전력 반도체 소자는 흔히 튼튼하고 견고한 소자로 인식된다. 하지만 전기적 특성뿐만 아니라 기계적 측면이 전반적인 시스템 수명에 중대한 영향을 미친다는 점을 고려해야 한다. 손으로 취급할 때는 물론, 기계적 장력과 진동이 결함과 고장을 일으킬 수 있다.

정전기 방전(ESD)

전력 반도체 시스템을 조립하기 위해서는 여느 어셈블리 공정이나 마찬가지로 먼저 필요한 다양한 소자 부품들의 포장을 풀어야 한다. 이 공정이 기계적 부품에는 그렇게 민감한 작업이 아닐 수 있으나 전력 반도체 소자는 이 작업을 하면서 문제의 출발점이 되거나, 아니면 아예 심각한 손상이 발생할 수도 있다. 바로 ESD 때문이다.

ESD는 Electrostatic Discharge(정전기 방전)의 약자다. 사람이 신고 있는 신발과 카펫이 마찰하거나 의복과 의자의 겉면 섬유소재가 마찰할 때 전기 전하가 발생한다. 이러한 전기 전하가 누적되어서 인체를 충전시킨다. 그러다가 이 전하가 IGBT의 게이트 같은 민감한 전력 반도체 입력으로 갑자기 전달됨으로써 전압 스파이크가 발생할 수 있다.



이 전압 스파이크는 쉽게 수백 볼트까지 이를 수 있다. 이 전하가 어느 정도 수준이면 방출된 에너지로 인해 언뜻 보기에는 미미한 손상을 일으킬 수 있다. 그러면 별 문제가 아닌 것 같았던 것이 나중에 현장에 나가서 초기 결함을 일으킬 수 있다. 그러므로 적절한 랩 장비와 ESD 방지 신발, 의복을 활용함으로써 이와 같은 영향을 최소화할 수 있다.

어떤 전력 반도체 소자들은 민감한 부위에 전기 전도 스티커를 사용해서 ESD를 방지하도록 하기도 한다. 그러므로 소자를 사용하기에 앞서 ESD 가이드라인에 따라서 이 스티커를 제거해야 한다. 그림 1에서 보는 것과 같이 스티커를 부착한 채로 소자를 탑재하면 반도체를 작동시킬 수 없으므로 시스템 오작동을 일으킬 수 있다.

나사로 인한 힘의 작용

전력 반도체 모듈은 작동 시에 열이 발생하므로 적절한 히트싱크 위에다 탑재해야 한다. 특히 금속 베이스 플레이트를 사용하는 모듈에서는 나사로 가하는 토크가 모듈 소자로 힘을 전달할 수 있다. 그러므로 이 베이스 플레이트의 두께가 수 밀리미터에 불과함에도 불구하고 휘는 힘이 작용함으로써 반도체를 손상시킬 수 있다. 끈적거리는 열 인터페이스 소재를 적절하게 적용하지 않으면, 이 현상을 더더욱 부채질할 수 있다. 그림 2에서는 이러한 상관관계를 보여준다.

첫 단계에서는, 베이스 플레이트로 열 인터페이스 소재를 두께가 균일하지 않게 바르고 있다. 두 번째 단계에서는, 첫 번째 나사를 끼우고 조이면서 열 인터페이스 소재가 베이스 플레이트의 중앙으로 몰리도록 한다. 두 번째 나사를 끼우고 조이면 페이스트가 몰려 있는 부위에서 베이스 플레이트가 휘어진다. 그러면 모듈 내부의 세라믹 캐리어가 기계적 장력을 받게 되고, 최악의 경우에는 세라믹 절연 부위에서 균열을 일으킬 수 있다. 이러한 균열은 절연 강도를 떨어트리고 어셈블리 시스템으로 최종 테스트를 할 때 절연 결함을 야기할 수 있다.

롤러나 브러시 대신에 스크린 인쇄 공정을 사용해서 열전도 화합물을 적용함으로써 이러한 결함을 방지할 수 있다. 또한 전력 모듈 업체에서 권장하고 있는 지정된 순서와 적절한 토크를 사용해서 나사를 조여야 한다. 또 처음에는 약하게 토크를 가했다가 최종적으로 조여서 고정시켜야 한다.

히트싱크에 대해서도 마찬가지로 표면 정확도에 대한 요구를 충족하지 않거나 이물질이 남아 있을 때 동일한 메커니즘의 결함이 발생할 수 있다. 그림 3은 탑재 공정 시에 전력 모듈 하단에 실수로 록 와셔(체결용 부품)가 남아있게 되어 휘는 힘이 발생함으로써 손상이 일어난 경우이다.

