KR20210041425A - 다층 접합 전력 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20210041425A KR1020190124142A KR20190124142A KR20210041425A KR 20210041425 A KR20210041425 A KR 20210041425A KR 1020190124142 A KR1020190124142 A KR 1020190124142A KR 20190124142 A KR20190124142 A KR 20190124142A KR 20210041425 A KR20210041425 A KR 20210041425A
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Abstract

본 문서에 개시되는 일 실시 예에 따른 다층 접합 전력 모듈 제조 방법은, 비도전성 플레이트에 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임을 접착하는 동작; 상기 제1 리드 프레임의 상면 및 상기 제1 리드 프레임의 상면에 각기 복수의 하부 접합층들을 도포하는 동작; 상기 제1 리드 프레임의 상면에 제1 스위칭 소자 및 제1 다이오드를 실장하고, 상기 제2 리드 프레임의 상면에 제2 스위칭 소자 및 제2 다이오드를 실장하는 동작; 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제2 다이오드의 상면에 복수의 상부 접합층들을 도포하는 동작; 및 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제1 다이오드의 상면에 제4 리드 프레임을 실장하고, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 다이오드의 상면에 도전성 플레이트를 실장하는 동작을 포함할 수 있다.

Description

다층 접합 전력 모듈 및 그 제조 방법{Power Module Connected by Multi-layer and the Manufacturing Method thereof}
본 문서에서 개시되는 다양한 실시 예들은, 전력 반도체 모듈과 관련된다.
전력 반도체 모듈은 전력 변환을 위한 반도체 소자로서, 직류 또는 교류 전압과 전류를 시스템에서 요구하는 형태(예: 교류, 직류)와 크기의 전압과 전류(이하, "동작 전력"이라 함)로 변환할 수 있다. 전력 반도체 모듈은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated-Gate bipolar Transistor: IGBT), 다이오드, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 사이리스터(thyristor)와 같은 하나 이상의 스위칭 소자들(이하, "전력 반도체 소자"로 언급될 수 있음)이 하나의 베이스 플레이트 위에 집적화된 전력 반도체 제품을 말한다.
전력 반도체 모듈은 전력 생성을 위한 스위칭 과정에서 열이 많이 발생하기 때문에, 열도전성과 열확산성이 좋은 패키징 구조로 설계된다. 예를 들어, 열방출에 유리하도록 반도체 칩을 중심으로 두 개의 DBC 기판들을 대칭 구조로 접합한 구조의 다층 접합 전력 모듈이 개시된 바 있다.
도 1a는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 측면도이고, 도 1b는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 하부 기판과 하부 기판의 상측도이고, 도 1c는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 사시도이다.
도 1a, 1b 및 1c를 참조하면, 다층 접합 전력 모듈(100)은 하부 기판(110)과 상부 기판(120)이 전력 반도체 소자들(130)을 중심으로 서로 대면한다. 하부 기판(110)은 세라믹 모재(111)의 상하에 구리층(112, 113)이 형성된 구조로 이루어지고, 상부 기판(120)은 세라믹 모재(121)의 상하에 구리층(122, 123)이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
리드 프레임(145)은 하부 기판(110)에 접합되고, 하부 기판(110)에 솔더에 의해 접합된 전력 반도체 소자들(135, 137)의 하면과 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 반도체 소자들(135, 137)의 상면은 스페이서(예: 151)에 의하여 상부 기판(120)에 접합되고, 상부 기판(120)의 패턴에 의하여 리드 프레임(141) 및 전력 반도체 소자들(131, 133)의 하면과 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 반도체 소자들(131, 133)의 상부 면은 솔더(165, 166) 및 스페이서(예: 152)에 의해 상부 기판(120)에 접합되고, 상부 기판(120)을 통해 리드 프레임(143)에 접합될 수 있다.
하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이에는 상부 기판(120)과 하부 기판(110) 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서들(151, 153, 155)이 마련된다. 스페이서들(151, 153, 155)은 전력 반도체 소자들(131, 133, 135, 137)과 상부 기판(120) 간의 전기적 연결 또는 상부 기판(120)과 하부 기판(110) 간의 전기적 연결을 보조할 수 있다.
종래의 다중 접합 전력 모듈은 전력 반도체 소자들, 각기 3 층으로 이뤄지는 DBC 기판들 및 복수의 스페이서들을 포함하므로, 총 11 개의 층(layer)의 다층 접합으로 구성되었다. 따라서, 종래의 다중 접합 전력 모듈은 접합 공정이 복잡하고, 자재비가 많이 들 수 있다.
