최신 IGBT 파워 모듈의 향상된 사이클링 성능
글│Andreas Volke, Michael Hornkamp, Infineon
최근의 IGBT 모듈은 Tvj,op = 150℃(Tvj,max = 175℃)로 상승된 접합온도에서 작동되는 첨단 IGBT 칩을 장착하고 있다. 모듈 패키징과 어셈블리 기술이 개선되지 않을 경우 대략 50%의 사이클링 용량 감소가 예상된다. 하지만 향상된 기술과 프로세스에 의해 사이클링 용량은 오히려 더 높아졌다. 이 원고에서는 파워 사이클링 시험조건에 대해 논의, 서로 다른 시험조건에 비교하여 전형적인 소손 메커니즘을 보여준다. 또한 최신 IGBT 칩을 탑재한 IGBT 모듈의 파워 사이클링 다이어그램을 제공한다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 파워 모듈은 컨수머, 산업용 및 차량용 등 여러 응용 분야에 광범위하게 사용되며 그 내부 구조에 대한 내용은 다른 원고에서 여러 번 다뤄지기도 했다. 그림 1은 표준 IGBT 모듈의 기본적인 구성을 보여준다.
그림 1. 표준 IGBT 파워 모듈의 단면도
파워 모듈의 가격대 성능 비율을 최적화하기 위해 여러 해 동안 새로운 반도체(IGBT 및 이에 상응하는 프리-휠링 다이오드 FWD)가 소개되었다. 전형적인 경향은 같은 내압에서 칩 두께를 줄이고, 같은 전류 수준에서 칩 면적을 줄이는 것이다. 그러나 두 번째 방법은 칩의 열 저항 증가를 감수해야 한다. 이에 대응하기 위해 최근 출시된 1200V와 1700V의 파워 반도체는(예를 들면 IGBT4) 150℃로 상승된 접합온도, Tvj,op,에서 동작하는데 이는 IGBT2와 IGBT3와 같은 이전 세대의 칩 보다 25K 더 높다. 본드 와이어와 칩 메탈의 상호 접속(그림 3)을 고려해볼 때 ΔT = 25K의 증가는 이러한 접속의 수명을 약 50%까지 감소시킨다는 것을 그림 2는 보여준다. 이는 접합이 ΔT = 0K 에서보다 두 배 빠르게 노화된다는 것이다.
그림 2. 가속 계수 vs. 온도 변화
그림 3. Chip/DCB 본딩(왼쪽)과 와이어 본딩 공정(오른쪽)
물론 자신의 설계에 이처럼 큰 수명 감소를 받아들일 엔지니어는 없다. 따라서 접합온도 Tvj,op = 125℃에서 작동되는 모듈과 동일하거나 더 향상된 수준의 모듈 신뢰성을 유지하기 위해 인피니언은 특별한 측정을 해야만 했다.
파워 사이클링
(1) 기본원리
그림 4에서 보듯이 동작 중에 IGBT 모듈은 변화하는 열 조건에 노출되는데 이는 주변 온도, 냉각 방법, 베이스 플레이트 및 기판(DCB)의 소재, 파워 반도체 그리고 애플리케이션에 따른 부하조건 등에 의존한다.
그림 4. 모듈 내부 온도분포의 예
(2) 테스트 조건
IGBT 파워 모듈의 신뢰성 및 수명을 결정하기 위해 소자 제조업체들은 몇 가지 시험을 한다. PC(Power Cycling)는 이러한 테스트 중 하나로 주로 본드 와이어 접속의 품질과 수명 시간을 시험하기 위함이다.
PC 테스트의 주요 특성은 DUT(De-vice Under Test)가 ‘PConLoss = VCE × IC’에 따라 전도 손실이 발생함으로써 스스로 가열된다는 것이다.
전형적으로는 그림 5의 왼쪽과 같이, 공칭전류 IC,nom와 비슷하거나 같은 부하전류 IC1을 모듈에 흘린다. 그러나 일부 제조업체들은 게이트-에미터 전압 VGE2를 변동시켜 더 큰 콜렉터-에미터 전압 VCE를 발생시킴으로써 더 작은 부하전류 IC2를 사용할 수도 있다(그림 5, 오른쪽).
그림 5. PC 장치 : 공칭 부하전류 IC1와 일정한 게이트 에미터(gate emitter) 전압 VGE1(왼쪽), 감소된 부하전류 IC2와 조절 가능한 게이트 에미터 전압 VGE2(오른쪽)
게이트-에미터 전압, 부하전류 및 콜렉터-에미터 전압 간의 관계는 출력 특성(output characteristic)으로 불린다. 그림 6은 400A 모듈의 출력특성 예를 보여준다.
