KR20050011714A - 휨저항성 기부판을 갖는 전력 반도체 모듈 - Google Patents

휨저항성 기부판을 갖는 전력 반도체 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프레임형 하우징(30), 커버(70), 외측으로 안내되는 부하용 커넥터 요소(40, 42, 44) 및 보조 접촉부(76)로 이루어지며, 탈열체(80) 상에 장착되기 위한 금속 기부판(20)과, 하우징(30)의 내부에 배치되는 적어도 하나의 전기 절연 기판(50)을 포함하는 전력 반도체 모듈(10)을 개시한다. 상기 기판은 절연체(52) 및 복수의 서로 전기 절연된 금속 중계선(54), 그 위에 존재하고 상기 중계선과 회로에 적합하게 연결되는 전력 반도체 부품(56)으로 이루어진다. 기부판(20)은 기부판(20)의 길이방향으로 뻗는 보강부(24)를 포함하며, 상기 보강부(24)는 기부판 재료 자체로부터 성형을 통해 형성되며, 기부판을 통해 제공되는 평면으로부터 돌출된다.

Description

휨저항성 기부판을 갖는 전력 반도체 모듈{POWER SEMICONDUCTOR MODULE WITH BASE PLATE RESISTANT TO BENDING}
본 발명은 하우징으로 이루어지며, 기부판과, 하우징의 내부에 배치되는 적어도 하나의 전기 절연 기판을 포함하는 전력 반도체 모듈을 개시한다. 상기 기판은 절연체로 이루어지고, 그 위에 존재하여 서로 절연된 복수의 금속 중계선 및 그 위에 존재하고 상기 중계선과 회로에 적합하게 연결되는 전력 반도체 부품을 포함한다. 유리하게는 기판은 자체의 하표면상에 편평한 금속 층, 허용 가능하게는 중계선을 포함한다. 또한, 상기 전력 반도체 모듈은 부하용 커넥터 요소 및 보조 접촉부를 포함한다.
본 발명의 출발점인 전력 반도체 모듈은 예를 들면 독일 특허 제103 16 355호로부터 공지되어 있다. 이와 같은 전력 반도체 모듈은 탈열체로의 열결합을 위한 기부판을 포함한다. 이를 위해, 기부판이 전력 반도체 모듈의 장착 후 효율적인 열전달을 보장하도록 가능한 한 완전히 탈열체와 접촉하게 되는 것이 특히 중요하다. 최근의 전력 반도체 모듈에서는 조밀한 구조 형태가 특히 중요시되고 그로 인해 그 위에 전력 반도체 부품이 배치되는 기판의 평면 비율이 특히 높으므로, 상기 전력 반도체 모듈은 오직 코너 영역에서만 탈열체와의 결합을 위한 결합 장치를포함한다. 특히 고전력을 갖는 전력 반도체 모듈은 유리하게는 길이방향 크기가 본질적으로 횡방향 크기보다 더 큰 형태를 갖는다. 기판이 기부판에 대면하는 측면 상에서 다른 금속부를 포함하는 것이 양호하다. 이 금속부에 의해 기판은 기부판과 결합된다. 종래 기술에 따르면 이 결합은 납땜에 의해 이루어진다.
비교적 큰 길이방향 크기를 갖는 전력 반도체 모듈에서는 기판과 기부판의 납땜 결합이 기부판의 오목한 휨을 발생시킬 수 있다. 오목한 휨에서 이 휨은 기부판의 중앙 영역이 전력 반도체 모듈 방향으로 휜다는 것을 의미하고, 볼록한 휨에서 이 휨은 탈열체 방향을 의미한다. 기부판의 볼록한 휨이 전력 반도체 모듈과 탈열체간의 효율적인 열전달을 위해 유리한데, 왜냐하면 이로써 기부판이 탈열체에 장착된 후 그 위에 편평하게 안착되기 때문이다. 오목한 휨에서는 편평한 안착이 이루어지지 않는다. 따라서, 이미 제작 시, 종래 기술에 따른 기부판은 볼록한 휨에 의해 제작된다. 이러한 소위 기부판의 초기 응력에도 불구하고, 기부판이 충분한 강성을 갖도록 제작되지 않는다면, 기판의 납땜은 기부판의 오목한 휨을 발생시킬 수 있다. 충분한 강성은 종래 기술에 따르면 기부판의 상응하는 두꺼운 구조에 의해 달성되었다.
