KR20090005221A - 전력 반도체 모듈 - Google Patents

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다케시 가토
겐지 오오구시
겐이치 노나카
요시히코 히가시다니
요시미츠 사이토
겐지 오카모토
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

금속 기판 전극(14), 절연 기판(15) 및 히트 싱크(12)가 결합된 집적 회로 보드(11)를 갖는 전력 반도체 모듈(10)이 개시된다. SiC 반도체 전력 장치(13)는 회로 보드의 금속 기판 전극의 정상부에 결합된다. 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 회로 보드의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차는 2.0 ppm/℃ 이하이며, 회로 보드 구성 요소 재료들의, 최저 동작 온도와 결합 온도 간의 차로 인하여 생성된 팽창 차는 2,000 ppm 이하이다.

Description

전력 반도체 모듈{POWER SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은 전력 반도체 모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는 자동차 등에서 전력 변환 장치로서 적합하게 사용될 수도 있는 전력 반도체 모듈에 관한 것이다.
반도체 전력 장치는 인버터, DC/DC 변환기 및 다른 전력 변환 장치로서 사용된다. 반도체 전력 장치는 주로, 복수의 반도체 전력 장치가 탑재되는 "전력 반도체 모듈(power semiconductor module)"로서 칭해지는 형태로 사용된다.
통상적인 종래의 전력 반도체 모듈의 구조는 도 4 및 도 5를 참조하여 후술된다. 도 4는 전력 반도체 모듈의 단면 구조를 도시하고, 도 5는 전력 반도체 모듈에 내장된 전기 회로를 도시한다.
이러한 반도체 전력 장치의 예는, 온/오프 동작이 외부 신호에 의하여 제어되는 트랜지스터들, 정류 특성을 갖는 다이오드들, 및 다른 장치들을 포함한다. 통상적인 트랜지스터는 MOSFET, IGBT 등을 포함한다.
도 5는 직류를 3상 교류로 변환하기 위한 인버터 회로의 예이다. 이 인버터 회로(100)는 적어도 6개의 IGBT들(101)과 6개의 다이오드들(102)을 포함한다. 이 6개의 IGBT들(101)은 브릿지 회로를 형성하도록 접속된다. 각 다이오드(102)는 대응하는 IGBT(101)의 콜렉터와 이미터 사이에 접속되고, 순방향은 이미터로부터 콜 렉터를 향하는 방향이다. 도 5의 좌측의 상부 단자(103a) 및 하부 단자(103b)는 직류 입력 단자들이고, 이 도면의 우측의 3개의 단자들(104a, 104b 및 104c)은 3상 교류용 출력 단자들이다. 제어될 전력이 인버터 회로(100)에서 증가될 때, 반도체 전력 장치에서 생성되는 열량은 증가된다. 따라서, 이 열은, 반도체 전력 장치에서 온도가 과도하게 증가하는 것을 방지하기 위하여 외부로 적절히 배출되어야 한다.
도 4에 도시된 전력 반도체 모듈(201)에서, IGBT들(101) 및 다이오드들(102)이 반도체 전력 장치들(202)로서 총칭하여 도시되어 있다. 이들 반도체 전력 장치들(202)은, 함께 적층되어 있는, 금속 기판 전극(211), 절연 기판(212), 및 금속 기판(213)을 갖는 회로 보드(210) 상에 땜납(solder)을 사용함으로써 결합된다. 복수의 금속 기판 전극들(211)은 반도체 전력 장치들(202)에 대응하여 배치된다. 알루미늄 배선들(222)이 반도체 전력 장치들(202)의 표면 전극들에 연결되어 있고, 외부 전극들(223)에 연결되어 있다. 회로 보드(210)에서, 금속 기판 전극(211) 및 금속 기판(213)은 알루미늄으로 구성되고, 절연 기판(212)은 질화알루미늄으로 구성되며, 이들 요소들은 서로 연결되어 있다.
금속 기판 전극(211)의 역할은, 반도체 전력 장치들(202)로 흐르는 상당한 전류를 외부로 저손실로 전달하는 것이다. 전기 도전성을 갖는 재료는 금속 기판 전극들(211)용으로 적합하다. 구리 및 알루미늄이 금속 기판 전극들(211)용으로 주로 사용된다. 절연 기판(212)의 역할은, 금속 기판 전극들(211) 각각과 금속 기판(213) 간의 전기 절연을 보증하는 것이다. 절연 기판(212)은 또한, 반도체 전력 장치들(202)에서 발생된 열을 외부로 전달하도록 기능한다. 이러한 이유로, 절연 기판(212)으로서 높은 절연 저항 및 높은 열 도전성을 갖는 재료가 필요하다. 절연 기판(212) 재료용으로 질화알루미늄, 질화규소, 알루미나 등이 통상적으로 사용된다.
금속 기판 전극(211) 및 절연 기판(212)은 약 600℃ 이상의 고온에서 브레이징(brazing)에 의하여 통상적으로 결합된다. 브레이징 후 실내 온도(room temperature)로 냉각되면, 금속 기판 전극(211)과 절연 기판(212) 간의 열 팽창 계수들의 차로 유발된 응력에 기인하여 뒤틀림(warping)이 발생한다. 절연 기판(212)에 의하여 금속 기판 전극(211)의 반대측 상의 위치에 배치된 금속 기판(213)이 이러한 뒤틀림을 방지하기 위하여 사용되고, 회로 보드(210)에서의 3개의 요소들, 즉 금속 기판 전극(211), 절연 기판(212), 및 금속 기판(213)이 동일한 브레이징 단계에서 결합된다.
