KR20160038439A - 전력 모듈 패키지 - Google Patents

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KR20160038439A
KR20160038439A KR1020140131531A KR20140131531A KR20160038439A KR 20160038439 A KR20160038439 A KR 20160038439A KR 1020140131531 A KR1020140131531 A KR 1020140131531A KR 20140131531 A KR20140131531 A KR 20140131531A KR 20160038439 A KR20160038439 A KR 20160038439A
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한경호
장범식
조준형
이석호
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 모듈 패키지는, 하나 이상의 관통공과 회로 패턴을 형성하고, 회로 패턴과 전기적으로 연결되게 반도체 칩을 실장하는 방열 기판과; 회로 패턴과 전기적으로 연결되는 터미널을 구비한 케이스; 방열 기판의 관통공과 케이스의 하부면을 대면시켜 방열 기판과 케이스를 체결하는 체결부재; 및 방열 기판과 케이스 사이를 충전하는 몰딩부;로 이루어져 있다.

Description

전력 모듈 패키지 {Power module package}
본 발명은 전력 모듈 패키지에 관한 것이다.
지구에 매장된 지하 자원은 한정되어 있지만 매년 에너지 사용량은 증가하는 추세이다. 이에, 전 세계는 대체 에너지 개발에 많은 관심과 노력을 기울이고 있다.
이러한 노력은 적은 에너지로 높은 효율을 발생시킬 수 있는 기술 개발로 이어지고 있으며, 그 중 하나가 전력 모듈이다.
전력 모듈은 널리 알려져 있듯이 인버터(inverter), 컨버터(converter), 모터 구동용 등으로 구분될 수 있으며, 그 사용처에 따라 다양한 형태를 가지고 그 사용량 또한 꾸준하게 증가하고 있다.
종래의 케이스(case) 형태를 갖는 산업용 전력 모듈들은 대한민국 공개특허 제10-2011-0006841호에 기재된 바와 같이, 전자 부품을 실장한 베이스 기판과, 터미널과 볼트 홀을 갖춘 케이스로 결합되어 있다. 케이스는 베이스 기판 상에 전자 부품과 전기적으로 연결할 수 있도록 터미널을 외부로 돌출하고 있다.
이러한 전력 모듈들은 일반적으로 전력 변환과정에서 높은 열이 발생하게 되고, 발생된 열을 효율적으로 제거하지 못하면, 모듈 및 전체 시스템의 성능 저하 및 파손 발생까지도 가능하다. 더욱이, 최근의 경향은 부품의 다기능, 소형화가 IPM에서도 필수 요소이기 때문에, 다기능, 소형화를 위한 구조 개선 뿐만 아니라, 이로 인해 발생되는 열의 효율적 방열 역시 중요한 요소가 된다.
전술된 종래기술에 따른 케이스 형태를 갖는 전력 모듈은 방열판과 케이스의 결합 그리고 케이스의 터미널과 베이스 기판 사이의 신뢰할 수 있는 접점을 확보해야만할 것이다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0006841호
본 발명은 터미널을 일체로 구비한 케이스와 방열 기판 사이에 나사체결방식으로 위치고정시키는 동시에 신뢰할 수 있는 전기적 연결을 가능하게 하는 전력 모듈 패키지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예는 케이스 형태를 갖는 전력 모듈 패키지에 관한 것으로, 하나 이상의 관통공과 회로 패턴을 형성하고, 회로 패턴과 전기적으로 연결되게 반도체 칩을 실장하는 방열 기판과; 회로 패턴과 전기적으로 연결되는 터미널을 구비한 케이스; 방열 기판의 관통공과 케이스의 하부면을 대면시켜 방열 기판과 케이스를 체결하는 체결부재; 및 방열 기판과 케이스 사이를 충전하는 몰딩부;로 이루어져 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 모듈 패키지는 숫나사산부를 형성한 체결부재를 방열 기판의 관통공에 삽통하고서, 케이스의 암나사산부 및/또는 터미널의 타측 단부에 형성된 암나사산부와 나사체결되어, 방열 기판과 케이스를 위치고정시킬 수 있다.
