Jeong-Hyun Lee, Do-hyun Jung1,Seung-jin Oh2, andJae-Pil Jung†
Department of Materials Science and Engineering, University of Seoul, 163, Seoulsiripdae-ro, Dongdaemun-gu, Seoul 02504, Korea
1Lightweight Materials Technology Center, Gyeongbuk Technopark, 27, Sampung-ro, Gyeongsan-si, Gyeongsangbuk-do 38542, Korea
2Duksan Hi-Metal Co. Ltd, 66, Muryong 1-ro, Buk-gu, Ulsan 44252, Korea (Received December 12, 2018: Corrected December 19, 2018: Accepted December 28, 2018)
Abstract: Recently, electric semiconductors became an issue because of efficient use of energy and compaction of electronics. Silicon electric semiconductors are difficult to put into it because of its physical limitations. Hence, the study of WBG (Wideband Gap) semiconductors like SiC and GaN began. These devices received attention because it can be miniaturized and worked at high temperatures over 300oC. WBG MOSFET electric semiconductors can show performance like silicon IGBT. This can solve the current problem of IGBT tail. The current study shows the technical principles and issues related to SiC and GaN power semiconductors. WBG devices can achieve high performance compared to silicon, but its performance can’t be fully utilized because of lack in bonding technology. Therefore, this review introduces research on WBG devices and their packaging issues.
Keywords: WBG, SiC, GaN, Power semiconductor, Power module
1. 서 론
전기자동차, 자율주행차 등 자동차 산업에서 큰 이슈로 서 발전되어 온 기술들과, 모바일 기기의 소형화 등 모바 일 전자 산업에서 비롯되는 기술들의 발전은 전력반도체 의 고성능, 고효율화 및 소형화를 필요로 하고 있는 추세 이다. 기존 실리콘 반도체의 한계로 인해 새로운 소재와 이에 맞는 패키징기술이 필요해지고, 높은 전압, 전류, 온 도 등의 환경에서 사용가능한 전력반도체를 제작하기 위 해 다양한 연구활동이 진행되고 있다. 현재 가장 많이 사 용되는 전력반도체는 금속산화막 반도체 전계효과 트랜 지스터(MOSFET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)와 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT;
Insulated Gate Bipolar Transistor)이다. IGBT는 Fig. 1과 같 이 입력부를 MOSFET 구조, 출력부를 바이폴라 접합 트 랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor) 구조로 만든 복 합 디바이스로, 두 디바이스의 장점이 결합된 것이다.
IGBT가 개발되면서 매년 소자의 전류밀도 특성이 향
상되어 전력반도체 특성이 비약적으로 발전하였지만, 기 존 실리콘 소자의 물리적인 한계로 인해 WBG (Wide Band Gab) 전력반도체 기술이 개발되고 있다. WBG 소 자는 우수한 기계적 성질뿐만 아니라 소형화까지 가능하 게 되어 차세대 전력반도체의 핵심기술로 자리잡고 있다.
현재 활발히 연구되고 있는 대표적인 WBG 전력반도체 소재로는 SiC (Silicon Carbide)와 GaN (Gallium Nitride)이 있다. WBG소자의 큰 밴드갭은 높은 전압에서의 사용을, 높은 열전도도는 고온 환경에서 사용을, 높은 캐리어 농 도와 전자이동도는 높은 스위치 주파수 동작을 가능하게 한다.1) 뛰어난 물성, 제작 기술, 제조공정의 용이성 등의 이유로 SiC가 타 재료들과 비교하여 주목받고 있으나, 600 V급의 GaN 다이오드가 출시되는 등 GaN에 대한 활 발한 연구개발이 진행되면서 SiC와 경쟁을 시작하고 있다.
전기 자동차, 신재생 에너지 기술의 발전으로 고온, 다 습, 고전압 등 가혹한 환경에서의 에너지 사용이 중요해 지면서 이 분야에서 반드시 필요한 전력반도체의 성능 역 시 중요해지고 있다. 특히 IGBT의 경우 가전과 산업 광
†Corresponding author E-mail: [email protected]
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범위한 영역에서 사용되고 있어서 시장의 성장세가 꾸준 히 지속될 것이다. Fig. 2는 국내외 시장의 전력반도체 소 자 시장을 보여주고 있다. 전력반도체 시장의 성장과 함 께 WBG 소자 반도체의 중요성도 함께 증가할 것으로 예 상된다. 따라서 본고에서는 WBG 반도체의 특성과 함께 최신 동향과 함께 관련 이슈들을 소개하고자 한다.
