[편집자주]자료에 따르면 SiC 전력반도체는 2025년까지 연평균 72%의 고성장을 거듭할 것으로 전망된다. 이는 자동차의 전동화 확산 및 자율주행, 차량내 컴퓨팅의 중요성이 높아지면서 자동차 배터리의 효율성과 전력 소비 최소화를 위해 SiC가 자동차의 핵심으로 급부상하고 있기 때문이다. 이렇게 SiC 전력 반도체의 중요성 및 수요가 높아지며, 신뢰성 있는 SiC 반도체를 선택하는 문제도 중요해 졌다. 제품의 선택에 따라 필요한 개발이나 신뢰성 검증 프로세스를 어떻게 달리 해야 할지 신중하게 고려해야하기 때문이다. 이에 본지는 인피니언의 ‘CoolSiC™ 백서 - 인피니언은 어떻게 SiC 전력 반도체의 신뢰성을 달성하고 검증하는가?’를 통해 SiC 전력반도체의 선택에 있어서 중요한 포인트를 짚어보는 자리를 마련했다.

■ SiC 소재 자체 특성·동작 모드 중대 차이점 인식 必

SiC 전력반도체는 전원 변환 스위칭 디바이스의 성능지수를 크게 향상시키고, 우수한 시스템 성능을 달성하도록 해 많은 애플리케이션에서 효율과 전력 밀도를 높이고, 시스템 비용을 낮출 수 있으며, 또한 새로운 애플리케이션과 토폴로지 구현을 가능하게 한다.

반면에 SiC의 이점을 최대한 활용하기 위해서는 철저한 기술 개발과 제품 검증 절차가 뒤따라야 전원 변환 시스템에서 요구되는 수명과 품질을 달성할 수 있다.

특히 실리콘 반도체와 유사하나 소재의 특성이나 동작모드에 있어서 중대한 차이점들이 존재해 최종 애플리케이션 동작에서 이러한 차이가 어떻게 영향을 미칠지, 그리고 필요한 개발이나 신뢰성 검증 프로세스를 어떻게 달리 해야 할지 신중하게 고려해야 한다.


 


■ SiC 기반 디바이스 Si 디바이스보다 추가적인 신뢰성 테스트 요구

SiC 전력 디바이스는 기본적으로 실리콘 디바이스와 같은 디바이스 디자인을 사용하나 좀 더 심도 깊은 분석을 통해서, SiC 기반 디바이스는 Si 기반 디바이스와는 다른 추가적인 신뢰성 테스트가 필요하다.

이는 소재 자체의 특정 구조적인 결함, 이방성 기계적 특성이 다르고, 밴드갭이 더 넓기 때문에 MOS 기반 디바이스로 계면 트랩 밀도와 역학에 영향을 미치기 때문이다.

또한 동작 시에 소재 자체와 디바이스 에지 같은 외부경계면에서 전계가 최대 10배까지 더 높고, 고전압 동작과 빠른 스위칭이 관련된 새로운 동작 모드로 동작하기 때문이다.

이에 SiC 기반 전력 디바이스 적용과 정확성을 위한 검증이 필요하다.

■ FIT 레이트와 수명 개선을 위한 게이트 산화막 신뢰성

SiC MOSFET을 실리콘 디바이스처럼 신뢰할 수 있게 만들기 위해서는 제조 공정시에 게이트 산화막 결함 밀도를 최소화해야 한다.

뿐만 아니라 최종적인 전기 테스트 등을 통해 취약한 디바이스들을 걸러낼 수 있는 혁신적인 검사 기법을 개발해야한다.

이렇게 해서 결함을 일으키지 않거나 미미한 결함만 일으키는 디바이스들은 살려두고 중대 결함을 일으키는 디바이스들은 걸러내면 훨씬 더 향상된 게이트 산화막 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한 SiC 디바이스에 있어서 DC BTI는 중대한 신뢰성 문제가 될 수 있다. 이에 디바이스 공정 최적화를 통해 이 드리프트를 최소화하고 적합한 측정 기법을 사용해 철저하게 테스트해야 한다.

   
■ 단락 회로 견고성

통상적인 산업용 IGBT는 약 10㎲의 단락회로 시간을 견디도록 설계되는데, SiC MOSFET은 단락 회로를 견디는 능력이 아예 없거나 수 ㎲에 불과하다.

반면에 좀 더 깊이 들여다보면, 단락 회로를 처리하지 못하는 IGBT 타입도 존재하며, SiC MOSFET으로 특정한 셀 디자인을 사용함으로써 단락 회로 능력을 IGBT와 같은 수준으로 높일 수 있는 것으로 확인된다.

