KR101755769B1 - 양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents

양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각 파워 모듈은, 하단 터미널; 상기 하단 터미널 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩; 상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 가로 스페이서; 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서 상에 마운팅되는 상단 터미널; 및 상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이에 배치되는 적어도 한 쌍의 세로 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법{Dual side cooling power module and Method for manufacturing the same}
본 발명은 차량용 인버터의 파워 모듈에 관한 것으로서, 더 상세하게는 파워모듈의 전기적 절연을 위하여 양면의 냉각기와 만나는 면은 세라믹기판을 적용해 절연을 도모하는 전기적 연결 및/또는 기계적인 지지를 하는 스페이서 구조 및/또는 형상을 갖는 양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
일반적으로 환경차에는 구동수단으로 모터가 적용된다. 모터는 제어기의 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 의해 직류전압을 3상 전압으로 변환시키는 인버터로부터 전력 케이블을 통해 전달되는 상전류에 의해 구동된다.
그리고, 상기 인버터에는 배터리로부터 DC(Direct Current) 전원을 공급받아 모터 구동용 전원을 공급하는 파워 모듈이 조립된다.
보통 파워모듈은 6개 또는 3개의 상을 하나의 패키지로 통합한 형태로 이루어진다. 이러한 파워모듈은 전원공급으로 인해 발열이 발생하므로, 안정적인 작동을 위해 발열을 냉각시켜주는 다양한 방식들이 적용된다.
도 1은 일반적인 양면 냉각 방식의 파워 모듈을 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 끝단에 파워 터미널(110)이 형성되는 구리 플레이트(120)가 상하에 놓이고, 칩(130)이 시그널 터미널(160)과 와이어(140)를 통해 연결된다. 칩(130)과 구리 플레이트(120) 사이에 스페이서(150)가 구성된다.
도 1과 같은 구성에 의할 경우, 내부 회로 구성이 어려워 인버터 회로의 6개 스위치 중 1개 이상의 스위치 구현이 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 외부의 절연처리가 안되어 있어 별도의 열전도도가 낮은 절연 시트(약 5~10W/mK) 등의 적용이 요구되어 열적 특성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 칩과 시그널 터미널간 연결을 위해 통상적으로 와이어 본딩이 사용되므로 이러한 높이를 위해 폭이 넓은 스페이서 구조가 요구된다는 문제점이 있다.
1. 한국공개특허 제10-2014-0084590호 2. 한국등록특허 제10-1331724호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 양방향 열 방출을 도모하여 열성능을 개선하고 신뢰성을 향상하는 양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제조 공정을 개선하여 공정의 단순화 및 제조 비용을 절감할 수 있는 양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 일측면은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해, 양방향 열 방출을 도모하여 열성능을 개선하고 신뢰성을 향상하는 양면 냉각 파워 모듈을 제공한다.
상기 양면 냉각 파워 모듈은,
하단 터미널;
상기 하단 터미널상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩;
상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 가로 스페이서;
상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서 상에 마운팅되는 상단 터미널; 및
상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이에 배치되는 적어도 한 쌍의 세로 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이의 높이를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 상기 상단 터미널과 하단 터미널을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서 및 가로 스페이서의 재질은 전도성 세라믹인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 상단 터미널에 접하는 면적이 상기 적어도 한 상의 전력 반도체 칩에 접하는 면적보다 크도록 구배를 갖는 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상단 터미널은, 출력단과 하나의 전극단이 형성되는 제 1 구리 플레이트; 외부 부품과 접촉을 위한 제 2 구리 플레이트; 및 상기 제 1 구리 플레이트와 제 2 구리 플레이트 사이에 배치되는 전도성 세라믹 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하단 터미널은, 출력단과 상기 출력단을 사이에 두고 2개의 전극단이 형성되는 제 1 구리 플레이트; 외부 부품과 접촉을 위한 제 2 구리 플레이트; 상기 제 1 구리 플레이트와 제 2 구리 플레이트 사이에 배치되는 전도성 세라믹 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상단 터미널 또는 하단 터미널은 DBC(Direct Bonded copper)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 칩은 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분으로 구성되며, 상기 적어도 하나의 가로 스페이서는 상기 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분을 각각 대면하는 한 쌍의 스페이서인 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 달리, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 칩은 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분으로 구성되며, 상기 적어도 하나의 가로 스페이서는 상기 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분을 하나로 대면하도록 통합된 형상의 스페이서인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 세로 스페이서는 동일한 전기 극성을 갖는 전극단 또는 출력단을 서로 연결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 칩과 상기 하단 터미널, 상기 적어도 하나의 가로 스페이서와 상기 적어도 하나의 전력 반도체 칩, 및 상기 적어도 하나의 가로 스페이서와 상기 상단 터미널은 솔더링 방식을 이용하여 접착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 양면 냉각 파워 모듈은, 상기 하단 터미널, 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩, 적어도 한 쌍의 가로 스페이서, 상단 터미널, 및 적어도 한 쌍의 세로 스페이서가 조립된 상태에서 몰딩에 의해 형성되는 하우징;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일측면은, 하단 터미널을 준비하는 단계; 상기 하단 터미널 상에 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩을 마운팅하는 단계; 상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 적어도 한 쌍의 가로 스페이서를 마운팅하는 단계; 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 일정 간격으로 적어도 한 쌍의 세로 스페이서를 마운팅하는 단계; 및 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서 상에 상단 터미널을 마운팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법을 제공한다.
