KR20100011946A - 전력반도체 모듈 및 접속장치를 구비하는 장치 - Google Patents

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크네벨 마르쿠스
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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

전력반도체 모듈과 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치로서, 전력반도체 모듈은 하우징, 제1의 접촉요소 및 결합되는 제1의 대향 베어링을 구비한다. 이 경우, 상기 제1의 접촉요소는 적어도 하나의 도전성 진성 구조의 층의 교호 순차 적층으로부터 형성되고, 도체 트랙 및 적어도 하나의 전기 절연층을 형성하며, 상기 제1의 접촉요소는 부싱으로부터 연장하는 적어도 하나의 제1의 접촉부분을 구비하고, 이 제1의 접촉부분은 하우징의 외면 상에 배치되어, 하우징 내에서 상기 접속장치와 접촉된다.
상기 접속장치는 유전체 성형체, 적어도 하나의 제2의 접촉요소 및 제2의 대향 베어링을 구비하고, 상기 유전체 성형체와 결합되는 적어도 하나의 제2의 접촉요소는 제1의 접촉요소의 제1의 접촉부분과 접촉되는 제2의 접촉부분 및 외부 인쇄회로기판과 접촉되는 제3의 접촉부분을 구비한다. 더욱, 적어도 하나의 접촉부분은 이것과 결합되는 대향 베어링에 대해 탄성을 가지도록 설계된다.
전력반도체 모듈(power semiconductor module), 접속장치(connection device)

Description

전력반도체 모듈 및 접속장치를 구비하는 장치{Arrangement having a power semiconductor module and having a connection device}
본 발명은 전력반도체 부품의 부하접속 및 제어접속의 전기접속을 위한 접촉요소를 구비하는 콤팩트 전력반도체 모듈과 상기 접촉요소를 외부 인쇄회로기판에 접속하기 위한 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치에 관한 것이다. 이 경우, 이하의 문장에서, 부하접속은 전력반도체 모듈의 접촉장치와 외부의 라인요소(line element) 사이의 접속을 의미하는 것으로서 이해되어야 하고, 이것은, 예를 들면, 하프-브릿지 회로, 중간 회로의 직류 입력 및 교류 출력에서의 부하접속을 의미한다.
이하의 문장에서, 전력반도체 모듈과 외부 제어 접속요소 사이의 보조접속 또는 제어접속의 접속은 제어접속과 유사한 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이 용어는 전력반도체 모듈의 센서 접속을 포함한다.
본 발명은 예를 들면 독일특허 공개 DE 10 2004 025 609 A1 또는 DE 103 55 925 A1으로부터 공지되는 전력반도체 모듈에 기초한다.
첫 번째에 언급된 공보는 나사 압력에 의해 접촉이 이루어지는 전력반도체 모듈을 개시하고 있다. 이 경우 상기 전력반도체 모듈의 인쇄회로기판에 대한 부하접속은 종래기술에 따른 나사연결체에 의해 달성된다. 상기 보조접속 및 제어접속의 제어접속체는 이 경우 스프링 접촉요소와 인쇄회로기판 상의 도체 트랙 사이의 접속체 형태이다. 본 발명에 따라, 압력은 상기 장치 및 부하 연결요소를 구비하는 인쇄회로기판의 나사 연결체에 의해 제어접속부에 도입된다. 전술한 형식의 전력반도체 모듈의 구성은 10 암페어를 초과하는 전류 부하에 특히 적합하다.
독일특허 공보 DE 103 55 925 A1는 제1 및 제2의 도체막 및 이들 중간의 절연층으로 된 막 조립체(film assembly)를 포함하는 전력반도체 부품을 위한 접촉요소를 개시하고 있다. 상기 전력반도체 부품은 초음파 용접에 의해 제1의 도체층에 영구적으로 안전하게 전기 접속된다. 전술한 공보에는 부하접속 및 제어접속을 포함하는 전력반도체 부품의 모듈-내부회로 접속이 개시되어 있다. 그러나, 전술한 공보는 외부접속을 위한 부하접속 또는 제어접속을 전혀 개시하고 있지 않다.