2. WBG 전력반도체의 특성
기존 Si 기반 전력반도체 소자 대비 WBG 소자는 고온, 고전압 환경에서 사용이 가능하며 소형화가 가능하다.2) 실리콘 소자의 최대 사용온도는 약 150oC인데 반해서, WBG 소자는 큰 밴드갭으로 인해 이보다 높은 온도에서 작동이 가능하다. 항복전압 또한 높기 때문에 고전압이 요구되는 것에도 사용 가능하다는 장점이 있다. Fig. 3은 현재 WBG 소자로 연구 중인 SiC와 GaN의 Si 대비 성능 을 보여주고 있다.
2.1. SiC 전력반도체
SiC는 현재 가장 많은 연구가 진행되어 있는 WBG 소 자이며, 상용화가 진행 중이다. UPS (Uninterruptible Power Supply), power supply, PV (Photovoltaic), EV (Electric Vehicle)/HEV (Hybrid Electric Vehicle), rail 등 다양한 분 야에 사용 가능하다. SiC는 실리콘과 비교하여 높은 항복 전압을 지니며, 손실이 적고, 우수한 열방출 성능을 가진 재료이다. 또한, 4H-SiC의 에너지 밴드갭은 3.26 eV로 1.12 eV인 Si 대비 3배가 크다. 반도체 소자는 고온이 되 면 누설전류로 인한 손실이 증가하며, 더욱 고온이 되면 캐리어의 농도가 불순물 농도를 넘어서 동작특성이 상실 된다. SiC의 경우 에너지밴드갭이 크기 때문에 Si 소자의 최대 사용온도인 150oC보다 2배 이상 높은 약 400oC까지 에서도 사용이 가능하게 된다.3)사용온도가 높아지게 되 면 온도에 따른 배치를 고려하지 않아도 되며, 전력변환 모듈의 냉각시스템을 없애거나 그 크기를 줄일 수 있다 는 장점이 생긴다.4) 이로 인하여, 가혹한 환경에 노출되 는 자동차의 경우 설계 및 사용이 매우 유리해진다.
Fig. 1. Structure of power devices.1)
Fig. 2. Market of power semiconductor.3) Fig. 3. Comparison of Si, SiC and GaN.4)
홀(hole)을 드리프트 층 내에 주입하여 MOSFET보다 on 저항이 작지만, 홀의 축적으로 인해 turn-off 시 tail 전류 가 발생하여 스위칭 손실이 커지는 단점이 있다. SiC를 사용하게 되면 Si IGBT보다 낮은 on 저항을 나타내므로 고내압과 낮은 on 저항을 동시에 실현시킬 수 있으며, MOSFET은 tail 전류가 발생하지 않으므로 스위칭 손실 까지 줄일 수 있게 된다. 낮은 on 저항을 갖는다는 것은 소자의 크기를 작게 만들 수 있다는 것을 뜻하기도 한다.
이로 인해 집적화와 소형화가 가능해지며, 스위칭 속도 또한 빨라지게 된다.