이때, 상기 제조 방법은, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 칩과 상기 하단 터미널, 상기 적어도 하나의 가로 스페이서와 상기 적어도 하나의 전력 반도체 칩, 및 상기 적어도 하나의 가로 스페이서와 상기 상단 터미널을 솔더링 방식을 이용하여 접착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제조 방법은, 상기 하단 터미널, 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩, 적어도 한 쌍의 가로 스페이서, 상단 터미널, 및 적어도 한 쌍의 세로 스페이서가 조립된 상태에서 몰딩에 의해 하우징을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스페이서에서 열확산을 도모하므로 열성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 스페이서를 세라믹 재료로 사용함으로써 신뢰성을 개선할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 스페이서를 통합하므로 공정 측면이 단순화되고 비용 절감이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 양면 냉각 방식의 파워 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각 파워 모듈(200)의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 양면 냉각 파워 모듈의 등가 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 양면 냉각 파워 모듈(200)의 내부 레이아웃에 대한 평면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 양면 냉각 파워 모듈(200)의 내부 레이아웃에 대한 일례의 평면도이다.
도 6a는 도 2에 도시된 양면 냉각 파워 모듈(200)의 내부 레이아웃에 대한 은 다른 일례의 평면도이다.
도 6b는 도 6a에서 A-A'축으로 절개한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스페이서의 재질들에 따른 열팽창 계수 대 솔더 변형량의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 6a에 도시된 스페이서의 적용 형상에 대한 제 1 실시예이다.
도 9는 도 6a에 도시된 스페이서의 적용 형상에 대한 제 2 실시예이다.
도 10은 도 6a에 도시된 스페이서의 적용 형상에 대한 제 3 실시예이다.
도 11은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 양면 냉각 파워 모듈을 제조하는 과정을 보여주는 공정도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각 파워 모듈 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각 파워 모듈(200)의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 양면 냉각 파워 모듈(200)은, 하단 터미널(210), 상기 하단 터미널(210) 상에 마운팅되는 제 1 및 제 2 전력 반도체 칩(231,232), 상기 제 1 및 제 2 전력 반도체 칩(231,232) 상에 마운팅되는 제 1 및 제 2 가로 스페이서(251-1,251-2), 상기 제 1 및 제 2 가로 스페이서 상에 마운팅되는 상단 터미널(260), 및 상기 상단 터미널(210)과 하단 터미널(260) 사이에 배치되는 제 1 및 제 2 스페이서(252-1,252-2) 등을 포함하여 구성된다.
하단 터미널(210)은 제 2 출력단(213-2)과 상기 제 2 출력단(213-2)을 사이에 두고 양(+) 전극단(213-1), 제 1 음(-) 전극단(213-3)이 형성되는 제 1 구리 플레이트(213), 외부 부품(예를 들면 냉각기)과 접촉을 위한 제 2 구리 플레이트(211), 상기 제 1 구리 플레이트(213)와 제 2 구리 플레이트(211) 사이에 배치되는 전도성 세라믹 플레이트(212) 등으로 구성된다.
물론, 하단 터미널(210)은 위 구조와 유사한 DBC(Direct Bonded copper)가 사용될 수 있다. 또한, 하단 터미널(210)은 세라믹 기판에 회로 패터닝을 하여 손쉽게 절연이 가능하며, 도 2에 도시된 바와 같이 각 영역별로 구분이 가능하다.
