쇼트키 다이오드는 배터리 전원으로 구동하는 각종 휴대용 전자기기 내에서 여러 가지 중요한 역할을 한다. 대개 쇼트키 다이오드는 LCD 디스플레이와 LED 키패드의 백라이트에 전력을 공급하는 데 사용하는 DC-DC 부스트 컨버터에 통합된다. 배터리 충전 회로에서 역전류 보호를 위해서 사용되기도 한다. 소형, 경량화하는 제품 내에 더 많은 기능을 통합하기 위해서는 소자를 포함하는 각종 부품들의 크기가 더 작아져야 한다.

 
흔히 사용하는 SOD-523과 같은 일반적인 표면실장 패키지로 제공되는 쇼트키 다이오드의 풋프린트, 리드 피치, 높이는 최신형 휴대용 전자기기 설계에서 제기되는 공간 제약의 문제를 제대로 해결해주지 못 한다. 따라서 흥미로운 신제품을 만들어내기 위해 고군분투하는 OEM 개발팀을 계속해서 괴롭힌다. 마이크로패키지가 업계에 이 문제에 대한 답을 제시해줄 것으로 보이지만, 그러한 부품들이 아직은 널리 확산되리라고 보장하기엔 이르다.
마이크로패키지 디스크리트는 많은 장점이 있는 반면, 우려도 있다. 이 글은 여러 가지 우려를 하나씩 짚어보고 얼마나 많은 반도체 선두 기업들이 그러한 문제를 해결하려는 시도를 하고 있는지 살펴본다.

시장 동인
‘스마트폰 시대’라고 하는 작금에, 기술을 선도하는 핸드셋 제조업체들은 이 시장을 차지하기 위해 점점 더 많은 기능을 지원하는 모델을 내놓으며 경쟁하고 있다.


그림 1은 스마트폰 출하가 전체 셀 폰 시장에서 점차 더 많은 비중을 차지할 것이라는 전망을 보여준다. 스마트폰의 복잡한 기능들은 여전히 소비자들이 이용해온 폼팩터와 같거나 비슷한 폼팩터 내에 통합돼야 한다. 고품질 멀티미디어 콘텐츠를 전달하기 위해 스마트폰 모델들이 더 큰 디스플레이를 채용함에 따라, 필요한 부품들을 어디에 실장해야 하는지 기술적 과제가 가중되고 있다. 그런가 하면 스마트폰 모델들은 기능들이 더 추가되었음에도 불구하고 배터리 수명을 연장하기 위해 초기 세대의 셀 폰보다 더 높은 전력 효율을 제공해야 한다.

소자 패키지의 변화
과거에는 어떤 공정기술을 사용하느냐가 가장 큰 관심사였으나, 최근에는 부품에 적용되는 패키지가 훨씬 더 강조되고 있다. 반도체 제조업체들이 이 분야에 많은 투자를 함에 따라, 다양한 성능 기준을 향상시켜주면서도 크기를 줄여주는 새로운 접근방식들이 선보이고 있다. 그림 2는 전력반도체 패키지가 수년 간 어떻게 발전해왔는지 보여준다. 걸 윙(gull wing) 및 플랫리드(flat lead) 패키지 소자들은 풋프린트가 훨씬 더 작고 높이가 더 낮은 칩스케일 패키지(CSP)로 대체되고 있다. 



DSN2 0201과 SOD-523을 비교해보면, DSN(Dual Silicon No-lead) 포맷이 86% 더 작은 솔루션임을 확인할 수 있다(그림 3 참조). 이것은 DFN
(Dual Flat No-lead) 패키지와 비슷한 스타일의 납땜 가능한 밑면 금속 접속부를 이용하는 칩스케일 포맷이다. 이를 적용한 마이크로 소자들은 공간 절약과 훨씬 더 큰 전력 밀도 레벨을 가능하게 해준다. DSN 소자들은 비슷한 크기의 패키지 소자에서 가능한 것보다 더 큰 능동 영역을 제공함으로써 실리콘의 활용을 극대화해준다. 이 방법은 주어진 보드 공간에서 플라스틱 몰드 패키지에 비해 두드러진 장점을 제공하며 순방향 전압 강하(Vf)가 더 낮아져 회로의 효율을 향상시키는 데 도움을 준다(그림 4 참조).



