KR102254469B1 - 전력 전자 회로의 냉각 - Google Patents

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Abstract

전력 전자 회로를 냉각하기 위한 방법으로서, 인쇄회로기판(102)은 규정된 회로 기판 공정에 따라 제조되고 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110)를 구비하며, 상기 인쇄회로기판(102)의 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 금속 도체 트랙(120) 상의 적어도 하나의 지점이 적어도 하나의 금속 요소(104)와 접촉되며, 상기 적어도 하나의 금속 요소는 전기 전도성 및 열 전도성이고, 그 높이가 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110)의 높이와 적어도 동일하도록 설계되며, 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110) 및/또는 적어도 하나의 금속 요소(104) 상에 냉각판(116)이 평탄하게 배치된다.

Description

전력 전자 회로의 냉각{COOLING OF POWER ELECTRONIC CIRCUITS}
본 발명은, 인쇄회로기판 상의 적어도 하나의 도체 트랙이 열 소산 가능성과 관련하여 설계되는, 전력 전자 회로를 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 방식으로 설계된 인쇄회로기판이 청구된다.
종래의 전력 전자 시스템은 일반적으로, 예를 들어 사이리스터 및 (통상의 기술자가 "Isolated gate bi-polar transistors"를 축약해서 지칭하는) IGBT와 같은 분산형 전기 컴포넌트, 나사 연결부들 및 버스 바아들(busbar)과 함께 구현된다. 대조적으로, 최근의 파워 트랜지스터는 일반적인 회로 기판 내에 고전력 회로를 집적할 수 있게 한다. 그러나 35㎛의 전형적인 금속 두께를 갖는, 통상의 기술자에 의해 "printed circuit board" 또는 PCB라고 불리는 그러한 회로 기판들은 고전류를 전도하거나 이의 폐열을 흡수하는 것이 불가능하다.
예를 들어, 미국 특허 공보 US 9,496,799 B2호에 기술된 모듈식 멀티-레벨 컨버터와 같은 최신의 모듈식 전력 전자 시스템은, 상기 멀티-레벨 컨버터에 포함된 저전압 반도체에 의해 스위칭될 수 있는 더 작은 비율로 고전력을 분할한다. 그러나, 상기 고전력 및 고전류를 상기 최신 전력 전자 시스템을 통해 인쇄회로기판 상으로 전도하는 것이 필요하다.
또한, 최신 고속 스위칭 전력 반도체는 이들의 속도를 사용할 수 있도록 하기 위해 초소형 회로 구현이 필요하다. 그 배경에는 특히, 물리적으로 대형 회로 설계의 경우에 야기되는 높은 기생 인덕턴스가 있다. 기생 인덕턴스에 저장된 자기 에너지는 스위칭 과정에서 의도치 않게 방전될 수 있으며, 의도치 않은 스위칭 과전압을 발생시켜 부품을 손상시키거나 파손시킬 수 있다. 그러나, 선행 기술의 인쇄회로기판은 더 두꺼운 구리로 이루어진 복수의 층을 포함하며, 그 결과 인쇄회로기판이 두꺼워진다. 따라서, 일반적으로 최상부 층 및 최하부 층에 연결된 부품들이 서로 큰 간격을 갖게 됨으로써, 전류가 걸쳐 있는 영역 및 이에 따른 기생 인덕턴스가 크게 증가한다.
공보 US 5,214,309호는 파워 트랜지스터로부터의 열을 방출하기 위한 두꺼운 금속편을 갖는 회로 기판을 설명한다.
일반적인 회로 기판은 일반적으로 약 35㎛ 내지 70㎛의 두께를 갖는 소정의 개수의 구리층들로 제조되는 반면, 선행 기술에서는 매우 유사한 제조 방법을 사용하여 400㎛ 이상의 소수의 층들을 갖는 인쇄회로기판을 제조하기 위한 옵션이 현재 알려져 있다. 표준 인쇄회로기판에서와 마찬가지로, 구리층은 완전 전해(갈바니) 방식으로 증착되거나, 금속 필름으로서 적층된 다음, 포토레지스트로 (양성 또는 음성으로) 코팅되며, 이는 상응하는 패턴에 의해 양성 또는 음성으로 노광되고 현상된 다음, 최종적으로 포토레지스트에 의해 더 이상 커버되지 않는 표면을 습식 화학적 방식으로 에칭하기 위해, 부분적으로 제거된다. 그러나, 구리의 에칭은 전반적으로 등방성 단방향이기 때문에, 측면으로부터도 포토레지스트에 의해 아직 덮여 있는 구리 영역 내로 에칭된다. 따라서, 가능한 구조체의 분해능은 층 두께에 따라 감소된다. 그렇지 않으면, 회로 기판의 상이한 층들을 예를 들어 스루홀(through-hole), 이른바 비아(via)를 통해 국부적으로 연결하기 위해, 확립된 거의 모든 방법들이 제조 시 사용될 수 있다. 인쇄회로기판 상의 고전류 경로는 선행 기술에서 예를 들어 수직으로 배열된 버스 바들에 의해 형성된다.
상기 버스 바는 일반적으로 스루홀 기술을 사용하여 실장되며, 표면 실장 소자 또는 SMD 기술도 고려될 수 있다.
