SiC 반도체, Si 반도체 대비 안정적인 동작
열전도도, 내전압 특성 높고 저항 낮아
은 소결 접합, SiC 고온 동작 보장
전자부품연구원(KETI)이 은(Ag)을 활용해 실리콘카바이드(SiC) 파워 반도체 실장용 고상 접합기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 

고상 접합이란, 접합하고자 하는 서로 다른 종류의 재료를 용융되지 않은 고체 상태에서 접합하는 것을 말한다. 

실리콘카바이드(SiC) 반도체는 갈륨나이트라이드(GaN) 등과 함께 광대역 갭 반도체(Wide Bandgap, WBG)로서 기존 실리콘(Si) 반도체 대비 안정적인 고온 동작, 높은 열전도도, 낮은 저항과 높은 내전압 특성을 지닌다.  

따라서 WBG 반도체는 방열구조를 간소화할 수 있다. Si 반도체 대비 넓이는 1/300, 두께는 1/8이기 때문에 전력변환 모듈의 집적화가 가능하며, 전력변환 시 발생되는 에너지 손실도 줄일 수 있다.  

일반적으로 전력변환 시 SiC 반도체의 에너지 손실은 Si 반도체 대비 70% 이상 적으며, SiC 파워 반도체로 만든 인버터의 경우 에너지 효율이 1~2% 이상 높다. 최근 WBG 반도체의 상용화 연구에 탄력이 붙은 이유다.  
핵심은 실장소재와 실장공법이다. 300℃ 이상 고온 동작 시, 기존 Si 파워 반도체에 적용된 실장소재 접합재료가 액체로 변할 수 있기 때문이다.  

현재 고융점 솔더를 이용한 솔더링, 저융점 접합소재를 이용한 천이(遷移)액상접합, 고융점 재료를 이용한 소결 접합 등의 연구가 진행되고 있는데, 솔더링의 경우 납(Pb)에 의한 환경적 이슈가, 천이액상접합의 경우 긴 공정시간이 단점이다.  

소결 접합 관련 연구가 가장 각광을 받고 있으나, 공정에 필요한 높은 온도와 가압으로 발생하는 결함이 상용화의 걸림돌로 지적되고 있다. 하지만 이번 KETI 오철민, 홍원식 박사 연구팀이 개발한 고상 접합기술은 결함이 발생하는 근본 원인을 제거했다.  
일반적인 고상 접합(소결 등)에 적용되는 가압력을 가하지 않으면서 반도체 및 모듈의 열 변형을 줄일 수 있는 저온으로 진행되기 때문에, 생산제품마다 각기 다른 가압용 구조물이 불필요하다. 그뿐만 아니라 반도체의 전기 및 열 저항을 높일 수 있는 보이드와 같은 실장소재 내부 결함이 없어 신뢰성이 높다.  

또 Ag 소재 특유의 고융점, 고열전도도, 고전기전도도 등의 재료 특성으로, SiC의 안정적인 고온동작이 가능하며, 기존 접합 소재보다 열저항도 30% 이상 낮아 방열 특성도 우수하다.  

KETI 오철민 박사는 “이번에 개발된 무가압 저온 공정으로 SiC 반도체의 성능이 접합부를 거쳐 그대로 모듈에 전달될 수 있게 되었다"라며, "향후 전기자동차, 로봇, 스마트 공장 등 보다 엄격한 내구성을 요구하는 전력 변환 모듈에 적용이 기대된다”라고 밝혔다. 

한편, 이 기술은 산업통상자원부 에너지기술 개발사업 지원으로 제엠제코, 한국과학기술원과 공동으로 개발했으며, 최근 과학기술정보통신부에서 선정하는 2018년 국가 R&D 100대 우수 과제에 선정되기도 했다.