핸드헬드 장치에서 열적으로 향상된 파워 MOSFET
MOSFET이 충전 부분, 부하 스위치, DC-DC 컨버터, 보호 장치와 시그널 스위칭을 비롯한 거의 모든 핸드헬드 장비에 사용되기 때문에 점점 더 작은 패키지가 필수적으로 되었다. 파워 MOSFET은 통합된 전력 관리 IC(PMIC)로 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 통합된 단일 칩 솔루션은 다양한 환경에서 불연속 파워 MOSFET을 언제나 대체할 수 없다. μCool 시리즈의 열적인 성능과 일부 전형적인 분야에서 터치 베이스에 초점을 맞춘다.
글│톰 제마이츠(Tom Zemites), 한 조우(Han Zhou), 온세미컨덕터
휴대폰, 핸드헬드 컴퓨터, 디지털 카메라가 선도하는 핸드헬드 전자 장비 산업은 언제나 딜레마에 직면하고 있다. 딜레마의 한 가지는 개인용 디지털 어시스턴스(Personal Digital Ass-istance), 메가 픽셀 카메라, 고해상도 LCD 디스플레이, 모바일 TV와 같은 새로운 장비의 다양한 기능에 상당한 전력이 필요하다는 점이고, 딜레마의 다른 한 가지는 작은 크기로 인해 제한된 공간만 남기고 반도체 구성 요소에 대한 커다란 설계 문제를 야기한다는 점이다.
파워 MOSFET 직면 문제
파워 MOSFET도 동일한 문제에 직면하고 있다. MOSFET이 충전 부분(Charging Elements), 부하 스위치(Load Switches), DC-DC 컨버터, 보호 장치와 시그널 스위칭을 비롯한 거의 모든 핸드헬드 장비에 사용되기 때문에 점점 더 작은 패키지가 필수적으로 되었다. 파워 MOSFET은 통합된 전력 관리 IC(PMIC)로 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 통합된 단일 칩 솔루션은 주로 신뢰도에 대한 관심, 비용 절감, 빠른 턴 라운드 디자인(Fast Turn-Round Design)에 따라 다양한 환경에서 불연속 파워 MOSFET을 언제나 대체할 수 없다. 그리고, 휴대용/핸드헬드 장비에서 양호한 파워 MOS-FET은 켤 때 낮은 저항을 가지고, 열적으로 효율적이고, 스위칭이 신속하고, 배터리의 낮은 전력 공급에 맞추어 켤 때 저전압을 가지는 등의 특징을 보여야 한다.
이러한 점들을 감안하여 온세미컨덕터는 최근 선도적인 첨단 FET 기술을 높은 열효율을 가진 WDFN6 패키지 설계와 결합한 μCoolTM 시리즈 파워 MOSFET을 소개했다. 여기서는 μCool 시리즈의 열적인 성능과 일부 전형적인 분야에서 터치 베이스(Touch Base)에 초점을 맞춘다.
스위치의 정격 전력
스위치의 정격 전력은 설계자들이 휴대용 제품을 위한 최적 파워 MOSFET 스위칭 장비를 찾을 때 제일 먼저 알고 싶어하는 것이다. 실리콘 다이의 최대 접합 온도(Maximum Junction Tem-perature)는 일반적으로 정해진 실리콘 재료에 의존하기 때문에, 장비의 정격 전력은 패키지의 열적인 성능에 크게 관련된다.
패키지의 열적인 성능
그림 1a에 보이는 전형적인 걸윙 패키지(Gull-Wing Package)에서 다이는 리드 프레임 아래에 설치된다. 다이로부터 발생된 열은 리드 프레임을 통해 흐르고, 마지막으로 PC 보드에 도달한다. 평평한 리드 패키지에서, 다이는 리드 프레임에 설치되고 다이로부터 PCB까지의 열 경로는 걸윙 패키지보다 더 짧으므로, 다이의 열적 성능은 약 10% 향상된다.
그림 1b에서 보이는 μCool 시리즈에 적용된 WDFN 패키지(리드가 없는 얇고 평평한 패키지)는 노출된 드레인 패드(Drain Pad)를 가진 리드 프레임에 얹을 수 있는 정해진 패키지 크기에 더 큰 다이가 허용된다. 커다란 드레인 패드는 PCB 히트 스프레더(PCB Heat Spreader)로 가는 최단의 열 분산 경로를 만든다. 이러한 패키지를 통해 일반적인 걸윙 패키지와 평평한 리드 패키지보다 휠씬 더 나은 열 분산 기능을 제공하면서 더 큰 크기의 다이(더 낮은 RDS(ON) 성능)를 통합할 수 있다.
