KR20170011969A - 스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치 및 방법과 관련이 있는 본 발명에 기초가 되는 과제는 회로 기판 상에 있거나 회로 기판 내에 있는 스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키고, 구리 재료의 사용 그리고 이러한 재료 및 상기 회로 기판의 제작에 드는 비용이 감소되는 해결책을 제시하는 것이다. 장치 측면에서 볼 때 상기 과제는 상기 회로 기판이 하우징을 통해서 열전도를 위한 냉각 장치의 냉매와 연결됨으로써 해결된다. 방법 측면에서 볼 때 상기 과제는 하우징을 통한 상기 회로 기판과 냉각 장치의 냉매의 연결에 의해 회로 기판으로부터 열이 전도됨으로써 해결된다.

Description

스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치 및 방법 {ARRANGEMENT AND METHOD FOR IMPROVING A CURRENT CARRYING CAPACITY OF STRIP CONDUCTORS}
본 발명은 스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 이 경우 상기 스트립 도체들은 회로 기판 상에 그리고/또는 회로 기판 내에 배치되어 있다.
또한, 본 발명은 스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 경우 회로 기판 및 스트립 도체들로부터 열전도가 이루어진다.
기판(board) 또는 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)으로도 표기되는 회로 기판들은 전자 부품들용 지지체이다. 상기 회로 기판들은 거의 모든 전자 기기에서 기계적 부착 및 회로 기판 상에 제공된 소자들의 전기 접속을 실현한다.
상기와 같은 전기 어셈블리들을 위한 회로 기판들 상에서는 장치의 전원 또는 전기적 구동을 위해 부분적으로 대전류(high current)가 수송되어야 한다. 이에 대한 예로서 전동 냉매 압축기용 역변환 장치(인버터(inverter))를 작동하기 위한 회로 기판이 언급될 수 있다.
높은 전류 용량 또는 전류 운반 용량 그리고 더 나은 측면 열전달을 실현하기 위하여, 회로 기판 상에 배치되는 스트립 도체(도전 경로로도 표기됨)들을 소위 두께 구리 기술(thick copper technology)을 이용해서, 예를 들면 200㎛ 내지 400㎛ 범위의 상응하게 두꺼운 구리층 두께로 설계하는 것이 공지되어 있다.
대안적으로는 소위 인레이 기법(inlay technique)이 사용될 수 있는데, 이러한 경우에는 큰 부피의 구리 요소가 회로 기판에 주입되고 이러한 회로 기판이 적층된다.
추가 가능성으로는 회로 기판 외부에 배치된, 소위 전류 운반을 위한 버스바(busbar)들을 사용하는 것이 있다.
스트립 도체들 상에서 미리 주어진 스트립 도체 폭과 관련하여 허용되는 전류 세기는 예를 들면 IPC2221 지침에 지시되어 있다.
폭이 넓고 두께가 두꺼운 구리 스트립 도체들 및 버스바들이 사용됨으로써, 제조될 회로 기판의 관점에서 많은 제조 복잡성과 많은 비용 소모가 발생된다.
또한, 두꺼운 구리층(두께 구리 기술)들이 사용됨으로써, 스트립 도체 간극(미세 피치(fine pitch)) 해결에 있어 제한이 발생한다. 따라서 인쇄 회로 기판의 생산 및 레이아웃(layout) 시 상대적으로 더 엄격한 규격화(regimentation)에 유의해야 한다.
IPC2221 지침에 지시된 도체 횡단면들의 주된 근거는 옴 저항체에 의한 스트립 도체들의 자체 발열(self heating)이다. 이러한 자체 발열은 지지체 재료에서 구리 스트립 도체들의 박리(delaminating)를 야기할 수 있고, 지지체의 개별 재료들 상호 간의 박리 및 회로 기판의 파괴를 야기할 수 있다.
따라서 본 발명의 과제는 회로 기판 상에 배치되거나 회로 기판 내에 배치되는 스트립 도체들의 전류 용량이 증가되고, 구리 재료의 사용 그리고 이러한 재료 및 상기 회로 기판의 제작에 드는 비용이 감소되는, 스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 장치 및 청구항 5에 따른 특징들을 갖는 방법에 의해 해결된다. 개선예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
미리 주어진 전류 부하(current load)를 보장하는데 필수적인, 회로 기판들 상에 있거나 회로 기판들 내에 있는 스트립 도체들의 라인 횡단면들을 줄이고 열전도를 향상시키기 위하여, 회로 기판의 구조적 환경 내에 있는 냉각기를 사용하여 회로 기판을 지속적으로 냉각하고, 이를 통해 스트립 도체들을 냉각하는 방식이 제안된다.
