Special 첨단소재 및 공정기술 국제표준화 최신 동향(1)

전기차 파워모듈용 고 열전도도 질화규소 소재 및 방열기판의 시험방법과 표준화 현황

김용남_한국산업기술시험원 재료기술센터 센터장

1. 서론

첨단기술의 급속한 발전으로 전자부품이 소형화, 집적화 및 다기능화하면서 구동 시 발생하는 다량의 열을 제어하는 기술이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 발열에 의한 전자부품의 열화는 신뢰성 저하, 수명 단축 등 심각한 문제를 유발할 수 있어 온도를 일정 수준 이하로 유지하기 위해 열을 외부로 방출시키는 것이 매우 중요하다. 특히, 높은 작동 온도에서 많은 열을 발생시키는 고출력 파워모듈의 경우 발열에 의해 오작동, 고장 등이 발생할 수 있다. 이에 발생한 열을 파워모듈의 외부로 빠르게 방출시키는 역할을 함과 동시에 높은 작동 온도와 상온 간의 반복적인 온도 사이클에 의한 열응력에 대해 내구성이 높은 세라믹 방열기판의 중요성이 크게 부각되고 있다.

그림 1. 세라믹 방열기판 및 파워모듈 모식도

  방열기판용 세라믹 소재로는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4) 등이 대표적이며, 근래 들어 고출력 SiC 전력반도체 파워모듈의 신뢰성 문제를 극복할 수 있는 세라믹 방열기판 소재로 질화규소가 크게 주목받고 있다.
  파워모듈용 세라믹 방열기판은 출발원료인 분말 형태의 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화규소 등을 용매, 결합제, 분산제 등과 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 테이프 캐스팅(tape casting) 등의 공정을 통해 그린시트(green sheet) 형태로 성형한다. 원하는 형상 및 크기로 절단 및 가공한 상태에서 그린시트 내 유기물을 제거하는 번아웃(burn-out) 공정과 고온에서의 소결 공정을 거쳐 제조된 세라믹 방열기판에 DBA(Direct Bonded Aluminum), DBC(Direct Bonded Copper), AMB(Active Metal Brazing) 등 금속판을 접합시킴으로써 파워모듈용 회로기판(또는 금속접합 방열기판)이 된다.

그림 2. 세라믹 방열기판 제조공정

그림 3. 질화규소 방열기판 밸류체인

  특히 근래에 급속히 보급되고 있는 전기차의 고출력 전력반도체 파워모듈에서 고신뢰성을 확보하기 위해 방열 특성이 우수한 세라믹 방열기판 소재가 필수적이며, 국내에서도 열전도도 및 기계적 물성을 향상시킨 세라믹 방열기판에 대한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 본 기고문에서는 전기차의 파워모듈 등에 적용되는 고 열전도도 질화규소 소재와 방열기판의 기술개발에 있어서 요구되는 주요 시험평가 항목 그리고 관련 핵심 표준의 동향 및 트렌드를 소개하고자 한다.

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