보다 효율적인 전력 장치 및 시스템을 위한 SiC

1. 소개: 전력 전자 분야의 SiC 혁명

전력 전자 분야는 더 높은 효율성, 증가된 전력 밀도 및 향상된 신뢰성을 끊임없이 추구하면서 상당한 변화를 겪고 있습니다. 이 혁명의 최전선에는 광대역 갭 반도체 재료인 탄화규소(SiC)가 있으며, 이는 광범위한 까다로운 응용 분야에서 기존 실리콘(Si)을 대체할 준비가 되어 있습니다. 기존 실리콘과 달리 SiC는 전력 장치와 이를 가능하게 하는 시스템에 직접적인 성능 이점을 제공하는 우수한 재료 특성을 제공합니다. 이러한 장점에는 더 높은 항복 전계 강도, 더 큰 열전도율 및 더 넓은 밴드갭 에너지가 포함됩니다. 이를 통해 SiC 기반 전력 장치는 더 높은 전압, 온도 및 스위칭 주파수에서 훨씬 더 낮은 손실로 작동할 수 있습니다.

자동차에서 재생 에너지에 이르기까지 산업이 성능의 한계를 뛰어넘으려고 함에 따라 맞춤형 탄화규소 제품이 점점 더 중요해지고 있습니다. 특정 응용 분야 요구 사항에 맞게 SiC 부품을 맞춤화하는 기능은 새로운 수준의 효율성과 혁신을 열어줍니다. 엔지니어, 조달 관리자 및 기술 구매자에게 SiC 기술의 뉘앙스를 이해하는 것은 경쟁 우위와 획기적인 제품 개발로 이어질 수 있는 정보에 입각한 결정을 내리는 데 중요합니다. 이 블로그 게시물에서는 SiC 전력 장치 분야를 자세히 살펴보고 응용 분야, 이점, 설계 고려 사항 및 맞춤형 SiC 요구 사항에 맞는 올바른 제조 파트너를 선택하는 것의 중요성을 살펴봅니다. 고성능 전력 반도체에 대한 수요가 증가함에 따라 SiC는 더 이상 틈새 재료가 아니라 차세대 전력 전자의 초석입니다.

2. 핵심 응용 분야: SiC 전력 장치가 탁월한 곳

탄화규소의 탁월한 특성으로 인해 고효율, 전력 밀도 및 강력한 작동이 가장 중요한 다양한 전력 전자 응용 분야에서 채택될 수 있는 길이 열렸습니다. SiC 전력 장치 통합의 이점을 누리는 산업 분야는 다음과 같습니다.

