[논문]전동차 추진제어용 IGBT 모듈 패키지의 방열 수치해석

서일웅; 이영호; 김영훈; 좌성훈

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.10.1011

전동차 추진제어용 IGBT 모듈 패키지의 방열 수치해석
Numerical Thermal Analysis of IGBT Module Package for Electronic Locomotive Power-Control Unit 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.10, 2015년, pp.1011 - 1019

서일웅 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) , 이영호 (우진산전(주)) , 김영훈 (에스피반도체 통신(주)) , 좌성훈 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원)

초록
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Insulated gate bipolar transistor (IGBT) 소자는 전동차, 항공기 및 전기 자동차에 가장 많이 사용되는 고전압, 고전력용 전력 반도체이다. 그러나 IGBT 전력소자는 동작 시 발열 온도가 매우 높고, 이로 인해, IGBT 소자의 신뢰성 및 성능에 큰 영향을 미치고 있다. 따라서 발열 문제를 해결하기 위한 IGBT 모듈 패키지의 방열 설계는 매우 핵심적인 기술이며, 특히, 소자가 동작 한계 온도에 올라가지 않도록 방열 설계를 적절히 수행하여야 한다. 본 논문에서는 전동차에 사용되는 1200 A, 3.3 kV 급 IGBT 모듈 패키지의 열 특성에 대해 수치해석을 이용하여 분석하였다. IGBT 모듈 패키지에 사용되는 다양한 재료 및 소재의 두께에 대한 영향을 분석하였으며, 실험계획법을 이용한 최적화 설계를 수행하였다. 이를 통하여 열 저항을 최소화하기 위한 최적의 방열 설계 가이드 라인을 제시하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) are the predominantly used power semiconductors for high-current applications, and are used in trains, airplanes, electrical, and hybrid vehicles. IGBT power modules generate a considerable amount of heat from the dissipation of electric power. This heat generation causes several reliability problems and deteriorates the performances of the IGBT devices. Therefore, thermal management is critical for IGBT modules. In particular, realizing a proper thermal design for which the device temperature does not exceed a specified limit has been a key factor in developing IGBT modules. In this study, we investigate the thermal behavior of the 1200 A, 3.3 kV IGBT module package using finite-element numerical simulation. In order to minimize the temperature of IGBT devices, we analyze the effects of various packaging materials and different thickness values on the thermal characteristics of IGBT modules, and we also perform a design-of-experiment (DOE) optimization

