KR20210076469A - 파워 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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semiconductor device
power semiconductor
substrate
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이현구
박성원
박준희
김현욱
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현대자동차주식회사
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Abstract

유전체층을 갖는 기판; 상기 기판의 상부에 배치된 제1 전력 반도체 소자; 및 상기 기판의 하부에 배치된 제2 전력 반도체 소자를 포함하는 파워 모듈이 개시된다.

Description

파워 모듈 및 그 제조 방법{POWER MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 파워 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체층을 구비한 기판을 사이에 두고 기판의 상하부에 전력 반도체 소자를 배치하는 구조를 가짐으로써 부품 감소, 제조 공정 단순화 및 성능 향상을 가져올 수 있는 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 파워 모듈의 개발은 친환경 차량 분야의 핵심 기술이다.
종래에 파워 모듈은 다양한 구조로 제작되었으며, 특히 파워 모듈에서 발생하는 열을 용이하게 배출하기 위해 냉각핀이나 냉각 채널이 배치되는 구조에 따라 단면 냉각 파워 모듈 및 양면 냉각 파워 모듈의 형태로 제작되었다.
단면 냉각 파워 모듈은 IGBT와 같은 전력 반도체 소자의 일면에 냉각을 위한 수단을 구비하는 형태로 제작된 것으로 냉각성능이 떨어지며 와이어 본딩을 통해 전류를 이동시키게 되므로 기생 인덕턴스가 증가하는 문제가 있다.
이러한 단면 냉각 파워 모듈의 단점을 해소하고자 양면 냉각 파워 모듈이 개발되었다. 양면 냉각 파워 모듈은 전력 반도체 소자의 상하 양면에 기판을 구비하고 기판에 형성된 패턴에 의해 전류가 이동하게 된다.
그러나, 이러한 양면 냉각 파워 모듈은 제작 과정에서 와이어 본딩을 위해 2회 이상의 솔더링을 수행하여야 하므로 많은 솔더링 회수에 따라 솔더가 재용융되는 등 신뢰성 저감의 문제가 발생하며, 양면 냉각 파워 모듈의 상하에 배치된 기판의 패턴에 의해 전류가 이동하므로 여전히 기생 인덕턴스가 커지는 문제가 있다. 더하여, 전력 반도체 소자의 상하 양면으로 기판이 배치되어야 하므로 양 기판 사이에서 전력 반도체 소자의 신호 단자와 리드 간 전기적 연결을 형성하기 위한 본딩 와이어가 기판과 맞닿는 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 간섭을 제거하기 위해서는 두 기판 사이에 충분한 간격이 유지되어야 하므로 기판 중 적어도 하나와 전력 반도체 사이에는 스페이서가 추가로 배치됨으로써 단가가 상승하게 되는 문제도 발생한다.
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.
US 9293680
이에 본 발명은, 유전체층을 구비한 기판을 사이에 두고 기판의 상하부에 전력 반도체 소자를 배치하는 구조를 가짐으로써 스페이서와 같은 종래 파워 모듈에 필수적인 부품들을 제거할 수 있으며, 솔더링 회수 및 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있는 파워 모듈을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
유전체층을 갖는 기판;
상기 기판의 상부에 배치된 제1 전력 반도체 소자; 및
상기 기판의 하부에 배치된 제2 전력 반도체 소자;
를 포함하는 파워 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 전력 반도체 소자의 상부에 배치되어 상기 제1 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결된 제1 리드부 및 상기 제2 전력 반도체 소자의 하부에 배치되어 상기 제2 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결된 제2 리드부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 리드부와 상기 제2 리드부 각각은 직류 전압을 인가 받기 위한 제1 파워 리드 및 제2 파워 리드를 포함하며, 상기 제1 파워 리드와 상기 제2 파워리드는 서로 상하로 중첩되게 배치되고 상기 제1 파워 리드와 상기 