KR20160002834A - 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체 - Google Patents

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KR20160002834A
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KR
South Korea
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power semiconductor
module
enclosure
substrate
volume
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KR1020157030687A
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무나프 라히모
하미트 두란
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에이비비 테크놀로지 아게
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 을 포함하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체에 관련되며, 여기서 상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 은 제 1 표면 (42) 및 제 1 표면 (42) 의 반대편에 배열되는 제 2 표면 (44) 을 갖는 기판 (40) 을 포함하고, 기판 (40) 은 적어도 부분적으로 전기 절연성이며, 도전성 구조가 기판 (40) 의 제 1 표면 (42) 에 배열되고, 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스가 도전성 구조상에 배열되고 도전성 구조에 전기적으로 연결되며, 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 은 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨 (56) 을 포함하고, 내부 볼륨은 모듈 엔클로저 (58) 에 의해 그것의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉되며, 모듈 배열체 (36) 는 상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 을 수용하기 위한 볼륨 (62) 을 적어도 부분적으로 정의하는 배열체 엔클로저 (60) 를 포함하고, 배열체 엔클로저는 상기 볼륨 (62) 을 밀봉 커버한다. 그러한 배열체는 개선된 안전뿐 아니라 개선된 신뢰성을 허용한다.

Description

전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체{MODULE ARRANGEMENT FOR POWER SEMICONDUCTOR DEVICES}
본 발명은 전력 반도체 디바이스를 갖는 적어도 하나의 모듈을 포함하는 모듈 배열체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 디바이스들에 대한 매우 안전하고 신뢰성있는 보호를 제공하는 능력을 갖는 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체에 관한 것이다.
다양한 전력 반도체 모듈들이 알려져 있고 많은 상이한 전자 디바이스들에서 사용된다. 이들 전력 전자 모듈들의 요건은 안전 뿐아니라 허용가능한 신뢰성을 제공하는 것이다.
안전 및 신뢰성에 관련하여, 전력 전자 모듈들 및 그것들로 이루어지는 전력 반도체 디바이스들은 환경적 영향들에 대해 민감하다고 알려져 있다. 특히 습도 및 습기는, 각각 전력 반도체 디바이스들, 또는 전력 반도체 모듈들에 부정적으로 영향을 미치고 잠재적으로 손상시키는 것에 대해 생각할 때 연관성이 있다. 예를 들어 습기 및 다른 오염들이 모듈로 침투하고 전력 반도체 디바이스들에 도달하는 것을 방지하기 위해, 기판들 및 전력 반도체 디바이스들에 실리콘 겔을 적용하는 것이 알려져 있다.
예를 들어, DE 10 2010 041 714 A1 으로부터 전력 반도체 모듈 및 그것을 제조하는 방법이 알려져 있다. 그러한 전력 반도체 모듈은 상호연결 디바이스 및 베이스 플레이트를 포함한다. 베이스 플레이트는 기밀적으로 밀봉되고 냉각 유체를 수용하도록 배열되는 볼륨 (volume) 을 포함한다. 또한, 하우징이 제공되며, 그 하우징은 베이스 플레이트에 기밀적으로 연결된다.
또한, EP 1 686 621 A1 으로부터 표면 탑재가능 기밀 밀봉 패키지가 알려져 있다. 그러한 패키지는 그것의 하우징부 내에 기밀적으로 밀봉되는 반도체 디바이스를 포함한다.
그러나, 반도체 디바이스들의 보호 및 따라서 모듈들 내에 제공된 전력 반도체 디바이스들의 신뢰성, 또는 모듈 배열체들 각각 및 이들과 함께 구비되는 전기 디바이스들은 개선을 위한 가능성을 여전히 가지고 있다.
US 6,650,559 B1 은 도 3 및 도 7 에서 2 개의 전력 반도체 모듈들을 갖는 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체를 개시하며, 여기서 모듈들은 그의 볼륨이 모듈 엔클로저에 의해 둘러싸이는 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨을 포함한다.
더욱이, 또한 US 2009/0021916 A1 은 도 3 및 도 4 에서 그러한 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체를 도시하며, 여기서 모듈들은 그 볼륨이 모듈 엔클로저에 의해 둘러싸이는 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨을 포함한다.
EP 2 437 295 A2 는 도 1 및 도 2 에서 잘 알려진 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체를 개시한다.
게다가, EP 1 544 915 A2 는 전기 회로 모듈 히트싱크 탑재 배열체를 개시하며, 여기서 도 25 는 전기 회로 모듈의 패키징된 구성의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 이러한 전기 회로 모듈은 그 전기 회로 모듈을 사용하여 구성되는 전기 장비를 그 안에 수용하기 위해 수지 또는 금속 케이스의 고정을 위해 작용하는 스크류 피팅부 또는 케이스 피팅부를 포함하는 픽스쳐를 갖는다.
US 2012/0098119 A1 은 도 4 및 도 5 에서 다시 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체를 도시하며, 여기서 모듈들은 그의 볼륨이 모듈 엔클로저에 의해 둘러싸이는 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨을 포함한다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 디바이스들의 특히 안전한 보호 및 따라서 상당히 개선된 신뢰성을 허용하는 개선된 모듈 배열체를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1 에 따른 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시형태들은 종속 청구항들에서 정의된다.
