소형 풋프린트 패키지로 발열 낮춘 고전력, 확장 가능한 POL 레귤레이터

  • 2016년 09월호
  • 글| 어쉰 오다베(Afshin Odabaee), 사업부 부장, μModule 파워 프로덕트,리니어 테크놀로지


엔지니어에게 열(heat)은 매우 골치 아픈 물리적 주제다. 현재 패키징 엔지니어는 소형 패키지로 제공되는 고전력 DC/DC POL 레귤레이터의 장점인 열 성능으로 과거보다 훨씬 많은 영향력을 발휘하고 있다. 이 글은 POL 레귤레이터의 새로운 구성 방식인 3D 패키징을 이용해 소형 PCB 풋프린트, 높은 전력, 더욱 향상된 열 성능, 이 세 가지를 모두 동시에 달성할 수 있는 방법을 소개한다.


다음과 같은 말은 분명 DC/DC IC 및 회로 설계자의 마음을 불편하게 만들겠지만, 몇 년 전보다 오늘날 더 잘 들어맞는다. IC 설계자들은 기술과 과학에 대한 풍부한 경험과 복잡한 마음으로 보드 선도(Bode plot)와 맥스웰 방정식을 가지고 설계하면서 극성과 영점에 대해 신경써 마침내 우아한 DC/DC 컨버터 회로를 만들어 내지만 종종 마지막 한 가지 열(heat)이라는 골치 아픈 물리적 주제를 해결하는 데 매달린다. 열은 패키징 엔지니어의 일이다. 그리고 현재 패키징 엔지니어는 특히 소형 패키지로 제공되는 고전력의 DC/DC POL(point-of-load) 레귤레이터의 열 성능 장점으로 인해 훨씬 많은 영향력을 발휘하고 있다.

POL 레귤레이터에서는 전압 변환 효율이 (아직) 100% 달성되지 못하기 때문에 열이 발생한다. 그러면 레귤레이터의 구성과 레이아웃, 열 임피던스로 인해 패키지는 어느 정도까지 뜨거워질까. 패키지의 열 임피던스는 POL 레귤레이터의 온도만 상승시키는 것이 아니라 PCB와 주변 부품의 온도도 증가시키기 때문에 시스템의 열 제거 구현의 복잡도를 높이는 원인이 된다.

PCB에 조립 시 패키지로부터 열 제거는 다음과 같은 두 가지 주요 방법에 의해 수행된다.

-  표면 실장의 경우 열은 구리 PCB 레이어로 전도되어 패키지 바닥으로부터 열을 확산시킨다.
-  찬 공기흐름이 패키지 상단으로부터 열을 제거한다. 보다 정확히 설명하면 패키지 상단의 표면에 접촉하는 더 차갑고 빠르게 움직이는 공기 분자로 열이 전달된다.

물론 수동적 및 능동적 히트싱크 방식이 있지만, 여기서는 논의를 단순화하기 위해 두 번째 범주에 속하는 방식만을 다루기로 한다. 따라서 더 많은 구리, 더 넓은 PCB 면적, 더 두꺼운 PCB 레이어, PCB 상의 더 넓은 간격의 부품 배치, 더 크고 빠른 팬은 DD/DC POL 레귤레이터를 포함해 전체 시스템을 안전한 온도값으로 동작하도록 유지하는 열 관리 방법으로 맞긴 하지만, 소형 크기의 고전력 POL 레귤레이터의 열 관리에는 적합하지 않으므로 도움이 되는 다른 대안을 찾을 필요가 있다.

앞에서 언급한 일부 혹은 모든 단계는 우선 시스템 온도를 더 낮게 유지하는 데 중요한 영향을 미치지만, 이러한 열 관리 방식을 적용할 경우 시스템이나 최종 제품의 판매 경쟁력을 약화시킬 수 있다.

최종 제품은 라우터의 경우만 보더라도 PCB에서 고의적으로 부품을 분리할 경우 크기가 더 커지고, 더 많은 팬 수와 뜨거운 회로로 유입되고 빠져나가는 빠른 공기흐름 때문에 잡음이 더 크게 들릴 수 있으며, 그리고 아마도 최종적으로는 많은 기업들이 초소형과 계산 성능, 데이터 속도, 효율성, 냉각 비용의 장점을 내세워 끊임없이 승부해야 하는 시장에서 경쟁력이 떨어지는 제품을 내놓게 될 것이다.