본 문서에 개시되는 다양한 실시 예들은 공정 복잡도 및 자재비를 개선할 수 있는 다층 접합 전력 모듈 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시되는 일 실시 예에 따른 다층 접합 전력 모듈은, 도전성 플레이트; 상기 도전성 플레이트와 일 측에 상기 도전성 플레이트와 나란히 배치되는 제1 리드 프레임; 상기 도전성 플레이트와 제1 방향으로 대면하는 비도전성 플레이트; 상기 도전성 플레이트와 상기 비도전성 플레이트 사이에, 상기 비도전성 플레이트에 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 나란히 부착되는 제2 리드 프레임 및 제3 리드 프레임; 상기 제2 리드 프레임의 상면에 실장되는 제1 스위칭 소자 및 제1 다이오드; 상기 제3 리드 프레임의 상면에 실장되는 제2 스위칭 소자 및 제2 다이오드; 상기 제1 스위칭 소자의 하면 및 상기 제1 다이오드의 하면을 각기 상기 제2 리드 프레임에 접합하는 제1 하부 접합층 및 제2 하부 접합층; 상기 제2 스위칭 소자의 하면 및 상기 제2 다이오드의 하면을 각기 상기 제3 리드 프레임에 접합하는 복수의 제3 하부 접합층 및 제4 하부 접합층; 상기 제1 스위칭 소자의 상면 및 상기 제1 다이오드의 상면을 각기 상기 도전성 플레이트와 접합하는 제1 상부 접합층 및 제2 상부 접합층; 상기 제2 스위칭 소자의 상면 및 상기 제2 다이오드의 상면을 상기 제1 리드 프레임과 접합하는 제3 상부 접합층 및 제4 상부 접합층; 및 상기 도전성 플레이트와 상기 제2 리드 프레임 사이에서, 상기 도전성 플레이트 및 상기 제2 리드 프레임 간을 접합하는 다중 접합층을 포함할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시되는 일 실시 예에 따른 다층 접합 전력 모듈 제조 방법은, 비도전성 플레이트에 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임을 접착하는 동작; 상기 제1 리드 프레임의 상면 및 상기 제1 리드 프레임의 상면에 각기 복수의 하부 접합층들을 도포하는 동작; 상기 제1 리드 프레임의 상면에 제1 스위칭 소자 및 제1 다이오드를 실장하고, 상기 제2 리드 프레임의 상면에 제2 스위칭 소자 및 제2 다이오드를 실장하는 동작; 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제2 다이오드의 상면에 복수의 상부 접합층들을 도포하는 동작; 및 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제1 다이오드의 상면에 제4 리드 프레임을 실장하고, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 다이오드의 상면에 도전성 플레이트를 실장하는 동작을 포함할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시되는 일 실시 예에 따른 다층 접합 전력 모듈은, 도전성 플레이트; 상기 도전성 플레이트와 일 측에 상기 도전성 플레이트와 나란히 배치되는 제1 리드 프레임; 상기 도전성 플레이트와 제1 방향으로 대면하는 비도전성 플레이트; 상기 도전성 플레이트와 상기 비도전성 플레이트 사이에, 상기 비도전성 플레이트에 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 나란히 부착되는 제2 리드 프레임 및 제3 리드 프레임; 상기 제2 리드 프레임의 상면에 실장되는 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자; 상기 제3 리드 프레임의 상면에 실장되는 제3 반도체 소자 및 제4 반도체 소자; 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자 각각의 하면은, 솔더링 부재에 의해 상기 제2 리드 프레임에 접합되고, 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자 각각의 상면은, 솔더링 부재에 의해 상기 도전성 플레이트에 접합되고, 상기 제3 반도체 소자 및 상기 제4 반도체 소자 각각의 상면은, 상기 제1 리드 프레임에 솔더링 부재에 의해 접합되고, 상기 제3 반도체 소자 및 상기 제4 반도체 소자 각각의 하면은, 솔더링 부재에 의해 상기 제3 리드 프레임에 솔더링되고, 상기 도전성 플레이트와 상기 제2 리드 프레임은, 솔더링 부재에 의해 접합될 수 있다.
본 문서에 개시되는 다양한 실시 예들에 따르면, 공정 복잡도 및 자재비를 개선할 수 있다. 이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1a는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 측면도이다.
도 1b는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 하부 기판과 하부 기판의 상측도이다.
도 1c는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 회로도를 나타낸다.
도 3a는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 분해 사시도를 나타낸다.
도 3b는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 사시도를 나타낸다.
도 3c는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 상측도를 나타낸다.
도 4a는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 측면도를 나타낸다.
도 4b는 도 4a의 일부 확대도를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 다층 접합 반도체 모듈 제조 방법을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 종래의 다층 접합 전력 모듈의 기생 인덕턴스 해석 방향을 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 기생 인덕턴스 해석 방향을 나타낸다.
도 8a는 일 실시예에 따른 종래의 다층 접합 전력 모듈의 기생 인덕턴스를 나타낸다.
