KR101593680B1 - 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR101593680B1
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윤상원
김민기
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한양대학교 산학협력단
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    • H01L41/047—
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 기판; 상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 포함한다.

Description

압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법{APPARATUS FOR REDUCING THERMAL STRESS OF POWER DEVICE USING PIEZOELECTRIC DEVICE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명의 실시예들은 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 전력 모듈(소자)은 전력을 제어하는 장치로서, 전력 전자 시스템에서 핵심이 되는 부품이다.
그런데, 최근, 전력 모듈 내부의 발열 문제는 점점 심각해지고 있으며, 전기자동차나 스마트 그리드 등 고전력 시스템의 등장으로 이 문제는 더욱 가속화되고 있다.
특히, 전력 모듈의 열에 의해 발생하는 현상 가운데 열응력(thermal stress)은 전력 모듈의 파괴를 유발하고 피로도를 발생하는 등 다양한 문제를 일으킨다.
하지만, 전력 모듈의 복잡한 3차원 구조 그리고 도체와 절연체가 반복되는 상이한 물질의 구성은 이러한 열응력의 문제점에 적합한 해결책을 제시하지 못하고 있다.
이처럼 발열 문제가 대두됨에 따라, 정확한 온도 계측 및 전력 모듈의 발열로 인해 발생되는 열응력의 감소가 중요한 이슈가 되고 있다.
하지만, 전력 모듈 내의 온도와 열응력을 측정하기 위해 온도 센서를 반도체 내에 집적하는 경우, 반도체 동작에 영향을 줄 수 있거나, 세밀한 공정이 필요하기 때문에 센서 공정이 어려워지는 문제점이 존재한다. 온도 센서를 반도체 내에 집적하는 경우가 드물게 있지만 공정 비용이 많이 발생하고 반도체 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 반도체 크기가 커질 수 밖에 없는 한계가 있다.
또한, 전력 모듈 내의 온도 및 열응력을 측정한 결과에 따라, 열 분포가 집중된 부분의 열응력을 저감시키기 위한 기술의 개발도 활발해지는 추세이다.
따라서, 반도체 내에서 전력 모듈의 온도 분포 혹은 열에 의해 발생하는 열응력을 간접적으로 계측하고 저감할 수 있는 기술이 필요하다.
관련 선행기술로는 공개특허공보 제10-2007-0080424(발명의 명칭: 원반형 압전 액츄에이터와 그를 이용한 압전 초음파선형모터 및 그의 제조방법, 공개일자: 2009년 2월 13일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 전력 소자를 구비하는 기판 상에 압전 소자를 전력 소자로부터 이격된 위치에 배치하여 센서 및 액추에이터 중 적어도 하나로 동작하도록 함으로써, 전력 소자의 발열로 인해 기판에 발생되는 열응력을 간접적으로 측정할 수 있으며, 나아가 기판에 발생된 열응력을 저감시킬 수 있는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 기판; 상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 의한 열응력을 측정하거나 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 포함한다.
상기 압전 소자는 상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 센서, 또는 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터 중 적어도 하나로서 동작할 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극을 통해 공급받아 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
상기 전극은 상기 압전 소자의 상면에 형성되는 상부 전극; 및 상기 압전 소자의 하면에 형성되는 하부 전극을 포함할 수 있다.
상기 기판은 절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판이고, 상기 하부 전극은 상기 전력 기판의 상부 금속층일 수 있다.
상기 전극은 상기 압전 소자의 길이 방향으로 양끝단에 배치될 수 있다.
