KR20210152401A - 공급 라인들을 위한 연결 러그들을 갖는 모듈 - Google Patents

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KR20210152401A
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carrier
module
connecting means
metallization
electronic
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알프레드 팀
해럴드 크레스
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세람테크 게엠베하
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Abstract

본 발명은 1,000 V보다 큰 전압들 및 100 A보다 큰 전류들이 공급 라인들을 통해 인가되는 모듈(1)에 관한 것으로, 모듈(1)은 전기 절연 캐리어(2), 재료 두께가 0.3 mm보다 크고 제1 단부(23) 및 제2 단부(24)에 의해 범위가 정해지는 금속화 영역(4)을 통해 캐리어(2)에 연결된 연결 수단(3), 필요에 따라 연결 수단(3)에 연결된 전자 구성요소들(19, 20), 및 냉각 수단(14)을 포함한다.
전력이 연결 수단(3)을 통해 외부측에서 모듈로 직접 공급되며 이에 따라 종래 기술에서 통상적인 접합 프로세스들이 생략되고 전력 공급 장치에 대한 기생 인덕턴스들이 회피되도록 하기 위해, 본 발명은 연결 수단(3)이 적어도 하나의 지점에서 금속화 영역(4)의 일 단부(23, 24)를 넘어 돌출되고, 이 영역(9)에서 캐리어(2)에 고정되지 않고 접촉 수단(22)을 갖는다.

Description

공급 라인들을 위한 연결 러그들을 갖는 모듈 {MODULE WITH CONNECTION LUGS FOR SUPPLY LINES}
본 발명은 1,000 V보다 큰 전압들과 100 A보다 큰 전류들을 제어할 수 있는 전력 전자 장치 분야(field of power electronics)의 모듈에 관한 것이다. 모듈은 적어도
금속화 영역을 통해 캐리어에 연결되는 적어도 하나의 연결 수단을 갖는 전기 절연 캐리어 ― 연결 수단은 바람직하게는 구리로 형성되고 0.3 mm보다 큰 재료 두께를 가짐 ―,
공급되는 전력을 제어하기 위해 캐리어에 배열되고 그리고 연결 수단에 전기적으로 연결된 전자 구성요소, 및
열 발산에 적합한 냉각 요소를 포함한다.
절연 게이트 전극(insulated gate electrode; IGBT)을 갖는 바이폴라 트랜지스터들은 전력 전자 장치에서 반도체 구성요소들로 사용되는 것으로 공지되어 있다. 1,000 V보다 큰 전압들 및 100 A보다 큰 전류들은 공급 라인들을 통해 이러한 IGBT 모듈들에 인가된다.
종래 기술에 공지된 모듈들은 전방 측면 및 후방 측면을 갖는 판형상 기판, 예를 들어 소결 세라믹(sintered ceramic)을 포함한다. 금속 쿨러가 모듈을 냉각하기 위해 후방 측면에 위치된다. 0.3 mm 내지 1.0 mm의 재료 두께를 갖는 구리로 구성된 금속화 영역이 기판의 전방 측면 상에 제공된다. 모듈 외부측의 전류 및 전압 공급 장치와 구리 사이의 연결은 소위 본딩 와이어들(bonding wires)을 통해 이루어진다. 높은 전압들 및 전류들이 모듈로 전도될 수 있는 것을 보장하기 위해 많은 수의 본딩 와이어들이 요구된다. 이러한 본딩 와이어들은, 온도 변동들을 보상하기 위해 부분적으로 서로 작은 간격으로 그리고 곡률로 배열된다. 그 결과, 소위 기생 인덕턴스들(parasitic inductances)이 형성될 수 있다. 금속화 영역을 기판에 연결하기 위해 공지된 방법들은 DCB "직접 구리 접합(direct copper bonded)" 또는 AMB "활성 금속 브레이징(active metal brazing)"이다.
DCB 방법은 1060 내지 1065 ℃의 고온 범위에서 구리를 세라믹 기판에 연결할 수 있는 연결 기술이다. 이를 위해, 구리는 구리의 융점인 1085 ℃ 근처까지 가열된다. 구리는 연화 온도 범위에 도달하며, 이는 이 프로세스 단계에서 구리의 특성들과 치수 안정성에 영향을 준다. DCB 방법에서, 소위 블로우홀들(blowholes)이라고 하는 공동들이 세라믹과 구리 사이에서 생성될 수 있다. 이러한 공동들은 열 전달에 해로운 영향을 미치고 부분 방전을 촉진하며, 이는 안전 관점에서 위험할 수 있다. DCB 방법은 7.5“ × 5.5“ 크기의 소위 마스터 카드들의 금속화를 위해 사용된다. 마스터 카드는 더 작은 치수들을 갖는 복수의 기판들을 포함할 수 있으며, 기판들은 이들의 응용들에 따라 분리된다. 복합재들이 DCB 방법에 의해 구리 및 세라믹으로 생산될 수 있다. 사용되는 세라믹에 따라, 이러한 복합재들은 100 내지 1,000 부하 변화들에 적합하다.