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

후)열저항과">열 저항과 절연 성능의 트레이드-오프 관계를 분석하였다. 궁극적으로 실험계획법을 사용하여 IGBT 모듈 패키지의 열 방출에 주요 영향을 미치는 인자에 대한 분석과 열 저항을 최소화하기 위한 최적의 방열 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다.
후)모듈에서는">모 듈에서는 세라믹 기판인 Al₂O₃ 혹은 AlN가 주로 사용되고 있으나, 최근 Si₃N₄ 및 BeO의 사용이 고려되고 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 DBC 기판으로 사용 중인 Al₂O₃와 향후 사용이 고려되고 있는 AlN, Si₃N₄ 및 BeO에 대해서 기판의 두께가 IGBT 소자의 온도에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 IGBT 모듈 패키지를 구성하고 있는 재질 중에서 특히 열 방출에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 DBC 및 솔더에 대하여 재료 및 두께의 영향을 우선적으로 검토하였다.
후)금속층의">금속 층의 두께, 솔더의 재질 및 두께, 베이스 플레이트의 재질 등이 있다. 본 연구에서는 실험계 획법 및 반응표면법 (response surface method)을 이용하여 IGBT의 효과적인 열 방출을 위한 최적 설계 및 최적 조합을 연구하였다. 우선 현 상태에서 조절이 가능한 전술한 6개의 인자인 DBC 기판의 재질 및 두께, DBC 후)무연솔더의">무연 솔더의 사용이 고려되고 있다. 본 연구에서는 열전도계수가 다른 다양한 솔더의 재질, 즉, 97Au-3.0Si, 88Au-12Ge, 92.5Pb-5.0Sn-2.5Ag, 96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu, 99.25Sn0.7Cu-0.05Ni, 99.3Sn-0.7Cu, 96.5Sn-3.5Ag에 대해서 그 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 전동차용 고전압 대전류용 IGBT 모듈 패키지에 대하여 유한요소 방열해석을 수행하였다. 또한 실험계획법을 이용하여 본 연구에서는 전동차용 전력 반도체인 3,300 V / 1200 A급 IGBT 모듈 패키지의 열 특성을 분석하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 우선 IGBT의 개략적인 구성도가 Fig.
후)26,000개로">26,000 개로 구성되었다. 본 해석에서는 IGBT 소자의 발열에 대한 최대 온도와 온도 분포의 분석이 목적이므로, 열의 흐름이 시간에 따라 더 이상 변하지 않는 상태인 정상상태(steady state)의 열 해석을 수행하였다. 한편, 일반적으로 IGBT 패키지는 충격 및
가설 설정
- 그 결과, 열전달계수는 약 1,834 W/m 2 ·K 로 계산되었으며, 이에 따라, 베이스 플레이트의 아래 면에서 열전달계수는 유사값인 2000 W/m 2 ·K로 가정하였다.
- 통상적으로 IGBT 모듈 밑에는 히트싱크가 있기 때문에 열 해석의 경계 조건(boundary condition)은 IGBT 모듈이 히트싱크 위에 있다고 가정하였다.
  제안 방법
  
  AuSi (27 W/m·K)에서 SnAg (78 W/m·K)까지 각각 다른 열전도계수를 갖고 있는 7개의 솔더에 대하여 열 해석 결과를 비교하였다.
  
  후)최대한계온도는">최대 한계온도는 150℃ ~ 175℃로 알려져 있다. 따라서, 소자의 최대 온도가 한계 온도 이내에서 유지될 수 있도록, 열 방출 패키지를 이루고 있는 재료 및 재료의 두께 변화에 따른 패키지의 온도 분포와 소자의 최대 온도를 분석하였다.
  
  또한, IGBT의 파워 사이클에서 솔더의 팽창과 수축으로 인해 피로 및 깨짐 현상이 발생할 수 있고, IGBT의 열 특성을 저하시켜 소자을 더욱 열화시킬 수 있다. 따라서, 솔더의 재질과 두께로 인한 소자의 온도 변화를 분석하기 위해 열 해석을 수행하였다. 현재 IGBT 모듈에서 솔더로서 PbSnAg를 사용하고 있으며, 향후 특히, IGBT 모듈의 구성하고 있는 소재인 DBC(direct bonding copper), 솔더, 베이스 플레이트의 재료 및 두께 변화에 따른 열방출의 효과를 비교 분석하였다. 또한 DBC의 두께 감소에 따른 열 저항과 절연 성능의 트레이드-오프 관계를 분석하였다. 궁극적으로 실험계획법을 사용하여 IGBT 모듈 패키지의 후)유한요소방열해석을">유한요소 방열해석을 수행하였다. 또한 실험계획법을 이용하여 열 저항 감소와 효과적인 패키지의 열 방출을 위한 주요 인자 분석을 수행하였다.
  
  또한, 모듈 외관에서는 모듈 패키지가 외부 공기 노출된 상태를 가정하여 자연 대류 계수인 3 W/m 2 ·K로 해석을 진행하였다.
  
  후)최적조합을">최적 조합을 연구하였다. 우선 현 상태에서 조절이 가능한 전술한 6개의 인자인 DBC 기판의 재질 및 두께, DBC 금속 층의 두께, 솔더의 재질 및 두께, 베이스 플레이트의 재질들이 IGBT의 열 방출에 얼마나 영향을 미치는지 알아보기 위하여 요인 배치법(factorial design) 이용하여 파레토(pareto) 차트를 작성하였고, 각 인자들이 IGBT의 열 방출에 어느 정도 영향이 있는지를 파악하였 다.
  