• 반도체 제조: SiC는 전력 장치 자체의 기본 재료뿐만 아니라 웨이퍼 취급 부품 및 고온 공정 챔버 부품과 같은 반도체 제조에 사용되는 장비에도 순도와 열적 안정성으로 인해 사용됩니다.
• 자동차: 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 SiC 채택의 주요 동인입니다. SiC MOSFET 및 다이오드는 메인 인버터, 온보드 충전기(OBC) 및 DC-DC 컨버터에 사용되어 더 긴 주행 거리, 더 빠른 충전 및 차량 중량 감소로 이어집니다.
• 항공우주 & 방위: SiC 부품은 고온 내성, 방사선 경도 및 경량 가능성으로 인해 항공기, 위성 및 방위 응용 분야의 전력 시스템에 이상적이며, 보다 전기적인 항공기(MEA) 이니셔티브 및 강력한 군사 하드웨어에 기여합니다.
• 전력 전자 제조: 이 부문은 고급 전력 모듈, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 산업용 모터 드라이브 및 역률 보정(PFC) 회로를 만드는 데 SiC를 광범위하게 사용합니다. SiC에서 가능한 더 높은 스위칭 주파수는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 부품의 크기를 줄입니다.
• 재생 에너지: 태양광 인버터 및 풍력 터빈 컨버터는 SiC의 효율성으로부터 상당한 이점을 얻습니다. 더 높은 변환 효율은 재생 에너지원에서 더 많은 전력을 수확한다는 것을 의미하며, 더 높은 전력 밀도는 더 작고 가벼운 인버터 시스템을 허용합니다.
• 야금 회사: 야금 공정의 고온 유도 가열 및 전원 공급 장치는 극한 조건을 처리하고 전력을 효율적으로 전달하는 SiC의 기능을 활용합니다.
• 화학 처리: 까다로운 화학 공정 및 고온 센서의 전원 공급 장치는 SiC의 화학적 불활성 및 열적 안정성에 의존할 수 있습니다.
• LED 제조: LED 자체는 일반적으로 GaN 기반이지만 대규모 LED 조명 시스템을 구동하는 전원 공급 장치는 향상된 효율성과 수명을 위해 SiC의 이점을 얻을 수 있습니다.
• 산업 기계 및 장비: 로봇, CNC 기계, 용접 장비 및 다양한 산업 자동화 시스템은 향상된 정밀도, 속도 및 에너지 절약을 위해 SiC 기반 모터 드라이브 및 전원 공급 장치를 통합하고 있습니다.
• 10447: 통신: 5G 기지국 및 데이터 센터의 전원 공급 장치는 조밀하게 포장된 환경에서 에너지 소비를 줄이고 열 관리를 개선하기 위해 SiC를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.
• 석유 및 가스: 가혹한 환경의 지하 시추 장비 및 전력 시스템은 SiC의 견고함과 고온 기능을 활용합니다.
• 의료 기기: 고급 의료 영상 시스템(MRI, CT 스캐너) 및 특수 의료 전원 공급 장치는 안정적이고 효율적인 전력 공급을 위해 SiC를 사용할 수 있습니다.
• 철도 운송: 최신 기차 및 트램의 견인 인버터 및 보조 전원 공급 장치는 더 나은 에너지 효율성, 크기 감소 및 향상된 신뢰성을 위해 SiC를 사용합니다.
• 원자력: 원자력 시설의 제어 시스템 및 전력 변환은 중요한 응용 분야에서 SiC의 방사선 내성 및 신뢰성의 이점을 얻을 수 있습니다.