AMB 방법은 "활성 금속 브레이징", 즉 활성 하드 솔더링(active hard soldering), 예를 들어 금속과 세라믹의 연결을 의미하는 것으로 이해된다. 이 경우에, 구리는 금속 솔더 합금에 의해 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 세라믹 예를 들어, AlSiC에 연결된다. AMB 방법은 프로세스 조건들, 진공 또는 불활성 가스 분위기로 인해 비용이 많이 드는 프로세스이다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 사용되는 재료들에 따라 최대 5,000 부하 변화들에 적합한 복합재들이 제조되기 때문에 냉각 전력 모듈들(cooled power modules)의 산업적 제조에서 자리를 잡았다.
본 발명의 목적은, 많은 수의 부하 변화들로 인해, 간섭없는 전자 기능이 콤팩트한 형태로 장기간에 걸쳐 보장되는 방식으로 전력 전자 장치에서 모듈의 성능을 개선하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 모듈에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 모듈은 캐리어, 바람직하게는 세라믹 캐리어를 가지며, 그 위에서 연결 수단이 제1 평탄 측면에 배열된다. 이 연결 수단은 바람직하게는 구리로 만들어지며 외부 전류 또는 전압 소스에 대한 연결을 나타낸다. 연결 수단은 라인 레일 또는 BUS 바의 형태일 수 있으며 그리고 금속화 영역을 통해 캐리어에 연결된다. 본 발명에 따르면, 연결 수단은 연결 수단이 금속화 영역 및/또는 캐리어를 넘어 돌출하도록 금속화 영역 및/또는 캐리어의 기하학적 치수들을 넘어 연장된다. 다시 말해서, 연결 수단은 측면 방향으로 적어도 하나의 지점에서 캐리어 및/또는 금속화 영역을 넘어 돌출된다. 지점은, 포지션 및/또는 영역, 예를 들어 측면 표면, 및/또는 측면 표면의 부분 영역 및/또는 원주의 섹션/영역을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 캐리어 및/또는 금속화 영역이 예를 들어 치수들이 L × W × H인 직육면체의 형상을 갖는다면, 본 발명에 따라 연결 수단의 영역 또는 섹션이 이 직육면체 외부측에 배열된다. 이는, 연결 수단의 제1 단부가 캐리어 및/또는 금속화 영역 외부측에 배열되는 반면, 연결 수단의 제2 단부가 캐리어 및/또는 금속화 영역의 제1 평탄 측면의 영역에 배열된다는 것을 의미한다.
연결 수단은 금속화에 의해 캐리어에 접합된다. 캐리어와 연결 수단 사이의 확실한 연결을 보장하기 위해, 놀랍게도, 연결 수단이 금속화에 의해 일부 영역에서만 캐리어에 연결된다면 충분하다는 것이 발견되었다. 신뢰할 수 있는 기능을 위해서는, 연결 수단의 베이스 영역의 대략 66 %가 금속화에 의해 캐리어에 연결된다면 충분하다. 이는 연결 수단의 베이스 영역의 대략 33 %가 캐리어, 전력 모듈 또는 금속화 영역 외부측에 배열되고 그리고 캐리어 및/또는 금속화 영역에 대해 오버행(overhang)을 형성한다는 것을 의미한다. 즉, 연결 수단이 L × W × H의 직육면체 형태인 경우, 연결 수단과 캐리어 사이의 확실한 연결은 연결 수단의 베이스 영역의 66 % - 이는 L × W에서 발생 - 가 캐리어에 연결될 때 보장된다. 적절한 연결 프로세스는 AMB이다. 오버행 영역에서, 연결 수단은 캐리어 위에 놓이고 열팽창 중에 캐리어를 미끄러질 수 있다.
연결 수단은 그의 제1 단부에서, 전류 소스 또는 전압 소스가 연결될 수 있는 적어도 하나의 접촉 요소를 갖는다. 접촉 요소는 연결 수단의 연장부로서 형성될 수 있으며 그 다음 연결 수단과 동일한 평면에 배열된다. 공급 라인들을 체결하기 위한 솔더링 또는 용접 프로세스들은 캐리어로부터 멀리 열적으로 실행된다. 이는, 모듈에 대한 전력 공급 장치 체결 프로세스의 영향을 줄이고 그리고 이상적으로는 이를 완전히 방지한다.
대안의 실시예에서, 접촉 요소는 연결 수단에 대해 각지게 형성될 수 있다. 그 다음, 접촉 요소 및 연결 수단은 예를 들어 L 자 형상을 갖는다. 전류 및 전압 공급 장치의 연결 수단에 따라 다른 형상들, 예를 들어 U 자 형상, T 자 형상 등이 가능하다.
