KR20230074545A - 통합형 신호 보드를 구비한 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈 및 이를 구현하는 방법 - Google Patents

통합형 신호 보드를 구비한 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈 및 이를 구현하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230074545A
KR20230074545A KR1020237013893A KR20237013893A KR20230074545A KR 20230074545 A KR20230074545 A KR 20230074545A KR 1020237013893 A KR1020237013893 A KR 1020237013893A KR 20237013893 A KR20237013893 A KR 20237013893A KR 20230074545 A KR20230074545 A KR 20230074545A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
raised
plane
power plane
elements
Prior art date
Application number
KR1020237013893A
Other languages
English (en)
Inventor
자크 콜
스티븐 에릭슨
Original Assignee
울프스피드, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울프스피드, 인크. filed Critical 울프스피드, 인크.
Publication of KR20230074545A publication Critical patent/KR20230074545A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H01L23/64—Impedance arrangements
    • H01L23/645—Inductive arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/14—Structural association of two or more printed circuits
    • H05K1/147—Structural association of two or more printed circuits at least one of the printed circuits being bent or folded, e.g. by using a flexible printed circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/181—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components associated with surface mounted components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/14—Structural association of two or more printed circuits
    • H05K1/142—Arrangements of planar printed circuit boards in the same plane, e.g. auxiliary printed circuit insert mounted in a main printed circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/04—Assemblies of printed circuits
    • H05K2201/042—Stacked spaced PCBs; Planar parts of folded flexible circuits having mounted components in between or spaced from each other
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10151—Sensor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10166—Transistor

Abstract

전력 모듈은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판; 및 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 연결되는 복수의 전력 소자를 포함한다. 전력 모듈은 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 상승된 신호 요소 및/또는 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 더 포함한다.

Description

통합형 신호 보드를 구비한 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈 및 이를 구현하는 방법
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 전력 모듈은 다양한 형태로 알려져 있다. 전력 모듈은 통상적으로 전력 반도체 소자인 전력 구성요소들에 대한 물리적 격납을 제공한다. 이들 전력 반도체는 일반적으로 전력 전자 기판에 납땜 또는 소결된다. 전력 모듈은 일반적으로 전력 반도체들을 받치고, 전기 및 열 접촉을 제공하며, 전기 절연을 포함한다.
전화(electrification)의 현재 추세는 전력 반도체 소자, 전력 전자장치, 및/또는 전력 모듈과 관련된 기타의 것을 포함하는 전력 모듈에 대한 요구를 높여가고 있다. 예를 들면, 개선된 효율, 개선된 작동, 및 더 높은 전력 밀도가 그것이다. 이들 요구는 시스템 레벨에서 구성요소 레벨로 확장되고 있다. 그러나 전력 모듈 내에서 구성요소들을 구현하는 영역은 제한되어 있고, 따라서 이는 효율의 개선, 작동의 개선, 전력 밀도의 증가를 제한한다.
따라서, 개선된 효율, 개선된 동작, 더 높은 전력 밀도 등을 갖도록 구성된 전력 모듈이 필요한 것이다.
하나의 일반적인 양태는 전력 모듈을 포함하며, 상기 전력 모듈은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판; 및 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 그에 연결되는 복수의 전력 소자를 포함하고, 상기 전력 모듈은, 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 상방에 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소; 및 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 전력 평면 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하나의 일반적인 양태는 전력 모듈을 구성하는 방법을 포함하며, 상기 전력 모듈을 구성하는 방법은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판을 제공하는 단계; 복수의 전력 소자를 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열하고 상기 복수의 전력 소자를 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 연결하는 단계; 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결하고 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋되어 배열될 수 있다.
하나의 일반적인 양태는 전력 모듈을 포함하며, 상기 전력 모듈은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판; 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 그에 연결되는 복수의 전력 소자; 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 상승된 신호 요소; 및 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋되어 배열되고, 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 배열될 수 있다.
하나의 일반적인 양태는 전력 모듈을 포함하며, 상기 전력 모듈은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판; 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 그에 연결되는 복수의 전력 소자; 및 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 추가적인 특징, 장점 및 양태는 다음의 상세한 설명, 도면 및 청구범위를 고려하여 제시되거나 명백해질 것이다. 나아가, 본 개시내용의 전술한 요약 및 다음의 상세한 설명은 예시적인 것이며 청구된 본 개시내용의 범위를 제한하지 않고 추가 설명을 제공하기 위한 것으로 이해해야 한다.