본 발명은 하나 이상의 전력 반도체 모듈들을 포함하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체에 관한 것이며, 여기서 하나 이상의 전력 반도체 모듈들은 제 1 표면 및 제 1 표면의 반대편에 배열되는 제 2 표면을 갖는 기판을 포함하고, 기판은 적어도 부분적으로 전기 절연성이며, 도전성 구조 (conductive structure) 가 기판의 제 1 표면에 배열되고, 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스가 상기 도전성 구조 상에 배열되고 그것에 전기적으로 연결되고, 하나 이상의 모듈들은 그의 볼륨이 모듈 엔클로저에 의해 그것의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉되는 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨을 포함하며, 모듈 배열체는 하나 이상의 모듈들을 수용하기 위한 볼륨을 적어도 부분적으로 정의하는 배열체 엔클로저를 포함하고, 그 엔클로저는 상기 볼륨을 커버한다.
본 발명에 따르면, 각각 고전압 애플리케이션들, 또는 고전력 애플리케이션들에 대해 특히 이로운 그들의 부분 방전 성능을 유지하면서 습도 및 습기와 같은 환경적 영향들로부터, 각각 반도체 디바이스들, 또는 칩들의 개선된 보호를 허용하는 모듈 배열체가 제공될 수도 있다. 그러한 전력 애플리케이션들은 일반적으로 예시적으로 그리고 비제한적으로 75A 를 초과하는 전류들 및/또는 1000V 를 초과하는 전압들을 다루는 그러한 애플리케이션들일 수도 있다.
상세하게는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체는 하나 이상의 전력 반도체 모듈들을 포함한다. 본 발명에 따르면, 따라서 전력 모듈 배열체가 단지 하나의 전력 반도체 모듈을 포함하거나, 그것이 하나 보다 많은 전력 반도체 모듈을 포함할 수도 있는 것이 제공될 수도 있다. 비제한적인 예에서, 둘 이상의, 예를 들어 2 내지 6 개의 전력 반도체 모듈들이 전력 반도체 모듈 배열체에 제공될 수도 있다. 또한, 다음의 기술된 특징들은 본 전력 반도체 모듈의 하나 또는 정의된 수에 대해 제공될 수도 있으며, 기술된 특성들을 갖지 않거나 상이하게 배열되는 추가의 반도체 모듈들이 존재할 수도 있고 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 전력 반도체 배열체에 의해 포함될 수도 있다.
하나 이상의 전력 반도체 모듈들에 대하여, 이들은 제 1 표면 및 제 1 표면의 반대편에 배열되는 제 2 표면을 갖는 기판을 포함할 수도 있다. 기판은 적어도 부분적으로 전기 절연성이며, 이것은 특히 이러한 기판의 각각 영역들 또는 지역들이 전기 절연성일 수도 있는 반면, 각각 다른 영역들 또는 지역들은 전기 절연성이 아니라 전기 전도성일 수도 있다는 것을 의미한다. 대안적으로 기판은 예를 들어 그것이 전기 절연성 재료로부터 형성되는 경우에는 완전히 전기 절연성일 수도 있다.
일반적으로 본 기술에서 통상의 기술자는 제공되는 기판들 및 전력 반도체 모듈들에 대한 요건들을 알고 있고, 따라서 그 때문에 어떤 종류의 재료들이 각각 전기 전도성 재료들 및 전기 절연성 재료들로서 적합한지가 본 기술에서의 통상의 기술자에게 알려져 있다. 예들로서 그리고 비제한적인 방식으로서, 절연성 재료들은 1010 ohm.m 의 저항률을 갖는 알루미늄 니트라이드 (AlN) 을 포함하는 재료들을 포함할 수도 있는 반면, 전기 전도성 재료들은 예시적이고 비제한적인 방식으로 0.1695 × 10-7 ohm.m 의 저항률을 갖는 구리 (Cu) 와 같은 재료들을 포함할 수도 있다.
또한, 특히 금속배선과 같은 특히 도전성 경로와 같은 도전성 구조는 기판의 제 1 표면에 배열된다. 이것은 예시적으로 도전성 구조가 기판의 표면 상에 형성되는 것을 의미할 수도 있다. 이러한 배열은 예를 들어 기판이 완전히 전기 절연성인 경우에 이로울 수도 있고, 도전성 구조는 따라서 기판의 전기 절연성 재료이 표면 상에, 예를 들어 구조화된 금속화로서, 그것을 증착함으로써 형성될 수도 있다. 대안적으로, 기판은 이와 같이 부분적으로 전기 절연성으로 그리고 부분적으로 전기 전도성으로 형성될 수도 있다. 따라서, 각각 전기 전도성 영역들, 또는 포지션들은 이와 같이 기판의 제 1 표면, 또는 기판의 적어도 일부 및 특히 전기 전도성 구조를 형성할 수도 있다.
도전성 구조는 본질적으로 아래에 기술되는 바와 같이 하나 이상의 전력 반도체 디바이스들을 수용하기 위해 기판의 제 1 표면에 제공될 수도 있다.
