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[테크니컬 리포트]WInSiC4AP: 고신뢰성 애플리케이션용 고성능 SiC 전력 기술 개발

입력 : 2020.03.26 15:29

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[첨단 헬로티]


수년간의 개발을 통해 ST의 6인치 SiC 웨이퍼 생산은 2017년부터 시작됐으며 태양광 인버터, 산업용 모터 드라이브, 가전기기, 전원 어댑터와 같은 다양한 애플리케이션을 위해 SiC 제품 공급을 늘리고 가격을 낮출 수 있게 됐다. ST는 이러한 성공을 바탕으로 HV 전력 기술 개발을 가속화하면서 2017년 6월에 ECSEL JU 프로젝트인 WInSiC4AP에 가입하고, 기초 기술, 프론트 엔드, 패키지, 시스템 애플리케이션 개발을 위한 다수의 R&D 팀에 참여해 활동해 왔다. 이 프로젝트에서 ST의 활동은 주로 1200V 및 650V SiC 디바이스, 설계 방법론, 파워 모듈, 신뢰성과 관련되어 있다.



ST마이크로일렉트로닉스는 20년 전부터 실리콘 카바이드를 이용한 연구를 해왔다. 경쟁력 있는 가격대로 높은 품질과 긴 수명을 요구하는 반도체 시장에서 새로운 기술을 개발하는 일은 결코 쉽지 않았다. ST는 이 와이드 밴드갭 소재를 상용화하기 위한 과제들을 극복하고, 2004년에 최초의 SiC 다이오드 생산을 시작했다. 2009년에는 최초의 SiC MOSFET 생산을 시작했으며, 이에 대한 후속으로 기존의 650V 제품에 더해 SiC MOSFET과 전력 쇼트키 다이오드 모두 1200V 제품군을 추가했다.


SiC의 원재료 공급업체들의 기반이 점점 더 탄탄해지고 있으며, 업체들 간의 경쟁으로 기초 소재의 가격이 낮아지고 있다. ST는 소재 품질과 프로세스를 개선하고자 애써 왔다. SiC 기술을 기반으로 한 소재와 디바이스들이 발전함에 따라 ST는 오토모티브용 SiC 전력 디바이스를 내놓았으며, 이 디바이스들은 자동차 전장화에 중요한 역할을 하고 있다.


WInSiC4AP 컨소시엄에는 4개 EU 국가(이탈리아, 프랑스, 독일, 체코)에서 19개 파트너사들이 참여하고, 대기업, 중소기업, 대학, 공공 연구기관들이 속해 있다. 다양한 분야(자동차, 항공기, 기차, 국방산업)에 종사하는 기업과 수직적 기반 산업을 구성하는 기업(반도체 회사, 인덕터 및 커패시터 제조사), 대학, 연구기관이 협력해 솔루션을 개발하고 문제를 해결하고 노하우를 교환하는 것을 취지로 한다.


WInSiC4AP의 핵심 목표는 자동차, 항공기, 기차, 국방산업처럼 유럽에서 선도하고 있는 시장들을 통해 사회적 과제들을 해결하고자 효율적이고 경제적인 애플리케이션용으로 신뢰할 수 있는 기초 기술을 개발하는 것이다. 수직 통합의 강점을 활용해 애플리케이션 요구를 충족시키는 최적화된 기술과 포괄적인 에코시스템을 개발하고자 한다. 


SiC 기술의 특징 

실리콘 카바이드는 화합물 반도체로서, 이론적으로는 실리콘으로 달성할 수 있는 것보다 더 우수한 성능의 전력 디바이스를 가능하게 해준다. 이는 밴드갭, 임계 전기장, 열 전도성이 우수하기 때문이다. [표 1]에서 보듯이, 결정다형(3C, 4H, 6H)에 상관없이 기본적인 물리적 특성에 있어 실리콘과 비교해 차이가 상당하며, 이를 통한 디바이스의 전기적 특성과 소재의 활용성이 우수하다. 물론 이 비교는 각각의 소재를 사용한 디바이스들로 달성 가능한 이론상의 성능을 뜻하며, 실제로는 소재의 품질이나 산화막과 같은 문제에 따라 성능이 달라질 수 있다.



해당 반도체 소재의 물리적 특성:

- 매우 낮은 도펀트 확산

- 격자의 복잡성

- 작은 사이즈의 웨이퍼 사용(150mm)

- 프로세스 공정이 반도체 디바이스 제조에 사용되는 통상적인 공정과 호환 불가능(이온 주입, 도펀트 활성화 등)


이 프로젝트에서는 이러한 소재용으로 전문적인 프로세스 라인과 특수한 통합 솔루션을 개발하고자 한다. 

[그림 1]은 실리콘과 와이드 밴드갭 소재(SiC, GaN)의 특성을 비교하고 있다. 자동차와 항공기 애플리케이션으로는 스위칭 주파수가 크게 중요하지 않으므로, SiC가 GaN에 비해 선호된다. 동작이나 온도와 관련해 성능이 더 우수하기 때문이다.