도 8b는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 기생 인덕턴스를 나타낸다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 회로도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 다층 접합 모듈(200)은 회로의 로우 사이드(low side)에 연결되는 제1 스위칭 소자(210)(이하, “로우 사이드 IGBT”로 언급될 수 있음)와 제1 다이오드(220)(이하, “로우 사이드 DIODE”로 언급될 수 있음), 회로의 하이 사이드(high side)에 연결되는 제2 스위칭 소자(230)(이하, “하이 사이드 IGBT”로 언급될 수 있음)와 제2 다이오드(240) (이하, “하이 사이드 DIODE”로 언급될 수 있음), 및 외부와 연결되는 복수의 리드 프레임들(250, 260, 270)을 포함할 수 있다.
제1 스위칭 소자(210) 및 제2 스위칭 소자(230)는 각기 예를 들면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated-Gate bipolar Transistor: IGBT)일 수 있다. 제1 다이오드(220) 및 제2 다이오드(240)는 예를 들면, 정류 다이오드일 수 있다.
제1 스위칭 소자(210)의 제1 단(예: 에미터)은 제1 리드 프레임(250)(이하, “N 터미널”로 언급될 수 있음) 및 제1 다이오드(220)의 애노드에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 스위칭 소자(210)의 제2 단(예: 콜렉터)은 제2 스위칭 소자(230)의 제1 단(예: 에미터), 제1 다이오드(220)의 캐소스 및 제2 다이오드(240)의 애노드 및 제2 리드 프레임(260)(이하, “U 터미널”로 언급될 수 있음)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 스위칭 소자(230)의 제2 단은 제2 다이오드(240)의 캐소드 및 제3 리드 프레임(270)(이하, “P 터미널”로 언급될 수 있음)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 리드 프레임(250), 제2 리드 프레임(260) 및 제3 리드 프레임(270)은 각기 외부 소자와 연결되어, 외부 소자에 다층 접합 전력 모듈(200)의 출력 전력을 공급할 수 있다. 상기 외부 소자는 예를 들면, 다층 접합 전력 모듈(200)의 출력 전력을 소비하는 전자 장치의 제1 단(예: - 단 또는 그라운드 단)과 연결될 수 있다.
제1 스위칭 소자(210)의 제3 단(예: 게이트 단) 및 제2 스위칭 소자(230)의 제3 단은 각기 상기 전자 장치(또는 다른 제어 장치)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 스위칭 소자(210) 및 제2 스위칭 소자(230)는 전자 장치(또는 다른 제어 장치)의 제어에 따라 교대로 스위칭될 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 분해 사시도를 나타내고, 도 3b는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 사시도를 나타내고, 도 3c는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 상측도를 나타낸다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)의 가장 상부에 위치한 층(layer)을 제1 층으로 칭하고, 가장 아래에 위치한 층을 제6 층으로 칭한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 도전성 플레이트(315), 제1 리드 프레임(311)(예: 도 2의 제1 리드 프레임(250)), 복수의 상부 접합층들(321, 322, 323, 324), 복수의 반도체 소자들(331, 332, 333, 334)(예: 도 2의 제1 스위칭 소자(331), 제1 다이오드(332), 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)), 복수의 하부 접합층들(341, 342, 343, 344), 다중 접합층(325), 제2 리드 프레임(352)(예: 도 2의 제2 리드 프레임(352))와 제3 리드 프레임(353)(예: 도 2의 제3 리드 프레임(353)) 및 비도전성 플레이트(360)를 포함할 수 있다.
도전성 플레이트(315)는 도전성 재질(예: 구리)로 구성되는 "ㄱ"자 형상의 평평한 플레이트로서, 다층 접합 전력 모듈(300)의 제1 층에 배치될 수 있다. 도전성 플레이트(315)의 하면은 제3 상부 접합층(343), 제4 상부 접합층(344) 및 다중 접합층(325)과 접촉할 수 있다. 도전성 플레이트(315)의 하면은 제3 상부 접합층(343) 및 제4 상부 접합층(344)을 통해 제2 스위칭 소자(333)의 상면 및 제2 다이오드(334)의 상면에 접합되고, 다중 접합층(325)을 통해 제2 리드 프레임(352)에 접합될 수 있다.
제1 리드 프레임(311)은 도전성이 있는 금속 재질(예: 철)로 구성되고, 단차를 가지도록 마련될 수 있다. 제1 리드 프레임(311)의 상대적으로 높은 제1 부분은 제1 층에 배치되고, 제1 리드 프레임(311)의 상대적으로 낮은 제2 부분은 제5 층에 제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353)과 - x축에 평행하면서 상호 이격되어 - y축 방향으로 나란히 배치될 수 있다. 제1 리드 프레임(311)의 제2 부분은 제1 리드 프레임(311)의 제1 부분보다 -z축 방향에 대한 비도전성 플레이트(360)와의 간격이 가까울 수 있다. 제1 리드 프레임(311)의 제1 부분은 제1 스위칭 소자(331)의 상면과 제2 스위칭 소자(333)의 상면을 둘 다 덮을 수 있는 크기로 마련될 수 있다.