2.2. GaN 전력반도체
SiC와 견주어 GaN 또한 높은 물리적 성능을 지닌 것을 Fig. 3을 통해 알 수 있다. GaN는 SiC보다 높은 절연파괴 전계를 보유하여 낮은 on 저항 특성을 가지고 있으며, 소 형화가 가능하고, 디바이스 동작에 따른 스위칭 손실 및 소비전력 최소화의 장점을 지니고 있다. GaN의 에너지 밴드갭은 3.4 eV로 SiC보다 밴드갭이 크다. 이로 인해 고 온·고출력 동작이 가능해진다. 이러한 부분은 SiC보다 더 욱 뛰어난 물성을 보여줄 수 있지만, 상용화가 이루어지 지는 못하였다. 이는 높은 가격과 낮은 제작 기술, 그리 고 낮은 열전전도가 그 이유들이다. GaN의 열전도도는 1.3 W·K/cm으로, 4.9 W·K/cm인 SiC 소자와 비교하여 현 저히 낮을 뿐만 아니라, 1.5 W·K/cm인 실리콘보다 낮은 열전도도를 갖는다. 낮은 열전도율은 다이에서 발생되는 열 방출을 방해하여 열적손상을 유발할 수 있다. 이러한 단점을 보유하고 있지만, 뛰어난 물성으로 인해 고출력 및 고온 전자 장치(THE; High Temperature Electronics) 부 분에서는 SiC와 견줄 수 있는 소자이다.5)
3. 전력반도체의 기술 동향
3.1. SiC 전력반도체
SiC MOSFET은 난이도가 매우 높은 기술로 1990년대 에 연구가 시작되었지만, 2010년대에 시장에 진입할 수 있는 사양을 갖추었다. SiC MOSFET의 상용화가 어려 웠던 이유는 게이트 산화막의 품질 문제에 기인한다. SiC 는 열산화공정에서 게이트 산화막과 계면에 탄소 클러 스터, 나노결정입자 등의 형성으로 인해 결함이 자주 발
생한다.6-8) 질화처리를 통해 탄소클러스트를 제거할 수 있
자로 주로 사용되고 있다. 현재 국내에는 아직 SiC 상용 화가 부족한 상태로 주로 외국산 소자를 사용하고 있다.
포스코, LG, SK 등 다양한 국내 기업들이 SiC 소자 연구 개발에 착수하고 있어 가까운 시일 내에 상용화가 가능 해질 것으로 예상된다.
2002년 최초로 300 V 급의 SiC 다이오드가 시장에 판 매되기 시작하였으며, 현재는 600 V, 1,200 V, 1,700 V 급 의 SiC 다이오드가 판매되고 있다. ROHM과 Infineon, Cree가 SiC 다이오드를 제작하는 대표적인 기업이다.
ROHM은 역방향 surge 특성이 향상된 이종접합 다이오 드를 개발하여 신뢰성을 높였으며, IGBT 모듈 대비 스위 칭 손실을 77% 감소시킬 수 있는 1,200 V-300 A의 대전 력용 파워모듈을 개발하기도 하였다. Infineon은 열전도 특성이 우수한 adhesive를 이용하여 칩의 크기를 줄이 고, 얇은 기판을 제작하여 내열성이 우수한 제품을 제작 하였다.14)
미국 Cree는 최초로 1,700 V-20 A급의 SiC 쇼트키 다이 오드를 개발하였다. 2009년에는 항공기용 테스트에서 안 정성과 효율성을 검증받은 1,200 V-100 A급 대전력용 전 력반도체를 개발하였다. 뿐만 아니라 최초로 900 V 다이 오드를 개발하여, 25oC에서 65 mΩ, 150oC에서 90 mΩ 정 도로 낮은 on 저항을 지니고 있다. 실제 전력반도체 전체 시장에서는 900 V 이하의 응용분야가 약 80%를 차지하 고 있기 때문에 시장공략까지 노릴 수 있는 제품이다.
Cree사는 1,000시간 이상 AC test에서 문턱전압의 변화가 0.1 V 이하일 정도로 높은 기술력과 신뢰성을 보유하고 있다. 또한, SiC 기반의 전력반도체 평가를 위해 1 kW급 의 DC-DC 컨버터를 제작 후 주파수, 전압 및 전류의 변 화를 측정하여 기존의 Si기반 전력반도체와 비교 분석하 였다. 그 결과, 저전압과 고전압 전영역에서 SiC MOSFET 가 Turn-on/off 특성이 Si MOSFET보다 우수한 결과를 나 타내었다.15)
최근 자동차 분야에서 전력반도체의 중요성이 커지면 서 WBG 전력반도체에 대한 활발한 연구가 진행되고 있 다. 도요타 자동차는 Fig. 4에서처럼 자동차의 PCU (Power Control Unit)에 1,200 V의 실리콘 전력반도체를 적용할 때 생기는 급격한 발열 증기와 온-오프 스위칭 시 tail current로 인한 전력 손실 문제를 해결하기 위해 SiC 전력반도체 관련 연구를 진행하고 있다. PCU를 제작할 때 SiC 소자를 이용하면 기존 실리콘 소자를 이용할 때
와 비교하여 부피를 약 80% 정도 줄일 수 있게 된다.
