KR20220013664A - Power module - Google Patents

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이지형
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Abstract

The present invention relates to a power module, comprising a ceramic substrate and a heat sink having a multilayer structure soldered to a lower surface of the ceramic substrate. The thickness of the heat sink is 0.1 to 0.9 mm. Although the present invention has a multi-layer structure, it is possible to manufacture the power module with a thin thickness of 0.9 mm or less. By lowering coefficient of thermal expansion through bonding of different materials, it is possible to prevent warping during soldering bonding with a ceramic substrate. By having excellent thermal conductivity in the power module, high heat dissipation requirements can be satisfied.

Description

파워모듈{POWER MODULE}Power module {POWER MODULE}

본 발명은 파워모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력 전력 반도체 칩을 적용하여 성능을 개선한 파워모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a power module, and more particularly, to a power module having improved performance by applying a high output power semiconductor chip.

파워모듈은 하이브리드 자동차, 전기차 등의 모터 구동을 위해 고전압 전류를 공급하기 위해 사용된다.The power module is used to supply high voltage current to drive motors such as hybrid vehicles and electric vehicles.

파워모듈 중 양면 냉각 파워모듈은 반도체 칩의 상, 하부에 각각 기판을 설치하고 그 기판의 외측면에 각각 방열판을 구비한다. 양면 냉각 파워모듈은 단면에 방열판을 구비하는 단면 냉각 파워모듈에 비해 냉각 성능이 우수하여 점차 그 사용이 증가하는 추세이다.Among the power modules, the double-sided cooling power module has a substrate on top and a bottom of a semiconductor chip, respectively, and a heat sink on the outer surface of the substrate. The double-sided cooling power module has an excellent cooling performance compared to a single-sided cooling power module having a heat sink on one side, and thus its use is gradually increasing.

전기차 등에 사용되는 양면 냉각 파워모듈은 두 기판의 사이에 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등의 전력 반도체 칩이 실장되므로 고전압으로 인해 높은 발열과 주행 중 진동이 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 고강도와 고방열 특성을 동시에 만족시키는 것이 중요하다.Double-sided cooling power modules used in electric vehicles, etc., have power semiconductor chips such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) mounted between the two substrates. It is important to satisfy both high strength and high heat dissipation characteristics at the same time.

특허문헌 1: 등록특허공보 제1836658호(2018.03.02 등록)Patent Document 1: Registered Patent Publication No. 1836658 (registered on March 2, 2018)

본 발명의 목적은 고강도와 고방열 특성을 가지고, 접합 특성이 우수하며, 전류 경로를 최소화하여 부피를 줄일 수 있으며 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 파워모듈을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a power module that has high strength and high heat dissipation characteristics, has excellent bonding characteristics, can reduce a volume by minimizing a current path, and can improve efficiency and performance.

본 발명의 다른 목적은 열적 특성을 확보할 수 있도록 이종 재질의 다층 구조를 적용하여 저열팽창 계수를 갖고 경박 단소 제품에 적용이 가능하도록 0.9mm 이하의 얇은 두께로 제조가 가능한 방열판을 포함하는 파워모듈을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to have a low coefficient of thermal expansion by applying a multi-layer structure of different materials to secure thermal properties, and a power module comprising a heat sink that can be manufactured to a thin thickness of 0.9 mm or less so as to be applicable to lightweight, thin and small products. is to provide

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 하부 세라믹기판과 하부 세라믹기판의 상부에 이격되게 배치되고 하면에 반도체 칩이 실장되는 상부 세라믹기판과 하부 세라믹기판의 하면에 솔더링 접합되고 다층 구조로 이루어지는 방열판을 포함하고, 방열판의 두께는 0.1mm~0.9mm이다.According to a feature of the present invention for achieving the object as described above, the present invention provides a lower surface of the upper ceramic substrate and the lower ceramic substrate, on which the semiconductor chip is mounted on the lower surface and spaced apart from the upper ceramic substrate. It includes a heat sink that is soldered and has a multi-layer structure, and the thickness of the heat sink is 0.1 mm to 0.9 mm.

방열판은 금속시트와 금속시트의 상면에 브레이징 접합된 제1 금속층과 금속시트의 하면에 브레이징 접합된 제2 금속층을 포함하며, 제1 금속층과 제2 금속층은 동일 금속재질로 형성되고, 금속시트는 제1 금속층 및 제2 금속층과 다른 금속재질로 형성된다.The heat sink includes a metal sheet and a first metal layer brazed to the upper surface of the metal sheet and a second metal layer brazed to the lower surface of the metal sheet, the first metal layer and the second metal layer are formed of the same metal material, and the metal sheet includes It is formed of a metal material different from that of the first metal layer and the second metal layer.

금속시트의 열팽창 계수는 제1 금속층 및 제2 금속층의 열팽창 계수에 비해 작다.The thermal expansion coefficient of the metal sheet is smaller than the thermal expansion coefficients of the first metal layer and the second metal layer.

금속시트의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나이고, 제1 금속층 및 제2 금속층의 재질은 Cu이다.The material of the metal sheet is any one of CuMo and Mo, and the material of the first metal layer and the second metal layer is Cu.

제1 금속층 및 제2 금속층은 금속이 용융된 용탕에 금속시트를 침지하여 코팅한 후 압연하여 형성된다.The first metal layer and the second metal layer are formed by dipping and coating a metal sheet in a molten metal, followed by rolling.

방열판은 열팽창 계수가 6.8~12.0ppm/K이고, 열전도도가 200~280W/m.K인 열적 특성을 가진다.The heat sink has thermal properties of a coefficient of thermal expansion of 6.8 to 12.0 ppm/K and a thermal conductivity of 200 to 280 W/m.K.

하부 세라믹기판의 상부에 반도체 칩이 실장된 상부 세라믹기판을 배치하는 단계와 다층 구조로 이루어지는 방열판을 준비하는 단계와 다층 구조로 이루어지는 방열판을 하부 세라믹기판의 하면에 솔더링 접합하는 단계를 포함한다.Disposing an upper ceramic substrate on which a semiconductor chip is mounted on the lower ceramic substrate, preparing a heat sink having a multi-layer structure, and soldering the heat sink having a multi-layer structure to the lower surface of the lower ceramic substrate.

다층 구조로 이루어지는 방열판을 준비하는 단계는, 금속시트를 준비하는 단계와 금속이 용융된 용탕에 금속시트를 침지하여 금속시트의 상면과 하면에 금속층을 코팅하는 단계와 금속층이 코팅된 금속시트를 경화시키고 압연하는 단계를 포함한다.The step of preparing a heat sink having a multi-layer structure includes the steps of preparing a metal sheet, immersing the metal sheet in a molten metal to coat the metal layer on the upper and lower surfaces of the metal sheet, and curing the metal sheet coated with the metal layer. and rolling.

금속시트를 준비하는 단계에서, 금속시트는 CuMo, Mo 중 하나의 금속시트를 준비한다.In the step of preparing the metal sheet, the metal sheet prepares one of CuMo and Mo.

금속이 용융된 용탕에 금속시트를 침지하여 금속시트의 상면과 하면에 금속층을 코팅하는 단계에서, 금속이 용융된 용탕은 Cu를 용융한 것이다.In the step of immersing the metal sheet in the molten metal and coating the metal layer on the upper and lower surfaces of the metal sheet, the molten metal is Cu molten.

금속층이 코팅된 금속시트를 경화시키고 압연하는 단계에서, 압연은 780℃에서 900℃의 온도에서 수행한다.In the step of curing and rolling the metal sheet coated with the metal layer, the rolling is performed at a temperature of 780°C to 900°C.

본 발명은 고강도와 고방열 특성을 가지고, 접합 특성이 우수하며, 전류 경로를 최소화하여 부피를 줄일 수 있으며 고속 스위칭에 최적화되어 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention has high strength and high heat dissipation characteristics, has excellent bonding characteristics, can reduce a volume by minimizing a current path, and is optimized for high-speed switching to improve efficiency and performance.

또한 본 발명은 이종 재질의 접합을 통해 열팽창 계수를 낮추므로 세라믹기판과 솔더링 접합시 휨을 방지할 수 있고, 우수한 열전도도를 가져 파워모듈에서 요구하는 고방열 조건을 만족할 수 있으며, 도금압연법을 이용한 브레이징 접합기술을 이용하여 이종 재질의 견고한 접합이 가능하고 0.9mm 이하의 얇은 두께로 제조가 가능하므로 경박단소 제품에도 적용이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention lowers the coefficient of thermal expansion through bonding of dissimilar materials, so it is possible to prevent warpage during soldering bonding with a ceramic substrate, and has excellent thermal conductivity to satisfy high heat dissipation conditions required by power modules, and using the plating rolling method Using brazing bonding technology, solid bonding of different materials is possible, and since it can be manufactured with a thickness of 0.9 mm or less, it has the effect of being applicable to light, thin and short products.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하우징을 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판에 연결핀이 결합된 상태를 보인 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 PCB 기판의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예로 하우징에 방열판이 조립된 상태를 보인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열판을 하부 세라믹기판을 접합하는 모습을 보인 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 파워모듈에서 방열판 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a perspective view showing a shape of a power module according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view showing the shape of a power module according to an embodiment of the present invention.
3 is a side cross-sectional view of a power module according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view showing a housing according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view illustrating a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing an upper surface and a lower surface of a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
7 is a perspective view for explaining an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing an upper surface and a lower surface of an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
9 is a perspective view illustrating a state in which a connection pin is coupled to an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
10 is a plan view of a PCB substrate according to an embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view illustrating a state in which a heat sink is assembled to a housing according to another embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional view illustrating a state in which a lower ceramic substrate is bonded to a heat sink according to another embodiment of the present invention.
13 is a view for explaining a method of manufacturing a heat sink in a power module according to another embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 분해 사시도이다.1 is a perspective view showing a shape of a power module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view showing a shape of a power module according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈(10)은 하우징(100)에 파워모듈을 이루는 각종 구성품을 수용하여 형성한 패키지 형태의 전자부품이다. 파워모듈(10)은 하우징(100) 안에 기판 및 소자를 배치하여 보호하는 형태로 형성된다. 1 and 2 , the power module 10 according to the embodiment of the present invention is an electronic component in the form of a package formed by accommodating various components constituting the power module in a housing 100 . The power module 10 is formed in such a way that a substrate and elements are disposed in the housing 100 to protect it.

파워모듈(10)은 다수의 기판 및 다수의 반도체 칩을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 파워모듈(10)은 하우징(100), 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300), PCB 기판(400) 및 방열판(500)을 포함한다.The power module 10 may include a plurality of substrates and a plurality of semiconductor chips. The power module 10 according to the embodiment includes a housing 100 , a lower ceramic substrate 200 , an upper ceramic substrate 300 , a PCB substrate 400 , and a heat sink 500 .

