GX 추진과 EV 보급을 지원하는 파워 반도체의 진화. 그 토대를 지지하는 소재 개발의 현상에 다가가는-3 페이지째

SiC, GaN을 이용한 차세대 전력 반도체

미나미가와：SiC(실리콘 카바이드)나 GaN(갈륨나이트라이드) 등의 새로운 소재를 사용한 파워 반도체는 전력의 변환 효율이 예를 들면 97~98%로 올라갑니다. 1%~2%의 향상은 큰 차이입니다.

SiC는 테슬라가 최초로 양산 채용을 했습니다. 통상의 실리콘에서는 125도 정도의 내열 상한입니다만, SiC는 250도에서도 견딜 수 있는 설계입니다. 자동차 엔진 룸과 같이 뜨거워지는 곳에서도 엔진과 모터 바로 가까이에 SiC 파워 반도체를 올릴 수 있습니다. 그렇게 하면, 폼 팩터(형상이나 크기를 구성하는 요인)가 작아지므로, 매우 유리하게 됩니다.

GaN(갈륨나이트라이드)은 주파수가 높게 잡히는 것이 특징입니다. 주파수가 높아지면 교류에서 직류, 직류에서 교류로의 전원 변환, 또는 주파수를 변환할 때의 효율이 좋아집니다.

전원의 효율화에 유리하고, PC 전원의 소형화에도 공헌하고 있습니다.

현재는 통상의 실리콘에 비해 SiC는 5~6배, GaN은 7~8배 이상의 가격으로 알려져 있다. 시장은 아직 한정적입니다만, 향후 양산과 함께 가격대가 내려가면, 용도가 퍼질 것이라고 생각합니다.

아베: 맞습니다. 재료의 관점에서도, SiC나 GaN은 안정적인 결정 성장이 어렵다는 과제를 해결해 온 개발의 역사가 있습니다.

미나미가와: 파워 반도체의 재료 개발에 무엇이 중요한 포인트라고 생각합니까?

아베: 다나까귀금속 그룹은 반도체 패키징 재료에 오랫동안 참여해 왔습니다. 본딩 와이어로 시작하여 현재는 다이 본드 재료와 활성금속 접합재로 퍼지고 있습니다.

이러한 지식으로부터, 파워 반도체용 재료에서는, 방열성과 신뢰성의 양립이 중요하다고 파악하고 있습니다.

새롭게 대두해 온 SiC나 GaN은, 실리콘과 물리 특성이 다르고, 예를 들면 실제의 칩의 두께까지 가공했을 때에, 실리콘은 유연하고, SiC는 단단하다고 듣고 있습니다.

칩화하여 마지막 기판에 접합할 때에 열팽창 계수의 차이에 의해 태어나는 휨에 대해 기판 단단하면 응력 완화를 충분히 할 수 없고, 칩과 기판의 틈이나 보이드(공동)가 생기는 경우가 있습니다. 보이드는 접합층의 치밀함, 나아가서는 칩의 방열성이나 신뢰성에 영향이 있습니다.

차세대의 소재 개발에 있어서의 포인트는, 물리 특성이 다른 칩이나 기판에 대해서, 계전 재료나 접합 재료의 최적화에 의해, 성능과 신뢰성을 담보하는 것이라고 생각합니다.

미나미카와: 확실히, 파워 반도체는 장기 사용하는 케이스가 많네요. 태양광발전이라면 패널 수명은 15년이라고 하며, 그 정도 갖지 못한다고 곤란하다. 역시 신뢰성은 매우 중요하네요.

아베: 게다가 SiC는 고내전압이기 때문에 같은 전류·전압에 대해서는 칩 사이즈를 작게 할 수 있습니다. 실리콘과 비교했을 때 같은 내전압에서도 칩의 크기가 3분의 1에서 4분의 1이 된다고 합니다. 다만 소형화하면 열은 모이기 쉬워져 방열성의 요구가 높아집니다. 차세대 파워 반도체의 재료 개발은 방열성, 저저항, 신뢰성의 추구라고 생각하고 있습니다.

미나미가와: 재료 개발은 근기가 필요한 것. 오랜 시간을 들여, 딱딱하고 개발을 계속해 나가는 측면이 크다고 생각합니다. 그것은 일본 기업의 자랑스러운 곳이기 때문에, 파워 반도체로 일본은 중요한 포지션에 있다고 생각하네요.

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