Kwang-Seok Kim, Don-Hyun Choi, and Seung-Boo Jung† (2014년 6월 12일 접수: 2014년 6월 19일 수정: 2014년 6월 19일 게재확정)
Abstract: Technology for high power devices has made impressive progress in increasing the current density of power semiconductor, system module, and design optimization, which realize high power systems with heterogeneous functional integration. Depending on the performance development of high power semiconductor, packaging technology of high power device is urgently required for efficiency improvement of the device. Power device packaging must provide superior thermal management due to high operating temperature of power modules. Here we, therefore, review critical challenges of typical power electronics packaging today including core assembly processes, component materials, and reliability evaluation regulations.
Keywords: Power device packaging, Power electronics, Interconnection, Thermal interface materials, Thermal management
1. 서 론
전세계적으로 환경 오염과 에너지 문제가 이슈화 되면 서 지속가능한 기술이 부각되고 있다. 이에 따라 전력 변 환 및 제어기기 등 반도체 전력용 스위치 역할을 하는 파 워디바이스 분야에서도 에너지 절감용 고효율 전자모듈 개발, 친환경 파워디바이스 기술 등에 대해 미국과 일본, 유럽을 중심으로 많은 연구가 이루어지고 있다.1-3) 일반적 으로 파워디바이스는 신호 및 정보를 처리, 저장하는 시 스템 반도체나 메모리 반도체와 달리 전기에너지의 변환/
제어 처리를 수행하는 반도체 소자로서 전기를 처리하는 모든 전지전자기기(스마트 그리드 가전, 휴대폰, 자동차 등)에 사용되는데, 주로 전력변환(AC → DC), 전력 변압, 전력 효율 최적화(분배, 제어) 등에 사용된다.4, 5) Fig. 1은 스위칭 주파수에 대한 집적 형태와 파워디바이스 기술의 적용 분야를 나타내고 있다.6)
복수의 파워반도체 칩을 응용분야와 특성에 따라 하나 의 패키지로 구성한 것을 파워모듈이라 하며, 구성된 칩 에 따라 사이리스터 모듈, 다이오드 모듈, MOSFET (Metal oxide semiconductor field effect transistor) 모듈, IGBT (Insulated gate bipolar transistor) 모듈 등이 있다.7) IGBT는 파워 MOSFET의 고속스위칭 성능과 전압구동성 능, 그리고 바이폴라 트랜지스터의 고전력 성능을 모두
갖춘 파워디바이스 모듈이나 실리콘 물성으로 인해 기존 모듈의 효율과 소형화가 한계에 이르렀다.8) 이를 극복하 고자 최근에는 화합물반도체 기반 고주파 파워디바이스, 초소형 고내압 정전기 보호 디바이스, 집적형 차세대 파 워디바이스 등의 다양한 기술이 제시되고 있다. 또한 모 바일 전자기기의 활용 증대와 전기자동차 개발 등으로 파 워디바이스의 적용 영역이 확대되고 있으며 에너지 절감 형 절전형 전력소자, 공정, 회로, 모듈 및 시스템 기술 개 발이 더욱 필요한 상황이다.
