KR20200117890A - 전자 회로 유닛 - Google Patents

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KR20200117890A
KR20200117890A KR1020200040069A KR20200040069A KR20200117890A KR 20200117890 A KR20200117890 A KR 20200117890A KR 1020200040069 A KR1020200040069 A KR 1020200040069A KR 20200040069 A KR20200040069 A KR 20200040069A KR 20200117890 A KR20200117890 A KR 20200117890A
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ims
ims substrate
substrate
heat sink
electrical assembly
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KR1020200040069A
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안드레아스 마이어
볼프람 킨레
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 상부면(11)을 갖는 히트 싱크(10); 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21) 및 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)으로부터 먼 쪽을 향하는, 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)을 갖는 제1 IMS 기판(20); 그리고 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31) 및 제2 IMS 기판(30)의 제2 면(32)을 갖는 하나 이상의 제2 IMS 기판(30);을 포함하는, 고전류를 안내하기 위한 전력 전자 유닛(power electronics unit)용 전기 어셈블리(1)에 관한 것으로, 상기 제1 IMS 기판(20) 및 제2 IMS 기판(30)은 히트 싱크(10) 상에 적층되고, 이 경우 제1 IMS 기판(20)은 히트 싱크(10)와 제2 IMS 기판(30) 사이에 배치되며, 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)은 히트 싱크(10)의 상부면(11)을 향하고, 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)은 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)을 향한다.

Description

전자 회로 유닛{ELECTRONIC CIRCUIT UNIT}
본 발명은, 독립 청구항 1의 전제부의 특징들을 갖는, 전력 전자 장치용 전기 어셈블리 및 상기 전기 어셈블리의 용도에 관한 것이다.
전력 전자 장치, 예를 들어 전기 차량 또는 하이브리드 차량에서는, 높은 전류를 안내하는 전기 및/또는 전자 부품들이 서로 연결되어 있다. 높은 전류로 인해, 전기 및/또는 전자 부품들을 서로 연결하는 전류 안내 요소는 상응하게 적은 전기 저항을 가져야 하고, 이로 인해 횡단면이 커야 한다. 스위칭 과정의 반복적인 발생에 의해, 전류 변화로 인한 주파수 의존적인 높은 전력 손실이 발생한다. 평탄한 병렬 전류 안내에 의해, 그리고 반대 전류 방향에서 야기되는 전류 위치들 간의 자기 상호 작용에 의해, 스위칭 과정들의 결과로서 나타나는 인덕턴스의 현저한 감소 및 이로써 전력 손실이 현저히 감소하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이와 같은 구성들에서는, 전류가 버스 바(bus bar)라고도 불리는 도체 레일을 통해 안내된다. 이 경우, 예를 들어 전류 방향이 서로 반대인 2개의 도체 레일, 즉, 공급 도체(supply conductor) 및 귀로용 도체(return conductor)가 바로 위·아래에서 약간 이격되어 서로 평행하게 안내된다.
구성 요소의 전기 연결을 위해서는 일반적으로, 예컨대 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료로 이루어진 도체 레일, 소위 버스 바가 사용된다. 이 경우, 도체 레일을 단락으로부터 전기적으로 보호하고, 다른 부재들과 전기 기계적으로 연결하는 것이 필수적이다. E-모빌리티(Electric Mobility)와 같은 고전류 용례를 위한 제어 장치에서는 요구 사항이 지속적으로 증가하고 있다. 따라서, 근래에는 1000암페어 및 1200볼트 이하의 전류 요건이 이미 대세이다. 이 경우, 도체 레일은 매우 높은 열 부하에 노출되고, 전체 수명에 걸쳐 신뢰성 있게 기능해야 한다.
