KR102603062B1 - 양면냉각형 파워모듈 입력단 - Google Patents

양면냉각형 파워모듈 입력단 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 양면냉각형 파워모듈 입력단은, 상부기판과 하부기판 사이에 복수 개의 반도체칩이 설치된 양면냉각형 파워모듈로 전원을 전달하는 입력단으로서, 상기 반도체칩 중 어느 하나 이상과 결합되는 복수 개의 제1단자영역과 각각의 상기 제1단자영역들을 연결하는 제1브릿지영역으로 구분되고, 배터리의 양극과 연결되는 플러스 플레이트; 상기 반도체칩 중 어느 하나 이상과 결합되되 상기 플러스 플레이트에 결합된 반도체칩과 다른 반도체칩에 결합되는 제2단자영역과 각각의 상기 제2단자영역들을 연결하면서 상기 제1브릿지영역과 적층된 제2브릿지영역으로 구분되고, 상기 배터리의 음극과 연결되는 마이너스 플레이트; 및 상기 플러스 플레이트와 상기 마이너스 플레이트 사이에 적층되는 절연 재질의 세퍼레이터;를 포함한다.

Description

양면냉각형 파워모듈 입력단 {INPUT TERMINAL OF POWER MODULE OF DOUBLE-SIDE COOLING}
본 발명은 양면냉각형 파워모듈 입력단에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양면 방향에 냉각기가 설치된 파워모듈에 전원을 입력하는 양면냉각형 파워모듈 입력단에 관한 것이다.
하이브리드 자동차 및 전기자동차의 구동모터를 작동시키기 위해서는 인버터(HPCU)가 필수적으로 요구된다. 구동모터의 효율을 향상시키기 위해서는, 인버터에 포함되는 일종의 스위치 소자인 파워모듈을 소형화시키면서 냉각효율을 향상시키는 것이 필요하다.
두 개의 기판 사이에 반도체칩을 설치하여 양 기판의 바깥쪽에 냉각기를 설치하는 양면냉각형 파워모듈은 단면냉각형 파워모듈에 비해 냉각 효율이 높고, 회로 구조를 단순화시킬 수 있어 파워모듈의 소형화를 위해 중요한 기술이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 양면냉각형 파워모듈은 상부기판(100) 및 하부기판(200)의 사이에 복수 개의 반도체칩을 설치하고, 외측 면에는 냉각기(미도시)를 설치하여 냉각시키게 된다. 이러한 냉각기의 설치에 따라 시그널 단자 및 파워 단자를 파워모듈의 면 방향으로 형성시킬 수 없기 때문에, 양면냉각형 파워모듈의 경우에는 단자 연결부를 측면으로 형성시켜야만 한다.
도 1 및 2에 도시되어 있는 6in1 방식의 파워모듈의 경우, 복수 개의 소자들이 나란히 배치되어 있기 때문에, 도면상 위 또는 아래 방향으로 시그널 단자 및 파워 단자 등의 연결부를 형성시키게 된다. 이 중에서 시그널 단자는 반도체칩에 작동신호를 송수신하는 구성으로서, 본 발명에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략하도록 한다.
파워 단자는 배터리(미도시)의 양극과 연결되는 플러스입력단(110)과, 배터리의 음극과 연결되는 마이너스입력단(120)과, 모터(미도시)에 U, V, W 3상 전원을 각각 공급하는 제1출력단(131), 제2출력단(132), 제3출력단(133)을 포함하여 구성되어 있다.
종래의 양면냉각형 파워모듈의 하부기판(200)에는, 플러스입력단(110)과 연결되어 제11반도체칩(241)과 연결되는 제1플러스전극(211)과, 제12반도체칩(242)과 연결되는 제2플러스전극(213)과, 제13반도체칩(243)과 연결되는 제3플러스전극(215)이 각각 형성되고, 마이너스입력단(120)과 연결되어 제21반도체칩(151)과 연결되는 제1마이너스전극(231), 제22반도체칩(152)과 연결되는 제2마이너스전극(232), 제23반도체칩(153)과 연결되는 제3마이너스전극(233)이 각각 형성되며, 제1플러스전극(211)과 제2플러스전극(213) 사이를 연결하는 제1연결전극(212)과, 제2플러스전극(213)과 제3플러스전극(215) 사이를 연결하는 제2연결전극(214)과, 제1마이너스전극(231), 제2마이너스전극(232) 제3마이너스전극(233)을 마이너스입력단(120)에 연결시키는 제3연결전극(230)이 설치된다.
