KR101672548B1 - 전력 반도체 모듈의 제조방법, 및 접속장치를 포함하는 전력 반도체 모듈 - Google Patents

전력 반도체 모듈의 제조방법, 및 접속장치를 포함하는 전력 반도체 모듈 Download PDF

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토마스 스토크마이어 닥터
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Abstract

본 발명은 전력 반도체 모듈의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 전력 반도체 모듈에 관한 것으로, 이 전력 반도체 모듈은 기판, 접속장치, 및 부하 단자 요소를 포함하고, 여기서 전력 반도체 부품은 기판의 도체 트랙 상에 배치되고 상기 접속장치에 의해 부하 단자 요소에 접속된다. 더욱, 상기 전력 반도체 모듈은 외부의 인쇄회로기판에 접속될 수 있는 보조 접촉 패드를 구비한다. 이 경우, 본질적인 제조단계는 상기 제1의 도체 트랙의 각 제1의 접촉 영역을 전력 반도체 부품의 적어도 하나의 제2의 접촉 영역 및 부하 단자 요소의 적어도 하나의 제3의 접촉 영역에 동시적으로 또는 순차적으로 점착 접속하는 단계이고, 그 후 상기 전력 반도체 모듈의 하우징을 형성하기 위해 접속장치의 적어도 하나의 전력 반도체 부품 및 부하 단자 요소로 구성되는 조립체를 배치하는 단계이다.

Description

전력 반도체 모듈의 제조방법, 및 접속장치를 포함하는 전력 반도체 모듈{Method for producing a power semiconductor module, and power semiconductor module comprising a connection device}
본 발명은 전력 반도체 모듈의 제조방법, 및 적어도 2개의 도전층 및 이들 도전층 사이에 배치된 절연층으로 구성되는 필름 조립체로 구성되는 접속장치를 포함하는 전력 반도체 모듈에 관한 것이다.
독일 특허출원 DE 10 2006 027 482 A1은 원리적으로 기판과 이 기판 상에 회로 일치식으로 배열된 반도체 부품들을 포함하고, 또 접속장치를 포함하는 전력 반도체 모듈을 개시한다. 접속장치는 2개의 도전층 및 이들 도전층 사이에 배치되는 절연층으로 구성되고, 부하 단자(load terminals)인 적어도 하나의 도전층이 본질적으로 구성되고, 따라서 도체 트랙을 형성한다. 상기 도전층은 그 가장자리 영역에 외부 리이드선에 대해 가역적 접속(reversible connection)을 위한 부하 전류 통전용 접촉장치를 형성하고 있다. 이를 위해, 상기 접촉장치는 하우징 내에 접촉부(abutment)를 구비하는 스프링 요소나 상기 접촉장치에 직접 작용하는 고정나사를 가지고 있다.
그러나, 이들 구성의 단점은 이들 실시예의 외부접속의 통전 성능이 제한된다는 것이다. 더욱, 고정나사를 구비하는 상기 구성은 접속부의 실시예에서 제한적인 기계적 안정성만을 허용한다.
본 발명의 목적은 표준화된 제조공정에 적합하고, 또 기계적 안정한 부하 단자 요소들을 구비하고, 또 IEC 61287에 따른 공간거리(air clearances) 및 연면거리(creepage distances)에 관한 요건에 부합하는 전력 반도체 모듈의 제조방법 및 접속장치를 포함하는 관련된 전력 반도체 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따른 방법, 청구항 5에 따른 전력 반도체 모듈에 의해 달성되고, 특정의 구성은 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제조방법의 기초 및 전력 반도체 모듈 자체는 냉각장치 상에 배치됨과 동시에 이 냉각장치로부터 전기적으로 절연될 수 있는 기판으로부터 유래한다. 상기 기판은 전력 반도체 모듈의 내측에 대면하는 측면 상에 복수의 도체 트랙 및 이 트랙 상에 배치되는 다수의 전력 반도체 부품을 구비하고 있다. 상기 전력 반도체 부품들은 상호 접속되어 있거나 접속장치에 의해 회로 일치식으로 상기 기판의 도체 트랙에 접속되어 있다.
