KR101081724B1 - 아크방전장치 - Google Patents

Abstract

<과제> 아크방전장치에 구비된 소형 경량의 전력용 반도체모듈 내에 보다 많은 반도체소자를 내장한다.
<해결 수단> 아크방전장치의 전원장치가 반도체모듈(1) 및 반도체모듈(1)에 장착되는 방열기(放熱器)로 이루어진다. 반도체모듈(1)은 모듈케이스(2)와 모듈케이스(2)에 의해서 유지되는 공통유니트(3a ~ 3c)로 이루어진다. 공통유니트(3a ~ 3c)는 반도체소자(54)가 배치된 회로면 및 그 반대 측의 방열면을 가지는 세라믹기판(50)과, 상기 방열면을 노출시켜 회로면을 내열성수지(耐熱性樹脂)에 의해서 봉지(封止)하는 패키지(35)를 가진다. 방전기는 모듈케이스(2)에 장착되는 것에 의해, 공통유니트(3a ~ 3c)의 모든 방열면에 맞닿는다. 이와 같은 구성에 의해, 소형 경량의 전력용 반도체모듈 내에 많은 반도체소자를 내장할 수 있다.

Description

아크방전장치 {ARC DISCHARGE DEVICE}

본 발명은 아크방전장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 컨버터, 인버터 등의 전력변환장치에 사용되는 반도체모듈이 적용된 아크방전장치에 관한 것이다.

전력변환장치에 사용되는 반도체소자를 수지(樹脂)로 봉지(封止)하여 모듈화한 장치가 반도체모듈로서 알려져 있다. 이런 종류의 반도체모듈은 세라믹기판의 칩(chip)배치면이 수지로 봉지됨과 동시에, 상기 세라믹기판의 이면(裏面)으로부터 방열(放熱)을 행하고 있다. 이 때문에, 세라믹기판과 수지와의 열팽창율의 차이에 기인하여, 수지의 성형수축이나 가동시의 열사이클에 의해서 기판의 휘어짐이 발생하면, 방열효율의 저하나 반도체칩의 박리의 원인이 된다.

이 때문에, 일반적인 반도체모듈에서는 반도체칩을 포함한 칩부품이 납땜된 세라믹기판이 동(Cu)이나 철(Fe) 등의 두꺼운 금속판상에 히트 스프레더(heat spreader)나 절연시트를 통하여 접착되어 있다. 또, 상기 세라믹기판의 칩탑재면을 둘러싸는 케이스가 장착되고, 당해 케이스 내에 실리콘 겔(gel) 등을 주입하여 칩부품을 보호한 후, 다시 수지가 충전되어 있다.

그렇지만, 칩부품을 보호하기 위해서 실리콘 겔을 이용한 경우, 케이스의 틈새 등에서 비집고 들어가는 습기가 칩부품에 악영향을 미치는 일이 있다. 또, 칩부품간의 전기적인 접속은 와이어 본딩이나, 리드 프레임의 납땜이나 초음파 접합에 의해서 행해지고 있지만, 이 접합부가 열 등에 의해서 열화(劣化)한 경우, 보호재로서 실리콘 겔을 이용하고 있으면, 와이어나 리드 프레임 등을 확실히 고정해 두는 것은 곤란했다.

그래서, 실리콘 겔 등의 보호재를 이용하지 않고, 세라믹기판의 칩탑재면에 직접 수지를 충전하는 반도체모듈도 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 특허문헌 1에는 금속판상에 세라믹기판을 접합하여 모듈기판을 형성하고, 이 모듈기판상에 반도체칩을 실장(實裝)한 후, 외위(外圍)케이스, 프레임체(體) 및 모듈기판으로 둘러싸인 공간에 수지를 주입하고 있다. 이 외위케이스가 충분한 강성을 가지면, 봉지수지를 경화시킬 때의 성형수축에 의한 응력을 모듈기판 및 프레임체에 분산시켜 모듈기판의 휘어짐을 방지하고, 내(耐)온도 사이클성을 향상시킬 수 있다.

[특허문헌 1] 일본국 특개평9-237869호 공보

종래의 반도체모듈은 1개의 반도체모듈 내에 많은 반도체소자를 봉입(封入)할 수 없고, 유저(user) 자신이 복수의 반도체모듈을 접속하는 것에 의해, 소망의 전력변환장치를 실현하고 있다. 예를 들면, 다이오드 및 사이리스터(thyristor)의 직렬회로로 이루어진 반도체모듈을 3개 사용하는 것에 의해, 삼상(三相)교류 브릿지(bridge)를 실현하고 있다. 이 때문에, 유저는 복수의 반도체모듈을 보관하고 운반해야 해서, 그 취급이 번잡했다. 또, 복수의 반도체모듈로 구성되기 때문에, 전력변환장치의 소형화 및 경량화에는 한계가 있었다. 그래서, 동일한 세라믹기판상에 보다 많은 반도체소자를 배치하는 것에 의해, 전력변환장치를 소형화, 경량화하는 것을 고려할 수 있다.

그렇지만, 이와 같은 반도체모듈을 실현하고자 하면, 세라믹기판이 대형화하고, 또, 그에 수반하여 대량의 수지를 봉입할 필요가 있다. 이 때문에, 세라믹기판의 휘어짐이 더욱 현저하게 되어, 방열효율이 현저하게 저하해 버린다고 하는 문제가 발생한다. 또, 세라믹기판의 대형화에 의해서, 세라믹기판의 칩배치면 내에서의 온도차도 현저하게 된다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 대량의 수지를 봉입하는 것에 의해, 반도체모듈 전체의 중량이 증대한다고 하는 문제가 발생한다. 이 때문에 반도체모듈을 이용한 전력변환장치의 소형화, 경량화는 용이하지 않았다.

