[기고] 전력 MOSFET 혁신; 어떻게 40년 이상 이어왔나
  • 2021-05-11
  • 글 / Ashita Mirchandani, Bastian Lang, 인피니언 테크놀로지스


우리의 세계는 지난 50년 동안 극적인 변화를 경험했다. 새로운 경제, 사회 및 기술의 흐름이 다양한 방식으로 사람들의 생활 방식에 커다란 영향을 미쳐 왔다. 세계가 어떠한 방식으로, 어느 정도까지 변하고 있는지에 관계없이 한 가지 명백한 사실은 기술이 이러한 변화에 결정적 역할을 한다는 점이다. e모빌리티, 사물 인터넷, 인공 지능, 51커넥티비티, 5G 모두 현재와 미래의 기술이 주도하는 혁신들이다.



이들 새로운 애플리케이션은 우리들의 삶에 지대한 영향을 미칠 뿐 아니라 기초적인 설계 요구사항에 큰 영향을 마친다. 설계 엔지니어는 매일매일의 작업에서 새로운 전력 아키텍처와 증가된 버스 전압의 채택, 소형 폼팩터에 더 많은 전력 필요성, 더 높은 수준의 전력 밀도와 에너지 효율 요구와 같은 새로운 과제에 직면한다.

이러한 과제에 대응하는 솔루션의 가치 사슬을 보면 모두 가장 작은 디테일, 즉 마이크로칩으로 귀결된다. 신뢰성 측면을 포함한 시스템 성능은 올바른 전력 스위치의 선택에 달려 있다.

전력반도체의 혁신

인피니언은 전력 MOSFET 혁신에 있어서 40년 이상 축적된 경험을 바탕으로, 설계 엔지니어가 일상적으로 직면하는 과제를 해결하면서 목표를 달성하도록 돕고 있다. 목표는 시간이 지남에 따라 바뀔 수 있지만, 인피니언이 제공하는 제품 이면에 있는 혁신의 정신은 디바이스 설계와 기술, 패키지 및 제품 개발에서부터 생산에 이르기까지 끊임없이 이어져 왔다.

산업에서 MOSFET의 발전을 볼 때, MOSFET 기술에서 이룬 수많은 진전은 우리 삶에서 없어서는 안될 애플리케이션과 트렌드를 가능하게 했다.



1979년에 발표된 최초의 육각형 구조 MOSFET이나 제조 정밀도를 높이고 수율을 증가시키기 위해 1995년에 도입한 혁신적 자기 정렬 방식을 이용하는 첨단 4마스크 공정에 기반 한 새로운 세대의 MOSFET 기술을 보자. 이 공정으로 MOSFET을 (6단계 공정 대비) 낮은 사이클 시간으로 생산하고, 접합 깊이를 기존 공정보다 최대 40% 더 작게 만드는 것이 가능해져 트랜지스터 접합 저항을 크게 줄이면서 견고성을 높일 수 있었다.

이러한 기술 개발에 이어 곧 MOSFET과 쇼트키 다이오드를 단일 패키지에 통합해 DC-DC 애플리케이션의 폼팩터와 손실을 줄인 세계 최초 FETKY 제품이 선보였다. 이후 1999년에는 제조 전문지식을 활용하여 고밀도 평면 구조를 특징으로 하는 완전히 자기 정렬하는 제조 공정을 갖춘 스트라이프 평면 기술을 도입함으로써 매우 낮은 온저항과 탁월한 고주파수 동작, 업계 최고 견고성과 우수한 제조 사이클 시간을 달성했다. 같은 해 업계 최고 셀 밀도와 최저 RDS(on) 트렌치 MOSFET의 MOSFET 제품군도 출시됐다.

이 기술은 핸드셋, 노트북 컴퓨터 및 기타 다양한 휴대용 전자 기기를 위한 최신 제품에 중점을 두어 시장에서 성능이 나날이 높아지는 제품을 위한 길을 열었다. 2000년에 인피니언은 매우 낮은 스위칭 손실로 고효율을 달성하여 설계자가 전력 밀도를 증가시킬 수 있도록 도와주는 OptiMOS™ MOSFET 기술을 선보인 첫 번째 제품군을 출시했다. OptiMOS™ 제품군은 수년에 걸쳐 발전을 거듭해 현재 6세대가 나와 있다.

OptiMOS™ 제품은 탁월한 스위칭 성능과 함께 RDS(on)을 크게 감소시킨다. OptiMOS™ 제품군은 서버, 데스크톱 PC, 무선 충전기, 급속 충전기 및 OR-ing 회로에서 스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)의 동기식 정류와 같은 다양한 애플리케이션과 회로에 최적화됐다. 또한 2012년에는 낮은 RDS(on)과 높은 전류 성능에 최적화되어 성능과 견고성을 요구하는 저주파 애플리케이션에 이상적인 StrongIRFET™ MOSFET 제품군을 선보였다. 패키징 혁신 또한 인피니언 MOSFET 개발의 중심에 있었다.