또한, 상단 터미널(260)은, 제 1 출력단(263-1)과 제 2 음(-) 전극단(263-2)이 형성되는 제 1 구리 플레이트(263), 외부 부품(예를 들면 냉각기)과 접촉을 위한 제 2 구리 플레이트(261), 상기 제 1 구리 플레이트(263)와 제 2 구리 플레이트(261) 사이에 배치되는 전도성 세라믹 플레이트(262) 등으로 구성된다.
상단 터미널(260)도 DBC가 사용될 수 있다.
하단 터미널(210)의 상면에 제 1 전력 반도체 칩(231)이 마운팅된다. 이 경우, 하단 터미널(210)의 양(+) 전극단(213-1)과 제 1 전력 반도체 칩(231)은 솔더 방식에 의해 접합된다. 즉, 제 1-1 솔더층(221-1)에 의해 양(+) 전극단(213-1)과 제 1 전력 반도체 칩(231)이 접합된다.
제 1 전력 반도체 칩(231)의 상면에는 제 1 가로 스페이서(251-1)가 마운팅된다. 물론, 제 1 전력 반도체 칩(231)과 제 1 가로 스페이서(251-1)도 제 1-2 솔더층(222-1)에 의해 접합된다.
이 제 1 가로 스페이서(251-1)의 상면에 상단 터미널(260)의 제 1 출력단(263-1)이 마운팅된다. 물론, 제 1 출력단(263-1)과 제 1 가로 스페이서(251-1)도 제 1-3 솔더층(223-1)에 의해 접합된다.
이와 유사하게, 하단 터미널(210)의 상면에 제 2 전력 반도체 칩(232)이 마운팅된다. 이 경우, 하단 터미널(210)의 제 2 출력단(213-2)과 제 2 전력 반도체 칩(232)은 솔더 방식에 의해 접합된다. 즉, 제 2-1 솔더층(222-1)에 의해 제 2 출력단(213-2)과 제 2 전력 반도체 칩(232)이 접합된다.
제 2 전력 반도체 칩(232)의 상면에는 제 2 가로 스페이서(251-2)가 마운팅된다. 물론, 제 2 전력 반도체 칩(232)과 제 2 가로 스페이서(251-2)도 제 2-2 솔더층(222-2)에 의해 접합된다.
이 제 2 가로 스페이서(251-2)의 상면에 상단 터미널(260)의 제 2 음(-) 전극단(263-2)이 마운팅된다. 물론, 제 2 음(-) 전극단(263-2)과 제 2 가로 스페이서(251-2)도 제 2-3 솔더층(223-2)에 의해 접합된다. 즉 전기적 영역이 구분된 상태에서 전기 흐름은 양(+) 전극단(213-1)에서 제 1 전력 반도체 칩(231)과 제 1 가로 스페이서(251-1)를 통해 상단 터미널(260)의 제 1 출력단(263-1)으로 전류가 흐른다. 이는 다시 출력부(263-1), 제 1 세로 스페이서(252-1), 하단 터미널(260)의 제 2 출력단(213-2)으로 전류가 흐른다.
또한, 이러한 전류는, 제 2 음(-) 전극단(263-2), 제 2 세로 스페이서(252-2)를 통해서 하단 터미널(210)의 제 1 음(-) 전극단(213-3)으로 전류가 흐른다.
본 발명의 일실시예에서는 솔더층(221-1,222-1,223-1,221-2,222-2,223-2)에 의해 접합되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 전기 전도성 접착제도 가능하다.
제 1 세로 스페이서(252-1)는 제 1 전력 반도체 칩(231)과 제 2 전력 반도체 칩(232) 사이에 설치되며, 하단 터미널(210)의 츨력단(213-2)과 상단 터미널(260)의 제 1 출력단(263-1)을 연결한다.
또한, 제 2 세로 스페이서(252-2)는 제 2 전력 반도체 칩(232)의 우측에 설치되며, 하단 터미널(210)의 제 1 음(-) 전극단(213-3)과 상단 터미널(260)의 제 2 음(-) 전극단(263-2)을 연결한다.
세로 스페이서(252-1,252-2) 및/또는 가로 스페이서(251-1,251-2)의 재질은 전도성 세라믹인 것을 특징으로 할 수 있다. 제 1 및 제 2 가로 스페이서(251-1,251-2)는 상단 터미널(260)과 하단 터미널(210) 사이의 높이를 조절하는 역할을 한다. 또한, 제 1 및 제 2 가로 스페이서(251-1,251-2)는 전기적 연결을 수행한다.