또, 반도체모듈은 세라믹기판을 금속판에 접착하는 것에 의해, 세라믹기판의 휘어짐을 방지하여 양호한 방열특성을 확보하고 있다. 그렇지만, 세라믹기판의 휘어짐을 방지하기 위해서는 두꺼운 금속판을 사용할 필요가 있기 때문에, 반도체모듈의 총중량에 차지하는 금속판의 비율이 크고, 반도체모듈을 경량화하는 것은 용이하지 않았다.

또한, 교류전원용의 반도체모듈에는 단상(單相)용으로부터 삼상용까지 있고, 각각의 용도에 따라 다른 반도체모듈을 생산한다고 하면, 품질 및 완성품의 관리를 개별적으로 실시할 필요가 있어, 제조비용을 증대시켜 버린다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종래의 전력용 반도체모듈에 비해, 더욱 많은 반도체소자를 내장하는 소형 경량의 전력용 반도체모듈이 적용된 아크방전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 전력변환장치의 소형화, 경량화를 실현하기 위한 전력용 반도체모듈이 적용된 아크방전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 이와 같은 전력용 반도체모듈이 적용된 아크방전장치를 염가로 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1 본 발명에 의한 아크방전장치는, 아크방전을 위해서 공급되는 교류전원의 주파수를 가변(可變)변환하는 전원장치를 구비한 아크방전장치로서, 상기 전원장치가 전력용 반도체모듈 및 상기 전력용 반도체모듈에 장착되는 방열기를 구비하고, 상기 전력용 반도체모듈이 모듈케이스와, 상기 모듈케이스에 의해서 유지되는 2이상의 공통유니트를 구비하며, 상기 공통유니트가 반도체소자가 배치된 회로면 및 상기 회로면에 대향하는 방열면을 가지는 세라믹기판과, 상기 방열면을 노출시킴과 동시에 상기 회로면을 내열성 수지에 의해 봉지하여 형성되는 패키지를 가지고, 상기 방전기가 상기 모듈케이스에 장착되는 것에 의해, 상기 2이상의 공통유니트의 모든 상기 방열면에 맞닿도록 구성된다.

이와 같이 하여, 전력용 반도체모듈을 복수의 공통유니트로 분할하면, 전력용 반도체모듈 내에서 사용되는 세라믹기판을 소형화하고, 또, 전력용 반도체모듈 내에서 사용되는 봉지수지의 양을 큰 폭으로 저감시킬 수 있다. 따라서, 각 반도체소자에 대해 양호한 방열경로를 확보하면서, 소형 경량의 전력용 반도체모듈 내에 보다 많은 반도체소자를 내장하는 것이 가능하게 된다.

또, 수지봉지에 의한 방열효과가 각 공통유니트에 대해 거의 균일하게 얻을 수 있기 때문에, 열의 영향에 의해서 일부의 반도체소자만이 현저하게 열화하지 않아 전력용 반도체모듈 전체의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 일부의 반도체소자가 열화한 경우라도 공통유니트마다 교환할 수 있어, 예비로서 전력용 반도체모듈 전체를 보관해 둘 필요가 없다.

또한, 모듈케이스에 대해서 방열기를 장착하면 되며, 복수의 공통유니트 각각에 대해서 방열기를 장착하는 경우에 비해, 방열기의 착탈작업이 용이하게 된다.

본 발명에 의하면, 소형 경량의 전력용 반도체모듈 내에 종래의 전력용 반도체모듈에 비해 더욱 많은 반도체소자를 내장할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 전력용 반도체모듈을 이용하면, 아크방전장치의 전력변환장치를 소형화, 경량화할 수 있다. 또, 전력용 반도체모듈 내에 복수의 공통유니트를 내장하는 것에 의해, 염가로 제공할 수 있다. 이와 같이 구성된 전력용 반도체모듈은 열사이클이 빈번히 반복되어 온도가 변화하는 것에 의해 전력용 반도체모듈의 열화가 염려되는 아크방전장치에 이용하면 그 효과가 현저하다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 반도체모듈(1)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 반도체모듈(1)의 상면이 나타내어져 있다.
도 2는 반도체모듈(1)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 반도체모듈(1)의 하면이 나타내어져 있다.
도 3은 도 1의 반도체모듈(1)의 조립시의 태양을 나타낸 전개사시도이다.
도 4는 공통유니트(3) 내부의 일구성예를 나타낸 도이다.
도 5는 도 4의 세라믹기판(50)을 하면 측에서 본 도이다.
도 6은 수지봉지 후의 공통유니트(3)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 공통유니트(3)의 상면 및 하면이 나타내어져 있다.
도 7은 수지봉지 후의 공통유니트(3)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 공통유니트(3)의 각 측면이 나타내어져 있다.
도 8은 모듈케이스(2)로의 수용 전의 공통유니트(3)의 일구성예를 나타낸 외관도이다.
도 9는 도 1의 모듈본체(20)만을 나타낸 외관도로서, 모듈본체(20)의 상면이 나타내어져 있다.
도 10은 도 1의 모듈본체(20)만을 나타낸 외관도로서, 모듈본체(20)의 하면이 나타내어져 있다.
도 11은 도 10의 A-A절단선에 의해서, 방열기(9)가 장착된 반도체모듈(1)을 절단했을 때의 단면도이다.
도 12는 세라믹기판(50)에 휘어짐이 생긴 경우의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 13은 본 실시형태의 반도체모듈(1)을 아크방전장치에 적용한 경우의 일구성예를 나타낸 블럭도로서, 아크방전장치의 일례로서 아크용접기(100)를 나타내고 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 반도체모듈(1)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 도 1에는 상면, 도 2에는 하면이 나타내어져 있다. 또, 도 3은 반도체모듈(1)의 조립시에서의 태양을 나타낸 전개사시도이다.

