[논문]파워디바이스 패키징의 열제어 기술과 연구 동향

김광석; 최돈현; 정승부

doi:10.6117/kmeps.2014.21.2.013

파워디바이스 패키징의 열제어 기술과 연구 동향
Overview on Thermal Management Technology for High Power Device Packaging 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.21 no.2, 2014년, pp.13 - 21

김광석 (성균관대학교 나노과학기술학과) , 최돈현 (성균관대학교 신소재공학과) , 정승부 (성균관대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Technology for high power devices has made impressive progress in increasing the current density of power semiconductor, system module, and design optimization, which realize high power systems with heterogeneous functional integration. Depending on the performance development of high power semiconductor, packaging technology of high power device is urgently required for efficiency improvement of the device. Power device packaging must provide superior thermal management due to high operating temperature of power modules. Here we, therefore, review critical challenges of typical power electronics packaging today including core assembly processes, component materials, and reliability evaluation regulations.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

14) 알루미늄의 전기비저항, 열전도도 그리고 CTE(2.7 µΩ cm, 220 W/mK, 25 ppm/℃)에 비하여 우수한 구리의 특성(1.7 µΩ cm, 380 W/mK, 16.5 ppm/℃)을 활용하여 열/전기적 특성을 개선하였다.

성능/효과

3에서 나타내듯이 초기에는 와이어 소재로 알루미늄이 많이 사용되었으며, 신뢰성 문제를 개선하기 위해 패드 면적을 넓힌 알루미늄 리본 본딩 기술이 제안되고 있으나 공정비용이 증가하는 단점이 있다.¹³⁾ Semikron 사는 200℃의 작동온도에서도 사용가능한 Al-clad Cu 와이어(30 Vol.%Al/70 Vol.% Cu)를 개발하였으며, Infineon 사의 경우 구리 와이어를 상용화 하였다.¹⁴⁾ 알루미늄의 전기비저항, 열전도도 그리고 CTE(2.
¹⁷⁾ 저온솔더와 유사하게 칩의 다양한 metallization process와 솔더의 계면에서 Cu-Sn이나 Ni-Sn계의 금속간화합물을 형성하는데, 이 때 생성된 금속간 화합물은 Sn-Ag계 솔더보다 높은 녹는점을 갖고 우수한 계면 접합력을 나타낸다.¹⁷⁾ Sn-Ag계의 경우 Cu₃Sn이 676℃, Cu₆SN₅는 415℃의 녹는점을 가지며, 최종 형성된 Sn-Cu계 솔더의 녹는점은 400℃ 이상으로 파워칩의 작동온도인 200℃ 보다 높아 안정적으로 다이 본딩을 할 수 있다. 그러나 솔더링 접합은 파워디바이스의 신뢰성 측면에서 피로 파괴(Fatigue failure)나 크랙을 유발할 수 있는 금속간화합물의 취성(Brittleness)으로 인하여 디바이스의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.
7) IGBT는 파워 MOSFET의 고속스위칭 성능과 전압구동성능, 그리고 바이폴라 트랜지스터의 고전력 성능을 모두 갖춘 파워디바이스 모듈이나 실리콘 물성으로 인해 기존 모듈의 효율과 소형화가 한계에 이르렀다.⁸⁾ 이를 극복하고자 최근에는 화합물반도체 기반 고주파 파워디바이스, 초소형 고내압 정전기 보호 디바이스, 집적형 차세대 파워디바이스 등의 다양한 기술이 제시되고 있다.
9) 파워모듈 패키지는 단순히 전력 소자를 물리적으로 보호하는 역할뿐만 아니라 패키지 구조가 가지는 특징을 적극적으로 활용하여 칩의 성능 향상에 이용하는 추세이며, 파워반도체 칩에서 발생되는 열을 효과적으로 방출, 제어/보호 회로에 대한 노이즈 안정성, 모듈 패키지의 인덕턴스 성분 최소화, 그리고 시스템의 소형, 경량화를 위한 패키지 크기의 최소화 등의 특성을 만족해야 한다.¹⁰⁾ 따라서 패키지 구성 소재 간의 CTE (Coefficient of thermal expansion) 차이로 유발될 수 있는 접착력 감소나 크랙 등의 기계적 특성 변화와 파워디바이스의 열화로 인한 특성 및 효율의 감소현상 등을 제어하는 것이 중요하다.
21은 Infineon 사의 Pinfin Cu base plate 타입 HybridPACK 2 파워모듈을 접합부 온도 150℃로 27,000회의 power cycle (∆T=100℃)과 10,000회의 열충격(∆T=80℃)을 인가하였을 때 IGBT와 다이오드, 그리고 솔더 접합부의 적외선 이미지와 온도변화를 나타내고 있다. 다이오드에 비하여 IGBT의 손실이 큼에도 불구하고, 우수한 내열특성으로 인하여 다이오드와 IGBT의 사이의 온도 차이는 크지 않고, 솔더 접합부의 평균 온도에 비하여 15℃ 정도의 차이가 나는 것을 보여준다.³²⁾ 이는 차량용 파워 모듈의 power cycle 특성이 thermal cycle 동안 접합부의 온도 변화, 전력 손실 등의 영향을 받기 때문에 신뢰성 예측 시 이들을 반드시 고려해야 함을 알 수 있다.

