전력 반도체(power semiconductor)의 일종인 IGBT(insulated gate bipolar transistor)는 자동차, 전동차, 항공, 가전 및 다양한 산업분야에 응용이 되고 있는 전력 소자로서 전기전력의 변환, 제어 및 전송을 위한 중요한 소자이다. 특히, 최근에 전기자동차(electric vehicles) 및 하이브리드전기차(hybrid electric vehicles)의 핵심부품으로서 큰 주목을 받고 있다. 또한, 에너지 절약과 효율화에 대한 시장 요구가 확대되면서 친환경 자동차에 대한 시장 니즈의 증가로 인해 다양한 부품 개발이 가속화 될 것으로 전망되고 있다. ...
전력 반도체(power semiconductor)의 일종인 IGBT(insulated gate bipolar transistor)는 자동차, 전동차, 항공, 가전 및 다양한 산업분야에 응용이 되고 있는 전력 소자로서 전기전력의 변환, 제어 및 전송을 위한 중요한 소자이다. 특히, 최근에 전기자동차(electric vehicles) 및 하이브리드전기차(hybrid electric vehicles)의 핵심부품으로서 큰 주목을 받고 있다. 또한, 에너지 절약과 효율화에 대한 시장 요구가 확대되면서 친환경 자동차에 대한 시장 니즈의 증가로 인해 다양한 부품 개발이 가속화 될 것으로 전망되고 있다. IGBT 소자는 turn-on, turn-off 스위칭을 할 때 발생하는 스위칭 손실로 인해 발열 문제가 존재하고, 기반 소재로 실리콘을 사용함으로써 접합부 동작 온도의 한계를 가진다. 따라서 소자 및 모듈 패키지의 신뢰성을 확보하기 위해서는 IGBT 소자의 발열 문제를 해결하는 것이 필수적이며 냉각을 위한 방안이 마련되어야 한다. IGBT 소자의 발열은 성능을 열화시키고, 모듈 패키지의 다양한 신뢰성 문제를 초래하기 때문에 자동차 및 전동차에 사용될 IGBT 소자 및 모듈 패키지는 매우 열악한 환경에 노출된 반면, 고신뢰성 및 장수명을 요구하고 있다. 따라서 IGBT 모듈 패키지의 신뢰성 설계는 매우 중요하다. IGBT 모듈 패키지의 가장 핵심적인 문제는 IGBT 소자에서 발생되는 열을 방출하여 소자의 접합부 온도(junction temperature)를 적정 온도 이하로 유지하는 것이다. IGBT 소자에서 발생한 열은 패키지 각 부분으로 전달되어 열적, 열기계적 문제를 발생한다. 즉, 전력반도체 모듈은 금속, 세라믹 및 고분자 등 열팽창계수가 상이한 재료들이 접합된 다층구조이므로 모듈 내의 독특한 온도분포에 의하여 응력이 발생하며, 이러한 응력은 전력반도체 모듈의 장기 신뢰성을 저하시키는 주요 요인으로 알려져 있다. 특히 매우 높은 동작 온도 및 자동차 등의 가혹한 환경 조건은 신뢰성 확보가 핵심 이슈이다. 또한, IGBT 모듈 패키지의 신뢰성 분석을 위해서는 파워 사이클링(power cycling) 시험이 매우 중요하다. 파워 사이클링 동안에 칩의 발열 및 외부 환경의 온도 변화에 의하여 접합부 온도가 변하고, 이러한 온도의 변화는 소자 및 모듈 패키지 각 재료의 응력 및 변형률의 변화를 초래할 수 있으며, 궁극적으로는 소자 및 패키지 재료의 피로 파괴 및 크랙을 발생시킨다. 따라서 파워 사이클링 시험은 IGBT 모듈 패키지의 수명을 예측하는 매우 중요한 척도가 되고 있다. 회사에 따라서는 고신뢰성을 확보하기 위하여, 파워 사이클링 조건을 50,000회 이상 요구하기도 한다. 본 논문에서는 IGBT 모듈 패키지의 방열 기술에 대해서 기존의 연구 및 최근의 기술 동향을 고찰하였으며, 전동차에 사용되는 1200 A, 3.3 kV급 IGBT 모듈 패키지의 방열 특성에 대해 수치해석을 이용하여 분석하였다. IGBT 모듈 패키지에 사용되는 다양한 재료 및 소재의 두께에 대한 영향을 분석하였으며, 실험계획법을 이용해 방열을 위한 최적 설계를 수행하였다. 또한, 파워 사이클 조건에서 패키지 설계에 따른 열-피로 수명을 예측하여, 설계 구조가 모듈의 수명에 미치는 영향을 분석하였다. 즉, 수명 분석과 누적손상법칙을 이용해 크랙의 성장을 예측하여, IGBT 모듈의 열-피로 신뢰성 이슈를 이해하고, 통합 설계에 대한 가이드를 제시하고자 하였다.