전체 회로 보드(210)는 땜납(solder)(224)에 의하여 구리 베이스판(225)에 결합된다. 이 회로 보드(210)의 구성 요소들은 단지 1mm 이하의 두께를 갖지만, 이 베이스판(225)은 수 밀리미터 이상의 두께를 갖는다. 또한, 땜납(224)은 유연하며, 쉽게 퍼질 수 있고, 베이스판(225)과 회로 보드(210) 간에 생성된 열 응력을 감소시키는 역할을 한다. 베이스판(225)은 실리콘 그리스(silicone grease)(226)에 의하여 알루미늄 히트 싱크(227)에 연결된다.
베이스판(225)의 정상부 상에 수지 케이스(228)가 고정된다. 이 수지 케이스(228)에 외부 전극들(223)이 고정되고, 케이스의 내부로부터 케이스의 외부로 연 장된다.
전력 반도체 모듈(210)이 동작하고 있을 때, 반도체 전력 장치들(202)로 다량의 전류가 흘러, 열을 생성한다. 전력 반도체 모듈(201)을 전체적으로 보면, 국부적으로 생성된 열은, 회로 보드(210)에서 베이스판(225)으로 전달되고, 베이스판(225) 내에서 측방향으로 넓게 확산되고, 베이스판(225) 전체를 통하여 이동하여, 마지막으로 히트 싱크(227)에 의하여 대기로 배출된다. 실리콘 반도체 전력 장치의 결합 영역의 상한 온도는 통상적으로 약 150℃이다. 그러므로, 열 배출 구조는, 탑재된 반도체 전력 장치들(202)이 상한 온도를 초과하여 가열되지 않도록, 전력 반도체 모듈용으로 설계된다.
실리콘계 반도체 전력 장치들(202)의 성능은 실질적으로 이론적인 한계에 달하였다. 탄화실리콘(SiC)을 사용하는 반도체 전력 장치들(이하, "SiC 반도체 전력 장치들"로서 칭함)은 최근 대안물로서 주목을 받아 왔다. SiC 반도체 전력 장치들은 실리콘 반도체 전력 장치들보다 높은 온도에서 손실을 줄일 수 있고 동작할 수 있다. 이러한 이유로, 발열이 감소되고, 고온 동작이 가능해지고, 히트 싱크의 체적은, 히트 싱크와 외부 대기 또는 냉각제 간의 온도 차를 SiC 반도체 전력 장치들을 사용하는 전력 반도체 모듈들과 전력 변환기들에서 더 크게 함으로써 감소될 수 있다. 전력 반도체 모듈들과 전력 변환기들의 크기를 감소시키기 위한 상당히 유용한 수단으로서 SiC 반도체 전력 장치들의 애플리케이션의 높은(excellent) 가능성이 있다.
그러나, 종래의 탑재 구조는, 최량의 사용이 SiC 반도체 전력 장치의 특성으 로 이루어지는 온도 범위인 200℃를 초과하는 고온 동작에 적용될 수 없다. 종래의 탑재 기술을 사용하여 획득된 전력 반도체 모듈이 200℃를 초과하는 고온 환경에서, 또는 최소 및 최대 온도에서 상당한 변동을 갖는 환경에서 채용되거나 보관된다(store)고 가정하면, 구성 요소 재료들 간의 열 팽창 계수의 차로 인하여 유발되는 열 응력이 과도하게 높아지기 때문에, 전력 반도체 모듈은 결정적인 실패를 경험할 것이고, 땜납 및 다른 재료들 자체는 불충분한 열 저항을 갖는다.
따라서, 반도체 전력 장치들을 탑재하기 위한 종래의 기술은 실리콘 반도체 전력 장치들의 동작 온도 범위에서 실용적이나, SiC 반도체 전력 장치들과 같은, 보다 높은 온도에서 효과적으로 동작하는 장치들에 충분한 분위기 열 저항을 제공하지 못한다. 실리콘 반도체 전력 장치들이 사용되어야 하는 경우에서, 열 유도 저항을 덜 생성하고 더 큰 분위기 열 저항을 제공하여, 이러한 장치들의 특성을 충분히 이용하게 하는 탑재 기술이 필요하다.
본 발명에 관한 종래 기술들을 개시하는 JP 09-148491 A1 및 JP 2000-216278 A1(현재 특허 3,479,738로서 발행됨), JP 2000-332170 A1 및 JP 10-289968 A1을 참조바란다.
JP 09-148491 A1에 개시된 전력 반도체 기판은, AlN(질화알루미늄, aluminum nitride)으로 제조된 절연 보드와, CuMo(구리 몰리브덴, copper molybdenum)로 제조되며 이 절연 보드의 전면 및 후면 상에 위치된 고열 방사 복합 재료 보드들을 포함한다. 이 문서는 이 기판만을 개시하며, 히트 싱크를 포함하는 구조에 대한 어떠한 언급도 없다. 이 개시된 구조는 전력 반도체 내에서 향상된 전기 도전성 및 절연성을 제공한다. 그러나, 본 문서는 열 방사에 대하여는 고려하지 않는다.
