Power Tester란 무엇인가?
Simcenter Power Tester가 전력반도체의 파워 사이클링 시험에서 하는 역할을 설명합니다. 반복 가열·냉각 조건을 설정하고 도통 전압과 열저항의 변화를 해석하는 기준을 정리합니다.
델타이에스 엔지니어수정
Power Tester란 무엇인가요? Simcenter Power Tester는 전력반도체 소자에 전류를 인가해 가열하고 다시 냉각하는 과정을 반복하면서, 전압과 온도 응답 등 열화 신호를 추적하는 시험 장비입니다.
인버터의 IGBT나 SiC MOSFET은 운전 조건이 바뀔 때 발열과 냉각을 반복합니다. 파워 사이클링 시험은 이 온도 변동에 취약한 구조를 찾고, 같은 조건에서 시편이나 패키지 설계를 비교하는 데 쓰입니다.
그림 1. Simcenter Micred Power Tester 장비 외관
출처 · Siemens Simcenter 블로그 · KeenusDesign 사례
핵심 요약
전력반도체에 전류를 흘려 소자 내부에서 열을 만들고, 가열과 냉각을 반복합니다.
접합온도와 도통 전압, 열저항을 같은 조건에서 비교해 열화가 시작되는지 살펴봅니다.
시험 전에 전류와 냉각 조건, 종료 기준을 합의하고 실제 운전 수명을 추정할 때는 사용 조건과 수명 모델을 추가로 검토합니다.
전류를 흘려 소자를 가열하는 이유
능동 파워 사이클링(Active Power Cycling)은 소자에 전류를 흘려 발생한 전력 손실로 칩을 가열하는 시험입니다. 가열 구간이 끝나면 인가 전류를 끄거나 감지에 필요한 수준으로 낮춰 소자를 냉각합니다. 이 과정을 반복하면 칩과 패키지 재료의 열팽창 차이로 접합부에 반복 응력이 생깁니다.
그림 2. 소자 내부 발열과 냉각을 반복하는 능동 파워 사이클링 (AI 생성 개념도)
접합온도(Tj)는 반도체 칩 내부의 온도를 나타냅니다. 한 사이클에서 최고 접합온도와 최저 접합온도의 차이를 ΔTj라고 합니다. 시험 조건을 비교할 때는 ΔTj와 함께 최고 접합온도, 가열·냉각 시간, 냉각판 온도를 확인합니다. 같은 ΔTj라도 최고 온도나 유지 시간이 달라지면 패키지에 가해지는 부담이 달라질 수 있습니다.
Power Tester로 시험을 설정하는 순서
1. 시편과 기준 조건을 정합니다
시험 대상 소자(DUT)의 구조와 단자 구성을 확인하고, 장착 압력이나 체결 토크, 열전달 재료, 냉각판 조건을 정합니다. 시편 간 차이를 비교하려면 장착 방식과 냉각 조건을 일정하게 유지하고 시편별 시험 기록을 남깁니다.
접합온도 추정에는 소자와 시험 구성에 맞는 온도 민감 전기 파라미터(TSEP)를 사용합니다. 예를 들어 일부 MOSFET은 일정한 감지 전류에서 바디 다이오드 순방향 전압이 온도에 따라 어떻게 변하는지 먼저 보정합니다. 가열과 냉각을 반복하기 전에 목표 ΔTj가 재현되는지 점검합니다.
그림 3. Power Tester 1500A 조작 화면. 장치·프로젝트 선택, 소자 등록, 냉각판 위 시편 배치
출처 · Siemens 백서 · 그림 5
2. 전기적·열적 신호를 함께 기록합니다
파워 사이클링 중에는 도통 전압이나 도통 저항 등 소자에 맞는 전기 지표와, 접합온도 응답에서 얻는 열적 지표를 추적합니다. 도통 전압과 저항은 온도와 측정 전류의 영향도 받으므로 같은 조건의 값을 비교합니다. 열저항은 정의한 두 위치와 냉각 조건을 함께 기록합니다.
와이어 접합부가 들뜨면 전기 경로에 변화가 생길 수 있고, 다이 접합층에 균열이 생기면 열이 빠져나가는 경로가 달라질 수 있습니다. 측정 신호만으로 열화 위치를 확정하기는 어렵습니다. 전기 지표와 열저항을 함께 보고, 필요한 경우 추가 분석으로 가설을 확인합니다.