전력 반도체(power semiconductor)의 일종인 IGBT(insulated gate bipolar transistor)는 자동차, 전동차, 항공, 가전 및 다양한 산업분야에 응용이 되고 있는 전력 소자로서 전기전력의 변환, 제어 및 전송을 위한 중요한 소자이다. 특히, 최근에 전기자동차(electric vehicles) 및 하이브리드 전기차(hybrid electric vehicles)의 핵심부품으로서 큰 주목을 받고 있다. 또한, 에너지 절약과 효율화에 대한 시장 요구가 확대되면서 친환경 자동차에 대한 시장 니즈의 증가로 인해 다양한 부품 개발이 가속화 될 것으로 전망되고 있다. IGBT 소자는 turn-on, turn-off 스위칭을 할 때 발생하는 스위칭 손실로 인해 발열 문제가 존재하고, 기반 소재로 실리콘을 사용함으로써 접합부 동작 온도의 한계를 가진다. 따라서 소자 및 모듈 패키지의 신뢰성을 확보하기 위해서는 IGBT 소자의 발열 문제를 해결하는 것이 필수적이며 냉각을 위한 방안이 마련되어야 한다. IGBT 소자의 발열은 성능을 열화시키고, 모듈 패키지의 다양한 신뢰성 문제를 초래하기 때문에 자동차 및 전동차에 사용될 IGBT 소자 및 모듈 패키지는 매우 열악한 환경에 노출된 반면, 고신뢰성 및 장수명을 요구하고 있다. 따라서 IGBT 모듈 패키지의 신뢰성 설계는 매우 중요하다. IGBT 모듈 패키지의 가장 핵심적인 문제는 IGBT 소자에서 발생되는 열을 방출하여 소자의 접합부 온도(junction temperature)를 적정 온도 이하로 유지하는 것이다. IGBT 소자에서 발생한 열은 패키지 각 부분으로 전달되어 열적, 열기계적 문제를 발생한다. 즉, 전력반도체 모듈은 금속, 세라믹 및 고분자 등 열팽창계수가 상이한 재료들이 접합된 다층구조이므로 모듈 내의 독특한 온도분포에 의하여 응력이 발생하며, 이러한 응력은 전력반도체 모듈의 장기 신뢰성을 저하시키는 주요 요인으로 알려져 있다. 특히 매우 높은 동작 온도 및 자동차 등의 가혹한 환경 조건은 신뢰성 확보가 핵심 이슈이다. 또한, IGBT 모듈 패키지의 신뢰성 분석을 위해서는 파워 사이클링(power cycling) 시험이 매우 중요하다. 파워 사이클링 동안에 칩의 발열 및 외부 환경의 온도 변화에 의하여 접합부 온도가 변하고, 이러한 온도의 변화는 소자 및 모듈 패키지 각 재료의 응력 및 변형률의 변화를 초래할 수 있으며, 궁극적으로는 소자 및 패키지 재료의 피로 파괴 및 크랙을 발생시킨다. 따라서 파워 사이클링 시험은 IGBT 모듈 패키지의 수명을 예측하는 매우 중요한 척도가 되고 있다. 회사에 따라서는 고신뢰성을 확보하기 위하여, 파워 사이클링 조건을 50,000회 이상 요구하기도 한다. 본 논문에서는 IGBT 모듈 패키지의 방열 기술에 대해서 기존의 연구 및 최근의 기술 동향을 고찰하였으며, 전동차에 사용되는 1200 A, 3.3 kV급 IGBT 모듈 패키지의 방열 특성에 대해 수치해석을 이용하여 분석하였다. IGBT 모듈 패키지에 사용되는 다양한 재료 및 소재의 두께에 대한 영향을 분석하였으며, 실험계획법을 이용해 방열을 위한 최적 설계를 수행하였다. 또한, 파워 사이클 조건에서 패키지 설계에 따른 열-피로 수명을 예측하여, 설계 구조가 모듈의 수명에 미치는 영향을 분석하였다. 즉, 수명 분석과 누적손상법칙을 이용해 크랙의 성장을 예측하여, IGBT 모듈의 열-피로 신뢰성 이슈를 이해하고, 통합 설계에 대한 가이드를 제시하고자 하였다.
주제어
#Power device Thermal analysis Fatigue analysis Numerical Modelling Power cycle Life prediction Crack propagation
학위논문 정보
저자
서일웅
학위수여기관
서울과학기술대학교
학위구분
국내석사
학과
나노·IT융합프로그램 나노·IT융합공정/장비
지도교수
좌성훈
발행연도
2015
총페이지
50
키워드
Power device Thermal analysis Fatigue analysis Numerical Modelling Power cycle Life prediction Crack propagation
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