제1 스위칭 소자(331), 제1 다이오드(332), 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)는 다층 접합 전력 모듈(300)의 제3 층에 배치될 수 있다. 제1 스위칭 소자(331) 및 제2 스위칭 소자(333) 각각의 상면(z축 방향의 면)에는 에미터가 형성되고, 제1 스위칭 소자(331) 및 제2 스위칭 소자(333) 각각의 하면(-축 방향의 면)에는 콜렉터가 형성될 수 있다. 제1 다이오드(332) 및 제2 다이오드(334) 각각의 상면에는 애노드가 형성되고, 제1 다이오드(332) 및 제2 다이오드(334) 각각의 하면에는 캐소드가 형성될 수 있다.
제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353)은 다층 접합 전력 모듈(300)의 제5 층에 배치되고, 도전성이 있는 금속 재질(예: 철)로 구성될 수 있다. 제2 리드 프레임(352)은 상하로는 평평하게 형성되되, 제1 스위칭 소자(331) 및 제1 다이오드(332)을 실장하기 위한 제1 부분 및 제1 리드 프레임(311) 및 제3 리드 프레임(353)과 나란히 배치되어 외부 소자와 연결되는 제2 부분을 포함할 수 있다. 제2 리드 프레임(352)의 제1 부분은 제1 스위칭 소자(331)의 하면 및 제1 다이오드(332)의 저면을 실장 가능한 면적으로 마련될 수 있다. 제3 리드 프레임(353)은 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)를 실장하기 위한 제1 부분 및 제1 리드 프레임(311) 및 제2 리드 프레임(352)과 나란히 배치되어 외부 소자와 연결되는 제2 부분을 포함할 수 있다. 제3 리드 프레임(353)의 제1 부분은 제2 스위칭 소자(333)의 하면 및 제2 다이오드(334)의 저면을 실장 가능한 면적으로 마련될 수 있다.
비도전성 플레이트(360)는 다층 접합 전력 모듈(300)의 제6 층에 배치되고, 제2 리드 프레임(352)과 제3 리드 프레임(353)의 하면에 접촉되어, 제2 리드 프레임(352)과 제3 리드 프레임(353)을 고정할 수 있다. 비도전성 플레이트(360)는 비도전성 재질(예: 비전도성 에폭시)로 구성된 예컨대, 절연 시트(isolation sheet)일 수 있다. 비도전성 플레이트(360)는 내열성이 높은(예: 지정된 온도 이상을 견디는) 재질로 구성될 수 있다. 상기 지정된 온도는 예를 들면, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)의 반도체 공정에서 가해지는 가열 온도 이상의 온도일 수 있다.
복수의 상부 접합층들(321, 322, 323, 324), 복수의 하부 접합층들(341, 342, 343, 344) 및 다중 접합층(325)은 각기 솔더(solder) 류(예: 무연솔더(SAC 계열, 안티몬 계열))의 접합 물질로 이뤄질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 상부 접합층들(321, 322, 323, 324), 복수의 하부 접합층들(341, 342, 343, 344) 및 다중 접합층(325)은 각기 전도성 에폭시(epoxy)를 포함할 수 있다.
제1 상부 접합층(321) 및 제2 상부 접합층(322)은 제1 스위칭 소자(331)의 상면과 제1 다이오드(332)의 상면과 제1 리드 프레임(311) 간을 접합(예: 솔더링)할 수 있다. 제3 상부 접합층(323) 및 제4 상부 접합층(324)은 제2 스위칭 소자(333)의 상면 및 제2 다이오드(334)의 상면과 도전성 플레이트(315) 간을 접합(예: 솔더링)할 수 있다. 제1 하부 접합층(341) 및 제2 하부 접합층(342)은 제1 스위칭 소자(331)의 하면 및 제1 다이오드(332)의 하면과 제2 리드 프레임(352) 간을 접합(예: 솔더링)할 수 있다. 제3 상부 접합층(343) 및 제4 상부 접합층(344)은 제2 스위칭 소자(333)의 하면 및 제2 다이오드(334)의 하면과 제3 리드 프레임(353) 간을 접합(예: 솔더링)할 수 있다. 다중 접합층(325)은 도전성 플레이트(315) 및 제2 리드 프레임(352) 간을 접합(예: 솔더링)할 수 있다. 다중 접합층(325)은 도전성 플레이트(315) 및 제2 리드 프레임(352) 간의 간격에 대응하는 양(또는, 두께)(또는, 도전성 플레이트(315) 및 제2 리드 프레임(352) 간을 접합 가능한 양 또는 두께)으로 마련될 수 있다.
