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신재생에너지와 전기 자동차의 요구

풍력 발전과 전기 자동차 시장은 오늘날 높은 전력 밀도, 높은 신뢰성과 탁월한 기계적, 온도적 그리고 전기적 특성을 갖춘 전력 모듈을 요구하고 있다. 그렇다면 어떻게 이러한 시장의 요구사항을 만족시킬 수 있을까? 여러분은 신재생에너지 시장과 전기 자동차 시장의 수요와 그를 향한 도전을 보게 될 것이다.

글_ 토마스 스톡메이어, 세미크론 인터내셔널 프로덕트 매니저

오늘날 높은 신뢰성을 갖춘 전력 소자에 대한 요구는 무납땜 압력 접촉 방식 기술에 의해 최적의 만족을 얻고 있다. 이 다음 단계로 와이어 본드는 독 플렉스 포일에 의해 대체될 것이고 이는 전력 사이클 피로의 제약사항을 정복하기 위한 방안이다. 전력 밀도의 최상의 역량은 전력 모듈 뿐만이 아니라 모듈의 un-packing 방식과 기계적 통합에 의한 임베디드 시스템의 디자인 등 이러한 기술의 배치를 통하여 얻을 수 있다.

전력 모둘은 한 개 이상의 반도체 칩과 전기적 통로에서 구별되는 열 흐름 통로를 제공하는 구성요소의 결합으로 이루어진 장치를 의미한다. 이러한 전력 모듈은 1975년부터 시장에 등장하기 시작하였고, 그 성공의 역사는 화려하다. 전력 모듈은 대부분의 모든 전력 전자 시스템의 핵심 건설 부품의 하나로서 지금은 급격하게 성장하고 있는 두 시장의 핵심 부품이다. 그것은 바로 신재생에너지 시장과 전기 자동차 시장이다. 본문에서는 이 두 시장에 미치는 파워모듈의 영향력과 패키지화 된 기술들에 대해 살펴보고자 한다.

풍력 발전 모듈 시장은 2022년까지 250M US 달러에 달할 것으로 추정되고 있다.

현재까지 풍력발전용 전력 모듈 시장의 점유율은 5%정도에 그치고 있다. 그러나 매년 25% 이상의 성장률을 보이고 있는 이 시장은 그 어떤 세분화 된 시장보다도 빠르게 성장하고 있다. 2011년까지 이 시장은 250M US 달러의 크기로 성장할 것으로 전문가들은 바라보고 있다.풍력 발전용 전력 모듈은 매우 높은 단속 작동 수명과 장기간의 유횽성과 매우 높은 신뢰성 그리고 극한의 환경에서도 적합하도록 요구하고 있다. 그림1에서 보는바와 같이 집적형 전력 모듈(IPM), SKiiP은 풍력 발전용 응용분야에서 넓리 이용되고 있는 제품이다. 이 전력 모듈은 고객에게 적합한 방열판(공냉 도는 수냉 방식)과 기계적으로 집적된 게이트 드라이브와 전류센서, 온도센서 그리고 전압 센서등 보호회로가 모두 집적되어 있는 패키지 화된 모듈이다.

이러한 풍력발전용 전력 모듈의 특별한 적합성은 자체의 독특한 압력 접촉 시스템에 있는데 이것은 전기적 전력과 보조의 접촉 온도 또는 전력 사이클에 의한 유도된 피로에서 자유를 넓게 확장시키기 위한 온도적 접촉 방법들이 결합된 방식이다.

또한 전력 모듈의 자동차 시장에 대한 점유율은 단지 4% 정도에 그치고 있다. 그러나 이또한 해마다 19%라는 급격한 성장을 이루고 있는 시장이다. 고 전력 자동차 응용분야는 전력 모듈 요구사항의 모든 특별한 요구사항을 들을 모두 갖추어야만 한다. 기술적으로 대부분의 수요는 주변의 높은 온도와 써멀 사이의 높은 수치에 대한 것이 대부분이다. 그림 2에서 보는 것처럼 자동차 전용 모듈은 SKiM이다. SKiM 전력 모듈 또한 위의 그림에서 보는 바와 같이 압력 접축 방식의 기술을 이용하여 만들어졌다. 그러나 자동차 전용 모듈 SKiM은 세계 최초로 모듈 전체에 어떠한 납땝도 들어가 있지 않은 것이 특징이다. IGBT와 다이오드 칩은 sinter 기술을 이용하여 DBC(Direct Bonded Copper)기판에 그대로 부착시켰고, 와이어 본딩은 사용하지 않았다. 이는 진동이 심한 자동차 응용분야에서도 제품의 성능이 유지할 수 있도록 하는 매우 중요한 특징이다.
 
열팽창계수의 불일치는 제품의 성능에 심각한 문제를 야기시킨다.

신터 과정(sintering process)에서 스텐실 프린팅에 의해 사전 적용된 은 페이스트 레이어로 칩을 덥는다. 매우 높은 압력과 온건한 온도(250℃)아래에서 은 페이스트는 딱딱한 은층으로 변형된다.