상기 접속장치는 제1의 도전성 구조의 금속 필름, 전기 절연성 필름 및 제2의 도전성 구조의 금속 필름을 포함하는 층상구조로 형성된다. 이 경우, 각 구조(structurings)는 한편으로 전술한 회로 일치식 접속을 형성하는 각 금속 필름의 제1 및 제2의 도체 트랙을 형성한다.
더욱, 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈은 전력 반도체 모듈의 통상의 부하 전위(load potential)의 외부접속을 위한 복수의 부하 단자 요소를 가진다. 상기 전력 반도체 모듈은 또 예를 들면 제어 전위 및/또는 센서 전위의 외부접속을 위한 보조단자 요소를 가진다. 이들 외부 접속부는 접속장치의 제2의 도체 트랙의 보조 접촉 패드(contact pads)에 의해 형성된다.
이 유형의 전력 반도체 모듈을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 하기의 본질적 단계를 특징으로 한다:
- 기판 및 접속장치를 제공하는 단계로서, 상기 접속장치는 상기 접속장치의 절연 필름이 상기 기판으로부터 상기 필름의 가장자리를 향하는 방향으로 모든 제1의 도체 트랙을 초과하여 돌출하고, 그 결과 상기 가장자리까지 또는 상기 가장자리의 인접부까지 연장하는 제2의 필름의 제2의 도체 트랙에 대해 전기적 안정성을 위한 공간거리 및 연면거리(creepage distance)에 부합하는 충분한 거리가 존재한다.
- 상기 제1의 도체 트랙의 각 제1의 접촉 영역을 전력 반도체 부품의 적어도 하나의 제2의 접촉 영역 및 부하 단자 요소의 적어도 하나의 제3의 접촉 영역에 동시적으로 또는 순차적으로 점착 접속하는 단계로서, 이 단계는 전술한 모든 접속을 하나의 공정으로 형성하는 압력 소결 공정에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 또, 부하 단자 요소를 각각 사전에 결정된 굴곡위치를 구비하는 평판상 직선형 금속체로서 형성하는 것이 유리할 수 있다.
- 상기 전력 반도체 모듈의 하우징을 형성하기 위해 접속장치의 적어도 하나의 전력 반도체 부품 및 부하 단자 요소로 구성되는 조립체를 배치하는 단계로서, 이 경우, 상기 부하 단자 요소를 구비하는 접촉영역들이 배치되는 상기 접속장치의 각 부분은, 하우징을 형성하기 위한 배치 중에, 상기 기판에 의해 획정되는 평면에 대해 수직한 방향으로 위치되고, 이 목적을 위해, 상기 접속장치는 사전에 굴곡영역 내로 굴곡된다.
상기 하우징을 형성하기 위한 배치 후에 적어도 하나의 제2의 도체 트랙을 구비하는 절연 필름이 하우징을 초과하여 돌출하는 것이 더 유리하다. 또, 상기 부하 단자 요소가 하우징의 형성을 위해 접속장치와 결합상태로 전력 반도체 모듈이 배치되기 전에 사전에 결정된 굴곡위치에서 절곡되는 것이 유리하다. 따라서, 상기 접속장치에 대한 접속을 위한 상기 부하 단자 요소의 접속영역은 제1의 아암의 외측면 상에 위치된다. 상기 부하 단자 요소의 제2의 아암은 나사용 절개부를 구비하고, 또 상기 제2의 아암은 기판에 평행하게 배치되는 것이 더 유리하다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 기초하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 의해 표준화된 제조공정에 적합하고, 또 기계적 안정한 부하 단자 요소들을 구비하고, 또 IEC 61287에 따른 공간거리 및 연면거리에 관한 요건에 부합하는 전력 반도체 모듈의 제조방법 및 접속장치를 포함하는 관련된 전력 반도체 모듈을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제조방법의 하나의 단계를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 기본 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제2의 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 제2의 전력 반도체 모듈의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제2의 구조의 변형예이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제조방법의 하나의 단계를 도시한다. 도면은 절연체(12) 및 이 절연체 상에 배치된 전력 반도체 부품(14)을 포함하는 기판(10), 및 부하 단자 요소(50)를 도시한다. 여기서 상기 부하 단자 요소(50)는 부하 단자 요소(50)의 각형 구조(angular configuration)를 형성하기 위한 사전에 결정된 굴곡위치(54)를 구비하는 평탄상 금속체로서 구성된다.