걸윙 패키지인 SC88 vs μCool WDFN6
이러한 차이점을 이해하기 위해, 휴대용 제품에 많이 볼 수 있는 2mm x 2mm 걸윙 패키지인 SC88과 동일한 2mm x 2mm 패키지인 μCool WDFN6의 열적 성능을 비교해 보자. 이 패키지들의 3차원 단면도(에폭시 제거)는 그림 2에서 볼 수 있다.
여기서, 600mm2 FR4 보드, 구리 2온스, Pd=700mW, MOSFET에 대해 동일한 다이 크기와 활성화 영역 등의 테스트 조건으로 두 장비의 열적 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행했다. 10초 후에 두 장비의 최대 온도와 열 저항을 측정했다. WDFN 2mm x 2mm 패키지인 경우, 장비의 최대 온도는 불과 56.3℃이었지만, SC88 2mm x 2mm 걸윙 패키지인 경우 최대 온도는 126.6℃였다. WDFN 2mm x 2mm 패키지의 Rthja는 44℃/W인데 비해 SC88은 145℃/W였는데, 이것은 그림 3과 그림 4에서 쉽게 볼 수 있다.
DC-DC 컨버터에서 중요한 역할
WDFN 2mm x 2mm 패키지의 뛰어난 열 특성은 Li 이온 배터리 충전 회로와 다른 선형 모드 DC-DC 컨버터에서 중요한 역할을 한다. 단순한 충전 솔루션은 WDFN 2mm x 2mm인 uCool NTLJF3117P와 같은 하나의 패키지 안에 MOSFET 하나와 쇼트키 다이오드를 결합한다. 그림 5는 패싱 요소(Passing Element)와 같은 장비를 사용하는 전형적인 충전 회로이다. 이 장비는 많은 전류가 보드를 통해 부드럽게 흐를 수 있는 자연스러운 방식으로 설치한다. 이 회로는 5V 벽 충전기(Wall Charger)로부터 작동한다. 충전 전류는 그림 6에서 보이는 대로 동시에 MOSFET과 쇼트키 다이오드를 통해 흐른다.
휴대폰 충전 회로는 보통 4.2V Li 이온 배터리를 충전하는데, 최대 700mA의 전류를 제공해야 한다. 충전에 대한 일반적인 곡선은 그림 6에서 설명한다. 완전히 방전된 Li 이온 배터리는 보통 2.5V~2.8V의 시작 전압을 가진다. 세류 충전(Trickle Charge) 주기 동안 Li 이온 배터리는 보통 3.2V의 최소 배터리 충전 전압까지 상승한다. 세류 충전 주기(단계 I) 후에 충전기는 일정한 전류 모드(단계 II)로 전환된다. 마지막 단계는 일정 전압 충전 단계(Constant Voltage Charging Phase)로써, 이 동안 전류는 배터리가 완전 충전되거나 충전이 종료될 때까지 느리게 감소한다. 일정 전류 충전 단계동안 MOSFET 선형 스위치는 입력 전압과 낮은 배터리 전압 간의 상당한 전압 강하 때문에 매우 빠르게 최대 온도에 도달한다(그림 6에서 점선 곡선은 온도 변화를 표시). 따라서 양호한 열적 성능을 가진 MOSFET의 선택은 설계에서 핵심적인 문제가 된다.
MOSFET에 대한 열적 요구 조건
Li 이온 배터리 충전 회로에서 MOSFET에 대한 열적 요구 조건을 알아보기 위해 다음과 같은 예를 생각해 보자. 충전 전류 모니터링에서 자주 0.2W의 탐지 저항(Sense Resistor)을 선택한다. 쇼트키 다이오드에서 전방 전압(Forward Voltage)은 전류에 의존한다. 700mA 전류에서 다이오드의 전방 전압은 0.5V보다 작다. 쇼트키 전방 전압은 온도에 따라 감소한다. 따라서, 충전하는 동안 쇼트키 다이오드의 전력 소모는 언제나 700mA x 0.5V = 0.35W보다 더 작아진다.