플러스입력단(110)과 마이너스입력단(120) 사이의 쇼트를 방지하기 위해 각각의 플러스전극들과 마이너스전극들은 서로 이격되어야 하는바, 제1연결전극(212) 및 제2연결전극(214)은 제3연결전극(230)과 반대 방향에 설치되어 있다.
그러나 제1연결전극(212) 및 제2연결전극이 시그널 단자와 같은 위 방향에 설치됨에 따라, 시그널 단자와 파워 단자 사이의 간섭을 방지하기 위해 회로 구조가 복잡해지고, 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 제13반도체칩(243)을 통과하는 전류의 이동거리가 길어지는 문제가 있었다.
따라서, 전류의 이동거리를 감소시켜 기생/누설 인덕턴스를 최소화시키면서, 구조를 보다 단순화시킬 수 있는 새로운 양면냉각형 파워모듈의 입력단 구조가 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 10-2016-0050282 (2016.05.11)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 기생 인덕턴스를 최소화하여 파워모듈의 효율을 향상시킬 수 있는 양면냉각형 파워모듈 입력단을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈 입력단은, 상부기판과 하부기판 사이에 복수 개의 반도체칩이 설치된 양면냉각형 파워모듈로 전원을 전달하는 입력단으로서, 상기 반도체칩 중 어느 하나 이상과 결합되는 복수 개의 제1단자영역과 각각의 상기 제1단자영역들을 연결하는 제1브릿지영역으로 구분되고, 배터리의 양극과 연결되는 플러스 플레이트; 상기 반도체칩 중 어느 하나 이상과 결합되되 상기 플러스 플레이트에 결합된 반도체칩과 다른 반도체칩에 결합되는 제2단자영역과 각각의 상기 제2단자영역들을 연결하면서 상기 제1브릿지영역과 적층된 제2브릿지영역으로 구분되고, 상기 배터리의 음극과 연결되는 마이너스 플레이트; 및 상기 플러스 플레이트와 상기 마이너스 플레이트 사이에 적층되는 절연 재질의 세퍼레이터;를 포함한다.
상기 제1브릿지영역은 각각의 상기 제1단자영역의 일측면에서 연장되어 나란히 배치된 상기 제1단자영역들의 측면을 따라 길게 형성되고, 상기 제2브릿지영역은 각각의 상기 제2단자영역의 일측면에서 연장되어 나란히 배치된 상기 제2단자영역들의 측면을 따라 길게 형성되며, 복수 개의 상기 제1단자영역과 복수 개의 상기 제2단자영역은 서로 교번되어 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단자영역 및 상기 제2단자영역은 각각 세 개씩 형성되고, 각각의 상기 제1단자영역에는 제1반도체칩이, 각각의 상기 제2단자영역에는 제2반도체칩이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단자영역은, U상 전원을 출력하는 제11반도체칩이 설치된 제11단자영역과, V상 전원을 출력하는 제12반도체칩이 설치된 제12단자영역과, W상 전원을 출력하는 제13반도체칩이 설치된 제13단자영역을 포함하고, 상기 제2단자영역은, U상 전원을 출력하는 제21반도체칩이 설치된 제21단자영역과, V상 전원을 출력하는 제22반도체칩이 설치된 제22단자영역과, W상 전원을 출력하는 제23반도체칩이 설치된 제23단자영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1브릿지영역은, 상기 제2브릿지영역이나 상기 제2단자영역과 접하지 않도록 높이 방향으로 절곡 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 양면냉각형 파워모듈 입력단에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 비대칭적으로 구성된 파워모듈 입력단 위치에 의해 발생되는 기생 인덕턴스를 최소화하여 파워모듈의 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 파워모듈의 플러스단자 및 마이너스단자가 인접하게 배치되어 회로 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 1은 양면냉각형 파워모듈의 상부기판의 모습을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 양면냉각형 파워모듈의 하부기판의 모습을 나타낸 도면,
도 3은 종래의 양면냉각형 파워모듈의 W상 전원의 전류 이동 경로를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈의 하부기판의 모습을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈의 W상 전원의 전류 이동 경로를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈의 하부기판 중 입력단 부분의 분해도이다.