하우징(100)은 중앙에 상하로 개구되는 빈 공간이 형성되며 양측에 제1 단자(610)와 제2 단자(620)가 위치된다. 하우징(100)은 중앙의 빈 공간에 방열판(500), 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300) 및 PCB 기판(400)이 상하 일정 간격을 두고 순차적으로 적층되며, 양측의 제1 단자(610)와 제2 단자(620)에 외부 단자를 연결하기 위한 지지볼트(630)가 체결된다. 제1 단자(610)와 제2 단자(620)는 전원의 입출력단으로 사용된다.The housing 100 has an empty space opened vertically in the center, and the first terminal 610 and the second terminal 620 are positioned on both sides. In the housing 100, a heat sink 500, a lower ceramic substrate 200, an upper ceramic substrate 300, and a PCB substrate 400 are sequentially stacked at regular intervals in the top and bottom in an empty space in the center, and the first terminals on both sides A support bolt 630 for connecting an external terminal to the 610 and the second terminal 620 is fastened. The first terminal 610 and the second terminal 620 are used as input/output terminals of power.

도 2에 도시된 바에 의하면, 파워모듈(10)은 하우징(100)의 중앙의 빈 공간에 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300), PCB 기판(400)이 순차적으로 수용된다. 구체적으로, 하우징(100)의 하면에 방열판(500)이 배치되고, 방열판(500)의 상면에 하부 세라믹기판(200)이 부착되고, 하부 세라믹기판(200)의 상부에 상부 세라믹기판(300)이 일정 간격을 두고 배치되며, 상부 세라믹기판(300)의 상부에 PCB 기판(400)이 일정 간격을 두고 배치된다.As shown in FIG. 2 , in the power module 10 , a lower ceramic substrate 200 , an upper ceramic substrate 300 , and a PCB substrate 400 are sequentially accommodated in an empty space in the center of the housing 100 . Specifically, the heat sink 500 is disposed on the lower surface of the housing 100, the lower ceramic substrate 200 is attached to the upper surface of the heat sink 500, and the upper ceramic substrate 300 is on the upper side of the lower ceramic substrate 200. These are arranged at a predetermined interval, and the PCB substrate 400 is arranged at a predetermined interval on the upper ceramic substrate 300 .

하우징(100)에 PCB 기판(400)이 배치된 상태는 PCB 기판(400)의 가장자리에 요입되게 형성된 안내홈(401,402)과 안내홈(401,402)에 대응되게 하우징(100)에 형성된 안내리브(101) 및 걸림턱(102)에 의해 고정될 수 있다. 실시예에 따른 PCB 기판(400)은 가장자리를 둘러 다수 개의 안내홈(401,402)이 형성되고, 이들 중 일부의 안내홈(401)은 하우징(100)의 내측면에 형성된 안내리브(101)가 안내되고 이들 중 나머지 일부의 안내홈(402)은 하우징(100)의 내측면에 형성된 걸림턱(102)이 통과되어 걸어진다. The state in which the PCB substrate 400 is disposed in the housing 100 is the guide grooves 401 and 402 formed to be recessed into the edge of the PCB substrate 400 and the guide ribs 101 formed in the housing 100 to correspond to the guide grooves 401 and 402 . ) and the locking jaw 102 may be fixed. A plurality of guide grooves 401 and 402 are formed around the edge of the PCB substrate 400 according to the embodiment, and some of the guide grooves 401 are guided by the guide rib 101 formed on the inner surface of the housing 100 . and the guide groove 402 of the remaining part of them is hung through the locking protrusion 102 formed on the inner surface of the housing 100 .

또는, 하우징(100)의 중앙의 빈 공간에 방열판(500), 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300)이 수용되고, 그 상면에 PCB 기판(400)이 배치된 상태는 체결볼트(미도시)로 고정될 수도 있다. 그러나, 하우징(100)에 PCB 기판(400)을 걸림턱 구조로 고정하는 것이 체결볼트로 고정하는 경우 대비 조립 시간을 줄이고 조립 공정이 간편하다.Alternatively, the heat sink 500, the lower ceramic substrate 200, and the upper ceramic substrate 300 are accommodated in the empty space in the center of the housing 100, and the state in which the PCB substrate 400 is disposed on the upper surface is a fastening bolt ( (not shown) may be fixed. However, fixing the PCB substrate 400 to the housing 100 in a clasp structure reduces the assembly time and simplifies the assembly process compared to the case of fixing with a fastening bolt.

하우징(100)은 네 모서리에 체결공(103)이 형성된다. 체결공(103)은 방열판(500)에 형성된 연통공(501)과 연통된다. 체결공(103)과 연통공(501)을 관통하여 고정볼트(150)가 체결되고, 체결공(103)과 연통공(501)을 관통한 고정볼트(150)의 단부는 방열판(500)의 하면에 배치될 고정지그의 고정공에 체결될 수 있다. The housing 100 has fastening holes 103 formed at four corners. The fastening hole 103 communicates with the communication hole 501 formed in the heat sink 500 . The fixing bolt 150 is fastened through the fastening hole 103 and the communication hole 501 , and the end of the fixing bolt 150 passing through the fastening hole 103 and the communication hole 501 is the heat sink 500 . It may be fastened to a fixing hole of a fixing jig to be disposed on the lower surface.

제1 단자(610)와 제2 단자(620)에 버스바(700)가 연결된다. 버스바(700)는 제1 단자(610)와 제2 단자(620)를 상부 세라믹기판(300)과 연결한다. 버스바(700)는 3개가 구비되며, 하나는 제1 단자(610) 중 +단자를 상부 세라믹기판(300)의 제1 전극 패턴(a)과 연결하고, 다른 하나는 제1 단자(610) 중 -단자를 제3 전극 패턴(c)과 연결하며, 나머지 하나는 제2 단자(620)를 제2 전극 패턴(b)과 연결한다. 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b) 및 제3 전극 패턴(c)은 후술할 도 7을 참조한다.The bus bar 700 is connected to the first terminal 610 and the second terminal 620 . The bus bar 700 connects the first terminal 610 and the second terminal 620 to the upper ceramic substrate 300 . There are three bus bars 700 , one connecting the + terminal of the first terminals 610 to the first electrode pattern a of the upper ceramic substrate 300 , and the other connecting the first terminal 610 . The middle - terminal is connected to the third electrode pattern (c), and the other one connects the second terminal (620) to the second electrode pattern (b). The first electrode pattern (a), the second electrode pattern (b), and the third electrode pattern (c) will be described later with reference to FIG. 7 .

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 측단면도이다.3 is a side cross-sectional view of a power module according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바에 의하면, 파워모듈(10)은 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 복층 구조이며, 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 반도체 칩(G)이 위치된다. 반도체 칩(G)은 GaN(Gallium Nitride) 칩, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field Effect Transistor), HEMT(High Electric Mobility Transistor) 중 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 반도체 칩(G)은 GaN 칩을 사용한다. GaN(Gallium Nitride) 칩(G)은 대전력(300A) 스위치 및 고속(~1MHz) 스위치로 기능하는 반도체 칩이다. GaN 칩(G)은 기존의 실리콘 기반 반도체 칩보다 열에 강하면서 칩의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다. As shown in FIG. 3 , the power module 10 has a multilayer structure of a lower ceramic substrate 200 and an upper ceramic substrate 300 , and a semiconductor chip between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 . (G) is located. The semiconductor chip (G) is any one of GaN (Gallium Nitride) chip, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET (Junction Field Effect Transistor), HEMT (High Electric Mobility Transistor) However, preferably, the semiconductor chip (G) uses a GaN chip. The GaN (Gallium Nitride) chip (G) is a semiconductor chip that functions as a high-power (300A) switch and a high-speed (~1MHz) switch. The GaN chip (G) has the advantage of being stronger in heat than the conventional silicon-based semiconductor chip and reducing the size of the chip.

또한, GaN 칩(G)은 높은 전자이동도, 높은 전자밀도 특성으로 고속 스위치가 가능하고 소형화가 가능해 고성능 및 고효율화에 최적화된 전력 반도체 칩이다. 또한, GaN 칩(G)은 고온에서도 안정적으로 동작하며 고출력 특성을 가져 고효율화가 가능하다 In addition, the GaN chip (G) is a power semiconductor chip optimized for high performance and high efficiency due to its high electron mobility and high electron density, allowing high-speed switching and miniaturization. In addition, the GaN chip (G) operates stably even at high temperatures and has high output characteristics, enabling high efficiency.

하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)은 반도체 칩(G)으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹기재와 세라믹기재의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층을 포함하는 세라믹기판으로 형성된다. The lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 are formed of a ceramic substrate including a metal layer brazed to at least one surface of the ceramic substrate and the ceramic substrate to increase the heat dissipation efficiency of the heat generated from the semiconductor chip (G). do.

세라믹기재는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있다. 금속층은 세라믹기재 상에 브레이징 접합된 금속박으로 반도체 칩(G)을 실장하는 전극 패턴 및 구동소자를 실장하는 전극 패턴으로 각각 형성된다. 예컨데, 금속층은 반도체 칩(G) 또는 주변 부품이 실장될 영역에 전극 패턴으로 형성된다. 금속박은 알루미늄박 또는 동박인 것을 일 예로 한다. 금속박은 세라믹기재 상에 780℃~1100℃로 소성되어 세라믹기재와 브레이징 접합된 것을 일 예로 한다. 이러한 세라믹기판을 AMB(Active Metal Brazing) 기판이라 한다. 실시예는 AMB 기판을 예로 들어 설명하나 DBC(Direct Bonding Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판(Direct Brazed Aluminum)을 적용할 수도 있다. 그러나 내구성 및 방열 효율면에서 AMB 기판이 가장 적합하다. 상기한 이유로, 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)은 AMB 기판임을 일 예로 한다.The ceramic substrate may be, for example, any one of alumina (Al 2 O 3 ), AlN, SiN, and Si 3 N 4 . The metal layer is formed of an electrode pattern for mounting a semiconductor chip (G) and an electrode pattern for mounting a driving element, respectively, with a metal foil brazed on a ceramic substrate. For example, the metal layer is formed as an electrode pattern in the region where the semiconductor chip G or peripheral components are to be mounted. The metal foil may be an aluminum foil or a copper foil as an example. As an example, the metal foil is fired at 780° C. to 1100° C. on a ceramic substrate and brazed to the ceramic substrate. Such a ceramic substrate is called an AMB (Active Metal Brazing) substrate. Although the embodiment is described by taking an AMB substrate as an example, a DBC (Direct Bonding Copper) substrate, a TPC (Thick Printing Copper) substrate, and a DBA substrate (Direct Brazed Aluminum) may be applied. However, in terms of durability and heat dissipation efficiency, AMB substrates are most suitable. For the above reasons, the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 are AMB substrates as an example.

