반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 라미로 가스콘(Ramiro Gascon), 온세미(onsemi) 제품 라인 매니저

완전 전기화와 마찬가지로 완전 자율주행은 차량 설계 및 제조에서 차세대 패러다임이 될 것이다. 첨단운전자지원시스템(ADAS)으로 지원되는 반자율주행은 이미 외부 센서와 온보드 카메라의 데이터 융합을 비롯해 다양한 애플리케이션을 관리하는 전자제어장치(ECU) 수를 크게 증가시켰다. 이러한 제어기의 전력 소비는 데이터 처리량과 속도에 따라 증가한다. 

새로운 제어기는 주차 보조 센서를 관리하는 ECU와 같이 한 자릿수 와트의 출력 전력 용량을 갖는 전압 레귤레이터부터, 여러 비디오 스트림을 처리하는 ECU와 같이 100와트 이상의 출력 전력 용량을 갖는 전압 레귤레이터를 필요로 한다. 열 발생은 전력 손실의 불가피한 부작용이며, 과열을 방지하고자 PCB에 부품을 가깝게 배치할 수 있는 범위를 제한한다. 이는 특히 공간과 무게가 주행 거리에 부정적인 영향을 주는 전기차 OEM의 경우 문제가 된다. 

자동차 애플리케이션의 고전력 스텝다운 변환에는 효과적인 열 관리가 매우 중요하다. 기존 하부 냉각(BSC) 기술에는 한계가 있고, 전력 밀도가 증가함에 따라 새로운 솔루션이 필요하다. 본 기고에서는 부품 패키징의 혁신인 상부 냉각(TSC)이 과도한 열 방출 문제를 해결하고 더 작고 가벼운 자동차에서 보다 높은 전력 밀도를 실현하는 방법에 대해 설명한다.

하부 냉각(BSC)

최근 고전력 애플리케이션에 사용되는 대부분의 표면실장 디바이스(SMD)는 실리콘 다이의 열을 방출하기 위해 BSC를 사용한다. SMD 패키지 하단의 금속 패드는 보드 비아(board vias)를 통해 PCB 아래 히트 싱크에 연결된다. 그러나 이러한 접근 방식에는 몇 가지 위험 요소가 있다. PCB 내부의 온도 상승은 PCB 근처에 실장된 다른 부품의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 고온에 장시간 노출될 경우 PCB가 박리되어 시스템 수명이 단축될 수도 있다.

그림 1. 하부 냉각 기능 보유한 SMD: 열은 비아 및 PCB를 통해 방출이 된다.

상부 냉각(TSC)

TSC는 열 방출을 위한 직접적인 열 경로를 제공하며, 전력 반도체 디바이스에 부착된 히트 싱크로 열을 더 잘 전달할 수 있는 대안이다. TSC는 BSC에 비해 열 성능이 최대 70% 향상되어 시스템 작동 온도를 낮추고 효율을 개선할 수 있으며, 이는 자동차 애플리케이션의 고전력 스텝다운 전압 변환에서 매우 중요한 요소이다. 또한 TSC는 뛰어난 열 성능 외에도 PCB 설계에 몇 가지 이점을 제공한다.

그림 2. 상부 냉각 기능 보유한 SMD: 써멀 비아가 필요하지 않다.

기계적 안정성 향상

히트 싱크를 패키지 상단에 직접 부착하면 디바이스 또는 보드에 기계적 스트레스나 손상이 발생할 위험이 크게 감소해 신뢰성이 향상되고 부품의 수명이 연장된다.

더욱 컴팩트한 디자인

TSC는 팬이나 기타 냉각 디바이스를 위한 충분한 공간이 필요한 공냉식보다 더 컴팩트한 보드 설계를 가능하게 한다. 따라서 TSC 디바이스는 전체 시스템 크기와 무게를 줄이며, 이는 공간이 제한된 자동차 애플리케이션에서 매우 중요하다.

PCB 면적이 제한된 실제 ECU에서는 부품에서 발생하는 대부분의 열이 인클로저에서 빠져나간다. TSC 패키지는 상단의 노출된 패드가 인클로저와 직접 접촉하므로 대부분의 열이 상단에서 흐르기 때문에 이러한 조건에 적합하다. 반대로, 온도를 크게 높이지 않고도 적당한 양이 아래쪽에서 PCB를 통해 흐른다. 양쪽에서 열이 흐르게 함으로써 PCB 수명이 연장되고 시스템 신뢰성이 향상된다.

