KR20150037562A - 전력 반도체 장치 - Google Patents

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KR20150037562A KR20140127677A KR20140127677A KR20150037562A KR 20150037562 A KR20150037562 A KR 20150037562A KR 20140127677 A KR20140127677 A KR 20140127677A KR 20140127677 A KR20140127677 A KR 20140127677A KR 20150037562 A KR20150037562 A KR 20150037562A
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쿠라스 할트무트
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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 전력 반도체 모듈 및 도전성 부하전류 단자 요소를 포함하는 전력 반도체 장치로서, 전력 반도체 모듈은 특정 구조의 도전성 전도층상에 배치된 전력 반도체 부품을 가지며, 전도층상에는 도전성 부하전류 접속 요소가 배치되며, 부하전류 단자 요소는 부하전류 단자 요소의 제 1 단부 영역에서 제 1 접촉부 및 탄성 접촉 돌부를 가지며, 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부와 접촉 돌부 사이에는 부하전류 접속 요소의 제 1 부분이 배치되며, 접촉 돌부는 부하전류 접속 요소의 제 1 부분상에 압력을 가하여 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부에 대하여 부하전류 접속 요소의 제 1 부분을 가압하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명은 부하전류 긴 기간에 걸쳐서 단자 요소가 확실하게 부하전류 접속 요소에 전기전도적으로 접속되며 상당한 열 입력 없이 간단한 방식으로 부하전류 단자 요소와 부하전류 접속 요소가 서로 접속될 수 있는 전력 반도체 장치를 제공한다.

Description

전력 반도체 장치{Power semiconductor device}
본 발명은 전력 반도체 장치에 관한 것이다.
종래 기술에 알려진 전력 반도체 장치는 일반적으로 단일 전력 반도체 모듈 또는 복수의 전력 반도체 모듈를 포함하는데, 각각의 전력 반도체 모듈은 예를 들어 전력 반도체 스위치 및 다이오드 같은 전력 반도체 부품들이 배치되어 기판의 도전층에 의해 서로 전기전도적으로 접속되는 기판, 및 본딩 와이어 및/또는 막 복합체를 갖는다. 이 경우, 전력 반도체 스위치들은 일반적으로 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 같은 트랜지스터 형태로 제공될 수 있다.
이 경우, 기판상에 배치된 전력 반도체 부품들은 흔히 서로 전기적으로 접속되어 단일 또는 복수의 소위 하프브릿지(half-bridge) 회로를 형성하는데, 이는 예를 들어 전압 및 부하전류를 정류 및 변환시키는데 사용된다.
각각의 전력 반도체 모듈은 기판에 전기전도적으로 접속된 부하전류를 운반하는 부하전류 접속 요소를 갖는다. 부하전류를 더 운반하기 위해서, 예를 들어 DE 10 2011 076 323 A1에 공지된 것 같은 기술적으로 일반적인 전력 반도체 장치는 부하전류 단자 요소를 포함하는데, 이 요소들은 예를 들어 상호 용접 접속 또는 강제 록킹 접속 같은 전기전도적 응집성 접속에 의해 부하전류 접속 요소에 전기전도적으로 접속된다. 부하전류 단자 요소들은 외부 전선로를 전력 반도체 장치에 접속하는 역할을 한다.
그러나, 응집성 접속을 형성하는 것은 기술적으로 복잡하고 일반적으로 상당한 열 입력과 관련되어 전력 반도체 장치의 요소들의 손상을 야기할 수 있다.
또한 부하전류 단자 요소를 부하전류 접속 요소에 접속하면 진동 및 온도 사이클에서 생기는 부하를 받아서 비교적 긴 기간에 걸쳐서 접속이 파괴될 수 있다.
