새로운 SiC 박막 웨이퍼 기술을 이용함으로써
쇼트키 다이오드의 성능과 신뢰성 향상 

이글에서는 인피니언 테크놀로지스의 새로운 thinQ!TM 5세대(G5) SiC 쇼트키 다이오드를 소개한다. G5에서는 고유의 새로운 제조 프로세스를 이용해서 커패시티브 전하 Qc와 포워드 전압 Vf를 최소화하고 있다. 이 글에서는 또한 애플리케이션 테스트 결과를 이용해서 인피니언의 이전 세대 thinQ! G2 및 G3 제품과 비교해서 G5가 어떻게 향상되었는지 설명하고 있다.
글/Vladimir Scarpa, Uwe Kirchner, Rolf Gerlach, Ronny Kern, 인피니언 테크놀로지스

서론

실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 배리어 다이오드(schottky barrier diode: SBD)는 십여 년 전부터 시장에 등장했으며, 현재는 연간 수백만 개씩 판매되면서 현장에서 검증된 품질을 제공하고 있다. 이는 다시 말해서 이 기술이 성숙한 기술이 되었으며 완벽하게 신뢰할 수 있으며 성능이 뛰어난 소자로 자리잡고 있다는 것이다. 더욱이 최근에는 에너지 효율에 대한 요구가 갈수록 더 높아짐으로써 다양한 애플리케이션에 SiC 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)의 사용이 꾸준히 늘어나고 있다. SiCSBD가 표준적으로 이용되고 있는 하이엔드 서버와 통신 장비 SMPS뿐만 아니라, 태양광 인버터, PC 실버박스, 모터 드라이브, 조명 등의 애플리케이션에서도 SBD의 사용이 계속해서 늘어나고 있다.

그림 1에서는 인피니언 테크놀로지스가 출시한 600V SiC SBD의 변천 과정을 보여주고 있다. 매 세대마다 더 우수한 가격대 성능비를 달성하도록 새로운 기술들을 적용함으로써 애플리케이션 차원에서 중대한 이점들을 가능하게 하고 있다.

thinQ!TM 2세대(G2)에서는 디바이스구조로 융합적 pn-접합부를 채택함으로써 고전류 조건 시에 다이오드 손실을 낮추도록 하고 그럼으로써 디바이스의 서지전류 용량을 향상시킬 수 있었다.
thinQ!TM 3세대(G3)에서는 확산 솔더링(diffusion soldering)[3]이라고 하는 새로운 솔더 기법을 적용함으로써 디바이스 칩과 리드프레임 사이에 열 전도를 향상시키도록 했다.

그럼으로써 가장 두드러진 결과로서 접합부-대-케이스 열 저항 Rth,JC를 낮출 수 있었고 결과적으로 디바이스 면적당 가능한 전력 소모를 극대화할 수 있었다.
새로운 thinQ!TM 5세대(G5)에서는 이전 세대들의 이와 같은 향상들에 더해서 새로운 기술들을 결합하고 있다. G5에서는 항복 전압(breakdown voltage)을 650V로 높였을 뿐만 아니라, 디바이스를 고유의 박막 웨이퍼 기술을 이용해서 제조하고[4], 더 간소화된 셀 레이아웃을 채택함으로써 디바이스 커패시티브 전하를 낮추도록 하였다.

다음에서는 그럼으로써 달성할 수 있게 된 주요한 이점들에 대해서 설명하고, G5와 이전 세대 SiC 다이오드 기술을 상세하게 비교하고 있다.

기술 설명

이전의 자료[4]에서도 자세히 설명했듯이, Infineon은 수율에 어떤 부정적인 영향을 미치지 않으면서 웨이퍼 두께를 원래의 1/3까지로 줄일 수 있는 제조 프로세스 기술을 개발하였다. 기판(substrate)을 박막화함으로써 그림 2(a)에서 보듯이 다이오드의 차동 저항을 낮추고 있으며 디바이스의 동일한 단위 면적당 출력 특성에 확실한 영향을 미치고 있다(그림2(b)).

▼ 그림 2. (a) SiC 다이오드(후막 웨이퍼를 이용할 때와 박막 웨이퍼를
이용할 때), (b) 후막(G2, G3) 및 박막(G5) 기판을 이용했을 때 동일
크기 디바이스의 포워드 특성

650V SiC SBD에서는 기판(substrate)이 전체 다이오드 저항에서 대부분을 차지한다. 그러므로 박막 웨이퍼 기술을 이용하면 동일한 칩 크기로 다이오드 차동 저항을 크게 낮출 수 있다. 이것을 그래픽적으로 나타낸 것이 그림 2(b)의 수평선이다. 이 그림에서는 기판 두께가 각기 다른 2개 웨이퍼의 포워드 특성을 보여주고 있다.

G5 칩은 전기적 특성뿐만 아니라 열 동작 또한 향상시켰다. 칩이 얇아짐으로써 웨이퍼와 리드프레임 사이에 더 우수한 열 경로를 가능하게 한다. 그럼으로써 동일한 전력 소모라 하더라도 G5 디바이스는 G2에 비해서 접합부 온도 상승이 더낮다.

