KR20000068821A - 전력 소자용 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전력 소자용 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

지지기판이 제 1 측면에는 제 1 대면적 도체선로에 배치된 적어도 하나의 전력소자를 또한 전력소자에 대향하는 제 2 측면에는 제 2 대면적 도체선로를 갖고있으며, 제 2 대면적 도체선로는 적어도 하나의 직통접점을 통해 제 1 대면적 도체선로와 전열적으로 연결되어있고 지지기판은 제 2 측면으로 냉각체 위에 전열적으로 설치되어있는, 지지기판과 냉각체를 포함하는 장치에 있어, 지지기판이 냉각체에 양호하게 열 결합될 수 있고 그와 동시에 전위전달 도체선로와 냉각체 사이의 소망되지 않는 전기적 접촉을 회피하기 위해, 지지기판이 지지기판의 제 2 측면에 배치된 스페이서소자로 냉각체 위에 설치되고 냉각체에 대해 일정한 거리에 지지되게 하고, 그 거리에 의해 형성된 갭은 지지기판과 냉각체 사이에 있어 전열성 충전물질로 충전된다.

Description

전력 소자용 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치 및 이의 제조 방법{Assembly Consisting of a Substrate for Power Components and a Cooling Element and Method for the Production Thereof}
그런 장치(배치물)는 이미 독일 공개특허 제 195 28 632 호로부터 알려져 있다. 이 간행물에는 지지기판으로서 그 상면에 적어도 손실열을 발생하는 전력소자를 포함하는 전자회로가 있는 도체판이 표시되어있다. 전력소자의 하부에 있어 도체판에는 직통접점이 있고, 그 접점은 전력소자에 의해 발생된 열을 도체판의 하면에 전달한다. 도체판의 하면과 냉각체 역할을 하는 제어장치 하우징 사이에는 전열성 충전물질이 배치되어있다. 작동 중에는 전력소자에 의해 발생된 열이 직통접점을 통해 도체판의 하면에 전달되고 거기서부터 전열성 충전물질을 통해 냉각체 역할을 하는 하우징에 주어진다. 그래서 그것에 있어서는 도체판의 하면에 있는 전위전달 도체선로가 도체판을 제어장치에 장착할 때에 냉각체와 접촉될 수 있다는 것이 결점이다. 이에 기인하는 단락은 도체판 위의 민감한 전자소자를 손상시키거나 또는 파괴시킬 수 있다.
그 위에 독일 특허출원 제 1 97 23 409 호에는 지지기판과 냉각체를 가진 장치가 표시되어있다. 도체판의 상면에서는 전도소자가 대면적 도체선로 위에 설치되어있고 그 도체선로는 직통접점부를 통하여 도체판의 하면에 있는 대면적 도체선로와 연결되어있다. 도체판의 하면에는 거기에 배치된 대면적 도체선로 아래에 금속층이 절연층을 통해 배치되어있고, 그 금속층은 다시 납땜방지마스크를 통해 냉각체로 제공된 제어장치의 하우징부분 위에 배치되어있다. 그런 장치의 경우 도체선로와 냉각체 사이의 전기적 접촉이 절연층에 의해 방지될 수 있는 것이 사실이긴 하지만, 절연층 및 추가의 금속층이 열이 냉각체로 직접 전달되는 것을 어렵게 하고, 장치의 부지수요를 상승시키고 또한 제조비용을 증대시키는 것은 결점으로 보지 않을 수 없다.
본 발명은 청구항 1의 대개념에 표시된 특징을 가진 전력소자용 지지기판과 냉각체를 구비하는 장치 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술로부터 공지된, 절연층과 추가의 동판을 구비한 장치의 간략화된 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 장치의 간략화된 단면도.
도 3은 제 2 실시예에 의한 본 발명에 의한 장치의 간략화된 단면도.
청구항 1의 특징을 가진 본 발명에 의한 장치는 종래기술에 있어 발생하는 결점들을 제거할 수 있다. 전도소자에 대향하는 지지기판 쪽에 설치된 스페이서소자 및 지지기판과 냉각체 사이에 도입된 전열성 충전물질에 의해 한편으로는 지지기판이 냉각체에 양호하게 열 결합될 수 있고 다른 한편으로는 이 지지기판쪽에 있는 전위전달 도체선로와 냉각체 사이의 소망되지 않는 전기적 접촉을 회피할 수 있다. 그 위에 추천된 해결법에 의함으로써 특히 장소절약적 장치가 실현될 수 있다. 추가적으로 예컨대 추가의 절연층 또는 절연층 위에 배치되는 금속층과 같은 고가 층의 제조가 불필요해지기 때문에 이에 해당하는 비용이 절약될 수 있다.
