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유효 전력 사이클링을 이용한 전력 모듈의 실제 수명 예측


개요

전력 전자 모듈과 전력 패키지 설계는 열 문제에 크게 영향을 받습니다.

해당 모듈의 열 저항을 낮추기 위해 새로운 기판 소재와 더 얇고 높은 열 전도율의 부착 소재가 사용됩니다.

새 소재나 기술을 적용할 때는 모듈의 생산을 고려하기 전에 철저한 신뢰성 시험을 거쳐야 합니다.

모듈의 안정성이나 예상 수명은 시스템이 견딜 수 있는 온도 또는 전력 사이클 수로 나타낼 수 있습니다. 하지만 이는 전력 모듈이 실제 적용 환경과 예상 수명이 연관될 경우 좀 더 정확하며, 전력 모듈 설계가 신뢰성과 가격, 무게, 부피 등의 요소들 간 절충에 따른 적용 환경에 따라 결정되므로 이러한 요소들을 최소화하면서 적용 환경을 고려한 높은 수준의 신뢰성을 가진 필요 수명 보장이 목적이 되어야 합니다.

이 백서에서는 설계자가 부품의 적용 환경을 고려하면서 전력 모듈의 예상 수명을 예측하는 데 유효 전력 사이클링 측정법이 어떻게 도움이 되는지에 대해 설명합니다. 관련 개별 단계가 요약되어 있습니다.

서론

IGBT 또는 MOSFET 등의 전력 전자 모듈이 자동차, 철도 견인, 발전 및 변전 등의 응용 부문에서 점점 더 광범위하게 사용되고 있습니다. 이 응용 부문에서 이러한 패키지의 가장 중요한 설계 요구 사항은 고장 수명입니다. 높은 신뢰성과 안전을 중요시하는 전력 전자 모듈 적용에는 모듈의 적용과 적용 환경이 장시간 지속되는 것을 요구합니다.

고장의 주요 요인은 다양한 소재의 서로 다른 열 팽창 계수로 인해 구조 내에서 발생하는 열-기계적 응력입니다. 이러한 응력은 모듈 내 온도 변화에 의해 유도되며, 온도 변화는 장치가 노출되어 있는 가변 전력 프로필로 인해 발생합니다. 전력 모듈의 다양한 부품 내 온도 변화와 변화 비율 변동은 주요한 고장 메커니즘의 가속화 요인들입니다. 여기에는 기초판 납땜의 균열 같은 열 전도 경로의 열화와 결합선의 열화가 포함됩니다. 열적 유도 고장을 최소화하는 가장 쉬운 방법은 패키지의 열 저항을 최소화하여 작동 중 접점 온도 이상을 제한하는 것입니다. 모듈의 열 저항은 열 과도 테스트를 통해 평가할 수 있습니다. 이 테스트를 통해 패키지에 대한 총 열 저항뿐만 아니라, 다이에서 기초판까지 열이 전달될 때 확산되는 저항을 포함하여 구성 부품의 부분 열 저항도 확인할 수 있습니다.

가속화 테스트 전략

전력 모듈에 대해 일반적으로 사용하는 두 가지 수명 테스트는 온도 사이클링과 유효 전력 사이클링입니다. 두 테스트 방법 모두 장치 온도를 주기적으로 변경하여 열 부하를 발생시키지만 기본적으로는 다릅니다. 온도 사이클링에서는 장치에 전원이 공급되지 않습니다. 온도 변화는 오븐과 같은 온도 조절 환경에 부품을 놓고 부품을 가열했다가 냉각하는 방식으로 이루어집니다. 따라서 가열이 외부적으로 적용됩니다. 가열 및 냉각 속도가 매우 느린(몇 분 소요) 편이므로 부품 내 온도가 가열 및 냉각 시 아주 균일하게 유지됩니다. 온도 사이클링은 구리 직접 접합(Direct Bonded Copper, DBC) 기판과 모듈의 기초판 사이 납땜 접합부를 평가하는 데 주로 사용됩니다.

이와는 달리, 유효 전력 사이클링 방법에서는 반도체 장치를 통해 전류를 전달하여 이러한 장치를 소산 소자로 사용함으로써 부품이 내부적으로 가열됩니다. 열이 일반 작동 중에 손실되는 것과 동일한 위치에서 손실되므로 부품 내 온도 분포가 적용 부문과 비슷합니다. 가열이 국부적이므로 온도 구배도가 상당히 큰 편입니다. 이러한 온도 구배는 공급 전류를 변경하여 가열 속도를 변경함으로써 제어할 수 있습니다. 유효 전력 사이클링에서는 낮은 전류와 긴 가열 및 냉각 시간을 사용하여 DBC와 모듈 기초판 사이 납땜 접합부를 가열할 수도 있습니다. 일반적으로 유효 전력 사이클링은 가열 시간이 단 몇 초에 불과한 짧은 사이클 타임을 사용합니다. 높은 전류는 결합선과 다이 부착 납땜 접합부에 응력을 가하여 칩 접점 온도를 평가하는 데 사용됩니다.