두꺼운 구리의 에칭은 보통 1 밀리미터보다 훨씬 더 작은 층 두께로 제한되기 때문에, 수 밀리미터의 더 큰 두께의 경우에는 흔히 이른바 인레이(inlay)가 생성된다. 인레이는 필요한 형상에 따라 구리에서 절단된 다음 회로 기판에 매립된다. 인레이는 일반적으로 회로 기판의 내부층에 삽입된다. 삽입된 고체 구리 요소의 평면에서 발생하는 공극들은 일반적으로 프리프레그(preimpregnated fibers)와 같은 재료로 채워져야 한다.
선행 기술에서는, SMD 반도체용 회로 기판에서 표면 상에 하나의 인레이 평면 및 경우에 따라 상기 인레이 평면의 위 또는 아래에 놓인, 일반적으로 에칭된 몇몇 인쇄회로기판 층들만 제공되지만, 이 경우 중첩되는 전류 경로가 실현될 수 없다. 이 경우, 복수의 인레이 층을 매립하는 것이 고려될 수 있지만, 표면으로부터 적층된 모든 인레이 층들로의 비용 효율적인 전도성 연결 또는 관통 접속이 표준 방법을 사용해서는 불가능하다는 문제가 있다. 고전류 및/또는 열 방출을 위해 각각 더 멀리 떨어진 층들을 연결하는 작업은 어렵고, 비용이 많이 들 수 있다.
예를 들어, 트랜지스터와 같은 많은 최신 전자 컴포넌트는 전기 접점을 통해 도체 트랙 내로 이들의 열을 방출할 수 있도록 설계되어 있다. 인레이 기술에서는, 열이 인레이의 두꺼운 구리 내로 매우 양호하게 방출될 수는 있다. 하지만, 그에 이어서, 일반적으로 예를 들어 유리 섬유 복합 재료로 이루어진 열 절연성 인쇄회로기판의 내부에 열 에너지가 고착되는 문제점이 있다. 이 열은 이어서 복잡한 방식으로 인레이로부터 방출되어야 한다.
열 방출과 관련하여, 미국 특허문헌 US 2001/0038310 A1호는 파워 트랜지스터 모듈의 베이스 플레이트 및 회로 기판에 연결된 히트 싱크를 기술한다. 그러나, 고온용의 많은 전력 컴포넌트가 승인되었지만, 인쇄회로기판 상에는 일반적으로, 예를 들어 85℃를 초과하면 안되는 저항과 같은 표준 부품 및 종래의 IC가 마찬가지로 위치되는 문제점이 있다. 그러나, 이들은 일반적으로 냉각 경로 상에서 냉각 장치보다 열원에 더 가까이 있다. 따라서, 이들 부품은 냉각 장치가 열원에 직접 위치된 경우보다 더 고온으로 가열된다. 기술적으로, 이는 대개 더 큰 치수의 냉각 장치를 필요로 한다.
공보 US 2012/0236500 A1호에는 냉각액이 유동하는 라인으로부터 전기 절연 수지형 재료에 의해 분리된 전력 컴포넌트들을 갖는 회로 기판이 개시되어 있다.
인레이를 갖는 인쇄회로기판의 경우, 도체와 컴포넌트들이 서로 적층되어야 하고, 인레이 층마다 교차가 수행될 수 없기 때문에, 인쇄회로기판의 두께가 크게 증가한다는 점에 유의해야 한다.
이러한 배경에서 본 발명의 과제는, 인쇄회로기판 상의 전력 전자 회로를 위해, 특히 이의 도체 트랙을 위해, 열 방출을 구현하거나 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 상응하게 설계된 인쇄회로기판을 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본원에서 청구하는 전력 전자 회로의 냉각 방법에서, 인쇄회로기판은 규정된 회로 기판 공정에 따라 제조되고 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트를 구비하며, 인쇄회로기판의 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 금속 도체 트랙 상의 적어도 하나의 위치가 적어도 하나의 금속 요소와 접촉되며, 상기 적어도 하나의 금속 요소는 전기 전도성 및 열 전도성이고, 그 높이가 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트의 높이와 적어도 동일하도록 설계되며, 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트 및/또는 적어도 하나의 금속 요소 상에 냉각판이 실질적으로 평탄하게, 다시 말해 눈에 띄는 경사 또는 눈에 띄는 융기부, 함몰부 또는 만곡부 없이, 배치된다.
