WO2016182396A1 - 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치, 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치, 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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piezoelectric element
power
substrate
thermal stress
power device
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윤상원
김민기
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한양대학교 산학협력단
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a temperature measuring device of a power device using a piezoelectric device, a thermal stress reduction device and a method of manufacturing the same.
  • a general power (electronic) module is a device for controlling power and is a key component of a power electronic system.
  • power modules used in new concept electric grids such as eco-friendly cars, renewable energy generation, and smart grids that are recently attracting attention are inevitably generating high power consumption because they control high power. This power consumption is mainly converted to thermal energy to generate a high temperature inside the power module.
  • Such high temperatures may degrade the performance of the power module or cause instability of the performance module, and may also cause damage or failure of the module.
  • the high temperature since the high temperature is generated only where the power is concentrated, the heat distribution in the power module is unbalanced.
  • accurate temperature measurement and measurement of thermal stress caused by heat generation of power modules have become an important issue. Measurement of thermal stress can be achieved by measuring the temperature distribution of the heating itself or the distribution of stress.
  • thermal stress causes a variety of problems, such as causing the destruction of the power module and fatigue.
  • the complex three-dimensional structure of power modules and the construction of different materials with repeated conductors and insulators do not provide a suitable solution to this problem of thermal stress.
  • the reduction of the thermal stress caused by the accurate temperature measurement and the heat generation of the power module has become an important issue.
  • the temperature sensor when the temperature sensor is integrated in the semiconductor to measure the temperature and thermal stress in the power module, there is a problem that the sensor process becomes difficult because it may affect the semiconductor operation or a detailed process is required.
  • temperature sensors are rarely integrated in semiconductors, there are limitations in that they can incur a high process cost, affect semiconductor performance, and increase semiconductor size.
  • the development of a technique for reducing the thermal stress in the portion where the heat distribution is concentrated is also active.
  • One embodiment of the present invention provides an apparatus for measuring the temperature of a power device using a piezoelectric device that can indirectly measure the temperature generated from the power device on the substrate.
  • a piezoelectric element is disposed on a substrate including a power element at a position spaced apart from the power element to operate at least one of a sensor and an actuator, thereby reducing thermal stress generated in the substrate due to heat generation of the power element.
  • a piezoelectric element is disposed on a substrate including a power element at a position spaced apart from the power element to operate at least one of a sensor and an actuator, thereby reducing thermal stress generated in the substrate due to heat generation of the power element.
  • An apparatus for measuring a temperature of a power device using a piezoelectric device includes a substrate; At least one power device formed on one surface of the substrate; And at least one piezoelectric element disposed on the substrate at a position spaced apart from the power element, and measuring thermal stress generated in the substrate to sense a temperature according to heat generation of the power element.
  • the at least one piezoelectric element may be disposed at a position spaced apart from the at least one power element in up, down, left and right directions.
  • the at least one piezoelectric element may be disposed at least one between the power elements when there are a plurality of power elements.
  • the plurality of at least one piezoelectric element may be disposed at positions spaced apart in the up, down, left, and right directions except between the power elements when there are a plurality of power elements.
  • the piezoelectric elements disposed at positions intersecting with the arrangement direction of the power elements among the at least one piezoelectric element may have a length set based on a length of each of the power elements and a separation distance between the power elements.
  • the piezoelectric element may be formed on one surface and the other surface of the substrate and may be disposed to face each other based on the substrate.
  • An apparatus for measuring a temperature of a power device using a piezoelectric device detects a temperature of the power device based on a voltage value of a voltage signal generated from the at least one piezoelectric device by the thermal stress.
  • the apparatus may further include a temperature sensor.
  • the temperature detector may calculate the temperature of the power device and the temperature distribution in the power module in consideration of the reduction of the noise.
  • the temperature detector may detect a temperature of the power device and a temperature distribution in the power module based on a difference between voltage values of voltage signals having different polarities.
  • the piezoelectric elements When the piezoelectric elements are disposed one by one in a position spaced apart from each other in the vertical direction except for the power elements, the piezoelectric elements may be disposed at positions spaced apart in at least one of the vertical direction and the left and right directions. Based on the sum of the voltage values with respect to the voltage signal generated from the device, the temperature of the power device and the temperature distribution in the power module can be detected.
  • An apparatus for reducing thermal stress of a power device using a piezoelectric device includes a substrate; At least one power device formed on an upper surface of the substrate; And an electrode disposed on the substrate at a position spaced apart from the power device, and receiving an electrical signal from an outside to measure thermal stress caused by heat generation of the power device or to reduce thermal stress generated on the substrate.
  • At least one piezoelectric element includes.
  • the piezoelectric element operates as at least one of a sensor for measuring thermal stress generated in the substrate for sensing a temperature according to heat generation of the power element, or an actuator receiving the electrical signal through the electrode for reducing the thermal stress. can do.
  • the piezoelectric element may receive an electrical signal having a polarity opposite to that generated by the thermal stress through the electrode to reduce thermal stress generated on the substrate.
  • the electrode is an upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric element; And a lower electrode formed on a lower surface of the piezoelectric element.
  • the substrate may be a power substrate including upper and lower metal layers on upper and lower surfaces of an insulator, respectively, and the lower electrode may be an upper metal layer of the power substrate.
  • the electrodes may be disposed at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element.
  • the electrodes are disposed at both ends of the first piezoelectric element in the first piezoelectric element disposed in one direction among the piezoelectric elements.
  • An upper electrode and a lower electrode may be disposed on upper and lower surfaces of the second piezoelectric element disposed in another direction crossing the direction.
  • An apparatus for reducing thermal stress of a power device using a piezoelectric device may further include a power supply unit supplying the electrical signal to the electrode, wherein the power supply unit generates the thermal stress on the substrate.
  • a power supply unit supplying the electrical signal to the electrode, wherein the power supply unit generates the thermal stress on the substrate.
  • an electrical signal having a polarity opposite to that generated by the thermal stress may be supplied to the electrode.
  • the piezoelectric element may be disposed at a position spaced in all directions from the power element.
  • An apparatus for reducing thermal stress of a power device using a piezoelectric device may include a temperature sensing unit configured to detect a temperature of the power device based on an electrical signal generated from the piezoelectric device according to generation of the thermal stress. It may further include.
  • a method of manufacturing a thermal stress reduction apparatus for a power device using a piezoelectric device may include providing a substrate; Forming at least one power device on an upper surface of the substrate; And at least one piezoelectric element on the substrate at a position spaced apart from the power element, the electrode being supplied with an electrical signal from the outside to reduce thermal stress generated in the substrate according to heat generation of the power element.
  • the forming of the piezoelectric element may include forming an upper electrode and a lower electrode on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element, respectively, using a polling process.
  • the providing of the substrate may include providing a power substrate having upper and lower metal layers, respectively, on upper and lower surfaces of the insulator, and the lower electrode may be an upper metal layer of the power substrate.
  • the piezoelectric device by indirectly measuring the temperature of the power device by arranging the piezoelectric device near the spaced apart from the power device without measuring the temperature by attaching a sensor directly to the power device as in the prior art, Heat transfer from the power device to the piezoelectric device can be minimized, thereby minimizing the influence on the power device operation while accurately measuring the temperature of the power device.
  • the piezoelectric element is integrated on a substrate, integration with the substrate may be possible, and further, process complexity and cost may be prevented.
  • a piezoelectric element on a substrate having a power device at a position spaced apart from the power device to operate at least one of the sensor and the actuator, heat generated in the substrate due to heat generation of the power device
  • the stress can be measured indirectly, and further, the thermal stress generated in the substrate can be reduced.
  • the present invention by reducing the stress of the portion where the thermal stress is concentrated in the substrate through the operation as an actuator of the piezoelectric element, it is possible to reduce the thermal deformation of the substrate, and further to prevent thermal breakage of the substrate Can be.
  • an apparatus for reducing thermal stress of a power element may be implemented with minimal design change.
  • FIG. 1 is a view illustrating a temperature measuring device of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a modification of the temperature measuring device of the power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view illustrating a temperature measuring device of a power device using a piezoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a temperature calculation of a power device considering noise reduction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating a thermal stress reduction apparatus of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating a function of an piezoelectric element as an actuator in the apparatus for reducing thermal stress of a power element using the piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thermal stress reduction apparatus of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 12 are manufacturing process diagrams of a thermal stress reduction apparatus of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view illustrating a temperature measuring device of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a power device temperature measuring device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention It is a figure which shows the modification of.
  • an apparatus 100 for measuring temperature of a power device using a piezoelectric device may include a substrate 110, a power device 120, a piezoelectric device 130, and a temperature sensing unit. 140 may be included.
  • the substrate 110 may be formed in a rectangular parallelepiped shape, and the power device 120 and the piezoelectric device 130 may be installed on one surface of the substrate 110.