상술한 실시예에서, 제1 스위칭 소자(331), 제2 스위칭 소자(333), 제1 다이오드(332) 및 제2 다이오드(334) 각각의 상면과 하면은 솔더링에 유리하도록 Ni와 Au의 혼합물 재질로 구성될 수 있다. 또는, 제1 스위칭 소자(331), 제2 스위칭 소자(333), 제1 다이오드(332) 및 제2 다이오드(334) 각각의 상면과 하면은 유리하도록 Ni와 Au의 혼합물 재질로 도금될 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)에서 제1 스위칭 소자(331), 제2 스위칭 소자(333), 제1 다이오드(332), 제2 다이오드(334), 제1 리드 프레임(311), 제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353) 간의 전기적 연결에 대하여 설명한다.
제1 리드 프레임(311)은 제1 상부 접합층(321) 및 제2 상부 접합층(322)을 통해 제1 스위칭 소자(331)의 상면(예: 도 2의 제1 스위칭 소자(210)의 에미터) 및 제1 다이오드(332)의 상면(예: 도 2의 제1 다이오드(220)의 애노드)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 스위칭 소자(331)의 하면 및 제1 다이오드(332)의 하면은 제1 하부 접합층(341) 및 제2 하부 접합층(342)을 통해서 제2 리드 프레임(352)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 리드 프레임(352)은 다중 접합층(325)을 통해서 도전성 플레이트(315)에 접합되고, 도전성 플레이트(315)는 제3 상부 접합층(343) 및 제4 상부 접합층(344)을 통해서 제2 스위칭 소자(333)의 상면 및 제2 다이오드(334)의 상면과 전기적으로 연결될 수 있다. 이에, 제1 스위칭 소자(331)의 하면 및 제1 다이오드(332)의 하면은 제2 스위칭 소자(333)의 상면 및 제2 다이오드(334)의 상면과 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 스위칭 소자(333)의 하면(예: 도 2의 제2 스위칭 소자(230)의 콜렉터) 및 제2 다이오드(334)의 하면(예: 도 2의 제2 다이오드(240)의 캐소드)은 제3 하부 접합층(343) 및 제4 하부 접합층(344)을 통해 제3 리드 프레임(353)의 상면과 전기적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 다층 접합 전력 모듈(300)의 적어도 일부 구성요소는 생략될 수 있다. 예를 들어, 다층 접합 전력 모듈(300)은 반도체 소자들 중 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)를 포함하고, 제1 스위칭 소자(331) 및 제2 다이오드(332)을 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 다층 접합 전력 모듈(300)은 제1 리드 프레임(311), 제3 리드 프레임(353), 제3 상부 접합층(323), 제4 상부 접합층(324), 제3 하부 접합층(343), 제4 하부 접합층(344)을 포함하고, 다층 접합층(325), 제1 상부 접합층(321), 제2 상부 접합층(322), 제1 하부 접합층(341), 제2 하부 접합층(342), 도전성 플레이트(315) 및 비도전성 플레이트(360)를 포함하지 않을 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1 스위칭 소자(331), 제1 다이오드(332), 제2 스위칭 소자(333), 및 제2 다이오드(334) 중 적어도 일부는 패키지로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 스위칭 소자(331)와 제1 다이오드(332)가 하나의 패키지로 구성되고, 제2 스위칭 소자(333)와 제2 다이오드(334)가 다른 패키지로 구성될 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 다층 접합 전력 모듈(300)은 제1 스위칭 소자(331), 제1 다이오드(332), 제2 스위칭 소자(333), 및 제2 다이오드(334)를 실장한 기판(예: DBC 기판)을 별도로 포함하지 않으므로, 기판 제작비를 절감할 수 있고, 각 반도체 소자들 간의 간격 및 길이를 줄일 수 있어, 기생 인덕턴스를 줄일 수 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈의 측면도를 나타내고, 도 4b는 도 4a의 일부 확대도를 나타낸다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 스페이서 없이 솔더링에 의하여 반도체 소자들(331, 332, 333, 334)과 복수의 리드 프레임들(311, 352, 353) 간을 접합할 수 있다. 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 약 6층으로 구성되므로, 총 11층으로 구성된 종래의 다층 접합 전력 모듈(300)에 비하여 5개층을 줄일 수 있고, 스페이서를 사용하지 않고 솔더링(접합층들(321, 322, 323, 324, 325, 341, 342, 343, 344))과 리드 프레임들(311, 352, 353)을 이용하여 반도체 소자들(331, 332, 333, 334)을 실장할 수 있다. 이에, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 반도체 공정을 단순화할 수 있고, 자재비를 절감할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 다층 접합 반도체 모듈 제조 방법을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 동작 510에서, 비도전성 플레이트(360)에 제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353)가 접착될 수 있다. 예를 들어, 비도전성 플레이트(360)의 상면과 제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353)의 하면 사이에는 접착성 물질이 도포되고, 접착성 물질에 의하여 비도전성 플레이트(360)에 제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353)가 접합될 수 있다.