도체 트랙 상의 선택된 위치에서 접촉된 금속 요소를 통해 높은 전류 전도성, 높은 열 전도성, 및 높은 열용량이 국부적으로 제공되며, 이때 전류는 바람직하게 열 수송 방향에 대해 수직으로 수송된다. 이는 전류를 전도하지 않고 열만 방출하는 역할을 하는 인쇄회로기판 상에 직접 배치된 히트 싱크의 이전의 구현들과는 대조적이다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 통해, 고전류 라인 및 전력 전자 컴포넌트들은 하나의 평면에서, 특히 표면에서 결합되고, 이때 각각의 높이는 합산되지 않는다. 본 발명에 따른 방법의 추가적인 장점은 선행 기술에 공지된 회로 기판 공정으로 인쇄회로기판이 제조될 수 있다는 것이다. 인쇄회로기판에 적어도 하나의 금속 요소 및 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트를 장착하기 위해서도 선행 기술에 공지된 방법이 이용된다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 도체 트랙을 위한 층 두께는 회로 기판 공정에서 18㎛, 35㎛, 70㎛, 105㎛, 210㎛, 360㎛ 중에서 선택된다. 위의 리스트는 다른 층 두께들을 배제하려는 의도가 아니라, 단지 선행 기술에 따른 제조 공정에서 일반적인 층 두께들을 인용한 것일 뿐이다. 예를 들어, 각각의 층 두께는 광화학적으로 구조화된 습식 화학적 에칭 방법으로 제조될 수 있으며, 더 얇은 층 두께는 IC 내지는 집적 회로의 경우 소형 구조체에 대한 상응하게 더 높은 분해능을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은, 한편으로는, 선행 기술로부터 공지된 각각의 회로 기판 공정의 적용 가능성으로 인해, 제어 IC 또는 다양한 트랜지스터를 위한 도체 트랙들에 대한 높은 분해능을 달성하는 것을 가능하게 하며, 예를 들어, 게이트 핀의 단자가 초미세형이 될 수 있다. 다른 측면에서는, 선택된, 예를 들어 전력 전자 컴포넌트의 도체 트랙이, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 통해 인쇄회로기판의 표면 상에서 국부적으로 강화될 수 있다.
그러나, 선행 기술의 버스 바와 대조적으로, 배치된 적어도 하나의 금속 요소는 수직으로 배치되는 것이 아니라, 적어도 하나의 위치에서 평탄한 표면을 형성한다. 그 결과, 냉각판과의 접촉면이 생성된다. 각각의 금속 요소는 펀칭 또는 워터젯 절삭 또는 밀링 또는 레이저 절삭에 의해 원하는 형상을 획득할 수 있다.
바로, 회로 기판을 기반으로 하는 현재의 전력 전자 회로에서는, 전류 라인과 더불어 중앙 열원이 예를 들어 트랜지스터와 같은 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트에 의해, 또는 접촉점들에 의해, 또는 예를 들어 전력 공급부로의 연결점들에 의해 제공된다. 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 전류 전도를 위해 사용되는 적어도 하나의 금속 요소 및 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트는 냉각판에 의해 동시에 냉각되고, 그럼으로써 인쇄회로기판도 냉각된다. 인쇄회로기판은 일반적으로 전력 전자 컴포넌트보다 훨씬 더 낮은 한계 온도를 견디는 저항, 커패시터 및 IC와 같은 추가 전자 컴포넌트를 포함한다. 대조적으로, 예를 들어, 트랜지스터들만 직접 냉각되는 선행 기술에서는, 트랜지스터들이 동시에 그들의 접점을 통해 인쇄회로기판으로 열을 방출하고, 그 결과 상기 인쇄회로기판은 냉각된 트랜지스터들보다 더 높은 온도로 가열된다. 트랜지스터의 일반적인 설계는 인쇄회로기판의 바닥면 상의 각각의 전력 공급부로부터 냉각시키는 것에 불과하지만, 냉각은 트랜지스터의 상부면에서의 열적 접촉에 의해 지원될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 적어도 하나의 금속 요소에 대해 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트의 높이와 동일한 높이가 선택된다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 적어도 하나의 금속 요소에 대해 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트의 높이보다 더 큰 높이가 선택된다. 이 경우, 평탄하게 놓이는 냉각판은, 전력 전자 컴포넌트와 열적으로 접촉되지 않으면서, 적어도 하나의 금속 요소를 단독으로 냉각시킨다.
본 발명에 따른 방법의 추가적인 실시예에서, 한 지점에 배치된 적어도 하나의 금속 요소는 섹션들로 분할된다. 이는 적어도 하나의 금속 요소가 길다란 형상인 경우에 특히 필요하다. 인쇄회로기판의 상부면 상의 긴 금속편은 예를 들어 가열 또는 냉각 시, 인쇄회로기판의 기판과는 상이한 선형 팽창 경향이 나타난다. 이 경우, 적어도 납땜 공정에서는, 상승한 온도에서 이미 실장이 수행된다는 점을 유의해야 한다. 따라서, 길다란 형태의 각각의 금속 요소를 2개 이상의 섹션으로 분할하는 것이 유리하다. 부수 효과로서, 제조 사이즈가 더 작으면 재료 스크랩의 발생 가능성도 낮아진다. 그 다음, 실장 시, 열에 기인한 선형 팽창을 보상하기 위해, 섹션들은 길이 방향으로 상호 간에 소정의 갭을 갖는다. 필요한 경우, 예를 들어 갈바니 방식으로 또는 납땜 공정을 통해, 섹션들 아래에 놓이는 금속 도체 트랙으로의 접촉을 위해 충분한 접근도 의도된다. 인쇄회로기판 상의 얇은 도체 트랙의 갭에서 높은 전류 밀도를 방지하기 위해, 횡방향으로의 적절한 성형 또는 연신(stretching)을 통해 종방향으로 발생하는 갭을 구성하는 것이 유리하다. 이와 관련하여 도 3도 참조한다. 그럼으로써, 한편으로는 전류 경로가 확대됨으로써 유효 저항이 감소된다. 다른 한편으로는, 팽창으로 인한 종방향 공차가 횡방향 공차보다 더 큰 점을 이용할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 횡방향 틈새가 더 짧게 유지될 수 있고, 전류 경로 길이는 더 낮은 저항 덕택으로 다시 감소한다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 냉각판은 액체가 유동하는 금속판, 또는 예를 들어 히트 싱크와 같은 특별히 확대된 표면을 갖는 금속편, 또는 열 전도체 중 하나로서 선택된다. 열 전도체는 예를 들어, 열 전도판, 흑연 요소 또는 소위 열 파이프에 의해서도 형성된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 전력 전자 회로의 냉각은 인쇄회로기판의 상부면 및 바닥면 모두로부터 수행된다. 본 발명에 따라, 인쇄회로기판의 상부면 상의 적어도 하나의 제1 금속 요소는 인쇄회로기판의 상부면 상의 적어도 하나의 제1 전력 전자 컴포넌트와 적어도 동일한 높이를 가지며, 이와 마찬가지로 인쇄회로기판의 바닥면 상의 적어도 하나의 제2 금속 요소는 인쇄회로기판의 바닥면 상의 적어도 하나의 제2 전력 전자 컴포넌트와 적어도 동일한 높이를 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트와 적어도 하나의 금속 요소 간에 약간의 높이차를 상쇄시키기 위해, 냉각판과의 접촉면에 적어도 하나의 갭 패드가 배치된다. 적어도 하나의 갭 패드는 바람직하게 높은 열 전도성을 갖는다. 또한, 상기 갭 패드는 가요성 재료로 형성되며, 그 결과 냉각판에 의해 접촉되는 개별 컴포넌트들 간의 작은 높이차가 상쇄되고, 기계 응력이 방지된다.
