KR20180069943A - 양면냉각 파워모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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전우용
박성원
이현구
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현대자동차주식회사
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Abstract

상부기판; 상면으로부터 상방으로 돌출된 테두리부가 상기 상부기판의 하면에 접합된 스페이서; 및 상기 상부기판의 하면, 상기 테두리부 및 상기 테두리부에 의해 둘러싸인 상기 스페이서의 상면으로 구획된 내부공간에 충진된 상부솔더;를 포함하는 양면냉각 파워모듈이 소개된다.

Description

양면냉각 파워모듈 및 그 제조방법 {DUAL SIDE COOLING POWER MODULE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 스페이서의 가장자리를 상부기판에 용접을 통해 접합하되 가장자리로 둘러진 부분은 솔더링 접합된 양면냉각 파워모듈에 관한 것이다.
HEV 및 EV용 인버터의 파워모듈 중 양방향 열 방출을 도모하여 성능을 향상하기 위해 양면냉각 파워모듈 구조를 택하고 있다. 양면냉각 파워모듈은 향상된 열방출 능력으로 인버터 사이즈 축소에 기여하고 있다. 양면냉각 파워모듈에서 시그널측은 공정이 용이하고, 값이 저렴한 본딩와이어에 의해 연결이 되고 있다.
다만, 본딩와이어의 연결을 위한 공간확보를 위해 스페이서 부품이 들어가게 되고 스페이서는 상부의 회로 및 열방출부와 솔더링으로 연결이 되어 공정도 복잡하고 신뢰성 측면에서도 불리한 구조가 된다.
이에 따라 상기와 같은 공정 복잡성 및 신뢰성 문제 해결을 위한 양면냉각 파워모듈을 제안하기로 한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2016-0050282호
본 발명은 스페이서의 가장자리를 상부기판에 용접을 통해 접합하되 가장자리로 둘러진 부분은 솔더링 접합된 양면냉각 파워모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈은 상부기판; 상면으로부터 상방으로 돌출된 테두리부가 상기 상부기판의 하면에 접합된 스페이서; 및 상기 상부기판의 하면, 상기 테두리부 및 상기 테두리부에 의해 둘러싸인 상기 스페이서의 상면으로 구획된 내부공간에 충진된 상부솔더;를 포함한다.
상기 테두리부는 상기 상부기판의 하면에 용접 접합되고, 상기 테두리부에 의해 둘러싸인 상기 스페이서의 상면인 중앙부는 상기 상부솔더를 매개로 상기 상부기판의 하면에 솔더링 접합될 수 있다.
상기 스페이서의 하면에 제1하부솔더를 매개로 솔더링 접합된 반도체칩; 및
상기 반도체칩과 제2하부솔더를 매개로 솔더링 접합된 하부기판;을 더 포함할 수 있다.
상기 내부공간이 복수의 공간으로 분할되도록 상기 가운데부로부터 상방으로 돌출된 분할부가 형성되고, 분할된 복수의 공간에는 각각 상기 상부솔더가 충진될 수 있다.
상기 스페이서의 상면은 가로길이와 세로길이로 규정되고, 상기 중앙부의 가로길이 및 세로길이는 상기 테두리부의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈 제조방법은 상면으로부터 상방으로 돌출된 형태의 테두리부가 마련된 스페이서에서 상기 테두리부에 의해 둘러싸인 공간에 솔더를 충진하는 충진단계; 및 상부기판의 하면에 상기 테두리부를 용접 접합하되, 용접 과정에서 발생되는 열에 의해 상기 솔더가 용융되어 상부기판의 하면에 솔더링 접합되는 제1접합단계;를 포함한다.