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 파워모듈 입력단에 대하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 입력단은 크게 세 개의 구성이 적층된 구조를 가지고 있다. 구체적으로는, 배터리(미도시)의 양극과 파워모듈 내부의 반도체칩을 연결시키는 플러스 플레이트(310)와, 배터리의 음극과 파워모듈 내부의 반도체칩을 연결시키는 마이너스 플레이트(320)와, 플러스 플레이트(310)와 마이너스 플레이트(320) 사이에 배치되어 두 구성을 절연시키는 세퍼레이터(340)를 포함하게 된다. 이들 플러스 플레이트(310)와 마이너스 플레이트(320) 및 세퍼레이터(340)는 하부기판(300)을 이루게 된다.
플러스 플레이트(310)는 반도체칩(150, 350) 중에서 하부기판(300)에 설치된 복수 개의 제1반도체칩(350)에 각각 연결되는 복수 개의 제1단자영역(311, 312, 313)과, 복수 개의 제1단자영역(311, 312, 313)들을 연결시키는 제1브릿지영역(314)으로 구분된다. 이때, 제1브릿지영역(314)은 제1반도체칩(350)이 설치된 영역으로부터 측면으로 돌출되어 설치되어 있다.
마이너스 플레이트(320)는 반도체칩(150, 350) 중에서 상부기판(100)에 설치된 복수 개의 제2반도체칩(150)에 각각 연결되는 복수 개의 제2단자영역(321, 322, 323)과, 복수 개의 제2단자영역(321, 322, 323)들을 연결하고 제1브릿지영역(314)과 적층되는 제2브릿지영역(330)으로 구분된다. 제2브릿지영역(330)은 제1브릿지영역(314)과 같은 방향으로 돌출 형성되지만, 제1브릿지영역(314)과는 절연 상태를 유지할 수 있도록 설치된다.
이를 위해, 제1브릿지영역(314)과 제2브릿지영역(330) 사이에 절연 재질의 세퍼레이터(340)가 설치되어 제1브릿지영역(314)과 제2브릿지영역(330)이 통전되는 것을 방지하게 된다.
플러스 플레이트(310)와 마이너스 플레이트(320)는 서로 적층되어 일종의 라미네이트 버스바를 형성하게 된다. 이들은 두께에 비해 넓은 폭을 가지면서 서로 대면되는 형태로 배치되어 기생 인덕턴스 및 누설 인덕턴스의 발생을 최소화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 입력단은, 내부에 2개씩의 반도체칩이 설치된 양면냉각형 파워모듈을 2개 또는 3개 결합시킨 4in1 또는 6in1 방식의 파워모듈에 적용될 수 있다. 이하에서는 3개의 양면냉각형 파워모듈을 결합시킨 6in1 방식의 실시예를 기준으로 설명하도록 한다.
제1단자영역(311, 312, 313)에는 하나의 제1반도체칩(350)이 설치되고, 제2단자영역(321, 322, 323)에는 하나의 제2반도체칩(150)이 설치된다. 6in1 방식의 양면냉각형 파워모듈을 구현하기 위해서는, 제1단자영역(311, 312, 313)과 제2단자영역(321, 322, 323)이 각각 세 개씩 설치되어야 한다.
제1단자영역(311, 312, 313)은, 배터리의 양극과 제11반도체칩(351) 사이를 매개하는 제11단자영역(311)과, 배터리의 양극과 제12반도체칩(352) 사이를 매개하는 제12단자영역(312)과, 배터리의 양극과 제13반도체칩(353) 사이를 매개하는 제13단자영역(313)을 포함하여 구성된다.
이와 유사하게 제2단자영역(321, 322, 323)은, 배터리의 음극과 제21반도체칩(151) 사이를 매개하는 제21단자영역(321)과, 배터리의 음극과 제22반도체칩(152) 사이를 매개하는 제22단자영역(322)과, 배터리의 음극과 제23반도체칩(153) 사이를 매개하는 제23단자영역(323)을 포함하여 구성된다.
제11반도체칩(351) 및 제21반도체칩(151)은 U상 전원을 생성하여 제1출력단(131)을 통해 모터(미도시)로 출력하고, 제12반도체칩(352) 및 제22반도체칩(152)은 V상 전원을 생성하여 제2출력단(132)을 통해 모터로 출력하며, 제13반도체칩(353) 및 제23반도체칩(153)은 W상 전원을 생성하여 제3출력단(133)을 통해 모터로 출력하게 된다.
제1브릿지영역(314)과 제2브릿지영역(330)이 서로 접촉하지 않도록 하기 위해, 제1브릿지영역(314)의 일부분은 높이 방향으로 절곡 형성되어 제2브릿지영역(330)의 상측면 방향에 배치될 수 있다.
