전력반도체 파워 모듈용 세라믹 방열 기판 기술 및 업계 동향

이 상 돈_ 쌍용머티리얼(주) 대구공장 연구원
김 재 육_ 쌍용머티리얼(주) 대구공장 개발팀장

1. 머리말
최근, 전력반도체용 파워 모듈 응용분야는 종래의 산업용에서 가정용 전기 제품, 그리고 전철 및 전기 자동차 등과 같은 특수 용도로까지 그 응용 범위를 넓혀가고 있다.
전력 반도체 파워 모듈은 전력의 변환과 제어를 수행하는 부품으로 전류는 수십~수백A이상이며 전압도 수천 V 정도로 고전력이고, 소형화, 복합 모듈화 되는 경향이 있어 반도체 소자로부터 발생하는 열을 어떻게 효과적으로 방출하는가는 파워 모듈의 신뢰성과 직결되는 문제로 인식되고 있다. 반도체 소자의 열에 의한 오동작을 방지하고 신뢰성을 확보하기 위한 방안으로는 근본적으로 반도체 소자에서 열이 발생하지 않거나 내열성이 높은 소재로 반도체 소자를 제작하는 방안으로 최근 실리콘(Si) 기반의 소자를 탄화규소(SiC) 소자로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있고 실제로 일부 영역에서 적용되고 있다. 또 다른 방안은 발생된 열을 소자로부터 빠르게 방출하는 방안으로 방열 기판(고열전도율 소재)과 히트 싱크를 이용하는 방법이 있다. 이러한 반도체 소자의 열에 대한 문제점을 인식하고 전력 반도체 파워 모듈의 열 방출 대안 중 가장 현실적이라 할 수 있는 방열 기판 특히, 세라믹 방열 기판에 대하여 기술하고자 한다.

2. 세라믹 방열 기판 응용분야 및 기능
전력 반도체용 파워 소자란 전기를 직류에서 교류, 교류에서 직류로 변환하거나, 전압을 높이거나 낮추기 위한 역할을 수행하는 부품으로 전력을 효율 좋게 제어하기 위한 반도체 소자를 의미하고, 전력 반도체 파워 모듈이란 이러한 여러 개의 전력 반도체 소자를 사용용도와 목적에 맞게 조합하여 하나의 패키지에 넣은 복합 반도체를 의미한다. 종류로는 내장된 반도체 소자에 따라 사이리스터 모듈, 다이오드 모듈, 트랜지스터 모듈, IGBT 모듈 등이 있으며, 최근에는 IGBT 모듈에 구동회로, 보호회로, 자기진단회로까지 내장한 IPM 모듈이 등장하는 등 파워 모듈의 복합화 경향이 뚜렷해지고 있다. ‘07년 IMS 보고서에 의하면 전력반도체 파워 모듈 전체 시장의 70% 가량이 세라믹 방열 기판을 채용하고 있는 것으로 보고되고 있다. 표1.은 전력반도체 파워 모듈의 응용분야를 용량(전압, 전류)별로 구분한 것으로, 소용량(전압 1200V미만, 전류 50A미만) 모듈은 에어컨, 냉장고, 세탁기와 같은 가전제품, 산업용 소형 모터 구동용으로 사용되고 있고, 중용량(전압 600~1200V, 전류 51~600A)은 UPS와 같은 전원제어, 엘리베이터와 같은 빌딩 관련 설비, 대용량(전압 1200V이상, 전류 600A이상) 모듈은 전철, 풍력발전, 플랜트 설비 등 메가와트급 이상의 설비에 적용되는 등 산업 전반에 활용되고 있고 있음을 알 수 있다.
파워 모듈 모식도(그림1)를 통하여 파워 모듈 구조 및 세라믹 방열 기판의 기능을 알아보면, Cu Plate에 Ni이 도금된 하부 Base Plate, Cu/세라믹/Cu로 구성된 세라믹 방열 기판, IGBT 및 Diode와 같은 반도체 소자, 그리고 외부 단자인 터미널(Teminal), 외부 충격으로부터 보호하기 위한 Pac-kage로 구성되어 있고, 세라믹 방열 기판과 하부 Base Plate, 상부 반도체 칩, 그리고 터미널은 Soldering 공정을 통하여 접착되고, 반도체 소자와 방열 기판의 금속과는 Al wire Bonding 공정에 의해 전기적으로 접촉되는 구조를 가지고 있다. 세라믹 방열 기판의 상하부 금속은 일반적으로 열전도율과 전기 전도도가 우수한 구리(Cu)를 사용하며 일부 알루미늄(Al) 금속도 사용하기도 한다. Cu/세라믹/Cu로 구성된 세라믹 방열 기판은 반도체 소자와 Base Plate, 상부 금속 패턴과 뒷면 금속과의 절연 기능, 반도체 소자에서 발생된 열을 하부 Base Plate로 전달하는 방열 기능, 그리고 반도체 소자와 Base Plate의 열팽창 계수 차이를 보정하는 열팽창 정합 기능을 요구하고 있다.
세라믹 방열 기판은 기존 플라스틱 기판(PCB)이나 금속 기판(IMS) 기판 대비 고온/절연 특성이 우수하여 대전력에 견딜 수 있고, 실리콘(Si)과 유사한 열팽창 계수를 보유하고 있어 기판에 직접 칩을 장착할 수 있다는 점, 그리고 금속과 비교될 수 있는 높은 열전도율을 보유하고 있다는 장점으로 대전력 파워 모듈에 가장 적합한 소재로 기대되고 있고 실제로 적용되고 있다. 표2.는 전력 반도체 파워 모듈용 방열기판으로 사용되고 있는 세라믹 기판 종류 및 특성을 보여 주고 있는데 산화물계 세라믹 소재인 알루미나(Al2O3)의 경우 소용량 중심으로 가격적인 장점을 내세워 가장 범용적으로 사용되고 있으나 중대용량 모듈에 적용하기에는 소재적 한계가 있어 고열전도율 특성을 가진 질화알루미늄(AlN) 기판과 열전도율 측면에서는 질화알루미늄(AlN) 대비 열세이나 강도 측면에서 우수한 질화규소(Si3N4)기판에 대한 관심과 수요가 증가하고 있는 추세이다.

 그림1. 전력반도체용 파워 모듈 구조  파워 모듈 사진     

 그림2. 전력반도체용 파워 모듈 구조  파워 모듈 구조

<더 자세한 내용은 세라믹코리아 1월호 참조>

참고 문헌
1. ceramics Japan 41(2006) No.12
2. 월간 표면 실장 기술 2012.9
3. 세라믹과 금속 접합, 세라믹스재료학회지 12월호
4. 21세기를 맞이한 파워디바이스의 전개, 미츠비시 전기기보
5. 파워 모듈 & 방열 기판 보고서, 2012 IMS 보고서

김 재 육
1984년 서울대학교공과대학 요업공학과(학사)
1986년 서울대학교 대학원 무기재료공학과(석사)
1997년 日本東京工業大學 대학원(박사)
1986년~1993년 쌍용양회 중앙연구소
1997년~2000년 쌍용양회 신소재 대구공장
2000년~현재 쌍용머티리얼 대구공장 개발팀장

이 상 돈
1998년 울산대학교공과대학 무기재료공학과(학사)
2001년 울산대학교 대학원 무기재료공학과(석사)
2001년~현재 쌍용머티리얼 대구공장 연구원