그림 4. 전력모듈에서 나타날 수 있는 와이어 들뜸과 접합층 균열 (AI 생성 개념도)
3. 냉각판과 고정구 조건을 확인합니다
시편이 냉각판에 닿는 상태가 바뀌면 패키지가 같아도 접합온도와 열저항 측정값이 달라질 수 있습니다. 시험 전에 냉각수 조건, 고정구 장착 상태, 열전달 재료의 적용 방법을 기록합니다. 도중에 신호가 갑자기 변하면 열화 가능성과 함께 접촉과 배선 상태, 냉각 조건의 변화를 확인합니다.
그림 5. Power Tester 내부의 냉각판과 가압 고정구
출처 · Siemens Simcenter 블로그 · KeenusDesign 사례
시험 결과를 판단하는 기준
아래 공개 연구는 MicReD Industrial Power Tester 1500 A로 SiC MOSFET을 시험했습니다. 도통 전압 강하는 매 사이클, 열저항은 일정 간격마다 기록했습니다. 두 지표가 같은 방향이나 속도로 변할 필요는 없으므로, 추세와 측정 조건을 함께 살펴봅니다.
그림 6. SiC MOSFET 파워 사이클링 실측 예시. 검은색은 도통 전압 강하, 파란색은 열저항
출처 · Yoo 외, Electronics (2024), 그림 5 · CC BY 4.0
관찰한 변화 | 먼저 확인할 조건 | 판단에 사용할 자료 |
|---|---|---|
도통 전압이나 저항이 달라짐 | 감지 전류, 평가 온도, 배선 접촉 | 같은 조건의 전기 지표 추세와 반복성 |
열저항이 달라짐 | 냉각판 상태, 장착 압력, 접촉층 | 같은 경로의 열저항과 온도 응답, 추가 분석 결과 |
종료 기준에 도달함 | 사전에 정한 기준과 순간 이상 여부 | 마지막 유효 사이클과 시편별 종료 사유 |
자동차용 전력모듈이라면 ECPE의 AQG 324 같은 적용 문서와 프로젝트 시험 사양을 확인합니다. 시험 중단 조건과 비교 기준은 대상 소자와 시험 목적에 맞춰 사전에 정합니다. 시험 사이클 수를 실제 운전 수명으로 환산하려면 사용 중 온도 이력과 검증된 수명 모델이 필요합니다.
시험 전 체크리스트
가열 전류, 가열·냉각 시간, 최고 접합온도와 ΔTj를 기록했는가?
냉각판 조건과 시편 고정 방식, 센서·감지 조건이 재현되는가?
시편별 기준값과 종료 사유를 추적할 수 있는가?
그림 7. 시험 조건 설정부터 열화 추세와 종료 기준 확인까지 (절차 도식)
반복 가열 중 전기·열 지표를 추적하는 장비는 Simcenter Power Tester의 파워 사이클링 시험에서 확인할 수 있습니다. 패키지의 시간별 온도 응답과 열경로가 주 관심사라면 Simcenter T3STER의 반도체 과도 열측정을 참고할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Power Tester는 어떤 소자에 사용할 수 있나요?
IGBT와 MOSFET 등 전력반도체 소자와 모듈의 파워 사이클링 시험에 사용할 수 있습니다. 대상 소자에 맞는 전류·전압 범위, 시험 채널, 장착 방식과 감지 조건을 확인합니다.
파워 사이클링과 챔버 온도 사이클링은 어떻게 다른가요?
파워 사이클링은 소자 내부 전력 손실로 열을 발생시킵니다. 온도 사이클링은 챔버의 주변 온도를 바꿔 시편에 열 변화를 줍니다. 가열 위치와 온도 분포가 달라 시험 목적에 맞춰 선택합니다.
열저항이 바뀌면 접합층이 손상된 건가요?
열저항 변화는 열전달 경로에 변화가 생겼다는 단서입니다. 접합층의 상태를 판단하려면 냉각판 접촉과 장착 조건을 확인하고, 전기 신호나 별도의 분석 결과를 함께 봅니다.
참고 자료
Siemens · Power cycling and thermal reliability of automotive IGBTs · 시험 원리, 열화 신호 및 조작 화면
Siemens Simcenter · KeenusDesigns 사례 · 제품 외관과 가압 고정구 사진
ECPE · Automotive AQG 324 · 자동차 전력모듈 자격 평가 가이드라인
Yoo 외 (2024) · 4H-SiC/SiO₂ Interface Degradation in 1.2 kV 4H-SiC MOSFETs Due to Power Cycling Tests · Electronics, 13(7), 1267. 실측 그래프
글쓴이 델타이에스 엔지니어
델타이에스는 Siemens Simcenter 파트너로, 본문에 언급된 제품의 공급과 기술 지원을 하고 있습니다.