상기 전력 반도체 부품(20) 및 아직 평탄한 상태인 부하 단자 요소(50)는 접속장치(40)에 의해 상호 전기적으로 접속된다. 상기 접속장치(40)는 제1의 도전성 구조의 금속 필름(42), 전기 절연 필름(44) 및 제2의 도전성 구조의 금속 필름(46)의 층상구조를 가진다. 이 경우, 각 구조는 각 금속 필름으로부터 제1 및 제2의 도체 트랙을 형성한다. 접속장치(40)의 제1의 도체 트랙(42)의 할당된 제1의 접촉영역(420)에 대한 전력 반도체 부품의 각 제3의 접촉영역(200) 및 부하 단자 요소(50)의 제2의 접촉영역(500)의 전기적 접속부는 압력 소결 접속에 의해 형성된다. 도면은 또 하우징에 배치되기 전에 접속장치가 굴곡되는 굴곡영역(48; 도 2 참조)을 도시한다.
본 발명에 따라, 접속장치(40)의 절연 필름(44)은 기판(10)으로부터 절연 필름(44)의 가장자리를 향하는 방향으로 제1의 도체 트랙(42)를 초과하여 돌출함으로써, 제1의 도체 트랙(42)으로부터 상기 절연 필름의 가장자리까지 또는 가장자리의 인접부까지 연장하는 제2의 도체 트랙(46) 사이에 전기적 안전성을 위한 공간거리 및 연면거리를 확보하는데 충분한 거리가 존재할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 전력 반도체 모듈의 기본구조를 도시한다. 도면은 전력 반도체 모듈의 분야에서 원리적으로 다양한 구조가 알려져 있는 절연 기판(10)을 도시하고 있다. 상기 기판은 상기 전력 반도체 모듈의 내부에 대면하는 표면 상에 복수의 접속 트랙(14; 도 1 참조)을 구비한다. 전력 반도체 부품들(20)은 상기 접속 트랙(14) 상에 배치되고, 또 용접 또는 소결 접속에 의해 접속 트랙에 점착식(cohesively)으로 접속되는 것이 바람직하다.
접속장치(40; 도 1 참조)는 추가로 전력 반도체 부품(20)의 회로 일치식 내부 접속부를 형성하는 작용을 한다. 상기 접속장치는 한편으로 제1의 도전성 구조의 금속 필름(42), 전기 절연 필름(44), 및 제2의 도전성 구조의 필름(46)을 포함하는 층상구조로 구성된다. 필요한 경우, 이 층상구조는 교호(alternating fashion)로 연속시킬 수 있다. 제1 및 제2의 금속 필름의 각 구조는 상호 전기적으로 절연되는 제1 및 제2의 도체 트랙을 형성한다.