28~20 nm 및 20 nm 이하 디지털 디바이스는 더 높은 성능을 제공하기 위해 더 높은 전력을 소비하며, 장치 공급업체는 더 빠르고 작고 더 조용하고 효율적인 혁신으로 서로 경쟁을 벌이고 있다. 흥미진진한 새로운 디지털 기술의 기량 뒤에는 시스템의 전체 온도 상승을 최소화하면서 더 작은 패키지에 더 높은 전력을 제공하기 위한 아날로그와 전력 기술의 노력이 숨어 있다. 이에 대해 보다 높은 전력 밀도를 갖는 POL 전압 레귤레이터가 탁월한 선택이 될 수 있다. 더 작으면서도 더 높은 전력을 제공하기 때문이다.

전력 밀도 수치로 POL 레귤레이터를 판단한다면… 초보자

제곱(또는 입방) 센티미터당 40 W POL 레귤레이터는 제곱 센티미터당 30 W 레귤레이터보다 더 우수한 제품임에 틀림없다. 마케팅 담당자는 전력 밀도를 내세워 제품을 판매하고, 시스템 설계자들은 해마다 다음에 더 빠르고 작고 더 조용하고 효율적인 제품으로 경쟁제품을 물리치기 위해 더 높은 전력 밀도의 레귤레이터를 요구한다. 하지만 더 높은 전력 밀도 수치가 ‘더 우수한’ POL 레귤레이터를 선택하는 결정적인 요소일까?
몇 가지 사항을 살펴보기로 하자.

첫째, 전력 밀도 수치는 잊어버리고 POL 레귤레이터의 데이터 시트를 자세히 검토해야 한다. 잘 기록되고 특성화된 POL 레귤레이터는 다양한 입력 전압과 출력 전압, 공기흐름 속도에서 출력 전류를 지정하는 많은 그래프를 포함해야 한다. 달리 말하면, 데이터 시트는 사용자가 열 및 부하 전류 성능을 기준으로 레귤레이터를 판단할 수 있도록 사용자회로의 조건에서 POL 레귤레이터의 출력 전류 성능을 보여줘야 한다. 레귤레이터가 사용자 시스템의 일반 및 최대 주변온도와 공기흐름 속도의 요구사항을 만족하는가? 출력 전류 디레이팅은 디바이스의 열 성능과 관련된다는 것을 기억하도록 한다. 이 두 가지는 밀접히 관련되어 있으며 똑같이 중요하다.

두 번째는 효율이다. 첫 번째가 아니라 두 번째다. 효율만 따로 볼 경우 왜곡될 수 있으며, DC/DC 레귤레이터의 열 특성을 부정확하게 나타낼 수 있다. 입력전류와 부하 전류, 입력 전력 소비, 소모 전력, 접합부 온도 등을 측정할 필요가 있다. 그러나 보다 합리적으로, 효율 수치는 출력 전류 디레이팅과 디바이스 및 패키지와 관련된 다른 열 데이터와 함께 분석해야 한다. 예를 들어 98% 효율의 DC/DC 스텝 다운 컨버터는 더할 나위 없이 매력적이다. 여기에 전력밀도 수치까지 탁월하다면 매력은 더욱 증가한다. 그렇다면 이것을 구매해야 할까?

현명한 엔지니어라면 2% 효율 손실이 미치는 영향에 대해 물어봐야 한다. 이 손실이 어떻게 패키지 온도로 전환되는가? 이러한 높은 전력 밀도와 효율의 레귤레이터는 60 ℃ 주변 온도 및 200 LFM(분당 피트, 공기흐름)에서 접합부 온도가 어떻게 되는가? 25 °C의 실온에 대해 제공되는 일반적인 숫자를 넘어 40°C, 85 °C 또는 125 °C의 극한 온도에서 측정된 최대 및 최소값은 얼마인가?

패키지 열 임피던스가 너무 높아 접합부 온도가 안전한 동작 온도를 넘어 상승하면 어떻게 되는가? 이러한 고가의 레귤레이터를 이와 같이 낮은 출력전류 값으로 디레이팅해야 한다면 디바이스의 가격은 낮춰진 출력 전류 성능을 더 이상 정당화하지 못할 것이다.

