파워 모듈에서 가장 먼저 고장 나는 부품은 눈에 띄는 상부 부품이 아니라 그 아래에 있는 세라믹 층입니다. 파워 모듈용 DBC 세라믹 기판을 구매할 때 숨겨진 결함은 현장 고장으로 이어져 상당한 비용 손실을 발생시킬 수 있습니다. 우선적으로 확인해야 할 사항을 설명해 드립니다.
실제 고장을 유발하는 결함
DBC 기판 문제의 대부분은 몇 가지 반복적인 결함으로 귀결됩니다. 각 결함의 형태와 발생 원인은 다음과 같습니다.
접합층 내 기포(Voids)
기포(voids)는 접합 과정에서 구리와 세라믹 사이에 갇히는 미세한 공기방울입니다. 이는 품질 수준이 낮은 공급업체에서 흔히 발생하며, 단 몇 차례의 열 cycle 후에도 균열의 원인이 되는 경우가 많습니다. 공급업체에 측정된 기포 발생률을 요청하십시오. 0%일 것이라고 단정해서는 안 됩니다.
박리 (Delamination)
박리(Delamination)는 구리 층이 세라믹으로부터 떨어져 나가기 시작하는 현상입니다. 가열 시 구리와 세라믹의 팽창률이 다르기 때문에 열 cycle이 반복될 때마다 접합부에 응력이 가해집니다. 현장에서 DBC 기판이 고장 나는 주요 원인 중 하나가 바로 박리이며, 특히 반복적인 열 사이클링 -55°C에서 +150°C 사이. 테스트에서 해당 설계가 견뎌낸 열 cycle 횟수를 공급업체에 문의하십시오.
세라믹 균열
균열은 응력이 가장集中되는 구리 패드(copper pads)의 끝부분과 모서리에서 발생하여 세라믹 본체로 퍼져나가는 경향이 있습니다. 이것이 재료 선정만큼이나 엣지 디자인과 구리 레이아웃이 중요한 이유 중 하나입니다. 주문하기 전에 이 부분에 대해 문의하십시오.
약한 계면 접합 (Weak Interfacial Bonding)
구리와 세라믹을 결합하는 반응층이 올바르게 형성되지 않을 수 있습니다. 이러한 현상이 발생하면 부품이 실제 열 응력을 받기도 전부터 결합 강도가 초기부터 저하됩니다. 이는 성적서나 인증서만으로는 포착할 수 없습니다.
그렇다면 이러한 결함을 어떻게 방지할 수 있을까요? 공급업체의 자체 검사에 대해 올바른 질문을 던지십시오.
신뢰할 수 있는 공급업체가 출하 전 결함을 잡아내는 방법
공급업체의 접합 공정을 직접 감시할 수는 없지만, 출하 전에 결함을 검사한다는 증명은 요구할 수 있습니다.
X-Ray 점검
X선 검사는 외부에서 보이지 않는 접합층 내 기포를 검출하는 표준 방법입니다. 빠르고 잘 확립된 방법이지만, 알아두어야 할 한 가지 한계가 있습니다. 이는 실제 간극이 없는 순수 접착 결함의 경우 X선 검사로 반드시 검출되는 것은 아니라는 점을 의미합니다.
초음파 탐상 لم 초음파 현미경 (Scanning Acoustic Microscopy – SAM)
SAM은 초음파를 사용하여 기판 내부를 관찰하며, 균열, 기포 및 박리(delamination)를 잡아냅니다 X선 검사에서 자주 놓치는 부분입니다. 전력 전자기기 분야의 DBC 및 AMB 기판에 널리 사용되며, 접합 부위의 열화 정도를 측정할 수 있다는 점이 특징입니다.
외관 검사 및 단면 분석 검사 (Micro-Section)
현미경을 통한 단면 관찰에서는 접합 계면을 직접 확인할 수 있습니다. 어두운 간극이나 불균일한 산화물 층이 보인다면 접합 공정에 결함이 있는 것입니다. 조립 온도를 조절하는 것만으로는 이를 해결할 수 없습니다.
이제 무엇을 확인해야 하는지 알게 되었으니, 주문을 진행하기 전에 문의해야 할 사항을 정확히 정리해 드립니다.
DBC 세라믹 기판 구매를 위한 조달 체크리스트
새로운 DBC 세라믹 기판 공급업체를 승인하려는 경우든, 기존에 거래하던 공급업체를 재인증하는 경우든, 미리 다음과 같은 질문을 던져보는 것이 좋습니다.
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일반적인 자격 성적서 대신, 실제 로트(Lot)에 대한 X선 또는 SAM 검사 기록을 제출해 주실 수 있습니까?