이러한 해결책을 통해 스트립 도체들의 열과 관련된 박리 그리고 회로 기판 상에 배치된 컴포넌트들의 파괴가 방지된다. 또한, 발생하는 열이 확실하게 전도될 수 있는 경우, 규정된 전류 부하와 관련하여 규정된 스트립 도체 횡단면들이 더 작게 사이즈 설계될 수 있다.
상기와 같은 방식의 능동 냉각은 바람직하게 발생하는 열이 확실하게 전도될 수 있도록 회로 기판이, 예를 들면 전동 냉매 압축기와 같은 냉각 장치의 냉매와 연결됨으로써 달성된다.
전동 냉매 압축기들은 예컨대 스트립 도체들을 갖는 회로 기판이 필요한 냉매 압축기를 트리거링하는 인버터와 함께 작동된다. 회로 기판의 스트립 도체들의 적어도 일부분은 높은 전류 부하를 충족해야 한다.
플랜지 결합된 인버터를 갖는 전동 냉매 압축기 내에서 회로 기판과 스트립 도체들의 능동 냉각은 상기 냉매 압축기가, 그 내부에 있는 냉매로 인해, 자체 냉각됨으로써 달성된다. 다시 말하면, 작동 진행 중에, 즉 회로 기판이 전류를 운반하는 경우일지라도 압축기 하우징의 일부분이 냉매에 의해 냉각되고, 그에 따라 회로 기판과 같은 대상들에서 열이 제거될 수 있다. 이러한 목적을 위해 회로 기판과 상기 압축기 하우징은 우수한 열전도 방식으로 연결된다.
회로 기판과 냉매 압축기의 하우징을 나사로 결합하는 것도 바람직하다. 이러한 나사 결합은 상기 회로 기판과 압축기 하우징을 확실하게 연결하고, 그리고 상기 회로 기판과 압축기 하우징의 우수한 열적 연결을 제공한다.
상기와 같은 나사 결합 시에는 회로 기판이 압축기 하우징에 직접 연결될 수 있거나 우수한 열전도 특성을 갖는 중간 부재(intermediate piece)를 통해 압축기 하우징에 연결될 수 있다.
또한, 회로 기판과 냉매 압축기 하우징을 교착시키거나 회로 기판을 상기 냉매 압축기 하우징에 압착하는 것도 바람직하다. 이를 위해서는 예컨대 제 2 하우징의 일부분이 이용되거나, 또는 예컨대 브래킷과 같은 별도의 고정 장치가 사용될 수 있다. 상기와 같은 방식의 회로 기판과 냉매 압축기의 연결에서도 중간 부재가 사용될 수 있다.
본 발명의 형성예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면들을 참고로 인용하는 실시예들의 후속 설명에 제시된다.
도 1은 회로 기판 상에 그리고 회로 기판 내에 배치되는 도전 경로들 및 버스바를 갖는 종래 기술의 회로 기판의 도면이고,
도 2는 냉각된 하우징과 나사 결합하여 회로 기판을 냉각하기 위한 본 발명에 따른 제 1 해결책이며, 그리고
도 3은 회로 기판을 냉각된 하우징에 압착하여 회로 기판을 냉각하기 위한 본 발명에 따른 제 2 해결책이다.
도 1에는 회로 기판(1)의 상부면에 배치된 제 1 도전 경로(2) 및 회로 기판(1) 내에 삽입된 제 2 도전 경로(3)를 갖는 종래 기술에 공지된 회로 기판(1)이 도시되어 있다. 상기 회로 기판(1) 아래에는 마찬가지로 종래 기술에 공지된 3개의 버스바(4)가 도시되어 있다. 예컨대 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 상기 버스바(4)들은 예를 들면 전기 모터를 위해 많은 전류를 전도할 수 있도록 상응하는 라인 횡단면을 갖는다. 상기 제 1 도전 경로(2) 및/또는 제 2 도전 경로(3)도 또한 높은 전류 부하에 적합하게 설계될 수 있다.
