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KR20150037563A - 전력 반도체 장치 및 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

전력 반도체 장치 및 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20150037563A
KR20150037563A KR20140127678A KR20140127678A KR20150037563A KR 20150037563 A KR20150037563 A KR 20150037563A KR 20140127678 A KR20140127678 A KR 20140127678A KR 20140127678 A KR20140127678 A KR 20140127678A KR 20150037563 A KR20150037563 A KR 20150037563A
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KR
South Korea
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cooling plate
power semiconductor
heat sink
opening
semiconductor device
Prior art date
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KR20140127678A
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English (en)
Inventor
쿠라스 할트무트
Original Assignee
세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지 filed Critical 세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 전력 반도체 장치에 관한 것으로서, 전력 반도체 장치는 전력 반도체 모듈 및 히트 싱크를 포함하고, 전력 반도체 모듈은 냉각 플레이트를 구비하고, 히트 싱크는 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장된 히트 싱크의 측방 제1 표면에 의해 그 경계가 정해지는 개구를 구비하고, 냉각 플레이트는 개구 내에 배치되고, 냉각 플레이트 둘레에서 주변 방향으로 연장된 냉각 플레이트의 측방 제1 표면과 히트 싱크의 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 90°미만의 각각의 각도를 이루며, 냉각 플레이트의 제1 표면 및 히트 싱크의 제1 표면은 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 냉각 플레이트의 제1 표면을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크의 제1 표면을 따라 주변 방향으로 연장된다. 또한, 본 발명은 이와 관련하여 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전력 반도체 소자로부터 액체가 통과하여 흐를 수 있는 전력 반도체 장치의 히트 싱크로 향하여 작용하는 양호한 열 전도성을 가진 전력 반도체 장치를 제공하며, 이 경우에 히트 싱크는 신뢰성 있게 장기간에 걸쳐 누설 밀봉을 한다.

Description

전력 반도체 장치 및 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법{POWER SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A POWER SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 전력 반도체 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
종래 기술로부터 공지된 전력 반도체 장치에서, 일반적으로 예를 들어 전력 반도체 스위치 및 다이오드와 같은 전력 반도체 소자들은 기판 상에 배열되고 기판의 도전체 층 및 본딩 와이어 및/또는 막 복합체에 의해 도전 가능하게 서로 연결된다. 이 경우, 전력 반도체 스위치는 일반적으로 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)과 같은 트랜지스터 형태로 존재한다.
이 경우, 기판 상에 배열된 전력 반도체 소자들은 종종 개별적인 소위 하프 브리지 회로 또는 복수의 하프 브리지 회로를 형성하도록 전기적으로 상호 연결되며, 이들은 예를 들어 전압 및 전류를 정류하고 변환하기 위해 사용된다.
전력 반도체 장치의 동작 중에, 전력 반도체 소자에서 전기적 손실이 발생하여 전력 반도체 소자를 가열시키게 된다. 전력 반도체 소자를 냉각시키기 위해, 종래 기술의 전력 반도체 장치는 종종 냉각액이 흐르고 전력 반도체 소자에 열전도 가능하게 연결되는 히트 싱크를 구비한다.
독일 10 2010 043 446 B3은 냉각액이 개구를 이용하여 통과해서 유동하는 히트 싱크를 제공하고 전력 반도체 소자를 구비한 전력 반도체 모듈의 냉각 플레이트를 개구로 배치하는 것을 개시한다. 전력 반도체 소자로부터 냉각액으로 향하는 양호한 열 방출이 결과로서 달성된다. 이 경우의 단점은 전력 반도체 장치의 서비스 수명 중에 냉각액의 누출을 신뢰성 있게 방지하기 위해 냉각 플레이트가 신뢰성 있게 장기간에 걸쳐 히트 싱크와 관련하여 밀봉되어야 한다는 점이며, 이는 일반적으로 장기간 지속되는 것이 기대된다.
본 발명의 목적은 전력 반도체 소자로부터 액체가 통과하여 흐를 수 있는 전력 반도체 장치의 히트 싱크로 향하여 작용하는 양호한 열 전도성을 가진 전력 반도체 장치를 제공하는 것이며, 이 경우에 히트 싱크는 신뢰성 있게 장기간에 걸쳐 누설 밀봉을 한다.
