KR100321849B1 - 전력반도체모듈용 응력완충전극단자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력반도체모듈용 응력완충전극단자에 관한 것으로서, 방열판(26), 케이스(20), 절연기판(30), 제 1,2,3전극단자(21)(22)(23)와, 열보상판(31)(33)과, 상기 열보상판(32)(33)의 상단에 접합되어 응력에 대응하여 좌우로 수축하거나 팽창하며 충격을 흡수할 수 있도록 원통형의 상부와 하부의 동일한 원주의 크기가 중심부로 향하면서 원주의 크기가 작도록 하여 응력 발생시 중심으로 응력이 집중되도록 하는 응력완충단자(50)를 연결함으로써, 전력반도체 모듈내부에 열팽창으로 응력이 발생하게 될 경우 응력완충단자가 상하직선 또는 좌우수평으로 팽창 및 수축하면서 응력을 중심부에 집중시켜 흡수함으로써 응력완충단자의 접합부를 보호하며 전력용 반도체 모듈의 원형을 보존함과 동시에 외부와 전기적인 신호를 원활하게 입력 또는 출력할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

Description

전력반도체모듈용 응력완충전극단자{stress shock-absorbing of pole terminal for electronic semiconductor module}
본 발명은 전력반도체모듈용 응력완충전극단자에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 각 전극단자에 응력완충단자를 장착하여 전력용 반도체 모듈의 내부 반도체 칩이 동작으로 열팽창시 각 부품들의 서로 다른 열팽창정도에 따라 뒤틀리거나 원형이 변경되더라도 반도체 칩과 전극단자 사이의 응력완충단자가 상하직선 또는 좌우 수평으로 팽창 및 수직하면서 충격과 응력을 흡수하기에 유리한 구조로 형성되어 전력용 반도체 모듈의 원형을 보존함과 동시에 외부와 전기적인 신호를 원활하게 입력 또는 출력할 수 있도록 하는 전력반도체모듈용 응력완충전극단자에 관한 것이다.
일반적으로 전력용 반도체소자는 다이오드(diode) 및 다이리스터(thyristor)등 스위칭 가능한 소자로 이루어져 있으며 이중에 고속스위칭을 하는 트랜지스터는 증폭기의 출력단, 직류 안정화 전원장치(시리즈 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터)등 겨우 수 10W~ 수 100W이하의 출력을 얻기 위해서 사용되었지만 최근에는 스위칭용 대용량소자(예를 들면 1,200V, 330A 등)의 출현에 따라서 수 100㎾급출력을 다루는 파워트랜 응용 제품이 출현되고 있으며 이 파워트랜은 저손실, 고속스위치 특성등의 우수한 특성에 의해서 전동기 구동용 인버터, 무정전 전원장치, 초퍼, DC-DC컨버터, 기타 고주파 응용 제품등을 주로 사용한 스위칭 용도의 광범위한 분야에 걸쳐서 다이리스터와 치환되고 또 독자적인 응용분야를 개발하고 있다.
이러한 종래의 전력용반도체모듈은 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 종래의 전력용반도체모듈의 단면구성도이다.
종래의 전력용 반도체 모듈은 내부의 열을 외부로 방출시키도록 하는 방열판(2)과, 상기 방열판(2) 상부에 일정공간을 형성하여 부품을 고정 및 지지할 수 있도록 하는 케이스(1)와, 상기 방열판(2) 상단부에 접합되어 외부로 전류가 흐르는 것을 방지하는 절연기판(3)과, 상기 절연기판(3) 상단에 외부로 길게 인출 형성되어 전기적인 신호를 처리하도록 하는 제 1전극단자(4)와, 상기 제 1전극단자(4) 하단부 상단에 접합되며 내부에 회로 패턴을 표면에 형성하는 반도체 칩(7)의 열이 외부로 전달될 수 있도록 하며 반도체 칩(7)의 열팽창을 완충하는 열보상판(6)과, 상기 열보상판(6)의 상단에 접합되어 응력에 대응하면서 원형을 보존할 수 있도록 다수회로 완만하게 절곡형성한 원형보존단자(8)와, 상기 원형보존단자(8)를 끝단에 솔더(solder)(12)로 접합하여 고정하고 상기 제 1전극단자(4)의 전류가 반도체 칩(7)을 거쳐 외부로 통전될 수 있도록 하는 제 3전극단자(11)로 이루어진 구성을 갖는다.