PCB 기판(400)은 상부 세라믹기판(300)의 상부에 배치된다. 즉, 파워모듈(10)은 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400)의 3층 구조로 구성된다. 고전력용 제어를 위한 반도체 칩(G)을 상부 세라믹기판(200)과 하부 세라믹기판(300)의 사이에 배치하여 방열 효율을 높이고, 저전력용 제어를 위한 PCB 기판(400)을 최상부에 배치하여 반도체 칩(G)에서 발생하는 열로 인한 PCB 기판(400)의 손상을 방지한다. 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300), PCB 기판(400)은 핀으로 연결 또는 고정될 수 있다.The PCB substrate 400 is disposed on the upper ceramic substrate 300 . That is, the power module 10 has a three-layer structure of a lower ceramic substrate 200 , an upper ceramic substrate 300 , and a PCB substrate 400 . The semiconductor chip (G) for high power control is disposed between the upper ceramic substrate 200 and the lower ceramic substrate 300 to increase heat dissipation efficiency, and the PCB substrate 400 for low power control is disposed on the uppermost part of the semiconductor Prevents damage to the PCB substrate 400 due to heat generated from the chip (G). The lower ceramic substrate 200 , the upper ceramic substrate 300 , and the PCB substrate 400 may be connected or fixed with pins.

방열판(500)은 하부 세라믹기판(200)의 하부에 배치된다. 방열판(500)은 반도체 칩(G)에서 발생하는 열의 방열을 위한 것이다. 방열판(500)은 소정의 두께를 가지는 사각 플레이트 형상으로 형성된다. 방열판(500)은 하우징(100)과 대응되는 면적으로 형성되며 방열 효율을 높이기 위해 구리 또는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.The heat sink 500 is disposed under the lower ceramic substrate 200 . The heat sink 500 is for dissipating heat generated in the semiconductor chip (G). The heat sink 500 is formed in the shape of a square plate having a predetermined thickness. The heat sink 500 has an area corresponding to the housing 100 and may be formed of copper or aluminum to increase heat dissipation efficiency.

이하에서는 본 발명의 파워모듈의 각 구성별 특징을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 파워모듈의 각 구성별 특징을 설명하는 도면에서는 각 구성별 특징을 강조하기 위해 도면을 확대하거나 과장하여 표현한 부분이 있으므로 도 1에 도시된 기본 도면과 일부 일치하지 않는 부분이 있을 수 있다. Hereinafter, the characteristics of each configuration of the power module of the present invention will be described in more detail. In the drawings for explaining the characteristics of each configuration of the power module, there are parts that are enlarged or exaggerated to emphasize the characteristics of each configuration, so there may be parts that do not match the basic drawings shown in FIG. 1 .

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하우징을 보인 사시도이다.4 is a perspective view showing a housing according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바에 의하면, 하우징(100)은 중앙에 빈 공간이 형성되며, 양단에 제1 단자(610)와 제2 단자(620)가 위치된다. 하우징(100)은 양단에 제1 단자(610)와 제2 단자(620)가 일체로 고정되게 인서트 사출 방식으로 형성될 수 있다.As shown in FIG. 4 , an empty space is formed in the center of the housing 100 , and a first terminal 610 and a second terminal 620 are positioned at both ends. The housing 100 may be formed by an insert injection method such that the first terminal 610 and the second terminal 620 are integrally fixed at both ends.

기존의 파워모듈은 이격된 회로를 연결하기 위해 하우징에 연결핀을 인서트 사출하여 적용하고 있으나, 본 실시예는 하우징(100)의 제조시 연결핀을 제외하여 제조한 형상을 갖는다. 이는 하우징(100)의 내부에 연결핀이 위치하지 않음으로써 형상을 단순화하여 파워모듈의 비틀림 모멘트에 유연성을 향상시킨다.Existing power modules are applied by inserting and injecting connecting pins into the housing to connect spaced circuits, but this embodiment has a shape manufactured by excluding the connecting pins when the housing 100 is manufactured. This simplifies the shape because the connecting pin is not located inside the housing 100 to improve flexibility in the torsional moment of the power module.

하우징(100)은 네 모서리에 체결공(103)이 형성된다. 체결공(103)은 방열판(500)에 형성된 연통공(501)과 연통된다. 제1 단자(610)와 제2 단자(620)에는 지지공(104)이 형성된다. 지지공(104)에는 제1 단자(610) 및 제2 단자(620)를 모터 등의 외부 단자와 연결하기 위한 지지볼트(630)가 체결된다.The housing 100 has fastening holes 103 formed at four corners. The fastening hole 103 communicates with the communication hole 501 formed in the heat sink 500 . A support hole 104 is formed in the first terminal 610 and the second terminal 620 . A support bolt 630 for connecting the first terminal 610 and the second terminal 620 to an external terminal such as a motor is fastened to the support hole 104 .

하우징(100)은 단열 재질로 형성된다. 하우징(100)은 반도체 칩(G)에서 발생한 열이 하우징(100)을 통해 상부의 PCB 기판(400)에 전달되지 않도록 단열 재질로 형성될 수 있다. The housing 100 is formed of a heat insulating material. The housing 100 may be formed of a heat insulating material so that heat generated from the semiconductor chip G is not transferred to the PCB substrate 400 above the housing 100 through the housing 100 .

또는 하우징(100)은 방열 플라스틱 재질을 적용할 수 있다. 하우징(100)은 반도체 칩(G)에서 발생한 열이 하우징(100)을 통해 외부로 방열될 수 있도록 방열 플라스틱 재질을 적용할 수 있다. 일예로, 하우징(100)은 엔지니어링 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 엔지니어링 플라스틱은 높은 내열성과 뛰어난 강도, 내약품성, 내마모성을 가지며 150℃ 이상에서 장시간 사용 가능하다. 엔지니어링 플라스틱은 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 변성 폴리페닐렌옥사이드 중 하나의 재료로 된 것일 수 있다. Alternatively, the housing 100 may be made of a heat-dissipating plastic material. The housing 100 may be made of a heat-dissipating plastic material so that heat generated from the semiconductor chip G can be radiated to the outside through the housing 100 . For example, the housing 100 may be formed of an engineering plastic material. Engineering plastics have high heat resistance, excellent strength, chemical resistance, and abrasion resistance, and can be used for a long time at 150℃ or higher. The engineering plastic may be made of one of polyamide, polycarbonate, polyester, and modified polyphenylene oxide.

반도체 칩(G)은 스위치로서 반복 동작을 하는데 그로 인해 하우징(100)은 고온과 온도변화에 스트레스를 받게 되나, 엔지니어링 플라스틱은 고온 안정성이 우수하므로 일반 플라스틱에 비해 고온과 온도변화에 상대적으로 안정적이고 방열 특성도 우수하다.The semiconductor chip (G) operates repeatedly as a switch, which causes the housing 100 to be stressed by high temperature and temperature changes. It also has excellent heat dissipation properties.

실시예는 엔지니어링 플라스틱 소재에 알루미늄 또는 구리로 된 단자를 인서트사출 적용하여 하우징(100)을 제조한 것일 수 있다. 엔지니어링 플라스틱 소재로 된 하우징(100)은 열을 전파시켜 외부로 방열시킨다. 하우징(100)은 수지에 고열 전도율 필러를 충전함으로써 일반 엔지니어링 플라스틱 소재보다 열전도성을 더 높일 수 있고 알루미늄에 비해 경량인 고방열 엔지니어링 플라스틱으로 될 수 있다.In the embodiment, the housing 100 may be manufactured by insert-injecting a terminal made of aluminum or copper to an engineering plastic material. The housing 100 made of an engineering plastic material spreads heat and radiates heat to the outside. The housing 100 may be made of a high heat dissipation engineering plastic that may have higher thermal conductivity than a general engineering plastic material and is lightweight compared to aluminum by filling the resin with a high thermal conductivity filler.

또는, 하우징(100)은 엔지니어링 플라스틱 또는 고강도 플라스틱 소재의 내외부에 그래핀 방열코팅재를 도포하여 방열 특성을 가지도록 한 것일 수 있다. Alternatively, the housing 100 may have heat dissipation properties by applying a graphene heat dissipation coating material to the inside and outside of an engineering plastic or high-strength plastic material.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이다.5 is a perspective view illustrating a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 5에 도시된 바에 의하면, 하부 세라믹기판(200)은 방열판(500)의 상면에 부착된다. 구체적으로, 하부 세라믹기판(200)은 반도체 칩(G)과 방열판(500)의 사이에 배치된다. 하부 세라믹기판(200)은 반도체 칩(G)에서 발생하는 열을 방열판(500)으로 전달하고, 반도체 칩(G)과 방열판(500)의 사이를 절연하여 쇼트를 방지하는 역할을 한다.3 and 5 , the lower ceramic substrate 200 is attached to the upper surface of the heat sink 500 . Specifically, the lower ceramic substrate 200 is disposed between the semiconductor chip G and the heat sink 500 . The lower ceramic substrate 200 transfers heat generated from the semiconductor chip G to the heat sink 500 and insulates between the semiconductor chip G and the heat sink 500 to prevent a short circuit.

하부 세라믹기판(200)은 방열판(500)의 상면에 솔더링 접합될 수 있다. 방열판(500)은 하우징(100)과 대응되는 면적으로 형성되며 방열 효율을 높이기 위해 구리 재질로 형성될 수 있다. 솔더는 SnAg, SnAgCu 등이 사용될 수 있다.The lower ceramic substrate 200 may be soldered to the upper surface of the heat sink 500 . The heat sink 500 is formed in an area corresponding to the housing 100 and may be formed of a copper material to increase heat dissipation efficiency. As the solder, SnAg, SnAgCu, or the like may be used.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.6 is a view showing an upper surface and a lower surface of a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6에 도시된 바에 의하면, 하부 세라믹기판(200)은 세라믹기재(201)와 세라믹기재(201)의 상하면에 브레이징 접합된 금속층(202,203)을 포함한다. 하부 세라믹기판(200)은 세라믹기재(201)의 두께가 0.68t이고, 세라믹기재(201)의 상면과 하면에 형성한 금속층(202,203)의 두께가 0.8t인 것을 일예로 할 수 있다.5 and 6 , the lower ceramic substrate 200 includes a ceramic substrate 201 and metal layers 202 and 203 brazed to upper and lower surfaces of the ceramic substrate 201 . In the lower ceramic substrate 200 , the thickness of the ceramic substrate 201 may be 0.68 t, and the thickness of the metal layers 202 and 203 formed on the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 201 may be 0.8 t.

하부 세라믹기판(200)의 상면(200a)의 금속층(202)은 구동소자를 실장하는 전극 패턴일 수 있다. 하부 세라믹기판(200)에 실장되는 구동소자는 NTC 온도센서(210)일 수 있다. NTC 온도센서(210)는 하부 세라믹기판(200)의 상면에 실장된다. NTC 온도센서(210)는 반도체 칩(G)의 발열로 인한 파워모듈 내의 온도 정보를 제공하기 위한 것이다. 하부 세라믹기판(200)의 하면(200b)의 금속층(203)은 방열판(500)에 열전달을 용이하게 하기 위해 하부 세라믹기판(200)의 하면 전체에 형성될 수 있다.The metal layer 202 of the upper surface 200a of the lower ceramic substrate 200 may be an electrode pattern on which a driving element is mounted. The driving device mounted on the lower ceramic substrate 200 may be an NTC temperature sensor 210 . The NTC temperature sensor 210 is mounted on the upper surface of the lower ceramic substrate 200 . The NTC temperature sensor 210 is to provide temperature information in the power module due to the heat of the semiconductor chip G. The metal layer 203 of the lower surface 200b of the lower ceramic substrate 200 may be formed on the entire lower surface of the lower ceramic substrate 200 to facilitate heat transfer to the heat sink 500 .

