IGBT 전력반도체 모듈 패키지의 방열 기술

서일웅,정훈선,이영호,김영훈,좌성훈,Suh, Il-Woong,Jung, Hoon-Sun,Lee, Young-Ho,Kim, Young-Hun,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2014 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.21 No.3

Power electronics modules are semiconductor components that are widely used in airplanes, trains, automobiles, and energy generation and conversion facilities. In particular, insulated gate bipolar transistors(IGBT) have been widely utilized in high power and fast switching applications for power management including power supplies, uninterruptible power systems, and AC/DC converters. In these days, IGBT are the predominant power semiconductors for high current applications in electrical and hybrid vehicles application. In these application environments, the physical conditions are often severe with strong electric currents, high voltage, high temperature, high humidity, and vibrations. Therefore, IGBT module packages involves a number of challenges for the design engineer in terms of reliability. Thermal and thermal-mechanical management are critical for power electronics modules. The failure mechanisms that limit the number of power cycles are caused by the coefficient of thermal expansion mismatch between the materials used in the IGBT modules. All interfaces in the module could be locations for potential failures. Therefore, a proper thermal design where the temperature does not exceed an allowable limit of the devices has been a key factor in developing IGBT modules. In this paper, we discussed the effects of various package materials on heat dissipation and thermal management, as well as recent technology of the new package materials.

TSV 인터포저 기술을 이용한 3D 패키지의 방열 해석

서일웅,이미경,김주현,좌성훈,Suh, Il-Woong,Lee, Mi-Kyoung,Kim, Ju-Hyun,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2014 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.21 No.2

In 3-dimensional (3D) integrated package, thermal management is one of the critical issues due to the high heat flux generated by stacked multi-functional chips in miniature packages. In this study, we used numerical simulation method to analyze the thermal behaviors, and investigated the thermal issues of 3D package using TSV (through-silicon-via) technology for mobile application. The 3D integrated package consists of up to 8 TSV memory chips and one logic chip with a interposer which has regularly embedded TSVs. Thermal performances and characteristics of glass and silicon interposers were compared. Thermal characteristics of logic and memory chips are also investigated. The effects of numbers of the stacked chip, size of the interposer and TSV via on the thermal behavior of 3D package were investigated. Numerical analysis of the junction temperature, thermal resistance, and heat flux for 3D TSV package was performed under normal operating and high performance operation conditions, respectively. Based on the simulation results, we proposed an effective integration scheme of the memory and logic chips to minimize the temperature rise of the package. The results will be useful of design optimization and provide a thermal design guideline for reliable and high performance 3D TSV package. 3차원 적층 패키지(3D integrated package) 에서 초소형 패키지 내에 적층되어 있는 칩들의 발열로 인한 열 신뢰성 문제는 3차원 적층 패키지의 핵심 이슈가 되고 있다. 본 연구에서는 TSV(through-silicon-via) 기술을 이용한 3차원 적층 패키지의 열 특성을 분석하기 위하여 수치해석을 이용한 방열 해석을 수행하였다. 특히 모바일 기기에 적용하기 위한 3D TSV 패키지의 열 특성에 대해서 연구하였다. 본 연구에서 사용된 3차원 패키지는 최대 8 개의 메모리 칩과 한 개의 로직 칩으로 적층되어 있으며, 구리 TSV 비아가 내장된 인터포저(interposer)를 사용하여 기판과 연결되어 있다. 실리콘 및 유리 소재의 인터포저의 열 특성을 각각 비교 분석하였다. 또한 본 연구에서는 TSV 인터포저를 사용한 3D 패키지에 대해서 메모리 칩과 로직 칩을 사용하여 적층한 경우에 대해서 방열 특성을 수치 해석적으로 연구하였다. 적층된 칩의 개수, 인터포저의 크기 및 TSV의 크기가 방열에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다. 이러한 결과를 바탕으로 메모리 칩과 로직 칩의 위치 및 배열 형태에 따른 방열의 효과를 분석하였으며, 열을 최소화하기 위한 메모리 칩과 로직 칩의 최적의 적층 방법을 제시하였다. 궁극적으로 3D TSV 패키지 기술을 모바일 기기에 적용하였을 때의 열 특성 및 이슈를 분석하였다. 본 연구 결과는 방열을 고려한 3D TSV 패키지의 최적 설계에 활용될 것으로 판단되며, 이를 통하여 패키지의 방열 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다.