상기 반도체 칩(7)은 상부면과 하부면에 방출하는 열이 외부로 전달됨과 동시에 열팽창을부터 완충되도록 열보상판(6)을 접합하고 있으며, 상기 열보상판(6) 상부에는 제 1전극단자(4)를 연결하고, 하부에는 제 3전극단자(11)가 접합되며 상기 방열판(2)의 상부로 내부에 공간을 형성하는 케이스(1)를 갖는 구성으로 이루어진다.
또한 상기 방열판(2) 상단에 덮어 씌워지는 케이스(1) 내부에는 안착된 각 부품을 보호하고 고정하기 위하여 서로 다른 재질의 충진재(9)(10)를 이중으로 충진시키는 구성을 갖는다.
이와 같이 구성하는 종래의 전력용반도체모듈은 반도체 칩(7)이 외부의 전기적인 신호와 상호 교환할 수 있도록 전극단자(4)(5)(11)를 하나씩 반도체 칩(7)에 안착시켜 전기적신호를 처리할 수 있도록 하며, 특히 제 3전극단자(11)는 외부의 신호가 각각의 반도체 칩(7)을 거쳐 조합된 전기적인 신호가 발생할 수 있도록 접착하게 되는 것이다.
이때 전력용 반도체 모듈은 케이스(1) 내부에 겔, 실리콘등의 제 1,2충진재(9)(10)와 화학섬유재질인 케이스(1) 및 방열판(2)과 졀연기판(3)등 서로 다른 재질에 의한 상이한 열팽창을 가진 재료로 구성되어 있다.
이러한 전력용 반도체 모듈은 반도체 칩(7) 동작시 서로 다른 열팽률에 의한 각부품의 응력으로부터 부품을 보호하기 위해 반도체칩(7)과 각각의 전극단자(4)(5)(11) 사이에 완만하게 절곡형성된 'S'자 형태의 원형보존단자(8)를 접착함으로써 각 부품은 반도체 칩(7) 동작시 열팽창으로부터 응력에 의한 충격을 원형보존단자(8)가 복원력으로 충격을 흡수하고 있다.
한편, 종래의 전력용 반도체 모듈은 반도체 칩(7)을 중심으로 하부는 열을 전달할 수 있는 주요경로로서 응력을 완충하는 것보다는 재질의 특성을 이용하여응력이 완충될 수 있도록 한다. 그러나, 반도체 칩은 상부에 원형보존단자를 매개로 하여 전극단자가 연결되도록 하여 반도체 칩의 고열에 의한 응력으로 비틀림 또는 반발력이 완화될 수 있도록 하나 원형보존단자는 하부로부터 가열된 고열을 자체의 구부러진 전체에 확산하여 전달하게 되므로 원형보존부재가 더욱 가열하게 되어 열팽창을 가중시키게 되는 문제점을 가지고 있으며, 원형보존단자가 전극단자에 고정되기 위해 작업자는 전극단자의 일정위치에 일정크기의 작은 구멍을 형성시키고 이 작은 구멍의 아래에 원형보존부재를 끼운 후 그 위에 납땜하여 고정시켜야 된다.
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전력반도체모듈내에 안착하여 고정된 반도체 칩과 전극단자의 접합부에 상부와 하부가 연결되어 전류의 흐름이 원할함과 동시에 응력이 중심부에 집중되어 응력이 상하로 상호 전달되는 것을 최소로 할 수 있도록 하는 응력완충단자를 연결하여 반도체 모듈 내부에서 발생하는 열팽창에 의한 충격을 내부에서 흡수할 수 있도록 하는 데 있다.