제2 파워리드 사이에는 절연층이 개재될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 리드부의 일부분과 상기 제2 리드부의 일부분이 상호 접속되어 상기 제1 전력 반도체 소자와 상기 제2 전력 반도체 소자 사이의 전기적 연결이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기판은 상기 유전체층과 상기 절연층의 상면에 형성된 제1 도전층 및 상기 절연층의 상면에 형성된 제2 도전층을 가지며, 상기 제1 도전층과 상기 제1 전력 반도체 소자 사이의 일부분, 상기 제1 도전층과 상기 제1 리드부 사이의 일부분 및 상기 제1 전력 반도체 소자와 상기 제1 리드부 사이의 일부분은 솔더링에 의해 상호 전기적으로 연결되고, 상기 제2 도전층과 상기 제2 전력 반도체 소자 사이의 일부분, 상기 제2 도전층과 상기 제2 리드부 사이의 일부분 및 상기 제2 전력 반도체 소자와 상기 제2 리드부 사이의 일부분은 솔더링에 의해 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 리드부는 상부로 돌출된 제1 평탄면을 가지며 상기 제2 리드부는 하부로 돌출된 제2 평탄면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기판, 상기 제1 전력 반도체 소자, 상기 제2 전력 반도체 소자, 상기 제1 리드부의 일부 및 상기 제2 리드부의 일부를 일체로 커버하는 몰드부를 더 포함하며, 상기 제1 평탄면과 상기 제2 평탄면은 상기 몰드부 밖으로 노출될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
상부 리드 프레임, 하부 리드 프레임, 제1 전력 반도체 소자, 제2 전력 반도체 소자 및 유전체층을 갖는 기판을 마련하는 단계;
상기 상부 리드 프레임, 상기 제1 전력 반도체 소자, 상기 기판, 상기 제2 전력 반도체 소자 및 상기 하부 리드 프레임을 순차적으로 적층하고 솔더링하는 단계;
상기 상부 리드 프레임의 제1 신호 연결 리드와 상기 제1 전력 반도체 소자의 신호 단자 사이를 와이어 본딩하고, 상기 하부 리드 프레임의 제2 신호 연결 리드와 상기 제2 전력 반도체 소자의 신호 단자 사이를 와이어 본딩하는 단계;
상기 솔더링 하는 단계에 의해 형성된 적층 구조물 및 상기 와이어 본딩하는 단계를 통해 형성된 와이어 본딩부를 커버하도록 몰드부를 형성하는 단계; 및
상기 상부 리드 프레임 및 상기 하부 리드 프레임의 사전 설정 영역을 분리 제거하여 파워 모듈을 완성하는 단계;
를 포함하는 파워 모듈 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 솔더링하는 단계는, 직류 전압이 그 사이에 인가되는 상기 상부 리드 프레임에 포함된 제1 파워 리드와 상기 하부 리드 프레임에 포함된 제2 파워 리드를 서로 상하로 중첩되게 배치하고, 상기 제1 파워 리드와 상기 제2 파워리드 사이에 절연층을 개재할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 솔더링하는 단계는, 상기 상부 리드 프레임의 일부와 상기 하부 리드 프레임의 일부를 상호 솔더링하여 상기 제1 전력 반도체 소자와 상기 제2 전력 반도체 소자 사이에 전기적 연결을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 몰드부를 형성하는 단계는, 상기 상부 리드 프레임의 상부면의 적어도 일부 및 상기 하부 리드 프레임의 하부면의 적어도 일부가 노출되도록 상기 몰드부를 형성할 수 있다.
상기 파워 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 유전체를 포함하는 기판의 상하에 전력 반도체 소자를 배치함으로써 기판의 금속층을 통해 전류가 흐를 때 금속층 사이에 배치된 유전체층을 통해 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 파워 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 파워 모듈에 직류 전력을 공급하는 두 파워 리드 사이에 절연층을 개재하여 두 파워 리드가 대면하는 형태를 가지므로 절연층에 의한 기생 인덕턴스 감소 효과도 기대할 수 있다.
또한, 상기 파워 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 기판 상하로 전력 반도체 소자를 배치하므로 전력 반도체 소자의 상하에 충분한 공간을 확보할 수 있으므로 양 기판 사이에 전력 반도체 소자를 배치하는 종래의 파워 모듈에 비하여 본딩 와이어와 기판의 간섭 발생을 제거할 수 있으며, 두 기판 사이의 거리를 확보하기 위한 스페이서를 제거할 수 있다.