한국 근대 죽음경관에 대한 국가의 제도적 개입

서일웅,박경환 한국문화역사지리학회 2014 문화 역사 지리 Vol.26 No.3

This paper aims at understanding the ways in which the modern state has intervened in Korean ‘deathscapes’ such as burial and cremation spaces. This research conducted content analysis on documented archives, such as key laws and ordinances, reports, and policy materials, and thus investigated how the state has spatially excluded and marginalized modern deathscapes. The results are as follows. First, the Japanese colonial laws and ordinances directly influenced on and was succeeded by postcolonial regulations on deathscapes. Second, the major target of policy intervention turned to cremation-centered deathscape from burial around 2000. Third, since the mid-1980s, the conventional interventions, based on the central government’s top-down policies, shifted to government’s decentralized practices and private-public partnership. This paper conclusively argues that the intervention of modern state on deathscapes has spatially excluded it from ‘life-world’ and shifted into decentralized policies to secure wider popular support. 본 논문은 매장, 화장, 납골, 산골 등 죽음경관에 대한 근대 국가의 제도적 개입 양상을 고찰하였다. 법령, 정책 자료 등 아카이브에 대한 내용 분석을 실시하여, 근대 국가가 제도적 개입을 통해 죽음경관을 배제하고 주변화하는 방식을 추적하였다. 우선, 식민주의 시기 동안 일제가 양산한 근대적 개입 방식이 해방 후 포스트식민 한국 사회에 계승, 수용되었음을 밝혔다. 둘째, 2000년 무렵 국가의 제도적 개입 목표가 매장에서 화장 중심으로 선회하였음을 밝혔다. 셋째, 해방 후 중앙정부가 주도한 하향식 개입이, 1980년대 중반 이후 민관 협력의 탈중심적 개입으로 변화하였음을 밝혔다. 결국, 본 논문은 근대 국가의 개입이 죽음경관을 ‘삶의 공간’으로부터 분리하기 위해 대중의 합의를 유도하는 방식으로 변화해 왔음을 밝혔다.

TSV 인터포저 기술을 이용한 3D 패키지의 방열 해석

서일웅,이미경,김주현,좌성훈 한국마이크로전자및패키징학회 2014 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.20 No.2

3차원 적층 패키지(3D integrated package) 에서 초소형 패키지 내에 적층되어 있는 칩들의 발열로 인한 열 신뢰성 문제는 3차원 적층 패키지의 핵심 이슈가 되고 있다. 본 연구에서는 TSV(through-silicon-via) 기술을 이용한 3차원적층 패키지의 열 특성을 분석하기 위하여 수치해석을 이용한 방열 해석을 수행하였다. 특히 모바일 기기에 적용하기 위한 3D TSV 패키지의 열 특성에 대해서 연구하였다. 본 연구에서 사용된 3차원 패키지는 최대 8 개의 메모리 칩과 한 개의 로직 칩으로 적층되어 있으며, 구리 TSV 비아가 내장된 인터포저(interposer)를 사용하여 기판과 연결되어 있다. 실리콘 및 유리 소재의 인터포저의 열 특성을 각각 비교 분석하였다. 또한 본 연구에서는 TSV 인터포저를 사용한 3D 패키지에 대해서 메모리 칩과 로직 칩을 사용하여 적층한 경우에 대해서 방열 특성을 수치 해석적으로 연구하였다. 적층된 칩의 개수, 인터포저의 크기 및 TSV의 크기가 방열에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다. 이러한 결과를 바탕으로 메모리 칩과 로직 칩의 위치 및 배열 형태에 따른 방열의 효과를 분석하였으며, 열을 최소화하기 위한 메모리 칩과 로직 칩의최적의 적층 방법을 제시하였다. 궁극적으로 3D TSV 패키지 기술을 모바일 기기에 적용하였을 때의 열 특성 및 이슈를분석하였다. 본 연구 결과는 방열을 고려한 3D TSV 패키지의 최적 설계에 활용될 것으로 판단되며, 이를 통하여 패키지의 방열 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다. In 3-dimensional (3D) integrated package, thermal management is one of the critical issues due to the high heatflux generated by stacked multi-functional chips in miniature packages. In this study, we used numerical simulation methodto analyze the thermal behaviors, and investigated the thermal issues of 3D package using TSV (through-silicon-via)technology for mobile application. The 3D integrated package consists of up to 8 TSV memory chips and one logic chipwith a interposer which has regularly embedded TSVs. Thermal performances and characteristics of glass and siliconinterposers were compared. Thermal characteristics of logic and memory chips are also investigated. The effects of numbersof the stacked chip, size of the interposer and TSV via on the thermal behavior of 3D package were investigated. Numericalanalysis of the junction temperature, thermal resistance, and heat flux for 3D TSV package was performed under normaloperating and high performance operation conditions, respectively. Based on the simulation results, we proposed an effectiveintegration scheme of the memory and logic chips to minimize the temperature rise of the package. The results will be usefulof design optimization and provide a thermal design guideline for reliable and high performance 3D TSV package.