도 1a는 종래의 전력반도체모듈의 단면 구성도이다.
도 1b는 도 1a의 부분 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충전극단자의 구성 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충단자의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충단자의 사시도이다.
도 3c본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충전극단자의 응력이 작용하는 상태의 사시도이다.
도 3d는 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충전극단자의 응력이 작용하는 상태의 사시도이다.
-도면의 주요부분에 대한 부호설명-
1,20;케이스 2,26;방열판
3,30;절연기판 4,21;제 1전극단자
5,23;제 2전극단자 6,31,33;열보상판
7,32;반도체 칩 8;원형보존단자
9,24;제 1충진재 10,25;제 2충진재
11,22;제 3전극단자 12;솔더
이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충전극단자의 구성 단면도이고, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충단자의단면도이며, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충단자의 사시도이고, 도 3c본 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충전극단자의 응력이 작용하는 상태의 사시도이며, 도 3d는 발명의 실시예에 따른 전력반도체모듈용 응력완충전극단자의 응력이 작용하는 상태의 사시도이다.
본 발명은 전력용 반도체모듈의 반도체 칩 동작시 열팽창에 의한 충격과 응력을 흡수할 수 있도록 하는 구조에 관한 것으로서, 도 2에서 보는 바와 같이 반도체 모듈 내부의 열을 외부로 방출하도록 하는 방열판(26)과, 상기 방열판(26) 상단에 접착되며 내부에 일정공간을 형성하여 부품을 안착시켜 고정 및 지지할 수 있도록 하는 케이스(20)와, 상기 방열판(20) 상단부에 각각 안착되어 외부로 전류가 흐르는 것을 방지하는 절연기판(30)과, 상기 절연기판(30) 상단에 접착되며 외부로 길게 인출형성되어 전기적인 신호를 처리하도록 하는 제 1전극단자(21)와, 상기 제 1전극단자(21) 하단부 상단에 접합되며 내부에 회로 패턴을 표면에 형성하는 반도체 칩(32)의 열이 외부로 전달되도록 하는 열보상판(31)(33)과, 상기 열보상판(31)(33)의 상단에 접합되어 응력에 대응하여 좌우로 수축하거나 팽창하며 충격을 흡수할 수 있도록 상하로 직선 이동하는 응력완충단자(50)와, 상기 응력완충단자(50)를 끝단에 접합하여 고정하고 상기 제 1전극단자(21)의 전류가 반도체 칩(32)을 거쳐 외부로 통전될 수 있도록 하는 제 3전극단자(22)로 이루어진 구성을 갖는다.
상기 반도체칩(32)은 상부면과 하부면에 열 방출 및 응력보상을 위한 열보상판(31)(33)을 접합하고 있으며 열보상판(31)(33) 상부에는 제 2전극단자(23)를 연결하고,하부에는 제 3전극단자(22)가 접합되며 상기 방열판(26) 및 접합된 전체를 포함하는 케이스(20)를 갖는 구성으로 이루어진다.
또한 상기 방열판(26) 상단에 덮어 씌워지는 케이스(20)내부에는 안착된 각 부품의 접합 상태가 원할하도록 서로 다른 재질의 충진재(24)(25)를 이중으로 충진시키는 구성을 갖는다.
상기 응력완충단자(50)는 첨부도면 도 2 내지 도 3a 및 도 3d에서 보는 바와 같이 응력이 중심부로 집중될 수 있도록 상부와 하부의 원주 크기가 크게 형성되어 중심부로 향하면서 원주의 크기가 작아지는 원통형의 형상이 일체 형성된 구성을 갖는다. 이러한 응력완충단자(50)는 응력에 의한 충격으로 수축 및 팽창을 반복하면서 원래의 상태를 그대로 유지할 수 있도록
또한 ,응력완충단자(50)는 상부에 전극단자를 하부에는 반도체 칩과 접착하여 연결될 수 있도록 상부 하부에 각각 접착부재(34)를 연결하여 고정시키는 구성을 갖는다.
