KR20220160248A - 인버터 파워모듈 - Google Patents

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KR20220160248A
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ceramic substrate
semiconductor chip
power module
inverter power
substrate
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KR1020210068195A
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우경환
박승곤
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주식회사 아모센스
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Abstract

본 발명은 인버터 파워모듈에 관한 것으로, 세라믹기판(110)과 상기 세라믹기판(110)의 상부에 이격되게 배치되는 LTCC 기판(120)과 하면이 상기 세라믹기판(110)의 상면의 금속패턴(112)에 접합되고 상면이 상기 LTCC 기판(120)의 외부전극(123)에 접합되는 반도체칩(130)을 포함한다. 본 발명은 세라믹기판과 LTCC 기판 적용으로 기능과 동작 신뢰성을 보다 향상시킨 인버터 파워모듈을 제공할 수 있는 이점이 있다.

Description

인버터 파워모듈{Inverter power module}
본 발명은 파워모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기능과 신뢰성을 향상시키는 인버터 파워모듈에 관한 것이다.
인버터 파워모듈은 전기차 구동장치의 모터를 제어함에 있어 배터리 직류 전원을 모터용 교류 전원으로 변환하는 인버터의 핵심모듈이다. 인버터 파워모듈은 개별 전력 반도체칩들로 구성된 일반 파워모듈에 구동시스템의 제어개선을 위해 게이트 제어 회로와 보호 회로를 직접화시켜 모터 구동시스템을 보다 안정적으로 제어한다.
그런데 인버터 파워모듈에 사용되는 전력 반도체칩의 전류는 상당히 고전력이기 때문에 그 열에 의해 발생할 수 있는 전력 반도체칩의 오작동 또는 파괴를 방지하기 위해 효과적인 열방출이 필요하다.
공개특허공보 제2020-0052605호(2020.05.15 공개)
본 발명의 목적은 고온 성능이 향상된 기판을 적용하여 공정 안정화 및 고온 신뢰성을 향상시키며, 반도체칩의 접합 구조 및 방열판 구조를 개선하여 방열 효율을 향상시킴으로써 기능과 동작 신뢰성을 보다 향상시킨 인버터 파워모듈을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 세라믹기판과, 세라믹기판의 상부에 이격되게 배치되는 LTCC 기판과, 하면이 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되고 상면이 LTCC 기판의 외부전극에 접합되는 반도체칩을 포함한다.
세라믹기판은 AMB(Active Metal Brazing) 기판이다.
반도체칩은 SiC칩일 수 있다.
세라믹기판의 상면의 금속패턴에 상기 반도체칩의 하면의 표면전극을 접합하는 접합층과 LTCC 기판의 하면의 외부전극에 상기 반도체칩의 상면의 신호전달전극을 접합하는 접착층을 포함한다.
접합층은 은나노페이스트로 이루어지고, 접착층은 은나노페이스트 또는 솔더로 이루어진다.
세라믹기판의 하면에 접합되는 방열판을 더 포함한다.
방열판은 열전달물질(TIM, Thermal interface material)이 포함될 수 있다.
LTCC 기판의 상면에 실장된 회로보호소자(MLCC)를 포함하고, 회로보호소자는 LTCC 기판의 내부전극과 연결된 외부전극을 통해 반도체칩의 상면의 신호전달전극과 연결된다.
세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되고 외부로 연장되는 리드프레임과, 세라믹기판, LTCC 기판, 반도체칩을 감싸 일체화시키고 리드프레임의 단부는 외부로 노출시키는 몰드컴파운드를 더 포함한다.
하부 세라믹기판과 하부 세라믹기판의 상부에 이격되게 배치되는 상부 세라믹기판과, 하부 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되는 반도체칩과, 반도체칩과 상부 세라믹기판의 사이에 설치되어 반도체칩의 상면의 신호전달전극과 상부 세라믹기판의 금속패턴을 연결하는 전도성스페이서를 포함한다.
하부 세라믹기판의 하면에 접합되는 제1 방열판과 상부 세라믹기판의 상면에 접합되는 제2 방열판을 더 포함한다.
