KR20080055658A - 접촉 스프링을 구비한 전력 반도체 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하우징, 기판, 및 적어도 하나의 금속 도체 트랙을 포함하는 전력 반도체 모듈에 관한 것이다. 연결부는 도체 트랙 또는 도체 트랙 상에 배치된 전력 반도체 소자의 접촉 부분으로부터 외부로 안내되고, 적어도 하나의 연결부는 접촉 스프링으로 형성된다. 상기 접촉 스프링은 제 1 접촉부, 탄력부 및 제 2 접촉부를 포함한다. 하우징은 접촉 스프링의 배치를 위한 제 1 및 제 2 부분 절개부를 구비하는 절개부를 가진다. 접촉 스프링의 제 1 접촉부는 핀 형태로 형성되고, 제 2 부분 절개부의 직경은 핀 형태의 제 1 절개부의 직경과 제 1 접촉부의 변형부에 의해 정해진 변형량의 합 이하이다. 또한, 변형부는 제 2 부분 절개부와 기판 사이에 배치된다.
하우징, 기판, 도체 트랙, 접촉 스프링

Description

접촉 스프링을 구비한 전력 반도체 모듈{POWER SEMICONDUCTOR MODULE WITH CONTACT SPRINGS}
본 발명은 접촉 스프링으로 형성된 적어도 하나의 연결부를 가지는 가압 접촉 형태의 전력 반도체 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 착상은 독일특허공보 DE 197 19 703 A1에 의해서 알려진 바와 같은 전력 반도체 모듈에서 출발된 것이다.
종래 기술에 따르면, 이러한 형태의 전력 반도체 모듈은 하우징과, 그 내부에 배치되고 바람직하게는 냉각 요소 상에 직접 설치된 적어도 하나의 전기 절연 기판을 포함한다. 이러한 기판은 절연 물질 몸체와, 그 위에 설치되고 상호 절연되는 다수개의 금속 연결 트랙들과, 절연 물질 몸체 상에 설치되고 회로의 구성을 위해 상기 트랙에 적당히 연결되는 전력 반도체 소자들을 포함한다. 또한, 공지의 전력 반도체 모듈은 외부의 부하와 보조 연결을 위한 연결부들과 내부에 배치된 연결부들을 가진다. 이러한 전력 반도체 모듈의 내부 회로에 적당히 연결되는 연결부들은 통상 와이어 접착 연결로 형성된다.
이와 유사하게 독일특허공보 DE 42 37 632 A1에 의해서 알려진 가압 접촉 연결된 전력 반도체 모듈이 알려져 있다. 이러한 문헌에는, 압력 장치가 압력 설정을 위한 안정된 금속 압력 요소, 압력 저장용 탄성 쿠션 요소 및 기판 표면의 각각의 부분에 압력을 주는 브리지 요소를 가진다. 브리지 요소(bridge elemenat)는 플라스틱 성형으로 구성되며, 쿠션 요소와 마주보는 부분을 가지고 그 부분에는 기판 표면 방향으로 다수개의 가압 핑거들이 있다.
이러한 형태의 가압 장치에 의해서, 기판은 냉각 요소 상에 가압되며, 기판과 냉각 요소 사이에 영구적인 신뢰성 있는 열전달이 이루어진다. 이 경우에, 탄성 쿠션 요소는 여러 가지 열부하 하에서 전력 반도체 모듈의 전체의 수명에 걸쳐서 일정한 가압 조건을 유지시킨다.
독일특허공보 DE 10 2004 025 609 A1은 기저판과 접촉 스프링으로 형성된 보조 연결부들을 가지는 전력 반도체 모듈을 소개한다. 이러한 문헌에 따르면, 커버는 신뢰성 있는 전기 접촉 연결을 위하여 접촉 스프링에 압력을 가하도록 사용된다. 이 경우에, 접촉 스프링은 하우징에 설치되게 배치되며, 이러한 설치 상태는 상세히 설명하지 않는다.