또한, 응력완충단자(50)는 본 발명의 바람직한 실시예로 수축 및 팽창시 복원력으로 원형을 유지함과 동시에 전기전도율을 갖는 무산소고전도동(oxygen-free high-conductivity copper;O.F.H.C)을 사용하고 있으나, 이외의 전도성이 높은 금속재료를 사용할 수도 있다.
상기 무산소고정도동은 인, 아연, 규소, 칼슘, 리듐등의 탄산재나 산소를 함유하지 않는 것으로서, 무산화기권에서 정련, 주조된 전해동 의해 제조된 동(銅) 재질인 것을 기본 구성으로 한다.이러한 응력완충단자(50)는 응력에 의한 충격으로 수축 및 팽창을 반복하면서 원래의 상태를 그대로 유지할 수 있도록 다수의 원형 동심으로 형성된 무산소고전도동을 상부에서 하부로 일정 간격배치시켜 좌측과 우측으로부터의 응력에 대응할 수 있도록 하는 원형동심(51)과, 상기 원형동심(51)이 동시에 연결될 수 있도록 상하 수직방향으로 길게 형성된 동심을 외주면에 다수개를 일정간격으로 배치되는 수직동심(52)가 연결되는 구성을 갖는다.
이와 같이 구성하는 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전력용 반도체모듈의 반도체 칩 동작시 열팽창에 의한 충격과 응력을 흡수할 수 있도록 하는 구조에 관한 것으로서, 도 2 내지 도 3a 및 도 3d에서 보는 바와 같이 케이스(20) 내부공간에 다층으로 적층한 제 1,2충진재(24)(25)를 통해 지지 및 안착되는 반도체 칩(32)은 각각의 전극단자(21)(22)(23)로부터 외부의 전원과 입력신호가 입력되면 회로패턴에 의해 출력용 전극단자에 전기적인 신호를 출력하게 되는 것이다.
좀더 자세하게는 제 1 전극단자(21)와 제 3전극단자(22)에 외부의 전기적인 신호가 입력되면 제 1전극단자(21)는 아래의 반도체 칩(32)에 제 3전극단자(22)는 반도체 칩(32)에 전기적인 신호를 전달하여 제 2전극단자(23)를 통해 반도체 칩(32)의 동작시의 전기적인 신호를 출력하게 되는 것이다.
상기 각 반도체 칩(32)이 동작하게 될 경우, 상부와 하부에 각각 배치된 열보상판(31)(33)이 반도체 칩(32)의 내부 저항에 의해 발생하는 열 및 전류를 외부로 전달하고 열보상판(31)(33) 아래의 절연기판(30)이 반도체 칩(32)의 전류가 외부로 전류가 흐르지 못하도록 전류를 차단하게 된다.
한편, 반도체 칩(32)이 동작하면서 열을 방출하게 될 경우 서로 다른 재질의 각 부품(전극 단자, 열보상판, 절연기판, 케이스,방열판 등)이 고열에 의해 수축 또는 팽창하여 다른 부품을 자극시켜 뒤틀리면서 내부 부품에 충격을 가하게 되면이때, 응력완충단자(50)는 접합부(열보상판 상부)에 직접 충격력과 응력이 전달되지 않고 내부에서 흡수될 수 있도록 충격 및 응력 정도에 따라 상하로 직선 이동하거나 좌우로 수축 및 팽창하면서 흡수하게 되어 접합부에 응력이 최소로 인가하게된다.
상기 응력완충단자(50)는 반도체 칩(32)의 고열에 의해 발생하는 충격과 응력을 흡수함과 동시에 반도체 칩(32)의 전기적인 신호 전달이 원할하도록 탈산제나 산소를 함유하지 않은 무산소고정도동 재질을 사용하여 반도체 칩(32)의 고열에 의한 열팽창시 반도체 칩과 각 전극단자간의 서로 전기적인 신호가 원할하도록 함과 동시에 열응력 완충시키게 되는 것이다.
