산업용 애플리케이션과 달리, 차량에 반도체를 집적시키는 작업은 부분적으로 훨씬 까다로운 조건을 요구한다. 강한 진동, 높은 온도, 과도 부하, 높은 전력밀도 혹은 많은 부하 사이클 횟수와 같은 환경 및 시스템 조건들은 반도체 설계와 적용에 상당한 영향을 미친다. 여기서 한 가지 제한 요소는 차량 내부의 한정된 가용 공간이다.
따라서 차량 내 여러 위치에 설치가 가능한 전력 반도체 모듈의 개발이 필요하다. 그림 1은 전력 반도체 모듈의 전형적인 구조를 보여준다.

[그림 1] DCB 기술을 이용한 전력 반도체 모듈 구조

사용된 부품들의 품질 수준과 수명은 하이브리드 시스템과 동일하지만, 여러 가지 부품들의 환경 조건은 매우 다를 수 있다. 그러므로 전력전자 장치의 온도 및 부하 사이클의 내구성에 관한 요구조건이 다르다. 냉각 장치와 설치 위치는 표 1과 같이 단순화 하여 분류할 수 있다.
부품의 본딩 와이어 연결에는 높은 신뢰성이 요구된다. 알루미늄 와이어에 대한 부하 변동(파워 사이클)을 비롯해 실리콘과 알루미늄 사이의 확장계수 차이는 소재의 작은 변형을 가져온다. 이로 인해 소위 ‘본딩 와이어 리프트 오프(lift-off)’로 불리는 연결 지점의 작은 균열이 발생할 수 있다.

[표 1] 설치 위치에 따른 전력전자 장치의 요건

실리콘과 본딩 와이어 간의 접속점은 수명이 다하기까지 수백 만 번의 부하 사이클을 견뎌낼 것이다. 반도체에 가해지는 온도 상승 ?T에 따라 그에 걸맞은 많은 수의 파워 사이클이 수행될 것이다. 일반적으로 가능한 부하 사이클의 횟수는 △T가 증가함에 따라 감소한다.
부하 사이클 성능에 커다란 영향을 미치는 것은 부품의 온도 수준이다. 액체 냉각이 적용된 하이브리드 구동장치용 전력전자 장치는 공랭식의 경우와 다르게 방열판의 온도가 100℃ 이상에 달한다. 허용 접합온도가 Tj=125℃(연속 동작 시)인 반도체의 경우 온도 상승에 대한 여지가 얼마 남지 않는다. 그러므로 하이브리드 시스템에는 더욱 높은 접합온도를 갖춘 반도체가 필요하다.
접합온도가 25K 상승하면, 가능한 부하 사이클 횟수는 반으로 줄어든다. 예를 들어 인피니언 테크놀로지스의 600V IGBT³와 EmCon3 다이오드를 도입할 때, 150℃의 접합온도에서 동일한 사이클링 능력을 달성하기 위해 반도체 모듈의 칩과 패키징의 모든 측면에서 설계 및 측정이 되어야 했다.
그림 2는 다양한 온도변동(△Tj)과 다양한 온도수준(Tj: 반도체의 접합온도)에서 가능한 파워 사이클 횟수를 보여준다. 150℃ 곡선(600V IGBT³)의 사이클 수는 같은 온도변동에서의 125℃ 그래프 (600V IGBT²)의 횟수와 동일하다. 즉, 접합온도 125℃의 경우와 비교하여 600V IGBT³ 칩의 부하 사이클 능력이 2배 향상되었음을 의미한다.


[그림 2] 전력 반도체 모듈 600V IGBT³와 600V IGBT²에 대한 파워 사이클 그래프

DCB(Direct Copper Bonding) 모듈의 수명이 다하기까지 각 층은 계속적인 온도 사이클에 의해 반복적인 기계적 스트레스를 받게 된다. 반도체에 흐르는 전류와 그로 인한 열에 의해 구리, 세라믹, 실리콘, 알루미늄 등의 소재들은 서로 다른 확장계수를 가지고 늘어나게 된다.
이로 인해 DCB 기판과 베이스플레이트 간에 솔더 피로(solder fatigue) 현상이 생길 수 있다. 그 결과 솔더 레이어의 분리(delamination) 및 이로 인한 열 저항 상승이 일어나게 된다. 결국 과열에 의해 부품이 손상을 받게 된다.
산업용 애플리케이션의 경우에는 구리 베이스플레이트와 함께 표준 DCB(Al₂O₃)를 사용한 모듈이 널리 사용되는데, 이는 온도 사이클 성능에 대한 요구조건이 예컨대 트랙션(traction)보다 훨씬 낮기 때문이다. 트랙션의 경우, AlN DCB와 AlSiC 베이스플레이트의 조합이 사용되곤 한다.
반도체 모듈에 중요한 인증 테스트는 소위 열충격 테스트(Thermal Shock Test)이다. 이 2-챔버 테스트에서 모듈은 -40℃~125℃(또는 150℃) 및 125℃(또는 150℃)~-40℃의 온도 변화에 영구적으로 노출된다. 미리 정해진 횟수의 사이클 테스트 후에 베이스플레이트 및 DCB 간의 솔더층 분리 정도를 평가한다.
하이브리드 구동장치를 위한 전력 반도체는 1,000번까지의 열 충격 사이클을 견뎌낸다. 이는 표준 DCB 모듈 구조로는 달성되기 어렵다. 이를 해결하기 위한 한 가지 방법은 위에서 언급한 소재의 결합, 즉 AlSiC 베이스플레이트에 AlN DCB를 사용하는 것이다. 그러나 이 방법은 재료비 추가를 수반하며 기본적으로 방열판의 온도가 매우 높은 경우에 적합하다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 이 조합의 솔더층 분리 정도는 1,000사이클 이후에서도 변화가 없다.