그림 3에서는 동일한 전력 소모로서 TO-220 패키지로 G2와 G5의 각기 다른 기술을 이용한 2개 SiC SBD 칩의 열시뮬레이션을 보여준다. 이 그림에서는 G5는 리드프레임에 대한 열 전도가 향상됨으로써 칩 접합부 온도가 훨씬 낮다는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 G5 디바이스에서는 구리 리드 프레임으로 열 확산이 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
또한 애플리케이션 차원에서는 열 동작이 향상됨으로써, 특히 긴 전류 펄스의 경우에, 더 높은 서지 전류 용량을 가능하게 한다.

G5 디바이스 제품

(1) 디바이스 설명
G5 제품들은 특정한 공칭 전류 및 접합부 온도 Tj = 25℃로 포워드 전압 Vf =1.5V가 되도록 설계되었다. 그림 4(a)에서는 동일한 공칭 전류일 때 3개 SiC SBD제품군의 Vf와 Qc(역 전압 VR =400V일 때 총 커패시티브 전하)에 대해서 보여주고 있다. 그림 4(b)에서는 G2 및 G5의 몇몇 전류 정격 디바이스들을 비교하고 있다. G5 디바이스에서는
Qc를 크게 낮추고 있다는 것을 알 수 있다(30~40퍼센트).

G2와 G5를 비교하면 동일한 Vf로 총 전하 Ac가 낮아졌다는 것을 알 수 있다. 그럼으로써 파란색 화살표로 표시한 것과 같이 스위칭 손실이 더 낮다. 또 한편으로 G3와 비교하면 G5는 동일한 Qc로 Vf가 더 낮아짐으로써 화살표로 표시한 것과 같이 전도 손실이 더 낮다.
그럼으로써 4장에서 설명하고 있듯이 G5의 결과적인 성능은 전체적인 전력 범위에 걸쳐서 동일 정격 디바이스들을 비교했을 때 이전 세대들보다 더 우수하게 나타난다.

(2) 열 저항 및 서지 전류 용량
전력 소자의 신뢰성과 관련해서 또 다른 중요한 두 파라미터는 접합부와 케이스 사이의 열 저항 Rth,JC와 서지 전류 용량이다[5]. 그러므로 이들 제품의 데이터시트에서는 Rth,JC, 최대서지 전류 IF,SM(10ms 사인파 전류 펄스), 비반복적 피크 포워드 전류 If,MAX(10μs 구형파 전류 펄스)를 파라미터로서 표기하고 있다.

그림 5에서는 TO-220 패키지인 8A 디바이스의 위 3개 파라미터를 표시하고 있다. 절대 값은 참고문헌[6]에서 볼 수있다. 열 동작이 더 우수하다는 점에서 예측할 수 있듯이 G5가 G2 및 G3보다 Rth,JC가 낮다. 뿐만 아니라 G5가 IF,SM과 If,MAX가 다른 세대 제품들보다 항상 더 높다.
G5가 Rth,JC가 더 낮은 것은 박막 칩을 이용함으로써 열 소산이 더 우수해졌기 때문으로 설명할 수 있다(그림 3). 열 동작은 서지 전류 용량에도 영향을 미친다. 그러므로 G5 디바이스는 최대 접합부 온도에 도달하고 이러한 결과로서 손상이 일어나기까지 더 높은 전류 용량을 가능하게 하고 그러므로 더 높은 손실을 허용할 수 있다.

CCM PFC를 이용한 시험 결과

그러면 스텝업(부스트) 회로를 이용한 G5 디바이스의 성능 결과를 살펴보도록 하자. 이 회로는 Vin =230Vac를 이용해서 구동하며 CCM 동작을 위해서 PFC 컨트롤러를 포함하고 있다.

그림 6에서는 주요 파라미터들과 소자 값을 표시하고 있다. 그림 7(a)는 각기 다른 기술 세대를 이용해서 위에서 설명한 회로의 출력 전력에 따른 효율 곡선을 보여준다. 그림 7(b)는 G5에 대해서 정규화한 효율이다.
그림 3 부분에서도 설명했듯이 G5는 G2와 비교했을 때 Qc가 더 낮고 그러므로 스위칭 손실이 더 낮으므로 경량 부하일때 효율이 더 높다. 또 한편으로 G5는 G3과 비교했을 때 Vf 값이 더 낮고 그러므로 전도 손실이 더 낮으므로 대부하 조건일때 효율이 더 우수하다. 그러므로 이들 3개 세대를 비교했을 때 G5는 Qc×Vf 곱이 더 낮으며 그러므로 전체적인 전력 범위에 걸쳐서 더 우수한 효율을 달성한다.

결론

이 글에서는 인피니언 테크놀로지스가 새로운 고유의 박막 웨이퍼 기술을 적용해서 내놓은 새로운 세대의 SiC 쇼트키 배리어 다이오드 제품군에 대해서 소개하였다. 박막 웨이퍼 기술을 이용함으로써 달성하고 있는 전기적 및 열적 향상들에 대해서 설명하고 그럼으로써 디바이스 성능을 어떻게 향상시키고 있는지 살펴보았다. PFC 회로를 이용한 테스트 결과를 살펴봄으로써 G5는 전도 손실과 스위칭 손실을 뛰어나게 조화시키고 있으며 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 시스템으로 우수한 효율을 달성하도록 한다는 것을 확인할 수 있었다.

<반도체네트워크 8월>