KR20200069017A - 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20200069017A KR1020180156086A KR20180156086A KR20200069017A KR 20200069017 A KR20200069017 A KR 20200069017A KR 1020180156086 A KR1020180156086 A KR 1020180156086A KR 20180156086 A KR20180156086 A KR 20180156086A KR 20200069017 A KR20200069017 A KR 20200069017A
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Abstract

본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈 제조방법은 (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계; (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈의 제1 스페이서 및 제2 스페이서 사이에 접합재를 삽입한 후 가열 공정을 거쳐 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈을 결합하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조 방법{POWER MODULE OF DOUBLE-FACED COOLING AND METHOD OF PRODUCINTG THEREOF}
본 발명은 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스페이서를 분할하여 양면 냉각형 파워모듈을 제조함으로써 양면 냉각형 파워모듈의 제조 시 기울어짐이 발생하는 것을 방지할 수 있는 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 양면냉각형 파워모듈의 경우 상/하부기판의 전기적/물리적인 통로를 확보하기 위하여 반도체 소자가 위치한 부분 외에 별도의 스페이서라는 부품을 탑재하여야 한다. 여기서, 스페이서는 반도체 소자와 함께 접합재(솔더)를 삽입한 후 가열 공정(솔더링 공정)을 통하여 상부기판 및 하부기판 간의 전기적/물리적 연결상태를 획득하도록 하는 부품이다.
한편, 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래에 솔더링 공정을 통해 상부기판 및 하부기판의 연결을 수행하는 과정 중에 각 부자재의 열팽창계수 차이에 의한 상/하부기판 변형(DBC기판) 등이 유발되며, 상대적으로 치수가 작고 무게가 스페이서의 경우에는 상기 기판의 휨과 용융된 접합재(솔더)의 표면장력에 의하여 쉽게 기울어지게 된다.
이렇게 야기된 기울어짐은 파워모듈 제작 후속공정인 몰딩 공정 시 금형이 닫힐 때 부분적인 충격을 받아 상/하부기판에 손상을 유발하며, 모듈 자체의 내구성에 큰 영향을 미치게 된다. 아울러, 또한 이러한 현상을 억제하기 위하여 스페이서의 크기를 키우게 되면 전체적인 타부자재의 치수가 커지며, 원가상승으로 이어지게 되는 문제점이 있다.
KR 10-2018-0069943
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 스페이서를 분할하여 양면 냉각형 파워모듈을 제조함으로써 양면 냉각형 파워모듈의 제조 시 기울어짐이 발생하는 것을 방지할 수 있는 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2개 이상의 반도체칩을 포함하는 하부기판 및 상기 하부기판 위에 접합재를 매개로 접합된 제1 스페이서를 포함하는 하부 모듈; 및 상부기판 및 상기 상부기판 위에 접합재를 매개로 접합된 제2 스페이서를 포함하는 상부 모듈;을 포함하며, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 적층방향에서 바라볼 때 상기 반도체칩 사이에 위치하고, 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈은 상기 하부 모듈의 제1 스페이서 및 상기 상부 모듈의 제2 스페이서 사이에 삽입된 접합재를 매개로 결합될 수 있다.
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서의 높이는 사전 설정된 높이보다 낮을 수 있다.
상기 접합재, 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 열전달이 가능한 도전성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서의 폭 및 길이는 상기 반도체칩의 폭 및 길이보다 작을 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈 제조방법은 (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계; (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈의 제1 스페이서 및 제2 스페이서 사이에 접합재를 삽입한 후 가열 공정을 거쳐 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈을 결합하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 단계 (1) 이전에, 상기 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 반도체 칩을 적층한 후 가열 공정을 거쳐 상기 반도체칩을 하부기판에 접합시키는 단계; 및 상기 반도체 칩 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 칩 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 칩 스페이서를 접합시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈 제조방법은 (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계; (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계; (3) 상기 상부모듈의 제2 스페이서 위에 접합재를 삽입한 후 가열 공정을 거쳐 상기 상부모듈에 접합재를 접합하는 단계; 및 (4) 상기 하부 모듈의 제1 스페이서와 상기 상부 모듈의 접합재면을 맞닿게 한 후, 가열공정을 거쳐 상기 하부 모듈과 상기 상부 모듈을 결합하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조방법에 따르면, 스페이서를 분할하여 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 만듦으로써, 각 스페이서의 높이를 낮출 수 있고, 그에 따라 각 기판과 각 스페이서 사이에 삽입된 접합재의 표면장력과 상/하부기판의 휨에 의해 스페이서가 기울어지더라도 양면 냉각형 파워모듈의 평탄도에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 아울러, 후속공정인 몰딩공정 시에 상/하부 기판의 휨으로 인해 발생하는 기판의 손상도 방지할 수 있다.
더 나아가, 하부모듈 및 상부모듈 사이에 접합재가 추가로 삽입됨으로써, 해당 접합재가 열응력이 발생할 시 해당 열응력을 완화함으로써 양면 냉각형 파워모듈의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 양면 냉각형 파워모듈의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 평면도이다.