또한, 양 기판 사이에 전력 반도체 소자를 배치하는 종래의 파워 모듈은 1차 솔더링 및 와이어 본딩 공정을 수행 후 다시 2차 솔더링을 하여야 하므로 솔더의 재용융 등에 의한 신뢰성 저하의 문제가 발생하지만, 상기 파워 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 솔더링 회수를 1회로 감소시켜 재용융에 의한 신뢰성 저하를 해소하고 공정 원가도 저감할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈을 일 방향에서 바라본 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈을 다른 방향에서 바라본 측면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서 전류 흐름을 설명하기 위한 회로도 및 사시도이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 제조 방법을 단계별도 도시한 공정 사시도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 파워 모듈 및 그 제조 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈을 도시한 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈을 일 방향(도 1의 D1 방향)에서 바라본 측면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈을 다른 방향(D2)에서 바라본 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈은, 유전체층(11)을 갖는 기판(10)과, 기판(10)의 상부에 배치된 제1 전력 반도체 소자(21) 및 기판(10)의 하부에 배치된 제2 전력 반도체 소자(22)를 포함하여 구성될 수 있다.
기판(10)은 유전체층(11)과 유전체층(11)의 상부면에 접합된 제1 금속층(12) 및 유전체층(11)의 하부면에 접합된 제2 금속층(13)을 갖는 DBC(Double Bonded Copper) 기판이 채용될 수 있다.
제1 전력 반도체 소자(21)는 기판(10)의 상부, 더욱 상세하게는 기판(10)의 제1 금속층(12)의 상면에 솔더링 될 수 있으며, Si 또는 SiC를 재료로 제작된 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다. 기판(10)의 제1 금속층(12)은 제1 전력 반도체 소자(21)의 하면에 마련된 전류 입출력 단자와 전기적으로 접속하도록 솔더링되는 패턴을 형성할 수 있다.
제1 전력 반도체 소자(21)와 유사하게, 제2 전력 반도체 소자(22)는 기판(10)의 하부, 더욱 상세하게는 기판(10)의 제2 금속층(13)의 하면에 솔더링 될 수 있으며, Si 또는 SiC를 재료로 제작된 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다. 기판(10)의 제2 금속층(13)은 제2 전력 반도체 소자(22)의 상면에 마련된 전류 입출력 단자와 전기적으로 접속하도록 솔더링되는 패턴을 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈은 기판(10)을 가운데 두고 기판(10)의 상하 양면에 각각 제1 전력 반도체 소자(21)와 제2 전력 반도체 소자(22)를 각각 배치함으로써 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있다. 즉, 종래의 파워 모듈은 기판 내에서 이루어지는 전류 흐름으로 인해 기생 인덕턴스가 발생하고 발생한 기생 인덕턴스를 감소시키기 위한 적절한 수단을 강구하기 힘들었으나, 본 발명의 여러 실시형태는 전력 반도체 소자(21, 22)가 기판(10)의 유전체층(11)을 사이에 두고 상하 양측에 배치되어 유전체층(11) 양면의 금속층(12, 13)을 통해 전류가 흐르므로 유전체층(10)을 통한 기생 인덕턴스 상쇄 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈은, 제1 전력 반도체 소자(21)의 상부에 배치되어 제1 전력 반도체 소자(21)와 전기적으로 연결된 제1 리드부(31) 및 제2 전력 반도체 소자(22)의 하부에 배치되어 제2 전력 반도체 소자(23)와 전기적으로 연결된 제2 리드부(32)를 더 포함할 수 있다.
제1 리드부(31)는 도전성을 갖는 금속으로 제작될 수 있으며, 제1 리드부(31)의 일부분은 제1 전력 반도체 소자(11)의 상면에 형성된 전류 입출력 단자와 솔더(S)에 의해 접합됨으로써 전기적 연결을 형성할 수 있다.
제2 리드부(31) 역시 도전성을 갖는 금속으로 제작될 수 있으며, 제2 리드부(32)의 일부분은 제2 전력 반도체 소자(21)의 상면에 형성된 전류 입출력 단자와 솔더(S)에 의해 접합됨으로써 전기적 연결을 형성할 수 있다.
제1 리드부(31)와 제2 리드부(32)는 파워 모듈 외부로부터 직류 전력을 입력 받고 파워 모듈 내 전력 반도체 소자(21, 22)의 스위칭 동작에 의해 생성되는 교류 전력을 외부로 출력하기 위한 통로를 제공할 수 있다.
