공급업체가 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 전력 칩 아래의 접합을 솔더에서 실버 소결(silver sintering, 미세한 은 입자를 열과 경우에 따라 압력으로 서로 결합시키는 방식)로 바꾸자고 제안한다고 가정해 봅시다. SiC는 전력 소자에 쓰이는 반도체 소재입니다. 어디까지나 가정 상황입니다.
실버 소결은 접합부가 융점이 낮은 솔더 합금이 아니라 은으로 만들어진다는 점에서 매력적일 수 있습니다. 그러나 검토 중인 모듈에 도움이 되는지는 그 모듈의 적층 구조(stack, 칩에서 기판까지의 층)에 대한 증거에 달려 있으므로, 실용적인 답은 같은 조건의 기록과 같은 조건의 시험을 요구하는 것입니다. 적격성 평가(qualification)는 부품이 정해진 적용 요구 조건을 충족한다는 증거를 판단하는 절차이며, 그 증거를 따지는 자리입니다.
세 가지 핵심
- 바꾸려는 접합부와 그 주변의 전체 적층 구조를 정확히 특정하세요.
- 신뢰성 증거는 같은 조건에서만 비교하세요.
- 각 공정 기록과 남은 증거 공백마다 책임자를 지정하세요.
접합부도 전력 모듈의 일부입니다
전력 모듈은 하나 이상의 칩을 연결부와 냉각 구조와 함께 패키징한 것입니다. 이 글이 그리는 세라믹 기판형 모듈에서는 개별 칩인 다이(die)가 금속화된 세라믹 기판에 접합됩니다. 기판(substrate)은 칩을 받치는 세라믹 판이며, 그 표면의 금속층이 금속화(metallization)로서 접합과 전기 연결에 쓰입니다. 이 칩과 기판 사이의 접합이 다이 어태치(die attach)입니다. 다이를 고정하고, 열을 밖으로 내보내며, 칩 뒷면이 전기 단자인 구조에서는 전류도 흘립니다.
혼동하기 쉬운 연결이 두 가지 더 있습니다. 이 예에서 기판은 베이스플레이트나 냉각면에 접합되는데, 이는 모듈 수준의 별도 접합이며 일부 모듈 유형에는 베이스플레이트가 없습니다. 다이 위쪽에서는 와이어 본드 같은 접촉이 상부 연결(topside connection)을 이룹니다. 모듈 시험에서는 이 중 어느 연결이 고장 나도 비슷해 보일 수 있으므로, 제안이 어느 접합을 바꾸는지부터 분명히 해야 합니다.
솔더가 소결 접합으로 바뀌면 무엇이 달라지나
솔더링(soldering)은 녹았다가 굳는 충전 합금, 곧 솔더로 부품을 잇는 방식입니다. 소결(sintering)은 미세한 금속 입자, 여기서는 은을 열과 경우에 따라 압력으로 하나의 고체 접합부로 굳히는 방식입니다. 연구소인 Fraunhofer IISB(Institute for Integrated Systems and Device Technology)는 무가압 소결과 가압 소결을 별개의 경로로 설명합니다. 소재 공급업체 Heraeus는 세라믹 기판 위의 다이 어태치와 베이스플레이트나 히트싱크 위의 모듈 어태치를 구분하고, 무가압 은 다이 어태치 페이스트도 제공한다고 밝힙니다.
공급업체들은 SiC 모듈에 소결을 적용하고 있습니다. 예를 들어 Toshiba는 2026년 9월 24일 IX800FXF2YMS4 모듈을 발표하면서 SiC 칩 접합부에 실버 소결 본딩을 쓴다고 밝혔고, 적용 분야로 철도를 꼽았습니다. 이는 이 문제가 최근 제품에까지 이르렀음을 보여 주는 날짜가 명시된 공급업체 사례일 뿐이며, 특정 열차가 어느 모듈을 쓰는지에 대해서는 아무것도 말해 주지 않습니다.
