KR20140055514A - 일체형 전력 반도체 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형 전력 반도체 모듈에 관한 것으로, 기판상에 형성된 다수의 제1 반도체 소자; 상기 다수의 제1 반도체 소자의 상부를 가로지르도록 형성된 브릿지를 포함하도록 사출 형성된 하우징 및 상기 하우징에 일체로 형성되고, 상기 다수의 제1 반도체 소자와 상기 기판을 전기적으로 연결하는 다수의 리드 부재를 포함한다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자의 접합 면적 및 접합 강도를 증가시켜 신뢰성 문제를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 소자의 정렬 및 반도체 소자의 높이에 따른 단차 조절에 의한 공정성 향상 및 불량 감소를 가져올 뿐만 아니라 와이어 본딩 삭제에 의한 공정 시간을 감출할 수 있다.

Description

일체형 전력 반도체 모듈{All-in-one power semiconductor module}
본 발명은 일체형 전력 반도체 모듈에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지의 사용량이 증가됨에 따라, 제한된 에너지의 효율적인 사용에 관심이 증가되고 있다. 이에 따라, 가전, 산업, 신재생, 전장 등 전분야에 걸쳐 에너지의 효율적인 전력변환을 위한 전력반도체 모듈, IPM(Intelligent Power Module)을 적용한 인버터의 채용이 가속화되고 있다.
이와 같은 전력반도체 모듈의 확대 적용에 따라 시장의 요구는 더욱더 고성능화, 고 효율화, 고 신뢰성화, 저 비용화되고 있다. 특히, 인버터의 핵심 부품인 전력반도체 모듈의 신뢰성은 전력반도체 모듈의 성능과 직접적으로 관련되기 때문에 전력반도체 모듈의 고 성능화, 고 효율화, 고 신뢰성과 더불어 중요한 이슈로 대두되고 있다.
그러나, 이러한 전력반도체 모듈과 관련하여, 신뢰성의 문제는 여전히 풀어야 할 하나의 이슈로 남아있다. 특히, 신뢰성 시험에서 실패가 가장 많이 발생하는 와이어 본딩(wire binding)의 경우 지속적인 기술개발이 이루어지고 있다.
하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은 발광 다이오드 패키지를 갖는 광원모듈과 관련한 것인데, 그 내용을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
이러한 광원모듈은 인쇄회로기판 및 복수의 발광 다이오드 패키지를 포함한다. 복수의 발광 다이오드 패키지는 (1) 인쇄회로기판에 형성되고 각각 광을 발생하는 발광칩과, (2) 바닥부 및 바닥부와 연결된 측벽들로 이루어져 발광칩을 수납하는 케이스와, (3) 서로 이격되어 배치되고 발광칩과 전기적으로 연결된 제1 및 제2 리드 프레임들과, (4) 발광칩 및 제1 및 제2 리드 프레임들과 서로 이격되어 전기적으로 절연된 더미 리드 프레임을 갖는다. 또한, 복수의 발광 다이오드 패키지는 복수의 구동 블록들로 나누어지고, 복수의 구동 블록들 중 제1 구동 블록의 발광 다이오드 패키지들은 제2 구동 블록의 발광 다이오드 패키지들과 더미 리드 프레임을 통해 전기적으로 연결된다.
상술한 발광 다이오드 패키지를 갖는 광원모듈에서는 리드 프레임을 통해 발광칩과 같은 반도체 소자를 전기적으로 연결하는 기술적 구성을 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 광원모듈에서는 와이어 본딩을 이용하여 기판과 반도체 소자를 연결하고 있기 때문에 신뢰성, 공정성 및 불량 문제가 존재한다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0070683호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 반도체 소자의 접합 면적 및 접합 강도를 증가시켜 신뢰성을 개선하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 반도체 소자의 정렬 및 반도체 소자의 높이에 따른 단차 조절에 의한 공정성 향상 및 불량 감소를 가져오는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈은, 기판상에 형성된 다수의 제1 반도체 소자, 상기 다수의 제1 반도체 소자의 상부를 가로지르도록 형성된 브릿지를 포함하도록 사출 형성된 하우징 및 상기 하우징에 일체로 형성되고, 상기 다수의 제1 반도체 소자와 상기 기판을 전기적으로 연결하는 다수의 리드 부재를 포함한다.
여기서, 상기 브릿지의 상부에 형성된 다수의 제2 반도체 소자를 더 포함한다.
또한, 상기 다수의 제1 반도체 소자는 높이가 서로 다르고, 상기 다수의 리드 부재는 상기 다수의 제1 반도체 소자 각각의 높이에 따른 단차가 조절되도록 길이가 조절된다.
