전력 모듈 패키징 기술의 발전은 튼튼하고 작고 편리한 DC/DC 솔루션을 가능하게 해주었으며, 전력 모듈은 DC/DC 컨버터 집적회로(IC)와 패시브 컴포넌트들을 하나의 콤팩트 패키지 안에 통합시켜 설계 프로세스를 간소화하고 출시기간을 단축시킨다.

현재 시중에는 여러 가지 모듈 패키지 옵션들이 나와 있는데, 각각은 저마다 장단점을 가지고 있어 어떤 솔루션이 본인의 설계에 최선인지 판단하기가 그리 쉽지는 않다.

이 글에서는 모듈 크기, 컴포넌트 통합, 열 성능, 전자기간섭 (EMI) 등의 관점에서 임베디드, 납, QFN 등 몇 가지 패키지 옵션들의 장점과 타협 조건들을 살펴보려 한다.

임베디드 모듈
TPS82150 같은 임베디드 모듈은 모든 모듈 패키지 중에서 총 솔루션 크기가 가장 작다. 이것은 그림 1에서 볼 수 있듯이, 제조 기법에 크게 기인하고 있다.

인쇄회로기판(PCB)은 이 모듈의 베이스 역할을 하며, 그 이름에서도 알 수 있듯이, 컨버터 IC가 PCB 안에 바로 끼워진다. 이것은 그림 1에서 볼 수 있듯이, 보드의 상부 공간에 패시브 컴포넌트들을 위한 여유 공간을 만들어주며, 인덕터가 PCB 위에 바로 탑재된다.

일부 임베디드 모듈에서 TI는 이 탑 사이드 공간 절약을 이용해 입력 및 출력 커패시터를 인덕터 한쪽에 배치하기도 한다(그 사례 중 하나가 TPS8268090이다). 이러한 레이아웃의 궁극적 이점은, 이 모듈이 동급 최강의 크기와 높은 컴포넌트 통합을 보여준다는데 있다.

임베디드 모듈의 이러한 독특한 아키텍처는 그 모듈을 사용할 수 있는 장소에 어느 정도 제한을 주게 된다. 이 IC가 내장되는 소재는 FR-4인데, 이것은 다른 모듈 패키지 옵션들에서 볼 수 있는 구리 리드 프레임보다 상대적으로 높은 접합-대기 간 열 저항을 가지고 있다.

결과적으로 현재의 임베디드 모듈들은 약 3A의 피크 출력 전류를 가지게 되었다. 그래서 높은 전류 애플리케이션에서는 다른 모듈 패키지 옵션들이 더 적합하다.

그렇지만 이 모듈 크기는 매우 작고 낮은 대기전류로 인해 배터리로 구동되는 개인용 전자제품과 공통 5V나 12V 버스의 다중 출력 전압이 필요한 디지털 시스템에 적합하다.

납 모듈
LMZ14203과 같은 납 모듈은 모든 모듈 패키지 중 가장 사용이 간편한 모듈이다. 이 모듈은 개발자가 납 IC에 기대하는 이점들을 동일하게 제공한다. 납 모듈은 상부 리드 프레임의 언더사이드에 다이를 붙여 제작한 후, 하부 리드 프레임의 상부와 짝을 지어준다.

하부 리드 프레임은 이 모듈의 베이스 역할을 하며, 가장 크게 노출되는 패드를 가지고 있어서 이 모듈이 동작 중에 효과적으로 열을 발산할 수 있게 해준다. 인덕터와 저항기는 상부 리드 프레임의 상단에 배치되며, 컴포넌트들을 보호하면서도 리드가 노출될 수 있도록 에폭시로 주조한다. 그림 2는 이 제조 공정의 최종 결과물이다.

임베디드 모듈과 마찬가지로, 인덕터가 컨버터 다이 위에 위치하는 “3-D” 제조 방식은 개별 솔루션에 비해 모듈의 풋프린트를 작아지게 한다.

외부 리드가 눈에 보인다는 것은, 손으로 회로를 납땜 및 디버깅하는 것이 QFN 같이 리드 없는 모듈을 사용할 때보다 훨씬 더 간편해진다는 뜻이다. 또한 리드가 눈에 보인다는 것은 보드 프로토타입핑을 위한 변경이 쉽다는 뜻이다. 외부 리드는 납땜 무결성을 육안 검사로 확인할 수 있는 제조 공정에 유리하다.

납 모듈의 가장 큰 단점은 비교적 낮은 전류 밀도에 있다. 이 모듈의 풋프린트는 개별 솔루션보다 작지만, 납 패키지 크기는 다른 모듈 패키지 옵션들보다 커서 크기 제약이 있는 애플리케이션에서는 그리 매력적인 선택이 되지 못한다. 납 모듈은 임베디드 모듈보다 더 높은 전류 레일들을 다룰 수 있다(TI의 제품들은 현재 10A까지 가능).

물론 QFN 모듈로 약간 더 나은 열 성능을 얻을 수도 있다. 납 모듈의 또 다른 단점은 비용이다. 복수의 리드 프레임들과 복잡한 내부 구조 때문에 납 모듈의 제조 비용이 다른 솔루션보다 더 비싸다. 이러한 한계에도 불구하고 납 모듈의 레이아웃 용이성, 재작업 용이성, 육안 점검 기능은 공장 자동화 장비와 전기 계량기 같은 산업용에 매우 매력적이다.

글 : 켈빈 오돔 (Kelvin Odom) 제품 마케팅 엔지니어 / 텍사스인스트루먼트