본 개시내용의 추가 이해를 제공하기 위해 포함된 첨부 도면들은 본 명세서에 포함되어 본 개시내용의 일부를 구성하고, 본 개시내용의 양태들을 예시하고 상세한 설명과 함께 본 개시내용의 원리들을 설명하는 역할을 한다. 본 개시내용의 기본적인 이해 및 그것이 실행될 수 있는 다양한 방식에 필요한 것보다 더 상세하게 본 개시내용의 구조적 상세 사항들을 도시하려는 시도가 행해지는 것은 아니다. 도면들에서:
도 1a는 본 개시내용의 양태들에 따른 전력 모듈의 하프-브리지 기반 토폴로지를 개략적으로 예시한다.
도 1b는 DC 링크 커패시터와 도 1a의 전력 모듈 내부 스위치 위치들 사이의 전류 루프를 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 양태들에 따른 다양한 상호 접속 및 연관된 임피던스를 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 양태들에 따른 스위치 위치의 다양한 상호 접속 및 연관된 임피던스를 예시한다.
도 4는 본 개시내용의 양태에 따른 전력 모듈의 상면 개략도를 예시한다.
도 5는 본 개시내용의 양태들에 따른 병렬 구성의 복수의 단상 모듈을 예시한다.
도 6a는 본 개시내용의 양태들에 따른 제1 전력 모듈 구성을 예시한다.
도 6b는 본 개시내용의 양태들에 따른 제2 전력 모듈 구성을 예시한다.
도 7은 본 개시내용의 양태들에 따른 풀 브리지 구성의 복수의 전력 모듈을 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 양태들에 따른 3상 구성의 복수의 전력 모듈을 예시한다.
도 9는 본 개시내용의 양태들에 따른 풀 브리지 구성을 갖는 단일 전력 모듈을 예시한다.
도 10은 본 개시내용의 양태들에 따른 전력 모듈의 부분 사시 내부도를 예시한다.
도 11은 도 10의 전력 모듈의 부분 사시 내부도를 예시한다.
도 12는 도 11의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
도 13은 도 12의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
도 14는 도 12의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
도 15는 도 12의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
도 16은 도 10의 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
도 17은 도 10의 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
도 18은 도 10의 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
도 19는 본 개시내용의 양태들에 따른 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
도 20은 도 10의 전력 모듈을 통한 전류 흐름을 예시한다.
도 21은 도 10의 전력 모듈을 통한 전류 흐름을 예시한다.
도 22는 본 개시내용에 따른 전력 모듈을 구현하는 방법을 예시한다.
본 개시내용의 양태들 및 그의 다양한 특징 및 유리한 세부 사항들은 첨부 도면들에서 설명되고/되거나 예시되고 다음의 설명에서 상세히 기술되는 비제한적인 양태들 및 예들을 참조하여 보다 완전하게 설명된다. 도면들에 예시된 특징들은 반드시 일정한 축척대로 도시되는 것은 아니며, 본원에서 명시적으로 언급되지 않더라도 숙련된 기술자가 인식하는 바와 같이 일 양태의 특징이 다른 양태들과 함께 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 잘 알려진 구성요소들 및 처리 기술들의 설명은 본 개시내용의 양태들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 생략될 수 있다. 본원에 사용된 예들은 단지 본 개시내용이 실시될 수 있는 방식들의 이해를 용이하게 하고 추가로 당업자가 본 개시용의 양태들을 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서, 본원의 예들 및 양태들은 첨부된 청구범위 및 적용 가능한 법에 의해서만 정의되는 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 더욱이, 동일한 참조 번호는 도면의 여러 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다는 점에 유의해야 한다.
본 개시내용은 상승된 전력 평면(elevated power plane)을 갖는 전력 모듈에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈을 구현하는 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 상승된 신호 보드(elevated signal board)를 갖는 전력 모듈에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 상승된 신호 보드를 갖는 전력 모듈을 구현하는 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 상승된 전력 평면 및 상승된 신호 보드를 갖는 전력 모듈에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 상승된 전력 평면 및 상승된 신호 보드를 갖는 전력 모듈을 구현하는 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 통합형 신호 보드를 구비한 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈에 관한 것이다. 본 개시내용은 추가로 통합형 신호 보드를 구비하는 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈을 구현하는 방법에 관한 것이다.
개시된 전력 모듈은 표준 패키징 접근 방식보다 상당히 낮은 루프 인덕턴스로 소자들의 대형 어레이들 사이에 전류를 고르게 분배하도록 구성될 수 있다. 전력 모듈의 레이아웃은 고도로 구성 가능하며 전력 전자 산업에서 일반적인 대부분의 전력 회로 토폴로지를 채택하도록 구성될 수 있다.