[그림 3] AlN DCB와 AlSiC 베이스플레이트에 대한 TST 이후의 솔더층 분리 초음파 스캔
수명 주기 동안의 온도 변동과 온도 사이클 횟수를 고려하여, 최적 비용의 해법을 전력 반도체 개념에서 찾아야 한다. 한 가지 솔루션은 구리 베이스플레이트와 결합된 ‘개선된’ Al₂O₃-DCB를 사용하는 것이다. 이 소재 결합은 주로 마일드-하이브리드 시스템에 적합하며 몇몇 풀-하이브리드 시스템에도 적합하다.
그림 4는 ‘개선된’ DCB가 매우 향상된 온도 사이클 성능을 갖는다는 것을 명확히 보여준다.
전력 반도체 모듈을 설계할 때에는 하이브리드 차량의 수명 주기 동안에 해당하는 부하 프로파일을 잘 고려해야 한다. 수동적인 온도 변동과 전류 프로파일에서 요구되는 성능이 얻어지면 소재 기판(DCB)과 베이스플레이트의 적절한 조합을 결정할 수 있다.

[그림 4] 구리 베이스플레이트 상의 Al2O3?DCB에 대한 TST 이후의 솔더층 분리 초음파 스캔
가정을 근거로 한 다음 예(표 2)는, 여러 가지 냉각 조건을 고려하여 추정된 연간 온도 프로파일에 대해서 소재 조합과 구조 기술이 온도 사이클 특성에 어떻게 영향을 주는 지 보여준다.
가정된 온도 상승분 델타 Tc(베이스플레이트의 온도 상승)는 수명 고려를 위한 기준값이다. 가용한 수명의 백분율이 축적될 수 있다고 가정하면 최종 값이 결정된다. 최종 값이 100%를 초과할 경우, 선택된 모듈 솔루션(소재조합/구조기법)은 애플리케이션에서 가정된 조건에 불충분하다. 필요한 수명이 만료되기 전에 전력전자 장치의 손상이 일어날 수 있다.
서술된 시나리오(표 2)는 DCB 기판과 베이스플레이트의 약간 다른 소재조합/구조기법이 공랭식 반도체 모듈에 충분할 수 있다는 것을 보여준다. 하이-엔드 솔루션은 불필요한 비용을 야기하므로 이런 경우에 있어서 최선의 방법이 아니다. 이런 경우, 성능 향상의 이득도 소용없게 된다(과설계).


[표 2]  가정을 근거로 한 시나리오 ‘온도 사이클 성능’
          a) 공랭식 냉각
          b) 액체 냉각 및 다른 소재조합/구조기법을 이용

고온의 수랭식 시스템에 있어서 하이엔드의 소재조합/구조기술이 예상 수명 동안의 요구조건을 만족시킬 수 있다는 것을 알 수 있다(표 2b).
인피니언에서 개발한 마일드 하이브리드와 풀 하이브리드를 위한 전력 반도체 모듈에는 Tvjop=150℃를 위한 최신의 600V IGBT³ 칩 기술이 이용되었으며 진보된 본딩 공정이 사용했다. 부하 연결은 스크류 단자 방식이다. 보조 핀 연결은 납땜 방식의 단자로 나와 있으며 플라스틱 케이스에 몰딩 되어 있다.
비용이 최적화된 HybridPACK™1 모듈(FS400R06A1E3)은 20kW 애플리케이션용으로 개발되었다. 이 모듈은 400A/600V 스위치를 가진 SixPack 구조이며 강제 공랭식 마일드 하이브리드를 위한 것이다. 모듈에는 NTC(온도 감지)가 장착되었으며 ‘개선된’ Al₂O₃-DCB 및 3mm 구리 베이스플레이트로 구성되었다. 베이스플레이트의 크기는 139mm×72mm이다.
HybridPACK™2 모듈(FS800R06A2E3)은 50kW 이상의 전력 범위를 위해 개발되었다. 이 모듈은 액체 냉각방식 시스템(풀 하이브리드)를 위해 개발되었으며, AlSiC?PinFin 베이스플레이트를 가지고 있다. 구현된 칩 전류는 스위치 하나 당 800A이다. 추가적으로 진동에 강하도록 설계되었다.
하이브리드 구동장치를 위한 첫 번째 솔루션이 HybridPACK™ 제품군의 일부로서 여기에 소개된 모듈로 이용 가능해졌다.

[그림 5] HybridPACK™1 모듈(SixPACK 600V/400A)

[그림 6] HybridPACK™2 모듈(SixPACK 600V/800A)