KR101672549B1 - 냉각장치를 포함하는 변환기 장치의 제조방법 및 변환기 장치 - Google Patents

냉각장치를 포함하는 변환기 장치의 제조방법 및 변환기 장치 Download PDF

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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 변환기 장치의 제조방법 및 변환기 장치 자체를 기술하는 것으로서, 변환기 장치는 주 영역의 적어도 하나의 평탄 부분 및 복수의 냉각수단을 구비하는 금속 성형체를 포함하는 냉각장치 및 적어도 하나의 기판을 포함하고, 변환기 장치의 제조방법은 냉각장치를 수용하기 위한 절개부를 구비하는 압력소결장치의 압력 상대부재를 제공하는 단계; 상기 냉각장치를 압력 상대부재 내에 배치하는 단계; 적어도 하나의 변환기 회로 기판을 상기 냉각장치의 주 영역의 할당된 평탄 부분 상에 배치하는 단계로서, 상기 기판 및 냉각장치의 각 접촉 영역은 접속될 영역 내에 소결이 가능한 표면을 구비하고, 적절한 정합성의 소결금속이 접속될 상기 영역들의 사이에 배치되는, 상기 단계를 포함한다. 다음에 압력소결 접속이 기판 및 냉각장치의 표면에 압력 및 온도를 도입하는 것에 의해 실행된다.

Description

냉각장치를 포함하는 변환기 장치의 제조방법 및 변환기 장치{Method for producing a converter arrangement comprising a cooling device, and converter arrangement}
본 발명은 냉각장치를 포함하는 특수 변환기 장치의 제조방법과 그 변환기 장치에 관한 것이다. 이 유형의 변환기 장치는 전력 반도체 모듈을 외측에 구비하는 냉각장치로서 공지되어 있다. 이 유형의 전력 반도체 모듈의 변환기 회로는 한편으로 제1의 도체 트랙을 구비하는 적어도 하나의 기판으로 구성된다. 상기 도체 트랙 상에 전력 반도체 부품이 배치되고, 외부단자에 접속된다.
전술한 유형의 전력 반도체 모듈은 예를 들면 독일 특허출원 DE 103 55 925 A1에 의해 공지되어 있다.이 출원에 개시된 전력 반도체 모듈은 회로 적합식(circuit-conforming)으로 배치된 도체 트랙을 구비하는 적어도 하나의 기판을 구비하고, 상기 도체 트랙 상에 전력 반도체 부품 및 스페이서(spacer) 부재가 배치된다. 이들 부재는 적어도 2개의 금속 필름층 및 이들 층 사이에 개재된 전기적 절연 필름층으로 이루어지는 적층 필름 조립체에 전기적으로 접속된다. 이를 위해, 필름 조립체는 접촉 노브(knobs) 및 도금된 관통공(plated-through holes)을 구비한다. 상기 필름 조립체는 초음파 용접에 의해 전력 반도체 부품 및 스페이서 부재에 전기적으로 접속된다.
이 유형의 전력 반도체 모듈은 통상 강제 결합식(force-locking)으로 냉각장치 상에 배치된다. 통상 이 목적을 위해 전력 반도체 모듈 및 냉각 장치 사이의 나사 체결 또는 클램핑 체결이 실시된다. 이 유형의 강제 결합식 체결의 경우, 열전도층은 통상 접속된 부재들 사이에 설치된다. 그러나, 이것을 위해 사용된 열전도성 페이스트(pastes)는 금속, 특히 구리 및 알루미늄에 비해 낮은 열전도성을 가진다.
본 발명의 목적은 냉각장치로의 열 전달이 특히 효과적인 변환기 장치의 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징을 포함하는 방법 및 청구항 8의 특징을 포함하는 장치에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명의 개념은 유리하게 하나의 냉각장치 및 적어도 하나의 변환기 회로를 구비하도록 제조되는 변환기 장치에 기초한다. 한편, 이 경우 상기 냉각장치는 적어도 하나의 평탄부분인 주 영역 및 이 주 영역의 반대측의 복수의 냉각수단을 구비하는 금속 성형체로 구성된다.
한편, 적어도 하나의 변환기 회로는 복수의 제1의 도체 트랙을 구비하는 적어도 하나의 기판으로 구성되고, 적어도 하나의 전력 반도체 부품은 적어도 하나의 제1의 도체 트랙 상에 배치되고, 또 접속장치에 의해 적어도 하나의 추가의 전력 반도체 부품 및/또는 적어도 하나의 추가의 제1의 도체 트랙에 회로 적합식으로 접속된다. 상기 접속장치는 적어도 하나의 전기절연성 필름 및 하나의 도전성 필름으로부터 형성되는 것이 유리하다.