그러므로 유효 전력 사이클링을 사용하면 패키지의 장기 신뢰성을 포괄적으로 검사할 수 있습니다. 열 구조 내 온도 변화로 다양한 유형의 열화가 발생하므로 각 사이클마다 컬렉터-이미터(배출 소스) 전압 강하나 게이트 누출 전류 같은 전기 파라미터에 대한 영향을 관찰할 수 있습니다.

과도 열 테스트를 주기적으로 실시하여 열 스택 저하도 모니터링할 수 있습니다. 두 방법의 결합을 통해 신뢰성 엔지니어가 모듈 내 다양한 연관 고장 메커니즘의 발생을 완벽하게 평가할 수 있습니다.

수명 예측에 대한 접근 방법

장치의 동작 주파수에서는 유효 전력 사이클링 테스트를 수행할 수 없습니다.

고속 스위칭 중에는 저하과정에 영향을 받는 파라미터를 정확히 측정할 수 없습니다. 더 큰 문제는 테스트 대상 부품이 작동 상태에 있으므로 테스트 시간을 거의 가속화할 수 없는 범위에서 수명 테스트 자체가 부품의 예상 수명에 근접할 것이라는 점입니다. 하지만 이러한 테스트를 사용하여 부품이 응용 환경에서 접하게 될 접점 온도 변화의 비율과 정도를 파악할 수 있습니다.

일반 작동 중에는 전력 전자 장치 스위칭 주파수가 일정합니다. 하지만 부품이 켜진 상태의 사이클 비율(충전율)은 각기 다릅니다. 부품이 꺼진 상태에서는 전력이 손실되지 않습니다. 스위칭될 때(켜지거나 꺼짐), 스위칭 주파수에 따라 서로 다른 스위칭 손실이 발생하며, 켜진 상태에서는 일정 전도 손실이 더 낮습니다. 구조의 열적 관성으로 인해 사이클 내 열 손실 변화의 영향은 무시해도 되는 수준이며, 사실상 이러한 열 구조는 사이클 전체의 시간 평균 열 손실량을 나타냅니다.

이러한 정보에 기초하여, 장치를 열고 장치에 정전류를 가함으로써 전도 손실을 사용하여 작동 시 발생하는 시간 평균 가열을 재현하는 방식으로 부품을 테스트할 수 있습니다. 더 높은 전류를 가하고 전원 공급 및 전원 차단 시간을 조정하여 원하는 접점 온도 변동을 유도함으로써 이 테스트를 가속화할 수 있습니다.

최종 적용 부문의 기대 수명을 예측하는 일은 복잡한 작업입니다. 이 작업을 수행하려면 작동 사용률, 즉 '미션 프로필(mission profile)'을 알아야 합니다. 이 정보를 알고 있으면 '전력 프로필'(선택 사항)을 계산할 수 있으며, 전력 프로필은 모듈을 설계 대상 장비 내 원하는 작동 상태로 유도하는 데 필요합니다.

입력 전력 프로필과 패키지의 기계적 구성 및 대상 열 환경을 올바르게 파악했으면, 과도 열 시뮬레이션을 통해 최종 시스템 작동 중에 장치 접점의 온도 변화를 예측할 수 있습니다. 다양한 온도 변화는 패키지의 수명에 서로 다른 영향을 미칩니다. 사전 설정된 접점 온도 변동 수에서 수집된 유효 전력 사이클링 데이터에 근거하여 ‘수명 곡선’을 정확히 작성할 수 있습니다.


그림 1. 전체 시스템 고장 시간 예측 과정


과정 설명 전력 모듈의 수명은 포함된 장치(IGBT, MOSFET, 다이오드 등), 패키징 설계, 제조 및 다양한 외부 요인에 따라 달라집니다. 장치가 견뎌야 하는 모듈의 열-기계적 설계와 환경 조건(온도, 습도 및 진동) 외에도, 장치 자체에서 발생하는 열과 냉각 시스템의 특성은 수명을 결정하는 가장 중요한 두 가지 요인입니다. 미션 프로필 정의 모듈의 표준 부하를 설명하려면 모듈이 수명 시간 동안 반복적으로 수행해야 할 특수한 특성 작업을 설명해야 합니다. 미션 프로필은 일반적으로 모듈에 발생하는 부하와 직접