상기 접합단계 이후에는 상기 스페이서와 반도체칩, 상기 반도체칩과 하부기판을 각각 솔더링 접합하는 제2접합단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈에 따르면 상부기판과 스페이서의 용접 접합 이후 스페이서와 반도체칩, 반도체칩과 하부기판을 연결하는 솔더링 공정이 수행될 때 솔더의 재용융이 이루어진다 해도 스페이서 상면의 가장자리가 상부기판과 용접에 의한 접합이 이루어져 있으므로 부품들의 위치가 틀어지는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 접합품질 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양면냉각 파워모듈의 단면의 모습을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양면냉각 파워모듈의 단면의 모습을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상부기판과 하부기판 사이에 스페이서 및 반도체칩이 솔더링 접합된 모습의 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스페이서의 상면을 바라본 모습을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스페이서의 상면을 바라본 모습을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1 및 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈은 상부기판(100); 상면으로부터 상방으로 돌출된 테두리가 상기 상부기판(100)의 하면에 접합된 스페이서(200); 및 상기 상부기판(100)의 하면, 상기 테두리 및 상기 테두리에 의해 둘러싸인 상기 스페이서(200)의 상면으로 구획된 내부공간에 충진된 상부솔더(300);를 포함한다.
본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈은 HEV 및 EV용 인버터의 파워모듈로서 양방향으로 열방출을 도모하여 성능을 향상시키는 구조이다. 상부기판(100)은 그 하면이 하부기판(500)의 상면과 서로 마주하도록 배치된다. 구리 또는 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있으며 세라믹기판을 사이에 두고 상면 및 하면에 구리 재질의 세라믹기판이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
양면냉각 파워모듈에서 시그널 측은 공정이 용이하고 값이 저렴한 본딩와이어에 의해 연결된다. 이 경우 공간확보를 위해 스페이서(200)가 연결된다. 상부기판(100)의 하면에 접합되는 스페이서(200)의 상면에서 상면의 가장자리를 차지하는 테두리부(210)가 상방으로 돌출되도록 형성된다. 테두리부(210)가 상방으로 돌출되어 가운데 부분은 상대적으로 하방으로 만입된 형태이다. 이에 따라 테두리부(210)로 둘러진 공간이 형성된다.
상방으로 돌출된 테두리부(210)는 상부기판(100)의 하면에 접합이 이루어진다. 한편, 상부솔더(300)는 테두리부(210)에 의해 둘러진 공간에 충진되고 테두리부(210)와 상부기판(100)의 하면과의 접합에 의해 상부기판(100)의 하면, 테두리부(210)에 의해 둘러싸인 스페이서(200)의 상면 및 테두리부(210)로 내부공간이 구획되고 상부솔더(300)는 이러한 내부공간을 채우도록 자리 잡아 하부기판(500)과 스페이서(200)를 견고하게 연결해준다.
바람직하게는 상기 테두리부(210)는 상기 상부기판(100)의 하면에 용접 접합되고, 상기 테두리부(210)에 의해 둘러싸인 상기 스페이서(200)의 상면인 중앙부(220)는 상기 상부솔더(300)를 매개로 상기 상부기판(100)의 하면에 솔더링 접합될 수 있다.
상방으로 돌출된 테두리부(210)에서 테두리부(210)의 상면은 상부기판(100)의 하면과 접하며 접촉된 접합면을 따라 레이저 용접이 수행됨으로써 상부기판(100)의 하면과 스페이서(200)의 상면 중 테두리부(210)가 용접 접합된다.
이와 같이 레이저 용접에 의해 용접이 이루어지는 과정에서 발생되는 열에 의해 내부공간에 충진되어 있던 상부솔더(300)의 용융이 이루어지게 되고 이에 따라 테두리부(210)에 의해 둘러싸인 스페이서(200)의 상면인 중앙부(220)의 상면과 이에 대응되는 상부솔더(300)의 하면은 솔더링 접합이 이루어진다.
도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 바람직하게는 상기 스페이서(200)의 하면에 제1하부솔더(10)를 매개로 솔더링 접합된 반도체칩(400); 및 상기 반도체칩(400)과 제2하부솔더(20)를 매개로 솔더링 접합된 하부기판(500);을 더 포함할 수 있다.
