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DirectFET 전력 MOSFET의 양면 냉각 | ||||||||||
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초소형 히트싱크를 이용해 DirectFET 같은 소스 탑재 전력 MOSFET을 냉각하는 것이 강제 대류 냉각 조건에서 접합부-대기 열 저항을 대폭적으로감소시킨다. 또한 히트싱크를 이용함으로써 디바이스의 MTTF를 대폭적으로 향상시킬 수 있으며 히트싱크를 추가함으로써 추가적인 향상이 가능함을 알 수 있다. 글: M.Pavier, M.Standing, P.Cutler, A.Sawle, C.Blake, A.Woodworth,International Rectifier | ||||||||||
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소스 탑재 전력 MOSFET 디바이스를 이용함으로써 다위상 전압 레귤레이터 모듈(VRM) 회로의 전력 밀도가 대폭적으로 향상되었다. 전류 밀도의 향상은 두 가지 요인에 의해 가능한 것이다. 첫째는 패키지 기생 임피던스가 감소했으며, 둘째는 전력 디바이스 접합부와 외부 대기 사이의 열 저항이 현저히 감소하였다.소스 탑재 패키지의 이점을 활용하는 것은 시스템 디자이너가 채택하는열 관리 전략에 따라 크게 좌우된다.이 글에서는 소스 탑재 패키지에 이용할 수 있는 열 관리 전략을 살펴보고IR(International Rectifier)의 테스트에서 얻어진 데이터를 바탕으로 초소형 히트싱크를 이용해 이들 디바이스의 열 소산을 향상시키는 것의 이점에 대해 살펴보려고 한다. 또한 전력사이클링 조건일 때 직접적으로 히트싱크를 탑재하는 것이 디바이스 신뢰성에 미치는 영향을 살펴본다.
그림 1a는 IR의 DirectFET 소스 탑재 전력 MOSFET 기술의 구조를 보여주는 회로도이며 그림 1b는 이 디바이스를 PCB에 조립한 것이다. 그림 1a에서 보듯이 이 디바이스는 구리 클립 어셈블리의 전력 MOSFET 다이를 기반으로 했다. 이 MOSFET 다이는 전면이 솔더가능 면적 어레이 게이트 및 소스 전극 연결부이며 후면은 MOSFET드레인 전극으로서 전도성 접착제를이용해 클립에 연결된다. 이 클립이MOSFET 다이의 가장자리까지 이어져서회로 보드에 대한 드레인 연결을 가능하게한다.전력 MOSFET 다이 하우징을 위해 구리 클립을 이용하는것이 SO-8 같은 기존 패키지 기술과 비교해 열적으로 상당한이점을 제공한다. 열적으로 가장 중요한 이점은 패키지 상단(금속 클립 등)이 전력 MOSFET 다이에 대해 낮은 열 저항 연결을 가능하게 한다는 것이다. 이러한 낮은 저항열 경로를 이용해 전력 다이로부터 열을 제거함으로써 회로 보드로 전달되는 열을 줄일 수 있다. 아니면 열이 전력 다이로부터 전달되어서 회로 보드및 패키지 상단을 통해 소산될 수 있다. ‘양면 냉각’이라고 하는 이러한 최신 기법이 효과적인 열 관리 전략을 구현하려는 회로 디자이너들을 위해 유연성을 향상시킨다. <그림 2> 특정 디자인에 적합한 솔루션을 평가할 수 있도록 히트싱크를 이용해 일련의 테스트 실시
초소형 히트싱크 DirectFET 기반 디자인으로 열 관리전략을 구현하는 한 가지 방법이 초소형 히트싱크를 디바이스 표면에 직접탑재하는 것이다. 상업적으로 다수의 히트싱크를 선택할 수 있으며 다양한 마감재 및 핀 높이를 이용할 수 있다.특정 디자인에 적합한 솔루션을 평가할 수 있도록 IR이 그림 2의 히트싱크를 이용해 일련의 테스트를 실시했다. 히트싱크 A는 은 마감재의 다중 플레이트 어레이 유형이며, 히트싱크 B는 규격은 히트싱크 A와 동일하면서검정색 마감재를 이용했다. 히트싱크 C는 핀 어레이 유형으로서 히트싱크 A 및 B 보다 높이가 높다. 각각의 히트싱크는 열 인터페이스 화합물을 이용해 2개의 소스 탑재 패키지에 조립되었으며 디바이스 케이스의 온도를 측정하기 위해 디바이스에 서모커플을 장착했다.