제1 방열판과 상기 제2 방열판은 열전달물질(TIM, Thermal interface material)이 포함될 수 있다.
상부 세라믹기판과 상기 하부 세라믹기판은 AMB(Active Metal Brazing) 기판일 수 있다.
반도체칩은 SiC칩이다.
하부 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 상기 반도체칩의 표면전극을 접합하는 접합층과, 전도성스페이서의 하면에 상기 반도체칩의 상면의 신호전달전극을 접합하는 제1 접착층과, 전도성스페이서의 상면을 상기 상부 세라믹기판의 하면의 금속패턴에 접합하는 제2 접착층을 포함한다.
접합층, 제1 접착층 및 제2 접착층은 은나노페이스트로 이루어진다.
하부 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되고 외부로 연장되는 리드프레임과, 하부 세라믹기판, 상부 세라믹기판, 반도체칩, 전도성스페이서를 감싸 일체화시키고 리드프레임의 단부는 외부로 노출시키는 몰드컴파운드를 더 포함한다.
본 발명은 반도체칩으로 SiC칩을 적용하여 효율을 높이고 AMB 기판을 적용하여 공정 안정화 및 신뢰성을 향상시키며 LTCC 기판을 적용하여 고온에 견디고 SiC 칩의 신호 전달을 용이하게 하며, 은나노페이스트를 사용하여 반도체칩을 세라믹기판에 안정적으로 접합하므로 동작온도가 고온화되더라도 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반도체칩으로 SiC칩을 적용하여 효율을 높이고, AMB 기판을 적용하여 공정 안정화 및 신뢰성을 향상시키며, 두 AMB 기판의 사이에 반도체칩과 전도성스페이서를 상하로 연결 배치한 구조를 채용하여 반도체칩에서 발생하는 열을 상하 양면으로 방열하므로 방열 효율이 우수하고 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 제1 변형예의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 제2 변형예의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 변형예의 단면 구조를 보인 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈(100)은 세라믹기판(110), LTCC 기판(120), 반도체칩(130)을 포함하고, 세라믹기판(110), LTCC 기판(120), 반도체칩(130)은 몰드컴파운드(140)로 감싸져 패키지화한 유닛으로 된다. 패키지화한 유닛은 방열판(150)에 금속적으로 접합된다.
구체적으로, 인버터 파워모듈(100)은 세라믹기판(110)과 LTCC 기판(120)의 사이에 반도체칩(130)을 배치하고, 세라믹기판(110)의 하면에 방열판(150)을 접합한 구조이다. 이러한 인버터 파워모듈(100)은 세라믹기판(110)을 적용하여 고온에서 구조적 안정성을 높이고, LTCC 기판(120)을 적용하여 고온에서 견디고 신호 전달이 용이하도록 하며, 방열판(150)을 적용하여 반도체칩(130)에서 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있도록 한다.
세라믹기판(110)은 반도체칩(130)을 실장하여 전력변환 회로를 형성하고, 대지와 절연확보하며, 반도체칩(130)에서 발생한 열을 방열판(150)에 전달하는 기능을 한다.
세라믹기판(110)은 내구성 향상 및 방열 효율을 높이기 위해 AMB(Active Metal Brazing) 기판을 적용한다.
세라믹기판(110)은 세라믹기재(111)와 세라믹기재(111)의 상면과 하면에 브레이징 접합된 금속층(112,113)을 포함한다. 세라믹기재(111)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있다. 금속층(112,113)은 세라믹기재(111) 상에 브레이징 접합된 금속박으로, 반도체칩(130)을 실장하는 금속패턴을 형성된다. 금속박은 세라믹기재 상에 780℃~1100℃로 소성되어 세라믹기재(111)와 브레이징 접합된 동박 또는 알루미늄박인 것을 일 예로 하며, 이러한 세라믹기판(110)을 AMB 기판이라 한다. 세라믹기판으로 DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판을 적용할 수도 있으나, 내구성 및 방열 효율면에서 AMB 기판이 가장 적합하다. AMB 기판은 내구성이 높아 인버터 파워모듈 제작시 공정 안정화가 가능하며, 고온 안정성이 우수하고 방열 효율이 높아 제조된 인버터 파워모듈의 신뢰성을 향상시킨다.