이 반도체모듈(1)은 사이리스터, 다이오드, 바이폴러(bipolar) 트랜지스터 등의 반도체소자를 이용하여, 교류전력 및 직류전력의 변환을 행하기 위한 전력용 반도체모듈이다. 본 실시형태에서는 이와 같은 전력용 반도체모듈의 일례로서, 3개의 사이리스터 및 3개의 다이오드를 이용하여 브릿지회로를 실현하기 위한 모듈에 대해 설명한다. 이와 같은 브릿지회로는 삼상교류전원을 전파정류(全波整流)하여 직류전원으로 변환하는 삼상교류 변환기에 널리 이용되고 있다.

반도체모듈(1)은 모듈케이스(2) 내에 3개의 공통유니트(3(3a ~ 3c))와, 2개의 금속판(4(4m 및 4n))을 수용하여 구성된다. 공통유니트(3)는 모두 사이리스터 및 다이오드의 직렬회로를 내장하는 동일한 구성의 유니트이며, 서로 바꿔 넣어 사용할 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 3개의 공통유니트의 서로 대응하는 구성부분에 대해서는 공통의 부호를 붙임과 동시에, 특정의 공통유니트의 구성부분을 가리키는 경우에는, 상기 부호에 a ~ c를 붙이는 것으로 한다.

모듈케이스(2)는 얇은 대략 상자형으로 형성된 수지제의 모듈본체(20)와, 대략 직사각형의 판상체로 형성된 수지제의 모듈덮개(21)로 이루어진다. 모듈본체(20)는 그 내부에 3개의 공통유니트(3) 및 2매의 금속판(4)을 수용하고, 또, 상면 전체를 개구시킨 상면개구부(22)와, 하면의 일부를 개구시킨 3개의 하면개구부(23(23a ~ 23c))를 가지고 있다. 상면개구부(22)는 조립 후에 모듈덮개(21)에 의해서 덮이는 조립용 개구이고, 하면개구부(23a ~ 23c)는 각 공통유니트(3a ~ 3c)의 방열면을 각각 노출시키는 방열용 개구이다.

모듈케이스(2)의 하면은 방열기(9)와 회합(會合)시키는 방열기 장착면이다. 방열기(9)는 반도체모듈(1)이 조립되는 장치의 금속케이스나, 방열핀 등이며, 모듈케이스(2)의 네 모퉁이에 형성된 장착구멍(24)을 이용하여 모듈케이스(2)에 장착된다. 공통유니트(3a ~ 3c)의 방열면은 방열기 장착면에 형성된 하면개구부(23a ~ 23c)로부터 약간 돌출하고 있고, 모듈케이스(2)에 방열기를 장착하는 것에 의해서, 공통유니트(3a ~ 3c)의 방열면을 방열기(9)에 밀착시킬 수 있다.

한편, 모듈케이스(2)의 상면은 외부배선을 접속하기 위한 단자가 형성되어 있는 단자면이고, 3개의 외부단자(30(30a ~ 30c))와, 3조(組)의 제어단자(33(33a ~ 33c) 및 34(34a ~ 34c))와, 외부공통단자(41 및 42)가 배치되어 있다.

외부단자(30)는 공통유니트(3)의 단자이고, 3개의 외부단자(30a ~ 30c)가 모듈덮개(21)의 한 변을 따라서 등간격으로 배치되어 있다. 이 외부단자(30a ~ 30c)는 모듈케이스(2)의 상면에서 모듈본체(20) 및 모듈덮개(21)의 틈새로부터 인출되며, 모듈케이스(2)의 상면에 평행하게 되도록 절곡된 금속판이고, 모듈본체(20)를 따라서 외측으로 향하여 연장하며, 그 선단부에는 체결구멍(300)이 형성되어 있다.

이 체결구멍(300)에 대향하는 모듈본체(20)의 상면에는 금속제의 너트를 회전하지 않도록 수용하는 너트수용부(200)가 형성되어 있고, 체결구멍(300)에 삽입하여 통과시킨 나사와 상기 너트를 체결시키는 것에 의해서, 상기 나사 및 너트 사이에 끼워 넣은 외부단자(30) 및 외부배선을 전기적으로 도통(導通)시킬 수 있다. 또한, 상기 너트는 너트수용부(200) 내에서 고착되어 있지 않아도 너트수용부(200)의 개구가 너트의 수용 후에 절곡된 외부단자(30)에 의해서 덮여 있기 때문에, 공통유니트(3)를 제거하지 않으면, 나사와의 비체결시라도 너트수용부(200)로부터 너트가 탈락되지 않는다.

외부공통단자(41)는 각 공통유니트(3a ~ 3c)의 공통단자(31)를 모듈케이스(2) 내에서 서로 도통시키는 금속판(4m)의 일부를 모듈케이스(2)로부터 인출한 단자이며, 외부단자(30a ~ 30c)를 배열시킨 변에 인접하는 모듈덮개(21)의 변 위에 배치되어 있다. 이 외부공통단자(41)는 외부단자(30)와 마찬가지로, 모듈케이스(2)의 상면에서 모듈본체(20) 및 모듈덮개(21)의 틈새로부터 인출되고, 모듈본체(20)를 따라서 외측으로 향하여 연장하며, 그 선단부에는 체결구멍(400)이 형성되어 있다. 이 체결구멍(400)에 대향하는 모듈본체(20)의 상면에는 금속제의 너트가 회전하지 않도록 수용하는 너트수용부(201)가 형성되어 있고, 체결구멍(400)에 삽입하여 통과시킨 나사와 상기 너트를 체결시키는 것에 의해서, 상기 나사 및 너트 사이에 끼워 넣은 외부공통단자(41) 및 외부배선을 전기적으로 도통시킬 수 있다. 또한, 상기 너트는 너트수용부(201) 내에서 고착되어 있지 않아도 너트수용부(201)의 개구는 너트의 수용 후에 배치되는 외부공통단자(41)에 의해서 덮이기 때문에, 금속판(4m)을 제거하지 않으면, 나사와의 비체결시라도 너트수용부(201)로부터 너트가 탈락하지 않는다.