한편으로는 전력 반도체 모듈의 비용 효율적이고 조밀한 제작은 두께가 가능한 한 보다 더 작은 기부판을 필요로 한다. 특히 횡방향 길이에 비해 본질적으로 보다 더 큰 길이방향 크기를 갖는 전력 반도체 모듈은 종래 기술에 따르면 이에 의해 기부판이 두껍게 되거나 또는 보다 얇은 기부판의 경우는 오목하게 휜다는 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 소정의 두께에서 기부판의 길이방향의 휨저항성이 향상되는 전력 반도체 모듈을 제안하는 것이다.
이 목적은 청구범위 제1항에 따른 전력 반도체 모듈을 통해 달성된다. 구체적인 실시예가 종속항에 개시된다.
본 발명의 기본 사상은 프레임형 하우징으로 이루어지며, 상기 언급된 종래 기술에 따른 탈열체 상에 장착되기 위한 기부판을 포함하며, 하우징의 내부에 배치되는 적어도 하나의 전기 절연 기판을 포함하는 전력 반도체 모듈을 기초로 한다.
상기 기판은 절연체 및 자체의 제1 주표면상에 존재하는 복수의 서로 절연된 금속 중계선 및 양호하게는 자체의 제2 주표면상에 배치된 편평한 금속 층으로 이루어진다. 복수의 전력 반도체 부품이 제1 주표면의 중계선 상에서 이 중계선과 회로에 적합하게 결합되어 배치된다. 또한, 전력 반도체 모듈은 외측으로 안내되는 부하용 커넥터 요소 및 보조 접촉부를 포함한다.
본 발명에 따른 전력 반도체 모듈은 길이방향으로 적어도 하나의 보강부를 갖는 기부판을 포함한다. 이 보강부는 기부판의 일부의 성형을 통해 형성되며, 기부판 자체에 의해 한정되고 탈열체에 대해 평행한 평면으로부터 돌출된다. 이 기부판 상에는 하나의 기판은 물론, 양호하게는, 복수의 각 기판이 배치된다. 양호하게는 이는 종래 기술에 따르면 납땜 결합으로서 형성된 재료 결합식 결합에 의해 이루어진다.
기부판의 소정의 두께에서 길이방향의 강성이 본질적으로 향상되며 이에 따라 기부판의 제작 시 발생되는 볼록한 휨이 기판의 납땜 이후에도 제공되는 것이 상기와 같은 전력 반도체 모듈의 구조에서 양호하다.
본 발명은 도1 내지 도5와 관련된 실시예에 의해 보다 상세히 설명된다.
도1은 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈의 평면도.
도2는 도1에 따른 전력 반도체 모듈의 선(A-A)을 따른 측단면도.
도3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈을 통한 측단면도.
도4는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 다른 실시예를 통한 측단면도.
도5는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 기부판의 3차원적 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 전력 반도체 모듈
20: 기부판
22: 홈
40, 42, 44: 커넥터 요소
46: 납땜 브릿지
48: 와이어 본딩 결합
50: 기판
52: 절연체
53: 금속부
54: 중계선
56: 전력 반도체 부품
58: 센서 부품
도1은 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈의 평면도를 도시한다. 탈열체 상에 조립되기 위한 기부판(20)을 포함하는 전력 반도체 모듈(10)이 도시되어 있다. 이를 위해, 상기 기부판(20)은 자체의 코너 영역에 각각 홈(22)을 포함한다. 또한, 상기 모듈은 프레임형 하우징(30) 및 2개의 전기 절연 기판(50)을 포함한다. 각 기판은 기부판의 반대쪽의 자체의 제1 주표면 상에 존재하는 서로 절연된 복수의 금속 중계선(54)을 갖는 절연체(52)를 포함한다. 기판은 기부판에 대면하는 자체의 제2 주표면 상에서 제1 주표면의 중계선과 동일 유형의 편평한 금속부(53, 도2)를 포함한다. 전력 반도체 부품(56) 및 센서 부품(58)이 중계선(54) 상에서 이와 와이어 본딩 결합(48)에 의해 회로에 적합하게 연결되어 배치된다. 전기적 접촉을 위해 부품 모듈(10)은 부하 커넥터에 대한 커넥터 요소(40, 42, 44)를 포함한다. 기판(50)의 중계선(54)은 부분적으로는 서로 그리고 커넥터 요소(40)와 직접 연결되거나 또는 납땜 브릿지(46)에 의해 서로 연결된다.
