KR20180031502A - 파워 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전력 변환용 칩에서 발생하는 열을 더욱 효과적으로 배출할 수 있는 방열부재의 접합 구조를 갖는 파워 모듈 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 파워 모듈은, 기판; 상기 기판의 일면에 배치된 전력 변환용 칩; 및 상기 기판의 타면에 접합되는 방열 부재를 포함하며, 상기 방열 부재는 상기 기판의 타면에 접촉하는 접촉면을 갖되, 상기 접촉면의 일부 영역에서 상기 기판의 타면과 융착된 융착 영역을 가질 수 있다.

Description

파워 모듈 및 그 제조 방법{POWER MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 파워 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 변환용 칩에서 발생하는 열을 더욱 효과적으로 배출할 수 있는 방열부재의 접합 구조를 갖는 파워 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 핵심 부품 중 하나인 전력 변환 장치(예를 들어, 인버터)는 친환경 차량의 주요 부품으로 많은 기술 개발이 이루어지고 있으며, 전력 변환 장치의 핵심 부품이자 가장 많은 원가를 차지하는 파워모듈의 개발은 친환경 차량 분야의 핵심 기술이다.
파워모듈의 주요 핵심 기술개발 포인트는 원가절감 및 냉각성능 향상이다. 파워모듈의 냉각성능이 향상되면, 현재 사용하고 있는 전력 반도체 소자의 정격 전류를 떨어뜨릴 수 있고, 칩 사이즈의 크기를 줄일 수 있기 때문에 칩의 가격절감 및 파워모듈의 안정적인 운영이 가능하다.
따라서, 파워 모듈의 냉각성능 향상을 위한 기술 개발이 활발히 진행 되고 있으며, 양면냉각, 단면냉각, 효율적인 냉각기의 형상 및 접합에 관한 기술 개발이 주로 이루어 지고 있다.
종래에 알려진 파워 모듈 냉각 기술로서 히트 스프레더 역할을 하는 베이스 플레이트를 기판에 솔더링 접합하는 방식과 기판에 TIM(Thermal Interface Material, 주로 Thermal grease)를 이용하여 냉각부재를 접촉시키는 구조가 있다.
솔더링을 이용하여 기판에 베이스 플레이트를 접합하는 종래 방식은, 솔더링 시 베이스 플레이트가 휘어짐에 따라 평면도 관리가 곤란하다. 따라서, 베이스 플레이트의 두께를 감소시키는데 한계가 있어 방열 효과를 향상시키는데 제한을 받는다.
또한, TIM을 사용하는 종래 방식은, TIM의 열저항이 대략 1 내지 6 W/mK로 크기 때문에 파워 모듈 전체의 열저항을 상승시켜 방열이 원활하게 이루어지지 못하는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2015-0119302 A KR 10-2015-0108363 A
이에 본 발명은, 전력 변환용 칩에서 발생하는 열을 더욱 효과적으로 배출할 수 있는 방열부재의 접합 구조를 갖는 파워 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
기판;
상기 기판의 일면에 배치된 전력 변환용 칩; 및
상기 기판의 타면에 접합되는 방열 부재를 포함하며,
상기 방열 부재는 상기 기판의 타면에 접촉하는 접촉면을 갖되, 상기 접촉면의 일부 영역에서 상기 기판의 타면과 융착된 융착 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기판은 유전체층과 상기 유전체층의 양면에 각각 형성된 제1 및 제2 금속층을 포함하며, 상기 제1 금속층의 일면에 상기 전력 변환용 칩이 배치되며, 상기 제2 금속층의 일면에 상기 방열 부재가 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 융착 영역은 매시 패턴을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방열부재는 상기 접촉면을 형성하는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상기 접촉면의 반대면에 일정 배열 패턴으로 형성된 방열핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 융착 영역은 상기 방열핀이 형성되지 않는 영역에 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
기판의 일면에 전력 변환용 칩을 부착하는 단계;
상기 기판의 타면에 접촉하도록 방열 부재를 배치하는 단계; 및
상기 방열부재의 상기 기판과 접촉하는 반대면 일부 영역에 레이저빔을 조사하여 상기 방열부재와 상기 기판의 타면을 융착시키는 단계;