동작 520에서, 제2 리드 프레임(352)의 상면 및 제3 리드 프레임(353)의 상면에 접합층들(341, 342, 343, 344)이 도포될 수 있다. 예를 들어, 제2 리드 프레임(352)의 상면에서 제1 스위칭 소자(331) 및 제1 다이오드(332)와 대면하는 부위, 그리고 제3 리드 프레임(353)의 상면에서 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)와 대면하는 부분에 접합층들(341, 342, 343, 344)이 도포될 수 있다. 제2 리드 프레임(352)의 다른 부분(예: 제1 다이오드(332)와 제2 다이오드(334) 사이)에 접합층(325)이 도포될 수 있다.
동작 530에서, 제2 리드 프레임(352)의 상면에 제1 스위칭 소자(331) 및 제1 다이오드(332)가 실장되고, 제3 리드 프레임(353)의 상면에 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)가 실장될 수 있다. 예를 들어, 제1 하부 접합층(341)에 제1 스위칭 소자(331)가 안착되고, 제2 하부 접합층(342)에 제1 다이오드(332)가 안착되고 제3 하부 접합층(343)에 제2 스위칭 소자(333)가 안착되고, 제4 하부 접합층(344)에 제2 다이오드(334)가 안착될 수 있다.
동작 540에서, 제1 스위칭 소자(331), 제1 다이오드(332), 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334) 각각의 상면에 복수의 하부 접합층(341, 342, 343, 344)들이 도포될 수 있다.
동작 550에서, 제1 스위칭 소자(331) 및 제1 다이오드(332)의 상면에 제1 리드 프레임(311)을 안착하고, 제2 스위칭 소자(333) 및 제2 다이오드(334)의 상면에 도전성 플레이트(315)를 안착할 수 있다.
이후, 가열 공정을 통해서 복수의 상부 접합층들(321, 322, 323, 324), 복수의 하부 접합층들(341, 342, 343, 344) 및 다중 접합층(325)이 용융되고 냉각 공정을 통해서 용융된 복수의 상부 접합층들(321, 322, 323, 324), 복수의 하부 접합층들(341, 342, 343, 344) 및 다중 접합층(325)이 고화될 수 있다. 이에, 복수의 상부 접합층들(321, 322, 323, 324), 복수의 하부 접합층들(341, 342, 343, 344) 및 다중 접합층(325)은 제1 스위칭 소자(331), 제2 스위칭 소자(333), 제1 다이오드(332), 제2 다이오드(334), 제1 리드 프레임(311), 제2 리드 프레임(352) 및 제3 리드 프레임(353) 간을 전기적 연결할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 종래의 다층 접합 전력 모듈(예: 도 1a의 다층 접합 전력 모듈(100))의 기생 인덕턴스 해석 방향을 나타내고, 도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(예: 도 3a의 다층 접합 전력 모듈(300))의 기생 인덕턴스 해석 방향을 나타낸다.
도 6a 및 도 7a를 참조하면, 종래의 다층 접합 전력 모듈(100) 보다 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)가 제1 스위칭 소자(331)의 턴 오프 및 제2 스위칭 소자(333)의 턴 온되는 경우에 대한 기생 인덕턴스 해석 방향 변화가 적은 것을 확인할 수 있다.
도 6b 및 도 7b를 참조하면, 종래의 다층 접합 전력 모듈(100) 보다 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)이 제1 스위칭 소자(331)의 턴 온 및 제2 스위칭 소자(333)의 턴 오프 경우에 대한 기생 인덕턴스 해석 방향 변화가 적은 것을 확인할 수 있다.
이 같이, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 두 종류의 기생 인덕턴스의 해석 방향에 대하여 종래의 다층 접합 전력 모듈(100)에 비하여 복잡도가 낮음을 확인할 수 있다.
도 8a는 일 실시예에 따른 종래의 다층 접합 전력 모듈(예: 도 1a의 다층 접합 전력 모듈(100))의 기생 인덕턴스를 나타내고, 도 8b는 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(예: 도 3a의 다층 접합 전력 모듈(300))의 기생 인덕턴스를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 종래의 다층 접합 전력 모듈(100)은 10MHz에서 약 16.818nH의 기생 인덕턴스를 가지는데 반해서, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 동일 주파수(10MHz)에서 약 14.696nH를 가지는 것을 확인할 수 있다. 요컨대, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 종래의 다층 접합 전력 모듈(100)에 비해 약 12% 정도 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 일 실시예에 따른 다층 접합 전력 모듈(300)은 공정 복잡도 및 자재비를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 기생 인덕턴스를 줄일 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나",“A 또는 B 중 적어도 하나”, "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나” 및 “A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.

