고급 패키징 기술을 통해 4차 산업혁명에서 여러 목표 달성

18세기 이후 제조업에서는 대략적으로 정의된 네 번의 “산업혁명”을 거치며 인간과 마력이 기계화로 대체되었으며 기계화의 수준은 점차 발전했습니다. 기계화의 첫 번째 단계는 물과 증기의 힘에 의존했습니다. 두 번째 단계에서는 전력으로의 전환과 대량 생산 및 조립 라인의 도입이 있었고, 세 번째 단계에서는 컴퓨터와 자동화가 나타났습니다. 각 단계는 이전 단계에 비해 더 큰 생산 유연성, 더 효율적인 전력 사용 및 비용 절감을 가능하게 했습니다.

이제 4차 산업혁명이라고 불리는 네 번째 단계에 진입했습니다. 세 번째 단계에 기초를 두고 로봇 기술, 사물인터넷(IoT) 기술을 통한 대규모 데이터 수집, 그리고 머신러닝(ML)과 인공지능(AI) 활용을 늘리고 있는 클라우드 기반 부품이 추가되었습니다.

제조 분야에서 4차 산업혁명은 자동화된 시스템이 공장과 클라우드 모두에서 로컬 프로세스에 대한 결정을 내리고 상호 소통 및 협력하고 인간 작업자와 실시간으로 상호 작용하는 스마트 공장과 동의어로 사용되고 있습니다.

4차 산업혁명의 공장은 사실상 모든 제조 공정에서 전자 제어 및 모니터링과 유선 또는 무선 연결을 결합합니다. 많은 경우, 이를 위해서는 전용으로 설계되지 않은 작은 공간에 전자 모듈을 장착해야 하므로 매우 컴팩트한 전자 모듈이 필수입니다.

예를 들어, 중앙 허브로 전송할 데이터를 수집하기 위해 원격 센서 네트워크를 설치하는 것은 4차 산업혁명의 일반적인 응용 분야입니다. 이러한 센서 모듈에 사용할 수 있는 공간은 매우 제한적인 경우가 많습니다. 안타깝게도 전력 관리 설계는 전력 트랜지스터, 변압기, 커패시터, 인덕터 등 다양한 범위의 부피가 큰 부품이 필요하기 때문에 회로 블록이 커지게 마련입니다. 전력 설계자는 더 작은 공간에 더 많은 전력을 담아 효율성을 높이고, 제조 비용을 낮추며, 전력 밀도를 높이는 새로운 방법을 항상 모색합니다.

저전력 절연 DC/DC 컨버터 및 레귤레이터의 경우 설계자가 더 나은 성능과 향상된 전력 밀도에 대한 요구를 충족하는 동시에 비용 효율적인 솔루션을 개발해야 합니다.

위에서 설명한 센서 설계에서는 공장 전체에 긴 케이블을 추가하는 것이 불가능한 경우가 많습니다. 특히 기존 설비에 4차 산업혁명 기능을 추가하는 경우에는 더욱 그렇습니다. 결과적으로 많은 센서 모듈은 WLAN, BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 LoRa와 같은 배터리 전원과 무선 통신에 의존합니다.

따라서 배터리 수명을 최대화하려면 대기 전류 소비가 매우 낮은 고효율 전력 솔루션이 필수적입니다. 더 높은 효율을 위해 노력하면서 푸시풀 구성 및 동기 정류와 같은 정교한 토폴로지를 사용하는 DC/DC 컨버터의 개발에 박차를 가하게 되었습니다. 산업 응용 분야는 작동 수명이 길어야 하므로 전원 공급장치의 예상 수명이 제한 요인이 되어서는 안 됩니다.

고급 패키징 기술을 통해 4차 산업혁명의 주요 목표 달성

DC/DC 컨버터용 고급 패키징 기술은 효율성을 향상시키고 크기를 줄이며 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다.

보다 컴팩트한 전원 공급장치에 대한 요구로 인해 변압기, 제어 장치, 전력 트랜지스터 및 기타 부품을 단일 패키지에 통합하는 장치가 탄생했습니다.

