KR20170077543A - 소형전력모듈 및 그의 제조방법 - Google Patents

소형전력모듈 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

보다 소형화되어 최적의 집적화가 가능한 소형전력모듈 및 그의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 소형전력모듈은, 제1하부 회로배선층, 제1절연층 및 제1상부 회로배선층을 포함하는 제1기판; 제1기판 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스를 포함하는 제1파워디바이스층; 제1파워디바이스상의 제2하부 회로배선층, 제2절연층 및 제2상부 회로배선층을 포함하는 제2기판; 및 제2기판 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스를 포함하는 제2파워디바이스층;을 포함한다.

Description

소형전력모듈 및 그의 제조방법{Power device module and manufacturing method thereof}
본 발명은 소형전력모듈 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보다 소형화되어 최적의 집적화가 가능한 소형전력모듈 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전력 모듈은 전기 자동차 등 차세대 자동의 핵심 전력시스템 및 태양전지 스마트 전력시스템에 들어가는 핵심 부품이다. 전력변환을 위한 전력반도체(Power semi-conductor) 또는 파워 디바이스(Power Device)모듈에는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는IPM(intelligent power module) 등이 있다.
전자제품이나 전기자동차 또는 태양전지 전력시스템 등에 구비되는 전력모듈의 경우, 최근의 전자기기의 소형화 및 고밀도화 경향에 따라 대전력모듈의 경우에도 가능한한 소형화 및 박형화를 이루어 연비 향상 및 스마트화가 중요해지고 있다.
도 1은 종래의 전력모듈의 평면 이미지이다. 종래 전력모듈은 전력 변환을 담당하는 수많은 파워디바이스 및 관련된 다이오드 들이 평면에 단층으로 배치되어 전력모듈의 면적이 넓어 비효율적으로 공간을 차지하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보다 소형화되어 최적의 집적화가 가능한 소형전력모듈 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전력모듈은, 제1하부 회로배선층, 제1절연층 및 제1상부 회로배선층을 포함하는 제1기판; 제1기판 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스를 포함하는 제1파워디바이스층; 제1파워디바이스상의 제2하부 회로배선층, 제2절연층 및 제2상부 회로배선층을 포함하는 제2기판; 및 제2기판 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스를 포함하는 제2파워디바이스층;을 포함하는, 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈이다.
제1파워디바이스층 및 제2파워디바이스층은 다이오드를 더 포함할 수 있다.
제1파워디바이스 및 제2파워디바이스는 병렬연결될 수 있다.
본 발명에 따른 소형전력모듈(100)은 제1기판 측면 및 제2기판 측면에 열적으로 접촉하는 방열기판을 더 포함할 수 있고, 제1하부 회로배선층 하부 및 제2파워디바이스층 상부 중 적어도 어느 하나에 하부회로배선층, 절연층, 상부회로배선층을 포함하는 기판 및 기판 상의 파워디바이스를 하나 이상 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1하부 회로배선층, 제1절연층 및 제1상부 회로배선층을 순차 적층하여 제1기판을 형성하는 단계; 제1기판 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스를 적층하는 단계; 제1파워디바이스 상에 제2하부 회로배선층, 제2절연층 및 제2상부 회로배선층을 순차 적층하여 제2기판을 형성하는 단계; 및 제2기판 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스를 적층하는 단계;를 포함하는 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈 제조방법이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판상에 수직적으로 파워디바이스 소자를 적층하여 면적을 줄이고 입체적으로 배열시켜 보다 소형이면서 집적된 형태의 소형전력모듈을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 다층 집적시의 파워디바이스 모듈에서 각 기판의 측면에 방열기판을 형성하여 파워디바이스의 적층에 따라 발생되는 열을 효과적으로 외부로 배출할 수 있어서 제품신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전력모듈의 평면 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소형전력모듈의 단면도이다.
도 3은 파워디바이스가 12개인 전력모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 2층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 3층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이다.
도 6은 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 6층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이다.