이러한, 응력완충단자(50)는 내부가 개구된 원형으로 형성된 원형동심(51)과 이 원형동심(51)을 일정한 간격으로 배치되면서 상부와 하부가 대칭되는 형상을 유지시킬 수 있도록 고정하는 수직동심(52)이 외부로부터 충격이 전달될 경우 상하로 직선으로 수축되면서 상부와 하부의 수축력에 의해 중앙부위는 좌우로 팽창하게 되어 수축력을 감쇄시켜 충격을 완화시키게 되는 것이다.
또한, 응력완충단자(50)는 반도체 칩(32)의 고열로부터 각 부품의 반발력에 의한 응력으로 뒤틀림이 발생하게 될 경우 상부와 하부에 각각 결합하고 있는 각 전극단자(21)(22)(23)와 반도체 칩(32)의 결합상태가 이완되지 않도록 상부와 하부가 서로 엇갈리는 방향으로 전, 후진되거나 수축 또는 팽창하게 되는데 특히 상하로 수축될 경우 눌림에 의해 응력완충단자(50)는 첨부도면 도 3c, 도 3d와 같이 일부 형태가 변형되면서 응력이 완충되는 것이다.
본 발명은 전력용 반도체 모듈의 내부 반도체 칩이 동작하여 열팽창할 경우 각 부품들의 서로 다른 열팽창정도에 따라 뒤틀리거나 원형이 변경되더라도 반도체칩과 전극단자 사이에 응력완충단자를 접합연결하고 이 응력완충단자가 상하직선 또는 좌우 수평으로 팽창 및 수직하면서 충격과 응력을 흡수할 수 있도록 하는 응력분포를 갖는 주조를 나타냄으로서 응력완충단자의 접합부를 보호하여 전력용 반도체 모듈의 원형을 보존함과 동시에 외부와 전기적인 신호를 원활하게 입력 또는 출력할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (2)

  1. (정정)저면에 외부로 열을 방출하는 방열판(26)과, 상기 방열판(26) 상단에 접착되며 내부에 일정공간을 형성하여 부품을 안착시켜 고정 및 지지할 수 있도록 하는 케이스(20)와, 상기 방열판(26) 상단부에 각각 안착되어 외부로 전류가 흐르는 것을 방지하는 절연기판(30)과, 상기 절연기판(30) 상단에 접착되며 외부로 길게 인출 형성되어 전기적인 신호를 처리하도록 하는 제 1전극단자(21)와, 상기 제 1전극단자(21) 하단부 상단에 접합되며 내부에 회로 패턴을 표면에 형성하는 반도체 칩(32)의 열 및 신호를 외부로 전달되도록 하는 열보상판(31)(33)과, 상기 제 1전극단자(21)의 전류가 반도체 칩(32)을 거쳐 외부로 통전될 수 있도록 하는 제 3전극단자(22)로 이루어진 전력반도체모듈에 있어서, 상기 열보상판(32)(33)의 상단에 접합되어 응력에 대응하여 좌우로 수축하거나 팽창하며 충격을 흡수하여 원형을 그대로 유지할 수 있도록 다수의 원형 동심을 상부에서 하부로 일정 간격배치시켜 좌측과 우측으로부터의 응력에 대응할 수 있도록 하는 원형동심(51)과, 상기 원형동심(51)이 동시에 연결될 수 있도록 상하 수직방향으로 길게 형성된 동심을 외주면에 다수개를 일정간격으로 배치되는 수직동심(52)를 갖는 응력완충단자(50)가 연결되어 이루어진 전력반도체모듈용 응력완충전극단자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 응력완충단자(50)는 수축 및 팽창시 복원력으로 원형을 유지함과 동시에 전기전도율을 갖는 무산소고전도동의 재질로 이루어진 전력반도체모듈용 응력완충전극단자.
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