코스텍시스 사업보고서 (2024.12)
2. 주요 제품 및 서비스

가. 통신용 패키지 [(주)코스텍시스 반도체 패키지 제조 핵심기술]

핵심 기술	패키지 조건	적용 제품	개요

확산접합
(Diffusion
Bonding)	방열성/
저열팽창	RF PKG(GaN)
파워모듈(SiC)	이종금속을 브레이징재를 사용하지 않고 열과 압력으로 접합하는 기술로 고방열 소재제조에 사용
화합물반도체 패키지의 CMC(Cu/Mo/Co)와 같은 소재의 써멀매칭(Thermal Matching)을 고려한 접합기술

프레스 금형	정밀도	RF PKG(GaN)
파워모듈(SiC)	Heat sink를 프레스 금형을 사용하여 정밀한 형상으로 가공

메탈라이징
(Metalizing)	금속 패턴	RF PKG(GaN)	패키지를 제조 하기 위해 세라믹에 금속화 하는 공정

브레이징
(Brazing)	밀폐성	RF PKG(GaN)	금속재료, 비금속재료의 접합방법의 하나로서 450℃ 이상 모재(basemetal)의 용융점 이하의 온도에서 접합부를 가열하여 모재는 녹이지 않고 용가재만 녹여 모재를 접합하는 기술

도금
(Plating)	젖음성	RF PKG(GaN)
파워모듈(SiC)	다이본딩 과 와이어 본딩 신뢰성을 확보하기 위해 소재 표면에 화학적, 전기적으로 균일하게 코팅하는 기술(Ni도금, Ag도금, Au도금)

신뢰성평가
(ReliabilityTest)	내구성	RF PKG(GaN)
파워모듈(SiC)	패키지의 신뢰도 추정 및 신뢰성 요구에 합치한가 여부를 판정 하기 위한 시험(열싸이클 시험, 고온고습 시험, 솔더젖음성 시험 등)

당사는 반도체 패키지 제조에 필요한 핵심 기술인 확산접합(Diffusion Bonding), 고방열 소재, 메탈라이징(Metalizing), 브레이징(Brazing), 고순도 금도금(Au Plating), 신뢰성 평가(Reliability Test) 등 전 공정 제조 기술을 보유하고 있습니다.

(1) 통신용 반도체 패키지용 히트싱크(Heat Sink) 소재 및 고방열 패키지 개발

GaN과 SiC 반도체 소자 기술의 발전에 따라 반도체의 고출력화, 고속화, 고집적화가 이루어지고 있으며, 그에 따른 발열 문제가 점차 심각해지고 있습니다. 특히, SiC와 GaN 반도체는 최대 동작 온도가 약 400~800℃에 달할 정도로 고온에서 안정적으로 소자를 제어하기 위한 열 관리(Thermal Management) 시스템의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

열 관리는 반도체에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 배출하고 냉각하여 전자 부품의 접촉부와 주변 온도를 설계 기준 이하로 유지하는 역할을 합니다. 이는 기기의 효율성 증대와 오동작 방지 등 디바이스의 특성과 신뢰성에 중요한 요소로 작용합니다.

일반적으로 히트싱크(Heat Sink)에는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)가 주로 사용되며, 열전도율이 높기 때문에 열을 효과적으로 방출하는데 유리합니다. 그러나 반도체 소자의 고출력화에 따라 면적이 커지고, 반도체 소자와 히트싱크 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열화 문제가 발생하고 있습니다. 따라서 반도체 소자에서 발생한 열을 효율적으로 방출하고, 반도체 소자와의 써멀 매칭(Thermal Matching)을 동시에 충족할 수 있는 히트싱크 재료의 개발이 필수적입니다.

이에 당사는 파워 디바이스의 핵심 부품인 고방열 신소재인 KCMC를 개발하여 국산화에 성공하였으며, 현재 대량 생산에 박차를 가하고 있습니다. KCMC 신소재는 기존의 방열 소재들보다 열 특성과 경제성에서 우수한 성능을 보이며, 이를 기반으로 국내 최초로 열전도율 320W/m·K급 고방열 패키지를 개발하여 국내외 시장에 공급하고 있습니다.

당사는 KCMC 신소재 기술을 바탕으로 반도체 패키지의 방열 성능, 양산성, 가격 경쟁력 측면에서 국제 경쟁력을 확보하였으며, GaN과 SiC 파워 디바이스 시장에서 선도적인 입지를 다져 나가고 있습니다.