열량에 대한 이해

디바이스의 열 특성을 고려할 때 열 흐름이 어떻게 모델링되는지 이해해보자. 열전도율은 모양과 크기에 의존하지 않는 소재의 특성이다. 이는 물체가 내부적으로 열을 전도하는 능력을 말하며 서로 다른 재료를 비교할 때 유용하다. 열 저항은 재료가 열의 흐름에 저항하는 방식을 말하고 재료의 두께는 열 저항에 영향을 미치는데 얇은 재료는 두꺼운 재료보다 더 많은 열을 전달할 수 있다. 열 임피던스는 재료의 모양, 크기, 두께, 압력과 관련이 있다. 이는 표면 평탄도와 애플리케이션에서 부품이 받는 응력과 같은 변수를 고려하는 보다 실용적인 수치이다. 히트 싱크를 디바이스에 부착할 때 가해지는 토크는 열 임피던스에 영향을 미치는데, 압착 수준이 높을수록 열 저항이 낮아진다.

DC-DC 컨버터의 BSC 및 TSC 성능 비교

온세미는 냉각 메커니즘이 다른 디바이스의 성능을 비교하기 위해 모든 PCB 레이어에 넓은 면적의 구리로 최적화된 100W 벅 컨버터 프로토타입 보드를 사용해 TSC와 BSC 디바이스에 유사한 열 성능을 제공했다.

이 테스트 설정은 냉각 핀이 있는 맞춤형 알루미늄 하우징 내부의 복잡한 ECU용 전원 공급 장치와 같이 실제 애플리케이션과 동일하지는 않지만, 히트 싱크의 열 저항과 갭 패드 두께를 비롯한 매개 변수가 MOSFET 온도에 미치는 영향을 입증하는 데는 충분하다. 또한 히트 싱크를 열원(DC-DC 컨버터의 로우 사이드 MOSFET) 위에 장착하거나 PCB의 반대편에 장착하는 경우에도 유사한 열 성능을 제공할 수 있다. 이는 PCB 레이아웃이 써멀 비아와 모든 레이어의 넓은 구리 영역에 열적으로 최적화되어 기판을 통한 열 흐름을 원활하게 한다는 가정에 기반한다. 또한 TSC MOSFET의 노출된 패드는 히트 싱크에 직접 연결하여 PCB로의 열 흐름을 최소화해야 한다.

그림 3. TSC(왼쪽) 및 BSC(오른쪽)가 실장된 테스트 보드

측정 결과

이 테스트 설정의 결과, 히트 싱크를 TSC MOSFET 상단에 장착할 경우와 BSC MOSFET을 사용해 열적으로 최적화된 PCB의 하단에 장착할 경우 MOSFET 온도(Tc)에서 약간의 차이(<3°C)만이 관찰됐다. 20A 부하 전류에 대해 히트 싱크를 전혀 사용하지 않은 경우와 비교했을 때, 두 경우 모두 MOSFET 온도는 대략 비슷했다:

• 60mm 히트 싱크 사용 시 30°C 더 낮음

• 25mm 히트 싱크 사용 시 15~20°C 더 낮음

• 10mm 히트 싱크 사용 시 10°C 더 낮음

결과적으로 히트 싱크가 있는 TSC MOSFET이 주변 부품의 밀도가 낮고 열적으로 최적화된 PCB에 장착된 BSC MOSFET과 유사한 열 성능을 제공한다는 것을 보여준다. 그러나 PCB로 유입되는 열을 최소화해야 하는 경우, 패키지 상단에 장착된 히트 싱크에 대한 열 저항이 더 낮기 때문에 상단이 노출된 패드가 있는 MOSFET이 적절하다.

냉각 이상의 이점을 제공하는 TSC

온세미에서는 5mm x 7mm 크기의 TCPAK57 패키지 제품의 NVMJST0D9N04C와 같은 자동차 애플리케이션용 TSC MOSFET을 제공한다. 해당 디바이스는 상단에 16.5mm²의 열 패드가 있어, PCB가 아닌 히트 싱크로 열을 직접 방출한다. PCB의 양면을 모두 사용할 수 있으며, 기판으로 들어가는 열의 양을 줄인다. 따라서 TCPAK57 패키지는 전력 밀도를 높이고 신뢰성을 향상시키며 시스템 수명을 전반적으로 연장할 수 있다.