이 목적은 전력 반도체 장치에 의해 달성되고, 전력 반도체 장치는 전력 반도체 모듈 및 액체가 통과하여 흐를 수 있는 히트 싱크를 포함하고, 전력 반도체 모듈은 도전성 도전체 트랙 상에 배열된 전력 반도체 소자를 구비하고, 전력 반도체 모듈은 비도전성 절연 층 및 냉각 플레이트를 구비하고, 절연 층은 도전체 트랙 및 냉각 플레이트 사이에 배치되고, 히트 싱크는 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장된 히트 싱크의 측방 제1 표면에 의해 그 경계가 정해지는 개구를 구비하고, 냉각 플레이트는 개구 내에 배치되고, 냉각 플레이트 둘레에서 주변 방향으로 연장된 냉각 플레이트의 측방 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 90°미만의 각도를 이룸과 아울러 히트 싱크의 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 90°미만의 각도를 이루며, 냉각 플레이트의 제1 표면 및 히트 싱크의 제1 표면은 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 냉각 플레이트의 제1 표면을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크의 제1 표면을 따라 주변 방향으로 연장된다.
또한, 이 목적은 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법에 의해 달성되고, 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법은:
a) 도전성 도전체 트랙 상에 배열된 전력 반도체 소자를 구비하는 전력 반도체 모듈을 제공하되, 전력 반도체 모듈은 비도전성 절연 층 및 냉각 플레이트를 구비하고, 절연 층은 도전체 트랙 및 냉각 플레이트 사이에 배치되며, 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 냉각 플레이트 측방 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 90°미만의 각도를 이루는 한편, 액체가 통과해서 흐르며 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 히트 싱크의 측방 제1 표면에 의해 그 경계가 정해지는 개구를 가지는 히트 싱크를 제공하는 단계,
b) 히트 싱크의 개구에 냉각 플레이트를 배치하는 단계, 및
c) 히트 싱크의 개구로 냉각 플레이트를 압입하되, 압입 후에 냉각 플레이트의 제1 표면 및 히트 싱크의 제1 표면은 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 냉각 플레이트의 제1 표면을 따라 주변 방향으로 연장됨과 아울러 히트 싱크의 제1 표면을 따라 주변 방향으로 연장되며, 히트 싱크의 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 90°미만의 각도를 이루는 단계를 포함한다.
본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항으로부터 알 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예는 전력 반도체 장치의 유리한 실시예와 유사하며, 그 역도 마찬가지이다.
냉각 플레이트 둘레에서 주변 방향으로 연장되어 있는 냉각 플레이트의 측방 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 89.5도 내지 85도의 각도를 이루고, 그 이유는 특히 냉각 플레이트의 제1 표면 및 히트 싱크의 제1 표면이 서로에 대해 양호하게 가압되면 이러한 각도 범위의 경우가 발생하기 때문이며, 이러하다면 유익하게 된다.
또한, 히트 싱크의 제1 표면은 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대해 일정 각도를 이루고, 상기 각도는 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면에 대한 냉각 플레이트의 제1 표면의 각도와 동일하고, 그 이유는 히트 싱크의 제1 표면 및 냉각 플레이트의 제1 표면이 큰 주변 방향으로 연장된 영역에 걸쳐 서로에 대해 가압되는 방식으로 배열되기 때문이며, 이러하다면 유익하게 된다.
히트 싱크는 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 측부 제1 표면과 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 히트 싱크의 측부 제1 표면에 의해 경계가 정해지는 개구를 구비하고, 히트 싱크의 제2 표면은 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 제1 그루브의 내부 면을 형성하고, 냉각 플레이트의 에지 영역은 냉각 플레이트 둘레에서 주변 방향으로 연장된 돌출부를 구비하고, 돌출부는 제1 그루브 내에 배치되며, 이러하다면 유익하게 된다. 특히, 히트 싱크에 대한 냉각 플레이트의 신뢰성 있는 장기간 밀봉이 결과로서 달성된다.
또한, 개구는 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 히트 싱크의 측부 제1 표면과 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 히트 싱크의 측부 제2 표면에 의해 그 경계가 정해지고, 히트 싱크의 제2 표면은 개구 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 제1 그루브의 내부 면을 형성하고, 방법은:
d) 에지 영역이 냉각 플레이트 둘레에서 주변 방향으로 연장된 돌출부를 가지는 방식으로 냉각 플레이트의 측방 에지 영역을 변형시키되, 돌출부는 냉각 플레이트의 측방 에지 영역이 변형된 후에 제1 그루브 내에 배치되는 단계를 더 포함하며, 이러하다면 유익하게 된다. 돌출부는 제1 그루브에 대한 돌출부의 명확한 고정 연결에 의해 히트 싱크에 대한 냉각 플레이트의 추가적인 방수 밀봉을 달성하고 냉각 플레이트의 개구를 이탈하려고 하는 움직임을 방지한다.