이를 위해 비절연 DC/DC 스위칭 레귤레이터 및 절연 컨버터 모듈은 최소 설치 공간과 최대 전력 밀도를 위해 3D 조립 기술을 통합하여 z 방향을 활용합니다. 내부적으로 이 장치는 리드 프레임에 저렴한 플립 칩을 탑재하고 오버몰딩된 통합 인덕터를 추가합니다.

3D 구성은 효율성 향상에도 도움이 됩니다. 부품이 서로 매우 밀착하여 배치되어 있어 빽빽한 스위칭 전류 루프에서 개별 설계보다높은 전력 밀도 및 최적화된 열 성능과 함께 매우 낮은 EMI를 발생시킵니다.

여태까지는 그런대로 괜찮았습니다. 그러나 더 낮은 비용에 더 높은 제품 신뢰성을 추구하기 위해 최신 전자 제조 라인은 가능한 한 수납땜을 포함한 수조립을 없애는 방향으로 가고 있습니다. 두 가지 표준 자동 납땜 작업(파동 납땜 및 역류 납땜)에는 표면 실장 기술(SMT) 패키징을 사용하는 부품이 필요합니다. 데이터 변환기, 마이크로컨트롤러, 수동소자 등 거의 모든 전자 부품이 이 형식으로 제공됩니다. 그러나 전통적으로 스루홀 SIP 패키지는 PCB 설치 공간을 최소화하기 때문에 통합 DC/DC 컨버터에 흔히 사용됩니다. 다만, 오류의 원인이 될 수 있는 추가 수납땜 단계가 필요하여 조립이 복잡해질 수 있습니다.

RECOM 제품으로 간소화된 자동 생산 흐름

RECOM은 4차 산업혁명 응용 분야에 적합한 SMT 패키지로 다양한 절연 및 비절연 DC/DC 컨버터를 제공합니다. 이 저전력 DC/DC 컨버터는 다른 SMT 부품처럼 취급, 배치 및 납땜할 수 있습니다. 또한 오늘날 나오는 슬림형 제품에 맞게 높이가 낮습니다.

RPX-0.5Q는 솔더 조인트에 대한 자동 광학 검사가 가능한 습식 플랭크 구조로 된 열 성능이 강화된 컴팩트한 3mm x 5mm x 1.6mmQFN 패키지 에 차폐 인덕터가 통합된 차량용 벅 컨버터입니다. 입력 범위는 4~36VDC이며 5V, 12V 또는 24V 공급 전압을 사용할 수 있습니다. 출력 전압은 2개의 외부 저항기로 선택하여 0.8~34VDC 범위에서 설정할 수 있습니다. 출력 전류는 최대 0.5A이며 장치는 연속 단락, 출력 과전류 또는 과열 오류로부터 완벽하게 보호됩니다.

절연 제품 라인의 R05C05TE05S는 4.5~5.5V 입력 범위와 부분 조정된 5V 출력을 갖춘 비용 효율적인 로우 프로파일 0.5W SMD 절연 DC/DC 단일 출력 컨버터입니다. 최소 부하 요구 사항이 없으므로 매우 가벼운 부하 작동 모드로 전환하는 분야에 이상적입니다. 또한 이 장치는 짧은 피크의 작동 모드에 추가 전력이 필요한 분야에 최대 600mW를 제공할 수 있습니다. 표준 절연 전압은 분당 3kVDC이며 작동 온도 범위는 디레이팅 시 -40°C~+125°C입니다. 완전 자동화된 설계는 단락, 과전류 및 과열 보호 기능이 탑재되어 있어 통신, 전류 감지 및 COM 포트 절연과 같은 분야에서 최고의 신뢰성을 보장합니다.

결론

4차 산업혁명은 DC/DC 컨버터에 대해 엄격한 신뢰성, 크기 및 효율성 요건을 부과합니다. RECOM의 저전력 절연 및 비절연 DC/DC 컨버터는 고급 패키징 기술을 사용하여 동급 최고의 패키지 크기로 제품 신뢰성을 향상시키고 비용을 낮추며 효율성을 높입니다.