또한 도체평판편으로 된 스페이서 소자가 지지기판의 하면에 존재하고 그 소자가 일정한 양의 땜납으로 피복되면 특히 유리한데, 그 이유는 이로 인해 특히 양면 장착 지지기판의 경우 아무 추가의 제조단계가 필요하지 않기 때문이다. 도체평판편은 하면에 배치된 전자 구성소자의 접속면과 더불어 제조되어 땜납으로 피복될 수 있다.
전도소자에 대향하는 지지기판 쪽에 설치된 납땜방지라커는 납땜작업시 잘못하여 땜납이 요구되지 않는 부위에 도달되는 것을 방지한다.
전도소자 및 냉각체가 같은 전위에 있기 때문에, 도체평판편을 직접 제 2 대면적 도체선로 내에 일체적으로 제조하는 것이 유리한데, 그 이유는 이에 의해 열전달이 개선되기 때문이다.
또한 지지기판과 냉각체 사이에 배치된 전열성 충전물질은 전열성 접착제 또는 전열성 접착포일로서 그 접착제에 의해 지지기판이 기계적으로도 냉각체에 고정될 수 있는 것은 유리한 점이다.
냉각체 위에 배치되는 스페이서소자는 유리하게도 지지기판의 냉각체에의 물질적(물리적)연결체로도 또한 EMF 거동(전자파 완화)의 개선을 위해서도 이용될 수 있다.
또한 본 발명은 지지기판과 냉각체 조립체의 제조방법에 관한 것이다. 특히 양면 장비 지지기판의 경우 공정의 실시를 위해 아무 추가의 제조단계도 필요하지 않다. 도체평판편은 제 2 측면에 있는 도체선로와 함께 제조될 수 있다. 스페이서소자의 제조를 위해 필요한 땜납의 분리는 도체평판편 위에서 소자들을 위한 접속면의 납땜과 더불어 동시에 실시될 수 있고, 이에 의해 스페이서소자의 제조를 위해 아무 추가 비용이 필요하지 않기 때문에 공정이 특히 경제적으로 이루어진다.
납땜페이스트인쇄소에서 땜납을 도체평판편 위에 인쇄하는 것이 유리한데, 그 이유는 이 기법이 일정량의 땜납을 특히 양호하게 분리하는데 적합하고 양호하게 제어될 수 있기 때문이다. 후속하는 리플로우단계(유동액 처리단계)에서 땜납은 용융되어, 장입된 땜납량에 의해 정해지는 높이를 가진 스페이서소자가 형성된다. 유리하게도 리플로우납땜단계는 지지기판 위에 있는 SMD 구성소자들의 리플로우 납땜과 더불어 행해질 수 있다.
특히, 전열성 접착제 또는 전열성 접착포일을 먼저 냉각체 위에 배치하고, 이어서 접착제 또는 접착포일이 피복된 냉각체 위에, 스페이서소자가 접착제 내에 압입되어 스페이서소자가 땜납층으로 냉각체에 접촉할 수 있도록, 지지기판을 설치하는 것은 용이성이 높다.