Claims (20)

  1. 다층 접합 전력 모듈에 있어서,
    도전성 플레이트;
    상기 도전성 플레이트와 일 측에 상기 도전성 플레이트와 나란히 배치되는 제1 리드 프레임;
    상기 도전성 플레이트와 제1 방향으로 대면하는 비도전성 플레이트;
    상기 도전성 플레이트와 상기 비도전성 플레이트 사이에, 상기 비도전성 플레이트에 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 나란히 부착되는 제2 리드 프레임 및 제3 리드 프레임;
    상기 제2 리드 프레임의 상면에 실장되는 제1 스위칭 소자 및 제1 다이오드;
    상기 제3 리드 프레임의 상면에 실장되는 제2 스위칭 소자 및 제2 다이오드;
    상기 제1 스위칭 소자의 하면 및 상기 제1 다이오드의 하면을 각기 상기 제2 리드 프레임에 접합하는 제1 하부 접합층 및 제2 하부 접합층;
    상기 제2 스위칭 소자의 하면 및 상기 제2 다이오드의 하면을 각기 상기 제3 리드 프레임에 접합하는 복수의 제3 하부 접합층 및 제4 하부 접합층;
    상기 제1 스위칭 소자의 상면 및 상기 제1 다이오드의 상면을 각기 상기 도전성 플레이트와 접합하는 제1 상부 접합층 및 제2 상부 접합층;
    상기 제2 스위칭 소자의 상면 및 상기 제2 다이오드의 상면을 상기 제1 리드 프레임과 접합하는 제3 상부 접합층 및 제4 상부 접합층; 및
    상기 도전성 플레이트와 상기 제2 리드 프레임 사이에서, 상기 도전성 플레이트 및 상기 제2 리드 프레임 간을 접합하는 다중 접합층을 포함하는, 다층 접합 전력 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제2 다이오드 각각의 상면과 하면은,
    Ni와 Au의 혼합물로 이뤄진, 다층 접합 전력 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 상면 및 상기 제2 스위칭 소자의 상면에는 에미터가 형성되고,
    상기 제1 스위칭 소자의 하면 및 상기 제2 스위칭 소자의 하면에는 콜렉터가 형성되는, 다층 접합 전력 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 다이오드의 상면 및 상기 제2 다이오드의 상면에는 애소드가 형성되고,
    상기 제1 다이오드의 하면 및 상기 제2 다이오드의 하면에는 애노드가 형성되는, 다층 접합 전력 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 다중 접합층은,
    상기 도전성 플레이트와 상기 제2 리드 프레임 간의 간격에 대응하는 양으로 마련된, 다층 접합 전력 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 리드 프레임의 제1 부분은,
    상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제1 다이오드를 덮을 수 있는 면적으로 형성되고,
    상기 제1 리드 프레임의 제2 부분은,
    상기 제1 리드 프레임의 제1 부분과 단차를 가지도록 형성되어, 상기 제1 방향에 대한 상기 비도전성 플레이트와의 간격이 상기 제1 리드 프레임보다 작고, 상기 제2 리드 프레임 및 상기 제3 리드 프레임과 나란히 배치되는, 다층 접합 전력 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 리드 프레임의 제1 부분은,
    상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제1 다이오드를 실장 가능한 면적으로 형성되고,
    상기 제2 리드 프레임의 제2 부분은,
    상기 제1 리드 프레임 및 상기 제3 리드 프레임과 나란히 배치되는, 다층 접합 전력 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 리드 프레임의 제1 부분은,
    상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제2 다이오드를 실장 가능한 면적으로 형성되고,
    상기 제3 리드 프레임의 제2 부분은,
    상기 제1 리드 프레임 및 상기 제2 리드 프레임과 나란히 배치되는, 다층 접합 전력 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 비도전성 플레이트는,
    지정된 규격 이상의 내열성을 갖는 절연 시트인, 다층 접합 전력 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 상부 접합층, 상기 제2 상부 접합층, 상기 제3 상부 접합층, 상기 제4 상부 접합층, 상기 제1 하부 접합층, 상기 제2 하부 접합층, 상기 제3 하부 접합층, 상기 제4 하부 접합층 및 다중 접합층은,
    솔더류 또는 전도성 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는, 다층 접합 전력 모듈.
