Automotive Technology
전력전자는 하이브리드 / 전기자동차와 같은 미래의 구동모터 시장에서 중요한 요소이며, 배기가스 감소와 화석연료 고갈에 대응하여 싸울 수 있는 핵심 요소이다. 그와 더불어 제품과 부품은 에너지 효율성, 신뢰성 그리고 크기를 최적화하는 방향으로 나아간다. 이 부분에서 특히 중요한 사항은 더 높은 전력 밀도와 신뢰성이 개선되면서도 사이즈가 작아지도록 실현하는 것이다.
글: 토마스 그라스호프 / 수석 프러덕트 매니저
세미크론 인터내셔널 / www.semikron.com
전력전자에 새로운 기술이 등장했다. 산업용 모듈의 대표적인 "잔여물"이라고 할 수 있는 와이어 본딩과 써멀 페이스트가 사라지고 있다. 와이어본딩과 써멀페이스트는 전력용 모듈의 대표적인 특징이지만, 또한 제품 불량의 근본 원인이었다. 이제는 와이어 본딩과 솔더링이 사라지고 신뢰성이 높은 신터 레이어와 플렉스블 레이어로 대체되고 있다.
전 세계적으로 신재생에너지, 전기자동차, 에너지 절약의 이슈가 중요하게 대두되면서 전력전자의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 특히 신재생에너지와 전기자동차 시장은 전력전자가 폭넓게 사용되기 시작한 1990년대 초부터 지금까지 있었던 기존의 시장과는 많이 다르다. 그 첫째로 제품의 성능과 신뢰성면에서 매우 까다로운 니즈를 갖고 있다.
제품이 작동하는 장소가 바람이나 염기가 많거나 열이 많은 매우 열악한 환경이거나 또는 사고가 사람의 생명과 직접적인 관련이 되기 때문이다. 두 번째로는 수명이다. 유지 보수 비용의 규모가 어마어마하기 때문에 완제품은 물론 부품 및 기타 소재도 최소 10년, 평균 20년의 수명을 보증해야한다. 이 시장들은 기존에 전력전자에서 갖고 있는 마인드로 접근할 경우 답이 없다. 이 시장 진입을 위해서는 혁신이라는 말을 감히 사용하여 신기술을 적용한 신제품이 꼭 필요하다.
최종 소비자의 구매의사 결정 시 환경과 관련된 정책이나 기타사항이 중요한 판단 요소로 대두되고 있다. 에너지원을 선택할 때 에너지 변환과 제어가 얼마나 가능한지가 전력전자 소자를 선택하는데 중요한 요소가 되고 있다. 전력전자는 하이브리드 / 전기자동차와 같은 미래의 구동모터 시장에서 중요한 요소이며, 배기가스 감소와 화석연료 고갈에 대응하여 싸울 수 있는 핵심 요소이다. 그와 더불어 제품과 부품은 에너지 효율성, 신뢰성 그리고 크기를 최적화하는 방향으로 나아간다.
이 부분에서 특히 중요한 사항은 더 높은 전력 밀도와 신뢰성이 개선되면서도 사이즈가 작아지도록 실현하는 것이다. 전력전자의 제조사들은 이러한 복합적인 요구사항 앞에 새로운 도전을 직면하고 있다. 더욱이 전력증가로 병렬 연결과 열적 관리가 더 중요한 문제로 논의된다. 미래의 전력전자는 신재생에너지 시장만큼 전기자동차 시장에서도 전력전자는 빠르게 증가하게 될 것이며 이익 또한 함께 늘어날 것이다.
전력 반도체는 에너지 발전에서 에너지 변환을 위해 중요한 부품이고, 대표적인 예는 풍력 발전 컨버터이다. 전력 반도체는 가변 속도 컨버터에서 중요한 요소이고, 이것들은 효율적 에너지 활용에서도 중요한 사항이다.
신뢰성과 가격이라는 두 마리 토끼
전기 자동차에서 전력전자는 공간을 절약해야 하고, 무게도 가벼워야 하며, 열악한 조건에서도 신뢰성있게 작동해야만 한다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서 세미크론은 전통적인 모듈-기반의 경로에서 탈피하여 새로운 요소를 추구하고 있다. 그림 1은 지게차 트럭용 최신 세미크론 시스템을 보여주고 있다.