세라믹기판(110)의 상면의 금속층(112)은 반도체칩(130)과 전력변환 회로를 형성하고, 하면의 금속층(113)은 반도체칩(130)에서 발생한 열을 방열판(150)으로 빠르게 전달하는 역할을 하며, 중간의 세라믹기재(111)는 방열 효율을 높이면서 상면의 금속층(112)과 하면의 금속층(113)을 절연하여 방열판(150)과 반도체칩(130)의 사이를 절연함으로써 쇼트를 방지하는 역할을 한다.
LTCC 기판(120)은 세라믹기판(110)의 상부에 이격되게 배치된다. LTCC 기판(120)은 반도체칩(130)을 스위칭하는 신호를 출력하는 게이트 보드(Gate board)의 기능을 수행한다. LTCC 기판(120)의 상면에는 반도체칩(130)을 스위칭하는 신호를 출력하는 게이트 드라이브 IC(125)가 포함되어, 반도체칩(130)을 스위칭 할 수 있다.
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 기판(120)은 세라믹스 소성시 통상적으로 적용되는 소성온도보다 200℃이상 낮은 1000℃ 이하의 온도에서 금속전극과 세라믹기재가 동시에 소성되어 제조되는 기판을 의미하며, 상기와 같이 제조된 기판은 세라믹기재(121)의 내부에 형성된 내부전극(122)과 세라믹기재(111)의 상면과 하면 중 적어도 하나에 내부전극(122)과 연결되게 형성된 외부전극(123)을 포함하는 구조로 된다. LTCC 기판(120)의 내부전극(122)과 외부전극(123)을 통해 게이트 드라이브 IC(125)가 반도체칩(130)과 연결되고 반도체칩(130)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, LTCC 기판(120)의 상면에 회로보호소자(MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor)(127)가 실장된다. 회로보호소자(127)는 온도변화율이 매우 작기 때문에 온도 변화가 극심한 인버터 파워모듈에 사용되는 경우, 고온에 대한 내성을 강화하고 신호를 감쇄없이 안정적으로 처리하는 기능을 수행한다. 회로보호소자(127)는 용량을 맞추기 위해 LTCC 기판(120)에 다수 개가 실장될 수 있다.
회로보호소자(127)는 그 크기가 작고 대용량 캐패시터를 대체하므로 인버터 파워모듈(100)을 소형화하는데 유리하고 고온 안정성이 우수하므로 반도체칩(130)과 LTCC 기판(120)의 사이 절연거리를 최소화할 수 있다.
반도체칩(130)은 SiC칩을 적용한다. SiC는 밴드갭이 Si의 3배이고 파괴전계 강도가 10배 이상, 그리고 고온에서 동작하는 특성을 가지고 있으며, 특히 전력변환장치에 적용했을 시 전력손실을 대폭 절감할 수 있다. 이렇듯, SiC는 고내압, 저손실의 특징을 가지고 있고 고온동작이 가능하며 효율과 전력밀도가 우수하므로 인버터 파워모듈을 소형화하고 효율을 높이며 시스템의 무게를 줄이는데도 기여할 수 있다.
반도체칩(130)은 하면이 세라믹기판(110)의 상면의 금속패턴(112)에 접합되고 상면이 LTCC 기판(120)의 외부전극(123)에 접합되는 형태로 세라믹기판(110)과 LTCC 기판(120)의 사이에 배치된다.
반도체칩(130)은 하면의 표면전극이 세라믹기판(110)의 상면의 금속패턴(112)에 접합층(131)을 매개로 접합되고, 상면의 신호전달전극이 LTCC 기판(120)의 하면의 외부전극(123)에 접착층(133)을 매개로 접합된다.
