KR102579440B1 - Power module of double side cooling - Google Patents

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KR102579440B1 KR1020190001247A KR20190001247A KR102579440B1 KR 102579440 B1 KR102579440 B1 KR 102579440B1 KR 1020190001247 A KR1020190001247 A KR 1020190001247A KR 20190001247 A KR20190001247 A KR 20190001247A KR 102579440 B1 KR102579440 B1 KR 102579440B1
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Abstract

본 발명의 양면 냉각형 파워 모듈은 제1 상부기판, 제1 하부 기판 및 상기 제1 상부기판과 상기 제1 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 포함하도록 모듈화된 제1 파워 모듈; 및 제2 상부 기판, 제2 하부 기판 및 상기 제2 상부기판과 상기 제2 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하도록 모듈화된 제2 파워 모듈을 포함한다.The double-sided cooled power module of the present invention includes a first upper substrate, a first lower substrate, and the high-side diode element and the low-side switching element embedded between the first upper substrate and the first lower substrate. A modular first power module; and a second power module modularized to include a second upper substrate, a second lower substrate, and the high-side switching element and the low-side diode element embedded between the second upper substrate and the second lower substrate. do.

Description

양면 냉각형 파워 모듈{POWER MODULE OF DOUBLE SIDE COOLING}Double side cooling power module {POWER MODULE OF DOUBLE SIDE COOLING}

본 발명은 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 구동모터를 작동시키는 양면 냉각형 파워 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a double-sided cooling power module that operates the drive motors of hybrid vehicles and electric vehicles.

하이브리드 자동차 및 전기자동차의 구동모터를 작동시키기 위해서는 인버터가 필수적이다. 구동모터의 효율을 향상시키기 위해서는, 인버터에 포함되는 일종의 스위치 소자인 파워모듈을 소형화시키고, 동시에 냉각효율을 향상시키는 것이 중요하다.An inverter is essential to operate the drive motors of hybrid and electric vehicles. In order to improve the efficiency of the drive motor, it is important to miniaturize the power module, a type of switch element included in the inverter, and simultaneously improve cooling efficiency.

두 개의 기판 사이에 반도체칩을 설치하여 양 기판의 바깥쪽에 냉각기를 설치하는 양면냉각 파워모듈은 단면 냉각 파워모듈에 비해 냉각 효율이 높고, 회로 구조를 단순화시킬 수 있어 파워모듈의 소형화를 위해 중요한 기술이다.Double-sided cooling power modules, which install a semiconductor chip between two boards and install a cooler on the outside of both boards, have higher cooling efficiency than single-sided cooling power modules and can simplify the circuit structure, making them an important technology for miniaturizing power modules. am.

도 1은 종래의 인버터를 나타내는 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a conventional inverter.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 인버터는 양극 단자(Terminal_P)와 음극 단자(Terminal_N) 사이에 병렬 연결된 인버터 암(arm, 이하, '파워 모듈'이라 함)들(11, 13, 15)을 포함한다.As shown in Figure 1, the conventional inverter includes inverter arms (arms, hereinafter referred to as 'power modules') 11, 13, and 15 connected in parallel between the positive terminal (Terminal_P) and the negative terminal (Terminal_N). Includes.

각 인버터 암은 직렬 연결된 하이-사이드(high-side) 트랜지스터(Thigh)와 로우-사이드(low-side) 트랜지스터(Tlow)를 포함하고, 이들 트랜지스터와 각각 병렬로 연결된 하이 다이오드(Dhigh)와 로우 다이오드(Dlow)를 포함한다. 각 파워 모듈은 하이 트랜지스터(Thigh)와 로우 트랜지스터(Tlow) 사이의 출력 단자(Terminal_U, Terminal_V, Terminal_W)를 통해 서로 다른 상의 전압을 구동 모터(M)에 인가한다.Each inverter arm includes a high-side transistor (T high ) and a low-side transistor (T low ) connected in series, and a high diode (D high ) connected in parallel with each of these transistors. and a low diode (D low ). Each power module applies voltages of different phases to the driving motor (M) through output terminals (Terminal_U, Terminal_V, Terminal_W) between the high transistor (T high ) and the low transistor (T low ).

도 2는 종래의 파워 모듈의 구조를 나타낸 3차원 모델이고, 도 3은 도 2에 도시한 3차원 모델을 도 2에 도시한 Y 축 방향(A 시점)으로 바라본 측면도이고, 도 4는 도 2에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 것으로, 파워 모듈의 내부 구조를 명확히 보여주기 위해, 상부 기판을 제거한 상태에서 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도이다. 한편, 도 3은 Y 축 방향(A 시점)으로 바라본 측면도이므로, 도 4에서 도시한 하이 트랜지스터(Thigh), 하이 다이오드(Dhigh)와 같은 반도체 소자들과 일부 스페이서 구조물들이 로우 트랜지스터(Tlow), 로우 다이오드(Dlow)) 등의 반도체 소자들에 의해 가려진 상태이기 때문에, 하이 트랜지스터(Thigh), 하이 다이오드(Dhigh)와 같은 반도체 소자들이 도 3에서는 나타나지 않는다.FIG. 2 is a three-dimensional model showing the structure of a conventional power module, FIG. 3 is a side view of the three-dimensional model shown in FIG. 2 viewed in the Y-axis direction (view A) shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a side view of the three-dimensional model shown in FIG. 2. This is a top view of the 3D model shown in , with the upper board removed to clearly show the internal structure of the power module. Meanwhile, Figure 3 is a side view viewed in the Y-axis direction (view A), so semiconductor elements such as the high transistor (T high ) and high diode (D high ) shown in Figure 4 and some spacer structures are low transistor (T low) . ), low diode (D low )), etc., so semiconductor devices such as high transistor (T high ) and high diode (D high ) do not appear in FIG. 3 .

도 2 내지 4을 참조하면, 파워 모듈은 상부 기판(10), 하부 기판(30), 이들(10, 30) 사이에 칩 형태로 임베딩된 다수의 전력용 반도체 소자(하이 트랜지스터(Thigh)와 로우 트랜지스터(Tlow), 하이 다이오드(Dhigh)와 로우 다이오드(Dlow)) 및 스페이서(spacer, 23)를 포함한다.Referring to FIGS. 2 to 4, the power module includes an upper substrate 10, a lower substrate 30, and a plurality of power semiconductor devices (high transistor (T high ) and It includes a low transistor (T low ), a high diode (D high ) and a low diode (D low ), and a spacer (spacer, 23).

먼저, 상부 기판(10)은 솔더(solder, 21)에 의해 스페이서(23)의 상부면과 전기적으로 연결된다. 여기서, 스페이서(23)는 금속 재질이다. 스페이서(23)의 하부면은 솔더(25)에 의해 하부 기판(30) 상에 탑재되는 반도체 소자들과 전기적으로 연결된다. 각 반도체 소자(Thigh, Tlow , Dhigh , Dlow)의 하부면은 솔더(29)에 의해 하부 기판(30)과 전기적으로 연결된다. First, the upper substrate 10 is electrically connected to the upper surface of the spacer 23 by solder 21. Here, the spacer 23 is made of metal. The lower surface of the spacer 23 is electrically connected to the semiconductor devices mounted on the lower substrate 30 by solder 25. The lower surface of each semiconductor element (T high, T low , D high , D low ) is electrically connected to the lower substrate 30 by solder 29.