일정 충전 단계(Constant Charging Phase)동안 MOSFET에서 최대 전력은 Pd = (Vin-Vbatt-Vrsns) × Ich - Pschottky = (5-3.2-0.14) × 0.7 - 0.35 = 0.81W로 계산할 수 있다. WDFN 2mm x 2mm 패키지의 작동에서 Rthja는 구리 1온스, 1평방인치 보드에 대해 92℃/W 이다.
MOSFET에서 125℃의 최대 접합 온도를 사용하면, 주변 온도 TA는 TA = Tjmax - AT = Tjmax - Pd × Rthja = 125 - 92℃/W × 0.81 = 50.5℃로 계산할 수 있다. 이것은 이 장비가 매우 더운 날씨에서도 가장 최상의 환경으로 작동할 수 있다는 것을 암시한다.
SC88 또는 TSOP6와 같은 다른 패키지에 대해 동일한 계산을 수행한다. 이 경우에 SC88패키지의 Rthja는 410℃/W이거나 TSOP6 패키지의 Rthja는 130℃/W인데, 이때 일반적인 걸윙 패키지는 최소 온도 요구 조건을 충족시키지 못 한다는 것을 어렵지 않게 알 수 있다. 여기서 타협점은 충전 전류를 감소시키는 것인데, 이로써 충전 시간이 길어질 수 있다.
결론
모든 조건에서 양호한 열적 성능을 가지기 위해, WDFN 장비는 최적의 히트 싱크를 보장하기 위해 PC 보드와 양호한 솔더 접점(Solder Contact)을 가져야 한다. 부적당하게 설치된 장치는 높은 열 저항과 낮은 효율을 가져온다. WDFN6 2mm x 2mm 패키지 장비에서 μCool 장치를 사용하는 충전 예는 MOSFET 장비에 이러한 WDFN 2mm x 2mm 패키지 기술을 사용하는 이유와 장점을 보여준다. 일반적으로 WDFN 2mm x 2mm 패키지 장비는 향상된 열적 성능이 필요한 많은 경우에 더 큰 걸윙 패키지 장비와 평평한 리드 패키지 장비를 대체할 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>
MOSFET이 충전 부분, 부하 스위치, DC-DC 컨버터, 보호 장치와 시그널 스위칭을 비롯한 거의 모든 핸드헬드 장비에 사용되기 때문에 점점 더 작은 패키지가 필수적으로 되었다. 파워 MOSFET은 통합된 전력 관리 IC(PMIC)로 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 통합된 단일 칩 솔루션은 다양한 환경에서 불연속 파워 MOSFET을 언제나 대체할 수 없다. μCool 시리즈의 열적인 성능과 일부 전형적인 분야에서 터치 베이스에 초점을 맞춘다.
글│톰 제마이츠(Tom Zemites), 한 조우(Han Zhou), 온세미컨덕터
휴대폰, 핸드헬드 컴퓨터, 디지털 카메라가 선도하는 핸드헬드 전자 장비 산업은 언제나 딜레마에 직면하고 있다. 딜레마의 한 가지는 개인용 디지털 어시스턴스(Personal Digital Ass-istance), 메가 픽셀 카메라, 고해상도 LCD 디스플레이, 모바일 TV와 같은 새로운 장비의 다양한 기능에 상당한 전력이 필요하다는 점이고, 딜레마의 다른 한 가지는 작은 크기로 인해 제한된 공간만 남기고 반도체 구성 요소에 대한 커다란 설계 문제를 야기한다는 점이다.
파워 MOSFET 직면 문제
파워 MOSFET도 동일한 문제에 직면하고 있다. MOSFET이 충전 부분(Charging Elements), 부하 스위치(Load Switches), DC-DC 컨버터, 보호 장치와 시그널 스위칭을 비롯한 거의 모든 핸드헬드 장비에 사용되기 때문에 점점 더 작은 패키지가 필수적으로 되었다. 파워 MOSFET은 통합된 전력 관리 IC(PMIC)로 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 통합된 단일 칩 솔루션은 주로 신뢰도에 대한 관심, 비용 절감, 빠른 턴 라운드 디자인(Fast Turn-Round Design)에 따라 다양한 환경에서 불연속 파워 MOSFET을 언제나 대체할 수 없다. 그리고, 휴대용/핸드헬드 장비에서 양호한 파워 MOS-FET은 켤 때 낮은 저항을 가지고, 열적으로 효율적이고, 스위칭이 신속하고, 배터리의 낮은 전력 공급에 맞추어 켤 때 저전압을 가지는 등의 특징을 보여야 한다.