상세하게는, 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스는, 그것이 기지의 전력 반도체 모듈들로부터 기본적으로 알려져 있기 때문에, 상술된 도전성 구조 상에 배열되고 그것에 전기적으로 연결된다. 반도체 디바이스들은 일반적으로 각각 전력 반도체 모듈들, 또는 전력 반도체 배열체들로 본 기술에서 알려진 바와 같이 제공될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전력 반도체 디바이스는 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터 (IGBT), 역도전성 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터 (역도전 IGBT), 이중-모드 절연 게이트 트랜지스터 (BIGT) 및/또는 쇼트키 다이오드와 같은 다이오드일 수도 있다. 추가로 그리고 전력 반도체 모듈 및 따라서 전력 반도체 배열체가 적절하게 작동하게 하기 위해, 하나 보다 많은 상이하거나 동일한 반도체 디바이스가 존재할 수도 있다. 비제한적인 예로서, IGBT 및 다이오드는 하나의 모듈 내에 존재할 수도 있다. 전력 반도체 디바이스는 또한 적절한 전기 전도성을 갖는 접착제에 의해 기판에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 반도체 디바이스는 땜납에 의해 각각 기판 또는 그것의 전기 전도성 구조에 고정될 수도 있다. 특히, 예를 들어 IGBT 의 컬렉터와 같은 반도체 디바이스의 제 1 메인 콘택은 기판에 고정될 수도 있는 반면, IGBT 의 이미터와 같은, 반도체 디바이스의 제 2 메인 콘택은 예를 들어 본드 와이어에 의해 기판의 다른 로케이션에 그리고 특히 전기 전도성 구조의 다른 부분, 또는 다른 도전성 경로에 연결될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나 이상의 모듈은, 그 볼륨이 모듈 엔클로저에 의해 그것의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉되는 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨을 포함한다. 이에 따라, 특히 전력 반도체 디바이스들 및 각각 기판의 제 1 표면 또는 전체 기판과 같은 모듈의 내부가 기밀적으로 밀봉되고 따라서 모듈의 주변으로부터 효과적으로 분리된다.
기밀적으로 밀봉하는 것은 그 때문에 특히 액체 또는 가스성 물질들이 특히 표준 성능에서 발생하는 주위 압력 및 온도들과 같은 표준 작동 조건들에서 각각의 기밀적으로 밀봉된 볼륨으로 도입되거나 그것을 떠나는 것을 허용하지 않는, 각각 밀봉, 또는 캡슐화를 의미한다.
더욱이, 모듈 배열체는 하나 이상의 모듈들을 수용하기 위한 볼륨을 적어도 부분적으로 정의하는 배열체 엔클로저를 포함하고, 그 엔클로저는 상기 볼륨을 커버한다. 다시 말해서, 모듈들의 내부를 기밀적으로 밀봉하는 하나 이상의 모듈 엔크로저들은 이와 같이 모듈 배열체의 부분이고 차례로 배열체 엔클로저에 의해 커버되며 따라서 배열체의 주변으로부터 분리되는 볼륨으로부터 수용된다. 이러한 배열체는 전력 반도체 배열체뿐 아니라 전력 반도체 모듈의 상당히 개선된 안전 및 신뢰성 거동을 제공한다.
상세하게는, 이미 하나 이상의 전력 반도체 모듈들의 기밀적 밀봉을 제공함으로써, 이와 같은 모듈들 및 그 내부에 배열된 전력 반도체 디바이스들은 삽입될 바람직하지 않은 컴포넌트들에 의해 그들에게 부정적으로 영향을 미치는 것으로부터 상당히 안전하게 될 수도 있다. 예를 들어, 각각 습도, 또는 습기의 모듈 내로의 침투가 상당히 방지될 수도 있다. 이것은 부식성 환경들로부터 각각 전력 반도체 모듈들 및 전력 반도체 디바이스들을 보호하는 것을 허용하고, 이것은 차례로 후자의 장기 안정성 및 따라서 그들의 신뢰성뿐아니라 그들과 함께 구비되는 전기 디바이스들의 신뢰성을 크게 증강시킨다.
또, 모듈 배열체에 대해 구축 블록들로서 모듈들의 추가적인 보호를 제공함으로써, 하나 이상의 모듈들을 수용하기 위한 볼륨을 적어도 부분적으로 정의하는 배열체 엔클로저를 제공함으로써, 엔클로저는 상기 볼륨을 커버하고, 안전 뿐아니라 신뢰성이 추가적으로 증강될 수도 있다. 이것은 제 1 보호가 배열체 엔클로저에 의해 제공된다는 사실에 기인한다. 이러한 엔클로저가 후자의 내부 볼륨을 기밀적으로 밀봉하지 않는 경우에도, 제 1 정도의 보호가 이미 주어질 수도 있다. 결과적으로, 모듈 엔클로저들에 작용하는 부정적인 영향들은 최소로 상당히 감소될 수도 있다. 또한 모듈들은 이와 같이 반도체 디바이스들이 손상받는 위험이 추가적으로 상당히 감소되도록 추가의 최상의 보호를 제공한다. 즉, 모듈 엔클로저는 내부 엔클로저로서 작용할 수도 있고 배열체 엔클로저는 보호를 배가시킬 수도 있는 외부 엔클로저로서 작용할 수도 있다.
배열체 엔클로저를 위한 요건들은 따라서 제한될 수도 있다. 각각 배열체 엔클로저, 또는 외부 엔클로저는 이러한 엔클로저가 형성하는데 특히 쉽고 비용 절감적이어서 어쨋든 최상의 안전을 제공하도록 플라스틱으로부터 간단히 형성될 수도 있다.
또한, 모듈이 손상을 받는 경우에도, 추가로 제공된 모듈들에 대한 영향은 추가로 제공된 모듈들이 기밀적으로 밀봉하는 엔클로저에 의해 안전하게 보호된다는 사실로 인해 상당히 감소될 수도 있다.
이와는 별도로, 모듈들의 고전류 능력, 양호한 열전도성 및 양호한 절연 능력이 달성될 수도 있다. 이것은 모듈들 또는 모듈 배열체의 성능이 부정적으로 영향을 받지 않는 것을 허용한다. 따라서, 그 성능은 요구된 및 알려진 애플리케이션들에 대해 잘 적용가능하다. 예시적인 그리고 비제한적인 애플리케이션들은 견인 응용들, 산업용 드라이브들뿐 아니라 송전 및 배전을 포함한다.