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 아니 되며, 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.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 모듈 패키지를 위에서 바라본 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선으로 절취한 전력 모듈 패키지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 모듈 패키지를 분해하여 도시한 도면이다.
본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이제, 본 발명에 따른 전력 모듈 패키지는 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1을 참조로 하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 모듈 패키지(1)는 일면에 회로패턴과 하나 이상의 관통공을 형성한 방열 기판(100)과, 기판(100)의 회로 패턴에 전기적으로 연결된 터미널(210)을 일체로 구비한 케이스(200), 및 케이스(200)와 방열판(300)으로 한정된 내부 공간을 충전하여 기판, 도전성 와이어, 반도체 칩 등을 외부로부터 보호 및 절연을 돕는 몰딩부(400)로 이루어져 있다. 이외에도, 케이스(200)는 하부만 개방된 박스형상일 수도 있다.
도시되었듯이, 몰딩부(400)는 상부와 하부가 개방된 튜브형상의 케이스(200)로 한정된 내부 공간을 몰딩재로 충전될 수 있다. 몰딩재는 실리콘 겔(silicon gel) 혹은 이미 널리 알려져 있는 열전도도가 높은 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molded Compound; EMC) 등으로 사용될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선으로 절취한 전력 모듈 패키지의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 전력 모듈 패키지를 분해하여 도시한 도면이다.
방열 기판(100)은 앞서 기술된 바와 같이 그 위에 회로 패턴(110)을 형성한다. 회로 패턴(110)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag) 또는 금(Au)으로 이루어질 수 있다.
또한, 회로 패턴(110)은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD), 전해 도금 공정 또는 무전해 도금 공정, 스퍼터링 공정 등으로 형성될 수 있으며, 이외의 금속층 형성 공정을 적용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 방열 기판(100)은 회로 패턴(110)과 전기적으로 연결된 반도체 칩(170)을 실장한다. 반도체 칩(170)은 전력 소자 또는 제어 소자일 수 있으며, 전력 소자라 함은 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier; SCR), 전력 트랜지스터, 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT), 모스 트랜지스터, 전력 정류기, 전력 레귤레이터, 인버터, 컨버터 또는 이들의 조합된 고전력 반도체 칩 또는 다이오드(diode)로 이루어질 수 있으며, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이, 제어 소자라 함은 고전력 반도체 칩, 예컨대 전력 소자를 제어하기 위한 저전력 반도체 칩을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
덧붙여서, 반도체 칩(170)은 접착부재(미도시)를 이용하여 방열 기판(100) 상에 실장될 수 있으며 접착부재는 도전성이거나 비도전성일 수 있다.
이외에도, 접착부재는 도금에 의해 형성될 수 있거나, 도전성 페이스트 또는 도전성 테이프일 수도 있다. 접착부재는 솔더(solder), 금속 에폭시, 금속 페이스트, 수지계 에폭시 또는 내열성이 우수한 접착 테이프일 수 있다.
접착부재로 사용될 수 있는 접착 테이프는 구매가능한 유리 테이프, 실리콘 테이프, 테프론 테이프, 스테인리스 호일 테이프, 세라믹 테이프 등과 같은 고온 테이프를 사용할 수 있으며, 접착부재는 기술된 재료들을 조합하여 형성할 수 있으나, 특별히 이에 국한되지는 않는다.
전력 모듈 패키지(1)는 도전성 와이어(150)를 사용한 와이어 본딩방식으로 반도체 칩(170) 및/또는 방열 기판(100)의 회로 패턴(110)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 절연층(120)은 금속재의 방열 기판(100) 상에 형성되되, 절연층(120)은 회로 패턴(110)과 방열 기판(100) 사이의 전기적 절연과 함께 회로 패턴(110)에서 발생하는 열을 방열 기판(100)으로 전달하는 역할을 수행한다.
참고로, 본 발명의 상세한 설명에서는 당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있는 반도체 칩(170)에 전극과 회로 패턴(110) 사이의 전기적 연결에 위한 실장에 대하여 구체적인 기술적 내용을 상세하게 설명하지 않을 것이다.