부연하면, 세로 스페이서(252-1,252-2)는 동일한 전기 극성을 갖는 전극단 및/또는 출력단을 서로 연결한다.
세로 스페이서(252-1,252-2) 및/또는 가로 스페이서(251-1,251-2)는 전기적 및/또는 열적인 통로 역할을 한다. 따라서, 세로 스페이서(252-1,252-2) 및/또는 가로 스페이서(251-1,251-2)는 전기적 및/또는 열적 전도도가 좋아야 하며 패키지의 신뢰성을 확보하기 위해서는 전력 반도체 칩(231,232), 상단 터미널(260), 하단 터미널(210) 등과 유사한 열팽창 계수를 가지는 재료가 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 구리, 알루미늄 등의 금속계열을 사용하지 않고 전도성 세라믹이 사용된다.
전력 반도체 칩(231,232)으로는 FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, 사이리스터, GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터, TRIAC, SCR(Silicon Controlled Rectifier), I.C(Integrated Ciruit) 회로 등이 사용될 수 있다. 특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
또한, 상기 양면 냉각 파워 모듈(200)은, 몰딩에 의해 형성되는 하우징(270)을 포함한다. 몰딩의 재료로는 에폭시 몰드 컴파운드 등이 사용된다.
도 3은 도 2에 도시된 양면 냉각 파워 모듈의 등가 회로도이다. 도 3을 참조하면, 제 1 스위치로서 제 1 전력 반도체 칩(231)과 제 2 스위치로서 제 2 전력 반도체 칩(232)이 구성된다. 제 1 전력 반도체 칩(231-1)은 반도체(231-1)와 다이오드(231-2)로 구성된다. 물론, 제 2 전력 반도체 칩(232)도 이와 동일한 구조를 갖는다.
도 4는 도 3에 도시된 양면 냉각 파워 모듈(200)의 내부 레이아웃에 대한 평면도이다. 도 4를 참조하면, 제 1 스위치인 제 1 전력 반도체 칩(231)은 제 1 반도체 칩(411)과 제 1 다이오드 칩(412)으로 구성되고, 제 2 스위치인 제 2 전력 반도체 칩(232)은 제 2 반도체 칩(421)과 제 2 다이오드 칩(422)으로 구성된다.
도 5는 도 2에 도시된 양면 냉각 파워 모듈(200)의 내부 레이아웃에 대한 평면도이다. 도 5를 참조하면, 2개 스위치를 구성하는 양면 냉각 파워 모듈(200)에서 제 1 스위치(510)에서 양 전극단(+)과 출력단을 연결하기 위한 제 1-1 가로 스페이서(511) 및 제 1-2 가로 스페이서(512), 제 2 스위치(520)에서 출력단과 음 전극단(-)을 연결하기 위한 제 2-1 가로 스페이서(521) 및 제 2-2 가로 스페이서(522), 동일한 출력단과 출력단을 연결하는 제 1 세로 스페이서(252-1)와, 동일한 음 전극단을 연결하기 위한 제 2 세로 스페이서(252-1)로 구성된다. 즉, 총 6개의 스페이서가 요구된다.
도 6a는 도 2에 도시된 양면 냉각 파워 모듈(200)의 내부 레이아웃에 대한 은 다른 일례의 평면도이다. 도 6a를 참조하면, 도 5에 도시된 2개의 가로 스페이서(511,512)를 하나의 가로 스페이서(610)로 대체하고, 2개의 가로 스페이서(521,522)를 하나의 가로 스페이서(620)로 대체한 것이다. 부연하면, 동일한 전기 극성을 갖는 스페이서들을 하나의 스페이서로 각각 통합하여 열확산 효과를 증대시키는 구조를 취하고 있다. 이것은 열성능을 개선할 뿐만 아니라 스페이서의 통합되는 효과를 가져가므로 제조 공정에서 스페이서를 칩 위에 놓는 공정이 6번에서 4번으로 축소됨으로써 공정 개선이 가능하다.
도 6b는 도 6a에서 A-A'축으로 절개한 단면도이다. 도 6b를 참조하면, 제 2 가로 스페이서(620)는 상단 터미널(도 2의 260)에 접하는 면적이 제 2 전력 반도체 칩(232)에 접하는 면적보다 크도록 구배(601)를 갖는 형상이 된다.