한계는 부품마다 다릅니다. 가압 방식은 접합부가 소결되는 동안 압력을 가하므로 그 압력을 가하고 제어하는 장비가 있어야 하고, 무가압 페이스트는 공급업체가 입증한 구조와 조건에 맞습니다. 한 칩, 표면 마감, 기판 조합에서 검증된 설정은 그 조합에 적용됩니다. 그래서 검사는 기공(porosity, 접합부 안의 미세한 빈 공간. 소결 접합부에는 어느 정도 있을 수 있으므로 합의한 한도 안에 있는지가 관건입니다)과 박리(delamination, 계면에서 층이 떨어지는 현상)를 확인하며, 그것도 실제로 적용할 구조에서 확인해야 합니다.
같은 구조, 같은 시험으로 비교하세요
소결 결과는 그것이 나온 구조를 모르면 의미가 작습니다. 다이의 크기와 두께, 칩 뒷면과 기판의 표면 마감, 재료, 본드라인(bondline, 접합층의 두께와 품질), 실제로 쓴 공정을 기록하세요. 연구소인 Fraunhofer ENAS(Institute for Electronic Nano Systems)는 인쇄 조건, 건조 조건, 접합 공정을 모두 고려해야 한다고 짚습니다.
그다음 시험을 맞추세요. 파워 사이클링(power cycling)은 칩에 전류를 흘려 스스로 가열한 뒤 식히는 시험이고, 온도 사이클링(temperature cycling)은 부품 전체의 온도를 외부에서 바꾸는 시험입니다. 둘은 접합부에 거는 부하가 달라서 온도 범위, 가열·냉각 시간, 부하, 시료 수, 고장 정의, 종료 시점을 함께 비교해야 합니다. 미션 프로파일(mission profile, 제품 수명 동안 예상되는 스트레스)을 보면 어떤 시험이 실제 적용 환경과 닮았는지 알 수 있습니다.
단순한 시험편과 완성된 모듈은 서로 다른 질문에 답합니다. ENAS의 한 연구 프로젝트에서는 와이어 본드 고장이 다이 어태치 고장보다 우세했습니다. 상부 연결에서 먼저 고장 난 모듈은 그 조건에서 다이 어태치가 아직 자체의 고장 기준에 이르지 않았다는 것만 보여 줄 뿐, 다이 어태치가 얼마나 더 견뎠을지는 알려 주지 않습니다. 살아남은 모듈도 조건이 같지 않으면 알려 주는 바가 적습니다.
공급업체 증거 시트 만들기
이 워크시트는 우리가 제안하는 방법이며 공급업체나 표준의 양식이 아닙니다. 재료 특성 평가, 조립 공정 관리, 완성 모듈의 적격성 평가는 서로 다른 증거 층입니다. 재료 구조 행은 주로 재료 특성 평가에, 공정 윈도·초기 접합 건전성·추적성 행은 공정 관리에, 기준값과 사이클링 행은 모듈 적격성 평가에 기여합니다. 어느 한 행만으로 모듈의 적격성이 인정되지는 않습니다.
