반도체 기술 탐구: 전력 반도체 패키지 소재

1. 파워모듈 패키지 재료

파워모듈에 사용되는 반도체 소자(Device)로는
- IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),
- MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),
- GTO (Gate Turn-Off thyristor),
- Thyristor 등이 있다.

일반 산업용과 자동차 분야에서는 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화 및 고전 류 밀도화가 가능한 IGBT 소자가 많이 사용되고 있다.

파워모듈은
1) 파워 디바이스(Power Device), DBC (Direct Bond Copper) 및 DBA (Direct Bond Aluminum) 등의 기판 (Substrate),
2) Interconnection을 위한 Al 혹은 Cu 와이어,
3) 베이스 플레이트,
4) 다이 접합재(Die attach material) 및 기판 접합재(Substrate attach material),
5) 실리콘 등으로 구성되는 Encapsulation 재료,
6) 파워 터미널(Power terminal) 재료,
7) 모듈 케이스(Case) 및 커버(Cover) 등

다양한 이종재료로 구성된다.

 

 

1.1. 파워 디바이스

파워 디바이스인 IGBT와 Free Wheeling Diode는 스위칭을 통해 모터가 구동할 수 있는 출력 파워를 제공한다. 현재, 일반적으로 사용되는 파워 디바이스는 대개 175o C 이상의 Junction 온도가 요구되고 있으며, 향후 200o C 이상의 온도에서도 구동 가능한 와이드 밴드 갭(Wide Band Gap) 파워 디바이스의 상용화가 예상된다.

아래 그림은 독일의 Infineon사와 Semikron사의 파워 모듈에 사용된 IGBT chip과 Diode chip을 보여준다. 파워 디바이스의 Chip metallization은 일반적으로, 칩의 상부 표면에는 Al 와이어 본딩 작업이 가능하도록 Al 마감처리 되어 있으며, 칩의 하부 표면에는 솔더(solder)를 이용한 다이 접착(Die attach) 공정을 위해 Ag로 마감처리되어 있다.

 

 

1.2. 기판(Substrate)

파워 디바이스를 전기적으로 연결하며, 파워 모듈의 구동시 파워 디바이스에서 발생하는 열을 외부로 전달하는 역할을 한다. 주로 세라믹과 구리를 공정반응 접합 (Eutectic bonding)이나 AMB (Active metal brazing) 방법으로 접합하여 제조한다. 기판의 종류로는 사용되는 금속의 종류에 따라 DBC (Direct Bond Copper) 및 DBA (Direct Bond Aluminum) 등으로 나뉜다.

아래 그림에 일반적으로 사용되는 DBC의 외관 모식도 및 단면 모식도를 나타내었 다. 양면 금속층 사이에는 주로 열적 성능과 절연 기능이 우수한 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹 소재가 사용되며, 보다 우수한 열적 성능(냉각 특성) 및 파워 디바이스 등 주변에 사용되는 재료에 따라서 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)의 매칭(matching)이 필요할 경우 등과 같은 특수한 응용처에 따라서는 알루미늄나이 트라이드(AlN)나 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄실리콘-탄소 복합재(AlSiC) 등이 사용되기도 한다.

아래 Table에 파워 모듈에서 일반적으로 사용되는 세라믹 기판 재 료의 특성을 요약하였다.

 

 

1.3. 인터커넥션 재료(Interconnection material)

파워 모듈에서 파워 디바이스와 파워 디바이스 사이, 파워 디바이스와 기판 사이, 기판과 기판 사이 및 기판과 파워 터미널 사이의 전기적 연결을 위해서는 인터커넥션 재료가 필요하다.

이러한 인터커넥션 방법으로는 전기 전도도 및 열전도도가 우수한 Al 및 Cu 와이어(Wire) 혹은 리본(Ribbon) 본딩 방법을 주로 사용한다. 아래 그림에서 Al 와이어 본딩, Cu 와이어 본딩 및 Al 리본 본딩된 파워모듈 기판 사진을 나타내었다. 파워모듈에서는 보다 높은 전 류를 효과적으로 이송하기위해(high current carrying), 직경 이 약 300~500 마이크로미터의 굵은 와이어(Heavy wire)를 사용한다.

