[논문]차세대 전력반도체 소자 및 패키지 접합 기술

김경호; 좌성훈

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.015

차세대 전력반도체 소자 및 패키지 접합 기술
Recent Overview on Power Semiconductor Devices and Package Module Technology 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.3, 2019년, pp.15 - 22

김경호 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원) , 좌성훈 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

In these days, importance of the power electronic devices and modules keeps increasing due to electric vehicles and energy saving requirements. However, current silicon-based power devices showed several limitations. Therefore, wide band gap (WBG) semiconductors such as SiC, GaN, and $Ga_2O_3$ have been developed to replace the silicon power devices. WBG devices show superior performances in terms of device operation in harsh environments such as higher temperatures, voltages and switching speed than silicon-based technology. In power devices, the reliability of the devices and module package is the critically important to guarantee the normal operation and lifetime of the devices. In this paper, we reviewed the recent trends of the power devices based on WBG semiconductors as well as expected future technology. We also presented an overview of the recent package module and fabrication technologies such as direct bonded copper and active metal brazing technology. In addition, the recent heat management technologies of the power modules, which should be improved due to the increased power density in high temperature environments, are described.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Power module market by EV/HEV type (Source: Power Electronics for EV/HEV report, Yole Development, 2018).
그림 Fig. 2. WBG market segmentation as a function of voltage range
표 Table 1. Electrical properties of various WBP materials⁹⁾
그림 Fig. 4. Schematic illustration for Sn-Cu system during TLP bonding.
그림 Fig. 3. (a) Cross-section view of FP β-Ga₂O₃ MOSFET structure of a source-connected FP, (b) Optical microscope of finger-type MOSFET taken after gate electrode formation, (c) Top-down SEM image, and (d) Cross-sectional SEM view of source-connected FP-MOSFET.¹⁹⁾
그림 Fig. 5. Schematic illustration of process flow for DBC and AMB substrate.
표 Table 2. Mechanical properties of various ceramic substrate materials^15,28-30)
그림 Fig. 6. Schematic comparison of (a) conventional indirect cooling structure and (b) direct cooling structure.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WBG(wide band gap)의 전력반도체 소자 기반의 기술 및 동향과 그에 따른 금속/세라믹 기반의 기판기술에 대한 제조공정 및 소재 개발에 대한 최근 2-3년 동안의 최신 기술동향에 대해서 중점적으로 서술하였다. 또한, 전력밀도 증가로 인해 발생하는 고온 환경에서 전력모듈의 열 관리 필요성 및 연구 결과에 대해서도 서술하였다.
본 논문에서는 WBG(wide band gap)의 전력반도체 소자 기반의 기술 및 동향과 그에 따른 금속/세라믹 기반의 기판기술에 대한 제조공정 및 소재 개발에 대한 최근 2-3년 동안의 최신 기술동향에 대해서 중점적으로 서술하였다. 또한, 전력밀도 증가로 인해 발생하는 고온 환경에서 전력모듈의 열 관리 필요성 및 연구 결과에 대해서도 서술하였다.

가설 설정

6. Schematic comparison of (a) conventional indirect cooling structure and (b) direct cooling structure.

대상 데이터

기판 제조에서 세라믹의 선정은 우수한 열전도율, 절연성, 열·기계적 특성, 신뢰성 등을 기준으로 한다.