2. 파워디바이스 패키징 기술
파워반도체 칩의 개발과 함께 파워디바이스 패키징 기 술도 칩의 특성 발현을 위한 기술혁신을 요구하고 있으 며, 열저항 감소나 절연성능의 트레이드오프 개선 등이 패키징 주요 기술 과제로 거론된다.9) 파워모듈 패키지는 단순히 전력 소자를 물리적으로 보호하는 역할뿐만 아니 라 패키지 구조가 가지는 특징을 적극적으로 활용하여 칩 의 성능 향상에 이용하는 추세이며, 파워반도체 칩에서 발생되는 열을 효과적으로 방출, 제어/보호 회로에 대한 노이즈 안정성, 모듈 패키지의 인덕턴스 성분 최소화, 그 리고 시스템의 소형, 경량화를 위한 패키지 크기의 최소 화 등의 특성을 만족해야 한다.10) 따라서 패키지 구성 소
†Corresponding author E-mail: [email protected]
© 2014, The Korean Microelectronics and Packaging Society
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/
licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
재 간의 CTE (Coefficient of thermal expansion) 차이로 유 발될 수 있는 접착력 감소나 크랙 등의 기계적 특성 변화 와 파워디바이스의 열화로 인한 특성 및 효율의 감소현 상 등을 제어하는 것이 중요하다.11, 12) Fig. 2는 일반적인 파워모듈 패키지의 구조를 도식화한 것으로, 알루미나 (Al2O3)나 알루미늄 나이트라이드(AlN)에 300 µm 두께의 구리를 공정반응 접합(Eutectic bonding)이나 AMB (Active metal brazing)로 제조된 DBC (Direct bonded copper) 위에 칩이 솔더 접합되며, base plate의 유무에 따라 2가지 형 태로 구리나 금속합금 재질의 heat sink에 부착된다.1)
Heat sink에 접착 시 주로 silicon이나 non-silicon 오일에 ZnO 분말이 함유된 thermal paste를 사용하며, 상대적으 로 낮은 열전도도(1 W/mK)를 나타내기 때문에 파워 칩 에서 발생하는 열을 heat sink까지 잘 전달하기 위해 가능 한 100 µm 이하의 두께로 에어 갭이 없도록 접착하는 것 이 우수하다고 보고되고 있다.11) Base plate가 없는 모듈 패키지 형태의 경우, 파워디바이스 경량화에 유리하고 우 수한 열충격(Thermal cycling) 특성을 나타내지만 base plate 구조의 모듈에 비하여 낮은 열용량으로 인해 열저 항 특성이 떨어지는 단점이 있다.
현재까지 파워디바이스의 인터커넥션으로는 와이어 본 딩 기술이 주로 적용되고 있다. Fig. 3에서 나타내듯이 초 기에는 와이어 소재로 알루미늄이 많이 사용되었으며, 신 뢰성 문제를 개선하기 위해 패드 면적을 넓힌 알루미늄 리본 본딩 기술이 제안되고 있으나 공정비용이 증가하는 단점이 있다.13) Semikron 사는 200oC의 작동온도에서도 사용가능한 Al-clad Cu 와이어(30 Vol.%Al/70 Vol.% Cu) 를 개발하였으며, Infineon 사의 경우 구리 와이어를 상용 화 하였다.14) 알루미늄의 전기비저항, 열전도도 그리고 CTE(2.7µΩ cm, 220 W/mK, 25 ppm/oC)에 비하여 우수한 구리의 특성(1.7 µΩ cm, 380 W/mK, 16.5 ppm/oC)을 활용 하여 열/전기적 특성을 개선하였다. 와이어 본딩 기술은 간단하면서 공정 속도도 빠른 장점이 있으며 오랜 시간 동안 기술이 보완돼 왔으나, 와이어의 두께나 집적도의 한계, 그리고 와이어와 솔더 소재 간의 열응력 등이 한계 점으로 지적되고 있다. 이와 같은 기술 한계를 극복하기 위하여 2011년 Semikron 사에서는 기존의 와이어 본딩 대신 Ag/Cu/Polyimide 구조의 유연성 호일(Flexible foil) 과 Ag sintering을 활용하여 power cycling 특성을 기존 파 워 모듈에 비해 70배 향상된 새로운 인터커넥션 기술을 선보였다(Fig. 4).15) Infineon 사는 상대적으로 낮은 온도 에서도 접합이 가능한 초음파로 파워 터미널 인터커넥션 을 구현하였다. 초음파 접합은 기존의 와이어 본딩에 비 Fig. 1. 작동주파수에 따른 다양한 파워디바이스의 예7)