상기 압전 소자가 상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치된 경우, 상기 전극은 상기 압전 소자 중 일 방향으로 대향 배치된 제1 압전 소자에는 상기 제1 압전 소자의 양 끝단에 배치되고, 상기 일 방향과 교차하는 타 방향으로 배치된 제2 압전 소자에는 상기 제2 압전 소자의 상면 및 하면에 상부 전극 및 하부 전극이 각각 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 상기 전극에 상기 전기 신호를 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있고, 상기 전원 공급부는 상기 기판에 상기 열응력이 발생되는 경우, 상기 전극에 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급할 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 상기 열응력의 발생에 따라 상기 압전 소자로부터 발생되는 전기 신호에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법은 기판을 제공하는 단계; 상기 기판의 상면에 적어도 하나의 전력 소자를 형성하는 단계; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 압전 소자를 형성하는 단계는 폴링 공정을 이용하여 상기 압전 소자의 상면 및 하면에 각각 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기판을 제공하는 단계는 절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 하부 전극은 상기 전력 기판의 상부 금속층일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 소자를 구비하는 기판 상에 압전 소자를 전력 소자로부터 이격된 위치에 배치하여 센서 및 액추에이터 중 적어도 하나로 동작하도록 함으로써, 전력 소자의 발열로 인해 기판에 발생되는 열응력을 간접적으로 측정할 수 있으며, 나아가 기판에 발생된 열응력을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 소자의 액추에이터로서의 동작을 통해, 기판에서 열응력이 집중되는 부분의 응력을 감쇄시킴으로써, 기판의 열 변형을 저감시킬 수 있으며, 나아가 기판의 열 파손을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 및 액추에이터로서의 동작이 모두 실행 가능한 압전 소자를 기판 위에 집적 공정함으로써, 최소한의 설계 변화만으로 전력 소자의 열응력 저감 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치에 있어서, 압전 소자의 액추에이터로서의 기능을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 공정도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치에 있어서, 압전 소자의 액추에이터로서의 기능을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치(100)는 기판(110), 전력 소자(120), 압전 소자(130), 온도 감지부(140), 및 전원 공급부(150)를 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 직육면체의 플레이트(plate) 모양으로 형성될 수 있으며, 상기 기판(110)의 일면에는 상기 전력 소자(120) 및 상기 압전 소자(130)가 설치될 수 있다.
상기 기판(110)은 열전도율을 높이기에 적합한 소재, 예를 들면 , AlN, SiN 중 하나가 사용되는 세라믹 소재로 구현될 수 있다. 여기서, 상기 의 경우, 가격면에서 월등히 저렴하고, 가장 일반적으로 사용되고 있다.
참고로, 본 실시예에서는 가장 널리 사용되며 가격이 저렴한 Al2O3로 상기 기판(110)을 구현하는 것이 바람직하다.
상기 기판(110)은 절연체인 세라믹으로 구현될 수 있고, 상기 절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판으로 구현될 수 있다.
즉, 상기 기판(110)은 상기 세라믹으로 구현된 세라믹 절연체 상하로 상기 상부 금속층 및 상기 하부 금속층이 샌드위치 구조를 이루는 기판으로 구현될 수 있다. 참고로, 상기 상부 금속층 및 상기 하부 금속층은 구리, 알루미늄과 같은 열 전도성이 탁월한 소재로 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판(110)은 상기 전력 소자(120)에서 발생되는 열에 의해 구부러질 수 있다. 즉, 상기 기판(110)은 상기 전력 소자(120)가 동작함에 따라 열이 발생하게 되면, 상기 기판(110)의 상부 금속층과 상기 전력소자(120) 사이 혹은 상기 기판(110)의 상하부 금속층과 상기 절연체 사이 높은 열팽창계수 차이 때문에 휘어질 수 있다.
상기 전력 소자(120)는 상기 기판(110)의 상면에 적어도 하나가 형성된다. 이때, 상기 전력 소자(120)가 복수 개인 경우, 상기 복수 개의 전력 소자(120)는 상기 기판(110) 위에 서로 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
상기 전력 소자(120)는 상기 기판(110)이 상기 전력 기판으로 구현되는 경우, 상기 절연체의 상부 금속층 위에 형성될 수 있다. 이로 인해, 상기 전력 소자(120)에서 발생되는 열은 상기 상부 금속층으로 전달될 수 있고, 다시 상기 기판(110)으로 전달될 수 있다.
즉, 상기 전력 소자(120)는 그 구동에 따라 열을 발생하고, 상기 발생된 열은 상기 전력 소자(120) 및 상기 기판(110) 사이에서 상기 열을 전달하는 매개체로서의 역할을 하는 상기 상부 금속층을 통해 상기 기판(110)에 전달될 수 있다. 이때, 상기 전력소자(120)와 상기 기판(110)의 상부 금속층은 큰 열팽창계수 차이를 가지므로 열에 의해 늘어나는 정도가 다르고 따라서 큰 열응력이 발생할 수 있다.