도 4는 도 3의 B-B' 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조방법에 대해 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 평면도이고, 도 4는 도 3의 B-B' 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈을 설명하면, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈은, 하부 모듈(100) 및 상부 모듈(200)을 포함하여 구성될 수 있으며, 하부모듈(100) 및 상부모듈(200)은 하부모듈(100)의 제1 스페이서(120) 및 상부모듈(200)의 제2 스페이서(220) 사이에 삽입된 접합재(300)를 매개로 서로 결합될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈은 하이브리드 차량 및 전기차량용 인버터의 파워모듈로서 양방향으로 열방출을 도모하여 성능을 향상시키는 구조이다.
상부모듈(200)의 상부기판(210)은 그 하면이 하부모듈(100)의 하부기판(110)의 상면과 서로 마주하도록 배치된다. 상부기판(210) 및 하부기판(110)은 구리 또는 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있으며 세라믹기판을 사이에 두고 상면 및 하면에 구리 재질의 세라믹기판이 적층되는 구조로 형성될 수 있다.
구체적으로, 하부 모듈(100)은 2개 이상의 반도체칩을 포함하는 하부기판(110)과 하부기판(110) 위에 접합재(300)를 매개로 접합된 제1 스페이서(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
아울러, 상부 모듈(200)은 상부기판(210) 및 상부기판(210) 위에 접합재(300)를 매개로 접합된 제2 스페이서(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)는 적층방향에서 바라볼 때 반도체칩 사이에 위치할 수 있다. 아울러, 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)의 폭 및 길이는 반도체칩의 폭 및 길이보다 작을 수 있다.
여기서, 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)의 높이는 사전 설정된 높이보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 사전 설정된 높이란 종래에 양면 냉각형 파워모듈에서 상부기판과 하부기판을 물리적/전기적으로 연결시키기 위해 상부기판 및 하부기판 사이에 위치한 스페이서의 높이일 수 있다. 예를 들어, 종래의 양면 냉각형 파워모듈에서 상부기판과 하부기판을 연결시키는 스페이서의 높이가 1이라고 할 때, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈에서의 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)의 높이는 각각 0.5일 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈에서 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)는 종래의 양면 냉각형 파워모듈에서의 스페이서를 2등분하여 분할한 스페이서일 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 스페이서를 분할하여 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)로 만듦으로써, 각 스페이서의 높이를 낮출 수 있고, 그에 따라 각 기판과 각 스페이서 사이에 삽입된 접합재(300의 표면장력과 상/하부기판(110, 210)의 휨에 의해 각 스페이서가 기울어지더라도 양면 냉각형 파워모듈의 평탄도에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 아울러, 후속공정인 몰딩 공정시에 상/하부기판의 휨으로 인해 발생한 기판의 손상도 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에서 하부모듈(100) 및 상부모듈(200)에 포함되는 접합재(300), 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)는 열전달이 가능한 도전성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 하부모듈(100) 및 상부모듈(200)은 하부모듈(100)의 제1 스페이서(120) 및 상부모듈(200)의 제2 스페이서(220) 사이에 삽입된 접합재(300)를 매개로 결합될 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 하부모듈(100)의 제1 스페이서(120) 및 상부모듈(200)의 제2 스페이서(220) 사이에 접합재를 삽입한 후 가열공정을 거쳐 하부모듈(100) 및 상부모듈(200)을 결합시킴으로써, 하부모듈(100)의 제1 스페이서(120) 및 상부모듈(200)의 제2 스페이서(220)가 하부모듈(100) 및 상부모듈(200)을 제조하는 과정에서 기울어져 있다하더라도 접합재(300)가 용융되어 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)의 기울어짐을 보정할 수 있다.
더 나아가, 하부모듈(100) 및 상부모듈(200) 사이에 접합재(300)가 추가로 삽입됨으로써, 해당 접합재(300)가 열응력이 발생할 시 해당 열응력을 완화함으로써 양면 냉각형 파워모듈의 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈은, (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계, (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계, 및 (3) 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈의 제1 스페이서 및 제2 스페이서 사이에 접합재를 삽입한 후 가열 과정을 거쳐 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈을 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 (1) 및 단계 (2)에서, 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)의 높이는 사전 설정된 높이보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 사전 설정된 높이란 종래에 양면 냉각형 파워모듈에서 상부기판과 하부기판을 물리적/전기적으로 연결시키기 위해 상부기판 및 하부기판 사이에 위치한 스페이서의 높이일 수 있다. 예를 들어, 종래의 양면 냉각형 파워모듈에서 상부기판과 하부기판을 연결시키는 스페이서의 높이가 1이라고 할 때, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈에서의 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)의 높이는 각각 0.5일 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법에서, 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)는 종래의 양면 냉각형 파워모듈에서의 스페이서를 2등분하여 분할한 스페이서일 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 스페이서를 분할하여 제1 스페이서(120) 및 제2 스페이서(220)를 만듦으로써, 각 스페이서의 높이를 낮출 수 있고, 그에 따라 각 기판과 각 스페이서 사이에 삽입된 접합재(300의 표면장력과 상/하부 기판(110, 210)의 휨에 의해 스페이서가 기울어지더라도 제조된 양면 냉각형 파워모듈의 평탄도에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 아울러, 후속공정인 몰딩 공정 시에 상/하부 기판의 휨으로 인해 발생한 기판의 손상도 방지할 수 있다.