실제 조건을 철저히 분석하기 위해 IR은 다양한 강제공기 냉각 조건을 시뮬레이트하는 시험적 와인드 터널을이용해 테스트를 실시했다. 그림 3은 소스 탑재 디바이스를 분석하기 위해이용한 시험적 와인드 터널 셋업이다.이 터널은 실린더 입구에 가변 속도AC 팬이 장착된 투명 절연 플라스틱 실린더로 구성된다. 팬에서 분출된 공기가 확장 메쉬 그리드를 통해 시스템으로 층류를 제공한다. 풍속은 팬 출구에 인접한 파일럿 튜브를 이용해 측정된다. 이들 실험을 실시할 때 MOSFET의전력 소산은 각 디바이스의 소스 및 게이트 사이에 연결된 전압 폴로어 연산증폭기 회로를 이용해 제어했다. 그럼으로써 각 MOSFET이 선형 모드로 동작하고 디바이스에 인가된 게이트-소스 전압 드리프트를 야기하지 않고 일정 전력을 소산했다. 디바이스 전력 소산을 결정하는 각각의 게이트-소스 전압은 전압 및 전류 측정을 이용해 계산했다. <그림 3> 소스 탑재 디바이스를 분석하기 위해이용한 시험적 와인드 터널 셋업
분석 결과 히트싱크가 안정 온도에 도달하는 시간은 MOSFET 접합부에 일정 전력을 인가하는 동안 디바이스 케이스 온도를 모니터링해서 계산했다. 전력을 인가하는 약 300초 동안에 일정한 케이스 온도가 달성되었다.추가적인 히트싱크를 이용하거나 이용하지 않고 강제 공기 및 자연 대류조건을 이용했을 때 MOSFET 디바이스의 케이스-대기 열 저항의 관계를 보면, 히트싱크를 이용하지 않을 경우 DirectFET 패키지와 대기 사이의 자연적인 대류 열 흐름으로 Rthc-a가 50℃/W에 달했다. 자연 대류 조건으로 히트싱크를 추가함으로써 히트싱크 유형에 따라 Rthc-a가 4.18℃/W에서 45℃/W 사이로 감소했다. 결론은 자연 대류 조건으로 히트싱크를 추가함으로써 Rthc-a가 감소하는 것이 부품 비용,소재, 어셈블리의 추가를 정당화할 만큼 디자인의 열 관리 전략에 충분한 이점이 되지 못한다는 것이다. 하지만 강제 대류 조건일 때는 소스 탑재 패키지에 히트싱크를 추가하는 것의 이점이 커진다. 즉, 강제 대류일 때는 2.3m/s 의 강제 대류로 히트싱크의 추가에 따라 Rthc-a가 21℃/W에서 12.3℃/W 및 12.5℃ 사이로 감소한다. 그림 4a 및 그림 4b는 DirectFET 패키지에 탑재된 히트싱크의 냉각 특성에 따라 풍속을 변화시켰을 때의 효과이다. 그림 4a는 선형 풍속에 따른 케이스 온도 및 디바이스 전력 소산이다. 풍속이 증가함에 따라서 온도 및 디바이스 전력 소산 도표의 기울기가 감소하는 것을 볼 수 있다. 그러므로 풍속이 증가함에 따라 케이스-대기 열저항이 감소하는 것을 알 수 있다. 그림 4b는 높이가 높은 검정색 히트싱크의 Rthc-a 및 풍속 그래프이다.
초소형 히트싱크 추가가 디바이스 신뢰성에 미치는 영향 위에서 설명한 실험에서는 Direct-FET 패키지에 초소형 히트싱크를 추가함으로써 케이스와 대기 사이의 열저항을 줄일 수 있음을 알 수 있다. 하지만 히트싱크가 또한 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 다음과 같은 경우를 고려해야 한다. ① 히트싱크로 인해 접합부 동작 온도가 감소하는 것이 MTTF에 미치는 영향 ② 히트싱크로 인해 동작 온도 범위가 감소하는 것이 보드 접착 솔더 피로도 감소에 미치는 영향 ③ DirectFET 상단에 히트싱크를 탑재함으로써 발생할 수 있는 추가적인 기계적 스트레스가 열 사이클링 성능에 미치는 영향