가능한 한 모든 변환기 회로의 도전성의 점착성 접속은 종래기술에 따라 가압 소결 접속법(pressure sintering connections)에 의해 실행된다. 본 발명에서도 변환기 회로는 냉각장치에 점착식으로 접속된다. 이것을 위해, 각 변환기 회로의 기판과 냉각장치의 주 영역의 각 평탄부분 사이의 접속은 압력소결 접속에 의해 구현된다.
금속 성형체를 포함하는 냉각장치를 포함하고, 또 변환기 회로의 추가의 부품들이 배치될 수 있는 적어도 하나의 기판을 포함하는 이 유형의 변환기 장치의 제조는 하기의 필수적 단계의 수순을 특징으로 한다.
- 냉각장치를 수용하기 위한 절개부를 가지는 압력소결장치의 압력 상대부재를 제공하는 단계로서, 상기 절개부가 상기 냉각장치의 네거티브 형으로서 구성되고, 상기 절개부는 냉각장치를 네거티브 형태로 완전히 모사할 필요가 없다. 상기 절개부는 냉각장치의 의도하지 않은 굴곡을 충분히 허용하는 정도로 형성되면 충분하다.
- 상기 압력 상대부재 내에 냉각장치를 배치하는 단계로서, 이 경우 냉각장치의 주 영역의 평탄 부분이 압력 상대부재의 주 영역과 동일면을 형성하거나 압력 상대부재와 정렬상태가 될 필요는 없다.
- 변환기 회로의 적어도 하나의 기판을 상기 냉각장치의 주 영역의 할당된 평탄 부분 상에 배치하는 단계로서, 상기 기판 및 냉각장치의 각 접촉영역이 접속될 영역에 소결이 가능한 표면을 구비하고, 적합한 정합성의 소결금속이 상기 접속될 영역들의 사이에 배치된다.
- 압력소결 접속을 형성하기 위해 상기 기판 및 냉각장치 상에 압력 및 온도를 도입하는 단계. 이것에 의해 소결금속으로 되는 높은 열전도성을 가지는 점착성 접속이 형성된다. 더욱, 이 유형의 압력소결 접속은 가능한 대안인 용접에 비해 장기간에 걸쳐 매우 안정하다.
본 발명의 방법에서, 네거티브 형을 형성하는 상기 냉각장치의 절개부는 그 절개부 내에 배치되는 냉각장치가 압력의 작용 하에서 상기 냉각장치의 주 영역에 대해 오목하게 변형되도록 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 냉각장치는 주 영역의 평탄 부분의 할당된 직선길이에 대해 2% 이하의 범위로 변형되어야 한다. 압력소결 과정의 이전 및 압력소결 과정의 수행 중에 냉각장치의 오목한 사전 만곡부에 의해 달성되는 것은 압력효과 및 온도효과의 종료후 주 영역의 평탄 부분이 상당한 정도의 오목한 만곡 또는 볼록한 만곡을 가지지 않는 것이다.
더욱, 전력 반도체 부품 및 추가의 접속장치는 냉각장치에 접속이 완료된 기판 상에 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 전력 반도체 부품 및 관련된 접속장치가 기판 상에 사전에 배치되고, 그 후 기판을 냉각장치에 접속시키는 것이 생산 공학면에서 더욱 효과적이다.
특히, 기판 및 냉각장치 사이의 대면적 압력소결 접속의 경우, 금속 성형체를 현저히 낮은 탄성계수를 가지는 다양한 금속재료로 형성하는 것이 바람직하다. 적어도 99%의 순도를 가지는 순수 알루미늄이나 열처리된 구리는 이 목적을 위한 금속재료로서 적합하다.
본 발명은 냉각장치로의 열 전달이 특히 효과적인 변환기 장치의 구조 및 그 제조방법을 얻는다.
도 1은 본 발명에 따른 변환기 장치를 도시한다.
도 2는 변환기 장치의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법의 제1의 구조의 단계를 도시한다.
도 3은 도 2에 따른 변환기 장치의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법의 제2의 구조의 단계를 도시한다.