확장 수단(expansion means) 형태의 열 경감 구역(thermal relief zone)이 연결 수단의 제1 단부와 제2 단부 사이에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 확장 수단은 캐리어 및/또는 금속화 영역 외부측에, 바람직하게는 이들에 바로 인접하여 배열될 수 있다. 확장 수단은 연결 수단과 캐리어 및/또는 예를 들어 칩과 같은 전자 구성요소들 아래에서 가열된 금속화 사이의 열 팽창 차이들을 보상한다. 그 결과, 열 발생으로 인해 발생하는 전력 모듈의 기계적 부하가 바람직하게는 완전히 방지된다.
확장 수단은 연결 수단의 통합 부분일 수 있으며, 그리고 예를 들어 구부러지거나 각진 섹션, 비드, 라운딩, 벤드 등의 형태로 설계될 수 있다. 확장 수단의 단면은 연결 수단의 단면보다 작거나 같을 수 있다.
특별한 실시예에서, 확장 수단은 연결 수단의 단면보다 작은 단면을 가질 수 있다. 이는 확장 수단의 가요성(flexibility)을 증가시킨다. 확장 수단은 또한 하나 이상의 컷아웃들을 가질 수 있다. 컷아웃은 베이스가 있는 개구의 형태 또는 관통 개구의 형태일 수 있다. 확장 수단이 일렬로 배열된 복수의 관통 개구들을 포함하는 경우, 이는 천공 형태로 설계된다.
컷아웃 또는 개구의 형상은 예를 들어, 원형 또는 정사각형 또는 직사각형 또는 이들 형상들의 조합과 같이 원하는 대로 형성될 수 있다. 연결 수단은 캐리어에 연결되기 전에 확장 수단을 포함할 수 있다.
확장 수단의 형상에 관계없이, 이것은 연결 수단의 폭의 전체 폭에 걸쳐 또는 대안적으로 단지 일부 영역에 걸쳐 연장될 수 있다. 확장 수단의 설계는 전력 공급 중 열 발생에 맞게 조정된다. 이는 연결 수단의 확장을 보상하며 이에 따라 본 발명에 따른 모듈의 서비스 수명을 증가시킨다.
연결 수단이 측면으로 또는 적어도 하나의 지점에서 금속화 영역을 벗어나는 각도로 연장되고, 이 영역의 캐리어에 고정되지 않으며 그리고 공급 라인을 위한 접촉 요소들을 갖는다는 사실은, 모듈에 대한 외부 전력 공급 장치의 연결을 단순화한다. 제조하기 복잡한 접합 프로세스들은 더 이상 필요하지 않으며 생략된다. 게다가, 이는 전력 공급 장치의 기생 인덕턴스들을 회피한다. 전력 공급을 모듈에 직접 연결하는 본 발명에 따른 가능성의 또 다른 이점은 결과적으로 전체 높이가 감소된다는 것이다. 종래 기술에서 요구되는 구부러진 본딩 와이어들은 생략된다. 따라서, 고성능 회로의 전체 높이는 전자 구성요소들을 넘는 본딩 와이어들의 치수들에 의해 감소된다. 전력 전자 장치의 소형화, 즉 낮은 전체 높이는 전력 전자 장치의 구성요소들의 개발시에 끊임없는 과제이다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 연결 수단은 적어도 하나의 지점에서 금속화 영역 위로 각지게 또는 횡단하게 돌출하고 그리고 캐리어 위로 돌출하지 않는 접촉 요소를 갖는다. 이는, 이 실시예에서, 연결 수단이 캐리어의 영역에 위치되지만, 부분 영역에서 캐리어의 영역에 고정 예를 들어 접합되어 있지 않다는 것을 의미한다. 그러나, 연결 수단은 캐리어 위에 놓일 수 있으며 그리고 열 팽창 중에 캐리어 위를 미끄러질 수 있다. 이 특별한 실시예는 단지 약간의 공간이 캐리어에 인접한 측면에서 이용 가능한 응용들에 적합하다.
대안적인 실시예에서, 연결 수단은 연결 수단의 범위를 정하는(delimit) 모든 측면들, 즉 전체 원주에 걸쳐 금속화 영역 위로 돌출될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 캐리어의 치수들 내에 배열될 수 있다.
용어 "전자 구성요소"는 예를 들어, 전도성 트랙들, 본딩 와이어들, 전압 소스들, 스위치들, 저항기들, 코일들, 다이오드들, 액추에이터들, 센서들, IC들(integrated circuits), 칩들, SiC 칩들, 트랜지스터들 등과 같은 모든 능동 및 수동 전기 또는 전자 구조 요소들 또는 구조 부품들 및/또는 구조 요소들 또는 구조 부품들의 부품들을 포함한다. 이 전자 구성요소들의 목록은, 이 문서의 맥락에서 이용 가능한 모든 전기 또는 전자 구조 부품들이 전자 구성요소들로서 고려되어야 한다는 것을 분명히 해야 한다. 이 목록이 완전하다고는 주장하지 않는다.
