ST Enabling Electrification With SiC
폭발적 성장 대비하는 SiC 절대자
ST, 공급망 확장 주력…4세대 트렌치는 2021년에

실리콘 카바이드는 자동차의 전기화와 함께 폭발적 성장에 들어갔다. ST마이크로일렉트로닉스는 30년 이상의 SiC 노하우, 확고한 고객 기반, 다양한 산업 특화 제품을 기반으로 현재 공급망 확장과 차세대 제품 개발에 집중하며 넘버 1 포지션 유지를 목표로 하고 있다.
 

글│윤범진, 한상민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr

ST마이크로일렉트로닉스의 파워 및 디스크리트 부문 전성환 이사는 “왜 SiC의 비용이 높은가?”란 질문을 스스로에게 던지면서 제조 프로세스에 대한 이야기부터 꺼냈다.

이것은 ST의 SiC 경험, 기술력을 강조하기 위해서였다. SiC는 매우 높은 온도, 2,700도 이상의 리액터에서 높은 순도로 성장시켜야 하기 때문에 잉곳과 관련 설비 등 기본적인 비용 부담이 매우 큰 반도체다. 서브스트레이트(Substrate)까지 잉곳 회사가 담당한다면, 웨이퍼 테스트부터 에피택시 그로스(Epitaxy Gross) 등 이후의 매우 복잡하고 높은 비용의 프로세스를 거쳐 모듈화된 최종 제품의 생산, 공급까지는 ST의 몫이다. SiC는 다른 실리콘 대비 서브스트레이트 당 결함밀도가 현저히 높은 구조이고 이런 불량들이 그대로 제조비용에 반영되기 때문에 이의 개선, 향상이 ST의 기술과제이자 주요 투자다.

절대적 점유율

“100퍼센트 완벽한 제품을 만들려면 현재보다 2~3배의 비용이 더 들 것입니다. 결국 제품의 품질, 신뢰?안정성에 문제가 없는, 시장의 니즈를 만족시키는 제품을 만드는 것이 중요한데, 이것은 반도체 회사의 연구와 경험에서 비롯됩니다.” 전성환 이사가 말했다.

ST의 SiC 경험은 30년 전으로 거슬러 올라간다. 1996년 이탈리아 CNR(Consiglio Nazionale Ricerche), 시실리 대학과의 정부 산학연 과제, 1인치 웨이퍼에서 시작된 ST의 SiC 역사는 70개 이상의 특허, 글로벌 제조 및 품질 스탠더드, 세계 최초 차량용 애플리케이션 SiC MOSFET 양산, 넘버 1 공급사란 이정표로 이어지고 있다.

시장조사기관 IHS에 따르면, 전체 SiC 기기 시장은 지난해 5억 달러(6,000억 원) 규모였다. 이는 2025년 무려 38억 달러(4조 6,000억 원) 규모로 성장할 전망이다. 핵심 마켓은 자동차와 하이엔드 인더스트리얼이다.

지난해 ST의 SiC 매출은 1억 달러 이상이었다. 시장 점유율은 무려 25~30%대다. SiC 다이오드 등을 하는 벤더는 매우 많지만 아직까지 SiC FET는 ST를 포함 몇 개 업체가 안된다. 여기서 주목할 점은, ST SiC 제품의 자동차 시장 점유율이다. 무려 80~90%에 이른다. 절대적인 것이다.





자연스럽게도, ST의 SiC 관련 목표는 전 세계 오토모티브 SiC 1위 서플라이어의 지위 유지이고, 올해엔 2억 달러(2,420억 원)를 목표로 잡고 있다. 이같은 목표와 실적이 가능한 것은 ST가 이미 8개 유럽, 4개 북미, 11개 아시아 카 메이커와 긴밀히 연결돼 있기 때문이다. ST의 SiC 제품은 올해와 내년 8개 유럽 카 메이커의 멀티 모델에 적용되는 것은 물론, 르노닛산미쓰비시 얼라이언스, 현대기아자동차 등과 몇몇 SiC FET, 다이오드 프로젝트를 진행 중이다.

“ST의 위상은 IHS와 같은 조사기관은 물론 ST의 자체 빌링 데이터로 드러납니다. 자동차에 SiC가 적용되면 좀처럼 대체하기가 쉽지 않습니다. 자동차에서 SiC 디자인은 ASIC에 가까운 개념이고 현실적인 디자인 폼팩터, 기술적 리뷰를 통해 안정성을 확보해야하기 때문입니다. 자동차에서는 1,000개 중 하나의 에러도 심각하게 여겨집니다.”

현재 전기차 시장은 세계적인 CO2 배출규제 강화로 배터리 전기차(BEV)와 48V 마일드 하이브리드가 급성장 중이다. 물론 관련 규제와 그때그때의 이슈에 따라 조사기관의 예측 데이터 변화 폭이 크긴 하지만, 대체로 전기차는 2025년 600만 대, 48V 시스템은 800~1,400만 대 수준으로 전망되고 있다.

SiC는 고전압, 고용량 파워 시장에서 압도적으로 사용될 전망이다. 따라서 ST의 포트폴리오는 600~1700 V, 350 kW 이상에 대응하고 있다. 일부 자동차 회사들은 1700 V를 요구하고 있다.