도 7은 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 4층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형전력모듈의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소형전력모듈의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소형전력모듈의 단면도이다. 본 발명에 따른 소형전력모듈(100)은, 제1하부 회로배선층(111), 제1절연층(112) 및 제1상부 회로배선층(113)을 포함하는 제1기판(110); 제1기판(110) 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스(120)를 포함하는 제1파워디바이스층; 제1파워디바이스(120) 상의 제2하부 회로배선층(131), 제2절연층(132) 및 제2상부 회로배선층(133)을 포함하는 제2기판(130); 및 제2기판(130) 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스(140)를 포함하는 제2파워디바이스층;을 포함하는, 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈이다.
제1기판(110)은 제1하부 회로배선층(111), 제1절연층(112) 및 제1상부 회로배선층(113)을 포함한다. 제1하부 회로배선층(111) 및 제1상부 회로배선층(113)은 상부나 하부에 실장될 파워디바이스나 다른 소자 및 다른 기판과의 전기적 연결을 위한 회로배선층이다. 제1하부 회로배선층(111) 및 제1상부 회로배선층(113)은 전극층으로서, 전도성높은 구리 또는 알루미늄 등의 금속을 포함할 수 있다.
제1절연층(112)은 세라믹 물질을 포함할 수 있는데 예를 들어 알루미나(Al2O3), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 베릴륨 옥사이드(BeO) 등이 사용될 수 있다. 에폭시 등의 수지를 기초로 하는 일반 PCB기판과는 달리 이러한 세라믹 물질을 포함하는 기판의 경우 고온 및 고전류에 적합하기 때문에 대전력변환소자를 포함하는 전력모듈에 사용되는 것이 적합하며, 이 때문에 제1절연층(112)에는 세라믹 물질이 사용될 수 있다.
제1하부 회로배선층(111) 및 제1상부 회로배선층(113)에 전도성 높은 구리를 사용하고, 내부 절연층으로 세라믹 기판을 사용한 기판을 DBC(Direct Bonded Copper) 기판이라 하며, 전술한 이유로 전력모듈의 기판으로 사용된다.
제1기판(110)상에는 적어도 하나의 제1파워디바이스(120)가 실장된다. 파워디바이스로는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)와 같은 형태의 소자가 사용될 수 있다. 제1파워디바이스(120)는 제1기판(110)의 제1상부 회로배선층(113)과 전기적으로 연결되도록 실장되는데, 솔더링 공정을 통해 실장될 수 있다.
제1파워디바이스(120) 상부에는 다시, 제2기판(130)의 제2하부 회로배선층(131)이 적층되고, 제2절연층(132), 제2상부 회로배선층(133), 제2파워디바이스(140)가 각각 위치한다. 제2하부 회로배선층(131), 제2절연층(132), 제2상부 회로배선층(133), 제2파워디바이스(140)는 상기 제1하부 회로배선층(111), 제1절연층(112) 및 제1상부 회로배선층(113)및 제1파워디바이스(120)에 관해 설명한 바와 동일하므로 그 설명은 생략하기로 한다.
서로 상하로 적층된 제1파워디바이스(120) 및 제2파워디바이스(140)는 파워디바이스의 특성상 서로 병렬연결되는 것이 바람직한데, 상하로 적층되어 있기 때문에 병렬연결이 더욱 용이하다.
도 3은 파워디바이스가 12개인 전력모듈을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 2층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이고, 도 5는 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 3층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이고, 도 6은 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 6층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이며, 도 7은 도 3의 전력모듈에서 파워디바이스가 4층으로 적층된 전력모듈을 도시한 도면이다.
도 3에서 기판(210) 상에 12개의 파워디바이스(221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232)가 실장되어 있다. 전체 파워디바이스가 단층으로 평면에 실장되어 있어 기판(210)의 면적이 대면적으로 구현되어 있다.
도 4에서는 기판(210) 상에 1층으로 파워디바이스들(221, 223, 225, 227, 229, 231)이 실장되어 있고, 그 상면에 다시 6개의파워디바이스들(222, 224, 226, 228, 230, 232)이 적층되어 있다. 그에 따라 기판(210)의 면적이 1/2로 감소된다.
도 5에서는 기판(210) 상에 1층으로 파워디바이스들(221, 224, 227, 230)이 실장되어 있고, 그 상면에 다시 4개의 파워디바이스들(222, 225, 228, 231)이 적층되어 있다. 다시 3번째 층으로 4개의 파워디바이스들(223, 226, 229, 232)이 적층되어 있다.그에 따라 기판(210)의 면적이 1/3로 감소된다.
도 5에서는 기판(210) 상에 1층으로 파워디바이스들(221, 227)이 실장되어 있고, 그 상면에 다시 2개의 파워디바이스들(222, 228)이 적층되어 있고, 3번째 층으로 2개의 파워디바이스들(223, 229), 4번째 층으로 2개의 파워디바이스들(224, 230), 5번째 층으로 2개의 파워디바이스들(225, 231), 6번째 층으로 2개의 파워디바이스들(226, 232)이 적층되어 있다. 그에 따라 기판(210)의 면적이 1/6로 감소되어 더욱 파워디바이스들이 집적되어 있음을 알 수 있다. 도면으로 도시되지는 않았으나 최적으로는 1개의 파워디바이스가 12층으로 적층된 상태가 최소면적으로 구현될 수 있어 최적의 집적화를 나타낼 수 있다.