전력 모듈의 전력 소자들은 구조와 목적이 다양하다. '전력 소자'라는 용어는 고전압 및 전류용으로 설계된 다양한 형태의 트랜지스터들 및 다이오드들을 지칭한다. 트랜지스터들은 단방향 또는 양방향 전류 흐름(소자 유형에 따라 다름)을 허용하는 제어 가능 스위치일 수 있는 반면 다이오드들은 한 방향으로의 전류 흐름을 허용하고 제어는 불가능할 수 있다. 트랜지스터 유형들은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Field Effect Transistor), 접합 게이트 전계 효과 트랜지스터(JFET: Junction Field Effect Transistor), 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Transistor), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) 등을 포함할 수 있지만 이들에 제한되지 않는다.
본 개시내용은 질화 갈륨(GaN), 탄화 규소(SiC) 등과 같은 최신 광대역 갭 전력 반도체 소자들에 최적화된 구조를 포함할 수 있는 전력 모듈을 추가로 설명하며, 이는 많은 양의 전류와 전압을 전달할 수 있고 기존 기술에 비해 점점 더 빠른 속도로 스위칭할 수 있다. 종래의 전력 전자 패키지들은 실리콘(Si) 소자 기술들을 위한 내부 레이아웃들을 가지고 있어 이들 반도체에 대한 기능이 제한된다.
전력 소자들은 질화 갈륨(GaN), 탄화 실리콘(SiC) 등의 광대역 갭(WBG: Wide Band Gap) 반도체를 포함할 수 있으며, 전력 소자들의 소재로서 종래의 실리콘(Si)에 비해 많은 장점을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 다양한 양태는 Si 유형 전력 디바이스들을 이용할 수 있고 본원에 기술된 다수의 이점을 달성할 수 있다. WBG 반도체들의 핵심 지표(key metrics)는 다음의 비제한적 측면 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 더 높은 전압 차단, 더 높은 전류 밀도, 더 높은 온도 작동, 더 빠른 스위칭, 개선된 열 성능, 더 낮은 온-저항(전도 손실 감소), 더 낮은 턴온 및 턴오프 에너지(스위칭 손실 감소) 등. 이들 WBG 반도체의 핵심 지표는 필요하지 않으며 본 개시내용의 일부 양태에서 구현되지 않을 수 있음을 이해해야 한다. WBG 반도체 소자들을 효과적으로 이용하기 위해 전력 모듈(전력 패키지라고도 함)이 사용된다.
전력 모듈들에 대한 현재 기술은 전력 소자들에 대한 기계적 지원에 더하여 회로의 패터닝 노드들을 위한 상단 금속층, 전력 소자들과 바닥판 사이의 열 도관을 제공하는 단일 층의 세라믹 절연체 - 유사한 두께의 직접 본드 또는 활성 금속 납땜 구리를 사용하여 금속화된 상단 및 하단(즉, 기판) - 에 크게 의존한다.
전력 소자들이 상주하는 세라믹의 상단 금속층은 전기 단락 없이 전력 소자들로 그리고 전력 소자들로부터 전류를 라우팅하도록 에칭된다. 이들 공급 및 복귀 경로는 면적을 차지하며, 전력 모듈이 적절하게 작동하려면 서로 주변으로 그리고 다른 구성요소 주변으로 라우팅되어야 한다. 본 개시내용이 기술하는 바와 같이, 본원에 설명된 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 및/또는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 이용하는 전력 소자들 상방에 상승된 및 지지된 금속층을 배치함으로써, 기판 상의 면적이 확보되어 더 많은 전력 소자, 부가적인 구성요소들(예를 들어, 열 센서, 전류 센서, 커패시터 등), 더 많은 전류를 전달하기 위한 더 큰 금속 평면들, 더 쉬운 레이아웃 기하학적 구조, 부품 배치에 대한 더 많은 유연성 또는 이들의 임의 조합을 추가함으로써, 그 결과 고밀도 전력 모듈 패키지를 가능케 한다.
본원에 기술된 바와 같은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 활용하는 상승된 신호 보드는 표준 인쇄 회로 보드(PCB), 견고한 절연 금속 기판(IMS: insulated metal substrate) 기술, 고전압 시제품 모듈을 위한 기타 변형 기술 등을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 고전압 시제품 모듈을 위한 기타 변형 기술은, 기판 레이아웃을 더 단순하게 하고 더 높은 전력 밀도 모듈을 허용하기 위해 주로 전압 절연(voltage isolation) 이유로 구현될 수 있다.