하부 세라믹기판(200)에 절연 스페이서(220)가 접합된다. 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)의 상면에 접합되며 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 이격 거리를 규정한다.An insulating spacer 220 is bonded to the lower ceramic substrate 200 . The insulating spacer 220 is bonded to the upper surface of the lower ceramic substrate 200 and defines a separation distance between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 .

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 이격 거리를 규정하여 상부 세라믹기판(300)의 하면에 실장된 반도체 칩(G)에서 발생하는 열의 방열 효율을 높이고, 반도체 칩(G) 간의 간섭을 방지하여 쇼트와 같은 전기적 충격을 방지한다. The insulating spacer 220 defines the separation distance between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 to increase the heat dissipation efficiency of the heat generated by the semiconductor chip (G) mounted on the lower surface of the upper ceramic substrate 300, Interference between the semiconductor chips G is prevented to prevent an electric shock such as a short circuit.

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)의 상면 가장자리를 둘러 소정 간격을 두고 다수 개가 접합된다. 절연 스페이서(220) 간의 간격은 방열 효율을 높이는 공간으로 활용된다. 도면상 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)을 기준으로 할 때 가장자리를 둘러 배치되며, 일예로 8개가 일정 간격을 두고 배치된다.A plurality of insulating spacers 220 are bonded to each other at predetermined intervals around the upper surface edge of the lower ceramic substrate 200 . A gap between the insulating spacers 220 is used as a space to increase heat dissipation efficiency. In the drawing, the insulating spacers 220 are arranged around the edge of the lower ceramic substrate 200 as a reference, and for example, eight insulating spacers 220 are arranged at regular intervals.

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)에 일체로 접합되어 하부 세라믹기판(200)의 상부에 상부 세라믹기판(300)을 배치할 때 얼라인을 확인하는 용도로 적용될 수 있다. 하부 세라믹기판(200)에 절연 스페이서(220)가 접합된 상태에서 그 상부에 반도체 칩(G)이 실장된 상부 세라믹기판(300)을 배치할 때, 절연 스페이서(220)가 상부 세라믹기판(300)의 얼라인을 확인하는 용도로 적용될 수 있다. 또한, 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)을 지지하여 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 휨을 방지하는데 기여한다. The insulating spacer 220 may be integrally bonded to the lower ceramic substrate 200 to confirm alignment when the upper ceramic substrate 300 is disposed on the lower ceramic substrate 200 . When the upper ceramic substrate 300 on which the semiconductor chip G is mounted is disposed in a state in which the insulating spacer 220 is bonded to the lower ceramic substrate 200 , the insulating spacer 220 is formed on the upper ceramic substrate 300 . ) can be applied to check the alignment of In addition, the insulating spacer 220 supports the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 , thereby contributing to preventing bending of the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 .

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)에 실장된 칩과 상부 세라믹기판(300)에 실장된 칩 및 부품 간의 절연을 위해 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 일 예로, 절연 스페이서는 Al2O3, ZTA, Si3N4, AlN 중 선택된 1종 또는 이들 중 둘 이상이 혼합된 합금으로 형성될 수 있다. Al2O3, ZTA, Si3N4, AlN는 기계적 강도, 내열성이 우수한 절연성 재료이다. The insulating spacer 220 may be formed of a ceramic material for insulation between the chip mounted on the lower ceramic substrate 200 and the chip and the component mounted on the upper ceramic substrate 300 . For example, the insulating spacer may be formed of one selected from Al 2 O 3 , ZTA, Si 3 N 4 , and AlN, or an alloy in which two or more thereof are mixed. Al 2 O 3 , ZTA, Si 3 N 4 , and AlN are insulating materials having excellent mechanical strength and heat resistance.

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)에 브레이징 접합된다. 절연 스페이서(220)를 하부 세라믹기판(200)에 솔더링 접합하면 솔더링 또는 가압 소성시 열적 기계적 충격으로 기판이 파손될 수 있으므로 브레이징 접합한다. 브레이징 접합은 AgCu층과 Ti층을 포함한 브레이징 접합층을 이용할 수 있다. 브레이징을 위한 열처리는 780℃~900℃에서 수행할 수 있다. 브레이징 후, 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)의 금속층(202)과 일체로 형성된다. 브레이징 접합층의 두께는 0.005mm~0.08mm로 절연 스페이서의 높이에 영향을 미치치 않을 만큼 얇고 접합 강도는 높다. The insulating spacer 220 is brazed to the lower ceramic substrate 200 . When the insulating spacer 220 is bonded to the lower ceramic substrate 200 by soldering, the substrate may be damaged due to thermal and mechanical shock during soldering or pressurization, so that it is bonded by brazing. For the brazing bonding, a brazing bonding layer including an AgCu layer and a Ti layer may be used. Heat treatment for brazing can be performed at 780°C to 900°C. After brazing, the insulating spacer 220 is integrally formed with the metal layer 202 of the lower ceramic substrate 200 . The thickness of the brazing bonding layer is 0.005 mm to 0.08 mm, which is thin enough not to affect the height of the insulating spacer, and the bonding strength is high.

하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 전도성 스페이서(230)를 설치한다. 전도성 스페이서(230)는 상하 복층 구조의 기판에서 연결핀을 대신하여 전극 패턴 간 전기적 연결을 수행할 수 있다. 전기적 로스(loss) 및 쇼트(shot)를 방지하여 기판 간을 직접 연결함으로써 접합 강도를 높이고 전기적 특성도 개선할 수 있다. 전도성 스페이서(230)는 일단이 브레이징 접합 방식으로 하부 세라믹기판(200)의 전극 패턴에 접합될 수 있다. 또한, 전도성 스페이서(230)는 반대되는 타단이 브레이징 접합 방식 또는 솔더링 접합 방식으로 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴에 접합될 수 있다. 전도성 스페이서(230)는 Cu 또는 Cu+CuMo 합금일 수 있다. A conductive spacer 230 is installed between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 . The conductive spacer 230 may perform electrical connection between electrode patterns in place of a connection pin in a substrate having an upper and lower multilayer structure. It is possible to increase bonding strength and improve electrical properties by directly connecting substrates to each other by preventing electrical loss and short circuit. One end of the conductive spacer 230 may be bonded to the electrode pattern of the lower ceramic substrate 200 by a brazing bonding method. In addition, the other end of the conductive spacer 230 may be bonded to the electrode pattern of the upper ceramic substrate 300 by a brazing bonding method or a soldering bonding method. The conductive spacer 230 may be made of Cu or a Cu+CuMo alloy.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.7 is a perspective view for explaining an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a view showing an upper surface and a lower surface of the upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 7 및 도 8에 도시된 바에 의하면, 상부 세라믹기판(300)은 하부 세라믹기판(200)의 상부에 배치된다.7 and 8 , the upper ceramic substrate 300 is disposed on the lower ceramic substrate 200 .

상부 세라믹기판(300)은 적층 구조의 중간 기판이다. 상부 세라믹기판(300)은 하면에 반도체 칩(G)을 실장하고, 고속 스위칭을 위한 하이 사이드(High Side) 회로와 로우 사이드(Low Side) 회로를 구성한다. The upper ceramic substrate 300 is an intermediate substrate having a stacked structure. The upper ceramic substrate 300 has a semiconductor chip (G) mounted on its lower surface, and constitutes a high-side circuit and a low-side circuit for high-speed switching.

상부 세라믹기판(300)은 세라믹기재(301)와 세라믹기재(301)의 상하면에 브레이징 접합된 금속층(302,303)을 포함한다. 상부 세라믹기판(300)은 세라믹기재의 두께가 0.38t이고 세라믹기재의 상면(300a)과 하면(300b)에 형성한 전극 패턴의 두께가 0.3t인 것을 일예로 한다. 세라믹기판은 상면과 하면의 패턴 두께가 동일해야 브레이징시 틀어지지 않는다. The upper ceramic substrate 300 includes a ceramic substrate 301 and metal layers 302 and 303 brazed to upper and lower surfaces of the ceramic substrate 301 . For the upper ceramic substrate 300, the thickness of the ceramic substrate is 0.38t, and the thickness of the electrode pattern formed on the upper surface 300a and the lower surface 300b of the ceramic substrate is 0.3t as an example. The ceramic substrate must have the same pattern thickness on the upper and lower surfaces to prevent distortion during brazing.

상부 세라믹기판(300)의 상면의 금속층(302)이 형성하는 전극 패턴은 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b), 제3 전극 패턴(c)으로 구분된다. 상부 세라믹기판(300)의 하면의 금속층(303)이 형성하는 전극 패턴은 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴과 대응된다. 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴을 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b), 제3 전극 패턴(c)으로 구분한 것은 고속 스위칭을 위해 하이 사이드(High Side) 회로와 로우 사이드(Low Side) 회로로 분리하기 위함이다. The electrode pattern formed by the metal layer 302 on the upper surface of the upper ceramic substrate 300 is divided into a first electrode pattern (a), a second electrode pattern (b), and a third electrode pattern (c). The electrode pattern formed by the metal layer 303 on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 corresponds to the electrode pattern on the upper surface of the upper ceramic substrate 300 . The division of the electrode pattern on the upper surface of the upper ceramic substrate 300 into a first electrode pattern (a), a second electrode pattern (b), and a third electrode pattern (c) is a high-side circuit for high-speed switching. and to separate the low-side circuit.

반도체 칩(G)은 상부 세라믹기판(300)의 하면(300b)에 솔더(Solder), 은 페이스트(Ag Paste) 등의 본딩층에 의해 플립칩(flip chip) 형태로 구비된다. 반도체 칩(G)이 상부 세라믹기판(300)의 하면에 플립칩 형태로 구비됨에 따라 와이어 본딩이 생략되어 인덕턴스 값을 최대한 낮출 수가 있게 되어, 이에 의해 방열 성능 또한 개선시킬 수 있다. The semiconductor chip G is provided in the form of a flip chip by a bonding layer such as solder and silver paste on the lower surface 300b of the upper ceramic substrate 300 . As the semiconductor chip G is provided in the form of a flip chip on the lower surface of the upper ceramic substrate 300, wire bonding is omitted so that the inductance value can be reduced as much as possible, thereby improving the heat dissipation performance.

도 8에 도시된 바와 같이, 반도체 칩(G)은 고속 스위칭을 위해 2개씩 병렬로 연결될 수 있다. 반도체 칩(G)은 2개가 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴(a)과 제2 전극 패턴(b)을 연결하는 위치에 배치되고 나머지 2개가 제2 전극 패턴(b)과 제3 전극 패턴(c)을 연결하는 위치에 병렬로 배치된다. 일예로 반도체 칩(G) 하나의 용량은 150A이다. 따라서 반도체 칩(G) 2개를 병렬연결하여 용량이 300A가 되도록 한다.As shown in FIG. 8 , two semiconductor chips G may be connected in parallel for high-speed switching. Two semiconductor chips (G) are disposed at positions connecting the first electrode pattern (a) and the second electrode pattern (b) among the electrode patterns of the upper ceramic substrate 300, and the other two are the second electrode pattern (b). and the third electrode pattern (c) are arranged in parallel to each other. For example, the capacity of one semiconductor chip G is 150A. Therefore, two semiconductor chips (G) are connected in parallel so that the capacity becomes 300A.