이러한 다양한 응용 분야에서 공통적인 것은 탄화규소 전력 전자가 본질적으로 제공하는 더 효율적이고 컴팩트하며 신뢰할 수 있는 전력 변환에 대한 필요성입니다.

3. 효율성 확보: 전력 시스템에서 맞춤형 SiC의 장점

전력 시스템에서 맞춤형 탄화규소 부품을 채택하기로 한 결정은 현대 전력 전자의 핵심 과제를 직접적으로 해결하는 설득력 있는 일련의 이점에서 비롯됩니다. 이러한 이점은 단순한 재료 대체 그 이상으로, 시스템 수준의 개선을 가능하게 합니다.

• 더 높은 에너지 효율: SiC MOSFET 및 SiC 쇼트키 다이오드와 같은 SiC 장치는 실리콘 대응 장치에 비해 온 상태 저항(R_DS(on)) 및 스위칭 손실이 현저히 낮습니다. 이는 에너지 낭비 감소, 열 발생 감소 및 전반적인 시스템 효율성 향상으로 이어집니다. EV 충전기 또는 태양광 인버터와 같은 응용 분야의 경우 이는 더 많은 전력이 공급되고 에너지 손실이 줄어든다는 것을 의미합니다.
• 전력 밀도 증가: SiC 장치는 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있으므로 관련 수동 부품(인덕터, 커패시터, 변압기)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 열 발생 감소로 인한 냉각 요구 사항 감소와 함께 이는 훨씬 더 컴팩트하고 가벼운 전력 전자 시스템을 가능하게 합니다.
• 우수한 고온 성능: 탄화규소의 넓은 밴드갭을 통해 200°C를 초과하는 접합 온도에서 안정적으로 작동할 수 있으며, 어떤 경우에는 훨씬 더 높습니다. 이는 일반적으로 상한이 약 150-175°C인 실리콘과는 극명한 대조를 이룹니다. 이러한 탄력성은 가혹한 환경에서 응용 분야의 문을 열고 열 관리 시스템의 복잡성을 줄입니다.
• 더 높은 항복 전압: SiC는 실리콘의 약 10배에 달하는 항복 전계 강도를 가지고 있습니다. 이를 통해 더 작은 다이 영역에서 훨씬 더 높은 전압을 차단할 수 있는 장치를 설계할 수 있으므로 고전압 전력 변환(예: 600V에서 multi-kV 응용 분야)에 이상적입니다.
• 더 빠른 스위칭 속도: SiC 장치는 실리콘 장치보다 훨씬 빠르게 켜고 끌 수 있습니다. 이 기능은 스위칭 손실을 줄이고 더 높은 작동 주파수를 사용할 수 있게 하는 데 매우 중요하며, 앞서 언급했듯이 시스템 크기를 줄이는 데 기여합니다.
• 향상된 시스템 신뢰성: 열적 안정성 및 방사선 내성을 포함한 SiC의 고유한 견고성은 까다로운 조건에서 더 긴 작동 수명과 고장률 감소에 기여합니다.
• 시스템 비용 절감(총 소유 비용): SiC 부품은 어떤 경우에는 실리콘에 비해 초기 비용이 더 높을 수 있지만, 시스템 수준의 이점으로 인해 총 소유 비용이 더 낮아지는 경우가 많습니다. 절감 효과는 냉각 요구 사항 감소, 더 작은 수동 부품, 더 높은 효율성(더 낮은 에너지 소비) 및 향상된 신뢰성(유지 보수 감소)에서 비롯될 수 있습니다
• 향상된 열전도율: SiC의 열전도율은 실리콘보다 약 3배 더 좋습니다. 이는 장치에서 더 효율적인 열 발산을 가능하게 하여 고온 성능과 신뢰성에 기여합니다.