전자 구성요소는 금속화 영역들의 형태의 접촉 지점들을 가지며, 이를 통해 예를 들어 상기 규정된 바와 같은 연결 수단 및/또는 추가 전기 구성요소에 대한 연결이 가능하다. 이러한 접촉 지점들은 전자 구성요소의 일부이며, 금속 및 전기 전도성이며 그리고 전기 회로에서 전자 구성요소의 기능적 설치를 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 접촉 지점들, 즉 금속화 영역들은 Ag, Au, Sn 및/또는 SAC 솔더의 코팅으로 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기 회로의 추가 구성요소에 대한 접합된 전기 전도성 연결을 보장할 수 있다.
연결 수단은 바람직하게는 구리로 구성된다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 전기 전도성 코팅, 즉 접촉 지점 또는 금속화 영역이 연결 수단에 적용된다. 금속화 영역, 즉 접촉 지점은 연결 수단의 구성성분이며 여기에 접합된다. 코팅은 바람직하게는 Ag, Au, Sn 및/또는 SAC 솔더들 중에서 선택된다.
바람직한 실시예에서, 연결 수단은 ≥99 %, 바람직하게는 ≥99.9 %, 특히 바람직하게는 ≥99.99 %의 순도를 갖는 구리로 만들어진다. 특히 바람직한 실시예에서, 낮은 산소 함량 또는 낮은 인 함량을 갖는 구리가 연결 수단으로 사용된다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 전자 구성요소가 연결 수단에 직접 적용되며, 즉, 이 전자 구성요소의 접촉 지점들은 연결 수단의 접촉 지점에 직접 접합된 전기적 연결에 있다. 이 경우에, 금속 및/또는 코팅 재료, 즉 연결 수단의 접촉 지점은, 전자 구성요소를 금속 및/또는 전자 구성요소의 접촉 지점의 코팅 재료에 연결하는 동안 반응한다. 이는 접합된 기계적 및/또는 전기적 연결을 발생시킨다. 이러한 전자 구성요소들과 연결 수단 사이에는 예를 들어 본딩 와이어들과 같은 결합 수단(joining means)이 없다. 이러한 맥락에서, "직접 연결되는"은 예를 들어, 전자 구성요소 및 연결 수단과 같은 2 개의 부품들이 작동 가능하게 연결될 때 서로 직접 접하도록 배열되는 것을 의미한다. 전기 연결을 위해서 추가 수단이 필요하지는 않다. 추가 수단이 없기 때문에, 이러한 수단뿐만 아니라 이러한 수단을 연결하는 데 필요한 예를 들어 솔더링, 용접 등과 같은 프로세스들의 관점에서 추가로 비용을 절감할 수 있다. 추가 수단 및 프로세스가 없기 때문에, 전력 손실들 예를 들어, 인덕턴스들을 유발하는 2 개의 구성요소들 간의 전환들이 줄어든다. 이러한 배열의 효율과 서비스 수명이 증가되고 그리고 제조 비용들 및 제품 비용들이 절감된다.
연결 수단과 전자 구성요소 사이의 직접 연결에 의해, 전기 회로의 이러한 부품들이 평면에 배열될 수 있으며, 서로에 대한 개별 부품들의 수직 변위들이 회피되거나 최소화된다. 연결 수단에 대한 전기 구성요소의 변위 및 본딩 와이어들 또는 다른 유선 연결들을 통한 전기 구성요소의 전기적 연결은 종종 전자 신호 중단들로 이어지며, 이는 전력 손실들을 유발하며 이에 따라 회피되어야 한다. 본 발명에 따른 배열은 이러한 단점들을 회피한다.
외부 영향들에 대한 보호를 위해, 본 발명에 따른 모듈들은 외부로 이어지는 접촉 수단을 제외하고 전기 비전도성 화합물(예를 들어, 종래 기술에 공지된 실리콘 화합물들)로 캡슐화될 수 있다.
모듈의 응용에 따라 그 자체로 공지된 체결 방법이 선택된다. 예를 들어, 외부 전원은 솔더링, 클램핑, 크림핑, 나사체결과 같은 패스닝들을 통해 접촉 요소에 전기적으로 연결된다. 플러그 연결들이 또한 사용될 수 있다.
전기 절연 캐리어는 바람직하게는 소결 세라믹이다. 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄 세라믹은 서비스 수명이 긴 고품질 전력 모듈을 제조하기 위해 매우 적합하다. 이들은 전기 절연 특성과 관련하여 이들의 우수한 열전도율을 특징으로 한다.
캐리어는 바람직하게는 모듈을 냉각하기 위한 냉각 수단을 갖는다. 이들은 예를 들어, 공기 냉각을 위한 핀들의 형태로 캐리어의 제2 평탄 측면에 배열될 수 있다. 캐리어에 대한 핀들의 열적 커플링을 최적화하기 위해, 핀들은 바람직하게는 캐리어에 일체로 연결된다. 달리 말해서, 냉각 수단 및 캐리어는 하나의 부품을 형성하고 그리고 함께 제조된다. 냉각 수단과 캐리어 사이에 구분선(dividing line)이 없다.