JP 2000-216278 A1은, JP 09-148491의 구성과 유사하게, AlN(질화알루미늄, aluminum nitride)으로 제조된 절연 보드와, 이 절연 보드의 전면 및 후면 상에 위치된 고열 방사 CuMo(구리 몰리브덴, copper molybdenum) 복합 재료 보드들로 구성된 반도체 패키지를 개시한다.
JP 2000-332170 A1은, 세라믹 기판이 일 표면에 접합된, 구리(Cu)로 제조된 베이스판을 포함하는 반도체 장치를 개시한다. 세라믹 기판의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 갖는 몰리브덴판은, 세라믹 기판과 위치적으로 대응하여 베이스판의 타 표면에 접합된다.
JP 10-289968 A1은, 보드 주위에 형성된 무배선의 전기적 도전성 패턴들을 갖는 AlN 보드를 갖는 전력 반도체에 관한 것이다. 이 구성은, 본 보드의 전면 및 후면에서의 응력 발생의 균형적인 제어에 의하여 AlN 보드의 표면에서의 응력 발생을 억제할 수 있게 한다.
따라서, 반도체 전력 장치들을 탑재하기 위한 종래 기술들은 실리콘 반도체 전력 장치들의 동작 온도 범위에서는 실용적이지만, SiC 반도체 전력 장치들과 같은, 보다 높은 온도에서 효과적으로 동작하는 장치들에 충분한 분위기 열 저항을 제공하지 못한다. 실리콘 반도체 전력 장치들이 사용되어야 하는 경우에서, 열 유도 저항을 덜 생성하고 더 큰 분위기 열 저항을 제공하여, 이러한 장치들의 특성을 충분히 사용하게 하는 탑재 기술이 필요하다.
도 4에 도시된 전력 반도체 모듈의 구조에서, 반도체 전력 장치들(202)로부 터 외부 대기로의 경로는, 땜남(221)에서 시작하여, 금속 기판 전극(211), 절연 기판(212), 금속 기판(213), 땜납(224), 베이스판(225), 및 실리콘 그리스(226)를 통과하고, 히트 싱크(227)에서 종료하는 복잡한 구조이다. 이것은, 구성 요소 재료들 간의 열 팽창 계수들의 차에 의하여 생성된 열 응력을 경감하기 위한 목적으로부터, 그리고 제조 공정에서 나타난 제약들로부터 기인했다.
그러므로, 전력 반도체 모듈들이 SiC 반도체 전력 장치를 사용하여 구성될 때, 모듈들은, 반도체 전력 장치들로부터 외부 대기로의 보다 간단한 경로를 가지는 구조를 가질 필요가 있고, 또한 보다 높은 온도에서 효과적으로 동작하는 SiC 반도체 전력 장치들에 관하여 충분한 분위기 열 저항을 가질 필요가 있다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 금속 기판 전극, 절연 기판 및 히트 싱크가 일체로 결합된 집적 회로 보드; 및 이 회로 보드의 금속 기판 전극의 정상부에 결합된 반도체 전력 장치를 포함하고, 실내 온도로부터 결합(joining) 온도까지의 온도 범위에서 회로 보드의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차가 2.0 ppm/℃ 이하이도록 설정되는 것인 전력 반도체 모듈이 제공된다.
본 명세서 전체에 걸쳐, "실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 회로 보드의 구성 요소 재료들의 평균 열 팽창 계수들의 차"라는 용어는 후술되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 한다.
실내 온도로부터 결합시 온도(또한, 여기서 "결합 온도"라고 칭함; 예컨대 800℃)까지의 온도 범위에서 평균 열 팽창 계수들은 복수의 회로 보드 구성 요소 재료들(금속 기판 전극, 절연 기판 및 히트 싱크의 3층 구조) 각각에서 획득된 후, 이 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차가 획득된다. 본 발명에서, 열 팽창 계수들의 차는 2.0 ppm/℃ 이하이도록 설정된다.
"실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서의 평균 열 팽창 계수"는 다음의 수학식에 의하여 획득된다.
Figure 112008081579877-PCT00001
CTE(T) : 온도 T에서의 열 팽창 계수
전력 반도체 모듈에 대한 실제 결합 공정에서, 실내 온도에서 미리 결정된 위치 관계에 따라 구성 요소 재료들이 우선 세트된다. 다음, 세트된 재료들이 장치에 장착된 후, 본 장치 내의 온도를 결합시 온도에 근접하게 서서히 증가시키고, 그 온도를 일정하게 유지시킨다. 그 후, 본 장치 내의 온도가 실내 온도로 서서히 하강되고, 결합된 구성 요소 재료들을 갖는 전력 반도체가 본 장치로부터 분리된다.
구성 요소 재료들이 결합된 후 결합시 온도로부터 실내 온도로 온도가 하강하는 동안, 상이한 열 팽창 계수들을 갖는 재료들 간에 응력이 발생된다. 발생된 응력의 크기는, 실내 온도와 결합 온도 간의 온도 범위에서의 열 팽창 계수에 의존한다.
