솔더링 접합과 초음파 용접 접합에 따른 특성 비교

Abstract

내연기관 (가솔린,디젤)에서 일반적으로 응용되던 전력반도체가 친환경 (X)EV로 변화되며 고 전력, 고 신뢰성 사양으로 변화 되고 있고 전력사양의 증가는 전력반도체 전류 용량의 증가로 이어지고, 전력변환 System의 효율에 비례하여 발생되는 Loss는 반도체 내부의 온도 상승의 주요 원인 이다. 그 중 차량용 ECU(Electronic Control Unit)내에 들어가는 부품 중 하나인 Power Module에서도 응용분야가 고 전력 사양으로 변화 되고 있고 Power Module의 내부 구조는 다양한 소재의 이종결합으로 구성되어 있는데, 매개체의 열팽창계수 차이에 의한 Creep Stress는 이종결합부에 직접적인 Thermo Mechanical Stress로 작용하여, 접합부에 신뢰성을 저하 시킨다. 그로인한 솔더링 접합과 초음파 웰딩 접합에 따른 특성 비교에 대해 연구를 진행하였고 연구를 통한 솔더링 접합 대비 초음파 웰딩 접합의 장점에 대해 알게 되었다. 첫째로 Ansys Q3D 시뮬레이션을 통하여 Inductance 및 Resistance를 비교 하였고, 둘째로 Ansys Q3D를 이용하여 해석한 값을 Ansys Icepak으로 전달하여 발열 비교 검토를 진행하였고, 셋째로 실제 샘플 제작을 하고, 넷째로 Shear Test를 통해 접합강도를 비교 확인하였고, 다섯째로 X-Ray를 통한 다른 내부 부품의 영향성 검토를 하였으며, 여섯째로 제품 특성 평가를 진행하였고, 일곱째로 신뢰성 평가를 하여 비교하였고, 여덜째로 공정 Process 단축 및 원가절감 검토를 진행하였다. 그 결과, 솔더링 접합 대비 초음파 웰딩 접합이 Resistance 가 약 10%(0.22mΩ) 더 낮은 값을 나타내었고 발열에서도 약 2%(0.85℃) 온도 감소 함을 알 수 있었고 신뢰성 부분에서는 솔더링 접합은 시간이 지날수록 Crack으로 인한 접합 강도가 감소하였지만 초음파 웰딩 접합은 접합 강도에 변화가 없음을 알 수 있었고 공정 Process 단축 및 원가 절감 측면에서도 솔더링 접합 대비 약 14초 공정 Process 단축이 있었고, 초음파 웰딩 접합에는 추가 소재가 없기 때문에 1 Module당 비용 약 22.4원 원가 절감이 발생함을 알수 있었다. 자동차 산업뿐 아니라 여러 많은 분야에서 전압 & 전류가 상승되면서 발생하는 열과 진동으로 인한 문제점들을 가지고 있는 Application에도 좋은 문제해결 Solution이 될 것으로 판단 된다. |Power semiconductors commonly used in internal combustion engines (gasoline, diesel) are changing to eco-friendly (X)EVs, increasing power specifications, leading to increased power semiconductor current capacity, and loss proportional to the efficiency of the power conversion system. Among them, the Power Module, one of the components within the ECU (Electronic Control Unit), is also applied and changed to power specifications, and the internal structure of the Power Module consists of a variety of material interbonds. As a result, we conducted a study on the comparison of properties between soldering bonding and ultrasonic welding bonding, and learned about the advantages of ultrasonic welding bonding over soldering bonding through research. First, we compared Induction and Resistance through Ansys Q3D simulation, secondly, we passed the interpreted values using Ansys Q3D to Ansys Icepak to conduct heat comparison review, thirdly, we compared bonding strength and reliability assessment. The results showed that ultrasonic welling joints compared to soldering joints showed a resistance of about 10% (0.22 mΩ) lower temperature, heating reduced temperature by about 2% (0.85 ℃), reliability showed that soldering bonds decreased over time, and ultrasonic welling bonds showed no change in bonding strength and cost. It is believed to be a good problem-solving solution not only for the automotive industry but also for applications that have problems caused by heat and vibration caused by rising voltage and current in many areas.