그림 1. Si, SiC, GAN의 성능 비교 (출처: Yole Développement)


WInSiC4AP 프로젝트의 SiC 기술 개발


1. SiC 디바이스

이 반도체 소재의 물리적 특성(매우 낮은 도펀트 확산, 격자 복잡성)과 현재 이용할 수 있는 웨이퍼 직경이 작다(150mm)는 점 때문에 SiC를 제조하려면 특수한 전문적 프로세스 라인을 사용해야 한다. 특히 이온 주입, 도펀트 활성화 공정, 접점, 유전체 등이 실리콘 디바이스 제조에 사용되는 통상의 공정과 호환이 가능하지 않다.


이러한 접근법으로 70A 전류 용량과 30mΩ 미만의 출력 저항으로 1200V 이상의 컷오프 전압을 유지할 수 있는 두 버전의 SiC 전력 MOSFET을 개발한다. 이 디바이스들을 SiC 전력 디바이스용으로 열 특성을 향상시키도록 특수 설계된 새로운 패키지인 H2PAK-7으로 패키징한다. SiC는 실리콘에 비해 열 전도성이 3배 더 높으며[2], 이 글에서 설명하는 사례처럼 ST가 개발한 SiC MOSFET은 200℃ 이상에서도 효율적으로 동작한다.


WInSiC4AP 프로젝트의 SiC MOSFET 개발 활동은 2018년에 대부분 마무리됐다. [그림 2], [그림 3], [그림 4], [그림 5]에서는 유사한 디바이스로 그 예상 성능을 보여준다. 각각 출력 특성, 정규화 Rdson, 임계 전압, 항복 전압 특성을 볼 수 있다.


그림 2. 25℃ 및 200℃로 SiC MOSFET SCTH100N120G2의 출력 특성

 

출력 저항은 온도와 함께 상당히 일정한 동작 특성을 나타낸다.


그림 3. 200℃에 이르기까지 SiC MOSFET SCTH100N120G2의 정규화 Rdson

 

임계 전압(Vth)은 25℃에서 200℃에 이르면서 700mV 감소하고, 항복 전압(BV)은 약 90V 상승한다. 이러한 성능은 실리콘 MOSFET에 비해 훨씬 우수하다.


그림 4. 25℃ 및 200℃일 때 SiC MOSFET SCTH100N120G2의 임계 전압


그림 5. 25℃ 및 200℃일 때 SiC MOSFET SCTH100N120G2의 항복 전압


또 주목할 만한 점은 온도가 25℃에서 200℃ 범위로 상승할 때 바디 드레인 다이오드의 복구 시간을 포함해 스위칭 시 소모되는 에너지가 일정하다는 것이다. 이 프로젝트에서 개발하는 새로운 디바이스로 유사한 수준 또는 더 우수한 성능을 달성할 수 있게 된다. SiC MOSFET 개발에 있어 또 다른 중요한 파라미터는 Rdson 향상이다. Rdson이 낮으면 최종 사용자가 프로토타입을 개발할 때 최적화에 도움이 되며, 이러한 점들을 고려할 때 SiC라는 새로운 물질은 SiC 디바이스가 실리콘 제품보다 더 높은 온도 및 파워밀도로 동작할 수 있게 해준다.


2. SiC 전력 모듈

WInSiC4AP 프로젝트는 새로운 SiC 디바이스가 높은 온도와 전류로 동작할 수 있다는 특성을 활용해 혁신적인 첨단 패키징을 개발하고자 한다[3][4]. 패키징 기술과 관련해 WInSiC4AP는 한편으로는 고온으로 전체적인 어셈블리 솔루션의 견고성을 끌어올리고, 또 한편으로는 패키지로 온도 상승을 억제하는 작업에 중점을 두고 있다. 최종적인 목표는 신뢰성에 있어 새로운 기록을 돌파하는 것이다.


- 현재보다 신뢰성 5배 향상, 고온으로 성능 향상

- 200℃ 이상에서의 동작 가능


SiC는 비교적 새로운 소재이며, SiC 디바이스는 실리콘보다 더 높은 온도와 전력 밀도로 동작할 수 있다. 따라서 이 프로젝트에서는 디바이스와 패키지 사이에(FE와 BE 사이에 호환성) 새로운 접근법을 개발하고 패키지 때문에 디바이스 성능이 제한되지 않도록 전력 모듈을 최적화해야 한다. 이러한 이유로 전면과 후면 모두로 특수한 금속 스택을 개발하고, 구조적, 전기적, 신뢰성 관점에서 평가하고 있다. 


특히, 시스템 효율을 높이기 위해서는 좀 더 신뢰할 수 있고 효율적인 다이 접착과 상단면 결합이 필요하다. 예를 들어 구리 클립을 솔더링하거나 신터링하기 위해 전면으로 부가적인 금속 스택을 통합하는 것처럼 후면 금속을 Ag 신터링(압력 및 무압력) 및 확산 솔더링과 잘 맞도록 해야 한다. 다이 상단 표면이 최종 패키지의 포장재와 매우 견고하게 접착하도록 하려면 패시베이션 & 트리트먼트를 고려해야 한다.