반도체칩(400)의 상부는 스페이서(200)의 하면에 연결되며 제1하부솔더(10)를 매개로 연결되어 스페이서(200)와 솔더링 접합된다. 하부기판(500)의 상면은 반도체칩(400)의 하부와 연결되며 제2하부솔더(20)를 매개로 반도체칩(400)과 솔더링 접합된다. 이로써 상부기판(100)과 하부기판(500) 사이에 스페이서(200)와 반도체칩(400)이 배치되도록 연결된다. 하부기판(500)은 구리 또는 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있으며 세라믹기판을 사이에 두고 상면 및 하면에 구리 재질의 세라믹기판이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
상부기판(100)과 스페이서(200)의 레이저에 의한 용접 접합 이후 스페이서(200)와 반도체칩(400), 반도체칩(400)과 하부기판(500)을 연결하는 솔더링 공정이 수행될 때 상부솔더(300)의 재용융이 이루어진다 해도 테두리부(210)가 상부기판(100)과 레이저 용접에 의한 접합이 이루어져 있으므로 부품들의 위치가 틀어지는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 접합품질 저하를 방지할 수 있다.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 내부공간이 복수의 공간으로 분할되도록 상기 가운데부로부터 상방으로 돌출된 분할부(230)가 형성되고, 분할된 복수의 공간에는 각각 상기 상부솔더(300)가 충진될 수 있다.
분할부(230)는 상부기판(100)의 하면, 테두리부(210) 및 테두리부(210)에 의해 둘러싸인 스페이서(200)의 상면으로 구획된 내부공간을 복수의 공간으로 분할시키는 역할을 수행한다. 바람직하게는 테두리부(210)는 한 쌍의 가로축을 담당하는 가로부재와 가로부재의 양단을 연결하고 한 쌍의 세로축을 담당하는 세로부재로 구분될 때 분할부(230)는 가로부재를 연결하는 제1분할부재와 세로부재를 연결하며 제1분할부재와 교차되는 제2분할부재로 구분될 수 있다.
이에 따라 내부공간은 네개의 공간으로 분할되며 각각의 공간에는 상부솔더(300)가 충진될 수 있으며 테두리부(210)에 레이저 용접이 가해질 경우 네 개의 공간에 있던 각각의 상부솔더(300)는 용융되며 이로써 상부기판(100)과 솔더링 접합이 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 스페이서(200)의 상면은 가로길이와 세로길이로 규정되고, 상기 중앙부(220)의 가로길이 및 세로길이는 상기 테두리부(210)의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
스페이서(200)의 상면 형태가 사각형에 가까운 형태로 이루어질 경우 스페이서(200)의 상면은 가로길이와 세로길이로 규정될 수 있다. 테두리부(210)의 경우 일정한 폭을 가지고 스페이서(200)의 가장자리를 따라 형성된다. 여기서 폭이란 상방에서 스페이서(200) 상면을 바라볼 때를 기준으로 상면의 최외곽으로부터 내측 방향으로 형성된 길이를 의미할 수 있다.
이렇게 형성된 테두리의 폭은 중앙부(220)의 가로길이 및 세로길이보다 짧은 길이를 갖는다. 테두리의 폭이 더 길 경우 레이저 용접을 가해질 때 미용접부위가 발생될 수 있으며 상부솔더(300)로 용접에 의한 열이 제대로 전도되지 않아 상부솔더(300)에 의한 솔더링 접합이 원활하게 이루어지지 않는 현상을 방지하기 위함이다.
이를테면, 도 4의 경우 테두리부(210)의 폭(W)이 중앙부(220)의 가로길이(L1) 및 세로길이(L2)보다 짧을 수 있다. 도 5의 경우 분할부(230)에 의해 분할된 중앙부(220)를 기준으로 테두리부(210)의 폭(W)이 분할된 중앙부(220)의 가로길이(P1) 및 세로길이(P2)보다 짧을 수 있다.
본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈 제조방법은 상면으로부터 상방으로 돌출된 형태의 테두리부(210)가 마련된 스페이서(200)에서 상기 테두리부(210)에 의해 둘러싸인 공간에 솔더를 충진하는 충진단계; 및 상부기판(100)의 하면에 상기 테두리부(210)를 용접 접합하되, 용접 과정에서 발생되는 열에 의해 상기 솔더가 용융되어 상부기판(100)의 하면에 솔더링 접합되는 제1접합단계;를 포함한다.
상부기판(100)의 하면에 접합되는 스페이서(200)의 상면에서 상면의 가장자리를 차지하는 테두리부(210)가 상방으로 돌출되도록 형성된다. 테두리부(210)가 상방으로 돌출되어 가운데부분은 상대적으로 하방으로 만입된 형태이다. 이에 따라 테두리부(210)로 둘러진 공간이 형성된다. 충진단계에서는 이와 같은 공간에 솔더를 충진한다.