상기 도체 트랙(42, 46)은 전력 반도체 모듈(20) 내에서 내부 회로 일치식 접속부의 역할을 할 뿐 아니라 외부단자 요소의 일부를 형성한다. 이를 위해, 접속장치(40)는 기판의 표면에 평행하게 배열되지 않은 적어도 하나의 영역을 구비한다.이 영역은 기판의 표면에 의해 형성되는 평면에 대해 수직방향으로 위치하는 것이 바람직하고, 제1의 도체 트랙(42) 상에 부하 단자 요소들(50)(도면에는 1개만 도시됨)의 제2의 접촉영역(500)에 접속하기 위한 제1의 접촉영역(420)을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 부하 단자 요소(50)는 절곡된 금속부재로 구성되고, 이 절곡된 금속부재의 제1의 아암은 그 외면에 접촉영역(500)을 형성하여 접속장치(40)의 제1의 도체 트랙(42)의 제1의 접촉영역(420) 상에 배치되고, 절곡된 금속부재의 제2의 아암은 나사(56)의 관통을 위한 절개부(52)를 가진다. 상기 제2의 아암은 기판(10)에 평행하게 배열되어 있다. 부하 단자 요소(50)에 할당된 제1의 도체 트랙(42)은 기판(10)으로부터 원격위치에 대면하는 부하 단자 요소(50)의 제2의 아암의 표면에 의해 형성되는 평면까지 연장하고, 필요한 공간거리 및 연면거리(70)가 부합되는 한도 내의 작은 범위의 공차는 해롭지 않다.
접속장치(40)의 절연 필름(44) 및 제2의 도체 트랙(46)은 상기 평면을 초과하여 연장하고, 여기서 제2의 도체 트랙(46)은 부하 전위(load potential)를 도통하지 않고, 제어전위 및/또는 센서 전위를 도통한다. 상기 평면을 초과하는 이 연장부는 부하 전위 및 제어전위의 사이에 전력 반도체 모듈의 전기적 안정성을 보장하기 위해 필요한 공간거리 및 연면거리(70)가 절연 필름에 의해 형성되는 형태로 구성된다.
전력 반도체 모듈의 하우징(30)도 마찬가지로 개략적으로 도시되어 있다. 이 하우징(30)은 나사접속(56, 58)에 의해 외부 접촉 접속(contact-connection)이 가능하도록 기판(10)을 완전히 둘러싸고, 부하 단자 요소(50)를 둘러싼다. 본 발명에 따라, 절연 필름(44)과 제2의 도체 트랙(46)은 하우징(30)의 외부로 돌출하여 외부의 보조단자 요소를 형성한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제2의 구조를 도시한다. 이 전력 반도체 모듈은 마찬가지로 전력 반도체 부품(20)을 구비하는 기판(10) 및 하우징(30)의 2개의 필수 부품, 접속장치(40) 및 부하단말 요소(50)로부터 형성된다. 이를 위해, 제1의 제조단계에서 상기 제2의 부품은 예를 들면 도 1의 제조단계에 의해 형성된다. 일반적으로 이것은 용접 및/또는 압력 소결 접속에 의해 달성된다. 이 경우, 접속장치(40)는 제1의 단계에서 전력 반도체 부품(20)에 접속되고, 전력 반도체 부품(20) 및 기판(10) 사이의 접속 및 부하 단자 요소(50) 및 접속장치(40) 사이의 접속은 차회의 단계에서 형성된다. 대안으로서, 다양한 기술에 의한 모든 개별적 접속의 소망의 순차적 실시예가 가능하다.
제2의 부품을 배치하기 전에 부하 단자 요소(50)는 사전 결정된 굴곡위치(54, 도 1 참조)를 따라 절곡 변형된 후에 하우징(30)에 접합된다. 본 발명에 따라, 접속장치(40), 즉 절연 필름(44)의 일부 및 제2의 도체 트랙(46)의 일부는 하우징(30)으로부터 돌출한다. 접속장치(40)의 일단부는 외부 인쇄회로기판(60)의 플러그 커넥터(plug connector; 62) 내에 배치될 수 있는 단극 플러그 접촉 또는 다극 플러그 접촉을 위한 보조 접촉 패드(46)를 형성한다. 자동적인 장력 중단이 발생하는 경우 접속장치(40)의 가요성이 형성되고, 그 결과 강고한 플러그 접속이 보장된다. 하우징(30)의 외부에 접속장치(40)의 굴곡경로가 추가적으로 제공될 수 있다. 제어신호 및/또는 센서신호의 접속을 위한 플러그 커넥터(62)는 전력 반도체 모듈의 하우징(30)으로부터 이격된 위치에서 그 기판(10)에 평행하게 배치될 수 있는 구동회로를 구비한 외부의 인쇄회로기판 상에 배치되는 것이 유리하다.