외부공통단자(42)는 각 공통유니트(3a ~ 3c)의 공통단자(32)를 모듈케이스(2) 내에서 서로 도통시키는 금속판(4n)의 일부를 모듈케이스(2)로부터 인출한 단자이다. 그 외의 구성은 외부공통단자(41)와 완전히 동일하다.

제어단자(33 및 34)는 공통유니트(3(3a ~ 3c))의 단자이며, 3조의 제어단자(33a ~ 33c 및 34a ~ 34c)는 외부단자(30)가 배열된 변과는 반대 측의 모듈덮개(21)의 한 변을 따라서 배치되어 있다. 제어단자(33 및 34)는 위로 향하여 연장하는 단면이 대략 직사각형의 핀모양의 단자이고, 모듈덮개(21)의 가이드구멍(210)을 통과하여 모듈케이스(2) 밖으로 인출되어 있다.

다음으로, 도 3을 이용하여 반도체모듈(1)의 조립방법의 일례에 대해 설명한다. 공통유니트(3)는 하면개구부(23)로부터 모듈본체(20) 내에 조립되고, 가장 안쪽까지 삽입된 상태에서 그 외부단자(30)가 외측으로 절곡된다. 이와 같게 하여 3개의 공통유니트(3a ~ 3c)를 장착하면, 서로의 긴 변이 일정 거리의 공간을 벌려 대향하도록 각 공통유니트(3a ~ 3c)를 정렬 배치시켜 모듈본체(20) 내에 수납할 수 있다.

금속판(4m 및 4n)은 상면개구부(22)로부터 모듈본체(20) 내에 조립된다. 금속판(4m 및 4n)은 각각이 공통유니트(3a ~ 3c)의 모두를 횡단하도록 공통유니트(3)의 길이방향과 교차시켜 배치된다. 또, 금속판(4m)에는 3개의 체결구멍(401a ~ 401c)이 형성되어 있고, 나사를 이용하여 모든 공통유니트(3)의 공통단자(31)와 체결되어 전기적으로 도통된다. 이와 같이 하여, 금속판(4n)에는 3개의 체결구멍(402a ~ 402c)이 형성되어 있고, 나사를 이용하여 모든 공통유니트(3)의 공통단자(32)와 체결되어 전기적으로 도통된다. 그 후, 모듈덮개(21)에 의해, 상면개구부(22)를 폐쇄하면, 반도체모듈(1)의 조립이 완료된다.

도 4는 공통유니트(3) 내부의 일구성예를 나타낸 도로서, 도면 중 (b)는 (a)에 나타낸 B의 방향에서 본 도이다. 세라믹기판(50)의 상면은 반도체소자(54)나 단자(30 ~ 34) 등이 배치되어 있고, 이들을 전기적으로 접속하기 위한 회로면으로서 사용되며, 그 하면은 방열기(9)의 전열면(傳熱面)에 밀착시키는 방열면으로서 사용된다.

이 세라믹기판(50)은 그 양면에 금속층(51 및 52)이 형성된 회로기판으로, 예를 들면, DBC(Direct Bonding Copper)법에 따라 동(Cu)의 박판이 고착되어 있다. 회로면 측의 금속층(52)은 포토 리소그래피 기술을 이용하여 패터닝 되어 배선으로서 사용된다. 또, 방열면 측에도 금속층(51)을 형성하는 것에 의해, 세라믹기판(50)의 양면에 대해서 열팽창특성을 균일하게 하여 세라믹기판(50)의 휘어짐을 억제하고 있다.

반도체소자(54)은 납땜층(53)을 개재시켜 금속층(52)상에 배치되어 있다. 여기에서는 반도체소자(54)으로서 직렬 접속된 사이리스터 및 다이오드가 배치되어 있는 것으로 한다. 또, 도면 중에서는 생략하고 있지만, 그 외의 전자부품, 예를 들면 칩저항 등도 필요에 따라서 배치되어 있다. 또한, 각 단자(30 ~ 34)도 납땜층(53)을 개재시켜 금속층(52)상에 배치되거나, 혹은, 반도체소자상에 배치되어 있다. 이러한 전자부품 및 각 단자(30 ~ 34)의 사이는 필요에 따라서 금속층(52)의 패턴, 본딩와이어 또는 리드 프레임을 이용하여 전기적으로 접속되어 있다. 또, 각 단자(30 ~ 34)는 수지 몰딩시에 2개의 금형 사이에 끼워지기 때문에, 세라믹기판(50)으로부터의 높이가 동일하게 되는 위치에서 세라믹기판(50)에 평행하게 되도록 절곡되어 있다.

도 5는 도 4의 세라믹기판(50)을 하면 측에서 본 도이다. 세라믹기판(50)의 하면에 형성된 금속층(51)은 직사각형 형상의 넓은 면적으로 이루어진 방열패턴(510)과, 방열패턴(510)을 둘러싸는 가늘고 긴 외주패턴(511)으로 구성되며, 방열패턴(510)과 외주패턴(511)과의 사이에는 금속층(51)이 형성되지 않는 완충패턴(512)이 형성되어 있다. 즉, 완충패턴(512)은 외주패턴(511)의 내측에서 방열패턴(510)을 둘러싸는 가늘고 긴 홈부, 예를 들면, 일정 폭의 홈부로서 형성되어 있다. 이와 같은 패턴의 형성에는, 예를 들면 포토 리소그래피 기술을 이용할 수 있다.