아울러, 단계 (1) 이전에, 상기 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 반도체 칩을 적층한 후 가열 공정을 거쳐 상기 반도체칩을 하부기판에 접합시키는 단계; 및 상기 반도체 칩 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 칩 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 칩 스페이서 접합시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
더 나아가, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조방법의 순서를 나타내는 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 냉각형 파워모듈의 제조 방법은, (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계, (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계, (3) 상기 상부모듈의 제2 스페이서 위에 접합재를 삽입한 후 가열 공정을 거쳐 상기 상부모듈에 접합재를 접합하는 단계, 및 (4) 상기 하부 모듈의 제1 스페이서와 상기 상부 모듈의 접합재면을 맞닿게 한 후, 가열공정을 거쳐 상기 하부 모듈과 상기 상부 모듈을 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 단계 (1) 이전에, 상기 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 반도체 칩을 적층한 후 가열 공정을 거쳐 상기 반도체칩을 하부기판에 접합시키는 단계, 및 상기 반도체 칩 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 칩 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 칩 스페이서를 접합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 양면 냉각형 파워모듈 및 그 제조방법에 따르면, 스페이서를 분할하여 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 만듦으로써, 각 스페이서의 높이를 낮출 수 있고, 그에 따라 각 기판과 각 스페이서 사이에 삽입된 접합재의 표면장력과 상/하부기판의 휨에 의해 스페이서가 기울어지더라도 양면 냉각형 파워모듈의 평탄도에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 아울러, 후속공정인 몰딩공정 시에 상/하부 기판의 휨으로 인해 발생하는 기판의 손상도 방지할 수 있다.
더 나아가, 하부모듈 및 상부모듈 사이에 접합재가 추가로 삽입됨으로써, 해당 접합재가 열응력이 발생할 시 해당 열응력을 완화함으로써 양면 냉각형 파워모듈의 내구성을 향상시킬 수 있다.
100: 하부모듈 110: 하부기판
120: 제1 스페이서 200: 상부모듈
210: 상부기판 220: 제2 스페이서
300: 접합재

Claims (7)

  1. 2개 이상의 반도체칩을 포함하는 하부기판 및 상기 하부기판 위에 접합재를 매개로 접합된 제1 스페이서를 포함하는 하부 모듈; 및
    상부기판 및 상기 상부기판 위에 접합재를 매개로 접합된 제2 스페이서를 포함하는 상부 모듈;을 포함하며,
    상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 적층방향에서 바라볼 때 상기 반도체칩 사이에 위치하고,
    상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈은 상기 하부 모듈의 제1 스페이서 및 상기 상부 모듈의 제2 스페이서 사이에 삽입된 접합재를 매개로 결합되는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서의 높이는 사전 설정된 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합재, 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 열전달이 가능한 도전성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서의 폭 및 길이는 상기 반도체칩의 폭 및 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워모듈.
  5. (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계;
    (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계; 및
    (3) 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈의 제1 스페이서 및 제2 스페이서 사이에 접합재를 삽입한 후 가열 공정을 거쳐 상기 하부 모듈 및 상기 상부 모듈을 결합하는 단계;를 포함하는 양면 냉각형 파워모듈 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 단계 (1) 이전에, 상기 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 반도체 칩을 적층한 후 가열 공정을 거쳐 상기 반도체칩을 하부기판에 접합시키는 단계; 및
    상기 반도체 칩 위에 접합재를 삽입하고 접합재 위에 칩 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 칩 스페이서를 접합시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워모듈 제조 방법.
  7. (1) 하부기판 위에 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제1 스페이서를 탑재한 후 가열 공정을 거쳐 하부 모듈을 제조하는 단계;
    (2) 상부기판 위에 상기 접합재를 삽입하고 상기 접합재 위에 제2 스페이서를 탑재한후 가열 공정을 거쳐 상부 모듈을 제조하는 단계;
    (3) 상기 상부모듈의 제2 스페이서 위에 접합재를 삽입한 후 가열 공정을 거쳐 상기 상부모듈에 접합재를 접합하는 단계; 및
    (4) 상기 하부 모듈의 제1 스페이서와 상기 상부 모듈의 접합재면을 맞닿게 한 후, 가열공정을 거쳐 상기 하부 모듈과 상기 상부 모듈을 결합하는 단계;를 포함하는 양면 냉각형 파워모듈 제조 방법.
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