SOT-223 패키지 적용 고전압 CoolMOS

접합부 온도 시뮬레이션, 열 동작 관련 SOT-223과 DPAK 비교 분석

조명 애플리케이션에 널리 사용되는 DPAK는 SMD 패키지를 사용하며 열 동작이 가장 큰 단점으로 지목되고 있다. 반면 DPAK 디자인과 곧바로 핀-대-핀으로 교체할 수 있는 SOT-223 패키지는 DPAK에 비해서 열 성능은 다소 떨어지지만 비용을 절감할 수 있다.

이 글에서는 크기, 전반적인 접합부 온도 시뮬레이션, 열 동작에 있어서 SOT-223과 DPAK을 비교하고자 한다. 또 실제 애플리케이션의 예로 110W LED 드라이버의 LLC 스테이지를 살펴보자.

특히 이번 비교를 위해 SOT-223 패키지를 적용한 인피니언 CoolMOS CE시리즈를 예로 들고자 한다. 이 제품은 중간 핀을 없앴으며 최대 700V 항복 전압(V(BR)DSS)이 특징이다.

기본적인 전제 보다 약간 더 높은 몰드 화합물 온도를 허용할 수 있다면 기존의 DPAK 풋프린트를 곧바로 SOT-223으로 교체할 수 있다. 인피니언은 전반적인 Rth,JA(접합부 대 주변 열 저항)를 낮추기 위해서 추가적인 구리 면적을 사용할 것을 권장한다.

드레인(Drain) 핀으로 100㎣의 구리 면적을 사용할 수 있는 플러그 앤 플레이 시나리오라고 했을 때 DPAK 대신에 SOT-223을 사용하면 몰드 화합물 온도가 약 2~3도(℃) 높아질 것이다.

[그림1]에서 보듯이 새로운 SOT-223 패키지는 중간 핀을 없앴다. 그럼으로써 솔더링 공정과 관련해서 중대한 이점을 제공하는데 특히 웨이블 솔더링을 사용할 때 더 이점이 강하다. 웨이브 솔더링을 하면 게이트/드레인과 드레인/소스 사이에 솔더 잔류물이 발생될 수 있고 때로는 세정 공정을 거친 뒤에도 그대로 남아 있을 수 있다.

이러한 잔류물은 동작 시에 전기적 고장(아크)을 발생시키거나 과전류 보호가 충분히 빠르지 않을 경우에는 전체적인 애플리케이션을 손상시킬 수도 있다. SOT-223 패키지 디자인은 저전압 핀과 고전압 핀 사이의 간격을 늘림으로써 이러한 결함 메커니즘이 발생될 가능성을 낮춰준다.

열 시뮬레이션

SMD 디바이스에서는 Rth,JC(접합부 대 케이스 열 저항)는 해당이 안되고 전반적인 Rth,JA가 동작 시의 열 정상 상태(thermal steady state) 동작을 나타내는 유용한 파라미터다.

전반적인 Rth,JA는 PCB에 사용되는 구리와 두께에 따라서 영향을 받는다. [그림2]는 동일한 칩으로 구리 면적을 각기 달리 했을 때 SOT-223과 DPAK의 접합부 온도 차이를 시뮬레이션한 결과다. 구리 두께는 35㎛(저전력 디자인에 통상적인 두께), MOSFET 손실은 250㎽이고 주변 온도는 70도(℃)다.

[그림2] 250㎽의 MOSFET 손실 및 70도(℃)의 주변 온도일 때 접합부 온도 열 시뮬레이션

다음 표는 [그림2]의 4개 지점(A, B, C, D)에 대해서 설명하고 있다.

또 [그림2]에서는 100㎣의 구리 면적을 사용해서 교체했을 때 DPAK과 SOT-223의 온도 차이가 4도(°C)대라는 것을 알 수 있다.

그러면 열 시뮬레이션으로부터 얻은 이러한 결과를 실제 애플리케이션을 가지고 확인해 보자. 다음에서는 110W LED 드라이버에 있어서 SOT-223 패키지의 열 동작에 대해서 설명하고 있다. 이 LED 드라이버는 인피니언의 새로운 ICL5102 컨트롤러를 사용하고 있다.

실제 애플리케이션에서의 결과

실제로 접합부 온도를 측정하는 것은 불가능하다. 다음의 온도들은 최대 몰드 화합물 온도를 나타낸 것이다.

통상적으로 110W LED 드라이버의 PFC 및 LLC 스테이지에는 DPAK 패키지가 널리 사용된다. 하지만 이 애플리케이션은 LLC 스테이지에 IPD50R650CE 대신에 SOT-223으로 된 IPN50R650CE를 사용하고 있다.

PFC 스테이지는 훨씬 더 낮은 RDS(on)(온 상태 저항)을 사용하는데, 이 수준은 현재로서는 SOT-223으로는 사용할 수 없다. 이 디자인은 일반적으로 사용되고 있으며 드레인 접속에 300㎣ 대의 구리 면적을 사용하면 유리하다. DPAK 디자인의 90퍼센트 정도는 이미 100㎣ 이상의 구리 면적을 사용하고 있다.

그러므로 DPAK을 SOT-223으로 교체한다고 하더라도 온도 상승이 4도(°C) 이상은 되지 않을 것이다. 하지만 이것은 MOSFET이 발생시키는 전력 손실에 따라서 달라진다. [그림3]의 열 측정에서는 SOT-223으로 된 IPN50R650CE와 DPAK으로 된 IPD50R650CE를 비교했을 때 25도(°C) 주변 온도로 정규화해서 최악 상황 시나리오의 온도 차이가 2도(°C)라는 것을 알 수 있다.

따라서 종합해 보면 5도(°C) 더 높은 접합부 온도를 허용할 수 있다면 새로운 SOT-223 패키지가 최소의 DPAK 풋프린트를 사용해서 DPAK을 곧바로 교체할 수 있다는 것을 알 수 있다.
또 드레인 핀으로 연결하는 구리 면적이 DPAK 풋프린트보다 약 20㎣ 더 넓다면 최소의 풋프린트를 사용한 DPAK과 같은 수준의 열 성능을 달성할 수 있을 것이다.

또 사용할 수 있는 구리 면적이 100㎣ 이상이고 2~3도(°C) 더 높은 온도를 허용할 수 있다면 SOT-223을 사용해서 DPAK을 곧바로 교체할 수 있을 것이다.