본 발명에 따라, 고전류를 안내하기 위한 전력 전자 유닛용 전기 어셈블리 및 이와 같은 전기 어셈블리의 용도가 제안된다. 전기 어셈블리는, 상부면을 갖는 히트 싱크; 제1 IMS 기판의 제1 면 및 제1 IMS 기판의 제1 면으로부터 먼 쪽을 향하는, 제1 IMS 기판의 제2 면을 갖는 제1 IMS 기판; 그리고 제2 IMS 기판의 제1 면 및 제2 IMS 기판의 제2 면을 갖는 하나 이상의 제2 IMS 기판;을 포함한다. 본 발명에 따르면, 제1 IMS 기판 및 제2 IMS 기판은 히트 싱크 상에 적층되고, 이 경우 제1 IMS 기판은 히트 싱크와 제2 IMS 기판 사이에 배치되며, 제1 IMS 기판의 제1 면은 히트 싱크의 상부면을 향하고, 제2 IMS 기판의 제1 면은 제1 IMS 기판의 제2 면을 향한다.
종래 기술에 비해, 본원 전기 어셈블리는, 고전류 영역을 위한 설치 공간이 작은 경우에 전기 어셈블리 내의 IMS 기판을 통해 전류 도체에 높은 전도성 및 히트 싱크로의 우수한 열방출 능력이 제공된다는 장점이 있다. 이 경우, IMS 기판의 금속 베이스 플레이트가 전류 안내 부재로서, 예를 들어 버스 바로서 이용된다. IMS 기판의 도체 층은, IMS 기판을 그 아래에 놓여 있는 IMS 기판 및/또는 히트 싱크와 연결하기 위해 이용된다. IMS 기판의 절연층은, IMS 기판의 각각 관련된 도체 층으로부터 개별 금속 베이스 플레이트를 분리한다. 따라서, IMS 기판들로 이루어진 스택 내에서는, 상이한 레벨들에서 높은 전류가 IMS 기판의 금속 베이스 플레이트를 통해 전도될 수 있으며, 이 경우 금속 베이스 플레이트들은 IMS 기판의 절연층에 의해 상호 전기적으로 절연된다. 따라서, 전류 안내 부재의 비용 및 치수를 가급적 낮게 유지하는 것이 가능하다. 그와 동시에 열은 전류 안내 부재로서 이용되는 IMS 기판의 금속 베이스 플레이트로부터 IMS 기판들의 스택을 거쳐 바람직하게 양호하게 히트 싱크로 방출될 수 있고, 이로써 전류 안내 부재가 바람직하게 양호하게 냉각될 수 있다. 전기 어셈블리가 특히 바람직한 이유는, 종래 기술에서 냉각을 위해 사용되는 IMS 기판의 금속 베이스 플레이트가 이제는 전류 안내 부재로서 이용되고, IMS 기판의 원래의 도체 층이 IMS 기판을 또 다른 IMS 기판 및/또는 히트 싱크와 연결하는 데 이용됨으로써, 전기 어셈블리 내에서는 IMS 기판이 이미 존재하는 확립된 부품으로서 새로운 방식으로 이용되기 때문이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들 및 개선예들은, 종속 청구항들에 명시된 특징들에 의해 가능해진다.
바람직한 일 실시예에 따라, 히트 싱크의 상부면이 제1 연결 층에 의해 제1 IMS 기판의 제1 면과 연결되고, 제1 IMS 기판의 제2 면이 제2 연결 층에 의해 제2 IMS 기판의 제1 면과 연결된다. 따라서, 제1 IMS 기판은 바람직하게 히트 싱크에 양호하게 열전도성으로 연결되며, 제2 IMS 기판은 바람직하게 제1 IMS 기판에 양호하게 열전도성으로 연결된다. 그리하여 열이 바람직하게 양호하게 제2 IMS 기판으로부터 제1 IMS 기판을 거쳐 히트 싱크로 방출될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 따라, 제1 연결 층이 땜납 층이고, 이 땜납 층에 의해 히트 싱크의 상부면이 제1 IMS 기판의 제1 면과 납땜된다. 따라서, 히트 싱크와 제1 IMS 기판 사이에서는 바람직하게는 양호한, 그리고 바람직하게 양호하게 열을 전도하는 연결이 형성된다.