또한, 하부 기판(30)은 솔더(20)에 의해 단자들(Terminal_P, Terminal_N, Terminal_U)의 일단부와 전기적으로 연결되어, 파워 모듈은 단자들(Terminal_P, Terminal_N)을 통해 전류(또는 전압)를 인가하는 외부 유닛 및 단자를 통해(Terminal_U) 구동모터와 전기적으로 연결된다. In addition, the lower substrate 30 is electrically connected to one end of the terminals Terminal_P, Terminal_N, and Terminal_U by solder 20, so that the power module transmits current (or voltage) through the terminals Terminal_P and Terminal_N. It is electrically connected to the drive motor through the applying external unit and terminal (Terminal_U).

종래의 파워 모듈에서는, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같은 구조에 기인한 스트레이 인덕턴스(stray inductance)에 의해 하부 기판(30)상에 탑재되는 반도체 소자(Thigh, Tlow)의 턴-오프(turn-off) 시, 각 반도체 소자에서 과전압(overvoltage)이 발생하고, 이러한 과전압은 노이즈 및 반도체 소자를 손상시킨다.In a conventional power module, the turn-off (T high, T low) of the semiconductor elements (T high, T low ) mounted on the lower substrate 30 is caused by stray inductance due to the structure as shown in FIGS. 2 to 4. When turning off, overvoltage occurs in each semiconductor device, and this overvoltage causes noise and damages the semiconductor device.

도 5는 도 2 내지 4에 도시한 종래의 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면이고, 도 6은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the first current path according to the analysis of stray inductance in the three-dimensional structure of the conventional power module shown in Figures 2 to 4 on a plan view and equivalent circuit, and Figure 6 is a diagram showing the stray inductance ( This is a diagram showing the second current path according to the analysis of stray inductance on a top view and an equivalent circuit.

스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로는 도 5에 도시된 바와 같이, 단자 P(Terminal_P)에 의한 경로(①), 하이 트랜지스터(Thigh)에 의한 경로(②), 상부 기판(10)에 패터닝된 배선 패턴에 의한 경로(③, ④), 스페이서(23)에 의한 상부기판에서 하부 기판을 내려가는 경로(⑤), 로우 다이오드(Dlow)에 의한 경로(⑥), 로우 다이오드(Dlow)와 상부 기판을 연결하는 스페이서와 상부 기판(10)에 패터닝된 배선 패턴(⑦, ⑧), 상부 기판에서 하부 기판으로 내려가는 스페이서에 의한 경로(⑨) 및 단자 N(Terminal_N)에 의한 경로(⑩)를 포함한다. The first current path according to the analysis of stray inductance is, as shown in FIG. 5, a path by terminal P (Terminal_P) (①), a path by the high transistor (T high ) (②), and the upper substrate. Path by the wiring pattern patterned in (10) (③, ④), path from the upper substrate to the lower substrate by the spacer 23 (⑤), path by the low diode (D low ) (⑥), low diode The spacer connecting (D low ) and the upper substrate and the wiring pattern patterned on the upper substrate (10) (⑦, ⑧), the path by the spacer going down from the upper substrate to the lower substrate (⑨), and the terminal N (Terminal_N) Includes path (⑩).

스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 단자 P에 의한 경로(①), 하이 다이오드(Dhigh)에 의한 경로(②), 하이 다이오드(Dhigh)와 상부기판(10)을 연결하는 스페이서와 상부기판에 패터닝된 배선패턴에 의한 경로(③), 상부기판(10)에서 하부기판(30)으로 내려가는 스페이서에 의한 경로(④), 로우 트랜지스터(Tlow)에 의한 경로(⑤), 로우 트랜지스터(Tlow)와 상부기판을 연결하는 스페이서와 상부 기판에 패터닝된 배선 패턴에 의한 경로(⑥), 상부 기판에서 하부 기판으로 내려가는 스페이서에 의한 경로(⑦) 및 단자 N에 의한 경로(⑧)를 포함한다. The second current path according to the analysis of stray inductance is, as shown in FIG. 6, a path by the terminal P (①), a path by the high diode (D high ) (②), and the high diode (D high ) and the path by the spacer connecting the upper substrate 10 and the wiring pattern patterned on the upper substrate (③), the path by the spacer going down from the upper substrate 10 to the lower substrate 30 (④), and the low transistor Path (⑤) by (T low ), path (⑥) by the spacer connecting the low transistor (T low ) and the upper substrate and the wiring pattern patterned on the upper substrate, and path by the spacer going down from the upper substrate to the lower substrate. (⑦) and the path by terminal N (⑧).

이와 같이, 종래의 파워 모듈에서는, 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 유발하는 다수의 전류 경로가 형성되기 때문에, 과전압에 따른 노이즈 및 반도체 소자를 손상을 유발하는 문제가 있다. As such, in conventional power modules, multiple current paths that cause stray inductance are formed, causing noise and damage to semiconductor devices due to overvoltage.

과전압을 줄이기 위해, 반도체 소자의 게이트 저항을 증가시키면, 손실이 증가하여 반도체 소자의 온도가 증가하는 현상이 발생하고 시스템 효율이 낮아진다.In order to reduce overvoltage, if the gate resistance of the semiconductor device is increased, loss increases, causing the temperature of the semiconductor device to increase and system efficiency to decrease.

따라서, 본 발명은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 저감시키는 구조를 갖는 양면 냉각형 파워 모듈을 제공하는 데 목적이 있다. Therefore, the purpose of the present invention is to provide a double-sided cooling power module with a structure that reduces stray inductance.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양면 냉각형 파워 모듈은, 직렬 연결된 하이-사이드(high-side) 스위칭 소자와 로우-사이드(low-side) 스위칭 소자를 포함하고, 상기 하이-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 하이-사이드 다이오드 소자 및 상기 로우-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하는 인버터 암(arm)이 모듈화된 양면 냉각형 파워 모듈에서, 제1 상부기판, 제1 하부 기판 및 상기 제1 상부기판과 상기 제1 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 포함하도록 모듈화된 제1 파워 모듈; 및 제2 상부 기판, 제2 하부 기판 및 상기 제2 상부기판과 상기 제2 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하도록 모듈화된 제2 파워 모듈을 포함한다.The double-sided cooling power module of the present invention for achieving the above-described object includes a high-side switching element and a low-side switching element connected in series, and the high-side switching element In a double-sided cooling power module in which an inverter arm including a high-side diode element connected in parallel to and a low-side diode element connected in parallel to the low-side switching element is modularized, a first upper substrate and a first lower substrate and a first power module modularized to include the high-side diode element and the low-side switching element embedded between the first upper substrate and the first lower substrate; and a second power module modularized to include a second upper substrate, a second lower substrate, and the high-side switching element and the low-side diode element embedded between the second upper substrate and the second lower substrate. do.