  • the substrate 110 may be formed of a material suitable for increasing the thermal conductivity, for example, a ceramic material in which one of Al 2 O 3 , AlN, and SiN is used.
  • a ceramic material in which one of Al 2 O 3 , AlN, and SiN is used.
  • the substrate 110 may be implemented as a power substrate in which two metal plates form a sandwich structure before and after the ceramic substrate made of the ceramic material.
  • the substrate 110 may be implemented as a power substrate made of an insulator such as AIN and a metal plate disposed above and below.
  • the piezoelectric element 130 may be installed directly on the insulator or on one surface of the metal plate.
  • the substrate 110 may be bent by heat generated from the power device 120. That is, when heat is generated as the power device 120 operates, the substrate 110 may be bent by the heat due to a large difference in coefficient of thermal expansion between the substrate 110 and the power device 120. .
  • At least one power device 120 is formed on one surface of the substrate 110.
  • the plurality of power devices 120 may be spaced apart from each other by a predetermined interval on the substrate 110.
  • the power device 120 may be formed on one surface of the substrate 110.
  • the power device 120 may be formed on one surface of the metal plate.
  • the substrate 110 may be bent.
  • At least one piezoelectric element 130 is disposed on the substrate 110 at a position spaced apart from the power element 120.
  • the piezoelectric element 130 will be described as being limited to one or more.
  • the piezoelectric element 130 may be disposed at positions spaced apart from each other in the vertical direction from the power element 120.
  • a total of seven piezoelectric elements 130 may be disposed on one surface of the substrate 110 at positions spaced apart in the up, down, left, and right directions of the two power devices 120. That is, the seven piezoelectric elements 130 may be arranged to surround the circumference of each of the two power devices 120.
  • At least one piezoelectric element 130 may be disposed between the power elements 120. That is, the piezoelectric elements 130 may be disposed one by one between the power devices 120, and alternatively, a plurality of piezoelectric devices 130 may be disposed between the power devices 120.
  • the piezoelectric element 130 will be described as being limited to one or more.
  • the piezoelectric elements 130 may be disposed at positions spaced apart in the up, down, left, and right directions except between the power devices 120. .
  • the two power devices 120 are spaced apart from each other in the up, down, left and right directions except between the two power devices 120.
  • six piezoelectric elements 130 may be disposed on one surface of the substrate 110.
  • two of the six piezoelectric elements 130 may be disposed to face each other with the power device 120 interposed therebetween in the direction in which the power device 120 is disposed.
  • the power device 120 may be disposed to face each other at a position crossing the placement direction of the 120.
  • the remaining four piezoelectric elements 130 may have a length set based on the length of each of the power devices 120 and the separation distance between the power devices 120.
  • the lengths of the remaining four piezoelectric elements 130 may be set by the length of each of the metal plates disposed on the bottom surfaces of the two power devices 120 except for the separation distance between the power devices 120. have.
  • the piezoelectric element 130 measures the thermal stress generated in the substrate 110 in order to sense the temperature caused by the heat generated by the power device 120.
  • the piezoelectric element 130 formed on the substrate 110 may also be bent.
  • the piezoelectric element 130 generates a voltage signal according to the degree of bending, and may measure stress using the generated voltage signal.
  • the piezoelectric element 130 may be disposed at a position spaced apart from the power element 120, that is, around the power element 120.
  • the piezoelectric element 130 is disposed at a position away from the power element 120 by a predetermined distance, thereby indirectly measuring the thermal stress generated in the substrate 110 according to the heat generated by the power element 120. can do.
  • the stress generated in the substrate 110 due to the heat rather than the heat itself generated from the power device 120 through the piezoelectric element 130 can be measured. Therefore, according to an exemplary embodiment of the present invention, the piezoelectric element 130 may be located near the power element 120 without the need to directly attach a sensor to the power element 120 to measure temperature. By disposing, heat transfer from the power device 120 to the piezoelectric device 130 may be minimized, and thus the temperature of the power device 120 may be more accurately measured.
  • the thermal sensor 140 is a voltage generated from the at least one piezoelectric element 130 by the thermal stress when the thermal stress is generated on the substrate 110 due to the heat generated by the power device 120
  • the temperature of the power device 120 may be detected based on the voltage value of the signal.
  • the substrate 110 when heat is not generated from the power device 120, the substrate 110 is flat as shown in FIGS. 1 and 2, but when the power device 120 generates heat, the substrate ( 110 and the piezoelectric element 130 may be bent as shown in FIGS. 3 and 4, and accordingly, the piezoelectric element 130 may generate the voltage signal.
  • the properties of the piezoelectric element 130 correspond to properties that are well known, a description thereof will be omitted in an embodiment of the present invention.
  • the temperature detector 140 may calculate the temperature of the power device 120 in consideration of the reduction of the noise.
  • FIG 3 is a view illustrating a power device temperature measuring apparatus using a piezoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • the power device temperature measuring apparatus 300 using the piezoelectric device may include a substrate 110, a power device 120, a piezoelectric device 130, and a temperature sensing unit 140. ) May be included.
  • the substrate 110 and the power device 120 have the same or similar structure and characteristics as the substrate 110 and the power device 120 of FIGS. 1 and 2. In the embodiment, a description thereof will be omitted, and only the piezoelectric element 130 and the temperature sensing unit 140 will be described in detail.
  • the piezoelectric element 130 may be formed on one surface and the other surface of the substrate 110 and may be disposed to face each other based on the substrate 110. That is, the piezoelectric element 130 may be disposed at positions corresponding to each other with the substrate 110 interposed therebetween.
  • piezoelectric elements 130 may be installed on one surface and the other surface of the substrate 110, respectively. Can be.
  • the six piezoelectric elements 130 formed on one surface of the substrate 110 generate a voltage signal having a positive polarity, and the six piezoelectric elements 130 formed on the other surface of the substrate 110 are ( It can generate a polarized voltage signal.
  • the piezoelectric element 130 may generate voltage signals having different polarities when thermal stress is generated on the substrate 110.
  • the temperature detector 140 may detect the temperature of the power device 120 based on a difference in voltage values of voltage signals having different polarities.
  • the temperature detector 140 includes a conversion table (not shown) in which each temperature is matched and stored for each of a plurality of voltage values, and detects the temperature of the power device 120 using the conversion table. Can be.
  • the temperature sensing unit 140 calculates a difference in voltage values of voltage signals generated from the piezoelectric elements 130 disposed at positions corresponding to each other with the substrate 110 interposed therebetween, and calculates the difference in the calculated voltage values.
  • the temperature of the power device 120 may be sensed by searching for a value corresponding to the conversion table and obtaining a temperature value corresponding thereto.
  • the temperature detector 140 may calculate the temperature of the power device 120 in consideration of noise included in the voltage signal.
  • a voltage value equal to S1 + N1 (S1: voltage signal, N1: noise) is generated in the piezoelectric element 130 formed on one surface of the substrate 110, and the other surface of the substrate 110 is generated. It is assumed that a voltage value equal to -S1 + N2 (-S1: voltage signal, N2: noise) is generated in the piezoelectric element 130 formed below).
  • the temperature detector 140 may calculate the voltage value 2S1 + N1-N2 in which the noise is reduced (or removed) by subtracting the voltage value -S1 + N2 from the voltage value S1 + N1.
  • the temperature of the power device 120 may be sensed by searching for the calculated voltage value 2S1 + N1-N2 in the conversion table to obtain a temperature value corresponding thereto.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a temperature calculation of a power device considering noise reduction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a state in which a substrate of the power device temperature measuring apparatus of FIG. 3 is bent due to heat generation of the power device, thereby generating thermal stress.
  • each of the power devices 120 may move up, down, left, and right.
  • a total of six piezoelectric elements 130 may be installed at positions spaced apart from each other in a direction, in which the six piezoelectric elements 130 are thermally generated on the substrate due to heat generation of the power device 120. Each can generate a voltage signal.
  • the temperature sensing unit 140 may add a voltage value for each voltage signal generated from the piezoelectric element 130, and sense the temperature of the power device 120 based on the summed voltage value. have. To this end, the temperature sensing unit 140 may utilize a conversion table as described in FIG. 3.
  • the voltage signal may include noise. Therefore, the temperature detector 140 may detect the temperature of the power device 120 in consideration of noise included in the voltage signal.
  • S1 + N1 S1: voltage signal, N1: noise
  • S1 + N2 S1: voltage signal, N2: noise
  • the temperature sensing unit 140 halves the values N1-N2 by the subtraction of the voltage values S1 + N1 and S1 + N2, and subtracts them from the previously measured voltage values S1 + N1.
  • the reduced values (S1 + N1)-(N1-N2) / 2 can be calculated.
  • the above process can be similarly applied to the voltage value S1 + N2.
  • the present invention by sensing the temperature of the power device 120, by halving the noise for the difference in the voltage value including the noise value, by subtracting from the voltage value including the noise value, Some of the noise may be reduced in the previously measured voltage value.