Fig. 2. Base plate 유무에 따른 파워모듈의 모식도12)
Fig. 3. 파워 디바이스 인터커넥션을 위한 와이어 본딩 기술13, 14)
하여 낮은 온도에서 접합이 가능하므로 인터커넥션의 기 계적 강도를 개선하고 높은 터미널 전류를 인가하는데 유 리하며, Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 접합 부위가 고르고 안정적이기 때문에 파워칩 동작 시 낮은 작동온도를 나 타낸다.16)
파워디바이스용 다이 본딩(Die attach) 기술은 우수한 열충격 특성, 칩 작동온도, 그리고 저렴한 공정 등을 고 려하여 최근까지 솔더링(Soldering)공정이 널리 사용되고 있다. RoHS와 같은 환경 규제로 인하여 Sn/Ag를 기반으 로 하는 무연솔더 페이스트를 다이 본딩용 소재로 활용하 기도 하지만, 고온의 파워디바이스에 부적합하고 디바이 스 제조 시 여러 번의 열처리 공정에 노출되기 때문에 이 를 극복할 수 있는 다양한 소재 연구가 진행 중에 있다. 예 를 들어, 2010년 Infineon 사는 Fig. 6과 같이 TLP (Transient liquid phase) 접합을 활용하여 칩과 구리 기판 간의 고온 용 공정 솔더링(Eutectic soldering)으로 다이 본딩을 실현 하기도 하였다.17) 저온솔더와 유사하게 칩의 다양한 metallization process와 솔더의 계면에서 Cu-Sn이나 Ni-Sn 계의 금속간화합물을 형성하는데, 이 때 생성된 금속간 화합물은 Sn-Ag계 솔더보다 높은 녹는점을 갖고 우수한
계면 접합력을 나타낸다.17) Sn-Ag계의 경우 Cu3Sn이 676oC, Cu6SN5는 415oC의 녹는점을 가지며, 최종 형성된 Sn-Cu계 솔더의 녹는점은 400oC 이상으로 파워칩의 작동 온도인 200oC 보다 높아 안정적으로 다이 본딩을 할 수 있다. 그러나 솔더링 접합은 파워디바이스의 신뢰성 측 면에서 피로 파괴(Fatigue failure)나 크랙을 유발할 수 있 는 금속간화합물의 취성(Brittleness)으로 인하여 디바이 스의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. Semikron 사는 이러 한 솔더링의 단점을 극복하고자, 은 입자를 250oC 전후 에서 30~40 MPa의 압력을 인가한 상태로 1~2분간 소결 하여 다이를 부착하였다.18) Fig. 7은 솔더링을 사용하지 않은 파워모듈의 구조 모식도와 이를 적용한 실제 DBC 카드를 나타내고 있다. 최근에는 기존의 마이크로 크기 의 은 입자 소결을 대체하는 은 나노입자 소결 본딩 기술 이 주목받고 있다.19) 은 나노입자는 기존의 공정에서 요 구됐던 고압력과 열처리 없이 상온에서 1~5 MPa의 낮은 Fig. 4. Semikron 사의 SKiN technology와 이를 적용한 SKiN half-
ridge 600V, 400A 모듈15)
Fig. 5. 초음파 접합된 구리 인터커넥션16)
Fig. 6. Sn 솔더링과 Cu/Sn계 공정 솔더링의 모식도와 미세조직 이 미지17)
Fig. 7.은 입자 소결을 적용한 다이 부착 공정 모식도와 5"×7"
DBC 카드 및 뛰어난 접착성을 보여주기 위해 말려있는
DBC 카드의 이미지18)
압력으로 파워칩을 본딩할 수 있어, 은 나노입자의 마이 그레이션(Migration) 현상만 극복할 수 있다면 더욱 효율 적이고 저렴한 다이 본딩 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