본 발명의 목적은 부하전류 긴 기간에 걸쳐서 단자 요소가 확실하게 부하전류 접속 요소에 전기전도적으로 접속되며 상당한 열 입력 없이 간단한 방식으로 부하전류 단자 요소와 부하전류 접속 요소가 서로 접속될 수 있는 전력 반도체 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 전력 반도체 모듈 및 도전성 부하전류 단자 요소를 포함하는 전력 반도체 장치로서, 전력 반도체 모듈은 특정 구조의 도전성 전도층상에 배치된 전력 반도체 부품을 가지며, 전도층상에는 도전성 부하전류 접속 요소가 배치되며, 부하전류 단자 요소는 부하전류 단자 요소의 제 1 단부 영역에서 제 1 접촉부 및 탄성 접촉 돌부를 가지며, 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부와 접촉 돌부 사이에는 부하전류 접속 요소의 제 1 부분이 배치되며, 접촉 돌부는 부하전류 접속 요소의 제 1 부분상에 압력을 가하여 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부에 대하여 부하전류 접속 요소의 제 1 부분을 가압하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 실시형태들은 종속 청구항으로부터 명백해진다.
접촉 돌부는 엣지를 가지며, 부하전류 접속 요소의 제 1 부분은 엣지와 부하전류 단자 요소 사이에 배치되며, 접촉 돌부는 부하전류 접속 요소의 제 1 부분에 압력을 가하고 엣지는 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부에 대하여 부하전류 접속 요소의 제 1 부분을 가압하며, 엣지는 부하전류 접속 요소의 제 1 부분 속으로 압입되는 것이 유리하다는 것이 증명되었다. 그 결과로서 특히 장기간에 걸쳐서 믿을 수 있는 부하전류 단자 요소와 부하전류 접속 요소 사이의 도전성 접점이 얻어진다.
또한, 부하전류 단자 요소는 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부로부터 그리고 접촉 돌부로부터 일정 거리에 배치된 돌기 요소를 가지며, 부하전류 접속 요소는 돌기 요소와 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부 사이에 배치되며, 돌기 요소는 부하전류 단자 요소의 제 1 접촉부와 함께 부하전류 접속 요소용 가이드를 형성하는 것이 유리하다는 것이 증명되었다. 따라서 믿을 수 있는 부하전류 접속 요소용 가이드가 간단한 방식으로 제조된다.
또한, 외부 전선로가 간단한 방식으로 부하전류 단자 요소에 전기접촉 접속될 수 있기 때문에 부하전류 단자 요소는 제 2 단부 영역에서 제 2 접촉부를 갖는 것이 유리하다는 것이 증명되었다.
또한, 외부 전선로가 간단한 방식으로 나사 접속에 의해 부하전류 단자 요소에 접속될 수 있기 때문에 제 2 접촉부에 통공이 형성되는 것이 유리하다는 것이 증명되었다.
또한, 부하전류 단자 요소는 일체 형식으로 구현되는 것이 유리하다는 것이 증명되었다. 그 결과로서 특히 단순한 구조의 매우 믿을 수 있는 부하전류 단자 요소가 실현된다.
또한, 부하전류 단자 요소는 다중 절곡 금속 시트 형태로 제공되는 것이 유리하다는 것이 증명되었다. 그 결과로서 특히 단순하게 구성된 매우 믿을 수 있는 부하전류 단자 요소가 실현된다.
본 발명의 일 실시형태를 도면에 도시하며 이하에 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 대하여 180도 회전한 본 발명에 따른 전력 반도체 장치의 사시도.
도 3은 전력 반도체 모듈의 단면도.
도 4는 부하전류 단자 요소의 사시도.
도 5는 부하전류 단자 요소의 다른 사시도.
도 6은 부하전류 단자 요소의 단면도.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)의 두 개의 사시도를 도시한다. 이 전력 반도체 장치(1)는 전력 반도체 모듈(3) 및 도전성 부하전류 단자 요소(7)를 포함하는데, 이는 본 실시형태에서 예를 들어 버스바(busbar) 또는 케이블 같은 외부 전선로에 전력 반도체 모듈(3)을 전기적으로 접속하는 역할을 한다. 전력 반도체 장치(1)는 절제부를 구비한 전력 반도체 장치 하우징을 포함하는데, 상기 하우징은 설명의 명료성을 위해 도 1 및 도 2에 도시되어 있지 않으며, 부하전류 단자 요소(7)는 전력 반도체 장치 하우징의 절제부를 통하여 연장되므로 외부 전선로가 예를 들어 전력 반도체 장치 하우징 외부의 나사 접속에 의해 부하전류 단자 요소(7)에 접속될 수 있다.
