1.1 연구의 배경

현재 전력반도체는 현대 전력 시스템에서 필수적인 역할을 하며, 전력 계통, 신재생에너지 설비, 전기차, IT 인프라 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다. 고효율 에너지 변환과 고출력 동작이 요구되는 환경에서 와이드밴드갭(Wide Band Gap, WBG) 반도체 기술이 도입되면서 SiC 및 GaN과 같은 고성능 소재를 활용한 전력반도체가 기존 실리콘(Si) 기반 소자를 대체하며 전기차 및 신재생 에너지 시장을 중심으로 급격히 성장하고 있다. SiC, GaN와 같은 WBG 반도체는 10kV 이상의 항복전압 특성을 가지며 10kHz 이상의 높은 주파수에서 동작하므로 전력반도체의 신뢰성을 확보하기 위해서는 반도체의 설계 단계에서부터 우수한 절연성능을 가지는 재료를 선정하고 구조상 취약점을 보완해야 한다^[1-3].

전력반도체 패키지의 밀봉재는 소자를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 할 뿐만 아니라, 고전압 및 고주파 환경에서 발생하는 전계 집중을 완화하여 절연 성능을 유지하도록 한다. 그러나 삼중점(triple junction)과 같은 구조적 취약점에서는 강한 전계 집중으로 인해 부분방전과 절연파괴가 발생하며, 이는 전력반도체의 신뢰성을 저하시킨다^{[4, 5]}. 이러한 전계 집중 문제를 해결하고, 소자의 안정적 동작을 보장하기 위한 연구가 필요하다^[6-8].

최근 그래핀 나노필러는 우수한 전기적, 열적 특성으로 인해 복합재료의 성능을 개선하는 데 널리 사용되고 있다^{[9, 10]}. 그래핀 나노필러는 높은 전기적 절연성과 열전도성을 동시에 제공하며, 특히 밀봉재 내에 첨가될 경우 전력반도체 패키지의 절연 성능을 향상시킬 가능성이 크다.

1.2 연구의 목적

본 연구에서는 전력반도체 밀봉재의 절연 특성을 분석하고, 절연 성능을 향상시키기 위한 설계 기법을 제안하고자 한다. 이를 위해 에폭시 컴파운드, 실리콘젤, 폴리디멘틴실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)와 같은 다양한 밀봉재를 대상으로 전계 해석을 실시한다. 또한, 전극 간 거리 및 기판 두께와 같은 설계 변수를 조정하여 전계 집중 완화 효과를 평가하고, 그래핀 나노필러 적용이 절연 특성에 미치는 영향을 해석한다. 본 연구는 전력반도체의 동작 신뢰성을 확보하기 위한 설계 및 소재 선택의 기준을 제공하며, 향후 절연 성능과 열적 안정성을 동시에 고려한 복합 밀봉재 개발의 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

2.1 전력반도체에서의 절연 영역

전력반도체 칩과 패키지, 접합부와 연결부, 히트싱크, 외부 케이스, 배선 간에 고전압이 인가될 때 전류가 다른 경로로 흐르는 것을 방지하고 상호 간섭을 일으키지 않도록 하기 위하여 절연재가 사용된다. Fig. 1은 전력반도체의 주요 절연 영역과 각 구성의 예를 보여준다. 밀봉재(Encapsulation Material)는 IGBT와 Diode와 같은 고전압 부품을 둘러싸 전기 절연 역할을 하며 동시에 열전도성이 높아 내부에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출하는 데 도움을 준다. 에폭시 몰드(Epoxy mold)는 파워 모듈의 외부 케이스이며 외부 환경에서의 습기와 화학물질 등으로부터 내부 회로를 보호하며 절연 성능을 강화한다. 기판(Substrate)과 솔더(Solder)는 회로 기판과 히트싱크 사이에서 전기적 절연을 제공하며 열을 빠르게 방출하여 장치의 과열을 방지하는 역할을 한다. 버스바(Bus bar)는 전력 흐름을 원활히 전달하는 핵심 부품이며 주변에 위치한 절연재는 전류가 의도하지 않은 경로로 흐르지 않도록 보호한다. 이러한 구성 요소들은 상호 보완적으로 작용하여 각 절연 영역에서 전기적 단락을 방지하고 고전압 환경에서 소자와 장비의 안정성을 유지할 수 있도록 설계된다.