  • the temperature sensing unit 140 reduces the specific gravity of the noise value occupied by the previously measured voltage value by subtracting the noise halved from the voltage value including the noise value of the power device 120. The temperature can be detected more accurately.
  • the piezoelectric element 130 when the piezoelectric element 130 is driven, the heat generated from the substrate 110 in the periphery spaced apart from the power element 120.
  • the voltage may be generated by operating by a stress, and may serve as a sensor for measuring the temperature of the power device 120 based on the voltage.
  • the thermal stress and temperature generated from the power device 120 on the substrate 110 may be indirectly measured through the piezoelectric device 130.
  • the piezoelectric element is integrated on a substrate, integration with the substrate is possible, and further, process complexity and cost increase can be prevented.
  • FIG 5 is a view illustrating a thermal stress reduction device of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a heat of the power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention In the stress reduction apparatus, it is a figure shown for demonstrating the function as an actuator of a piezoelectric element.
  • the thermal stress reduction apparatus 500 of a power device using a piezoelectric device includes a substrate 510, a power device 520, a piezoelectric device 530, and a temperature.
  • the detector 540 may include a power supply unit 550.
  • the substrate 510 may be formed in a plate shape of a rectangular parallelepiped, and the power device 520 and the piezoelectric device 530 may be installed on one surface of the substrate 510.
  • the substrate 510 may be formed of a material suitable for increasing thermal conductivity, for example, a ceramic material in which one of Al 2 O 3 , AlN, and SiN is used.
  • a ceramic material in which one of Al 2 O 3 , AlN, and SiN is used.
  • Al 2 O 3 it is much cheaper in terms of price and is most commonly used.
  • the substrate 510 it is preferable to implement the substrate 510 with Al 2 O 3 which is most widely used and inexpensive.
  • the substrate 510 may be formed of ceramic, which is an insulator, and may be implemented as a power substrate having upper and lower metal layers on upper and lower surfaces of the insulator, respectively.
  • the substrate 510 may be implemented as a substrate in which the upper metal layer and the lower metal layer form a sandwich structure above and below a ceramic insulator made of ceramic.
  • the upper metal layer and the lower metal layer may be formed of a material having excellent thermal conductivity such as copper and aluminum.
  • the substrate 510 may be bent by heat generated from the power device 520. That is, when heat is generated as the power device 520 operates, the substrate 510 may be disposed between the upper metal layer of the substrate 510 and the power device 520 or the upper and lower metal layers of the substrate 510. Due to the high coefficient of thermal expansion difference between the insulators can be bent.
  • At least one power device 520 is formed on an upper surface of the substrate 510.
  • the plurality of power devices 520 may be spaced apart from each other by a predetermined interval on the substrate 510.
  • the power device 520 may be formed on the upper metal layer of the insulator when the substrate 510 is implemented as the power substrate. As a result, heat generated from the power device 520 may be transferred to the upper metal layer, and then transferred to the substrate 510.
  • the power device 520 generates heat according to the driving thereof, and the generated heat is the upper metal layer serving as a medium for transferring the heat between the power device 520 and the substrate 510. It may be delivered to the substrate 510 through.
  • the power device 520 and the upper metal layer of the substrate 510 have a large thermal expansion coefficient difference, the degree of stretching due to heat is different and thus a large thermal stress may occur.
  • At least one piezoelectric element 530 is disposed on the substrate 510 at a position spaced apart from the power element 520.
  • the piezoelectric element 530 may be disposed at a position spaced in all directions from the power element 520.
  • the piezoelectric element 530 includes an electrode 532 that receives an electrical signal from the outside to reduce thermal stress by generating stress in the opposite direction to the substrate 510 as heat is generated by the power device 520. .
  • the piezoelectric element 530 may operate as an actuator that receives the electrical signal through the electrode 532 to reduce the thermal stress.
  • the piezoelectric element 530 may operate as a sensor for measuring thermal stress generated in the substrate 510 to sense the temperature caused by the heat generation of the power device 520.
  • the piezoelectric element 530 may generate an electrical signal having a voltage value corresponding to the measured value of the thermal stress generated in the substrate 510.
  • the piezoelectric element 530 may operate as at least one of the sensor and the actuator.
  • the piezoelectric element 530 is processed with the same piezoelectric material to be used as the sensor and the actuator, so that the piezoelectric element 530 may also be applied to a complex three-dimensional power module structure in which the vertical height is the same, such as a bidirectional cooling structure. Can be.
  • the temperature sensing unit 540 based on the electrical signal generated from the piezoelectric element 530 according to the generation of the thermal stress, the power element 520 It can detect the temperature of.
  • the temperature detector 540 includes a conversion table (not shown) in which each temperature is matched and stored for each of a plurality of voltage values, and detects the temperature of the power device 520 using the conversion table. Can be.
  • the temperature sensor 540 calculates a voltage value itself or a difference between voltage values of the voltage signals generated from the piezoelectric elements 530 disposed at positions corresponding to each other with the substrate 510 interposed therebetween.
  • the temperature of the power device 520 may be sensed by searching the conversion table for a value corresponding to the calculated voltage value and obtaining a temperature value matching the calculated value.
  • the piezoelectric element 530 when the piezoelectric element 530 operates as the actuator, the piezoelectric element 530 transmits an electrical signal having a polarity opposite to that generated by the thermal stress through the electrode 532.
  • the thermal stress generated in the substrate 510 may be reduced by being supplied.
  • the electrode 532 may be formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 530.
  • the electrode 532 formed on the upper surface of the piezoelectric element 530 is referred to as the upper electrode 532
  • the electrode 532 formed on the lower surface thereof is referred to as the lower electrode 532.
  • the lower electrode 532 may be formed as a separate electrode, but in the present embodiment may be formed of an upper metal layer of the power substrate 510. Accordingly, in the piezoelectric element 530, the upper metal layer may receive the electrical signal from the outside in place of the lower electrode 532.
  • the electrode 532 may be disposed at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 530.
  • the electrode 532 may be a first piezoelectric element facing in one direction among the piezoelectric elements 530.
  • the upper piezoelectric element 532 and the lower electrode 532 may be disposed at both ends of the first piezoelectric element, and the second piezoelectric element disposed in another direction crossing the one direction may be disposed on the upper and lower surfaces of the second piezoelectric element. ) May be arranged respectively.
  • two sets of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are formed on the upper surface of the substrate 510 to be arranged to cross each other.
  • the power supply unit 550 may supply the electrical signal to the electrode 532.
  • the power supply unit 550 may supply the electrode 532 with an electrical signal having a polarity opposite to that generated by the thermal stress.
  • the substrate 510 is subjected to stress generated in a direction opposite to the bending direction due to the generation of the thermal stress.
  • the bent portion of the substrate 510 may be restored to its original state (or close to it) to reduce thermal stress generated in the substrate 510.
  • the piezoelectric element 530 may generate an electrical signal having a voltage having a magnitude corresponding to the portion where the deformation occurs.
  • the power supply unit 550 supplies an electrical signal having a polarity opposite to that of the generated electrical signal to the piezoelectric element 530, thereby converting the tensile stress of the portion where the deformation occurs into a compressive stress.
  • the thermal stress generated in the substrate 510 may be offset.
  • the piezoelectric element 530 may generate an electrical signal having a voltage having a magnitude corresponding to that in which the deformation occurs. have.
  • the power supply unit 550 supplies an electrical signal having a polarity opposite to that of the generated electrical signal to the piezoelectric element 530, thereby converting the compressive stress of the portion where the deformation occurs into a tensile stress.
  • the zero stress generated in the substrate 510 may be offset.
  • the substrate 510 is bent due to heat generation of the power device 520.
  • the piezoelectric element 530 may also be bent together and generate an electrical signal according to the degree of deflection.
  • the electrode 532 may be disposed at both ends of the piezoelectric element 530, and alternatively may be disposed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 530, respectively.
  • the electrode 532 may be formed in the piezoelectric element 530 as part of the polling process, so that the piezoelectric element 530 is polarized (+), (-) when deformation is applied, An electrical signal having polarity may be generated through each of the electrodes 532.
  • the power supply unit 550 supplies an electrical signal having a polarity opposite to that of the electrical signal generated by the piezoelectric element 530, and the piezoelectric element 530 transmits the supplied electrical signal to the electrode 532.
  • the thermal stress of the substrate 510 may be reduced (offset) by being supplied through the substrate.
  • the piezoelectric device 530 may be connected to the substrate 510. It can be bent together to generate tensile stress.
  • the power supply unit 550 may supply an electrical signal of opposite polarity to the electrical signal generated when the tensile stress occurs to the electrode 532.
  • the piezoelectric element 530 may generate a compressive stress, thereby canceling the deformation of the substrate 510 due to the tensile stress.
