파워모듈의 신뢰성 평가, 접합 기술

파워 모듈의 신뢰성 평가·접합 기술 개요 인버터 제어기술의 핵이 되는 파워모듈은 이에 적용되는 산업분야의 확대와 함께 모듈 자체에도 한층 높은 신뢰성이 요구된다. 따라서 본고에서는 파워모듈 주전극 배선구조에 관한 신뢰성에 주목해 ① 강도 신뢰성 평가 기술, 및 ② 새로운 접합기술에 대한 미츠비시전기의 편성내용에 관해 설명한다. 강도 신뢰성 평가 기술로는, 파워모듈의 주전극 배선방법으로 이용하고 있는 알루미늄 와이어 본딩부의 열 피로로 인한 와이어 리프트 오프 수명의 가속평가 시험 기술에 대해 설명한다. 종래 이 같은 피로수명 평가로는 실제 동작이 가능한 모듈에서 파워 사이클 시험을 실시했기 때문에 장기 신뢰성 평가로는 방대한 시간을 필요로 했다. 하지만 와이어 본딩된 소자부분만을 평가대상으로 함으로써, 실제 기기 모듈을 준비하지 않고 게다가 종래 방법에 비해 단기간에 와이어 본딩의 수명평가를 가능하게 한 고속 히트 사이클 시험법을 개발했다. 접합기술로는 Cu리드에 의한 배선구조에 대해 설명한다. 파워 반도체 칩의 발전으로 칩의 고전류 밀도화가 추진되면서, 같은 전류 값을 담당하는 반도체 칩 면적이 축소되는 경향이 있기 때문에 와이어 본딩으로 전류를 인출하는 방식에 한계가 있다. 따라서 알루미늄 와이어를 대체할 새로운 배선기술로 칩 상의 배선을 알루미늄 와이어 본딩(wire-bonding)에서 Cu리드 납땜으로 변경했다. 와이어 배선구조와 리드 배선구조의 신뢰성을 비교한 결과, 리드의 형상 변경에 따른 강성 저하로 고신뢰성이 확보 가능해 졌다. 파워모듈은 이에 적용되는 산업분야가 확대되면서 가전 등의 인버터 제어에서 자동차, 전철·전력 등 대전력 분야에 폭넓게 사용되고 있다. 최근 모듈에 요구되는 신뢰성은 전기·절연적, 열적, 강도적인 측면에서 엄격함을 더하고 있으며, 한층 더 사양 개선을 요구하고 있다. 동시에 저비용으로 신뢰성 높은 제품을 단기간에 개발, 제품화할 필요가 있다. 이와 같은 요구에 부응하기 위해서는 신뢰성 평가 기술의 고정밀도와 가속화를 필요로 하며 동시에 새로운 기술을 바탕으로 한 제품화 개발이 중요하다. 따라서 본고에서는 파워모듈 배선구조의 신뢰성에 관해 강도 신뢰성 평가 기술로서, 파워모듈의 주전극 배선 방법으로 이용되고 있는 알루미늄 와이어 본딩부의 열 피로로 인한 와이어 리프트 오프 수명에 대한 가속평가시험 기술, 및 새로운 접합 기술로서 와이어 본딩 배선을 대체할, 향후 고전류 밀도화에 대응하기 위해 Cu리드를 이용한 배선구조에 관해 설명한다. 강도신뢰성 평가 기술 (와이어 리프트 오프 수명의 가속 시험 기술) 파워모듈의 반도체 소자(Si 칩)의 전기배선 방법으로 알루미늄 와이어 초음파 접합 방법이 널리 이용되고 있다. 알루미늄 와이어 배선을 이용한 파워 모듈 단면의 모식도를 <그림2>에 나타낸다. 와이어의 접합부(본딩부)는 칩의 발열·냉각과 함께 반복되는 열 피로로 인해 피로손상을 낳는 경우가 있어, 접합부의 신뢰성 면에서 피로특성을 충분히 파악해 둘 필요가 있다. 신뢰성 평가 시험으로는 실제 모듈에 대해 전류의 통전·차단을 반복하는 파워 사이클 시험을 실시하고 있지만 많은 시간을 요구한다. 따라서 파워 사이클 시험을 대체할 평가방법으로 알루미늄 와이어를 본딩한 칩 부분만을 샘플로서, 외부가열로 파워 사이클 시와 등가 열응력을 발생시켜 열 피로 수명을 가속 평가하는 수명평가기술(고속 히트 사이클 시험기술)을 개발했다. 고속 히트 사이클 시험장치의 평가부분을 <그림3>에 나타낸다. 시험장치로 급속가열 및 냉각을 위한 고성능 세라믹 히터 및 냉각용 Cu 히트싱크를 이용했다. 시험에는 가열·냉각 시 과도적인 온도변화를 이용하기 위한 정밀한 온도제어가 필요해, 고속 샘플링이 가능한 디지털 온도조절기를 이용해 제어했다. 그 결과 <그림4>에 나타낸 온도이력의 일례와 같이 칩 표면 온도범위 ΔT=100K 조건에서는 약 2s의 히트 사이클 주기로 온도제어를 실현함으로써 파워 사이클 시험에 비해 약 1/4 시간에 와이어 본딩부 수명을 평가할 수 있게 됐다. 고속 히트 사이클 시험에서 히트 사이클 온도범위 ΔT를 50~100K(히트 사이클 최저온도는 Tmin=25℃)로 설정하고, ΔT의 와이어 본딩부 수명에 대한 영향을 평가한 결과를 <그림5>에 나타낸다. Cova로 인한 파워 사이클 시험에서 본딩부 수명 결과와 일치된 결과를 얻었다. 