Fig. 1. Cross-section of a power module

2.2 밀봉재의 절연내력

전력반도체의 밀봉재는 전력반도체의 절연 성능을 보장하는 핵심적인 요소로, 전기적 절연, 열 방출, 기계적 보호와 같은 역할을 수행한다. 밀봉재의 절연내력은 재료가 견딜 수 있는 전기장의 최대 강도를 의미하며, 이를 초과할 경우 절연파괴가 발생할 수 있다. 전력반도체 패키지에서 밀봉재는 전극 간 전계를 완화하고 삼중점과 같은 구조적 취약점에서 발생하는 전계 집중을 효과적으로 제어하는 데 중요한 역할을 한다.

에폭시 컴파운드는 밀봉재로 널리 사용되며, 약 15-20 kV/mm의 절연내력을 가지면서도 우수한 내열성과 기계적 안정성을 제공한다. 이는 고온 및 고압 환경에서도 전력반도체의 안정적인 동작을 지원하는 데 적합하다. 실리콘젤은 약 20kV/mm의 절연내력을 가지며, 높은 탄성과 열적 안정성을 특징으로 한다. 이러한 특성으로 인해 실리콘젤은 기계적 충격 흡수와 고주파 환경에서의 안정적인 동작이 요구되는 응용 분야에서 널리 사용된다. PDMS는 약 15-18kV/mm의 절연내력을 가지며, 뛰어난 유연성과 내열성 덕분에 복잡한 구조를 가지는 전력반도체 패키지에서도 적합하게 사용될 수 있다^[3].

밀봉재는 단순히 절연내력을 제공하는 것에 그치지 않고, 전력반도체 패키지의 안정성을 유지하기 위해 설계 변수와 결합하여 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 해야 한다. 예를 들어, 전극 간 거리와 기판 두께를 조정하면 삼중점에서의 전계 집중을 완화할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 밀봉재의 특성과 설계 변수의 영향을 시뮬레이션을 통해 분석하고, 절연 성능을 최적화하기 위한 방안을 제안하고자 한다.

3.1 시뮬레이션 모델

시뮬레이션 모델은 금속 전극, 기판, 밀봉재로 구성된 전력반도체 구조를 기반으로 설계되었다. 세라믹 기판은 두께 1mm로 설정되었으며, 상부에는 금속 전극이 위치하고 하부 및 측면은 밀봉재로 둘러싸여 있다. 삼중점은 금속 전극, 기판, 밀봉재가 만나는 경계 지점으로 정의되며, 이 지점에서 발생하는 전계 집중을 시뮬레이션을 통해 분석하였다^[12].

모델의 기본 원리는 전압과 전기장 간의 관계를 나타내는 다음 방정식에 기반한다.

여기서, $E$는 전계강도, $V$는 전압이다.

또한, 절연 재료 내부의 전기장은 발산하지 않는다는 조건은 다음과 같이 표현된다.

$\epsilon_{0}$는 진공 중의 유전율, $\epsilon_{r}$은 절연 재료의 상대 유전율을 의미한다. 이러한 모델은 삼중점에서의 전계 집중 문제를 정량적으로 평가하고, 밀봉재의 특성과 설계 변수의 영향을 분석하는 데 적합하다.

3.2 시뮬레이션 조건

본 연구에서는 전력반도체의 동작 신뢰성 확보를 위한 절연성능 향상을 위하여 세 가지 밀봉재와 설계 변수를 기반으로 다양한 시뮬레이션을 수행하였다.

첫 번째 시뮬레이션에서는 실리콘젤($\epsilon_{r}$=2.86)을 밀봉재로 사용하여, 삼중점 부근에서 발생하는 전계 집중을 완화하기 위한 설계 변수를 평가하였다. 전극 간 거리는 2mm에서 12mm까지 2mm 간격으로 조정하였고, 기판 두께는 1mm와 1.5mm로 설정하였다. 상부 전극에는 DC 10kV를 인가하고 하부 전극은 접지로 설정하였다. 이 시뮬레이션은 전극 간 거리와 기판 두께가 전계 집중 완화에 미치는 영향을 평가하기 위함이다.

두 번째 시뮬레이션에서는 에폭시 컴파운드($\epsilon_{r}$=3.5), 실리콘젤($\epsilon_{r}$=2.86), PDMS($\epsilon_{r}$=2.7)의 세 가지 밀봉재를 사용하여 동일한 전극 구조에서 전계 분포를 비교하였다. 전극 간 거리는 0.4mm에서 6mm까지 설정하였으며, 0.4mm에서 1mm 사이에서는 0.2mm 간격으로, 1mm 이상에서는 1mm 간격으로 조정하였다. 기판 두께는 1mm와 1.5mm로 설정하였으며, 상부 전극에 DC 10kV를 인가하고 하부 전극은 접지로 설정하였다. 이 시뮬레이션의 목적은 밀봉재별 절연 성능과 전계 집중 완화 효과를 정량적으로 비교 분석하는 것이다.