를 포함하는 파워 모듈의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기판은 유전체층과 상기 유전체층의 양면에 각각 형성된 제1 및 제2 금속층을 포함하며, 상기 부탁하는 단계는 상기 제1 금속층의 일면에 상기 전력 변환용 칩을 부착하는 단계이며, 상기 융착시키는 단계는 상기 제2 금속층의 일면에 상기 방열 부재를 융착시키는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 융착시키는 단계에서, 상기 레이저빔이 조사되는 영역은 매시 패턴을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방열부재는 상기 기판과 접촉하는 접촉면을 갖는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상기 접촉면의 반대면에 일정 배열 패턴으로 형성된 방열핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 융착하는 단계는, 상기 복수의 방열핀 사이에 상기 레이저빔을 조사하여 상기 방열부재와 상기 기판의 타면을 융착시키는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 융착시키는 단계는, 상기 방열 부재의 열분포를 감안하여 상기 방열 부재의 위치에 따라 상기 레이저빔의 세기 또는 조사 면적 또는 조사 시간을 가변할 수 있다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 파워 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 기판과 방열부재의 접합을 위해 접합면 전면을 솔더링하지 않고서도 충분한 열저항 특성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 솔더링 시 발생하는 방열부재 베이스 플레이트의 휘어짐 현상이 제거될 수 있어, 베이스 플레이트의 두께를 얇게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 상기 파워 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 기판과 방열부재 사이의 접합을 단순한 레이저빔 조사에 의해 형성하므로 단시간에 직접 접합을 형성할 수 있으며, 솔더나 열그리스 등과 같이 별도의 접합재료나 열적 인터페이스를 형성하기 위한 재료를 사용하지 않더라도 양호한 품질의 방열 특성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 융착영역을 설명하기 위한 부분 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 융착영역의 단면을 확대 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈과 종래의 파워 모듈 냉각 기법의 성능을 비교 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 파워 모듈 및 그 제조 방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈은, 기판(10, 20)과, 전력 변환용 칩(30)과, 방열 부재(100, 200)를 포함하여 구성될 수 있다.
특히, 도 1에 도시된 예는 전력 변환용 칩(30)의 상하 양측에 하나씩 기판(10, 20)이 마련되고 하부 기판(10)의 하면에 방열 부재(100)가 배치되며 상부 기판(20)의 상면에 방열 부재(200)가 배치되는 양면 냉각 구조를 갖는다. 또한, 전력 변환용 칩(30)의 하면은 하부 기판(10)에 솔더(S)를 통해 접합되고, 전력 변환용 칩(30)의 상면은 스페이서(40)를 통해 상부 기판(20)의 하면과 접합될 수 있다. 여기서, 전력 변환용 칩(30)의 상면은 스페이서(40)와 솔더(S)를 통해 접합될 수 있다.
기판(10, 20)은 전력 변환용 칩(30)를 배치하고 상하부의 양면 냉각 구조를 형성하기 위한 기재가 되는 것으로, 본 발명의 일 실시형태에서, 기판(10, 20)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판 또는 DBC(Direct Bonded Copper) 또는 DBA(Direct Bonded aluminum) 기판 등이 적용될 수 있다.
이러한 기판(10, 20), 즉 AMB(Active Metal Brazing) 기판 또는 DBC(Direct Bonded Copper) 또는 DBA(Direct Bonded aluminum) 기판은, 유전체 성분(예를 들어, 세라믹 또는 FRP 등)을 갖는 유전체층(11, 21)의 양면에 각각 금속 재질의 금속층(12, 13, 22, 23)를 접합하여 제조되는 것으로, 금속층(12, 22)는 전력 변환용 칩(30)과 전기적인 접속을 형성하는 전극으로 채용될 수 있으며, 금속층 (13, 23)은 방열부재(100, 200)과의 접촉을 형성하는 요소로 적용될 수 있다.