본 발명에 따르면, 기존의 모듈 대비 노이즈 측면에서 우수하며, 반도체 소자에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 또한 게이트 저항을 낮출 수 있어, 고주파 동작 시 유리하고 손실이 작아 효율이 우수하다. 게이트 저항을 낮춰 속도가 상승하면, 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off)가 빠르고 데드 타임(dead time)이 줄어들어 파형의 왜곡이 줄어든다.According to the present invention, it is superior in terms of noise compared to existing modules and can reduce stress on semiconductor devices. In addition, the gate resistance can be lowered, which is advantageous during high-frequency operation and has excellent efficiency due to small losses. When the speed increases by lowering the gate resistance, turn-on and turn-off are faster and dead time is reduced, thereby reducing waveform distortion.

도 1은 종래의 인버터를 나타내는 회로도.
도 2는 종래의 파워 모듈의 3차원 모델.
도 3은 도 2에 도시한 3차원 모델을 도 2에 도시한 Y 축 방향(A 시점)으로 바라본 측면도.
도 4는 도 2에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도.
도 5는 종래의 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면.
도 6은 종래의 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 3차원 모델.
도 8은 도 7에 도시한 절단선 A-A'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 9는 도 7에 도시한 절단선 B-B'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 10은 도 7에 도시한 절단선 D-D'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 11는 도 7에 도시한 절단선 E-E'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 12은 도 7에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도.
도 13는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 도 14의 평면도 상에 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 도 14의 평면도 상에 나타낸 도면.1 is a circuit diagram showing a conventional inverter.
Figure 2 is a three-dimensional model of a conventional power module.
FIG. 3 is a side view of the three-dimensional model shown in FIG. 2 viewed in the Y-axis direction (view A) shown in FIG. 2.
Figure 4 is a plan view of the three-dimensional model shown in Figure 2 from above.
Figure 5 is a diagram showing a first current path according to analysis of stray inductance in a three-dimensional structure of a conventional power module on a top view and an equivalent circuit.
Figure 6 is a diagram showing a second current path according to analysis of stray inductance in a three-dimensional structure of a conventional power module on a plan view and an equivalent circuit.
Figure 7 is a three-dimensional model of a double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line A-A' shown in Figure 7.
Figure 9 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line B-B' shown in Figure 7.
Figure 10 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line D-D' shown in Figure 7.
Figure 11 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line E-E' shown in Figure 7.
Figure 12 is a top view of the three-dimensional model shown in Figure 7.
FIG. 13 is a diagram showing a first current path according to analysis of stray inductance in the three-dimensional structure of a power module according to an embodiment of the present invention on the top view of FIG. 14.
FIG. 14 is a diagram showing a second current path according to analysis of stray inductance in the three-dimensional structure of a power module according to an embodiment of the present invention on the top view of FIG. 14.

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.The terminology used herein is only intended to refer to specific embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms include plural forms unless phrases clearly indicate the contrary. As used in the specification, the meaning of "comprising" is to specify a specific characteristic, area, integer, step, operation, element and/or component, and to specify another specific property, area, integer, step, operation, element, component and/or group. It does not exclude the existence or addition of .

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.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries are further interpreted as having meanings consistent with related technical literature and currently disclosed content, and are not interpreted in ideal or very formal meanings unless defined.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 양면 냉각형 파워 모듈에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a double-sided cooling type power module according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

도 7 내지 13은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈을 나타내는 도면으로서, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 3차원 모델이고, 도 8은 도 7에 도시한 절단선 A-A'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 9는 도 7에 도시한 절단선 B-B'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 10은 도 7에 도시한 절단선 D-D'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 11는 도 7에 도시한 절단선 E-E'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 12은 도 7에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도이다.7 to 13 are diagrams showing a double-sided cooling type power module according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 is a three-dimensional model of the double-sided cooling type power module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is shown in FIG. 7. It is a cross-sectional view of a three-dimensional model along a cutting line A-A', FIG. 9 is a cross-sectional view of a three-dimensional model along a cutting line B-B' shown in FIG. 7, and FIG. 10 is a cross-sectional view of a three-dimensional model along a cutting line D shown in FIG. 7. -D' is a cross-sectional view of the three-dimensional model, Figure 11 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line E-E' shown in Figure 7, and Figure 12 is a top view of the three-dimensional model shown in Figure 7. am.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 3차원 모델이고, 도 8은 도 7에 도시한 절단선 A-A'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 9는 도 7에 도시한 절단선 B-B'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 10은 도 7에 도시한 절단전 C-C'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 11은 도 7에 도시한 절단전 D-D'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 12는 도 7에 도시한 절단전 E-E'에 따른 3차원 모델의 단면도이다. 그리고 도 13은 도 7에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도이다.Figure 7 is a three-dimensional model of a double-sided cooled power module according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line A-A' shown in Figure 7, and Figure 9 is a cross-sectional view of the three-dimensional model in Figure 7. It is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line B-B' shown, Figure 10 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along C-C' before cutting shown in Figure 7, and Figure 11 is before cutting shown in Figure 7. It is a cross-sectional view of the three-dimensional model along D-D', and FIG. 12 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along E-E' before cutting shown in FIG. 7. And Figure 13 is a plan view of the three-dimensional model shown in Figure 7 from above.

본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은 도 5 및 6에 도시된 바와 같은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)에 따른 전류 경로를 최소화하여 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 저감시킬 수 있는 새로운 3차원 구조를 갖는다.The double-sided cooled power module according to an embodiment of the present invention has a new three-dimensional structure that can reduce stray inductance by minimizing the current path according to stray inductance as shown in FIGS. 5 and 6. has

이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은 도 7에 도시된 바와 같이 종래의 양면 냉각형 파워 모듈(도 2의 3차원 모델)과는 다르게 2개의 모듈(100, 200)로 분리된다.To this end, the double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, is divided into two modules 100 and 200, unlike the conventional double-sided cooling power module (3D model in FIG. 2). separated.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은, 인버터 암(11, 13 또는 15)을 구성하는 하이-사이드 스위칭 소자, 하이-사이드 다이오드 소자, 로우-사이드 스위칭 소자 및 로우-사이드 소자가 하나의 파워 모듈에 임베딩되는 종래와는 다르게, 하이-사이드 다이오드 소자와 로우-사이드 스위칭 소자가 한 쌍으로 이루어 제1 파워 모듈(100)에 임베딩되고, 하이-사이드 스위칭 소자와 로우-사이드 다이오드 소자가 한 쌍을 이루어 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된다.In addition, the double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention includes a high-side switching element, a high-side diode element, a low-side switching element, and a low-side element constituting the inverter arm (11, 13, or 15). Unlike the conventional method in which a high-side diode element and a low-side switching element are paired and embedded in the first power module 100, the high-side switching element and the low-side diode are embedded in the first power module 100. The elements are paired and embedded in the second power module 200.

