KR101331669B1 - 전력 모듈용 기판 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 전력 모듈용 기판에 관한 것으로서, 메탈 베이스기판; 메탈 베이스기판 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층과 다층의 절연 접착층 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층을 포함하는 절연층; 및 절연층 상에 형성된 회로층;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 모듈용 기판{SUBSTRATE FOR POWER MODULE}
본 발명은 전력 모듈용 기판에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 사용량이 증가함에 따라, 제한된 에너지의 효율적인 사용에 지대한 관심을 가지기 시작했다. 이에 따라, 기존 가전용/산업용 제품에서 에너지의 효율적인 컨버젼(Conversion)을 위한 IPM(Intelligent Power Module)을 적용한 인버터의 채용이 가속화되고 있다.
한편, 문헌 1을 비롯하여 다양한 구조의 파워 모듈의 확대 적용에 따라 시장의 요구는 더욱더 고집적화, 고용량화, 소형화되고 있으며, 이에 따른 파워 모듈의 고집적화는 전자 부품의 발열 문제와 모듈 전체의 성능을 떨어뜨리는 결과를 초래하고 있다.
따라서, 파워 모듈의 효율 증가와 고신뢰성 확보를 위해서는 위와 같은 발열 문제를 해결할 수 있는 고방열 패키지 구조가 요구되고 있는 실정이다.
[문헌 1] US 6,432,750 B 2002.08.13
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 열전도도가 높아 방열 효율을 향상시킬 수 있는 전력 모듈용 기판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판은 메탈 베이스기판;
상기 메탈 베이스기판 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층과 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층을 포함하는 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성된 회로층;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 세라믹 필러층은 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면 전면에 세라믹 필러가 균일하게 형성된 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 세라믹 필러층에 포함된 세라믹 필러의 함량은 80% 내지 93%일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 세라믹 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 세라믹 필러층은 동일 평면상에 배치된 세라믹 필러가 상기 세라믹 필러에 인접한 상기 절연 접착층에 함침된 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 절연 접착층은 프리프레그(Prepreg), 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(Poly Imide), 리퀴드 크리스탈 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 메탈 베이스기판은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판은 메탈 베이스기판;
상기 메탈 베이스기판 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층과 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층을 포함하는 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성된 회로층;
을 포함하고, 상기 다층의 절연 접착층은 제1 세라믹 필러를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 세라믹 필러층은 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면 전면에 제2 세라믹 필러가 균일하게 형성된 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 세라믹 필러층에 포함된 제2 세라믹 필러의 함량은 80% 내지 93%일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 제1 및 제2 세라믹 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 제1 세라믹 필러의 입자 크기는 제2 세라믹 필러의 입자 크기보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 세라믹 필러층은 동일 평면상에 배치된 세라믹 필러가 상기 세라믹 필러에 인접한 상기 절연 접착층에 함침된 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 절연 접착층은 프리프레그(Prepreg), 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(Poly Imide), 리퀴드 크리스탈 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈용 기판의 상기 메탈 베이스기판은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 기판은 메탈 소재의 베이스 기판과 다층의 세라믹 필러층을 적용하기 때문에, 파워 모듈에서 발생하는 열을 세라믹 필러층을 통해 효율적으로 전도시킬 수 있고, 이로 인해 파워 모듈용 기판의 방열 특성이 향상될 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 절연층을 다층의 세라믹 필러층으로 구성하기 때문에, 별도의 방열기판을 형성하는 종래의 기술에 비해 단순한 공정을 통해 소형화 및 방열 특성이 향상된 전력 모듈용 기판을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 기판의 구성을 나타내는 단면도.
도 2 및 도 3은 도 1의 절연층에 대한 제1 실시예를 상세하게 나타내는 단면도.
도 4 및 도 5는 도 1의 절연층에 대한 제2 실시예를 상세하게 나타내는 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 세라믹 필러 함량에 대한 실험 데이터를 나타내는 도면.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
전력 모듈용 기판-제1 실시예
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 기판의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 절연층에 대한 제1 실시예를 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈용 기판(100)은 메탈 베이스기판(110), 메탈 베이스기판(110) 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층(121a, 121b, 121c, 이하 121로 하기로 함)과 다층의 절연 접착층(121) 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층(123, 123a, 123b)을 포함하는 절연층(120) 및 절연층(120) 상에 형성된 회로층(130)을 포함할 수 있다.
여기에서, 메탈 베이스기판(110)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
또한, 메탈 베이스기판(110)은 운용자의 필요에 따라 다양한 두께와 사이즈로 가공될 수 있다.