공개되지 않은 독일특허출원 DE 10 2006 006 421은 제 1 접촉 장치, 탄력부 및 제 2 접촉 장치를 구비하는 접촉 스프링으로 형성된 적어도 하나의 연결부를 포함하는 전력 반도체 모듈을 소개한다. 이 경우에, 제 1 플라스틱 성형부는 기판에 수직하게 배치되고 연결부를 수용하는 축을 가진다. 이를 위해, 상기 축은 연결부를 회전되게 고정시키는 측방 절개부와 제 2 플라스틱 성형부의 부분 몸체를 받는 요홈을 가지며, 상기 부분 몸체는 유사한 측방 절개부를 가지고 기판으로부터 먼 측면 상에는 연결부의 제 1 접촉 장치를 위한 절개부를 가져서 이를 관통한다.
본 발명의 목적은 연결부가 탄력 있는 형태로 형성되고 빠지지 않게 고정되는 전력 반도체 모듈을 제공하며, 전력 반도체 모듈을 쉽게 생산할 수 있게 하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징에 의해서 이루어진다. 바람직한 실시예들은 종속항에 기재된다.
본 발명은 하우징과 적어도 하나의 금속 도체 트랙을 가지는 기판을 포함하는 상기에 언급한 형태의 전력 반도체 모듈로 이루어진다. 적어도 하나의 연결부는 적어도 하나의 도체 트랙 또는 도체 트랙 상에 배치된 전력 반도체 소자의 적어도 하나의 접촉 부분으로부터 하우징 외부로 안내된다.
적어도 하나의 연결부는 핀 형태의 제 1 접촉부, 탄력부 및 제 2 접촉부를 구비하는 접촉 스프링으로 형성된다. 하우징은 접촉 스프링의 설치를 위한 절개부를 가지며, 상기 절개부는 제 1 및 제 2 부분 절개부를 가지고, 제 2 부분 절개부의 직경은 핀 형태의 제 1 접촉부의 직경과 상기 제 1 접촉부의 변형부에 의해서 정해진 변형량의 합 이하이다. 본 발명에 따른 상기 변형부는 부분 절개부와 기판 사이에 배치된다.
본 발명의 전력 반도체 모듈은 연결부가 탄성 있는 형태로 형성되고 빠지지 않게 고정되며, 전력 반도체 모듈을 쉽게 생산할 수 있다.
이하, 본 발명을 도 1 내지 도 6의 실시예를 기초로 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈(1)을 도시한 것이다. 전력 반도체 모듈(1)은 기저판(2)과, 그 위에 배치되고 특히 직접 동 접착(DCB: direct copper bonding) 기판으로 형성된 기판(5)들을 가진다. 각각의 기판(5)은 양측에 금속 피막(54,56)을 가지는 절연 세라믹(52)을 지닌다. 전력 반도체 모듈(1)의 내부에 있는 금속 피막(54)은 패터닝에 의해서 전력 반도체 소자(60)의 배치를 위한 다수개의 도체 트랙(54: conductor track)을 형성하고, 연결부(4,7)의 접촉 부분으로도 사용되며, 전력 반도체 소자는 와이어 접착 연결(62: wire bonding connection)에 의해서 회로의 구성을 위해 적당히 연결된다.
도면에 도시한 바와 같이 전력 반도체 모듈(1)은 기저판(2: baseplate)과 다수개의 기판(5)을 둘러싸는 하우징(3)을 포함한다. 하우징은 연결부(4,7)의 외부 연결을 위한 다수개의 부싱(bushing) 또는 절개부(30)를 가진다. 도면에는 평판 금속 성형 몸체 형태의 부하 연결부(4)와 접촉 스프링(70) 형태의 보조 연결부(7)가 도시된다.
접촉 스프링(70)은 도체 트랙 또는 전력 반도체 소자의 접촉 부분으로부터 도시되지 않은 그 밖의 접촉 부분과 접촉하는 제 1 접촉부를 가지고, 탄력부와 외부 연결을 위한 제 2 접촉부도 가진다(도 2 참조).