또한, 상기 다수의 리드 부재는 탄성을 갖는다.
또한, 상기 다수의 제1 반도체 소자의 개수는 2개이고, 2개의 제1 반도체 소자 각각에는 제1 전압입력단자, 제2 전압입력단자의 리드 부재가 연결되고, 상기 하우징의 일측에는 전원입력단자, 상기 제1 전압입력단자의 리드 부재가 각각 돌출되고, 상기 하우징의 타측에는 접지단자, 상기 제2 전압입력단자의 리드 부재가 각각 돌출된다.
또한, 상기 다수의 제1 반도체 소자와 다수의 리드 부재는 수지에 의해 몰딩된다.
또한, 상기 하우징은 수직으로 배치된 제1 및 제2 측벽 부재, 및 상기 제1 및 제2 측벽 부재의 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 측벽 부재의 각각으로부터 직각으로 뻗은 제1 및 제2 브릿지를 포함한다.
또한, 상기 제1 측벽 부재와 제1 브릿지로 형성된 제1 하우징과 상기 제2 측벽 부재와 제2 브릿지로 형성된 제2 하우징은 서로 대칭된다.
또한, 상기 하우징의 일측에는 전원입력단자의 리드 부재가 돌출되고, 상기 하우징의 타측에는 접지단자, 전압입력단자의 리드 부재가 각각 돌출되고, 상기 제1 반도체 소자에 연결된 리드 부재는 제2 기판에 연결된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자의 접합 면적 및 접합 강도를 증가시켜 신뢰성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 소자의 정렬 및 반도체 소자의 높이에 따른 단차 조절에 의한 공정성 향상 및 불량 감소를 가져온다.
또한, 하우징과 일체로 형성된 리드 프레임을 이용하여 반도체 소자와 기판 간 또는 반소체 소자 간을 전기적으로 연결함으로써 와이어 본딩 공정 삭제에 의한 공정 시간을 감축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈의 단면도이다.
도 2는 도 1의 전력 반도체 모듈에 사용된 반도체 소자의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈의 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈은, 베이스 플레이트(base plate, 100), 절연층(insulation layer, 200), 다수의 제1 기판(310, 320, 330), 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440), 하우징(housing), 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)를 포함할 수 있다.
베이스 플레이트(100) 상에는 절연층(200)이 형성되고, 절연층(200) 상에는 다수의 제1 기판(310, 320, 330)이 형성된다.
그리고, 상기 다수의 제1 기판(310, 320, 330) 상에는 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)가 형성된다.
또한, 베이스 플레이트(100)의 일단과 타단 및 상부에는 하우징이 형성되어 있다.
여기서, 베이스 플레이트(100)는 금속 또는 세라믹(ceramic)으로 형성되고, 절연층(200)은 세라믹 또는 수지(resin)으로 형성된다.
그리고, 상기 다수의 제1 기판(310, 320, 330)은 FR4 인쇄회로기판이나 방열에 유리한 메탈 코어 인쇄회로기판(Metal Core Printed Circuit Board, MCPCB)일 수 있다.
상기 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)는 리드 프레임(lead frame) 또는 리드 플레이트(lead plate)일 수 있다.
상기 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)와 다이오드(diode)일 수 있고, 제1 기판(320, 330) 상에 형성된다.
이때, 상기 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)는 높이가 동일하도록 할 수 있고, 서로 다르도록 할 수도 있다.
예를 들어, 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)는 2개로 형성할 수 있으며, 3개 이상으로 형성하는 것도 가능함은 물론이다.
상기 하우징은 상기 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)의 상부를 가로지르도록 형성된 제1 및 제2 브릿지(520, 540)를 포함하도록 사출 형성된다.
상기 하우징의 일측에는 전원입력단자, 제1 전압입력단자의 리드 부재(630, 640)가 각각 돌출되고, 하우징의 타측에는 접지단자, 제2 전압입력단자의 리드 부재(610, 620)가 각각 돌출된다.
여기서, 상기 제1 전압입력단자 및 제2 전압입력단자는 각각 제1 반도체 소자인 제1 IGBT(420), 제2 IGBT(440)의 게이트이고, 접지단자는 IGBT(420)의 에미터이다.
또한, 상기 하우징은 제1 및 제2 측벽 부재(510, 530)와 제1 및 제2 브릿지(520, 540)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 측벽 부재(510, 530)는 수직으로 배치되고, 상기 제1 및 제2 브릿지(520, 540)는 상기 제1 및 제2 측벽 부재(510, 530)의 사이에 배치되고 상기 제1 및 제2 측벽 부재(510, 530)의 각각으로부터 직각으로 뻗는다.
