KR20100011947A - 전력반도체 모듈 - Google Patents

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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 기판, 하우징, 이 하우징의 내부에서 적어도 하나의 대향하는 베어링을 구비하는 적어도 하나의 제1의 접촉요소, 및 적어도 하나의 제2의 접촉요소를 포함하는 전력반도체 모듈을 개시한다. 제1의 접촉요소는 적어도 하나의 제1의 층 및 적어도 하나의 절연층을 구비하는 교호 순차 적층으로부터 배열되고, 상기 제1의 접촉요소는 제2의 접촉요소와 접촉하기 위한 적어도 하나의 제1의 접촉부분을 구비한다. 제2의 접촉요소는 제2의 접촉부분과 접촉하기 위해 전력반도체 모듈의 내부에 배치되는 적어도 하나의 제2의 접촉부분 및 외부의 접촉을 위해 하우징의 외면을 관통하는 적어도 하나의 제3의 접촉부분을 구비한다. 상기 하우징은 제2의 접촉요소의 제3의 접촉부분과 결합되고, 상기 하우징의 외면까지 연장되는 부싱을 구비한다. 도전성 충전재가 배치되는 공동부는 제1의 접촉요소의 제1의 접촉부분과 제2의 접촉요소의 제2의 접촉부분의 사이에 형성된다.
전력반도체 모듈(power semiconductor module), 접속장치(connection device)

Description

전력반도체 모듈{Power Semiconductor Module}
본 발명은 전력반도체 부품의 부하접속 및 제어접속의 전기적 접속을 위한 교호 순차 적층의 형태인 제1의 접촉요소 및 외부 접촉을 위한 제2의 접촉요소를 구비하는 패키지드(packaged) 전력반도체 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 독일특허 공보 DE 103 55 925 A1 및 DE 10 2006 078 013 A1로부터 공지된 것과 같은 전력반도체 모듈에 기초한다. 첫 번째 언급된 공보는 제1 및 제2의 도전막 및 중간 절연막으로 구성되는 막 조립체(film assembly)를 포함하는 전력반도체 부품을 위한 접촉요소를 개시한다. 상기 전력반도체 부품은 초음파 용접법에 의해 제1의 도전층에 영구적으로 강고하게 전기 접속된다. 상기 전력반도체 부품의 모듈-내부 회로는 부하접속 및 제어접속의 양자를 포함하는 것으로 본 공보에 기술되어 있다. 그러나, 상기 공보는 외부 연결을 위한 부하접속 및 제어접속의 상세한 내용이 전혀 개시되어 있지 않다.
독일특허 공보 DE 10 2006 078 013 A1는 하우징, 기판 및 DE 103 55 925 A1에 공지된 막 조립체로서의 접촉요소를 구비하는 전력반도체 모듈을 개시하고 있다. 상기 막조립체는, 외부 인쇄회로기판에 대한 부하접속 및 제어접속을 확보하 기 위해, 개별적으로 획정된 부분 내에서 하우징 내의 안내부분을 통해 하우징의 외면까지 연장된다.
이 경우의 하나의 결점은 외부의 인쇄회로기판과의 접촉이 납땜결합에 의해 이루어지는 것인데, 이 납땜접합은 제1의 접촉요소의 높은 유연성으로 인해 상기 접촉부의 납땜을 용해시킨 후 재 납땜을 실시하는 경우에 다시 한번 납땜을 실시해주어야 하고, 외부 인쇄회로기판의 회로접속형태(circuit topology)에 대응하여 접촉면과 재차 정렬시켜주어야 한다.
본 발명은 생산이 단순하고, 전력반도체 모듈의 제1의 접촉요소 및 제2의 접촉요소 사이에 신뢰성 있는 접촉을 달성할 수 있으며, 하우징, 교호 순차 적층 형태의 접촉요소, 및 외부의 접촉을 위한 제2의 접촉요소를 구비하는 전력반도체 모듈을 제공하는 목적에 기초한다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1의 특징부의 내용에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명의 아이디어는 하우징, 제1의 도체 트랙을 구비하는 적어도 하나의 기판, 및 상기 도체 트랙 상의 회로에 따라 배치되는 전력반도체 부품을 구비하는 전력반도체 모듈에 기초한다.