마지막으로 고려해야 할 요소는 POL 레귤레이터의 냉각 용이성이다. 데이터시트에 제공되는 패키지 열 임피던스값은 디바이스의 접합부, 주변 및 케이스 온도 상승을 시뮬레이트하고 계산하는 데 핵심적이다. 표면 실장 패키지에서 열은 대부분 패키지 바닥에서 PCB로 흐르기 때문에 나중에 시스템 프로토타입 제작 시에 놀라지 않으려면 레이아웃 가이드와 열 측정에 대한 내용을 데이터 시트에서 명확히 확인해 두어야 한다.

잘 설계된 패키지는 패키지 표면 전체에 걸쳐 열을 효율적이고 균등하게 분산시켜서 POL 레귤레이터의 신뢰성을 떨어뜨리는 열 집중과 고온 영역을 제거해야 한다. 앞서 언급했듯이 PCB는 표면실장 가능한 POL 레귤레이터로부터 발생하는 열의 대부분을 흡수하고 라우팅하는 역할을 맡고 있지만, 오늘날의 밀도가 높은 복잡한 시스템에서 는 공기흐름이 일반적으로 이용되고 있으며, 여기에 보다 합리적으로 설계된 POL 레귤레이터는 이러한 ‘자유로운’ 냉각 기회를 더욱 적극적으로 이용해 MOSFET과 인덕터와 같은 열 발생이 많은 부품으로부터 나오는 열을 제거한다.

패키지 내부로부터 패키지 상단과 대기로 열 유도하기 

고전력 스위칭 POL 레귤레이터는 인덕터 또는 트랜스포머에 의존해 입력 전원 전압을 레귤레이트 된 출력 전압으로 변환한다. 비절연 스텝 다운 POL 레귤레이터의 경우 인덕터를 사용하며, DC/DC 변환 시 인덕터와 MOSFET과 같은 스위칭 소자가 열을 발생시킨다.

약 10여 년 전에는 새로운 패키징 기술의 향상으로, 자기부품을 포함한 전체 DC/DC 레귤레이터 회로를 이른바 모듈 또는 SiP이라고 하는 몰딩된 플라스틱 안에 탑재할 수 있게 됐다. 이때 몰딩된 플라스틱 내부에 발생된 열의 대부분은 패키지 바닥으로부터 PCB로 라우팅 된다. 히트싱크를 표면 실장 패키지 상단에 부착하는 방법을 포함해 패키지의 열 제거 기능을 향상시키려는 모든 전통적인 시도는 패키지 크기를 증가시키는 원인이 된다.

그러나 불과 3년 전에 사용 가능한 공기흐름을 이용해 자체적으로 냉각시키는 혁신적인 모듈 패키징 기법이 등장했다. 히트싱크는 모듈 패키지 내부에 통합되어 오버몰딩됐다. 고유의 형태로 디자인된 히트싱크는 패키지 내부에서 열 발생장치, MOSFET과 인덕터에 연결됐으며, 히트싱크의 다른 쪽 끝은 평평한 면으로 패키지 상단에 노출된다.

이러한 새로운 패키징과 온보드 히트싱킹 기법에서는 히트싱크의 평평한 면이 공기와 접촉하는 패키지 상단으로부터 공기가 열을 제거하기 때문에 일부 공기흐름을 통해 디바이스를 빠르게 냉각시킬 수 있다(TechClip 비디오의 LTM4620 데이터 시트 참조). 고전력 POL 레귤레이터의 열성능을 향상시키기 위한 패키징에서 다른 새로운 아이디어들은 이러한 개념을 더욱 발전시키고 있다.

적층형 인덕터를 히트싱크로 이용하는 POL 모듈 레귤레이터 

POL 레귤레이터에서 인덕터의 크기는 다른 많은 요소들 중에서 전압, 스위칭 주파수, 전류 처리 및 구성에 따라 달라진다. 인덕터를 포함한 DC/DC 회로를 플라스틱 패키지로 오버몰딩 하여 감싸는 방식으로 IC와 유사한 형태의 모듈방식에서는 인덕터 크기가 패키지의 두께, 부피, 무게를 결정한다. 인덕터는 또한 POL 모듈 레귤레이터의 전체 내부 온도를 상승시키는 발열 부품이다.