본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은, 제1 파워 모듈과 제2 파워 모듈에 공통으로 연결되는 제1 내지 제3 단자(151, 153 및 155)를 포함한다. The double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention includes first to third terminals 151, 153, and 155 that are commonly connected to the first power module and the second power module.

이하, 제1 및 제2 파워 모듈에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the first and second power modules will be described in detail.

제1 파워 모듈(100)First power module (100)

도 7 내지 12를 참조하면, 제1 파워 모듈(100)은 제1 상부 기판(110), 제1 하부 기판(130) 및 상기 제1 상부기판(110)과 상기 제1 하부 기판(130) 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 상기 로우-사이드 스위칭 소자(127)를 포함한다.Referring to FIGS. 7 to 12, the first power module 100 includes a first upper substrate 110, a first lower substrate 130, and a space between the first upper substrate 110 and the first lower substrate 130. It includes the high-side diode element 113 and the low-side switching element 127 embedded in .

제1 상부 기판(110)은, 상부 구리층(101), 하부 구리층(105) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(103)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다. 제1 하부 기판(130)은 상부 구리층(117), 하부 구리층(121) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(119)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다.The first upper substrate 110 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 101, a lower copper layer 105, and a ceramic layer 103 interposed between them. The first lower substrate 130 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 117, a lower copper layer 121, and a ceramic layer 119 interposed between them.

제1 하부 기판(130) 상에는 하이-사이드 다이오드 소자(113)가 실장되고, 제1 상부 기판(110) 상에는 로우-사이드 스위칭 소자(127)가 실장된다. A high-side diode device 113 is mounted on the first lower substrate 130, and a low-side switching device 127 is mounted on the first upper substrate 110.

구체적으로, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 솔더(도 8 및 10의 115)에 의해 상기 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117) 상에 실장되고, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 솔더(도 9 및 10의 125)에 의해 상기 제1 상부 기판(110)의 하부 구리층(105) 상에 실장된다. 여기서, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 칩 형태로 제조된 전력용 반도체 소자일 수 있다. 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 칩 형태로서, MOSFET, IGBT, Diode와 같은 전력용 반도체 소자일 수 있다. Specifically, the high-side diode element 113 is mounted on the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130 by solder (115 in FIGS. 8 and 10), and the low-side switching element 127 ) is mounted on the lower copper layer 105 of the first upper substrate 110 by solder (125 in FIGS. 9 and 10). Here, the high-side diode device 113 may be a power semiconductor device manufactured in chip form. The low-side switching device 127 is in the form of a chip and may be a power semiconductor device such as a MOSFET, IGBT, or diode.

제1 하부 기판(130) 상에 실장되는 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 하이-사이드 스페이서(109)에 의해 상부 기판(130)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 솔더(111)에 의해 하이-사이드 스페이서(109)의 하부면과 전기적으로 연결되고, 하이-사이드 스페이서(109)의 상부면은 솔더(107)에 의해 상부 기판(110)의 하부 구리층(105)과 전기적으로 연결된다. 이때, 하이-사이드 스페이서(109)는 구리와 같은 금속재일 수 있다. 따라서, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 하이-사이드 스페이서(109)에 의해 상부 기판(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.The high-side diode element 113 mounted on the first lower substrate 130 is electrically connected to the upper substrate 130 by the high-side spacer 109. Specifically, the high-side diode element 113 is electrically connected to the lower surface of the high-side spacer 109 by solder 111, and the upper surface of the high-side spacer 109 is connected to the solder 107. It is electrically connected to the lower copper layer 105 of the upper substrate 110. At this time, the high-side spacer 109 may be made of a metal material such as copper. Accordingly, the high-side diode element 113 may be electrically connected to the upper substrate 130 by the high-side spacer 109.

로우-사이드 스위칭 소자(127)는 로우-사이드 스페이서(131)에 의해 하부 기판(130)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 솔더(129)에 의해 로우-사이드 스페이서(131)의 상부면과 전기적으로 연결되고, 로우-사이드 스페이서(131)의 하부면은 솔더(133)에 의해 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117)과 전기적으로 연결된다. 이때, 로우-사이드 스페이서(131)는 구리와 같은 금속재질일 수 있다. 따라서, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 로우-사이드 스페이서(131)에 의해 하부 기판(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.The low-side switching element 127 is electrically connected to the lower substrate 130 by the low-side spacer 131. Specifically, the low-side switching element 127 is electrically connected to the upper surface of the low-side spacer 131 by solder 129, and the lower surface of the low-side spacer 131 is connected to the solder 133. It is electrically connected to the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130. At this time, the low-side spacer 131 may be made of a metal material such as copper. Accordingly, the low-side switching element 127 may be electrically connected to the lower substrate 130 by the low-side spacer 131.

또한, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 제1 상부 기판(110)의 하부 구리층(105)을 패터닝한 제5 배선 패턴(도 10 및 12의 L5)에 의해 하이-사이드 스페이서(109)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 하이-사이드 스페이서(109) 및 제5 배선 패턴(L5)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.In addition, the low-side switching element 127 is connected to the high-side spacer 109 by a fifth wiring pattern (L5 in FIGS. 10 and 12) patterned on the lower copper layer 105 of the first upper substrate 110. are electrically connected. Accordingly, the high-side diode element 113 and the low-side switching element 127 may be electrically connected by the high-side spacer 109 and the fifth wiring pattern L5.

제2 파워 모듈(200)Second power module (200)

도 7 내지 13을 참조하면, 제2 파워 모듈(200)은 제2 상부 기판(210), 제2 하부 기판(230) 및 상기 제2 상부기판(210)과 상기 제2 하부 기판(230) 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자(213)와 상기 로우-사이드 다이오드 소자(227)를 포함한다.Referring to FIGS. 7 to 13, the second power module 200 includes a second upper substrate 210, a second lower substrate 230, and a space between the second upper substrate 210 and the second lower substrate 230. It includes the high-side switching element 213 and the low-side diode element 227 embedded in .

제2 상부 기판(210)은, 상부 구리층(201), 하부 구리층(205) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(203)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다. 제2 하부 기판(230)은 상부 구리층(217), 하부 구리층(221) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(219)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다.The second upper substrate 210 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 201, a lower copper layer 205, and a ceramic layer 203 interposed between them. The second lower substrate 230 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 217, a lower copper layer 221, and a ceramic layer 219 interposed between them.

제2 하부 기판(230) 상에는 하이-사이드 스위칭 소자(213)가 실장되고, 제2 상부 기판(210) 상에는 로우-사이드 다이오드 소자(227)가 실장된다.A high-side switching device 213 is mounted on the second lower substrate 230, and a low-side diode device 227 is mounted on the second upper substrate 210.