제조 프로세스는 모듈들이 완전히 보호되고 그들의 최고 성능으로 전기적으로 테스트될 수 있다는 사실로 인헤 추가로 단순화될 수도 있다. 이것은 또한 전체 모듈 배열체의 설계 및 조립을 단순화한다. 이것은 특히 3.3 kV 이하의 범위에서의 애플리케이션들에 대해 사실이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 모듈 배열체는 이와 같은 배열체뿐 아니라 그것과 함께 장착되는 전기 디바이스들의 개선된 장기 안정성을 허용하는 특히 개선된 신뢰성을 제공한다. 이와는 별도로, 성능은 부정적으로 영향을 받지 않는다.
일 실시형태에 따르면, 하나 이상의 모듈들의 각각의 내부 볼륨은 모듈 엔클로저에 의해 그것의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉된다. 이러한 실시형태에 따르면, 단일의 정의된 전력 모듈들이 기밀적으로 밀봉될 뿐아니라, 존재하는 모든 모듈들이 마찬가지로 보호된다. 이러한 실시형태는 따라서 모든 모듈들이 바람직하지 않은 영향들로부터 보호되고, 또한 모든 모듈들이 상이한 모듈들에 기초한 영향들로부터 보호된다는 사실에 기인하여 특히 높은 정도의 보호를 허용한다. 따라서, 이러한 실시형태에 따른 신뢰성은 특히 높다.
다른 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 모듈의 기판은 전기 절연성 영역들 및 전기 전도성 영역들을 포함하고, 그 전기 절연성 영역들 및 전기 전도성 영역들은 각각 기판을 통해, 또는 그것의 전기 전도성 영역들을 통해 모듈에 의해 포함되는 적어도 하나의 반도체 디바이스와 외부적으로 접촉하도록 배열된다. 예를 들어, 본 실시형태에 따르면, 기판은 구리 접착 질화 실리콘 팩킹 기술을 포함하는 배열에 기초할 수도 있다. 이러한 실시형태는 전기 콘택들을 모듈 엔클로저에서의 구멍들을 통해 제공하지 않고 모듈들의 외부에 제공하는 것을 허용한다. 따라서, 기밀적 밀봉은 특히 장기 스케일들에 대해서도 특히 거친 조건들을 견딜 수도 있다. 따라서, 이러한 실시형태에 따른 신뢰성은 특히 높다. 또한, 엔클로저는 특히 쉽고 추가로 특히 시간 절약적으로 형성될 수도 있다. 전기 전도율뿐 아니라 전기 저항률의 양은 그 때문에 특별한 용도에 적응될 수도 있다. 사실, 재료들은 전류가 모듈이 적절하게 작동하는 것을 허용하는 적절한 방식으로 안내될 수 있도록 선택되어야 하는 반면, 절연 구조들은 모듈의 작동 조건들 하에서 임의의 전류를 반송하는 것을 피해야 한다. 사실, 절연 구조는 예를 들어 세라믹 재료일 수도 있고, 및/또는 도전성 구조는 금속일 수도 있다.
이러한 실시형태에 따르면, 전기 전도성 영역들이 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 비아에 의해 모듈 엔클로저의 외부에 위치된 연결 영역에 연결하는 것이 특히 바람직하다. 그러한 실시형태는 콘택이 기판을 통해 유일하게 제공될 수도 있다는 사실에 기인하여 모듈 내부의 능동 디바이스들, 즉 전력 반도체 디바이스들의 특히 바람직하고 잘 정의되며 적응가능한 외부 콘택을 제공한다. 따라서, 모듈 엔클로저의 손상들 또는 누설들이 더욱 감소되며, 이에 따라 이러한 실시형태에 따른 모듈의 신뢰성뿐 아니라 내구성이 특히 개선된다.
다른 실시형태에 따르면, 하나 이상의 모듈들의 내부와 접촉하기 위한 전기 전도체들은 기밀적 밀봉들에 의해 모듈 엔클로저를 통해 안내된다. 이것은 종래의 기판을 사용하여 이러한 기판의 사용을 특히 용이하고 비용 절약적으로 만드는 것을 허용한다. 기밀적 밀봉들에 대하여, 비록 이러한 실시형태가 후속하는 대안들에 제한되지는 않더라도 2 개의 예시적인 실시형태들이 제공될 수도 있다. 제 1 예로서, 콘택들은 엔클로저를 통해 안내될 수도 있고 유리 시일에 의해 밀봉될 수도 있다. 제 2 예에 따르면, 콘택들은 세라믹 시일에 의해 밀봉될 수도 있다. 세라믹 시일의 이점은 엔클로저 및 전기 전도체의 재료와 같은 인접한 재료들 중 하나와 매우 잘 매치하는 계수를 제공할 가능성이다. 유리 시일의 이점은 특히 그것의 낮은 비용들일 수도 있다.
다른 실시형태에 따르면, 모듈 엔클로저 및/또는 배열체 엔클로저는 AlSiC 및 금속들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함한다.
AlSiC 에 대하여는, 이러한 재료는 알루미늄을 포함하는 매트릭스를 포함하고, 그 매트릭스 내에 탄화 규소 입자들이 배열된다. 이와 관련하여, 특히 기차들에서의 응용들과 같은 자동차 응용들에 대해 상당한 이점을 초래하는 표준 재료들에 대해 최대 40% 내지 70% 까지의 중량 감소가 달성될 수도 있다. 또한, 열팽창계수 (CTE) 는 인접한 컴포넌트들의 열팽창계수들과 매우 잘 매치할 수도 있고, 이것은 특히 온도 변동들로 인한 크랙들의 위험을 감소시키고 이것은 또한 전력 배열체, 또는 그것과 함께 장착되는 전기 디바이스들의 신뢰성을 개선한다. 이와는 별도로, 그러한 재료의 열전도성은 비교적 높아서, 발생된 열이 쉽게 소산될 수 있어서, 열 영향이 더욱 감소될 수 있다. 이것은 추가적으로 신뢰성을 향상시킨다.