  • the piezoelectric element 530 attenuates the stress of the portion where the thermal stress is concentrated in the substrate 510 through the operation of an actuator as well as a temperature sensor. Thermal deformation of the 510 may be reduced, and thermal breakage of the substrate 510 may be prevented.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thermal stress reduction apparatus of a power device using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • Figures 8 to 12 is a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention It is a manufacturing process drawing of the thermal stress reduction apparatus of the power element using the following.
  • a substrate 510 is provided.
  • the substrate 510 may have an upper metal layer and a lower metal layer on upper and lower surfaces thereof, thereby effectively conducting heat generated from the power device 520.
  • At least one power device 520 is formed on the top surface of the substrate 510.
  • a plurality of power devices 520 are formed on the upper surface of the substrate 510 as described with reference to FIG. 9.
  • At step 730 at least the electrode 532 is provided on the substrate 510 at a position spaced apart from the power device 520 to receive an electrical signal from the outside.
  • One piezoelectric element 530 is formed.
  • the piezoelectric element 530 may reduce the thermal stress generated by the heat generated by the power device 520 by receiving the electrical signal through the electrode 532.
  • the piezoelectric element 530 may operate as a sensor for measuring the thermal stress generated in the substrate 510 and generating an electrical signal corresponding thereto, and alternatively, the electrode 532 to reduce the thermal stress. It may operate as an actuator supplied with the electrical signal through.
  • the piezoelectric element 530 may operate as the actuator when the piezoelectric element 530 receives an electrical signal having a polarity opposite to that generated when the sensor is operated as the sensor through the electrode 532.
  • the electrode 532 may be formed at both ends of the piezoelectric element 530 as shown in FIG. 11 through a polling process.
  • the piezoelectric element 530 may be formed. It may be formed on the top and bottom of the through the polling process.
  • the piezoelectric element 530 When the electrode 532 is formed through the polling process, a polarization phenomenon occurs in the piezoelectric element 530. Accordingly, when the piezoelectric element 530 is operated as the sensor, the piezoelectric element 530 passes through each electrode 532. It can generate an electrical signal having a polarity. Thus, according to an embodiment of the present invention, the temperature of the power device 520 may be measured by using an electric signal generated when the piezoelectric device 530 operates as a sensor.
  • the piezoelectric element 530 when the piezoelectric element 530 operates as the actuator, the piezoelectric element 530 receives an electrical signal having a polarity opposite to that generated when the piezoelectric element 530 operates as the sensor.
  • the stress can be reduced.
  • thermal deformation of the substrate 510 may be reduced to prevent thermal breakage of the substrate 510.
  • the lower electrode 532 formed on the lower surface of the piezoelectric element 530 may be replaced with an upper metal layer of the substrate 510.
  • the piezoelectric element 530 capable of performing both the sensors and the actuators on the substrate 510 may be integrated, thereby minimizing design changes to the power element 520. Not only can the temperature be measured, but the thermal stress generated in the substrate 510 can be reduced.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치는 기판; 상기 기판의 일면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 적어도 하나의 압전 소자를 포함한다.

Description

압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치, 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법
본 발명의 실시예들은 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치, 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 전력(전자)모듈은 전력을 제어하는 장치로서, 전력 전자 시스템에서 핵심이 되는 부품이다. 그런데, 최근 주목 받고 있는 친환경 자동차, 재생에너지 발전, 그리고 스마트 그리드와 같은 신개념 전력망에서 사용되는 전력 모듈은 고전력을 제어하기 때문에 높은 소모전력을 발생시킬 수 밖에 없다. 이 소모전력은 주로 열에너지로 전환되어 전력 모듈 내부에 고온을 발생시키게 된다.
이러한 고온은 전력 모듈의 성능을 저하시키거나 성능의 불안정성을 야기시키며, 나아가 모듈의 파손이나 고장의 원인이 되기도 한다. 또한, 전력이 집중되는 곳에서만 고온이 발생하기 때문에 전력모듈 내의 열 분포는 불균형할 수 밖에 없다. 이처럼 발열 문제가 대두됨에 따라, 정확한 온도 계측 및 전력 모듈의 발열로 인해 발생되는 열응력의 계측이 중요한 이슈가 되고 있다. 열응력의 계측은 발열 자체의 온도분포 혹은 응력의 분포를 측정함으로써 구현할 수 있다.
하지만, 전력 모듈 내의 온도와 열응력을 측정하기 위해 온도 센서를 반도체 내에 집적하는 경우, 반도체 동작에 영향을 줄 수 있거나, 세밀한 공정이 필요하기 때문에 센서 공정이 어려워지는 문제점이 존재한다. 온도 센서를 반도체 내에 집적하는 경우가 드물게 있지만 공정 비용이 많이 발생하고 반도체 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 반도체 크기가 커질 수 밖에 없는 한계가 있다. 특히 반도체 성능에 미치는 영향 때문에 범용적으로 사용되기 어렵다.
따라서, 반도체 내에서 전력 모듈의 온도 분포 혹은 열에 의해 발생하는 열응력을 계측할 수 있는 기술이 필요하다.
한편, 최근, 전력 모듈 내부의 발열 문제는 점점 심각해지고 있으며, 전기자동차나 스마트 그리드 등 고전력 시스템의 등장으로 이 문제는 더욱 가속화되고 있다. 특히, 전력 모듈의 열에 의해 발생하는 현상 가운데 열응력(thermal stress)은 전력 모듈의 파괴를 유발하고 피로도를 발생하는 등 다양한 문제를 일으킨다. 하지만, 전력 모듈의 복잡한 3차원 구조 그리고 도체와 절연체가 반복되는 상이한 물질의 구성은 이러한 열응력의 문제점에 적합한 해결책을 제시하지 못하고 있다. 이처럼 발열 문제가 대두됨에 따라, 정확한 온도 계측 및 전력 모듈의 발열로 인해 발생되는 열응력의 감소가 중요한 이슈가 되고 있다.
하지만, 전력 모듈 내의 온도와 열응력을 측정하기 위해 온도 센서를 반도체 내에 집적하는 경우, 반도체 동작에 영향을 줄 수 있거나, 세밀한 공정이 필요하기 때문에 센서 공정이 어려워지는 문제점이 존재한다. 온도 센서를 반도체 내에 집적하는 경우가 드물게 있지만 공정 비용이 많이 발생하고 반도체 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 반도체 크기가 커질 수 밖에 없는 한계가 있다. 또한, 전력 모듈 내의 온도 및 열응력을 측정한 결과에 따라, 열 분포가 집중된 부분의 열응력을 저감시키기 위한 기술의 개발도 활발해지는 추세이다.
따라서, 반도체 내에서 전력 모듈의 온도 분포 혹은 열에 의해 발생하는 열응력을 간접적으로 계측하고 저감할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 기판 상의 전력 소자로부터 발생하는 온도를 간접적으로 계측할 수 있는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 전력 소자를 구비하는 기판 상에 압전 소자를 전력 소자로부터 이격된 위치에 배치하여 센서 및 액추에이터 중 적어도 하나로 동작하도록 함으로써, 전력 소자의 발열로 인해 기판에 발생되는 열응력을 간접적으로 측정할 수 있으며, 나아가 기판에 발생된 열응력을 저감시킬 수 있는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치는 기판; 상기 기판의 일면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 적어도 하나의 압전 소자를 포함한다.
상기 적어도 하나의 압전 소자는 상기 적어도 하나의 전력 소자로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 압전 소자는 상기 전력 소자가 복수 개인 경우, 상기 전력 소자 사이에 적어도 하나씩 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 압전 소자는 상기 전력 소자가 복수 개인 경우, 상기 전력 소자 사이를 제외하고, 상기 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 압전 소자 중 상기 전력 소자의 배치 방향과 교차하는 위치에 배치된 압전 소자는 상기 전력 소자 각각의 길이 및 상기 전력 소자 간 이격 거리에 기초하여 설정되는 길이를 가질 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 기판의 일면 및 타면에 형성되되, 상기 기판을 기준으로 서로 마주보는 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치는 상기 열응력에 의해 상기 적어도 하나의 압전 소자로부터 발생되는 전압 신호의 전압 값에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 감지부는 복수의 전압 값이 노이즈를 포함하는 경우, 상기 노이즈의 저감을 고려하여 상기 전력 소자의 온도 및 전력 모듈 내의 온도 분포를 산출할 수 있다.
상기 온도 감지부는 상기 전압 신호가 서로 다른 극성을 가지는 경우, 상기 서로 다른 극성의 전압 신호에 대한 전압 값의 차이에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도 및 전력 모듈 내의 온도 분포를 감지할 수 있다.