  이에 따라, 본 연구에서는 전동차에서 추진제어장치 등 전력 변환 장치로 많이 사용되고 있는 고전압 대전류 (3,300 V / 1200 A급)용 IGBT 모듈 패키지에 대하여 방열해석을 수행하였다. 이를 위하여 유한요소법(finite element method)과 실험계획법(design of experiment)를 이용하여 열 저항 감소와 효과적인 패키지의 열 방출을 분석하기 위한 해석을 수행하였다.
  
  후)전력반도체의">전력 반도체의 모듈 패키지는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)와 같은 전력 반도체를 외부 환경 변화로부터 보호하며, 방열 특성이 우수한 기판 및 인터커넥션 (interconnection) 재료를 이용하여 전력 반도체의 특성을 최소한의 손실로 내부 발열을 외부로 전달하는 기능을 수행한다. 전력 반도체 모듈 패키지에 사용되는 전술한 바와 같이 IGBT 모듈 패키지는 베이스 플레이트 위에 같은 패턴의 DBC가 6 개 부착되어 있으므로, 효율적인 해석을 위해 한 개의 DBC 모듈에 대하여 좌우대칭 1/2 모델로 열 해석을 진행하였다. Fig.
  
  이를 위하여 유한요소법(finite element method)과 실험계획법(design of experiment)를 이용하여 열 저항 감소와 효과적인 패키지의 열 방출을 분석하기 위한 해석을 수행하였다. 특히, IGBT 모듈의 구성하고 있는 소재인 DBC(direct bonding copper), 솔더, 베이스 플레이트의 재료 및 두께 변화에 따른 열방출의 효과를 비교 분석하였다. 또한 DBC의 두께 감소에 따른 후)열해석을">열 해석을 수행하였다. 한편, 일반적으로 IGBT 패키지는 충격 및 진동 완화와 외부로부터 보호를 위해 케이스 안에 겔(gel)이 충진되어 있으나, 예비 해석 수행결과, 겔의 존재가 해석 결과에 영향이 크지 않아 겔을 제외하고 모델링하였다. IGBT
  대상 데이터
  
  후)20절점">20 절점 3 차원 요소를 사용하였으며, 절점의 수는 약 123,000 개, 요소의 수는 약 26,000 개로 구성되었다. 본 해석에서는 IGBT 소자의 발열에 대한 최대 온도와 Fig. 7 은 DBC 에 사용된 세라믹 기판의 두께 변화에 따른 소자의 온도 변화를 나타낸 것이며, 본 연구에서 사용된 DBC 세라믹 기판의 기준 두께는 1 mm 이다. Al₂O₃ 기판의 경우, 두께가 0.
  
  10는 솔더의 두께에 따른 소자의 온도를 나타낸 결과이다. 본 연구에서 사용된 솔더의 기준 두께는 0.15 mm이다. 열전도계수가 가장 낮은 솔더인 AuSi의 경우 두께가 0.
  이론/모형
  
  후)대전류(3,300">대전류 (3,300 V / 1200 A급)용 IGBT 모듈 패키지에 대하여 방열해석을 수행하였다. 이를 위하여 유한요소법(finite element method)과 실험계획법(design of experiment)를 이용하여 열 저항 감소와 효과적인 패키지의 열 방출을 분석하기 위한 해석을 수행하였다. 특히, IGBT 모듈의 구성하고 있는 소재인 DBC(direct bonding copper), 솔더, 베이스 플레이트의 재료 및 두께 변화에 따른 열방출의 효과를 비교 분석하였다.

