전력 전자 산업은 트랜지스터가 처리하는 전력이 새로운 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해 증가함에 따라 패키징이 다이에서 폐열을 제거하는 데 점점 더 어려움을 겪게 된다는 문제에 직면해 있다. 전력 전자 회사인 QPT는 다이를 열 확산기 또는 기판(일반적으로 질화알루미늄(AlN))에 부착하는 새로운 방법에 대한 특허를 출원했다.
qAttach ™라고 하는 이 기술을 적용하면 다이에서 열을 전도하는 훨씬 더 나은 방법을 제공하고 조립 공정에서 기판에 가해지는 응력이 줄어들어 신뢰성이 향상된다. 이로써 고전력 반도체 패키징 산업이 직면한 가장 큰 과제 중 하나를 해결하게 된다.
QPT는 전기 모터 제어 설계에 사용하는 질화 갈륨(GaN) 트랜지스터와 함께 사용하기 위해 이 새로운 qAttach 공정을 개발하여 고전력, 고전압 애플리케이션과 고주파에서 사용함으로써 발생하는 막대한 양의 폐열을 처리할 수 있게 되었다. 현재 고전압에 정격화된 GaN 트랜지스터가 제작되고 있지만 고전압 트랜지스터의 경우 다이 크기가 비교적 작아 열을 제거할 표면적이 적다. 이에 따라 과열 없이 작동할 수 있도록 종종 정격이 낮아지곤했었다.
qAttach는 이 문제를 해결하여 다이에서 훨씬 더 많은 열을 효율적으로 제거할 수 있으므로 과열되지 않는다. 이를 통해 GaN은 이제 자동차, 산업용 모터의 차세대 고전력, 고전압 애플리케이션에 효율적으로 사용될 수 있으며, 결국 저비용 고전압 GaN 트랜지스터의 약속을 실현할 수 있게 된다.
기존의 부착 방식 문제점은 다이를 기판에 고정하는 소결 층이 일반적으로 30~60마이크론 두께다보니 칩에서 열이 전달되는 것을 방해하는 열 장벽을 형성했었지만 잠재적으로 1마이크론의 일부 두께까지 얇은 qAttach 부착 층을 만듦으로써 열 장벽 두께를 줄여 칩에서 폐열을 전달하는 효과가 최대 10배 더 뛰어나게 되었다.
기존 방식에서는 다이에서 나온 열이 두꺼운 신터층을 통과하여 기판으로 전달되어 그림 1과 같이 방열판을 통해 소산되어야 한다. PCB는 상단(및 임베디드 패키지의 히트 스프레더 주변)에 부착되므로 이런 방식으로는 열이 거의 소산되지 않는다. 그림 2의 QPT의 새로운 구조는 방열판, 기판, qAttach 층, 다이, qAttach 층, 기판 및 방열판의 샌드위치 구조이며 PCB는 측면에서 구조를 둘러싸고 있음을 보여준다. qAttach 층은 초박형이기 때문에 열이 훨씬 더 빨리 전달되고 제거될 수 있으므로 다이 상단에서도 발생할 수 있어 총 열 제거 속도가 최대 15배까지 증가한다.
qAttach 라고 불리는 이 기술은 현재 소결 공정에 비해 개선된 점들이 있다. 첫째, 소결에 필요한 큰 힘을 가할 필요가 없기 때문에 기판을 훨씬 더 얇게 만들 수 있다는 것이다. 더 얇은 기판은 열 저항을 크게 줄여 방열판으로의 열 전달을 더욱 돕게 된다.
둘째, 이 공정에 필요한 압력이 낮다는 것은 다이에 가해지는 제조 응력이 적다는 것을 의미한다. 이는 신뢰성이 핵심인 자동차 회사에 특히 관심을 끌 소자의 고장 가능성을 줄여준다.
셋째, 초박형 qAttach 층은 층상 시트가 아니다. 가열 시 qAttach 층에 수직인 Z축에서 주로 팽창을 제한하는 독점적인 지오메트리를 가지고 있어 다이와 기판에서 부착 층이 박리되는 일이 발생하지 않는다. 이는 소결 방식의 기존 연속 시트가 다이의 약 7배, AlN 기판의 약 3배의 열 팽창을 가지고 있는 기존의 부착방법이 갖는 한계였다. 이러한 다른 팽창률은 대형 전력 다이의 길이에 걸쳐 상당한 응력을 생성하여 가열 시 구조가 스스로 찢어질 수 있다. 이러한 박리는 전력 패키지에서 고장의 가장 큰 원인이므로 이 새로운 방식은 조립된 장치의 신뢰성을 더욱 향상시켜준다.
회사측은 qAttach 공정이차세대 전력 전자 기술의 개발을 방해할 수 있는 폐열 제거라는 증가하는 문제를 해결하는 솔루션으로 보고 있다. 다이에서 열을 최대 15배까지 전달하는 qAttach 의 기능 은 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 거의 모든 다른 유형의 트랜지스터에서 폐열을 제거하는 문제를 해결하는 데에도 사용할 수 있어 현재보다 더 높은 전력 부하 처리가 가능하다는 것.