독일특허 공보 DE 10 2006 078 013 A1는 하우징, 기판 및 DE 103 55 925 A1에 공지된 막 조립체로서의 접촉요소를 구비하는 전력반도체 모듈을 개시하고 있다. 상기 막 조립체는, 외부 인쇄회로기판에 대한 부하접속 및 제어접속을 확보하기 위해, 개별적으로 획정된 부분 내에서 하우징 내의 안내부분을 통해 하우징의 외면까지 연장된다. 이 경우의 하나의 결점은 종래기술에 따른 부하접속 및 제어접속의 접촉부는 기계적 응력부하 팽창 또는 열팽창에 관련된 공차를 전혀 허용하고 있지 않는다는 것이다.
본 발명은 교호 순차 적층의 형태의 접촉요소를 구비하는 전력반도체 모듈과 외부 인쇄회로기판에 대한 전기 전도성 접속을 위한 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치를 제공하는 목적에 기초하는 것으로서, 이 장치는 생산이 간단하고, 임의의 시간에 탈락시킬 수 있는 신뢰성 있는 전력반도체 모듈과 외부 인쇄회로기판 사이의 부하접속 및 제어접속의 접속체를 구비하고, 이 접속체는 기계적 응력 부하 팽창 및/또는 열팽창에 대한 공차를 가진다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1의 특징부의 내용에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명적 아이디어는 전력반도체 모듈 및 외부 인쇄회로기판에 대한 접속을 위한 접속장치를 구비하는 장치에 기초한다.
상기 전력반도체 모듈은 이 경우 하우징, 도체 트랙을 구비하는 적어도 하나의 기판, 및 이들 도체 트랙의 회로에 따라 배치되는 전력반도체 부품을 구비한다. 또한, 상기 전력반도체 모듈은 적어도 하나의 제1의 접촉요소를 구비하고, 이 제1의 접촉요소는 적어도 하나의 제1의 도체층 및 적어도 하나의 절연층의 교호 순차 적층(alternating layer sequence)을 포함한다. 상기 적어도 하나의 도체층은 진성 구조(intrinsically structured)이고, 회로에 따라 전력반도체 부품의 부하 접속면 및 제어 접속면과 접촉되는 제2의 도체 트랙을 형성한다.
상기 접촉요소는 하우징 내에 배치되는 제1의 안내부분에 의해 전력반도체 모듈의 내부로부터 하우징의 외면까지 안내되고, 하우징의 부싱(bushing)으로부터 노출되어 하우징의 외면 상에서 제1의 접촉부분을 형성한다. 더욱, 상기 접촉요소는 접촉요소의 제1의 접촉부분 상에서 압력접촉이 이루어질 때 발생하는 접촉력을 위한 관련된 제1의 대향 베어링을 그 제1의 접촉부분 상에 구비한다. 이 대향 베어링은 하우징 재료로부터 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 접속장치는 유전체 성형체 및 적어도 하나의 도전성 접촉요소를 구비하고, 이것과 결합되는 제2의 대향 베어링을 구비한다. 제2의 접촉요소의 제2 및 제3의 접촉부분은 유전체 성형체 내에 배치되는 제2의 안내부분을 통해 유전체 성형체의 제1의 주면으로부터 유전체 성형체의 제2의 주면으로 안내되어, 이 위치에서 회로에 따라 외부 인쇄회로기판에 대한 접속부를 형성한다. 이 경우, 제2의 접촉부분은 제2의 접촉요소가 상기 유전체 성형체 내의 부싱 내에 진입할 때까지 상기 전력반도체 모듈에 대면하는 부분으로서 획정된다. 상기 제3의 접촉부분은 제2의 접촉요소가 유전체 성형체의 부싱으로부터 노출되는 위치에서 외부 인쇄회로기판에 대면하는 부분으로서 획정된다.