  11. 다층 접합 전력 모듈 제조 방법에 있어서,
    비도전성 플레이트에 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임을 접착하는 동작;
    상기 제1 리드 프레임의 상면 및 상기 제1 리드 프레임의 상면에 각기 복수의 하부 접합층들을 도포하는 동작;
    상기 제1 리드 프레임의 상면에 제1 스위칭 소자 및 제1 다이오드를 실장하고, 상기 제2 리드 프레임의 상면에 제2 스위칭 소자 및 제2 다이오드를 실장하는 동작;
    상기 제1 스위칭 소자, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제2 다이오드의 상면에 복수의 상부 접합층들을 도포하는 동작; 및
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제1 다이오드의 상면에 제4 리드 프레임을 실장하고, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 다이오드의 상면에 도전성 플레이트를 실장하는 동작;
    을 포함하는 다층 접합 전력 모듈 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 리드 프레임의 다른 부분에 상기 제1 리드 프레임과 상기 도전성 플레이트 간을 접합하기 위한 다층 접합층을 도포하는 동작을 더 포함하는, 다층 접합 전력 모듈 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 다층 접합층은,
    상기 제1 리드 프레임과 상기 도전성 플레이트 간을 접합 가능한 양으로 마련되는, 다층 접합 전력 모듈 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자의 에미터 및 상기 제1 다이오드의 에노드는,
    상기 복수의 하부 접합층들 중 일부 접합층에 의하여 상기 제4 리드 프레임에 전기적으로 연결되는, 다층 접합 전력 모듈 제조 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 콜렉터 및 상기 제1 다이오드의 캐소드는,
    상기 복수의 상부 접합층들 중 일부 접합층에 의하여 상기 제1 리드 프레임에 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 스위칭 소자의 에미터 및 상기 제2 다이오드의 캐소드는,
    상기 복수의 하부 접합층들 중 일부 접합층에 의하여 상기 도전성 플레이트에 전기적으로 연결되고, 상기 도전성 플레이트 및 상기 다층 접합층에 의하여 상기 제1 리드 프레임에 전기적으로 연결되는, 다층 접합 전력 모듈 제조 방법.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 제2 스위칭 소자의 콜렉터 및 상기 제2 다이오드의 캐소드는,
    상기 복수의 하부 접합층들 중 일부 접합층에 의하여 상기 제2 리드 프레임에 전기적으로 연결되는, 다층 접합 전력 모듈 제조 방법.
  17. 다층 접합 전력 모듈에 있어서,
    도전성 플레이트;
    상기 도전성 플레이트와 일 측에 상기 도전성 플레이트와 제1 방향으로 나란히 배치되는 제1 리드 프레임;
    상기 도전성 플레이트와 상하 방향으로 대면하는 비도전성 플레이트;
    상기 도전성 플레이트와 상기 비도전성 플레이트 사이에, 상기 비도전성 플레이트에 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 나란히 부착되는 제2 리드 프레임 및 제3 리드 프레임;
    상기 제2 리드 프레임의 상면에 실장되는 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자;
    상기 제3 리드 프레임의 상면에 실장되는 제3 반도체 소자 및 제4 반도체 소자;
    상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자 각각의 하면은, 솔더링 부재에 의해 상기 제2 리드 프레임에 접합되고, 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자 각각의 상면은, 솔더링 부재에 의해 상기 도전성 플레이트에 접합되고,
    상기 제3 반도체 소자 및 상기 제4 반도체 소자 각각의 상면은, 상기 제1 리드 프레임에 솔더링 부재에 의해 접합되고, 상기 제3 반도체 소자 및 상기 제4 반도체 소자 각각의 하면은, 솔더링 부재에 의해 상기 제3 리드 프레임에 솔더링되고,
    상기 도전성 플레이트와 상기 제2 리드 프레임은, 솔더링 부재에 의해 접합되는, 다층 접합 전력 모듈.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 제1 반도체 소자, 상기 제2 반도체 소자, 상기 제3 반도체 소자 및 상기 제4 반도체 소자 각각의 상면과 하면은,
    Ni와 Au의 혼합물로 이뤄진, 다층 접합 전력 모듈.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 리드 프레임의 제1 부분은,
    상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자를 덮을 수 있는 면적으로 형성되고,
    상기 제1 리드 프레임의 제2 부분은,
    상기 제1 리드 프레임의 제1 부분과 단차를 가지도록 형성되어, 상기 제1 방향에 대한 상기 비도전성 플레이트와의 간격이 상기 제1 리드 프레임보다 작고, 상기 제2 리드 프레임 및 상기 제3 리드 프레임과 나란히 배치되는, 다층 접합 전력 모듈.
  20. 청구항 17항에 있어서, 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제3 반도체 소자는,
    스위칭 소자이고,
    상기 제2 반도체 소자 및 상기 제4 반도체 소자는,
    정류 다이오드인, 다층 접합 전력 모듈.
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