파워디바이스 패키징에서 방열 설계 기술은 디바이스 의 신뢰성과 직접적으로 연관돼 있기 때문에 매우 중요 하다. 파워디바이스의 구조에서 DBC와 base plate의 어셈 블리, base plate의 냉각 기술, 그리고 고전류/고방열 PCB (Printed circuit board)가 주요 이슈이며 열관리(Thermal management)와 패키지를 구성하는 소재 간의 CTE 매칭 이 요구된다. DBC의 세라믹 소재는 가격적인 측면에서 알루미나(Al2O3)가 많이 사용되며 실리콘의 CTE 2.6 ppm/oC를 고려할 때 실리콘 나이트라이드 (Si3N4)나 AlN가 실리콘의 CTE에 가깝고, AlN의 경우 Al2O3나 Si3N4의 열전도도에 비해 약 7배가 높은 우수한 방열 특 성을 나타낸다(Fig. 8).20) 그 외 알루미늄-실리콘 카바이 드 (Al-SiC) 복합소재도 원소 구성 비율에 따라 높은 열 전도도와 우수한 CTE 매칭을 나타내므로 파워디바이스 용 세라믹 소재로 많이 연구되고 있다.21) Fig. 9는 파워디 바이스 구조의 단순한 열저항 모델을 나타낸 것이다.22, 23) 파워디바이스 패키지에 열저항이 상대적으로 큰 다양한 기생부품이 사용되는 경우 칩에서 발생한 열을 효율적으 로 냉각하지 못하여 파워디바이스의 전류 정격을 제한하 기 때문에, 기존 패키징 소재로 사용하였던 에폭시나 thermal grease 등을 고전도 금속 재료나 기능성 나노소재 로 대체하는 연구가 활발하다. Fig. 10은 다양한 형태의
파워모듈 냉각 패키지를 보여주고 있다.24-26) 이러한 구조 는 넓은 면적의 금속판에 접촉하기 때문에 외부의 물리 적 힘이 가해졌을 때 응력을 분산시키기 유리할 뿐만 아 니라 전기적 기생성분 감소와 우수한 열방산 특성을 나 타낸다. Fig. 11은 PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 공정으로 CNT (Carbon nanotube)를 수 직으로 성장시켜서 구리나 에폭시로 CNT의 방향성을 고 정하고 이를 파워디바이스의 TIM (Thermal interface material)으로 활용한 연구 사례를 나타낸다.27)
고방열 설계의 중요성은 조명용 또는 차량용 고출력 LED (Light-emitting diode) 시스템에도 요구되는데, 고효 율 특성을 구현하기 위해서는 고출력 LED 칩이나 모듈 을 실장할 수 있는 고전류, 고방열성 PCB 개발도 병행돼 야 한다. Fig. 12는 PCB 회로의 두께에 따라 전류로 인해 발생하는 열이 다르며, 파워디바이스의 고전류가 흐를 때
Fig. 9. 파워디바이스 구조에 따른 열저항 모델22, 23)
Fig. 10. 다양한 형태의 파워모듈 냉각 패키징 예24-26)
Fig. 11.파워디바이스용 CNT 기반의 TIM 소재를 활용한 구조 모 식도와 열저항 특성27)
회로에서 생기는 열 방출에 효율적으로 대응하는 것을 보 여준다.28) 예를 들어, 고전류, 고방열 PCB는 Fig. 13과 같 이 metal base PCB와 Cu core PCB로 나눠지는데, 전자의 경우 뛰어난 방열 특성으로 LED 전구나 LCD (Liquid- crystal display) 백라이트, 그리고 자동차 LED 전조등에 활용되며, 후자의 경우는 우수한 열분포, 양면 표면 실장 가능, 그리고 구리 코어를 power/ground 층으로 활용할 수 있어서 자동차 전장부품 실장용 PCB나 CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor) 카메라 모듈 등에 활용할 수 있다. Fig. 14는 고방열성 PCB 회로의 허 용전류에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는데, 일반 수 지 PCB에 비하여 Al base PCB가 동일한 회로 두께에서 더 높은 허용전류를 보여주고 있다.29) Al base PCB는 우