접합층(131)은 은나노페이스트로 이루어질 수 있다. 은나노페이스트는 솔더에 비해 고온 신뢰성이 우수하고 열전도도가 높아, 반도체칩(130)이 세라믹기판(110)에 실장된 상태를 안정적으로 유지하고 반도체칩(130)에서 발생된 열을 세라믹기판(110)을 통해 방열판(150)으로 빠르게 전달할 수 있다. 은나노페이스트로 이루어진 접합층(131)은 소결 접합 방법을 적용하므로 납땜 접합층에 비해 강도가 높고 내열성이 좋으며 저열저항의 특징을 갖고 동작온도가 고온화되더라도 신뢰성이 높아 높은 방열성을 확보할 수 있다.
접착층(133)은 은나노페이스트 또는 솔더로 이루어질 수 있다. 접착층(133)은 LTCC 기판(120)의 외부전극(123)과 반도체칩(130)을 연결하는 역할을 한다. 솔더는 접합 강도가 높고 고온 신뢰성이 우수한 SnPb계, SnAg계, SnAgCu계, Cu계 솔더 페이스트가 사용될 수 있다. 접착층(133)은 LTCC 기판(120)으로의 열전도도는 낮추는 것이 좋으므로 은나노페이스트에 비해 열전도도가 낮은 솔더를 사용하는 것이 바람직하다.
몰드컴파운드(140)는 세라믹기판(110)과 LTCC 기판(120)의 사이에 배치된 반도체칩(130)의 보호 및 회로 간의 절연을 위한 것이다. 몰드컴파운드(140)는 고내열의 실리콘계 수지나 에폭시계 수지를 사용할 수 있다.
방열판(150)은 세라믹기판(110)의 하면에 접합된다. 방열판(150)은 반도체칩(130)에서 발생하는 열의 방열을 위한 것이다. 방열판(150)은 방열 효율이 높은 금속으로 이루어질 수 있으며, 일 예로 구리, 구리합금 및 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
방열판(150)은 세라믹기판(110)의 하면에 솔더링 접합될 수 있다. 따라서 반도체칩(130)에서 발생한 열은 접합층(131), 세라믹기판(110), 방열판(150)의 경로를 거쳐 외부로 방출될 수 있다. 솔더링 접합을 위한 솔더는 SnAg, SnAgCu 등이 사용될 수 있다.
방열판(150)은 내부에 세로방향 또는 가로방향으로 복수 개의 공간을 형성하고, 이 공간에 열전달물질(TIM, Thermal interface material)(151)을 적용할 수 있다. 열전달물질(151)의 일 예로, 방열그리스가 적용될 수 있으며, 방열그리스는 실리콘계 그리스, 실록산이 포함되지 않은 비실리콘 그리스일 수 있다. 방열그리스는 열저항을 낮춰 방열 효율을 높인다.
상술한 인버터 파워모듈(100)은 세라믹기판(110)의 상면에 은나노페이스트를 이용하여 반도체칩(130)의 하면을 소결 접합한 다음, 세라믹기판(110)에 접합된 반도체칩(130)의 상면을 LTCC 기판(120)의 외부전극과 접착층(133)으로 접합하여 세라믹기판(110)과 LTCC 기판(120)의 사이에 반도체칩(130)을 배치할 수 있다. 다음으로, 세라믹기판(110)과 LTCC 기판(120)과 반도체칩(130)을 몰드컴파운드(140)로 감싸 패키지화한 유닛으로 제조하고, 세라믹기판(110)의 하면에 방열판(150)을 접합하는 방법으로 제조할 수 있다.
이때, 몰드컴파운드(140)는 LTCC 기판의 상면과 세라믹기판(110)의 하면은 외부로 노출되게 감싸는 구조로 되어 반도체칩(130)의 보호 기능 및 절연 기능을 수행하면서 타 기기와 전기적 연결 및 방열판(150)의 접합은 가능하도록 한다.