바람직한 일 실시예에 따라, 제2 연결 층이 땜납 층이고, 이 땜납 층을 통해 제1 IMS 기판의 제2 면이 제2 IMS 기판의 제1 면과 납땜된다. 따라서, 제1 IMS 기판과 제2 IMS 기판 사이에 바람직하게는 양호한, 그리고 바람직하게는 양호하게 열을 전도하는 연결이 형성된다.
바람직한 일 실시예에 따라, 제1 IMS 기판의 제1 면이 제1 IMS 기판의 제1 도체 층으로서 형성되고, 제1 IMS 기판의 제2 면이 제1 IMS 기판의 제1 금속 베이스 플레이트로서 형성되며, 이 경우 제1 도체 층은 절연층에 의해 제1 금속 베이스 플레이트로부터 분리되고 전기적으로 절연된다.
바람직한 일 실시예에 따라, 제2 IMS 기판의 제1 면이 제2 IMS 기판의 제2 도체 층으로서 형성되고, 제2 IMS 기판의 제2 면이 제2 IMS 기판의 제2 금속 베이스 플레이트로서 형성되며, 이 경우 제2 도체 층은 제2 절연층에 의해 제2 금속 베이스 플레이트로부터 분리되고 전기적으로 절연된다. 이로써, 개별 IMS 기판 내의 다양한 금속 베이스 플레이트들이 절연층에 의해 상호 간에, 그리고 히트 싱크로부터 전기 전도성으로 절연된다. 따라서, IMS 기판들로 이루어진 스택 내에서 IMS 기판의 각각의 금속 베이스 플레이트가 고전류를 안내하기 위한 단일 전류 도체로서 이용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라, 전기 어셈블리가 전력 전자 유닛 내에서 고전류를 안내하기 위해 사용된다. 이 경우, IMS 기판의 금속 베이스 플레이트들이 전기 어셈블리의 전류 안내 부재로서 이용된다.
용도의 한 바람직한 실시예에 따라, 제1 IMS 기판 및 하나 이상의 제2 IMS 기판이 버스 바로서 이용된다. 버스 바란, 고전류를 전도하기 위해 예를 들어 직사각형 횡단면을 갖도록 제공된, 전기 전도성 재료로 이루어진 도체 레일을 의미한다. 이 경우, 특히 IMS 기판의 금속 베이스 플레이트가 버스 바로서 이용된다. 이 경우, 개별 IMS 기판의 금속 베이스 플레이트는 IMS 기판의 절연층에 의해 상호 전기 전도성으로 절연된다. 그러나 그와 동시에, 열은 버스 바로부터 바람직하게 양호하게 히트 싱크로 방출된다.
용도의 바람직한 일 실시예에 따라, 제1 IMS 기판의 제1 금속 베이스 플레이트가 제1 버스 바로서 이용되고, 제2 IMS 기판의 제2 금속 베이스 플레이트가 제2 버스 바로서 이용된다. 이로써, 버스 바들이 서로 위·아래로 적층되고, IMS 기판의 절연층에 의해 상호 간에, 그리고 히트 싱크로부터 전기적으로 절연된다. 그와 동시에, 버스 바가 열적으로 양호하게 히트 싱크에 연결됨에 따라, 열은 버스 바로부터 바람직하게 양호하게 히트 싱크로 방출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예가 도면부에 도시되고, 이하의 명세서에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 IMS 기판의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 제1 IMS 기판 및 제2 IMS 기판을 갖는 본 발명에 따른 전기 어셈블리의 일 실시예의 개략도이다.
도 1에는, IMS 기판(20, 30)의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. IMS 기판(절연된 금속 기판)은 각각 하나의 금속 베이스 플레이트(28, 38)로 이루어지며, 이들 금속 베이스 플레이트는 절연층(29, 39)으로서의 절연체로 이루어진 박층 및 도체 층(27, 37)으로 덮여 있다.