구체적으로, 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 솔더(215)에 의해 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217) 상에 실장된다. 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 솔더(225)에 의해 제2 상부 기판(210)의 하부 구리층(205) 상에 실장된다.Specifically, the high-side switching element 213 is mounted on the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230 by solder 215. The low-side diode element 227 is mounted on the lower copper layer 205 of the second upper substrate 210 by solder 225.

제2 하부 기판(230) 상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 하이-사이드 스페이서(209)에 의해 제2 상부 기판(210)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 솔더(211)에 의해 하이-사이드 스페이서(209)의 하부면과 전기적으로 연결되고, 하이-사이드 스페이서(209)의 상부면은 솔더(207)에 의해 제2 상부 기판(210)의 하부 구리층(205)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제2 하부 기판(230) 상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 제2 상부 기판(210)과 전기적으로 연결될 수 있다.The high-side switching element 213 mounted on the second lower substrate 230 is electrically connected to the second upper substrate 210 by the high-side spacer 209. Specifically, the high-side switching element 213 is electrically connected to the lower surface of the high-side spacer 209 by solder 211, and the upper surface of the high-side spacer 209 is connected to the solder 207. It is electrically connected to the lower copper layer 205 of the second upper substrate 210. Accordingly, the high-side switching element 213 mounted on the second lower substrate 230 may be electrically connected to the second upper substrate 210.

제2 상부 기판(210) 상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 로우-사이드 스페이서(231)에 의해 제2 하부 기판(230)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 솔더(229)에 의해 로우-사이드 스페이서(231)의 상부면과 전기적으로 연결되고, 로우-사이드 스페이서(231)의 하부면은 솔더(233)에 의해 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제2 상부 기판(210) 상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 제2 하부 기판(230)과 전기적으로 연결될 수 있다.The low-side diode element 227 mounted on the second upper substrate 210 is electrically connected to the second lower substrate 230 by the low-side spacer 231. Specifically, the low-side diode element 227 is electrically connected to the upper surface of the low-side spacer 231 by solder 229, and the lower surface of the low-side spacer 231 is connected to the solder 233. It is electrically connected to the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230. Accordingly, the low-side diode element 227 mounted on the second upper substrate 210 may be electrically connected to the second lower substrate 230.

또한, 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 제2 상부 기판(210)의 하부 구리층(205)을 패터닝한 제6 배선 패턴(도 11 및 12의 L6)에 의해 하이-사이드 스페이서(209)와 전기적으로 연결된다. In addition, the low-side diode element 227 is connected to the high-side spacer 209 by a sixth wiring pattern (L6 in FIGS. 11 and 12) patterned on the lower copper layer 205 of the second upper substrate 210. are electrically connected.

따라서, 제2 상부 기판(210) 상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 제6 배선 패턴(L6)과 하이-사이드 스페이서(209)에 의해 제2 하부 기판(230) 상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자(213)와 전기적으로 연결될 수 있다.Accordingly, the low-side diode element 227 mounted on the second upper substrate 210 is mounted on the second lower substrate 230 by the sixth wiring pattern L6 and the high-side spacer 209. It may be electrically connected to the high-side switching element 213.

제1 단자(151)1st terminal (151)

제1 단자(151, Terminal_P)는 도 2에 도시된 Terminal_P에 대응하는 단자로서, 제1 파워 모듈(100)에 임베딩된 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된 하이-사이드 스위칭 소자(213)에 공통으로 연결된다.The first terminal (151, Terminal_P) is a terminal corresponding to Terminal_P shown in FIG. 2, and is connected to the high-side diode element 113 embedded in the first power module 100 and the second power module 200. It is commonly connected to the high-side switching element 213.

구체적으로, 제1 단자(151, Terminal_P)는 중앙에 결합홈(H1)이 형성되며, 결합홈(H1)에는 제1 파워 모듈(100)에 임베딩된 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된 하이-사이드 스위칭 소자(213)에게 양의 전압을 인가하는 양극 단자(도시하지 않음)가 결합된다. Specifically, the first terminal (151, Terminal_P) has a coupling groove (H1) formed in the center, and the high-side diode element 113 and the second embedded in the first power module 100 are formed in the coupling groove (H1). A positive terminal (not shown) that applies a positive voltage is coupled to the high-side switching element 213 embedded in the power module 200.

제1 단자(151, Terminal_P)의 한쪽 단부는 솔더(도 8의 123)에 의해 제1 파워 모듈(100)의 제1 하부 기판(130)에 전기적으로 연결되고, 제1 단자(151, Terminal_P)의 다른쪽 단부는 솔더(도 8의 223)에 의해 제2 파워 모듈(200)의 제2 하부 기판(230)에 전기적으로 연결된다. One end of the first terminal (151, Terminal_P) is electrically connected to the first lower substrate 130 of the first power module 100 by solder (123 in FIG. 8), and the first terminal (151, Terminal_P) The other end of is electrically connected to the second lower substrate 230 of the second power module 200 by solder (223 in FIG. 8).

제1 하부 기판(130)에 전기적으로 연결된 제1 단자(151, Terminal_P)의 한쪽 단부는 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117)을 패터닝한 제1 배선 패턴(도 8 및 12의 L1)에 의해 하이-사이드 다이오드 소자(113)에 전기적으로 연결된다.One end of the first terminal 151 (Terminal_P) electrically connected to the first lower substrate 130 is connected to the first wiring pattern (see FIGS. 8 and 12) by patterning the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130. It is electrically connected to the high-side diode element 113 by L1).

제2 하부 기판(230)에 전기적으로 연결된 제1 단자(151, Terminal_P)의 다른쪽 단부는 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217)을 패터닝한 제2 배선 패턴(도 8 및 12의 L2)에 의해 하이-사이드 스위칭 소자(213)와 전기적으로 연결된다.The other end of the first terminal 151 (Terminal_P), which is electrically connected to the second lower substrate 230, has a second wiring pattern patterned on the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230 (FIGS. 8 and 12). It is electrically connected to the high-side switching element 213 by L2).

제2 단자(153)2nd terminal (153)

제2 단자(153, Terminal_N)는 도 2에 도시한 Terminal_N에 대응하는 단자로서, 제2 단자(153, Terminal_N)는 중앙에 결합홈(H2)이 형성되며, 결합홈(H2)에는 제1 파워 모듈(100)에 임베딩된 로우-사이드 스위칭 소자(127)와 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된 로우-사이드 다이오드 소자(227)에게 음의 전압을 인가하는 음극 단자(도시하지 않음)가 결합된다.The second terminal (153, Terminal_N) is a terminal corresponding to Terminal_N shown in FIG. 2, and a coupling groove (H2) is formed in the center of the second terminal (153, Terminal_N), and the first power is connected to the coupling groove (H2). A negative terminal (not shown) that applies a negative voltage to the low-side switching element 127 embedded in the module 100 and the low-side diode element 227 embedded in the second power module 200 is combined. do.