상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)로부터 이격된 위치의 상기 기판(110)상에 적어도 하나가 배치된다.
다시 말해, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)로부터 사방으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)의 발열에 따라 상기 기판(110)에 반대방향의 응력을 발생하여 열응력을 저감시키도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극(132)을 구비한다.
즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극(132)을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터로서 동작할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판(110)에 발생되는 열응력을 측정하는 센서로서 동작할 수 있다.
즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 기판(110)에 발생되는 열응력의 측정치에 대응하는 전압 값을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다.
이와 같이, 상기 압전 소자(130)는 상기 센서 또는 액추에이터 중 적어도 하나로서 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(130)는 상기 센서 및 상기 액추에이터로 활용되도록 동일한 압전 물질로 공정됨으로써, 쌍방향 냉각 구조와 같이 상하 높이가 같아야 하는 복잡한 3차원 전력모듈 구조 등에도 적용될 수 있다.
상기 압전 소자(130)가 상기 센서로서 동작하는 경우, 상기 온도 감지부(140)는 상기 열응력의 발생에 따라 상기 압전 소자(130)로부터 발생되는 전기 신호에 기초하여, 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
이를 위해, 상기 온도 감지부(140)는 복수의 전압 값 별로 각 온도가 매칭되어 저장되는 변환 테이블(미도시)을 포함하고, 상기 변환 테이블을 이용하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
즉, 상기 온도 감지부(140)는 상기 기판(110)을 사이에 두고 서로 대응되는 위치에 배치된 압전 소자(130)로부터 발생된 전압 신호의 전압 값 자체 혹은 전압 값의 차이를 산출하고, 상기 산출된 전압 값 차이에 해당하는 값을 상기 변환 테이블에서 검색하여 그에 매칭되는 온도 값을 획득함으로써 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
반면에, 상기 압전 소자(130)가 상기 액추에이터로서 동작하는 경우, 상기 압전 소자(130)는 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극(132)을 통해 공급받아 상기 기판(110)에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 전극(132)은 상기 압전 소자(130)의 상면 및 하면에 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 압전 소자(130)의 상면에 형성되는 전극(132)을 상부 전극(132)으로 지칭하고, 그 하면에 형성되는 전극(132)을 하부 전극(132)으로 지칭한다.
여기서, 상기 하부 전극(132)은 별도의 전극으로 이루어질 수 있지만, 본 실시예에서는 상기 전력 기판(110)의 상부 금속층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 압전 소자(130)는 상기 상부 금속층이 상기 하부 전극(132)을 대신하여 외부로부터 상기 전기 신호를 공급받을 수 있다.
한편, 상기 전극(132)은 상기 압전 소자(130)의 길이 방향으로 양끝단에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 압전 소자(130)가 상기 전력 소자(120)로부터 사방으로 이격된 위치에 배치된 경우, 상기 전극(132)은 상기 압전 소자(130) 중 일 방향으로 대향 배치된 제1 압전 소자에는 상기 제1 압전 소자의 양 끝단에 배치되고, 상기 일 방향과 교차하는 타 방향으로 배치된 제2 압전 소자에는 상기 제2 압전 소자의 상면 및 하면에 상부 전극(132) 및 하부 전극(132)이 각각 배치될 수 있다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에서는, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 상면에 상기 제1 압전 소자 및 상기 제2 압전 소자가 서로 교차 배치된 두 개의 세트가 형성되어 있다.
한편, 상기 전원 공급부(150)는 상기 전극(132)에 상기 전기 신호를 공급할 수 있다.
상기 전원 공급부(150)는 상기 기판(110)에 상기 열응력이 발생되는 경우, 상기 전극(132)에 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급할 수 있다.
