최근 TO-220 FULLPAKTM 파워 패키지 가격이 표준 TO-220에 근접하면서, 많은 응용분야에서 표준 TO-220에서 TO-220 FULLPAK으로 변경하는 것이 괜찮은 대안으로 떠오르고 있다. TO-220 FULLPAK은 조립을 간소화 시킬 수 있어서, 조립 시 발생되는 품질 사고의 위험성을 줄일 수 있다. 하나의 패키지 외형에서 다른 것으로 변경시킬 때에는 이 두 패키지 간의 열 및 기계적인 차이점을 반드시 고려해야 한다.

표준 TO-220 패키지 자리에 TO-220 FULLPAKTM의 사용을 고려하는 설계

글│Kevin Keller, 제품 응용 엔지니어링 매니저, ON Semiconductor

 TO-220 FULLPAK과 관련하여 한가지 까다로운 점은 산업 표준 패키지 외형이 아니라는 점이다. TO-220AB와 TO-220AC는 모두 JEDEC 패키지 외형 형태이다. 대부분의 공급 업체들은 JEDEC 외형 내의 패키지 크기를 유지하고 있어서, 어느 정도의 제품 동일성을 갖고 있다. 그러나, TO-220 FULLPAK은 그렇지 않다. FULLPAK을 제공하는 업체마다 제법 넓은 편차가 있기 때문에, 장착 시 문제가 발생 될 여지가 상대적으로 높다.

 그림 1은 TO-220AB의 간략화 된 참조 도면이다. 그림 2는 TO-220 FULLPAK의 여러 형태 중 하나를 보인 것이다. 그림 1과 2를 비교하여 보면, 치수 F(장착 구멍 직경)와 S(플랜지 두께)가 문제가 될 가능성이 있어 보인다. 패키지 플랜지에 붙여서 사용하는 클립-온 열흡수체(clip-on heatsink)는 서로 교환할 수 없다. 장착 스크류 직경과 길이를 조절할 필요가 있다.

그림 1. TO-220AB의 간련화된 도면의 예 

그림 2. TO-220 FULLPAK의 간략화된 도면의 예

 TO-220 FULLPAK를 위한 산업 표준 패키지 외형이 부족하다는 점 외에도, 치수 A, H, Q 그리고 R 또한 문제를 일으킨다. 이러한 문제는 비단 TO-220AB에서 FULLPAK으로 변경시킬 때 뿐 만 아니라, 여러 FULLPAK 외형 공급 업체간에도 발생한다. 많은 어댑터 응용 분야에서, 이 장치는 리드 숄더(lead shoul-der)를 회로 기판을 관통 시켜 장착 시키고, 패키지 몸체는 기판에 거의 인접하게 된다. 어댑터 내에 전체 길이가 긴 패키지 몸체(A 치수)를 수용할 수 있는 공간적 여유가 없는 경우가 많다.

 현재 유통되고 있는 TO-220 FULLPAK에서 치수 R은 특히 차이가 많다. 만약 회로 기판에 고정된 열흡수체(heatsink)에 장착된다면, 잠금 스크류를 조일 때 패키지 몸체에 상당한 압력이 가해 질 수 있다. 리드가 더 짧고 치수 R의 차이가 크다면, 패키지 몸체가 금이 가면서 절연 저항이 상당히 줄어 들 수 있다.

 표준 TO-220 패키지에서, 열흡수체는 활성 단자(active terminal)로서 정류기의 경우 보통 캐소드(cathode)가 된다. 많은 응용 분야에서는 실리콘 방열 패드와 절연 와셔 또는 유사 제품을 이용하여 이 활성 단자를 열흡수체로부터 분리 시키는 것이 필요하다. 그림 3에 이러한 바람직한 구성을 보였다.

 그림 3에 보여진 경우는, 보통 열 그리스(thermal grease)를 사용하지 않는다. 절연 패드는 장치와 열흡수체 사이에 필요한 정각(正角) 인터페이스(conformal interface)로 작용한다. 만약 절연 패드가 조립시 삐뚤게 놓여지거나 손상을 입는다면, 패키지 플랜지가 전기적으로 열흡수체와 연결될 수도 있게 된다. 이러한 일이 스위칭 파워 서플라이의 2차측에서 발생한다면, 출력 조건이 생기지 않게 된다. 또한 스위칭 파워 서플라이의 1차 측에서 발생하게 되면, 파워 서플라이에 손상이 가기 쉽다. 어느 경우든 최종 응용시스템은 실패하게 된다.

그림 3. 열흡수체로부터 전기적으로 절연된 TO-220의 바람직한 장착 구성

 그림 4는 TO-220 FULLPAK의 열흡수체 장착의 바람직한 구성을 보였다. 이 경우, 열흡수체와 장치간 정각 코팅으로서 열 그리스가 필요하다. 이러한 구성은 장치와 열흡수체가 단락(연결)되는 위험을 막아 준다. 또한 콤포넌트 숫자가 줄어 들면서 조립의 복잡성이 낮아진다.

그림 4. TO-220 FULLPAK을 위한 바람직한 장착 구성(열 그리스가 필요함)

 그림 5와 6은 TO-220과 TO-220 FULLPAK 모두를 위해 더 자주 사용하는 방법을 보인 것이다. 이 경우, 평평한 와셔(flat washer)와 압착 와셔(compression washer)는 사용되지 않는다. 하지만 패스너(fastener, 스크류 등)를 아래로 힘을 주어 회전시킬 때 특히 주의가 필요하다. 만약 표준 TO-220에 과도한 토크(회전력)이 가해 지면, 패키지에 금이 가게 되어, 열흡수체에 전호(電弧, 두개 전기 단자 공간 사이에 열 등을 발생시키는 전기 방전) 경로를 제공할 가능성도 있다.

그림 5. 열흡수체로부터 전기적으로 절연된 TO-220의 일반적인 장착 구성

그림 6에서 보인 바와 같이 열 그리스(thermal grease)를 사용하는 것이 바람직하다. 장치와 열흡수체 사이의 정각 인터페이스가 없으면, 열 전달 효율은 줄어들게 된다. 이러한 상태는 정류기로 하여금 더 높은 접합부 온도에서 동작하게 만들게 하여, 열 폭증(thermal runaway, 과열) 위험을 발생시키게 된다.

그림 6. TO-220 FULLPAK의 일반적인 장착 구성(열 그리스의 사용 권장)

 그림 4에서 6까지는 표준 TO-220 대신 TO-220 FULLPAK 패키지를 사용함으로써 갖는 조립시의 장점을 보인 것이다. 부품들의 열을 맞추는데 실패하거나 품질 관리의 위험성이 줄어 들 수 있다. 부품 수(BOM count)와 조립 복잡성이 또한 줄어들 수 있다. 만약 2개 패키지의 비용이 비슷하다면, FULLPAK을 선택하는 것이 분명해 보인다.

 TO-220 FULLPAK으로 변경하는 대가는 열 성능(thermal performance)이다. 아래 섹션에서는 여러 가지 조건 하에서 두개 패키지의 열 성능을 비교하였다. 이 모델들은 일정한 다이 크기(die size)를 가정하였다. 열 그리스가 적용될 때에는, 1 mil(0.03mm)의 두께를 가정하였다.

  S-pad는 9 mils(0.23mm) 재료 두께의 Bergquist Sil-Pad