도 3은 전력 반도체 모듈(3)의 단면도를 나타내는 것으로서, 본 발명을 이해하는데 필수적인 전력 반도체 모듈(3)의 요소들만 도 3에 도시되어 있다. 전력 반도체 모듈(3)은 도전성 도체 트랙(13)을 형성하는 도전성 구조의 제 1 전도층(31)상에 배치된 전력 반도체 부품(9)을 포함한다. 전력 반도체 부품(9)들은 바람직하게는 솔더링 또는 신터링 금속층에 의해 제 1 전도층(31) 또는 도체 트랙(13)에 전기전도적으로 접속된다. 또한 제 1 전도층(31) 상에는 도전성 부하전류 접속 요소(DC+, DC-, AC)가 배치되어 있다. 부하전류 접속 요소(DC+, DC-, AC)들은 바람직하게는 솔더링 또는 신터링 금속층에 의해 제 1 전도층(31) 또는 도체 트랙(13)에 전기전도적으로 접속되어 있다. 각각의 전력 반도체 부품은 바람직하게는 전력 반도체 스위치 또는 다이오드 형태로 존재한다. 이 경우, 전력 반도체 스위치들은 바람직하게는 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 같은 트랜지스터 형태로 존재한다. 본 실시형태에서, 전력 반도체 모듈(3)은 부하전류 접속 요소(DC+, DC-) 사이에 공급된 DC 전압으로부터 부하전류 접속 요소(AC)에서 AC 전압을 발생시킨다. 또한 본 실시형태에서, 각각의 전력 반도체 모듈(3)은 제어 단자 요소(S)를 포함하는데, 이는 전력 반도체 모듈(3)의 전력 반도체 스위치의 제어 단자에 전기전도적으로 접속되어 있다.
또한 전력 반도체 모듈(3)은 비도전성 절연층(6) 및 냉각판(5)을 포함하는데, 절연층(6)은 도체 트랙(13)과 냉각판(5) 사이에 배치되어 있다. 제 1 전도층(31)은 절연층(6)에 접속되어 있다. 본 실시형태에서, 절연층(6)과 냉각판(5) 사이에는 바람직하게는 특정 구조를 갖지 않는 도전성의 제 2 전도층(8)이 배치되어 절연층(6)에 접속되어 있다. 절연층(6)은 바람직하게는 세라믹체 형태로 존재한다. 제 1 및 제 2 전도층(31, 8) 및 절연층(6)은 바람직하게는 직접 구리접합 기판(27)(DCB 기판)에 의해 함께 형성된다.
여기서 제 1 및 제 2 전도층은 단일층으로 구성되거나 또는 서로 위아래로 놓인 복수층으로 구성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 이 때, 제 1 및/또는 제 2 전도층은 예를 들어 접착촉진층 및/또는 보호층으로서 기능할 수 있는 귀금속(예를 들어, 은)으로 구성되거나 귀금속 화합물로 구성된 단일 피복 또는 서로 위아래로 놓인 복수의 피복을 갖는 구리층을 포함할 수 있다.
측면이 전력 반도체 부품(9)과 대향하는 냉각판(5)은 단일층 또는 서로 위아래로 놓인 복수층으로 피복될 수 있는데, 이 층들은 예를 들어 접착촉진층 및/또는 보호층의 역할을 하고/하거나 온도가 변화하는 경우에 절연층(6)과 냉각판(5)의 열팽창 계수가 서로 다르기 때문에 발생할 수 있는 절연층(6)과 냉각판(5) 사이의 기계적 응력을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 본 실시형태에서, 냉각판(5)은 측면이 절연층(6)과 대향하는 구리층(13)으로 피복되어 있는데, 이 구리층은 결국 예를 들어 피복, 특히 귀금속 피복(예를 들어, 은)으로 피복될 수 있다. 구리층(12)은 냉각판(5)과 절연층(6) 사이에, 특히 냉각판과 제 2 전도층(8) 사이에 배치되어 있다. (측면이 전력 반도체 부품과 대향하는 냉각판이 개별층 또는 서로 위아래로 놓인 복수층으로 피복되어 있는 경우) 제 2 전도층(8)은 바람직하게는 솔더링 또는 신터링 금속층에 의해 직접 또는 간접적으로 냉각판(5)에 접속되어 있다. 본 실시형태에서, 제 2 전도층(8)은 솔더링 또는 신터링 금속층에 의해 구리층(12)에 접속되어 있다.