캐리어는 또한 채널 형태의 적어도 하나의 공동을 가질 수 있다. 그 다음, 이 채널은 유체들(가스, 물, 공기 등)이 흐르는 냉각 수단을 형성하며 이에 의해 모듈이 냉각될 수 있다. 그 다음, 이 채널은 유체 냉각 수단 또는 유체 냉각 모듈이다.
연결 수단은 바람직하게는 AMB 프로세스를 통해 세라믹 캐리어에 연결된다. 특히, AMB 프로세스는 0.3 mm보다 큰 재료 두께 및/또는 경감 구역(relief zone)을 갖는 금속화 영역 및/또는 캐리어로부터 돌출되거나 튀어나오는 연결 수단에 세라믹 캐리어를 연결할 수 있게 한다. 이 경우에, 구리는 금속 솔더 합금, 즉 활성 솔더에 의해 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 세라믹 예를 들어, AlSiC에 연결된다. AMB 방법에서, 20 내지 40 μm에서 인쇄된 솔더 페이스트로 작업하는 것이 선호되며 이에 따라 표면이 균일하게 젖을 수 있다. AMB 방법을 조심히 사용하면 세라믹과 연결 수단 사이에 블로우홀들 또는 공동들이 형성되지 않는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 세라믹과 연결 수단 사이에 확실하고 신뢰 가능한 연결이 발생된다. 연결 수단과 세라믹 사이에 공동이 없는 연결은 열 전달에 유리하며 이에 따라 냉각 수단에 의한 열 발산에 유리하다. 이는 냉각 성능을 크게 향상시킨다.
연결 수단에 대한 모듈 내의 Si/SiC 칩들과 같은 전자 구성요소들의 연결들은 소위 "리본 접합(ribbon bonding)"을 통해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 모듈을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 방법 청구항 14의 특징들에 의해 설명된다. 이는 1,000 V보다 큰 전압 및 100 A보다 큰 전류들을 공급 라인들을 통해 인가하는 모듈들에 관한 것이다. 전기 절연 캐리어는 금속화 영역을 통해 0.3 mm보다 큰 재료 두께를 갖는 연결 수단에 연결된다. 연결 수단이 적어도 하나의 지점에서 적어도 금속화 영역 및/또는 캐리어를 넘어 각지게 또는 횡단하게 연장되고 그리고 적어도 하나의 접촉 요소를 갖기 때문에, 접합 프로세스들이 외부측으로부터 모듈로의 전력 공급 장치를 위해서 더 이상 요구되지 않는다. 이는 기생 인덕턴스들을 회피한다. 게다가, 고성능 회로의 전체 높이가 감소되거나 줄어들 수 있다. 전자 구성요소들을 넘는 본딩 와이어들의 아치형 연장이 더 이상 필요하지 않다. 연결 수단은 접촉 요소에 의해 전력 공급 장치에 연결된다.
소결 세라믹이 바람직하게는 전기 절연 캐리어로 사용되며 그리고 연결 수단은 AMB 프로세스를 사용하여 캐리어의 금속화 영역에 고정된다. AMB 방법의 장점들은 본 발명에 따른 고성능 회로 모듈들의 설명에서 이미 상세히 설명되었다.
본 발명은, 1,000 V보다 큰 전압들 및 100 A보다 큰 전류들이 공급 라인들을 통해 인가되는 전자 고성능 모듈 또는 그 모듈들에 관한 것으로, 전기 절연 캐리어를 가지며, 전기 절연 캐리어 상에서, 재료 두께가 0.3 mm보다 큰 연결 수단이 금속화 영역을 통해 고정되며 그리고 전기 절연 캐리어 상에서, 필요에 따라 연결 수단에 전기적으로 연결된 전자 구성요소들이 배열된다.
외부측으로부터 직접 모듈과 연결 수단으로 전력이 공급되고 이에 따라 종래 기술에서 통상적인 접합 프로세스들이 생략되고 전력 공급 장치의 기생 인덕턴스들이 회피되는 것을 위해서, 본 발명은 연결 수단이 적어도 하나의 지점에서 적어도 금속화 영역을 넘어 각지게 또는 횡단하게 연장되고, 이 오버행에서 캐리어에 고정되지 않고 그리고 공급 라인들을 위한 접촉 수단을 갖는 것을 제안한다.
본 발명은 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 모든 도면들은 본 발명의 부분적이고 개략적인 표현들을 포함하며 본 발명을 설명하기 위해 예로서 사용된다. 본 발명의 특별한 실시예들은 이들 도면들에서 벗어날 수 있다. 도면들에서 본 발명에 따른 전력 모듈의 표현은 피상적이고 개략적이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 모듈의 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 전력 모듈의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 모듈의 특별한 실시예를 도시한다.
