SiC MOSFET 적용 Double Side Cooling 방식의 파워 모듈 내 Spacer 소재 변경을 통한 특성 비교

Abstract

기존의 친환경 자동차용 인버터는 고 전류 용량을 필요로 하여 Silicon Insulated gate bipolar transistor (Si IGBT) 전력소자 기반의 Case type 파워 모듈(Power Module)을 탑재하였으나 높은 스위칭 손실, 높은 동작 온도로 인하여 Si IGBT 소자의 물성적 한계를 맞이하였다. 이를 보완하기 위해 Si IGBT 소자에서 Wide band-gap (WBG)을 가지는 Silicon carbide Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (SiC MOSFET)으로, Case type 파워 모듈에서 Double Side Cooling (DSC) 파워 모듈로 대체되고 있다. SiC MOSFET은 Si IGBT에 대비하여 switching 속도가 빠르며 내열성이 우수하고 WBG으로 인해 저온 동작하는 장점을 가진다. 또한 방열 성능의 극대화를 위하여 Case type 파워 모듈에서 DSC 파워 모듈로 대체되어가며 양면에 Cu 기판으로 방열을 시키며 열 손실을 기존의 Case type 파워 모듈보다 낮추어 에너지 효율을 향상시키며 패키지 구조뿐만 아니라 전력 모듈을 구성하는 내부 소재 또한 활발하게 연구가 진행 중이다. Case type 파워 모듈 내 소자의 source단을 와이어 접합(Wire bond)을 통하여 도통시켰다면 DSC 파워 모듈 내 소자의 source단은 구리 스페이서(Cu spacer)를 이용하여 상부 기판과 도통시켜주어 양면으로 방열하여 성능 극대화를 이끌어 낸다. DSC 파워 모듈에서의 구리 스페이서는 열의 방출과 동시에 소자를 기판과 전기적으로 도통시켜 주는 역할을 하기 때문에 전기적, 열적 특성이 중요시되고 있다. 특히 파워 모듈의 제작 공정상 고온의 솔더링 접합을 하기 때문에 소자의 상단과 상부기판 사이의 공간에 맞는 설계가 핵심이며, 소재 변경에 따른 CTE차이와 재료의 특성이 전력 모듈에 미치는 영향을 관찰하고자 본 연구에서는 스페이서의 소재 변경에 따라 파워 모듈 조립 후 비파괴 분석, 정적 특성, 신뢰성 시험을 통해 비교하였다. |The existing inverter for eco-friendly vehicles requires high current capacity and is equipped with a silicon insulated gate bipolar transistor (Si IGBT) power device-based power module, but has a limitation in physical properties of the Si IGBT device due to high switching loss and high operating temperature. To compensate for this, the silicon carbide metal oxide field effect transistor (SiC MOSFET) with wide band-gap (WBG) in Si IGBT devices has been replaced by double side cooling (DSC) power modules in case type power modules. Compared to Si IGBT, SiC MOSFET has fast switching speed, excellent heat resistance, and low-temperature operation due to WBG. In addition, for maximizing heat dissipation performance, it is replaced by DSC power module, heat dissipation is performed on both sides with Cu substrate, heat loss is reduced compared to the existing case type power module, and energy efficiency is improved. If the source end of the device in the case type power module is conducted through wire bonding, the source end of the device in the DSC power module is conducted with the upper substrate using a copper spacer, and heat is radiated on both sides to maximize performance. Electrical and thermal characteristics are important because copper spacers in the DSC power module play a role of electrically conducting the device to the substrate at the same time as dissipating heat. In particular, because of high-temperature soldering bonding in the manufacturing process of the power module, the design is key to the space between the top and top substrates of the device. To observe the effect of CTE difference and material characteristics on the power module, the power module was assembled and compared through non-destructive analysis, static characteristics, and reliability test.