이러한 점들을 감안하여 온세미컨덕터는 최근 선도적인 첨단 FET 기술을 높은 열효율을 가진 WDFN6 패키지 설계와 결합한 μCoolTM 시리즈 파워 MOSFET을 소개했다. 여기서는 μCool 시리즈의 열적인 성능과 일부 전형적인 분야에서 터치 베이스(Touch Base)에 초점을 맞춘다.
스위치의 정격 전력
스위치의 정격 전력은 설계자들이 휴대용 제품을 위한 최적 파워 MOSFET 스위칭 장비를 찾을 때 제일 먼저 알고 싶어하는 것이다. 실리콘 다이의 최대 접합 온도(Maximum Junction Tem-perature)는 일반적으로 정해진 실리콘 재료에 의존하기 때문에, 장비의 정격 전력은 패키지의 열적인 성능에 크게 관련된다.
패키지의 열적인 성능
그림 1a에 보이는 전형적인 걸윙 패키지(Gull-Wing Package)에서 다이는 리드 프레임 아래에 설치된다. 다이로부터 발생된 열은 리드 프레임을 통해 흐르고, 마지막으로 PC 보드에 도달한다. 평평한 리드 패키지에서, 다이는 리드 프레임에 설치되고 다이로부터 PCB까지의 열 경로는 걸윙 패키지보다 더 짧으므로, 다이의 열적 성능은 약 10% 향상된다.
그림 1b에서 보이는 μCool 시리즈에 적용된 WDFN 패키지(리드가 없는 얇고 평평한 패키지)는 노출된 드레인 패드(Drain Pad)를 가진 리드 프레임에 얹을 수 있는 정해진 패키지 크기에 더 큰 다이가 허용된다. 커다란 드레인 패드는 PCB 히트 스프레더(PCB Heat Spreader)로 가는 최단의 열 분산 경로를 만든다. 이러한 패키지를 통해 일반적인 걸윙 패키지와 평평한 리드 패키지보다 휠씬 더 나은 열 분산 기능을 제공하면서 더 큰 크기의 다이(더 낮은 RDS(ON) 성능)를 통합할 수 있다.
걸윙 패키지인 SC88 vs μCool WDFN6
이러한 차이점을 이해하기 위해, 휴대용 제품에 많이 볼 수 있는 2mm x 2mm 걸윙 패키지인 SC88과 동일한 2mm x 2mm 패키지인 μCool WDFN6의 열적 성능을 비교해 보자. 이 패키지들의 3차원 단면도(에폭시 제거)는 그림 2에서 볼 수 있다.
여기서, 600mm2 FR4 보드, 구리 2온스, Pd=700mW, MOSFET에 대해 동일한 다이 크기와 활성화 영역 등의 테스트 조건으로 두 장비의 열적 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행했다. 10초 후에 두 장비의 최대 온도와 열 저항을 측정했다. WDFN 2mm x 2mm 패키지인 경우, 장비의 최대 온도는 불과 56.3℃이었지만, SC88 2mm x 2mm 걸윙 패키지인 경우 최대 온도는 126.6℃였다. WDFN 2mm x 2mm 패키지의 Rthja는 44℃/W인데 비해 SC88은 145℃/W였는데, 이것은 그림 3과 그림 4에서 쉽게 볼 수 있다.
DC-DC 컨버터에서 중요한 역할
WDFN 2mm x 2mm 패키지의 뛰어난 열 특성은 Li 이온 배터리 충전 회로와 다른 선형 모드 DC-DC 컨버터에서 중요한 역할을 한다. 단순한 충전 솔루션은 WDFN 2mm x 2mm인 uCool NTLJF3117P와 같은 하나의 패키지 안에 MOSFET 하나와 쇼트키 다이오드를 결합한다. 그림 5는 패싱 요소(Passing Element)와 같은 장비를 사용하는 전형적인 충전 회로이다. 이 장비는 많은 전류가 보드를 통해 부드럽게 흐를 수 있는 자연스러운 방식으로 설치한다. 이 회로는 5V 벽 충전기(Wall Charger)로부터 작동한다. 충전 전류는 그림 6에서 보이는 대로 동시에 MOSFET과 쇼트키 다이오드를 통해 흐른다.