도 6에서는 기판(210) 상에 1층으로 파워디바이스들(221, 225, 229)가 실장되어 있고, 그 상면에 다시 3개의 파워디바이스들(222, 226, 230)이 적층되어 있다. 다시 3번째 층으로 3개의 파워디바이스들(223, 227, 231)이 적층되어 있으며, 마지막으로 4층으로 3개의 파워디바이스들(224, 228, 232)이 적층되어 있다. 그에 따라 기판(210)의 면적이 1/4로 감소된다. 본 실시예에서는 전술한 다른 실시예와 달리 기판의 형상이 사각형이 아니고 뒤집혀진 'ㄱ'자 형상이다. 따라서, 여유영역(300)이 존재하게 되는데, 이 부분에 공간적으로 다른 소자가 위치할 수 있어서 소형전력모듈이 위치한 전체 모듈에서 고밀도의 집적화가 가능할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 파워디바이스들이 위치하는 영역의 크기나 형상까지 조절할 수 있어서 소형전력모듈을 포함하는 전체 모듈의 소형화 및 고밀도화를 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형전력모듈의 단면도이다. 본 발명에 따른 소형전력모듈(400)은, 제1하부 회로배선층(411), 제1절연층(412) 및 제1상부 회로배선층(413)을 포함하는 제1기판(410); 제1기판(410) 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스(421) 및 제1다이오드(422)를 포함하는 제1파워디바이스층(420); 제1파워디바이스층 상의 제2하부 회로배선층(431), 제2절연층(432) 및 제2상부 회로배선층(433)을 포함하는 제2기판(430); 및 제2기판(430) 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스(441) 및 제2다이오드(442)를 포함하는 제2파워디바이스층(440); 및 제2파워디바이스층 상의 제3하부 회로배선층(451), 제3절연층(452) 및 제3상부 회로배선층(453)을 포함하는 제3기판(450); 및 제3기판(450) 상에 적어도 하나의 제3파워디바이스(461) 및 제3다이오드(462)를 포함하는 제3파워디바이스층(460);을 포함하는, 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈이다. 본 실시예에서는 파워디바이스층이 다이오드를 더 포함한다.
기판상에 파워디바이스층에는 파워디바이스 이외에도 다른 소자가 실장될 수 잇다. 본 발명에 따른 소형전력모듈은 고밀도화되어 다른 소자등을 추가로 실장하여도 전체적인 면적이 작아 소형화에 유리하고 적층형이라 여러 소자들의 전기적 연결이 용이하다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소형전력모듈의 단면도이다. 본 실시예의 소형전력모듈(500)은 제1기판(510), 제1파워디바이스층(520), 제2기판(530), 제2파워디바이스층(540), 제3기판(550) 및 제3파워디바이스층(560)이 적층된 형태의 모듈이다. 파워디바이스의 대전력 특성상 열이 발생하게 되는데, 이러한 열을 외부로 배출시킬 수 있는 방열기판을 포함하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 소형전력모듈(500)은 제1기판(510), 제2기판(530) 및 제3기판(550)의 측면에 열적으로 접촉되어 있는 방열기판을 더 포함할 수있다. 종래의 파워디바이스 모듈은 단층으로 구성되어 있어 방열기판은 기판 하부에 추가적으로 연결될 수 밖에 없었으나 본 발명에 따르면, 수직적으로 파워디바이스들이 적층되어 있으므로 각 기판을 동시에 열적으로 접촉하고 있는 방열기판을 수직방향으로 구비하여 최소의 면적으로 최대의 방열효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 소형전력모듈(500)은 제1기판 측면 및 제2기판 측면에 열적으로 접촉하는 방열기판을 더 포함할 수 있고, 제1하부 회로배선층 하부 및 제2파워디바이스층 상부 중 적어도 어느 하나에 하부회로배선층, 절연층, 상부회로배선층을 포함하는 기판 및 기판 상의 파워디바이스를 하나 이상 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1하부 회로배선층, 제1절연층 및 제1상부 회로배선층을 순차 적층하여 제1기판을 형성하는 단계; 제1기판 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스를 적층하는 단계; 제1파워디바이스 상에 제2하부 회로배선층, 제2절연층 및 제2상부 회로배선층을 순차 적층하여 제2기판을 형성하는 단계; 및 제2기판 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스를 적층하는 단계;를 포함하는 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 소형전력모듈 제조방법에서는 제1기판상에 파워디바이스를 적층하고, 그 상면에 제2기판을 적층한 후 다시 파워디바이스를 적층하는 방식으로 각 층을 순차적층하여 소형전력모듈을 제조할 수 있다(제1방식). 또는, 제1기판상에 파워디바이스를 적층하고, 이와 별도로 제2기판상에 파워디바이스를 적층한 후 제1파워디바이스와 제2기판을 접합하여 소형전력모듈을 제조할 수 있다(제2방식).
2층 이상의 기판/파워디바이스가 적층된 소형전력모듈은 각각을 별도로 구성하여 각각 접합하고, 다시 그 위에 다른 층을 적층하는 방식으로 두가지 방식을 혼합하여 공정효율에 따라 구성할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100, 400, 500 소형전력모듈 110, 210, 510 제1기판
111 제1하부 회로배선층 112 제1절연층
113 제1상부 회로배선층 120, 520 제1파워디바이스
130, 530 제2기판 131 제2하부 회로배선층
132 제2절연층 133 제2상부 회로배선층
140, 540 제2파워디바이스
221,222,223,224,225,226,227,228,229,230,231,232 파워디바이스
300 여유영역 550 제3기판
560 제3파워디바이스 470, 570 방열기판

