Epoxy Molding Compound 특성값 및 몰딩 조건에 기반한 파워모듈 몰딩 해석 연구

Abstract

전력반도체 소자의 발전은 보다 고사양, 저비용, 고신뢰성을 가지는 패키징 기술을 요구하고 있다. 이러한 요구 속에 고온 동작, 고절연, 고속동작 등 다양한 목표를 가지고 다양한 패키징 기술이 개발되고 있다. 이러한 흐름에 의해, 전력반도체 패키징인 파워모듈의 encapsulation 으로 흔히 사용되었던 gel을 사용하는 공정 방안은 그 편리성에도 불구하고 여러 한계에 봉착해있다. 이러한 점에서 gel 형태의 encapsulation 보다는 Epoxy Molding Compound (EMC) molding은 고도의 공정 자동화가 가능하기 때문에 대량생산과 비용저감이 가능하다는 장점을 가지고 있으며, 이 때문에 double-sided cooling (DSC)를 포함한 자동차 부품기술에서 각광을 받고 있다. 다만, 복잡한 파워모듈의 구조 때문에 고온으로 용융된 에폭시 레진의 유동흐름이 공정상 혹은 공정 후 패키지에 다양한 문제를 야기할 가능성이 있으므로 이에 대한 대응책이 필요하다. 이러한 상황에서, 본 연구는 Double-Sided Cooling (DSC) 파워모듈을 대상으로 EMC 몰딩 공정을 적용하였을 때 발생할 수 있는 가능성에 대해 CAE 해석으로 사전 파악하고자 한다. 특히, EMC 레진 재료 물질로 사용되는 제품군을 선정하여 대상 DSC 파워모듈 입장에서 우수한 재료 물성치를 도출하고자 하였다. 각 EMC 제품을 적용하였을 때 해석 결과를 열 응력에 의한 변형인 warpage로 정리하였고, 이외에 air trap이나 weld line 형성 같은 다른 분석도 진행하였다. 이 결과를 바탕으로, EMC 물성치 중 열팽창계수, 점성, 열 전달 계수가 주요 특성치임을 파악하였다. 또한, 파악한 결과를 바탕으로 우수한 성능을 가질 것으로 예상되는 추천 EMC 재료를 선정하여 별도의 CAE 해석을 진행하였고 warpage가 ~24% 저감됨을 확인하였다. 이와 같이 해석적 방법을 통한 실험적 결과확인 이전의 재료 물성치를 확인함으로서 비용과 시간에 대한 절약을 기대할 수 있고, 해석적 결과를 바탕으로 알맞은 시험장비 구축과 비교군에 대한 정리 할 수 있다. |Development of power semiconductor devices requires packaging technologies with higher specifications, lower cost, and high reliability. Amid these demands, various packaging technologies are being developed with various goals such as high-temperature operation, high-insulation operation, and high-speed operation. With this trend, a process method using gel, which was commonly used as the encapsulation of the power module, which is a power semiconductor packaging, faces several limitations despite its convenience. In this respect, epoxy molding (EMC) molding has the advantage of enabling high-level process automation and thus enabling mass production and cost reduction rather than gel-type encapsulation, and for this reason, it is in the spotlight in automotive parts technology including doublesided cooling (DSC) power module package. However, due to the structure of the complex power module, the liquid flow of the epoxy resin melted at a high temperature may cause various problems in the package during or after the process, and thus solution of this problem are needed. In this situation, this study seeks to pre-identify the possibility of applying the EMC molding process to Double-Sided Cooling (DSC) power modules through CAE analysis. In particular, it was intended to derive better material properties from the perspective of the target DSC power module by selecting a product group used as an EMC resin material. When each EMC product was applied, the analysis results were summarized as warpage, which is a deformation due to thermal stress, and other analyses such as air trap and weld line formation were also conducted. Based on these results, it was identified that the thermal expansion coefficient, viscosity, and heat transfer coefficients were the main characteristic values for EMC molding specification. In addition, based on the confirmed results, a recommended EMC material expected to have superior performance was selected and a additional CAE analysis was conducted, and it was figured out that the warpage was reduced by ~24%. In this way, by checking the material properties before confirming the experimental results through the analytical method, it is possible to save money and time, and based on the analytical results, it is possible to organize the proper construction of test equipment and comparison groups.