대개 구리로 형성된 도전 경로(2 및 3)들 그리고 버스바(4)들의 옴 저항체에 의해서는 스트립 도체들이 자체 발열된다. 이러한 도전 경로(2 및 3)들과 버스바(4)들로부터 방출되는 열(5)은 도 1에서 각각 물결선으로 된 화살표로 도시되어 있다. 예상되는 전술한 결과들 중에서 특히 전류 전도성 경로(2, 3 및 4)들 영역에서 지나친 가열을 방지하기 위해, 상기 경로(2, 3 및 4)들은 상응하는 크기의 라인 횡단면으로 설계된다.
도 2에는 회로 기판(1) 상에 배치된 제 1 도전 경로(2) 및 이러한 회로 기판 내에 삽입된 제 2 도전 경로(3)들을 갖는 회로 기판(1)이 도시되어 있다. 열(5)을 전도하기 위해, 상기 회로 기판(1)은 냉매 압축기(7)와 같은 냉각 장치(7)의 하우징(6)과 적어도 간접적으로 연결되어 있다. 상기 하우징(6)은 적어도 부분적으로 냉매 압축기(7)의 냉각제(8)를 둘러싼다.
열전도를 향상시키기 위해, 도 2의 예에서 3개의 제 2 도전 경로(3)로 도시된, 대전류가 통과하는 회로 기판(1)의 영역들은 전동 냉매 압축기(7)의 하우징(6)과 열적으로 저임피던스(low impedance) 방식으로 연결됨으로써 더욱 잘 냉각된다. 상기와 같은 냉각을 통해서는 전류 부하로 인한 회로 기판(1)의 자체 발열이 감소되고, 회로 기판(1) 또는 이 회로 기판과 연결된 컴포넌트들의 박리 또는 다른 손상들이 방지된다. 열적으로 저임피던스 방식의 연결이라는 표현은 적은 열교환 저항체와의 우수한 열적 연결을 의미한다.
도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서는 나사(9)들 그리고 융기부(10)에 의해 회로 기판(1)과 전동 냉매 압축기(7)의 하우징(6)이 연결된다. 회로 기판(1)은 나사(9)들에 의해 융기부(10)와 나사 결합되는데, 상기 중간 부재는 예컨대 도시되지 않은 추가 나사 연결을 통해 하우징(6)과 연결되어 있다. 대안적으로 융기부(10)는 하우징(6)과 용접, 접착, 가압될 수 있거나, 또는 이미 하우징 내에 함께 통합되어 있을 수 있는데, 즉 하우징(6)의 부분일 수 있다.
본 발명은 회로 기판(1) 그리고 도전 경로(2 및/또는 3)들의 능동 냉각으로, 동일한 전류 세기를 전달하기 위한 상대적으로 더 작은 라인 횡단면을 갖는 상기 도전 경로(2 및/또는 3)들을 형성할 수 있다.
따라서 본 발명의 장점은 스트립 도체의 재료가 절감되고, 그리고 회로 기판(1)의 제조 시 제조 복잡성 관련 비용이 절감된다는 것이다. 또한, 버스바 절감으로 인해 설치 공간 감소 그리고 도전 경로(2 및/또는 3)들에 필요한 스트립 도체 폭 감소가 달성될 수 있다.
도 2는 능동 냉각의 다른 실시예, 특히 3개의 제 2 도전 경로(3)(대전류 경로)로 도시된 회로 기판(1)을 도시한다. 상기 도전 경로(3)들은 예를 들면 전동 냉매 압축기(7)의 인버터 내 모터 위상과 반 브리지 사이, 대전류가 통과하는 연결부일 수 있으며, 이 경우 인버터는 도 2에 도시되지 않았다.
나사(9)들을 이용하여 회로 기판(1)과 융기부(10) 연결 시 이용되는 나사 결합의 단점은 상기 나사(9)들에 필요한 보어들로 인해 사용 가능한 스트립 도체의 폭이 감소된다는 것이다.
이 때문에 도 3의 실시예에서는 인쇄 회로 기판(1)의 나사 결합이 아닌, 회로 기판(1)을 교착하거나 압착함으로써 열적으로 연결이 달성된다.
상기 변형예에서 회로 기판(1)의 교착 또는 압착을 위한 하우징 커버(11)는 회로 기판(1)의 열 제거에도 도움을 줄 수 있거나, 또는 단지 기계적 기능만 실행할 수도 있다. 열 제거라는 개념은 열(5)의 흡수, 즉 회로 기판(1)으로부터 열 에너지를 흡수하는 것을 의미한다.