SiC 부품을 맞춤화하면 설계자는 특정 전압 및 전류 정격에 맞게 다이 형상을 조정하거나 극한의 열적 또는 기계적 응력에 대한 고유한 패키징 솔루션을 개발하는 등 특정 응용 분야에 이러한 장점을 최적화할 수 있습니다. 이러한 매개변수를 미세 조정하는 능력은 맞춤형 SiC 솔루션 전력 전자 분야의 혁신을 위한 핵심 동인입니다.

4. 재료 문제: 전력 장치 성능을 위한 주요 SiC 등급

탄화규소는 폴리타입이라고 하는 다양한 결정 구조로 존재하는 화합물 반도체입니다. 전력 전자 장치의 경우 전자적 특성으로 인해 특정 폴리타입 및 재료 형태가 선호됩니다. 이러한 차이점을 이해하는 것은 고성능 응용 분야에 최적의 SiC 재료를 선택하는 데 필수적입니다.

전력 장치에 가장 일반적으로 사용되는 SiC 폴리타입은 다음과 같습니다.

• 4H-SiC(육방정계 탄화규소): 이는 상업용 SiC 전력 장치에 대한 지배적인 폴리타입입니다. 4H-SiC는 높은 전자 이동도, 높은 항복 전계 및 우수한 열전도율의 우수한 조합을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 MOSFET 및 쇼트키 다이오드와 같은 고전압, 고주파 응용 분야에 특히 적합합니다. 전력 전자 장치용 SiC 웨이퍼의 대부분은 4H 폴리타입을 기반으로 합니다.
• 6H-SiC(육방정계 탄화규소): 역사적으로 중요하고 일부 특수 응용 분야(예: 특정 고주파 장치 또는 고온 센서)에서 여전히 사용되지만, 6H-SiC는 일반적으로 4H-SiC에 비해 전자 이동도가 낮습니다. 특히 c축에 수직입니다. 이는 전류가 해당 방향으로 흐르는 수직 전력 장치에 덜 적합하게 만듭니다. 그러나 일부 RF 전력 장치 및 LED에 사용되었습니다.
• 3C-SiC(입방정계 탄화규소): 이 폴리타입은 더 크고 저렴한 실리콘 기판에서 성장할 수 있다는 잠재적 이점이 있습니다. 그러나 3C-SiC는 역사적으로 더 높은 결함 밀도로 고통받았으며 4H-SiC와 같은 전력 장치에 대한 상업적 성숙도 수준에 아직 도달하지 못했습니다. 연구가 계속 진행 중이며 향후 특정 응용 분야에 비용 절감 효과를 제공할 수 있습니다.

폴리타입 외에도 전력 장치용 SiC 재료는 일반적으로 다음과 같은 형태로 가공됩니다.