도 1은 전력소자에 의해 발생된 손실열을 제어장치에 전달소산시키기 위한 종래기술에 의한 공지장치를 보여준다. 도체판(2)은 위를 향한 제 1 측면(8)에 제 1 대면적 도체선로(10)를, 또한 아래를 향한 제 2 측면(9)에 제 2 대면적 도체선로(11)를 갖고 있다. 제 1 대면적 도체선로(10)와 제 2 대면적 도체선로(11)는 도체판들을 통해 뻗는 다수의 직통접점(4)을 통해서 전열 양호하게 서로 연결되어있다. 제 1 대면적 도체선로(10) 위에는 전력소자(3), 예컨대 SMD 소자가 설치되어있고 그 소자는 접속부(14)를 통해 대면적 도체선로(10)로부터 절연된 도체판(2)의 상면(8) 상의 도체선로(12)와 연결되어있다. 간략화를 위해 단지 한 도체선로(12)만이 도시되어있다. 하면(9)에는 다시 추가의 전위전달 도체선로(13)가 있고, 그 선로는 제 2 대면적 도체선로(11)로부터 절연 배치되어있다. 또한 하면(9)에는 도시되지 않은 추가의 SMD 소자가 배치되어있고 그 소자는 도시되지 않은 하면상의 접속부와 납땜되어있다. 그리고 열 싱크 역할을 하는 동판(6)이 전기절연, 전열성 절연층(5)을 통해 제 2 대면적 도체선로(11) 및 도체선로(13) 위에 설치되어있다. 동판(6) 위에는 다시 납땜방지라커(15)가 설치되어있는데 이것은 SMD 소자를 위해 접속면을 납땜할 때 구리위에 땜납이 유리하는 것을 방지한다. 납땜방지라커(15) 하부에는 전열성 접착제(7)가 있는데, 이 접착제는 냉각체로 배치된 제어장치하우징의 바닥부재(1) 위에 피복되어있다. 나사결합가능한 고정수단에 의해 동판을 직접 냉각체 위에 가압장착하는 것도 알려져 있다. 각각의 경우 전력소자(3)에 의해 발생된 열은 직통접점을 통해 대면적 도체선로(11)에 또한 절연층(5)을 통해 동판(6)에 전달된다. 거기서부터 열은 납땜방지라커(15)를 통해 직접 또는 전열접착제(7)를 거쳐 냉각체(1)에 전달된다. 도체판(2)이 절연층(5)과 동 싱크(6) 없이 냉각체 위에 설치된다면, 전위전달 도체선로들(13) 사이의 단락은 소자의 손상을 일으킬 수 있을 것이다. 그러나 도 1에 도시된 장치의 경우에는 절연층(5)과 추가의 동판(6)을 설치하기 위해 두 추가의 별도 제조단계가 필요하다는 것이 결점이다.
도 2에는 바람직하게는 자동차의 전자 제어장치에 사용되는, 전력소자의 손실열을 배출하기 위한 본 발명에 의한 장치가 도시되어있다. 적어도 하나의 전력소자, 예컨대 전력반도체가 지지기판(2)의 상면(8) 위의 대면적 도체선로(10) 위에 설치되어있고, 이 지지기판은 도체판, 하이브리드 또는 전자회로를 가진 기타의 기판일 수 있다. 여기에 표시된 실시예에서는 기판(2)은 양면으로 장착된 도체판이다. 또한 도 2로부터 알 수 있는 것처럼, 전력소자(3)의 접속부(14)는 도체선로(10)로부터 절연된 도체판(2)의 상면(8)위의 접속도체선로(12)와 연결되어있다. 도체판(2)의 하면(9)에는 제 2 대면적 도체선로(11)가 설치되어있는데, 이 선로는 상면(8) 상의 제 1 도체선로(10)와 직통접점(4)을 통해 전열적으로 연결되어있다. 그 위에 도시되지 않은 회로에 속하는 추가의 도체선로 및 SMD 소자를 위한 수개의 접속표면이 하면(9) 상에 배치되어있다. 도 2에 표시된 것처럼, 도체판(2)의 하면(9)에는 추가의 도체 평판편(17)이 있고 이것은 나머지 도체선로 및 접속표면과 함께 또한 같은 재료로서 도체판의 하면에 형성될 수 있다. 이것은 통상적 공지의 기술로 가능하다. 도 2에 도시된 실시예의 경우 전압은 전력소자(3)로부터 직통접점(4)을 통해 제 2 대면적 도체선로(11)로 전달된다. 도체평판편(17)은 따라서 도체선로(11)로부터 절연되어 지지기판 위에 배치되어있다. 그 위에 납땜방지라커(9)가 공지의 방법으로 하면(9) 상에 도포되어있는데, 도체평판편(17) 및 도시되지 않은 SMD 소자를 위한 접속표면에는 공허부가 납땜방지라커에 배치되어있다. 도 2에 도시된 장치의 제조시에는 도체판(2)을 하면(9)이 상부로 향하게 위치시켜 땜납페이스트인쇄시설에서 땜납페이스트로 인쇄한다. 