전력 변환용 칩(30)은 기판(10, 20)의 사이에 배치되어 전력 변환을 위한 전기적 흐름을 생성하기 위한 전기 소자로서 반도체 공정 등을 통해 제작될 수 있다. 예를 들어, 전력 변환용 칩(30)은 스위칭 소자인 MOSFET 또는 IGBT나, 스위칭 소자에 연결되는 다이오드 등을 포함할 수 있다. 이러한 전력 변환용 칩(30)은 매우 빠른 주기로 스위칭 동작이 이루어지고 그에 따라 전류의 흐름이 빈번하게 단속되므로 많은 양의 열을 발생시킨다.
전력 변환용 칩(30)은 상하부에 전기적 연결을 위한 단자가 형성될 수 있으며, 도 1의 예에서 전력 변환용 칩(30)의 하부에 위치한 단자(미도시)는 하부 기판(10)의 상부 금속층(12)와 접속할 수 있고, 전력 변환용 칩(30)의 상부에 위치한 단자는 도시하지는 않았지만 와이어 등을 통해 별도로 마련된 리드 등에 접속될 수 있다.
도 1에 도시된 예는 전력 변환용 칩(30)의 양측에 모두 기판(10, 20)이 마련되고 기판(10, 20) 외부면에 방열부재(100, 200)이 배치된 양면 접합 구조를 도시하고 있으나, 본 발명의 다른 예로 전력 변환용 칩(30)의 일 측에만 기판이 마련된 단면 냉각구조도 포함될 수 있다.
방열부재(100, 200)는 전력 변환용 칩(30)에서 방출되는 열을 파워 모듈의 외부로 방출하기 위한 요소로서, 열 전도도가 우수한 금속 재질(예를 들어, Ag, Cu, Au, Al, Mg, W 등 또는 그 합금)로 제작될 수 있다. 방열부재(100, 200)는 기판(10, 20)의 금속층(13, 23)과 접촉면을 형성하는 판 형상의 베이스 플레이트(110, 210)와 베이스 플레이트(110, 210)로부터 돌출된 다수의 방열핀(120, 220)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태에서, 방열부재(100, 200)는 레이저 용접 기법을 적용하여 기판(10, 20)의 금속층(13, 23)와 접합된다. 이에 따라, 방열부재(100, 200)와 기판의 금속층(13, 23)는 금속의 융착에 의해 상호 접합되며, 레이저빔(310)이 조사된 부분에는 융착 영역(L)이 형성된다.
도 1에서는 레이저 조사 장치(300)가 상부의 방열부재(200)의 상부에서 레이저빔(310)을 조사하는 것으로 기재하고 있으나, 하부의 방열부재(100) 하부에서도 레이저빔의 조사가 이루어져 하부의 방열부재(100)와 하부 기판(10)의 금속층(13) 역시 상호 접합될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 융착영역을 설명하기 위한 부분 평면도이다. 즉, 도 2는 하부 방열부재(100)의 하면 또는 상부 방열부재(200)의 상면을 도시한 평면도이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 방열부재(100, 200)와 기판의 금속층(13, 23) 사이의 접합을 형성하기 위해 레이저빔이 조사되는 영역(L)은 일정한 매시 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 방열부재(100, 200)와 기판의 금속층(13, 23) 사이의 접합을 위해 레이저빔이 방열부재(100, 200)의 베이스 플레이트(110, 210) 상에 일정한 매시 패턴에 따라 조사될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 방열핀(120, 220)은 베이스 플레이트(110, 210) 상에 일정한 배열 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 레이저빔은 베이스 플레이트(110, 210) 상의 방열핀(120, 220)이 형성되지 않은 영역에 조사됨으로써 레이저 조사 영역(L)이 일정한 매시 패턴을 가질 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 융착영역의 단면을 확대 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 3에 의하면, 방열핀(120, 220) 사이의 베이스 플레이트(110, 210)의 영역에 레이저빔이 조사됨으로써 레이저빔이 조사된 영역의 상부에는 베이스 플레이트(110, 210)가 용융된 영역(A)이 형성되고, 이 용융된 영역(A)의 상부에서 베이스 플레이트(110, 210)는 기판의 금속층과 융착이 이루어진 영역(L)이 형성됨을 확인할 수 있다.