• SiC 기판(웨이퍼): 이는 단결정 SiC 디스크로, 일반적으로 직경이 100mm(4인치)에서 150mm(6인치)이며, 200mm(8인치) 웨이퍼를 사용할 수 있게 되었습니다. 기판의 품질, 특히 결함 밀도(예: 마이크로파이프, 기저면 전위)는 기판에 제작된 장치의 수율 및 신뢰성에 중요합니다. 고품질 SiC 기판이 기본입니다.
• SiC 에피택셜 층(에피 층): 특정 도핑 농도를 갖는 얇고 정밀하게 제어된 SiC 층이 에피택시를 통해 SiC 기판 위에 성장합니다. 이 에피 층은 전력 장치의 활성 영역(예: MOSFET 또는 다이오드의 드리프트 영역)이 형성되는 곳입니다. SiC 에피택시의 두께와 도핑 균일성은 항복 전압 및 온 저항과 같은 특성을 결정하여 장치 성능에 매우 중요합니다.
• 벌크 SiC 결정: 평면 장치 제작에 직접 사용되지는 않지만, 고품질 벌크 SiC 결정은 웨이퍼 생산의 시작점입니다. 물리적 증기 수송(PVT) 또는 고온 화학 기상 증착(HTCVD)과 같은 성장 기술은 최종 웨이퍼의 품질과 비용에 영향을 미칩니다.

SiC 등급 및 형태의 선택은 의도된 전력 장치 유형(예: MOSFET, JFET, 쇼트키 다이오드, PiN 다이오드), 대상 전압 및 전류 정격, 원하는 작동 주파수에 크게 따라 달라집니다. SiC 재료 과학에 정통한 공급업체와 협력하면 최적의 장치 성능과 신뢰성을 위해 가장 적합한 SiC를 선택할 수 있습니다.

5. 전력 설계를 위한 설계: SiC 장치에 대한 중요한 고려 사항

탄화규소 장치로 전력 전자 시스템을 설계하려면 SiC의 고유한 특성을 활용하는 동시에 잠재적인 문제를 완화하는 미묘한 접근 방식이 필요합니다. 엔지니어는 SiC의 이점을 최대한 실현하기 위해 몇 가지 중요한 측면을 고려해야 합니다.

• 장치 아키텍처 선택:
  • SiC MOSFET: 전압 제어 특성, 빠른 스위칭 및 낮은 R로 인해 새로운 설계에 가장 많이 사용되는 선택입니다._DS(on). 평면 및 트렌치 게이트 구조는 채널 이동도, 게이트 전하 및 신뢰성 측면에서 각각 다른 트레이드 오프를 제공합니다.
  • SiC 쇼트키 다이오드(SBD): 거의 제로에 가까운 역 회복 전하를 제공하여 프리휠링 다이오드로 사용되는 회로에서 스위칭 손실을 크게 줄입니다. 종종 SiC MOSFET 또는 실리콘 IGBT와 페어링됩니다.
  • SiC JFET: 견고성으로 알려진 JFET는 일반적으로 켜짐 또는 일반적으로 꺼짐일 수 있습니다. 특정 게이트 구동 전략이 필요하지만 특정 응용 분야에서 뛰어난 성능을 제공할 수 있습니다.
  • 기타 SiC 장치: SiC BJT(바이폴라 접합 트랜지스터) 및 사이리스터도 매우 높은 전력 응용 분야에 사용할 수 있지만, MOSFET는 중간 전력 범위에서 더 일반적입니다.
• 게이트 드라이버 설계: 특히 SiC MOSFET에는 특정 게이트 드라이브 요구 사항이 있습니다.
  • 전압 레벨: 최적의 게이트 드라이브 전압(예: 켜짐 +20V, 꺼짐 -2V ~ -5V)은 낮은 R을 달성하는 데 중요합니다._DS(on) 및 잘못된 켜짐을 방지합니다.
  • 속도: 게이트 드라이버는 빠른 스위칭을 위해 게이트 커패시턴스를 빠르게 충전 및 방전하기 위해 높은 피크 전류를 신속하게 전달할 수 있어야 합니다.
  • 보호: 단락 보호 및 불포화 감지와 같은 기능은 장치 수명에 중요합니다. 밀러 클램프 회로는 높은 dv/dt로 인한 기생 켜짐을 방지할 수 있습니다.
• 열 관리: SiC는 더 높은 온도에서 작동하지만 효과적인 열 발산은 여전히 신뢰성 및 성능에 중요합니다.
  • SiC의 더 높은 열전도율은 열을 분산시키는 데 도움이 되지만, 다이 부착, 기판 재료 및 방열에 대한 신중한 고려가 필요합니다.
  • 이중 측면 냉각 또는 액체 냉각과 같은 고급 냉각 기술은 매우 높은 전력 밀도 응용 분야에 사용될 수 있습니다.
• 레이아웃 및 기생 인덕턴스/커패시턴스 최소화: SiC 장치의 빠른 스위칭 속도는 회로 레이아웃에서 기생 인덕턴스 및 커패시턴스에 민감하게 만듭니다.
  • 전력 경로 및 게이트 드라이브 회로에서 루프 인덕턴스를 최소화하는 것은 전압 오버슈트 및 링잉을 줄이는 데 중요합니다.
  • 신중한 PCB 레이아웃, 적층 버스 바 사용 및 낮은 인덕턴스 패키지의 선택이 중요합니다.
• 전자기 간섭(EMI) 관리: 더 빠른 스위칭 전환(높은 dv/dt 및 di/dt)은 EMI 증가로 이어질 수 있습니다.
  • EMI 규정을 충족하려면 적절한 필터링, 차폐 및 레이아웃 기술이 필요합니다.
  • 손실 목표에서 허용되는 경우 스위칭 에지를 약간 늦추면 때때로 EMI 관리에 도움이 될 수 있습니다.
• 장치 병렬화: 더 높은 전류 응용 분야의 경우 SiC 장치를 병렬화하려면 특히 스위칭 과도 현상 동안 전류 공유에 주의를 기울여야 합니다. 장치 특성 및 대칭 레이아웃을 일치시키는 것이 중요합니다.
• 신뢰성 및 견고성: 게이트 산화물 열화, 바디 다이오드 열화(MOSFET의 경우) 및 우주선 유도 고장과 같은 고장 모드를 이해하는 것은 강력한 시스템 설계를 위해 중요합니다. 제조업체는 단락 내성 시간(SCWT) 및 애벌런치 성능에 대한 데이터를 제공합니다.