그림 6. IGBT 출력 특성의 예
이러한 두 경우의 주요한 차이는 그림 5의 왼쪽에서 더 큰 전류가 사용된다는 점이다. 이는 전형적으로 DUT의 공칭전류에 해당한다. 따라서 본드 와이어 및 접속은 이처럼 더 큰 전류에 놓이게 되고 강한 스트레스를 받는다. 게다가 더 큰 전류는 증가된 di/dt를 가져오고 결과적으로 더 큰 자기장을 형성시켜 추가적인 미세한 움직임을 만듦으로써 본드와이어의 스트레스에 또한 기여한다. 인피니언의 IGBT 파워 모듈에는 이러한 방식이 사용되어 본드와이어와 해당 접속점을 테스트할 때 최대의 스트레스를 받도록 한다. 그러므로 PC 다이어그램들을 읽어내거나 또는 제대로 비교하는데 있어서 PC 테스트 조건을 살피는 것이 중요하다.
모듈 냉각은 부하전류를 스스로 차단하고 외부에서 냉각하는 방식으로 이루어진다. 수냉식 히트 싱크가 자주 사용 되지만 공냉식 시스템 또한 일반적이다. 가열할 때는 물의 흐름을 정지시키고 냉각할 때는 다시 가동되도록 테스트 장치를 설치한다.
DUT의 가열 및 냉각 구간은 IGBT 파워 모듈 제조사들 간에 상당한 차이를 보인다. 사이클 시간은 몇 초에서부터 몇 십 초까지 광범위하기 때문에 적절한 변환 모델이 없는 상태에서 결과를 직접 비교하기가 거의 불가능하다. 인피니언 IGBT 파워 모듈의 경우, 사이클 시간은 1s ≤ tcycle ≤ 3s 범위 내에서 정해진다.
(3) 소손 모드
PC 테스트의 목적은 본드 와이어 접속의 신뢰성과 수명을 보기 위한 것이다.
본드 와이어 접속의 EoL(end-of-life)에서 와이어의 리프트-오프(lift-off) 및 칩 상부 알루미늄 금속체의 재구성이 그림 7과 같이 발생할 수 있다.
그림 7. 본드-와이어 리프트-오프(왼쪽) 및 알루미늄 금속체 재구성(오른쪽)
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어떤 경우에는 그림 8과 같이 본드-와이어 힐 크랙(heel crack)이 발견되기도 한다. 힐 크랙은 기계적으로(진동 또는 자장에 의한) 또는 열적으로 발생된 본드 와이어의 움직임에 의한 결과인데 이러한 움직임은 결국 소재의 피로현상에 의한 와이어 자체의 손상을 가져올 수 있는 것이다. 이러한 종류의 손상에 대해서는 그림 5의 왼쪽에 보인 테스트 설정이 특히 중요하다.
그림 8. 본드-와이어 힐 크랙
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파워 사이클링 다이어그램
실제 애플리케이션에서 IGBT 파워 모듈의 본드와이어 접속 수명을 예측하기 위해서는 소자 제조업체가 제공하는 PC 다이어그램을 사용한다.
이러한 PC 다이어그램은 가속테스트 과정을 기반으로 하는데 일반적인 애플리케이션 조건과는 비교할 수 없다. PC 테스트 시, 도통 구간에서 일정한 진폭을 가진 전류가 모듈에 스트레스를 가한다. 그러나 대부분의 표준 애플리케이션에서는 PWM 신호에 의해 조절되는 정현(sinu-soidal) 출력 전류가 모듈 스트레스의 원인이 된다. 이는 표준 애플리케이션 조건이 디바이스 제조업체들의 PC 테스트에 비교해 일반적으로 덜 가혹하다는 것을 의미한다.
PC 다이어그램은 칩 접합 온도의 변동 ΔTj의 함수로서, 실현 가능한 부하 사이클 횟수를 보여준다(이것은 모듈의 IGBT칩과 다이오드 칩 모두에 적용 된다).
그림 9는 1200V, 1700V IGBT2 또는 IGBT3 반도체를 갖춘 모듈의 PC 다이어그램이다.(알맞은 FWD를 포함)
그림 9. 1200V, 1700V IGBT2 및 IGBT3 칩을 갖춘 산업 모듈용 PC 다이어그램
위쪽의 파란 선은 DUT가 초기 접합온도 25℃에서 가열될 때 달성 가능한 사이클을 나타낸다. 마찬가지로, 아래쪽 검은 선은 접합 온도가 최대 값인 125℃까지 올라갈 때 가능한 사이클을 보여준다. 이는 본드 와이어 접속의 수명이 절대 동작온도와 온도변동 두 가지 모두와 관련이 있다는 것을 의미한다.
