KR20150067963A - Metal base plate with 3-dimension curved surface structure for power semiconductor module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력 반도체 모듈의 금속 베이스 플레이트에 관한 것으로, 상세하게는 전력 반도체 모듈의 제조 공정에서 칩이 실장된 절연 기판과 솔더링에 의해 접합되는 금속 베이스 플레이트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal base plate of a power semiconductor module, and more particularly, to a metal base plate that is joined to an insulating substrate on which chips are mounted by soldering in a manufacturing process of a power semiconductor module and a method of manufacturing the same.
일반적으로 전력 반도체 모듈은 직류 혹은 교류 형태의 전압, 전류를 시스템에서 요구하는 적합한 형태와 크기로 변환하는 전력 변환의 핵심 반도체 소자로서, 인버터, 전력 레귤레이터 또는 컨버터와 같이 고전압 또는 대전류가 인가되어 처리되는 부품으로서, 가정용 세탁기 냉장고 등 산업용 설비에서부터 전기 자동차, 고속 철도 차량 등 폭넓게 사용되고 있다. Generally, a power semiconductor module is a key semiconductor device of power conversion that converts DC or AC type voltage and current into a suitable form and size required by the system. It is processed by applying a high voltage or a large current such as an inverter, a power regulator or a converter As a component, it is widely used from industrial facilities such as household washing machine, refrigerator, electric car, and high-speed railway vehicle.
이러한, 전력용 반도체 모듈은 DBC(Direct Bonding Copper) 기판에 반도체 칩들이 실장되고, 반도체 칩들의 출력 단자에 다수의 터미널 핀들이 솔더링(soldering)되어 솔더링된 터미널 핀들을 통해 전력을 전달하고 외부와 신호를 송수신하게 된다.In the power semiconductor module, semiconductor chips are mounted on a DBC (Direct Bonding Copper) substrate, a plurality of terminal pins are soldered to the output terminals of the semiconductor chips to transfer electric power through the soldered terminal pins, .
한편, 전자 부품 소자의 경박 단소화 및 고성능화의 경향에 따라 크기는 작아지고 고성능화에 따른 발열량은 크게 증가하고 있다. 이에 따라 소형화, 고집적화 및 고성능화에 따른 방열 문제를 해결하기 위한 노력이 경주되고 있다. On the other hand, the size of electronic component devices has been reduced in accordance with the tendency toward thinning and high performance of thinner and thinner components, and the amount of heat generated due to higher performance has been greatly increased. Accordingly, efforts are being made to solve the heat dissipation problem due to miniaturization, high integration, and high performance.
이를 위해, 전력 반도체 모듈은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등과 같은 스위칭 소자 또는 사이리스터와 같은 정류 소자, 각종 다이오드 등의 전력 반도체 소자를 실장한 세라믹 절연 기판을, 방열을 위해 금속 베이스 플레이트에 솔더링을 이용하여 접합하고, 별도의 덮개를 덮은 형태를 가진다.To this end, the power semiconductor module includes a ceramic insulating substrate on which a switching element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a metal-oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or a rectifying element such as a thyristor, , Soldered to the metal base plate for heat dissipation, and covered with a separate cover.
도 1을 참조하면, 전력 반도체 모듈(100)은 내장된 전력 반도체 소자(130)의 동작에 의해 발생하는 열을 세라믹 절연 회로기판(101)을 거쳐 금속 베이스 플레이트(120)를 통해 방열시키는 구조를 가진다. 세라믹 절연 회로기판(101)은 기판 상에 실장될 전력 반도체 소자를 전기적으로 연결하기 위한 소정의 전기 회로가 구리 소재를 이용하여 소정의 패턴으로 형성되어 있는 것이다.Referring to FIG. 1, the power semiconductor module 100 has a structure in which heat generated by the operation of the built-in
보다 상세히 설명하면, 전력 반도체 모듈(100)은 금속 베이스 플레이트(120), 전력 반도체 소자(130)가 실장되는 세라믹 절연기판(110), 세라믹 절연기판(110)의 하면에 형성되고 금속 베이스 플레이트(120)와 접합되는 제1 동막(111)과 절연기판(110)의 상면에 형성되어 전기 회로를 형성하는 제2 동막(113), 금속 베이스 플레이트(120)와 제1 동막(111)을 접합하는 제1 솔더층(112), 전력 반도체 소자(130)를 제2 동막(113)의 상면에 접합하는 제2 솔더층(114)을 구비한다.More specifically, the power semiconductor module 100 includes a
도 1의 전력 반도체 모듈(100)은 다음과 같은 3단계 공정에 의해 제조된다.The power semiconductor module 100 of FIG. 1 is fabricated by the following three-step process.