수한 방열 특성을 위해 절연층에 전기가 흐르지 않는 고 열전도성 필러를 사용하여 LED 칩에서 발생한 열이 칩 아래 방향의 열경로(Thermal path)로 빠르게 빠져나갈 수 있도록 구성돼있다(Fig. 15). 단위 무게에 대한 열전도율 은 구리보다 알루미늄이 우수하여 패키지 경량화에 유리 하나, 알루미늄과 칩 간의 CTE 차이로 발생한 열응력에 의해 솔더에 크랙이 발생하기 쉽고, 단면만 실장이 가능 하기 때문에 자동차 ECU 부분과 같이 높은 밀도의 패키 지 부품과 온도 변화가 큰 주변 환경용 부품으로는 적합 하지 않다. Fig. 16은 일반적인 양면 Cu core PCB의 모식 도를 나타낸 것이다. Cu core가 칩에서 발생한 열을 효과 적으로 방출하는 통로이면서 동시에 PCB 내부의 임베딩 된 고전류용 회로로 사용될 수 있다. 현재 Cu core PCB의 기술적 이슈로는 열충격에도 비아 홀 주변부의 크랙 생성 및 단전(Disconnection) 되지 않도록 낮은 CTE와 높은 유 리전이온도를 갖는 소재 개발이 있다. Fig. 17은 TSS 사 의 half etching 공정 모식도와 최종 제조된 구리 회로의 단면도, 그리고 이를 적용한 다층 Cu core PCB 구조의 예 를 나타내고 있다. Half etching 공정으로 제조한 PCB는 기존의 구리 회로 표면적에 비해 넓기 때문에 우수한 열 확산(Heat diffusion)과 열방산 특성을 갖는다.30) 이러한 파워디바이스용 PCB 제조 기술을 통해 기존의 모듈 간 Fig. 12. PCB 회로의 두께와 흐르는 전류에 따른 회로 표면의 온
도 측정값28)
Fig. 13. 고전류, 고방열 PCB의 구조 모식도29)
Fig. 14. PCB base 소재와 회로의 폭에 따른 허용전류 시뮬레이션 결과29)
Fig. 15. Al base PCB의 열경로 모식도와 주요 기술적 이슈
Fig. 16. Cu core PCB의 열경로 모식도와 주요 기술적 이슈
복잡한 케이블 연결(Cable wiring)을 대체하고 좁은 면적 에 다수의 컴포넌트(Component) 집적화를 통하여 PCB의 열제어를 위한 디자인 자유도 확보 및 디바이스 소형화 를 가능하게 하였다. 향후 파워디바이스용 PCB는 다층 구조에서 사용되는 소재 간의 CTE 제어 및 구조 최적화 로 열응력을 최소화하면서 고전류, 고방열, 고주파, 소형 화 그리고 다기능을 만족할 수 있도록 진화할 것이다.
3. 파워디바이스 패키지의 신뢰성 평가 일반적으로 휴대폰과 가전제품에 비하여 파워디바이 스 패키지 부품은 상대적으로 가혹한 환경에 노출되므로 더욱 높은 신뢰성을 요구한다. 파워디바이스 패키지에서 신뢰성 문제를 주로 일으키는 부분은 Fig. 18에서 나타나 듯이 솔더 접합부, 와이어 본딩, 그리고 기판 등과 같은
η : Characteristic life β : Shape parameter t : Time; number of cycles
(1) 식으로부터 hazard 함수로 고장률 수식은
(2)
로 나타낼 수 있다. 고장률은 shape parameter 값에 따라 early failure (β < 1)와, random failure (β = 1), 그리고 wear- out failure (β > 1)로 구분된다. Early failure는 IGBT의 내 재된 결함이나 DBC의 크랙 등에 의해 주로 발생하며 공 정 최적화 및 품질 관리로 개선할 수 있다. 이후 random failure 구간에서는 안정적으로 낮은 고장률을 나타내며, 사용자의 조건이나 환경에 따라 과전압(overvoltage)이나 과전류(overcurrent), 과열(overheat) 등으로 인해 발생할 수 있는 허용 스트레스 초과가 주된 고장의 원인이다. 파 워디바이스 패키지의 신뢰성 평가는 바로 이러한 random failure의 고장률을 줄이고, 새롭게 디자인한 파워모듈의 특성 예측을 위하여 반드시 필요하다. Wear-out failure는 신뢰성 평가로도 예측하기 어려우며 디바이스의 피로 고 장(Fatigue failure)이 대부분이다. IGBT 파워 모듈의 환경 시험과 피로시험은 JEITA 규격 EIAJ ED-4701에 의거해 수행되며 접합부 온도(Junction temperature)는 150oC로 규정하고 있다.