또한, 냉각 플레이트를 히트 싱크의 개구에 압입하는 과정은 냉각 플레이트의 제1 표면과 이격되어 주변 방향으로 연장된 제2 그루브를 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면으로 절삭하는 과정을 수행하는 것을 포함하며, 이러하다면 유익하게 된다. 전력 반도체 장치의 효과적인 제조가 결과로서 달성되며, 여기에서 제2 그루브는 냉각 플레이트의 측방 에지 영역을 변형시키는 과정을 용이하게 해준다.
또한, 단계 a)에서, 전력 반도체 소자를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면은 냉각 플레이트의 제1 표면에서 이격되어 주변 방향으로 연장된 제2 그루브를 구비하며, 이러하다면 유익하게 된다. 제2 그루브는 냉각 플레이트의 측방 에지 영역을 변형시키는 과정을 용이하게 해준다.
또한, 방법은 압입 스탬프 및 변형 스탬프를 구비한 공구에 의해 수행되고, 냉각 플레이트를 히트 싱크의 개구로 압입하는 과정은 압입 스탬프에 의해 수행됨과 아울러 냉각 플레이트의 측방 에지 영역을 변형시키는 과정은 변형 스탬프에 의해 수행되고, 변형 스탬프는 압입 스탬프에 상대적으로 그리고 압입 스탬프의 주위에서 측방으로 움직이도록 배치되며, 이러하다면 유익하게 된다.
본 발명은 전력 반도체 소자로부터 액체가 통과하여 흐를 수 있는 전력 반도체 장치의 히트 싱크로 향하여 작용하는 양호한 열 전도성을 가진 전력 반도체 장치를 제공하며, 이 경우에 히트 싱크는 신뢰성 있게 장기간에 걸쳐 누설 밀봉을 한다.
본 발명의 예시적 실시예가 도면에 도시되고 아래에서 상세히 설명된다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 제1 방법 단계를 도시한다.
도 2는 전력 반도체 모듈의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 추가적인 방법 단계를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 추가적인 방법 단계에 대한 상세도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 추가적인 방법 단계에 대한 상세도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 반도체 장치의 단면도를 도시한다.
도 7는 도 6으로부터의 상세도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 추가적인 전력 반도체 장치의 단면도를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 추가적인 전력 반도체 장치의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 추가적인 전력 반도체 장치의 단면도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)를 제조하기 위한 제1 방법 단계를 도시한다(도 6 참조). 도 2는 전력 반도체 모듈(3)의 단면도를 도시하며, 여기에서 본 발명을 이해하기 위해 필수적인 전력 반도체 모듈(3)의 구성요소만이 도 2에 도시된다. 명료성을 위해 단면 구성요소들이 도 2, 도 3, 도 6, 및 도 8 내지 도 10에 해칭 없이 도시된 점을 주목해야 한다.
본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)를 제조하기 위한 제1 방법 단계는 도전성 도전체 트랙(13) 상에 배열된 전력 반도체 소자(9)를 가진 전력 반도체 모듈(3)을 제공하는 단계를 포함하며, 여기에서 전력 반도체 모듈(3)은 비도전성 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5)를 구비한다. 절연 층(6)은 도전체 트랙(9)과 냉각 플레이트(5) 사이에 배치된다. 냉각 플레이트(5) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 냉각 플레이트(5)의 측방 제1 표면(24)은 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면(14)에 대해 90°미만의 각도(α)를 이룬다. 바람직하게, 냉각 플레이트 둘레에서 주변 방향으로 연장되어 있는 냉각 플레이트(5)의 측방 제1 표면(24)은 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 냉각 플레이트의 주된 표면(14)에 대해 89.5도 내지 85도의 각도(α)를 이룬다. 또한, 제1 방법 단계는 액체가 통과해서 흐르고 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 히트 싱크(2)의 측방 제1 표면(26)에 의해 경계가 정해지는 개구(25)를 구비한 히트 싱크(2)를 제공하는 단계를 포함한다.
