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[테크니컬 리포트] 자동차 인포테인먼트 클러스터 시스템 구동

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[첨단 헬로티]


엔지니어가 설계를 할 때, IC를 데이터 시트 사양만으로 선택하는 것은 적절치 않다. 적합한 패키지의 IC를 선택해야 할 뿐만 아니라, 최종 시스템의 제조와 어셈블리에 대한 요구 조건을 모두 고려해야 한다. 이 글에서는 전체적인 설계에 있어서 이러한 선택이 왜 중요한 지에 대해 설명하고자 한다.   



혁신적인 DC/DC 전원 관리 IC 패키지 기술은 전원 회로의 잡음과 방사 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 고성능 자동차 장비 시스템으로 신뢰성과 제품 수명을 향상시킨다. 또한, 핀아웃 구성, 웨이팅 가능 플랭크 핀, 핀 간격, 보드 차원 신뢰성 같은 다양한 요소들이 신뢰성을 높이는 데 기여할 수 있다. 그 중에서도 신뢰성과 핀아웃 구성에 대해서 살펴보자. 


[그림 1]은 자동차 하이브리드 클러스터 애플리케이션의 시스템 블록 다이어그램으로서, 빨간색으로 표시된 것은 오프 배터리 전원 분배 네트워크이다. 이들 시스템의 부하 전류 요구가 갈수록 높아지고 있다. 이것은 다양한 종류의 고선명 디스플레이로 다양한 기기로부터의 미디어, 3D 내비게이션, 운전자 모니터링 시스템, 전방 및 후방 카메라, 인포테인먼트 헤드 유닛 같은 복잡한 기능들을 지원하기 위해서다. 자동차 환경으로는 자율 주행 시스템으로 전환이 가속화되는 환경에서 안전과 관련된 신뢰성이 중요하게 요구되고 있다. 


그림 1. 인포테인먼트 용으로 마이크로컨트롤러 기반 하이브리드 클러스터의 시스템 블록 다이어그램


[그림 2]는 오프 배터리 전원 서브시스템 용으로 VIN이 넓은 자동차용 벅 컨트롤러 제품으로서 TI의 LM5143-Q1을 사용한 듀얼 출력 벅 레귤레이터를 보여준다. 이 레귤레이터를 사용해서 배터리 전압을 클러스터에 사용되는 다양한 전압 도메인으로 변환할 수 있다.  


이 벅 레귤레이터 출력이 3.3V와 5V 중간 전압 레일을 공급하고, 이들 전압 레일을 사용해서 클러스터 전원 서브시스템으로 하위 전원들을 공급할 수 있다. 오프 배터리 자동차 환경은 심한 전압 트랜션트가 발생하고 동작 온도가 크게 변화할 수 있다는 점에서 까다롭다.


그림 2. 듀얼 출력 동기 벅 컨트롤러와 전원 스테이지 회로도


IC 핀아웃 구성


전원 IC 핀아웃을 지정할 때는 고 임피던스 신호 핀이 높은 주파수와 높은 슬루레이트 (dv/dt)로 스위칭하는 고전압 전원 핀과 인접하지 않도록 하는 것이 기본적인 원칙이다. 이 원칙에 충실함으로써 잡음 결합을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 잔류 솔더 플럭스나 PCB 제조 공정에서 발생되는 오염 등으로 인한 기생적인 저항성 및 용량성 경로의 영향을 낮출 수 있다. 특히 높은 주변 온도와 높은 습도로 동작할 때는 이와 같은 PCB 오염으로 인한 문제가 더 두드러진다.


고전압 자동차 애플리케이션으로는 신중한 핀아웃 지정을 통해서 고전압 전원 핀과 저전압 정밀 아날로그 신호 핀들을 확실하게 분리시키는 것이 중요하다. 예를 들어서 12V 자동차 배터리 레일은 트랜션트 부하 덤프 시에 40V가 넘는 전압을 발생시킬 수 있다.


[그림 3]에서 보듯이, 이 컨트롤러 제품은 각기 벅 레귤레이터 채널로 핀아웃 구성을 대칭적으로 하고 있다. 전력 MOSFET 게이트 드라이버에 관련된 핀들(LO1/2, HO1/2)을 패키지 한쪽에 MOSFET과 가까운 곳에 배치하고 있다. 이들 게이트 드라이버 핀들은 제어와 보정을 담당하는 소신호 아날로그 핀들(SS1/2, FB1/2, COMP1/2, CS1/2)로부터 물리적으로 분리시키고 있는데, 디지털 기능 핀들(PG1/2)과 DC 전압을 인가하는 핀들(VIN, VCCX)을 사이에 두어 전원 핀들을 주요 신호 핀들로부터 차폐하고 있다. 


그림 3. 듀얼 채널 벅 컨트롤러 핀아웃 다이어그램


또한, 고전압 스위치 노드(SW1/2)와 상측 게이트 드라이버 전원 부트스트랩(HB1/2) 핀들을 높은 슬루레이트와 높은 주파수로 스위칭할 때 인접한 민감한 노드들로 결합을 일으킬 가능성을 완화하도록 배치하고 있다. 각기 채널로 전용적인 게이트 드라이버 전원(VCC) 및 접지(PGND) 핀들을 사용함으로써 채널 누화와 간섭 가능성을 낮추고, 특히 2개 채널이 180도 이위상으로 50% 듀티 사이클로 동작할 때 견고성과 신뢰성을 극대화한다. 