이러한 설계 고려 사항을 효과적으로 해결하면 엔지니어가 맞춤형 SiC 전력 솔루션의 모든 잠재력을 활용하여 더 효율적일 뿐만 아니라 더 작고 신뢰할 수 있는 시스템을 구축할 수 있습니다.

6. 정밀 엔지니어링: SiC 웨이퍼의 공차 및 마감

탄화규소 전력 장치의 성능과 수율은 기본 SiC 웨이퍼 및 에피택셜 층의 품질과 정밀도와 본질적으로 관련되어 있습니다. SiC 기판 및 에피 웨이퍼 제조업체는 치수 정확도, 표면 마감 및 결정학적 완전성에 대한 엄격한 사양을 준수합니다. 조달 관리자 및 기술 구매자의 경우 이러한 매개변수를 이해하는 것이 장치 제작을 위한 고품질 재료를 소싱하는 데 핵심입니다.

SiC 웨이퍼 및 에피 층의 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

• 직경 및 두께: 표준 직경에는 100mm, 150mm가 포함되며 200mm가 등장하고 있습니다. 두께는 일반적으로 엄격한 공차(예: ±10-25 µm)로 지정됩니다. 일관된 두께는 팹 라인에서 균일한 처리에 필수적입니다.
• 총 두께 변화(TTV): 웨이퍼 전체의 최대 및 최소 두께 값의 차이를 측정합니다. 낮은 TTV는 광학 리소그래피 및 기타 평면 처리 단계에 중요합니다.
• 보우 및 워프: 이러한 매개변수는 웨이퍼의 중간 표면이 완벽한 평면에서 벗어나는 정도를 설명합니다. 과도한 보우 또는 워프는 자동 웨이퍼 취급 및 처리 장비에 문제를 일으킬 수 있습니다.
• 표면 거칠기(Ra, Rq, Rz): 고품질 에피택셜 성장 및 후속 장치 제작을 위해서는 매끄럽고 결함이 없는 표면이 필수적입니다. 연마된 SiC 웨이퍼의 일반적인 표면 거칠기(Ra)는 옹스트롬 범위(예: < 0.5 nm)입니다. 이는 종종 화학적 기계적 연마(CMP)를 통해 달성됩니다.
• 후속 에피택시 성장을 위해 최소화해야 합니다. 웨이퍼를 성형하는 데 사용되는 연삭 및 래핑 공정은 표면 아래 손상을 유발할 수 있습니다. 이 손상된 층은 우수한 에피택셜 성장 및 장치 성능을 보장하기 위해 CMP로 효과적으로 제거해야 합니다.
• 평탄도(예: 사이트 평탄도 SFQR): 개별 다이가 제작될 작은 영역(사이트)에 대한 국부적인 평탄도는 미세선 리소그래피에 중요합니다.
• 결정 방향: SiC 웨이퍼는 일반적으로 에피택시 동안 단계 흐름 성장을 촉진하고 특정 유형의 결함을 줄이기 위해 c축에서 특정 오프컷 각도(예: 4H-SiC의 경우 4° 오프축)로 공급됩니다. 정확한 방향이 중요합니다.
• 결함 밀도: 이는 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다.
  • 마이크로파이프(MPD): c축을 따라 전파되는 중공 튜브형 결함. 이는 전력 장치에 치명적인 결함입니다. 최신 고품질 SiC 웨이퍼는 거의 제로 마이크로파이프 밀도를 목표로 합니다(< 0.1 cm^-2).
  • 기저면 전위(BPD): 결정 격자의 이러한 결함은 특히 바이폴라 장치 또는 MOSFET의 바디 다이오드의 장치 성능 및 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.
  • 스레딩 스크류 전위(TSD) 및 스레딩 에지 전위(TED): 장치 수율 및 성능에 영향을 미칠 수 있는 기타 유형의 선 결함.
• 저항률 균일성(전도성 기판의 경우): n형 기판의 경우 균일한 저항률은 일관된 장치 특성에 중요합니다.
• 에피택셜 층 두께 및 도핑 균일성: 에피 웨이퍼의 경우 성장된 층의 두께와 도펀트 농도는 항복 전압 및 R과 같은 일관된 장치 매개변수를 보장하기 위해 웨이퍼 전체 및 웨이퍼 간에 매우 균일해야 합니다._DS(on).

이러한 엄격한 공차와 고품질 표면 마감을 달성하려면 고급 결정 성장 기술(예: PVT), 정밀 절단 및 래핑, 다단계 CMP를 포함한 정교한 제조 공정이 필요합니다. 맞춤형 SiC 부품 공급업체는 제품이 전력 장치 제작의 엄격한 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 강력한 계측 및 품질 관리를 입증해야 합니다.

7. 웨이퍼에서 모듈까지: SiC 장치에 필수적인 후처리

활성 SiC 장치 구조가 웨이퍼에 제작되면 개별 다이를 기능적이고 신뢰할 수 있는 전력 장치 또는 모듈로 변환하기 위해 몇 가지 중요한 후처리 단계가 필요합니다. 이러한 단계는 전기적 연결성, 기계적 안정성, 열 성능 및 장기적인 내구성을 보장하는 데 중요합니다.

SiC 전력 장치의 주요 후처리 단계는 다음과 같습니다.