도 3에는 융기부(10)가 전동 냉매 압축기(7)의 하우징(6)에 연결되어 있다. 회로 기판(1)은 융기부(10) 상에 배치되어 있다. 이러한 위치에서 회로 기판(1)을 고정하기 위해서는 하우징 커버(11) 그리고 클램핑 부재(clamping piece)(12)가 제공된다. 상기 하우징 커버(11)는 예컨대 하우징(6)에 하우징 커버(11)를 고정하기 위한 수단(도면에 도시되지 않음)에 의해 지지된다.
상기 클램핑 부재는 전기적으로는 비전도성 그리고 기계적으로는 탄성적인 특성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 하우징 커버(11)와 회로 기판(1) 사이에서 상기 클램핑 부재(12)는, 회로 기판(1)에 가해지는 클램핑 부재(12)의 압력에 의해 상기 회로 기판(1)이 상기 융기부(10)에 단단히 클램핑되어 지지되도록 삽입된다. 그러한 지지 방식에 의해 회로 기판(1) 그리고 도전 경로(3)들의 영역들로부터 외부로 열(5)이 잘 배출될 수 있다.
상기 하우징 커버(11)를 제 1 하우징(6)의 제 2 하우징부 또는 적어도 브래킷 형태로 설계하는 것이 바람직하다.
나사(9)들이 생략되고 그리고 이러한 나사들에 필요한 보어들이 생략됨으로써, 도 3에는 제 2 도전 경로(3)들의 폭이 더 넓게 설계될 수 있다. 특수한 한 변형예에서 상기 제 2 도전 경로(3)들은 회로 기판(1) 내에서 서로 오프셋 되어 상이한 평면으로 배치되어 있으며, 이로 인해 상기 도전 경로(3)들의 횡단면이 더 확대될 수 있다.
1: 회로 기판, 인쇄 회로 기판
2: 제 1 도전 경로/스트립 도체
3: 제 2 도전 경로/스트립 도체
4: 버스바, 스트립 도체
5: 열방사, 열
6: 냉각 장치의 하우징
7: 냉매 압축기, 냉각 장치
8: 냉매
9: 나사
10: 융기부
11: 하우징 커버, 덮개, 브래킷
12: 클램핑 부재

Claims (8)

  1. 회로 기판(1) 상에 그리고/또는 회로 기판(1) 내에 배치된 스트립 도체(2, 3)들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치로서,
    상기 회로 기판(1)이 하우징(6)을 통해서 열전도를 위한 냉각 장치(7)의 냉매(8)와 연결된 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(6)을 통해서 상기 회로 기판(1)과 냉매(8)를 연결하기 위해 나사(9)들이 배치되어 있음으로써, 상기 회로 기판(1)이 상기 하우징(6)의 융기부(10)와 기계적으로 고정된 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(6)을 통해서 상기 회로 기판(1)과 냉매(8)를 연결하기 위해 하우징 커버(11) 그리고 이러한 하우징 커버(11)와 연결된 클램핑 부재(clamping piece)(12)가 배치되어 있고, 상기 회로 기판(1)이 상기 하우징(6)의 융기부(10)에 기계적으로 교착되는 방식으로 배치된 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회로 기판(1)과 하우징 커버(11) 사이에 배치된 클램핑 부재(12)가 비전도성 그리고 기계적으로 탄성을 갖는 클램핑 부재(12)인 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 융기부(10)가 상기 회로 기판(1) 내에서 탈냉각될 스트립 도체(2, 3)의 윤곽을 따라서 그리고 상기 스트립 도체(2, 3)들에 전기 절연 방식으로 배치된 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키기 위한 장치.
  6. 회로 기판(1)과 스트립 도체(2, 3)들로부터 열(5)이 전도되는, 스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키는 방법으로서,
    상기 회로 기판(1)으로부터 열(5) 전도가 하우징(6)을 통한 상기 회로 기판(1)과 냉각 장치(7)의 냉매(8)의 연결에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하우징(6)을 통해서 상기 회로 기판(1)과 냉각 시스템(7)의 냉매(8)가 직접 연결되거나 융기부(10)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키는 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 회로 기판(1)과 냉각 장치(7)의 하우징(6)의 연결이 상기 회로 기판(1)과 하우징(6) 또는 융기부(10)의 나사 결합 또는 교착에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    스트립 도체들의 전류 용량을 향상시키는 방법.
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