이와 같은 구성에 의해, 방열면 측의 금속층(52)의 주연부(周緣部)를 따라서 연장하는 홈부로서의 완충패턴(512)에 대해서, 그 내측에 방열패턴(510)이 내측 패턴으로서 형성됨과 동시에, 그 외측에 외주패턴(511)이 외측 패턴으로서 형성된다.

또한, 이 예에서는 외주패턴(511)이 완충패턴(512)을 사이에 두고 방열패턴(510)의 외주를 둘러싸도록 방열면 측의 금속층(52)의 주연부를 따라서 환상의 완충패턴(512)이 형성된 구성이 나타내어져 있지만, 이와 같은 구성에 한정하지 않고, 완충패턴(512)이 상기 금속층(52)의 주연부의 일부에만 형성된 것 같은 구성이라도 된다. 이 경우, 직사각형 형상의 금속층(51)의 적어도 1변을 따라서 홈부가 형성되도록 하는 구성이면 되고, 금속층(51)이 장방형(長方形) 모양인 경우에는 서로 대향하는 1쌍의 긴 변 또는 1쌍의 짧은 변 중 어느 한쪽을 따라서 홈부가 형성된 구성이라도 된다.

회로가 형성된 세라믹기판(50)은 세라믹기판(50)의 금속층(51)과, 각 단자(30 ~ 34)의 선단 측만을 남기고 수지에 의해 봉지(封止)된다. 예를 들면, 열경화성의 에폭시 수지를 이용한 RTM(Resin Transfer Molding)법에 따라 봉지된다. 이와 같은 수지몰딩처리에 의해서, 금속층(51)을 노출시키고, 단자(30 ~ 34)를 돌출시킨 패키지(35)가 형성된다. 이 수지몰딩처리는 금속층(51)의 표면에 수지가 흘러들지 않도록 세라믹기판(50)의 하면을 평탄한 금형 내면에 밀착시켜 행해진다. 또, 미리 완충패턴(512)이 형성되어 있기 때문에, 금속층(51) 위로 돌아 들어가 외주패턴(511)을 넘는 수지가 있었다고 하여도, 소량이면 홈부로서 완충패턴(512)에 흡수되어 당해 수지가 방열패턴(510) 위에는 퍼지지 않는다. 이 때문에, 방열패턴(510) 표면으로의 수지의 부착에 의해서 방열효율이 저하하는 것을 방지할 수 있다.

특히, 본 실시형태에서는 외주패턴(511)이 완충패턴(512)을 사이에 두고 방열패턴(510)의 외주를 둘러싸고 있으므로, 외주패턴(511)의 어느 부분으로부터 수지가 돌아 들어간 경우에 있어서도 그 수지를 완충패턴(512)에 양호하게 흡수시킬 수 있다. 따라서, 방열패턴(510) 표면으로의 수지의 부착에 의해서 방열효율이 저하하는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

도 6 및 도 7은 수지봉지 후의 공통유니트(3)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 도 6의 (a)에는 상면, (b)에는 하면이 나타내어져 있다. 또, 도 7의 (a)에는 공통단자(31 및 32) 측에서 본 측면, (b)에는 외부단자(30) 측에서 본 측면, (c)에는 제어단자(33, 34) 측에서 본 측면이 각각 나타내어져 있다.

도 8은 모듈케이스(2)로의 수용 전의 공통유니트(3)의 일구성예를 나타낸 외관도로서, 각 단자(30 ~ 34)가 절곡된 상태가 나타내어져 있다. 또한, 도면 중 (a)에는 상면, (b)에는 공통단자(31 및 32) 측에서 본 측면이 나타내어져 있다. 외부단자(30) 및 제어단자(33, 34)는 직각으로 절곡되어 위를 향하고, 공통단자(31 및 32)는 약 180°의 각도로 절곡되며, 패키지(35) 중앙의 상면을 따라서 연장하고 있다.

수지봉지 후의 각 단자(30 ~ 34)는 모두 위쪽 방향으로 열려 있는 단차부의 곡선(谷線), 도시한 예에서는, 상면 및 측면에 의해서 형성되는 패키지(35)상의 오목부의 최심부(最深部)로부터 패키지(35) 밖으로 노출하고, 패키지(35)의 상면을 따라서 외측으로 연장하고 있다. 이러한 단자(30 ~ 34)의 선단에 위쪽 방향의 힘을 더하여, 단자(30 ~ 34)를 상기 곡선 부근에서 절곡하면, 도 8에 나타낸 형상이 된다. 이 경우, 각 단자(30 ~ 34)의 굴곡부의 아래쪽에는 외측으로 연장하는 패키지의 상면(320 ~ 323)이 형성되고 있어 이들의 면이 절연벽으로서 기능한다. 즉, 단자(30 ~ 34)를 패키지(35)의 단부보다 후퇴시킨 위치에서 절곡하는 것에 의해서, 단자(30 ~ 34)의 아래쪽에 패키지의 돌출부(320 ~ 323)가 형성되어, 방열기(9)로부터 단자(30 ~ 34)까지의 연면(沿面) 거리를 길게 할 수 있으므로, 절연성을 향상시킬 수 있다.

여기서, 도 6의 (a)에서 해칭으로 표시한 각 단자(30 ~ 34)의 근원부는 그 상면만을 노출시킨 상태로 패키지의 상면(320 ~ 323)에 매립되어 형성되어 있다. 이와 같은 구성은 패키지의 상면(320 ~ 323)을 형성하는 금형 내면에 각 단자(30 ~ 34)를 밀착시켜 수지몰딩처리를 실시하면 실현할 수 있다.