예를 들어, 제1 리드부(31)와 제2 리드부(32)는 외부의 직류 전압이 인가되는 제1 파워 리드(311)와 제2 파워리드(321)를 포함할 수 있다. 제1 파워 리드(311)와 제2 파워리드(321)는 그 사이에 외부의 직류 전력이 인가되는 버스바의 역할을 할 수 있다. 바람직하게, 제1 파워 리드(311)와 제2 파워리드(321)는 서로 상하로 중첩되게 배치되고 두 파워리드(311, 321) 사이에 절연층(40)을 개재하여 상호 전기적 절연이 이루어지게 할 수 있을 뿐만 아니라, 이 절연체층(40)을 통해 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있다.
또한, 제1 리드부(31)와 제2 리드부(32)는 파워 모듈 내 전력 반도체 소자(21, 22)의 스위칭 동작에 의해 생성되는 교류 전류를 모터로 출력하고 모터로부터 입력되는 교류 전류를 입력받기 위한 제3 파워리드(314) 및 제4 파워리드(324)를 포함하며, 제3 파워리드(314)와 제4 파워리드(324)는 서로 전기적 접속을 형성할 수 있다. 도 1 및 도 3에서 'A'로 표시한 영역은 제3 파워리드(314)와 제4 파워리드(324)가 상호 전기적으로 접속되는 영역으로, 파워 모듈이 적용되는 인버터 구조에서 하나의 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자에 해당하는 제1 전력 반도체 소자(21)와 제2 전력 반도체 소자(22)의 접속 노드에 해당하는 영역이다. A'로 표시한 영역은 제1 리드부(31)의 제3 파워리드(314)와 제2 리드부(32)의 제4 파워리드(314)가 솔더(S)에 의해 상호 접합됨으로써 제1 전력 반도체 소자(21)와 제2 전력 반도체 소자(22)가 상호 전기적으로 연결되는 영역이다.
더하여, 제1 리드부(31)와 제2 리드부(32)는, 제1 전력 반도체 소자(21)와 제2 전력 반도체 소자(22)에 제어 신호를 제공하기 위한 신호 연결 리드(312, 322)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 신호 연결 리드(312, 322)간 솔더링을 통한 전기적 접속을 형성할 수 있다. 도 1 내지 도 3의 예에서 제1 리드부(31)는 총 8개의 신호리드(312)를 가지며 그 중 4개의 신호 연결 리드는 제2 리드부(32)의 신호 연결 리드(322)와 솔더링을 통한 전기적 접속이 형성되고 나머지 4개의 신호 연결 리드는 제1 전력 반도체 소자(21)의 신호 단자와 와이어 본딩을 통해 연결될 수 있다. 또한, 제2 리드부(32)의 신호 연결 리드(322)의 일단은 제1 리드부(31)의 신호 연결 리드(312)와 솔더링을 통해 접속되고 타단은 제2 전력 반도체 소자(22)의 신호 단자와 와이어 본딩을 통해 연결될 수 있다. 와이어 본딩 구조는 후술하는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈 제조 방법을 설명하기 위한 도 9에 도시된다.
제1 리드부(31)와 제2 리드부(32)는 각각 상부로 돌출된 제1 평탄면(313) 및 하부로 돌출된 제2 평탄면(323)을 포함할 수 잇다. 제1 평탄면(313)과 제2 평탄면(321)은 상하 방향으로 제1 전력 반도체 소자(21) 및 제2 전력 반도체 소자(22)와 각각 중첩되는 영역에 형성될 수 있으며, 각각 상하로 돌출되어 몰드부(50)의 상하로 노출될 수 있다.