상기 온도 감지부는 상기 압전 소자가 상기 전력 소자 사이를 제외하고 상기 전력 소자로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 하나씩 배치된 경우, 상하 방향 또는 좌우 방향 중 적어도 하나의 방향으로 이격된 위치에 배치된 압전 소자로부터 발생된 전압 신호에 대한 전압 값의 합산에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도 및 전력 모듈 내의 온도 분포를 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 기판; 상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 의한 열응력을 측정하거나 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 포함한다.
상기 압전 소자는 상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 센서, 또는 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터 중 적어도 하나로서 동작할 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극을 통해 공급받아 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
상기 전극은 상기 압전 소자의 상면에 형성되는 상부 전극; 및 상기 압전 소자의 하면에 형성되는 하부 전극을 포함할 수 있다.
상기 기판은 절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판이고, 상기 하부 전극은 상기 전력 기판의 상부 금속층일 수 있다.
상기 전극은 상기 압전 소자의 길이 방향으로 양끝단에 배치될 수 있다.
상기 압전 소자가 상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치된 경우, 상기 전극은 상기 압전 소자 중 일 방향으로 대향 배치된 제1 압전 소자에는 상기 제1 압전 소자의 양 끝단에 배치되고, 상기 일 방향과 교차하는 타 방향으로 배치된 제2 압전 소자에는 상기 제2 압전 소자의 상면 및 하면에 상부 전극 및 하부 전극이 각각 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 상기 전극에 상기 전기 신호를 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있고, 상기 전원 공급부는 상기 기판에 상기 열응력이 발생되는 경우, 상기 전극에 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급할 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치는 상기 열응력의 발생에 따라 상기 압전 소자로부터 발생되는 전기 신호에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법은 기판을 제공하는 단계; 상기 기판의 상면에 적어도 하나의 전력 소자를 형성하는 단계; 및 상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 압전 소자를 형성하는 단계는 폴링 공정을 이용하여 상기 압전 소자의 상면 및 하면에 각각 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기판을 제공하는 단계는 절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 하부 전극은 상기 전력 기판의 상부 금속층일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상의 전력 소자로부터 발생하는 열응력 및 온도를 간접적으로 계측할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존과 같이 전력 소자에 센서를 직접 부착하여 온도를 측정할 필요가 없이, 압전 소자를 전력 소자로부터 이격된 근처에 배치하여 전력 소자의 온도를 간접적으로 측정함으로써, 전력 소자로부터 압전 소자로의 열 전달을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 전력 소자의 온도를 정확히 측정하면서도 전력 소자의 동작에의 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 소자가 기판 위에 집적 공정됨에 따라, 기판과의 일체화가 가능하고, 더 나아가 공정상의 복잡성과 비용 상승을 예방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 소자를 구비하는 기판 상에 압전 소자를 전력 소자로부터 이격된 위치에 배치하여 센서 및 액추에이터 중 적어도 하나로 동작하도록 함으로써, 전력 소자의 발열로 인해 기판에 발생되는 열응력을 간접적으로 측정할 수 있으며, 나아가 기판에 발생된 열응력을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 소자의 액추에이터로서의 동작을 통해, 기판에서 열응력이 집중되는 부분의 응력을 감쇄시킴으로써, 기판의 열 변형을 저감시킬 수 있으며, 나아가 기판의 열 파손을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 및 액추에이터로서의 동작이 모두 실행 가능한 압전 소자를 기판 위에 집적 공정함으로써, 최소한의 설계 변화만으로 전력 소자의 열응력 저감 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치의 변형예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 노이즈의 저감을 고려한 전력 소자의 온도 산출을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치에 있어서, 압전 소자의 액추에이터로서의 기능을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 공정도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치의 변형예를 도시한 도면이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 온도 계측 장치(100)는 기판(110), 전력 소자(120), 압전 소자(130), 및 온도 감지부(140)를 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 직육면체의 모양으로 형성될 수 있으며, 상기 기판(110)의 일면에는 상기 전력 소자(120) 및 상기 압전 소자(130)가 설치될 수 있다.
상기 기판(110)은 열전도율을 높이기에 적합한 소재, 예를 들면 Al2O3, AlN, SiN 중 하나가 사용되는 세라믹 소재로 구현될 수 있다. 참고로, 본 실시예에서는 압전 특성을 지닌 AlN으로 상기 기판(110)을 구현하는 것이 바람직하다.
상기 기판(110)은 상기 세라믹 소재로 구현된 세라믹 기판 앞뒤로 2개의 금속판이 샌드위치 구조를 이루는 전력 기판으로 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 기판(110)은 AIN 등의 절연체와 상하에 배치된 금속판으로 이루어진 전력 기판으로 구현될 수 있다. 참고로, 상기 압전 소자(130)는 상기 절연체에 직접 설치되거나 상기 금속판의 일면에 설치될 수 있다.
한편, 상기 기판(110)은 상기 전력 소자(120)에서 발생되는 열에 의해 구부러질 수 있다. 즉, 상기 기판(110)은 상기 전력 소자(120)가 동작함에 따라 열이 발생하게 되면, 상기 기판(110)과 상기 전력 소자 (120) 사이의 큰 열팽창계수 차이 때문에 상기 열에 의해 휘어질 수 있다.
상기 전력 소자(120)는 상기 기판(110)의 일면에 적어도 하나가 형성된다. 이때, 상기 전력 소자(120)가 복수 개인 경우, 상기 복수 개의 전력 소자(120)는 상기 기판(110) 위에 서로 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 전력 소자(120)는 상기 기판(110)의 일면에 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 기판(110)이 상기 전력 기판으로 구현되는 경우, 상기 전력 소자(120)는 상기 금속판 일면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 전력 소자(120)가 발열하는 경우, 상기 전력 소자(120) 및 상기 기판(110)의 금속판, 그리고 상기 기판(110)의 금속판과 절연체 사이에서 나타나는 큰 열팽창계수 차이로 인해, 상기 기판(110)이 휘어질 수 있다.
상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)로부터 이격된 위치의 기판(110)상에 적어도 하나가 배치된다. 이하에서는 상기 압전 소자(130)가 복수 개인 것으로 한정하여 설명한다.
상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
가령, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 일면에 두 개의 전력 소자(120)가 설치된다고 가정한다.
이러한 경우, 상기 두 개의 전력 소자(120)로터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 총 일곱 개의 압전 소자(130)가 상기 기판(110)의 일면에 배치될 수 있다. 즉, 상기 일곱 개의 압전 소자(130)는 상기 두 개의 전력 소자(120) 각각의 둘레를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120) 사이에 적어도 하나씩 배치될 수 있다. 즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120) 사이에 하나씩 배치될 수 있으며, 또 달리 상기 전력 소자(120) 사이에 복수 개의 압전 소자(130)가 배치될 수도 있다.
이하에서는 상기 압전 소자(130)의 변형예를 도 2를 참조하여 설명한다. 여기서도 상기 압전 소자(130)는 복수 개인 것으로 한정하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)가 복수 개인 경우, 상기 전력 소자(120) 사이를 제외하고, 상기 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
즉, 상기 기판(110)의 일면에 두 개의 전력 소자(120)가 설치된 경우, 상기 두 개의 전력 소자(120) 사이를 제외하고, 상기 두 개의 전력 소자(120) 각각으로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 총 여섯 개의 압전 소자(130)가 상기 기판(110)의 일면에 배치될 수 있다.
다시 말해, 상기 여섯 개의 압전 소자(130) 중 두 개는 상기 전력 소자(120)의 배치 방향으로 상기 전력 소자(120)를 사이에 두고 마주보며 배치될 수 있으며, 나머지 네 개는 상기 전력 소자(120)의 배치 방향과 교차하는 위치에 상기 전력 소자(120)를 사이에 두고 마주보며 배치될 수 있다.
이때, 상기 나머지 네 개의 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120) 각각의 길이 및 상기 전력 소자(120) 간 이격 거리에 기초하여 설정되는 길이를 가질 수 있다.
즉, 상기 나머지 네 개의 압전 소자(130)의 길이는 상기 전력 소자(120) 간 이격 거리를 제외하고, 상기 두 개의 전력 소자(120)의 하면에 배치된 상기 금속판 각각의 길이에 의해 설정될 수 있다.
상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판(110)에 발생되는 열응력을 측정한다.
이때, 상기 전력 소자(120)로부터 발생되는 열에 의해 상기 기판(110)이 휘게 되면, 상기 기판(110) 위에 형성된 상기 압전 소자(130) 또한 휘어질 수 있다.
즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 휘어진 정도에 따라 전압 신호를 발생하며, 상기 발생되는 전압 신호를 이용하여 응력을 측정할 수 있다.
이를 위해, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)로부터 이격된 위치, 즉, 상기 전력 소자(120)의 주변에 배치될 수 있다.