도 4는 열 경감 구역을 갖는 본 발명에 따른 전력 모듈의 사시도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 4에 따른 전력 모듈의 열 경감 구역의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 6은 열 경감 구역의 상이한 특성들 및 상이한 냉각 수단을 갖는 본 발명에 따른 성능 모드의 사시도이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 모듈, 캐리어(2), 연결 수단(3) ― 이는 금속화 영역(4)을 통해 캐리어(2)에 연결됨 ― 을 가지며, 높이 또는 재료 두께 >= 0.3 mm 인 모듈(1)을 도시한다. 도 1에 따르면, 캐리어(2)는 7.5 인치 * 5.5 인치로 측정된 판이다. 이 세라믹 판들은 또한 기판들로 공지되어 있다. 제1 전자 구성요소(19), 예를 들어 칩은 금속화 영역(4)을 통해 캐리어(2)에 차례로 연결된다. 이 제1 전자 구성요소(19)는 소위 본딩 와이어들(21)에 의해 제2 구성요소(20)에 연결된다. 제2 구성요소(20)는 금속화 영역을 통해 연결 수단(3) 상에 직접 배열된다. 이 실시예에서, 참조 번호 4로 도시된 금속화 영역(4)은 코팅 형태의 접촉 지점들을 포함한다. 이들 접촉 지점들 중 일부 지점은 연결 수단(3)의 일부이고 이들 접촉 지점들 중 나머지 지점은 제2 구성요소(20)의 일부이다. 이는 추가 수단(본딩 와이어들(21))없이 구성요소(20)가 연결 수단(3)에 직접 접합되도록 유도한다. 도 1에 따른 캐리어(2)는 직육면체 형태의 세라믹 캐리어(2)이다. 직육면체는 제1 평탄 측면(5)과 제2 평탄 측면(6)에 의해 범위가 정해진다. 이들 2 개의 평탄 측면들(5 및 6) 사이의 거리는 세라믹 캐리어(2)의 높이를 형성한다. 측면 배향에서, 캐리어(2)는 4 개의 측면 표면들에 의해 범위가 정해진다. 제1 측면 표면(7) 및 제2 측면 표면(8)은 도 1에서 볼 수 있다. 연결 수단(3)은 제1 단부(11) 및 제2 단부(12)에 의해 범위가 정해진다. 연결 수단(3)의 제2 단부(12)는 캐리어(2)의 측면 표면들에 의해 형성된 영역 내에 배열된다. 연결 수단(3)의 제1 단부(11)는 캐리어(2)로부터 그리고 제1 단부(23) 및 제2 단부(24)를 갖는 금속화 영역(4)으로부터 거리를 두고 배열된다. 거리는 도 1에서 오버행(9)으로 볼 수 있다. 오버행(9a)은 연결 수단(3)의 제1 단부(11)와 캐리어(2)의 제1 측면 표면(7) 사이의 거리에 의해 형성된다. 오버행(9b)은 연결 수단(3)의 제1 단부(11)와 금속화 영역(4)의 제1 단부(23) 사이의 거리이다. 연결 수단(3)의 제1 단부(11)에는 접촉 수단(22)이 제공된다. 이 접촉 수단(22)은 전력 공급 장치(도시 생략)에 연결된다. 그 결과, 전력 모듈에 전류와 전압이 공급될 수 있다. 전력 모듈(1)이 충분히 냉각될 수 있도록, 전력 모듈은 냉각 채널들(14)을 갖는다. 열 발산을 가능하게 하고 이를 개선하기 위해 유체들이 이러한 냉각 채널들(14)을 통과할 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 본 발명에 따른 모듈(1)의 제1 평탄 측면(5)의 평면도를 도시한다. 금속화 영역(4)을 통해 캐리어(2)에 연결된 연결 수단(3)은 5 개의 접촉 수단(22)을 갖는다. 개별 접촉 수단(22) 사이에 거리, 즉 갭이 제공된다. 거리가 너무 커서 전압이 인가될 때, 플래시오버(flashover)가 인접한 2 개의 접촉 수단(22) 사이에서 발생하지 않을 수 있다. 접촉 수단(22)의 수와 그 크기 및 설계는 모듈(1)의 전력 소비에 따라 달라지며 이에 맞게 조정될 수 있다. 연결 수단(3)이 캐리어(2)를 넘어 돌출되는 영역은 오버행(9)에 의해 도시된다. 게다가, 도 2는 예로서 제1 및 제2 전자 구성요소들(19, 20)을 도시한다. 전자 구성요소들(19, 20) 사이의 연결은 본딩 와이어들(21)에 의해 표시된다. 명확하게 하기 위해, 2 개의 본딩 와이어들(21)만이 각각의 경우에 표시된다. 사실, 이들 복수의 본딩 와이어들(21)이 전자 구성요소들 간의 연결을 위해 사용된다. 제2 구성요소(20)는 연결 수단에 직접 연결된다. 