전력 반도체 모듈(3)은 도전성 도전체 트랙(13) 상에 배열된 전력 반도체 소자(9)를 구비한다. 도전체 트랙(13)은 도전성 구조화 제1 전도 층(31)에 의해 형성된다. 전력 반도체 소자(9)는 바람직하게는 납땜 또는 소결 금속 층에 의해 도전체 트랙(13)에 도전 가능하게 연결된다. 각각의 전력 반도체 소자는 바람직하게는 전력 반도체 스위치 또는 다이오드 형태로 존재한다. 이 경우, 전력 반도체 스위치는 바람직하게는 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)와 같은 트랜지스터 형태로 존재한다. 각각의 전력 반도체 모듈(3)은 바람직하게는 제1 직류 전압 부하 전류 단말 구성요소(DC+), 제2 직류 전압 부하 전류 단말 구성요소(DC-) 및 교류 부하 단말 구성요소(AC)를 포함하며, 이는 바람직하게는 납땜 또는 소결 금속 층에 의해 제1 전도 층(31)에 도전 가능하게 연결된다. 도시된 예시적 실시예의 맥락에서, 각각의 전력 반도체 모듈(3)은 교류 전압 부하 전류 단말(AC)에서 직류 전압 부하 전류 단말들(DC+ 및 DC-) 사이로 공급된 직류 전압으로부터 교류 전압을 발생시키다. 또한, 예시적 실시예의 맥락에서, 각각의 전력 반도체 모듈(3)은 제어 단말 구성요소(S)를 구비하며, 이들은 전력 반도체 모듈(3)의 전력 반도체 스위치의 제어 단말에 도전 가능하게 연결된다.
또한, 각각의 전력 반도체 모듈(3)은 비도전성 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5)를 구비하며, 여기에서 절연 층(6)은 도전체 트랙(13) 및 냉각 플레이트(5) 사이에 배치된다. 도전체 트랙(13)은 절연 층(6)에 연결된다. 예시적 실시예의 맥락에서, 도전성, 바람직하게는 비구조화 제2 전도 층(8)이 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5) 사이에 배치되고, 절연 층(6)에 연결된다. 절연 층(6)은 바람직하게는 세라믹 본체의 형태로 존재한다. 제1 및 제2 전도 층(31 및 8) 및 절연 층(6)이 바람직하게는 DCB(direct copper bonded) 기판에 의해 함께 형성된다.
이 시점에서 제1 및 제2 전도 층이 개별적인 층 또는 적층된 복수의 층의 포함할 수 있다는 점을 주목해야 한다. 이점과 관련하여, 제1 및/또는 제2 전도 층은 예를 들어 귀금속(예를 들어, 은) 또는 귀금속 화합물로 구성된 개별적인 코팅 또는 적층된 복수의 코팅을 구비한 예를 들어 구리 층을 포함할 수 있으며, 이는 접착 촉진 층 및/또는 보호 층의 역할을 할 수 있다.
냉각 플레이트(5)에는 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 그 측부에 개별적인 층 또는 적층된 복수의 층이 코팅될 수 있으며, 이는 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5)의 다른 열팽창 계수로 인해 예를 들어 각각 접착 촉진 층 및/또는 보호층의 역할을 하고/하거나 온도 변동의 경우에 발생할 수 있는 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5) 사이의 기계적 스트레스를 줄이는 역할을 할 수 있다. 예시적 실시예의 맥락에서, 냉각 플레이트(5)에는 절연 층(6)을 마주보는 측부에 구리 층(12)이 코팅되며, 그 구리 층에는 그 다음 예를 들어 코팅, 특히 귀금속 코팅(예를 들어, 은)이 코팅될 수 있다. 구리 층(12)이 냉각 플레이트(5) 및 절연 층(6) 사이에, 특히 냉각 플레이트 및 제2 전도 층(8) 사이에 배치된다. 제2 전도 층(8)은 바람직하게는 납땜 또는 소결 금속 층에 의해 직접 또는 간접적으로 냉각 플레이트(5)에 연결된다(만일 냉각 플레이트에는 전력 반도체 소자를 마주보는 측부에 개별적인 층 또는 적층된 복수의 층이 코팅된다면). 예시적 실시예의 맥락에서, 제2 전도 층(8)은 납땜 또는 소결 금속 층에 의해 구리 층(12)에 연결된다.