본원에서 기술된 바와 같이 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 및/또는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 이용하는 상승된 신호 보드와 상승된 전력 평면의 통합은 기판 상단의 원래 전도성 평면의 기하학적 구조를 더 단순화한다. 이러한 통합을 통해 전력 및 신호 경로들을 전력 소자들로 라우팅할 때 더 많은 설계 유연성을 가능하게 한다. 또한, IMS 또는 유사한 기술을 사용하는 실시형태에서, 신호 경로들이 실질적으로 전력 전도체에 직접 인쇄되거나 적층되는 경우 전체 부품 수 및 조립 복잡성을 줄일 수 있다(그리고 경우에 따라 비용을 줄일 수 있음). 사실상, 전력 모듈에 추가적인 금속층을 도입하면 전력 모듈의 전체 전류용량도 증가할 수 있다.
소자 레이아웃/위치에 대한 더 큰 선택 범위와 결합된 신호 및 전력 경로 라우팅의 추가된 선택 범위는 더 나은 열 성능 및 더 낮은 패키지 인덕턴스를 위해 더 낮은 소자 밀도 또는 배치를 허용하는 측면에서 추가 이점을 가질 수 있다.
패키지 인덕턴스를 낮추는 경우, 원래 기판 전력 평면 위의 상승된 전력 평면의 층상 평면 기하학적 구조는 거의 이상적인 낮은 인덕턴스 루프 기하학적 구조(작은 전도체 분리, 짧은 전체 경로 및 넓은 전류 경로)를 제공한다.
보다 구체적으로, 본 개시내용은 신호 및/또는 전력 전도를 라우팅하기 위해 바닥판을 전력 모듈의 나머지로부터 절연시키는 데 사용되는 세라믹 기판들에 내장된 전도 평면(들)을 위로 상승된 별개의 레벨에 사용한다. 이러한 "호버보드" 또는 "올림식" 또는 "상승식" 접근 방식은 해당 기능의 일부를 패키지 내의 또 다른 상승된 평면으로 이동하여(즉, 2D에서 3D로 이동함) 추가적인 전력 소자들, 센서들, 커넥터들, 전도성 전력 및 신호 경로들 등을 배치하기 위한 제한된/한정된 기판 영역 문제를 해결하는 데 도움이 된다.
본 개시내용의 일 양태는 전력 다이의 드레인 측들이 이들이 장착되는 기판의 금속 배선(metallization)에 전기적으로 연결되는 전력 모듈을 포함할 수 있다. 그러나 소스 와이어 본드는 동일한 세라믹 기판의 또 다른 금속 패드에 연결되지 않고 대신 예를 들어 다이 위의 해당 평면에 있는 홀들을 통해 금속 층까지 연결되며, 이는 차례로 전력 모듈의 외부 전력 단자들과 연결될 수 있다(그리고 이들 외부 전력 단자들과 동일한 조각의 금속일 수도 있음).
본 개시내용의 일 양태는 전도성 전력 평면 위에 놓이는 인쇄 회로 보드(PCB) 요소를 적어도 일 측에 포함하는 전력 모듈을 포함할 수 있다. 이는 제어 및 감지 신호를 또 다른 전도 평면(또는 또 다른 세트의 평면들)에 라우팅하는 방법을 나타낸다. 이 PCB는 본 개시내용의 도면들 또는 아래에 예시된 바와 같이 전력 평면 상방에 장착될 수 있다. 전력 모듈의 해당 면에서 제어 및/또는 감지를 제공하기 위해 유사한 회로 층 구성요소(또는 도시된 구성요소의 연장)가 전력 모듈의 또 다른 면 위에 배열될 수도 있다.
본 개시내용의 일 양태는 신호 평면의 통합형 버전을 포함하는 전력 모듈을 포함할 수 있다. 신호 평면의 통합형 버전은 회로 기판 층이 후막(thick film), 인쇄 및/또는 적층 구조(예컨대, 절연 금속 기판(IMS))로 감소된 실시형태일 수 있으며, 여기서 회로 보드의 절연 층 및 전도 층들은 전력 평면의 표면에 바로 만들어지고/배치(laid down)되고/인쇄된다. IMS 구현예의 경우, 이는 전력 및 신호 층들을 하나로 통합하는 단일 구매 부품이 된다. 이는 전력 모듈 내에 위치할 수 있으며 전력 및 신호 와이어 본드를 둘 다 배치할 수 있다. 그런 다음 전체 구조를 봉지하고, 시험하고, 배송할 수 있다.