충진단계를 통해 테두리에 형성된 공간에 솔더가 충진되면 스페이서(200)를 하부기판(500)에 접합시키는 제1접합단계가 수행된다. 제1접합단계에서는 상부기판(100)에 스페이서(200)의 테두리부(210)가 맞닿게 되도록 연결한 다음 테두리부(210)를 따라 레이저 용접을 가하여 접합시킨다. 이와 같이 레이저를 통해 용접이 이루어지는 과정에서 발생되는 열에 의해 내부공간에 충진되어 있던 솔더의 용융이 이루어지게 되고 이에 따라 테두리부(210)에 의해 둘러싸인 스페이서(200)의 상면인 중앙부(220)의 상면과 이에 대응되는 솔더의 하면은 솔더링 접합이 이루어진다.
바람직하게는 본 발명에 따른 양면냉각 파워모듈 제조방법에서 상기 접합단계 이후에는 상기 스페이서(200)와 반도체칩(400), 상기 반도체칩(400)과 하부기판(500)을 각각 솔더링 접합하는 제2접합단계;가 더 포함될 수 있다.
제1접합단계 이후에 수행되는 제2접합단계에서는 솔더를 이용하여 스페이서(200)와 반도체칩(400)을 솔더링 접합시키고 반도체칩(400)과 하부기판(500)을 솔더링 접합시킨다. 이에 따라 상부기판(100)과 하부기판(500) 사이에 스페이서(200)와 반도체칩(400)이 배치되도록 연결된다.
따라서 기존의 경우와는 달리 레이저 용접을 통해 상부기판(100)과 스페이서(200)를 접합시켜 놓고 스페이서(200)와 반도체칩(400), 반도체칩(400)과 하부기판(500)을 솔더링 접합시키는 과정이 한번의 공정으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 공정이 단순화될 수 있으며 기존보다 솔더링 접합부가 확연하게 줄어들어 신뢰성 확보에 유리한 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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 : 제1하부솔더 20 : 제2하부솔더
100 : 상부기판 200 : 스페이서
210 : 테두리부 220 : 중앙부
300 : 상부솔더 400 : 반도체칩
500 : 하부기판

Claims (7)

  1. 상부기판;
    상면으로부터 상방으로 돌출된 테두리부가 상기 상부기판의 하면에 접합된 스페이서; 및
    상기 상부기판의 하면, 상기 테두리부 및 상기 테두리부에 의해 둘러싸인 상기 스페이서의 상면으로 구획된 내부공간에 충진된 상부솔더;를 포함하는 양면냉각 파워모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 테두리부는 상기 상부기판의 하면에 용접 접합되고,
    상기 테두리부에 의해 둘러싸인 상기 스페이서의 상면인 중앙부는 상기 상부솔더를 매개로 상기 상부기판의 하면에 솔더링 접합되는 것을 특징으로 하는 양면냉각 파워모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스페이서의 하면에 제1하부솔더를 매개로 솔더링 접합된 반도체칩; 및
    상기 반도체칩과 제2하부솔더를 매개로 솔더링 접합된 하부기판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면냉각 파워모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부공간이 복수의 공간으로 분할되도록 상기 가운데부로부터 상방으로 돌출된 분할부가 형성되고,
    분할된 복수의 공간에는 각각 상기 상부솔더가 충진된 것을 특징으로 하는 양면냉각 파워모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스페이서의 상면은 가로길이와 세로길이로 규정되고,
    상기 중앙부의 가로길이 및 세로길이는 상기 테두리부의 폭보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 양면냉각 파워모듈.
  6. 상면으로부터 상방으로 돌출된 형태의 테두리부가 마련된 스페이서에서 상기 테두리부에 의해 둘러싸인 공간에 솔더를 충진하는 충진단계; 및
    상부기판의 하면에 상기 테두리부를 용접 접합하되, 용접 과정에서 발생되는 열에 의해 상기 솔더가 용융되어 상부기판의 하면에 솔더링 접합되는 제1접합단계;를 포함하는 양면냉각 파워모듈 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 접합단계 이후에는,
    상기 스페이서와 반도체칩, 상기 반도체칩과 하부기판을 각각 솔더링 접합하는 제2접합단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면냉각 파워모듈 제조방법.

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