 

 

1.4. 베이스 플레이트(Baseplate)

 

파워 디바이스에서 발생된 열을 외부로 전달하는 기능을 하며, Cu 및 AlSiC 등의 소재가 사용된다. 파워 모듈 의 냉각에는 공냉(Air cooling)과 수냉(Water cooling)의 방법이 있으며, 보다 효과적인 냉각을 위해 냉매와 직접 닿는 부분의 베이스 플레이트의 표면적을 넓힌 pin-fin type 베이스 플레이트 등이 사용되고 있다.

아래 그림에 일반적인 flat-type 베이스 플레이트와 pin-fin type 베이스 플레이트를 나타내었다.

 

 

1.5. Molding & Encapsulation

 

외부환경으로부터 파워 디바이스 및 본딩 와이어 등을 보호하고, 또한 고전압 하에서의 절연 기능 등을 부여하 기 위해, 파워 모듈의 내부 공간을 실리콘(Silicone) 등으로 충진한다.

일반적으로 액상의 실리콘 충진재를 디스펜싱(Dispensing) 한 후, 고온 큐어링(Curing) 공정을 통해 젤(Gel) 형태로 형성하며, 본딩 와이어, 파워 디바이스, 기판 및 케이스와의 접합 특성 및 열팽창 계수 차이의 완충, 고온 내구성 및 내전압 특성 등을 고려하여 선정한다.

아래 그림은 실리콘 재료의 디스펜싱 작업 및 큐어링 작업이 완료된 파워 모듈의 이미지를 보여준다.

 

 

1.6. 케이스(Case)

 

파워 모듈 케이스는 외부 환경으로부터 파워 모듈을 보호하며, 또한 복수개의 터미널 전극(Terminal electrode)의 지지대 역할을 한다.

일반적으로 구리로 구성된 터미널 전극을 금형에 삽입하여 고온에서 플라스틱 사출 작업 (Insert molding)을 통해 만들어진다. 외부로부터의 기계적 응력, 변형 등에 잘 견디며, 화염, 발화 등의 고온 내구성이 우수하여야 하며, 실리콘 충진재와의 접합 특성 등이 우수해야 한다.

다양한 색상이 있으나, 일반적으로 베이지(Beige) 색 및 검은(Black) 색상이 많이 사용된다. 케이스 및 커버의 플라스틱 재료는 일반적으로 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT, Polybutylene terephthalate)에 30% 글라스 화이버(Glass fiber)가 첨가된 재료가 주로 사용된다.

아래 그림에 터미널 전극과 시그널 핀(Signal pin)이 삽입 성형된 파워 모듈의 케이스 및 커브의 예를 나타내었다.

 

 

 

2. 최적화된 패키징 기술

SiC 칩의 성능을 최대한 활용하기 위해서 전력 모듈은 그에 맞는 최적화된 패키지 기술을 필요로 한다. 더 높은 전력 밀도 때문에 향상된 패키징 소재를 필요로 할 뿐만 아니라, 더 작은 칩으로 더 높은 열 저항 때문에 더 높은 열-기계적 스트레스를 발생시킨다는 점을 고려해야 한다. 또한 SiC MOSFET의 빠른 스위칭 능력을 최대한 활용하기 위해서는 기생 인덕턴스가 낮은 패키지를 필요로 한다. 그러기 위해서는 전력 모듈에 적합한 새로운 패키징 기술을 필요로 한다.

양면 냉각이 가능한 최신 패키징 기술을 활용함으로써 이들 디바이스의 열저항을 최적화할 수 있다. 인피니언 HybridPACK™ DSC(double-sided cooling) 전력 모듈이 바로 그러한 제품이다. 이 모듈 제품은 효율적인 양면 열 소산을 적용함으로써 시스템 차원에서 열저항 Rth를 크게 낮출 수 있다(그림 4). 그러므로 지극히 전력 밀도가 우수한 인버터를 설계할 수 있다.