구체적으로, 제2 단자(153, Terminal_N)의 한쪽 단부는 솔더(도 9의 135)에 의해 제1 하부 기판(130)에 전기적으로 연결되고, 제2 단자(153, Terminal_N)의 다른쪽 단부는 솔더(도 9의 235)에 의해 제2 하부 기판(230)에 전기적으로 연결된다.Specifically, one end of the second terminal 153 (Terminal_N) is electrically connected to the first lower substrate 130 by solder (135 in FIG. 9), and the other end of the second terminal 153 (Terminal_N) is electrically connected to the first lower substrate 130 by solder (135 in FIG. 9). It is electrically connected to the second lower substrate 230 by solder (235 in FIG. 9).

제1 하부 기판(130)에 연결되는 제2 단자(153, 단자 N)의 한쪽 단부는 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117)을 패터닝한 제3 배선 패턴(도 9 및 12의 L3)에 의해 로우-사이드 스페이서(131)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1 하부 기판(130)에 연결되는 제2 단자(153, Terminal_N)는 제3 배선 패턴(도 9의 L3) 및 로우-사이드 스페이서(131)에 의해 제1 상부 기판(110) 상에 실장된 로우-사이드 스위칭 소자(127)와 전기적으로 연결될 수 있다.One end of the second terminal 153 (terminal N) connected to the first lower substrate 130 has a third wiring pattern patterned on the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130 (see FIGS. 9 and 12). It is electrically connected to the low-side spacer 131 by L3). Accordingly, the second terminal 153 (Terminal_N) connected to the first lower substrate 130 is connected to the first upper substrate 110 by the third wiring pattern (L3 in FIG. 9) and the low-side spacer 131. It may be electrically connected to the mounted low-side switching element 127.

제2 하부 기판(230)에 연결되는 제2 단자(153, Terminal_N)의 다른쪽 단부는 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217)을 패터닝한 제4 배선 패턴(도 9 및 12의 L4)에 의해 로우-사이드 스페이서(231)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 제2 단자(153, Terminal_N)는 제4 배선 패턴(도 9 및 12의 L4)과 로우-사이드 스페이서(231)에 의해 제2 상부 기판(210) 상에 실장된 로우-사이드 다이오드 소자(227)와 전기적으로 연결된다.The other end of the second terminal 153 (Terminal_N) connected to the second lower substrate 230 has a fourth wiring pattern patterned on the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230 (see FIGS. 9 and 12). It is electrically connected to the low-side spacer 231 by L4). Accordingly, the second terminal 153 (Terminal_N) is a low-side diode element mounted on the second upper substrate 210 by the fourth wiring pattern (L4 in FIGS. 9 and 12) and the low-side spacer 231. 227) and is electrically connected.

결과적으로, 제2 단자(153, Terminal_N)는 제1 파워 모듈(100)의 제1 상부 기판(110) 상에 실장된 로우-사이드 스위칭 소자(127)와 제2 파워 모듈(200)의 제2 상부 기판(210) 상에 실장된 로우-사이드 다이오드 소자(227)에 공통으로 연결된다.As a result, the second terminal 153 (Terminal_N) is connected to the low-side switching element 127 mounted on the first upper substrate 110 of the first power module 100 and the second terminal of the second power module 200. It is commonly connected to the low-side diode element 227 mounted on the upper substrate 210.

도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 도 12의 평면도를 이용하여 나타낸 도면이다.FIG. 13 is a diagram showing a first current path according to analysis of stray inductance in a power module according to an embodiment of the present invention using the top view of FIG. 12.

도 13을 참조하면, 제1 전류 경로는, 도 5의 등가 회로상에 나타나는 전류 경로에 대응하는 것으로, 제1 단자(151, Terminal_P)에 의한 경로, 제2 하부 기판(230)에 패터닝된 제2 배선 패턴(L2)에 의한 경로, 제2 하부 기판(230) 상에 실장된 하이-사이드 스위칭 소자(213)에 의한 경로, 하이-사이드 스위칭 소자(213)를 제2 상부 기판(210)에 연결하는 하이-사이드 스페이서(209)에 의한 경로, 하이-사이드 스페이서(209)와 제2 상부 기판(210)에 실장된 로우-사이드 다이오드 소자(227)를 연결하는 제6 배선 패턴(L6)에 의한 경로, 로우-사이드 다이오드 소자(227)에 의한 경로, 로우-사이드 다이오드 소자(227)를 제2 하부 기판(230)에 연결하는 로우-사이드 스페이서(231)에 의한 경로, 로우-사이드 스페이서(231)와 제2 단자(153, Terminal_N)를 연결하는 제4 배선 패턴(L4)에 의한 경로, 및 제2 단자(153, Terminal_N)에 의한 경로를 포함한다.Referring to FIG. 13, the first current path corresponds to the current path shown on the equivalent circuit of FIG. 5, which is a path by the first terminal 151 (Terminal_P) and the first current path patterned on the second lower substrate 230. 2 Path by the wiring pattern (L2), path by the high-side switching element 213 mounted on the second lower substrate 230, the high-side switching element 213 is connected to the second upper substrate 210. A path by the high-side spacer 209 connecting the high-side spacer 209 and the low-side diode element 227 mounted on the second upper substrate 210 to the sixth wiring pattern (L6). Path by, path by the low-side diode element 227, path by the low-side spacer 231 connecting the low-side diode element 227 to the second lower substrate 230, low-side spacer ( 231) and the second terminal 153 (Terminal_N), a path through the fourth wiring pattern L4, and a path through the second terminal 153 (Terminal_N).

도 5에 도시한 전류 경로와 대비할 때, 그 길이가 대폭 짧아진 것을 확인할 수 있다. 이것은 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 도 5의 스페이서(도 4의 23)가 삭제되어, 삭제된 스페이서(도 4의 23)만큼 그 경로가 줄어들기 때문에 가능한 것이다. When compared to the current path shown in FIG. 5, it can be seen that the length is significantly shortened. This is possible because in the structure of the power module of the present invention, the spacer in FIG. 5 (23 in FIG. 4) is deleted, and the path is reduced by the amount of the deleted spacer (23 in FIG. 4).

도 5의 스페이서(도 4의 23)의 삭제가 가능한 것은 무엇보다도 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 제1 전류경로를 형성하는 하이-사이드 스위치 소자(213)와 로우-사이드 다이오드 소자(231)를 한 쌍으로 구성하여 이를 제2 파워 모듈(200)에 임베딩한 상태에서 로우-사이드 다이오드 소자(231)를 하부 기판(230)이 아니라 상부 기판(210) 상에 실장하였기 때문에 가능한 것이다. 즉, 본 발명의 파워 모듈에서는 도 5의 전류 경로 ⑤, ⑦, ⑧, ⑨가 삭제될 수 있다. The reason why the spacer in FIG. 5 (23 in FIG. 4) can be deleted is, above all, in the structure of the power module of the present invention, the high-side switch element 213 and the low-side diode element 231 forming the first current path. This is possible because the low-side diode element 231 is mounted on the upper substrate 210 rather than the lower substrate 230 while forming a pair and embedding it in the second power module 200. That is, in the power module of the present invention, current paths ⑤, ⑦, ⑧, and ⑨ in FIG. 5 can be deleted.