| 변경 | 요청할 증거 | 책임 주체 | 남은 결정 |
|---|---|---|---|
| 재료 구조 | 다이 크기와 두께, 뒷면·기판 표면 마감, 재료, 본드라인 | 칩·재료·기판 공급업체, 조립 담당 | 어느 구조와 개정판을 기준으로 삼을까? |
| 공정 윈도(process window) | 도포, 건조, 접합, 가압 방식과 허용 변동 범위 | 조립 담당, 재료 공급업체 | 어떤 설정과 한계를 승인할까? |
| 초기 접합 건전성 | 각 시료의 비파괴 검사, 별도 시료의 단면 확인, 결함 기준, 시료 식별을 사이클링 전에 합의 | 공정 담당, 시험 기관 | 어떤 접합을 합격으로 볼까? |
| 열·전기 기준값 | 초기 측정 방법과 의미 있는 변화량 | 모듈 담당, 시험 기관 | 어느 정도의 변화가 우려 신호인가? |
| 사이클링·수명 종료 증거 | 시험 대상, 시료, 부하, 온도, 시간, 고장 모드와 위치(어느 접합부인지), 종료 기준 | 모듈·시험 담당, 고객 | 시험이 미션 프로파일과 맞는가? |
| 로트 추적성·변경 관리 | 재료 로트, 구조 개정판, 공정 기록과 시험 시료의 연결 | 품질 담당, 공급업체, 고객 | 어떤 변경이 생기면 증거를 다시 검토해야 하는가? |
현지 응용 지원의 역할
이 증거의 일부는 공급업체의 응용 센터에서 만들어집니다. Heraeus는 상하이 거점에서 전력 모듈 시제품 제작과 전력 조립품의 AQG 324(Automotive Qualification Guideline 324, 자동차용 전력 모듈 적격성 평가를 위해 ECPE(European Center for Power Electronics)가 발간한 가이드라인) 기준 현지 시험을 수행한다고 영문과 중문 페이지에서 설명합니다. 이는 회사 자신의 서비스 설명이며, 처리 능력, 인정 여부, 이용 가능성, 시험 결과, ChinaSemiOps와의 관계는 해당 페이지가 보여 주는 범위 밖입니다.
Release 04.1/2025의 적용 범위(1장)는 자동차 전력 변환 장치용 모듈을 대상으로 하며 반도체 칩과 제조 공정의 적격성 평가(qualification)는 제외하므로, AQG 324는 철도 승인이나 공정 인증(certification)을 부여하지 않습니다. 이 워크시트는 상하이든 다른 어느 곳의 공급업체든 똑같이 적용됩니다. 유용한 인수인계는 책임자가 지정된 같은 시트를 채우는 것입니다.
변경 승인 전에 정할 것
변경을 받아들이기 전에 네 가지를 문서로 합의하세요. 바꾸는 접합부와 구조, 기준 시험과 그 시험이 미션 프로파일과 이어지는 방식, 워크시트 각 행의 책임자, 이후 어떤 변경이 생기면 다시 검토해야 하는지입니다. 다른 구조나 다른 시험에서 나온 증거라면 공백과 그 책임자를 기록하고 결론은 열어 두세요. 그리고 기존 솔더 방식에 대해서도 같은 시트를 요청해, 두 선택지를 같은 기준으로 평가하세요.
출처
- Toshiba Electronic Devices & Storage: SiC 전력 모듈 발표, 2026년 9월 24일: SiC 칩 접합부에 실버 소결을 쓴다는, 날짜가 명시된 공급업체 사례이며 적용 분야로 철도가 포함됩니다.
- Heraeus Electronics: 소결 재료 개요와 무가압 소결 재료 페이지: 다이 어태치와 모듈 어태치의 구분, 무가압 다이 어태치 페이스트.
- Fraunhofer IISB: 재료 및 공정: 무가압 소결과 가압 소결을 별개의 경로로 설명.
- Fraunhofer ENAS: 전력 전자를 위한 은 및 구리-주석 소결: 고려해야 할 인쇄, 건조, 접합 조건.
- ECPE: Automotive Qualification Guideline AQG 324 (Release 04.1/2025): 가이드라인과 1장의 적용 범위 설명.
- Heraeus Electronics: 기술 및 응용 센터(중문 페이지): 상하이 시제품 제작과 시험에 대한 회사 자신의 설명.
- 접합 기본 원리: STMicroelectronics AN6280(은 입자가 열과 압력으로 결합하는 기본 원리에만 사용), Kester FAQ, NIST Alloy Selection(솔더가 녹았다가 굳는 과정).
- 사이클링 기본 원리: ESPEC의 파워 사이클링 및 급속 온도 변화 시험 페이지(전류로 구동하는 온도 변화와 챔버로 구동하는 온도 변화의 대비이며, 각각 하나의 구현 예일 뿐 필수 절차가 아닙니다).
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