몰드부(50)는 파워 모듈의 구조를 보호하기 위해 절연 물질로 전력 반도체 소자(21, 22)와 기판(10) 및 리드부(31, 32)의 일부를 둘러싸도록 형성된 구조물이다. 몰드부(50)의 외부로 제1 리드부(31)의 제1 평탄면(313)과 제2 리드부(32)의 제2 평탄면(321)이 노출됨으로써 전력 반도체 소자(21, 22)에서 발생하는 열을 몰드부(50)의 외부로 방출되는 것을 용이하게 할 수 있다. 나아가 이 평탄면에 접촉하도록 별도의 냉각 채널을 파워 모듈의 상하에 배치하여 파워 모듈의 냉각 효과를 더욱 향상시킬 수도 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서 전류 흐름을 설명하기 위한 회로도 및 사시도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈은 도 4에 도시된 것과 같은 인버터의 하나의 레그에 포함된 두 스위칭 소자(S1, S4)와 전류가 흐르는 경로를 형성할 수 있다. 도 4에 도시된 전류 흐름 경로가 도 5 및 도 6에 도시된 파워 모듈 상에 대응되도록 표시된다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 배터리 등과 같이 외부의 전력원에서 제공되는 직류 전압(VDC)의 (+)단자와 (-)단자가 각각 제2 리드부(32)의 제2 파워 리드(321) 및 제1 리드부(31)의 제1 파워 리드(311)에 연결되면, 전력원으로부터 경로 ①과 같이 제2 파워리드(321)를 통해 스위칭 소자(S1)에 해당하는 제2 전력 반도체 소자(22)로 제공된다. 경로 ②와 같이 제2 전력 반도체 소자(22)를 통과한 전류는 제1 리드부(31)의 제3 파워리드(314)와 제2 리드부(32)의 제4 파워리드(324)가 접속된 교류 전력 출력 영역(A)을 통해 경로 ③과 같이 제공된다. 교류 전력 출력 영역(A)을 형성하는 제3 파워리드(314) 및 제4 파워리드(324)는 모터와 접속될 수 있다. 제3 파워리드(314) 및 제4 파워리드(324)가 접속된 교류 전력 출력 영역(A)에서 스위칭 소자(S2)로 흐르는 전류는 경로 ③과 같이 스위칭 소자(S4)에 해당하는 제1 전력 반도체 소자(21)로 제공되고, 경로 ④와 같이 제1 전력 반도체 소자(21)를 통과한 전류는 경로 ⑤와 같이 제1 파워 리드(311)를 통해 전력원으로 흐르게 된다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 제조 방법을 단계별도 도시한 공정 사시도이다.
도 7에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 제조 방법은, 상부 리드 프레임(310), 하부 리드 프레임(320), 제1 전력 반도체 소자(21), 제2 전력 반도체 소자(22) 및 유전체층을 갖는 기판(10)을 마련하는 단계로부터 시작될 수 있다. 이 단계에서, 기판(10)과 전력 반도체 소자(21, 22) 사이, 기판(10)과 리드 프레임(310, 320) 사이 또는 리드 프레임(310, 320) 사이에 전기적 접속이 요구되는 부분에 개재되는 솔더(S)도 함께 마련될 수 있으며, 상부 리드 프레임(310)에 포함된 제1 파워 리드와 하부 리드 프레임(320)에 마련된 제2 파워 리드 사이에 개재될 절연층(40)도 마련될 수 있다.
상부 리드 프레임(310)은 도 1 내지 도 3에 도시된 제1 리드부(31)가 사전 설정된 배치 구조로 배치되어 프레임으로 고정된 것에 해당하며, 하부 리드 프레임(320)은 도 1 내지 도 3에 도시된 제2 리드부(32)가 사전 설정된 배치 구조로 배치되어 프레임으로 고정된 것에 해당한다.
이어, 도 8에 도시된 것과 같이, 상부 리드 프레임(310), 제1 전력 반도체 소자(21), 기판(10), 제2 전력 반도체 소자(22) 및 하부 리드 프레임(320)을 순차적으로 적층하고 솔더링하여 접합함으로써 각 요소 간 전기적 접속을 형성하는 단계가 진행된다. 이 때, 절연층(40)은 제1 파워 리드와 제2 파워 리드 사이에 배치되어 그 상면이 제1 파워 리드에 접촉되고 그 하면이 제2 파워 리드에 접촉될 수 있다. 상부 리드 프레임(310)과 하부 리드 프레임(320)을 사전 설정된 위치로 배치하면 제1 파워 리드와 제2 파워 리드는 상호 상하방향으로 중첩되게 배치될 수 있고, 그 사이에 절연층(40)을 삽입할 수 있다. 도 8에는 절연층(40)의 배치 구조가 개략적으로 도시되나, 그 구체적인 구조는 도 1 내지 도 3에 도시된 절연층(40)의 배치 구조를 참조하면 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
또한, 도 8에 도시된 솔더링 하는 단계에서, 도 1 내지 도 3의 'A'로 표시된 상호 접합 영역에서도 솔더링을 통한 전기적 접속이 이루어져 제1 전력 반도체 소자(21)와 제2 전력 반도체 소자(22)가 전기적으로 접속된다.