ROHM은 최근 전기자동차 경주에 참여하는 팀에 full SiC 파워 모듈을 제공하여, Fig. 5와 같이 기존 인버터 대비 43% 소형화와 6 kg의 경향화를 실현할 정도의 높은 기술 력을 보여주었다.15)국내에서는 현대자동차가 독자적으로 100 V-100 A SiC MOSFET 제품의 설계를 진행하였다. 또 한 1,200 V-100 A SiC MOSFET 생산을 준비 중에 있기도 하다.
3.2. GaN 전력반도체
제작기술, 가격 등 다양한 문제가 있지만 SiC 전력반도 체와 비교했을때 더욱 향상된 물성을 구현할 수 있는 장 점을 지니고 있기 때문에 GaN 디바이스에 대한 연구활 동이 더욱 활발해지고 있다. Sanken, Toyota, Panasonic 등 높은 기술력을 보유하고 있는 해외 기업들이 개발을 시 작하면서 GaN 전력반도체 기술력이 빠르게 높아지고 있 다. 미국 EPC사는 최초로 GaN FET (Field Effect Transistor) 을 상용화하였다. Cree사는 피크 전계강도를 줄이기 위한 field-plate 기술을 개발하였다. SiC 대비 시장 형성이 크 지 않지만, EPC가 200 V 급 GaN-on-Si 전력소자를 판매
하고 있으며, GaN system사는 1,200 V급과 600 V급 GaN- on-SiC 소자를 출시할 정로도 기술력은 확보가 되고 있 다. Transphorm사는 600 V급 GaN 캐스코드형 FET를 개 발하였으며, HV (High Voltage) GaN FET와 LV (Low Voltage) Si MOSFET을 결합하여 제작하였다.16) 일본의 경 우 고전력 및 고주파용 AlGaN/GaN HFET (Heterojunction Field Effect Transistor)를 개발하였다. 이 외에도 영국, 이 탈리아, 프랑스, 독일 등 여러 유럽국가에서 연구개발이 진행되고 있지만 도핑, 항복전압 등 여러 문제가 있어서 지속적인 연구개발이 필요한 실정이다.
4. 전력반도체의 신뢰성
신뢰성이란 일정 기간 동안 요구되는 품질이 만족되는 것을 의미한다. 신재생 에너지, 자동차와 같은 차세대 산 업분야에서 전력반도체의 중요성이 각광받고 있는 만큼 높은 신뢰성을 만족해야 하는 실정이다. 반도체의 신뢰 성은 반도체 칩과 패키징 레벨로 구분된다. WBG 소자의 경우 실리콘 대비 불안정한 구조를 가지고 있어서 칩 (chip)의 신뢰성 문제가 있었지만, 지속적인 연구로 인해 Fig. 4. Comparison of power loss.18)
Fig. 5. Comparison of ROHM inverter and existing inverter.19)
구된다. 전력반도체 접합부에는 우수한 기계적 강도, 열 전도성, 내열성, 내습성과 같은 신뢰성이 요구된다. 칩 자 체의 사용 가능 전압과 전류가 높아도 패키징의 성능이 낮으면 허용 전력, 전류가 낮아지기 때문에 접합부의 신 뢰성이 매우 중요해진다. 전력반도체의 접합은 이종재료 접합으로 soldering 및 brazing, sintering 등 다양한 방법으 로 접합이 이루어지고 있다.
접합부에서 가장 큰 문제점이 되는 것은 접합하려는 물 질과 솔더 간의 열팽창계수(CTE; coefficient of thermal expansion) 차이이다. 고온 혹은 온도가 반복적으로 변화 하는 환경에서 전력반도체를 사용하는 경우 이종 소재의 열팽창계수 차이로 인해 접합부는 피로 스트레스가 누적 되면서 크랙이나 박리가 일어나게 된다. 크랙이나 박리가 형성되어 있는 경우에는 접합부의 열전도도가 낮아지면 서 결함의 크기가 더욱 빠르게 커지게 되고 결국 고장의 원인이 된다. 따라서 패키징 신뢰성을 높이기 위해서는 열팽창계수 차이를 극복할 수 있는 기술이 요구된다.