반도체 칩(G)으로 GaN 칩을 사용하는 파워모듈의 목적은 고속 스위칭에 있다. 고속 스위칭을 위해서는 Gate drive IC 단자에서 반도체 칩(G)의 Gate 단자 간이 매우 짧은 거리로 연결되는 것이 중요하다. 따라서 반도체 칩(G) 간을 병렬로 연결하여 Gate drive IC와 Gate 단자 간 연결 거리를 최소화한다. 또한, 반도체 칩(G)이 고속으로 스위칭하기 위해서는 반도체 칩(G)의 Gate 단자와 Source 단자가 동일한 간격을 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 반도체 칩(G)과 반도체 칩(G)의 사이의 중심에 연결핀이 연결되도록 Gate 단자와 Source 단자를 배치할 수 있다. Gate 단자와 Source 단자가 동일한 간격을 유지하지 않거나 패턴의 길이가 달라지면 문제가 발생한다. The purpose of a power module using a GaN chip as a semiconductor chip (G) is high-speed switching. For high-speed switching, it is important that the gate drive IC terminal be connected with a very short distance between the gate terminal of the semiconductor chip (G). Therefore, the connection distance between the gate drive IC and the gate terminal is minimized by connecting the semiconductor chips G in parallel. In addition, in order for the semiconductor chip G to switch at high speed, it is important that the gate terminal and the source terminal of the semiconductor chip G maintain the same distance. To this end, the gate terminal and the source terminal may be disposed such that the connection pin is connected to the center between the semiconductor chip G and the semiconductor chip G. If the gate terminal and the source terminal do not keep the same distance or the length of the pattern is different, a problem occurs.

Gate 단자는 낮은 전압을 이용하여 반도체 칩(G)을 온오프(on/off)시키는 단자이다. Gate 단자는 연결핀을 통해 PCB 기판(400)과 연결될 수 있다. Source 단자는 고전류가 들어오고 나가는 단자이다. 반도체 칩(G)은 Drain 단자를 포함하며, Source 단자와 Drain 단자는 N형과 P형으로 구분되어 전류의 방향을 바꿀 수 있다. Source 단자와 Drain 단자는 반도체 칩(G)을 실장하는 전극 패턴인 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b), 제3 전극 패턴(c)을 통해 전류의 입출력을 담당한다. Source 단자와 Drain 단자는 전원의 입출력을 담당하는 도 1의 제1 단자(610) 및 제2 단자(620)와 연결된다. The gate terminal is a terminal for turning on/off the semiconductor chip G by using a low voltage. The gate terminal may be connected to the PCB board 400 through a connection pin. Source terminal is a terminal for high current to enter and exit. The semiconductor chip G includes a drain terminal, and the source terminal and the drain terminal are divided into N-type and P-type to change the direction of the current. The source terminal and the drain terminal are responsible for input and output of current through the first electrode pattern (a), the second electrode pattern (b), and the third electrode pattern (c), which are electrode patterns for mounting the semiconductor chip (G). The source terminal and the drain terminal are connected to the first terminal 610 and the second terminal 620 of FIG. 1 in charge of input and output of power.

도 1에 도시된 제1 단자(610)는 +단자와 -단자를 포함하며, 제1 단자(610)에서 +단자로 유입된 전원은 도 8에 도시된 상부 세라믹기판(300)의 제1 전극 패턴(a), 제1 전극 패턴(a)과 제2 전극 패턴(b)의 사이에 배치된 반도체 칩(G) 및 제2 전극 패턴(b)을 통해 제2 단자(620)로 출력된다. 그리고 도 1에 도시된 제2 단자(620)로 유입된 전원은 도 8에 도시된 제2 전극 패턴(b), 제2 전극 패턴(b)과 제3 전극 패턴(c)의 사이에 배치된 반도체 칩(G) 및 제3 전극 패턴(c)을 통해 제1 단자(610)의 -단자로 출력된다. 예컨데, 제1 단자(610)에서 유입되고 반도체 칩(G)을 통과하여 제2 단자(620)로 출력되는 전원을 하이 사이드(High Side), 제2 단자(620)에서 유입되고 반도체 칩(G)을 통과하여 제1 단자(610)로 출력되는 전원을 로우 사이드(Low Side)가 된다.The first terminal 610 illustrated in FIG. 1 includes a + terminal and a - terminal, and the power introduced from the first terminal 610 to the + terminal is the first electrode of the upper ceramic substrate 300 illustrated in FIG. 8 . It is output to the second terminal 620 through the pattern (a), the semiconductor chip (G) and the second electrode pattern (b) disposed between the first electrode pattern (a) and the second electrode pattern (b). And the power supplied to the second terminal 620 shown in FIG. 1 is disposed between the second electrode pattern (b), the second electrode pattern (b) and the third electrode pattern (c) shown in FIG. 8 . It is output to the - terminal of the first terminal 610 through the semiconductor chip G and the third electrode pattern c. For example, power flowing in from the first terminal 610 and passing through the semiconductor chip G and output to the second terminal 620 is supplied from the high side and the second terminal 620 and the semiconductor chip G ) through the power output to the first terminal 610 becomes a low side (Low Side).

도 7에 도시된 바에 의하면, 상부 세라믹기판(300)은 NTC 온도센서(210)에 대응하는 부분에 커팅부(310)가 형성될 수 있다. 하부 세라믹기판(200)의 상면에 NTC 온도센서(210)가 장착된다. NTC 온도센서(210)는 반도체 칩(G)의 발열로 인한 파워모듈 내의 온도 정보를 제공하기 위한 것이다. 그런데 NTC 온도센서(210)의 두께가 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이의 간격에 비해 두꺼워 NTC 온도센서(210)와 상부 세라믹기판(300)의 간섭이 발생한다. 이를 해결하기 위해 NTC 온도센서(210)와 간섭되는 부분의 상부 세라믹기판(300)을 커팅하여 커팅부(310)를 형성한다. As shown in FIG. 7 , a cutting part 310 may be formed in a portion of the upper ceramic substrate 300 corresponding to the NTC temperature sensor 210 . An NTC temperature sensor 210 is mounted on the upper surface of the lower ceramic substrate 200 . The NTC temperature sensor 210 is to provide temperature information in the power module due to the heat of the semiconductor chip G. However, since the thickness of the NTC temperature sensor 210 is thicker than the gap between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 , interference between the NTC temperature sensor 210 and the upper ceramic substrate 300 occurs. In order to solve this problem, the upper ceramic substrate 300 of the portion that interferes with the NTC temperature sensor 210 is cut to form a cutting portion 310 .

커팅부(310)를 통해 상부 세라믹기판(300)과 하부 세라믹기판(200)의 사이 공간에 몰딩을 위한 실리콘액 또는 에폭시를 주입할 수 있다. 상부 세라믹기판(300)과 하부 세라믹기판(200)의 사이를 절연하기 위해 실리콘액 또는 에폭시를 주입해야 한다. 상부 세라믹기판(300)과 하부 세라믹기판(200)에 실리콘액 또는 에폭시를 주입하기 위해 상부 세라믹기판(300)의 한쪽면을 커팅하여 커팅부(310)를 형성할 수 있으며, 커팅부(310)는 NTC 온도센서(210)와 대응되는 위치에 형성하여 상부 세라믹기판(300)과 NTC 온도센서(210)의 간섭도 방지할 수 있다. 실리콘액 또는 에폭시는 반도체 칩(G)의 보호, 진동의 완화 및 절연의 목적으로 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300) 사이의 공간과 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400) 사이의 공간에 충진할 수 있다.A silicone liquid or epoxy for molding may be injected into the space between the upper ceramic substrate 300 and the lower ceramic substrate 200 through the cutting part 310 . In order to insulate between the upper ceramic substrate 300 and the lower ceramic substrate 200, silicone liquid or epoxy must be injected. In order to inject silicon liquid or epoxy into the upper ceramic substrate 300 and the lower ceramic substrate 200, one side of the upper ceramic substrate 300 may be cut to form a cutting part 310, and the cutting part 310 may be formed. is formed at a position corresponding to the NTC temperature sensor 210 to prevent interference between the upper ceramic substrate 300 and the NTC temperature sensor 210 . Silicon liquid or epoxy is used in the space between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 and the upper ceramic substrate 300 and the PCB substrate 400 for the purpose of protecting the semiconductor chip (G), alleviating vibration, and insulating. You can fill in the space between them.

상부 세라믹기판(300)에 쓰루홀(Through Hole)(320)이 형성된다. 쓰루홀(320)은 상하 복층의 기판 구조에서 상부 세라믹기판(300)에 실장되는 반도체 칩(G)을 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 최단거리로 연결하고, 하부 세라믹기판(200)에 실장된 NTC 온도센서(210)를 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 최단거리로 연결하기 위한 것이다. A through hole 320 is formed in the upper ceramic substrate 300 . The through hole 320 connects the semiconductor chip G mounted on the upper ceramic substrate 300 to the driving device mounted on the PCB substrate 400 in the shortest distance in the upper and lower multi-layered substrate structure, and the lower ceramic substrate 200 . This is to connect the NTC temperature sensor 210 mounted to the PCB board 400 to the driving device mounted on the shortest distance.

쓰루홀(320)은 반도체 칩(G)이 설치되는 위치에 2개씩 8개가 형성되고, NTC 온도센서가 설치되는 위치에 2개가 설치되어 총 10개가 형성될 수 있다. 또한, 쓰루홀(320)은 상부 세라믹기판(300)에서 제1 전극 패턴(a)과 제3 전극 패턴(c)이 형성된 부분에 다수 개가 형성될 수 있다. Eight through-holes 320 are formed at a position where the semiconductor chip G is installed, and two through-holes 320 are installed at a position where the NTC temperature sensor is installed, so that a total of 10 can be formed. In addition, a plurality of through-holes 320 may be formed in the portion where the first electrode pattern (a) and the third electrode pattern (c) are formed in the upper ceramic substrate 300 .

제1 전극 패턴(a)에 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)은 상부 세라믹기판(300)의 상면의 제1 전극 패턴(a)으로 유입된 전류가 상부 세라믹기판(300)의 하면에 형성된 제1 전극 패턴(a)으로 이동하고 반도체 칩(G)으로 유입되도록 한다. 제3 전극 패턴(c)에 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)은 반도체 칩(G)으로 유입된 전류가 상부 세라믹기판(300)의 하면의 제3 전극 패턴(c)을 통해 상부 세라믹기판(300)의 상면의 제3 전극 패턴(c)으로 이동하도록 한다.The plurality of through-holes 320 formed in the first electrode pattern (a) allow the current flowing into the first electrode pattern (a) of the upper surface of the upper ceramic substrate 300 to be formed on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 . It moves to the electrode pattern (a) and flows into the semiconductor chip (G). In the plurality of through holes 320 formed in the third electrode pattern c, the current flowing into the semiconductor chip G passes through the third electrode pattern c of the lower surface of the upper ceramic substrate 300 to the upper ceramic substrate 300 . ) to move to the third electrode pattern (c) on the upper surface.

