업 표준, 모범적 관행 및 법률은 모두 높은 수준의 효율, 특히 저전력 및 대기 모드에서 높은 효율을 요구한다. 예를 들어 전압 레일의 지속적인 감소는 낮은 손실로 더 큰 전류를 전송해야 한다는 것을 의미하므로, 이는 어려움들을 가중시킨다.
모든 최신 모델의 스위칭 파워 서플라이 유닛의 중심에는 파워 MOSFET가 있다. 이 소자는 AC-DC 또는 DC-DC 컨버터와 모터 컨트롤러 같은 스위칭 조절기에 널리 사용된다. 고속 스위칭, 높은 파괴전압, 고 전류 및 저 전력 손실에서 탁월한 성능을 발휘하는 MOSFET은 현대식 스위칭 파워 서플라이에서 요구하는 고속, 고 주파수 작동 등 여러 면에서 아주 뛰어나다.
이같은 어려움을 해결하기 위해 시중에는 여러 종류의 MOSFET이 판매되고 있는데 특정 용도에 최적화된 제품들이 많이 있다. 특정 전력 용도에 이상적인 소자를 선택하기 위해 설계자는 최종 설계가 그 사양을 충족하는 능력에 영향을 주는 핵심 매개변수들을 고려해야 한다.
전기적 성능은 MOSFET 선택을 위한 핵심적 요소이며 가장 중요한 기준들 중 하나는 on-저항(RDSON)인데 이 저항은 파워 서플라이 유닛의 효율과 열 특성에 직접 영향을 준다. on-저항이 변환 속도와 함께 높아져 설계자들로서는 새로운 절충을 해야 하는 경우가 있기는 하지만 그래도 변환 속도는 애플리케이션이 필요로 하는 요구 사항과 일치돼야 한다.
MOSFET은 용도에 따라 정확한 크기를 결정할 필요가 있다. 작동 온도 및 파괴 전압(BVDSS)은 해당 애플리케이션의 필요와 일치해야 한다. 패키지 크기 및 스타일은 MOSFET이 시스템 내의 공간에 맞도록 충분히 작은 사이즈이지만 작동 중 생성된 열을 안전하게 방열할 정도의 크기이어야만 한다.
패키징 자체는 모든 설계에서 중요한 고려 요소다. 일부 파워 서플라이 애플리케이션에서 여전히 리드 방식을 사용하기는 하지만 표면 실장 방식은 최근의 패키징에 가장 널리 사용되고 있다. 패키징은 시스템 내의 가용 공간에 소자를 맞추는 것 외에도 반도체 다이에서 발생한 열을 밖으로 전달하는 중요한 역할을 한다. 이 열 전달 효율이 크면 얻을 수 있는 전력 밀도도 더 커진다.
파워 MOSFET에 사용되는 가장 공통적인 패키지는 DPAK으로서 그 동안 사실상 산업 표준이 되어왔다. 상대적으로 최근에 개발된 DPAK은 3개의 핀을 비롯해 물리적 강도와 열 전도를 위한 큰 설치용 탭을 가진 표면 실장형 방식이다. DPAK은 크기가 작을 뿐만 아니라 자동 제조를 위한 테이프-및-릴 패키지의 편리성으로 인해 매우 인기가 있다.
그러나, DPAK 패키지에는 두 가지의 단점이 있는데, 하나는 높이가 약 2.3mm로 상대적으로 양호하지만 오늘날 초박형 설계에는 점점 어려움이 있다는 것이다. 반도체 다이가 얇은 금, 구리 또는 알루미늄 선을 사용해서 열적 및 전기적으로 리드 프레임에 연결(‘와이어 결합’)되는데 이 또한 극복해야 할 과제다. 이 와이어 결합은 매우 얇은데(~70um) 병렬로 다중 결합을 한다고 해도 DPAK의 열적 성능과 전류 용량을 제한한다. 이 얇은 결합은 또한 최신 파워 서플라이 유닛 설계를 성공적으로 하기 위한 낮은 수준으로 on-저항을 감소시키는 능력에 제한 요소가 된다.