인버터 파워모듈(100)은 세라믹기판(110)의 상면의 금속패턴에 접합되고 외부로 연장되는 리드프레임(135)을 더 포함한다. 외부로 연장된 리드프레임(135)의 단부는 전원의 입출력을 담당하는 단자와 연결된다. 구체적으로, 외부로 연장된 리드프레임(135)의 단부는 세라믹기판(110), LTCC 기판(120) 및 반도체칩(130)을 감싸 일체화시키는 몰드컴파운드(140)의 외부로 노출되어 전원의 입출력을 담당하는 단자와 연결된다.
상술한 인버터 파워모듈(100)은 SiC칩을 적용하여 효율이 높고, AMB 기판을 적용하여 공정 안정화 및 신뢰성이 향상되며, LTCC 기판을 적용하여 고온에 견디고 SiC 칩의 신호 전달이 용이하며, 은나노페이스트를 사용하여 반도체칩을 세라믹기판에 접합하므로 동작온도가 고온화되더라도 신뢰성이 높으며, 기존의 캐패시터 대신 회로보호소자(127)를 적용하여 소형화하면서도 고온에 대한 내성을 강화하고 신호를 감쇄없이 안정적으로 처리하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 방열판(150)에 열전달물질(151)을 적용하여 열저항을 낮춤으로써 방열 효율을 높일 수 있다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 제1 변형예의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 실시예의 제1 변형예인 인버터 파워모듈(100a)은 방열판(150a)이 히트싱크 형상으로 될 수 있다. 히트싱크 형상의 방열판(150a)은 표면에 일정간격으로 돌기가 형성되어 열이 발산되는 표면적을 넓힘으로써 효율적인 열발산이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 제2 변형예의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 3에 도시된 바에 의하면, 실시예의 제2 변형예인 인버터 파워모듈(100b)은 세라믹기판(110)의 하면에 방열판(150)을 열전달물질(151a)을 매개로 접합할 수 있다. 열전달물질(151a)은 방열그리스일 수 있다.
또한, 도시되지는 않았지만, 세라믹기판(110)의 하면에 방열그리스를 매개로 방열판(150)을 고정하고, 방열판(150)에 히터싱크를 납땜 등으로 접합하여 방열 효율을 높일 수도 있다.
상술한 실시예의 인버터 파워모듈은 반도체칩(130)에서 발생하는 열을 세라믹기판(110)의 하면에 접합된 방열판(150)을 사용하여 하부로 방열하는 구조이다.
반면 다른 실시예로, 인버터 파워모듈은 반도체칩에서 발생하는 열을 상하 양방향으로 방열하는 구조일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 4에 도시된 바에 의하면, 다른 실시예에 의한 인버터 파워모듈(200)은 하부 세라믹기판(210), 상부 세라믹기판(220), 반도체칩(230) 및 전도성스페이서(240)를 포함한다. 하부 세라믹기판(210), 상부 세라믹기판(220) 및 반도체칩(230)은 몰드컴파운드(250)로 감싸져 패키지화한 유닛으로 된다. 패키지화한 유닛은 방열판(260,270)에 금속적으로 접합된다.
구체적으로, 인버터 파워모듈(200)은 하부 세라믹기판(210)의 상면에 반도체칩(230)을 접합하고, 반도체칩(230)과 상부 세라믹기판(220)의 사이에 전도성스페이서(240)를 배치하고, 하부 세라믹기판(210)의 하면에 제1 방열판(260)을 접합하고 상부 세라믹기판(220)의 상면에 제2 방열판(270)을 접한한 구조이다. 이러한 인버터 파워모듈(200)은 반도체칩(230)에서 발생한 열이 제1 방열판(260)과 제2 방열판(270)으로 방출되므로 방열 효율을 보다 높일 수 있다.
하부 세라믹기판(210)은 반도체칩(230)을 실장하여 전력변환 회로를 형성하고, 대지와 절연확보하며, 반도체칩(230)에서 발생한 열을 제1 방열판(260)에 전달하는 기능을 한다. 상부 세라믹기판(220)은 반도체칩(230)에서 발생한 열을 전도성스페이서(240)를 통해 전달받아 제2 방열판(270)을 통해 외부로 방열하는 기능을 한다. 또한 상부 세라믹기판(220)은 도시되지 않은 기판과 전기적으로 연결되어 반도체칩(230)의 스위칭 신호를 전도성스페이서(240)를 통해 반도체칩(230)에 전달할 수 있다.