IMS는 통상적으로 알루미늄 또는 구리인 하단 금속층을 포함할 수 있으며, 일반적으로 바닥판으로 사용되므로 접지 전위에 있다. 그러나, 본 개시내용의 양태들에서 IMS 하단 금속층은 고전류 전도체 및/또는 게이트-켈빈 보조 단자 분배망 또는 예컨대 온도, 전류 또는 전압 센서들과 같은 다른 내부 회로의 캐리어로서 신규한 방식으로 사용될 수 있다.
본 개시내용의 추가 양태들은 모든 트랜지스터의 드레인들, 예컨대 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 다이들(또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)용 컬렉터들)이 이들이 장착되는 기판의 상단 금속 배선에 전기적으로 연결되는 전력 모듈의 구현예와 관련된다. 그러나 소스 전력 와이어 본드는 일반적으로 동일한 세라믹 기판의 또 다른 금속 패드에 연결되지 않는다. 그러나 대신 소스 전력 와이어 본드는 상승된 금속층에 전기 연결을 만든다(예를 들어, 이 경우 다이 위의 상승된 금속층에 배치된 홀들을 통해, 이는 다시 전력 모듈의 외부 전력 단자들에 직접 또는 간접적으로 연결됨).
전력 모듈의 일 면에서 신호 분배 요소가 두꺼운 금속 전도성 전력 평면에 적층될 수 있다. 이는 보조 제어 및/또는 감지 신호를 또 다른 전도 평면(또는 다수의 전도 평면)에 라우팅하는 방법을 나타낸다. 이 신호 분배 요소 구조는 와이어 본드 전기 연결을 쉽게 하기 위해 전력 평면 상방에 장착될 가능성이 높지만 소정의 구현예에서 해당 배향에 대한 하나 이상의 이점이 있는 경우 아래에 있을 수도 있다. 유사한 통합 구성요소가 전력 모듈의 또 다른 면에 구현되어 해당 면에 보조 제어 및/또는 감지 신호를 제공할 수 있다.
신호 평면들의 "통합형 버전"(예를 들어, 상측 및 하측 스위치 위치 위의 하나)은 상승된 신호 분배 요소 층이 실제로 후막, 인쇄 및/또는 적층 구조(예를 들어, 절연 금속 기판(IMS) 회로 보드 기술 또는 연성 회로 기술 등)로 감소된 실시형태일 수 있으며, 여기서 회로 보드의 절연 층 및 전도 층은 전력 평면 표면 바로 안에 또는 위에 만들어지고/배치되고/인쇄되고/접착되고/배치된다. IMS 실시형태의 경우, 이는 전력 및 신호 및/또는 제어 층들을 모두 하나로 통합할 수 있는 단일 구매 부품이 될 수 있다. 일 양태에서, 전력 및 신호 와이어 본드를 모두 배치하기 전에 먼저 모듈 내에 물리적으로 위치시킬 수 있다. 이어서, 생성된 구조는 봉지되고, 덮개화되고, 종단 테스트되고, 그리고/또는 기타 처리를 받을 수 있다.
1) 상승된 저전력 신호 분배 요소; 및 2) 상승된 고전력 평면의 통합은 기하학적 구조, 트레이스 밀도를 더 단순화하고 원래의 상단 전도 세라믹 기판 평면의 활용도를 증가시킨다. 이러한 통합은 상단 금속 배선 평면에서 기존의 저전력 및 고전력 요소들을 기본적으로 과소화(depopulate)/제거하여, 더 많은 전력 반도체(즉, SiC MOSFET, SiC 접합 배리어 쇼트키(JBS: Junction Barrier Schottky) 다이오드, SiC IGBT, Si 전력 MOSFET, Si IGBT 등)를 위한 "실면적"의 증가를 가능하게 한다. 이는 이론적으로 동일한 기판 풋프린트(footprint)에 대해 증가된 전류용량을 허용하거나 다른 어플리케이션 회로(예를 들어, 온도 센서, 전류 센서 등)의 통합을 허용한다. 이러한 통합은 또한 추가적인 일 차원의 부가(즉, 2D에서 3D로 이동)를 통해 추가적인 설계 자유도를 가능하게 하므로 모듈 설계자에게 전력 및 신호 경로들의 라우팅에서 더 많은 설계 유연성을 허용한다.