이러한 제약 사항들을 해결하기 위해 온세미컨덕터는 최근에 ‘ATPAK(Advanced Thin PAcKage)’을 현대식 전력 설계를 위한 차세대 패키지로 개발, 출시했다.
크기로 볼 때 ATPAK은 DPAK과 정확히 동일한 설치 면적을 차지하기 때문에 대부분의 기존 설계에 새로 장착하기에 이상적이다. 그러나 ATPAK의 높이는 불과 1.5mm여서 기존의 DPAK 보다 실질적으로 35%의 개선을 가져와 현대의 초박형 설계에 큰 장점을 제공한다.
▲ 그림 1. 첨단 패키징 기술인 ATPAK은 DPAK과 동일한 설치 면적을 갖지만 높이를 무려 35%나 낮추었다
ATPAK의 두 번째 주요 혁신 사항은 결합 와이어를 구리 클립으로 대체한 새로운 클립 결합 기술인데, 이는 몇 가지 큰 장점을 제공한다.
이 혁신적인 설계에서 구리 클립은 다이를 리드 프레임에 결합한다. 구리는 탁월한 열 전도체로 핀에 열을 보다 잘 전달해서 패키지의 열 저항(RTHJ-A)을 낮춰주는데, 이에 따라 파워 서플라이 유닛의 전력 밀도 설계를 크게 용이하게 해준다.
▲ 그림 2. 새로 개발된 구리 클립은 열 및 전기 저항이 기존의 와이어 본딩 방식에 비해 훨씬 적은 특징을 제공한다
구리 클립의 큰 횡단 면적은 RDSON 를 최소화해서 파워 서플라이 유닛의 손실을 크게 줄이는데 기여했는데, 이는 발열 감소 및 효율 증대를 가져왔다. 또한, 횡단면 증가는 전류 운반 용량을 100A로 증가시키는데, 이는 기존에 새 ATPAK의 7.5배 크기인 D2PAK으로만 가능했던 수준이다.
새 기술의 장점을 입증하기 위해 온세미컨덕터는 ATPAK과 DPAK의 열 성능을 비교하기 위한 벤치마크 시험을 수행했다. 이 시험에서 ATPAK 소자와 DPAK 소자를 동일한 PCB에 놓은 뒤 각 패키지에서 1.44W가 소멸되도록 제어했다.
그런 다음 자기 온도계를 사용해서 비 해체 방식으로 표면 온도를 측정했다. DPAK의 케이스 온도가 80℃로 상승한 반면 ATPAK의 케이스는 74.8℃에 불과했다. 각 패키지의 열 저항을 이용해서 계산한 접합 온도는 ATPAK와 DPAK가 각각 76.0℃ 및 82.2℃ 였다.
▲ 그림 3. ATPAK 설계의 장점을 명확하게 보여주는 열 벤치 마크 시험
6.2℃의 온도 차이는 새 클립 결합 기술을 사용하는 ATPAK의 개선된 열적 성능을 명확하게 보여준다. 이는 또한 ATPAK이 DPAK에 비해 부피가 35% 줄어들었음에도 열을 더 잘 발산시킬 수 있어서 접합 온도를 더 낮추면서도 신뢰도가 상승했음을 보여주었다.
첨단 ATPAK은 많은 실제 및 실질적인 장점들을 명확하게 제공하는데 이는 설계자가 최신의 초고효율, 초고밀도 파워 서플라이 유닛 설계라는 어려운 목표에 도달하는데 도움을 준다.
하위 공정과의 호환성으로 인해 설계자들은 기존 설계에 이 새로운 소자를 쉽게 장착하게 되는 즉각적 혜택을 얻게 된다. 소매 가격 또한 DPAK과 아주 비슷하기 때문에 ATPAK은 모든 새로운 설계들에 대한 MOSFET 패키지를 선정할 때 자연스러운 선택이 될 것이다.
타카시 아키바 (Takashi Akiba) _ 온세미컨덕터