휴대폰 충전 회로는 보통 4.2V Li 이온 배터리를 충전하는데, 최대 700mA의 전류를 제공해야 한다. 충전에 대한 일반적인 곡선은 그림 6에서 설명한다. 완전히 방전된 Li 이온 배터리는 보통 2.5V~2.8V의 시작 전압을 가진다. 세류 충전(Trickle Charge) 주기 동안 Li 이온 배터리는 보통 3.2V의 최소 배터리 충전 전압까지 상승한다. 세류 충전 주기(단계 I) 후에 충전기는 일정한 전류 모드(단계 II)로 전환된다. 마지막 단계는 일정 전압 충전 단계(Constant Voltage Charging Phase)로써, 이 동안 전류는 배터리가 완전 충전되거나 충전이 종료될 때까지 느리게 감소한다. 일정 전류 충전 단계동안 MOSFET 선형 스위치는 입력 전압과 낮은 배터리 전압 간의 상당한 전압 강하 때문에 매우 빠르게 최대 온도에 도달한다(그림 6에서 점선 곡선은 온도 변화를 표시). 따라서 양호한 열적 성능을 가진 MOSFET의 선택은 설계에서 핵심적인 문제가 된다.
MOSFET에 대한 열적 요구 조건
Li 이온 배터리 충전 회로에서 MOSFET에 대한 열적 요구 조건을 알아보기 위해 다음과 같은 예를 생각해 보자. 충전 전류 모니터링에서 자주 0.2W의 탐지 저항(Sense Resistor)을 선택한다. 쇼트키 다이오드에서 전방 전압(Forward Voltage)은 전류에 의존한다. 700mA 전류에서 다이오드의 전방 전압은 0.5V보다 작다. 쇼트키 전방 전압은 온도에 따라 감소한다. 따라서, 충전하는 동안 쇼트키 다이오드의 전력 소모는 언제나 700mA x 0.5V = 0.35W보다 더 작아진다.
일정 충전 단계(Constant Charging Phase)동안 MOSFET에서 최대 전력은 Pd = (Vin-Vbatt-Vrsns) × Ich - Pschottky = (5-3.2-0.14) × 0.7 - 0.35 = 0.81W로 계산할 수 있다. WDFN 2mm x 2mm 패키지의 작동에서 Rthja는 구리 1온스, 1평방인치 보드에 대해 92℃/W 이다.
MOSFET에서 125℃의 최대 접합 온도를 사용하면, 주변 온도 TA는 TA = Tjmax - AT = Tjmax - Pd × Rthja = 125 - 92℃/W × 0.81 = 50.5℃로 계산할 수 있다. 이것은 이 장비가 매우 더운 날씨에서도 가장 최상의 환경으로 작동할 수 있다는 것을 암시한다.
SC88 또는 TSOP6와 같은 다른 패키지에 대해 동일한 계산을 수행한다. 이 경우에 SC88패키지의 Rthja는 410℃/W이거나 TSOP6 패키지의 Rthja는 130℃/W인데, 이때 일반적인 걸윙 패키지는 최소 온도 요구 조건을 충족시키지 못 한다는 것을 어렵지 않게 알 수 있다. 여기서 타협점은 충전 전류를 감소시키는 것인데, 이로써 충전 시간이 길어질 수 있다.
결론
모든 조건에서 양호한 열적 성능을 가지기 위해, WDFN 장비는 최적의 히트 싱크를 보장하기 위해 PC 보드와 양호한 솔더 접점(Solder Contact)을 가져야 한다. 부적당하게 설치된 장치는 높은 열 저항과 낮은 효율을 가져온다. WDFN6 2mm x 2mm 패키지 장비에서 μCool 장치를 사용하는 충전 예는 MOSFET 장비에 이러한 WDFN 2mm x 2mm 패키지 기술을 사용하는 이유와 장점을 보여준다. 일반적으로 WDFN 2mm x 2mm 패키지 장비는 향상된 열적 성능이 필요한 많은 경우에 더 큰 걸윙 패키지 장비와 평평한 리드 패키지 장비를 대체할 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>
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