전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2025.8 (P28~29)

도시바, SiC 파워 반도체 모듈에 수지 절연 기판을 적용하는 기술 개발
소형 칩을 분산 배치해 냉각 장치의 부피를 60% 소형화

도시바가 SiC(탄화규소) 파워 반도체 모듈에 수지 절연 기판을 적용하는 기술을 개발했다. 자사의 인공지능(AI)을 이용한 계산을 기반으로 작은 면적의 반도체 칩을 SiC 파워 반도체 모듈 내에 분산 배치. 반도체 칩이 탑재된 기판으로 열전도율이 비교적 낮은 수지 절연 기판을 사용해 냉각 성능을 높였다.

수지 절연 기판은 현행의 세라믹 절연 기판을 사용하는 경우와 비교해 장수명화와 코스트 절감을 기대할 수 있다. 또한, 반도체 칩의 분산 배치에 의해 냉각의 용이성도 향상된다. 도시바가 제작한 시제품에서는 수지 절연 기판 사용을 통해 열 저항과 기생 저항(Parasitic Resistance), 스위칭 손실을 각각 20% 정도 낮출 수 있었다고 한다.

또한, SiC 인버터를 구성하는 경우, 세라믹 절연 기판을 사용하는 동일한 정격의 제품에 비해 냉각 팬과 금속제 히트싱크(방열판)로 구성된 냉각 장치의 부피를 60% 정도 줄일 수 있다는 시산도 얻을 수 있었다. 냉각이 용이할 경우, 단위면적당 처리할 수 있는 전력의 크기인 '전력밀도'도 늘릴 수 있을 여지가 있다.

“파워 사이클 내량(열 스트레스에 의한 수명)을 향상시키면서 동시에 소형화도 추구하고 싶었다”. 도시바 종합연구소첨단디바이스R&D센터의 오하시(大橋) 전자디바이스연구부 스페셜리스트는 이번 기술 개발의 배경에 대해 이렇게 말한다.

복수 칩으로 구성된 파워 반도체 모듈 기판으로는 질화알루미늄이나 산화알루미늄(알루미나)과 같은 세라믹 절연 기판이 널리 사용되고 있다. 반도체 칩에서 발생한 열은 이 기판을 경유해 냉각용 히트싱크로 전달된다. 따라서 냉각 성능을 높여 전력 손실을 줄이기 위해서는 이 기판이나 그 주변의 열 저항을 줄이는 것이 중요하다.

도시바에 따르면, 절연 기판의 재료로 전술한 세라믹 외에도 향후, 수지 사용을 검토하고 있다. 수지 절연 기판은 비교적 저비용이고 열피로에 강해 수명 연장을 기대할 수 있기 때문이다.

하지만, 수지 절연 기판은 비교적 열전도율이 낮아 열 저항이 높아지기 쉽다고 한다. 그렇기 때문에 SiC 반도체 칩을 기존과 같은 크기나 간격으로 배치하면, 세라믹 절연 기판을 사용하는 경우보다 더 큰 냉각 장치가 필요하게 된다. 그러면 기기 전체의 부피도 대형화되기 때문에 지금까지 사용이 어려웠다.

-- 작은 면적의 칩을 분산 배치 --
도시바 연구진이 주목한 것은 기존보다 작은 면적의 SiC 반도체 칩을 분산 배치하는 방법이다. 큰 면적의 칩을 소수 배치하는 것보다 다수의 작은 면적의 칩을 분산적으로 배치하면 방열 면적은 넓어진다. 그 결과, 열 저항이 줄어 냉각 장치의 소형화로 이어진다.

핵심은 분산 배치 방법이다. 반도체 칩의 수가 늘어나면, 설계 파라미터도 늘어나기 때문에 전기적 특성과 열 특성을 고려한 최적화 계산이 방대해진다.

예를 들면, 각 반도체 칩의 위치나 간격, 구리 패턴의 폭과 같은 설계 파라미터를 어떻게 결정하면 열 저항이나 스위칭 손실, 기생 저항 손실을 줄일 수 있는지 계산할 필요가 있다. “설계 파라미터는 20개 이상 있기 때문에, 사람이 파라미터 간의 트레이드 오프를 고려하면서 결과를 이끌어내는 것은 어렵다”(오하시 스페셜리스트).

그래서 연구진은 도시바가 과거에 개발한 AI 기술 ‘고차원 베이즈 최적화 기술’을 활용했다. 우선 이 기술의 최적화 알고리즘으로 설계 파라미터를 탐색. 그 다음, 그 파라미터를 기반으로 시뮬레이션을 실행해, 각종의 손실이나 열 저항 등을 계산했다. 그리고 필요한 냉각 장치의 크기를 최소화하도록 계산을 반복했다.

이렇게 해서 SiC 인버터의 절연 기판을 세라믹에서 수지로 변경해도 냉각 장치의 부피를 60% 줄이는 결과를 얻을 수 있었다.

구체적인 발매 시기는 미정이지만, 자회사인 도시바디바이스&스토리지(가와사키시)에 의한 제품화를 목표로 검토가 진행되고 있다고 한다. 도시바는 이번 성과를 파워 반도체 국제 학회인 ‘ISPSD 2025’(6월 1~5일, 구마모토시)에서 발표했다.

 -- 끝 –

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