제1 공정은 세라믹 절연기판(110)에 제1 동막(111) 및 제2 동막(113)을 접합하여 회로기판(101)을 생산하는 것이다. 제2 공정은 전력 반도체 소자(130)를 회로기판(101)에 솔더를 이용하여 접합하는 것이다. 제3 공정은 전력 반도체 소자(130)가 실장된 회로기판(101)을 금속 베이스 플레이트(120)에 솔더를 이용하여 접합하고 덮개를 씌워 마무리하는 것이다.The first step is to bond the
이러한, 전력용 반도체 모듈(100)은 다양한 조건에서 동작하면서 전력 반도체 소자(130)의 갑작스런 발열 등에 의해 고온에 노출되며, 갑작스런 온도변화에 의한 열 변형 및 열 충격은 전력 반도체 모듈(100)의 내구성에 중대한 영향을 줄 수 있다. 따라서 전력 반도체 모듈(100)은 열변형 및 열 충격에 대한 높은 신뢰성이 요구된다. 전력 반도체 모듈의 열 충격에 대한 내구성은 발생하는 열에 대한 세라믹 회로기판 및 금속 베이스 플레이트의 방열 특성 및 소재에 관계된다.The power semiconductor module 100 is exposed to a high temperature due to sudden heat generation of the
도 2a 내지 도 2c는 전력 반도체 모듈의 제조 과정에 있어서 솔더링시 솔더층의 응력에 의한 금속 베이스 플레이트의 휨(warpage)을 나타낸다. 2A to 2C show the warpage of the metal base plate due to the stress of the solder layer during soldering in the manufacturing process of the power semiconductor module.
도 2a는 솔더의 응력이 없는 이상적인 형태의 제조 단면을 나타낸다. 솔더 응력이 없는 경우 금속 베이스 플레이트의 휨이 발생하지 않으며 제조된 모듈을 히트 싱크에 장착하는 경우 히트 싱크의 상면과 금속 베이스 플레이트 하면의 공간을 최소화하여 열전달 재료(thermal interface material)의 기공(void)을 최소화 하여 열전도 효율을 향상시킬 수 있다. Figure 2a shows an idealized production cross-section of the solder without stress. If there is no solder stress, the metal base plate does not warp. When the manufactured module is mounted on the heat sink, voids in the thermal interface material are minimized by minimizing the space on the top surface of the heat sink and the bottom surface of the metal base plate. The heat conduction efficiency can be improved.
그러나, 솔더링 시 솔더에 의한 응력은 발생할 수 밖에 없으며 솔더층의 두께 및 사용 솔더의 합금 성분에 따라 응력의 정도는 달라진다. However, stress due to solder during soldering can not be avoided, and the degree of stress varies depending on the thickness of the solder layer and the alloy composition of the solder used.
도 2b에 도시된 바와 같이 솔더층에 인장 응력이 발생하는 경우 금속 베이스 플레이트는 오목(concave)한 형태의 휨을 보이며, 전력 반도체 모듈을 히트 싱크에 장착하는 경우 금속 베이스 플레이트의 가장자리가 히트 싱크로부터 들뜸으로 인하여 열전달 면적이 감소되고 열전달 효율이 감소하게 된다.As shown in FIG. 2B, when tensile stress is generated in the solder layer, the metal base plate exhibits a concave shape. When the power semiconductor module is mounted on the heat sink, the edge of the metal base plate is lifted from the heat sink The heat transfer area is reduced and the heat transfer efficiency is decreased.
도 2c에 도시된 바와 같이, 솔더층에 압축 응력이 발생한 경우, 금속 베이스 플레이트는 볼록(convex)한 형태의 휨을 보이며, 전력 반도체 모듈을 히트 싱크에 장착하는 경우 금속 베이스 플레이트의 중앙 부위가 히트 싱크로부터 들뜸으로 인하여 열전달 면적이 감소되고 열전달 효율이 감소하게 된다.As shown in FIG. 2C, when a compressive stress is generated in the solder layer, the metal base plate is warped in a convex shape. When the power semiconductor module is mounted on the heat sink, The heat transfer area is reduced and the heat transfer efficiency is decreased.
이에, 솔더층의 응력을 감소시키기 위한 방법으로는 특정 솔더 물질을 사용하여 솔더층의 두께를 감소시키는 방법이 있을 수 있다. 그러나 솔더층의 두께가 감소하는 경우 절연 세라믹 기판과 접합을 위한 적정한 양의 솔더 미확보로 인하여 솔더층 내에 기공(void)이 발생하고 절연 세라믹 기판과 금속 베이스 플레이트 사이에 접합력을 약화시킬 수 있다. Accordingly, as a method for reducing the stress of the solder layer, there may be a method of reducing the thickness of the solder layer using a specific solder material. However, when the thickness of the solder layer is reduced, voids are generated in the solder layer due to an inappropriate amount of solder unsuitable for bonding with the insulating ceramic substrate, and the bonding force between the insulating ceramic substrate and the metal base plate may be weakened.
본 발명의 목적은, 전력 반도체 모듈에서 효율적인 방열에 따른 전력 반도체 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a metal base plate having a three-dimensional curved surface structure capable of improving the reliability of a power semiconductor module due to efficient heat dissipation in a power semiconductor module and a manufacturing method thereof.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트는, 수평면으로부터 곡면 꼭지점까지 또는 수평면으로부터 단부 모서리까지의 수직 길이로서 미리 설정된 굽힘값을 갖는 3차원 곡면이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, a metal base plate for a power semiconductor module is characterized in that a three-dimensional curved surface having a predetermined bending value is formed as a vertical length from a horizontal plane to a curved corner point or from a horizontal plane to an end corner .