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구리-세라믹 계면의 기포율(Void Rate)은 얼마입니까? 또한, 임계값을 초과할 경우 해당 로트는 불량품으로 폐기(스크랩)처리됩니까?
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이 기판 설계는 테스트 중 몇 회의 열순환(Heat/Thermal Cycles)을 견뎌냈습니까?
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현미경 단면 분석(Micro-Section)을 수행합니까? 샘플의 단면 형상을 직접 확인할 수 있습니까?
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귀사의 제조 시설은 현재 어떤 인증을 보유하고 있습니까?
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샘플 로트와 양산(대량 생산) 로트의 리드 타임(Lead Time) 차이는 어떻게 됩니까?
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Can you supply custom thickness, copper layer options or minimum order quantity (MOQ) that fits perfectly with my design rather than the standard size?
반드시 숙지해야 할 수락 임계값 기준
로트(Lot) 최종 승인 전에 반드시 숙지해야 할 사항은 다음과 같습니다.
DBC 접합 공정의 기포 면적 임계값(Void Area Thresholds)에 대한 단일 산업 표준은 존재하지 않습니다. 각 공급업체는 자체적인 수락 기준을 설정합니다. 공급업체에 기포율이 얼마인지 직접 문의하고, 이를 반드시 서면으로 확보하십시오.
불량 샘플 하나 때문에 전체 로트를 거부하지 마십시오. 무작위 샘플이 불합격 처리되면 재검사를 실시하거나 100% 전수 검사를 요청하십시오.
구두 약속이 아닌 서면으로 합의를 문서화하십시오. 주문을 진행하기 전에 리드 타임, 결함 허용 한도, 교환/환불 조건을 확정하십시오.
자주 묻는 질문
공급업체가 검사 성적서/결과를 제공하는 데 얼마나 걸립니까?
우수한 공급업체라면 영업일 기준 며칠 이내에 X-ray 또는 SAM 검사 성적서를 제공할 수 있습니다. 공급업체가 응답하는 데 수주일이 걸리거나 답변을 거부한다면 이는 심각한 경고 신호(Red Flag)입니다.
공급업체의 검사 주장(결과)이 진실인지 거짓인지 어떻게 확인할 수 있습니까?
단순한 '합격/불합격(Pass/Fail)' 요약본이 아닌, 원본 X-ray 또는 SAM 검사 기록(데이터)을 요청하십시오.
DBC 세라믹 기판 공급업체의 리드 타임(Lead Time)은 어느 정도여야 합니까?
표준 로트의 경우 대다수의 DBC 세라믹 기판 공급업체는 2~6주의 납기(리드 타임)를 제시합니다. 확정된 날짜에 대한 서면 확약을 받은 후에만 주문을 진행하십시오.
전체 로트(Lot) 주문을 진행하기 전에 샘플을 받아볼 수 있습니까?
예. 우수한 DBC 세라믹 기판 제조업체는 양산(Full Run)을 진행하기 전에 테스트용 소량 샘플을 제공합니다.
납품 후 로트(Lot)가 검사에서 불합격 처리되면 어떻게 됩니까?
신뢰할 수 있는 공급업체는 로트(Lot)를 교환해 주거나 크레딧(환불/차감)을 제공합니다. 문제가 발생한 후가 아니라, 주문을 진행하기 전에 이를 반드시 서면으로 확보하십시오.
수령하는 모든 로트(Lot)에 대해 어떤 기록을 유지/관리해야 합니까?
표준 로트의 경우 대다수의 DBC 세라믹 기판 공급업체는 2~6주의 납기(리드 타임)를 제시합니다. 확정된 날짜에 대한 서면 확약을 받은 후에만 주문을 진행하십시오.
크리티컬한 응용 분야를 위해 협상 가능한 더 낮은 기포율(Void Rate) 임계값이 있습니까?
맞습니다. 파워 모듈을 전기차(EV), 의료기기 또는 항공우주 분야에 적용하는 경우, 공급업체의 표준 기준보다 더 엄격한 임계값을 요구하십시오. 인수 수락 기준이 엄격해질수록 비용은 상승하게 됩니다.
마지막 생각
DBC 세라믹 기판은 데이터시트상으로는 단순해 보이지만, 상당수의 결함이 접합 공정 중에 은밀히 발생하여 현장에서 고장이 난 후에야 발견됩니다. 다음 주문을 진행하기 전에 단순한 성적서뿐만 아니라 실제 검사 데이터를 요청하십시오. 공급업체 선별에 도움이 필요하십니까? GGS Ceramic’s 엔지니어링 팀이 귀사의 사양 및 검사 요건을 상세히 검토해 드릴 수 있습니다.