온세미컨덕터(Nasdaq: ON)가 2021년 실리콘 카바이드(SiC) 시장 전망을 공개했다.

WBG 기술이 기존의 전력 전자 애플리케이션은 물론 새롭게 등장하는 애플리케이션에까지 널리 적용되면서, 반도체 업체는 전례없는 속도로 신제품을 개발해 내고 있다. 일부 기업은 이미 여러 세대의 기술을 발표하기도 했다. 그 중에서도 온세미컨덕터는 입증된 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 디바이스 성능과 업계 최고 수준의 고객 지원을 통해 해당 분야에서 선도적인 입지를 유지하고 있다. 최근 온세미컨덕터는 650V SiC MOSFET를 출시하며 자사의 WBG 디바이스 제품군을 확대했으며, 이를 통해 이전에는 서비스가 부족했던 전력대역에서 보다 향상된 효율성을 제공하고 있다.

다음은 온세미컨덕터의 제품 라인 담당 매니저인 브랜든 베커(Brandon Becker)와의 2021년 시장 전망에 대한 일문일답이다.

Q: SiC와 질화갈륨(GaN) 등의 WBG 반도체가 주류로 떠오르면서 전기차(EV), 5G 기지국과 같은 고성장 애플리케이션 분야와의 연계가 이루어지고 있다. 그러나, 여전히 기존의 실리콘 기반 MOSFET가 비용우위를 점하며 대부분의 애플리케이션에 적용되고 있다. 올해 제 3세대 반도체 소재 개발 트렌드를 어떻게 전망하는가?

A: SiC와 GaN은 기존 실리콘 기반 디바이스보다 더욱 높은 효율성과 전력 밀도를 요구하는 애플리케이션 분야에 계속해서 확대 적용될 것으로 보인다. 비용 측면에서 보면, 전체 시스템 비용을 줄이는 차원에서 WBG 디바이스의 채택이 확산될 것으로 예상된다. 예를 들어, 냉각 시스템을 제거하거나 수동(passive) 디바이스의 크기와 비용을 줄임으로써 시스템 비용을 감소시킬 수 있다. 이러한 시스템 비용 간소화는 WBG 디바이스에 사용되는 비교적 높은 스위칭 주파수 덕분에 가능하다. 단기적으로 볼때는 기술의 조합에 기반한 솔루션들이 등장할 것이다. 일례로, 인버터의 경우 기존 실리콘 IGBT를 SiC 다이오드와 결합해 시스템 비용은 줄이면서 효율성과 신뢰성은 향상시킬 수 있다.

Q: 5G 시대가 도래하면서 SiC MOSFET와 관련한 새로운 애플리케이션으로 어떤 것들이 등장할 것으로 보는가? 해당 애플리케이션 영역에서 SiC MOSFET의 적용 사례가 크게 증가하고 있는가?

A: 5G는 4G LTE 대비 20배 빠른 속도를 제공한다. 그러나 빠른 속도의 구현에는 더욱 많은 전력을 처리하고, 하드웨어가 과열되지 않도록 열효율이 우수하며, 전력 효율에 최적화된 디바이스가 필요하다. SiC MOSFET은 이러한 성능상의 목표를 달성할 수 있는데, 이는 SiC가 까다로운 환경에서 사용하기에 매우 적합하기 때문이다. 또한 SiC는 이러한 장점을 통해 클라우드 및 인공지능(AI) 서비스 제공에 있어 중요한 역할을 하게 될 것이다. 현재 해당 분야의 애플리케이션 수요는 크게 증가하고 있으며, 높은 전력 밀도에 대한 요구는 설계 엔지니어들의 주요 관심사로 떠오르고 있다.

Q: 온세미컨덕터의 경쟁력은 무엇이며, 해당 경쟁력은 올해 출시되는 제품군에 어떻게 반영이 되는가?

A: 온세미컨덕터는 내부 공급망, 제조 전문성, 합리적인 가격에 제공되는 입증된 SiC MOSFET 디바이스 성능, 우수한 평가를 받고 있는 고객 지원 등 다양한 경쟁 우위를 확보하고 있다. 온세미컨덕터는 전 세계 전력 반도체 업계 2위를 차지하고 있으며, 고객들과 긴밀한 관계를 유지하면서 그들의 시스템 설계에 중요한 역할을 하고 있다. 현재까지 온세미컨덕터는 900V 및 1200V SiC MOSFET 제품군을 확장해 왔다. 2021년에는 650V SiC MOSFET 기술을 발표했으며, 이를 구현하고자 초기 엔지니어링 단계에서 고객들과 함께 작업하고 있다. 해당 기술이 정식 출시되면 고객이 요구하는 짧은 리드타임을 제공할 수 있도록 생산 능력을 최대화하는데 집중할 계획이다. 온세미컨덕터는 또한 오토모티브 트랙션 인버터, 온보드 충전, 전기차 충전, 태양광 발전(photovoltaic), 태양광 인버터, 서버 전원공급장치(PSU), 통신 및 무정전 전원공급장치를 포함한 다양한 애플리케이션에 걸쳐 고객과 지속적으로 협력하고 있다. 이 외에도 전문 오디오, 전문 조명, 의료, 전력 툴, 어플라이언스, 보조 모터 분야 등에서도 WBG 기술에 대한 수요가 증가하고 있다.