기존 전력반도체에 사용하던 Sn-Ag-Cu 솔더의 경우 고 온 신뢰성이 떨어져 150oC 이상에서 사용이 어렵다. 이러 한 문제를 해결하기 위해 개발되고 있는 기술이 Ag 소결 과 TLP (Transient Liquid Phase diffusion bonding)이다. 금 속 분말을 사용하여 접합하는 경우 융점보다 낮은 온도 에서 소결이 가능하고, 접합 후의 융점은 상승하기 때문 에 작동온도가 높아진다. 또한 고온, 고압이 가해지면 소 결 시 충전되지 않았던 공간이 충전지면서 접합부 성능
있다. 가하는 압력이 높을수록 더욱 치밀한 층을 형성할 수 있으며, 이를 Fig. 6에 나타내었다.19) 압력을 가하면 접 합 시간이 짧다는 장점이 있으나, 압력으로 인해 칩이 손 상될 수 있는 위험이 있다. 이러한 위험을 제거하기 위해 무가압 접합법이 연구되고 있다.
무가압 접합의 경우 가압접합 대비 소결 온도가 높아 지고, 소결 시간이 길어진다는 문제점이 있다. 가압 접합 의 경우 10분 이내로 접합이 가능하지만, 무가압 접합의 경우 몇시간 단위의 접합 시간이 요구된다. 한 연구에서 는 나노 Ag 페이스트를 이용하여 Cu die를 2시간동안 무 가압 접합했을때 전단 강도가 약 20 MPa까지 증가하는 것을 확인하였다.20) 접합 시간이 늘어나면 생산성, 공정 단가 등에 불리하기 때문에 이를 줄이기 위한 다양한 연 구개발이 진행 중이다. 최근에는 Ag의 높은 단가를 해결 하기 위해 Cu의 소결 방법을 연구 중에 있으나, Cu의 산 화 문제로 Ag만큼의 성능을 구현하기는 힘든 실정이다.21) Ag 소결의 높은 성능에도 불구하고 너무 높은 단가로 인해 산업에서 실제 적용에 많은 어려움을 겪고 있다. 이 를 해결하기 위해 개발 중인 것이 TLP 접합이다. Sn-Cu, Sn-Ni과 같은 재료를 사용하여 Ag 소결 대비 소재의 단 가를 낮출 수 있다. 그러나 이종 재료가 늘어나고, 접합 후 금속간 화합물(IMC; Inert Metallic Compound)의 형성 으로 열팽창계수 차이가 발생하여 물성이 감소하는 문제 가 발생한다. 특히 금속간 화합물의 경우 취성이 있고 열 팽창계수가 낮아서, 금속상과의 계면에서 크랙이 발생이
Fig. 6. SEM images of sintered Ag joint using Ag particle paste.23)
용이하게 된다. 이로 인해 고온 신뢰성이 현저히 떨어져 실제 산업 적용에 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 Ag, Au와 같이 반응성이 낮은 귀금속을 첨가하여 금속간 화 합물의 성장을 제어하는 기술의 연구가 진행 중이지만, 이 또한 공정 단가의 문제로 실제 산업 적용에 어려움이 존재한다.22,23)
성능적인 면에서 Ag 소결이 가능성이 가장 높은 기술 로 주목되고 있다. 그러나 Ag 자체의 가격이 큰 걸림돌이 되기 때문에 저렴한 단가의 새로운 소재를 이용한 접합 방법을 개발해야 한다. 단가를 낮추기 위해서는 Cu 소결 의 산화 문제를 유기 화합물 개발을 통해, 혹은 TLP 접합 시 금속간 화합물의 성장을 억제하기 위한 기술을 개발하 는 방법이 있지만, 현재 WBG 소자의 발전과 전력반도체 수요 속도에 맞추는 것은 빠른 시일 내에는 어려울 것으 로 보인다.