단자(30 ~ 34)를 절곡할 때, 단자(30 ~ 34)와 상면(320 ~ 323)을 용이하게 분리할 수 없었다고 하면, 패키지(35)에 균열이 생기거나, 혹은, 단자(30 ~ 34)가 곡선보다 외측에서 절곡되어 공통유니트(3)의 품질 저하를 초래한다. 이 때문에, 단자(30 ~ 34)의 단면을 상면(310 ~ 313)으로부터 벗겨지기 쉬운 형상, 즉, 하측으로 향할수록 폭이 좁아지는 형상으로 하고 있다. 구체적으로는, 단자(30 ~ 34)의 측면에 테이퍼를 형성하여 단자(30 ~ 34)의 단면을 위쪽 방향으로 향할수록 넓어지는 사다리꼴 형상으로 하고 있다. 삼각형이나 반원형 등과 같이 단면의 폭이 위쪽 방향으로 향할수록 넓어져 있는 형상이면, 사다리꼴 이외라도 된다. 또, 단자(30 ~ 34)의 상면은 상면(320 ~ 323)으로부터의 노출면이 되기 때문에 평면인 것이 바람직하다. 또한, 적어도 상면(320 ~ 323)으로부터 분리되는 부분이 이와 같은 단면 형상이면 되는 것은 말할 필요도 없다.

공통단자(31)의 선단부에는 금속판(4m)과 체결하기 위한 체결구멍(301)이 형성되어 있다. 이 체결구멍(301)에 대향하는 패키지(35)의 상면에는 금속제 너트를 회전하지 않도록 수용하는 너트수용부(311)가 오목부로서 형성되어 있다. 이 때문에, 체결구멍(301) 및 금속판(4m)의 체결구멍(401)에 삽입하여 통과시킨 나사와 상기 너트를 체결시키는 것에 의해서, 상기 나사 및 너트 사이에 끼워 넣어진 공통단자(31) 및 금속판(4m)을 전기적으로 도통시킬 수 있다. 또한, 상기 너트는 너트수용부(311) 내에서 고착되어 있지 않아도 너트수용부(311)의 개구가 너트의 수용 후에 절곡된 공통단자(31)에 의해서 덮여 있기 때문에, 나사와의 비체결시에 있어서도 너트수용부(311)로부터 너트가 탈락하지 않는다.

모두 동일하게 하여, 공통단자(32)의 선단부에는 금속판(4n)과 체결하기 위한 체결구멍(302)이 형성되어 있다. 이 체결구멍(302)에 대향하는 패키지(35)의 상면에는 금속제의 너트를 회전하지 않도록 수용하는 너트수용부(312)가 오목부로서 형성되어 있다. 이 때문에, 체결구멍(302) 및 금속판(4n)의 체결구멍(402)에 삽입하여 통과시킨 나사와 상기 너트를 체결시키는 것에 의해서, 상기 나사 및 너트 사이에 끼워 넣은 공통단자(32) 및 금속판(4n)을 전기적으로 도통시킬 수 있다. 또한, 상기 너트는 너트수용부(312) 내에서 고착되어 있지 않아도 너트수용부(312)의 개구가 너트의 수용 후에 절곡된 공통단자(32)에 의해서 덮여 있기 때문에, 나사와의 비체결시에 있어서도 너트수용부(312)로부터 너트가 탈락하지 않는다.

또, 패키지(35)는 얇은 대략 직사각형의 형상으로 형성되어 있지만, 그 측면에는 테이퍼부(36)가 형성되어, 방열면이 형성되어 있는 하면에 비해, 보다 상면 측의 패키지(35) 부분의 외형이 크게 되어 있다. 또, 패키지의 상면에는 너트수용구멍(311, 312)이 웅덩이부(덴트(dent)부)로서 형성되어 있고, 당해 부분은 수지층이 얇게 형성되어 있다. 따라서, 수지의 성형수축에 의해서 세라믹기판(50)에 작용하는 응력이 억제되어 세라믹기판(50)의 휘어짐을 저감시킬 수 있다.

도 9 및 도 10은 도 1의 모듈본체(20)만을 나타낸 외관도로서, 도 9에 상면, 도 10에 하면이 나타내어져 있다. 모듈본체(20)의 내부 공간에는 공통유니트(3a ~ 3c)를 횡단하는 상면 측의 1개의 보강빔(25)과, 이 보강빔(25)과 교차하는 하면 측의 2개의 보강빔(26)이 형성되어 있다. 보강빔(25)은 공통유니트(3a ~ 3c)보다 더욱 위쪽에 배치되어 있지만, 보강빔(26)은 각 공통유니트(3a ~ 3c) 사이에 형성되어 공통유니트(3)의 수평면 내에서의 위치결정을 실시하고 있다.

유니트 맞닿음부(27 및 28)는 모듈본체(20)의 내벽에 형성된 돌출부 또는 아래쪽 방향으로 열려 있는 단차부이며, 공통유니트(3)의 길이방향의 양단에 각각 맞닿게 하는 것에 의해서, 공통유니트(3)의 연직방향의 위치결정을 실시하고 있다.

도 11은 도 10의 A-A절단선에 의해서, 방열기(9)가 장착된 반도체모듈(1)을 절단했을 때의 단면도이다. 장착구멍(24)을 이용하여 모듈케이스(2)에 방열기(9)를 장착하면, 모듈케이스(2)의 방열기 장착면과 방열기(9)의 평탄한 전열면(91)을 대향시키고, 또한, 양자를 가능한 한 접근시킨 상태로 할 수 있다. 이 때, 공통유니트(3)는 그 방열면을 모듈케이스(2)의 하면개구부(23)로부터 약간 돌출시키도록 모듈케이스(2)에 의해서 유지되어 있기 때문에, 공통유니트(3)가 유니트 맞닿음부(27 및 28)와 방열기의 전열면(91) 사이에 끼워진다. 이 때문에, 공통유니트(3)의 방열면을 방열기(9)의 전열면(91)에 밀착시킬 수 있다.