명료성을 위해, 납땜 또는 소결 금속 층은 도 2에 도시되어 있지 않다. 또한, 층의 두께 및 전력 반도체 소자의 두께가 축척에 일치하는 방식으로 도시되지 않는다는 점을 주목해야 한다.
이 시점에서 냉각 플레이트가 또한 절연 금속 기판(insulated metal substrate(IMS))의 알루미늄 본체의 형태로 존재할 수 있다는 점을 주목해야 한다.
냉각 플레이트(5)는 바람직하게는 전력 반도체 소자(9)의 반대편을 바라보는 그 측부(B)에 냉각 방열핀 및/또는 냉각 핀(19)을 구비한다.
액체(예를 들어, 물)이 통과하여 흐를 수 있는 히트 싱크(2)는 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 히트 싱크(2)의 외측부(A)에 개구(25)를 구비할 수 있다. 이 경우, 완성되어 제조된 전력 반도체 장치(1)(도 6 참조)에서, 전력 반도체 모듈(3)의 냉각 플레이트(5)가 개구(25) 내에 배치되며, 여기에서 각각의 냉각 플레이트(5)의 일부가 개구(25)로부터 돌출될 수 있다. 냉각 플레이트(5)는 개구(25)를 폐쇄한다. 공동부(18)는 전력 반도체 소자(9)의 반대편을 바라보는 냉각 플레이트(5)의 측부(B)에 형성된다. 예시적 실시예의 맥락에서, 개구(25)가 아직 냉각 플레이트(5)에 의해 폐쇄되지 않는 한, 상기 액체는 히트 싱크(2)의 입구 개구(입구 개구는 도 1의 사시도에서 볼 수 없다)를 통해 공동부(18)로 흘러 들어가고, 공동부(18)를 통해 흐르며, 출구 개구(11) 및 히트 싱크(2)의 개구(25)를 통해 히트 싱크(2)로부터 유출된다는 사실 때문에 액체는 히트 싱크(2)를 통과해서 흐른다. 예시적 실시예의 맥락에서, 만일 개구(25)가 냉각 플레이트(5)에 의해 폐쇄된다면, 상기 액체는 히트 싱크(2)의 입구 개구를 통해 공동부(18)로 흘러 들어가고, 공동부(18)를 통과해서 흐르며, 히트 싱크(2)의 출구 개구(11)를 통해 히트 싱크(2)로부터 흘러 나온다는 사실 때문에 액체는 히트 싱크(2)를 통과해서 흐른다. 각각의 냉각 플레이트(5)의 열은 액체로 전달되고, 액체에 의해 멀리 전송된다.
냉각 플레이트(5) 및/또는 히트 싱크(2)는 바람직하게는 각각 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다.
추가적인 방법 단계는 도 3에 도시된 바와 같이 히트 싱크(2)의 개구(25)에 냉각 플레이트(5)를 배치하는 단계를 포함한다. 예시적 실시예의 맥락에서, 히트 싱크(2)의 개구(25)에 냉각 플레이트(5)를 배치하는 절차는 압입 스탬프(51) 및 변형 스탬프(52)를 구비한 공구(50)에 의해 수행된다. 변형 스탬프(52)는 압입 스탬프(51)에 상대적으로 그리고 압입 스탬프(51)의 주위에서 측방으로 움직이도록 배치된다. 압입 스탬프(51)의 개구(53)(도 1 참조)를 통해, 냉각 플레이트(5)를 압입 스탬프(51)로 빨아들이고 압입 스탬프(51)에 유지하는 감소된 압력이 생성된다.