이때, 메탈 베이스기판(110)은 다양한 두께로 형성하는 것이 가능하기 때문에, 다운셋(Down-set) 구조를 사용하지 않은 리드 프레임을 적용할 수 있어 공정성이 크게 향상될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에서 도시하는 바와 같이, 절연층(120)은 제1 절연 접착층(121a)을 형성한 이후, 제1 절연 접착층(121a) 상에 세라믹 필러를 전면에 균일하게 도포하고, 세라믹 필러가 도포된 제1 절연 접착층(121a) 상에 제2 절연 접착층(121b)을 적층하여 형성한다.
이때, 절연 접착층(121, 121a, 121b)은 프리프레그(Prepreg), 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(Poly Imide), 리퀴드 크리스탈 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 세라믹 필러를 절연 접착층 상에 도포하는 방법은 세라믹 파티클(Ceramic Particle)을 스프레이로 도포하는 스프레이(Spray) 공법, 폴리머 필름(Polymer Film)을 대전(Charge)하여 정전기에 의해 폴리머 필름상에 세라믹 필러 파티클이 붙도록 한 뒤, 제1 절연 접착층 상에 전사하는 정전기법, 세라믹 필러의 함량이 80% 내지 93%가 되도록 프리프레그 필름을 접합하는 프리프레그 접합 공법을 적용할 수 있다.
상기 절연 접착층(121, 121a, 121b)의 두께는 절연 접착층의 적층 수, 배열된 세라믹 필러층의 적층수에 따라 정해질 수 있다.
도 2 및 도 3에서 도시하는 바와 같이, 세라믹 필러층(123)은 동일 평면상에 배치된 세라믹 필러가 상기 세라믹 필러에 인접한 절연 접착층(예를 들어, 제1 절연 접착층(121a) 또는 제2 절연 접착층(121b))에 함침된 형태로 형성되는 것이다.
상기 세라믹 필러층(123)은 도 2에서 도시하는 바와 같이, 단일층(123)으로 구성되거나, 또는 도 3에서 도시하는 바와 같이, 2층 이상의 다층(123a, 123b)으로 구성되는 것이 가능하다.
또한, 세라믹 필러층(123)은 다층의 절연 접착층(121) 간 접합 계면 전면에 세라믹 필러가 균일하게 형성된 형태일 수 있다.
이때, 상기 세라믹 필러층(123)에 포함된 세라믹 필러의 함량이 80% 내지 93%일 수 있다. 즉, 세라믹 필러층(123)은 세라믹 필러가 동일 평면상에 형성된 절연 접착층과 비교하여 80% 내지 93% 포함될 수 있다는 것이다.
한편, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 절연재(예를 들어, 에폭시)에 포함된 세라믹 필러(동일 평면상에 균일하게 형성)의 함량이 80% 내지 93%인 경우(도 6의 A)에도 접착력(Adhesion)이 기판 제작 공정 중 메탈과 절연재 간의 접착력 기준치인 1.2kgf 이상을 유지하고, 세라믹 필러 증가에 대한 접착력 변화가 거의 없어 신뢰성이 확보될 수 있다.
이에 반해, 종래 기술(도 6의 B)은 절연재에 포함된 세라믹 필러의 함량이 증가할수록 접착력이 급격하게 감소하여 접착력 기준치인 1.2kgf 이하로 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 절연재(예를 들어, 에폭시)에 포함된 세라믹 필러(동일 평면상에 균일하게 형성)의 함량이 80% 내지 93%인 경우(도 7의 C)에도 분리 전압(Isolation Voltage)이 전력 모듈(Power Module) 적용을 위한 기준치 1.5kV 이상인 2.5kV 이상 확보될 수 있다.
이에 반해, 종래 기술(도 7의 D)은 절연재에 포함된 세라믹 필러의 함량이 증가할수록 분리 전압이 급격하게 저하하여 기준치인 1.5kV 이하로 떨어져 전력 모듈에 적용할 수 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전력 모듈용 기판(100)은 세라믹 필러의 함량이 향상되어도 전력 모듈에 적용할 수 있기 때문에, 세라믹 필러로 인한 방열 특성 향상, 전력 모듈 패키지의 소형화, 고집적화 및 고용량화 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한, 상기 세라믹 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
또한, 회로층(130)은 절연층(120) 상에 형성하되, 절연층과의 접합 강도를 높이기 위해 접합 계면 측의 구리 포일(Cu Foil)에 샌드 블라스트(Sand Blast) 공법, 화학적 에칭(Chemical Etching) 또는 버프 연마(Buffing) 공법이 적용될 수 있다.
