양방향 냉각 파워모듈 내 열분산 비율 불균형을 고려한 수직 적층 구조의 열응력 저감 비교 연구

Abstract

각종 환경 정책 및 규제 속에서 완성 차 업체들은 친환경 자동차의 발전과 보급을 선점하기 위해 앞다퉈 뛰어들고 있다. 특히 전기 자동차의 성능 및 효율 측면에서의 발전을 위해 동력계의 핵심 부품인 전력변환장치의 전력 밀도를 높이기 위해 많은 연구가 진행 중이다. 이러한 목표를 달성하는데 WBG(Wide Bandgap, WBG)반도체 소자가 크게 기여하고 있으며, 기존의 Si 반도체 소자와 비교하여 고전압, 소형화 등의 특징은 제한된 파워모듈 크기 내에서 많은 반도체 소자를 병렬화 함으로써 높은 전력 밀도를 가능하게 한다. 이와 더불어 기존의 단면 냉각 방식(Single-Sided cooling, SSC)의 파워모듈에 비해 양면에 냉각기를 적용한 양면 냉각(Double-Sided cooling, DSC) 파워모듈은 보다 낮은 열저항을 보여 높은 출력에도 대응이 가능한 방열 특성을 가지기에, 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다. 하지만, 제한된 파워모듈 크기 내에서 전력 밀도를 높이는 것은 열적 문제를 야기할 수 있다. 이러한 열적 문제는 파워모듈이 서로 다른 열팽창 계수(Coeffi-cient of Thermal Expansion, CTE)를 가지는 다양한 소재를 적층하여 제작되기 때문에, 특히 파워모듈의 신뢰성에 큰 문제를 야기할 수 있다. 따라서 본 논문은 양면 냉각 파워모듈인 DSC 내의 수직 적층 구조 개선을 통한 열 응력 저감 방안에 대해 연구했다. 기존 산업계에서 널리 채용되고 있는 구조 및 재료만을 이용한다는 제한조건 내에서 소자와 접합 층 그리고 스페이서의 수직방향 적층 순서를 변경하여 SC, SCS, CS 세 가지 모델을 제안했고, 유한 요소 해석 시뮬레이션과 실험을 통해 비교 분석하였다. 열 해석 결과, 스페이서 접촉 면적 증가에 따라 SC, SCS, CS 모델 순으로 낮은 Tj,max 값을 나타냈으며, 특히 반도체 소자가 중간에 위치한 SCS 모델이 Rth,j-c(btm)과 Rth,j-c(top)의 균형성 면에서 우수한 결과를 보였다. 또한, SC 와 SCS 모델에 대한 추가 분석을 진행했다. 열 응력 해석 결과, SCS 모델은 DSC 구조 내 가장 취약한 솔더 층의 열 응력을 효과적으로 개선했다. 원인을 열 분산 비율 균형성에 있다고 판단하였고, 제작 가능성을 고려해 SC 와 SCS 모델의 DSC 구조 샘플을 제작하여, 시뮬레이션과 동일 조건에서 상면 및 하면의 열저항을 측정했다. 실험과 시뮬레이션 결과가 유사한 결과값과 경향성을 보임으로써 시뮬레이션의 타당성을 검증했다. 이 연구에서 제안된 열 분산 비율의 불균형을 고려한 DSC 파워모듈 구조, SCS 모델은 열 응력을 개선하는 데 효과적임을 확인했다. 이러한 결과는 발열 문제로 인한 신뢰성 저하를 해결하는 데 효과적임을 확인할 수 있었다.