다시 말해, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)로부터 일정 거리만큼 떨어진 위치에 배치됨으로써, 상기 전력 소자(120)의 발열에 따라 상기 기판(110)에 발생되는 열응력을 간접적으로 측정할 수 있다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(130)를 통해 상기 전력 소자(120)로부터 발생되는 열 자체가 아닌 상기 열로 인해 상기 기판(110)에 발생되는 응력을 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존과 같이 상기 전력 소자(120)에 센서를 직접 부착하여 온도를 측정할 필요가 없이, 상기 압전 소자(130)를 상기 전력 소자(120)의 근처에 배치함으로써, 상기 전력 소자(120)로부터 상기 압전 소자(130)로의 열 전달을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 상기 전력 소자(120)의 온도를 보다 정확히 측정할 수 있다.
상기 온도 감지부(140)는 상기 전력 소자(120)의 발열로 인해, 상기 기판(110)에 열응력이 발생되는 경우, 상기 열응력에 의해 상기 적어도 하나의 압전 소자(130)로부터 발생되는 전압 신호의 전압 값에 기초하여, 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 소자(120)로부터 열이 발생되지 않는 경우에는 도 1 및 도 2와 같이 상기 기판(110)이 편평한 상태이지만, 상기 전력 소자(120)가 발열하는 경우에는, 상기 기판(110) 및 상기 압전 소자(130)가 도 3 및 도 4와 같이 휘어질 수 있고, 이에 따라, 상기 압전 소자(130)는 상기 전압 신호를 발생할 수 있다.
여기서, 상기 압전 소자(130)가 지닌 특성은 이미 널리 알려진 특성에 해당하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 상기 온도 감지부(140)는 복수의 전압 값이 노이즈를 포함하는 경우, 상기 노이즈의 저감을 고려하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 산출할 수 있다.
상기 노이즈의 저감을 고려한 상기 전력 소자(120)의 온도 산출에 대해서는 도 3 및 도 4의 실시예를 설명하면서 함께 언급하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치(300)는 기판(110), 전력 소자(120), 압전 소자(130), 및 온도 감지부(140)를 포함할 수 있다.
본 실시예를 설명하기에 앞서, 상기 기판(110) 및 상기 전력 소자(120)는 도 1 및 도 2의 기판(110) 및 전력 소자(120)와 동일 또는 유사한 구조 및 특성을 지니므로, 본 실시예에서는 이에 대한 설명을 생략하고, 상기 압전 소자(130) 및 상기 온도 감지부(140)에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
상기 압전 소자(130)는 상기 기판(110)의 일면 및 타면에 형성되되, 상기 기판(110)을 기준으로 서로 마주보는 형태로 배치될 수 있다. 즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 기판(110)을 사이에 두고 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 일면에 두 개의 전력 소자(120)가 설치된 경우, 상기 기판(110)의 일면 및 타면에는 각각 여섯 개의 압전 소자(130)가 설치될 수 있다.
이때, 상기 전력 소자(120)가 구동하면, 상기 전력 소자(120)의 발열로 인해 상기 기판(110)에는 열응력이 발생된다. 이에 따라, 상기 기판(110)의 일면에 형성된 여섯 개의 압전 소자(130)는 (+)극성을 지닌 전압 신호를 발생시키고, 상기 기판(110)의 타면에 형성된 여섯 개의 압전 소자(130)는 (-)극성을 지닌 전압 신호를 발생시킬 수 있다.
즉, 상기 압전 소자(130)는 상기 기판(110)의 열응력 발생 시, 서로 다른 극성을 가지는 전압 신호를 발생할 수 있다.
상기 온도 감지부(140)는 상기 서로 다른 극성의 전압 신호에 대한 전압 값의 차이에 기초하여, 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
이를 위해, 상기 온도 감지부(140)는 복수의 전압 값별로 각 온도가 매칭되어 저장되는 변환 테이블(미도시)을 포함하고, 상기 변환 테이블을 이용하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
즉, 상기 온도 감지부(140)는 상기 기판(110)을 사이에 두고 서로 대응되는 위치에 배치된 압전 소자(130)로부터 발생된 전압 신호의 전압 값 차이를 산출하고, 상기 산출된 전압 값 차이에 해당하는 값을 상기 변환 테이블에서 검색하여 그에 매칭되는 온도 값을 획득함으로써 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
한편, 상기 압전 소자(130)로부터 발생된 전압 신호에는 노이즈가 포함되어 있을 수 있다. 이러한 경우, 상기 온도 감지부(140)는 상기 전압 신호에 포함된 노이즈를 고려하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 산출할 수 있다.
구체적으로, 상기 기판(110)의 일면(위)에 형성된 압전 소자(130)에서 S1+N1(S1:전압 신호, N1:노이즈)만큼의 전압 값이 발생되고, 상기 기판(110)의 타면(아래)에 형성된 압전 소자(130)에서 -S1+N2(-S1:전압 신호, N2:노이즈)만큼의 전압 값이 발생된다고 가정한다.
이러한 경우, 상기 온도 감지부(140)는 상기 전압 값 S1+N1에서 상기 전압 값 -S1+N2를 차감함으로써, 상기 노이즈가 저감(또는 제거)된 전압 값 2S1+N1-N2을 산출할 수 있으며, 상기 산출된 전압 값 2S1+N1-N2을 상기 변환 테이블에서 검색하여 그에 매칭되는 온도 값을 획득함으로써 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 노이즈의 저감을 고려한 전력 소자의 온도 산출을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 참고로, 도 4는 도 3의 전력 소자 온도 계측 장치의 기판이 전력 소자의 발열로 인해 휘어져 열응력이 발생한 상태를 도시하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 일면에 두 개의 전력 소자(120)가 설치된 경우, 상기 두 개의 전력 소자(120) 사이를 제외하고, 상기 전력 소자(120) 각각으로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 총 여섯 개의 압전 소자(130)가 설치될 수 있는데, 이때 상기 여섯 개의 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)의 발열로 인해 상기 기판에 발생되는 열응력에 따라, 각각 전압 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 온도 감지부(140)는 상기 압전 소자(130)로부터 발생된 각각의 전압 신호에 대한 전압 값을 합산하고, 상기 합산된 전압 값에 기초하여, 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다. 이를 위해, 상기 온도 감지부(140)는 도 3의 설명에서와 같이 변환 테이블을 활용할 수 있다.
이때, 상기 전압 신호에는 노이즈가 포함될 수 있다. 따라서, 상기 온도 감지부(140)는 상기 전압 신호에 포함된 노이즈를 고려하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 감지할 수 있다.
예를 들면, 상기 노이즈가 포함된 전압 신호에 대한 전압 값으로 S1+N1(S1: 전압 신호, N1: 노이즈), S1+N2(S1: 전압 신호, N2: 노이즈)이 발생된다고 가정한다.
이러한 경우, 상기 온도 감지부(140)는 상기 전압 값 S1+N1 및 S1+N2의 차감에 의한 값 N1-N2을 반감시킨 후, 기존에 계측된 전압 값 S1+N1에서 빼주면 상기 노이즈의 일부가 저감된 값 (S1+N1)-(N1-N2)/2을 산출할 수 있다. 상기의 과정은 전압 값 S1+N2의 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 전력 소자(120)의 온도 감지 시, 상기 노이즈 값이 포함된 전압 값의 차이에 대한 노이즈를 반감시킨 후, 상기 노이즈 값이 포함된 전압 값에서 차감시킴으로써, 기존에 계측된 전압 값에서 상기 노이즈의 일부가 줄어 들 수 있다.
이를 통해, 상기 온도 감지부(140)는 상기 노이즈 값이 포함된 전압 값에서 반감된 노이즈의 차감을 통해, 기존에 계측된 전압 값에서 차지하는 상기 노이즈 값의 비중을 줄여 상기 전력 소자(120)의 온도를 보다 정확히 감지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(130)는 상기 전력 소자(120)가 구동하는 경우, 상기 전력 소자(120)로부터 이격된 주변에서 상기 기판(110)에서 발생되는 열응력에 의해 동작하여 상기 전압을 발생시키고, 상기 전압에 기초하여 상기 전력 소자(120)의 온도를 측정하기 위한 센서로서의 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(110) 상의 전력 소자(120)로부터 발생하는 열응력 및 온도를 상기 압전 소자(130)를 통해 간접적으로 계측할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존과 같이 전력 소자에 센서를 직접 부착하여 온도를 측정할 필요가 없이, 압전 소자를 전력 소자로부터 이격된 근처에 배치하여 전력 소자의 온도를 측정함으로써, 전력 소자로부터 압전 소자로의 열 전달을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 전력 소자의 온도를 보다 정확히 측정할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 소자가 기판 위에 집적 공정됨에 따라, 기판과의 일체화가 가능하고, 더 나아가 공정상의 복잡성과 비용 상승을 예방할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치에 있어서, 압전 소자의 액추에이터로서의 기능을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치(500)는 기판(510), 전력 소자(520), 압전 소자(530), 온도 감지부(540), 및 전원 공급부(550)를 포함할 수 있다.