또한, 신호 경로들이 전력 전도체 내에 또는 위에 직접 인쇄되거나 적층되는 IMS 회로 보드 또는 유사한 기술을 사용하는 실시형태에서, 전체 부품 수, 조립 복잡성 및 비용이 감소될 수 있다.
내부 게이트-소스-켈빈(GSK) 인쇄 회로 보드를 이용하는 일부 전력 모듈 내에 수동 소자들 - 예컨대 게이트 또는 소스 저항기들, 커패시터들 등 - 을 배치할 기회도 있다. 저전력 신호 분배 회로를 고전력 전도 평면에 바로 통합시키면 센서들 - 예컨대 적합하지 않거나 쉽게 연결될 수 없는 온도 센서들 또는 전류 센서들 - 을 쉽게 설치하고 연결할 수 있는 기회가 제공된다. 이제 신호 층들이 전력 평면 바로 상방에 놓여있기 때문에 상승된 전력 평면 주위에, 위에 또는 매우 가까이에 직접 장착된 유도성 홀 효과 및/또는 저항성 션트 전류 센서를 배치하고 연결하는 것이 훨씬 간단한다.
열 센서의 경우, 이들은 통상적으로 전력 모듈 내의 최대 온도를 감지하기 위해 가장 뜨거운 전력 소자들에 가장 가까운 금속화 세라믹 기판의 상단에 직접 배치된다. 통상적으로 호환되지 않는 전압들, 센서 크기들 및 연결 라우팅 경로들로 인해 설계 절충안의 목록이 필요하다. 집적 회로를 사용하면 전력 기판에서 차지하는 필요한 와이어 본드 길이들 또는 신호 경로 공간을 줄이거나 발열 전력 소자들에 열적으로 밀접하게 결합된 위치의 집적 회로 층에 센서를 직접 장착함으로써(예컨대, 상승된 전력 평면이 기판에 연결됨) 연결 복잡성을 크게 단순화할 수 있다.
통합된 신호 층들에 대해 유의해야 할 중요한 점은 본 개시내용의 일부 구현예가 신호 층들이 별개이지만 연결된 요소(예컨대, 전력 모듈의 다른 내부 부품에 연결되나 외부 구성요소들에 공급되는 유연한 리본 케이블)로서 또는 기저의 전력 평면 금속으로 제작된 만곡부들을 따라 평면에서 만곡되는 것을 허용한다는 점이다. 표준 평면 회로 보드를 사용하는 것과 달리 이러한 유연성은 예컨대 내부 신호 경로들을 라우팅 및 연결하거나 게이트 드라이버 보드들에 대한 외부 연결부들을 제작할 때 훨씬 더 큰 범위의 설계 옵션을 허용한다.
마지막으로, 조립 공정에서 이들 만곡부가 제작되는 정확한 시점에 얼마의 사전 고려사항을 적용하면 수동 구성요소들(예를 들어, 저항기, 센서, 소켓, 핀, 블레이드 등)을 회로에 배치하고 표준 인쇄 보드처럼 대량으로 처리할 수 있으며 이들의 구성요소는 고도로 자동화된 방식으로 밀집화(populate)된다. 이 조립 단계는 매우 저렴한 비용으로 표준 보드 하우스에 아웃소싱할 수 있으며 이후 최종 조립 전이나 도중에 만곡부들을 추가할 수 있다.
도 1a는 본 개시내용의 양태들에 따른 전력 모듈의 하프-브리지 기반 토폴로지를 개략적으로 예시한다.
특히, 도 1a는 많은 스위칭 전력 변환기에서 기본 빌딩 블록으로 간주될 수 있는 하프-브리지 기반 토폴로지로 구현된 전력 모듈(100)을 예시한다. 모터 드라이브들, 인버터들, DC-DC 변환기들 및/또는 이와 유사한 것들에 대해 이들 토폴로지는 일반적으로 그들 사이의 중간 연결로서 DC 링크 커패시터(102)와 함께 DC 전원(112)에 연결된다. 그러나, 본 개시내용의 전력 모듈(100)은 DC 링크 커패시터(102) 없이 구현될 수 있다.
DC 링크 커패시터(102)는 라인 상의 리플을 필터링하고 전류 경로에서 인덕턴스의 효과에 대응하도록 작용할 수 있다. 2개의 하프-브리지를 병렬로 연결하면 풀-브리지를 형성할 수 있는 반면, 3개를 병렬로 연결하면 3상 토폴로지를 형성할 수 있다. 3상 토폴로지는 종종 6팩이라고도 하며 3상 레그 중 6개의 스위치 위치를 나타낸다. 더욱이, 공통 소스, 공통 드레인, 중성점 클램프 등을 포함하는 전력 모듈에 대해 다른 토폴로지가 고려된다.
