Yole Development의 시장 조사 보고서에 따르면 실리콘 전력 반도체 소자가 탄생한 이후 응용 분야의 요구로 인해 접합부 온도가 지속적으로 상승하여 현재 150°C에 도달했습니다.

3세대 광대역 반도체 소자(예: SiC)의 등장과 그 기술의 성숙도 증가 및 완전한 상용화에 따라, 이 소자들이 지닌 고유한 고온 저항성은 접합 온도를 현재 150°C에서 175°C로 끌어올리고 있으며, 향후 200°C에 도달할 것으로 예상됩니다.

SiC는 독보적인 고온 특성과 낮은 스위칭 손실이라는 장점을 가지고 있어, 접합 온도가 상승하는 이러한 추세는 전력 시스템 설계 방식을 크게 변화시킬 것입니다. 이러한 미래 지향적인 고온, 고출력 밀도 응용 분야의 대표적인 예로는 고집적 전기 자동차 파워트레인, 다중 전기 및 완전 전기 항공기, 심지어 전기 항공기, 이동식 에너지 ​​저장 충전소 및 파워 뱅크, 그리고 액체 냉각이 심각하게 제한되는 다양한 전력 응용 분야가 있습니다.

전기차의 파워트레인(모터, 전자 제어 장치, 변속기)은 3-in-1 형태로 발전하고 있지만, 현재는 구조적으로만 적층되어 있고 통합 수준은 미흡합니다. 구조적인 측면에서 볼 때, 향후 파워트레인의 심층 통합은 필연적인 방향입니다. 이를 통해 차량 부피와 무게를 약 3분의 1, 내부 소비 전력을 약 3분의 1로 줄이고, 총비용을 2~4배까지 절감할 수 있기 때문입니다.

하지만 전자 제어부는 모터와 긴밀하게 통합될 것이며, 이러한 심층적인 통합은 출력 밀도를 크게 향상시킬 것입니다. 고온은 피할 수 없는 가장 큰 과제입니다.

일반적인 고온 적용 분야

기존 항공기에서는 꼬리 방향타, 날개, 랜딩 기어와 같은 기계적 움직임을 유압 변속기로 제어합니다. 액체인 유압유는 환경의 영향을 크게 받으며 유지 보수 비용도 높습니다. 최근에는 부분 또는 완전 전동화, 즉 다중 전기 항공기 및 완전 전기 항공기 개발 추세가 두드러지고 있습니다.

항공기의 기계식 작동을 위해 유압 오일 회로 대신 전기 모터를 사용하는 것은 높은 신뢰성과 강력한 유지보수성을 제공하며, 이중화 백업 설계를 용이하게 합니다. 그러나 가장 큰 난제는 항공기의 모터와 전자 제어 장치에 수냉식 장치를 설치할 수 없고, 강제 공랭식과 자연 냉각에만 의존해야 한다는 점입니다. 따라서 다중 전기 항공기, 완전 전기 항공기, 나아가 전기 항공기의 전자 제어 설계를 구현하기 위해서는 무엇보다 먼저 고온 문제를 해결해야 합니다.

또한, 많은 응용 시나리오에서 반이동식 에너지 ​​저장 충전소와 완전 이동식 보조 배터리는 고정식 충전의 공백을 효과적으로 메울 것이며, 특히 전기 자동차의 대중화가 확대됨에 따라 그 효과는 더욱 두드러질 것입니다.

하지만 이러한 유형의 모바일 충전 애플리케이션에서 수냉식 냉각 방식은 무게와 부피 증가를 초래할 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 저장된 전기 에너지를 소모한다는 점입니다. 따라서 전자 제어 시스템에는 자연 냉각 방식이 가장 적합하지만, 전자 제어 시스템의 열 관리 문제를 적절히 해결해야 합니다.

위에서 언급한 세 가지 대표적인 고온 응용 분야 외에도, 액체 냉각이 매우 제한적인 많은 특수 산업 분야에서 전자 제어 시스템은 동일한 고온 문제에 직면하게 됩니다. 고온 전기 제어 기술은 이러한 고온 응용 분야를 구현하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 그 핵심 구현 기술은 SiC 전력 소자의 고온 패키징 기술과 이에 상응하는 고온 구동 회로 기술입니다.

“천재” SiC

SiC 소재와 이를 이용한 소자 구조는 본질적으로 고온 저항성을 지니고 있으며, 진공 상태에서는 400~600°C의 온도까지 견딜 수 있습니다. 실제 응용 분야에서는 공기와의 접촉으로 인한 산화를 방지하기 위해 SiC 소자를 패키징해야 하며, 고온을 견뎌야 하는 경우에는 고온 내성 패키징을 사용해야 합니다.