사용된 특정의 AlSiC 재료는 제한되지 않는다. 예를 들어, 다음의 재료들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, AlSiC-9, AlSiC-10 또는 AlSiC-12 가 사용될 수도 있으며, 모두가 전력 반도체 디바이스들에 특히 이로울 수도 있는 대략 170 내지 200 W/m K 의 범위에 있는 각각의 열팽창계수들을 갖는다.
금속 재료에 관련하여, 수개의 금속들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 니켈-코발트 철합금들은 이로울 수도 있고, 그 아래에서, 그 이름 코바르 (Kovar) 하에서 구입가능한 것이 특히 바람직할 수도 있다. 이와 관련하여, 코바르는 대략 54 wt.% 철, 29 wt.% 니켈, 17 wt.% 코발트의 통상적인 조성을 가질 수도 있다. 그러나, 그 조성은 소량의 탄소, 규소 및 망간이 존재할 수도 있다는 점에서 상기 조성으로부터 벗어날 수도 있으며, 후자는 1 wt% 미만, 특히 0.5 wt% 미만의 양으로 존재한다. 상기 명명된 합금들은 또한 인접한 컴포넌트들의 열팽창계수들에 가까운 이로운 열팽창계수들을 가질 수도 있어, 특히 높은 신뢰성을 초래한다.
다른 실시형태에 따르면, 하나 이상의 모듈들의 내부 볼륨은 실리콘 겔 및 불활성 기체로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 화합물로 채워진다.
실리콘 겔들의 이점은 이에 따라 전기적 및 기계적 특성들, 즉 최상의 절연 능력과 함께 그것의 연도 (softness), 변형성 및 점착성의 고유의 조합으로 알려질 수도 있다.
불활성 기체의 이점들은 특히, 예를 들어 불활성 기체의 용이한 핸들링 및 프로세싱으로 인해 모듈들뿐 아니라 전체 배열체를 제조하기 위한 용이한 방법에 있을 수도 있다. 또한, 특히 전력 반도체 모듈들의 내부를 채우기 위해 불활성 기체를 사용함으로써, 동작 온도가 제한되지 않고 패키지에 관계없이 반도체 컴포넌트의 능력 및 각각의 애플리케이션에 대한 임의의 제한들 없이 선택될 수도 있다. 온도 안정 불활성 기체에 대한 부정적인 영향은 기대되지 않아야 한다. 또한, 모듈들에 약간의 초과 압력을 제공하여 금방이라도 바람직하지 않은 물질들이 모듈 내로 도입되는 것을 허용하는 것은 비교적 사소하다. 이와는 별도로, 모듈의 내부에 대한 충전 재료로서 불활성 기체를 사용함으로써, 바람직하지 않은 컴포넌트들이 모듈 밖으로 흐르고 후자를 둘러싸는 다른 컴포넌트들을 열화시키는 위험이 존재하지 않는다. 각각의 불화성 가스들에 대한 예들은 비제한적인 리스트에 아르곤 및 질소를 포함한다. 요약하자면, 상기 정의된 실시형태들은 특히 본 발명에 따른 배열체 및 그것과 함께 장착된 전기 디바이스의 신뢰성뿐 아니라 안전을 향상시키는데 고도로 기여한다.
또한, 적절한 불활성 기체 또는 실리콘 겔을 사용함으로써, 부분 방전 능력이 또한 최소화될 수 있어, 신뢰성을 더욱 향상시킨다.
다른 실시형태에 따르면, 단일의 기판이 둘 이상의 모듈들을 수용하기 위해 배열되고, 그 둘 이상의 모듈들은 각각 배열체 엔클로저에 의해 정의된 볼륨 내부에 배열된다. 이러한 실시형태의 이점들은 개선된 확장성뿐 아니라 모듈성을 포함한다.
다른 실시형태에 따르면, 배열체 엔클로저는 그것으로부터 정의된 볼륨을 기밀적으로 밀봉한다. 예를 들어, 배열체 엔클로저는 기판의 제 2 표면에 배열되는 베이스 플레이트에 연결될 수도 있다. 이러한 실시형태에 따르면, 각각 외부 엔클로저, 또는 배열체의 엔클로저가 마찬가지로 기밀적 밀봉을 제공한다는 사실로 인해 신뢰성이 특히 높다. 따라서, 특히 각각 습도, 또는 습기와 같은 바람직하지 않은 물질들이 전력 모듈 배열체의 볼륨 내로 도입되지 않을 것이고, 따라서 모듈과 접촉조차하지 않을 것이다. 따라서, 외부 분위기에 대해 전력 반도체 디바이스들의 배가된 기밀적 밀봉으로 이해 신뢰성이 특히 높을 것이다.
다른 실시형태에 따르면, 배열체 엔클로저에 의해 적어도 부분적으로 정의된 볼륨은 실리콘 겔 및 불활성 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 화합물로 채워진다. 이러한 실시형태에 따르면, 모듈들의 충전에 대해 상술된 바와 같은 명시적인 기체들뿐 아니라 이점들이 제공될 수도 있다. 또한, 배열체 엔클로저에 의해 정의된 이러한 볼륨의 충전은 모듈 내부의 볼륨과 비교하여 동일하거나 상이할 수도 있다. 이러한 실시형태는 원하는 애플리케이션에의 각각의 특성들의 개선된 적응을 허용할 수도 있다.