또한 본 실시형태에 있어서, 전력 반도체 부품(9) 및 부하전류 접속 요소(DC+, DC- 및 AC)는 설명의 명료성을 위해 도 3에는 도시하지 않은 본딩 와이어 및/또는 막 복합체에 의해 서로 전기전도적으로 접속되어 있다.
솔더링 또는 신터링 금속층은 설명의 명료성을 위해 도 3에는 도시되어 있지 않다. 또한 이 층들의 두께 및 전력 반도체 부품의 두께는 실제의 축척으로 도시되어 있지 않다는 것을 알아야 한다.
여기서 냉각판은 절연 금속 기판(IMS)의 알루미늄체 형태로 존재할 수도 있다는 것을 알아야 한다.
냉각판(5)은 본 실시형태에서처럼 측면(B)이 전력 반도체 부품(9)의 반대측으로 향하는 냉각휜 및/또는 냉각핀(19)을 가질 수 있다. 또한 냉각판(5)은 냉각판을 히트싱크에 결합시키기 위한 통공을 가질 수 있다.
전력 반도체 모듈(3)은 바람직하게는 전력 반도체 부품(9) 및 기판(27)을 덮는 모듈 하우징(10)을 포함하는데, 모듈 하우징(10)은 부하전류 접속 요소(DC+, DC- 및 AC)가 통과하는 절제부를 갖는다.
또한 전력 반도체 장치(1)는 이미 설명한 바와 같이 도전성 부하전류 단자 요소(7)를 더 포함하는데, 이는 본 실시형태에서 전력 반도체 모듈(3)을 예를 들어 버스바 또는 케이블 같은 외부 전선로에 전기적으로 접속하는 역할을 한다. 도 1 및 도 2는 부하전류 단자 요소(7)가 부하전류 접속 요소(AC)에 전기전도적으로 접속된 도면을 보여준다. 부하전류 단자 요소(7)는 도 4 내지 도 6에 서로 다른 도면으로 도시되어 있다.
부하전류 단자 요소(7)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 단부 영역(11)에서 제 1 접촉부(14) 및 탄성 접촉 돌부(15)를 갖는다. 부하전류 단자 요소(7)를 부하전류 접속 요소(AC)에 접속하기 위해, 제 1 단부 영역(11)에 배치된 부하전류 단자 요소(7)의 부분은 위로부터 부하전류 접속 요소(AC) 위로 가압된다. 이 경우, 접촉 돌부(15)는 상방으로 굽혀져서 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)의 방향으로 가압한다. 부하전류 단자 요소(7)가 부하전류 접속 요소(AC) 위로 가압된 후, 접촉 돌부(15)와 제 1 접촉부(14) 사이에는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)이 배치되어 있다. 접촉 돌부(15)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)상에 압력(D)(도 1 참조, 참조 부호 D 아래의 화살표는 압력 방향으로 지시한다)을 가하여 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)에 대하여 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)을 가압한다.