상기 기판(510)은 직육면체의 플레이트(plate) 모양으로 형성될 수 있으며, 상기 기판(510)의 일면에는 상기 전력 소자(520) 및 상기 압전 소자(530)가 설치될 수 있다.
상기 기판(510)은 열전도율을 높이기에 적합한 소재, 예를 들면 Al2O3, AlN, SiN 중 하나가 사용되는 세라믹 소재로 구현될 수 있다. 여기서, 상기 Al2O3의 경우, 가격면에서 월등히 저렴하고, 가장 일반적으로 사용되고 있다.
참고로, 본 실시예에서는 가장 널리 사용되며 가격이 저렴한 Al2O3로 상기 기판(510)을 구현하는 것이 바람직하다.
상기 기판(510)은 절연체인 세라믹으로 구현될 수 있고, 상기 절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판으로 구현될 수 있다.
즉, 상기 기판(510)은 상기 세라믹으로 구현된 세라믹 절연체 상하로 상기 상부 금속층 및 상기 하부 금속층이 샌드위치 구조를 이루는 기판으로 구현될 수 있다. 참고로, 상기 상부 금속층 및 상기 하부 금속층은 구리, 알루미늄과 같은 열 전도성이 탁월한 소재로 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판(510)은 상기 전력 소자(520)에서 발생되는 열에 의해 구부러질 수 있다. 즉, 상기 기판(510)은 상기 전력 소자(520)가 동작함에 따라 열이 발생하게 되면, 상기 기판(510)의 상부 금속층과 상기 전력소자(520) 사이 혹은 상기 기판(510)의 상하부 금속층과 상기 절연체 사이 높은 열팽창계수 차이 때문에 휘어질 수 있다.
상기 전력 소자(520)는 상기 기판(510)의 상면에 적어도 하나가 형성된다. 이때, 상기 전력 소자(520)가 복수 개인 경우, 상기 복수 개의 전력 소자(520)는 상기 기판(510) 위에 서로 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
상기 전력 소자(520)는 상기 기판(510)이 상기 전력 기판으로 구현되는 경우, 상기 절연체의 상부 금속층 위에 형성될 수 있다. 이로 인해, 상기 전력 소자(520)에서 발생되는 열은 상기 상부 금속층으로 전달될 수 있고, 다시 상기 기판(510)으로 전달될 수 있다.
즉, 상기 전력 소자(520)는 그 구동에 따라 열을 발생하고, 상기 발생된 열은 상기 전력 소자(520) 및 상기 기판(510) 사이에서 상기 열을 전달하는 매개체로서의 역할을 하는 상기 상부 금속층을 통해 상기 기판(510)에 전달될 수 있다. 이때, 상기 전력소자(520)와 상기 기판(510)의 상부 금속층은 큰 열팽창계수 차이를 가지므로 열에 의해 늘어나는 정도가 다르고 따라서 큰 열응력이 발생할 수 있다.
상기 압전 소자(530)는 상기 전력 소자(520)로부터 이격된 위치의 상기 기판(510)상에 적어도 하나가 배치된다.
다시 말해, 상기 압전 소자(530)는 상기 전력 소자(520)로부터 사방으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 압전 소자(530)는 상기 전력 소자(520)의 발열에 따라 상기 기판(510)에 반대방향의 응력을 발생하여 열응력을 저감시키도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극(532)을 구비한다.
즉, 상기 압전 소자(530)는 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극(532)을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터로서 동작할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자(530)는 상기 전력 소자(520)의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판(510)에 발생되는 열응력을 측정하는 센서로서 동작할 수 있다.
즉, 상기 압전 소자(530)는 상기 기판(510)에 발생되는 열응력의 측정치에 대응하는 전압 값을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다.
이와 같이, 상기 압전 소자(530)는 상기 센서 또는 액추에이터 중 적어도 하나로서 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(530)는 상기 센서 및 상기 액추에이터로 활용되도록 동일한 압전 물질로 공정됨으로써, 쌍방향 냉각 구조와 같이 상하 높이가 같아야 하는 복잡한 3차원 전력모듈 구조 등에도 적용될 수 있다.
상기 압전 소자(530)가 상기 센서로서 동작하는 경우, 상기 온도 감지부(540)는 상기 열응력의 발생에 따라 상기 압전 소자(530)로부터 발생되는 전기 신호에 기초하여, 상기 전력 소자(520)의 온도를 감지할 수 있다.
이를 위해, 상기 온도 감지부(540)는 복수의 전압 값 별로 각 온도가 매칭되어 저장되는 변환 테이블(미도시)을 포함하고, 상기 변환 테이블을 이용하여 상기 전력 소자(520)의 온도를 감지할 수 있다.
즉, 상기 온도 감지부(540)는 상기 기판(510)을 사이에 두고 서로 대응되는 위치에 배치된 압전 소자(530)로부터 발생된 전압 신호의 전압 값 자체 혹은 전압 값의 차이를 산출하고, 상기 산출된 전압 값 차이에 해당하는 값을 상기 변환 테이블에서 검색하여 그에 매칭되는 온도 값을 획득함으로써 상기 전력 소자(520)의 온도를 감지할 수 있다.
반면에, 상기 압전 소자(530)가 상기 액추에이터로서 동작하는 경우, 상기 압전 소자(530)는 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극(532)을 통해 공급받아 상기 기판(510)에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 전극(532)은 상기 압전 소자(530)의 상면 및 하면에 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 압전 소자(530)의 상면에 형성되는 전극(532)을 상부 전극(532)으로 지칭하고, 그 하면에 형성되는 전극(532)을 하부 전극(532)으로 지칭한다.
여기서, 상기 하부 전극(532)은 별도의 전극으로 이루어질 수 있지만, 본 실시예에서는 상기 전력 기판(510)의 상부 금속층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 압전 소자(530)는 상기 상부 금속층이 상기 하부 전극(532)을 대신하여 외부로부터 상기 전기 신호를 공급받을 수 있다.
한편, 상기 전극(532)은 상기 압전 소자(530)의 길이 방향으로 양끝단에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 압전 소자(530)가 상기 전력 소자(520)로부터 사방으로 이격된 위치에 배치된 경우, 상기 전극(532)은 상기 압전 소자(530) 중 일 방향으로 대향 배치된 제1 압전 소자에는 상기 제1 압전 소자의 양 끝단에 배치되고, 상기 일 방향과 교차하는 타 방향으로 배치된 제2 압전 소자에는 상기 제2 압전 소자의 상면 및 하면에 상부 전극(532) 및 하부 전극(532)이 각각 배치될 수 있다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에서는, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 기판(510)의 상면에 상기 제1 압전 소자 및 상기 제2 압전 소자가 서로 교차 배치된 두 개의 세트가 형성되어 있다.
한편, 상기 전원 공급부(550)는 상기 전극(532)에 상기 전기 신호를 공급할 수 있다.
상기 전원 공급부(550)는 상기 기판(510)에 상기 열응력이 발생되는 경우, 상기 전극(532)에 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급할 수 있다.
이로 인해, 상기 기판(510)에는 상기 열응력의 발생으로 인해 휘어진 방향과 반대 방향으로 발생되는 응력이 가해진다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 기판(510)의 휘어진 부분이 원래 상태로(또는 그에 가깝게) 복원되어 상기 기판(510)에 발생된 열응력을 저감시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 열응력의 발생에 따라, 상기 기판(510)의 일부분이 늘어나는 변형이 일어난 경우, 상기 압전 소자(530)는 상기 변형이 일어난 부분에 대응하는 크기의 전압을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다. 이때, 상기 전원 공급부(550)는 상기 발생된 전기 신호와 동일한 전압의 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 압전 소자(530)에 공급함으로써, 상기 변형이 일어난 부분의 인장 응력을 압축 응력으로 변환하여 상기 기판(510)에 발생된 열응력을 상쇄시킬 수 있다.
이와 반대로, 상기 열응력의 발생에 따라, 상기 기판(510)의 일부분이 줄어드는 변형이 일어난 경우, 상기 압전 소자(530)는 상기 변형이 일어난 부분에 대응하는 크기의 전압을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다. 이때, 상기 전원 공급부(550)는 상기 발생된 전기 신호와 동일 전압의 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 압전 소자(530)에 공급함으로써, 상기 변형이 일어난 부분의 압축 응력을 인장 응력으로 변환하여 상기 기판(510)에 발생된 영응력을 상쇄시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 압전 소자(530)의 액추에이터로서의 기능에 대해 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기판(510)은 상기 전력 소자(520)의 열 발생으로 인해 휘어진 상태이다.
이에 따라, 상기 압전 소자(530) 또한 함께 휘어질 수 있고, 상기 휜 정도에 따라 전기 신호를 발생할 수 있다.