상기 전력반도체 모듈은 더욱 적어도 하나의 제1의 접촉요소를 구비하고, 이 접촉요소는 적어도 하나의 도체층 및 적어도 하나의 절연층으로 구성되는 교호 순차 적층을 포함한다. 상기 적어도 하나의 도체층은 진성 구조(intrinsically structured)이고, 회로에 따라 전력반도체 부품의 부하접속 및 제어접속과 접촉하는 제2의 도체 트랙을 형성한다. 제1의 접촉요소의 제1의 접촉부분은 하우징 내에 배치됨과 동시에 상기 제1의 접촉요소와 적절히 결합되는 대향하는 베어링에 의해 전력반도체 모듈의 내부에서 조절 및 장착된다. 이 경우, 상기 대향하는 베어링은 하우징 재료로부터 일체로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 더욱, 제1의 접촉요 소의 조절 및 장착을 위해, 상기 대향하는 베어링은 하우징의 측면에 대해 소정의 각도를 가지는 것이 유리하다.
더욱, 상기 전력반도체 모듈은 적어도 하나의 제2의 접촉요소를 구비한다. 이 접촉요소는 하우징에 강고하게 연결되는 것이 바람직하고, 하우징의 각 관련되는 부싱을 관통하여 하우징의 외면에 도달하고, 이곳에서 상기 접촉요소는 예를 들면 외부 인쇄회로기판과의 외부 접촉을 위해 사용된다. 이 경우, 제2의 접촉요소는 전력반도체 모듈의 내부에서 제2의 접촉부분을 형성하고, 이것에 의해, 전력반도체 부품과 외부 접촉부 사이의 도전성 연결이라는 의미에서, 본 발명에 따라 도전성 접속에 의해 회로에 따라 제1의 접촉요소의 제1의 접촉부분과 접촉이 가능해진다. 이것을 위해, 제2의 접촉요소는 제3의 접촉부분을 형성하고, 이것은 하우징 내에서 이 접촉부분에 각각 결합되는 부싱을 관통하여 하우징의 외면에 도달한다.
이 경우, 본 발명에 따라, 도전성 충전재, 바람직하게는 용가재가 도입되는 공동부가 대향하는 베어링 상의 이 베어링에 결합되는 제1의 접촉요소 및 그 안내부분 상의 제2의 접촉요소 사이에서 형성된다.
그 결과 형성된 공동부는 이 경우 쐐기 형태인 것이 바람직하지만, 상기 대향하는 베어링의 배열의 결과 대략 깔때기의 형태일 수도 있다.
상기 공동부의 구성에 대하여, 본 발명에 따르면, 교호 순차 적층의 형태로서 가요성을 가지는 제1의 접촉요소는 상기 제2의 접촉요소에 강고하게 장착되고, 동시에 신뢰성 있는 도전성 연결체를 형성한다.
본 발명에 의해 생산이 단순하고, 전력반도체 모듈의 제1의 접촉요소 및 제2의 접촉요소 사이에 신뢰성 있는 접촉을 달성할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3의 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 전력반도체 모듈(1), 접속장치(2) 및 외부 인쇄회로기판(7)을 구비하는 종래기술에 따른 장치의 일 실시예를 보여준다. 본 설계를 설명하기 위해 열 싱크(18)도 도시되어 있다.