본 발명의 케이스(200)는 반도체 칩(170)을 장착한 방열 기판(100)의 일면을 덮어 씌어, 전력 모듈 패키지(1)의 내부를 보호하는 동시에 외부 전력과의 불필요한 합선을 미연에 방지하여 전력 모듈 패키지(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
케이스(200)는 도시된 바와 같이 튜브형상으로 형성되어(도 1 참조), 방열 기판(100)의 가장자리 둘레를 덮어씌울 수 있게 이의 하부면 내측에 단차부(220)를 형성한다. 케이스(200)는 방열 기판(100)의 가장자리 형상과 대응되는 튜브형상으로 이루어질 수 있다.
케이스(200)는 예컨대 사출성형방식을 통해 터미널(210)을 일체화시킨 단일 부품으로 이루어질 수도 있으며, 다른 방식으로 삽입고정될 수 있다. 터미널(210)은 케이스(200)의 몸체부를 관통하여 케이스(200)의 상부면에서 하부면을 관통해 신장되어 있다.
터미널(210)은 케이스(200)의 상부면에서 하부면까지 몸체부를 가로질러 배치된 연장부(212)와, 이 연장부(212)에서 하방으로 길이연장되되 케이스(200)의 하부면 외부로 돌출된 타측 단부(213)로 구성된다.
구체적으로, 터미널(210)의 타측 단부(212)는 케이스(200)의 하부면에 형성된 단차부(220)에 중첩되게 배치된다. 연장부(212)는 케이스(200)의 상부면 위로 돌출될 수 있게 신장되는 것이 바람직하다. 단차부(220)는 방열 기판(100)의 회로 패턴(110)의 높이 및/또는 타측 단부(213)의 두께에 상응하는 높이차를 갖도록 한다.
구체적으로, 터미널(210)의 타측 단부(213)는 케이스(200)의 내부 중심영역을 향해 밴딩되는데, 이는 단차부(220)와의 중첩을 도울 뿐만 아니라 회로 패턴(110)과의 신뢰할 수 있는 전기접촉을 가능하게 한다.
타측 단부(213)는 앞서 기술되었듯이 연장부(212)의 끝단을 회로 패턴(110)과 대면할 수 있는 방향으로 밴딩되어 있는데, 이의 편평한 바닥면에는 하나 이상의 체결돌기(212a)와 함께 암나사산부(212b)를 구비한다.
이와 대응되게, 방열 기판(100)은 이의 상부면에 체결홈(100a)을 형성하고, 방열 기판(100)은 체결부재(300)를 삽입할 수 있는 하나 이상의 관통공(130)을 형성한다. 하나 이상의 관통공(130)은 방열 기판(100)의 가장자리 인접 영역에 형성되되, 방열 기판(100)의 가장자리 둘레를 따라 배열되도록 한다. 덧붙여서, 체결홈(100a)은 방열 기판의 회로 패턴(110) 상에 오목하게 형성될 수도 있다.
추가로, 관통공(130)은 회로 패턴(110)의 형성위치와 일치되도록 할 수 있다. 체결부재(300)는 숫나사산부(300b)를 형성하여 터미널(210)의 암나사산부(212b)와 나사체결방식으로 고정하게 된다. 이는 결과적으로 방열 기판(100)과 케이스(200)의 위치고정을 돕는 동시에 터미널(200)의 타측 단부(212)와 회로 패턴(110)의 접점을 보장할 수 있게 할 것이다. 다시 말하자면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 모듈 패키지는 회로 패턴과 타측 단부의 암나사산부(212b) 및 방열 기판(100)의 관통공(130)을 동일 선상에 배치하여 체결부재(300)의 나사체결을 돕는다. 이는 체결부재(300)의 죄임을 통해 케이스와 방열 기판의 정합을 돕는 한편 터미널과 회로 패턴 간의 신뢰할 수 있는 전기연통을 가능하게 할 수 있다.
나사체결에 앞서, 터미널(210)의 타측 단부(213)의 체결돌기(212a)가 방열 기판(100)의 체결홈(100a)에 삽통되어 방열 기판(100) 상으로 케이스(200)의 위치선정을 돕고 케이스(200)의 이동을 제한할 수 있게 한다. 이와 달리, 터미널의 타측 단부에 체결홈을 형성하고 이와 대면하는 방열 기판에 체결돌기를 배열할 수도 있다.