바람직하게는, 상기 3차원 곡면은 평면을 기준으로 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the three-dimensional curved surface includes a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in the longitudinal direction with respect to a plane.
바람직하게는, 상기 3차원 곡면은 평면을 기준으로 횡축과 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the three-dimensional curved surface includes a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in a horizontal axis and a vertical axis direction with respect to a plane.
바람직하게는, 상기 금속 베이스 플레이트의 굽힘값은 40mm 이하인 것을 특징으로 한다. Preferably, the metal base plate has a bending value of 40 mm or less.
바람직하게는, 상기 3차원 곡면은 금형 장치를 이용한 프레스 공법에 의해 형성되고, 상기 금속 베이스 플레이트를 곡면으로 프레싱하기 위한 상기 금형 장치의 펀치 및 다이의 굽힘값은 50mm 이하인 것을 특징으로 한다.Preferably, the three-dimensional curved surface is formed by a pressing method using a mold apparatus, and a bending value of the punch and the die of the mold apparatus for pressing the metal base plate to a curved surface is 50 mm or less.
바람직하게는, 상기 3차원 곡면은 단면이 W자 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the three-dimensional curved surface has a W-shaped cross section.
바람직하게는, 상기 금속 베이스 플레이트에 상기 볼록 곡면 또는 오목 곡면이 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.Preferably, the metal base plate is formed with a plurality of convex curved surfaces or concave curved surfaces.
바람직하게는, 상기 금속 베이스 플레이트의 소재는, 구리, 알루미늄, 구리-텅스텐 합금, 구리-몰리브데늄 합금, 알루미늄-세라믹 복합 소재, 구리 세라믹 복합 소재, 구리-알루미늄 접합 소재 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Preferably, the material of the metal base plate is any one of copper, aluminum, a copper-tungsten alloy, a copper-molybdenum alloy, an aluminum-ceramic composite material, a copper-ceramic composite material and a copper- .
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법으로서, 평판형 금속 베이스 플레이트를 형성하는 단계; 절연 세라믹 기판과의 솔더링시 발생되는 상기 솔더의 응력 정도에 따라 발생하는 상기 금속 베이스 플레이트의 휨을 보정하도록, 상기 평판형 금속 베이스 플레이트에, 수평면으로부터 곡면 꼭지점까지 또는 수평면으로부터 단부 모서리까지의 수직 길이로서 미리 설정된 굽힘값을 갖는 3차원 곡면을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a metal base plate for a power semiconductor module, comprising: forming a flat metal base plate; And a vertical length from the horizontal plane to the apex of the curved surface or from the horizontal plane to the edge of the edge so as to correct the warping of the metal base plate caused by the degree of stress of the solder generated during soldering with the insulating ceramic substrate And forming a three-dimensional curved surface having a preset bending value.
이러한 구성에 의하여, 전력 반도체 모듈의 금속 베이스 플레이트는 3차원 곡면 구조로 형성함으로써, 전력 반도체 모듈의 열저항을 감소시키고 열전달 효율을 극대화하여 신뢰성 향상에 기여할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트에 의해, 금속 베이스 플레이트와 세라믹 절연 기판의 솔더링 접합시 솔더의 응력에 의해 발생되는 금속 베이스 플레이트의 휨을 보정할 수 있게 된다.According to this configuration, the metal base plate of the power semiconductor module is formed in a three-dimensional curved surface structure, thereby reducing the thermal resistance of the power semiconductor module and maximizing the heat transfer efficiency, thereby contributing to the improvement of reliability. Further, according to the present invention, the metal base plate having a three-dimensional curved surface structure can correct the warping of the metal base plate caused by the stress of the solder when the metal base plate and the ceramic insulating substrate are soldered.
도 1은 일반적인 전력 반도체 모듈의 단면도,
도 2a 내지 도 2c는 전력 반도체 모듈 제조에 있어서 솔더층의 응력에 의한 금속 베이스 플레이트의 휨 상태를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 베이스 플레이트의 사시도,
도 4a는 본 발명에 따른 금속 베이스 플레이트를 제조하는 금형 장치의 상면도이고, 도 4b는 금속 베이스 플레이트가 고정된 금형 장치의 측면도, 도 4c는 금형 장치에서 프레스로 벤딩하여 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트를 제조하는 상태를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 복수개의 곡면이 형성된 금속 베이스 플레이트의 예시도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 W자 형상의 금속 베이스 플레이트의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 베이스 플레이트의 사시도이다.1 is a cross-sectional view of a typical power semiconductor module,
FIGS. 2A to 2C are views showing a bending state of a metal base plate due to a stress of a solder layer in manufacturing a power semiconductor module,
3 is a perspective view of a metal base plate according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4A is a top view of a mold apparatus for manufacturing a metal base plate according to the present invention, FIG. 4B is a side view of a mold apparatus in which a metal base plate is fixed, FIG. 4C is a cross- A base plate,
5 is an exemplary view of a metal base plate having a plurality of curved surfaces formed according to another embodiment of the present invention;
6 is a perspective view of a W-shaped metal base plate according to another embodiment of the present invention.
7 is a perspective view of a metal base plate according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명은 전력 반도체 모듈의 제조에 있어서 반도체 칩이 실장된 절연 기판이 접합되는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal base plate for a power semiconductor module in which an insulating substrate on which a semiconductor chip is mounted is manufactured in the manufacture of a power semiconductor module, and a manufacturing method thereof.
