KR101786343B1 - 양면냉각형 파워모듈 - Google Patents

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KR101786343B1
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Abstract

본 발명에 의한 양면냉각형 파워모듈은, 양면에 냉각기가 설치되어 구성된 양면냉각형 파워모듈로서, 양측에 상기 냉각기가 설치되는 제1스위치, 상기 제1스위치와 독립적으로 설치되어 양측에 상기 냉각기가 설치되는 제2스위치 및 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치에 동시에 적층되는 공통전극을 포함한다.

Description

양면냉각형 파워모듈{POWER MODULE OF DOUBLE-FACED COOLING}
본 발명은 양면냉각형 파워모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양면에 냉각기가 배치되고 한 쌍의 스위치로 구성된 양면냉각형 파워모듈에 관한 것이다.
파워모듈은 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동을 위해 사용되고 있다. 통상적으로, 하나의 모터를 구동시키기 위해 6개의 스위치로 구성된 파워모듈을 사용하는데, 각각의 스위치는 IGBT와 다이오드로 구성되어 작동 신호를 전송하면서 전류의 흐름을 통제하게 된다.
도 1에 이러한 파워모듈의 구성도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, IGBT와 다이오드로 구성된 반도체칩이 스위치에 내장되어 있고, 이러한 스위치 두 개가 모여 하나의 유닛을 이루게 된다. 이때, 배터리와 연결되는 제1도선(A) 및 제2도선(B)에 각각 하나씩의 스위치가 연결되고, 이 스위치들은 모터에 연결되는 제3도선(C)에 다시 연결된다.
한편, 반도체칩의 상, 하방에 각각 기판을 설치하고 그 기판의 외측면에 각각 냉각기를 설치한 양면냉각형 파워모듈은, 일반적인 단면냉각형 파워모듈에 비해 냉각 성능이 우수하고, 파워모듈의 크기를 보다 콤팩트하게 제조할 수 있기 때문에, 점차 그 사용이 증가하는 추세에 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 양면냉각형 파워모듈은 제1기판(11) 또는 제3기판(13), 반도체칩(20), 스페이서(30), 제3기판(13) 또는 제2기판(12)을 순차적으로 적층하여 제조되는데, 각 구성들의 사이에는 솔더재(40)를 삽입하여 솔더링 공정을 통해 각 구성들을 결합시키게 된다.
반도체칩(20)은 일부가 솔더재(40) 외부로 노출되어 있는데, 이 노출된 면에는 반도체칩(20)의 제어 신호를 송수신하는 와이어(60)가 결합되어 있다. 와이어(60)를 통해 송수신되는 신호는 리드프레임(50)을 통해 전달된다.
와이어(60)의 설치시에는 약간의 높이 방향 여유 공간이 필요하게 되는데, 이러한 공간을 확보하기 위해 스페이서(30)를 설치하게 된다.
그러나, 이러한 스페이서(30)는 비교적 열적, 전기적 저항이 크므로 냉각 성능 및 신호 전달 성능에 악영향을 미치고, 매 스위치마다 필수적으로 스페이서(30)를 적층시켜야 하므로 원가 측면에서 손실이 불가피하였다.
이에, 사이즈 축소 및 패키지 구조 단순화를 구현하고, 열적, 전기적 저항을 최소화시킨 양면냉각형 파워모듈이 요구되고 있는 실정이다.
일본 공개특허공보 2012-146760 (2012.08.02)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 스페이서를 생략하고 공통전극을 적용하여, 한 쌍의 스위치로 구성된 파워모듈 유닛을 보다 컴팩트하게 제조할 수 있는 양면냉각형 파워모듈을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈은, 양면에 냉각기가 설치되어 구성된 양면냉각형 파워모듈로서, 양측에 상기 냉각기가 설치되는 제1스위치, 상기 제1스위치와 독립적으로 설치되어 양측에 상기 냉각기가 설치되는 제2스위치 및 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치에 동시에 적층되는 공통전극을 포함한다.
