적층형 Cascode GaN 파워 모듈 내 보이드 위치에 따른 방열특성 연구 :Study on heat dissipation characteristics influenced by void positions of stacked Cascode GaN power modules

황승택

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황승택 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 윤상원

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

적층형 Cascode GaN 파워 모듈 내 보이드 위치에 따른 방열특성 연구

황승택 미래자동차공학과 2021.01 학위논문

2020

Normally-off 동작을 위한 적층 구조 GaN 파워 모듈과 방열특성 연구

황승택 , 윤상원 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2020.11 학술대회자료

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Gallium Nitride (GaN) 전력소자는 기존 Silicon 기반 전력소자의 한계를 극복하리라 기대받고 있으며, 높은 스위칭 주파수를 포함한 다양한 장점을 가지고 있다. GaN 전력소자로 제작한 GaN 파워 모듈(Power Module)은 높은 스위칭 주파수 특성을 활용하여 PV 인버터, DC-DC 컨버터, OBC 등에 적용되고 있다. 이러한 어플리케이션들의 고성능화, 소형화가 진행됨에 따라 파워 모듈 내 발열 및 방열 특성에 영향을 주고 있으며 동작 온도 상승 위험도 존재한다. 따라서, 이러한 현상으로부터 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 방열특성을 분석하여 모듈의 성능과 신뢰성을 확보하는 연구가 필수이다.

이 논문에서는 적층형 GaN 파워 모듈의 방열 특성을 연구하였고, 특히 적층 공정에서 발생 위험이 있는 보이드의 위치에 따른 영향을 분석하였다. 대상 파워 모듈은 GaN HEMT의 Normally-on 동작 특성을 Normally-off 동작 특성으로 변환하기 위하여 캐스코드(Cascode) 방식을 사용한 제품이다. 와이어 연결로 캐스코드를 구현한 기존의 방식과 달리, 이 모듈은 Chip-on-chip 적층 기술을 적용하여 캐스코드를 구현하였다. 이 기술을 통해 기존의 파워 모듈보다 기생 성분이 저감되고 크기가 감소하는 등 우수한 점이 있지만, 저전압 Si MOSFET이 GaN HEMT 상면에 적층되면서 비대칭 다층구조가 형성된다. 이러한 비대칭 다층구조로 인해 모듈은 복잡한 방열특성을 갖게 되어 온도 불균형이 발생하는 등의 모듈의 성능과 신뢰성에 악영향을 유발할 위험이 있다.

따라서, 적층형 GaN 파워 모듈의 복잡한 방열특성을 분석하기 위하여, 모듈에서 일반적으로 취약하다고 알려진 접합층을 중심으로 연구하였다. 특히, 파워 모듈의 접합층에 보이드가 존재하면 모듈의 성능과 신뢰성에 막대한 영향을 주기 때문에, 보이드 위치에 따른 영향을 적층형 GaN 파워 모듈의 방열특성과 함께 고려하였다. 보이드의 위치는 저전압 Si MOSFET을 기준으로 MOSFET 하단에 존재할 때, MOSFET 하단이 아닌 외부에 존재할 때, 전혀 보이드가 없을 때의 세 가지 경우로 정의하였다. 먼저, 3차원 유한요소 시뮬레이션을 사용하여 각 보이드 위치에 따른 GaN 파워 모듈의 방열특성을 비교하였다. 시뮬레이션을 검증하기위해 보이드가 발생한 샘플들을 제작하였으며 발열 특성을 열화상 카메라와 광섬유 온도센서로 계측하였다. 그 결과, 보이드의 위치에 따라 모듈의 온도 불균형 현상의 심화와 누적 현상 등을 확인되었고, 또한 보이드 위치 별 영향의 차이를 확인하였다. 뿐만 아니라, 신뢰성 시험을 진행하여 모듈의 비대칭 다층구조에 따른 접합층의 보이드 위치의 영향도 분석하였다.

GaN(Gallium Nitride) is a device that can replace existing Si(Silicon) based devices and features a high switching frequency. GaN power modules utilizing high switching frequency characteristics are applied to PV inverters, DC-DC converters, OBCs, etc. As these applications were developed with the goal of miniaturization and high performance, the operating temperature of the power module increased compared to the previous one. Therefore, analyzing heat dissipation characteristics to solve problems arising from these phenomena is essential for securing the performance and reliability of the power modules.