추가적인 방법 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 히트 싱크(2)의 개구(25)로 냉각 플레이트(5)를 압입하는 단계를 포함하며, 여기에서 압입 후에 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24) 및 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)은 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장되고, 여기에서 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)은 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 냉각 플레이트(5)의 주된 표면(30)에 대해 90°미만의 각도(β)를 이룬다. 바람직하게는, 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)은 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 냉각 플레이트(5)의 주된 표면(30)에 대해 각도(β)를 이루며, 상기 각도는 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 냉각 플레이트(5)의 주된 표면(30)에 대한 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)의 각도(α)와 동일하다. 냉각 플레이트(5)를 히트 싱크(2)의 개구(25)로 압입하는 과정 중에, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24) 및 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)이 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장될 때까지 냉각 플레이트(5)는 개구(25)로 충분한 깊이까지 가압된다 (또한 도 8 및 도 9 참조). 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24) 및 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)이 서로 접촉하여, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장된다. 냉각 플레이트(5)는 개구(25)에 압입되는 방식으로 배치된다. 바람직하게, 히트 싱크(2)는 제3 표면(15)을 구비하며, 이는 전력 반도체 소자(9)의 반대편을 바라보는 냉각 플레이트(5)의 제2 표면(33)과 평행하게 연장된다. 히트 싱크(2)의 제3 표면(15)은 냉각 플레이트(5)의 제2 표면(33)를 위한 멈춤부를 형성하고, 냉각 플레이트(5)가 개구(25) 내로 가압될 수 있는 압입 깊이의 경계를 정한다. 바람직하게, 냉각 플레이트(5)의 제2 표면(33)이 히트 싱크(2)의 제3 표면(15)에 기대게 될 때까지 냉각 플레이트(5)는 충분한 깊이까지 개구(25)로 가압된다. 히트 싱크(2)의 제3 표면(15)이 히트 싱크(2) 내에 배치되는 깊이의 적절한 선택을 통해, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24) 및 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)이 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장되도록 사용되는 가압 압력을 정의하는 것이 가능하다. 예시적 실시예에서, 냉각 플레이트(5)를 히트 싱크(2)의 개구(25)로 압입하는 과정은 압입 스탬프(51)에 의해 수행된다. 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24) 및 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)이 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장되고 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장되는 사실로 인해서, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)에 대한 히트 싱크(2)의 제1 표면(26)의 장기간의 방수 밀봉이 달성된다 (또한 도 10 참조). 이러한 방식으로, 히트 싱크(2)는 신뢰성 있게 장기간에 걸쳐 누설 밀봉을 한다.
예시적 실시예의 맥락에서, 개구(25)는 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 히트 싱크(2)의 측부 제1 표면(26)과 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 냉각 플레이트(5)의 측부 제1 표면(14)에 의해 그 경계가 정해지며, 여기에서 히트 싱크(2)의 제2 표면(14)은 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 제1 그루브(36)의 내부 면을 형성한다.
예시적 실시예의 맥락에서, 추가적인 방법 단계는 도 5에 도시된 바와 같이 에지 영역(29)이 냉각 플레이트(5) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 돌출부(34)를 가지는 방식으로 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)을 변형시키는 단계를 포함하며, 상기 돌출부는 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)이 변형된 후에 제1 그루브(36) 내에 배치된다. 돌출부(34)는 제1 그루브(36)에 대한 돌출부(34)의 명확한 고정 연결에 의해 히트 싱크(2)에 대한 냉각 플레이트(5)의 추가적인 방수 밀봉을 달성하고 냉각 플레이트(5)의 개구(25)를 이탈하는 움직임을 방지한다. 예시적 실시예에서, 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)를 변형시키는 과정은 변형 스탬프(52)에 의해 달성된다. 변형 스탬프(52)는 변형 에지(54)를 가지며 (도 4 참조), 이는 변형 스탬프(52)가 냉각 플레이트(5)의 에지 영역(29)으로 이동될 때 냉각 플레이트(5)의 에지 영역(29)을 적절하게 변형시킨다.
예시적 실시예의 맥락에서, 제1 방법 단계에서 제공된 냉각 플레이트(5)의 주된 표면(30)(도 1 및 도 2 참조)은, 전력 반도체 소자(9)를 마주보는, 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)에서 이격되어 주변 방향으로 연장된 제2 그루브(28)를 구비한다. 제2 그루브(28)는 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)을 변형시키는 과정을 용이하게 해준다. 바람직하게, 압입 스탬프(51)는 제2 그루브(28)와 체결되어 주변 방향으로 연장되는 에지(32)를 구비한다(도 3 참조). 히트 싱크의 개구에 냉각 플레이트를 매우 정밀하게 배치하는 것이 결과로서 가능해진다.
제2 그루브(28)가 방법의 초기에 존재할 필요가 없다. 대안으로, 냉각 플레이트(5)를 히트 싱크(2)의 개구(25)에 압입하는 과정은 또한 냉각 플레이트(5)의 제1 표면(24)과 이격되어 주변 방향으로 연장되는 제2 그루브(28)를 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 냉각 플레이트(5)의 주된 표면(30)으로 절삭하는 과정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 압입 스탬프(51)의 주변 방향으로 연장된 에지(32)는 절삭 날의 형태로 존재할 수 있다. 전력 반도체 장치의 효율적인 제조가 결과로서 달성된다.