(2) 5G 28~38GHz mmWave 전력증폭기용 QFN 패키지

전 세계 주요 통신사업자들이 5G 통신망 구축을 경쟁적으로 진행 중입니다. 현재는 주로 5G Sub-6GHz 대역을 활용하여 속도 향상에 집중하고 있으며, 한편 5G 28/38GHz 대역의 통신망은 국내외 장비 및 통신사에서 개발과 시범 설치가 활발히 진행되고 있습니다.

5G mmWave 전력증폭기용 QFN 패키지는 고주파 특성이 매우 중요합니다. 현재 상용화된 일본 K사와 미국 R사의 제품은 25~40GHz 대역에서 고주파 손실이 최대 -1.85db에서 -4.80db로 매우 크며, 이는 5G 28/38GHz용 전력증폭기의 상용화 적용에 어려움을 초래하고 있습니다.

이에 당사는 5G 28~38GHz 전력증폭기용 QFN 패키지를 다층 금속과 폴리머를 융합하여 고주파 손실 특성을 -1db 이내로 개발했습니다. 또한, 금(Au) Spot 도금 기술을 적용하여 특성과 원가 측면에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보하였습니다. 향후 5G 시장을 넘어 6G 시장으로의 고성장이 예상됨에 따라, 국내 판매와 해외 수출에 집중할 계획입니다.

나. 전력반도체용 패키지(방열 Spacer) (1) 전기차 파워모듈 양면 냉각부품(Spacer) 소재 개발

최근 이산화탄소(CO2) 배출 규제와 같은 환경 문제는 중요한 이슈로 떠오르며, 친환경 차량에 대한 관심이 급증하고 있습니다. 이에 따라 친환경 차량을 구동시키는 전력 변환 시스템(PCU, Power Control Unit)의 핵심 부품인 파워모듈은 전기차 및 친환경 자동차 산업에서 빠르게 성장하고 있는 분야 중 하나입니다.

파워모듈은 주로 DBC(Direct Bonded Copper) 기판 위에 반도체 소자가 접합되고, 이를 봉지재를 통해 절연하는 구조로 설계됩니다. 기존의 파워모듈은 방열판에 한쪽 면을 부착하고, 방열판에 수냉 냉각기를 부착하는 단면 냉각 방식이 사용되었으나, 이 방식은 냉각 성능에 제한이 있었습니다. 특히, 단면 냉각 방식은 열 관리 효율이 떨어져 전력 변환 효율을 최적화하는 데 어려움이 있었습니다.

이를 해결하기 위해, 최근에는 양면 냉각방식의 파워모듈이 개발되었습니다. 양면 냉각방식은 파워모듈의 양면에서 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 설계되어, 기존의 단면 냉각 방식에서 발생할 수 있는 열화 문제를 해결합니다. 이러한 기술 발전은 전기차의 파워모듈 성능을 크게 향상시키며, 친환경 차량의 효율성 및 신뢰성을 높이는 중요한 요소로 자리잡고 있습니다.

따라서, 양면 냉각방식의 파워모듈은 전력 변환 효율을 극대화하고, 차량의 전체적인 성능을 개선하는 데 큰 역할을 하며, 전기차 산업의 지속 가능한 발전에 중요한 기여를 하고 있습니다.

출처 : Yole development

양면냉각 파워모듈은 단면냉각 방식과 달리 스페이서(Spacer)라는 방열 소재가 칩 위에 접합되고, 그 위에 방열판을 추가적으로 접합하는 다층 접합 구조를 가지고 있습니다. 양면냉각 방식은 단면냉각 방식에 비해 방열 성능이 뛰어나고, 출력 파워 밀도를 높일 수 있어 소형화에 유리한 장점이 있습니다.

이와 같은 양면냉각 파워모듈을 성공적으로 개발하려면, 열전도도가 높고 칩과의 열팽창 계수(CTE) 매칭이 최적인 스페이서 소재의 개발이 필수적입니다. 특히, 자동차와 같은 가혹한 동작 환경에서의 사용을 고려할 때, 고온, 진동, 충격 등 다양한 조건을 견딜 수 있는 고성능 부품이 요구됩니다.

당사는 수년간의 연구개발을 통해 이러한 요구를 충족하는 고성능 스페이서 소재를 자체적으로 개발하고, 이를 국내 최초로 성공적으로 상용화하여 파워모듈의 성능 향상에 기여하고 있습니다. 당사의 스페이서는 뛰어난 열전도도와 칩과의 우수한 열팽창 계수 매칭을 통해 양면냉각 파워모듈의 성능을 최적화하는 중요한 역할을 합니다.

