고온 전력 모듈 패키징을 위한 일방향 다공성 금속 삽입 열 인터페이스 재료

초록

전자기기에 들어오는 전력을 변환, 분해 및 관리하는 역할을 하는 반도체인 전력반도체(Power semiconductor)가 구동될 때 많은 열이 발생한다. 발생된 열은 전력 반도체 소자의 성능을 감소시키고, 파워 모듈 패키지에 다양한 신뢰성 문제를 야기시킨다. 향후 200 o C 이상의 온도에서도 구동 가능한 와이드 밴드 갭(Wide Band Gap) 파워 디바이스의 상용화가 예상되기 때문에 전력반도체는 높은 고온 신뢰성과 방열 특성이 요구된다. 또한 파워 모듈은 다양한 이종재료로 적층되어 있는데, 고온 운용시 패키지 구성 소재 간의 열팽창계수(CTE) 차이로 인해 접합부의 접착력 감소나 크랙 생성 등의 기계적 특성 변화와 파워 디바이스의 열화로 인한 특성 및 효율의 감소 현상이 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해 베이스 플레이트와 히트싱크 사이에 기계적 적합성이 우수한 thermal grease가 사용되어 왔다. 그러나 thermal grease를 사용하면 이종 재료간 접촉면에서 상당한 열저항 증가로 인해 방열 특성이 감소 한다. thermal grease의 낮은 열전도 문제를 해결하고, 기계적 신뢰성을 유지하기 위해선 열전도율이 높고 영률이 낮은 재료가 TIM(Thermal interface material)으로 사용해야 한다. 본 연구에선 Thermal grease 대체를 위해 UPM(unidirectional porous metal)을 TIM으로 두었다. UPM은 일방향 다공성 금속체를 뜻하며, 기존 다공성 금속과는 달리 한 방향으로 정렬된 원통 모양의 기공을 가지고 있는 것이 특징이다. 차별화된 구조로 인해 UPM은 높은 열전도율과 낮은 영률을 갖는다. 따라서 UPM을 TIM으로 사용했을 때 높은 방열 특성과 구조적 안정성을 기대해 볼 수 있다. 이를 확인하기 위해 히트싱크로 사용되는 물질인 Al과 베이스 플레이트로 사용되는 Cu 사이 UPM을 삽입시킨 후 솔더(SAC305)로 접합시켰고, 열응력 완화 효과 확인 실험을 진행하였다. 열 충 격 테스트 후 변화되는 특성을 통해 UPM의 신뢰성 유지 효과에 대해 고찰하였다.