도 8은 본 발명에 따른 추가적인 전력 반도체 장치(1)의 단면도를 도시하며, 이 추가적인 전력 반도체 장치(1)는 도 8에 따른 본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)의 히트 싱크(2)가 냉각 플레이트(5)의 제2 표면(33)을 위한 멈춤부를 형성하는 제3 표면(15)을 구비하지 않은 특징을 제외하고는 도 6 및 도 7에 따른 전력 반도체 장치(1)에 대응한다.
도 9는 본 발명에 따른 추가적인 전력 반도체 장치의 단면도를 도시하며, 이 추가적인 전력 반도체 장치(1)는 히트 싱크(2)가 제1 그루브(36)를 구비하지 않고 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)가 변형되지 않는 특징을 제외하고는 도 8에 따른 전력 반도체 장치(1)에 대응한다. 도 9에 따른 전력 반도체 장치(1)의 냉각 플레이트는(도 9에 도시되어 있지 않음) 또한 제2 그루브(28)를 구비할 수 있으며, 이는 제2 그루브(28)로 체결되는 압입 스탬프(51)의 주변 방향으로 연장된 에지(32)와 연계하여 히트 싱크의 개구에서 냉각 플레이트의 매우 정밀한 배치를 가능하게 해준다.
도 10은 본 발명에 따른 추가적인 전력 반도체 장치의 단면도를 도시하며, 이 추가적인 전력 반도체 장치(1)는 히트 싱크(2)가 제1 그루브(36)를 구비하지 않고 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)가 변형되지 않는 특징을 제외하고는 도 6 및 도 7에 따른 전력 반도체 장치(1)에 대응한다. 도 10에 따른 전력 반도체 장치(1)의 냉각 플레이트는(도 10에 도시되어 있지 않음) 또한 제2 그루브(28)를 구비할 수 있으며, 이는 제2 그루브(28)로 체결되는 압입 스탬프(51)의 주변 방향으로 연장된 에지(32)와 연계하여 히트 싱크의 개구에서 냉각 플레이트의 매우 정밀한 배치를 가능하게 해준다.
본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)는 또한 복수의 전력 반도체 모듈(3)을 포함하며, 여기에서 만일 본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)가 복수의 전력 반도체 모듈(3)을 포함한다면, 히트 싱크(2)는 전력 반도체 모듈(3)의 냉각 플레이트(5)가 상기한 바와 같이 히트 싱크(2)에 대해 방수 방식으로 배열되고 밀봉된 복수의 개구(25)를 구비한다. 만일 본 발명에 따른 전력 반도체 장치(1)가 복수의 전력 반도체 모듈(3)을 포함한다면, 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법은 상기한 것과 유사한 형태로 진행한다.
또한, 히트 싱크(2)는 일체로 구현되거나 서로 연결된 부분품들로부터 구현될 수 있다는 점을 주목해야 한다.
또한, 이 시점에서 만일 본 발명의 다른 예시적 실시예들의 특징들이 서로 배타적이지 않다면, 물론 이 특징들은 서로 임의적으로 결합될 수 있다는 점을 주목해야 한다.