성능/효과

TLP 공정에 의해 형성된 IMC는 기계적 특성과 크리프(creep) 저항 특성이 증가하지만, 취성파괴 경향 또한 증가한다고 알려져 있다.²³⁾ TLP 공정에서 주로 사용되는 접합소재는 저온에서 Sn, In 등이 사용되고, 고온에서 Cu, Ag, Ni 등이 주로 사용된다.²⁴⁾
반면, 최근에는 베이스 플레이트를 생략하고 히트 싱크의 소재를 대체하기 위한 직접냉각 방식의 연구가 진행되고 있다. ³³⁾ 기존의 Al 소재의 히트 싱크를 Cu 또는 AlCu 소재로 대체할 경우, 베이스 플레이트를 사용하지 않는다는 장점과 더불어 Ni 도금이 필요 없으므로 상대적으로 낮은 비용으로 공정 수행이 가능하다. 또한, 간소화된 구조는 열의 이동경로가 줄어든 만큼 열저항이 낮아지고, 경량화 및 작은 크기 등의 장점을 나타낸다.
^1-4) 그러나, 빠른 속도로 기술이 개발되고 있는 현재의 상황에서 실리콘 기반의 전력반도체는 가까운 장래에 전력밀도 증가로 인한 한계에 도달할 것으로 예측되고 있다. ⁵⁾ 전력밀도 증가는 기존의 150℃에서 구동하는 온도환경에서 200~300℃의 고온환경을 요구한다. 이와 같은 환경에서 안정적인 특성 및 신뢰성을 만족하기 위하여 SiC, GaN, Ga₂O₃와 같은 화합물 기반의 넓은 밴드 갭(wide band gap, WBG)을 나타내는 소재들에 대한 연구에 대한 결과가 보고되고 있다.
¹²⁾ GaN는 SiC와 비교하여 상대적으로 낮은 약 900 V 이하의 소자에 주로 사용된다 . 또한, 실리콘 보다 약 2배 이상 높은 온도인 400℃까지 동작이 가능하고, 고속 스위칭 특성이 우수하다. 하지만, 제조 공법이 실리콘 기반의 반도체와는 다르기 때문에 신규 설비 투자와 낮은 수율 및 단결정 성장에 대한 문제를 해결하기 위해 보다 많은 연구가 진행되고 있다.

후속연구

전력반도체 소자의 성능이 증가함에 따라, 모듈 기판 소재에도 기존보다 향상된 고전류/고전압 및 방열특성을 요구하고 있다. 기존의 DBC 및 AMB 기판에서 사용되는 Al₂O₃, AlN 소재가 출력밀도가 높은 환경에서 금속과의 열팽창 계수 차이로 인해 크랙이 발생하지만, Si₃N₄는 약 3~4 배 높은 강도의 우수한 기계적 특성을 가지고 있으므로 좋은 대안이 될 것으로 예상된다. 또한, EV/HEV에 적용되는 부품은 운전자의 생명과 직결된다는 점에서 장시간 사용되었을 때 발생할 수 있는 문제에 대해 심각하게 고려되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2018년 전력반도체소자시장 규모는?	세계적으로전력반도체소자시장은 2018년에 이미 135억 달러에 이르고, 매년 2.9%의 성장을 2024년까지 이어 갈 것이라고 예상되고 있다.
	패키지 모듈의 신뢰성 설계에 주요 고려사항은?	한편 전력반도체에서 패키지 모듈의 신뢰성 설계는 매 우 중요하다. 전력반도체에서 발생된 열은 패키지 각 부 분의 열-기계적 응력을 발생시키고, 접합부의 열 피로에 의하여 접합부 및 소자의 수명이 열화된다. 따라서 소자에서 발생되는 열을 적절히 방출하여 소자의 접합부 온도(junction temperature)를 적정 온도 이하로 유지하는 것 이 매우 중요하다. 전력반도체 소자를 접합하는 기판의 종류는 접합방식에 의하여 분류되고, 주로 DBC(direct bonded copper)와 AMB(active metal brazing) 방식에 의해 제조된 기판이 사용된다.
	전력반도체 소자기술은 어떻게 구분되는가?	매년 약 20% 이상 성장하고 있는 전기 및 하이브리드 전기차(EV/HEV) 시장에서 전력반도체(power semiconductor) 는 전력의 변환(DC↔AC), 모터 구동의 스위칭, 제어 등 을 수행하기 위하여 사용된다. 전력반도체 소자기술은 고온환경의 다이오드(diode)와 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), JFET(junction field transistor) 등의 단극소자(unipolar) 및 HEMT(high electron mobility transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor) 등의 양극소자(bipolar)로 구분된다. 최근 전력반도체에 대한 수요가 급증하면서, 전력반도체 소자의 전력밀도 증가에 대한 많은 연구가 보고되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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