그 때에 도체평판편(17) 위에 또한 SMD 소자를 위한 접속표면 위에 땜납을 도포한다. 납땜방지라커(15)는, 땜납이 다른 회로위치에 도달하는 것을 방지한다. 납땜의 인쇄후 도체판(2)은 장착장치에 공급되고 그 장치는 SMD 소자를 접속표면 위에 도포된 납땜페이스트 상태로 상부로 향한 도체판의 하면(9) 위에 인쇄된다. 이어서 도체판은 리플로우(재 유동)납땜시설을 통과하고 거기에서 땜납은 요융한다. 그런데 바람직하게는 접속표면과 함께 SMD 소자가 납땜되고 그와 동시에 간격부재(17,18)가 형성된다. 이때에 도체평판편(17) 위에 인쇄된 땜납(18)은 리플로우 오븐에서 유동화되고 평판부재(17) 위의 땜납의 표면장력에 의해 일정한 크기의 땜납육봉 또는 땜납캡이 형성되는데, 그 육봉의 형태는 도체표면부재의 크기 및 인쇄된 땜납량에만 의존한다. 특히 상기한 방법에 의해 정확히 결정된 단위 높이를 가진 모든 스페이서를 형성하는 것이 가능하다. 그런데 특히 유리한 것은, 납땜페이스트 인쇄단계와 리플로우 납땜단계가 양면장착 도체판의 경우 바로 수행될 수 있기 때문에 스페이서의 제조를 위해 아무 추가의 제작단계가 필요하지 않다는 것이다. 상기한 제조방법 대신에 도체표면부재를 예컨대 파동 납땜조 내에서 용융화된 땜납으로 적시는 것도 가능하다. 일정한(정의된) 높이를 가진 스페이서가 제조되는 것이 결정적으로 중요하다. 스페이서(17)의 제조 후 디스펜서 장치를 사용하여 전열성 접착제(7)를 냉각체(1) 위에 도포한다. 다른 실시예에서는 접착제 대신에 양면 접착성 전열포일을 사용한다. 냉각체로서는 제어장치의 하우징부 또는 하우징바닥부가 그 역할을 한다. 이제 도체판(2)을 냉각체(1)쪽의 하면(9)으로 접착제 위에 올려놓고 냉각체 방향으로 눌러 스페이서소자(17,18)가 접착제(7) 내에 침입하게 한다. 그러면 스페이서소자들은 냉각체(1)에 접촉하여 최소간격을 보장한다. 그 때 도 2에 도시되지 않은 제어장치 하우징바닥의 통모양의 요부는 도체판의 하면 상에 배치된 구성소자들을 수용한다. 스페이서소자(17,18)에 의해 도체판의 하면과 냉각체 사이에는 일정한 갭이 형성되고 그 갭은 도 2에 도시된 바와 같이 접착제(7)에 의해 완전히 충전된다. 한정된 작은 높이를 가진 스페이서소자가 제조될 수 있게 함으로써, 냉각체가 도체판하면에 접촉하지 않으면서 갭은 극히 작게 선정될 수 있고 그럼으로써 냉각체로의 열전파는 보다 양호해진다.
상기한 것과는 달리 도 2에 도시된 장치는, 먼저 도체판(2)을 스페이서소자(17,18)에 의해 냉각체(1) 위에 위치되게 하고 이어서 모세관유동성 접착제가 도체판 하면과 냉각체 사이의 갭에 도입되게 함으로써 제조될 수도 있다.
스페이서소자(17,18)는 유리하게도 장치의 EMV 보호(전자파완화) 역할을 할 수도 있다. 스페이서소자는 전기 전도성 재료로 구성되기 때문에 이것에 의해 냉각체에의 전기접촉이 형성되는 것으로, 즉 스페이서소자와 냉각체는 같은 전위에 있게된다. 도체평판편들(17) 중의 일부가 회로에 속하는 도체선로와 연결될 때에는, 스페이서소자를 통해 짧은, 따라서 무반사의 물질연결이 실현될 수 있다.
추가의 실시예가 도 3에 도시되어있는데 같은 번호는 앞에서와 같은 부재를 의미한다. 도 3에 도시된 장치는 도 2에 도시된 장치에 비해 전력소자(3)와 냉각체가 동일한 전위에 있다는 점에서 상이하다. 따라서 도 3에 도시된 예에서는 도체평판편들(17)이 유리하게도 직접 지지기판(2)의 제 2 대면적 도체선로(11) 내에 일체화될 수 있다. 지지기판(2)의 제 2 측면(9)에 피복된 납땜방지마스크(15)는 도체평판편들(17)을 획정하는 공허부를 갖고 있다. 이들 도체평판편 위에 상기와 같이 땜납캡(18)이 형성된다. 이어서 지지기판을 접착제(7)를 거쳐 냉각체(1) 위에 배치한다. 전도소자(3), 도체선로(11) 및 냉각체(1)는 같은 전위에 있기 때문에, 스페이서소자(18)에 의해서는 단락이 생기지 않는다. 도 2에 비해 제 2 대면적 도체선로(11)에 있는 땜납캡(18)의 장치를 통한 열전달이 개선될 수 있다.