도 3에서 방열부재(100, 200)을 구성하는 물질은 Al이고 기판의 금속층의 재질은 Cu이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈과 종래의 파워모듈 냉각 기법의 성능을 비교 도시한 그래프이다.
도 4에서 참조부호 'P1'은 기판(10, 20)과 방열부재(100, 200) 사이에 열그리스(thermal grease)를 부가하여 접촉시킨 종래의 기법을 적용한 경우 측정된 열저항을 나타내며, 'P2' 내지 'P4'는 기판(10, 20)과 방열부재(100, 200) 사이의 접촉면 전면을 솔더링하는 종래의 기법을 적용한 경우 측정된 열저항을 나타내며, 'V1' 및 'V2'는 본 발명의 일 실시형태에 따라 기판(10, 20)과 방열부재(100, 200) 간 접촉면의 일부 영역에 레이저빔을 조사하여 융착영역을 형성한 경우 측정된 열저항을 나타낸다. 또한, 도 4에서 세로축은 열저항을 나타낸 것으로 그 단위는 'K/W'이고, 가로축은 냉각수 유량을 나타낸 것으로 단위는 'L/min'이다.
도 4에 나타난 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따라 레이저 용접을 통해 기판(10, 20)과 방열부재(100, 200) 간 접합을 형성한 구조는, 열그리스(thermal grease)를 이용하여 접촉을 형성한 종래 기술에 비해 매우 낮은(거의 1/2) 열저항을 나타내었으며, 특히 접촉면 전면을 솔더링을 통해 접합한 것과 거의 동등한 수준의 열저항을 나타내었다.
이와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈은 기판과 방열부재의 접합을 위해 접합면 전면을 솔더링하지 않고서도 충분한 열저항 특성을 확보할 수 있으므로, 솔더링 시 발생하는 방열부재 베이스 플레이트의 휘어짐에 의한 평면도 관리 곤란의 문제를 해소할 수 있으며 이에 따라 베이스 플레이트의 두께를 얇게 형성할 수 있게 되어 고방열화가 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈은 기판과 방열부재 사이의 접합을 단순한 레이저빔 조사에 의해 형성하므로 단시간에 직접 접합을 형성할 수 있으며, 솔더나 열그리스 등과 같이 별도의 접합재료나 열적 인터페이스를 형성하기 위한 재료를 사용하지 않더라도 양호한 품질의 방열 특성을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태는 전술한 것과 같은 파워 모듈의 제조 방법도 제공한다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈의 제조 방법은, 기판(10, 20)의 일면에 전력 변환용 칩(30)을 부착하는 단계와 기판(10, 20)의 타면에 접촉하도록 방열 부재(100, 200)를 배치하는 단계 및 방열부재(100, 200)의 기판(10, 20)과 접촉하는 반대면 일부 영역에 레이저빔(310)을 조사하여 방열부재(100, 200)와 기판(10, 20)의 타면을 융착시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 융착시키는 단계에서는 레이저빔이 방열부재(100, 200)의 베이스 플레이트(110, 210) 상에 매시 패턴을 갖도록 조사될 수 있다. 특히, 베이스 플레이트(110, 210)의 접촉면의 반대면에 일정 배열 패턴으로 형성된 방열핀(120, 220)이 일정 배열 패턴으로 형성된 경우, 융착하는 단계에서는 복수의 방열핀(120, 220) 사이 해당하는 베이스 플레이트(110, 210)의 영역에 레이저빔을 조사하여 방열부재(100, 200)와 기판(10, 20)의 타면을 융착시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에서는, 레이저 용접을 위해 레이저 빔을 조사하는 과정에서 레이저 빔의 조사 밀도를 조절하여 베이스 플레이트(110, 210)의 여러 영역에서 용접 밀도를 상이하게 결정할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서는, 도 2에 도시된 예와 같은 패턴을 갖는 레이저 빔 조사 영역(L)에 레이저 빔을 조사하되, 열분포가 높은 영역(예를 들어, 전력 변환용 칩(30)의 직하부 또는 직상부)에는 용접밀도가 높게 형성되도록 레이저 빔의 세기 또는 조사 면적 또는 조사 시간을 증가시킬 수 있으며, 열분포가 낮은 영역(예를 들어, 베이스 플레이트(110, 210)의 외곽 영역)에는 용접밀도가 낮게 형성되도록 레이저 빔의 세기 또는 조사 면적 또는 조사 시간을 감소시킬 수 있다. 레이저 빔의 조사 밀도는