도2 내지 도4는 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈을 통한 측단면도(도2) 및 각각 단면(A-A)(도1 참조)을 따른 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈을 통한 측단면도(도3 및 도4)를 도시한다. 각각 프레임형 하우징(30)을 갖는 전력 반도체 모듈(10)이 측단면도로 도시되어 있다. 기부판(20) 상에는 소위 DCB(직접 구리 본딩)-기판(50)이 배치되어 있다. 이 기판은 기부판에 대면하는 자체의 측면 상의 편평부(53) 및 기부판(20)의 반대쪽의 자체의 측면 상에 구성된 구리층(54)을 포함하는 절연체(52), 예를 들면 산화알루미늄 또는 질화알루미늄세라믹을 포함한다. 이 구리층(54)은 전력 반도체 모듈의 중계선을 나타낸다. 이 중계선(54) 상에는 부품(56), 일반적으로 전력 반도체 부품 및 센서 부품이 배치되어 있다. 회로에 적합한 연결은 와이어 본딩 결합(44)에 의해 이루어진다.
또한, 각 전력 반도체 모듈의 보조 연결 요소들이 도시되어 있다. 이들은 접촉 스프링(60), 인쇄 회로 기판 상에 배치된 전도체(72) 및 연결핀(76)을 통해 형성된다. 그 접촉면(78)상에서 상기 접촉 스프링이 종결되는 인쇄 회로 기판은 여기서 커버(70)의 일체형 부품이다. 여기서, 커버는 프페임형으로 형성되며, 인쇄 회로 기판을 완전히 덮지 않고 자체의 에지부에서 둘러싼다.
도2는 도1의 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈을 통한 선(A-A)을 따른 측단면도이다. 기부판(20)은 길이 방향으로 약 15cm의 길이에서 약 2mm의 볼록한 초기 응력을 포함하는 편평한 구리판을 포함한다.
도3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈을 적용한 측단면도이다. 여기서, 기부판(20)의 길이방향 측면은 비단속적으로(uninterrupted) 구간(24a)을 통해 홈(도1, 22)들 사이에서 각각 약 90ㅀ만큼 모듈 내부 방향, 즉, 기부판(20)의 탈열체 반대쪽 측면 방향인 상부쪽으로 휘어있다. 상기와 같은 보강부(24)를 통해 종래 기술에 비해 적어도 20% 만큼 더 얇은 기부판이 사용될 수 있는 동시에 60% 정도의 휨에 대한 저항성이 향상된다. 볼록하게 최초 응력이 가해진 기부판은 기판의 납땜에 의해서도 상기 볼록한 최초 응력을 갖는다. 여기서, 초기 응력은 종래 기술에서와 마찬가지로 약 2mm가 존재한다.