최신 IGBT 제품(IGBT4)에 대한 칩 metalization의 최적화 및 향상된 본딩 파라미터로 인해 그림 10에서 보는 것과 같이 본드와이어 접속의 강인함과 신뢰성이 향상되었다.
그림 10. 1200V 및 1700V IGBT4칩을 갖춘 산업 모듈용 PC 도표
그림 11은 최대 접합 온도에서의 PC 곡선들을 동일한 테스트 조건에서 비교한 것이다. 온도 변동, ΔTj = 60K의 경우를 보면 다음과 같다.
그림 11. IGBT2 & IGBT3와 IGBT4의 비교
- 125℃에서 IGBT2 & IGBT3의 최대 사이클: ~130,000(빨간색/아래쪽 라인)
- 125℃에서 IGBT4의 최대 사이클: ~700,000(갈색/맨 위쪽 라인)
- 150℃에서 IGBT4의 최대 사이클: ~300,000(검정색/중간 라인)
이러한 수치는 IGBT4 파워 모듈에 있어서 추가된 25K의 접합온도를 포함해 ~130%의 향상, 또는 예전과 동일한 최대 접합온도 125℃에서 ~438%까지의 향상을 의미한다.
전망
200℃ 또는 그 이상의 접합 온도에서 작동하게 될 미래형 반도체에 적합한 새로운 접속 기술이 필요하게 될 것이다. 이러한 관점에서 LTJ(low-temperature joining) 기술이 매우 유망한 기술로 보이며, LTJ 실버 스트립으로 본드와이어 접속을 대치할 수 있다(그림 12).
그림 12. 표준 와이어 본딩을 대신할 저온 결합 기술
그림 13은 실험적인 LTJ 기술을 이용한 경우의 PC 테스트의 초기결과를 나타낸다. 첨단기술의 모듈과 비교할 때 LTJ를 사용한 모듈은 더 향상된 사이클링 성능을 갖춘다. 그러나 LTJ 기술이 양산제품으로 출시되기 전까지는 더 많은 연구 노력이 있어야 할 것이다.
그림 13. LTJ 기술 구현으로 더욱 향상된 PC 성능
결론
최신 IGBT 파워 모듈은 증가된 동작 접합 온도인 150℃에서 작동하며, 이는 이전의 1200V 및 1700V용 모듈보다 25K 더 높다. 동일하거나 더 나은 수명 성능을 달성하기 위해서는 본드 와이어 접속에 어느 정도의 개선이 필요하다. 그림 11에 보인 바와 같이, 최신 파워 모듈은 이전 제품과 비교해 더 높은 접합 온도에서 두 배 이상의 사이클링을 달성할 수 있다. 접합 온도를 동일한 125℃로 유지한다면 5배 이상의 증가도 가능하다.
엔지니어들은 이제 아래와 같은 옵션을 통해 좀 더 자유롭게 설계할 수 있다.
- 모듈의 접합 온도를 높이고 이전 세대의 모듈 제품에서 사용되었던 것과 같은 냉각 조건을 유지한다. 이 방법으로 본드와이어 접속 측면의 모듈 신뢰도를 해치지 않고 제품 당 전력밀도를 증가시킬 수 있다.
- 이전 모듈과 같은 접합 온도에서 새로운 모듈을 작동시키고 방열조건에 대한 노력도 상응하는 수준으로 줄인다. 이는 본드와이어 접속 측면에서 모듈 수명의 신뢰도를 대폭 향상시킨다.
참고문헌
1. D. SIEPE, R. BAYERER, Time and spatial resolved detection of power device failures during wire bonding, CIPS 2006
2. NIEST/SEMATECH, e-Handbook of Statistical Methods, http://www.itl.nist.gov/ div898/handbook, 2006
3. M. HELD, P. JACOB, G. NICOLETTI, P. SCACCO, M.-H. POECH, Fast Power Cycling Test for IGBT Modules in Traction Applications, PEDS 1997
4. T. HERRMANN, M. FELLER, J. LUTZ, R. BAYERER, T. LICHT, Power Cycling Induced Failure Mechanisms in Solder Layers, EPE2007
5. A. VOLKE, M. BAESSLER, F. UMBACH, F. HILLE, W. RUSCHE, M. HORNKAMP, The new power semiconductor generation: 1200V IGBT4 and EmCon4 Diode, IICPE 2006