1993년 SOT-223이 업계 최초 표면 실장 전력 MOSFET으로 출시되었다. 2002년에 DirectFET 전력 패키지가 전도와 열 효율에서 모두 엄청난 이득을 제공하는 새로운 인터커넥션 방법을 채택한 고유의 표면 실장 패키지로 선보였다. 2013년에는 기존 D2PAK에 비해 감소된 풋프린트에서 높은 전류 성능을 달성하는 널리 사용되는 TO-Leadless 패키지가 발표됐다.

가장 최근에 인피니언은 내부 다이를 뒤집어 열 성능을 향상시키고 RDS(on)을 감소시키는 PQFN 3.3×3.3 소스 다운 패키지의 OptiMOS™ 전력 MOSFET 디바이스 제품군을 출시했다. 이제 패키징 혁신이 애플리케이션에 어떤 이점을 가져다 주는지 자세히 보기로 한다.

시스템 성능을 위한 칩 수준 혁신

선택한 애플리케이션 예는 인공 지능이다. 전력 관리, 보다 구체적으로 시스템의 프로세서와 ASIC에 전력을 공급하는 전력 컨버터의 전력 밀도는 설계자가 인공 지능을 구현하고 클라우드에서 계산과 스토리지 요구를 맞추어야 하는 데서 직면하는 가장 큰 과제의 하나이다. 48V 버스 전압의 도입과 함께 몇 가지 추가적인 전력 변환이 전력 체인에 도입되었다. 이러한 변환은 전송 손실
Feature을 방지하고 더 높은 버스 전압의 이점을 얻으려면 페이로드 가까이에서 수행되어야 한다.



인피니언의 HSC(Hybrid Switched Capacitor) 공진형 DC-DC 컨버터를 이용하면 인피니언의 최신 소스 다운 OptiMOS™ 전력 MOSFET을 활용해 시스템 수준에서 혁신을 달성할 수 있다. 이 새로운 토폴로지는 현재 솔루션보다 높은 전력 밀도와 효율 수준을 제공할 수 있는 엄청난 잠재력을 보여준다. 인피니언의 새로운 소스 다운 제품 포트폴리오과 결합하면 이 솔루션은 시스템을 염두에 두고 처음부터 부품 수준의 혁신으로 최적화할 수 있다.

어떻게 이를 달성하는지 알아보자

전력 밀도 문제를 해결하려면 공진 토폴로지의 발전과 함께 부품 수준의 혁신이 필요하다. IQE006NE2LM5는 인피니언의 소스 다운 패키지 기술을 도입하여 전기적 및 열 성능을 더욱 향상시켜 최신 데이터센터 애플리케이션에 필요한 전력 밀도를 달성 가능하게 한다. 혁신적인 패키지의 주요 이점은 다음과 같다.

- 30% 낮은 RDS(on)으로 I²R 손실 감소
- 패키지 관련 기생 요소를 줄여 FOM 및 스위칭 손실 감소
- 낮은 Rthjc로 패키지에서 발생하는 열의 분산 최적화
- 소스 핀에 있는 열 패드로 넓은 GND 영역을 히트싱크로 활용할 수 있는 최적화된 레이아웃 가능

성능 이점을 비교하기 위해 두 버전의 8:1 HSC(hybrid switched-capacitor) 컨버터 보드를 검사했다. 하나는 표준 드레인 다운 디바이스(BSZ011NE2LS5I)를 기반으로 하고, 다른 하나는 새로운 소스 다운 디바이스(IQE006NE2LM5) 기반이다. 그림 2는 두 디바이스의 열 성능을 보여준다. 전통적인 패키지의 핫스팟(그림 3a)이 새로운 소스 다운 패키지에서 제거되는 것을 관찰할 수 있다(그림 3b).



MOSFET의 표면 온도는 크게 향상돼 드레인 다운 디바이스에 비해 9°C 차를 보여준다. 그림 4는 효율 비교(보조 손실을 포함)를 보여준다. 새로운 소스 다운 디바이스를 사용하는 시스템의 높은 효율은 전력 밀도를 크게 증가시킨다.

일상 생활을 형성하는 현재의 거대한 흐름은 설계 엔지니어와 반도체 제조업체에게 어려운 과제를 안겨준다. 40년 이상 이어온 인피니언의 전력 MOSFET 혁신은 부품 수준에서의 최적화가 상당한 시스템 수준의 성능 이점을 가져다주고, 더 쉽고 안전하며 친환경적인 미래에 기여한다는 것을 입증하고 있다.

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