또한, 상술한 메탈 베이스기판(110), 절연층(120) 및 회로층(130)은 고온 및 고압의 프레스 공정을 통해 접합될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
전력 모듈용 기판-제2 실시예
도 4 및 도 5는 도 1의 절연층에 대한 제2 실시예를 상세하게 나타내는 단면도로서, 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
다만, 제2 실시예에 대한 구성 중 제1 실시예의 구성과 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1, 도 4 및 도 5에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈용 기판(100)은 메탈 베이스기판(110), 메탈 베이스기판(110) 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층(121a, 121b, 121c, 이하 121로 하기로 함)과 다층의 절연 접착층(121) 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층(123, 123a, 123b)을 포함하는 절연층(120) 및 절연층(120) 상에 형성된 회로층(130)을 포함할 수 있다.
이때, 다층의 절연 접착층(121)은 제1 세라믹 필러(125)를 포함할 수 있다.
또한, 메탈 베이스기판(110)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어질 수 있다.
또한, 절연 접착층(121)은 프리프레그(Prepreg), 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(Poly Imide), 리퀴드 크리스탈 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 세라믹 필러층(123)은 다층의 절연 접착층(121) 간 접합 계면 전면에 제2 세라믹 필러가 균일하게 형성된 형태일 수 있다.
이때, 상기 세라믹 필러층(123)에 포함된 세라믹 필러의 함량이 80% 내지 93%일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 세라믹 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5에서 도시하는 바와 같이, 세라믹 필러층(123)은 동일 평면상에 배치된 세라믹 필러가 상기 세라믹 필러에 인접한 절연 접착층(121)에 함침된 형태일 수 있다.
상기 세라믹 필러층(123)은 도 4에서 도시하는 바와 같이, 단일층(123)으로 구성되거나, 또는 도 5에서 도시하는 바와 같이, 2층 이상의 다층(123a, 123b)으로 구성되는 것이 가능하다.
또한, 제1 세라믹 필러(125)의 입자 크기는 제2 세라믹 필러(세라믹 필러층 (123)에 포함된 필러)의 입자 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 기판(100)은 방열 특성이 양호하기 때문에, 이후 전력 모듈 패키지에 적용될 때, 파워 소자와 같이 발열이 큰 소자에 대한 발열도 효율적으로 제거할 수 있어, 열에 취약한 제어 소자에 미치는 영향을 최소화하여 제품의 신뢰성 및 라이프 타임(Life Time) 구동 특성을 개선할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 기판(100)은 CBM(Copper Bonded Metal) 기판의 메탈 베이스기판의 두께를 다양한 두께로 제어하는 것이 가능하기 때문에 다운셋(Down-set) 구조 적용 없이 리드 프레임을 사용할 수 있어 모듈 제조 공정성이 크게 향상될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 실시예는 전력 모듈용 기판상에 자유로운 메탈 회로 배선 형성이 가능하기 때문에, 모듈의 디자인 자유도가 크게 향상될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 전력 모듈용 기판
110 : 메탈 베이스기판
120 : 절연층
121, 121a, 121b, 121c : 절연 접착층
123, 123a, 123b : 세라믹 필러층
125 : 세라믹 필러
130 : 회로층

Claims (15)

  1. 메탈 베이스기판;
    상기 메탈 베이스기판 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층과 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층을 포함하는 절연층; 및
    상기 절연층 상에 형성된 회로층;
    을 포함하며,
    상기 세라믹 필러층은 동일 평면상에 배치된 세라믹 필러가 상기 세라믹 필러에 인접한 상기 절연 접착층에 함침된 형태인 전력 모듈용 기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 필러층은 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면 전면에 세라믹 필러가 균일하게 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 세라믹 필러층에 포함된 세라믹 필러의 함량은 80% 내지 93%인 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 세라믹 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 접착층은 프리프레그(Prepreg), 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(Poly Imide), 리퀴드 크리스탈 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탈 베이스기판은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  8. 메탈 베이스기판;
    상기 메탈 베이스기판 상에 형성되되, 다층의 절연 접착층과 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면에 형성된 세라믹 필러층을 포함하는 절연층; 및
    상기 절연층 상에 형성된 회로층;
    을 포함하고, 상기 다층의 절연 접착층은 제1 세라믹 필러를 포함하는 전력 모듈용 기판.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 세라믹 필러층은 상기 다층의 절연 접착층 간 접합 계면 전면에 제2 세라믹 필러가 균일하게 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 세라믹 필러층에 포함된 제2 세라믹 필러의 함량은 80% 내지 93%인 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세라믹 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AIN), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  12. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 세라믹 필러의 입자 크기는 제2 세라믹 필러의 입자 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 세라믹 필러층은 동일 평면상에 배치된 세라믹 필러가 상기 세라믹 필러에 인접한 상기 절연 접착층에 함침된 형태인 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 절연 접착층은 프리프레그(Prepreg), 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(Poly Imide), 리퀴드 크리스탈 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 메탈 베이스기판은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 모듈용 기판.
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