이러한, 용접밀도 가변을 통해, 본 발명의 일 실시형태는 상호 융착되는 베이스 플레이트(110, 210)와 기판(10, 20)의 금속판(13, 23)의 열팽창 계수 차이에 의한 열응력을 완화시킬 수 있으며, 공정적인 측면에서도 합리화를 달성할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10, 20: 기판 30: 전력 변환용 칩
100, 200: 방열부재 110, 210: 베이스 플레이트
120, 130: 방열핀 L: 융착영역

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면에 배치된 전력 변환용 칩; 및
    상기 기판의 타면에 접합되는 방열 부재를 포함하며,
    상기 방열 부재는 상기 기판의 타면에 접촉하는 접촉면을 갖되, 상기 접촉면의 일부 영역에서 상기 기판의 타면과 융착된 융착 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 유전체층과 상기 유전체층의 양면에 각각 형성된 제1 및 제2 금속층을 포함하며, 상기 제1 금속층의 일면에 상기 전력 변환용 칩이 배치되며, 상기 제2 금속층의 일면에 상기 방열 부재가 접합되는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 융착 영역은 매시 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열부재는 상기 접촉면을 형성하는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상기 접촉면의 반대면에 일정 배열 패턴으로 형성된 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 융착 영역은 상기 방열핀이 형성되지 않는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  6. 기판의 일면에 전력 변환용 칩을 부착하는 단계;
    상기 기판의 타면에 접촉하도록 방열 부재를 배치하는 단계; 및
    상기 방열부재의 상기 기판과 접촉하는 반대면 일부 영역에 레이저빔을 조사하여 상기 방열부재와 상기 기판의 타면을 융착시키는 단계;
    를 포함하는 파워 모듈의 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판은 유전체층과 상기 유전체층의 양면에 각각 형성된 제1 및 제2 금속층을 포함하며,
    상기 부탁하는 단계는 상기 제1 금속층의 일면에 상기 전력 변환용 칩을 부착하는 단계이며, 상기 융착시키는 단계는 상기 제2 금속층의 일면에 상기 방열 부재를 융착시키는 단계인 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 융착시키는 단계에서, 상기 레이저빔이 조사되는 영역은 매시 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 방열부재는 상기 기판과 접촉하는 접촉면을 갖는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상기 접촉면의 반대면에 일정 배열 패턴으로 형성된 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 융착하는 단계는,
    상기 복수의 방열핀 사이에 상기 레이저빔을 조사하여 상기 방열부재와 상기 기판의 타면을 융착시키는 단계인 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 융착시키는 단계는, 상기 방열 부재의 열분포를 감안하여 상기 방열 부재의 위치에 따라 상기 레이저빔의 세기 또는 조사 면적 또는 조사 시간을 가변하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
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