본 발명에 따르면, 금속 베이스 플레이트는 절연 기판과의 접합을 위한 솔더링 시 솔더 응력에 의한 기판의 휨 오차를 보정하고, 금속 베이스 플레이트가 히트 싱크에 결합될 때 히트 싱크와의 계면 공간을 줄일 수 있도록 미리 설정된 굽힘값을 갖는 3차원 곡면 구조로 제작된다. 본 발명에 따라, 굽힘값은 수평면으로부터 단부 모서리까지의 수직 길이라 정의한다. 또한, 굽힘값은 수평면으로부터 곡면 꼭지점까지의 수직 길이라 정의할 수도 있다. According to the present invention, the metal base plate can be used to compensate for the bending error of the substrate due to the solder stress during soldering for bonding with the insulating substrate, to reduce the interface space with the heat sink when the metal base plate is coupled to the heat sink Dimensional curved surface structure having a preset bending value. According to the invention, the bending value is defined as the vertical distance from the horizontal plane to the end edge. Also, the bending value may be defined as a vertical distance from the horizontal plane to the vertex of the curved surface.
이때, 3차원 곡면은 평면을 기준으로 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함할 수 있다. 또한, 3차원 곡면은 평면을 기준으로 횡축 및 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함할 수 있다. At this time, the three-dimensional curved surface may include a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in the vertical axis direction with respect to the plane. Further, the three-dimensional curved surface may include a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in a horizontal axis and a vertical axis direction with respect to a plane.
그리고, 금속 베이스 플레이트에는 단일의 3차원 곡면이 형성될 수 있고, 복수개의 3차원 곡면이 형성될 수도 있다.A single three-dimensional curved surface may be formed on the metal base plate, and a plurality of three-dimensional curved surfaces may be formed.
본 발명에 따른 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트는 암-수 금형을 이용하여 프레스를 통해 형성하는 방법, 기계 가공을 이용하는 방법, 주조를 이용하여 형성할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 암-수 금형을 이용하는 벤딩용 금형 장치를 이용하여 금속 베이스 플레이트를 3차원 곡면 구조로 형성하는 것으로 한다. The metal base plate having a three-dimensional curved surface structure according to the present invention can be formed by a method of forming through a press using an arm-and-mouth mold, a method using machining, and casting. Hereinafter, in this embodiment, the metal base plate is formed into a three-dimensional curved surface structure by using the bending die apparatus using the male-female die.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 곡면 구조를 갖는 금속 베이스 플레이트를 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a metal base plate having a three-dimensional curved surface structure according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 실시예에 따른 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트를 도시한 것이다. 도 3에 보인 바와 같이, 금속 베이스 플레이트는 양단부가 휘어 올라가 아래로 볼록한 형상을 가진다. 3 shows a metal base plate having a three-dimensional curved surface structure according to the present embodiment. As shown in Fig. 3, both ends of the metal base plate are bent and have a downward convex shape.
본 실시예에 따른 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트는, 금속 베이스 플레이트의 가로 × 세로의 크기가 예를 들어, 500mm × 500mm이고, 평면을 기준으로 종축 방향으로 곡면이 형성되어 있을 때, 종축 방향으로 곡면의 굽힘값을 0.001mm ~ 40mm 로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 금속 베이스 플레이트의 가로 또는 세로의 길이에 대한 굽힘값의 비율 값은 13 이하로 하는 것이 바람직하다.The metal base plate having a three-dimensional curved surface structure according to the present embodiment is characterized in that the width and length of the metal base plate are, for example, 500 mm x 500 mm, and when the curved surface is formed in the longitudinal direction with respect to the plane, The bending value of the curved surface is preferably set to 0.001 mm to 40 mm. That is, the value of the ratio of the bending value to the width or length of the metal base plate is preferably 13 or less.
본 실시예에서 사용되는 금형 장치는 벤딩용 금형 장치이다. 벤딩용 금형 장치는 외관을 이루는 구성으로서, 상하 이동가능하게 설치된 상부 금형과, 상부 금형의 하부에 위치하도록 설치되어 제품을 안착 수용하는 하부 금형과, 상부 금형에 설치되어 상부 금형의 상하 이동 동작에 연동하여 제품의 벤딩 성형시, 벤딩을 이루도록 하부 일측 부분에 단차부를 형성한 펀치(punch)를 포함한다. 펀치의 일측 부분에 형성된 단차부를 통해 금속 베이스 플레이트의 가장자리 부분을 벤딩(bending)과 동시에 압인(coining) 가공한다. The mold apparatus used in this embodiment is a bending mold apparatus. The bending die apparatus comprises an upper mold provided so as to be movable up and down, a lower mold provided to be positioned below the upper mold to receive and accommodate the product, and an upper mold provided on the upper mold, And a punch which forms a step at a lower one side portion so as to bend when the product is bent and formed. The edge portion of the metal base plate is coined by bending and concurrently through the step formed at one side of the punch.