여기서, 상기 제1 측벽 부재(510)와 상기 제1 브릿지(520)로 형성된 제1 하우징과 상기 제2 측벽 부재(530)와 상기 제2 브릿지(540)로 형성된 제2 하우징은 서로 대칭될 수 있다.
상기 하우징(특히, 상기 제1 및 제2 브릿지(530, 540))에는 상기 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680) 이외에 본 발명에 따른 일체형 전력반도체 모듈에 사용된 소자들 간 전기적 연결이나 소자와 기판 간 전기적 연결에 사용되는 접지 패드, 전극 패드, 및 비아홀 등을 포함하는 다수의 회로패턴이나 배선패턴(미도시)이 임베디드될 수 있다.
이렇게 상기 하우징에 임베디드된 상기 다수의 회로패턴이나 배선패턴은 상기 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680) 중 적어도 하나와 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)는 상기 하우징에 일체로 형성되고, 상기 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)와 상기 제1 기판(310, 320, 330)을 전기적으로 연결한다.
이러한 상기 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)의 재질은 니켈, 철합금, 동합금일 수 있다.
다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)의 높이가 서로 다른 경우, 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)는 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440) 각각의 높이에 따른 단차가 조절되도록 길이가 조절된다.
이러한 상기 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)는 소자나 기판과의 결합시 파손을 방지하고 결합력을 높일 수 있도록 탄성을 가질 수 있다.
다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)의 개수가 2개일 경우, 2개의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440) 각각에는 제1 전압입력단자, 제2 전압입력단자의 리드 부재(630, 640)가 연결된다.
상기 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440)와 상기 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)는 수지에 의해 몰딩된다. 특히, 수지는 에폭시(epoxy) 수지, 실리콘 수지와 같은 투명한 수지일 수 있다.
이와 같은 전력 반도체 모듈의 동작과 관련하여, 전원입력단자(640)를 통해 전원이 공급된 상태에서 제1 전압입력단자, 제2 전압입력단자의 리드 부재(630, 640)를 통한 제1 IGBT(420)와 제2 IGBT(440)의 전압입력에 의해 상기 리드 부재(650, 660, 670, 680)를 통해 제1 반도체 소자인 제1 IGBT(420), 제1 다이오드(410), 제2 IGBT (440), 제2 다이오드(430)와 제1 기판(310)에 전류가 흘러 접지단자의 리드 부재(610)로 흐른다.
도 2는 도 1의 전력 반도체 모듈에 사용된 반도체 소자의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 하우징과 일체로 형성된 다수의 리드 부재(610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680)를 통해 IGBT와 다이오드가 전기적으로 연결될 수 있고, 마찬가지로 2개의 IGBT도 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 IGBT는 에미터(E), 게이트(G), 컬렉터(C)로 구성되고, 다이오드는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구성된다.
그리고, IGBT의 에미터에는 다이오드의 캐소드가 연결되고, IGBT의 컬렉터에는 다이오드의 에노드가 연결된다. 2개의 IGBT는 에미터와 컬렉터가 서로 연결된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈은, 도 1에서 살펴본 제1 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈과 비교할 때, 베이스 플레이트(base plate, 100), 절연층(insulation layer, 200), 다수의 제1 기판 (310, 320, 330), 다수의 제1 반도체 소자(410, 420, 430, 440), 및 하우징(housing)을 공통적으로 포함한다. 이하에서는 제1 실시예와 다른 사항에 대해서만 설명하기로 하고 동일한 사항에 대해서는 상술한 것으로 대체하기로 한다.
하우징의 일측에는 전원입력단자(630)의 리드 부재가 돌출되고, 하우징의 타측에는 접지단자, 전압입력단자의 리드 부재(610, 620a)가 각각 돌출된다.
여기서, 상기 전압입력단자는 제1 반도체 소자인 제1 및 제2 IGBT(420, 440)의 전압입력단자이다.
그리고, 상기 제1 및 제2 IGBT(420, 440)에 연결된 상기 리드 부재(620b, 620c)는 제2 기판(700)에 연결된다. 상기 제2 기판(700)은 상기 다수의 제1 기판(310, 320, 330)과 동일한 재질이고, 제2 반도체 소자는 IC와 같은 제어소자(810, 840) 및 저항, 인덕터, 커패시터와 같은 수동소자(820, 830)로 배치된다.
다수의 제2 반도체 소자(810, 820, 830, 840)는 브릿지(520, 540)의 상부에 형성된다.