도 1a는 하나 이상의 스위치 위치(104)를 갖는 전력 모듈(100)을 추가로 예시한다. 전력 모듈(100)은 제1 단자(106), 제2 단자(108) 및 제3 단자(110)를 포함할 수 있다.
도 1b는 DC 링크 커패시터(102)와 도 1a의 전력 모듈 내부의 스위치 위치들(104) 사이의 전류 루프를 예시한다. DC 링크 커패시터(102)와 전력 모듈(100) 내부의 스위치 위치들(104) 사이의 전류 루프(114)는 시스템에서 매우 중요하며 반도체들의 스위칭 성능에 상당한 영향을 미친다.
완벽한 시스템은 없으며; 예를 들어, 모든 전기 시스템에는 바람직하지 않은 기생 저항, 커패시턴스 및 인덕턴스가 존재한다. 이러한 임피던스는 저감시키거나 완화시키지 않는 한 성능과 신뢰성에 해로운 영향을 미친다. 저항과 커패시턴스가 각각의 상호 접속과 연관될 수 있지만, 전력 소자들의 스위칭에 가장 큰 영향을 미치는 것은 기생 인덕턴스일 수 있다. 인덕턴스가 높을수록 자기장에 저장된 에너지를 높게 하며, 이는 스위칭 전이 중에 전압 오버슈트 및 링잉을 초래한다.
도 2는 본 개시내용의 양태들에 따른 다양한 상호 접속 및 연관된 임피던스를 예시한다.
도 1a에 제시된 전력 모듈(100)의 하프-브리지 구성과 같은 전력 변환 시스템의 경우, DC 링크 커패시터(102), 버싱(bussing) 시스템, 및 전력 모듈(100) 등을 포함하는 각각의 구성요소 내에는 그리고 그들 사이의 물리적 상호 접속에는 임피던스(204)가 있다. 이는 인덕턴스에 대해 도 2에 도시된다. 더 많은 기능적 요소와 관련 임피던스가 종종 전력 변환기에 존재한다. 그러나 스위칭 성능의 경우 이 루프가 가장 중요할 수 있다.
대부분의 전력 변환기에서, 이러한 인덕턴스는 시스템 설계에서 신중하게 고려해야 한다. 종종 이는 기생 효과에 대응하기 위해 DC 링크 커패시터(102)를 더 추가하거나 스위칭 속도를 낮추는 것을 요구한다. 효과적이기는 하지만, 이는 (높은 전류와 전압이 모두 존재하는 더 느린 스위칭 이벤트로 인해) 더 큰 손실을 갖는 부피가 큰 시스템(더 크고 무거운 커패시터)을 초래한다.
Si 소자들을 위해 의도된 전력 패키지들에서 Si IGBT의 일반적인 턴온 및 턴오프 시간은 내부 전력 루프에서 발생하는 인덕턴스가 충분히 낮을 정도로 내재적으로 느리다. 그러나 SiC MOSFET들과 같은 광대역 갭 소자들의 매우 빠른 스위칭의 경우 종래의 패키지들의 인덕턴스로 인해 수백 볼트의 전압 오버슈트를 초래할 수 있다.
이들 문제는 전력 모듈(100)에서 높은 전류 레벨에 도달하기 위해 많은 SiC 소자를 병렬로 연결해야 할 필요성으로 인해 더 증폭된다. 다양한 조합(모든 스위치, 모든 다이오드, 인터리빙된 다이오드, 에지 다이오드 등)의 전력 스위치들 및 다이오드들의 병렬 어레이를 '위치' 또는 '스위치 위치'라고 한다. 스위치 위치(104)에서 각각의 스위치는 단일 유효 스위치로 함께 작용하여 유효 저항을 낮춤으로써 회로가 처리할 수 있는 전류의 양을 증가시키거나 전체 손실을 감소시킨다.
도 3은 본 개시내용의 양태들에 따른 스위치 위치의 다양한 상호 접속 및 연관된 임피던스를 예시한다.