성능/효과

후)접촉 면적(A)에">접촉면적(A)에 대한 식인 R_th = 1 / h ∙ A 식을 통해 적용하였다.⁽¹²⁾ 고전력 IGBT 모듈용 공랭식 히트싱크의 열 저항은 자연 대류 상태에서 약 0.2 ℃/W ~ 0.3 ℃ /W 이며, 해석 대칭모델의 베이스플레이트의 접촉 면적 2725.5 mm ² 이다. 그 결과, 결론적으로 IGBT 모듈 패키지의 효과적인 열 방출을 위해서는 열전도 계수가 높은 DBC 기판 사용과 베이스 플레이트 및 DBC 기판의 두께를 얇게 하는 것이 중요하다.
AlN 기판과 BeO 기판은 열전도계수가 높기 때문에 두께의 변화에 대한 변화가 적다고 할 수 있겠다. 결론적으로, 두께가 증가할수록 열 저항이 커지기 때문에 열 방출이 방해되며, DBC 기판이 얇을수록 열 저항이 낮아지기 때문에 DBC의 두께를 가능한 얇은 것이 열 방출에 효과적이다. 특히, 열전도계수가 낮은 Al₂O₃ 및 Si₃N₄의 경우 두께에 대한 열전도계수가 가장 높은 솔더인 SnAg는 열전도계수가 가장 낮은 솔더인 AuSi에 비하여, 열전도계수는 약 50 W/m·K 차이가 나며, IGBT 소자의 온도는 SnAg 솔더의 경우 약 170℃, SnAg 솔더는 약 160℃로 약 10℃ 감소하였다. 따라서 전체적으로 볼 때 솔더 재질이 IGBT 소자 온도에 미치는 영향은 DBC 보다 적음을 알 수 있다.
75 mm 로 두꺼워 질 때, 소자의 온도가 약 145℃에서 175℃까지 30℃ 증가하여 두께의 변화가 소자의 온도에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 또한, Si₃N₄ 기판도 두께가 증가할수록 최대 온도가 증가하는 폭이 매우 큰 것을 확인할 수 있다. 반면, 열전도계수가 높은 AlN 기판과 BeO 기판의 경우 두께가 1.
후)변화폭이">변화 폭이 크다. 또한, 결과를 보았을 때, 솔더의 재질과 두께가 IGBT 소자의 온도에 미치는 영향은 DBC의 재질과 두께에 비해 비교적 영향이 적음을 알 수 있다.
후)발열 부인">발열부인 IGBT 소자의 최대 온도는 약 160℃까지 상승 것을 알 수 있으며, IGBT 소자의 최대 한계 온도에 근접함을 보여준다. 한편 다이오드의 최대 온도는 약 152℃이다.
솔더의 두께와 열전도계수는 비교적 영향이 적었다. 실험계획법의 요인배치법과 반응표면법을 통해 IGBT 모듈 패키지를 최적화하였을 때, 현재 모델의 소자 온도인 약 160℃에서 약 130℃로 약 30℃ 가량 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
열전도계수가 가장 높은 솔더인 SnAg는 열전도계수가 가장 낮은 솔더인 AuSi에 비하여, 열전도계수는 약 50 W/m·K 차이가 나며, IGBT 소자의 온도는 SnAg 솔더의 경우 약 170℃, SnAg 솔더는 약 160℃로 약 10℃ 감소하였다.
후)요인 배치법과">요인배치법과 반응표면법 분석 결과 소자의 열 방출에 영향을 미치는 인자는 DBC의 열전도계수, 베이스플레이트의 열전도 계수, DBC의 두께 순으로 주요 인자임을 알 수 있었다. 솔더의 두께와 열전도계수는 비교적 영향이 적었다.
05 mm로 두께가 감소할 경우의 온도는 135℃로 약 5℃ 감소하였다. 즉, 솔더의 두께가 얇을수록 소자의 온도가 감소하며, 솔더의 열전도계수가 낮을수록 두 께 변화에 대해 소자의 온도 변화 폭이 크다. 또한, 결과를 보았을 때, 솔더의 재질과 두께가 IGBT 소자의 온도에 미치는 영향은 DBC의 재질과 두께에 비해 비교적 영향이 적음을 알 수 있다.
후)3℃만">3℃ 만 감소하였다. 즉, 열전도계수가 높은 기판을 사용할수록 소자의 온도가 감소하기는 하나, 일정 기준 이상이 되면, 소자의 온도를 감소시키는 효과가 적음을 알 수 있다.