전기적, 기계적 그리고 열적인 요소들이 결합하여 최고의 신뢰성을 갖추는 동시에 합리적인 가격을 제시할 수 있어야 한다. 5.7리터 인버터는 400A 피크전류에 배터리 전압은 160V이고 자동차 드라이브 축에 직접 조립하는 것이 적합하다. 이러한 조립 위치는 -40에서 +85°C 사이의 외부온도 하에서 20,000시간의 구동시간 동안 12g 진동과 100g의 기계적 충격하에서도 손상되지 않고 작동할 수 있게 해준다.
20여 년 전쯤 세미크론은 풍력 터빈에서 사용할 수 있는 IGBT 모듈을 처음으로 개발했다. 이 모듈은 혁신적인 압력 접촉 기술이 적용되었는데, 전력소자에 드라이버, 센서 및 다양한 기능들이 접목되어 있는데 장기간의 신뢰성과 전력밀도를 요구하는 신재생에너지와 같은 신시장에서 새로운 도전이었다. 현재 SKiiP IPM 3세대가 사용되고 있고, 80GW 풍력 설비에 SKiiP이 설치되었다. 이는 현재까지 전 세계 설치된 풍력 발전 용량의 절반가량을 차지하는 양이다.
최근 SKiiP 4세대가 출시되었다. SKiiP3의 경우는 4폴드 형태에 1800A, 1700V까지 구동 가능한 반면, 그림 2에서 보는바와 같이 SKiiP 지능형 모듈은 6폴드 형태에 3600A까지 구동이 가능하다. SKiiP4는 케이스의 증대없이 모듈 자체만으로도 30% 전력을 더 구현할 수 있다.
사이즈면에서도 파격적으로 축소된 것이다. 새로운 전력 모듈은 IGBT와 Diode 칩부터 최신기술의 칩을 적용하였고, 여기에 DBC 기판에 칩을 연결할 때도 기존의 솔더링 방식이 아닌 신터링 방식으로 은분말을 이용하여 압착시켰다. DC 링크 전압은 1300V까지 올라가고 그럼에도 불구하고 개선된 드라이브 덕분에 안전하게 제어된다.
이러한 장점은 해양풍력과 같이 축축하고 염분이 높은 환경에서도 제품의 고장없이 구동될 수 있도록 하는 역할을 한다. 불량이 발생할 수 있는 개연성을 최소화하기 위해 모든 SKiiP 단일 시스템은 고객출하 전에 100% 통전(burn-in) 테스트를 시행한다.
왜냐하면 해양에 설치된 풍력 발전 서비를 유지보수하는 것은 어마어마한 비용이 들어감을 의미하기 때문이다. 자동차 분야도 마찬가지다. 자동차 분야는 소형성과 신뢰성에 대한 요구가 더욱 크기 때문에 전력전자시스템에 대한 요구사항도 매우 높은 수준이다.
핵심 : 패키징 기술
전통적인 패키징 기술로 신시장의 요구사항을 만족시키기에는 기술적으로 한계를 갖고 있다. 우리가 앉고 있는 당면과제는 이러한 한계를 어떻게 극복하느냐이다.
1. 납땝 방식
일반적으로 납땝이 되어 있고, 구리 베이스 플레이트가 있는 모듈은 전체적인 시스템 구동하에서 기계적인 취약점이 되곤 한다. 사용된 소재들의 열팽창계수가 틀리기 때문에 제품이 구동중 높은 온도 변화나 전기적 구동의 형태가 변하게 되면 납땜한 부분들은 극심한 스트레스를 받게 된다.
그 증거로 구동 중 열저항이 높으면 칩의 온도도 더욱 높아지는 결과로 나타난다. 이러한 작용으로 납땜된 부분의 와이어가 떨어지거나 금이 가면서 결국 소자의 손상을 가져온다. 납땜된 PCB 접합부분에서 또 한 가지 위험요소는 냉땜이다.
2. 베이스플레이트
모듈이 커질수록 모듈의 베이스 플레이트도 같이 커지는데, 이는 비용이 증가함을 의미한다. 또한 열적/기계적 성능을 유지하는 것도 기술적으로 힘들어진다. 베이스플레이트와 기판을 접착시키기 위해 한 면에 납땜을 하면 바이메탈 효과로 비균등한 비틀림 현상이 발생한다.