개발한 고속 히트 사이클 시험에서 실제 기기 모듈을 준비하지 않고, 또한 종래 방법에 비해 단기간에 와이어 본딩부의 수명평가가 가능하다는 사실이 확인됐다. 향후, 이와 같은 평가 방법을 이용함으로써 예를 들어 칩 사양과 와이어 본드 조건 등의 영향을 단시간에 평가할 수 있기 때문에 제품 개발기간이 단축될 것으로 기대된다. 접합기술(Cu리드 배선구조) 최근 파워 반도체 칩이 개발됨에 따라 칩의 고전류 밀도화가 진행되면서 같은 전류 값을 담당하는 반도체 칩 면적이 축소되고 있어, 와이어 본딩으로 전류를 인출하는 방식에 한계가 왔다. 또한 전류가 수백 A조 파워 모듈일 경우, 모듈 내의 알루미늄 와이어 수가 많아져 생산성이 저하될 경향이 있기 때문에 알루미늄 와이어를 대체할 배선기술이 요구된다. 이제까지는 플립칩 본딩 기술을 응용한 메탈 포스트 구조 등이 제안됐다. 미츠비시전기에서는 현재 알루미늄 와이어 배선과 동일한 모듈 구성에서 칩의 고전류 밀도화와 생산성 향상에 대응할 새로운 배선구조의 편성으로, 대전류 파워모듈의 칩 상 배선을 알루미늄 와이어 배선에서 Cu리드를 납땜하는 Cu리드 배선으로 변경하는 구조를 개발 중이다. 파워모듈에서는 사용 환경에서 온도 사이클에 대한 신뢰성을 강하게 요구하기 때문에 리드 배선구조에서는 납땜 접합부의 열 사이클 파괴로 인한 전기 특성의 열화가 염려된다. 따라서 리드배선 모듈을 온도 사이클 시험에 투입, 특성의 변화에 대해 조사했다. □12㎜, 두께 0.3㎜의 파워 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 칩 상에 알루미늄 와이어를 배선한 사진을 <그림6>에, 같은 반도체 칩 상에 Cu리드를 접합한 사진을 <그림7>에 나타낸다. 리드 접합구조의 단면 모식도를 <그림8>에 나타낸다. 알루미늄 와이어 구조는 ф=400㎛의 와이어를 16개 칩 상에 접합한 것이며, 리드 배선은 두께 0.2㎜, 폭 11㎜의 Cu 판을 칩 상에 두께 약 0.1㎜의 Sn-Ag-Cu 납땜으로 접합한 것이다. 온도 사이클은 -40~+125℃(각 10분)에서 실시하고, 중간 측정으로는 MOSFET 칩의 온 저항(RDS(ON))을 측정해 모듈로서의 특성열화를 확인했다. 온도 사이클 시험에서 사이클 수와 RDS(ON)의 변동을 <그림9>에 나타낸다. 와이어 구조에서는 3천 사이클까지 저항이 변동되는 것을 볼 수 없었지만, 리드 배선에서는 1천 사이클에서 측정해 저항이 약 1.5배로 증대하기 시작했다. 2천 사이클 이후는 칩 리드 간 납땜 전면에 크랙이 진전되면서 회로가 오픈 됐다. 납땜 크랙은 온도 사이클 시 Si 칩과 Cu리드의 열팽창률 차에 기인해 발생하는 납땜 층의 폐해로 발전한다. 따라서 크랙의 진전을 억제하기 위해 납땜의 폐해를 경감하는 것이 효과적이다. 이에 반해 판 두께가 작은 리드를 이용해 리드의 강성을 저감시키는 것을 생각할 수 있지만, 배선 전체의 저항이 증대하는 것은 부정할 수 없다. 따라서 같은 판 두께에서 칩 면 위의 접합 영역을 빗살모양으로 나누고 납땜 접합 부분의 리드 강성을 저하시킴으로써 열팽창률의 차이에 기인해 발생하는 납땜 층의 폐해를 억제하는 리드형상을 적용하기로 했다. 빗살 리드 배선의 사진을 <그림10>에 나타낸다. 빗살모양은 칩 면 위의 게이트 배선으로 분할된 8개영역에 대응하도록 형성해 납땜으로 접합했다. 각각 빗살 폭은 0.8㎜이다. 빗살 리드 배선구조의 모듈에 대해서도 -40~+125℃의 온도 사이클 시험에서 RDS(ON)의 변동을 확인했다. 사이클 수와 RDS(ON)의 변동을 <그림11>에 나타낸다. 빗살 리드 배선 구조를 적용함으로써 온도 사이클로 1천 사이클 이상 RDS(ON) 증가를 억제할 수 있다는 것을 확인했다. 또한 3천 사이클에서도 회로가 오픈 되지 않았고, RDS(ON) 증대는 10%까지 억제된 사실도 확인했다. 파워 모듈의 신뢰성 평가방법으로 알루미늄 와이어 본딩부의 수명평가를 단시간에 실시 가능한 고속 히트 사이클 시험기술을 개발해 그 유효성을 확인했다. 또한 새로운 배선구조로 Cu리드 배선구조를 제안하면서, 온도 사이클 시 칩과 리드를 접합하는 납땜의 크랙을 억제하기 위해 빗살 모양으로 나눈 빗살 리드가 유효하다는 사실이 밝혀졌다.