한편, 상기 전극(532)은 상기 압전 소자(530)의 양 끝단에 배치될 수 있으며, 또 달리 상기 압전 소자(530)의 상면 및 하면에 각각 배치될 수 있다. 이때, 상기 전극(532)은 폴링 공정의 일환으로서 상기 압전 소자(530)에 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 압전 소자(530)는 변형이 가해질 시 (+), (-) 분극이 일어나, 상기 전극(532) 각각을 통해 극성을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다.
이에 따라, 상기 전원 공급부(550)는 상기 압전 소자(530)에 의해 발생된 전기 신호와 반대 극성의 전기 신호를 공급하며, 상기 압전 소자(530)는 상기 공급된 전기 신호를 상기 전극(532)을 통해 공급받아 상기 기판(510)의 열응력을 저감(상쇄)시킬 수 있다.
예를 들어, 도 6과 같이 상기 전력 소자(520)의 발열에 따라, 상기 기판(510)의 양 끝단이 아래쪽 방향으로 늘어나는 변형이 일어나는 경우, 상기 압전 소자(530)는 상기 기판(510)과 함께 휘어지면서 인장 응력을 발생시킬 수 있다.
그러면, 상기 전원 공급부(550)는 상기 전극(532)에 상기 인장 응력이 발생할 때 생성된 전기 신호와 반대 극성의 전기 신호를 공급할 수 있다.
이를 통해, 상기 압전 소자(530)는 압축 응력을 발생시킴으로써, 상기 인장 응력으로 인한 상기 기판(510)의 변형을 상쇄시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(530)는 온도 센서뿐만 아니라 액추에이터의 동작을 통해, 상기 기판(510)에서 상기 열응력이 집중되는 부분의 응력을 감쇄시킴으로써, 상기 기판(510)의 열 변형을 저감시킬 수 있으며, 나아가 상기 기판(510)의 열 파손을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 공정도이다.
먼저 도 7 및 도 8을 참조하면, 단계(710)에서 기판(510)을 제공한다.
여기서, 상기 기판(510)은 그 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 구비함으로써, 상기 전력 소자(520)로부터 발생되는 열을 효과적으로 전도 받을 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 9를 참조하면, 단계(720)에서 상기 기판(510)의 상면에 적어도 하나의 전력 소자(520)를 형성한다.
본 실시예에서는 도 9와 같이 상기 전력 소자(520)가 상기 기판(510)의 상면에 복수 개 형성된 것으로 한정하여 설명한다.
다음으로, 도 7 및 도 10을 참조하면, 단계(730)에서 상기 전력 소자(520)로부터 이격된 위치의 기판(510) 상에, 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극(532)을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자(530)를 형성한다.
여기서, 상기 압전 소자(530)는 상기 전극(532)을 통해 상기 전기 신호를 공급받음으로써 상기 전력 소자(520)의 발열에 따라 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
이때, 상기 압전 소자(530)는 상기 기판(510)에 발생되는 열응력을 측정하여 그에 상응하는 전기 신호를 발생하는 센서로서 동작할 수 있으며, 또 달리 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극(532)을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터로서 동작할 수 있다.
상기 압전 소자(530)는 상기 전극(532)을 통해 상기 센서로서 동작 시 발생된 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극(532)을 통해 공급받는 경우에 상기 액추에이터로서 동작할 수 있다.
이를 위해, 상기 전극(532)은 도 11에 도시된 바와 같이 상기 압전 소자(530)의 양 끝단에 폴링 공정을 통해 형성될 수 있으며, 또 달리 도 12에 도시된 바와 같이 상기 압전 소자(530)의 상면 및 하면에 상기 폴링 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 폴링 공정을 통해 상기 전극(532)을 형성하게 되면, 상기 압전 소자(530)에는 분극 현상이 발생하게 되며, 이에 따라 상기 압전 소자(530)는 상기 센서로 동작 시 각 전극(532)을 통해 극성을 가지는 전기 신호를 발생할 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 압전 소자(530)의 센서로 동작 시에 발생된 전기 신호를 이용하여 상기 전력 소자(520)의 온도를 계측할 수 있다.
아울러, 상기 압전 소자(530)는 상기 액추에이터로 동작 시, 상기 각 전극(532)을 통해 상기 센서로 동작 시에 발생된 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급받아 상기 기판(510)의 열응력을 저감시킬 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(510)의 열 변형을 저감시켜 상기 기판(510)의 열 파손을 방지할 수 있다.
한편, 상기 압전 소자(530)가 도 12와 같은 구조로 형성되는 경우, 그 하면에 형성된 하부 전극(532)은 상기 기판(510)의 상부 금속층으로 대체될 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압전 소자(530)의 하부 전극(532)을 별도로 형성할 필요가 없어 공정 과정이 간편해지고 공정 비용 및 시간 또한 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(510) 위에 센서 및 액추에이터의로서의 동작이 모두 실행 가능한 상기 압전 소자(530)를 집적 공정함으로써, 최소한의 설계변화만으로도 상기 전력 소자(520)의 온도를 계측할 수 있을 뿐만 아니라 상기 기판(510)에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (22)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및
    상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 적어도 하나의 압전 소자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 압전 소자는
    상기 적어도 하나의 전력 소자로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 압전 소자는
    상기 전력 소자가 복수 개인 경우, 상기 전력 소자 사이에 적어도 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 압전 소자는
    상기 전력 소자가 복수 개인 경우, 상기 전력 소자 사이를 제외하고, 상기 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 압전 소자 중 상기 전력 소자의 배치 방향과 교차하는 위치에 배치된 압전 소자는
    상기 전력 소자 각각의 길이 및 상기 전력 소자 간 이격 거리에 기초하여 설정되는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 기판의 일면 및 타면에 형성되되, 상기 기판을 기준으로 서로 마주보는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열응력에 의해 상기 적어도 하나의 압전 소자로부터 발생되는 전압 신호의 전압 값에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 온도 감지부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도 감지부는
    상기 전압 신호에 포함된 노이즈를 고려하여 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 온도 감지부는
    상기 전압 신호가 서로 다른 극성을 가지는 경우, 상기 서로 다른 극성의 전압 신호에 대한 전압 값의 차이에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 온도 감지부는
    상기 압전 소자가 상기 전력 소자 사이를 제외하고 상기 전력 소자로부터 상하좌우 방향으로 이격된 위치에 하나씩 배치된 경우, 상하 방향 또는 좌우 방향 중 적어도 하나의 방향으로 이격된 위치에 배치된 압전 소자로부터 발생된 전압 신호에 대한 전압 값의 합산에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자 온도 계측 장치.
  11. 기판;
    상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 전력 소자; 및
    상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에 배치되고, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 전력 소자의 발열에 따른 온도 감지를 위해 상기 기판에 발생되는 열응력을 측정하는 센서, 또는 상기 열응력 저감을 위해 상기 전극을 통해 상기 전기 신호를 공급받는 액추에이터 중 적어도 하나로서 동작하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 상기 전극을 통해 공급받아 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시키는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전극은
    상기 압전 소자의 상면에 형성되는 상부 전극; 및
    상기 압전 소자의 하면에 형성되는 하부 전극
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기판은
    절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판이고,
    상기 하부 전극은
    상기 전력 기판의 상부 금속층인 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 전극은
    상기 압전 소자의 길이 방향으로 양끝단에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 압전 소자가 상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치된 경우,
    상기 전극은
    상기 압전 소자 중 일 방향으로 대향 배치된 제1 압전 소자에는 상기 제1 압전 소자의 양 끝단에 배치되고, 상기 일 방향과 교차하는 타 방향으로 배치된 제2 압전 소자에는 상기 제2 압전 소자의 상면 및 하면에 상부 전극 및 하부 전극이 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 전극에 상기 전기 신호를 공급하는 전원 공급부
    를 더 포함하고,
    상기 전원 공급부는
    상기 기판에 상기 열응력이 발생되는 경우, 상기 전극에 상기 열응력의 발생에 따라 생성되는 전기 신호와 반대 극성을 가지는 전기 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    상기 전력 소자로부터 사방으로 이격된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 열응력의 발생에 따라 상기 압전 소자로부터 발생되는 전기 신호에 기초하여, 상기 전력 소자의 온도를 감지하는 온도 감지부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치.
  21. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 상면에 적어도 하나의 전력 소자를 형성하는 단계; 및
    상기 전력 소자로부터 이격된 위치의 상기 기판상에, 상기 전력 소자의 발열에 따라 상기 기판에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있도록 외부로부터 전기 신호를 공급받는 전극을 구비하는 적어도 하나의 압전 소자를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 압전 소자를 형성하는 단계는
    폴링 공정을 이용하여 상기 압전 소자의 상면 및 하면에 각각 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 기판을 제공하는 단계는
    절연체의 상면 및 하면에 상부 금속층 및 하부 금속층을 각각 구비하는 전력 기판을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 하부 전극은
    상기 전력 기판의 상부 금속층인 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 전력 소자의 열응력 저감 장치의 제조 방법.
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