이러한 기술은 전기차 및 친환경 자동차 산업의 성장을 촉진하는 핵심 기술로, 앞으로도 더욱 효율적이고 신뢰성 높은 제품을 제공할 수 있는 기반을 마련하고 있습니다

[Double-side power module cooling design]
출처 : Yole development 출처 : 인피니언 테크놀로지

스페이서(Spacer)는 칩에서 발생하는 열을 효율적으로 방열하며, 고온 환경에서 열팽창으로 인해 칩이 단락되지 않도록 보호하는 핵심 부품입니다. 이를 위해 스페이서는 두 가지 중요한 특성을 반드시 갖추어야 합니다.

-. 열전도도가 높아야 한다: 스페이서는 칩에서 발생한 열을 효과적으로 방출하여 시스템의 과열을 방지해야 합니다. 열전도도가 높은 소재는 열을 빠르게 분산시키고, 그로 인해 성능 저하를 방지할 수 있습니다. 이는 파워모듈이 고속으로 동작할 수 있게 도와주며, 안정적인 성능을 유지하는 데 필수적입니다.

-. 열팽창 계수(CTE) 매칭이 중요하다: 칩, 스페이서, 히트싱크 간의 열팽창 계수 차이가 크면 고온 환경에서 소재가 팽창하면서 접합부에 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 스페이서는 칩과 히트싱크의 열팽창 계수를 잘 맞추어야 하며, 이를 통해 열팽창 미스매칭으로 인한 문제를 최소화할 수 있습니다. 이 특성은 특히 자동차와 같은 가혹한 동작 환경에서 매우 중요합니다.

이 두 가지 특성을 충족하는 고성능 스페이서 소재를 개발하는 것이 중요하며, 이는 전기차 및 친환경 자동차 산업에서 파워모듈의 안정성, 효율성, 성능 향상에 중요한 역할을 합니다.

출처 : 코스텍시스 기업부설연구소

전기차, 하이브리드차, 수소차의 파워 모듈에 사용되는 방열 스페이서는 방열 성능과 고 신뢰성이 요구되는 중요한 부품입니다. 이러한 요구를 충족하기 위해서는 접착제 없이 접합하는 이종 재료 확산 접합 기술이 필요합니다. 당사는 이와 관련된 독자적인 기술인 SPS(Spark Plasma Sintering, 스파크 플라즈마 소결) 기술을 활용하여 고품질의 KCMC 방열 소재를 제조하고 있습니다. 이 기술은 고온에서의 우수한 열전도성과 신뢰성을 제공하여 전기차 및 친환경 차량의 효율적인 열 관리에 기여합니다.

또한, 당사는 소재부터 스페이서까지수직 계열화된 생산 시스템을 구축하여 글로벌 경쟁력을 확보하고 있습니다. 이 시스템은 생산 효율성을 극대화하며, 품질 관리와 성능 보증을 강화하는 중요한 역할을 합니다. 이를 통해 고객에게 안정적이고 높은 품질의 제품을 제공하고 있습니다.

당사의 기술력은 다수의 글로벌 전기차 관련 업체들과 협력하여, 차세대 전기차용 SiC 전력반도체 양산 개발에 참여하고 있으며, 이를 통해 글로벌 시장에서의 입지를 더욱 강화하고 있습니다.

(2) 전기차 파워모듈 양면 냉각부품(Spacer) 제품

방열 Spacer는 전기 자동차의 전력 반도체가 Si 반도체에서 SiC/GaN 반도체로 급격히 변화하면서 대량 수요가 발생하고 있습니다. 이에 당사는 2019년 초부터 **SiC 전력반도체용 방열 스페이서(Spacer)**의 소재부터 전공정 국산화 개발을 시작하였으며, 2021년 2월에는 개발을 완료하고 시제품을 출시하였습니다. 이후, 2024년에는 여러 글로벌 기업으로부터 양산 퀄리티 테스트를 통과하고 대량 생산 투자가 진행되고 있습니다.

당사에서 개발한 고방열 소재인 KCMC 소재는 경쟁사 대비 뛰어난 열전도율과 가격 경쟁력을 자랑합니다. 이를 바탕으로 제조한 전력반도체용 방열 Spacer 등 주요 제품은 특성, 가격, 품질 면에서 우수한 글로벌 경쟁력을 확보하고 있으며, 전 세계 시장에서의 입지를 더욱 확고히 다지고 있습니다.