부연하면, 제 2 가로 스페이서(620)가 전력 반도체 칩(232)과 접촉하는 면적 에 대비하여 상단 터미널(도 2의 260)의 전도성 세라믹 플레이트(262)와 접촉하는 면적을 크게함으로써 열성능을 개선할 수 있다. 즉, 가로 스페이서가 구배를 가지는 형상을 가져감으로써 열성능을 더 개선할 수 있다. 도 6b에서는 제 2 가로 스페이서(620)에 대해서 설명하였으나, 제 1 가로 스페이서(610)에도 동일하게 적용된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스페이서의 재질들에 따른 열팽창 계수 대 솔더 변형량의 관계를 보여주는 그래프이다. 스페이서의 재질로서는 전기적 및/또는 열적 전도도가 좋아야 하며 패키지의 신뢰성을 확보하기 위해서는 전력 반도체 칩, 전도성 세라믹 플레이트와 유사한 열팽창 계수를 가지는 재료가 사용된다.
도 7을 참조하면, 스페이서의 재질로서 구리, 알루미늄 등과 같은 금속계열을 적용할 경우 열성능 향상을 꾀할 있다. 그러나 열팽창 계수 차이가 심해져 솔더에 응력이 집중되면서 신뢰성에 심각한 문제를 가져오는 단점이 있다.
도 8 내지 도 10은 6a에 도시된 가로 스페이서의 적용 형상에 대한 실시예들이다. 부연하면, 도 8은 도 2에 도시된 스페이서의 적용 형상에 대한 제 1 실시예이다. 도 8을 참조하면, 가로 스페이서는 반도체 칩의 상단면에 대면하는 칩용 가로 스페이서(811)와 다이오드용 가로 스페이서(812)로 구성된다. 부연하면, 칩용 가로 스페이서(811)가 단면으로 보면 이등변 사각형 형상이 되고, 다이오드용 가로 스페이서(812)는 단면이 직사각형 형상이 된다.
도 9는 도 6b에 도시된 스페이서의 적용 형상에 대한 제 2 실시예이다. 도 9를 참조하면, 칩용 가로 스페이서(911) 및 다이오드용 가로 스페이서(912) 모두 단면이 이등변 사각형 형상이 되나, 다이오드용 가로 스페이서(812)의 길이가 칩용 가로 스페이서(912)보다 큰 형태이다.
도 10은 도 2에 도시된 스페이서의 적용 형상에 대한 제 3 실시예이다. 도 10을 참조하면, 칩용 가로 스페이서(1011)는 단면이 단차가 있는 형상이고, 다이오드용 가로 스페이서(1012)는 단면이 직사각형 형상이 된다.
도 11은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 양면 냉각 파워 모듈을 제조하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 11을 참조하면, 하단 터미널(도 2의 210)을 준비한다(단계 S1110).
상기 하단 터미널(210) 상에 전력 반도체 칩(도 2의 231,232)들을 마운팅하고 솔더링한다(단계 S1120,S1130).
솔더링 이후, 전력 반도체 칩(231,232) 상에 가로 스페이서(251-1,251-2)들을 설치하고 솔더링한다(단계 S1140,S1150).
솔더링 이후, 가로 스페이서(251-1,251-2)들과 일정 간격으로 세로 스페이서(도 2의 252-1,252-2)들을 설치한다(단계 S1160).
세로 스페이서들의 설치이후, 상단 터미널(도 2의 260)을 마운팅하고 솔더링을 한다(단계 S1170,S1180).
마지막으로, 이들 가로 스페이서, 세로 스페이서, 상단 터미널 등이 조립된 상태에서 몰딩을 수행하여 하우징을 형성한다(단계 S1190).