이하, 도 1 내지 도 3의 예시적인 실시예에 기초하여 본 발명의 개념을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 변환기 장치를 정확한 축적에 따르지 않고 도시한 것이다. 상기 변환기 장치는 복수의 냉각수단(12)을 포함하는 냉각장치(10) 및 상기 냉각수단(12)의 반대측의 2개의 평탄부분(16, 18)을 구비하는 주 영역(main area; 14)으로 구성된다. 냉각장치(10) 자체는 적어도 99%의 알루미늄 함량을 구비하는 순수 알루미늄으로 구성된다. 상기 순수 알루미늄은 냉각장치용으로 통상 이용되는 알루미늄 합금에 비해 20% 이상 낮은 탄성계수/전단탄성계수를 가진다. 순수 알루미늄 대신 열처리된 구리 또는 탄성계수가 적절히 낮은 다른 금속재료를 사용하는 것도 가능하다.
변환기 회로(20)의 할당된 각 기판(30 a/b)은 절연물질체(32) 및 각 주 영역 상의 도전 트랙(34 a/b, 36)을 구성되는 것으로서 상기 평탄부분(16, 18) 상에 점착된다. 이 점착접속은 상기 평탄부분이 높은 열전도성을 가지므로 압력소결 접속(60)이다. 동시에, 이 압력소결접속(60)은 순수 알루미늄으로 구성되는 냉각장치(10)의 전술한 구조와의 조합에 의해 가동 중 온도변화가 발생하는 경우에도 현저히 높은 내구성을 가진다.
변환기 회로(20)는 각 기판(30 a/b)으로 구성되고, 이 기판은 각각 복수의 제1의 도체 트랙(34 a/b)을 냉각장치(10)로부터 이격된 측에 구비한다. 제1의 기판(30a) 상에서 전력 반도체 부품(50)은 상기 도체 트랙(34a) 중의 하나의 도체 트랙 상에 배치된다. 상기 전력 반도체 부품(50)은 회로 적합식으로 동일 기판(30a)의 추가의 제1의 도체 트랙(도시생략) 및 제2의 기판(30b)의 도체 트랙(34b)에 접속된다.
이 회로 적합식 전기적 접속을 위해 접속장치(40)가 제공되고, 상기 접속장치는 하나의 전기절열성 필름(44) 및 2개의 도전성 필름(42, 46)이 교대로 적층되어 형성된 것이다. 상기 접속장치(40)는 추가의 전력 반도체 부품(도시생략)에의 접속을 위해서도 사용될 수 있다. 접속장치(40)와 전력 반도체 부품(50) 및 제1의 도체 트랙(34 a/b) 사이의 전기적 접속도 압력소결접속(60)으로 구현된다.
도 2 및 도 3에 일부의 단계가 도시된 각 압력소결 접속(60)을 형성하기 위해, 각 접속 대상들의 접속영역(62), 기판 및 냉각장치의 평탄부분은 적합한 표면을 가진다. 종래기술에 따라, 이들 표면은 소결금속층(60)이 개재되는 귀금속 표면이다.
도 2는 변환기 장치(20)를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 제1의 구조의 단계를 도시한다. 도 2는 압력소결장치의 압력 상대부재(pressure counterpart; 70) 내의 냉각장치(10) 및 기판(30)의 배치를 개략적으로 도시한다. 이 도면에는 예를 들면 압력소결 접속의 관점에서 압력을 가하기 위한 압력장치와 같은 추가의 부재는 도시되어있지 않다. 본 발명에 따라, 냉각장치(10)는 그 주 영역(14) 상에 평탄부분(16)을 구비하고, 그 주 영역 상에 기판(30)이 추가의 부품없이 배치된다. 냉각장치(10)의 금속 성형체(100)는 더욱 판상의 부분체(partial body; 102) 및 이 부분체 상의 상기 주 영역(14)으로부터 원격측에 복수의 냉각수단(12)을 구비한다. 상기 냉각수단(12)는 종래기술에 따라 매끈한 표면 또는 파형 표면을 가지는 냉각핀들이다. 상기 냉각수단(12)의 사이에서 성형체(100)는 평평한 중간영역(104)를 구비한다.
냉각장치(10)의 성형체(100)를 수용하기 위해, 압력 상대부재(70)는 절개부(cut-out; 72)를 구비한다. 이 절개부는 냉각장치(10)의 일부가 압력 상대부재(70)로부터 돌출하도록 형성된다. 압력 상태부재(70)는 더욱 성형체(100)의 중간영역(104)의 방향으로 상향 돌출하는 지지대(76)의 상측면을 형성하는 복수의 지지 영역(bearing areas; 74)을 구비한다. 중간영역(104)은 냉각장치(10)의 성형체(100) 상에 압력이 가해지면 상기 지지 영역(74) 상에 위치된다.