제2의 접촉요소의 제3의 접촉부분을 회로에 따라 외부 인쇄회로기판에 접속하는 것은 플러그-스루(plug-through) 납땜 장착법을 이용하여 종래기술에 따라 행해지는 것이 바람직하지만, 어떤 제한도 없이 표면 납땜 장착법에 의해 행해질 수 있다.
상기 장치의 압력접촉은 하우징과 접속장치 사이에서 나사, 리벳 또는 스냅- 작용 래칭 연결체(snap-action latching connection)에 의해 행해지는 것이 바람직하다. 더욱, 예로서, 외부 인쇄회로기판은 나사 또는 스냅-작용 래칭 연결체에 의해 접속장치에 추가로 연결될 수 있다. 이것에 의해 전력반도체 모듈과 접속장치 사이에 외부 인쇄회로기판과의 접촉을 행하기 위한 포스-피팅(force-fitting)의 신뢰성 있고 가역적인 전기접속이 얻어진다.
예로서, 본 발명에 따라, 제1의 접촉요소는 제1의 접촉부분이 탄성을 가지도록 설계된다. 선택적으로 또는 추가적으로 제2의 접촉요소는 그 제2의 접촉부분이 탄성을 가지도록 설계되는 것이 유리하다. 이 경우, 압력접촉 및 작용의 결과 발생하는 기계적 응력 및 열 부하로부터 상기 접촉요소를 보호하기 위해 각 접촉부분과 이것에 각각 결합되는 대향 베어링의 사이에 탄성 완충요소를 배치하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 의해 교호 순차 적층의 형태의 접촉요소를 구비하는 전력반도체 모듈과 외부 인쇄회로기판에 대한 전기 전도성 접속을 위한 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치를 제공할 수 있다. 이 장치는 생산이 간단하고, 임의의 시간에 탈락시킬 수 있는 신뢰성 있는 전력반도체 모듈과 외부 인쇄회로기판 사이의 부하접속 및 제어접속의 접속체를 구비하고, 이 접속체는 기계적 응력 부하 팽창 및/또는 열팽창에 대한 공차를 가진다.
이하, 도 1 내지 도 4의 예시적 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상 세히 설명한다.
도 1은 전력반도체 모듈(1), 접속장치(2) 및 외부 인쇄회로기판(7)을 구비하는 종래기술에 따른 장치의 일 실시예를 보여준다. 본 설계를 설명하기 위해 히이트 싱크(18)도 도시되어 있다.
상기 전력반도체 모듈은 전기 절연성 기판(10)을 둘러싸는 하우징(3)을 포함한다. 이것은 베이스체(base body), 바람직하게는 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄과 같은 절연성 세라믹을 구비한다. 상기 기판(10)은 전력반도체 모듈의 내부에 대면하는 제1의 주면(main surface) 상에 진성 구조(intrinsically structured)의 도체 트랙(12)을 구성한다. 전력반도체 부품(14)은 기판의 도체 트랙(12) 상에 배열되고, 회로에 따라 교호 순차 적층(alternating layer sequence)에 의해 형성된 제1의 접촉요소(6)에 의해 접속된다. 이 교호 순차 적층은 도 1에서 확대한 상세부에 도시된 바와 같이, 각각 진성 구조이며, 도체 트랙을 형성하는 제1의 도체층(60) 및 제2의 도체층(64)으로 형성되고, 이들 층 사이에 절연층(62)이 개재된다. 이 경우, 제1의 도체층(60)은 점용접부(602,　606)에 의해 회로(14)에 따라 전력반도체 부품과 접촉된다. 더욱, 이 접촉요소는 하우징(3) 내의 안내부분(34)을 관통하여 하우징의 외면(36)에 도달하고, 이 부위에 외부 인쇄회로기판(7)과의 부하접촉 및 제어접촉(72)을 위해 설계된 접촉부분(660, 662)을 구비한다. 상기 접촉부는 납땜(soldered joint)에 의해 형성된다.