본 발명에 따라, 3차원 곡면 구조 금속 베이스 플레이트에 있어서, 3차원 곡면 구조를 제조하기 위해 금속 베이스 플레이트를 곡면 형상으로 성형하기 위한 금형 장치의 펀치, 다이측도 베이스 플레이트의 형상과 맞게 곡면 구조로 가공이 이루어진다. 이에 따라, 본 발명에 따라 금형 장치의 펀치 및 다이에 형성된 곡면의 굽힘값은 0.001mm 내지 50mm이다. 여기서, 금속 베이스 플레이트의 굽힘값보다 금형 장치의 펀치 및 다이의 굽힘값을 크게 설정하는 것은, 금속 베이스 플레이트의 벤딩 및 압인 완료 후 줄임 현상을 고려한 것이다.According to the present invention, there is provided a three-dimensional curved structure metal base plate, comprising: a punch of a mold apparatus for molding a metal base plate into a curved shape in order to manufacture a three-dimensional curved surface structure; . Accordingly, the bending value of the curved surface formed on the punch and die of the mold apparatus according to the present invention is 0.001 mm to 50 mm. Here, the setting of the bending value of the punch and the die of the mold apparatus larger than the bending value of the metal base plate takes into account the phenomenon of bending the metal base plate and reducing the bending after completion of the stamping.
다음은, 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트를 제조하기 위한 벤딩용 금형 장치를 보다 상세히 설명한다. Next, a bending die apparatus for manufacturing a metal base plate having a three-dimensional curved surface structure will be described in detail.
도 4a는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트를 제조하기 위한 금형 장치(1)의 상면도이고, 도 4b는 금속 베이스 플레이트가 고정된 금형 장치의 측면도, 도 4c는 금형 장치에서 프레스로 벤딩하여 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트를 제조하는 상태를 나타내는 도면이다.FIG. 4A is a top view of a
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 이용되는 금형 장치(1)에서 상하로 이동하는 가동측에는 펀치 홀더(punch holder)(5), 가이드 부시(guide bush)(6), 펀치(punch)(7)가 설치되고, 고정측에는 펀치/다이 중심을 잡기 위한 위치 결정 플레이트(8), 다이 홀더(die holder)(9), 가이드 포스트(guide post), 금속 베이스 플레이트(12)가 안착되는 다이(11)가 설치된다. 그리고, 금형 장치(1)에는 금속 베이스 플레이트의 위치를 잡아주기 위한 위치 결정 핀(2), 상/하의 펀치/다이 중심을 결정하기 위해 금속 베이스 플레이트의 중심을 잡아주기 위한 핀(3), 상/하의 펀치/다이 체결 볼트(13), 상/하 및 펀치/다이의 중심을 잡기 위한 금속 베이스 플레이트 체결 볼트(14)가 설치된다. 펀치(7) 및 다이(11)는 미리 설정된 굽힘값에 따라 휘어 있다. 여기서, 펀치(7) 및 다이(11)는 요구되는 굽힘값에 따라 별개의 굽힘값을 갖도록 복수개로 구성될 수 있으며 금형 장치(1)에 착탈 가능하게 할 수 있다. As shown in Figs. 4A and 4B, in the
여기서, 금형 장치의 펀치(7) 및 다이(11)는 철/비철 금속류, 베크라이트의 소재를 이용하여 제조된다. Here, the
도 4c에 보인 바와 같이, 금형 장치의 고정측에 금속 베이스 플레이트를 위치 결정핀(2, 3)에 의해 위치시켜 놓고, 가동측을 작동시켜 원하는 휨 값의 벤딩(bending) 작업을 하는 상태를 나타낸다. 금속 베이스 플레이트를 미리 설정된 위치에 위치시킨 후, 일정 압력으로 펀치(7)에 의해 금속 베이스 플레이트(20)를 가압하여 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트(20)를 제조한다.As shown in FIG. 4C, the metal base plate is positioned on the fixed side of the mold apparatus by the positioning pins 2 and 3, and the movable side is operated to perform a bending operation with a desired bending value . After the metal base plate is positioned at a predetermined position, the
본 발명에 따른, 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트의 제조 과정을 간략히 설명하면 2단계로 이루어진다. The manufacturing process of the metal base plate having a three-dimensional curved surface structure according to the present invention is briefly described in two steps.
1단계에서 구리 판재를 소정의 형상을 갖는 금형에 안착시키고 프레스를 이용하여 소정의 형상으로 타발을 실시하여, 2차원 평면 구조의 금속 베이스 플레이트를 형성한다. 이때, 구리 판재의 두께는 0.5mm 내지는 5mm이다. 저전력 반도체 모듈의 경우 1mm 내지 2mm의 구리 판재를 이용하고, 고전력 반도체 모듈의 경우 3mm이상의 구리 판재를 이용하는 것이 바람직하다. In
한편, 프레스의 압력은 금속 베이스 플레이트 소재의 두께에 따라서 다르며, 대략 1톤 내지 80톤의 압력으로 프레스됨이 바람직하다.On the other hand, the pressure of the press differs depending on the thickness of the metal base plate material, and is preferably pressed at a pressure of approximately 1 to 80 tons.