파워디바이스의 신뢰성 평가는 어플리케이션에 따라 그 기준이 달라질 수 있으며, 차량용 반도체의 파워모듈 패키지는 운전자의 생명과 직결되기 때문에 가전용 혹은 산업용 패키지에 비해서 높은 신뢰성을 요구한다(Table 1).
차량용 반도체는 Fig. 20에서 나타나듯이 실장 되는 위치 λ t( ) = (β η⁄ 2) t• β 1–
Fig. 17. (a) 고전류용 PCB 구리 회로의 half etching 공정 모식도, (b) 제조된 구리 단면의 모식도, 그리고 (c) 고전류용 multi- layer PCB의 예30)
Fig. 18. 파워디바이스에서 주로 발생하는 고장 부위31)
Fig. 19.시간에 따른 파워디바이스 패키지의 고장률의 변화 (Source: Fuji Electric Co., Ltd.)
Table 1. 차량용 파워디바이스 신뢰성 기준(Source: 자동차용 반도 체 시장동향 및 기술현황, 전자공학회지 2012. 09)
항목 가전용 반도체 산업용 반도체 차량용 반도체
동작온도 0~40oC -10~70oC -40~155oC
수명 1~3년 5~10년 15년
습도 Low Environment 0~100%
고장률 3% <<1% 0
공급 기간 2년 5년 30년
에 따라 작동 온도 및 노출환경이 다르기 때문에 이를 반 영한 신뢰성 평가 기준이 필요하다. 2011년 11월 차량용 전자시스템에 대한 기능 안정성 규격(ISO26262)이 공표 되었으며 시험 항목과 조건 그리고 검증 방법 등이 상세 하게 규정되어 있다. Automotive Electronics Council (AEC)은 1994년 미국의 GM, Ford, Chrysler가 제안한 인 증 규격으로 일반 전자패키지의 신뢰성 규격인 JESD가 차량용 반도체 평가 규격으로 부족하다 판단하여 AEC- Q100을 발표하였다(Table 2). Fig. 21은 Infineon 사의 Pin- fin Cu base plate 타입 HybridPACK 2 파워모듈을 접합부 온도 150oC로 27,000회의 power cycle (∆T=100oC)과 10,000회의 열충격(∆T=80oC)을 인가하였을 때 IGBT와 다이오드, 그리고 솔더 접합부의 적외선 이미지와 온도 변화를 나타내고 있다. 다이오드에 비하여 IGBT의 손실 이 큼에도 불구하고, 우수한 내열특성으로 인하여 다이 오드와 IGBT의 사이의 온도 차이는 크지 않고, 솔더 접 합부의 평균 온도에 비하여 15oC 정도의 차이가 나는 것 을 보여준다.32)이는 차량용 파워 모듈의 power cycle 특 성이 thermal cycle 동안 접합부의 온도 변화, 전력 손실 등의 영향을 받기 때문에 신뢰성 예측 시 이들을 반드시
고려해야 함을 알 수 있다.33) 4. 결 론
파워디바이스 패키징 기술은 파워모듈의 장시간 성능 발현과 디바이스의 신뢰성을 결정하는 핵심 기술로써 열 적으로 안정한 특성의 소재 연구와 우수한 방열 특성 구 조의 디자인 기술이 필수적이다. 파워디바이스 패키징 요 소 기술로는 인터커넥션, 다이 본딩, 열제어가 핵심 기술 이다. 최근 은 나노입자 소결을 활용한 인터커넥션 형성 및 다이 본딩 기술이나 고온 신뢰성이 우수한 TIM 개발, 그리고 파워디바이스 종류에 적합한 고전류, 고방열의 PCB 소재 및 구조 디자인 등 파워모듈의 성능을 높이고 우수한 신뢰성을 갖는 다양한 패키징 최적화 기술이 제 안되고 있다. 파워 디바이스는 기존의 패키징보다 높은 전 력밀도와 작은 크기에 높은 집적도를 요구하고 있으며, 이 에 따라 파워디바이스의 노출 환경이나 작동 조건 등을 고려한 신뢰성 평가 기준이 필요하다. 파워디바이스의 대 표적 적용분야인 자동차 전장부품의 경우 파워모듈이 작 동하는 환경이 매우 열악하고, 고장 났을 경우 사람의 생 명과 직접적으로 관련되기 때문에 제품의 성능과 신뢰성 측면에서 매우 까다로운 요구조건을 갖는다. 앞으로 전 기자동차 및 연료전지 자동차 부품으로 더 많은 파워디 바이스 패키징 기술이 필요할 것으로 기대되며, 향후 다 양한 어플리케이션에서 파워디바이스 패키징 기술이 더 Fig. 20.자동차용 파워모듈의 실장 위치에 따른 동작 환경(Source:
INEMI automotive PEG)
Table 2. AEC-Q100 신뢰성 시험 규격과 JEDEC 규격의 차이점 (Source: QRT Semiconductor)
항목 AEC-Q100 JEDEC
Power temperature cyle
-40~125oC
1000 cycle Not Required
ESD HBM 1 Zap or 3 Zap 1 Zap
ESD MIM 3 Zap Not Required
ESDFICDM ±750V for corner pin
±500V for other pin ±500V MSL Minimun level 3 Select level 1~6 Elecrical test Room/Hot/Cold Room/Hot ESD HBM(Electrostaic Discharge Human Body Model) ESD MM (Electrostaic Discharge Machine Model)