도 2는 전력반도체 모듈을 가지는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 상세한 횡단면도로서, 도 1과 물리적으로 동일한 요소는 그 설명이 생략되었다.
도 2는 전술한 접촉요소(6)를 구비하는 전력반도체 모듈(1)의 좌측부를 횡단면의 형태로 보여준다. 상기 접촉요소(6)는 하우징(3)의 제1의 안내부분(34)을 관통하여 하우징의 내부로부터 하우징의 외면(36)까지 연장되고, 이 외면(36) 상에서 만곡된 접촉부분(66)을 형성하므로 탄성을 가지게 된다. 더욱, 제1의 접촉부분은 하우징 상에 관련되는 대향 베어링을 가진다. 이 관련되는 베어링은 하우징의 일부분으로부터 일체로 형성된다. 또한, 탄성 완충요소(4)가 대향 배어링 및 제1의 접촉부분의 사이에 배치되고, 이것은 제1의 접촉요소 상에 가해지는 압력접촉을 위한 탄성력을 유지하기 위해 사용된다.
또한, 도 2는 유전체 성형체(22) 및 제2의 접촉요소(24)를 가지는 접속장치(2)를 도시한다. 여기서, 제2의 접촉요소(24)는 리본 형태로서 상기 유전체의 제1의 주면(main surface; 220)에 평행하고, 전력반도체 모듈(1)의 접촉요소(6)와의 접촉을 위해 제2의 접촉부분(240)을 형성한다. 더욱, 상기 제2의 접촉요소는 유전체 내의 제2의 안내부분(224)을 관통하여 제2의 주면(222)에 도달하고, 이곳에서 외부 인쇄회로기판(7)과의 접촉을 위한 제3의 접촉부분(242)을 형성한다.
접속장치(2)를 전력반도체 모듈(1)에 포스피팅(force-fitting) 연결하기 위한 압력은 나사연결 수단에 의해 가해진다. 이 경우, 전력반도체 모듈의 하우징(3)은 나사연결체(8)를 파지하기 위해 하우징의 외면(36)과 정렬되는 일체로 형성된 제1의 자유 재료부분(free material section; 38)을 구비한다. 접속장치(2)는 마찬가지로 접속장치의 제1의 주면(220)과 정렬되는 일체로 형성된 제2의 자유 재료부분(26)을 구비한다. 이 제2의 자유 재료부분(26)은 대응하는 제1의 재료부 분(38)과 결합된다. 상기 2개의 재료부분은 나사연결체를 유지하기 위해 사용되는 상호 정렬된 컷아웃(cutout; 80)을 구비한다. 또한, 외부 인쇄회로기판(7) 내의 대응하는 관련되는 컷아웃(70)은 본 발명에 따른 장치 상에 상기 인쇄회로기판을 장착하기 위해 사용된다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 추가 실시예의 횡단면도의 형태의 상세도로서, 물리적으로 동일한 요소들은 설명이 생략되었다. 이 경우 하우징(3)의 외면(36)은 동시에 제1의 접촉부분(66a)과 결합되는 대향 베어링(30)을 형성하고, 완충요소는 구비하지 않는다. 이 경우 상기 접속장치의 제2의 접촉요소(24a)는 리본의 형태이고, 그 제2의 접촉부분이 탄성을 가지도록 만곡형으로 되어 있다. 상기 리본형 접촉요소의 제2의 접촉부분(240a)의 단부편(244)은 관련되는 제2의 대향 베어링(20a) 상에 안착되는 한편 제2의 접촉부분의 볼록한 만곡부는 압력이 가해졌을 때 탄성효과를 발휘한다.