이로 인해, 상기 기판(110)에는 상기 열응력의 발생으로 인해 휘어진 방향과 반대 방향으로 발생되는 응력이 가해진다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 기판(110)의 휘어진 부분이 원래 상태로(또는 그에 가깝게) 복원되어 상기 기판(110)에 발생된 열응력을 저감시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 열응력의 발생에 따라, 상기 기판(110)의 일부분이 늘어나는 변형이 일어난 경우, 상기 압전 소자(130)는 상기 변형이 일어난 부분에 대응하는 크기의 전압을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다. 이때, 상기 전원 공급부(150)는 상기 발생된 전기 신호와 동일한 전압의 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 압전 소자(130)에 공급함으로써, 상기 변형이 일어난 부분의 인장 응력을 압축 응력으로 변환하여 상기 기판(110)에 발생된 열응력을 상쇄시킬 수 있다.
이와 반대로, 상기 열응력의 발생에 따라, 상기 기판(110)의 일부분이 줄어드는 변형이 일어난 경우, 상기 압전 소자(130)는 상기 변형이 일어난 부분에 대응하는 크기의 전압을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다. 이때, 상기 전원 공급부(150)는 상기 발생된 전기 신호와 동일 전압의 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 압전 소자(130)에 공급함으로써, 상기 변형이 일어난 부분의 압축 응력을 인장 응력으로 변환하여 상기 기판(110)에 발생된 영응력을 상쇄시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 압전 소자(130)의 액추에이터로서의 기능에 대해 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)은 상기 전력 소자(120)의 열 발생으로 인해 휘어진 상태이다.
이에 따라, 상기 압전 소자(130) 또한 함께 휘어질 수 있고, 상기 휜 정도에 따라 전기 신호를 발생할 수 있다.
한편, 상기 전극(132)은 상기 압전 소자(130)의 양 끝단에 배치될 수 있으며, 또 달리 상기 압전 소자(130)의 상면 및 하면에 각각 배치될 수 있다. 이때, 상기 전극(132)은 폴링 공정의 일환으로서 상기 압전 소자(130)에 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 압전 소자(130)는 변형이 가해질 시 (+), (-) 분극이 일어나, 상기 전극(132) 각각을 통해 극성을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다.
이에 따라, 상기 전원 공급부(150)는 상기 압전 소자(130)에 의해 발생된 전기 신호와 반대 극성의 전기 신호를 공급하며, 상기 압전 소자(130)는 상기 공급된 전기 신호를 상기 전극(132)을 통해 공급받아 상기 기판(110)의 열응력을 저감(상쇄)시킬 수 있다.
예를 들어, 도 2와 같이 상기 전력 소자(120)의 발열에 따라, 상기 기판(110)의 양 끝단이 아래쪽 방향으로 늘어나는 변형이 일어나는 경우, 상기 압전 소자(130)는 상기 기판(110)과 함께 휘어지면서 인장 응력을 발생시킬 수 있다.
그러면, 상기 전원 공급부(150)는 상기 전극(132)에 상기 인장 응력이 발생할 때 생성된 전기 신호와 반대 극성의 전기 신호를 공급할 수 있다.
이를 통해, 상기 압전 소자(130)는 압축 응력을 발생시킴으로써, 상기 인장 응력으로 인한 상기 기판(110)의 변형을 상쇄시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(130)는 온도 센서뿐만 아니라 액추에이터의 동작을 통해, 상기 기판(110)에서 상기 열응력이 집중되는 부분의 응력을 감쇄시킴으로써, 상기 기판(110)의 열 변형을 저감시킬 수 있으며, 나아가 상기 기판(110)의 열 파손을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 공정도이다.
먼저 도 3 및 도 4를 참조하면, 단계(310)에서 기판(110)을 제공한다.
여기서, 상기 기판(110)은 그 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 구비함으로써, 상기 전력 소자(120)로부터 발생되는 열을 효과적으로 전도 받을 수 있다.
다음으로, 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계(320)에서 상기 기판(110)의 상면에 적어도 하나의 전력 소자(120)를 형성한다.
본 실시예에서는 도 5와 같이 상기 전력 소자(120)가 상기 기판(110)의 상면에 복수 개 형성된 것으로 한정하여 설명한다.