 

3. 큰 폭의 비용 절감

SiC MOSFET은 극히 콤팩트하면서 효율적인 인버터를 설계할 수 있다. 이 점은 프라운호퍼 통합 시스템 및 소자 기술 연구소(IISB)의 “자동차 인버터 애플리케이션에서 인피니언 SiC MOSFET의 잠재력 평가”라고 하는 조사에서도 확인됐다. 동일 조건일 때, SiC MOSFET은 IGBT 기반 인버터에 비해서 칩 면적을 훨씬 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 칩 손실을 낮춤으로써, 특히 반복적으로 변속을 해야 하는 도심 교통 상황을 비롯한 각기 다른 구동 시나리오에서 효율을 3% 이상 향상시키는 것으로 나타났다(표 1).

인버터 효율과 관련해서, 에너지가 두 방향으로 흐른다는 점을 고려해야 한다. 토크를 발생시킬 때는 배터리에서 바퀴로 흐르고, 에너지를 회수할 때는 다시 바퀴에서 배터리로 흐른다. 배터리로 작동되는 완전 전기차에서는 인버터 효율이 매우 중요하다. 인버터 효율은 달성 가능한 주행 거리와 특정한 거리를 주행하기 위해서 필요한 배터리 크기에 직접적으로 영향을 미친다. 배터리는 전기차에서 중요한 비용 요인이므로, 배터리 셀을 5%~10% 줄일 수 있다면 출력이 40kWh 이상인 배터리 시스템으로 비용을 상당히 낮출 수 있다.

실리콘은 SiC처럼 효율적으로 높은 항복 전기장 강도(high breakdown field strengths)를 지원하지 못한다. 표준 1,200V IGBT는 600V 대의 IGBT보다 손실이 훨씬 크다. 반면에 1,200V SiC MOSFET은 850V 대의 높은 배터리 전압으로 매우 효율적으로 동작한다. 그러므로 SiC는 고속 충전 애플리케이션을 가능하게 하는 아키텍처에 매우 적합하다. 충전소 인프라가 점점 갖춰짐에 따라서, 앞으로는 80kWh 배터리를 단 15분만에 80%까지 충전할 수 있게 될 것이다. 그러면 전기차 도입에 있어서 가장 큰 걸림돌을 제거하게 될 것이다.

 

4. 경쟁력 갖춘 SiC

SiC 소재는 실리콘보다 가격이 비싼 대신에, 전력 밀도를 크게 높일 수 있다. 그러므로 특정한 전력 요구량에 대해서 반도체 양을 1/5로 줄일 수 있다. 인피니언은 처음부터 150mm 웨이퍼로 트렌치 기반 SiC MOSFET을 생산하고 있다. 더 콤팩트한 디자인을 달성할 수 있고, 냉각을 줄일 수 있고, 시스템을 경량화하고, 높은 효율을 달성하는 등 시스템 차원에서의 이점 덕분에 SiC는 이미 경쟁력을 갖추고 있다.

많은 시스템 협력사(1차 협력사)와 자동차 회사들(OEM)이 SiC를 사용한 개발을 하고 있다. 인피니언은 1200V CoolSiC™ MOSFET 같은 제품을 통해서 새로운 차원의 효율과 성능을 제공하고자 한다. 전력 모듈 제품인 HybridPACK™ Drive CoolSiC(그림 5)을 사용한 연구결과를 보면, 850V로 200kW 이상 전력을 제공하는 콤팩트한 인버터를 설계할 수 있는 것으로 나타났다.

인피니언같은 회사는 혁신적인 패키징 기술 및 게이트 드라이버와 함께 다양한 유형의 실리콘 및 와이드밴드갭 전력반도체 제품을 제공한다. 인피니언은 25년 넘게 태양광 인버터, 풍력발전, 산업용 애플리케이션용으로 SiC 솔루션을 개발해 왔다. 이제는 완전 전기차에도 SiC를 활용할 수 있도록 제품을 제공할 것이다.

https://youtu.be/-ILGuL-Imos

출처: AEM, 삼프로TV

 

뜨리스땅

 

 

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