상기 제1스위치는, 배터리에 연결되는 제1기판과 모터에 연결되는 제3기판 사이에 제1반도체칩과 상기 공통전극이 적층되어 형성되고, 상기 제2스위치는, 모터에 연결되는 제3기판과 배터리에 연결되는 제2기판 사이에 상기 공통전극과 제2반도체칩이 적층되어 형성되며, 상기 공통전극은, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치에 동시에 적층되도록 일체화되어 상기 제3기판에 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스위치와 상기 제2스위치는 서로 대향되는 형상으로 형성되어, 상기 제1스위치의 상기 제1기판과 상기 제2스위치의 상기 제3기판은 동일한 방향에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스위치의 제1기판, 제1반도체칩, 공통전극 및 제3기판은 각각의 사이가 솔더링 접합되고, 상기 제2스위치의 제3기판, 공통전극, 제2반도체칩 및 제2기판은 각각의 사이가 솔더링 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스위치의 제1기판과 상기 제2스위치의 제3기판은 서로 분할된 별도의 기판으로 형성되고, 상기 제1스위치의 제3기판과 상기 제2스위치의 제2기판은 서로 분할된 별도의 기판으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스위치의 제1기판은 상기 제1스위치의 제3기판보다 넓게 형성되고, 상기 제2스위치의 제3기판은 상기 제2스위치의 제2기판보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1, 2, 3기판은, 구리 또는 알루미늄 재질로 형성되어 상기 냉각기와 접하는 외층, 구리 또는 알루미늄 재질로 형성되어 상기 제1반도체칩 또는 상기 제2반도체칩 또는 상기 공통전극에 접하는 내층, 상기 외층과 상기 내층 사이에 세라믹 재질로 형성된 중간층으로 구성되고, 상기 제1스위치의 제1기판과 상기 제2스위치의 제3기판은, 외층 및 중간층이 일체화되어 형성되되 내층이 분리되어 형성되고, 상기 제1스위치의 제3기판과 상기 제2스위치의 제2기판은, 외층 및 중간층이 일체화되어 형성되되 내층이 분리되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스위치의 제1기판과 상기 제2스위치의 제3기판이 일체화된 기판은, 상기 제2스위치의 제3기판과 상기 제2스위치의 제2기판이 일체화된 기판보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스위치와 상기 제2스위치는 에폭시몰드 컴파운드 또는 실리콘겔로 구성된 봉지재로 밀봉되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1반도체칩 및 상기 제2반도체칩에 연결되어 신호를 송수신하는 와이어를 더 포함한다.
상기 공통전극은, 리드프레임 또는, 구리 또는 알루미늄 재질의 박판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 양면냉각형 파워모듈에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 스페이서를 생략하여 스페이서로 인해 유발되는 냉각 효율 및 전기 전도 효율의 저하를 방지할 수 있다.
둘째, 파워모듈을 보다 컴팩트하게 제조하여 부피를 감소시킬 수 있다.
셋째, 파워모듈의 회로 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 2스위치형 파워모듈을 간략히 나타낸 구성도,
도 2는 종래의 양면냉각형 파워모듈을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈을 나타낸 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 양면냉각형 파워모듈에 대하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 양면에 냉각기가 설치되어 구성된 양면냉각형 파워모듈로서, 제1스위치, 제1스위치와 독립적으로 설치되는 제2스위치 및 제1스위치 및 제2스위치에 동시에 적층되는 공통전극(300)을 포함하여 구성된다.
이때 제1스위치 및 제2스위치의 양측에는 냉각기(미도시)가 설치되어 저항열을 냉각시키게 된다. 즉, 제1스위치 및 제2스위치에 포함되어 있는 반도체칩으로부터 발생하는 열을 양면에서 전달받아 냉각시키는 것이다.
제1스위치는 제1기판(110)과 제3기판(130) 사이에 적층되어 있는 구조로서, 제1기판(110), 제1반도체칩(210), 공통전극(300), 제3기판(130)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 의미한다.
마찬가지로, 제2스위치는 제3기판(130), 공통전극(300), 제2반도체칩(220), 제2기판(120)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 의미한다.
이때 제1기판(110)과 제2기판(120)은 각각 배터리(미도시)에 연결되고, 제3기판(130)은 모터(미도시)에 연결된다.
공통전극(300)은 제1스위치에 적층되는 것과 제2스위치에 적층되는 것이 동일한 구성으로서, 제1,2스위치를 물리적, 전기적으로 결합시키게 된다. 공통전극(300)은 또한 제3기판(130)에 접속되어 신호를 모터로 전송하게 된다.
공통전극의 재질은 종래에 사용되던 리드프레임과 동일하게 구성할 수도 있고, 구리 또는 알루미늄 재질의 박판으로 구성할 수도 있다. 구리, 알루미늄 재질의 박판으로 공통전극을 형성시킬 경우 열전달 효율을 상승시켜 냉각효율이 향상될 수 있고, 파워모듈의 두께를 감소시킬 수도 있을 것이다.