상기의 관점에서, 구성 요소 재료들 간의 열 팽창 계수들의 차로서, 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서의 평균 열 팽창 계수들의 차가 사용된다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 금속 기판 전극, 절연 기판 및 히트 싱크가 일체로 결합된 집적 회로 보드; 및 이 회로 보드의 금속 기판 전극의 정상부에 결합된 반도체 전력 장치를 포함하고, 이 회로 보드의 구성 요소 재료들의, 최저 동작 온도와 결합시 온도 간의 온도차에 의하여 생성된 팽창 차는 2,000 ppm 이하인 전력 반도체 모듈이 제공된다.
상술된 전력 반도체 모듈에서, 반도체 전력 장치는 바람직하게는 SiC 반도체 전력 장치이다.
상술된 전력 반도체 모듈에서, 금속 기판 전극의 재료는 바람직하게는, 몰리브덴, 텅스텐, 구리 몰리브덴 또는 구리 텅스텐이다.
상술된 전력 반도체 모듈에서, 절연 기판의 재료는 바람직하게는 질화알루미늄 또는 질화규소이다.
상술된 전력 반도체 모듈에서, 히트 싱크의 재료는 바람직하게는, 금속/탄소 복합물, 금속/규소 탄화물 복합물, 텅스텐, 몰리브덴, 구리 몰리브덴, 또는 구리 텅스텐이다.
상술된 전력 반도체 모듈에서, 반도체 전력 장치 및 회로 보드는 바람직하게는 250℃ 이상의 용융점을 갖는 무연(lead free) 땜납을 사용함으로써 결합되며, 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 회로와 반도체 전력 장치의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차는 5 ppm/℃ 이하이다. 무연 땜납은 바람직하게는 금-주석 합금이다.
상술된 전력 반도체 모듈에서, 금속 배선은 반도체 전력 장치의 표면과 회로 보드의 표면에 결합되며, 실내 온도로부터 결합 온도까지의 온도 범위에서 반도체 전력 장치와 금속 배선의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들에서, 그리고 실내 온도로부터 결합 온도까지의 온도 범위에서 회로 보드와 금속 배선의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들에서 5 ppm/℃ 이하의 차가 유지된다.
본 발명의 전력 반도체 모듈은 후술하는 바와 같은 이점을 제공한다.
우선, 본 발명의 전력 반도체 모듈은 종래의 전력 반도체 모듈보다 높은 온도에서 동작할 수 있다.
SiC 반도체 전력 장치가 탑재될 때, 시스템은, SiC의 고온 동작 특성으로 최량 사용이 이루어지는 200℃를 초과하는 온도에서 동작할 수 있다. 본 발명에 따른 구조가 실리콘 장치에 적용될 때, 보다 높은 신뢰성을 갖고, 종래 장치들보다 높은 온도에서 동작할 수 있는 전력 반도체 모듈이 달성될 수 있다.
두번째로, 히트 싱크과 외부 대기 또는 냉각제 간의 온도 차는 보다 높은 온도에서 동작함으로써 증가될 수 있으므로, 히트 싱크의 체적이 대폭 감소될 수 있다. 저손실 SiC 반도체 전력 장치를 탑재함으로써 추가적인 크기 감소가 가능하다.
세번째로, 집적 회로 보드의 구조가 상당히 단순하고, 하나의 결합 공정에서 제조될 수 있으므로, 제조 단계들이 삭감되고 비용을 감소시키는 것에 기여한다.
본 발명의 특정 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여, 예로써만 이 하에 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 반도체 모듈의 구조를 도시하는 길이방향 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 반도체 모듈의 구조를 도시하는 길이방향 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력 반도체 모듈의 구조를 도시하는 길이방향 단면도이다.
도 4는 통상적인 종래의 전력 반도체 모듈의 구조를 도시하는 길이방향 단면도이다.
도 5는 종래의 전력 반도체 모듈에 내장된 브릿지 회로를 도시하는 전기 회로도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 반도체 모듈을, 제1 실시예에 따른 전력 반도체 모듈의 주요부를 길이방향 단면으로 도시하는 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시된 전력 반도체 모듈(10)에서, 회로 보드(11)는, 금속 기판 전극들(14), 절연 기판(15) 및 히트 싱크(12)의 통합체를 포함한다. SiC 반도체 전력 장치는 납 땜납(16)을 통하여 각 금속 기판 전극(14)에 연결된다. SiC 반도체 전력 장치(13)의 상부 전극을 형성하는 각 금속 기판 전극(14)은, 모듈 내 회로 구성과 대응하여 외부 전극(18)에 금속 배선(19)을 통하여 연결된다. 히트 싱크(12) 상에 열 저항 수지 케이스(17)가 더 배치된다.
금속 기판 전극들(14)이 전력 반도체 모듈(10) 내 회로 구성에 대응하여 패터닝된다. 히트 싱크(12) 상에 절연 기판(15)이 복수개 제공될 수도 있다.
금속 기판 전극(14)의 재료는, 예컨대 몰리브덴(Mo)일 수도 있고, 절연 기판(15)의 재료는 질화알루미늄(AlN)일 수도 있다. 히트 싱크(12)는, 예컨대 구리/탄소 복합물(CuC)로 제조될 수도 있다. 금속 배선(19)은, 예컨대 알루미늄 배선이다.