상기 전력반도체 모듈은 전기 절연성 기판(10)을 둘러싸는 하우징(3)을 포함한다. 이것은 베이스체(base body), 바람직하게는 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄과 같은 절연성 세라믹을 구비한다. 상기 기판(10)은 전력반도체 모듈의 내부에 대면하는 제1의 주면(main surface) 상에 진성 구조(intrinsically structured)의 도체 트랙(12)을 구성한다. 전력반도체 부품(14)은 기판의 도체 트랙(12) 상에 배열되고, 회로에 따라 교호 순차 적층(alternating layer sequence)에 의해 형성된 제1의 접촉요소(6)에 의해 접속된다. 이 교호 순차 적층은 도 1에서 확대한 상세부에 도시된 바와 같이, 각각 진성 구조이며, 도체 트랙을 형성하는 제1의 도체층(60) 및 제2의 도체층(64)으로 형성되고, 이들 층 사이에 절연층(62)이 개재된다. 이 경우, 제1의 도체층(60)은 점용접부(602,　606)에 의해 회로(14)에 따라 전력반도체 부품과 접촉된다. 더욱, 이 접촉요소는 하우징(3) 내의 부싱(bushings; 34)을 관통하여 하우징의 외면(36)에 도달하고, 이 곳에서 외부 인쇄회로기판(7)과 의 부하접촉 및 제어접촉(72)을 위해 설계된 접촉부분(660, 662)을 형성한다. 상기 접촉부는 납땜(soldered joint)에 의해 형성된다.
도 2는 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 제1의 실시예의 횡단면 형태의 상세도이고; 도 1의 것과 물리적으로 동일한 요소들은 설명이 생략되었다.
상기 도면은 전력반도체 모듈의 좌측부의 횡단면도로서, 제1의 접촉요소(6)는 프레임상의 하우징(3)의 내부에 배치되고, 회로(60a)에 따라 전력반도체 부품(14)들과 접촉을 이룬다. 상기 제1의 접촉요소는 더욱 관련된 대향하는 베어링(32)를 가진다. 이 대향하는 베어링(32)은 하우징으로부터 일체로 형성되고, 제1의 접촉요소의 제1의 접촉부분(62)을 지지하고, 프레임상의 하우징의 일측면(38a)과 약 15°의 각도를 이룬다.
또한, 제2의 접촉요소(4)가 도시되어 있으며, 이것은 전력반도체 모듈의 내부에 배치되고, 이곳에서 제2의 접촉부분(40)을 형성한다. 더욱, 상기 제2의 접촉요소는 하우징(3) 내의 부싱(34)을 통해 하우징의 외면(36)에 도달하고, 이곳에서 외부 인쇄회로기판(7)과 접촉하는데 사용되는 제3의 접촉부분(42)을 형성한다. 이 경우, 종래기술에 따른 외부 인쇄회로기판에 대한 회로의 접속은 플러그-스루 납땜장착법(plug-through solder mounting)에 의해 제공되는 것이 바람직하지만, 어떤 제한도 없이 이것은 표면 납땜장착법에 의해서 수행될 수도 있다.
이 경우, 제2의 접촉요소는 하우징 재료에 의한 부분 삽입 주조성형법(partial insert moulding)에 의해 하우징에 강고하게 연결된다. 상기 제1의 접촉요소(6) 및 제2의 접촉요소(4)의 배치의 결과, 제1의 접촉요소(6)의 접촉부 분(62)과 제2의 접촉요소(4)의 제2의 접촉부분(40)은 하우징(3)의 내부에서 대략 쐐기 형태의 공동부(5)를 형성한다. 이 경우, 상기 공동부의 개구부는 기판(10)의 방향을 향하고, 도전성 충전재(50)로서 제1의 접촉요소와 제2의 접촉요소의 사이를 접촉시켜주는 용가재(solder; 50a)를 파지하는데 이용된다. 상기 기판에 대해 대향측에 배치되는 상기 공동부의 폐쇄단부면은 소용적의 수용 영역(storage area; 52)을 가진다. 이 수용 영역은 그 단부면 상에서 제1의 접촉부분(62)을 포위하므로 접촉의 신뢰도를 최적화한다. 상기 용가재(50a)는 전체 공동부의 용적의 75%를 차지한다.