상부 세라믹기판(220)과 하부 세라믹기판(210)은 열전도도와 방열특성이 우수한 AMB(Active Metal Brazing)이 적용된다. 반도체칩(230)은 고온 동작이 가능한 SiC칩이 적용된다. 반도체칩(230)은 하부 세라믹기판(210)의 상면의 금속패턴(211)에 접합된다.
전도성스페이서(240)는 반도체칩(230)과 상부 세라믹기판(220)의 사이에 설치되어 반도체칩(230)의 상면의 신호전달전극과 상부 세라믹기판(220)의 금속패턴(223)을 연결한다. 금속패턴(223)은 상부 세라믹기판(220)의 하면의 금속층이다.
반도체칩(230)은 하면의 표면전극이 하부 세라믹기판(210)의 상면의 금속패턴(212)에 접합층(231)을 매개로 접합되고, 상면의 신호전달전극이 전도성스페이서(240)의 하면에 제1 접착층(233)으로 접합된다. 전도성스페이서(240)는 하면이 제1 접착층(233)을 매개로 반도체칩(230)의 상면과 접합되고, 상면이 제2 접착층(241)을 매개로 상부 세라믹기판(220)의 하면의 금속패턴(223)과 접합된다.
접합층(231), 제1 접착층(233) 및 제2 접착층(241)은 고온신뢰성이 높고 열전도도가 높은 은나노페이스트로 이루어진다. 접합층(231), 제1 접착층(233) 및 제2 접착층(241)이 은나노페이스트로 이루어지면 반도체칩(230)에서 발생한 열이 접합층(231)을 통해 제1 방열판(260)에 효율적으로 전달될 수 있고, 제1 접착층(233)과 제2 접착층(241)을 통해 제2 방열판(270)에 효율적으로 전달될 수 있어 높은 방열성을 확보할 수 있다.
몰드컴파운드(250)는 하부 세라믹기판(210)과 상부 세라믹기판(220)의 사이에 배치된 반도체칩(130)의 보호 및 회로 간의 절연을 위한 것이다. 몰드컴파운드(250)는 고내열의 실리콘계 수지나 에폭시계 수지를 사용할 수 있다. 몰드컴파운드(250)는 하부 세라믹기판(210), 상부 세라믹기판(220), 반도체칩(230) 및 전도성스페이서(240)를 감싸되, 하부 세라믹기판(210)의 하면과 상부 세라믹기판(220)의 상면은 감싸지 않는다. 이는 하부 세라믹기판(210)과 상부 세라믹기판(220)이 다른 기기 또는 방열판과 접합할 수 있도록 하기 위함이다.
제1 방열판(260)은 하부 세라믹기판(110)의 하면에 솔더링 접합되고 제2 방열판(270)은 상부 세라믹기판(220)의 상면에 솔더링 접합될 수 있다. 따라서 반도체칩(230)에서 발생한 열은 접합층(231), 하부 세라믹기판(210), 제1 방열판(260)의 경로를 거쳐 외부로 방출될 수 있다. 또한, 반도체칩(230)에서 발생한 열은 제1 접착층(233), 전도성스페이서(240), 제2 접착층(241), 상부 세라믹기판(220), 제2 방열판(270)의 경로를 거쳐 외부로 방출될 수 있다.
제1 방열판(260)과 제2 방열판(270)은 내부에 세로방향 또는 가로방향으로 복수 개의 공간을 형성하고, 이 공간에 열전달물질(TIM, Thermal interface material)(261,271)을 적용할 수 있다. 열전달물질(261,271)의 일 예로, 방열그리스가 적용될 수 있으며, 방열그리스는 실리콘계 그리스, 실록산이 포함되지 않은 비실리콘 그리스일 수 있다. 방열그리스는 열저항을 낮춰 방열 효율을 높일 수 있다.