상기와 같이 구성된 전력 반도체 모듈(10)에는, 그 구조가 3층들만을 갖는 히트 싱크 집적 회로 보드(11)가 제공된다. 회로 보드(11)는 단순화된 구조를 가지나, 반도체 전력 장치(13)의 주요 기능들, 즉 전류의 흐름을 허용하기 위한 전기 기능, 각 금속 기판 전극들(14) 간 및 금속 기판 전극들(14)과 히트 싱크 간 절연을 제공하기 위한 절연 기능, 및 SiC 반도체 전력 장치(13)에 발생된 열을 외부로 방사시키기 위한 열 방사 기능을 갖는다. 따라서, 열 유도 저항이 감소될 수 있고, 종래의 전력 반도체 모듈의 구조와 비교하여 제조 공정이 단순화될 수 있다.
금속 기판 전극들(14), 절연 기판(15), 및 히트 싱크(12)는, 예컨대 800℃ 이상의 온도에서 브레이징된다.
본 실시예에서 금속 기판 전극들(14), 절연 기판(15), 및 히트 싱크(12)에서 사용되는 재료들은, 실내 온도로부터 800℃까지의 온도 범위에서 다음의 평균 열 팽창 계수들: 몰리브덴(Mo)에 대하여 6.0 ppm/℃, 질화알루미늄(AlN)에 대하여 5.5 ppm/℃, 및 구리/탄소 복합물(CuC)에 대하여 5.7 ppm/℃을 갖는다. 구성 요소들의 재료들 간의 열 팽창 계수들의 최대차는 단지 0.5 ppm/℃이다.
금속 기판, 히트 싱크 및 다른 구성 요소들에서 알루미늄과 구리를 사용하는 종래 구조에서, 구성 요소들의 재료들의 열 팽창 계수 간 차는 10 ppm/℃ 내지 20 ppm/℃ 만큼이다.
종래 모듈과 비교하여, 구성 요소들의 재료들의 열 팽창 계수 간의 상술된 차로 인하여, 본 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(10)에서 상당히 높은 분위기 온도 특성들이 달성될 수 있다.
SiC 반도체 전력 장치들(13)이 제공된 전력 반도체 모듈(10)은, 200℃ 이상의 온도에서 반복적으로 사용되어도, 정상적으로 동작할 수 있다. 몰리브덴(Mo)의 전기 저항률은 알루미늄의 전기 저항률의 약 2배이나, 대 전류를 저손실로 흐르게 하는 기능은 두께와 다른 요인들을 고려함으로써 충분히 만족될 수 있다.
제1 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(10)에서, 종래의 실리콘 반도체 전력 장치에 비하여, 탑재된 SiC 반도체 전력 장치들(13)에서 손실이 절반 이상 감소될 수 있고, 보다 높은 온도 동작이 가능하게 되기 때문에, 외부 대기와 히트 싱크(12) 간의 온도 차가 두배일 수 있거나 더 크게 증가될 수 있다. 따라서, 히트 싱크(12)의 크기(체적)는 종래 모듈의 크기(체적)의 약 1/5 크기로 상당히 감소될 수 있다.
상기에 기초하여, 제1 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(10)은 다음의 3가지 특성들을 갖는 모듈 구조이다.
첫째, 회로 보드(11)는, 금속 기판 전극들(14), 절연 기판(15), 및 히트 싱크(12)가 집적되어 있는 단순하고 다기능적 구조를 갖는다.
둘째, 회로 보드(11)내 생성된 열 응력이 상당히 낮기 때문에, 탑재된 SiC 반도체 전력 장치(13)는 200℃를 초과하는 온도에서 동작할 수 있고, 전력 반도체 모듈의 서비스 온도 또는 보관 온도가 -40℃와 같이 상당히 낮은 고온 차를 갖는 환경에서 높은 신뢰성이 제공된다.
셋째, 히트 싱크(12)의 체적은, SiC 반도체 전력 장치들(13)이 저손실을 갖기 때문에, 종래 모듈에 비하여 대폭 감소될 수 있고, 히트 싱크(12)과 외부 대기 간 온도 차가 증가될 수 있다.
아래 표 1은, 상술된 제1 실시예에 따른 회로 보드(11)를 포함하는 다양한 회로 보드 구조들에 대하여 -40℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 실행된 온도 사이클 테스트의 결과들의 일부를 보여준다.
(표 1 : 회로 보드들에 대한 온도 사이클 테스트 결과들)
구조 실내온도 및 결합온도 간 평균 열팽창계수들의 차(ppm/℃) 200℃ 및 실내온도 간 평균 열팽창계수들의 차(ppm/℃) 테스트 결과들
Mo/AlN/CuC 0.5 2.3 이상없는 10,000사이클
W/AlN/W 0.6 0.6 이상없는 10,000사이클
CuMo/Al2O3/CuC 2.4 1.6 100사이클 내지 2,000사이클에서 세라믹 크랙
Al/AlN/CuC 23 20.5 100사이클 내지 2,000사이클에서 세라믹 크랙
Mo/AlN/Al 23 20.5 100사이클 내지 2,000사이클에서 세라믹 크랙
Al/AlN/Al 23 20.5 100사이클 내지 2,000사이클에서 세라믹 크랙
제1 실시예에서 채택된 회로 보드(11)의 구조로 시작하면, 실내 온도로부터, 통상의 회로 보드 결합 온도인 600℃ 내지 800℃까지의 온도 범위에서 구성 요소 재료들 간에 평균 열 팽창 계수들의 차가 작을 때, 장기간 온도 사이클 테스트들에서 이상이 관찰되지 않았다.