이로 인하여 방열판에 열적 접촉 및 분산이 균일하지 않게 된다. 준-금속에 방열판을 이상적으로 접촉시키기 위해서는 베이스플레이트와 방열판의 사이에 써멀페이스트를 도포하여 열악한 열적 성질을 보안해주어야 한다. 이 결과로 전체적인 열적 시스템에는 장벽이 생기게 된다. 써멀 페이스트는 구리보다 400배다 더 큰 열저항을 가지고 있고 써멀 페이스트 층은 칩과 냉각수사이에 열적 저항에 60%까지 책임이 있다.
3. 모듈의 구조
150A나 그 이상의 모듈에서 칩은 높은 전류값을 내기 위해서 DBC에 병렬로 연결되어있다. 베이스 플레이트가 있는 전통적인 모듈의 구조는 기계적 저항을 유발하게 되고 이로 인해 이상적인 균형을 달성하기 힘들어진다.
이 결과는 스위칭 행동의 불균등과 칩 위치마다 다른 전류를 흐르게 한다. 이러한 이유로 데이터 시트는 가장 약한 칩에 대해서만 명시하고 있다. 와이어본딩을 기본으로 한 내부 디자인은 모듈의 컨덕팅 저항에 부정적인 영향을 미치고 더 높은 스트레이 인덕턴스를 유발하게 된다.
4. 칩 온도
IGBT 칩 기술의 상으로 칩의 크기는 더욱 작아지고 더 좋은 IGBT 셀 구조를 가능케 한다. 이러한 개발은 전력 반도체의 원가절감을 향한 압력으로 더욱 가속화되고 있다. 작은 칩은 전류 밀도를 더욱 증가시키는데, 최근에는 평균 35% 더 작아진 칩이 출시되었다.
동시에 최대 정션 온도는 175°C까지 증가되고 있다. 이것은 모듈이 더욱 작아질 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 다른 한편으로 이것은 IGBT와 주변온도 사이에 온도변화가 증가한다는 것을 의미하고 이로인하여 자재에 가해지는 스트레스는 더욱 커질 수 있다. 온도 25K가 증가하면 5의 요소에 의하여 신뢰성은 더욱 줄어들게 될 것이다. 더욱이, SiC와 GaN과 같은 새로운 소재는 더 높은 온도를 허용하기 때문에 온도차는 더욱 커질 것이다.
5. 전류밀도
새로운 IGBT와 MOSFET 칩 기술은 전 세대보다 더 높은 전류 밀도를 갖는다. 지금까지 사용되던 얇은 알루미늄 와이어 본드는 전류가 증가되면 신뢰성부분에서 계속 한계를 나타내고 있다. 향후 최적의 와이어 본드 기술과 새로운 소재가 사용되지 않는한 이 문제는 사라지지 않을 것이다. 그러나 복잡한 칩 제조로 반도체의 원가도 더욱 높아지게 될 것이다.
앞서 언급한 패키징 기술의 한계는 모두 독립적이다. 이 문제를 해결하기 위해서는 개선방향을 찾는 것보다 필수적인 솔루션을 찾는 것이 더욱 바람직한 방향이다.
그 첫 번째 필수 솔루션은 은분말을 사용하는 신터링 프로세스이다. 신터링 방법은 새로운 접착기술로 납땜을 하는 방식이 아니라 접착면에 은분말을 도포 후 고온에서 압착을 하는 방식이다. 기존에 땜에 사용되는 주석은 260°C 정도의 융점을 갖고 있으나, 은은 962°C의 융점을 갖기 때문에 고온의 변화에서도 안정적인 접착이 유지된다.
세미크론에서 생산되는 전기자동차용 모듈은 이미 이 기술을 적용하여 양산되고 있고, 칩과 DBC 사이의 솔더링 공정을 대체하고 있다. 신터 기술로 접착된 부분의 신뢰성은 더욱 증가되었다. 최신칩의 최대 정션 온도는 175°C이고, 신터레이어의 융점에 18%에 미칠 뿐이다. 참고로 전통적인 솔더링의 경우는 융점의 60%를 차지하고, 앞서 언급한 문제점들을 야기시킬 가능성을 가지고 있다.