• 웨이퍼 백그라인딩 및 얇게 하기: 수직 전력 장치의 경우 R을 줄이고 열 성능을 향상시키기 위해 웨이퍼를 뒷면에서 얇게 하는 경우가 많습니다. 이 공정은 얇게 한 웨이퍼에 응력이나 손상을 유발하지 않도록 주의해서 처리해야 합니다._DS(on) 얇게 한 후, 금속 층(예: Ti/Ni/Ag 또는 Ti/Ni/Au)이 웨이퍼의 뒷면에 증착되어 드레인(MOSFET의 경우) 또는 음극(다이오드의 경우) 접점을 형성합니다. 이 층은 우수한 옴 접촉을 제공하고 다이 부착에 적합해야 합니다.
• 뒷면 금속화: 웨이퍼 다이싱(싱귤레이션):
• 수백 또는 수천 개의 개별 장치를 포함하는 처리된 웨이퍼는 개별 다이로 절단됩니다. 레이저 다이싱 또는 다이아몬드 톱 다이싱이 일반적인 방법입니다. 정밀도는 다이의 칩핑 또는 손상을 방지하는 데 중요합니다. SiC의 경우 경도가 실리콘보다 다이싱을 더 어렵게 만듭니다. 개별 SiC 다이는 리드 프레임, 직접 접합 구리(DBC) 기판 또는 기타 패키지 베이스에 부착됩니다. 일반적인 다이 부착 재료에는 솔더(예: SAC 합금), 은 소결 페이스트 또는 에폭시 접착제가 포함됩니다. 선택은
• 다이 부착: 개별 SiC 다이는 리드 프레임, Direct Bonded Copper (DBC) 기판 또는 기타 패키지 베이스에 부착됩니다. 일반적인 다이 부착 재료에는 솔더(예: SAC 합금), 은 소결 페이스트 또는 에폭시 접착제가 있습니다. 선택은 열 성능 요구 사항, 작동 온도 및 신뢰성 목표에 따라 달라집니다. 은 소결은 높은 열 전도율과 고온에서의 신뢰성으로 인해 SiC에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
• 와이어 본딩 / 상호 연결: 전기적 연결은 SiC 다이의 상단 접점(MOSFET의 소스 및 게이트, 다이오드의 애노드)에서 패키지 리드 또는 기판으로 이루어집니다. 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 와이어가 일반적으로 사용됩니다. 고전력 모듈의 경우 인덕턴스를 줄이고 전류 처리를 개선하기 위해 구리 클립 또는 리본 본딩을 사용할 수 있습니다.
• 패시베이션 및 캡슐화:
  • 패시베이션: 보호층(예: 이산화 규소, 질화 규소 또는 폴리이미드)은 종종 다이 표면에 적용되어 습기, 오염으로부터 보호하고 고전압 종단 구조에 대한 전기적 절연을 제공합니다.
  • 캡슐화: 조립된 장치 또는 모듈은 기계적 보호, 환경 밀봉 및 전기적 절연을 제공하기 위해 몰딩 화합물(예: 에폭시 수지)로 캡슐화되거나 밀폐형 패키지에 수용됩니다. 캡슐란트의 선택은 부분 방전을 방지하고 장기적인 신뢰성을 보장하기 위해 고전압 SiC 장치에 매우 중요합니다.
• 단자 형성: 리드는 PCB 장착 또는 버스 바 연결을 위한 최종 장치 단자를 만들기 위해 형성, 도금(예: 주석으로) 및 트리밍됩니다.
• 테스트 및 번인: 완료된 장치 및 모듈은 엄격한 전기 테스트(정적 및 동적 매개변수)를 거치며, 조기 고장을 걸러내고 사양을 충족하는지 확인하기 위해 종종 번인됩니다. 여기에는 항복 전압, 누설 전류, 온 상태 저항 및 스위칭 특성 테스트가 포함됩니다.

이러한 각 후처리 단계는 경도, 화학적 불활성 및 고온 작동 능력과 같은 SiC의 고유한 재료 특성에 맞게 신중하게 최적화되어야 합니다. SiC 전력 모듈 및 개별 장치의 성공은 이러한 백엔드 제조 공정의 품질과 정밀도에 크게 의존합니다.

8. 장애물 극복: SiC 장치 채택의 과제 탐색

탄화 규소는 전력 전자 장치에 혁신적인 이점을 제공하지만, 광범위한 채택은 특정 문제에 직면해 있습니다. 그러나 지속적인 연구, 개발 및 제조 발전은 이러한 장애물을 점진적으로 해결하여 SiC를 점점 더 실행 가능하고 매력적인 옵션으로 만들고 있습니다.

일반적인 문제와 완화 전략은 다음과 같습니다.