도면에는 전력 반도체 모듈(1)의 실시예가 도시되는데, 본 발명에 따른 실시예들은 이를 기초로 다른 설계의 전력 반도체 모듈에 적용될 수 있고, 예를 들어, 기저판이 없거나 다른 형태의 기판 또는 다른 하우징을 가질 수 있다. 또한, 특히 낮은 전력의 전력 반도체 모듈의 경우에는 여기에 도시된 보조 연결부뿐만 아니라 접촉 스프링으로 형성된 부하 연결부도 사용된다.
도 2는 본 발명에 따라 제 1 접촉부(72), 탄력부(74: resilient section) 및 제 2 접촉부(76)를 구비하는 전력 반도체 모듈(1)의 접촉 스프링(70)의 제 1 실시예를 도시한 것이다. 이 경우에 접촉 스프링(70)이 본 발명에 따라 소정의 직경(DF)을 가지는 제 1 접촉부(72)가 아치형(arcuate) 변형부(720)를 가지도록 설계된다. 접촉부(72)의 변형량(A)은 상기 변형부에 의해서 결정된다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈(1)의 접촉 스프링(70)의 제 2 실시예를 도시한 것이다. 이 경우에 접촉 스프링(70)은 본 발명에 따라 소정의 직경(DF)을 가지는 제 1 접촉부(72)가 평면상으로 S형 변형부(722)를 가지도록 설계된다. 결국 접촉부의 변형량(A)은 2개의 동일한 부분 변형량(1/2 A)으로 결정된다.
도 4는 본 발명에 따라 접촉 스프링(70)을 구비한 전력 반도체 모듈(1)의 절개부(30)의 제 1 실시예를 도시한 것이다. 절개부(30)는 하우징(3)의 일부로서, 전력 반도체 모듈의 외부와 대면하는 제 1 부분 절개부(32)의 내부에 탄력부(74)와 제 2 접촉부(76)의 대부분이 배치되게 형성된다. 핀 형태의 제 1 접촉부(72)는 하우징(3)의 절개부(30)의 제 2 부분 절개부(34)를 통하여 도체 트랙(54) 상의 접촉 위치 또는 도시되지 않은 전력 반도체 소자(60) 상의 접촉 위치로 돌출한다. 제 1 접촉부(72)의 S형 변형부(722)는 절개부(30)의 하부 부분에 배치된다.
이 경우에 2개의 부분 변형부(722)(도 3 참조)들은 접촉부(72)의 직경(DF)과 2개의 변형부(1/2 A)의 합이 제 2 부분 절개부(34)의 직경(D) 이상이 되도록 구성된다. 따라서 접촉 스프링(70)은 전력 반도체 모듈(1) 내부에서 일정한 힘에 의해 기판(5)을 향하여 삽입될 수 있고, 접촉 스프링은 자중에 의해서 빠져나올 수 없게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 접촉 스프링(70)을 가지는 전력 반도체 모듈(1)의 절개부(30)의 제 2 실시예를 도시한 것이다. 절개부(30)는 하우징(3)의 일부로서, 전력 반도체 모듈(1)의 외부와 대면하는 제 1 부분 절개부의 내부에 탄력부(74)와 제 2 접촉부(76)의 대부분이 배치되게 형성된다. 핀 형태로 형성된 제 1 접촉부(72)는 하우징(3)의 절개부(30)의 제 2 부분 절개부(34)를 통해서 도체 트랙(54) 상의 접촉 위치로 돌출한다. 제 1 접촉부(72)의 아치형 변형부(720)는 제 2 부분 절개부(34)의 하부 부분에 배치된다.
제 2 부분 절개부보다 큰 직경을 가지는 절개부(30)의 연장부(36)는 전기적 요구를 만족시키도록 기판(5) 방향으로 더욱 연장되어 전력 반도체 모듈(1) 내부의 틈새와 작은 통로에 놓여 진다.
