베이스 기판 설계 향상, 열 전도 소재 최적화로 전력 모듈에서 열 안정성 달성
전력 반도체는 열 문제 때문에 방열판과 연결해야 한다. 실장 공정 외에도, 사용되는 열 전도 소재와 베이스 기판 설계는 열 전달에 복합적인 영향을 미친다. 또한 초기 상태 외에도 동적 부하에서 열 전달 변화가 관찰된다. 열 팽창 영향에 의한 아주 작은 움직임도 펌프 아웃 효과로 인해 열 전도의 성능 저하를 초래할 수 있다.
Martin Schulz Infineon Technologies AG
새로 개발되는 전력 전자 부품은 세 가지 주요 사항에 초점을 맞추고 있다. 전기적 향상은 EMI 특성을 비롯해 스위칭과 정적 손실 감소를 목표로 한다. 설계의 기계적 변경은 기계적 견고성을 향상시키는 데 초점을 맞춘다. 기계적 설계는 또한 모듈의 열 성능을 향상시키는 핵심이다.
이 세 가지 주제는 주목할 만한 차이가 있다. 전력 모듈의 전체적인 구성에 대한 전기적 튜닝과 내부 향상은 반도체 제조업체에 의해 수행된다. 그러나 열 측면은 사용자의 어셈블링에 크게 의존한다. 추가되는 열 전도 부품과 애플리케이션 자체 과정은 모듈 성능에 많은 영향을 미친다. 장착 측면은 신중하고 철저하게 고려되어야 한다. 그리고 그에 따른 방열판과 모듈의 상호 연결 및 이후의 열 메커니즘은 최종 인버터의 예측 수명에 큰 영향을 미친다. 일례로, 대형 베이스 기판이 장착된 모듈을 사용하여 설계할 경우, 다양한 접근 방법이 어떻게 모듈의 베이스 기판을 최적화해 탁월한 열 성능을 달성하고, 고도로 신뢰할 수 있는 긴 수명의 인버터 시스템을 개발하는 데 도움을 줄 수 있는지 알 수 있다.
열 역학
전력 모듈은 비교적 큰 복합 부품이며 동작 중에 높은 온도의 영향을 받는다. 전력 반도체의 내부 구조는 서로 다른 열 확장 계수(CTE)를 가진 서로 다른 재료로 형성된 스택으로 구성된다.
베이스 기판의 거시적인 형상의 토폴로지와 결합하여, 동작 중 열적 및 기계적 움직임이 유도되고 모듈과 방열판 간 빈 체적공간이 감소된다(그림 1).
이러한 체적의 감소는 고온 동작 중에 써멀 그리스(Ther-mal Grease)에 가해지는 압력의 주요 원인이 된다. 온도가 내려가는 동안 구조가 이완되므로 열 사이클이 반복될 때마다 이러한 효과가 발생한다.
그림 1을 살펴보면, 냉각 상태에서 베이스 기판의 초기 상태는 열에 의해 유도되는 움직임에 영향을 미친다는 결론을 얻을 수 있다. 그러나 냉각 상태의 베이스 기판 형태를 평가함으로써 모듈의 열 성능을 판단하는 것은 잘못된 해석을 초래할 수 있다.
열 커플링을 향상시키기 위해서는 고온 수준에서 베이스 기판과 방열판 사이의 나머지 간격을 가급적 작게 유지해야 한다. 최적화는, 초기 형태를 고려하는 것은 물론 생산 중의 수행과 열 공정을 고려해야 한다. 설계 목표는 최종 설계에서 열 활성화되는 베이스 기판의 영역을 증가시키는 것이다.
여기서 설명하는 방법 외에도 베이스 기판의 특정 영역에서 적절한 방향을 갖는 국부적 압축 금속은 실행 가능한 옵션이다. EconoPACKTM＋D 시리즈의 개발 단계에서 다양한 방법이 평가됐다. 이후에 DCB 재료를 사용한 영역에는 스탬핑을 수행했다(그림 2).
열 성능의 영향 및 펌프 아웃 효과의 크기를 평가하기 위해, 능동 열 스트레스 테스트에서 재현 가능하고 비교 가능한 결과를 얻을 수 있도록 테스트 벤치를 구성했다.