이렇게, 제11단자영역(311)과 제21단자영역(321), 제12단자영역(312)과 제22단자영역(322), 제13단자영역(313)과 제23단자영역(323), 제1브릿지영역(314)과 제2브릿지영역(330) 등 서로 역방향의 전류가 유동하는 구성간의 거리를 짧게 형성시킴으로써, 기생/누설 인덕턴스를 최소화시킬 수 있다.
기생 인덕턴스와 누설 인덕턴스는 전류의 이동 거리가 길거나, 역방향으로 유동하는 두 전선간의 거리가 멀거나, 전선의 면적이 좁을 경우 커지게 되므로, 본 발명의 구조에 따르면 이들을 최소화시킬 수 있는 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.
100: 상부기판 110: 플러스입력단
120: 마이너스입력단 131: 제1출력단
132: 제2출력단 133: 제3출력단
141: 제1상부기판 142: 제2상부기판
143: 제3상부기판 150: 제2반도체칩
151: 제21반도체칩 152: 제22반도체칩
153: 제23반도체칩 200: 하부기판(종래)
210: 플러스 플레이트(종래) 211: 제1플러스전극
212: 제1연결전극 213: 제2플러스전극
214: 제2연결전극 215: 제3플러스전극
220: 마이너스 플레이트(종래) 230: 제3연결전극
231: 제1마이너스전극 232: 제2마이너스전극
233: 제3마이너스전극 240: 제1반도체칩(종래)
241: 제11반도체칩 242: 제12반도체칩
243: 제13반도체칩 300: 하부기판
310: 플러스 플레이트 311: 제11단자영역
312: 제12단자영역 313: 제13단자영역
314: 제1브릿지영역 320: 마이너스 플레이트
321: 제21단자영역 322: 제22단자영역
323: 제23단자영역 330: 제2브릿지영역
340: 세퍼레이터 350: 제1반도체칩
351: 제11반도체칩 352: 제12반도체칩
353: 제13반도체칩

Claims (5)

  1. 상부기판과 하부기판 사이에 복수 개의 반도체칩이 설치된 양면냉각형 파워모듈로 전원을 전달하는 입력단으로서,
    상기 반도체칩 중 어느 하나 이상과 결합되는 복수 개의 제1단자영역과 각각의 상기 제1단자영역들을 연결하는 제1브릿지영역으로 구분되고, 배터리의 양극과 연결되는 플러스 플레이트;
    상기 반도체칩 중 어느 하나 이상과 결합되되 상기 플러스 플레이트에 결합된 반도체칩과 다른 반도체칩에 결합되는 제2단자영역과 각각의 상기 제2단자영역들을 연결하면서 상기 제1브릿지영역과 적층된 제2브릿지영역으로 구분되고, 상기 배터리의 음극과 연결되는 마이너스 플레이트; 및
    상기 플러스 플레이트와 상기 마이너스 플레이트 사이에 적층되는 절연 재질의 세퍼레이터;를 포함하고,
    복수 개의 상기 제1단자영역과 복수 개의 상기 제2단자영역은 서로 교번되어 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈 입력단.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1브릿지영역은 각각의 상기 제1단자영역의 일측면에서 연장되어 나란히 배치된 상기 제1단자영역들의 측면을 따라 길게 형성되고,
    상기 제2브릿지영역은 각각의 상기 제2단자영역의 일측면에서 연장되어 나란히 배치된 상기 제2단자영역들의 측면을 따라 길게 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈 입력단.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단자영역 및 상기 제2단자영역은 각각 세 개씩 형성되고,
    각각의 상기 제1단자영역에는 제1반도체칩이, 각각의 상기 제2단자영역에는 제2반도체칩이 설치되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈 입력단.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1단자영역은, U상 전원을 출력하는 제11반도체칩이 설치된 제11단자영역과, V상 전원을 출력하는 제12반도체칩이 설치된 제12단자영역과, W상 전원을 출력하는 제13반도체칩이 설치된 제13단자영역을 포함하고,
    상기 제2단자영역은, U상 전원을 출력하는 제21반도체칩이 설치된 제21단자영역과, V상 전원을 출력하는 제22반도체칩이 설치된 제22단자영역과, W상 전원을 출력하는 제23반도체칩이 설치된 제23단자영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈 입력단.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1브릿지영역은, 상기 제2브릿지영역이나 상기 제2단자영역과 접하지 않도록 높이 방향으로 절곡 형성되는 것을 특징으로 하는, 양면냉각형 파워모듈 입력단.
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