코스텍시스 분기보고서 (2023.03)
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 제조시 필요한 핵심기술인 확산접합(Diffusion Bonding), 고방열소재, 메탈라이징(Metalizing), 브레이징(Brazing), 고순도 금도금(Plating), 신뢰성평가(ReliabilityTest) 등 전공정 제조 기술을 보유하고 있습니다.또한 도금시 사용되는 금(Au)을 제외할 경우 통신용 패키지 제조원가의 약 70% 정도를 차지하고 있는 고방열 소재 제조 기술을 보유하고 있어 이를 기반으로 고방열 반도체 패키지 소재 부품 분야에 탁월한 글로벌 경쟁력을 보유하고 있습니다.

당사는 통신용 반도체 패키지와 전기자동차의 파워모듈에 사용되는 고방열소재를 제조하는 기술을 보유하고 있으며, 글로벌시장에서 그 우수성을 인정받고 있습니다.

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

GaN, SiC 반도체 소자 기술의 진보에 따라 반도체의 고출력화, 고속화, 고집적화로 인하여 발열 문제가 커지고 있습니다. 이에 따라 SiC, GaN 반도체의 경우, 최대동작온도가 약 400~800℃까지 이르는 등 고온의 상태에서 안정적으로 소자를 제어할 수 있는 열관리(Thermal Management)시스템은 매우 중요해졌습니다.열관리 시스템은 발생하는 열을 효과적으로 외부로 배출하고, 냉각시켜 전자부품의 접촉부 및 주위온도를 설계 기준 온도 이하로 유지하도록 하는 시스템입니다. 이와 같은 방열성능은 기기의 효율증대 및 오동작 감소 등 디바이스의 특성과 신뢰성에 중요한 요소가 되고 있습니다.

일반적으로 히트싱크(Heat sink) 등과 같은 방열부품은 높은 열전도율이 요구되어 열전도율이 390W/m·K인 동(Cu)이 이용되고 있습니다. 그러나 최근 반도체소자의 고출력화에 따라 대면적화 되어 반도체소자와 히트싱크와의 열팽창 계수 미스매치로 인한 열화 문제가 대두되고 있습니다. 따라서 반도체소자에서 발생하는 열을 쉽게 방출할 수 있는 고열전도 특성과 반도체 소자와의 써멀매칭(Thermal matching)을 동시에 충족하는 히트싱크 재료의 개발이 요구되고 있습니다.

이에 당사는 파워디바이스의 핵심 부품인 고방열 패키지 히트싱크 복합소재 CMC소재를 개발하여 국산화 하였습니다. CMC소재는 기존에 주로 사용되고 있던 CPC소재보다 열특성과 경제성이 우수한 소재로 해당 소재를 적용하여 국내 최초로 열전도율 320W/m·K급 고방열 패키지를 개발하였습니다.

이는 반도체 패키지의 방열성, 양산성, 가격경쟁력 등 측면에서 국제경쟁력을 확보하여 GaN, SiC파워 디바이스 시장을 견인할 수 있으며, 독과점적으로 고방열 패키지 시장을 주도하던 일본 패키지 업체들과 세계시장에서 경쟁할 수 있는 계기가 되었습니다.

일례로, NXP사의 차세대 GaN chip을 적용하는 NI400 패키지 공급 계약에서 일본의N사, K사와 경쟁하여 경쟁력을 입증하기도 하였습니다. 열전도도 320W/m·K 이상의 CMC12 소재 자체개발을 통해 빠른 납기와 가격경쟁력을 앞세워 최종적으로 공급업체로 선정되어 수주하였고, 현재 납품을 진행하고 있습니다.

(2) 5G 28~38GHz mmWave 전력증폭기용 QFN 패키지

한국, 미국, 일본, 중국 등 세계 각국의 통신사업자는 5G 통신망 구축을 경쟁적으로 행하고 있으며, 현재까지는 주로 5G Sub-6GHz 대역의 장비를 활용해 속도 향상에 주력하고 있고, 5G 28/38GHz 대역 통신망은 국내외 장비, 통신사에서 개발, 시범 설치가 활발히 진행되고 있습니다.

5G mmWave 전력증폭기용 QFN 패키지는 고주파 특성이 매우 중요한데 현재 상용화되고 있는 일본 K사와 미국 R사의 제품은 25~40GHz 대역에서 고주파 손실값이 최대 -1.85db～-4.80db로 매우 커서 5G 28/38GHz용 전력증폭기의 상용화 적용에 문제가 되고 있습니다.

따라서 당사에서는 5G 28~38GHz 전력증폭기용 QFN 패키지를 다층 금속과 폴리머를 융합시켜 고주파 손실 특성을 -1db 이내로 개발하고, 금(Au) Spot도금 기술을 적용함으로써 특성과 원가 측면에서 세계 최고 경쟁력을 확보하였습니다. 더불어 향후 5G 시장을 거쳐 6G 시장으로 고성장이 예상됨에 따라 국내 판매 및 해외 수출에 주력하고자 개발 중에 있습니다.