기술된 전력 모듈 배열체의 추가의 기술적 특징들 및 이점들과 관련하여, 그것은 전기 디바이스의 설명뿐 아니라 도면들을 참조한다.
본 발명은 또한 선행하는 청구항들의 임의의 것에 따른 모듈 배열체를 포함하는 전기 디바이스를 참조한다. 그러한 전기 디바이스는 상당히 개선된 작동 거동 및 또한 상당히 개선된 신뢰성의 특별한 이점을 갖는다.
그러한 전자 디바이스들에 대한 비제한적인 예들은 높은 신뢰성을 갖는 산용용 드라이브들 및 견인을 위한 디바이스들, 해저, 우주, 군대 애플리케이션들과 같은 거친 조건들에 대한 그리고 자동차 산업에 대한 높은 신뢰성 애플리케이션들을 포함한다.
본 발명의 주제의 추가적인 피쳐들, 특징들 및 이점들은 종속항들, 도면들 및, 본 발명에 따른 반도체 모듈 배열체의 실시형태들 및 예들을 예시적인 방식으로 보여주는 각각의 도면들 및 예들의 다음의 설명에 개시된다.
도 1 은 종래 기술에 따른 모듈의 실시형태의 측단면도를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 따른 모듈 배열체의 실시형태의 측단면도를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 모듈 배열체를 위한 모듈의 실시형태를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 모듈 배열체를 위한 모듈의 다른 실시형태를 도시한다.
도 1 에서, 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈 (10) 의 배열체가 개략적으로 도시된다. 상세하게는, 상기 전력 모듈 (10) 의 내부 구조가 기술된다. 전력 모듈 (10) 은 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스 (14) 가 내부에 배열되는 하우징 (12) 을 포함한다. 반도체 디바이스 (14) 는 예시적인 방식으로 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터 (IGBT), 다이오드, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET) 등일 수도 있다. 도 1 에 따르면, 다이오드 및 IGBT 가 제공된다. 반도체 디바이스 (14) 또는 복수의 반도체 디바이스 (14) 들은 단자들 (16) 을 통해 및 게이트 연결 (18) 을 통해 연결가능하며, 반도체 디바이스 (14) 는 바람직하게는 알루미늄 본드 와이어들 (20) 에 의해 본딩된다.
절연체로서, 에폭시 (22) 의 층이 반도체 디바이스 (14) 위에 배열될 수도 있다. 반도체 디바이스 (14) 는 또한 기판 (24) 상에 배열될 수도 있다. 반도체 디바이스 (14), 단자들 (16) 뿐 아니라 게이트 연결 (18) 은 각각 금속배선 (26), 특히 구리 금속배선, 및 땜납 (28), 또는 로트 (lot) 를 통해 기판 (24) 에 연결된다. 그러나, 초음파 용접과 같은 유사한 연결들이 적용될 수도 있다. 추가적으로, 기판 (24) 은 그의 저부측에서 다른 금속배선 (30), 특히 구리 금속배선에 연결된다. 하우징 (12) 내부의 나머지 볼륨은 절연 겔 (32) 로 채워진다.
또한, 전력 모듈 (10) 은 베이스 플레이트 (34) 를 포함한다. 베이스 플레이트 (34) 는 금속배선 (30) 및 땜납 (31) 을 통해 그의 상부측 상의 반도체 디바이스 (14) 와 열접촉하고 있다.
도 2 에서, 본 발명에 따른 모듈 배열체 (36) 가 도시된다. 도 2 에 따른 배열체 (36) 는 비제한적인 예로서 단지 개략적으로 도시되고 아래의 도 3 및 도 4 에 대해 더욱 상세히 기술될 2 개의 전력 반도체 모듈들 (38) 을 포함한다. 전력 반도체 모듈들 (38) 은 제 1 표면 (42) 및 그 제 1 표면 (42) 의 반대편에 배열되는 제 2 표면 (44) 을 갖는 기판 (40) 상에 위치되고, 기판 (40) 은 적어도 부분적으로 전기적으로 절연성이다. 예를 들어, 기판 (40) 은 세라믹 절연체, 특히 질화 알루미늄 세라믹 절연체로 형성될 수도 있다. 또한, 도전성 구조가 기판 (40) 의 제 1 표면 (42) 에 배열되고, 여기서 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스는 상기 도전성 구조상에 배열되고 그것에 전기적으로 연결된다. 전기적으로 도전성 구조는 도 1 에 상세히 도시되지 않는다.
또한, 모듈들 (38) 은 단자들 (46) 뿐 아니라 게이트 연결 (48) 에 의해 연결될 수도 있으며, 그 연결들은 땜납 (50) 과 같은 도전 재료를 통해 기판 (40) 또는 그의 도전성 구조에 연결될 수도 있거나, 그들은 예를 들어 그것에 용접될 수도 있다.
기판 (40) 은 또한 금속배선 (53) 및 땜납 (54) 를 통해 베이스 플레이트 (52) 에 그의 제 2 표면 (44) 이 연결된다.
본 발명에 따르면, 본 모듈들 (38) 의 적어도 하나, 바람직하게는 모두가 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨 (56) 을 포함하며, 그 볼륨 (56) 은 모듈 엔클로저 (58) 에 의해 그의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉된다. 이와는 별도로, 모듈 배열체 (36) 는 하나 이상의 모듈들 (38) 을 수용하기 위한 볼륨 (62) 을 적어도 부분적으로 정의하는, 예를 들어 플라스틱으로부터 제작되는 배열체 엔클로저 (60) 를 포함하고, 배열체 엔클로저 (60) 는 상기 볼륨 (62) 을 커버한다.