쓰루홀(320)의 직경은 0.5mm~5.0mm일 수 있다. 쓰루홀(320)에는 연결핀이 설치되어 PCB 기판의 전극 패턴과 연결되고 이를 통해 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 연결될 수 있다. 상하 복층의 기판 구조에서 쓰루홀(320) 및 쓰루홀(320)에 설치되는 연결핀을 통한 전극 패턴 간 연결은 최단 거리 연결을 통해 다양한 출력 손실을 제거하여 파워모듈의 크기에 따른 제약을 개선하는데 기여할 수 있다.The through hole 320 may have a diameter of 0.5 mm to 5.0 mm. A connection pin is installed in the through hole 320 to be connected to the electrode pattern of the PCB substrate, and may be connected to the driving device mounted on the PCB substrate 400 through this. The connection between the electrode patterns through the through-holes 320 and the connection pins installed in the through-holes 320 in the upper and lower multi-layered substrate structure eliminates various output losses through the shortest distance connection, thereby improving the constraints according to the size of the power module. can contribute

상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴에는 복수 개의 비아홀(330)이 형성될 수 있다. 비아홀(330)은 기판 면적 대비 최소 50% 이상 가공될 수 있다. 상술한 비아홀(330)의 면적은 기판 면적 대비 최소 50% 이상 적용되는 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 50% 이하로 가공될 수도 있다.A plurality of via holes 330 may be formed in the electrode pattern of the upper ceramic substrate 300 . The via hole 330 may be processed by at least 50% of the substrate area. The area of the via hole 330 described above has been described as an example in which at least 50% of the substrate area is applied, but is not limited thereto, and may be processed to 50% or less.

일예로 제1 전극 패턴(a)에는 152개의 비아홀이 형성되고 제2 전극 패턴(b)에는 207개의 비아홀이 형성되고 제3 전극 패턴(c)에는 154개의 비아홀이 형성될 수 있다. 각 전극 패턴에 형성되는 복수 개의 비아홀은 대전류 통전 및 대전류 분산을 위한 것이다. 하나의 슬롯 형태로 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴과 하면의 전극 패턴을 도통시키면 한쪽으로만 고전류가 흘러 쇼트, 과열 등의 문제가 발생할 수 있다. For example, 152 via holes may be formed in the first electrode pattern (a), 207 via holes may be formed in the second electrode pattern (b), and 154 via holes may be formed in the third electrode pattern (c). A plurality of via holes formed in each electrode pattern are for conducting a large current and distributing a large current. When the electrode pattern on the upper surface and the electrode pattern on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 are conducted in the form of a single slot, a high current flows only to one side, and problems such as short circuit and overheating may occur.

비아홀(330)에는 전도성 물질이 충진된다. 전도성 물질은 Ag 또는 Ag 합금일 수 있다. Ag 합금은 Ag-Pd 페이스트일 수 있다. 비아홀(330)에 충진된 전도성 물질은 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴과 하면의 전극 패턴을 전기적으로 연결한다. 비아홀(330)은 PCB 기판(400) 가공하여 형성할 수 있다. The via hole 330 is filled with a conductive material. The conductive material may be Ag or an Ag alloy. The Ag alloy may be an Ag-Pd paste. The conductive material filled in the via hole 330 electrically connects the electrode pattern on the upper surface and the electrode pattern on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 . The via hole 330 may be formed by processing the PCB substrate 400 .

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판에 연결핀이 결합된 상태를 보인 사시도이다.9 is a perspective view illustrating a state in which a connection pin is coupled to an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바에 의하면, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에서 반도체 칩(G)과 인접한 위치에 형성된 쓰루홀(Through Hole)(320)에 끼워진다. 반도체 칩(G)과 인접한 위치에 형성된 쓰루홀(320)에 끼워진 연결핀(800)은 PCB 기판(400)에 대응된 위치에 형성된 쓰루홀에 끼워져 반도체 칩(G)을 실장하는 게이트(Gate) 단자와 PCB 기판(400)의 전극 패턴을 연결할 수 있다. As shown in FIG. 9 , the connection pin 800 is inserted into a through hole 320 formed at a position adjacent to the semiconductor chip G in the upper ceramic substrate 300 . The connection pin 800 fitted into the through hole 320 formed at a position adjacent to the semiconductor chip G is inserted into the through hole formed at a position corresponding to the PCB substrate 400 to mount the semiconductor chip G The terminal and the electrode pattern of the PCB substrate 400 may be connected.

또한, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에서 NTC 온도센서(210)와 인접하는 위치에 형성된 쓰루홀(320)에 끼워진다. NTC 온도센서(210)와 인접하는 위치에 형성된 쓰루홀(320)에 끼워진 연결핀(800)은 PCB 기판(400)에 대응되는 위치에 형성된 쓰루홀에 끼워져 NTC 온도센서(210)의 단자와 PCB 기판(400)의 전극 패턴을 연결할 수 있다. In addition, the connection pin 800 is inserted into the through hole 320 formed at a position adjacent to the NTC temperature sensor 210 in the upper ceramic substrate 300 . The connection pin 800 fitted into the through hole 320 formed at a position adjacent to the NTC temperature sensor 210 is inserted into the through hole formed at a position corresponding to the PCB substrate 400 to the terminal of the NTC temperature sensor 210 and the PCB. The electrode patterns of the substrate 400 may be connected.

또한, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에서 제1 전극 패턴(a)과 제3 전극 패턴(c)에 일렬로 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)에 끼워진다. 제1 전극 패턴(a)과 제3 전극 패턴(c)에 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)에 끼워진 연결핀(800)은 PCB 기판(400)에 대응된 위치에 형성된 쓰루홀에 끼워져 반도체 칩(G)을 PCB 기판(400)의 캐패시터(410)와 연결할 수 있다.In addition, the connection pin 800 is fitted into the plurality of through holes 320 formed in a line in the first electrode pattern (a) and the third electrode pattern (c) in the upper ceramic substrate 300 . The connection pins 800 fitted into the plurality of through holes 320 formed in the first electrode pattern (a) and the third electrode pattern (c) are inserted into the through holes formed at positions corresponding to the PCB substrate 400 to form a semiconductor chip ( G) may be connected to the capacitor 410 of the PCB substrate 400 .

연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에 실장되는 반도체 칩(G)을 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 최단거리로 연결하여 다양한 출력 손실을 제거하고 고속 스위칭이 가능하게 한다.The connection pin 800 connects the semiconductor chip G mounted on the upper ceramic substrate 300 to the driving device mounted on the PCB substrate 400 with the shortest distance, thereby eliminating various output losses and enabling high-speed switching.

도 10은 본 발명의 실시예에 의한 PCB 기판의 평면도이다.10 is a plan view of a PCB substrate according to an embodiment of the present invention.

도 10에 도시된 바에 의하면, PCB 기판(400)은 반도체 칩(G)을 스위칭하거나 NTC 온도센서(210)가 감지한 정보를 이용하여 반도체 칩의 스위칭하기 위한 구동소자가 실장된다. 구동소자는 Gate Drive IC를 포함한다.As shown in FIG. 10 , a driving element for switching the semiconductor chip G or using the information sensed by the NTC temperature sensor 210 is mounted on the PCB substrate 400 for switching the semiconductor chip. The driving device includes a Gate Drive IC.

PCB 기판(400)은 상면에 캐패시터(410)가 장착된다. 캐패시터(410)는 상부 세라믹기판(300)의 제1 전극 패턴(a)과 제2 전극 패턴(b)을 연결하도록 배치된 반도체 칩(G)과 상부 세라믹기판(300)의 제2 전극 패턴(b)과 제3 전극 패턴(c)을 연결하도록 배치된 반도체 칩(G)의 사이에 해당하는 위치인 PCB 기판(400)의 상면에 장착된다. The capacitor 410 is mounted on the PCB substrate 400 . The capacitor 410 includes a semiconductor chip G disposed to connect the first electrode pattern a and the second electrode pattern b of the upper ceramic substrate 300 and the second electrode pattern (G) of the upper ceramic substrate 300 . It is mounted on the upper surface of the PCB substrate 400 at a position corresponding to a position between the semiconductor chip G disposed to connect b) and the third electrode pattern c.

반도체 칩(G)의 사이에 해당하는 위치인 PCB 기판(400)의 상면에 캐패시터(410)가 장착되면 연결핀(도 9의 도면 부호 800)을 이용하여 반도체 칩(G)과 Gate Drive IC 회로를 최단거리로 연결할 수 있으므로 고속 스위칭에 보다 유리하다. 일 예로, 캐패시터(410)는 용량을 맞추기 위해 10개가 병렬로 연결될 수 있다. 입력단에 디커플링용도로 2.5㎌ 이상을 확보하기 위해서는 고전압의 캐패시터 10개를 연결하여 용량을 확보해야 한다. 관련식은 56㎌/630V×5ea= 2.8㎌에서 확인된다. Gate Drive IC 회로는 High side gate drive IC와 Low side gate drive IC를 포함한다. When the capacitor 410 is mounted on the upper surface of the PCB substrate 400, which is a position between the semiconductor chips G, the semiconductor chip G and the Gate Drive IC circuit using a connection pin (reference numeral 800 in FIG. 9) can be connected in the shortest distance, which is more advantageous for high-speed switching. As an example, ten capacitors 410 may be connected in parallel to match their capacity. In order to secure more than 2.5㎌ for decoupling at the input terminal, 10 high-voltage capacitors must be connected to secure the capacity. The related formula is confirmed at 56㎌/630V×5ea = 2.8㎌. The gate drive IC circuit includes a high side gate drive IC and a low side gate drive IC.

도 11은 본 발명의 다른 실시예로 하우징에 방열판이 조립된 상태를 보인 단면도이다.11 is a cross-sectional view illustrating a state in which a heat sink is assembled to a housing according to another embodiment of the present invention.

도 11에 도시된 바에 의하면, 방열판(500')은 하우징(100)의 하면에 조립된다. 방열판(500')은 하우징(100)에 대응되는 면적으로 형성된다. 일 실시예에서 방열판(500)은 방열 효율을 높이기 위해 구리 재질, 구리합금 재질, 알루미늄 재질 중 하나로 형성되고, 하부 세라믹기판(200)의 하면에 솔더링 접합된다.11 , the heat sink 500 ′ is assembled to the lower surface of the housing 100 . The heat sink 500 ′ is formed to have an area corresponding to the housing 100 . In one embodiment, the heat sink 500 is formed of one of a copper material, a copper alloy material, and an aluminum material in order to increase heat dissipation efficiency, and is soldered to the lower surface of the lower ceramic substrate 200 .