냉각수단(12)은 압력 상대부재(70)의 지지대(74) 사이의 공간을 형성하는 절개부(72)의 수용부(receptacles; 76) 내에 상기 공간의 가장자리부(78) 및 저벽 영역(80)과 접촉하지 않는 상태로 진입된다.
압력 상대부재(70)의 지지 영역(74)은 냉각장치(10)의 주 영역(14)에 평행한 횡방향의 적어도 일측에, 그러나 바람직하게는 횡방향의 양측에 오목 영역을 형성하도록 구성하는 것이 유리하다. 그 결과, 압력 상대부재(70)의 절개부(72)는 냉각장치(10)의 성형체(100)를 수용하기 위한 네거티브 형(negative form)을 형성하고, 압력이 작용하면 상기 성형체는 상기 성형체의 주 영역(14)에 대해 오목하게 변형된다. 이 경우, 변형은 가능한 2%를 초과하지 않도록, 즉 변형된 영역의 중앙의 만곡부(D, 도 3 참조)가 상면에 기판(30)이 배치되는 제1의 주 영역(14)의 평탄부분(16)의 직선거리(L, 도 3 참조)의 2%를 초과하지 않도록 주의해야 한다.
상기 변형성을 확보하기 위해, 적어도 99%의 순도, 바람직하게는 99.5%의 순도를 가지는 순수 알루미늄, 또는 열처리된 구리가 냉각장치(10)의 성형체(100)의 재료로서 사용된다. 특히, 이들 재료가 사용되는 경우, 용도에 의해 제어되는 식으로 변화되는 동작 온도 하의 전력 반도체 모듈 내에서 대면적의 압력소결 접속(60)이 현저히 강고하게 적용되고, 또 열전도성 페이스트에 비해 현저히 우수한 열전도성을 가진다.
도 3은 변환기 장치를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 제2의 구조에서 도 2에 따른 단계를 도시한다. 이 경우에도, 도면은 압력소결장치의 압력 상대부재(70)의 절개부(72) 내에 배치된 냉각장치(10)의 성형체(100)를 단면도 및 평면도로서 도시한다. 절개부(72)의 네거티브 형의 구조는 외측의 평탄 영역 부분(84) 및 중앙의 오목 영역 부분(86)을 구비하는 베이스 영역(82)을 가진다. 이 경우, 오목 영역 부분(86)이 반드시 베이스 영역(82)의 중앙에 위치하는 것은 아니다. 더욱, 오목 영역 부분(86)의 표면은 평탄 영역 부분(84)으로부터 오목 영역 부분(86)으로의 연속적인 천이가 가능하도록 하기 위해 구형상으로 구성되지 않는다.
냉각장치(10)의 성형체(100)는 마찬가지로 판상 부분체(102) 및 이 부분체 상에 배치된 냉각수단(12)을 구비한다. 이 냉각수단은 가장 간단한 경우 모두 동일한 길이를 가지지만 이것은 필수 사항이 아니다. 성형체(100)를 다른 기하학적 구조로 하기 위해, 상기 압력 상대부재(70)의 절개부의 베이스 영역(82)은 그 구조에 대응하도록 맞추어질 수 있다. 더욱, 변환기 회로(20)는 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이 냉각장치(10)의 주 영역(14)의 평탄 부분(16) 상에 배치된다. 상기 변환기 회로(20)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 냉각장치(10)로부터 원격위치의 측면 상에 복수의 도체 트랙(34)을 구비한다. 전력 반도체 부품(50)은 상기 도체 트랙(34) 상에 배치되어 상호 간에 및/또는 도체 트랙에 회로 적합식으로 접속된다. 이 접속은 전술한 접속장치(40)에 의해 수행된다.
본 도면은 마찬가지로 압력이 가해지지 않은 상태의, 즉 냉각장치(10)의 성형체(100)의 주 영역(14)이 평탄한 상태의 제조단계를 도시한다. 변환기 회로(20)를 통해 냉각장치(10)에 압력이 가해지는 경우, 상기 냉각장치는 사전에 형성된 네거티브 형으로 변형된다. 이를 위해, 냉각장치(10)의 성형체(100)가 현저히 낮은 탄성계수를 가지는 경우 특히 유리하다. 순수 알루미늄은 이와 같은 요구조건에 특히 부합되는 재료이다.