모듈 엔클로저 (58) 뿐 아니라 배열체 엔클로저 (60) 는 그것에 의해 AlSiC 및 금속으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수도 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하나 이상의 모듈들 (38) 의 내부 볼륨 (56) 및/또는 배열체 엔클로저 (62) 에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 볼륨 (62) 은 실리콘 겔 및 불활성 기체로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 화합물로 채워진다.
바람직하게는, 배열체 엔클로저 (60) 는 그것으로부터 정의된 볼륨 (62) 을 기밀적으로 밀봉한다. 그러한 기밀적 밀봉의 경우, 밀봉들이 예상되어서, 이것에 의해 도 1 에서는 그 밀봉들이 일반적으로 명확성 이유들로 도시되지 않는다. 그 밀봉들은 명세서 및 도 2 및 도 3 에서 언급되고 개시된 바와 같이 형성되고 실현될 수 있다.
도 3 에서, 배열체 (36) 를 위한 모듈 (38) 의 실시형태가 상세하게 도시된다. 도 3 에 따르면, 모듈 (38) 은 볼륨 (56) 을 정의하는 모듈 엔클로저 (58) 를 포함한다. 상술된 바와 같이, 볼륨 (56) 은 예를 들어 불활성 가스 또는 실리콘 겔로 채워질 수도 있다. 또한, 볼륨 (56) 내에는 2 개의 전력 반도체 디바이스들, 즉 다이오드 (64) 및 IGBT (66) 가 배열된다. 반도체 디바이스들은 또한 예를 들어 땜납 (68) 에 의해 기판 (40), 또는 그것의 전기 전도성 영역들에 연결되고, 또한 기판 (40), 또는 그것의 전기 전도성 구조에 본드 와이어들 (70) 에 의해 본딩된다. 더욱이, 기판에 엔클로저 (58) 를 밀봉하는 금속 패턴과 같은 밀봉 (59) 이 제공된다.
기판 (40) 에 대하여는, 기판은 전기 절연성 영역들 및 전기 도전성 영역들을 포함하며, 전기 절연성 영역들 및 전기 도전성 영역들은 기판 (40) 을 통해 모듈 (36) 에 의해 포함되는 적어도 하나의 반도체 디바이스와 외부적으로 접촉하도록 배열된다. 상세하게는, 기판 (40) 은 전기 전도성 영역들을 형성하는 구조화된 도전성 층들 (72), 예를 들어 구리 층들 및 전기 절연성 영역들을 형성하는, 예를 들어 세라믹 재료와 같은 절연성 재료를 포함하는 절연성 층들 (74) 을 포함하는 다층 구조로 형성된다. 도전성 층들 (72) 및 절연성 층들 (74) 의 구조 및 따라서 도전성 및 절연성 영역들의 배열은 따라서 각각의 전도체들이 예를 들어 엔클로저 (58) 외부에 위치된 연결 영역 (76) 에 의해 모듈 (38) 과 외부적으로 접촉하도록 형성되도록 배열된다. 따라서, 비아 (78) 와 같은 전기 전도성 영역들이 원하는 도전성 경로를 제공하기 위해, 그리고 역으로 층들 (72, 74) 의 원하는 구조를 생성하기 위해 절연성 층들 (74) 에 또한 제공될 수도 있다. 그러한 배열은 구리 본딩 질화 실리콘 기술에 기초할 수도 있다.
기판 (40) 의 상기 구조는 예를 들어 2 개의 세라믹 층들을 서로에 구리 본딩함으로써 달성될 수도 있다. 상부 세락믹 층은 이에 따라 땜납에 의해 기계적으로 및 와이어 본드들을 통해 전기적으로 전력 반도체 디바이스들을 부착하는 회로 패턴을 제공할 수도 있다.
도 4 에서, 본 발명에 따른 모듈 배열체 (36) 를 위한 모듈 (38) 의 다른 실시형태가 도시된다.
도 4 에 따르면, 모듈 (38) 은 모듈 엔클로저 (58) 를 포함한다. 모듈 엔클로저 (58) 는 본 실시형태에 따라 그러나 마찬가지로 일반적으로 하나의 피스 (piece) 로 형성될 수도 있거나, 그것은 각각 벽 피스들 (80), 또는 프레임, 및 밀봉들 (84) 에 의해 이롭게 기밀적 방식으로 연결될 수도 있는 리드 (82) 로부터 형성될 수도 있다. 추가의 밀봉들 (85) 이 벽 피스들 (80) 을 베이스플레이트 (86) 에 연결하기 위해 제공될 수도 있고, 후자는 예를 들어 금속으로부터 형성된다. 밀봉들 (84, 85) 은 도 3 에 대해 설명된 밀봉 (59) 에 대응할 수도 있다. 모듈 엔클로저 (58) 는 또한 볼륨 (56) 을 정의한다. 상술된 것처럼, 이러한 볼륨 (56) 은 예를 들어 불활성 기체로 또는 실리콘 겔로 채워질 수도 있다. 또한 볼륨 (56) 내에는 2 개의 전력 반도체 디바이스들, 즉 다이오드 (64) 및 IGBT (66) 가 배열된다. 반도체 디바이스들은 또한 예를 들어 땜납 (68) 에 의해 기판 (40), 또는 금속배선 (88) 과 같은 그것의 전기 전도성 영역들에 연결되고, 또한 기판 (40), 또는 그것의 전기 전도성 구조에 본드 와이어들 (70) 에 의해 본딩된다. 더욱이, 구리 층들과 같은 금속배선 (88) 은 기판 (40) 위 및 아래에 제공될 수도 있다. 하위의 금속배선 (88) 은 땜납 (90) 에 의해 베이스플레이트에 연결될 수도 있다.