Claims (9)

  1. 지지기판(2)이 제 1 측면(8)에는 제 1 대면적 도체선로(10)에 배치된 적어도 하나의 전력소자(3)를, 또한 전력소자(3)에 대향하는 제 2 측면(9)에는 제 2 대면적 도체선로(11)를 갖고 있으며, 제 1 대면적 도체선로(10)와 제 2 대면적 도체선로(11)는 적어도 하나의 직통접점(4)을 통해 전열적으로 서로 연결되어있고 지지기판(2)은 제 2 측면(9)으로 냉각체(1) 위에 전열적으로 설치되어있는 전자 제어장치에 사용하기 위한 지지기판(2)과 냉각체(1)를 구비하는 장치에 있어서,
    지지기판(2)이 지지기판(2)의 제 2 측면(9)에 배치된 스페이서소자(17,18)로 냉각체(1) 위에 설치되고 냉각체(1)에 대해 일정한 거리에 지지되어있으며, 그 거리에 의해 형성된 갭은 지지기판(2)과 냉각체(1) 사이에서 전열성 충전물질(7)로 충전되는 것을 특징으로 하는 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 스페이서소자는 도체평판편들(17)이 배치되어있고, 그들은 지지기판(2)의 제 2 측면(9)에 배치되어있고 땜납(18)이 일정한 양으로 피복되어있는 것을 특징으로 하는 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 지지기판(2)의 제 2 측면(9)은 적어도 도체평판편(17)을 제외시키는 땜납방지라커(15)로 피복되어있는 것을 특징으로 하는 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 냉각체(1)는 전도기소(3)와 같은 전위에 있으며 도체평판편들(17)이 제 2 대면적 도체선로(11)에 일체화되어있는 것을 특징으로 하는 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 전열성 충전물질(7)은 경화가능한 전열접착제 또는 양면 접착형 전열포일인 것을 특징으로 하는 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 땜납(18)으로 피복된 도체평판편(17)과 냉각체(1) 사이의 접점부는 동시에 지지기판(2)의 냉각체로의 물질연결부로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 지지 기판과 냉각체를 구비하는 장치.
  7. 지지기판(2)이 제 1 측면(8)에는 제 1 대면적 도체선로(10)에 배치된 적어도 하나의 전력소자(3)를, 또한 전력소자(3)에 대향하는 제 2 측면(9)에는 제 2 대면적 도체선로(11)를 갖고 있으며, 제 1 대면적 도체선로(10)와 제 2 대면적 도체선로(11)는 적어도 하나의 직통접점(4)을 통해 전열적으로 서로 연결되어있고 지지기판(2)의 제 2 측면(9)은 냉각체(1)와 전열적으로 연결되어있는 지지기판(2)과 냉각체(1)를 구비하는 장치를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    지지기판의 제 2 측면(9) 위에 도체평판편들(17)을 준비하는 단계,
    적어도 도체평판편들(17)을 제외시킨 납땜방지라커(15)를 지지기판(2)의 제 2 측면(9) 위에 배치하는 단계,
    도체평판편들(17)을 일정량의 땜납(18)으로 피복하고 배치된 땜납량에 의해 정해진 높이를 가진 스페이서소자(17,18)를 제조하는 단계, 및
    지지기판(2)을 스페이서소자(17,18)로 냉각체(1) 위에 설치하고, 지지기판(2)의 제 2 측면(9)과 냉각체(1) 사이에 전열성 충전물질(7)을 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지기판과 냉각체를 구비하는 장치의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 땜납(18)은 땜납페이스트 인쇄시설에서 도체평판편(17) 위에 인쇄되고 스페이서소자(17,18)가 후속하는 리플로우(유동형) 납땜시설에서의 지지기판(2)의 리플로우 납땜에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 전열성 충전물질(7)은 먼저 전열 경화성 접착제 또는 양면 접착형 전열포일을 냉각체(1)위에 배치하고 이어서 스페이서소자(17,18)가 접착제(7) 내에 압입되도록 지지기판(2)을 접착제(7)가 도포된 냉각체(1) 위에 설치하고 그래서 스페이서소자가 땜납층(18)으로 냉각체(1)에 접촉할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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