다음으로, 도 3 및 도 6을 참조하면, 단계(330)에서 상기 전력 소자(120)로부터 이격된 위치의 기판(110) 상에, 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극(132)을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자(130)를 형성한다.
여기서, 상기 압전 소자(130)는 상기 전극(132)을 통해 상기 전기 신호를 공급받음으로써 상기 전력 소자(120)의 발열에 따라 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
이때, 상기 압전 소자(130)는 상기 기판(110)에 발생되는 열응력을 측정하여 그에 상응하는 전기 신호를 발생하는 센서로서 동작할 수 있으며, 또 달리 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극(132)을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터로서 동작할 수 있다.
상기 압전 소자(130)는 상기 전극(132)을 통해 상기 센서로서 동작 시 발생된 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극(132)을 통해 공급받는 경우에 상기 액추에이터로서 동작할 수 있다.
이를 위해, 상기 전극(132)은 도 7에 도시된 바와 같이 상기 압전 소자(130)의 양 끝단에 폴링 공정을 통해 형성될 수 있으며, 또 달리 도 8에 도시된 바와 같이 상기 압전 소자(130)의 상면 및 하면에 상기 폴링 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 폴링 공정을 통해 상기 전극(132)을 형성하게 되면, 상기 압전 소자(130)에는 분극 현상이 발생하게 되며, 이에 따라 상기 압전 소자(130)는 상기 센서로 동작 시 각 전극(132)을 통해 극성을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 압전 소자(130)의 센서로 동작 시에 발생된 전기 신호를 이용하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 계측할 수 있다.
아울러, 상기 압전 소자(130)는 상기 액추에이터로 동작 시, 상기 각 전극(132)을 통해 상기 센서로 동작 시에 발생된 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급받아 상기 기판(110)의 열응력을 저감시킬 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(110)의 열 변형을 저감시켜 상기 기판(110)의 열 파손을 방지할 수 있다.
한편, 상기 압전 소자(130)가 도 8과 같은 구조로 형성되는 경우, 그 하면에 형성된 하부 전극(132)은 상기 기판(110)의 상부 금속층으로 대체될 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(130)의 하부 전극(132)을 별도로 형성할 필요가 없어 공정 과정이 간편해지고 공정 비용 및 시간 또한 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(110) 위에 센서 및 액추에이터의로서의 동작이 모두 실행 가능한 상기 압전 소자(130)를 집적 공정함으로써, 최소한의 설계변화만으로도 상기 전력 소자(120)의 온도를 계측할 수 있을 뿐만 아니라 상기 기판(110)에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : 기판
120 : 전력 소자
130 : 압전 소자
132 : 전극
140 : 온도 감지부
150 : 전원 공급부

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및
    상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 센서, 또는 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터 중 적어도 하나로서 동작하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극을 통해 공급받아 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시키는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은
    상기 압전 소자의 상면에 형성되는 상부 전극; 및
    상기 압전 소자의 하면에 형성되는 하부 전극
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판은
    절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판이고,
    상기 하부 전극은
    상기 전력 기판의 상부 금속층인 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은
    상기 압전 소자의 길이 방향으로 양끝단에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압전 소자가 상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치된 경우,
    상기 전극은
    상기 압전 소자 중 일 방향으로 대향 배치된 제1 압전 소자에는 상기 제1 압전 소자의 양 끝단에 배치되고, 상기 일 방향과 교차하는 타 방향으로 배치된 제2 압전 소자에는 상기 제2 압전 소자의 상면 및 하면에 상부 전극 및 하부 전극이 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극에 상기 전기 신호를 공급하는 전원 공급부
    를 더 포함하고,
    상기 전원 공급부는
    상기 기판에 상기 열응력이 발생되는 경우, 상기 전극에 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열응력의 발생에 따라 상기 압전 소자로부터 발생되는 전기 신호에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 온도 감지부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  11. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 상면에 적어도 하나의 전력 소자를 형성하는 단계; 및
    상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 압전 소자를 형성하는 단계는
    폴링 공정을 이용하여 상기 압전 소자의 상면 및 하면에 각각 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판을 제공하는 단계는
    절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 하부 전극은
    상기 전력 기판의 상부 금속층인 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법.
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