실제로 애플리케이션이 요구하는 전력을 위해서는 전력 모듈의 형태로 더 많은 SiC 디바이스가 필요하다. 이러한 전력 모듈은 디바이스들을 균등하게 밸런싱하고, 전도 시 손실을 최소화하고, 우수한 주파수 스위칭(최소 20kHz)을 위해 기생 인덕턴스를 최소화하도록 설계해야 한다. [그림 6]은 이 프로젝트에 사용되는 전력 모듈을 보여준다.


그림 6. 자동차 애플리케이션에 적합한 전력 모듈들- ACEPACK 2(좌측), ACEPACK SMIT(우측) 


ST의 ACEPACK 1 & 2와 최근 출시된 SMIT는 오토모티브용에 적합한 전력 모듈로서, 하이브리드차 및 전기차의 보조 드라이브, DC/DC 컨버터, 온보드 차저, 히터 등의 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 실리콘 카바이드 전력 MOSFET을 채택한 이 전력 모듈들은 경부하 전력 에너지 손실에 있어 월등히 우수하므로 전력 밀도가 우수하고 시스템 효율을 향상시킨다.


SiC 신뢰성


항공기나 HEV와 관련한 표준화 위원회에서는 신뢰성을 특히 중요하게 다루게 된다. 항공기 및 HEV 파트너들의 전문성을 활용해 다양한 분석들을 실시하고 SiC를 위한 표준적 접근법을 정의할 수 있는지 알아본다.


1. 결함 디바이스 분석

WInSiC4AP 프로젝트를 위해 메시나 대학이 (ST마이크로일렉트로닉스와 협력하여) AFM(원자력 현미경), 광학 현미경, SEM, 엑스레이 분석, 초음파 현미경 분석으로 결함 디바이스의 금속 표면에 열-기계적 스트레스가 미치는 영향을 분석했다. 검사 대상 DUT는 SiC MOSFET(SCT30N120)이었으며, 약 2만1500회의 전류 펄스 이후에 이 DUT 상 결함이 발생되었다. 금속층에 많은 크랙과 균열이 발생된 현상을 확인할 수 있었으며, 이러한 균열은 주로 디바이스의 활성 영역 가까이에 분포됐다. 


[그림 7]은 결함이 발생했을 경우 DUT 표면의 광학 이미지를 보여준다. 이 이미지는 12배 확대한 것으로, DUT의 중앙 부분에 심한 스트레스가 가해지고 거무스름해진 것을 볼 수 있다. 이미지를 좀 더 확대해 보면 금속 표면이 어떻게 손상되었는지 자세히 볼 수 있다. 게이트 접점과 가까운 부위에서는 금속층이 손상되지 않고 표면이 매끄러운 반면, DUT의 중앙 부분은 거칠게 손상되어 있다.

 

이러한 열-기계적 분석을 통해 기계적 변위나 줄 발열(Joule Heating)로 온도 변화가 심한 부위에 결함이 발생한다는 점을 확인할 수 있다. 고분해능 현미경 기법을 사용해 DUT 표면을 분석하면 추가로 정보를 알아낼 수 있다.


그림 7. DUT 표면을 포착한 SEM 이미지로, 게이트 접점에 가까운 부위는 상태가 좋고 소스 접점 가까이에서는 스트레스를 받았다는 것을 알 수 있다.

         

2. 디바이스 FMEA 분석

디바이스 FMEA는 잠재적인 결함 모드와 원인/메커니즘을 이해하기 위해 자주 사용되는 분석 기법이다.

 

맺음말

SiC 소재를 기반으로 한 새로운 세대의 전력 디바이스는 애플리케이션의 효율을 높일 뿐만 아니라 더 높은 온도로 동작할 수 있으며, SiC 전력 디바이스용으로 설계된 새로운 패키지로 열 성능을 향상시킬 수 있다. SiC는 실리콘보다 열 전도성이 3배 더 높으며, 앞서 살펴본 SiC MOSFET은 200℃ 이상으로도 효율적인 특성들을 나타낸다.


자동차 업계가 모터를 적용한 하이브리드 및 전기차를 목표로 발전을 꾀하면서 효율이 향상되고 보다 선도적인 전력전자 디바이스들이 필요해졌다. SiC 기술은 시장에 출하되는 모든 신차들의 경제성을 높이는 데 기여할 것이다.


감사의 말씀

WInSiC4AP 프로젝트는 ECSEL JU(Electronic Component Systems for European Leadership Joint Undertaking)로부터 지원을 받습니다(협약 번호: 737483). 이 JU(공동 사업)는 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 혁신 프로그램과 체코, 프랑스, 독일, 이탈리아로부터 지원을 받습니다.            


글 : 안토니오 임브루글리아(Antonio Imbruglia) 투자 프로젝트 첨단 설계 프로그램 매니저 ADG 그룹 R&D, ST마이크로일렉트로닉스


/이나리 기자(eled@hellot.net)

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