Chip-on-chip stacked GaN power module in this study is a module with a cascode configuration applied to convert the normally-on characteristics of the basic GaN HEMT into the normally-off characteristics. Unlike the conventional method of implementing a cascade with wire connection, this module implements a cascade by applying chip-on-chip stacking technology. Although this technology resulted in the reduction of parasitic inductance and reduction in size compared to the conventional power modules, low voltage Si MOSFET was stacked on GaN HEMT and became asymmetric multilayer structure. This asymmetric multilayer structure caused the module to have complex heat dissipation characteristics, which adversely affected the module''s performance and reliability, such as temperature imbalance.

The complex heat dissipation characteristics of this module have been analyzed around the junction layers generally known to be vulnerable in the module. Void present in the junction layer of the power module is a major factor in the performance and reliability of the module, and the impact of the void position has been considered along with the heat dissipation characteristics of the stacked GaN power module. The position of the voids was divided into three representative cases when they were present directly below the stacked low voltage Si MOSFET, when they were outside of Si MOSFET, and when they were not present.

Using FEM(Finite Element Method) simulation, the heat dissipation characteristics of the module according to the position of the void were compared and the performance of the module was directly measured by producing a sample to verify the simulation. As a result, we were able to check the deepening and cumulative phenomenon of the module''s temperature imbalance phenomenon depending on the position of the void and to identify the difference in the influence of each void position. In addition, reliability tests were conducted to confirm that the degree of effect of void position of the junction layer on the performance of the module varies depending on the asymmetric multilayer structure of the module.

#자동차공학

차 례 i
Lists of Tables iv
Lists of Figures v
Nomenclature vii
국문 요지 ix
제 1 장. 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 목표 4
1.3 논문 구성 5
제 2 장. 이론적 배경 6
2.1 GaN (Gallium Nitride) 전력소자 6
2.1.1 High Electron Mobility Transistor (HEMT) 6
2.1.2 캐스코드(Cascode) 방식 7
2.2 파워 모듈(Power Module) 9
2.2.1 파워 모듈의 기능 9
2.2.2 파워 모듈의 구조 9
2.2.3 파워 모듈의 접합 11
2.3 지배방정식 12
2.3.1 열전도 12
2.3.2 열대류 13
제 3 장. 유한요소해석 14
3.1 적층형 캐스코드 GaN 파워 모듈 모델링 14
3.1.1 모듈의 구조 14
3.1.2 보이드 모델링 18
3.1.2.1 보이드의 크기와 형태 19
3.1.2.2 보이드의 위치 19
3.1.3 Anand model 및 재료 물성치 21
3.1.3.1 Anand model 21
3.1.3.2 재료 물성치 24
3.2 시뮬레이션 25
3.2.1 시뮬레이션 조건 25
3.2.1.1 Heat source 25
3.2.1.2 대류 열전달계수 25
3.2.2 시뮬레이션 결과 26
3.2.2.1 온도 분포 26
3.2.2.2 Heat flux 27
3.2.2.3 온도 불균형 29
3.3 요약 및 분석 30
제 4 장. 실험 방법 및 결과 31
4.1 실험 방법 31
4.1.1 샘플 제작 31
4.1.2 열화상 카메라 33
4.1.3 Thermal Optics 34
4.2 실험 결과 35
4.2.1 온도 측정 결과 35
4.2.2 시뮬레이션 검증 36
제 5 장. 신뢰성 시험 37
5.1 열충격시험 37
5.2 시험 측정 결과 39
5.2.1 접합 온도(Junction Temperature)의 최댓값: Tjmax 39
5.2.2 한 사이클내 접합온도의 최댓값과 최솟값의 차: ?T 41
5.3 단면분석 결과 43
5.3.1 Bottom void 샘플 45
5.3.1.1 솔더 접합층 부 45
5.3.1.2 Ag 에폭시 접합층 부 46
5.3.1.3 DBC 상단 부 47
5.3.2 Side void 샘플 48
5.3.2.1 솔더 접합층 부 48
5.3.2.2 Ag 에폭시 접합층 부 49
5.3.2.3 DBC 상단 부 50
5.3.3 정상 샘플 51
5.3.3.1 솔더 접합층 부 51
5.3.3.2 Ag 에폭시 접합층 부 52
5.3.3.3 DBC 상단 부 53
제 6 장. 결 론 54
Reference 56
ABSTRACT 59

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