또한 단락회로 견딤 시간을 보장하는 형태로 단락회로 견고성을 강화하려는 결정을 신중을 기해서 해야 하며 이것을 데이터 시트에 표기하기로 결정했다면 양산 디바이스의 성능을 확인하는 조치를 시행해야 한다.

인피니언의 CoolSiC™ MOSFET 제품의 경우 단락 회로 견딤 시간 사양이 최대 3㎲이며, 이 사양으로 출하 전에 패키지 차원에서 100% 테스트를 실시하고 있는 것으로 알려지고 있다.

■ 바이폴라 저하 방지, 칩 생산 공정 최적화로 스태킹 결함 발생 억제

어떤 타입의 SiC 디바이스 든 바이폴라 동작시에 바이폴라 저하 현상이 발생될 수 있다. 이 경우 적층 결함으로 인해 전류량이 매우 낮아서 열이 거의 발생되지 않으며, SIC 디바이스의 활성 영역을 줄인다.

바이폴라 저하가 SiC 디바이스의 활성 영역을 줄이고 데이터 시트 사양을 벗어나는 일이 발생되지 않기 위해서는 칩 생산 공정을 최적화해서 시트킹 결함이 발생되는 것을 억제하고, 효과적인 검증이 필요하다.

 
■ 제품 차원의 검증

제품을 출시하기 위해서는 HTRB, H3TRB, HTGS 같은 테스트들을 의무적으로 실시해야 하며, 이 결과를 문서화해 제품 검증 보고서(PQR)를 각기 제품에 제공해야 한다.

인피니언의 경우 CoolSiC™ MOSFET이 신뢰성 있게 동작하는지 확인하기 위해 이러한 테스트들을 최소한 3,000시간 이상씩 실시하고 있는 것으로 알려졌으며, 이러한 테스트를 통해 높은 신뢰성을 확인 할 수 있는 것으로 보인다.

특히 SiC 디바이스는 실제 애플리케이션에서 신뢰성 있게 동작하기에 충분히 견고한 특수한 패시베이션 방식을 사용하는 것이 아주 중요하다.

■ 자동차용, 검증 요건 더욱 가혹

사업용보다 자동차에서의 검증 요건을 더욱 가혹하다.

자동차용으로서의 품질 기준을 갖으려면 △매우 가변적인 사용 조건과 부학 △15년 이상의 수명 △ppb 수준의 품질 목표/OEM이 어떠한 고장도 일어나지 않기를 원함 △AEC Q-100/101에 따른 높은 신뢰성이 요구된다.

특히 자동차 시장에서 전기차가 성장함으로써 더 긴 스트레스 시간이 필요하고, 실제 애플리케이션 조건으로 새로운 기술의 동작을 이해하기 위해서 새로운 스트레스 조건을 적용해야 한다.

또한 견고성 시험을 표준적 테스트보다 훨씬 더 높은 수준으로 실시해야 한다.

이와 함께 전기차용으로 동일한 고전압 제품이 다양한 동작 모드로 신뢰하게 동작할 수 있어야 하는데 충전모드에서는 일정하게 높은 DC 링크 전압으로 동작시간 3만시간 이상에 달해야 하며, 운전 모드는 높은 접합부 온도와 배터리 성능에 따라 넓은 전압 범위로 8,000시간에 이르러야 한다. 또한 최신 기능으로 시간 예약이나 원격 제어의 방법으로 차를 사용하기 전에 운전자 좌석을 미리 덥힐 수 있는데, 이 동작 시간은 3,000시간까지 이를 수 있다.

여기에 자동차 부품으로 습도에 대한 견고성이 요구된다. 이는 SiC 디바이스가 실리콘 기반 디바이스보다 습도와 관련한 고장 메커니즘에 특히 민감하기 때문이다.

이에 대해 백서는 인피니언의 경우 습도에 대한 내구성이 높은 소재를 사용해서 에지 패시베이션을 함으로써 높은 습도 조건으로 테스트를 통과하고 있는 것으로 밝혔다.

 
■ 신뢰성·검증 관련 산업 표준 개발 必

위에서 살펴봤듯이 SiC 전력반도체가 신뢰성을 확보하기 위해서 다양한 포괄적인 검증 접근법이 제시됐다.

반면 이는 인피니언의 입장에서 실시하는 것으로 전체 업계 차원에서 디바이스 검증에 관한 산업 표준을 개발하는 것이 필요하다.

이를 통해 SiC 전력 반도체의 신뢰성을 높이고, 품질과 관련된 문제를 좀 더 쉽고 빠르게 해결 할 수 있을 것으로 기대된다.