전기전자/정보통신

후지전기기보_2018.12 특집 요약 (p3)

에너지 매니지먼트에 공헌하는 파워반도체

● 파워디바이스와 그를 지원하는 주변 기술
오사카대학 대학원 공학연구과 후나키 쓰요시(舟木 剛) 교수

파워디바이스의 진화는 파워일렉트로닉스의 성능 향상에 있어서 견인 역할을 담당한다. Si 반도체는 결정 성장이나 가공 등 거의 자유자재로 다룰 수 있게 되었으며 이를 이용한 파워디바이스는 그 한계 성능에 점점 가까워지고 있다. 따라서 파워디바이스 개발에 있어서 게임체인지를 일으킬 이노베이션에는 SiC(산화규소)나 GaN(질화갈륨)과 같은 와이드 밴드갭(WBG) 반도체가 필요하다.

신문이나 잡지에서는 Si 반도체를 SiC 등의 와이드 밴드갭 반도체로 바꾸는 것 만으로 손실이 감소한다고 소개하고 있다. 그러나 본질은 기존의 Si 반도체에서는 내압과 도통 손실의 양립을 위해 바이폴라 구조를 채용할 수 밖에 없었던 고전압에서, 파괴 전계 강도가 큰 반도체 재료를 이용함으로써 유니폴라 구조를 채용할 수 있다는 점에 있다.

MOSFET 등의 유니폴라 디바이스는 문턱전압에 의한 손실이 발생하지 않는다. 또한 전도도(電導度) 변조를 이용하지 않기 때문에 스위칭 동작이 빠르고 역회복이나 후미전류에 의한 손실이 발생하지 않는다. 밴드갭의 크기는 고온에서의 내압 유지에 유리하게 작동한다.

고전압 회로에서는 절연 격리 때문에 큰 도체간 거리가 필요해진다. 이는 배선의 기생 인덕턴스를 크게 한다. 고속 스위칭 동작은 회로전류의 시간 변화율과 기생 인덕턴스에 의한 서지전압을 크게 한다. 즉, 회로의 고전압화와 고속 스위칭화 사이에는 트레이드오프가 있다. 트레이드오프를 개선하기 위해서는 복수의 파워디바이스와 회로 요소를 통합한 모듈화가 필요하다.

또한 파워일렉트로닉스시스템에서 큰 체적∙용량을 차지하는 인덕터∙트랜스나 콘덴서 등의 수동 소자를 소형화하기 위해 고주파수에서의 스위칭 동작이 요구된다. MOSFET의 고속 스위칭 동작은 고주파수 스위칭을 가능하게 하지만 MOSFET의 하드 스위칭에서의 고주파수 동작에는 주의가 필요하다. 스위칭 속도가 빠를수록 스위칭 손실은 작아진다고 생각하지만 MOSFET의 턴온 동작에서는 공핍층에 축적된 전하가 채널을 매개로 쇼트가 일어나 손실이 된다. 이것은 스위칭 속도에 상관없이 일정하다. 따라서 하드 스위칭에서는 스위칭 주파수에 비례하여 손실이 증가하기 때문에 스위칭 주파수를 높게 하는 것이 어렵다. 때문에 스위칭 동작의 고주파수화에는 제로 전압 턴온의 소프트 스위칭을 적용할 필요가 있다. 그러나 확실하게 소프트 스위칭 동작을 시키기 위해 전압∙전류를 검출할 필요가 있다. 파워모듈에의 센싱 디바이스의 내장도 필요해진다.

저(低) 기생 인덕턴스를 실현하기 위한 파워모듈의 소형화는 파워디바이스에서의 손실에 의한 발열 밀도의 손실도 되기 때문에 방열이나 내열성의 향상이 필요하다. 파워디바이스의 다이(Die: 반도체 칩)는 모듈 기판 위에 접합되어 전류의 추출 및 방열을 시행한다. 납땜에 의한 다이어태치(Die attach: 반도체 칩을 기판에 접합하는 것)는 열저항이 크지만 모듈 기판 상의 동(銅) 배선과의 선팽창 계수의 차이와 온도 변화에 의한 응력을 완화했었다. 은 등의 소결금속에 의한 접합은 융점과 비교해 프로세스 온도가 낮고, 저열저항을 특징으로 한다. 단, 저열저항화를 실현하기 위한 얇은 접합 층에서의 응력 완화는 어렵다. 접합 강도와 신뢰성을 확보하기 위해서는 접합 프로세스에서 가압이 필요해지는 등 접합과 관련된 과제는 많다.

그리고 고전압 파워모듈의 소형화는 파워모듈 내부의 전계 강도를 높게 한다. 이 때문에 파워디바이스뿐 아니라 절연 기판 재료 및 봉지 재료도 고전계 강도에 대한 내성이 필요해진다. 절연 재료의 경우는 단순히 절연 파괴 강도뿐 아니라 공간전하의 축적이나 고온에서의 체적 저항률 저하 등의 전기적 특성과 함께 보이드 형성을 통한 부분 방전 발생을 피할 필요가 있다. 때문에 봉지 공정에서의 탈포성(脫泡性)이나 기판 재료와의 밀착성과 같은 기계나 화학특성을 동시에 충족하지 않으면 안 된다. 또한 파워모듈의 소형화는 열전도의 면적을 작게 하기 때문에 양면 냉각이나 직접 수냉 등을 이용하여 냉각 성능을 더욱 향상시키는 것도 동시에 요구된다.

이상과 같이 진화하고 있는 파워디바이스의 성능을 충분히 발휘하기 위해서는 동시에 다양한 주변 기술을 개발하여 적용해 나가는 것이 필요하다. 즉, 파워디바이스, 금속∙절연 재료, 열∙기계 등 분야를 초월한 기술과 지식을 융합시키지 않으면 안 된다. 산∙학∙관의 협력도 이러한 시점에서 발전하는 것을 기대하고 있다.

▶목차
특집: 에너지 매니지먼트에 공헌하는 파워반도체

1. [특집을 발간하며] 파워디바이스와 그를 지원하는 주변 기술
2. [현상과 전망] 파워반도체의 현상과 전망
3. 고속 IGBT와 SiC-SBD를 조합한 고속 하이브리드 모듈
4. 제2세대 소용량 IPM 650V/50A, 75A의 계열화
5. xEV용 모터 구동용 온 칩 센서 내장 IGBT 모듈
6. 배전기기용 Trench Gate MOSFET 탑재 3.3kV All-SiC 모듈
7. halo 구조로 높은 문턱전압과 낮은 온저항을 실현한 SiC-MOSFET
8. 시뮬레이터에 의한 IGBT 모듈의 발생 손실∙온도∙수명의 추정
9. 제4세대 임계 모드 PFC 제어 IC ‘FA1B00 시리즈’
10. 650V 디스크리트 IGBT ‘XS 시리즈’
11. 제6.5세대 차량탑재용 고압 센서

-- 보통 논문 --
리튬이온배터리를 채용한 ‘UPS7000HX 시리즈’ ‘UPS6000DX 시리즈’

-- 신제품 소개 논문 --
1. 650V 디스크리트 IGBT ‘XS 시리즈’
2. 제7세대 ‘X 시리즈’ RC-IGBT 모듈 ‘Small-2B’
3. 고속 IGBT와 SiC-SBD를 조합한 고속 하이브리드 모듈

  -- 끝 --