앞서 말했듯이 패키지 내부에 통합된 히트싱크는 MOSFET과 인덕터로부터 발생하는 열을 패키지 상단으로 전도해 내부 열을 패키지 밖 상단으로, 그리고 마지막으로 대기, 콜드 플레이트 또는 수동식 히트싱크로 빠르게 전달하는 데 많은 도움이 된다. 그러나 이 방법은 패키지의 플라스틱 몰딩 컴파운드 내부에 쉽게 장착할 수 있는 소형 크기, 낮은 전류 인덕터에 유용하다.

더 크고 높은 전류 인덕터에 의존하는 고전력 POL 레귤레이터의 경우 패키지 내부의 자기 부품의 배치는 회로의 다른 부품들을 밀려나게 함으로써 패키지의 PCB 풋프린트를 증가시킨다. 더 큰 풋프린트는 더 무거운 패키지를 의미한다. 풋프린트를 작게 유지하고 열 발산을 더욱 향상시키기 위해 패키징 엔지니어들은 또 다른 기법을 발견해 냈다. 바로 수직 적층방식 또는 3D 방식이다(그림1).



노출된 적층형 인덕터로 풋프린트 소형화, 전력 증가, 열 발산 향상시키는 3D 패키징

POL 레귤레이터의 새로운 구성 방식인 3D 패키징을 이용하면 소형 PCB 풋프린트, 높은 전력, 더욱 향상된 열 성능, 이 세 가지를 모두 동시에 달성할 수 있다(그림 1, 그림 2). LTM4636은 DC/DC 레귤레이터 IC, MOSFET, 지원 회로, 대형 인덕터를 내장한 μModule 레귤레이터로, 출력 리플을 감소시키고 12V 입력으로부터 정밀하게 레귤레이트 되는 3.3 V ~ 0.6 V 범위의 출력 전압으로 최대 40A의 부하 전류를 공급할 수 있다.

4개의 LTM4636 디바이스를 전류 공유하면 160A 부하 전류를 제공할 수 있다. 패키지 풋프린트는 단 16 mm × 16mm다. 수치를 확인하면 전력 밀도 또한 매우 우수하다. 그러나 숫자는 너무 과신하지 않는 것이 좋다. 이 μModule 레귤레이터가 시스템 설계자에게 제공하는 이점은 열 성능과 함께 뛰어난 DC/DC변환 효율과 열 분산 기능의 결합을 들수 있다.

풋프린트를 소형화(16 mm × 16mm BGA)하기 위해 풋프린트를 많이 차지하는 인덕터를 올려 2개의 구리 리드 프레임 구조 위에 고정한다. 따라서 나머지 회로 부품들(다이오드, 저항, MOSFET, 커패시터, DC/DC IC)을 인덕터 아래 기판에 납땜할 수 있다. 만약 인덕터를 기판 위에 배치하려고 한다면 μModule 레귤레이터는 쉽게 1,225 mm2 PCB 이상을 차지하게 돼, 소형 256 mm2 풋프린트와 큰 차이가 난다. 이 기법은 시스템 설계자에게 소형화된 POL 레귤레이터 레이아웃을 제공할 뿐 아니라, 또 다른 뛰어난 이점으로 우수한 열 성능을 보여준다.

LTM4636의 적층형 인덕터는 플라스틱 컴파운드로 오버몰딩되지(감싸지) 않고, 나머지 부품들만 오버몰딩된다. 인덕터는 편리하게 대기로 노출되며, 매끄러운 코너와 올려진 구조를 취하고 있어 흐름 방해를 최소화하면서 공기가 보다 쉽게 디바이스 주위와 위로 흐른다.



40A LTM4636, 열 성능과 효율 수치

LTM4636은 CoP(Component-on-Package, 그림 2)라고도 하는 3D 패키징기술의 장점을 적용한 40A 지원 μModule 레귤레이터다. 패키지 바디는 오버몰딩 된 16 mm × 16 mm × 1.91 mm BGA 패키지다. LTM4636의 전체 패키지 높이는 몰딩된 섹션 위에 적층된 인덕터를 포함해 BGA 솔더 볼(144개)의 하단에서부터 인덕터 상단까지 7.16 mm다.