ESDFICDM (Electrostaic Discharge Charged Device Model) MSL (Moisture Sensitive Level)
Fig. 21. Infineon 사의 차량용 파워디바이스 적외선 이미지와 온도 변화32)
MOSFETs”, Proc. 38th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Orlando, 1036, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2007).
3. R. John, O. Vermesan and R. Bayerer, “High Temperature Power Electronics IGBT Modules for Electrical and Hybrid Vehicles”, Proc. International Conference on High Tempera- ture Electronics (HiTEC), Oxford, 199, International Micro- electronics Assembly and Packaging Society (iMAPS) (2009).
4. Z. Liang, “Status and Trend of Automotive Power Packag- ing”, Prc. 24th International Symposium on Power Semicon- ductor Devices and ICs (ISPSD), Bruges, 325, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2012).
5. M. Bakowski, “Roadmap for SiC power devices”, Journal of Telecommunications and information technology, 3-4, 19 (2000).
6. Y. Liu, “Challenges of Power Electronic Packaging”, in Power Electronic Packaging: Design, Assembly Process, Reliability and Modeling, pp.1-8, Springer Science+Business Media, New York (2012).
7. J. M. Hornberger, E. Cilio, R. M. Schupbach, A. B. Lostetter and H. A. Mantooth, “A High-Temperature Multichip Power Module (MCPM) Inverter Utilizing Silicon Carbide (SiC) and Silicon on Insulator (SOI) Electronics”, Proc. 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Jeju, 1, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2006).
8. N. Y. N. Shammas, “Present problems of power module pack- aging technology”, Microelectron. Reliab., 43, 519 (2003).
9. E. Wolfgang, N. Selinger and G. Lugert, “High-Temperature Power Electronics: Challenges and Opportunities”, Proc. 2nd International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS), Bremen, 43, IEEE Power Electronics Soci- ety (PELS) (2002).
10. T. Funaki, J. Balda, J. Junghans, A. Kashyap, F. Barlow, A.
Mantooth, T. Kimoto and T. Hikihara, “Power Conversion with SiC Devices at Extremely High Ambient Temperatures”, Proc. 36th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Recife, 2030, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2005).
11. J. N. Calata, J. G. Bai, X. Liu, S. Wen and G.-Q. Lu, “Three- Dimensional Packaging for Power Semiconductor Devices and Modules”, IEEE Transactions on Advanced Packaging, 28(3), 404 (2005).
12. P. Hansen, and P. McCluskey, “Failure Models in Power Device Interconnects”, Proc. 12th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Aalborg, 1, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2007).