본 발명에 따른 방법의 추가적인 실시예에서, 적어도 하나의 금속 요소는 상기 금속 요소에 의해 접촉된 도체 트랙의 표면 영역을 넘어서 돌출하도록 설계된다. 본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 도체 트랙의 표면 영역을 넘어서 돌출하는 금속 요소의 부분은 인쇄회로기판을 실장하는 데 이용된다. 바람직하게는, 인쇄회로기판의 적어도 2개의 측면에서 인쇄회로기판을 넘어서 돌출하는 각각의 금속 요소에, 외부 단자와의 전기적 연결이 수행되고 그리고/또는 배터리 하우징 내에서 회로 기판의 기계적 고정이 수행되는 연결점 및/또는 나사 결합점이 제공된다. 특히, 각각의 돌출하는 금속 요소에 의한 기계적 고정은, 예를 들어 유리 섬유 강화 플라스틱(약어로 GFRP)과 같은 인쇄회로기판 재료가 접촉 압력에 의해 열적으로 또는 기계적으로 손상되지 않게 하는 역할을 한다. 바람직하게는, 회로 기판을 배터리 하우징에 나사 결합하기 위해, 결합된 상태에서의 높이가 냉각판을 포함한 회로 기판의 높이를 초과하지 않는 나사가 사용된다. 바람직하게는, 돌출하는 금속 요소가 배터리 하우징 내 연결점들과도 용접 또는 납땜될 수 있다. 각각의 금속 요소가 이미 회로 기판 상에 설치된 경우, 각각의 금속 요소는 인쇄회로기판 내로의 윈도우 밀링(window milling)에 의해서도 노출될 수 있다. 압입 끼워맞춤 연결에 의한 실장도 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 적어도 하나의 금속 요소를 위한 재료로서 구리 또는 알루미늄이 선택된다. 그러나, 본 발명에 따른 방법은 다른 도체 재료가 선택되는 경우에도 적용 가능하다. 바람직하게는 구리 및 알루미늄이 높은 열 전도성 및 전기 전도성을 제공한다. 구리, 그리고 접촉될 표면으로서의 구리에서 구리-알루미늄 적층물(copper-aluminum laminates)이 재료로서 직접 사용될 수 있다. 필요한 경우, 예를 들어, 디버어링(deburring), 연마, 피클링(pickling) 및 여타의 더 많은 공정과 같은, 표면 산화물 제거를 위한 공정 단계가 수행되어야 한다. 알루미늄, 그리고 접촉될 표면으로서의 알루미늄에서 구리-알루미늄 적층물도, 납땜 공정을 제외하고, 마찬가지로 재료로서 직접 사용될 수 있다. 납땜 공정의 경우에는, 예를 들어 선행된 피클링 후에 전기 도금에 의해 전기 화학적으로, 알루미늄을 납땜 가능한 금속으로 커버하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 적어도 하나의 금속 요소와 도체 트랙의 접촉은 예를 들어 리플로우 공정에서 납땜 페이스트를 이용한 납땜에 의해, 또는 예를 들어 바람직하게 압입 끼워맞춤 연결에 의한 피닝(pinning)에 의해, 또는 리벳팅에 의해 구현된다. 인쇄회로기판에 적어도 하나의 금속 요소를 장착하는 과정은 다른 전기 부품들의 실장 이후에 또는 이들과 동시에 수행될 수 있다. 따라서, 인쇄회로기판은 종래와 같이 장착될 수 있고, 땜납은 다른 부품들이 방해되는 일이 없이 스크린 인쇄로 페이스트로서 도포될 수도 있다.