이와 같이, 종래에 비해 제1 전류 경로가 짧아졌기 때문에, 그에 따른 스트레이 인덕턴스를 크게 줄일 수 있다.In this way, because the first current path is shorter than before, the resulting stray inductance can be greatly reduced.

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 도 12의 평면도를 이용하여 나타낸 도면이다.FIG. 14 is a diagram showing a second current path according to analysis of stray inductance in the three-dimensional structure of a power module according to an embodiment of the present invention using the top view of FIG. 12.

도 14를 참조하면, 제2 전류 경로는, 도 6의 등가 회로상에 나타나는 전류 경로에 대응하는 것으로, 제1 단자(151, Terminal_P)에 의한 경로, 제1 배선 패턴(L1), 하이-사이드 다이오드 소자(113)에 의한 경로, 하이-사이드 스페이서(109), 제5 배선 패턴(L5), 제1 상부 기판(110) 상에 실장된 로우-사이드 스위칭 소자(127), 로우-사이드 스페이서(131), 제3 배선 패턴(L3) 및 제2 단자(153, Terminal_N)을 포함한다.Referring to FIG. 14, the second current path corresponds to the current path shown on the equivalent circuit of FIG. 6, and includes the path by the first terminal (151, Terminal_P), the first wiring pattern (L1), and the high-side Path by the diode element 113, high-side spacer 109, fifth wiring pattern (L5), low-side switching element 127 mounted on the first upper substrate 110, low-side spacer ( 131), a third wiring pattern (L3), and a second terminal (153, Terminal_N).

도 6에 도시한 전류 경로와 대비할 때, 그 길이가 대폭 짧아진 것을 확인할 수 있다. 도 13에서 설명한 바와 유사하게 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 도 6의 스페이서(도 4의 23)가 삭제되어, 삭제된 스페이서(도 4의 23)만큼 그 경로가 줄어들기 때문에 가능한 것이다. When compared to the current path shown in FIG. 6, it can be seen that the length is significantly shortened. Similar to what was described in FIG. 13, this is possible because in the structure of the power module of the present invention, the spacer in FIG. 6 (23 in FIG. 4) is deleted, and the path is reduced by the amount of the deleted spacer (23 in FIG. 4).

도 6의 스페이서(도 4의 23)의 삭제가 가능한 것은 무엇보다도 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 제2 전류경로를 형성하는 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 로우-사이드 스위칭 소자(127)를 한 쌍으로 구성하여 이를 제1 파워 모듈(200)에 임베딩한 상태에서 로우-사이드 스위칭 소자(127)를 하부 기판(130)이 아니라 상부 기판(110) 상에 실장하였기 때문에 가능한 것이다. 이렇게 함으로써, 본 발명의 파워 모듈에서는 도 6의 전류 경로 ④, ⑥, ⑦가 삭제될 수 있다. The spacer in FIG. 6 (23 in FIG. 4) can be deleted because, above all, in the structure of the power module of the present invention, the high-side diode element 113 and the low-side switching element 127 forming the second current path are used. This is possible because the low-side switching element 127 is mounted on the upper substrate 110 rather than the lower substrate 130 while forming a pair and embedding it in the first power module 200. By doing this, the current paths ④, ⑥, and ⑦ in FIG. 6 can be deleted in the power module of the present invention.

이와 같이, 종래에 비해 제2 전류 경로 또한 짧아졌기 때문에, 그에 따른 스트레이 인덕턴스를 크게 줄일 수 있다.In this way, since the second current path is also shorter than before, the resulting stray inductance can be greatly reduced.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 개선된 파워모듈은 기존대비 30% 낮은 over voltage를 가짐을 시뮬레이션 및 테스를 거쳐 확인할 수 있었다. 이는 기존의 모듈 대비 노이즈 측면에서 우수하며, 반도체 소자에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 또한, 게이트 저항을 낮출 수 있어, 고주파 동작 시 유리하고 손실이 작아 효율이 우수하다. 게이트 저항을 낮춰 속도가 상승하면, 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off)가 빠르고 데드 타임(dead time)이 줄어들어 파형의 왜곡이 줄어든다. As described above, it was confirmed through simulation and testing that the power module improved according to the present invention has an overvoltage that is 30% lower than the existing one. This is superior in terms of noise compared to existing modules and can reduce stress on semiconductor devices. In addition, the gate resistance can be lowered, which is advantageous during high-frequency operation and has excellent efficiency due to low loss. When the speed increases by lowering the gate resistance, turn-on and turn-off are faster and dead time is reduced, thereby reducing waveform distortion.

이상에서와 같이 본 발명은 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.As described above, the present invention is not limited to the configuration and method of the described embodiments, and the embodiments may be configured by selectively combining all or part of each embodiment so that various modifications can be made.

Claims (11)