이어, 도 9에 도시된 것과 같이, 상부 리드 프레임(310)의 제1 신호 연결 리드(312)와 제1 전력 반도체 소자의 신호 단자 사이를 본딩 와이어(60)를 이용하여 본딩하고, 하부 리드 프레임(320)의 제2 신호 연결 리드(322)와 제2 전력 반도체 소자(22)의 신호 단자 사이를 와이어 본딩할 수 있다.
이어, 도 10에 도시한 것과 같이, 도 8의 솔더링 하는 단계에 의해 형성된 적층 구조물 및 도 9의 와이어 본딩하는 단계를 통해 형성된 와이어 본딩부를 커버하도록 몰드부(50)를 형성할 수 있다. 도 10에 도시된 몰드부를 형성하는 단계에서는 트랜스퍼 몰딩 기법과 같이 당 기술분야에 공지된 몰딩 기법이 적용될 수 있다. 특히, 몰드부를 형성하는 단계에서는 상부 리드 프레임의 상부면 일부와 하부 리드 프레임의 하부면 일부를 몰드부(50) 외곽으로 노출되도록 몰드부(50)를 형성할 수 있다.
이어, 도 11에 도시한 것과 같이, 상부 리드 프레임(310) 및 하부 리드 프레임(320)의 사전 설정 영역을 분리 제거하여 파워 모듈을 완성할 수 있다. 사전 설정 영역을 분리 제거하는 단계는 파워 모듈 구조에서 필요하지 않은 상부 리드 프레임(310) 및 하부 리드 프레임(320)의 프레임부를 제거하여 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 제1 리드부(31)와 제2 리드부(32)의 최종 형상을 완성하는 단계이다.
파워 모듈에서 요구되지 않는 불필요한 일부분을 상부 리드 프레임(310) 및 하부 리드 프레임(320)의 일부를 제거하는 과정은 몰드부를 형성하는 과정 이전에 필요에 따라 추가 수행될 수도 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 파워 모듈 및 그 제조 방법은, 유전체를 포함하는 기판의 상하에 전력 반도체 소자를 배치함으로써 기판의 금속층을 통해 전류가 흐를 때 금속층 사이에 배치된 유전체층을 통해 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있다. 또한, 파워 모듈에 직류 전력을 공급하는 두 파워 리드 사이에 절연층을 개재하여 두 파워 리드가 대면하는 형태를 가지므로 절연층에 의한 기생 인덕턴스 감소 효과도 기대할 수 있다.
또한, 기판 상하로 전력 반도체 소자를 배치하므로 전력 반도체 소자의 상하에 충분한 공간을 확보할 수 있으므로 양 기판 사이에 전력 반도체 소자를 배치하는 종래의 파워 모듈에 비하여 본딩 와이어와 기판의 간섭 발생을 제거할 수 있으며, 두 기판 사이의 거리를 확보하기 위한 스페이서를 제거할 수 있다.