일반적으로 회로 기판과 컴포넌트들의 전기적 및 열적 접촉이 필요하다. 이는 일반적으로 인쇄회로기판의 구조화된 도체 트랙을 통한 접촉을 통해 수행된다. 인쇄회로기판의 도체 트랙으로부터의 전류 및 열의 유입이 예상되는 곳에서는, 물리적으로 전자 열수송을 통해 동시에 열 전도를 구현하는 전기적 접촉이 수행되어야 한다. 그러나, 적어도 전류가 금속 요소 내로 또는 금속 요소 밖으로 흐르도록 의도된 지점에서는, 각각의 금속 요소의 전체 바닥면에 대한 광범위한 접촉이 수행될 필요가 없다.
또한, 규정된 회로 기판 공정을 사용하여 제조되고, 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트가 장착된 인쇄회로기판이 청구되며, 이 인쇄회로기판은 그의 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 금속 도체 트랙 상의 적어도 하나의 지점에 적어도 하나의 금속 요소를 더 구비하고, 상기 금속 요소의 높이는 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트의 높이와 적어도 동일하며, 상기 인쇄회로기판은 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트 및/또는 적어도 하나의 금속 요소 상에 평탄하게 배치되는 냉각판을 포함한다.
본 발명에 따른 인쇄회로기판의 개선예에서, 도체 트랙은 회로 기판 공정에서 18㎛, 35㎛, 70㎛, 105㎛, 210㎛, 360㎛ 중에서 선택된 층 두께를 갖는다.
본 발명에 따른 인쇄회로기판의 또 다른 개선예에서, 임의의 지점에 배치된 적어도 하나의 금속 요소는 복수의 섹션을 포함한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 또 다른 개선예에서, 상기 인쇄회로 기판은 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트 및/또는 적어도 하나의 금속편과 냉각판 사이에 부가적으로 갭 패드를 갖는다.
본 발명의 추가적인 장점들 및 구성들은 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조한다.
전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 본 발명의 범주 내에서, 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 일 실시예의 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예들로 형성된, 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 일 실시예를 위한 복수의 금속 요소의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 실시예들에서 스탬핑될 금속편들 및 경우에 따라 이들의 섹션들을 위한 복수의 템플릿의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 인쇄회로기판을 넘어서 돌출하는 금속 요소상의 실장 실시예와 함께 나타낸, 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 일 실시예의 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한, 인쇄회로기판 상으로의 금속 요소의 피닝을 도시한 개략적 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한 상이한 납땜 공정들을 포함하는, 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 2개의 개략적 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위해 금속 요소를 납땜하기 위한 바닥면의 다양한 프로파일의 개략도이다.
도 8은 핀의 2가지 실시예의 개략도 및 핀들이 장착된 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 개략적 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한, 리벳을 사용한 실장의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한 리벳팅 시 코킹(caulking)의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한 리벳들의 납땜 가능성의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 한 단면의 개략도(100)를 도시한다. 회로 기판(102)은 내부 금속 도체 트랙(118)과, 양측 표면 상의 금속 도체 트랙들(120)을 가지며, 이들 도체 트랙은 수평으로 연장되고 금속성 비아(106)에 의해 수직 방향으로 연결될 수 있다. 회로 기판(102)은 상부면 및 바닥면에, 예를 들어 복수의 금속 요소(104) 및 전력 전자 컴포넌트들(110)과 함께 도시된 전자 부품들, 및 다른 부품의 실시예로서의 커패시터(114)가 구비된다. 각각의 금속 요소(104)는 회로 기판(102)의 각각의 표면 상에 연장되는 도체 트랙(120) 상에 배치된다. 상기 금속 요소는 편평한 상부면을 가지며, 각각의 전력 전자 컴포넌트(110)와 유사한 높이를 갖는다. 예를 들어 상기 금속 요소는 납땜에 의해 한 지점(108)에서 회로 기판(102)에 연결된다. 특히 전력 반도체 스위치일 수 있는 전력 전자 컴포넌트(110)는 동작 중에 열을 발생시키며, 상기 열은 전력 전자 컴포넌트(110)의 상부면 및 바닥면에서 열 경로를 나타내는 이중 화살표(122)로 표시된 바와 같이, 인접한 부품들로 전달될 수 있다. 열은 회로 기판(102)의 상부면의 도체 트랙(120)으로 전달된다. 금속으로서의 도체 트랙(120)은 일반적으로 높은 열 전도율을 갖기 때문에, 열은 도체 트랙(120)을 따라 회로 기판(102) 상에서 수평으로, 예를 들어 단방향 화살표(124)로 표시된 금속 요소(104) 쪽으로 확산되며, 상기 금속 요소는 열을 흡수하여 이 열을 본 발명에 따라 자신의 상부면을 통해 적절하게 배치된 냉각판(116)으로 방출할 수 있다. 회로 기판(102)의 상부면 상의 2개의 금속 요소(104)와 전력 전자 컴포넌트(110)의 상부면 상에 갭 패드가 놓이고, 상기 갭 패드는 그 위에 위치된 냉각판(116)에 대해, 상기 컴포넌트들 사이의 작은 물리적 두께차의 기계적 공차 보상을 제공하며, 높은 열 전도율을 갖는다. 냉각판(116)은 액체 냉각판, 냉각 전도 요소 또는 히트 싱크일 수 있다.