솔더 마스크의 개구 부분에 대해서 구리 패드의 위치나 크기를 정의하고 조절하기 쉬워짐에 따라, 최근에는 전통적인 SMD 패드보다 DSN 부품에 권장되는 NSMD(Non Solder Masked Defined) 패드가 더 선호되고 있다. 이는 솔더 마스크 공정보다 더 낮은 허용오차를 갖는 구리 에칭 공정때문에 가능하다. 또한 NSMD 패드는 솔더 필렛을 육안으로 더 쉽게 검사할 수 있도록 해준다. 그뿐 아니라, DSN 소자의 다이에서 PCB로 가는 짧은 열 경로는 열을 더 많이 방출시키고 전력 손실을 줄여주며 제품의 배터리 수명을 연장하도록 도와준다. 한편, RoHS 가이드라인은 다이 부착을 위해 아직은 전자부품들이 납(Pb)을 포함하는 것을 허용하고 있지만 DSN과 같은 칩스케일 소자는 납과 같은 물질이 전혀 포함되지 않으므로 더 친환경적인 제품을 구현한다.
OEM 업체들은 마이크로패키지 디스크리트를 선택함으로써 공간제약 문제를 극복하여 풍부한 기능을 갖춘 세련되고 매력적인 휴대용 기기를 생산할 수 있을 것이다. 휴대용 기기 설계에 마이크로패키지 쇼트키 다이오드의 도입과 관련해서는 꽤 신중한 논의가 필요하다. 그러나 칩스케일 소자의 단점들을 해결하게 되면, 이러한 도입이 쉽게 이루어질 것이다.

우려의 해소
그러면 왜 DSN에 대해 불안해하는 것일까? 여러 가지 이유가 있을 수 있다. 과거에는 이 기술이 얼마나 믿을만한 것인지에 대해서 의문이 제기됐다. 일부 몇몇 회사들만이 DSN 솔루션을 공급하고 있다는 것은 OEM 업체들이 이 기술의 사용을 꺼리고 있다는 의미인데, 그것은 곧 이들이 충분한 공급 채널을 가지지 못하고 특정 반도체 제조업체에 지나치게 종속될 수 있음을 우려하기 때문이다. 이는 OEM들이 생산하는 제품에 대한 수요가 갑자기 증가하거나 특정 부품의 가용 재고로 인해 주문을 처리할 수 없을 경우 더욱 민감한 과제가 될 수 있다. 마지막으로 쇼트키 다이오드는 일반적으로 정전기 방출(ESD)을 일으키기 쉬운데, 칩스케일 패키지를 이용하면 이 현상이 더욱 두드러진다.
온세미컨덕터 같은 반도체 업체들은 이미 위에서 언급한 모든 장점을 가지면서 OEM 업체들이 손해 보지 않아도 되는 DSN 기반의 디스크리트 부품들을 공급하기 위해 마이크로패키지 개발에 집중 투자해왔다. 그 결과 100 mA 및 200 mA 연속 전류(Ic) 규격에서 낮은 순방향 전압(Vf) 또는 낮은 누설전류(Ir)를 제공하고 크기가 0.6×0.3×0.3 mm에 불과한 DSN2 0201 시리즈 같은 쇼트키 다이오드 소자를 공급할 수 있게 됐다. 동작온도 범위는 -40 °C~+125 °C, 열저항은 400 °C/W, 그리고 총 소모 전력은
25 °C의 주변 온도에서 312 mW이다. 고유 기술을 이용함으로써, 이 패키지가 가진 부서지기 쉬운 점이나 ESD에 취약한 점에 대한 OEM 업체들의 우려를 완화시킬 수 있다.




온세미컨덕터는 자사의 DSN 쇼트키 다이오드가 1,000회 이상의 온도 사이클(-40 °C~125 °C)에서도 오류 없이 동작하도록 했는데, 이는 곧 이러한 소자들이 가장 혹독한 환경에서도 사용될 수 있음을 의미한다. 이 소자들은 또한 고객사의 생산 라인에서 일어날 수 있는 예상치 못한 기계적 스트레스를 처리할 수 있도록 엄격한 다이 및 보드 레벨 전단 강도 테스트를 거친다. 그뿐 아니라, 이 소자들은 MSL
(Moisture Sensitivity Level) 1 테스트를 거쳐 대기 중의 습도에 민감성을 보이지 않는다. 이 소자의 ESD 특성은 업계에서 정의된 가장 높은 표준인 HBM(Human Body Model) Class 3B와 Machine Model Class C를 상회한다. DSN이 DFN 패키지와 완전한 풋프린트 호환성을 제공하기 때문에, OEM 업체들은 특정 공급업체에 의지해야 하는 위험에 놓이지 않는다. 따라서 이 솔루션을 제공하는 다른 공급업체들도 효과적으로 경쟁할 수 있다.
DSN은 소자와 PCB 간의 더욱 밀착된 접속으로 온도 성능을 향상시켜주며 실리콘의 활용성을 높여 전체 효율을 끌어올리게 한다. DSN의 작은 풋프린트와 증가된 전력 밀도는 소자들이 전체 PCB 면적 계획에 최소한의 영향만을 주고 공간 제약이 있는 제품 케이스 내의 레이아웃에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다. 이렇게 보드의 가용 면적을 계속 줄어들게 하는 소자의 얇고 작은 풋프린트는 스마트폰과 같이 낮은 프로파일과 슬림 라인을 갖는 가전 설계에 매우 적합하다.
반도체 선도 기술을 보유한 소수의 특정 제조업체들이 주도하는 이러한 흐름은 DSN을 거부할 수 없는 유혹으로 만들고 있다. 이에 따라 휴대용 전자 제품에서 이 폼팩터를 기반으로 하는 소자의 채택이 점점 더 늘고 있는 추세다.