현재 업계 최고 수준의 접합 온도는 150°C입니다. 175°C 접합 온도 수준은 이제 막 주목받기 시작했습니다. 이 수준에 적합한 패키지들이 이미 사용되고 있습니다. 200°C 이상의 접합 온도를 견뎌야 하는 패키지는 패키징 재료 및 공정에 대한 요구 사항이 매우 엄격하며, 베어칩의 특성에 맞춰 열전도율 및 방열 성능 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작해야 합니다.

SiC 전력 소자 및 모듈의 응용은 드라이버 회로 및 해당 칩과 불가분하게 연결되어 있습니다. 그러나 대부분의 드라이버 회로 칩은 일반 실리콘 소자이기 때문에 고온을 견디지 못합니다. 175°C와 같은 고온에서 1,000시간 동안 작동할 수 있는 칩은 매우 드뭅니다.

게다가 고온 저항성은 문제의 한 측면에 불과합니다. 더 심각한 문제는 고온에서의 소자 성능의 일관성입니다. 일반 실리콘 소자는 70°C 이상에서 성능이 급격히 저하되므로 고온 환경에서 사용할 수 없습니다.

20년 이상의 혁신적인 연구 개발 및 응용 테스트를 거쳐 시소이드의 SOI 특수 실리콘 소자는 탁월한 고온 내성을 달성했습니다. 이 소자는 175°C에서 15년간 연속 작동이 가능하며, 전체 온도 범위에서 우수한 성능 일관성을 보여줍니다. 시소이드의 SOI 특수 실리콘 소자는 SiC 고온 응용 분야의 핵심 기반이 됩니다.

온도라는 딜레마를 극복하다

시소이드의 SOI 기반 특수 실리콘 반도체 기술은 실리콘 반도체 소자의 온도 문제를 근본적으로 해결하여, 실리콘 소자의 온도 캐리어 효과(온도 상승에 따라 고유 캐리어 농도가 증가함)와 접합 온도 효과(온도 상승에 따라 유효 접합 장벽이 감소함)의 영향을 명확하게 배제합니다. 이 기술은 고온에서도 장시간 작동이 가능할 뿐만 아니라, 전체 온도 범위에서 우수한 성능 일관성을 유지합니다.

그 결과, 시소이드의 고온 반도체 소자는 항공우주 및 석유 탐사 분야에서 오랫동안 선호되어 왔으며, 거의 20년에 걸친 고온 응용 분야의 이력과 경험을 보유하고 있습니다.

최근 3세대 반도체 SiC 전력 소자의 인기가 높아짐에 따라, 시소이드는 SiC MOSFET용 고온 내성 드라이버 칩 및 솔루션을 개발해 왔습니다. 이 독보적인 고온 내성 덕분에 SiC 전력 모듈에 최대한 가깝게 배치하여 구동 회로의 기생 인덕턴스를 최소화하고, 결과적으로 링잉 현상을 효과적으로 억제하여 최적의 효율을 달성할 수 있습니다.

최근 시소이드는 전기 자동차 및 전기/다중 전기 항공기의 전력 구동 애플리케이션을 위해 확장 가능한 플랫폼 시리즈인 3상 풀 브리지 1200V SiC MOSFET 지능형 전력 모듈(IPM) 시스템을 출시했습니다. 이 시스템은 낮은 스위칭 손실 기술을 활용하여 통합 솔루션인 IPM을 제공합니다.

IPM은 게이트 구동 회로와 3상 탄화규소 전력 모듈로 구성됩니다. 두 구성 요소 간의 상호 작용은 SiC 소자의 장점을 최대한 활용할 수 있도록 최적화 및 조정되었습니다.

현재 생산 중인 CXT-PLA3SA12450AA 모듈은 정격 접합 온도가 최대 175°C이며, 게이트 구동 회로는 최대 125°C의 환경에서 작동할 수 있습니다. 또한, 적용 조건 및 시나리오에 따라 상위 수동 부품 교체 및 메인 칩과 모듈의 패키징 변경을 통해 작동 온도 수준을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

실리콘 반도체 소자가 탄생한 이후, 고온 응용 분야는 이 소자의 핵심 응용 분야였습니다.

시소이드의 혁신적인 특수 SOI 실리콘 칩 기술은 고온 반도체 개별 소자 및 소형 집적 회로 분야에서 주요한 기술적 돌파구를 마련하는 데 앞장서 왔습니다.

SiC 전력 반도체 소자와 같은 3세대 반도체가 점차 성숙해지고 보편화됨에 따라, 이러한 반도체의 고유 고온 내성과 시소이드 고온 반도체 소자의 특성이 매우 잘 맞아떨어져 전력 시스템 설계 방식을 크게 변화시키고 설계 엔지니어에게 새로운 확장 가능성을 제공할 것입니다.

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