이 경우, 금속 베이스 플레이트(28, 38)는 열을 확산 및 방출하기 위해 제공되고, 예를 들어 알루미늄 또는 구리와 같은 금속으로 이루어진다. 절연층(29, 39)은, 금속 베이스 플레이트(28, 38)와 도체 층(27, 37) 사이에 배치되고, 금속 베이스 플레이트(28, 38)를 도체 층(27, 37)으로부터 분리한다. 이 경우, 절연층(29, 39)은, 예를 들어 에폭시를 기재로 하는 재료 또는 세라믹과 같은 전기 절연 재료로 이루어진다. IMS 기판(20, 30)의 도체 층(27, 37)은 전류 전도를 목적으로 제공된다. 도체 층(27, 37)은 예를 들어 구리로 형성될 수 있다. 도체 층(27, 37)은 예를 들어 금속 베이스 플레이트(28, 38)보다 작은 두께를 갖는다.
IMS 기판(20, 30)은 상이한 실시예들로 얻을 수 있다. 이 경우, 종래 기술에서는, 예를 들어 도체 트랙의 형태로 설계된 도체 층(27, 37) 상에 전기 및/또는 전자 부품이 제공되고, 전기 및/또는 전자 부품으로부터 IMS 기판(20, 30)을 거쳐 히트 싱크로 열을 방출하기 위해, IMS 기판(20, 30)의 금속 베이스 플레이트(28, 38)가 히트 싱크 상에 제공된다.
도 1에 도시된 바와 같이, IMS 기판(20, 30)의 제1 면(21, 31)은, 도체 층(27, 37)이 배치되어 있는 IMS 기판(20, 30)의 측을 지칭한다. IMS 기판(20, 30)의 제2 면(22, 32)은, 금속 베이스 플레이트(28, 38)가 배치되어 있는 IMS 기판(20, 30)의 측을 지칭한다.
도 2에는, 전기 어셈블리(1)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 2의 실시예에서 전기 어셈블리(1)는, 히트 싱크(10) 상에 적층되어 있는 2개의 IMS 기판(20, 30)을 포함한다. 그러나 더 많은 수의 IMS 기판(20, 30)이 히트 싱크(10) 상에 위·아래로 적층되어, 함께 하나의 전기 어셈블리(1)를 형성할 수도 있다.
히트 싱크(10)는, 예컨대 알루미늄 또는 구리와 같은 높은 열전도율을 갖는 재료로 이루어지고, 예를 들어 열방출을 위한 구조물 또는 냉각 채널을 갖도록 형성될 수도 있다.
전기 어셈블리(1) 내에서 IMS 기판(20, 30)은, 종래 기술에서와 같이 IMS 기판(20, 30)의 제2 면(22, 32)이 히트 싱크(10)의 방향을 향하도록 히트 싱크(10) 상에 배치되어 있지 않다. 전기 어셈블리(1) 내에서 IMS 기판(20, 30)이 뒤집혀 있음으로써, IMS 기판(20, 30)의 제1 면(21, 31)이 히트 싱크(10)를 향하고 있다.
이로써, 전기 어셈블리(1) 내에서, 제1 IMS 기판(20)의 제1 도체 층(27)은 제1 IMS 기판(20)을 히트 싱크(10)에 연결하기 위해 이용되고, 제2 IMS 기판(30)의 제2 도체 층(37)은 제2 IMS 기판(30)을 제1 IMS 기판(20)에 연결하기 위해 이용된다. 이를 위해, 제1 도체 층(27)을 가진 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)은 히트 싱크(10)의 상부면(11)을 향하고, 제1 연결 층(15)에 의해 상부면과 연결된다. 제1 연결 층(15)은, 예를 들어 제1 IMS 기판(20)의 제1 도체 층(27)을 히트 싱크(10)의 상부면(11)과 납땜하는 땜납 층일 수 있다.
또한, 제2 IMS 기판(30)의 제2 도체 층(37)을 갖는, 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)은 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)을 향한다. 이 경우, 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)은 제2 연결 층(25)에 의해 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)과 연결된다. 제2 연결 층(25)은 예를 들어, 제2 IMS 기판(30)의 제2 도체 층(37)을 제1 IMS 기판(20)의 제1 금속 베이스 플레이트(28)와 납땜하는 땜납 층일 수 있다.