제2 구성요소(20)를 연결 수단(3)에 연결하기 위해 본딩 와이어들(21)이 요구되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 모듈(1)의 특별한 실시예를 도시한다. 연결 수단(3)의 제1 단부(11) 및 제2 단부(12) 둘 모두는 캐리어(2)의 측면 표면들에 의해 형성된 영역 내에 위치된다. 금속화 영역(4)은 제1 단부(23) 및 제2 단부(24)에 의해 범위가 정해진다. 캐리어(2)의 방향으로 배열된 연결 수단(3)의 표면적은, 연결 수단(3)이 캐리어(2)에 연결되는 금속화 영역(4)의 표면적보다 크다. 오버행(9)은 연결 수단(3)의 제1 단부(11)와 금속화 영역(4)의 제1 단부(23) 사이의 거리에 의해 형성된다. 세라믹 캐리어(2)는 핀들의 형태의 냉각 수단(14)을 포함한다. 이러한 냉각 수단(14)은 캐리어(2)의 일체형 부분이며 이에 일체로 연결된다. 냉각 수단(14)과 캐리어(2) 사이에는 구분선이 없다. 냉각 수단(14)은 서로 떨어져 배열되는 개별 핀들이다. 이는 공기가 순환할 수 있는 공간들을 생성하며, 이에 의해 냉각 성능을 향상시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 모듈(1)을 도시하며, 여기서 연결 수단(3)은 오버행(9)의 영역에 확장 수단(16)을 갖는 경감 구역(15)을 갖는다. 이 경감 구역(15)은 모듈로의 전력 입력 및 연관된 열 발생으로 인해 발생하는 팽창들을 보상하는 방식으로 설계된다. 이는 모듈(1)의 서비스 수명을 증가시킨다. 도 4에 따른 경감 구역(15)은 확장 수단(16)을 포함하는 둥근 형상의 섹션들로 구성된다. 확장 수단(16)은 유연하게 설계된다. 연결 수단(3)의 단면에 비해 이러한 섹션들의 단면이 감소한다는 점에서 가요성을 얻을 수 있다. 게다가, 냉각 채널들의 형태의 냉각 수단(14)은 도 4에서 볼 수 있다. 이러한 냉각 수단(14)은 예로서 도 4에 표시되어 있다. 모듈(1)의 적용에 따라, 냉각 수단은 이들의 배열, 배향, 직경, 크기 및 이들의 경로가 달라질 수 있다.
상이한 형상들을 갖는 경감 구역(15)의 확장 수단(16)은 도 5a, 도 5b 및 도 5c에서 볼 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 이는 컷아웃이거나, 도 5b에 따르면 삼각형 형태이거나, 도 5c에 따르면 구부러진 섹션 형태인 각진 가요성 구역이다. 이들의 가요성을 증가시키기 위해, 확장 수단(16)은 그의 형상에 관계없이 연결 수단(3)보다 작은 단면들을 가질 수 있다. 도 5c에서, 확장 수단(16)의 높이(18) 또는 재료 두께가 연결 수단(3)의 높이(17) 또는 재료 두께보다 작음을 알 수 있다. 이들 상이한 형상의 확장 수단(16)은 모두 유연하도록 설계된다는 공통된 특징을 갖는다. 가요성은 기하학적 형상 또는 예를 들어 테이퍼진 단면에 의해 형성될 수 있다.
도 6는 본 발명에 따른 모듈(1)의 사시도를 도시한다. 이 경우에, 상이한 냉각 수단(14a, 14b, 14c)이 캐리어(2) 상에 배열된다. 이는 또한 도 4에 도시된 바와 같이 냉각 채널 형태의 냉각 수단(14a)을 갖는다. 게다가, 캐리어(2)는 도 3에 도시된 바와 같이 냉각 수단(14b)을 갖는다. 이 냉각 수단은 캐리어(2)에 일체로 연결된다. 게다가, 냉각 수단(14c)이 캐리어(2)에 연결되어 있음을 도 6에서 알 수 있다. 냉각 수단(14c)은 그 자체로 공지된 연결 기술을 사용하여 캐리어(2)에 연결되는 독립적인 수단이다. 따라서, 냉각 수단(14c)과 캐리어(2) 사이에서 분할선(25)을 볼 수 있다. 도 6에 도시된 다양한 냉각 수단(14a, 14b, 14c)은 캐리어(2) 상에 개별적으로 또는 상상할 수 있는 임의의 조합으로 배열될 수 있다.
게다가, 경감 구역(15)은 도 6에서 알 수 있다. 이 경감 구역(15)은 상이하게 설계된 확장 수단(16)을 갖는다. 이들은 가요성을 증가시키는 경감 구역(15) 내의 컷아웃들이다. 컷아웃들은 보어들, 블라인드 보어들 또는 임의의 형상, 예를 들어 타원형 오목부들 또는 자유 형상 오목부들에 의해 형성될 수 있다. 이 경감 구역(15)의 가요성을 증가시키는 경감 구역(15) 내의 임의의 오목부들의 조합이 생각될 수 있다.
도면들 중 어느 것도 전자 고성능 회로가 비전도성 포팅 화합물로 캡슐화될 수 있음을 도시하지 않는다. 이 경우라면, 접촉 수단(22)만이 포팅 화합물로부터 돌출되어 외부 전력 공급 장치에 연결될수 있다.