접촉 돌부(15)는 바람직하게는 각각 엣지(20)를 갖는데, 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)은 접촉 돌부(15)의 엣지(20)와 제 1 접촉부(14) 사이에 배치되어 있으며, 접촉 돌부(15)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)상에 압력(D)을 가하며 엣지(20)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)에 대하여 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)을 가압하며, 엣지(20)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17) 속으로 압입된다. 그 결과 부하전류 단자 요소(7)와 부하전류 접속 요소(AC) 사이에 도전성 접점이 얻어지는데 이는 진동에 강하고 온도 사이클에 강하며 특히 장기간에 걸쳐 신뢰할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 부하전류 단자 요소(7)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)로부터 그리고 접촉 돌부(15)로부터 일정 거리에 배치된 돌기 요소(16)를 갖는데, 부하전류 접속 요소(AC)는 돌기 요소(16)와 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14) 사이에 배치되고, 돌기 요소(16)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)와 함께 부하전류 접속 요소(AC)용 가이드(19)를 형성한다. 돌기 요소(16)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)로부터 거리(a)에 그리고 접촉 돌부(15)로부터 거리(b)에 있다. 이 경우, 거리(a)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)의 재료 두께와 동일하거나 약간 큰 치수를 갖는다. 돌기 요소(16)는 바람직하게는 제 1 접촉부(14)에 수직하게 연장된다.
부하전류 단자 요소(7)는 바람직하게는 부하전류 단자 요소(7)의 제 2 단부 영역(11)에서 제 2 접촉부(20)를 가지며, 상기 제 2 접촉부에는 바람직하게는 통공(21)이 형성되어 있다. 제 2 접촉부(20)는 부하전류 단자 요소(7)를 예를 들어 버스바 또는 케이블 같은 외부 전선로에 전기접촉 접속시키는 역할을 하는데, 외부 전선로는 바람직하게는 통공(21)을 통해 연장되는 나사 접속에 의해 부하전류 단자 요소(7)에 접속된다.
부하전류 단자 요소(7)는 바람직하게는 일체형으로 구현되며 다중 절곡 금속 시트의 형태로 제공된다. 부하전류 단자 요소(7) 또는 금속 시트는 예를 들어 구리로 구성될 수 있다.
여기서 부하전류 접속 요소(DC+, DC-)는 또한 부하전류 단자 요소에 의해 유사한 방식으로 각각의 외부 전선로에 접속될 수 있음을 알아야 한다.
또한 본 발명에 따른 전력 반도체 장치는 또한 단일 제 1 접촉부만을 포함하고/포함하거나 또한 단일 접촉 돌부만을 포함하고/포함하거나 또한 단일 돌기 요소만을 포함할 수도 있다.

Claims (7)

  1. 전력 반도체 모듈(3) 및 도전성 부하전류 단자 요소(7)를 포함하는 전력 반도체 장치로서, 전력 반도체 모듈(3)은 특정 구조의 도전성 전도층(31)상에 배치된 전력 반도체 부품(9)을 가지며, 전도층(31)상에는 도전성 부하전류 접속 요소(AC)가 배치되며, 부하전류 단자 요소(7)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 단부 영역(11)에서 제 1 접촉부(14) 및 탄성 접촉 돌부(15)를 가지며, 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)와 접촉 돌부(15) 사이에는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)이 배치되며, 접촉 돌부(15)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)상에 압력을 가하여 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)에 대하여 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)을 가압하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 접촉 돌부(15)는 엣지(20)를 가지며, 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)은 엣지(20)와 부하전류 단자 요소(7) 사이에 배치되며, 접촉 돌부(15)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17)에 압력을 가하고 엣지(20)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)에 대하여 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분을 가압하며, 엣지(20)는 부하전류 접속 요소(AC)의 제 1 부분(17) 속으로 압입되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 부하전류 단자 요소(7)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)로부터 그리고 접촉 돌부(15)로부터 일정 거리에 배치된 돌기 요소(16)를 가지며, 부하전류 접속 요소(AC)는 돌기 요소(16)와 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14) 사이에 배치되며, 돌기 요소(16)는 부하전류 단자 요소(7)의 제 1 접촉부(14)와 함께 부하전류 접속 요소(AC)용 가이드(19)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서, 부하전류 단자 요소(7)는 제 2 단부 영역(18)에서 제 2 접촉부(20)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 2 접촉부(20)에는 통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 한 항에 있어서, 부하전류 단자 요소(7)는 일체형으로 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 부하전류 단자 요소(7)는 다중 절곡 금속 시트 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
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