한편, Al, Cu 등이 사용되었던 구성 요소 재료들 간에 평균 열 팽창 계수들의 차가 상당히 큰 구조들에서 열 사이클 테스트 초기에 손상이 발생되었다. CuMo/Al2O3/CuC 와 같은, Al 및 Cu가 사용되지 않았던 구조들에서 손상이 또한 초기에 발생되었다. Mo/AlN/CuC 및 CuMo/Al2O3/CuC 가 비교될 때, Mo/AlN/CuC 는, 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 구성 요소 재료들의 평균 열 팽창 계수들의 보다 작은 차를 갖지만, CuMo/Al2O3/CuC 는, 실내 온도로부터, 온도 사이클 테스트의 최대 온도였던 200℃까지의 온도 범위에서 평균 열 팽창 계수들의 보다 작은 차를 갖는다. 본 온도 사이클 테스트의 결과들은, Mo/AlN/CuC는 이상을 갖지 않으나, CuMo/Al2O3/CuC 는 테스트 초기에 손상되었다는 것을 보여준다.
상기 결과들로부터, 회로 보드 구조의 분위기 열 저항의 효과에서, 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 구성 요소 재료들의 평균 열 팽창 계수들의 차는, 실내 온도로부터 동작 온도까지의 온도 범위에서 재료들의 평균 열 팽창 계수들의 차보다 커야 하며, 결합 온도와 실내 온도 간의 열 팽창 계수는 약 2 ppm/℃ 이하여야 한다는 것이 명백하다.
상기 표 1에서 보여진 재료들의 예들 외에, 금속 기판 전극들(14)용으로 구리/몰리브덴 복합물이 사용될 수 있고, 히트 싱크(12)용으로 AlSiC 등이 사용될 수 도 있다. 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서의 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차가 2 ppm/℃ 이하이도록 구성 요소 재료들이 선택되는 한, 어떠한 재료도 사용될 수 있다.
결합이 보다 낮은 온도에서 수행될 수 있으면, 열 팽창 계수들의 보다 큰 차가 허용될 것이다. 이러한 경우에 대한 기준은, 결합 온도와 보관 환경 온도 또는 동작 최소 온도 간의 차에 의하여 생성된 구성 요소 재료들의 팽창비들의 차이다. 표 1의 예들에서, 결합 온도는 800℃이고, 동작 최소 온도는 -40℃이다. W/SiN/CuC는 양호한 온도 사이클 테스트 결과들을 갖는 회로 보드들의 구성 요소 재료들의 팽창비의 최대 차를 가졌으며, 그 값은 1,300 ppm이었다. 역으로, CuMo/Al2O3/CuC 는 온도 사이클 테스트 초기에 손상되었던 회로 보드들의 구성 요소 재료들의 팽창비들의 최소 차를 가졌으며, 그 값은 2,000 ppm이었다. 이들 사실에 기초하여, 동작 최대 온도가 200℃를 초과하고, 보관 환경 온도 또는 동작 최소 온도가 0℃ 이하일 때, 결합 온도와 보관 환경 온도 또는 동작 최소 온도 간의 차에 의하여 생성된 구성 요소 재료들의 팽창비들의 차는 바람직하게는 2,000 ppm 이하인 것이 명백하다.
본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제2 실시예를, 제2 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(20)의 주요부를 길이방향 단면으로 도시하는 도 2를 참조하여 다음에 설명한다. 도 2에서, 도 1에 설명된 요소들에 사용된 도면 부호들과 동일한 도면 부호들이 사용된다.
도 2에 도시된 전력 반도체 모듈(20)에서, 그 구조가 히트 싱크(12)와 집적되어 있는 회로 보드(11)가, SiC 반도체 전력 장치들(13) 각각에 따라 준비된 절연 기판(15)과 금속 기판 전극들(14)을 갖는 보드부로서 제공된다. SiC 반도체 전력 장치들(13)은 AuSn 땜납(고온 무연 땜납)(21)을 사용함으로써 금속 기판 전극들(14)의 정상부에 고정된다. 상기 외의 구조는 제1 실시예에 설명된 구조와 동일하다.