도 2는 인쇄회로기판을 위한 복수의 금속 요소의 개략도를 도시한다. 도면(210)은, 특히 예를 들어 도면 부호 216을 갖는 복수의 전력 전자 컴포넌트 및 금속 요소들(212)이 구비된 인쇄회로기판(214)의 사시도이다. 금속 요소(212)는 예를 들어, 도면(220)에서 판금(224)으로부터 영역(222)의 스탬핑을 통해 획득된다. 이 경우, 판금(224)은 사시도(226)에서 볼 수 있는 바와 같이, 금속 요소의 원하는 높이를 갖는다.
도 3은 스탬핑될 금속편들 및 경우에 따라 이들의 섹션들을 위한 복수의 템플릿의 개략도를 도시한다. 특히, 길다란 금속 요소의 경우에 갭을 형성하기 위한 옵션들이 도시되어 있다. 예를 들어 납땜을 통한 실장 시, 열에 기인한 재료 팽창때문에 길이 변동을 보상하기 위해, 그리고/또는 필요하다면 아래에 놓인 인쇄회로기판 금속 배선의 접촉을 위한 충분한 접근이 가능하도록 하기 위해, 섹션들 사이에 종방향으로 적어도 일정한 갭이 존재해야 한다. 도면들(310 및 320)은 갭(312) 또는 2개의 갭(322)의 각각의 경사 프로파일을 각각 도시한다. 도면(330)에서, 단차형 갭(332)은 이에 수직인 틈새보다 종방향으로 더 넓은 틈새(334)를 갖는다. 또한, 2개의 갭(342 및 344)은 이에 수직인 각각의 틈새보다 종방향으로 더 넓은 틈새를 각각 갖는다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 인쇄회로기판을 넘어서 돌출하는 금속 요소(404)에서의 실장 실시예와 함께 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 단면(400)의 개략도를 도시한다. 인쇄회로기판을 넘어서 돌출하는 금속 요소(404)에 보어가 설치되며, 이 보어를 통하여 나사(402)가 인쇄회로기판의 브래킷과 기계적 연결을 생성한다. 브래킷은 예를 들어 배터리 하우징 내에 배치될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 나사(402)가 전력 전자 컴포넌트들의 본 발명에 따른 배치에 의해 동일 평면에 구현된 낮은 높이를 넘어 돌출하지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한 인쇄회로기판(506) 상의 금속 요소(508)의 피닝의 사시도(500)를 개략도로 도시한다. 피닝이 인쇄회로기판을 관통하여 수직 방향으로 수행됨에 따라, 인쇄회로기판(506)의 금속 도체 트랙과 금속 요소(508)가 접촉된다. 여기서, 추가적인 납땜이 고려될 수 있을 뿐만 아니라, 이에 대한 대안으로서 냉간 용접을 허용하거나 심지어 필요로 하는 압입 끼워맞춤 연결에 의한 접촉도 고려될 수 있다. 압입 끼워맞춤 연결은 여기에서 예를 들어, 각진 단면을 갖는 핀(502)이 둥근 단면을 갖는 홀(504) 내로 관통될 수 있음으로써, 핀(502)의 에지가 상응하는 도체들로 절단되는 방식으로, 구현될 수 있다. 이 경우, 핀(502)은 냉각될 표면 상에서 돌출하지 않도록 금속 요소(508) 내로 깊게 밀어 넣어진다. 일반적으로, 핀(502)은 이중 기능을 갖는데, 요컨대 첫째로는 기계적 연결을 보장하기 위한 기능, 그리고 둘째로는 필요한 경우 인쇄회로기판(506) 상의 금속 도체 트랙과 금속 요소(508) 사이의 추가 접촉면에 의해 지원될 수 있는 최소 전류 전도를 구현하기 위한 기능을 갖는다. 특히, 압입 끼워맞춤 연결은, 금속 요소(508)가 알루미늄으로 형성된 경우, 확실한 접촉이 형성될 수 있다는 장점을 갖는다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위해 상이한 납땜 공정들을 사용하는 본 발명에 따른 인쇄회로기판(614 및 624)의 개략적인 2개의 단면도(610 및 620)를 도시한다. 도면(610)은 예를 들어 도면 부호 616으로 표시된 위치에서, 납땜에 의해 각각의 금속 요소(612)에 의해 형성된 에지를 따라 인쇄회로기판(614)의 각각의 도체 트랙과 접촉되는 2개의 금속 요소(612)를 도시한다. 도면(620)에서는 땜납(626)이 인쇄회로기판(624)의 각각의 도체 트랙과 2개의 금속 요소(622) 사이에 위치한다. 두 도면들(610 및 620)의 각각의 금속 요소 위에, 여기서는 액체 채널들(618)을 구비한 액체 냉각판으로서 구현된 냉각판이 올려져서 배치된다. 일반적으로 납땜 시 바람직하게는, SMD 부품의 경우에도 유사한 방식으로 수행되는 것처럼, 금속 요소의 바닥면과 도체 트랙 사이 또는 인쇄회로기판의 도체 패드 사이에도 납작한 납땜 연결부가 수반된다. 이러한 목적으로, 그 아래에 놓이는 금속 도체 트랙은 적어도 부분적으로 솔더 레지스트(solder resist)에 의해 커버되지 않아야 하며, 즉, 납땜이 가능한 유형의 패드를 형성해야 한다. 리플로우 납땜(reflow soldering)의 경우, 금속 요소가 부착되도록 의도된 인쇄회로기판의 패드 또는 패드의 부분들이 페이스트된다. 필요한 경우, 금속 요소를 고정시키기 위해 패드들 사이에도 접착제가 도포된다. 그 다음, 금속 요소들이 배치되고, 페이스트 및 배치의 두 공정이 다른 부품들의 실장과 동시에 또는 별개로 수행될 수 있다. 또한, 납땜 페이스트는 오븐에서 용융된다. 