상술한 인버터 파워모듈(200)은 하부 세라믹기판(110)의 상면에 은나노페이스트를 이용하여 반도체칩(130)을 가접합하고, 반도체칩(230)의 상면에 은나노페이스트를 이용하여 전도성스페이서(240)를 가접합하고, 전도성스페이서(240)의 상면에 상부 세라믹기판(220)을 가접합한 다음 소결하여 하부 세라믹기판(210)과 상부 세라믹기판(220)의 사이에 반도체칩(230)과 전도성스페이서(240)를 상하로 연결 배치할 수 있다. 다음으로, 하부 세라믹기판(210)과 상부 세라믹기판(220)과 반도체칩(230)과 전도성스페이서(240)를 몰드컴파운드(250)로 감싸 패키지화한 유닛으로 제조하고, 하부 세라믹기판(210)의 하면에 제1 방열판을 접합하고 상부 세라믹기판(220)의 상면에 제2 방열판(270)을 접합하는 방법으로 제조할 수 있다.
인버터 파워모듈(200)은 하부 세라믹기판(210)의 상면의 금속패턴(212)에 접합되고 외부로 연장되는 리드프레임(245)을 더 포함한다. 외부로 연장된 리드프레임(245)의 단부는 전원의 입출력을 담당하는 단자와 연결된다. 구체적으로, 외부로 연장된 리드프레임(245)의 단부는 하부 세라믹기판(210), 상부 세라믹기판(220), 반도체칩(230), 전도성스페이서(240)를 감싸 일체화시키는 몰드컴파운드(250)의 외부로 노출되어 전원의 입출력을 담당하는 단자와 연결된다.
상술한 다른 실시예의 인버터 파워모듈(200)은 반도체칩으로 SiC칩을 적용하여 효율이 높고, AMB 기판을 적용하여 공정 안정화 및 신뢰성이 향상되며, 두 AMB 기판의 사이에 반도체칩과 전도성스페이서를 상하로 배치하여 반도체칩에서 발생하는 열을 상하 양면으로 방열하므로 방열 효율이 우수하고 신뢰성이 향상된 고신뢰성의 인버터 파워모듈을 제공할 수 있다.
또한, 다른 실시예의 인버터 파워모듈(200)은 방열판(260,270)에 열전달물질(261,271)을 적용하여 열저항을 낮춤으로써 방열 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 파워모듈의 변형예의 단면 구조를 보인 도면이다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 다른 실시예의 변형예인 인버터 파워모듈(200a)은 제1 방열판(260)과 제2 방열판(270)이 히트싱크 형상으로 될 수 있다. 히트싱크 형상의 제1 방열판(260)과 제2 방열판(270)은 표면에 일정간격으로 돌기가 형성되어 열이 발산되는 표면적을 넓힘으로써 효율적인 열발산이 가능하다.
또한, 제1 방열판(260)과 제2 방열판(270)에는 열전달물질(261,271)이 포함되어 열저항을 낮춤으로써 방열 효율을 높일 수 있다.
상술한 실시예와 다른 실시예의 인버터 파워모듈은 혼용하여 적용 가능하며, 에어컨이나 냉장고 등 가전제품의 인버터 제어나 고층 빌딩의 엘리베이터, 철도, 하이브리드 전기자동차에 전력 변환 및 제어를 위해 사용될 수 있다.
특히, 실시예와 다른 실시예의 인버터 파워모듈은 전기자동차의 소형 BLDC 모터용 인버터에 적용하기 용이하다.
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.