도4는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 다른 실시예에 대한 측단면도이다. 여기서 기부판(20)의 보강부(24)는 전력 반도체 모듈(10)의 길이방향 측면을 따라 복수의 구간에서 길이방향으로 뻗는 스탬핑(stamping) 영역(24b)이 배치됨으로써 구현된다. 이 스탬핑 영역은 탈열체(80)에 대면하는 측면 상에서 일반적으로 구리인 기부판(20)의 재료가 부분적으로 모듈 내부 방향으로 가압되는 방식으로 형성된다. 이를 통해 기부판(20)의 탈열체(80) 반대쪽 측면 상에 만곡부가 형성된다. 이로써 스탬핑 영역에 길이방향으로 보강부가 얻어지게 된다. 바람직하게는, 스탬핑 영역(24b)은 4:1 이상의 길이 폭(length to width) 비율을 갖는다. 또한, 각 스탬핑 영역이 서로에 대해 20% 이상 중첩될 때 바람직하다. 또한, 기부판(20)은 상술된 볼록한 초기 응력을 포함한다. 대안으로, 단일의 스탬핑부(24b)가 기부판(20)의 전체 길이를 통해 길이방향으로 뻗어 배치될 수도 있다는 것은 자명하다.
도5는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 기부판의 3차원적 도면을 도시한다. 여기서, 각 길이방향 측면에는 전력 반도체 모듈(10)과 탈열체(80)의 나사 결합을 위한 소정의 홈(22) 사이에 리세스(26)를 형성함으로써 구간(24a)이 자유 천공되는 기부판(20, 도3 참조)이 도시되어 있다. 구간(24)은 기부판 자체를 통해 제공되는 평면으로부터 기판 방향으로 휘어 있다. 또한, 기부판(20)은 상술된 바와 같이 볼록하게 최초 응력이 제공된다. 본 발명에 따른 전력 반도체 부품의 기부판(20)의 상기 보강부는 공지된 천공- 벤딩-기술로 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 기부판이 얇으면서도 그 길이방향 강성이 보강되어 기부판의 제작 시 발생되는 볼록한 휨이 기판의 납땜 이후에도 제공될 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 프레임형 하우징(30), 커버(70), 외측으로 안내되는 부하용 커넥터 요소(40, 42, 44) 및 보조 접촉부(76)로 이루어지며, 탈열체(80) 상에 장착되기 위한 금속 기부판(20)을 포함하며, 절연체(52) 및 기부판(20) 반대쪽의 자체의 제1 주표면 상에 존재하는 복수의 서로 전기 절연된 금속 중계선(54), 그 위에 존재하고 상기 중계선과 회로에 적합하게 연결되는 전력 반도체 부품(56) 및 기부판(20)에 대면하는 자체의 제2 주표면 상에 존재하는 적어도 하나의 금속 층(53)으로 이루어지고 하우징(30)의 내부에 배치되는 적어도 하나의 전기 절연 기판(50)을 포함하며, 기판(50)은 기부판(20) 상에 배치되며, 기부판(20)은 기부판(20)의 길이방향으로 뻗는 보강부(24)를 포함하며, 상기 보강부(24)는 기부판 재료 자체로부터 성형을 통해 형성되며, 기부판을 통해 제공되는 평면으로부터 돌출되는 전력 반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 보강부(24)는 기부판 자체를 통해 제공되는 평면으로부터 기판(50) 방향으로 휘어 있는, 기부판(20)의 길이방향 측면의 구간(24a)으로 이루어지는 전력 반도체 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 기부판(20)은 전력 반도체 모듈과 탈열체(80)의 나사 결합을 위한 복수의 홈(22)을 포함하는 전력 반도체 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 기부판(20)은 천공- 벤딩-부품으로서 형성되며, 보강부(24)는 홈(26)에 의해 자유롭게 형성되는 전력 반도체 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 기부판(20)은 편평하게 형성되는 납땜에 의해 동일한 높이로 기판(50)의 금속 층(53)과 결합되는 전력 반도체 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 보강부(24)는 기부판(20)의 전체 길이방향 측면을 통해 뻗는 전력 반도체 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 각 측면의 구간(24)은 단속적이며 중첩 배치되는 전력 반도체 모듈.
  8. 제2항에 있어서, 각 보강부(24)는 나사 결합을 위한 기부판(20)의 홈(22) 사이에 배치되며 이로부터 이격되어 있는 전력 반도체 모듈.
  9. 제2항에 있어서, 구간(24)은 기부판(20)에 대해 직각으로 탈열체(80)의 반대쪽 방향으로 휘어 있는 전력 반도체 모듈.
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