Claims (6)

  1. 제1하부 회로배선층, 제1절연층 및 제1상부 회로배선층을 포함하는 제1기판;
    상기 제1기판 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스를 포함하는 제1파워디바이스층;
    상기 제1파워디바이스상의 제2하부 회로배선층, 제2절연층 및 제2상부 회로배선층을 포함하는 제2기판; 및
    상기 제2기판 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스를 포함하는 제2파워디바이스층;을 포함하는, 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1파워디바이스층 및 상기 제2파워디바이스층은 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형전력모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1파워디바이스 및 상기 제2파워디바이스는 병렬연결된 것을 특징으로 하는 소형전력모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1기판 측면 및 상기 제2기판 측면에 열적으로 접촉하는 방열기판;을 더 포함하는 소형전력모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1하부 회로배선층 하부 및 상기 제2파워디바이스층 상부 중 적어도 어느 하나에 하부회로배선층, 절연층, 상부회로배선층을 포함하는 기판 및 기판 상의 파워디바이스를 하나 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형전력모듈.
  6. 제1하부 회로배선층, 제1절연층 및 제1상부 회로배선층을 순차 적층하여 제1기판을 형성하는 단계;
    상기 제1기판 상에 적어도 하나의 제1파워디바이스를 적층하는 단계;
    상기 제1파워디바이스 상에 제2하부 회로배선층, 제2절연층 및 제2상부 회로배선층을 순차 적층하여 제2기판을 형성하는 단계; 및
    상기 제2기판 상에 적어도 하나의 제2파워디바이스를 적층하는 단계;를 포함하는 복수의 파워디바이스가 적층된 소형전력모듈 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112490232A (zh) * 2020-12-11 2021-03-12 广东汇芯半导体有限公司 智能功率模块和智能功率模块的制造方法

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