100: 인버터 파워모듈 110: 세라믹기판
111: 세라믹기재 112: 금속층(금속패턴)
113: 금속층 120: LTCC 기판
121: 세라믹기재 122: 내부전극
123: 외부전극 125: 게이트 드라이브 IC
127: 회로보호소자 130: 반도체칩
131: 접합층 133: 접착층
135: 리드프레임 140: 몰드컴파운드
150: 방열판 151: 열전달물질
200: 인버터 파워모듈 210: 하부 세라믹기판
211: 세라믹기재 212: 금속층(금속패턴)
213: 금속층 220: 상부 세라믹기판
221: 세라믹기재 222,223: 금속층(금속패턴)
230: 반도체칩 231: 접합층
233: 제1 접착층 240: 전도성스페이서
241: 제2 접착층 245: 리드프레임
250: 몰드컴파운드 260: 제1 방열판
270: 제2 방열판 261,271: 열전달물질

Claims (17)

  1. 세라믹기판;
    상기 세라믹기판의 상부에 이격되게 배치되는 LTCC 기판; 및
    하면이 상기 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되고 상면이 상기 LTCC 기판의 외부전극에 접합되는 반도체칩;
    을 포함하는 인버터 파워모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹기판은 AMB(Active Metal Brazing) 기판인 인버터 파워모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체칩은 SiC칩인 인버터 파워모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 상기 반도체칩의 하면의 표면전극을 접합하는 접합층; 및
    상기 LTCC 기판의 하면의 외부전극에 상기 반도체칩의 상면의 신호전달전극을 접합하는 접착층;
    을 포함하는 인버터 파워모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접합층은 은나노페이스트로 이루어지고,
    상기 접착층은 은나노페이스트 또는 솔더로 이루어지는 인버터 파워모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹기판의 하면에 접합되는 방열판을 더 포함하는 인버터 파워모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방열판은 열전달물질(TIM, Thermal interface material)이 포함되는 인버터 파워모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LTCC 기판의 상면에 실장된 회로보호소자(MLCC)를 포함하고,
    상기 회로보호소자는 상기 LTCC 기판의 내부전극과 연결된 외부전극을 통해 상기 반도체칩의 상면의 신호전달전극과 연결되는 인버터 파워모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되고 외부로 연장되는 리드프레임; 및
    상기 세라믹기판, 상기 LTCC 기판, 상기 반도체칩을 감싸 일체화시키고 상기 리드프레임의 단부는 외부로 노출시키는 몰드컴파운드;
    를 더 포함하는 인버터 파워모듈.
  10. 하부 세라믹기판;
    상기 하부 세라믹기판의 상부에 이격되게 배치되는 상부 세라믹기판;
    상기 하부 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되는 반도체칩;
    상기 반도체칩과 상기 상부 세라믹기판의 사이에 설치되어 상기 반도체칩의 상면의 신호전달전극과 상기 상부 세라믹기판의 금속패턴을 연결하는 전도성스페이서;
    를 포함하는 인버터 파워모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하부 세라믹기판의 하면에 접합되는 제1 방열판; 및
    상기 상부 세라믹기판의 상면에 접합되는 제2 방열판;
    을 더 포함하는 인버터 파워모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 방열판과 상기 제2 방열판은 열전달물질(TIM, Thermal interface material)이 포함되는 인버터 파워모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 상부 세라믹기판과 상기 하부 세라믹기판은 AMB(Active Metal Brazing) 기판인 인버터 파워모듈.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 반도체칩은 SiC칩인 인버터 파워모듈.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 하부 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 상기 반도체칩의 표면전극을 접합하는 접합층;
    상기 전도성스페이서의 하면에 상기 반도체칩의 상면의 신호전달전극을 접합하는 제1 접착층; 및
    상기 전도성스페이서의 상면을 상기 상부 세라믹기판의 하면의 금속패턴에 접합하는 제2 접착층;
    을 포함하는 인버터 파워모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 접합층, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층은 은나노페이스트로 이루어지는 인버터 파워모듈.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 하부 세라믹기판의 상면의 금속패턴에 접합되고 외부로 연장되는 리드프레임;
    상기 하부 세라믹기판, 상기 상부 세라믹기판, 상기 반도체칩, 상기 전도성스페이서를 감싸 일체화시키고 상기 리드프레임의 단부는 외부로 노출시키는 몰드컴파운드;를 더 포함하는 인버터 파워모듈.
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