이 경우에도 마찬가지로, 압력의 작용 하의 변형은 네거티브 형의 변형된 영역의 중앙의 만곡부(D)가 제1의 주 영역(14)의 평탄 부분(16)의 직선거리(L)의 2%를 초과하지 않도록 주의해야 한다.
10: 냉각장치(cooling device)
16, 18: 평탄 부분(planar section)
20: 변환기 회로(converter circuit)
30 a/b: 기판(substrate)
34 a/b: 제1의 도체 트랙(first conductor track)
40: 접속장치(connecting device)
60: 소결금속(sintering metal)
62: 접촉영역(contact area)
70: 압력 상대부재(pressure counterpart)
72: 절개부(cut-out)
100: 금속 성형체(metallic shaped body)

Claims (10)

  1. 주 영역(14)의 적어도 하나의 평탄 부분(16, 18) 및 복수의 냉각수단(12)을 구비하는 금속 성형체(100)를 포함하는 냉각장치(10) 및 추가의 변환기 회로(20)의 부품(50)이 배치될 수 있는 적어도 하나의 기판(30 a/b)을 포함하는 변환기 장치의 제조방법으로서,
    - 냉각장치(10)를 수용하기 위한 절개부(72)를 가지는 압력소결장치의 압력 상대부재(70)를 제공하는 단계;
    - 상기 압력 상대부재(70) 내에 냉각장치(10)를 배치하는 단계;
    - 상기 기판(30 a/b) 및 냉각장치(10)의 각 접촉영역(62)이 접속될 영역에 소결이 가능한 표면을 구비하고, 정합성의 소결금속(60)이 상기 접속될 영역들의 사이에 배치되고, 변환기 회로(20)의 적어도 하나의 기판(30 a/b)을 상기 냉각장치(10)의 주 영역(14)의 할당된 평탄 부분(16, 18) 상에 배치하는 단계;
    - 압력소결 접속을 형성하기 위해 상기 기판(30 a/b) 및 냉각장치(10) 상에 압력 및 온도를 가하는 단계를 포함하는 변환기 장치의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압력 상대부재(70)의 절개부(72)는 내부에 배치되는 냉각장치(10)가 압력의 작용 하에서 상기 냉각장치의 주 영역(14)에 대해 오목하게 변형되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변환기 장치의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 냉각장치는 상기 주 영역(14)의 평탄 부분(16, 18)의 할당된 직선거리(L)에 대해 2% 이하만큼 변형되는 것을 특징으로 하는 변환기 장치의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 전력 반도체 부품(50) 및 추가의 접속장치(40)는 상기 추가의 접속장치가 냉각장치(10)에 접속된 이후에 상기 기판(30 a/b) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 변환기 장치의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 전력 반도체 부품(50)이 상기 기판(30 a/b) 상에 배치되고, 그 후에 기판(30 a/b)이 상기 냉각장치(10)에 접속되는 것을 특징으로 하는 변환기 장치의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 성형체(100)는 알루미늄 합금에 비해 낮은 탄성계수를 가지는 금속재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 변환기 장치의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 금속재료는 적어도 99%의 순도를 가지는 순수 알루미늄 또는 열처리된 구리인 것을 특징으로 하는 변환기 장치의 제조방법.
  8. 주 영역(14)의 적어도 하나의 평탄 부분(16, 18) 및 복수의 냉각수단(12)을 구비하는 금속 성형체(100)를 포함하는 냉각장치(10) 및 복수의 제1의 도체 트랙(34 a/b)을 가지는 적어도 하나의 기판(30 a/b)을 포함하는 적어도 하나의 변환기 회로(20)를 포함하는 변환기 장치로서, 적어도 하나의 전력 반도체 부품(50)이 적어도 하나의 제1의 도체 트랙(34 a/b) 상에 배치되고, 접속장치(40)에 의해 적어도 하나의 추가의 전력 반도체 부품(50) 또는 적어도 하나의 추가의 제1의 도체 트랙(34 a/b)에 접속되고, 압력소결 접속에 의해 점착성 접속이 상기 냉각장치(10)의 주 영역(14)의 평탄 부분(16, 18) 및 상기 변환기 회로(20)의 사이에 형성되는 변환기 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 금속 성형체(100)는 알루미늄 합금에 비해 낮은 탄성계수를 가지는 금속재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 변환기 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 금속재료는 적어도 99%의 순도를 가지는 순수 알루미늄 또는 열처리된 구리인 것을 특징으로 하는 변환기 장치.
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