[뮌헨(독일)=디지털투데이 석대건 기자] PCB(인쇄회로기판)에 파워반도체를 직접 내장하는 임베딩 기술이 효율성과 비용 절감의 새로운 돌파구로 제시됐다. 슈바이처일렉트로닉은 'p²Pack' 기술은 실리콘카바이드(SiC) 면적을 40% 줄이면서도 전력밀도는 190%까지 높일 수 있는 기술 성과를 공개했다.

18일(현지시간) 독일 뮌헨에서 열린 프로덕트로니카 2025 내 이노베이션 포럼에서 슈바이처일렉트로닉의 토마스 고트발트 CTO는 PCB(인쇄회로기판)에 파워반도체를 직접 내장하는 'p²Pack' 기술 성과를 공개했다. 이날 고트발트 CTO는 실리콘카바이드(SiC) 면적을 40% 줄이면서도 전력밀도는 기존 대비 190%까지 높인 사례를 전했다.

그동안 SiC는 전력반도체의 핵심 소재지만 가격이 비싸 면적 축소가 산업계의 과제였다. 이번 기술은 AI 데이터센터와 전기차 시장이 폭발적으로 성장하는 시점에서 제조업계가 찾던 해법을 제시한 것으로 평가된다.

고트발트 CTO는 "기존 파워모듈에서 SiC 부품의 최대 전력밀도가 3.7A/㎟였는데, 임베딩 방식으로 5.3A/㎟까지 달성했다"며 "동일한 출력에 필요한 고가의 SiC 면적을 대폭 줄여 총소유비용(TCO)을 절감할 수 있다"고 설명했다. 

임베딩 기술은 극초저 인덕턴스 구현을 통해 실현됐다. 기존 파워모듈의 인덕턴스가 8nH(나노헨리) 수준이었다면, 임베딩 방식은 1~2nH, 최저 0.74nH까지 측정됐다. 고트발트 CTO에 따르면, 버지니아텍 대학과 공동 연구에서 측정한 0.74nH는 현재까지 보고된 최저치다. 인덕턴스가 낮을수록 스위칭 속도가 빨라지고 전력 손실이 줄어든다.

스위칭 손실 저감 효과는 3배 이상으로 나타났다. 기존 파워모듈에서 SiC 부품을 끌 때 스위치당 2.6mJ(밀리줄)의 손실이 발생했는데, 임베딩 기술로는 0.86mJ로 감소했다. 고트발트 CTO는 "65%의 전력 손실을 절감할 수 있다"며 "게이트 저항을 4옴으로 낮추면 더 빠른 스위칭도 가능하다"고 밝혔다. 28V/ns의 스위칭 속도에서도 과전압이 50V 미만으로 안정적이었다는 설명이다.

◆자동차 부품사 마그나, 전기차 효율 95%까지 끌어올려

글로벌 자동차 부품기업 마그나는 해당 p²Pack 기술을 전기차 구동 인버터에 적용해 성공적인 결과를 얻었다. 기존 플랫폼에서는 시속 45~110km 구간의 낮은 토크에서만 93% 효율을 달성했다. 

반면 임베딩 기술 적용 후에는 시속 30~200km 전 구간으로 고효율 영역이 확대됐다. 토크도 800Nm까지 높아졌다. 고트발트 CTO는 "특히 95% 효율 구간이 새로 생겨났다"며 "전체 시스템 효율이 2%포인트 이상 개선된 것"이라고 강조했다.

슈바이처일렉트로닉은 이미 250만개 이상의 p²Pack 출하를 마친 상황이다. 이는 3000만개 이상의 파워반도체가 도로 위 차량에서 작동 중인 셈이다. 고트발트 CTO는 "2023년부터 양산을 시작했고, 2024년부터는 중국 진탄의 합작공장도 가동했다"고 말했다.

신뢰성 면에서도 기존 파워모듈 대비 10배 향상을 입증했다. 본드와이어를 사용하지 않고 레이저 드릴링으로 만든 구리 충전 블라인드 비아로 연결하기 때문이다. 본드와이어 리프트는 파워모듈의 대표적 고장 원인이었다. AEC-Q101과 AQG-324 규격에 따른 4단계 검증도 완료했다. 고트발트 CTO는 "파워반도체 자체 검증부터 임베디드 컴포넌트, PCB 통합, 모듈 전체 검증까지 체계적으로 진행했다"고 설명했다.

차세대 기술 로드맵도 구체화됐다. 2세대 제품은 48V와 800V 고전압 시스템용 절연 기술을 적용한다. 기존 1세대가 방열판과 PCB 사이에 열전달물질(TIM)로 절연했다면, 2세대는 PCB 자체에 절연층을 내장한다. 2026년 중반 양산이 목표다.

이후 3세대는 세라믹 리드프레임을 채용해 절연성과 열전도성을 동시에 높인다. 고트발트 CTO는 "세라믹 기판 기술로 0.1K/W 이하의 열저항을 달성할 수 있다"고 전망했다.

실제로 엔비디아가 독일에 AI 클라우드를 구축하고, EU가 430억유로를 반도체에 투자하는 상황에서 파워반도체 효율 개선은 핵심 과제다. 프로덕트로니카 관계자는 "AI와 전기차 시대에 파워반도체 효율이 산업 경쟁력을 좌우한다"며 "이번에 소개된 임베딩 기술은 제조업의 패러다임을 바꿀 혁신"이라고 평가했다. 

고트발트 CTO는 "이 기술은 구동 인버터뿐 아니라 고밀도, 고효율, 고신뢰성이 요구되는 모든 전력변환 장치에 적용 가능하다"고 강조했다.