2단계는, 2차원 평면 구조의 금속 베이스 플레이트를 3차원 곡면 구조로 형성시키는 공정을 수행하는 것으로서, 1단계에서 형성된 금속 베이스 플레이트를 소정의 굽힘값(bending value)을 갖는 금형 장치에 장착한 후 압력을 가하여, 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트를 형성한다. The second step is a step of forming a metal base plate having a two-dimensional planar structure into a three-dimensional curved surface structure. The metal base plate formed in
이때, 금형 장치의 소정의 굽힘값은 수평면으로부터 곡면 꼭지점까지의 수직 길이를 나타내며, 사용되는 솔더 합금 및 솔더층의 두께에 따라 다르다. 본 실시예에 따라, 금형 장치의 굽힘값은 0.001m 내지 50mm의 값인 것이 바람직하다. At this time, the predetermined bending value of the mold apparatus represents the vertical length from the horizontal plane to the curved surface vertex, and depends on the thickness of the solder alloy and the solder layer used. According to the present embodiment, the bending value of the mold apparatus is preferably 0.001 to 50 mm.
한편, 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조뿐만 아니라, 금속 베이스 플레이트 상면에 접합되는 절연 세라믹 기판의 수량 및 종-횡축 비, 솔더 응력의 정도에 따라 W자형 곡면, 복수 개의 곡면이 있는 형태도 가능하며 특정 형상에 구애받지 아니한다.On the other hand, the metal base plate having a three-dimensional curved surface structure may have a structure in accordance with an embodiment of the present invention, as well as the number of the ceramic ceramic substrates bonded to the top surface of the metal base plate, the longitudinal- , It is possible to have a plurality of curved surfaces, and it is not limited to a specific shape.
이와 같이, 전력 반도체 모듈 제작시 솔더의 응력에 의해 형성되는 금속 베이스 플레이트의 휨 현상을 보정하기 위해, 사전에 금속 베이스 플레이트를 3차원 곡면 구조로 형성함으로써, 전력 반도체 모듈의 제조 과정에서 최종 공정이 완료된 후 금속 베이스 플레이트의 편평도를 향상시킬 수 있다. 또한, 전력 반도체 모듈에 히트 싱크 체결 시 히트 싱크와의 밀착도를 향상시켜 전력 반도체 소자에서 발생한 열이 히트 싱크로 효율적으로 방열할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 전력 반도체 모듈의 열저항을 감소시키고 열전달 효율을 극대화하여 신뢰성 향상에 기여할 수 있다. Thus, in order to correct the bending phenomenon of the metal base plate formed by the stress of the solder during fabrication of the power semiconductor module, the metal base plate is formed in a three-dimensional curved surface structure in advance, The flatness of the metal base plate can be improved after completion. In addition, when the power semiconductor module is tightened with the heat sink, the degree of contact with the heat sink is improved, so that the heat generated in the power semiconductor device can be dissipated efficiently by the heat sink. That is, the thermal resistance of the power semiconductor module is reduced and the heat transfer efficiency is maximized, contributing to the improvement of reliability.
또한, 본 실시예에 따른 금속 베이스 플레이트를 기계 가공에 의하지 않고 금형 장치를 이용한 프레스 공법으로 제조됨으로서 제조 공수를 단순화하고, 제조 비용을 절감할 수 있다.In addition, since the metal base plate according to the present embodiment is manufactured by the press method using the mold apparatus without using the machining, the manufacturing cost can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 복수개의 곡면이 형성된 금속 베이스 플레이트(20d, 20e, d0f)의 예시도이다. 금속 베이스 플레이트의 가로 × 세로의 크기가 예를 들어, 500mm × 500mm일 때, 도 5에 보인 바와 같이, 금속 베이스 플레이트에 복수개의 곡면을 형성하는 경우에, 각 곡면의 깊이로서 굽힘값은 0.001mm 내지 40mm인 것이 바람직하다. 5 is an exemplary view of a plurality of curved
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 W자 형상의 금속 베이스 플레이트의 예시도이다. 도 6에 보인 바와 같이, W자 형상의 금속 베이스 플레이트(20g)의 곡면의 깊이로서 굽힘값은 전력 반도체 모듈의 크기 및 전력 반도체 칩이 실장되는 DBC(Direct Bonding Copper) 회로(30)의 크기, 전력 용량, 설계에 따라 다르게 설정된다.6 is an exemplary view of a W-shaped metal base plate according to another embodiment of the present invention. 6, the bending value as the depth of curved surface of the W-shaped
본 실시예에 따라, W자 형상의 금속 베이스 플레이트(20g)에서, 금속 베이스 플레이트의 가로 × 세로의 크기가 예를 들어, 500mm × 500mm일 때, 곡면의 깊이로서 굽힘값은 0.001mm 내지 40mm인 것이 바람직하다.According to the present embodiment, in the W-shaped
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 베이스 플레이트의 사시도이다. 도 7의 3차원 곡면 구조의 금속 베이스 플레이트는, 평면을 기준으로 횡축 및 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 형성한 것이다. 본 실시예에서, 종축 방향의 굽힘값의 굽힘값과 횡축 방향의 굽힘값은 동일하게 설정하거나, 상이하게 설정할 수 있다.7 is a perspective view of a metal base plate according to another embodiment of the present invention. The metal base plate of the three-dimensional curved surface structure of FIG. 7 is formed with a convex surface or a concave surface concave in the horizontal axis and the longitudinal axis direction with respect to the plane. In this embodiment, the bending value of the bending value in the vertical axis direction and the bending value in the horizontal axis direction can be set to be the same or different.