도 12는 세라믹기판(50)에 휘어짐이 생겼을 경우의 일례를 나타낸 설명도이다. 수지로 이루어지는 패키지(35)는 세라믹기판(50)에 비해 열팽창율이 크다. 이 때문에, 수지몰딩처리 후의 냉각시에 세라믹기판(50)에 비해, 패키지(35)가 보다 크게 수축하고, 아래 방향으로 볼록하게 되는 휘어짐이 세라믹기판(50)에 발생하기 쉬우며, 이와 같은 휘어짐은 「순(順) 휘어짐」라고 불리고 있다. 반대로, 세라믹기판(50)이 위쪽 방향으로 볼록하게 되는 휘어짐은 「역(逆) 휘어짐」라고 불리고 있다. 방열효율의 관점으로부터는 휘어짐이 발생하는 것은 바람직하지 않지만, 특히, 역 휘어짐은 온도가 높아지는 중앙부가 방열판에 밀착하지 않게 되기 때문에, 순 휘어짐에 비해 현저하게 방열효율이 나쁘다.

도 1의 반도체모듈(1)은 대략 직사각형의 모듈케이스(2) 내에 3개의 공통유니트(3a ~ 3c)를 정렬배치시키고 있기 때문에, 양단(兩端)의 공통유니트(3a 및 3c)에 비해, 중앙의 공통유니트(3b)의 온도가 더욱 높아진다. 한편, 방열기(9)는 모듈케이스(2)의 네 모퉁이에 형성된 장착구멍(24)을 이용하여 장착되어 있기 때문에, 양단의 공통유니트(3a 및 3c)에 비해, 중앙의 공통유니트(3b)에는 방열면(51)에 대한 방열기(9)의 가압력이 약하여 방열효율이 나빠지기 쉽다. 따라서, 중앙의 공통유니트(3b)에는 양단의 공통유니트(3a 및 3c)에 비해 세라믹기판(50)이 더욱 순 휘어짐 측의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 중앙의 공통유니트(3b)의 세라믹기판(50)은 순 휘어짐인 것이 바람직하다.

도 13은 본 실시형태의 반도체모듈(1)을 아크방전장치에 적용한 경우의 일구성예를 나타낸 블럭도이며, 아크방전장치의 일례로서 아크용접기(100)를 나타내고 있다. 이 아크용접기(100)는 전원장치(101), 제어회로(102), 변압기(103) 및 토치(104)를 구비하고, 토치(104)와 피용접물(W)과의 사이에 아크방전을 실시하는 것에 의해, 용접 와이어나 용접봉이라고 하는 용가재(溶加材)를 가열용융시켜 피용접물(W)을 용접하는 것이다.

전원장치(101)는 외부로부터 공급되는 교류전원의 주파수를 가변변환하는 주파수 변환회로이며, 상술의 반도체모듈(1)의 외에, 인버터(105) 등으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 반도체모듈(1)이 교류전압을 직류전압으로 변환하는 컨버터를 구성하고 있고, 3개의 외부단자(30(30a ~ 30c))에 공급되는 삼상교류전원이 반도체모듈(1)로 형성되는 브릿지회로에 의해서 전파정류되어 직류전원으로 변환된다. 반도체모듈(1)에는 제어단자(33 및 34)를 통하여 제어회로(102)로부터의 제어신호가 입력되어 당해 제어신호에 근거하여 브릿지회로의 동작이 제어되도록 되어 있다.

반도체모듈(1)에 의해 전파정류된 직류전원은 외부공통단자(41 및 42)를 통하여 인버터(105)에 공급된다. 인버터(105)는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 교류변환회로이며, 제어회로(102)로부터의 제어신호에 근거하여 출력되는 교류전압의 주파수를 임의로 변경할 수 있다. 인버터(105)에 의해 임의의 주파수로 변환된 교류전압은 변압기(103)에 의해 승압되고, 토치(104) 및 피용접물(W) 사이에 고전압이 인가되는 것에 의해, 토치(104)와 피용접물(W) 사이에 아크방전이 발생한다.

아크용접기(100)와 같은 아크방전장치에서는 토치(104)와 피용접물(W) 사이에 아크방전을 발생시켜 용접작업을 실시한 후, 다음의 피용접물(W)에 대한 용접작업을 개시할 때까지의 간격이 비교적 짧고, 예를 들면 5분 정도이다. 그 때문에, 아크방전에 수반하여 반도체모듈(1)이 고온상태가 된 후, 다음의 용접작업을 개시할 때까지의 동안에 반도체모듈(1)이 자연냉각되고, 다음의 용접작업시에 다시 고온상태가 된다고 하는 열사이클이 비교적 짧은 주기로 발생하게 된다.

아크용접기(100)의 전력변환장치에 적용된 세라믹기판은 온도변화에 수반하여 작용하는 응력이 변화하는 것에 의해, 휘어짐이 커지거나 작아지거나 하기 때문에, 상기와 같은 열사이클하에서는 휘어짐이 큰 상태와 작은 상태가 빈번히 반복되게 되어, 반도체칩의 박리 등의 문제가 보다 현저하게 된다. 그래서, 이와 같은 아크용접기(100)에 본 실시형태의 반도체모듈(1)을 적용하는 것에 의해, 세라믹기판(50)의 휘어짐을 효과적으로 방지할 수 있다.