직렬 연결된 하이-사이드(high-side) 스위칭 소자와 로우-사이드(low-side) 스위칭 소자를 포함하고, 상기 하이-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 하이-사이드 다이오드 소자 및 상기 로우-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하는 인버터 암(arm)이 모듈화된 양면 냉각형 파워 모듈에서,
제1 상부기판, 제1 하부 기판 및 상기 제1 상부기판과 상기 제1 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 포함하도록 모듈화된 제1 파워 모듈; 및
제2 상부 기판, 제2 하부 기판 및 상기 제2 상부기판과 상기 제2 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하도록 모듈화된 제2 파워 모듈
을 포함하는 양면 냉각형 파워 모듈.It includes a high-side switching element and a low-side switching element connected in series, and a high-side diode element connected in parallel to the high-side switching element and parallel to the low-side switching element. In a double-sided cooled power module in which an inverter arm including a connected low-side diode element is modularized,
a first power module modularized to include a first upper substrate, a first lower substrate, and the high-side diode element and the low-side switching element embedded between the first upper substrate and the first lower substrate; and
A second power module modularized to include a second upper substrate, a second lower substrate, and the high-side switching element and the low-side diode element embedded between the second upper substrate and the second lower substrate.
A double-sided cooled power module containing a. 제1항에서,
상기 하이-사이드 다이오드는 상기 제1 하부 기판 상에 실장되고, 상기 로우-사이드 스위치 소자는 상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
The high-side diode is mounted on the first lower substrate, and the low-side switch element is mounted on the first upper substrate. 제1항에서,
상기 하이-사이드 스위칭 소자는 상기 제2 하부 기판상에 실장되고, 상기 로우-사이드 다이오드 소자는 상기 제2 상부 기판 상에 실장되는 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
The high-side switching device is mounted on the second lower substrate, and the low-side diode device is mounted on the second upper substrate. 제1항에서,
상기 제1 파워 모듈은,
상기 제1 하부 기판 상에 실장되는 상기 하이-사이드 다이오드 소자를 상기 제1 상부 기판에 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서; 및
상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 상기 제1 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서;
를 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
The first power module is,
a high-side spacer electrically connecting the high-side diode element mounted on the first lower substrate to the first upper substrate; and
a low-side spacer electrically connecting the low-side switching element mounted on the first upper substrate to the first lower substrate;
A double-sided cooled power module comprising: 제1항에서,
상기 제2 파워 모듈은,
상기 제2 하부 기판 상에 실장되는 상기 하이-사이드 스위칭 소자를 상기 제2 상부 기판에 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서; 및
상기 제2 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 상기 제2 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서
를 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
The second power module,
a high-side spacer electrically connecting the high-side switching element mounted on the second lower substrate to the second upper substrate; and
A low-side spacer electrically connecting the low-side diode element mounted on the second upper substrate to the second lower substrate.
A double-sided cooled power module comprising: 제1항에서,
상기 제1 하부 기판상에 실장되는 상기 하이-다이오드 소자와 상기 제2 하부 기판 상에 실장되는 상기 하이-사이드 스위칭 소자에 공통으로 연결되는 제1 단자(Terminal_P); 및
상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 상기 제1 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서와 상기 제2 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 상기 제2 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서에 공통으로 연결되는 제2 단자(Terminal_N)
를 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
a first terminal (Terminal_P) commonly connected to the high-diode device mounted on the first lower substrate and the high-side switching device mounted on the second lower substrate; and
A low-side spacer electrically connecting the low-side switching element mounted on the first upper substrate to the first lower substrate and the low-side diode element mounted on the second upper substrate to the second lower substrate. A second terminal (Terminal_N) commonly connected to the low-side spacer electrically connected to the lower board.
A double-sided cooled power module comprising: 제6항에서,
상기 제1 단자(Terminal_P)는,
상기 하이-다이오드 소자와 상기 하이-사이드 스위칭 소자에게 양의 전압을 인가하는 양극 단자가 결합되는 결합홈을 가지며,
상기 제2 단자(Terminal_N)는,
상기 로우-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자에게 음의 전압을 인가하는 음극 단자가 결합되는 결합홈을 갖는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 6:
The first terminal (Terminal_P) is,
It has a coupling groove in which the high-diode element and an anode terminal that applies a positive voltage to the high-side switching element are coupled,
The second terminal (Terminal_N) is,
A double-sided cooling type power module having a coupling groove in which the low-side switching element and a cathode terminal that applies a negative voltage to the low-side diode element are coupled. 제6항에서,
상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 제1 단자(Terminal_P)의 한쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제1 하부 기판 상에 패터닝된 제1 배선 패턴(L1);
상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 제1 단자(Terminal_P)의 다른쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 하부 기판 상에 패터닝되는 제2 배선 패턴(L2);
상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 상기 제1 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서와 상기 제2 단자(Terminal_N)의 한쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 하부 기판 상에 패터닝되는 제3 배선 패턴(L3);
상기 제2 상부 기판상에 실장되는 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 상기 제2 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서와 상기 제2 단자(Terminal_N)의 한쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 하부 기판 상에 패터닝되는 제4 배선 패턴(L4);In paragraph 6:
a first wiring pattern (L1) patterned on the first lower substrate to electrically connect the high-side diode element and one end of the first terminal (Terminal_P);
a second wiring pattern (L2) patterned on the second lower substrate to electrically connect the high-side switching element and the other end of the first terminal (Terminal_P);
The second lower part electrically connects one end of the second terminal (Terminal_N) to a low-side spacer that electrically connects the low-side switching element mounted on the first upper board to the first lower board. a third wiring pattern (L3) patterned on the substrate;
The second lower part electrically connects one end of the second terminal (Terminal_N) to a low-side spacer that electrically connects the low-side diode element mounted on the second upper board to the second lower board. a fourth wiring pattern (L4) patterned on the substrate; 제6항에서,
상기 제1 하부 기판 상에 실장되는 하이-사이드 다이오드 소자를 상기 제1 상부 기판에 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서와 상기 제1 상부 기판상에 실장되는 로우-사이드 스위칭 소자에 전기적으로 연결하도록 상기 제1 상부 기판상에 패터닝되는 제5 배선 패턴(L5); 및
상기 제2 하부 기판상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자와 제2 상부 기판을 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서와 상기 제2 상부 기판상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 상부 기판상에 패터닝되는 제6 배선 패턴(L6);
을 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈. In paragraph 6:
The high-side spacer electrically connects the high-side diode device mounted on the first lower substrate to the first upper substrate and electrically connects the low-side switching device mounted on the first upper substrate. a fifth wiring pattern (L5) patterned on the first upper substrate; and
The second spacer electrically connects the high-side switching element mounted on the second lower substrate and the second upper substrate to electrically connect the low-side diode element mounted on the second upper substrate. 2 a sixth wiring pattern (L6) patterned on the upper substrate;
A double-sided cooled power module comprising: 제1항에서,
스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로는,
제1 단자(Terminal_P);
상기 제2 하부 기판상에 실장되어, 상기 제1 단자(Terminal_P)와 전기적으로 연결되는 하이-사이드 스위칭 소자;
상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 제2 상부 기판을 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서;
상기 제2 상부 기판 상에 실장되어, 상기 하이-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 로우-사이드 다이오드 소자;
상기 로우-사이드 다이오드 소자와 상기 제2 하부 기판을 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서; 및
상기 로우-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 제2 단자(단자_N)
를 포함하도록 구성된 경로인 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
The first current path according to the analysis of stray inductance is,
1st terminal (Terminal_P);
a high-side switching element mounted on the second lower substrate and electrically connected to the first terminal (Terminal_P);
a high-side spacer electrically connecting the high-side switching element and the second upper substrate;
a low-side diode element mounted on the second upper substrate and electrically connected to the high-side spacer;
a low-side spacer electrically connecting the low-side diode element and the second lower substrate; and
A second terminal (terminal_N) electrically connected to the low-side spacer
A double-sided cooled power module whose path is configured to include a. 제1항에서,
스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로는,
제1 단자(Terminal_P);
상기 제1 하부 기판 상에 실장되어, 상기 제1 단자(Terminal_P)와 전기적으로 연결되는 하이-사이드 다이오드 소자;
상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 제1 상부 기판을 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서;
상기 제1 상부 기판 상에 실장되어, 상기 하이-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 로우-사이드 스위칭 소자;
상기 로우-사이드 스위칭 소자와 상기 제1 하부 기판을 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서; 및
상기 로우-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 제2 단자(Terminal_N)
를 포함하도록 구성된 경로인 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In paragraph 1:
The second current path according to the analysis of stray inductance is,
1st terminal (Terminal_P);
a high-side diode element mounted on the first lower substrate and electrically connected to the first terminal (Terminal_P);
a high-side spacer electrically connecting the high-side diode element and the first upper substrate;
a low-side switching element mounted on the first upper substrate and electrically connected to the high-side spacer;
a low-side spacer electrically connecting the low-side switching element and the first lower substrate; and
A second terminal (Terminal_N) electrically connected to the low-side spacer
A double-sided cooled power module whose path is configured to include a.
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