상술한 바와 같이, 본원발명에 따르면, 전력 반도체 모듈 제조 공정에서, 솔더링에 의해 발생하는 응력으로 인한 금속 베이스 플레이트의 휨(warpage) 정도에 따라 베이스 플레이트 제조 시에 3차원 곡면 형태로 제조함으로서 최종 전력 반도체 모듈 완제품에서 히트 싱크(heat sink)와 열전달 재료를 통해 결합될 때 히트 싱크와 모듈간의 간극을 최소화하여 히트 싱크로의 방열을 극대화함으로서 전력 반도체 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, in the process of manufacturing a power semiconductor module, a three-dimensional curved surface is formed at the time of manufacturing the base plate according to the degree of warpage of the metal base plate due to the stress generated by the soldering, When the semiconductor module is combined with the heat sink and the heat transfer material in the finished product, the gap between the heat sink and the module is minimized to maximize heat dissipation to the heat sink, thereby improving the reliability of the power semiconductor module.
한편, 일반적으로, 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 경우 구리 소재를 활용하며, 금속 베이스 플레이트의 소재는 전력 반도체 모듈의 요구 특성, 제조 원가 등에 따라 알루미늄 소재 내지는 구리-텅스텐 합금, 구리-몰리브데늄 합금, 알루미늄-세라믹 복합소재, 구리-세라믹 복합 소재를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따라, 금속 베이스 플레이트의 소재는 클래드 메탈(Clad Metal)로서 구리-알루미늄 접합소재 등을 포함할 수 있다. 클래드 메탈은 특수접합금속을 지칭하는 것으로서, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 동, 마그네슘 등의 금속소재를 특수 붙임법으로 접합(클래딩)한 신소재를 말한다. Generally, a metal base plate for a power semiconductor module utilizes a copper material. The material of the metal base plate may be an aluminum material or a copper-tungsten alloy, a copper-molybdenum alloy Alloy, an aluminum-ceramic composite material, and a copper-ceramic composite material. In addition, according to the present embodiment, the metal base plate may include a copper-aluminum bonding material as a clad metal. Clad metal refers to a special bonding metal, and refers to a new material that is bonded (clad) to a metal material such as aluminum, stainless steel, copper, or magnesium by a special attaching method.
상술한 실시예에서는 구리 판재를 이용한 금속 베이스 플레이트 실시예를 설명하였으나, 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트에 사용되는 상기 소재를 이용할 수 있으며 상술한 실시 예에 구속되지 아니한다.Although the embodiment of the present invention has been described with respect to the embodiment of the metal base plate using the copper plate material, the material used for the metal base plate for the power semiconductor module may be used and is not limited to the above embodiment.
상술한 실시예에서는, 금속 베이스 플레이트가 종축 방향으로 곡면의 굽힘값을 0.001mm ~ 40mm 로 설정하였으나, 다른 실시예에 따라, 도 7에 보인 바와 같이, 금속 베이스 플레이트(50)의 횡축 및 종축 각각의 방향으로 곡면의 굽힘값을 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 횡축 방향으로 곡면의 굽힘값을 0.001mm ~ 20mm 로 설정하고, 종축 방향으로 곡면의 굽힘값을 0.001mm ~ 40mm 로 설정할 수 있다.Although the bending value of the curved surface of the metal base plate in the longitudinal direction is set to 0.001 mm to 40 mm in the above-described embodiment, as shown in Fig. 7, the lateral and vertical axes of the
또한, 다른 실시예에 따라, 수평면으로부터 곡면 꼭지점까지의 수직 길이를 곡면의 굽힘값으로 정의하여 0.001mm ~ 40mm 로 설정할 수도 있음은 물론이다.According to another embodiment, it is of course possible to set the vertical length from the horizontal plane to the curved surface vertex to be 0.001 mm to 40 mm, which is defined as the bending value of the curved surface.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.The above-described embodiments are merely illustrative, and various modifications and equivalent other embodiments are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be determined by the technical idea of the invention described in the claims.
1 : 금형 장치 2 : 플레이트 위치 결정 핀
3 : 베이스 중심 위치 결정 핀 5 : 펀치 홀더(punch holder)
6 : 가이드 부시(guide bush) 7 : 펀치(punch)
8 : 위치 결정 플레이트 9 : 다이 홀더
10 :가이드 포스트(guide post) 11 : 다이(die)
13 : 상/하의 펀치/다이 체결 볼트 14 : 플레이트 체결 볼트
20 : 금속 베이스 플레이트
20d, 20e, 20f, 20g : 금속 베이스 플레이트
100 : 전력 반도체 모듈 101 : 세라믹 절연 회로기판
110 : 세라믹 절연 기판 111 : 제1 동막
112 : 제1 솔더층 113 : 제2 동막
114 : 제2 솔더층 120 : 금속 베이스 플레이트
130 : 전력 반도체 소자1: mold device 2: plate positioning pin
3: Base center positioning pin 5: Punch holder
6: guide bush 7: punch
8: positioning plate 9: die holder
10: guide post 11: die < RTI ID = 0.0 >
13: Upper / lower punch / die fastening bolt 14: Plate fastening bolt
20: metal base plate
20d, 20e, 20f, 20g: metal base plate
100: power semiconductor module 101: ceramic insulated circuit board
110: ceramic insulating substrate 111: first copper foil
112: first solder layer 113: second copper film
114: second solder layer 120: metal base plate
130: Power semiconductor device
Claims (14)
수평면으로부터 곡면 꼭지점까지 또는 수평면으로부터 단부 모서리까지의 수직 길이로서 미리 설정된 굽힘값을 갖는 3차원 곡면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.A metal base plate for a power semiconductor module,
Wherein a three-dimensional curved surface having a predetermined bending value is formed as a vertical length from a horizontal plane to a curved corner point or from a horizontal plane to an end corner.