후속연구

파워디바이스의 대표적 적용분야인 자동차 전장부품의 경우 파워모듈이 작동하는 환경이 매우 열악하고, 고장 났을 경우 사람의 생명과 직접적으로 관련되기 때문에 제품의 성능과 신뢰성 측면에서 매우 까다로운 요구조건을 갖는다. 앞으로 전기자동차 및 연료전지 자동차 부품으로 더 많은 파워디바이스 패키징 기술이 필요할 것으로 기대되며, 향후 다양한 어플리케이션에서 파워디바이스 패키징 기술이 더욱 중요해질 것으로 예상된다.
³⁰⁾ 이러한 파워디바이스용 PCB 제조 기술을 통해 기존의 모듈 간 복잡한 케이블 연결(Cable wiring)을 대체하고 좁은 면적에 다수의 컴포넌트(Component) 집적화를 통하여 PCB의 열제어를 위한 디자인 자유도 확보 및 디바이스 소형화를 가능하게 하였다. 향후 파워디바이스용 PCB는 다층 구조에서 사용되는 소재 간의 CTE 제어 및 구조 최적화로 열응력을 최소화하면서 고전류, 고방열, 고주파, 소형화 그리고 다기능을 만족할 수 있도록 진화할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	와이어 본딩 기술의 한계점은?	5 ppm/℃)을 활용하여 열/전기적 특성을 개선하였다. 와이어 본딩 기술은 간단하면서 공정 속도도 빠른 장점이 있으며 오랜 시간동안 기술이 보완돼 왔으나, 와이어의 두께나 집적도의 한계, 그리고 와이어와 솔더 소재 간의 열응력 등이 한계점으로 지적되고 있다. 이와 같은 기술 한계를 극복하기 위하여 2011년 Semikron 사에서는 기존의 와이어 본딩 대신 Ag/Cu/Polyimide 구조의 유연성 호일(Flexible foil)과 Ag sintering을 활용하여 power cycling 특성을 기존 파워 모듈에 비해 70배 향상된 새로운 인터커넥션 기술을 선보였다(Fig.
	파워디바이스란?	이에 따라 전력 변환 및 제어기기 등 반도체 전력용 스위치 역할을 하는 파워디바이스 분야에서도 에너지 절감용 고효율 전자모듈 개발, 친환경 파워디바이스 기술 등에 대해 미국과 일본, 유럽을 중심으로 많은 연구가 이루어지고 있다.1-3) 일반적으로 파워디바이스는 신호 및 정보를 처리, 저장하는 시스템 반도체나 메모리 반도체와 달리 전기에너지의 변환/제어 처리를 수행하는 반도체 소자로서 전기를 처리하는 모든 전지전자기기(스마트 그리드 가전, 휴대폰, 자동차 등)에 사용되는데, 주로 전력변환(AC → DC), 전력 변압, 전력 효율 최적화(분배, 제어) 등에 사용된다.4, 5) Fig.
	파워모듈 패키지에서는 무엇을 제어하는 것이 중요한가?	9) 파워모듈 패키지는 단순히 전력 소자를 물리적으로 보호하는 역할뿐만 아니라 패키지 구조가 가지는 특징을 적극적으로 활용하여 칩의 성능 향상에 이용하는 추세이며, 파워반도체 칩에서 발생되는 열을 효과적으로 방출, 제어/보호 회로에 대한 노이즈 안정성, 모듈 패키지의 인덕턴스 성분 최소화, 그리고 시스템의 소형, 경량화를 위한 패키지 크기의 최소화 등의 특성을 만족해야 한다.10) 따라서 패키지 구성 소재 간의 CTE (Coefficient of thermal expansion) 차이로 유발될 수 있는 접착력 감소나 크랙 등의 기계적 특성 변화와 파워디바이스의 열화로 인한 특성 및 효율의 감소현상 등을 제어하는 것이 중요하다.11, 12) Fig.

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