제1 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(10)에서, SiC 반도체 전력 장치들(13)은 통상적으로 공지된 땜납(16)을 사용함으로써 금속 기판 전극들(14)의 정상부 상에 결합된다. 그러나, 이 모듈은 무연 구조들을 사용하는 전세계적인 추세(globally pursued tendency)와 양립해야 한다. 현 상황에서, 200℃를 초과하는 온도 환경에서 충분한 장기간 신뢰성을 보증하기 위하여 사용될 수 있는 무연 땜납이 사용 가능하지 않다. AuSn, AuSi 등이 용융점의 관점에서 가능한 후보들이나, 이들 땜납은 종래의 납 땜납에 비하여 단단하다. 그러므로, 땜납과 반도체 전력 장치 간의 경계, 또는 땜납과 금속 기판 전극들(14) 간의 경계가 온도 사이클들로 인하여 벗겨지고, 반도체 전력 장치들이 손상되며, 반도체 전력 장치들을, 과거에 주로 사용된 알루미늄, 구리, 및 다른 금속 기판 전극들(14)과 결합시키는 데 이들 땜납들이 사용되면, 다른 바람직하지 않은 현상이 발생한다.
제2 실시예에서, 높은 분위기 온도 저항은, AuSn 땝납(21)이 사용되어도 달성될 수 있다. 이것은, SiC 반도체 전력 장치들(13)과 집적 회로 보드(11)의 금속 기판 전극들(14) 간의 평균 열 팽창 계수들의 작은 차로 인한 것이다. 이 차는, AuSn(21) 땜납의 결합 온도인 약 300℃에서 3 ppm/℃ 이하이다.
아래 표 2는, AuSn 땜납을 사용함으로써 2가지 상이한 형태들의 회로 보드 구조들에 SiC 반도체 전력 장치들을 결합시키는 것과, -40℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 온도 사이클 테스트를 수행하는 것의 결과들을 보여준다. 종래 구조, 즉 Al/AlN/Al에서 테스트 초기에 이상이 관찰되었으나, 본 실시예의 구조, 즉 Mo/AlN/CuC 의 구조에서 10,000 사이클들에서 이상이 관찰되지 않았다.
(표 2 : AuSn에 대한 온도 사이클 테스트 결과들)
구조 결과들
Mo/AlN/CuC 이상없는 10,000사이클
Al/AlN/Al 100사이클 내지 1,000사이클에서 칩 크랙
이들 결과로부터, 본 실시예의 구조에서, 종래 구조들에서 사용하기 어려운 AuSn 땜납은, 충분한 신뢰성이 보증되기만 하면, 가혹한(severe) 온도 환경에서도 사용될 수 있다는 것이 명백하다. 이것은, SiC 반도체 전력 장치들과 집적 회로 보드 간의 열 팽창 계수들의 차가 작기 때문이다.
SiC 반도체 전력 장치들(13)의 땜납 조인트의 적합한 상한 온도는, 현존 장치들을 사용할 수 있기 위하여, 그리고 다른 고려 사항들 때문에, 약 400℃에 설정된다. 상술된 테스트 결과들과, 결합 온도가 집적 회로 보드의 결합 온도의 약 절반이라는 것을 고려하여, 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 SiC 반도체 전력 장치들(13)과 집적 회로 보드(11)의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차는 바람직하게는 약 5 ppm/℃ 이하인 것으로 생각된다.
제2 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(20)에서, 탑재된 SiC 반도체 전력 장치 들(13)은 무연 구조들에서도 200℃를 초과하는 온도에서 동작하고, 고온 차를 갖는 환경에서 고 신뢰성이 제공된다. 이들 환경들은, 전력 반도체 모듈의 서비스 온도 또는 보관 온도가 -40℃와 같이 상당히 낮은 환경들을 포함한다.
본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 제3 실시예를 도 3을 참조하여 다음에 설명한다. 도 3은 제3 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(30)의 주요부를 도시하는 길이방향 단면도이다. 도 3에서, 도 2에 설명된 요소들에 대하여 사용된 도면 부호들과 동일한 도면 부호들이 사용된다.
도 3에 도시된 전력 반도체 모듈(30)에서, 그 구조가 히트 싱크(12)와 집적된 회로 보드(11)는, 상술된 제1 및 제2 실시예들에서와 동일한 방식으로, SiC 반도체 전력 장치들(13)에 따라 준비된 절연 기판(15)과 금속 기판 전극들(14)을 갖는 보드부로서 제공된다. SiC 반도체 전력 장치들(13)은 AuSn 땜납(고온 무연 땜납)(21)을 사용함으로써 금속 기판 전극들(14)의 정상부에 결합되어 고정되며, 판 형상의 CuMo 금속 배선(32)에 의하여 SiC 반도체 전력 장치들(13)의 표면들로부터 외부까지 전기적인 접속이 제공된다. 금속 배선(32)과 SiC 반도체 전력 장치들(13)의 표면들은 AuSn 땜납(33)을 사용하여 결합된다. 상기 외의 구조는 제2 실시예에 설명된 구조와 동일하다.
제3 실시예에 따른 전력 반도체 모듈(30)에서, 분위기 열 저항은, 강하고, SiC 반도체 전력 장치들(13)과 집적 회로 보드(11)의 열 팽창 계수에 근접한 열 팽창 계수를 갖는 금속 배선(32)을 사용함으로써 상술된 제1 및 제2 실시예들의 분위기 열 저항을 초과하여 증가될 수 있다.
상술된 제1 및 제2 실시예들에서, SiC 반도체 전력 장치들(13)의 표면들로부터 외부로의 접속을 제공하는 데 Al 배선들(19)이 사용되었던 예들을 도시하였다. 그러나, SiC 반도체 전력 장치들(13)의 온도가 250℃ 이상인 어려운 조건들에서 Al 배선들(19)로 신뢰성이 보증될 수 없다.