13. E. Milke and T. Mueller, “High Temperature Behaviour and
16. S. Thomas, “Reliability of Cu Wire Bonding on Active Area for Automotive Applications”, Proc. 11th Electronics Pack- aging Technology Conference (EPTC), Singapore, 363, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Soci- ety (CPMT) (2009).
17. S. Bader, W. Gust and H. Hieber, “Rapid Formation of Inter- metallic Compounds by Interdiffusion in The Cu-Sn and Ni- Sn Systems”, Acta. Metall. Mater., 43(1), 329 (1995).
18. K. Guth, D. Siepe, J. Grlich, H. Torwesten, R. Roth, F. Hille and F. Umbach, “New Assembly and Interconnects Beyond Sintering Methods”, Proc. 6th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS), Nuremberg, 232, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2010).
19. M. Knoerr, “Power Semiconductor Joining Through Sintering of Silver Nanoparticles: Evaluation of Influence of Parame- ters Time, Temperature and Pressure on Density, Strength and Reliability”, Proc. 6th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS), Nuremberg, 1, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2010).
20. L. Coppola, D. Huff, F. Wang, R. Burgos and D. Boroyevich,
“Survey on High-Temperature Packaging Materials for SiC- Based Power Electronics Modules”, Proc. 38th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Orlando, 2234, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2007).
21. D. B. Miracle, “Metal Matrix Composites-From Science to Technological Significance”, Comp. Sci. Technol., 65, 2526 (2005).
22. D. Schweitzer, H. Pape and L. Chen, “Transient Measurement of The Junction-to-Case Thermal Resistance Using Structure Functions: Chances and Limits”, Proc. 24th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, San Jose, 191, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2008).
23. J. Biela, U. Badstuebner and J. W. Kolar, “Impact of Power Density Maximization on Efficiency of DC-DC Converter Systems”, IEEE Transactions on Power Electronics., 24(1), 288 (2009).
24. Z. Xu, F. Xu, D. Jiang, W. Cao and F. Wang, “A High Tem- perature Traction Inverter with Reduced Cooling and Improved Efficiency for HEV Applications”, Proc. 5th IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Den- ver, 2786, IEEE Power Electronics Society (PELS) (2013).
25. Z. Liang, P. Ning, F. Wang and L. Marlino, “A Phase-Leg Power Module Packaged with Optimized Planar Interconnec- tions and Integrated Double Sided Cooling”, IEEE J. Emerg- ing and Selected Topics in Power Electronics., PP(99), 1 (2014)
26. Z. Liang, P. Ning and F. Wang, “Development of Advanced
nents, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2004).
29. Y. Ling, “On Current Carrying Capacities of PCB Traces”, Proc. 52nd Electronic Components and Technology Confer- ence (ECTC), San Diego, 1683, IEEE Components, Packag- ing, and Manufacturing Society (CPMT) (2002).
30. Half etching method for high current PCB, TSS Inc. from http://www.tssg.com/substrate/special.html
31. H. Lu, C. Bailey and C. Yin, “Design for Reliability of Power Electronics Modules”, Microelectron. Reliab., 49(9-11), 1250 (2009).
32. M. Thoben, K. Mainka, R. Bayerer, I. Graf and M. Mnzer,
“From Vehicle Drive Cycle to Reliability Testing of Power Modules for Hybrid Vehicle Inverter”, Proc. 30th Interna- tional Conference for Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM) Europe, Nuremberg, 651, Mesago PCIM GmbH (2008).
33. R. Bayerer, T. Hermann, T. Licht, J. Lutz, and M. Feller,
“Model for Power Cycling Lifetime of IGBT Modules- Var- ious Factors Influencing Lifetime”, Proc. 5th International
• 최 돈 현(崔 敦 鉉)
• 성균관대학교 신소재공학과
• 마찰교반접합, 마찰교반접접합
• e-mail: [email protected]
• 정 승 부(鄭 承 富)
• 성균관대학교 신소재공학과
• 전자패키징, 패키지 신뢰성, 마찰교반접합
• e-mail: [email protected]