200: 양면 냉각 파워 모듈
210: 하단 터미널
211,261: 제 1 구리 플레이트 212,262: 전도성 세라믹 플레이트
213,263: 제 2 구리 플레이트 213-1: 양 전극단
213-2: 제 2 출력단 213-3: 제 1 음 전극단
231: 제 1 전력 반도체 칩 232: 제 2 전력 반도체 칩
251-1: 제 1 가로 스페이서 251-2: 제 2 가로 스페이서
252-1: 제 1 세로 스페이서 252-2: 제 2 세로 스페이서
260: 상단 터미널 263-1: 제 1 출력단
263-2: 제 2 음 전극단
270: 하우징

Claims (21)

  1. 하단 터미널;
    상기 하단 터미널 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩;
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 가로 스페이서;
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서 상에 마운팅되는 상단 터미널; 및
    상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이에 배치되는 적어도 한 쌍의 세로 스페이서;를 포함하며,
    상기 적어도 한쌍의 전력 반도체 칩은 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분으로 구성되며, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분을 각각 대면하는 한 쌍의 스페이서인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  2. 하단 터미널;
    상기 하단 터미널 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩;
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 마운팅되는 적어도 한 쌍의 가로 스페이서;
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서 상에 마운팅되는 상단 터미널; 및
    상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이에 배치되는 적어도 한 쌍의 세로 스페이서;를 포함하며,
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩은 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분으로 구성되며, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분을 하나로 대면하도록 통합된 형상의 스페이서인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이의 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 상기 상단 터미널과 하단 터미널을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서 및 가로 스페이서의 재질은 전도성 세라믹인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 상단 터미널에 접하는 면적이 상기 적어도 한 상의 전력 반도체 칩에 접하는 면적보다 크도록 구배를 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상단 터미널은,
    출력단과 하나의 전극단이 형성되는 제 1 구리 플레이트;
    외부 부품과 접촉을 위한 제 2 구리 플레이트; 및
    상기 제 1 구리 플레이트와 제 2 구리 플레이트 사이에 배치되는 전도성 세라믹 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하단 터미널은,
    출력단과 상기 출력단을 사이에 두고 2개의 전극단이 형성되는 제 1 구리 플레이트;
    외부 부품과 접촉을 위한 제 2 구리 플레이트;
    상기 제 1 구리 플레이트와 제 2 구리 플레이트 사이에 배치되는 전도성 세라믹 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상단 터미널 또는 하단 터미널은 DBC(Direct Bonded copper)인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 동일한 전기 극성을 갖는 전극단 또는 출력단을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 한쌍의 전력 반도체 칩과 상기 하단 터미널, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩, 및 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 상단 터미널은 솔더링 방식을 이용하여 접착되는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하단 터미널, 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩, 적어도 한 쌍의 가로 스페이서, 상단 터미널, 및 적어도 한 쌍의 세로 스페이서가 조립된 상태에서 몰딩에 의해 형성되는 하우징;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈.
  13. 하단 터미널을 준비하는 단계;
    상기 하단 터미널 상에 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩을 마운팅하는 단계;
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 적어도 한 쌍의 가로 스페이서를 마운팅하는 단계;
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 일정 간격으로 적어도 한 쌍의 세로 스페이서를 마운팅하는 단계; 및
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서 상에 상단 터미널을 마운팅하는 단계;를 포함하며,
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩은 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분으로 구성되며, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분을 각각 대면하는 한 쌍의 스페이서인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  14. 하단 터미널을 준비하는 단계;
    상기 하단 터미널 상에 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩을 마운팅하는 단계;
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩 상에 적어도 한 쌍의 가로 스페이서를 마운팅하는 단계;
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 일정 간격으로 적어도 한 쌍의 세로 스페이서를 마운팅하는 단계; 및
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서 상에 상단 터미널을 마운팅하는 단계;를 포함하며,
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩은 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분으로 구성되며, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 반도체 칩 부분과 다이오드 칩 부분을 하나로 대면하도록 통합된 형상의 스페이서인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  15. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 상기 상단 터미널과 하단 터미널 사이의 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  16. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서는 상기 상단 터미널과 하단 터미널을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  17. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 세로 스페이서 및 가로 스페이서의 재질은 전도성 세라믹인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  18. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서는 상기 상단 터미널에 접하는 면적이 상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩에 접하는 면적보다 크도록 구배를 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  19. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩과 상기 하단 터미널, 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩, 및 상기 적어도 한 쌍의 가로 스페이서와 상기 상단 터미널은 솔더링 방식을 이용하여 접착되는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  20. 제 13 항 또는 14 항에 있어서,
    상기 상단 터미널 또는 하단 터미널은 DBC(Direct Bonded copper)인 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
  21. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 상단 터미널을 마운팅하는 단계이후,
    상기 하단 터미널, 적어도 한 쌍의 전력 반도체 칩, 적어도 한 쌍의 가로 스페이서, 상단 터미널, 및 적어도 한 쌍의 세로 스페이서가 조립된 상태에서 몰딩에 의해 하우징을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각 파워 모듈의 제조 방법.
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