선택가능하기로, 본 발명은 방열 기판(100)과 케이스(200)의 고정을 돕기 위해 케이스(200)의 단차부(220)에 암나사산부(미도시)를 형성할 수 있다. 케이스(200)의 암나사산부는 회로 패턴(110) 상에 배치될 터미널(210)의 타측 단부(212)의 암나사산부(212b)를 관통해 뻗은 체결부재(300)의 숫나사산부(300b)와 나사체결될 수도 있으며, 필요에 따라 터미널(210)의 타측 단부(212)를 통과하지 않고 방열 기판(100)의 상부면과 케이스(200)의 단차부(220)를 직접적으로 나사체결할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 모듈 패키지(1)는 케이스(200)와 방열 기판(100)의 나사체결된 이후에 케이스(200)와 방열 기판(100)으로 한정된 내부 공간을 몰딩재로 충전하여 몰딩부(400)를 형성하게 된다. 몰딩부(400)는 전자부품을 외부로부터 보호할 뿐만 아니라 케이스와 방열 기판의 접합을 돕는다.
덧붙여서, 본 발명은 방열 기판(100) 상에 케이스(200)의 안착을 돕기 위해 케이스(200)의 폭보다 방열 기판(100)의 폭 크기를 동일하거나 더 크게 형성하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전력 모듈 패키지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 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.
1 ----- 전력 모듈 패키지
100 ----- 방열 기판
110 ----- 회로 패턴
120 ----- 절연층
130 ----- 관통공
170 ----- 반도체 칩
200 ----- 케이스
210 ----- 터미널
300 ----- 체결부재
400 ----- 몰딩부

Claims (12)

  1. 하나 이상의 관통공과 회로 패턴을 형성하고, 상기 회로 패턴과 전기적으로 연결되게 반도체 칩을 실장하는 방열 기판과;
    상기 회로 패턴과 전기적으로 연결되는 터미널을 구비한 케이스; 및
    상기 방열 기판의 관통공과 상기 케이스의 하부면을 대면시켜 상기 방열 기판과 케이스를 체결하는 체결부재;로 이루어진 전력 모듈 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는 이의 하부면에 단차부를 구비하는 전력 모듈 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 터미널은,
    상기 케이스의 몸체부를 가로질러 길이연장된 연장부와,
    상기 연장부에서 하방으로 길이연장되어 상기 케이스의 하부면 외부로 돌출된 타측 단부로 이루어진 전력 모듈 패키지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 터미널의 타측 단부는 상기 케이스의 내부 중심영역을 향해 밴딩되어 상기 케이스의 단차부와 중첩되게 배치되는 전력 모듈 패키지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 터미널의 타측 단부는 이의 바닥면에 하나 이상의 체결돌기와 암나사산부를 구비하는 전력 모듈 패키지.
  6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 방열 기판은 이의 상부면에 체결홈을 형성하고, 상기 터미널의 체결돌기와 상기 방열 기판의 체결홈은 상호 마주보게 배치하는 전력 모듈 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열기판은 상기 회로 패턴 아래에 절연층을 배치하는 전력 모듈 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 칩은 상기 회로 패턴과 도전성 와이어로 전기연통되는 전력 모듈 패키지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 체결부재는 숫낫사산부를 구비하는 전력 모듈 패키지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 모듈 패키지는 상기 방열 기판의 회로 패턴과 관통공 및 터미널의 암나사산부를 동일 선상에 배치시키는 전력 모듈 패키지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는 상기 방열 기판의 가장자리와 대응되는 튜브형상으로 이루어진 전력 모듈 패키지.
  12. 상기 방열 기판과 케이스 사이에는 몰딩부로 충전되는 전력 모듈 패키지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102159004B1 (ko) * 2020-04-24 2020-09-23 주식회사 애크멕스 반도체 릴레이 장치
KR20220062173A (ko) * 2020-11-06 2022-05-16 제엠제코(주) 가압형 반도체 패키지

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