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

최근 이산화탄소(CO2) 등 배기 물질 규제와 같은 환경문제가 대두되고 있으며, 이와 더불어 친환경 차량에 관한 관심이 증가하고 있습니다. 친환경 차량을 구동시키기 위한 전력 변환 시스템(PCU : Power Control Unit)중 핵심부품인 파워모듈은 친환경 자동차산업에서 급성장하는 분야 중 하나입니다.

파워모듈은 주로 DBC(Direct Bonded Copper)위에 반도체 소자가 접합되고, 이를 봉지재를 통해 감싸 절연하는 구조로 되어 있습니다. 기존의 파워모듈은 방열판에 한쪽 면을 부착하고 방열판에 수냉 냉각기를 부착한 단면냉각방식이 주를 이루고 있었으나, 단면냉각방식은 알루미늄 와이어의 열화로 칩과 접착부분에서 쉽게 파괴가 일어나는 문제를 내재하고 있습니다. 이를 해결하기 위해 양면냉각방식의 파워모듈이 개발되었습니다.

출처 : Yole development

양면냉각 파워모듈은 단면냉각 방식과 달리 스페이서(Spacer)라는 별도의 소재가 칩위에 접합되고, 그 스페이서 위에 방열판을 추가적으로 접합하여야 하는 다층 접합구조입니다. 양면냉각 파워모듈은 단면냉각방식에 비해 방열성능이 높고, 출력파워 밀도를 높일 수 있어 소형화에 유리합니다.

가혹한 자동차 동작 환경을 만족하는 양면냉각 파워모듈을 성공적으로 개발하기 위해서는 열전도도가 높고 칩과 열팽창 계수(CTE)매칭이 최적인 스페이서 소재 개발 능력과 제조 기술이 필요합니다. 당사에서는 수년 동안 자체적으로 소재를 개발하였고, 스페이서를 국내 최초로 개발하여 파워모듈 개발에 기여하고 있습니다.

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

스페이서(Spacer)는 칩(Chip)에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있어야 하고 고온에서 열팽창으로 인해 칩이 단락 되지 않게 보호하는 역할이 요구됩니다. 따라서스페이서는 열전도도가 높고 칩과 열팽창 계수 매칭이 중요합니다. 또한, 칩과 히트싱크의 열팽창 미스매칭으로 인해 접합부가 균열이 발생할 수 있기 때문에 소재의 열팽창 계수가 중요한 항목으로 관리 되어야 합니다.

출처 : 코스텍시스 기업부설연구소

전기차, 하이브리드차, 수소차의 파워 모듈에 채용되는 방열 스페이서 소재는 저 열팽창, 고 신뢰성이 요구됩니다. 이를 위해서는 소재 제조 시 Cu/Mo/Cu를 보이드(void)가 없게 확산 접합하는 것이 중요합니다. 이에 당사는 당사만의 노하우로 SPS(Spark plasma sintering, 스파크 플라즈마 소결)장비를 활용하여 고품질의 CMC Clad 방열 소재를 제조하고 있으며, 소재부터 스페이서까지 일괄 생산시스템을 갖추고 있습니다.

이와 같은 당사의 기술은 글로벌 전기차 업체들에 인정받아 다수의 협력 개발에 참여하고 있습니다. 열팽창 계수 6.8PPM/℃이하, 열전도도 180W/m·K 이상의 고방열 CMC40 소재를 개발하였고, 사이즈 5.6*5.6*0.7 외 3종 스페이서를 개발하여 평탄도, 두께 공차 5um이하 스페이서를 개발하였습니다. 또한, CMC111 소재를 개발하여 사이즈 2.8*4.0*1.5 외 4종 스페이서를 개발하면서 차세대 파워모듈 개발에 참여하고 있습니다.

(2) 전기차 파워모듈 양면 냉각부품(Spacer) 제품

전력반도체용 방열 Spacer는 일본 A사와 일본 F사 등이 세계시장을 주도하고 있으며, 국내에서도 일본에서 전량 수입되어 사용되고 있었습니다. 이에 당사는 2019년 초부터 SiC 전력반도체용 방열 스페이서(Spacer)를 소재부터 전공정 국산화 개발을 시작하여 2021년 2월 개발에 성공하여 시제품을 출시하고 있습니다.당사에서 개발한 고방열 소재인 CMC, CPC소재는 경쟁사 대비 열전도율과 가격 경쟁력이 우수하여 이를 이용하여 제조하는 전력반도체용 방열 Spacer는 특성, 가격, 품질면에서 글로벌 경쟁력이 확보되고 있으며 글로벌 자동체 제조업체에시제품이 지속적으로 공급되고 있습니다.

당사는 전기자동차용 SiC 전력반도체 대량생산을 계획하고 있는 글로벌 자동차 업체와 전력반도체용 스페이서(Spacer) 방열 부품에 대하여 개발 단계에서 긴밀한 협력이 이루어지고 지속적으로 시제품을 공급하고 있으며, 향후 2023년 이후 양산 시기에 따라 대량 수주를 예상하고 있습니다.