여기에 제1반도체칩(210) 및 제2반도체칩(220)에 연결되어 신호를 송수신하는 와이어(60)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 와이어(60)는 리드프레임(50)에 연결되어 제어 신호 등을 송수신하게 된다.
앞서 설명한 제1,2스위치의 적층 순서는 동일한 방향을 기준으로 순차적으로 적층된 층을 설명한 것으로서, 제1스위치의 제1기판(110)과 제2스위치의 제3기판(130)이 동일한 평면에 위치되고, 제1스위치의 제3기판(130)과 제2스위치의 제2기판(120)이 동일한 평면에 위치하게 된다.
즉, 제1스위치와 제2스위치는 서로 대향되는 구조로 적층된다. 이에 대해 더 자세히 설명하면, 배터리와 연결되는 제1기판(110) 또는 제2기판(120)을 일측으로 보고, 모터와 연결되는 제3기판(130)을 타측으로 봤을 때, 제1스위치와 제2스위치는 동일한 적층 순서(반도체칩-공통전극)를 갖게 된다. 그러나 이를 실제로 설치할 때, 제1스위치와 제2스위치 중 어느 하나를 상하 반전시켜, 서로 대향되는 적층 순서를 갖도록 하는 것이다.
이렇게 제1스위치와 제2스위치를 서로 대향되는 구조로 배치함으로써, 제1반도체칩(210)과 제2반도체칩(220)간의 간섭이 최소화되어, 파워모듈을 보다 컴팩트하게 제조할 수 있게 되는 것이다.
또한, 제1,2스위치의 각 구성들은 그 사이에 솔더재(40)가 배치된 후 가열 솔더링되어 각 구성을 접합시키게 된다. 즉, 제1스위치를 예시로 들어 설명하면, 제1기판(110), 제1반도체칩(210), 공통전극(300), 제3기판(130)의 각 구성 사이마다 솔더재(40)가 배치되고, 이를 솔더링하여 접합시키는 것이다.
솔더재(40)의 세부 구성이나 솔더링 방법에 대한 것은 본 발명의 범위를 벗어나므로 여기에서는 생략하도록 한다.
이에 더해서, 솔더링 이외의 방법으로 각 구성들을 접합시킬 수도 있는데, 예를 들어 신터링(Sintering) 방법을 이용할 수도 있을 것이다.
제1스위치의 제1기판(110)은 제1스위치의 제3기판(130)보다 넓게 형성되고, 제2스위치의 제3기판(130)은 제2스위치의 제2기판(120)보다 넓게 형성되는 것이 바람직한데, 이는 와이어를 접합시키는 공간을 확보하기 위해서이다. 이렇게 기판의 면적을 일부 감소시키더라도 파워모듈의 성능에 미치는 영향을 크지 않으므로, 와이어 접합의 용이함을 위해 기판의 면적을 조정할 수 있다.
제1스위치와 제2스위치는 에폭시몰드 컴파운드 또는 실리콘겔로 구성된 봉지재(70)로 밀봉되는 것이 바람직한데, 이는 제1,2스위치의 유동을 방지하고, 외부 공기나 수분 등에 의한 스위치의 부식을 방지하기 위한 목적으로 형성된다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1스위치의 제1기판(110)과 제2스위치의 제3기판(130)이 일체화되고, 제1스위치의 제3기판(130)과 제2스위치의 제2기판(120)이 일체화되는 것을 특징으로 한다.
설명의 편의를 위해, 일체화된 제1스위치의 제1기판(110)과 제2스위치의 제3기판(130)을 하부기판(410)으로, 일체화된 제1스위치의 제3기판(130)과 제2스위치의 제2기판(120)을 상부기판(420)으로 지칭한다.
하부기판(410) 및 상부기판(420)은 각각 외층, 중간층, 내층으로 구성되는데, 외층 및 내층은 알루미늄 또는 구리 재질로 형성되어 전기 신호를 송수신할 수 있도록 제조되고, 중간층은 세라믹 재질로 형성되어 절연 역할을 수행할 수 있도록 제조된다.
하부기판(410)의 경우 외층(411), 중간층(412), 제1스위치측 내층(413), 제2스위치측 내층(414)으로 구성되어, 외층(411)과 중간층(412)은 일체화되고, 내층은 서로 분할되어 제1스위치와 제2스위치에 각각 접합된다.