도 4는 본 발명에 따른 제2의 전력 반도체 모듈의 사시도이다. 이 도면에는 도 3을 참조하여 기술된 제1 및 제2의 도체 트랙(42, 46)의 경로도 명확하게 도시되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제2의 구조의 변형예를 도시한다. 제2의 도체 트랙(46)의 보조 접촉 패드(460)는, 접속장치(40)가 180°각도만큼 옵셋되어 있으므로, 상기 하우징으로부터 돌출하는 접속장치(40)의 일 측면(상기 하우징(30)으로부터 이격된 측면)에 위치되는 효과가 다르다. 그 결과, 외부 인쇄회로기판(60)에 대한 전기접속은 인쇄회로기판(60)을 경유하여 제2의 도체 트랙(46)의 접속부 상에 가해지는 압력(64)에 의해 간단한 방식으로 달성될 수 있다. 이를 위해, 상기 하우징(30)은 이 압력의 도입을 위한 접촉부를 형성한다.
또, 상기 하우징(30)은 적어도 부하 단자 요소(50)에 의해 전력 반도체 모듈이 제조되는 중에 사출성형에 의해 형성된다. 따라서, 사전 조립된 하우징은 생략될 수 있다.
10: 기판(substrate)
14: 도체 트랙(conductor track)
20: 전력 반도체 부품(power semiconductor component)
40: 접속장치(connection device)
44: 전기 절연 필름(electrically insulating film)
48: 굴곡영역(bending region)
50: 부하 단자 요소(load terminal element)
52: 절개부(cut-out)
200: 제2의 접촉 영역(second contact area)
420: 제1의 접촉 영역(first contact area)
460: 보조 접촉 패드(auxiliary contact pad)
500: 제3의 접촉 영역(third contact area)

Claims (8)

  1. 기판(10), 접속장치(40) 및 복수의 부하 단자 요소(50)를 포함하고, 적어도 하나의 전력 반도체 부품(20)이 상기 기판(10)의 도체 트랙(14) 상에 배치되고, 접속장치(40)에 의해 적어도 하나의 부하 단자 요소(50)에 회로 일치식으로 접속되고, 상기 접속장치(40)가 외부 인쇄회로기판(60)에 접속될 수 있는 보조 접촉 패드(460)을 구비하는 전력 반도체 모듈의 제조방법에 있어서,
    - 상기 접속장치는 제1의 도전성 구조의 금속 필름(42), 전기 절연 필름(44) 및 제2의 도전성 구조의 금속 필름(46)을 포함하는 적층체로 적어도 형성되고, 상기 각 제1, 2 도전성 구조는 각 금속 필름으로부터 제1 및 제2의 도체 트랙을 형성하는, 기판(10) 및 접속장치(40)를 제공하는 단계;
    - 상기 제1의 도체 트랙(42)의 각 제1의 접촉 영역(420)을 전력 반도체 부품(20)의 적어도 하나의 제2의 접촉 영역(200) 및 부하 단자 요소(50)의 적어도 하나의 제3의 접촉 영역(500)에 동시적으로 또는 순차적으로 점착 접속하는 단계;
    - 상기 전력 반도체 모듈의 하우징(30)을 형성하기 위해 접속장치(40)의 적어도 하나의 전력 반도체 부품(20) 및 부하 단자 요소(50)로 구성되는 조립체를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 부하 단자 요소(50)를 구비하는 접촉영역들(200, 420)이 배치되는 상기 접속장치(40)의 각 부분은, 하우징(30)을 형성하기 위한 배치 중에, 상기 기판(10)에 의해 획정되는 평면에 대해 수직한 방향으로 위치되고, 상기 접속장치(40)는 사전에 굴곡영역(48) 내로 