그림 3에서 보여지는 것과 같이 자동차용 전력 모듈의 5″x 7″ DBC card는 4개의 기판으로 구성되어 있는데 각각의 기판은 12개의 IGBT와 6개의 다이오드가 한번에 신터 기술로 접착된다. 다음 구성은 칩과 기판 사이에 은으로 된 층을 만들어 은의 녹는점인 961℃에서 녹인다. 그리하여 175℃의 작동 온도에서는 단지 분해 온도의 18%에 해당할 뿐이고 이것은 은으로 된 층이 일반적인 응용분야에서 과로로 인한 피로가 발생하지 않음을 의미한다. 이것은 납댐을 하는 전통적인 칩 방식과는 매우 구분되는 차이점이라고 할 수 있는데, 냅댐을 한 일반적인 장치의 작동 온도는 분해 온도의 대략 60% 정도를 차지하고, 이로 인하여 파워 사이클이나 써멀 싸이클의 납땜을 통하여 기계적 피로를 가져올 수 있다.

모든 전력 모듈은 초음속의 본딩으로 칩의 맨 윗부분과 연결하기위해 얇은 알루미늄 선이 필요하다. 알루미늄 와이어와 칩 사이에서 발생하는 열팽창 계수의 불일치는 파워 사이클의 충분한 수치 이후에 칩에서 와이어를 떨어뜨리는 결과를 유발할 수 있고, 전력 모듈의 수명에도 제한적이다. 훌륭한 재료와, 디자인 또한 과정을 거쳤음에도 불구하고 이러한 피로는 디자인 요소에 여전히 제한적으로 남아있고, 더 낮은 생산 단가를 위하고 또 더 높은 전력 밀도와 더 긴 제품의 수명을 위하여 중요한 요소이다.
 
SKiN technology는 와이어 본딩을 유동적인 포일로 대체시킨다.

SKiN technology라 불리는 솔루션은 와이어 본딩 대신에 유동적인 포일의 형태를 가져왔다. 와이어 본딩은 칩에 용접하는 과정에서 납잡한 칩에 알리미늄, 폴리마이 그리고 구리로 구성된 층을 샌드위치처럼 납작한 칩에 한 부분으로 용접하는 것을 말한다. 알루미늄 부는 작동과 게이트 트랙을 제공하고, 구리면은 구동과 감각 전기를 가져오는 디자인으로 설계될 수 있다. 폴리마이드 층을 통해서 위의 메탈층에서 얇은 와이어 본딩에 의한 게이트와 센서에까지 접촉될 수 있다. 패키지 재료의 제약사항은 단순하게 소멸되고, DBC 기판은 “기계적 조합”에 의하여 스크래치에서 임베디드 전력 전기 시스템에 사용될 수 있다. 하우징, 터미널 그리고 베이스 플레이트 같은 전통적인 패키지 소자의 대부분의 스트리핑은 Un-packaging이라고 불린다.
 
적게는 더 많이 : 더 긴 수명을 위한 Un-packing 칩

전체적인 조립을 위해서는 단지 몇번의 작업이 필요할 뿐이다. 기판은 듀얼팩, 오도 센서 그리고 필터 캐패시터드의 구성안에 전력 MOSFETs (납땜 또는 신터)로 조립된다.이러한 기판은 프레임(고온에 적합한 플라스틱 재료)과 이미 모듈화 된 스크류 타입 터미널과 함께 방열판위에 취부된다. 다음으로는,DC link 캐패시터에 집적된 DC와 AC 버스바 시스템에 위치한다. 압력 부분은 윗부분에서 이루어지는데, 이것은 보조부에 연결하기 위한 사전 조립된 스피링을 구성하고 기판에 전력 터미널을 누르면 동시에 열적 그리고 전기적 접촉이 된다.

그런다음 게이트 드라이브와 전기 센서 보드 기르고 컨트롤러 보드는 다 같이 취부된다. 결과적으로 철 또는 플라스틱으로 된 두껑은 조립된 부품들 위에서 덮어주고 외부 환경으로부터 제품을 보보한다. 이러한 모터 드리아브의 결과로 전력 밀도는 벤치 마크되어 전시되고, 20g 진동과 100g 충격에서도 매우 높은 열적 전력적 사이클 용량을 보여주고 진화된 전력 MOSFET 의 정션 온도도 200℃로 충분히 사용할 수 있다. 이러한 소형화된 디자인과 집적된 필터 캐패시터는 매우 작은 수행과 발산된 방출을 전시한다.

미래를 위한 가능성

신재생에너지와 전기 자동차는 전력 반도체 모듈과 시스템을 위한 시장 중 급격하게 성장하고 있는 시장이다. 높은 시장의 성장 옆에 두 응용 분야 모두 매우 높은 기술과 경제적인 기회가 매우 높다. 신생 기술 예를 들면 IGBT 압력 접촉 방식 플렉스 포일 그리고 un-packaged 임베디드 시스템등은 그에대한 해답을 제공하고 있다. 미래에 성공하기 위해서는 기존의 제품과 동시에 이러한 새로운 시장에서 요구하고 있는 혁신적인 제품을 개발해 내어 시장의 요구를 완벽하게 만족 시킬 수 키고 대응하는 것이 가장 중요할 것이다.
 

아이씨엔 매거진 2009년 07~08월호

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