세 번째 시뮬레이션에서는 그래핀 나노필러($\epsilon_{r}$=4)가 첨가된 에폭시 컴파운드($\epsilon_{r}$=3.5)를 밀봉재로 사용하였다. 전극 간 거리는 2mm에서 6mm까지 1mm 간격으로 조정하였고, 기판 두께는 1mm로 고정하였다. 상부 전극에 DC 10kV를 인가하고 하부 전극은 접지로 설정하였다. 이 시뮬레이션은 그래핀 나노필러 첨가로 인한 절연 성능의 변화를 분석하는 데 목적을 둔다.

각 시뮬레이션은 삼중점에서 발생하는 전계 집중을 평가하고, 밀봉재의 특성과 설계 변수의 조합에 따라 절연 성능이 어떻게 변화하는지를 분석하기 위해 수행되었다.

4.1 실리콘젤 기반 절연 구조 설계 결과

Fig. 2는 AlN 기판의 상하부에 구리 전극 층(300 μm)이 형성되어 있는 Direct Bonded Ceramic (DBC) 기판 구조에 실리콘젤을 봉지재로 사용하여 밀봉한 형태를 보여준다.

Fig. 2. DBC substrate encapsulated with silicone gel

AlN 기판 상부의 좌측 전극에 정극성 DC 10kV를 인가하고, 상부의 우측 및 하부 전극에는 접지전위를 형성시키고, 전극 간 거리를 조정하였다. 먼저, 상하부 전극의 연면거리 조정을 위하여 기판의 두께(t)를 1, 1.5, 2mm로 설정하였고, 다음으로 상부 전극 간의 연면 거리(d)를 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14mm로 설정하였다.

Fig. 3은 삼중점 부근에서 형성된 전계(E)를 보여준다. t=1mm, d=2mm에서의 E는 23kV/mm이고, t=2mm, d=12mm에서의 E는 14.4kV/mm로 나타났다. 문헌^{[2, 6]}에 따르면, 실리콘젤의 절연내력은 20kV/mm, DBC 기판의 재료인 AlN의 절연내력은 15-20kV/mm이다. t와 d의 거리를 조정함으로써 삼중점 전계가 재료의 절연내력을 초과하지 않도록 설계할 수 있음을 확인하였다. 삼중점 부근의 전계 집중은 전극 간 거리, 기판 두께 변화에 따라 현저히 달라졌다.

Fig. 3. Electric field near the triple junction

전극 간 거리를 2mm에서 12mm까지 조정한 결과, 거리 증가에 따라 삼중점 부근의 전계 강도가 점진적으로 감소하였다. 특히, 전극 간 거리가 2mm일 때 최대 전계 강도는 23kV/mm였으나, 12mm로 증가했을 때는 14.4kV/mm로 감소하였다. 기판 두께가 1mm에서 1.5mm로 증가할 경우에도 전계 집중 완화 효과가 뚜렷하게 나타났다. 이는 설계 변수를 조정하여 삼중점 부근에서의 전계 집중을 효과적으로 완화할 수 있음을 보여준다.

4.2 에폭시 컴파운드, 실리콘젤, PDMS 기반 절연 구조 설계 결과

동일한 전극 구조에서 전극 간격 및 기판 두께 변화에 따라 달라지는 전계를 해석하기 위하여 Fig. 4와 같이 AlN 기판의 상하부에 구리 전극 층(300μm)이 형성되어 있는 DBC 기판 구조를 설계하고 상부를 서로 다른 봉지재로 밀봉하였다. 봉지재로는 에폭시 컴파운드, 실리콘젤, PDMS를 선정하였다. Fig. 4와 같이 알루미늄 질화물(Aluminum Nitride, AlN) 기판 상부의 좌측 전극에 정극성 DC 10kV를 인가하고, 상부의 우측 및 하부 전극에는 접지전위를 형성시키고, 전극 간 거리를 조정하였다. 상하부 전극의 연면거리 조정을 위하여 기판의 두께 t를 1, 1.5mm로 설정하였다. 상부 전극 간의 연면 거리 d는 0.4mm와 1mm 사이는 0.2mm 간격으로, 1mm에서 6mm까지는 1mm 간격으로 설정하였다.