즉, 브릿지(520, 540) 상에는 기판(700)이 배치되고, 기판(700) 상에 다수의 제2 반도체 소자(810, 820, 830, 840)가 형성된다.
그리고, 상기 다수의 제2 반도체 소자(820, 840)는 제2 기판(700)에 와이어(wire, 910, 920, 930, 940)로 연결된다.
이와 같은 전력 반도체 모듈의 동작과 관련하여, 전원입력단자(630)를 통해 전원이 공급된 상태에서 전압입력단자의 리드 부재(620a)를 통해 제2 기판(700)에 전류가 흐르고, 리드 부재(620b, 620c)를 통한 제1 IGBT(420)와 제2 IGBT(440)의 전압입력에 의해 리드 부재(650, 660, 670, 680)를 통해 제1 반도체 소자인 제1 IGBT(420), 제1 다이오드(410), 제2 IGBT (440), 제2 다이오드(430)로 차례로 전류가 흘러 접지단자의 리드 부재(610)로 흐른다.
본 발명의 실시예에 따른 일체형 전력 반도체 모듈과 관련하여, 종래에는 와이어 본딩을 이용하여 기판과 반도체 소자를 연결하고 있기 때문에 신뢰성 측면에서 문제가 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예를 통하여 신뢰성의 문제가 되었던 와이어 본딩을 이용하지 않고 리드 부재로 기판과 반도체 소자를 접합시킴으로써 반도체 소자의 접합 면적 및 접합 강도를 증가시켜 신뢰성 문제를 개선할 수 있다.
또한, 하우징과 리드 부재가 일체형으로 형성됨으로써, 반도체 소자의 정렬 및 반도체 소자의 높이에 따른 단차 조절에 의한 공정성 향상 및 불량 감소를 가져올 수 있을 뿐만 아니라 와이어 본딩 공정 삭제에 의해 공정 시간이 감축될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사항 내에서 당 분야의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 베이스 플레이트
200 : 절연층
310, 320, 330 : 제1 기판
410, 420, 430, 440 : 제1 반도체 소자
510 : 제1 측벽 부재
520 : 제1 브릿지
530 : 제2 측벽 부재
540 : 제2 브릿지
610, 620, 620a, 620b, 620c, 630, 640, 650, 660, 670, 680 : 리드 부재
700 : 제2 기판
810, 820, 830, 840 : 제2 반도체 소자
910, 920, 930, 940 : 와이어

Claims (9)

  1. 기판 상에 형성된 다수의 제1 반도체 소자;
    상기 다수의 제1 반도체 소자의 상부를 가로지르도록 형성된 브릿지를 포함하도록 사출 형성된 하우징; 및
    상기 하우징에 일체로 형성되고, 상기 다수의 제1 반도체 소자와 상기 기판을 전기적으로 연결하는 다수의 리드 부재를 포함하는 일체형 전력 반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브릿지의 상부에 형성된 다수의 제2 반도체 소자를 더 포함하는 일체형 전력 반도체 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1 반도체 소자는 높이가 서로 다르고, 상기 다수의 리드 부재는 상기 다수의 제1 반도체 소자 각각의 높이에 따른 단차가 조절되도록 길이가 조절된 일체형 전력 반도체 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 리드 부재는 탄성을 갖는 일체형 전력 반도체 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1 반도체 소자의 개수는 2개이고, 2개의 제1 반도체 소자 각각에는 제1 전압입력단자, 제2 전압입력단자의 리드 부재가 연결되고,
    상기 하우징의 일측에는 전원입력단자, 상기 제1 전압입력단자의 리드 부재가 각각 돌출되고, 상기 하우징의 타측에는 접지단자, 상기 제2 전압입력단자의 리드 부재가 각각 돌출된 일체형 전력 반도체 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1 반도체 소자와 다수의 리드 부재는 수지에 의해 몰딩된 일체형 전력 반도체 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은,
    수직으로 배치된 제1 및 제2 측벽 부재; 및
    상기 제1 및 제2 측벽 부재의 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 측벽 부재의 각각으로부터 직각으로 뻗은 제1 및 제2 브릿지를 포함하는 일체형 전력 반도체 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 측벽 부재와 제1 브릿지로 형성된 제1 하우징과 상기 제2 측벽 부재와 제2 브릿지로 형성된 제2 하우징은 서로 대칭된 일체형 전력 반도체 모듈.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 하우징의 일측에는 전원입력단자의 리드 부재가 돌출되고, 상기 하우징의 타측에는 접지단자, 전압입력단자의 리드 부재가 각각 돌출되고, 상기 제1 반도체 소자에 연결된 리드 부재는 제2 기판에 연결된 일체형 전력 반도체 모듈.
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