또한, 양 기판 사이에 전력 반도체 소자를 배치하는 종래의 파워 모듈은 1차 솔더링 및 와이어 본딩 공정을 수행 후 다시 2차 솔더링을 하여야 하므로 솔더의 재용융 등에 의한 신뢰성 저하의 문제가 발생하지만, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 파워 모듈 및 그 제조 방법은, 솔더링 회수를 1회로 감소시켜 재용융에 의한 신뢰성 저하를 해소하고 공정 원가도 저감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 기판 11: 유전체층
12, 13: 금속층 21: 제1 전력 반도체 소자
22: 제1 전력 반도체 소자 31: 제1 리드부
311: 제1 파워 리드 312: 제1 신호 연결 리드
313: 제1 평탄면 314: 제3 파워 리드
32: 제2 리드부 321: 제2 파워 리드
322: 제2 신호 연결 리드 323: 제2 평탄면
324: 제4 파워 리드 310: 상부 리드 프레임
320: 하부 리드 프레임 40: 절연층
50: 몰드부 60: 본딩 와이어

Claims (11)

  1. 유전체층을 갖는 기판;
    상기 기판의 상부에 배치된 제1 전력 반도체 소자; 및
    상기 기판의 하부에 배치된 제2 전력 반도체 소자;
    를 포함하는 파워 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전력 반도체 소자의 상부에 배치되어 상기 제1 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결된 제1 리드부; 및
    상기 제2 전력 반도체 소자의 하부에 배치되어 상기 제2 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결된 제2 리드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 리드부와 상기 제2 리드부 각각은 직류 전압을 인가 받기 위한 제1 파워 리드 및 제2 파워 리드를 포함하며, 상기 제1 파워 리드와 상기 제2 파워리드는 서로 상하로 중첩되게 배치되고 상기 제1 파워 리드와 상기 제2 파워리드 사이에는 절연층이 개재된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 리드부의 일부분과 상기 제2 리드부의 일부분이 상호 접속되어 상기 제1 전력 반도체 소자와 상기 제2 전력 반도체 소자 사이의 전기적 연결이 형성되는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 기판은 상기 유전체층과 상기 절연층의 상면에 형성된 제1 도전층 및 상기 절연층의 상면에 형성된 제2 도전층을 가지며,
    상기 제1 도전층과 상기 제1 전력 반도체 소자 사이의 일부분, 상기 제1 도전층과 상기 제1 리드부 사이의 일부분 및 상기 제1 전력 반도체 소자와 상기 제1 리드부 사이의 일부분은 솔더링에 의해 상호 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 도전층과 상기 제2 전력 반도체 소자 사이의 일부분, 상기 제2 도전층과 상기 제2 리드부 사이의 일부분 및 상기 제2 전력 반도체 소자와 상기 제2 리드부 사이의 일부분은 솔더링에 의해 상호 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 리드부는 상부로 돌출된 제1 평탄면을 가지며 상기 제2 리드부는 하부로 돌출된 제2 평탄면을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판, 상기 제1 전력 반도체 소자, 상기 제2 전력 반도체 소자, 상기 제1 리드부의 일부 및 상기 제2 리드부의 일부를 일체로 커버하는 몰드부를 더 포함하며, 상기 제1 평탄면과 상기 제2 평탄면은 상기 몰드부 밖으로 노출된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  8. 상부 리드 프레임, 하부 리드 프레임, 제1 전력 반도체 소자, 제2 전력 반도체 소자 및 유전체층을 갖는 기판을 마련하는 단계;
    상기 상부 리드 프레임, 상기 제1 전력 반도체 소자, 상기 기판, 상기 제2 전력 반도체 소자 및 상기 하부 리드 프레임을 순차적으로 적층하고 솔더링하는 단계;
    상기 상부 리드 프레임의 제1 신호 연결 리드와 상기 제1 전력 반도체 소자의 신호 단자 사이를 와이어 본딩하고, 상기 하부 리드 프레임의 제2 신호 연결 리드와 상기 제2 전력 반도체 소자의 신호 단자 사이를 와이어 본딩하는 단계;
    상기 솔더링 하는 단계에 의해 형성된 적층 구조물 및 상기 와이어 본딩하는 단계를 통해 형성된 와이어 본딩부를 커버하도록 몰드부를 형성하는 단계; 및
    상기 상부 리드 프레임 및 상기 하부 리드 프레임의 사전 설정 영역을 분리 제거하여 파워 모듈을 완성하는 단계;
    를 포함하는 파워 모듈 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 솔더링하는 단계는,
    직류 전압이 그 사이에 인가되는 상기 상부 리드 프레임에 포함된 제1 파워 리드와 상기 하부 리드 프레임에 포함된 제2 파워 리드를 서로 상하로 중첩되게 배치하고, 상기 제1 파워 리드와 상기 제2 파워리드 사이에 절연층을 개재하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 솔더링하는 단계는,
    상기 상부 리드 프레임의 일부와 상기 하부 리드 프레임의 일부를 상호 솔더링하여 상기 제1 전력 반도체 소자와 상기 제2 전력 반도체 소자 사이에 전기적 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈 제조 방법.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 몰드부를 형성하는 단계는,
    상기 상부 리드 프레임의 상부면의 적어도 일부 및 상기 하부 리드 프레임의 하부면의 적어도 일부가 노출되도록 상기 몰드부를 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈 제조 방법.
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