또한, 모듈 (38) 의 내부 컴포넌트들을 전기적으로 연결하기 위해, 전기 전도체들 (92) 이 예를 들어 상부 금속배선 (88) 에 연결되고, 기밀적 밀봉들 (94) 에 의해 모듈 엔클로저 (58) 를 통해 안내되어 제공된다. 이들 밀봉들 (94) 은 예를 들어 유리로부터 또는 세라믹 재료로부터 형성될 수도 있다.
그러한 실시형태를 제조하기 위해, 제 1 단계에서, 납땜되고 와이어 본딩된 전력 반도체 디바이스들을 갖는 기판 (40) 은 금속 베이스플레이트에 납땜될 수도 있다. 그 후, 도체 관통공들 (96) 을 갖는 금속 프레임이 베이스플레이트에 납땜되거나 브레이징될 수도 있다. 관통공들 (96) 은 그 후 US 용접을 사용하여 기판 금속배선에 연결될 수도 있다. 마지막으로, 엔클로저 (58) 는 패키지를 밀봉하기 위해 프레임에 납땜되거나 브레이징될 수도 있다.
본 발명이 도면들 및 상술한 설명에서 상세히 도시되고 기술되었지만, 그러한 도시 및 기술은 설명적이거나 예시적이고 제한적이지 않다고 고려되어야 한다; 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되지 않는다. 개시된 실시형태들에 대한 다른 변형들이 도면들, 개시, 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 발명을 실시하는데 있어서 본 기술에서 통상의 기술자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는" 은 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사 "a" 또는 "an" 은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 서로 상이한 종속 청구항들에서 인용된다는 단순한 사실은 이들 수단들의 조합이 이점에 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구범위내의 임의의 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다.
10 전력 반도체 모듈
12 하우징
14 전력 반도체 디바이스
16 단자
18 게이트 연결
20 본드 와이어들
22 에폭시
24 기판
26 금속배선
28 땜납
30 금속배선
31 땜납
32 절연 겔
34 베이스 플레이트
36 모듈 배열체
38 전력 반도체 모듈들
40 기판
42 제 1 표면
44 제 2 표면
46 단자
48 게이트 연결
50 땜납
52 베이스 플레이트
53 금속배선
54 땜납
56 내부 볼륨
58 모듈 엔클로저
59 밀봉
60 배열체 엔클로저
62 볼륨
64 다이오드
66 IGBT
68 땜납
70 본드 와이어
72 도전성 층
74 절연성 층
76 연결 영역
78 비아
80 벽 피스
82 리드
85 밀봉
86 베이스플레이트
88 금속배선
90 땜납
92 전기 전도체
94 밀봉
96 관통공

Claims (10)

  1. 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 을 포함하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체로서,
    상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 은 제 1 표면 (42) 및 상기 제 1 표면 (42) 의 반대편에 배열되는 제 2 표면 (44) 을 갖는 기판 (40) 을 포함하고,
    상기 기판 (40) 은 적어도 부분적으로 전기 절연성이며,
    도전성 구조가 상기 기판 (40) 의 상기 제 1 표면 (42) 에 배열되고,
    적어도 하나의 전력 반도체 디바이스가 상기 도전성 구조상에 배열되고 상기 도전성 구조에 전기적으로 연결되며,
    상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 은 상기 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 수용하기 위한 내부 볼륨 (56) 을 포함하고, 상기 내부 볼륨은 모듈 엔클로저 (58) 에 의해 그것의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉되며,
    상기 모듈 배열체 (36) 는 상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 을 수용하기 위한 볼륨 (62) 을 적어도 부분적으로 정의하는 배열체 엔클로저 (60) 를 포함하고,
    상기 배열체 엔클로저는 상기 볼륨 (62) 을 커버하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 의 각각의 내부 볼륨 (56) 은 모듈 엔클로저 (58) 에 의해 그것의 주변으로부터 기밀적으로 밀봉되는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 하나의 전력 반도체 모듈 (38) 의 상기 기판 (40) 은 전기 절연성 영역들 및 전기 전도성 영역들을 포함하고,
    상기 전기 절연성 영역들 및 상기 전기 전도성 영역들은 상기 기판 (40) 을 통해 모듈 (38) 에 의해 포함되는 적어도 하나의 반도체 디바이스와 외부적으로 접촉하도록 배열되는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 영역들은 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 비아 (78) 에 의해 상기 모듈 엔클로저 (58) 의 외부에 위치된 연결 영역 (76) 에 연결하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 의 내부와 접촉하기 위한 전기 전도체들 (92) 은 기밀적 밀봉들 (94) 에 의해 상기 모듈 엔클로저 (58) 를 통해 안내되는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모듈 엔클로저 (58) 및/또는 상기 배열체 엔클로저 (60) 는 AlSiC 및 금속들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 반도체 모듈들 (38) 의 상기 내부 볼륨 (56) 은 실리콘 겔 및 불활성 기체로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 화합물로 채워지는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배열체 엔클로저 (60) 는 그것으로부터 정의된 상기 볼륨 (62) 을 기밀적으로 밀봉하는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배열체 엔클로저 (60) 에 의해 적어도 부분적으로 정의된 상기 볼륨 (62) 은 실리콘 겔 및 불활성 기체로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 화합물로 채워지는, 전력 반도체 디바이스용 모듈 배열체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 모듈 배열체 (36) 를 포함하는, 전기 디바이스.
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