이렇게 내층이 분할되어 있으므로, 본 발명의 일실시예의 제1기판(110) 및 제3기판(130)이 분할되어 있는 것과 동일한 효과를 낼 수 있고, 외층과 중간층이 일체화되어 있기 때문에 물리적 변형에 대한 저항성이 높아질 수 있다.
상부기판(420) 역시 외층(421), 중간층(422)은 일체화되고, 제1스위치측 내층(423)과 제2스위치측 내층(424)이 분할되어 있어 하부기판(410)과 유사하게 동작된다.
이때, 하부기판(410)에 비해 상부기판(420)의 면적을 좁게 형성시켜, 와이어(60) 본딩시 접합시킬 수 있는 공간을 확보하는 것이 바람직할 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11: 제1기판(종래) 12: 제2기판(종래)
13: 제3기판(종래) 20: 반도체칩(종래)
30: 스페이서 40: 솔더재
50: 리드프레임 60: 와이어
70: 봉지재 110: 제1기판
120: 제2기판 130: 제3기판
210: 제1반도체칩 220: 제2반도체칩
300: 공통전극 410: 하부기판
411: 하부기판 외층 412: 하부기판 중간층
413: 하부기판 내층(제1스위치) 414: 하부기판 내층(제2스위치)
420: 상부기판 421: 상부기판 외층
422: 상부기판 중간층 423: 상부기판 내층(제1스위치)
424: 상부기판 내층(제2스위치)

Claims (11)

  1. 양면에 냉각기가 설치되어 구성된 양면냉각형 파워모듈로서,
    양측에 상기 냉각기가 설치되는 제1스위치;
    상기 제1스위치와 독립적으로 설치되어 양측에 상기 냉각기가 설치되는 제2스위치; 및
    상기 제1스위치 및 상기 제2스위치에 동시에 적층되는 공통전극;을 포함하고,
    상기 제1스위치는, 배터리에 연결되는 제1기판과 모터에 연결되는 제3기판 사이에 제1반도체칩과 상기 공통전극이 적층되어 형성되고,
    상기 제2스위치는, 모터에 연결되는 제3기판과 배터리에 연결되는 제2기판 사이에 상기 공통전극과 제2반도체칩이 적층되어 형성되며,
    상기 공통전극은, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치에 동시에 적층되도록 일체화되어 상기 제3기판에 접속되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1스위치와 상기 제2스위치는 서로 대향되는 형상으로 형성되어, 상기 제1스위치의 상기 제1기판과 상기 제2스위치의 상기 제3기판은 동일한 방향에 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1스위치의 제1기판, 제1반도체칩, 공통전극 및 제3기판은 각각의 사이가 솔더링 접합되고,
    상기 제2스위치의 제3기판, 공통전극, 제2반도체칩 및 제2기판은 각각의 사이가 솔더링 접합되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1스위치의 제1기판과 상기 제2스위치의 제3기판은 서로 분할된 별도의 기판으로 형성되고,
    상기 제1스위치의 제3기판과 상기 제2스위치의 제2기판은 서로 분할된 별도의 기판으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1스위치의 제1기판은 상기 제1스위치의 제3기판보다 넓게 형성되고,
    상기 제2스위치의 제3기판은 상기 제2스위치의 제2기판보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1, 2, 3기판은, 구리 또는 알루미늄 재질로 형성되어 상기 냉각기와 접하는 외층, 구리 또는 알루미늄 재질로 형성되어 상기 제1반도체칩 또는 상기 제2반도체칩 또는 상기 공통전극에 접하는 내층, 상기 외층과 상기 내층 사이에 세라믹 재질로 형성된 중간층으로 구성되고,
    상기 제1스위치의 제1기판과 상기 제2스위치의 제3기판은, 외층 및 중간층이 일체화되어 형성되되 내층이 분리되어 형성되고,
    상기 제1스위치의 제3기판과 상기 제2스위치의 제2기판은, 외층 및 중간층이 일체화되어 형성되되 내층이 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1스위치의 제1기판과 상기 제2스위치의 제3기판이 일체화된 기판은, 상기 제2스위치의 제3기판과 상기 제2스위치의 제2기판이 일체화된 기판보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈
  9. 청구항 3 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1스위치와 상기 제2스위치는 에폭시몰드 컴파운드 또는 실리콘겔로 구성된 봉지재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1반도체칩 및 상기 제2반도체칩에 연결되어 신호를 송수신하는 와이어를 더 포함하는, 양면냉각형 파워모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 공통전극은, 리드프레임 또는, 구리 또는 알루미늄 재질의 박판으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈.
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