예를 들어, 웨이브 납땜과 같은 또 다른 납땜 방법에서는, 금속 요소가 예를 들어 접착제에 의해 고정되고, 인쇄회로기판의 패드와 금속 요소 사이의 계면에 납땜 접합부가 생성된다. 바람직하게는, 천공된 홀 또는 오목부를 통해 여기에 추가의 표면이 생성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위해 금속 요소(704 및 706)를 납땜하기 위한 바닥면의 다양한 프로파일(702)의 개략도(700)를 도시한다. 금속 요소의 바닥면에서 넓은 영역에 걸쳐서 납땜이 실시되도록 의도된 경우, 상기 바닥면의 매끄러운 표면 마감이 문제가 될 수 있다. 일반적인 납땜 페이스트 내에 존재하는 용제 및 플럭스는 납땜 동안에 가스를 방출하거나, 용융물로부터 가장 가까운 표면으로 누출된다. 상기 표면이 가용하지 않은 경우, 깔끔한 납땜 연결이 필요한 영역에 개재물(inclusions)이 바람직하지 않게 형성된다. 따라서, 넓은 영역에 걸친 납땜 연결의 경우, 전술한 땜납 성분을 배출시키기 위한 경로를 제공하거나, 적어도 인쇄회로기판의 금속 도체 트랙과 금속 요소 사이의 전이 영역의 단면적을 불필요하게 감소시키지 않는 형태의 포켓을 형성하기 위해, 금속 요소의 바닥면의 표면이 상응하게 표면 구조화될 수 있다. 금속 요소가 상응하는 패턴을 갖는 밀링 헤드를 지나서 안내됨으로써, 밀링을 통해 제조가 매우 신속하게 수행될 수 있다. 대안으로서, 회로 기판의 표면 상에 통상의 기술자가 비아(via)라고도 지칭하는 홀들 또는 스루홀들이 고밀도의 그리드로 배치될 수 있다. 비아와 마찬가지로 홀들은 바람직하게 표준 인쇄회로기판 공정에서 금속화된다. 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 적용하기에 바람직한 직경은 0.4mm 이하이다. 상기 홀들은 예를 들어 기계적으로 천공되거나 레이저로 절삭될 수 있으며, 이를 통상의 기술자는 레이저 드릴 비아(laser drill via) 또는 마이크로비아(Microvia)라고도 지칭한다. 또한, 예를 들어 원추형으로 내측으로 축소되는 블라인드 홀이거나, 관통 홀일 수 있다.
도 8은 사시도(810)로 도시된 핀(812 및 816)의 2개의 실시예, 및 핀들(828)이 설치되어 있는 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 단면(820)의 개략도를 도시한다. 핀(812)은 부품 내로 먼저 밀어 넣어지는 단 하나의 원추형 단부(814)만을 갖는 반면에, 핀(816)은 양 단부(818)가 모두 원추형으로 뾰족하다. 단면도(820)에서는, 갭 패드(826) 상에 냉각판을 설치하기 위해 각각의 핀(828)이, 갭 패드(826) 아래에 평탄한 표면이 생성될 수 있을 정도로 멀리 금속 요소들(822) 및 인쇄회로기판(824)을 관통하여 밀어넣어진 것을 볼 수 있다. 갭 패드(826)는 복수의 갭 패드 층을 가질 수도 있으며, 선택 사항으로 간주될 수 있다. 이상적으로 갭 패드(826)는 전기 절연성이지만, 예를 들어 3A/(K m)보다 더 큰 열 전도율을 갖는다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위해 리벳을 사용하는 실장의 개략도를 도시한다. 사시도(910)는 실장을 위해 사용되는 복수의 리벳(912)을 도시한다. 사시도(920)는 리벳팅을 위해 준비된 보어들(922)을 갖는 인쇄회로기판(924)을 도시한다. 마지막으로, 본 발명에 따른 인쇄회로기판(934)의 단면(930)은 리벳들(938)에 의한 2개의 금속 요소(932)의 실장을 도시한다. 이 경우, 리벳 헤드(936)는 인쇄회로기판(934)의 바닥면 상의 도체 트랙 상에 위치된다. 전술한 피닝에서와 마찬가지로, 냉각판(931)이 평탄하게 배치될 수 있도록 하기 위해, 각각의 리벳(938)이 각각의 금속 요소(932)의 상부면과 동일 평면으로 마감되어야 한다. 이 경우, 리벳(912)을 사용하는 실장은 피닝과 유사하다. 그러나, 강건한 기계적 접촉이 압입 끼워맞춤 연결에 의해 생성되는 것이 아니라, 예를 들어, 인쇄회로기판의 금속 도체 트랙과의 또는 바람직하게는 그 반대쪽 면의 금속편과의 연질 납땜 또는 경질 납땜과 같은 납땜에 의해 생성되거나; 예를 들어 스폿 용접, 초음파 용접, 경우에 따라서는 TIG, MIG, MAG, 레이저 용접과 같은 용접에 의해 생성되거나; 경우에 따라서는 배면 상에 카운터 베어링 또는 와셔로서의 상대 부재(counterpart)(939)의 사용 하에, 반대쪽 면에서의 코킹에 의해 생성된다. 핀과 비교하여, 리벳은 일반적으로 개별 리벳의 단면이 훨씬 더 큰 장점을 제공한다. 핀의 경우에는 바람직하게 복수의 핀이 배치되도록 의도되지만, 경우에 따라 연결당 단 하나의 리벳으로도 충분할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위한 리벳팅 시 코킹의 개략도를 도시한다. 사시도(1010)는 인쇄회로기판(1012)의 보어에 삽입된 리벳(1014) 상에 상대 부재(1016)를 배치하는 과정(1018)을 도시한다. 본 발명에 따른 인쇄회로기판(1022)의 단면(1020)은 금속 요소(1024) 상에 배치된 상대 부재(1026)를 도시하며, 상기 인쇄회로기판은 상대 부재(1026)의 실장을 위해 함입되어 있다(recessed).