5. WBG 소자의 전망
현재는 국내 전력반도체 기술의 부족으로 대부분을 일 본, 미국 등 해외 수입에 의존하고 있다. 그러나 최근 국 내 최초로 파워테크닉스에서 SiC 파워반도체 양산을 시 작하였다. 파워테크닉스는 한국전기연구원(KERI)이 개 발한 SiC 전력 반도체 기술을 이전 받아 양산을 시작할 수 있게 되었다. 이로 인하여 90% 이상을 해외에 의존하 던 SiC 전력반도체 시장에 변화가 일어날 것으로 예측되 고 있다. 전력반도체 시장은 2018년 기준 세계시장은 약 207억달러로 추정되며, 연간 8% 정도 성장할 것으로 예 측된다. 특히 전기차 및 하이브리드차, 신재생 에너지 등 의 차세대 산업이 발전하고 효율적인 에너지 사용이 증 가하면서 이 성장율은 더 커질 것으로 예상된다. 현재 한 국전기연기원, 한국전자통신연구원, 한국나노기술원 등 다양한 국내 연구기업이 원천 기술 확보에 노력하고 있 어서, SiC 전력반도체의 빠른 국내 상용화가 이루어질 것 으로 예상된다.
SiC 대비 GaN의 시장이 크지 않은 편이다. 이온 주입, 항복전압 등의 다양한 기술적인 문제가 잔존하고 있어서 제품 개발에 어려움을 겪고 있다. 뿐만 아니라 제조공법 상 대구경화는 난제로 자리잡고 있어서, 단기간 내의 해 결은 다소 어려울 것으로 보인다. 그러나 SiC보다 좋은 성능 구현이 가능하여 개발 가치는 충분해 보인다. 현재 시장에서는 600 V 이하 급에서 GaN이, 600 V 이상 급에 서는 SiC가 두각을 나타내는 경향이 있다. 그러나 미국 Avogy 사에서 1,700 V 급의 GaN-on-GaN 소자를 발표하 여 대전력용 전력반도체에 사용 가능성을 보여주기도 하 였다.24) GaN 기판 제작 기술을 해결하면 SiC 소자와 견 줄 수 있는 가능성을 지니고 있는 것으로 판단되지만, 기 술의 어려움으로 인하여 빠른 시일 내에 국산화는 어려 움이 있을 것으로 사료된다.
6. 결 론
최근 차세대 전자산업의 빠른 성장으로 전력반도체의 수요 증가와 발전이 이루어지고 있다. 효율적인 에너지 사용과 전력 반도체의 소형화 등 다양한 이슈가 생겨나 면서 이를 충족시킬 수 있는 WBG 소자와 전력반도체 디 바이스의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 국내 자동차 기업들이 전기자동차와 자율주행자동차 개발에 많은 투 자를 하고 있는 상황에서 전력반도체 관련 투자도 진행 중이지만, 국내의 기술력 부족으로 해외 의존도가 높은 실정이었다. 그러나 최근 국내 SiC 양산이 성공하면서 국 산화의 기초가 마련이 되고 있다. SiC, GaN, 다이아몬드 등 다양한 WBG 소자 중 기판 제작 기술, 단가 등 복합적 인 문제들을 고려해 보았을 때 상용화에 가장 가까운 것 은 SiC 디바이스라고 판단된다. 현재 국내에서도 다양한 기업들이 SiC 기반 전력반도체에 대한 연구 개발을 진행 하고 있어서, 이에 관한 성장이 기대되고 있다. 해결이 필 요한 과제는 전력반도체 소자 성능에 맞는 패키징 기술 이라고 할 수 있다. 가혹한 환경에서 패키징의 신뢰성은 결국 제품 전반의 신뢰성에 영향을 미치기 때문이다. 전 력반도체 소자의 패키징에서 Ag 소결법은 높은 성능을 구현할 수 있지만, 단가 문제 해결을 위해 Cu 소결법 혹 은 TLP 접합법의 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
This work was supported by the Energy Efficiency &
Resources Core Technology Program of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) and was granted financial resource from the Ministry of Trade, Industry
& Energy, Republic of Korea (No. 20172020109280).
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• 이정현
• 서울시립대학교 신소재공학과
• TLP접합, 전자패키징, 전해도금
• E-mail: [email protected]
• 정도현
• 경북테크노파크 경량소재융복합기술센터
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• 오승진
• 덕산하이메탈㈜
• 솔더링, 전해도금
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• 정재필
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