웨터블 플랭크 핀


통상적으로 QFN(Quad Flat No-lead)이나 SON(Small Outline No-lead) 패키지 어셈블리를 위해서는 절단 공정을 해서 IC 패키지 바디를 개별적으로 분리한다. 이때 각기 단자들로 구리 측면이 노출된다. 주변으로 노출되는 즉시 이러한 측면으로 산화가 일어난다. 그러면 PCB 상으로 IC를 솔더링할 때 이러한 측면이 불균일하게 솔더링되고, 광학적 또는 엑스레이 검사를 해서 솔더링 공정의 효과를 확인하기가 어려워진다.


웨터블 플랭크 핀(Wettable flank pin) 디자인은 리드리스 패키징의 측면 웨팅 문제를 해결한다. 웨터블 플랭크 핀의 일차적 목적은 바깥의 플랭크 영역으로 솔더링을 시각적으로 확인하기에 용이하도록 만드는 것이다. 또한 절단 측면의 웨팅을 높임으로써 솔더 접합부 견고성을 높인다. 


PCB 어셈블리 시에 패드 하단에서 측면으로 솔더 접합부가 확장되어서 IC 핀과 PCB 랜딩 패드 사이에 토 필릿(toe fillet)을 형성한다. 어셈블리 후 자동화 광학 검사(AOI)를 사용해서 디바이스의 사면으로 신뢰할 수 있는 솔더 접합부가 형성되었는지 검사할 수 있다. 이로써 검사 시간을 단축하고 제조 비용을 절감할 수 있으며, 비싼 엑스레이 검사 장비를 사용하지 않아도 된다는 이점이 있다.


[그림 4]는 웨터블 플랭크 QFN의 도면을 보여준다. 패키지 어셈블리, 몰드, 경화 공정 후에 부분적 절단 공정을 해서 구리 단자로 스텝 컷을 형성할 수 있다. 리플로우 솔더 부착 시에 솔더 웨팅을 용이하게 하도록 개별 IC 절단에 앞서 최종 단계에서 노출된 구리 단자를 솔더링 가능한 주석 표면 마감재로 도금한다. 그럼으로써 IC 패키지와 PCB 사이에 완벽한 솔더 접합부를 형성하고, 자동차 제조사가 요구하는 엄격한 100% AOI 요건을 충족하고, 높은 신뢰성, 안전성, 견고성을 달성할 수 있다.


그림 4. 스텝 컷 공정을 사용한 웨터블 플랭크 QFN 패키지의 측면(a) 및 하단(b) 모습. 솔더링된 웨터블 플랭크 핀의 측면(c)과 비스듬한 각도(d) 모습. 광학적 검사를 할 수 있고 신뢰할 수 있는 솔더 접합부를 형성하고 있다.


핀 수가 많거나 리드프레임 두께가 두꺼운(0.2mm 이상) 큰 QFN 패키지의 경우에 또 다른 웨터블 플랭크 형성 방법은 홈이 파인 리드프레임을 사용하는 것이다. 결과적으로 핀으로 홈이 파인다. 구리 리드프레임 어레이의 화학 에칭이나 스탬프 공정에 이어서 이차적 화학 에칭 공정을 해서 얕게 오목하게 파인 홈을 형성할 수 있다. 이것을 ‘딤플(Dimple)’이라고 한다. 이 딤플로 최종적인 절단 공정 시에 도금이 그대로 유지된다. 통상적으로 리드프레임 업체에서 딤플을 하단면 패드와 함께 니켈-팔라듐-금을 사용해서 도금한다. 


LM5143-Q1 벅 컨트롤러를 예로 들어보자. [그림 5]는 이 디바이스의 40핀 VQFN 패키지 도면을 보여준다. Detail A와 Detail B 확대 부분은 핀 상의 딤플을 보여주는 것으로서, 솔더 리플로우 공정 후에 솔더 접합부를 광학적으로 검사하는 것을 용이하게 한다.



그림 5. 40핀 VQFN 패키지 도면을 보여주는 것으로서(상단, 하단, 측면 모습), 웨터플 플랭크를 달성하기 위한 딤플을 보여준다.


[그림 6]은 홈이 파인 핀의 측면과 하단 모습을 보여준다. 토 필릿을 검사해서 핀 웨팅을 적절히 평가하기 위해서는, 핀 플랭크와 핀 하단을 단일 도금 공정으로 동일하게 도금해야 한다. 그런 다음에 토 필릿을 검사해서 핀 하단으로 웨팅이 발생했는지 자동화된 방법으로 확인할 수 있다.


DC/DC 전원 관리 IC로 혁신적인 패키지 기술을 사용함으로써 대량 수량 자동차 애플리케이션으로 높은 신뢰성, 안전성, 견고성 요구를 충족하고 어셈블리 후의 엄격한 광학 검사를 통과할 수 있다. 표준적 QFN 패키지는 통상적으로 제조 공정 시에 핀을 솔더링하고 검사하기가 용이하지 않은데, 스텝 컷이나 딤플 기법을 사용한 웨터블 플랭크 핀 디자인을 사용함으로써 신뢰할 수 있는 토 필릿을 형성하고 광학적 검사를 용이하게 할 수 있다. 또한 전력 부분을 민감한 아날로그 부분으로부터 격리시키도록 IC 핀아웃 배열을 지정함으로써 고성능 자동차 애플리케이션으로 좀더 견고하고 신뢰할 수 있는 오프 배터리 전원 디자인을 달성할 수 있다.


그림 6. QFN 패키지의 측면 및 하단 모습으로서, 도금된 딤플 리드프레임 디자인을 사용한 웨터블 플랭크 핀을 볼 수 있다.


글 : 티모시 헤거티(Timothy Hegarty) 텍사스인스트루먼트(TI) 전원 제품 시스템 및 애플리케이션 엔지니어










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