">온도 분포이다. 최적화된 모델을 해석한 결과는 Fig. 14와 같이 소자의 온도가 약 130℃로 최소화 되는 것을 확인할 수 있다. 현재 사용된 모델의 IGBT 소자의 온도가 160℃임을 감안하면, 최적 설계를 통하여 온도를 약 30℃ 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.
후)최소화되는">최소화 되는 것을 확인할 수 있다. 현재 사용된 모델의 IGBT 소자의 온도가 160℃임을 감안하면, 최적 설계를 통하여 온도를 약 30℃ 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서는 제작된 IGBT 모듈 패키지에서 IGBT소자의 열측정을 통하여 실험값과 수치해석 값을 비교하지는 못하였다. 이는 IGBT 모듈 패키지를 설계함에 있어서, 우선 후)수치 해석">수치해석 값을 비교하지는 못하였다. 이는 IGBT 모듈 패키지를 설계함에 있어서, 우선 수치해석을 통하여 모듈 패키지의 재료 및 구조의 설계 가이드라인을 주고자 함이며, 실제 온도 측정을 통한 실험값과 수치해석의 온도 값의 비교는 향후에 진행될 예정이다.
한편, 열 저항을 고려하였을 때, 솔더의 열전도 계수와 두께에 따라 열 저항을 줄이는 것이 중요하지만, 솔더 재료의 특성에 따라 공동(void)의 정도와 팽창, 수축에 의한 크랙 발생이 열 저항에 더 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 재료의 특성과 신뢰성에 대한 연구도 추가적으로 필요하다. ^(16-17)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IGBT 소자는 어떤 한계를 가지는가?	(6,7) 하지만, IGBT 소자는 고속 스위칭과 대전류로 인해 동작 시 매우 큰 열이 발생한다. IGBT 소자는 turn-on, turn-off 스위칭을 할 때 발생하는 스위칭 손실로 인해 발열 문제가 존재하고, 기반 소재로 실리콘을 사용하기 때문에 소자의 동작 온도가 약 175℃ 이하의 한계를 가진다. 보고된 바에 의하면 IGBT 소자의 발열은 소자의 성능을 열화시키고, 패키지의 각 부분의 열-기계적 변형 및 응력을 발생시키고, 이로 인해 솔더 및 본딩부의 피로 파괴 및 크랙의 발생 등 모듈 패키지의 다양한 신뢰성 문제를 초래할 수 있다.
	IGBT 소자는 어떤 분야에 사용되고 있는가?	전력 반도체의 일종인 IGBT 소자는 MOSFET과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)의 구조를 가지는 스위칭 소자이며, 다른 전력 반도체에 비해 구동 전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압 특성 및 전류 고밀도화가 가능하다. 이러한 특징 때문에 자동차, 전동차, 항공, 가전 및 태양광 발전, 풍력 발전 등 다양한 산업분야에 응용이 되고 있다. 특히, 최근에는 전기 자동차(electric vehicles) 및 하이브리드 전기차(hybrid electric vehicles, HEV)의 핵심부품으로서 큰 주목을 받고 있다. (6,7) 하지만, IGBT 소자는 고속 스위칭과 대전류로 인해 동작 시 매우 큰 열이 발생한다.
	IGBT 소자의 특징은 무엇인가?	전력 반도체의 일종인 IGBT 소자는 MOSFET과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)의 구조를 가지는 스위칭 소자이며, 다른 전력 반도체에 비해 구동 전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압 특성 및 전류 고밀도화가 가능하다. 이러한 특징 때문에 자동차, 전동차, 항공, 가전 및 태양광 발전, 풍력 발전 등 다양한 산업분야에 응용이 되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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