그런데, 구리 또는 알루미늄 재질의 방열판(500)은 높은 열팽창 계수로 인해 솔더링 접합시 휨이 발생할 수 있다. 방열판(500)의 휨은 하부 세라믹기판(200)과 접합면에 결함을 발생시켜 방열 성능을 저하시킨다. However, the heat sink 500 made of copper or aluminum may warp during soldering due to a high coefficient of thermal expansion. The bending of the heat sink 500 causes a defect in the bonding surface with the lower ceramic substrate 200 to deteriorate the heat dissipation performance.

다른 실시예의 방열판(500')은 소정 두께 이상으로 형성하고 열적 특성이 우수하도록 제조하여 솔더링 접합시 휨 발생이 방지되도록 한다.The heat sink 500 ′ of another embodiment is formed to have a predetermined thickness or more and is manufactured to have excellent thermal properties to prevent warpage during soldering.

방열판(500')은 다층 구조로 형성한다. 방열판(500')은 3층의 적층형 구조로 형성하여 두께가 0.9mm 이하가 되도록 한다. 일 예로, 방열판(500')의 두께는 0.1mm~0.9mm로 형성한다. 바람직하게는 방열판(500')은 도금압연법을 이용한 브레이징 접합 기술을 이용하여 0.9mm 이하의 얇은 두께로 제조하여 경박단소 제품에 적용될 수 있도록 하며 방열에 유리하도록 기판과 접합시 휨 발생이 방지되도록 한다.The heat sink 500' is formed in a multi-layered structure. The heat sink 500 ′ is formed in a three-layer stacked structure to have a thickness of 0.9 mm or less. For example, the thickness of the heat sink 500 ′ is formed in a range of 0.1 mm to 0.9 mm. Preferably, the heat sink 500' is manufactured to a thin thickness of 0.9 mm or less using brazing bonding technology using a plating rolling method so that it can be applied to light, thin and short products, and to prevent warpage when bonding with a substrate to be advantageous for heat dissipation do.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열판을 하부 세라믹기판을 접합하는 모습을 보인 단면도이다. 도 12는 방열판이 하부 세라믹기판의 하면에 접합되는 모습을 보여주기 위해 실제와 달리 과장되게 표현하였다. 12 is a cross-sectional view illustrating a state in which a lower ceramic substrate is bonded to a heat sink according to another embodiment of the present invention. FIG. 12 is exaggerated to show that the heat sink is bonded to the lower surface of the lower ceramic substrate.

도 12에 도시된 바에 의하면, 방열판(500')은 금속시트(500a), 제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)을 포함한다. 방열판(500')은 금속시트(500a)의 상면에 브레이징 접합된 제1 금속층(500b)과 금속시트(500a)의 하면에 브레이징 접합된 제2 금속층(500c)을 포함한 3층의 적층형 구조이다. 12 , the heat sink 500 ′ includes a metal sheet 500a, a first metal layer 500b, and a second metal layer 500c. The heat sink 500' is a three-layer laminated structure including a first metal layer 500b brazed to the upper surface of the metal sheet 500a and a second metal layer 500c brazed to the lower surface of the metal sheet 500a.

제1 금속층(500b)과 제2 금속층(500c)은 동일 금속재질로 형성되고, 금속시트(500a)는 제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)과 다른 금속재질로 형성된다. The first metal layer 500b and the second metal layer 500c are formed of the same metal material, and the metal sheet 500a is formed of a metal material different from that of the first metal layer 500b and the second metal layer 500c.

금속시트(500a)의 열팽창 계수는 제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)의 열팽창 계수에 비해 작다.The thermal expansion coefficient of the metal sheet 500a is smaller than that of the first metal layer 500b and the second metal layer 500c.

금속시트(500a)의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나이고, 제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)의 재질은 Cu이다. 일 예로, 금속시트(500a)의 재질은 CuMo이고, 제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)의 재질은 Cu일 수 있다. 또는 금속시트(500a)의 재질은 Mo이고, 제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)의 재질은 Cu일 수 있다.The material of the metal sheet 500a is any one of CuMo and Mo, and the material of the first metal layer 500b and the second metal layer 500c is Cu. For example, the material of the metal sheet 500a may be CuMo, and the material of the first metal layer 500b and the second metal layer 500c may be Cu. Alternatively, the material of the metal sheet 500a may be Mo, and the material of the first metal layer 500b and the second metal layer 500c may be Cu.

Cu/CuMo/Cu의 3층 구조는 열팽창 계수가 낮은 CuMo의 금속시트(500a)의 상면과 하면에 열전도도가 높은 Cu층을 형성하여 방열 성능을 높이고 열팽창 계수를 낮춘다.The three-layer structure of Cu/CuMo/Cu forms a Cu layer with high thermal conductivity on the upper and lower surfaces of the CuMo metal sheet 500a having a low coefficient of thermal expansion, thereby increasing heat dissipation performance and lowering the coefficient of thermal expansion.

CuMo와 Mo는 Cu에 비해 상대적으로 열팽창 계수가 낮다. Cu는 열팽창 계수가 17ppm/K, 열전도도가 393W/m·K이고, CuMo는 열팽창 계수가 7.0ppm/K, 열전도도가 160W/m·K이다. CuMo and Mo have relatively low coefficients of thermal expansion compared to Cu. Cu has a thermal expansion coefficient of 17 ppm/K and thermal conductivity of 393 W/m·K, and CuMo has a thermal expansion coefficient of 7.0 ppm/K and thermal conductivity of 160 W/m·K.

열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에 열팽창 계수는 상대적으로 높으나 열전도도가 높은 Cu층을 형성한 접합한 3층 구조로 형성하여, 열팽창 계수를 낮춤으로써 고온에서 휨 현상을 줄일 수 있도록 한다. The upper and lower surfaces of the CuMo material sheet, which has a relatively low thermal expansion coefficient, have a relatively high thermal expansion coefficient but are formed in a three-layered structure in which a Cu layer with high thermal conductivity is formed. make it possible

Cu/CuMo/Cu의 3층 구조의 방열판(500')은 하부 세라믹기판(200)에 250℃ 이하로 솔더링 접합시 휨 변화량이 0.05mm 이하이며, 열팽창계수가 6.8~12.0ppm/K 범위이고, 열전도도가 200~280W/m.K인 열적 특성을 갖는다. 금속시트(500a)를 형성하는 CuMo 재질 금속시트의 두께는 0.5mm이고, 제1 금속층(500b)과 제2 금속층(500c)을 형성하는 Cu층의 두께는 0.2mm일 수 있다. The heat sink 500' having a three-layer structure of Cu/CuMo/Cu has a deflection change of 0.05 mm or less when soldered to the lower ceramic substrate 200 at 250° C. or less, and has a thermal expansion coefficient of 6.8 to 12.0 ppm/K, It has thermal properties with a thermal conductivity of 200 to 280 W/mK. The thickness of the CuMo metal sheet forming the metal sheet 500a may be 0.5 mm, and the thickness of the Cu layer forming the first metal layer 500b and the second metal layer 500c may be 0.2 mm.

제1 금속층(500b) 및 제2 금속층(500c)은 금속이 용융된 용탕에 금속시트를 침지하여 코팅한 후 압연하여 형성된다. 금속이 용융된 용탕은 구리가 용융된 것이다. 금속시트(500a)의 상면과 하면에 제1 금속층(500b)과 제2 금속층(500c)을 각각 코팅하고 경화 후 압연하여 형성하면 방열판(500')을 0.9mm 이하의 얇은 두께로 제조할 수 있다.The first metal layer 500b and the second metal layer 500c are formed by dipping and coating a metal sheet in a molten metal, followed by rolling. The molten metal is molten copper. The first metal layer 500b and the second metal layer 500c are coated on the upper and lower surfaces of the metal sheet 500a, respectively, and cured and then rolled to form the heat sink 500 ′ can be manufactured to a thin thickness of 0.9 mm or less. .

방열판(500')은 하부 세라믹기판(200)의 하면에 솔더링 접합되어 방열 기능을 수행할 수 있다. 실질적으로 방열판(500')은 하부 세라믹기판(200)의 하면의 금속층(203)과 솔더링 접합된다. 하부 세라믹기판(200)은 세라믹기재(201)와 세라믹기재(201)의 상면과 하면에 금속층(202,203)이 브레이징 접합된 구조를 갖는다. 금속층은 구리로 형성된다. 일 예로, 하부 세라믹기판(200)은 AMB 기판, TPC 기판 및 DBC 기판 중 하나일 수 있다. The heat sink 500 ′ may be soldered to the lower surface of the lower ceramic substrate 200 to perform a heat dissipation function. Substantially, the heat sink 500 ′ is soldered to the metal layer 203 on the lower surface of the lower ceramic substrate 200 . The lower ceramic substrate 200 has a structure in which a ceramic substrate 201 and metal layers 202 and 203 are brazed to upper and lower surfaces of the ceramic substrate 201 . The metal layer is formed of copper. For example, the lower ceramic substrate 200 may be one of an AMB substrate, a TPC substrate, and a DBC substrate.

솔더링 접합은 200~270℃에서 수행한다. 솔더링 접합은 솔더 또는 은(Ag) 페이스트를 사용할 수 있다. 은(Ag) 페이스트는 솔더에 비해 솔더링 온도가 높으나 열전도도가 높아 방열판(500')으로 열의 이동을 빠르게 하여 방열 효율을 높일 수 있다. 솔더 또는 은(Ag) 페이스트는 방열판(500')과 하부 세라믹기판(200)의 사이에 솔더층(550)을 형성한다. Soldering bonding is performed at 200-270°C. For the soldering joint, solder or silver (Ag) paste may be used. Silver (Ag) paste has a higher soldering temperature than solder, but has high thermal conductivity, so that heat transfer to the heat sink 500 ′ can be accelerated to increase heat dissipation efficiency. The solder or silver (Ag) paste forms a solder layer 550 between the heat sink 500 ′ and the lower ceramic substrate 200 .

방열판(500')은 0.9mm 이하의 얇은 두께로 제조하기 위해 도금압연법을 이용한 브레이징 접합 기술을 이용한다.The heat sink 500 ′ uses a brazing bonding technique using a plating rolling method to manufacture it to a thickness of 0.9 mm or less.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 파워모듈에서 방열판 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 13 is a view for explaining a method of manufacturing a heat sink in a power module according to another embodiment of the present invention.

방열판 제조방법은 금속시트를 준비하는 단계(S1)와 금속이 용융된 용탕에 금속시트(500a)를 침지하여 금속시트(500a)의 상면과 하면에 금속층(500a,500b)을 코팅하는 단계(S20)와 금속층(500a,500b)이 코팅된 금속시트(500a)를 경화시키고 압연하는 단계(S30)를 포함한다.The heat sink manufacturing method includes the steps of preparing a metal sheet (S1) and coating the metal layers 500a and 500b on the upper and lower surfaces of the metal sheet 500a by immersing the metal sheet 500a in the molten metal (S20). ) and curing and rolling the metal sheet 500a coated with the metal layers 500a and 500b (S30).

