유한요소법에 의한 대전력 IGBT 모듈의 열.응력해석

Thermal and Stress Analysis of Power IGBT Module Package by Finite Element Method

유한요소법을 이용한 IGBT 3상 풀브릿지 모듈의 열.응력 해석을 수행하였다. 패키지 재료에 의한 영향을 살피고자 AIN과 $A1_2O_3$절연기판을 사용한 경우를 비교하였으며, 적층구조의 규격을 변화시켜 열해석 및 열응력 해석결과를 비교하였다. 열해석 경계조건 설정에 따른 차이를 비교하기 위하여 등가열전달계수 경계조건(FHTCC)과 일정온도 경계조건(CTC)으로 나누어 해석하였다. 절연기판 면적의 증가는 열저항 감소에 거의 기여하지 못하였으나 열응력 감소에는 상당한 효과를 보였는데, 기판면적이 3배 넓어지면 열저항 감소분은 $A1_2O_3$ 절연기판 모듈에서 8.9%정도, AIN 절연기판 모듈에선 1.5% 정도 감소하는데 그쳤으나 열응력은 최고 60%의 감소를 보였다. 또한 솔더의 두께가 증가할수록 열저항은 증가하였으나, 열응력은 감소 또는 일정하게 유지함을 확인하였다. 각 모듈에서 최대응력값은 모두 절연기판과 접촉된 상, 하부 Cu pad에서 발생하였으며 모듈 패키지 가장자리 부분보다는 중앙부의 응력값이 높았다.

A finite element method was employed fort thermal and stress analyses of an IGBT module of 3-phase full bridge. The effect of material parameters such as substrate material, substrate area, solder thickness on the temperature and stress distributions of the module packages has been investigated. Thermal analysis results have also been compared by setting of boundary conditions such as equivalent heat transfer coefficient or constant temperature at a base metal surface of the package. The increase of ceramic substrate area up to 3 times does little contribution to the reduction(8.9%) of thermal resistance, while contributed a lot to the reduction(60%) of thermal stress. Thicker solder resulted in higher thermal resistance but did slightly reduced thermal stresses. It is revealed by the stress analysis that maximum stress was induced at the region of copper pads which are bonded with ceramic substrate.