Fig. 4. DBC substrate encapsulated with molding material

Fig. 5는 t가 각각 1, 1.5mm 일 때, 전극 간 거리에 따른 봉지재별 정규화 된 최대 전계를 보여준다. d가 짧을수록 전계가 상대적으로 더 강하게 집중되는 경향을 보이며, 봉지재별로는 PDMS, 실리콘젤, 에폭시 컴파운드 순서로 높은 전계 집중을 나타낸다. 또한, t는 1mm인 경우보다 1.5mm인 경우에 전계 완화 효과가 커짐을 알 수 있다. 즉, t가 1.5mm일 때, 전극 간 거리가 짧더라도 전계 집중이 일부 완화됨을 확인하였다. 전극 간 거리가 0.4mm로 짧을수록 삼중점 부근의 전계 강도가 급격히 증가하는 경향을 보였으나, d가 증가하면서 전계 집중이 완화되었다. 이 결과는 밀봉재의 선택과 설계 변수 조정을 통해 전력반도체의 절연 성능을 최적화할 수 있음을 보여준다.

Fig. 5. Normalized max. electric field vs. Electrode distance

4.3 그래핀 나노필러 적용 결과

Fig. 6과 같이 AlN 기판의 상하부에 구리 전극 층(300μm)이 형성되어 있는 DBC 기판 구조를 설계하고 상부를 봉지재로 밀봉하였다. 봉지재로는 에폭시 컴파운드를 사용하였고, 나노필러로는 그래핀을 적용하였다. 그래핀 나노필러의 2D 평면 구조를 간소화하여 타원형으로 가정하여 장축 a=1μm, 단축 b=0.5μm로 모델링 하였으며 무작위 배향으로 분포하는 것으로 설정하였다. AlN 기판 상부의 우측 및 하부 전극에는 접지전위를 형성시키고, 상부의 좌측 전극에는 정극성 DC 10kV를 인가하고, 전극 간 거리 d를 조정하였다.

Fig. 6. DBC substrate encapsulated with molding material containing graphene nano particles

Fig. 7은 그래핀 나노필러 유무에 따른 전극 간 거리별 정규화 된 최대 전계를 보여준다. 시뮬레이션 결과, d가 짧을수록 상대적으로 더 강한 전계가 형성됨을 알 수 있다. 나노필러 유무에 따른 정규화 된 최대 전계를 비교하면, 에폭시 컴파운드 단독으로 구성된 밀봉재보다 그래핀 나노필러가 주입된 경우의 최대 전계가 더 크게 나타났다.

Fig. 7. Max. electric field with and without Nanofillers

그래핀 나노필러가 첨가된 에폭시 컴파운드는 나노필러가 없는 경우와 비교하여 삼중점 부근의 전계 집중이 증가하는 경향을 나타냈다. 전극 간 거리 d가 2mm일 때 최대 전계 강도는 25kV/mm로, 에폭시 컴파운드 단독 사용 시보다 약 15% 증가하였다. 이는 그래핀 나노필러의 높은 전기 전도도와 계면 분극(interfacial polarization), 그리고 입자 응집 현상에 의해 전계 왜곡이 발생했기 때문으로 해석된다^{[13, 14]}. d가 증가할수록 전계 집중이 완화되었으나, 그래핀 나노필러의 효과는 여전히 잔존하여 전계 강도가 에폭시 컴파운드 단독 사용 시보다 높게 나타났다. 그래핀 나노필러의 농도 변화와 응집 분산을 통하여 절연 성능 개선이 가능할 것으로 보인다.

4.4 결과 고찰

밀봉재의 절연 특성과 설계 변수는 전력반도체 패키지의 절연 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 실리콘젤은 높은 절연내력을 제공하며, 전극 간 거리와 기판 두께 조정을 통해 전계 집중을 효과적으로 완화할 수 있었다. 에폭시 컴파운드는 전계 분포가 비교적 균일하게 나타났다. PDMS는 전계 집중 완화 측면에서는 제한적인 특성을 보였다. 그래핀 나노필러는 밀봉재의 특성을 강화할 가능성을 제공하지만, 농도 최적화와 분산 기술이 동반되어야 함을 확인하였다.

이러한 결과는 전력반도체 패키지의 설계 단계에서 최적의 밀봉재 선택과 설계 변수를 적용하는 데 있어 중요한 기초 자료를 제공하며, 향후 연구에서 밀봉재의 복합 특성을 동시에 개선하는 방향으로 확장될 수 있다.