칩의 위부분에 와이어 본딩을 연결하는 방법은 신뢰성을 저해하는 요소로 여전히 남아있다. 칩의 윗면에 와이어 본딩을 사용하여 접촉하는 기술에 관하여 최근 몇 년 간 산업과 대학교에서 끊임없이 논의되고 있다. 그러나 솔루션 도출을 향한 가장 최적의 접근방법으로 납땝 접착과 통합된 접촉 기술을 기반으로 하고 있다.
여기에도 패러다임의 변화가 필요하다. 와이어 본딩을 없애고 플렉서블 보드로 접촉시키는 것이다. 새로운 접근방법은 칩의 윗면과 방열판에 열적 접촉을 하는 부분 모두에 은을 이용한 신터 기술을 사용한다. 칩의 윗면과 DBC 기판은 신터링 공정을 사용하여 유동적이며 구조를 갖춘 플렉서블 보드로 연결된다. 트랙 구조는 매우 얇아서 구동 전류를 이동시킬 수 있다.
그림 3에서 보는바와 같이 밑면의 DBC는 방열판에 직접 신터된다. 주 전기 터미널 역시 DBC에 신터되고 기존에 있던 솔더링과 와이어본딩은 모두 사라진다. 써멀 페이스트 대신 사용하는 은분말의 사용으로 열 저항은 더 떨어지고 이는 궁극적으로 전류밀도가 30% 증가되는 것을 의미한다. 와이어 본딩 대신 칩 접촉을 위해 플렉서블 보드를 사용하면 신뢰성은 더욱 증가된다.
칩과 보드 소재의 접촉 면적이 열적으로 팽창되어 계수의 호환성이 증가하기 때문에 구동 사이클 용량이 증가되기 때문이다. 이것은 패키징 기술의 개발을 가능하게 해주고 모듈공정상 와이어 본딩, 솔더링 그리고 써멀 페이스트가 더 이상 필요없어졌음을 말한다. 세미크론에서는 이 기술을 피부와 같다는 의미로 SKiN technology라고 부른다.
이 기술은 향후 더욱 향상된 개선에 무한한 잠재력을 가지고 있다. 전류 센서와 게이트 드라이버는 점점 더 컴팩트해질 수 있다. 또한 보드의 외관을 3D로 통합은 미래에 가능하게 될 것이다. 자동차의 본네트에 필요한 장비를 모두 집적시키기 위해서 가능한 한 작은 소자를 요구하는 시장의 요구사항에 필수 솔루션이라고 할 수 있다.
이러한 기술의 장점은 최적의 기술적인 통합 시스템 하에 사이즈가 작으면서도 최적의 신뢰성을 갖춘 전력전자 모듈을 탄생시켰다. 새로운 기술의 사용은 인버터의 생산 공정상에서 활용이 가능해질 것이며 최신의 시스템을 적용하면 최대 30%까지도 사이즈를 줄이는 것이 현실적으로 가능해진다.
세미크론 사전에 한계란 없다. 시장의 요구사항에 대응하기 위해서는 스스로 한발 앞서 나가는 적극적 혁신가가 되어야 한다. 새로운 길을 개척한다는 것이 항상 매력적인 것만은 아니다. 때론 고객들의 외면과 경쟁자들의 야유를 살 때도 있다. 그러나 세미크론과 같은 적극적 혁신가들의 노력의 결실로 고객들은 니즈에 부합되는 제품을 더욱 다양한 조건으로 선택할 수 있다. 그것이 세미크론과 같은 부품 제조사들의 숙명이며 책임이라고 생각한다.
그림 1 지게차 트럭용 SKAI 시스템. 피크전류 400A, 베터리 전압 160V,
자동차 드라이브 장비에 바로 치부할 수 있는 5.7리터 시스템
그림 2 3600A, 6폴드 SKiiP 4 IPM. 기존의 케이스에 전력용량은 30% 증가
그림 3 칩 외관에 은분말을 이용한 신터 공정을 적용하면서 히트싱크까지 열적 접촉이 가능하다. 새로운
공정은 칩 외관에 플렉서블하고 구조화된 본드를 신터링 기술로 접촉시킨다.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음