이 경우, 부분 변형부(720)(도 2 참조)는 접촉부(72)의 직경(DF)과 변형량(A)의 합이 제 2 부분 절개부(34)의 직경(D) 이상이 되도록 구성된다. 따라서 접촉 스프링(70)은 전력 반도체 모듈(1) 내부에서 일정한 힘에 의해 기판(5)을 향하여 삽입될 수 있고 접촉 스프링은 자중에 의해서 빠져나올 수 없게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 접촉 스프링(70)을 가지는 전력 반도체 모듈(1)의 절개부(30)의 제 3 실시예를 도시한 것이다. 하우징(3)의 일부인 절개부(30)는 전력 반도체 모듈(1)의 외부와 대면하는 제 1 부분 절개부(32)의 내부에 탄력부(74)와 제 2 접촉부(76)의 대부분이 배치되게 형성된다.
핀 형태의 제 1 접촉부(72)는 하우징(3)의 절개부(30)의 제 2 부분 절개부(34)를 통하여 도체 트랙(54) 상의 접촉 위치까지 돌출한다. 제 1 접촉부(72)의 아치형 변형부(720)는 부분 절개부(34)의 하부에서 제 2 부분 절개부(34)의 직경보다 큰 직경을 가지는 다른 부분 절개부(38a) 내부에 변형되지 않도록(stress-free) 배치된다. 이 부분 절개부(38a)에는 또 다른 부분 절개부(38b)가 인접하게 위치되는데, 이 부분 절개부(38b)는 제 2 부분 절개부(34)의 직경보다 작은 직경을 가지고 제 1 접촉부를 도체 트랙(54) 또는 전력 반도체 소자 상의 접촉 위치에 대해 정확하게 안내하는 역할을 한다.
이 경우에 부분 변형부(720)(도 2 참조)가 접촉부(72)의 직경(DF)과 변형량(A)의 합이 제 2 부분 절개부(34)의 직경(D) 이상이 되도록 구성된다. 따라서 접촉 스프링(70)은 전력 반도체 모듈(1) 내부에서 일정한 힘으로 기판(5)을 향하여 삽입될 수 있고 접촉 스프링은 자중에 의해서 빠져나올 수 없게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 접촉 스프링을 가지는 전력 반도체 모듈을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 접촉 스프링의 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 접촉 스프링의 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 절개부의 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 절개부의 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 절개부의 제 3 실시예를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1: 전력 반도체 모듈 3: 하우징
4, 7: 연결부 5: 기판
54: 도체 트랙 60: 전력 반도체 소자
70: 하우징 72: 제 1 접촉부
74: 탄력부 76: 제 2 접촉부
720, 722: 변형부

Claims (3)

  1. 하우징(3), 적어도 하나의 금속 도체 트랙(54)을 구비하는 기판(5), 및 도체 트랙(54) 또는 도체 트랙(54) 위에 배치된 전력 반도체 소자(60)의 접촉 부분으로부터 외부로 안내되는 적어도 하나의 연결부(4,7)를 포함하는 전력 반도체 모듈(1)에 있어서,
    상기 연결부(7)는 제 1 접촉부(72), 탄력부(74) 및 제 2 접촉부(76)를 구비하는 접촉 스프링(70)으로 형성되고,
    상기 하우징(3)은 접촉 스프링(70)의 배치를 위한 제 1 및 제 2 부분 절개부(32,34)를 구비하는 절개부(30)를 가지며, 접촉 스프링(70)의 제 1 접촉부(72)는 핀 형태로 형성되고, 제 2 부분 절개부(34)의 직경(D)은 핀 형태의 제 1 접촉부(72)의 직경(DF)과 제 1 접촉부(72)의 변형부(720,722)에 의해 정해진 변형량(A)의 합 이하이며,
    상기 변형부(720,722)는 제 2 부분 절개부(34)와 기판(5)사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형부(720)는 아치형으로 형성되고, 상기 변형부(720)의 강도에 의해 변형량(A)을 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형부(722)는 평면상에서 S형으로 형성되고, 각각의 부분 변형량(1/2 A)은 변형량(A)의 절반이 되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
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