 

상단으로부터 열을 발산하는 외에도 LTM4636은 패키지 하단으로부터 PCB로 열을 효율적으로 분산하도록 설계됐다. LTM4636은 144개 BGA 솔더 볼과 고전류가 흐르는 GND, VIN 및 V OUT에 대한 전용 뱅크를 갖는다. 이들 솔더 볼은 전체적으로 PCB에 대한 히트싱크 역할을 한다. LTM4636은 패키지 상단과 하단으로부터 열을 발산하도록 최적화됐다.

 

12VIN, 1VOUT 및 40A(40W) 전체 부하 전류와 표준 200 LFM 공기흐름에서 LTM4636은 전체 주변 온도(25 °C ~ 26.5 °C)에서 단 40 °C 상승을 보여준다. 〈그림 3〉은 위에서 언급한 조건에서 LTM4636의 열 영상을 보여준다. 다음〈그림 4〉에서는 디레이팅 수치를 볼 수 있다. 200 LFM에서 LTM4636은 최대 주변 온도 83 °C에서 40A의 전체 전류를 공급한다. 절반의 전류인 20A는 매우 고온인 110 °C 주변 온도에서 제공된다. 이는 LTM4636의 부하 전류 공급이 일부 공기흐름이 존재할 때 주변 온도에 의한 영향을 덜 받는다는 것을 의미한다.

LTM4636의 높은 변환 효율은 주로 최고 성능의 MOSFET과 DC/DC 컨트롤러의 강력한 드라이버가 맡고 있다. 12VIN 전원에서 스텝 다운 전압 변환에 대한 일부 수치를 보면, 3.3V 25A에서 95%, 1.8V 40A에서 93%, 1V 40A에서 88% 효율을 갖는 것을 알 수 있다.
〈그림 5〉는 12VIN 및 VOUT ~ 3.3VOUT에서 효율 수치를 보여준다.



열 평형을 유지하는 160W, 확장 가능한 4 × 40A μModule POL 레귤레이터

단일 LTM4636은 40A 부하 전류 공급 정격을 갖는다. 2개의 LTM4636을 전류 공유 모드(또는 병렬)로 구성할 경우 80A를 제공하며, 4개는 최대 160A를 공급할 수 있다(그림 6, 그림7). LTM4636의 전류 모드 아키텍처는 각 40A의 다중 블록 간에 정밀한 전류 공유를 가능하게 한다. 이러한 정밀한 전류 공유는 병렬로 연결된 2, 3 또는 4개 디바이스 사이에 균형 있는 열 발산을 달성할 수 있게 한다(그림 6, 그림 7). 이러한 기능으로 어떤 디바이스도 과부하되거나 과열되지 않는다.

 

LTM4636은 또 다른 특징으로 위상차 동작이 가능해 출력 및 입력 리플 전류를 감소시키며, 따라서 입력 및 출력 커패시터 수를 줄일 수 있다. 예를 들어 4개 LTM4636은 90° 위상차(360° ÷ 4)로 동작한다. 클록킹과 위상 제어가 포함되어 있다. 또한 전력 스케일링을 위한 레이아웃이 매우 단순해서 풋프린트를 복사해 붙여 넣기만 하면 된다(기호와 풋프린트 이용 가능). 



결론

밀도가 높은 시스템을 위한 POL 레귤레이터의 선택은 디바이스의 전압과 전류 정격 외에도 자세한 검토를 필요로 한다. 패키지의 열 특성은 장치의 냉각 비용, PCB 비용 및 크기를 결정하므로 열 특성 평가는 핵심적이다. 적층형, 수직형, CoP로 불리기도 하는 3D 기술의 발전으로 고전력 POL 모듈 레귤레이터를 소형 PCB 풋프린트에 장착할 수 있게 되었을 뿐 아니라, 더욱 중요한 특징으로 효율적인 냉각이 가능해졌다.

μModule 레귤레이터 시리즈 중 첫 번째 선보이는 LTM4636은 이러한 적층형 패키징 기술의 장점을 제품에 구현했다. 적층형 인덕터를 히트싱크로 이용하는 40A POL μModule 레귤레이터는 95% ~ 88% 효율과 단 40 °C 상승을 자랑하면서 불과 16 mm × 16 mm PCB 면적만 차지한다. LTM4636에 대한 비디오 설명을 보려면 홈페이지(www.linear.com/LTM4636)를 참조한다. 

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