전 이사는 “SiC FET만 보면 BEV가 가장 큰 시장입니다. 애플리케이션 개념으로 보면, 내연기관을 대체할 수 있는 트랙션 인버터, 완속충전 관련 온보드 차징(OBC)과 DC-DC 컨버터가 주요 시장으로, 이 시장에서 SiC MOSFET은 종전의 IGBT와 혼용될 것입니다”라고 말했다.

공급망 확보

하이브리드 카와 전기차에서는 SiC IGBT와 SiC MOSFET이 혼용된다. IGBT는 주로 650 V 기반에서 가격적 메릿으로 주도적이지만, 더 높은 효율성이 요구되는 하이엔드 마켓에서는 SiC MOSFET이 사용된다. 트랙션 인버터에서 SiC MOSFET은 80%의 스위칭 손실 저감, 직접 통합, 배터리 열관리, 충전시간, 수냉 측면에서의 장점으로 미드-하이엔드 모델에서 IGBT를 대체한다. 골드만삭스에 따르면, SiC MOSFET의 채택은 300달러의 비용 상승이지만 잠재적으로 2,000달러 정도의 비용저감 효과를 낼 수 있다.

“400 V에서 800 V 급속충전 시스템이 요구되면서 1200 V FET가 요구됩니다. 대전력 변환 시스템으로 갈수록 비용은 올라가지만 충전시간 단축이 그만큼 중요한 것입니다. 하지만 비용은 항상 중요한 요소입니다. 어느 정도 비율로 가격이 인하될 것인가에 대해 조사기관은 연 5~10% 사이를 예상하는데, 이를 위해서는 6인치로 커진 것처럼 웨이퍼 사이즈가 더 커지고, 결함밀도를 더 낮춰 일드를 개선하는 작업이 진행돼야 합니다. 이와 관련 ST는 큰 폭의 개선이 있었고, 크리 등은 8인치 웨이퍼를 개발 중입니다.” 전 이사가 말했다.

ST가 오토모티브 시장에 제품을 제공하는 형태는 웨이퍼 베어다이스(Bare dice), 디스크리트 패키지, 파워 모듈 등 세 가지다. 전압은 650~1,700 V까지다. 모듈에서는 파워 스케일에 따라 미드사이즈의 A1 - A2, 컴팩트한 SMIT, 트랙션 인버터 전용 DRIVE 등이 있는데, DRIVE는 BEV의 트랙션 파트를 완전히 대체할 수 있는 제품이다.

전 이사는 “파워 모듈에서 중요 점은 고객 관계에 따른 완벽한 커스터마이징입니다. 고객이 모듈을 쓴다는 것은 컴팩트하면서 PCB 패턴 등 특수한 디자인 사항을 요구한다는 것입니다. 예를 들어 대규모로 양산 중인, 공간 절약형이면서 파워밀도를 크게 높인 ‘STPAK’과 같은 ST의 제품은 업체와의 협력을 통해 더블 다이와 같은 독특한 형태로 만들어지고 있습니다”라고 말했다.

STPAK의 최대 특징 중 하나는 전기차 애플리케이션을 위한 백엔드 ‘멀티 신터링(sintering)’이다. 기존에는 PCB 조립에서 솔더링을 이용해 다이와 리드를 붙였는데, 이 경우 온도가 200도 이상이 되면 제품 변형이 일어나고 성능에 문제가 발생한다. 그러나 신터링을 적용하면 멜팅다운 온도가 900도 이상이 돼 고신뢰성이 요구되는 SiC에서 큰 시너지를 낼 수 있다. STPAK은 AEC-Q101을 만족하고 Tj(max)는 175도다.





“현재 ST의 목표를 실행에 옮기려면 잉곳에 대한 리스크 등을 줄여야 하는 상황입니다. 때문에 우리는 크리와 5년간 공급계약, 노스텔(Norstel) 인수, 메이저 에피 서플라이어들과의 장기계약 체결 등 안정적인 공급망 확보를 위한 투자를 늘리고 있습니다. 카타니아에 있는 6인치 프론트엔드를 비롯해 자체 SiC 캐파를 늘리는 한편 기술적으로는 4세대 SiC 제품을 개발 중입니다.” 전 이사가 말했다.

ST는 지난해 2세대 동일 제품 대비 사이즈를 4배 줄인 1,200V, 750V 플래너 방식 3세대 제품 개발을 완료하고 개별 자동차 고객의 커스터마이징 요구에 대응 중이다. 제품 개발이 끝났지만 3세대 제품은 사실상 지속적인 개발 과정에 있는 것이다.

“트렌치 방식의 4세대 제품은 2021년부터 나올 것으로 생각합니다. 공정이 문제가 아니라 결과물이 중요한데, 우리는 현재 상태에서 트렌치를 적용하면 상품성이 크게 훼손될 것으로 봤습니다. 아시다시피 ST의 3세대 플래너 제품들은 현재 나오고 있는 경쟁사의 트렌치 제품보다 우수한 Rds(on)을 갖고 있습니다. 하지만 이를 더 개선하려면 4세대에서는 트렌치가 필요할 것입니다.”