*사례 1: 접합부 동작 온도를 낮추는것이 MOSFET 수명을 연장하는 것으로 잘 알려져 있다. 강제 공기 냉각 실험의 결과를 살펴보면 초소형 히트싱크를 추가함으로써 Rth(j-a)가 21℃/W(히트싱크 이용 안함)에서 12.5℃/W(히트싱크 이용함)로 감소하는 것을 알 수 있다. 그러므로 4W를 소산하는 애플리케이션의 경우에는 히트싱크를 추가함으로써 접합부 온도가 34℃ 감소한다. 아레니우스식을 이용한 계산에 따르면 34℃ 감소하는 것이 각 디바이스의 MTTF가 10배 이상 향상되는 것에 해당된다. *사례 2: 동작 온도가 감소함으로써 디바이스/보드 시스템이 열적으로 사이클링하는 온도 범위가 감소한다. 그럼으로써 보드 접착 솔더의 피로도가 감소한다. Coffin-Mason 공식에 따라서 동작 온도 범위가 34℃ 감소하는 것은 솔더 피로도 감소로 인해 MTTF가 4배 향상되는 것에 해당된다. *사례 3: DirectFET 상단에 히트싱크를 추가함으로써 기계적 스트레스가 증가하는 것을 측정하기 위해서는 히트싱크를 장착 및 장착하지 않고 디바이스를 비교하는 실험을 실시해야 한다.이를 위해서 테스트 카드에 DirectFET 디바이스 샘플을 장착했다. 샘플의 절반에는 열 인터페이스 소재를 이용해 기계가공 알루미늄 블록을 탑재하고 히트싱크를 이용하지 않은 나머지 샘플을 컨트롤로 이용했다. 전력 사이클링 테스트는 디바이스가 오프로 전환하기 전에 2분 동안MOSFET 접합부를 통해 알려진 전력을 소산시키고 또 다른 2분 동안 냉각되도록 했다(이것이 단일 사이클에 해당된다). 그러므로 각 사이클 동안 접합부 온도가 35℃에서 105℃로 상승했다 다시 35℃로 냉각되도록 했다. 이사이클을 16,000회 실시하고 테스트실행 전, 실행 중, 실행 후로 각 디바이스의 온 저항(RDS(ON))을 모니터링했다. 그림 5는 히트싱크를 탑재했을 때와 탑재하지 않았을 때 전력 사이클링이 DirectFET 디바이스에 미치는 영향을 보여준다. 히트싱크를 탑재하지 않았을 때 16,000회 전력 사이클 후의 평균 RDS(ON) 변동은 0.15mW이었다. 하지만 히트싱크를 탑재했을 때는 평균 RDS(ON) 변동이 0.05mW으로 훨씬 감소하였다. 히트싱크를 탑재했을 때 RDS(ON) 변동이 감소하는 것은 히트싱크 열 용량때문이다. 전력 소산 및 MOSFET 냉각이 이루어지는 동안에는 히트싱크가 디바이스 인터커넥트의 온도 변화를 감소시킨다. 결과적으로 DirectFET 인터커넥트의 솔더 접합부 피로도가 감소한다. 이로 인해서 장기적인 디바이스 신뢰성이 저하되기보다는 향상된다. 다만 정확한 결과는 히트싱크 디자인, 히트싱크를 DirectFET에 연결하는 기법, 인터페이스 소재에 따라 달라진다.
표면 실장 전력 MOSFET에 히트싱크 이용 초소형 히트싱크를 이용해 IR의 DirectFET 같은 소스 탑재 전력 MOSFET을 냉각하는 것이 강제 대류냉각 조건에서 접합부-대기 열 저항을 대폭적으로 감소시킨다. 실험 결과에 따라서 은 및 검정색 마감재 히트싱크의 차이가 미미하므로 열 제거에 있어 복사가 그렇게 큰 역할을 하지 않다는 것을 알 수 있다. 풍속이 0.5m/s에서 5m/s로 증가하는 것에 따라서 Rthc-a가 감소하는 것을 볼 수 있다. 자연 대류 조건일 때는 히트싱크를 탑재하는 것이 Rthc-a를 미미하게 감소시키지만이 감소가 히트싱크의 비용 추가를 정당화할 만큼 충분하지는 않았다. 또한 동일한 접합부 온도 상승으로 전력 소산을 향상시키려는 애플리케이션에서 히트싱크를 채택함으로써DirectFET 제품의 신뢰성이 저하되지 않는 것으로 나타났다. 히트싱크를 이용한 전력 사이클링 결과에서는 히트싱크를 이용하지 않은 디바이스와 비교해 MOSFET이 온도에 따라 RDS(ON)변동이 감소하는 것으로 나타났다. 간단한 애플리케이션 예에 Arrhenius 및 Coffin Manson 공식을 적용함으로써 이들 테스트에서와 같은 크기 및 성능의 히트싱크를 이용함으로써 디바이스의 MTTF를 대폭적으로 향상시킬 수 있으며 히트싱크를 추가함으로써 추가적인 향상이 가능함을 알 수 있다. 그러므로 전력 밀도나 시스템 신뢰성을 향상시켜야 할 때는 히트싱크를고려해야 한다. 쓰루홀 패키지의 히트싱크는 수년 전부터 가능했지만 DirectFET 기술은 사상 최초로 표면실장 전력 MOSFET에 히트싱크를 이용하고 이 글에서 언급한 이점들을 활용할 수 있도록 한다. <자료제공: 반도체네트워그 2006년 01월호> |