이 예에서는 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류변환회로로서의 컨버터에 반도체모듈(1)을 적용하는 경우에 대해 설명했지만, 이와 같은 구성에 한정하지 않고, 인버터(105)와 같은 직류전압을 교류전압으로 변환하는 교류변환회로 외에, 전력변환장치에 구비되는 각종 회로에 반도체모듈(1)을 적용하는 것이 가능하다. 인버터(105)에 반도체모듈(1)을 적용하는 경우에는, 각 공통유니트(3)는 사이리스터 및 다이오드의 직렬회로를 내장하지 않고, 2개의 사이리스터 또는 2개의 트랜지스터의 직렬회로를 내장하는 구성이라도 된다.

또, 본 실시형태의 반도체모듈(1)은 아크용접을 행하기 위한 아크용접기(100)에 한정하지 않고, 아크방전을 발생시키는 장치이면, 절단기 등의 다른 아크방전장치에도 적용 가능하다.

또한, 상기 실시형태에서는 모듈케이스(2) 내에서 금속판(4m 및 4n)을 이용하여, 각 공통유니트(3a ~ 3c)의 공통단자(31 및 32)를 각각 접속하고 있지만, 본 발명은 이와 같은 경우로 한정되지 않는다. 즉, 금속판(4n 및 4m)에 대신하여, 임의의 형상으로 이루어진 금속블록을 이용할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는 공통유니트(3)가 사이리스터 및 다이오드에 의해서 구성되는 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이와 같은 경우에는 한정되지 않는다. 즉, 다이오드, 사이리스터, 바이폴러 트랜지스터, 그 외의 임의의 전력용 반도체소자의 조합에 의해서 구성할 수 있다. 예를 들면, 2개의 사이리스터의 직렬회로로 구성해도 된다. 또, 본 발명은 2개의 반도체소자에 의해서 구성되는 경우에도 한정되지 않는다.

또, 본 실시형태에서는 반도체모듈(1)이 3상교류전력을 직류전력으로 변환하는 삼상교류 변환기의 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이와 같은 경우에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터, 그 외의 전력변환장치에 사용할 수도 있다.

또, 본 실시형태에서는 모듈케이스(2) 내에 3개의 공통유니트(3)를 수용하는 반도체모듈(1)의 예에 대해 설명했지만, 예를 들면, 1개의 공통유니트(3)만을 수용하는 모듈케이스를 실현할 수 있다. 이 경우, 금속판(4m 및 4n)은 불필요하게 된다. 공통유니트(3)는 이와 같이 하여 수용하는 공통유니트(3)의 수가 다른 반도체모듈 사이에서도 공통화할 수 있기 때문에, 더욱 코스트 다운을 도모할 수 있다.

< 산업상 이용 가능성 >

이와 같이, 본 발명은 아크방전장치에 이용 가능하고, 더욱 상세하게는, 컨버터, 인버터 등의 전력변환장치에 사용되는 반도체모듈이 적용된 아크방전장치에 이용 가능하다.

1 : 반도체모듈 2 : 모듈케이스
20 : 모듈본체 200, 201 : 너트수용부
21 : 모듈덮개 210 : 가이드구멍
22 : 상면개구부 23 : 하면개구부
24 : 설치구멍 25, 26 : 보강빔
27, 28 : 유니트 맞닿음부 3 : 공통유니트
30 : 외부단자 31, 32 : 공통단자
33, 34 : 제어단자 35 : 패키지
300 ~ 302 : 체결구멍 311, 312 : 너트수용부
4 : 금속판 41, 42 : 외부공통단자
400, 401, 402 : 체결구멍 50 : 세라믹기판
51, 52 : 금속층 53 : 납땜층
54 : 반도체소자 9 : 방열기
91 : 전열면 510 : 방열패턴
511 : 외주(外周)패턴 512 : 완충패턴
100 : 아크용접기 101 : 전원장치
102 : 제어회로 103 : 변압기
104 : 토치(torch) 105 : 인버터
W : 피용접물

Claims (2)

1. 방열기(放熱器)에 대향시키는 방열기 장착면을 가진 모듈케이스와,
   상기 모듈케이스에 의해 유지되는 2이상의 공통유니트를 구비하고,
   상기 공통유니트는,
   반도체소자가 배치된 회로면 및 상기 회로면에 대향하는 방열면을 가지는 세라믹기판과,
   상기 방열면을 노출시킴과 동시에 상기 회로면을 내열성수지(耐熱性樹脂)로 봉지(封止)하여 형성되는 패키지와,
   상기 패키지로부터 상기 방열면과는 반대측으로 연장하는 제1 전극단자를 가지며,
   상기 모듈케이스는,
   상기 방열기 장착면상에서 상기 공통유니트의 방열면을 노출시키는 개구부와,
   상기 방열기를 장착하기 위한 방열기 장착부와,
   상기 공통유니트에 맞닿게 하여 상기 공통유니트를 상기 방열기와의 사이에 끼워 넣는 유니트 맞닿음부를 가지고,
   상기 제1 전극단자는 상기 방열면과 반대 측으로 향하여 열려 있는 상기 패키지상의 단차부의 곡선(谷線)으로부터 상기 패키지 밖으로 노출하여 상기 곡선 부근에서 상기 방열면과 반대 측으로 굴곡시켜 형성되며,
   상기 제1 전극단자는 상기 단차부를 구성하는 한 면에 그 일부를 노출시켜 매립된 상태로부터 굴곡시켜 형성되고, 그 단면(斷面)은 상기 매립된 상태에서 상기 방열면과는 반대측으로 향할수록 폭이 넓어지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 패키지는 너트를 수용하기 위한 웅덩이부로서 형성되는 너트수용부를 가지고,
   상기 공통유니트는 상기 너트를 이용하여 금속판을 체결하기 위한 체결구멍을 가진 제2 전극단자를 가지며,
   상기 너트수용부는 상기 제2 전극단자에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체모듈.

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