Q: 온세미컨덕터의 제품군이 전기차에 적용된 사례가 있는가? 현재 자동차 제조업체들과의 협력은 어떻게 진행되고 있는가?

A: 온세미컨덕터는 자동차 기업과도 긴밀히 협력하고 있다. 현재 SiC MOSTFET과 SiC 다이오드가 전기차에 적용하고 있다. 특히, 전세계 자동차 업계의 OEM들과 다양한 협력 프로젝트를 진행중에 있으며, 진행 상황은 제품, 자격, 평가 및 개발 유형에 따라 다르다. 온세미컨덕터는 또한 다양한 전기차 레퍼런스 디자인을 고객에게 제공하고 있다.

Q: 새로운 650V SiC MOSFET의 경쟁력에 대한 근거는 무엇인가?

A: SiC MOSFET은 650V 내압에서 업계 최고의 Rsp(Rdson x 넓이)를 구현할 수 있는 첨단 박형 웨이퍼 기술을 활용한 새로운 활성 셀 설계법을 채택했다. D2PAK7L 및 To247 패키지로 제공되는 NVBG015N065SC1, NTBG015N065SC1, NVH4L015N065SC1, NTH4L015N065SC1은 시장에서 가장 낮은 12밀리옴(mOhm)의 온저항을 보여준다. 또한 이 기술은 에너지 손실 수치 지수에 대하여 최적화되어 자동차 및 산업용 애플리케이션에서 최적화된 성능을 제공한다. 내부 게이트 저항(Rg)을 이용하면 설계자가 외부 게이트 저항을 추가하여 인위적으로 디바이스의 속도를 더 낮출 필요가 없어지므로 더 높은 설계 유연성을 제공할 수 있다. 또한, 높은 서지 및 아발란치를 견디며, 쇼트 서킷 견고성을 제공하므로 내구성이 강화되고 신뢰성이 증가하여 디바이스 수명을 높일 수 있다.

Q: 실리콘(Si), SiC 및 GaN의 향후 방향성을 어떻게 전망하는가? 이들이 연이어 대체될 것으로 보는가?

A: SiC와 GaN 등의 WBG 디바이스는 미래의 전력 전자 장치의 필수요소라 할 수 있다. 이러한 기술들은 재료의 물리적 특성으로 인해 이전에는 만들어 낼 수 없었던 디바이스를 탄생시키고 있다. SiC MOSFET는 지난 50년에 걸쳐 완성됐으며, 현재도 꾸준히 개선되고 있다. 온세미컨덕터가 추진하고 있는 방향은 특정 애플리케이션에 맞게 기술을 맞춤화하는 것이다. 이와 더불어, 고객이 가능하다고 생각하는 한계를 뛰어넘어 최첨단 디바이스를 지속적으로 혁신시켜 고객이 원하는 바를 이뤄내도록 돕고자 한다.

Q: 향후 2~3년간 SiC와 GaN와 관련해 가장 유망한 시장은 어디가 될 것으로 보는가?

A: 온세미컨덕터는 산업용 전력 및 에너지 생성 애플리케이션 분야에서 SiC 시장점유율을 꾸준히 확대할 것으로 예상되며, 특히 자동차 트랙션 인버터 분야에서 급속한 성장세를 보일것으로 기대된다. GaN은 전력 밀도를 설계 상 우선순위로 두고 있는 소비자 전원 공급장치와 같은 애플리케이션에 대대적으로 채택될 것으로 보인다. 보다 까다로운 다른 애플리케이션에도 적용이 가능하지만, 향후 약 3년간은 해당 분야와 동일한 수준의 채택률을 보이지는 않을것이다.

Q: SiC MOSFET 개발과 관련한 업계의 도전과제는 무엇이며, 이를 해결하기 위한 온세미컨덕터의 전략은 무엇인가?

A: 현재 가장 큰 도전과제는 SiC 기판 개발로, 온세미컨덕터를 비롯한 반도체 제조업체들이 이를 해결하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. SiC 기판은 기존의 실리콘 보울(boule)과 매우 다르다. 사용된 장비부터 프로세스, 처리 방법, 절단 방법 등에 이르는 생산과 관련된 모든 것이 SiC를 위해 특별 개발됐다. 온세미컨덕터는 결함 밀도를 낮추기 위해 많은 연구개발을 진행했으며, 이는 비용구조 개선을 가능케 했다. 덕분에 고객들 사이에서 SiC MOSFET 채택이 가속화되고 있다. 또 다른 어려움으로는 에피택시얼 성장(epitaxial growth), 팹(fab) 처리 및 패키징이 있지만, 비단 여기에만 국한되지 않는다. 각 개별 공급망 단계에는 매일같이 해결이 필요한 고유의 엔지니어링 도전과제가 따른다.

Q: 코로나19 팬데믹은 SiC의 원자재 공급과 제조업체들이 SiC MOSFET를 설계, 제조 및 공급하는데 어떠한 영향을 미쳤는가?

A: 코로나19 상황에서 모든 원자재 공급은 면밀히 모니터링되고 있다. 온세미컨덕터는 다수의 검증된 공급처를 두고 있기 때문에 공급의 연속성과 신속한 대응을 보장할 수 있다. 뿐만 아니라, 당사의 내·외부 여러 곳에서 제품을 인증하는 전문가 팀을 운영해 어떠한 지점에서도 SiC 제조가 중단되는 일이 없도록 만전을 기하고 있다.