테스트 벤치 및 실험 결과
테스트 시스템은 강제 공기 냉각 방식의 적절한 방열판에 장착된 전력 모듈로 구성되어 있다. 장착은 해당 애플리케이션 노트에 표시된 권장 사항에 따라 실시됐다. 모듈 내부의 모든 IGBT 칩은 활성화됐으며 직렬로 연결해 각각 균등한 전류 공유와 균등한 온도 전개를 달성하도록 했다. 이러한 방식으로 전력 모듈 내부의 온도 분포는 실제 애플리케이션과 밀접한 상관 관계를 갖는다.
펌프 아웃 효과는 수직 장착 시스템에서 중력의 끌어당김에 의해 더 두드러지게 나타난다고 관찰되므로, 테스트에서는 이 장착 방향을 선택했다.
실험 모니터링에는 DUT에 걸친 전압 측정이 포함되며, 전원은 정전류를 제공하도록 구성됐다. 열 성능과 관련, 구성은 온도 분포에서 매우 작은 변화까지 감지할 수 있도록 적외선 카메라를 사용하여 관찰했다. 실험실에서 사용된 구성은 그림 3과 같다.
모듈을 통과하는 전류는 외부 전원에 의해 제어되며, 턴 온 타이밍은 마이크로컨트롤러로 실행된다. 마이크로컨트롤러는 이 테스트에서 실시되는 사이클 카운팅에도 사용됐고, 온/오프 비가 1인 120초 사이클이 선택됐다. 마지막으로 서로 다른 두 개의 베이스 기판 설계를 테스트했으며, 전혀 다른 결과가 나왔다. 요약된 결과를 그림 4에 나타낸다.
피시험 장치는 3개의 하프 브리지로 구성되어 있으며 베이스 기판의 크기가 160mm×123mm인 D 시리즈 EconoPACKTM＋, FS450R17OE4이다. 수직 장착으로 인해 그리스는 중력의 영향을 받는다. 따라서 먼저 모듈의 상단 부분에서 열 전달 경로가 느슨해진다. 모듈의 이 부분에서 온도가 빠르게 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
그리스에 대해 선택된 솔루션의 경우, 스탬프 A와 강제 공기 냉각 방식의 방열판을 사용한 베이스 기판에서는 35시간 이내 테스트에서 20K의 온도 증가가 있었다. 펌핑 자체는 모듈의 베이스 기판 아래 체적 변화에 의한 영향이지만, 사용되는 열 전도 부품 역시 중요한 역할을 한다. 가해지는 압력에서 써멀 컴파운드(Thermal Compound)가 반응하는 정도는 여러 가지 물리적 파라미터에 따라 달라진다. 고온 상태에서 표면 장력과 함께 크리핑(Creeping)과 습윤(Wetting) 능력은 중요하지만, 정확한 수치를 찾아내는 것은 어렵다.
최근 전력 모듈 전용의 새로운 열 전도 소재(TIM)가 개발됐다. 이 새로운 소재에 대해, 동일한 구성을 사용해 테스트가 수행됐으며 뛰어난 결과를 얻을 수 있었다. 그림 5에 나타난 그래프는 수천 시간의 테스트 후에도 칩 온도 증가가 거의 무시할 만한 수준임을 보여준다.
이번에 실시한 일련의 테스트에서 두 종류의 범용 그리스(GPG)가 테스트됐지만, 일정한 요건을 달성하는 목표에 도달하는 데 실패했다. 인피니언에서 새롭게 개발한 솔루션은 이번 테스트에서 가장 낮은 칩 온도를 달성했으며 약 4000시간 동안 안정된 상태를 유지했다. 펌프 아웃은 관찰되지 않았으며 테스트는 오류 없이 끝났다.
전력 모듈의 베이스 기판을 최적화하는 것은 원하는 열 성능을 달성하는 데 있어서 필수적인 단계라고 할 수 있다. 그러나 베이스 기판과 함께 열 전도 소재, 애플리케이션 요구사항은 지정된 열 상태에서 적절히 동작해야 하는 하나의 완벽한 시스템으로서 함께 고려되어야 한다. 가능한 한 최고의 결과를 얻기 위해서는 관련된 모든 부분에 대해서 최적화를 고려해야 한다.