이 사실의 관점으로, 본 실시예에서 Al 배선들(19) 대신에 CuMo로 구성된 강한 판형의 금속 배선(32)이 사용된다. 통상적인 CuMo 배선 구조는, 예컨대 1mm의 폭과 0.2mm의 두께를 갖는다. AuSn 땜납(33)은 SiC 반도체 전력 장치들(13)을 결합시키는 데 사용된다.
Al 배선들과의 비교시, 강도와 열 저항이 높으므로, CuMo 금속 배선(32)이 고온 동작에서 높은 신뢰성을 보증하고, 열 팽창 계수가 SiC 반도체 전력 장치들(13)과 집적 회로 보드(11)의 열 팽창 계수와 근접하다.
본 실시예의 전력 반도체 모듈(30)에서, SiC 반도체 전력 장치들(13)의 온도가 250℃에 달하는 환경에서 모듈이 반복적으로 동작되어도, 정상 동작이 확인되었다.
실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 금속 배선(32)과 SiC 반도체 전력 장치들(13)의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차는 바람직하게는, SiC 반도체 전력 장치들(13)과 집적 회로 보드(11)의 결합에 대하여 설명된 것과 동일한 이유로 5 ppm/℃ 이하이다. 금속 배선(32)과 집적 회로 보드(11) 간의 열 팽창 계수들의 차 또한 중요하고, 동일한 이유로 AuSn 땝납(34)이 사용되며, 열 팽창 계수들의 차는 바람직하게는 유사하게, 결합시 5 ppm/℃ 이하에 서 유지된다. 금속 배선(32)과 외부 전극들(18) 간에 조인트에서 어떠한 땜납(35)도 사용될 수 있다. 당업자에 의하여 용이하게 이해될 수 있는 바와 같이, 금속 배선(32)용으로 CuMo 대신에 몰리브덴이 채용될 수도 있다.
본 발명은, 충분한 분위기 열 저항을 갖고, 따라서 비교적 고온에서 효과적으로 동작할 수 있는 SiC 반도체 전력 장치를 갖는 전력 반도체 모듈들의 제조시 특히 유용하다.

Claims (9)

  1. 전력 반도체 모듈로서,
    금속 기판 전극, 절연 기판 및 히트 싱크가 그 사이에 땜납층들이 삽입되지 않고 일체로 결합되어 형성된 집적 회로 보드로서, 상기 금속 기판 전극은 몰리브덴, 텅스텐, 구리 몰리브덴(copper molybdenum) 및 구리 텅스텐(copper tungsten)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되며, 상기 절연 기판은 질화알루미늄과 질화규소로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되며, 상기 히트 싱크는 금속/탄소 복합물, 금속/규소 탄화물 복합물, 텅스텐, 몰리브덴, 구리 몰리브덴 및 구리 텅스텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 상기 집적 회로 보드; 및
    상기 회로 보드의 상기 금속 기판 전극의 정상부에 결합된 반도체 전력 장치
    를 포함하고,
    실내 온도(room temperature)로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 상기 회로 보드의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차는 2.0 ppm/℃ 이하인 것인 전력 반도체 모듈.
  2. 전력 반도체 모듈로서,
    금속 기판 전극, 절연 기판 및 히트 싱크가 일체로 결합된 집적 회로 보드; 및
    상기 회로 보드의 상기 금속 기판 전극의 정상부에 결합된 반도체 전력 장치
    를 포함하고,
    상기 회로 보드의 구성 요소 재료들의, 최저 동작 온도와 결합 온도 간의 온도 차에 의하여 생성된 팽창 차는 2,000 ppm 이하인 것인 전력 반도체 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 전력 장치는 SiC 반도체 전력 장치를 포함하는 것인 전력 반도체 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 기판 전극은 몰리브덴, 텅스텐, 구리 몰리브덴 및 구리 텅스텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 전력 반도체 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 절연 기판은 질화알루미늄과 질화규소로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 전력 반도체 모듈.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 금속/탄소 복합물, 금속/규소 탄화물 복합물, 텅스텐, 몰리브덴, 구리 몰리브덴 및 구리 텅스텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 전력 반도체 모듈.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 전력 장치와 상기 회로 보드는 250℃ 이상의 용융점을 갖는 무연 땜납을 사용함으로써 결합되고,
    실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 상기 반도체 전력 장치와 상기 회로 보드의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들의 차는 5 ppm/℃ 이하인 것인 전력 반도체 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 무연 땜납은 금-주석 합금을 포함하는 것인 전력 반도체 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 전력 장치와 상기 회로 보드의 표면들 상에 배치된 금속 배선을 더 포함하고, 실내 온도로부터 결합 온도까지의 온도 범위에서 상기 금속 배선과 상기 반도체 전력 장치의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들에서, 그리고 실내 온도로부터 결합시 온도까지의 온도 범위에서 상기 금속 배선과 상기 회로 보드의 구성 요소 재료들 간의 평균 열 팽창 계수들에서, 5 ppm/℃ 이하의 차가 유지되는 것인 전력 반도체 모듈.
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