SiC소자 대중화 앞당겨
[비지니스코리아=윤영실 기자] 전자부품연구원(KETI)이 실리콘카바이드(SiC) 반도체를 온전히 기기·부품에 부착할 수 있는 기술을 개발했다.
SiC 반도체는 갈륨나이트라이드(GaN) 등과 함께 광대역갭 반도체 중 하나로 기존 실리콘(Si) 반도체 소자에 비해 열전도도가 높고 저항이 낮으며 내전압이 높아 에너지 효율을 높이기 위한 핵심기술로 부각되고 있다.
오철민, 홍원식 KETI 연구팀은 은(Ag)을 활용한 SiC 파워반도체 고상접합기술을 개발했다고 10일 밝혔다.
고상접합이란 재료와 피접합체가 서로 녹지 않고 고체 상태로 붙는 것을 뜻한다. 이번 기술 개발에는 KETI를 비롯해 제엠제코, 한국과학기술원이 참여했다.
이번 KETI 연구팀이 개발한 고상접합기술은 일반적인 고상접합(소결 등)에 적용되는 가압력을 가하지 않으면서 반도체 소자 및 모듈에 열적 변형을 줄일 수 있는 저온으로 진행된 것이 특징이다. 이 때문에 생산제품마다 각기 다른 가압용 구조물이 불필요할 뿐만 아니라 반도체의 전기·열 저항을 높일 수 있는 보이드(Void)와 같은 실장소재 내부결함이 없어 신뢰성이 높다.
특히 Ag 소재 고유의 고융점, 고열전도도, 고전기전도도 등 재료특성으로 인해 SiC의 안정적인 고온동작이 가능하며 기존 접합소재보다 열저항도 30% 이상 낮아 방열특성 또한 우수하다.
오철민 KETI 박사는 “WBG공정기술개발은 전기차 및 신재생에너지 시대에 에너지효율 향상을 위한 시대적 요구”라면서, “이번에 개발된 무가압 저온공정을 통해 SiC반도체의 성능이 접합부를 거쳐 그대로 모듈에 전달될 수 있기 때문에 향후 전기자동차, 로봇, 스마트공장 등 보다 엄격한 내구성을 요구하는 전력변환모듈에 적용이 기대된다”고 말했다.
연구팀이 이 고상접합기술을 개발한 건 SiC 반도체가 상용화되려면 실장소재와 실장공법이 중요하기 때문이다.
광대역갭 반도체(WBG)는 방열구조를 간소화할 수 있으며 전력변환모듈의 집적화는 물론 전력변환 시 발생되는 에너지손실도 줄일 수 있다. Si반도체 대비 넓이는 300분의1, 두께는 8분의1이 각각 감소될 정도로 집적도가 높다.
일반적으로 전력변환 시 SiC반도체의 에너지 손실은 Si반도체 대비 70%이상 줄어들며 SiC파워반도체로 만든 인버터의 경우 에너지효율이 1~2%이상 높다.
현재 고융점 솔더를 이용한 솔더링, 저융점 접합소재를 이용한 천이(遷移)액상접합, 고융점 재료를 이용한 소결접합 등의 연구가 진행되고 있다. 솔더링의 경우 납(Pb)에 의한 환경적 이슈가, 천이액상접합의 경우 긴 공정시간이 단점이다.
현재까지는 소결접합 관련연구가 가장 각광을 받고 있으나 공정에 필요한 높은 온도와 가압으로 발생하는 결함은 여전히 상용화의 걸림돌로 지적되고 있다.
이 기술은 산업통상자원부 에너지기술개발사업지원으로 제엠제코, 한국과학기술원과 공동으로 개발했다.
한편 이 기술은 최근 과학기술정보통신부에서 선정하는 2018년 국가 R&D 100대 우수 과제에 선정된 기술이다.