지속적인 사용 시 영향

전력 모듈을 사용해 인버터를 구축하기 위해서는 반도체와 히트싱크 사이에 열적 접속을 필요로 할 뿐만 아니라, 제어 단자와 부하 전류 공급을 위한 전력 단자로 접속을 필요로 한다. 전력대가 수백 kW 혹은 그 이상에 이르는 장비의 경우에는 곧바로 전력 모듈 위에다 드라이버 스테이지를 탑재할 수 있다. AC 단자나 DC 단자로의 고전력 접속을 위해서는 버스 바를 사용하는데, 이 버스 바가 중량이 상당히 나간다. 그림 4의 도면에서는 전력 모듈로 어느 방향으로 힘이 가해져야 하는지를 보여준다.

전력 모듈의 단자들로 견인력(tractive force)이 가해지지 않도록 해야 한다. 전력 모듈은 이 방향의 힘은 처리할 수 있도록 설계되지 않았기 때문이다. DCB 차원에서 접속부들을 연결하면 이러한 힘이 가해질 수 있으며 지속적인 사용 시 소자의 노후화를 가속화할 수 있다. 그럼으로써 단자로의 접속이 단속적이게 하거나 심하면 단자 접속이 아예 끊어질 수도 있다.

버페팅(진동)

모든 기계적 구조물에서 기본적인 원칙으로서, 적절한 진폭과 주파수의 진동이 충분한 시간 동안 이어지면 파괴적인 성질을 가질 수 있다. 전력 모듈은 견고해 보이기는 하지만 역시 이 원칙에서 예외가 아니다.

진동은 이동형 애플리케이션에서만 문제가 되는 것이 아니다. 분배기로부터의 50Hz 허밍이라 하더라도 인덕턴스와 트랜스포머에 의해서 여자(excited)됨으로써 발진을 일으킬 수 있다. 시험소 환경에서 적절한 셋업을 사용해서 최종적 디자인으로 이 상황을 재현하고 문제를 세심하게 살펴볼 수 있다. 그림 5는 이와 같은 시험을 통해서 얻어진 스크린샷을 보여준다.

이 화면에서 빨간색으로 표시된 영역은 전력 모듈의 케이스를 따라서 표면의 변위를 나타낸다. 큰 진폭이었기 때문이기는 하지만 문제의 소자 부품이 역동적으로 변형을 일으키고 있다는 것을 볼 수 있다. 이러한 변형은 그 부위에 연결된 본드 와이어로 높은 기계적 스트레스를 가한다. 그러므로 계속적인 가동으로 인해서 이러한 와이어가 손상되는 것을 방지해야 한다.

그러므로 전력 반도체 부근에 중량이 있는 덩어리를 두어서 충분한 지지대 역할을 하도록 할 수 있다. 이러한 덩어리는 DC 링크 커패시터나, 필터 인덕터나, 또는 대형 전류 검출기나, 트랜스포머일 수 있다.

열팽창

인버터 같은 애플리케이션에서는 각기 다른 소재 간의 열팽창으로 인한 문제를 흔히 대수롭지 않게 생각하는데, 이 문제는 전력 모듈의 수명을 크게 감소시킬 수 있다. 구리의 열팽창 계수(CTE)는 16.5ppm/Kevlin이다. 그런데 메가와트 대의 컨버터를 구축하기 위해서는 모듈들을 병렬로 연결해야 한다. 그러려면 이러한 다수의 모듈들을 결합하기 위한 공통 DC 링크가 판형 구조로서 손쉽게 수 미터까지 달할 수 있다.

1,500mm에 이르는 구리판은 24 μm/K로 길이가 변할 수 있다. 연간 단위로는 주변 온도와 손실로 인한 열 발생으로 100K까지 온도 변동이 있을 수 있다는 점을 고려해야 한다. 그러면 길이 변화가 수 밀리미터까지 이를 수 있다는 뜻이다. 이러한 팽창으로 인해서 작용하는 힘은 수백 뉴톤까지 달할 수 있다.

그러므로 상식적으로 알 수 있듯이, 이러한 대형 구조물은 군데군데 서로 반대되는 지점을 고정시켜야 한다. 그렇지 않으면 어느 한 군데로부터 모든 힘들이 작용하게 된다. 그러면 행렬 상의 맨 끝에 있는 부품이 전체적인 팽창의 영향을 받음으로써 가장 큰 힘을 받게 된다. 그러면 결국에 결함이 일어날 수밖에 없다.

위와 같은 다섯 가지 문제를 통해서, 개발자가 열 측면과 전기적 측면뿐만 아니라 기계적 측면 또한 고려해야 한다는 것을 살펴봤다. 전력 반도체 소자를 지지 구조로 사용하지 않아야 한다. 이상적으로는 탑재 작업을 할 때 탑재하고 나서 어떤 힘도 받지 않도록 해야 한다. 고정적 힘뿐만 아니라, 특히 진동과 같은 힘들 역시 견고한 지지 구조를 사용해서 차단해야 한다.

전력 모듈에 대해서 이러한 모든 점들을 세심하게 고려함으로써 기계적 영향 때문에 현장에서 초기 결함을 일으키는 것을 피할 수 있을 것이다.