1 : 모듈
2 : 캐리어
3 : 연결 수단
4 : 금속화 영역
5 : 2의 제1 평탄 측면
6 : 2의 제2 평탄 측면
7 : 2의 제1 측면 표면
8 : 2의 제2 측면 표면
9, 9a, 9b : 오버행
11 : 3의 제1 단부
12 : 3의 제2 단부
14, 14a, 14b, 14c : 냉각 수단
15 : 경감 구역
16 : 확장 수단
17 : 3의 높이
18 : 16의 높이
19 : 제1 전자 구성요소
20 : 제2 전자 구성요소
21 : 본딩 와이어
22 : 접촉 수단
23 : 4의 제1 단부
24 : 4의 제2 단부
25 : 분할선

Claims (16)

1,000 V보다 큰 전압들 및 100 A보다 큰 전류들이 공급 라인들을 통해 인가되는, 모듈(1)로서,
상기 모듈(1)은
전기 절연 캐리어(2),
재료 두께가 0.3 mm보다 크고 제1 단부(23) 및 제2 단부(24)에 의해 범위가 정해지는 금속화 영역(4)을 통해 캐리어(2)에 연결된 연결 수단(3),
필요에 따라 연결 수단(3)에 전기적으로 연결된 전자 구성요소들(19, 20), 및
냉각 수단(14)을 포함하며,
상기 연결 수단(3), 바람직하게는 구리는 상기 금속화 영역(4)의 일 단부(23, 24)를 넘어 적어도 하나의 지점에서 돌출되고, 그리고 이 영역(9)에서 캐리어(2)에 고정되지 않고 접촉 수단(22)을 가지며,
적어도 하나의 전자 구성요소(20)는 상기 금속화 영역(4)을 통해 연결 수단(39)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항에 있어서,
상기 연결 수단(3) 및 상기 적어도 하나의 전자 구성요소(20)는 상기 캐리어(2)의 제1 평탄 측면(5)에 배열되고 그리고 상기 냉각 수단(14)은 상기 캐리어(2)의 제2 평탄 측면(6)에 배열되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 캐리어(2)는 측면 표면들에 의해 범위가 정해지고, 상기 연결 수단(3)은 상기 캐리어(2)의 적어도 하나의 측면 표면(7)을 넘어 돌출하는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 연결 수단(3)은 적어도 하나의 열 경감 구역(15)을 갖는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열 경감 구역(15)은 상기 캐리어(2)의 외부측에, 바람직하게는 상기 캐리어(2)에 바로 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제4 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열 경감 구역(15)은 확장 수단(16)을 갖는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제6 항에 있어서,
상기 확장 수단(16)의 단면은 상기 연결 수단(3)의 단면보다 작은 것을 특징으로 하는,
모듈.
제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 확장 수단(16)은 개구들 또는 재료 오목부들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 절연 캐리어(2)는 소결 세라믹인 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐리어(2)의 냉각 수단(14)은 핀들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제10 항에 있어서,
핀들로 설계된 냉각 수단(14)은 분할선없이 상기 캐리어(2)에 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐리어(2)의 냉각 수단(14)은 공동들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결 수단(3)이 AMB 프로세스를 통해 상기 캐리어(2)에 접합되는 것을 특징으로 하는,
모듈.
전자 고성능 모듈을 제조하기 위한 방법으로서,
상기 전자 고성능 모듈은 1,000 V보다 큰 전압들 및 100 A보다 큰 전류들을 공급 라인을 통해 공급하며, 상기 전자 고성능 모듈은 전기 절연 캐리어(2)를 포함하며, 상기 전기 절연 캐리어(2) 상에서 재료 두께가 0.3 mm보다 큰 연결 수단(3)이 금속화 영역(4)을 통해 고정되며, 전자 구성요소들(20, 19)은 상기 캐리어(2) 상에 배열되고 필요에 따라 연결 수단(3)에 전기적으로 연결되며,
상기 연결 수단(3)은 상기 금속화 영역(4)을 넘어 적어도 하나의 지점에서 각지게 또는 횡단하게 연장되며, 이 오버행(9)에서 상기 캐리어(2) 상에 고정되지 않으며 공급 라인을 위한 연결 러그들(22)을 가지며, 그리고
적어도 하나의 전자 구성요소(20)는 상기 금속화 영역(4)을 통해 상기 연결 수단(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
전자 고성능 모듈을 제조하기 위한 방법.
제14 항에 있어서,
상기 전기 절연 캐리어(2)는 소결 세라믹이고, 상기 연결 수단(3)은 활성 솔더(4)와 함께 AMB 프로세스를 통해 캐리어(2)에 대한 금속화 영역(4)에 고정되는 것을 특징으로 하는,
전자 고성능 모듈을 제조하기 위한 방법.
제14 항 또는 제15 항에 있어서,
사용된 활성 솔더(4)는 20 내지 40 ㎛ 사이의 두께를 갖는 판으로 인쇄된 솔더 페이스트인 것을 특징으로 하는,
전자 고성능 모듈을 제조하기 위한 방법.
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