전력반도체 모듈에 대한 포스피팅 연결을 위한 압력은 스냅 작용 래칭 연결체(snap-action latching connection)에 의해 가해진다. 이 경우, 접속장치는 래칭장치(280)를 형성하는 이동하는 자유 물질부분(28)을 구비한다. 또한, 상기 전력반도체 모듈의 하우징(3)은 대향하는 래칭 베어링(320)으로 사용되는 자유로운 강성재료부분(32)을 구비한다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 추가 실시예의 상세도이다. 이 경우, 접속장치의 제2의 접촉요소(24b)는 와이어와 유사한 것으로서, 그 제2의 접촉부분(240b)이 후크(hook) 형태이고, 제2의 접촉부분은 반대방향으로 이중 굴곡부를 구비하고, 이 경우 이것과 결합되는 제2의 대향 베어링(20b)은 대면하는 상기 굴곡부를 지지해 준다.
도 5는 제2의 접촉요소(24c)의 추가 실시예의 상세도로서, 이 경우 이것은 와이어의 형태이고, 나선 스프링과 같은 적합한 선회부를 구비하고, 제2의 접촉부분(240c)은 이것과 결합되는 대향 베어링(20c)에 의해 제1의 선회부가 지지된다.
도 1은 종래기술에 따른 장치의 횡단면도 및 일부 영역의 부분확대 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제1의 실시예의 상세한 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2의 실시예의 상세한 횡단면도이다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명에 따른 장치의 탄성 접촉요소를 가지는 추가 실시예의 상세한 횡단면도이다.

Claims (5)

  1. 전력반도체 모듈(1)과 접속장치(2)의 압력접촉을 형성하는 장치로서,
    전력반도체 모듈은 하우징(3), 제1의 접촉요소(6) 및 제1의 대향 베어링(30)을 구비하고,
    상기 제1의 접촉요소(6)는 적어도 하나의 도전성 진성 구조의 층(intrinsically structured layer; 60, 64)의 교호 순차 적층으로부터 형성되고, 도체 트랙 및 적어도 하나의 전기 절연층(62)을 형성하며, 부싱(34)으로부터 연장하는 적어도 하나의 제1의 접촉부분(66)을 구비하고, 이 제1의 접촉부분(66)은 하우징의 외면(36) 상에 배치되어, 하우징 내에서 상기 접속장치(2)와 접촉되며,
    상기 접속장치(2)는 유전체 성형체(22), 적어도 하나의 제2의 접촉요소(24) 및 제2의 대향 베어링(20)을 구비하고,
    상기 유전체 성형체(22)와 결합되는 적어도 하나의 제2의 접촉요소는 제1의 접촉요소의 제1의 접촉부분과 접촉되는 제2의 접촉부분(240) 및 외부 인쇄회로기판(7)과 접촉되는 제3의 접촉부분(242)을 구비하고, 적어도 하나의 접촉부분은 이것과 결합되는 대향 베어링에 대해 탄성을 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈과 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 탄성 완충요소(4)는 각 탄성 접촉요소(6, 24)의 접촉부 분(66, 240)과 대향 베어링(30, 20)의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈과 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    탄성의 상기 제1 또는 제2의 접촉부분은 만곡형(66, 240a), 후크형(240b), 또는 나선형(240c)의 형태인 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈과 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접속장치(2)는 적어도 하나의 제1의 자유부분(26)을 구비하고, 상기 하우징(3)은 적어도 하나의 대응하여 결합되는 제1의 자유부분(38)을 구비하고, 양 자유부분(26, 38)은 나사연결체(8)가 관통하는 상호 정렬된 컷아웃(80)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈과 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접속장치(2)의 유전체 성형체(22)는 래칭장치(280)를 구비하는 제2의 자유 이동부분(28)을 구비하고, 상기 하우징(3)은 상기 래칭장치와 결합되는 대향 하는 래칭 베어링(320)을 구비하는 제2의 자유부분(32)을 구비하거나,
    상기 하우징(3)은 래칭장치(390)를 구비하는 제2의 자유 이동부분(39)을 구비하고, 상기 접속장치(2)의 유전체 성형체(22)는 래칭장치와 결합되는 대향하는 래칭 베어링(290)을 구비하는 제2의 자유부분(29)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈과 접속장치의 압력접촉을 형성하는 장치.
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