• 더 높은 재료 비용:
  • 도전: SiC 기판은 복잡하고 고온의 결정 성장 공정과 재료의 경도로 인해 실리콘 웨이퍼보다 생산 비용이 본질적으로 더 높습니다. 이로 인해 절단 및 연마가 어렵고 시간이 많이 걸립니다.
  • 완화:
    • 더 큰 직경의 웨이퍼(예: 150mm에서 200mm)로 전환하면 다이당 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.
    • 결정 성장 기술의 개선(예: 더 빠른 성장 속도, 더 나은 수율)으로 기판 비용이 낮아지고 있습니다.
    • 생산량 증가로 규모의 경제가 실현됩니다.
    • 총 소유 비용(TCO)에 집중: 다이 비용이 더 높을 수 있지만 시스템 수준 절감(더 작은 수동 소자, 냉각 감소, 더 높은 효율)으로 이를 상쇄할 수 있습니다.
• 웨이퍼 및 에피층의 결함 밀도:
  • 도전: 마이크로파이프, 기저면 전위(BPD) 및 적층 결함과 같은 결함은 장치 수율, 성능 및 장기적인 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 BPD는 SiC MOSFET에서 누설 전류 증가 또는 바디 다이오드의 저하를 유발할 수 있습니다.
  • 완화:
    • 고급 결정 성장 및 에피택시 공정은 결함 밀도를 지속적으로 줄이고 있습니다.
    • 개선된 검사 및 계측 기술을 통해 결함 재료를 더 잘 선별할 수 있습니다.
    • 장치 설계는 특정 유형의 결함에 더 관대하도록 최적화되고 있습니다.
    • 패시베이션 기술은 일부 표면 관련 결함의 영향을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• SiC MOSFET의 게이트 산화막 신뢰성:
  • 도전: MOSFET에서 SiC 재료와 게이트 유전체(일반적으로 SiO₂) 사이의 인터페이스는 Si/SiO에 비해 더 높은 인터페이스 트랩 밀도로 인해 역사적으로 문제가 되어 왔습니다.₂이는 문턱 전압 불안정성과 게이트 스트레스 하에서 장기적인 신뢰성 감소로 이어질 수 있습니다.
  • 완화:
    • 질화(예: NO 또는 N₂O 어닐링)와 같은 고급 게이트 산화 공정은 SiC/SiO의 품질과 신뢰성을 크게 향상시켰습니다.₂ 인터페이스.
    • 대체 게이트 유전체의 개발은 진행 중인 연구 분야입니다.
    • 장치 제조업체는 게이트 산화막 무결성을 보장하기 위해 엄격한 선별 및 자격 테스트를 구현합니다.
• 단락 내성 시간(SCWT):
  • 도전: SiC MOSFET는 일반적으로 실리콘 IGBT에 비해 동일한 전류 정격에 대해 다이 크기가 더 작습니다. 이는 열 질량이 낮아지고 게이트 드라이버 및 보호 회로에서 적절하게 관리하지 않으면 SCWT가 짧아질 수 있습니다.
  • 완화:
    • 장치 설계는 SCWT를 개선하도록 최적화되었습니다.
    • 게이트 드라이버의 고속 단락 감지 및 보호 메커니즘이 중요합니다.
    • 일부 제조업체는 향상된 SCWT 정격을 갖춘 SiC MOSFET를 제공합니다.
• 동적 R_DS(on) 증가:
  • 도전: 일부 SiC MOSFET는 전하 트래핑 현상으로 인해 고전압 차단 조건에 노출된 후 온 상태 저항이 증가할 수 있습니다.
  • 완화: 재료 품질(특히 기판 및 에피택시) 및 장치 공정의 발전으로 최신 SiC MOSFET에서 이러한 효과가 크게 줄었습니다.
• 제조 복잡성:
  • 도전: SiC는 경도, 화학적 불활성 및 이온 주입 어닐링과 같은 공정에서 매우 높은 온도가 필요하기 때문에 실리콘보다 공정이 더 복잡합니다.
  • 완화: 특수 SiC 공정 장비 개발 및 공정 레시피 개선이 진행 중입니다. 전용 SiC 팹에 대한 투자가 증가하고 있습니다.

이러한 과제와 이를 극복하기 위한 지속적인 노력을 이해함으로써 엔지니어와 조달 전문가는 SiC 기술을 제품에 통합할 때 더 많은 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다. 이러한 발전을 선도하는 숙련된 SiC 공급업체와 협력하는 것이 중요합니다.

9. 성공을 위한 파트너십: SiC 부품 공급업체 선택

맞춤형 탄화 규소 부품에 적합한 공급업체를 선택하는 것은 제품의 성능, 신뢰성, 시장 출시 시간 및 전반적인 비용 효율성에 상당한 영향을 미칠 수 있는 중요한 결정입니다. SiC 제조의 전문적인 특성을 감안할 때 잠재적 파트너는 몇 가지 주요 기준에 따라 평가되어야 합니다.

• 기술 전문 지식과 경험:
  • SiC 재료 과학, 장치 물리학 및 SiC에 특정한 제조 공정(결정 성장, 에피택시, 웨이퍼 제조, 장치 설계, 후처리)에 대한 깊은 지식을 갖춘 공급업체를 찾으십시오.
  • 특정 응용 분야(예: 자동차,