도 11은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 위해 리벳을 납땜하기 위한 가능성의 개략도를 도시한다. 도면(1110)은 리벳팅될 금속 요소(1112)의 평면도를 도시한다. 설명의 목적으로, 절반으로 도시되었다. 사시도(1120)는, 리벳(1124)이 금속 요소(1122) 내로 완전히 삽입되는 것이 아니라, 납땜을 위해 땜납을 수용할 수 있는 높이(1126)의 공간이 남아 있음을 보여준다. 또한, 금속 요소(1122) 내 보어의 직경보다 더 얇은 리벳을 삽입하는 경우, 마찬가지로 땜납을 수용할 수 있는 갭(1128)이 남아있을 필요가 있다.

Claims (15)

  1. 전력 전자 회로를 냉각하기 위한 방법으로서,
    인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022)은 규정된 회로 기판 공정에 따라 제조되고, 상기 인쇄회로기판에는 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216)가 장착되며,
    상기 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022)의 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 금속 도체 트랙(120) 상의 적어도 하나의 지점이, 상기 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216)의 높이와 동일하거나 더 큰 높이로 설계되고 전기 전도성 및 열 전도성인 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122)와 접촉되며,
    상기 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216) 및 상기 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932) 상에 냉각판(116, 931)이 평탄하게 배치되며,
    적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216)와 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932) 간에 약간의 높이차를 상쇄시키기 위해, 냉각판(116, 931)과의 접촉면에 적어도 하나의 갭 패드(112, 826)가 배치되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  2. 제1항에 있어서, 도체 트랙(118, 120)을 위한 층 두께는 회로 기판 공정에서 18㎛, 35㎛, 70㎛, 105㎛, 210㎛, 360㎛ 중에서 선택되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122)에 대해, 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216)의 높이보다 더 큰 높이가 선택되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 임의의 지점에 배치된 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122)는 섹션들로 분할되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각판(116, 931)은 액체가 유동하는 금속판으로서, 또는 확대된 표면을 갖는 금속편으로서, 또는 열 전도체로서 선택되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전력 전자 회로의 냉각은 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022)의 상부면 및 바닥면 모두로부터 수행되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 금속 요소(404)는 상기 금속 요소에 의해 접촉된 도체 트랙(120)의 표면 영역을 넘어서 돌출하도록 설계되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  9. 제8항에 있어서, 도체 트랙(120)의 표면 영역을 넘어서 돌출하는 금속 요소(404)의 부분은 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022)을 실장하는 데 이용되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122)를 위한 재료로서 구리 또는 알루미늄이 선택되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 도체 트랙(120)과 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122)의 접촉은 납땜에 의해, 또는 피닝에 의해, 또는 리벳팅에 의해 구현되는, 전력 전자 회로의 냉각 방법.
  12. 규정된 회로 기판 공정을 사용하여 제조되고, 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216)가 장착된 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022)으로서,
    상기 인쇄회로기판(102, 214, 404, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022)은 그의 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 금속 도체 트랙 상의 적어도 하나의 지점에 적어도 하나의 금속 요소(104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122)를 더 구비하고, 상기 금속 요소의 높이는 상기 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216)의 높이와 동일하거나 더 크며,
    상기 인쇄회로기판은, 상기 적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216) 및 상기 적어도 하나의 금속 요소(104, 404, 612, 622, 822, 932) 상에 평탄하게 배치되는 냉각판(116, 931)을 포함하는,
    적어도 하나의 전력 전자 컴포넌트(110, 216) 및 적어도 하나의 금속 요소(104, 404, 612, 622, 822, 932)와 냉각판(116, 931) 사이에 부가적으로 갭 패드(112, 826)를 갖는 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022).
  13. 제12항에 있어서, 도체 트랙(118, 120)은 상기 회로 기판 공정에서 18㎛, 35㎛, 70㎛, 105㎛, 210㎛, 360㎛ 중에서 선택된 층 두께를 갖는, 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022).
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 임의의 지점에 배치된 적어도 하나의 금속 요소는 복수의 섹션을 포함하는, 인쇄회로기판(102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022).
  15. 삭제
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