상기 3차원 곡면은 평면을 기준으로 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional curved surface comprises a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in the longitudinal direction with respect to a plane.
상기 3차원 곡면은 평면을 기준으로 횡축 및 종축 양방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional curved surface includes a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in both the horizontal and vertical directions with respect to the plane.
상기 3차원 곡면의 형성은 금형 장치를 이용한 프레스 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional curved surface is formed by a pressing method using a mold apparatus.
상기 3차원 곡면은 단면이 W자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method of claim 4,
Wherein the three-dimensional curved surface has a W-shaped cross section.
상기 볼록 곡면 또는 오목 곡면이 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method of claim 4,
Wherein a plurality of the convex curved surfaces or the concave curved surfaces are formed.
상기 금속 베이스 플레이트의 가로 × 세로의 크기가 500mm 이하 × 500mm 이하 일 때, 상기 금속 베이스 플레이트의 굽힘값은 40mm 이하인 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method according to claim 2 or 3,
Wherein a bending value of the metal base plate is 40 mm or less when the width and length of the metal base plate is 500 mm or less x 500 mm or less.
상기 금속 베이스 플레이트를 곡면으로 프레싱하기 위한 상기 금형 장치의 펀치 및 다이의 굽힘값은 50mm 이하인 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트.The method of claim 4,
Wherein a bending value of the punch and the die of the mold apparatus for pressing the metal base plate to a curved surface is 50 mm or less.
평판형 금속 베이스 플레이트를 형성하는 단계;
절연 세라믹 기판과의 솔더링시 발생되는 상기 솔더의 응력 정도에 따라 발생하는 상기 금속 베이스 플레이트의 휨을 보정하도록, 상기 평판형 금속 베이스 플레이트에, 수평면으로부터 곡면 꼭지점까지 또는 수평면으로부터 단부 모서리까지의 수직 길이로서 미리 설정된 굽힘값을 갖는 3차원 곡면을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법.A method of manufacturing a metal base plate for a power semiconductor module, the method comprising:
Forming a flat metal base plate;
And a vertical length from the horizontal plane to the apex of the curved surface or from the horizontal plane to the edge of the edge so as to correct the warping of the metal base plate caused by the degree of stress of the solder generated during soldering with the insulating ceramic substrate And forming a three-dimensional curved surface having a preset bending value.
상기 3차원 곡면은 평면을 기준으로 종축 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법.The method of claim 9,
Wherein the three-dimensional curved surface includes a concave curved surface (Convex) or a concave curved surface (Concave) in the longitudinal direction with respect to a plane.
상기 3차원 곡면은 평면을 기준으로 횡축 및 종축 양 방향으로 볼록한 곡면(Convex) 또는 오목한 곡면(Concave)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법.The method of claim 9,
Wherein the three-dimensional curved surface includes a convex surface or a concave surface convex in both the horizontal and vertical directions with respect to the plane.
상기 3차원 곡면은 단면이 W자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법.The method of claim 9,
Wherein the three-dimensional curved surface has a W-shaped cross-section.
상기 볼록 곡면 또는 오목 곡면이 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법.The method of claim 9,
Wherein a plurality of the convex curved surfaces or the concave curved surfaces are formed.
상기 3차원 곡면의 형성은 금형 장치를 이용한 프레스 공법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈용 금속 베이스 플레이트의 제조 방법.The method of claim 9,
Wherein the formation of the three-dimensional curved surface is performed by a pressing method using a mold apparatus.
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| KR1020130153614A KR20150067963A (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Metal base plate with 3-dimension curved surface structure for power semiconductor module and manufacturing method thereof |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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2013
- 2013-12-11 KR KR1020130153614A patent/KR20150067963A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110729253A (en) * | 2019-09-11 | 2020-01-24 | 东南大学 | IGBT compression joint type press mounting structure capable of introducing double-shaft strain |
| CN110729253B (en) * | 2019-09-11 | 2021-06-11 | 东南大学 | IGBT compression joint type press mounting structure capable of introducing double-shaft strain |
| CN115831890A (en) * | 2022-12-22 | 2023-03-21 | 黄山谷捷股份有限公司 | IGBT power module heat radiation structure and processing technology thereof |
| CN115831890B (en) * | 2022-12-22 | 2023-12-22 | 黄山谷捷股份有限公司 | IGBT power module heat dissipation structure and processing technology thereof |
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