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Nikkei X-TECH_2023.6.20

Si 파워반도체에서 각광받는 RC-IGBT
자동차나 가전의 소형화 수요

차세대 파워반도체로 꼽히는 실리콘 카바이드(SiC)는 전기자동차(EV)용으로 향후 보급되겠지만 당분간은 실리콘(Si) 파워반도체가 시장의 대부분을 차지할 것이다. 그 Si 파워반도체에서 각광받고 있는 것이 ‘RC-IGBT’다. 자동차나 민생기기에서 채택이 점점 증가하고 있다. 앞으로는 구경 300mm로 큰 Si 웨이퍼 양산이 본격화되고, RC-IGBT를 염가로 입수하기 쉬워진다.

RC-IGBT란 IGBT에 다이오드를 집적해 하나의 칩으로 ‘1칩화’한 것으로, ‘역유도형 절연 게이트 양극성 트랜지스터’라고 불린다. 인버터나 컨버터 등의 전력 변환 회로에서는 IGBT와 같은 트랜지스터와 다이오드를 세트로 이용한다. 이들을 1칩화함으로써 각각을 별도로 준비하는 경우에 비해 파워반도체소자(파워소자)의 칩면적이나 비용을 절감할 수 있다는 특징이 있다.

칩면적을 줄일 수 있는 것은 열저항이 낮아지기 때문이다. IGBT 영역에서의 발열은 다이오드 영역으로, 다이오드 영역에서의 발열은 IGBT 영역으로 확산된다. 즉, 방열 면적이 커지므로 열저항이 낮아지고, 파워소자의 온도가 상승하기 어려운 만큼 칩면적을 축소할 수 있다.

아울러 구현하는 파워소자(칩)의 수가 줄어들기 때문에 비용도 줄일 수 있다. 이러한 특징으로 인해, RC-IGBT는 파워 모듈(파워소자를 탑재한 모듈)에서 특히 소형화나 비용 저감이 강하게 요구되는 자동차나 민생기기에서 채택이 확대되고 있다.

-- 일본 기업이 RC-IGBT에서 앞서다 --
강점을 발휘하고 있는 것은 일본 기업이다. 차량용 파워 모듈은 후지전기가, 백색가전용은 미쓰비시전기가 강하다.

후지전기가 강한 이유는 발빠르게 차량탑재 RC-IGBT 개발에 주력해 왔기 때문이다. 단독 개발뿐만 아니라 덴소와 공동 개발도 추진하고 있다. 후지전기는 공개하지 않았지만 도요타자동차 등 일본 자동차업체들이 메인 모터 구동용 인버터에 후지전기의 RC-IGBT 모듈을 채택하고 있다.

향후 후지전기는 차량탑재 RC-IGBT 모듈의 라인업을 확대한다. 지금까지는 주로 중대형차나 고급 차량용이었지만 소형차나 대중차용을 강화해 나간다. 23년 5월에 개최된 파워반도체 업계의 세계 최대 전시회 ‘PCIM Europe 2023’에서 그 개발품을 선보였다. 같은 달에 개최한 사업방침 설명회에서는 25년도 이후에 순차적으로 제품화해 나갈 방침을 공개했다.

자동차 이외에도 RC-IGBT를 판매한다. 산업기기나 재생에너지 등에서 이용하는 산업용 파워 모듈에 RC-IGBT를 탑재하고 있다.

한편 미쓰비시전기는 백색가전 등 민생기기용 파워 모듈에 RC-IGBT를 탑재해 왔다. 미쓰비시전기는 이 분야에서 강하다. 제어IC까지 내장한 ‘IPM(Intelligent Power Module)’은 민생기기용 파워 모듈의 대명사다. 앞으로는 민생기기용뿐만 아니라 차량탑재 파워 모듈에도 적극적으로 RC-IGBT를 채택한다.

이외에도 차량용 반도체 제조사 르네사스 일렉트로닉스와 롬(ROHM), 도시바 등이 RC-IGBT와 관련된 특허를 출원했다.

-- RC-IGBT를 300mm 웨이퍼로 양산 --
300mm 웨이퍼 양산도 진행한다. 현재는 IGBT를 200mm 웨이퍼로 제조하는 것이 주류지만 해외 기업을 중심으로 300mm 웨이퍼로 제조하기 시작했다.

일본 업체들은 300mm 웨이퍼 제조에서는 뒤처지지만 RC-IGBT의 양산에서는 오히려 앞서고 있다. 예를 들면, 덴소는 유나이티드 세미컨덕터 재팬(USJC, 요코하마시)에 IGBT의 제조를 위탁하고 있으며, 2023년 5월에 300mm 웨이퍼 라인에서 제조한 RC-IGBT를 출하하기 시작했다. USJC는 파운드리(위탁생산) 기업인 대만 UMC의 자회사이다.

이번에 덴소와 USJC가 공동으로 USJC 미에공장에 신설한 라인에서 제조했다. 25년에는 월 1만장 생산을 목표로 한다.

미쓰비시전기도 2024년에 가동 예정인 300mm 웨이퍼 라인에서 RC-IGBT를 제조한다. 자동차와 민생기기용이다.

RC-IGBT의 존재감이 높아지고는 있지만 일반적인 IGBT를 모두 대체하는 것은 아니다. 어디까지나 소형화나 저비용화를 우선하는 용도가 중심이다. 예를 들면, EV에서는 SiC가 주로 대형차나 고급차, RC-IGBT가 주로 소형차나 대중차에 이용될 전망이다. 중형차 등 경계가 되는 카테고리에서는 SiC와 RC-IGBT가 모두 사용된다.

그래서 자동차업체가 이용하기 쉽도록 동일 패키지로 SiC MOSFET(금속 산화막 반도체 전기장 효과 트랜지스터)와 RC-IGBT의 어느 쪽이든 탑재할 수 있는 차량탑재 파워 모듈을 파워반도체 대기업이 개발하고 있다.

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