Claims (9)

  1. 전력 반도체 장치로서,
    전력 반도체 모듈(3) 및 액체가 통과하여 흐를 수 있는 히트 싱크(2)를 포함하고, 상기 전력 반도체 모듈(3)은 도전성 도전체 트랙(13) 상에 배열된 전력 반도체 소자(9)를 구비하고, 상기 전력 반도체 모듈(3)은 비도전성 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5)를 구비하고, 상기 절연 층(6)은 상기 도전체 트랙(9) 및 상기 냉각 플레이트(5) 사이에 배치되고, 상기 히트 싱크(2)는 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 상기 히트 싱크(2)의 측방 제1 표면(26)에 의해 그 경계가 정해지는 상기 개구(25)를 구비하고, 상기 냉각 플레이트(5)는 상기 개구(25) 내에 배치되고, 상기 냉각 플레이트(5) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 상기 냉각 플레이트(5)의 측방 제1 표면(24)은 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트의 주된 표면(30)에 대해 90°미만의 각도(α)를 이룸과 아울러 상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)은 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)에 대해 90°미만의 각도(β)를 이루며, 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24) 및 상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)은 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장되고 상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장되는, 전력 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트(5) 둘레에서 주변 방향으로 연장되어 있는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 측방 제1 표면(24)은 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)에 대해 89.5도 내지 85도의 각도(α)를 이루는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)은 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)에 대해 각도(β)를 이루며, 상기 각도는 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)에 대한 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24)의 각도(α)와 동일한 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(2)는 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 상기 측부 제1 표면(26)과 상기 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 상기 히트 싱크(2)의 상기 측부 제1 표면(14)에 의해 경계가 정해지는 상기 개구(25)를 구비하고, 상기 히트 싱크(2)의 제2 표면(14)은 상기 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 제1 그루브(36)의 내부 면을 형성하고, 상기 냉각 플레이트(5)의 에지 영역(29)은 상기 냉각 플레이트(5) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 돌출부(34)를 구비하며, 상기 돌출부는 상기 제1 그루브(36) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  5. 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
    a) 도전성 도전체 트랙(13) 상에 배열된 전력 반도체 소자(9)를 구비하는 전력 반도체 모듈(3)을 제공하되, 상기 전력 반도체 모듈(3)은 비도전성 절연 층(6) 및 냉각 플레이트(5)를 구비하고, 상기 절연 층(6)은 도전체 트랙(9) 및 냉각 플레이트(5) 사이에 배치되며, 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 상기 냉각 플레이트(5) 측방 제1 표면(24)은 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 주된 표면(30)에 대해 90°미만의 각도(α)를 이루는 한편, 액체가 통과해서 흐르며 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 상기 히트 싱크(2)의 측방 제1 표면(26)에 의해 그 경계가 정해지는 상기 개구(25)를 가지는 히트 싱크(2)를 제공하는 단계,
    b) 상기 히트 싱크(2)의 상기 개구(25)에 상기 냉각 플레이트(5)를 배치하는 단계, 및
    c) 상기 히트 싱크(2)의 상기 개구(25)로 상기 냉각 플레이트(5)를 압입하되, 압입 후에 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24) 및 상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)은 서로에 대해 가압되는 방식으로 배치되어, 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24)을 따라 주변 방향으로 연장됨과 아울러 상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)을 따라 주변 방향으로 연장되며, 상기 히트 싱크(2)의 상기 제1 표면(26)은 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)에 대해 90°미만의 각도(β)를 이루는 단계를 포함하는, 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개구(25)는 상기 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 상기 히트 싱크(2)의 상기 측부 제1 표면(26)과 상기 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 상기 히트 싱크(2)의 측부 제2 표면(14)에 의해 그 경계가 정해지고, 상기 히트 싱크(2)의 상기 제2 표면(14)은 상기 개구(25) 둘레에서 주변 방향으로 연장되는 제1 그루브(36)의 내부 면을 형성하며,
    d) 상기 에지 영역(29)이 상기 냉각 플레이트(5) 둘레에서 주변 방향으로 연장된 돌출부(34)를 가지는 방식으로 상기 냉각 플레이트(5)의 측방 에지 영역(29)을 변형시키되, 상기 돌출부는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 측방 에지 영역(29)이 변형된 후에 상기 제1 그루브(36) 내에 배치되는 단계를 더 포함하는, 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트(5)를 상기 히트 싱크(2)의 상기 개구(25)에 압입하는 과정은 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24)과 이격되어 주변 방향으로 연장된 제2 그루브(28)를 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)으로 절삭하는 과정을 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 전력 반도체 소자(9)를 마주보는 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 주된 표면(30)은 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 제1 표면(24)에서 이격되어 주변 방향으로 연장된 제2 그루브(28)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 압입 스탬프(51) 및 변형 스탬프(52)를 구비한 공구(50)에 의해 수행되고, 상기 냉각 플레이트(5)를 상기 히트 싱크(2)의 상기 개구(25)로 압입하는 과정은 상기 압입 스탬프(51)에 의해 수행됨과 아울러 상기 냉각 플레이트(5)의 상기 측방 에지 영역(29)을 변형시키는 과정은 상기 변형 스탬프(52)에 의해 수행되며, 상기 변형 스탬프(52)는 상기 압입 스탬프(51)에 상대적으로 그리고 상기 압입 스탬프(51)의 주위에서 측방으로 움직이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치를 제조하기 위한 방법.
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