전기 어셈블리(1) 내에서는, 원래 IMS 기판(20, 30) 내에서의 열 확산을 위해 제공되었던 금속 베이스 플레이트(28, 38)가 전기 도체로 기능이 전환되어, 예를 들어 고전류를 전도하기 위한 도체 레일로서, 소위 버스 바로서 사용될 수 있다. 이 경우, IMS 기판(20, 30)의 도체 층(27, 37)은 IMS 기판(20, 30)을 서로 그리고 히트 싱크(10)와 연결하기 위해 이용된다. IMS 기판(20, 30)의 절연층(29, 39)이 버스 바로서 사용된 금속 베이스 플레이트(28, 38)를 전기적으로 상호 절연시킴으로써, 각각의 금속 베이스 플레이트(28, 38)가 단일 버스 바를 형성한다.
또 다른 실시예들 및 도시된 실시예들의 혼합 형태도 물론 가능하다.

Claims (9)

  1. 상부면(11)을 갖는 히트 싱크(10); 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21) 및 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)으로부터 먼 쪽을 향하는, 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)을 갖는 제1 IMS 기판(20); 그리고 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31) 및 제2 IMS 기판(30)의 제2 면(32)을 갖는 하나 이상의 제2 IMS 기판(30);을 포함하는, 고전류를 안내하기 위한 전력 전자 유닛용 전기 어셈블리(1)에 있어서,
    제1 IMS 기판(20) 및 제2 IMS 기판(30)은 히트 싱크(10) 상에 적층되고, 제1 IMS 기판(20)은 히트 싱크(10)와 제2 IMS 기판(30) 사이에 배치되며, 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)은 히트 싱크(10)의 상부면(11)을 향하고, 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)은 제1 IMS 기판(22)의 제2 면(22)을 향하는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리(1).
  2. 제1항에 있어서, 히트 싱크(10)의 상부면(11)이 제1 연결 층(15)에 의해 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)과 연결되고, 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)이 제2 연결 층(25)에 의해 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 제1 연결 층(15)이 땜납 층이고, 이 땜납 층에 의해 히트 싱크(10)의 상부면(11)이 제1 IMS 기판의 제1 면(21)과 납땜되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제2 연결 층(25)이 땜납 층이고, 이 땜납 층을 통해 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)이 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)과 납땜되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 IMS 기판(20)의 제1 면(21)이 제1 IMS 기판(20)의 제1 도체 층(27)으로서 형성되고, 제1 IMS 기판(20)의 제2 면(22)이 제1 IMS 기판(20)의 제1 금속 베이스 플레이트(28)로서 형성되며, 제1 도체 층(27)은 제1 절연층(29)에 의해 제1 금속 베이스 플레이트(28)로부터 분리되고 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 IMS 기판(30)의 제1 면(31)이 제2 IMS 기판(30)의 제2 도체 층(37)으로서 형성되고, 제2 IMS 기판(30)의 제2 면(32)이 제2 IMS 기판(30)의 제2 금속 베이스 플레이트(38)로서 형성되며, 제2 도체 층(37)은 제2 절연층(39)에 의해 제2 금속 베이스 플레이트(38)로부터 분리되고 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리.
  7. 전력 전자 유닛 내에서 고전류를 안내하기 위해 사용되는, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 전기 어셈블리(1)의 용도.
  8. 제7항에 있어서, 제1 IMS 기판(20) 및 하나 이상의 제2 IMS 기판(30)이 버스 바로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리의 용도.
  9. 제8항에 있어서, 제1 IMS 기판(20)의 제1 금속 베이스 플레이트(28)가 제1 버스 바로서 이용되고, 제2 IMS 기판(30)의 제2 금속 베이스 플레이트(38)가 제2 버스 바로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 전기 어셈블리의 용도.
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