금속시트를 준비하는 단계(S10)에서, 금속시트(500a)는 CuMo, Mo 중 하나의 금속시트를 준비한다.In the step of preparing the metal sheet ( S10 ), the metal sheet 500a prepares one of CuMo and Mo metal sheets.

금속이 용융된 용탕에 금속시트(500a)를 침지하여 금속시트(500a)의 상면과 하면에 금속층(500a,500b)을 코팅하는 단계(S20)에서, 금속이 용융된 용탕은 Cu를 용융한 것이다.In the step (S20) of immersing the metal sheet 500a in the molten metal and coating the metal layers 500a and 500b on the upper and lower surfaces of the metal sheet 500a, the molten metal is Cu molten. .

금속층(500a,500b)이 코팅된 금속시트(500a)를 경화시키고 압연하는 단계(S30)에서, 경화는 상온에서 수행할 수 있고, 압연은 780℃에서 900℃의 온도에서 수행한다. 780℃에서 900℃의 온도에서 고온 압연하는 것에서 금속시트(500a)의 상면과 하면에 코팅된 금속층(500b,500c)이 금속시트(500a)에 브레이징 접합된다. In the step (S30) of curing and rolling the metal sheet 500a coated with the metal layers 500a and 500b, the curing may be performed at room temperature, and the rolling is performed at a temperature of 780°C to 900°C. In high-temperature rolling at a temperature of 780° C. to 900° C., the metal layers 500b and 500c coated on the upper and lower surfaces of the metal sheet 500a are brazed to the metal sheet 500a.

금속시트(500a)의 상면과 하면에 도금압연법을 통해 금속층(500a,500b)을 브레이징 접합하는 방법은 이종 재료임에도 열적문제 없이 견고하게 접합이 가능하며, 다층 구조임에도 0.9mm 이하의 얇은 두께로 제조하는 것이 가능하다. 도금압연법은 고온으로 가열된 상하 롤(R1,R2)을 이용할 수 있다.The method of brazing bonding the metal layers 500a and 500b to the upper and lower surfaces of the metal sheet 500a through the plating rolling method is capable of solidly bonding without thermal problems even with dissimilar materials. It is possible to manufacture The plating rolling method may use the upper and lower rolls R1 and R2 heated to a high temperature.

상기한 방열판(500')은 열팽창 계수가 낮은 재질의 금속시트(500a)의 상면과 하면에 열팽창 계수가 높은 금속층(500b,500c)을 형성한 구조이므로 열적 특성이 보장되어 경박 단소 제품 및 열적 특성의 보장이 요구되는 장치 등에 적용이 가능하다.Since the heat sink 500 ′ has a structure in which metal layers 500b and 500c having a high coefficient of thermal expansion are formed on the upper and lower surfaces of the metal sheet 500a made of a material having a low coefficient of thermal expansion, thermal characteristics are ensured, so that a lightweight, thin product and thermal characteristics It can be applied to devices that require guarantee of

또한, 방열판(500')은 CuMo 금속시트의 상면과 하면에 구리 금속층을 코팅하고 고온 압연으로 브레이징 접합하여 일체로 형성하므로 열팽창 계수를 낮추어 고온에서 휨을 방지할 수 있고, 견고한 접합력과 우수한 열전도도를 가져 파워모듈에서 요구하는 고방열 조건을 만족할 수 있다. In addition, since the heat sink 500' is integrally formed by coating a copper metal layer on the upper and lower surfaces of the CuMo metal sheet and brazing it by high-temperature rolling, it is possible to lower the coefficient of thermal expansion to prevent warping at high temperatures, and to provide strong bonding strength and excellent thermal conductivity. It can satisfy the high heat dissipation condition required by the power module.

상술한 다층 구조의 방열판은 파워모듈에 적용되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 방열 기능이 필요한 다양한 장치에 적용 가능하다. Although the above-described multi-layered heat sink has been described as being applied to a power module as an example, it is applicable to various devices requiring a heat dissipation function.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is disclosed in the drawings and in the specification with preferred embodiments. Here, although specific terms have been used, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments of the present invention are possible therefrom. Accordingly, the true technical scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

10: 파워모듈 100: 하우징
101: 안내리브 102: 걸림턱
103: 체결공 104: 지지공
105: 주입홀 106: 벤트홀
200: 하부 세라믹기판 201: 세라믹기재
202,203: 금속층 210: NTC 온도센서
220: 절연 스페이서 230: 전도성 스페이서
221,231: 제1 접합층 223,233: 제2 접합층
250: 접착층 300: 상부 세라믹기판
301: 세라믹기재 302,302: 금속층
310: 커팅부 320,420: 쓰루홀
330,330a: 비아홀 350: 본딩층
400: PCB 기판 401: 안내홈
410: 캐패시터 420: 쓰루홀
430: 커넥터 500,500': 방열판
500a: 금속시트 500b: 제1 금속층
500b: 제2 금속층 R1,R2: 롤
550: 접합층 610: 제1 단자
620: 제2 단자 630: 지지볼트
700: 버스바 G: 반도체 칩(GaN 칩)
800: 연결핀 10: power module 100: housing
101: guide rib 102: locking jaw
103: fastening hole 104: support hole
105: injection hole 106: vent hole
200: lower ceramic substrate 201: ceramic substrate
202,203: metal layer 210: NTC temperature sensor
220: insulating spacer 230: conductive spacer
221,231: first bonding layer 223,233: second bonding layer
250: adhesive layer 300: upper ceramic substrate
301: ceramic substrate 302, 302: metal layer
310: cutting part 320, 420: through hole
330,330a: via hole 350: bonding layer
400: PCB board 401: guide groove
410: capacitor 420: through hole
430: connector 500,500': heat sink
500a: metal sheet 500b: first metal layer
500b: second metal layer R1, R2: roll
550: bonding layer 610: first terminal
620: second terminal 630: support bolt
700: bus bar G: semiconductor chip (GaN chip)
800: connection pin

Claims (11)

하부 세라믹기판;
상기 하부 세라믹기판의 상부에 이격되게 배치되고 하면에 반도체 칩이 실장되는 상부 세라믹기판; 및
상기 하부 세라믹기판의 하면에 솔더링 접합되고 다층 구조로 이루어지는 방열판;
을 포함하고,
상기 방열판의 두께는 0.1mm~0.9mm인 파워모듈.lower ceramic substrate;
an upper ceramic substrate spaced apart from the lower ceramic substrate and having a semiconductor chip mounted thereon; and
a heat sink having a multi-layer structure and soldered to a lower surface of the lower ceramic substrate;
including,
The thickness of the heat sink is 0.1mm ~ 0.9mm power module. 제1항에 있어서,
상기 방열판은
금속시트;
상기 금속시트의 상면에 브레이징 접합된 제1 금속층; 및
상기 금속시트의 하면에 브레이징 접합된 제2 금속층;
을 포함하며,
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층은 동일 금속재질로 형성되고,
상기 금속시트는 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층과 다른 금속재질로 형성된 파워모듈.According to claim 1,
The heat sink is
metal sheet;
a first metal layer brazed to the upper surface of the metal sheet; and
a second metal layer brazed to the lower surface of the metal sheet;
includes,
The first metal layer and the second metal layer are formed of the same metal material,
The metal sheet is formed of a metal material different from that of the first metal layer and the second metal layer. 제2항에 있어서,
상기 금속시트의 열팽창 계수는 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 열팽창 계수에 비해 작은 파워모듈.3. The method of claim 2,
The thermal expansion coefficient of the metal sheet is smaller than the thermal expansion coefficients of the first metal layer and the second metal layer. 제2항에 있어서,
상기 금속시트의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나이고,
상기 제1 금속층 및 제2 금속층의 재질은 Cu인 파워모듈. 3. The method of claim 2,
The material of the metal sheet is any one of CuMo, Mo,
A material of the first metal layer and the second metal layer is Cu. 제2항에 있어서,
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은
금속이 용융된 용탕에 상기 금속시트를 침지하여 코팅한 후 압연하여 형성된 것인 파워모듈. 3. The method of claim 2,
The first metal layer and the second metal layer are
A power module formed by dipping and coating the metal sheet in a molten metal and then rolling. 제1항에 있어서,
상기 방열판은
열팽창 계수가 6.8~12.0ppm/K이고, 열전도도가 200~280W/m.K인 열적 특성을 가지는 파워모듈. According to claim 1,
The heat sink is
A power module having thermal characteristics with a coefficient of thermal expansion of 6.8 to 12.0 ppm/K and a thermal conductivity of 200 to 280 W/mK. 하부 세라믹기판의 상부에 반도체 칩이 실장된 상부 세라믹기판을 배치하는 단계;
다층 구조로 이루어지는 방열판을 준비하는 단계; 및
상기 다층 구조로 이루어지는 방열판을 상기 하부 세라믹기판의 하면에 솔더링 접합하는 단계;
를 포함하는 파워모듈 제조방법.disposing an upper ceramic substrate on which a semiconductor chip is mounted on the lower ceramic substrate;
Preparing a heat sink made of a multi-layer structure; and
soldering the heat sink having the multilayer structure to the lower surface of the lower ceramic substrate;
A power module manufacturing method comprising a. 제7항에 있어서,
상기 다층 구조로 이루어지는 방열판을 준비하는 단계는,
금속시트를 준비하는 단계;
금속이 용융된 용탕에 상기 금속시트를 침지하여 상기 금속시트의 상면과 하면에 금속층을 코팅하는 단계; 및
상기 금속층이 코팅된 금속시트를 경화시키고 압연하는 단계;
를 포함하는 파워모듈 제조방법.8. The method of claim 7,
The step of preparing a heat sink consisting of the multi-layer structure,
preparing a metal sheet;
coating a metal layer on the upper and lower surfaces of the metal sheet by immersing the metal sheet in a molten metal; and
curing and rolling the metal sheet coated with the metal layer;
A power module manufacturing method comprising a. 제8항에 있어서,
상기 금속시트를 준비하는 단계에서,
상기 금속시트는 CuMo, Mo 중 하나의 금속시트를 준비하는 파워모듈 제조방법.9. The method of claim 8,
In the step of preparing the metal sheet,
The metal sheet is a power module manufacturing method for preparing a metal sheet of one of CuMo and Mo. 제8항에 있어서,
상기 금속이 용융된 용탕에 상기 금속시트를 침지하여 상기 금속시트의 상면과 하면에 금속층을 코팅하는 단계에서,
상기 금속이 용융된 용탕은 Cu를 용융한 것인 파워모듈 제조방법.9. The method of claim 8,
In the step of coating the metal layer on the upper and lower surfaces of the metal sheet by immersing the metal sheet in the molten metal,
The molten metal in which the metal is melted is a method of manufacturing a power module in which Cu is melted. 제8항에 있어서,
상기 금속층이 코팅된 금속시트를 경화시키고 압연하는 단계에서,
상기 압연은 780℃에서 900℃의 온도에서 수행하는 파워모듈 제조방법.9. The method of claim 8,
In the step of curing and rolling the metal sheet coated with the metal layer,
The rolling is a power module manufacturing method performed at a temperature of 780 ℃ to 900 ℃.
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