열 싱크(2)를 이용하는 장착을 위한 나사연결체(8)도 도시되어 있다. 이 경우, 전력반도체 모듈의 하우징(3)은 상기 나사연결체(8)를 파지하기 위한 일체로 형성된 제1의 자유 재료부분(free material section; 30)을 구비한다. 상기 자유 재료부분과 열 싱크는 각각 나사연결체를 파지하기 위해 사용되는 상호 정렬된 컷아웃(300, 302)을 구비한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 추가 실시예의 열 싱크 및 기판이 생략된 좌측부의 3차원 형태의 상세도(정확한 축척에 의해 도시되지는 않음)이다. 본 도면은 하우징(3)의 좌측부(38a), 전측벽(38b), 및 중간벽(38c)를 보여준다. 또한, 각각 제1의 접촉요소(6a, 6b)가 도시되어 있고, 이들 각각은 전력반도체 부품(14a, 14b) 및 제1의 접촉부분(62a, 62b), 제2의 접촉요소(4a, 4b)를 구비하고, 그 결과 본 발명에 따른 공동부(5a, 5b)가 각각 형성된다. 이 경우, 도전성 충전재(50)는 도전성 은 접착제(silver conductive adhesive; 50b)로서, 이것은 공동부의 체적의 50%를 채운다(도시 생략). 각 제1의 접촉요소(6a, 6b)의 각 제1의 접촉부분(62a, 62b)은 하우징의 좌측벽(38a)에 대해 5°의 각도를 이룬다. 제2의 접촉요소(4a, 4b)의 각 제2의 접촉부분은 하우징(38a)의 측벽에 접하는 각 표면 상 및 하우징으로부터 그 외면(도시 생략)까지 연장하는 부싱(bushing) 상에서 접착제에 의한 결합을 이용하여 하우징(3)에 영구적으로 연결된다. 하우징에 결합된 부싱으로부터 제2의 접촉요소(4a, 4b)는 각각 하우징의 외면 상에서 제2의 접촉부분(도면에는 42a만 도시됨)이 형성된다.
도 1은 종래기술에 따른 외부에 배치된 인쇄회로기판을 구비하는 전력반도체 모듈의 횡단면도 및 부분 확대 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 외부에 배치된 인쇄회로기판을 구비하는 전력반도체 모듈의 일 실시예의 상세한 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 상세한 3차원 측면도이다.

Claims (9)

  1. 기판(10), 하우징(3), 이 하우징의 내부에서 적어도 하나의 대향하는 베어링(32)을 구비하는 적어도 하나의 제1의 접촉요소(6), 및 적어도 하나의 제2의 접촉요소(4)를 포함하는 전력반도체 모듈(1)로서,
    상기 제1의 접촉요소(6)는 적어도 하나의 제1의 층(60, 64) 및 적어도 하나의 절연층(62)을 구비하는 교호 순차 적층으로부터 배열되고,
    상기 제1의 접촉요소(6)는 제2의 접촉요소(4)와 접촉하기 위한 적어도 하나의 제1의 접촉부분(68)을 구비하며,
    상기 제2의 접촉요소(4)는 제2의 접촉부분(68)과 접촉하기 위해 전력반도체 모듈의 내부에 배치되는 적어도 하나의 제2의 접촉부분(40) 및 외부의 접촉을 위해 하우징의 외면(36)을 관통하는 적어도 하나의 제3의 접촉부분(42)을 구비하고,
    상기 하우징은 제2의 접촉요소(4)의 제3의 접촉부분(42)과 결합되고, 상기 하우징의 외면(36)까지 연장되는 부싱(34)을 구비하며,
    도전성 충전재(50)가 배치되는 공동부(5)는 제1의 접촉요소(6)의 제1의 접촉부분(68)과 제2의 접촉요소(4)의 제2의 접촉부분(40)의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2의 접촉요소(4)는 하우징(3)에 영구적으로 강고하게 연결되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2의 접촉요소(4)에 대한 하우징(3)의 영구 연결은 하우징 재료에 의한 제2의 접촉요소의 부분 삽입 주조성형법(partial insert moulding) 또는 하우징(3)과 제2의 접촉요소(4) 사이의 접착제 연결에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 충전재(50)는 용가재(50a)의 형태 또는 도전성 접착제(50b)의 형태인 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공동부(5)는 깔때기 형태 또는 쐐기 형태인 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 깔때기 형태 또는 쐐기 형태의 공동부(5)는 기판(10)의 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공동부(5)는 도전성 충전재(50)를 유지하기 위한 수용영역(52)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 충전재(50)는 포켓 형태의 공동부(5)의 용적의 적어도 50%의 충전 용적을 가지는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 대향하는 베어링(32)은 하우징 재료로부터 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
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