Numerical Prediction of Solder Fatigue Life in a High Power IGBT Module Using Ribbon Bondin

서일웅,정훈선,이영호,좌성훈 전력전자학회 2016 JOURNAL OF POWER ELECTRONICS Vol.16 No.5

This study focused on predicting the fatigue life of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) power module for electric locomotives. The effects of different wiring technologies, including aluminum wires, copper wires, aluminum ribbons, and copper ribbons, on solder fatigue life were investigated to meet the high power requirement of the IGBT module. The module’s temperature distribution and solder fatigue behavior were investigated through coupled electro-thermo-mechanical analysis based on the finite element method. The ribbons attained a chip junction temperature that was 30° C lower than that attained with conventional round wires. The ribbons also exhibited a lower plastic strain in comparison with the wires. However, the difference in plastic strain and junction temperature among the different ribbon materials was relatively small. The ribbons also exhibited different crack propagation behaviors relative to the wires. For the wires, the cracks initiated at the outmost edge of the solder, whereas for the ribbons, the cracks grew in the solder layer beneath the ribbons. Comparison of fatigue failure areas indicated that ribbon bonding technology could substantially enhance the fatigue life of IGBT modules and be a potential candidate for high power modules.

죽음경관의 배제와 포섭

서일웅(Seo, Il Woong),박경환(Park, Kyonghwan) 한국지역지리학회 2014 한국지역지리학회지 Vol.20 No.4

본 논문은 두 가지 주제를 고찰하였다. 우선, 본 논문은 죽음이라는 현상을 실제적으로 이해하기 위해 국외 인문 지리학 영역에서 축적되어 온 연구 성과를 고찰하였다. 이 결과 1950년대부터 물질 경관의 외형 변화에 주목하는 죽음의 지리가 1990년대 무렵 경관 이면의 배경과 맥락에 주목하는 죽음경관 연구로 변동했음을 알 수 있었다. 둘째, 본 논문은 이 연구를 기반으로 하여 근대 이후 한국의 경우 어떠한 제도적 담론이 시민사회의 죽음경관의 배제와 포섭에 개입하였는지를 분석하고자 했다. 그 결과 국가가 기존 죽음경관인 묘지를 억제하기 위해 ‘여의도’, ‘불법·호화·무연고묘지’ 담론 같은 배제 의식을 생산해 왔음을 알 수 있었다. 또한, 화장, 납골, 산골(散骨) 시설 등의 도입을 촉 진하기 위해 ‘통일신라’, ‘선진국’, ‘님비’를 핵심으로 하는 여러 담론을 생산해 왔음을 알 수 있었다. 결과적으로 이러 한 담론의 발현 과정에서 특정한 사실들이 진실로 수용되고 그 이면의 모순들이 은폐되는 현상들을 포착하였다. The subjects of this research are two-folds. First, it investigates the ways in which previous geographic studies have approached to human death and its spatial representations through various theoretical frames. It is found that necrogeographies on cemetery have changed into those studies focusing on the social and spatial contexts in which deathscapes are represented. Second, this research analyzes what institutional discourses have intervened in excluding or including modern deathscapes in Korea. Some discourses socio-spatially excluded specific (undesirable) deathscape, and they mostly depended on employing such terms as ‘Yeoido’ and ‘illegal, luxury, or deserted cemeteries’. On the contrary, other discourses employed such terms as ‘developed country’, ‘Unified-Silla Dynasty’, and ‘NIMBY’, and they introduced new (desirable) types of deathscapes such as cremation. This paper conclusively argues that these discourses engendered ‘truth effect’ so as to introduce and promote specific deathscapes while repressing pre-modern (or conventional) deasthscapes and concealing discursive contradictions.

전동차 추진제어용 IGBT 모듈 패키지의 방열 수치해석

서일웅(Il Woong Suh),이영호(Young-ho Lee),김영훈(Young-hoon Kim),좌성훈(Sung-Hoon Choa) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.10

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 모듈패키지의 방열 설계는 매우 핵심적인 기술이며, 특히, 소자가 동작 한계 온도에 올라가지 않도록 방열설계를 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. Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) are the predominantly used power semiconductors for highcurrent 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.

TSV Interposer를 이용한 System in Package의 방열 해석

서일웅(Il Woong Suh),이미경(Mee kyung Lee),이정훈(JungHoon Lee),좌성훈(Sung Hoon Choa) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.4-1

실험계획법을 이용한 IGBT 모듈 패키지 방열 해석

서일웅(Il Woong Suh),이정훈(Jung Hoon Lee),유세훈(Se-Hoon Yoo),좌성훈(Sung Hoon Choa) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.CAE 및 응용역학 No.-

전동차 동력제어용 IGBT module의 방열해석

서일웅(I. L. Suh),정훈선(H. S. Jung),이정훈(J. H. LEE),좌성훈(S. H. Choa) 한국생산제조학회 2014 한국생산제조시스템학회 학술발표대회 논문집 Vol.2014 No.9(1)