굴곡되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 접속장치(40)의 절연 필름(44)은 상기 기판(10)으로부터 상기 필름(44)의 가장자리를 향하는 방향으로 모든 상기 제1의 도체 트랙을 초과하여 돌출하고, 그 결과 상기 가장자리까지 또는 상기 가장자리의 인접부까지 연장하는 제2의 필름의 제2의 도체 트랙(46)에 대해 전기적 안정성을 위한 공간거리 및 연면거리에 부합하는 충분한 거리(70)가 존재하고, 상기 하우징(30)을 형성하기 위한 배치 후에 적어도 하나의 제2의 도체 트랙(46)을 구비하는 절연 필름(44)은 상기 하우징(30)을 초과하여 돌출하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 부하 단자 요소(50)는 절곡된 형상의 금속 부재로서 구성되고, 접속장치(40)에 접속하기 위한 상기 부하 단자 요소(50)의 접촉영역(500)은 제1의 아암의 외측 상에 배치되고, 제2의 아암은 나사(56)의 관통을 위한 절개부(52)를 구비하고, 상기 제2의 아암은 상기 기판(10)에 평행하게 배치되고, 상기 절곡된 형상은 상기 기판(10)에 배열되기 전에 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈의 제조방법.
  5. 기판(10), 접속장치(40) 및 복수의 부하 단자 요소(50)를 포함하는 전력 반도체 모듈로서, 적어도 하나의 전력 반도체 부품(20)이 상기 기판(10)의 도체 트랙(14) 상에 배치되고, 제1의 도전체 구조의 금속 필름(42), 전기 절연 필름(44) 및 제2의 도전체 구조의 필름(46)을 포함하는 적층체로 구성되는 접속장치(40)에 의해 회로 일치식으로 적어도 하나의 부하 단자 요소(50)에 접속되고, 상기 각 제1, 2 도전체 구조는 각 금속 필름으로부터 제1 및 제2의 도체 트랙을 형성하고, 적어도 하나의 제1의 도체 트랙(42)은 부하 단자 요소(50)에 점착 접속되는 접촉영역(420)을 구비하고, 상기 접속장치(40)는 외부 인쇄회로기판(60)에 접속될 수 있는 보조 접촉 패드(460)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서, 접속장치(40)의 상기 부하 단자 요소(50)에 배치되는 접촉영역(420)이 상기 기판(10)에 의해 형성되는 평면에 수직방향으로 위치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 접속장치의 절연 필름(44)은 상기 기판(10)으로부터 상기 필름(44)의 가장자리를 향하는 방향으로 모든 상기 제1의 도체 트랙을 초과하여 돌출하고, 그 결과 상기 가장자리까지 연장하는 제2의 필름의 제2의 도체 트랙(46)에 대해 전기적 안정성을 위한 공간거리 및 연면거리에 부합하는 충분한 거리(70)가 존재하고, 적어도 하나의 제2의 도체 트랙(46)을 구비하는 절연 필름(44)의 이 부분은 하우징(30)을 초과하여 돌출하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  8. 청구항 5에 있어서, 적어도 하나의 부하 단자 요소(50)는 절곡된 형상의 금속 부재로서 구성되고, 접속장치(40)에 접속하기 위한 상기 부하 단자 요소(50)의 접촉영역(500)은 제1의 아암의 외측 상에 배치되고, 제2의 아암은 나사(56)의 관통을 위한 절개부(52)를 구비하고, 상기 제2의 아암은 상기 기판(10)에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
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