납땜 대신 압력으로 연결한 GaN 인버터: 3D프린팅 몰드의 역할
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전력 트랜지스터를 기판에 붙이지 않고 눌러 놓아도 인버터가 돌아갈까. ETH 취리히 첨단 메카트로닉스 시스템 그룹은 3D프린팅 수지 몰드와 고무 패드로 조립한 400 V·2.5 kW급 GaN 가변속 구동 장치를 시험했다. GaN은 질화갈륨을 뜻하며, 이 결과는 동료 심사 전 사전 공개 논문에 담겼다.
논문은 영구적인 납땜 연결이 전력변환기의 완전 분해와 부품 재사용을 어렵게 한다고 설명한다. 앞선 수지 몰드 압착 방식은 저전압 신호 전자장치와 비양산 환경에서만 시연됐다.
AI 개념 이미지: 3D프린팅 수지 몰드와 고무 패드가 GaN 전력 부품을 회로기판에 눌러 고정하는 구조를 보여준다. 실제 시제품 사진은 아니다.
3D프린팅 수지 몰드와 고무 패드가 맡은 일
몰드에는 부품별 홈이 있다. 연구진은 그 안에 부품과 고무 압축 패드를 넣고 기판을 덮은 뒤 나사를 조였다. 패드가 부품 단자를 기판의 금속 접점에 밀어 붙여 납땜 없이 전기가 흐르는 경로를 만든다.
핵심은 압력을 각 단자에 유지하는 일이다. 작동 중 열로 팽창할 때도 접점 저항을 낮게 유지하려면 충분한 힘이 필요하다. 부품 높이와 단자 모양은 조금씩 달라서, 연구진은 패드가 눌리며 그 차이를 흡수하도록 치수를 정했다.
GaN 전력 트랜지스터에는 단자마다 패드를 놓아 조임 힘을 반도체 패키지가 아닌 기판 접점 쪽으로 전달했다. 초기에는 낮은 부품이 접점 대신 기판의 절연 코팅인 솔더마스크 위에 놓이는 문제도 있었다. 해당 부품 아래의 솔더마스크를 제거하도록 기판 설계를 바꿔 직접 접촉하게 했다.
투명 수지 몰드는 빛으로 수지를 굳히는 MSLA 방식으로 3D프린팅했고, 고무 패드는 CNC 레이저 커터로 만들었다. 조립 후 전원을 넣기 전에는 기판 뒷면의 시험 접점으로 연결을 확인했다.
납땜 기판과 비교한 출력과 접점
연구진은 부품 배치가 같은 납땜 기판을 기준으로 삼았다. 정격 단상 출력으로 부하를 건 시험에서 두 기판은 기본 출력 주기 네 번에 걸쳐 같은 정현파 부하 전압과 인덕터 전류를 보였다. 이 결과가 보여 주는 작동 범위는 시험한 단상 구간이다.
ETH 취리히 연구진의 열순환 시험에서는 방열판 온도가 최고 90 °C에 이르는 120회 동안 유효 도통 저항의 열화가 나타나지 않았다. 이 저항에는 트랜지스터 자체와 기판 접점의 저항이 함께 포함된다. 별도 진동 시험에서도 전원이 공급된 시제품의 전기적 연결이 유지됐지만, 그때는 큰 방열판을 장착하지 않았다.
수리 가능성이 바꾸는 설계 판단
연구진은 전력 트랜지스터 고장 뒤 부품을 손상 없이 교체했다. 아이컨택은 교체가 중요한 장치라면 출력 몰드로 압착 구조를 시험하면서, 낮은 부품의 단자가 실제 기판 접점에 닿는지부터 확인할 만하다고 본다.
초기 전과정평가에서 출력 수지 몰드는 무납땜품의 제조 단계 탄소발자국을 납땜 기준품보다 높였다. 사출성형으로 바꾼 가정 시나리오에서는 기준품에 가까워졌다.
양산을 판단할 때는 조립 작업도 살펴야 한다. 이 시제품에는 여전히 상당한 수작업이 필요하며, 연구진은 향후 그 작업량을 정량화해야 한다고 밝혔다.
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