스위치 위치(104)에서, 각각의 스위치 또는 전력 소자(302)는 구조에서 자신의 개별 전류 경로를 갖는다. 각각의 상호 접속은 도 3에 예시된 바와 같이 연관된 임피던스(204)를 갖는다. 도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 스위치 위치(104)는 화살표(304)에 도시된 기호로 표시된 바와 같이 임의의 수의 전력 소자(302)를 포함할 수 있다. 전력 소자들(302) 각각이 정합된 인덕턴스를 참조하도록 전력 소자들 사이에 유효 전류 경로들이 등화되도록 하는 데 주의를 기울여야 한다. 그렇지 않으면, 스위칭 전이 동안 발생하는 전류 및 전압이 스위치 위치(104)에 걸쳐 전력 소자들(302) 사이에 동등하게 공유되지 않아 구성요소들에 불균일한 스트레스를 주고 스위칭 손실을 증가시킬 수 있다. 이는 열 효과 - 불균일한 전류 로딩 및 스위칭 이벤트가 불균일한 열 상승을 일으킴 - 에 의해 악화되고, 이는 반도체 특성의 드리프트를 초래하고 병렬 스위치 위치(104) 전반에 걸친 더 많은 불안정성 초래한다.
종래의 전력 패키지들은 일반적으로 단일 Si IGBT 또는 소수의 이들 소자(통상적으로 4개 이하)를 위해 설계된다. 결과적으로, 명료하고 잘 제어된 스위칭을 발생시키는 방식으로 많은 수의 SiC MOSFET 및 다이오드(또는 유사한 광대역 갭 소자)를 병렬 연결하는 데 적합하지 않다.
도 4는 본 개시내용의 양태에 따른 전력 모듈의 상면 개략도를 예시한다.
특히, 전력 모듈(100)의 하프-브리지 구성이 도 4에 예시되어 있다. 개시된 전력 모듈(100)은 등화되고 낮은 인덕턴스 전류 경로를 소유하는 각각의 스위치 위치(104)를 갖는 가장 일반적인 브리지 토폴로지를 용이하게 하기 위해 맞춤 설계된 전력 레이아웃 및 연관된 구조로 이전에 열거된 각각의 문제를 해결한다. 제1 단자(106), 제2 단자(108) 및 제3 단자(110)는 외부 연결부들, 예컨대 DC 링크 커패시터(102)로의 연결부들에 대한 경로가 상응하는 낮은 인덕턴스를 가질 수 있도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 연결부들은 버스 바들에 대한 연결부들을 포함할 수 있으며, 이는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 만곡부 또는 특별한 설계 특징이 필요하지 않은 복잡하지 않은 적층된 버스 바들을 포함할 수 있다.
전력 모듈(100)의 단일 하프-브리지 구성의 전력 단자 핀-아웃이 도 4에 도시된다. 이와 관련하여, 제1 단자(106)는 V+ 단자, 제2 단자(108)는 V- 단자, 제3 단자(110)는 출력 단자일 수 있다. 그러나 제1단자(106), 제2단자(108) 및 제3단자(110)는 임의의 유형의 단자, 단자 연결, 단자 기능, 입력 기능, 출력 기능, 전력 기능 등을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다. 전력 모듈(100)은 신호 단자들(502, 504)을 포함할 수 있다. 신호 단자들(502, 504)의 특정 핀-아웃은 모듈식일 수 있고 필요에 따라 변형될 수 있다. 신호 단자들(502, 504)은 차동 신호 전달을 위한 신호 핀들에 의해 구현될 수 있다. 물론, 임의의 수의 신호 핀 및 임의의 수의 신호 단자가 본 개시내용과 관련하여 설명된 바와 같은 기능성을 제공하도록 구현될 수 있다.
각각의 스위치 위치(104)는 최적의 제어를 위해 게이트 신호 및 소스 켈빈을 위한 신호 단자들(502, 504)을 갖는 한 쌍의 핀을 이용할 수 있다. 신호 단자들(502, 504)의 다른 핀 쌍은 내부 온도 센서, 과전류 감지 또는 다른 진단 신호에 사용될 수 있다. 더 많거나 적은 핀 및/또는 더 많거나 적은 신호 단자가 전압 절연 문제를 일으키지 않는 한 필요한 경우 추가될 수도 있다. 일부 양태에서, 다른 진단 신호는 진동 등을 감지하는 스트레인 게이지(strain gauge)들을 포함할 수 있는 진단 센서들로부터 생성될 수 있다. 진단 센서들은 또한 습도를 결정할 수 있다. 나아가, 진단 센서들은 임의의 환경 또는 소자 특성을 감지할 수 있다.
도 5는 본 개시내용의 양태들에 따른 병렬 구성의 복수의 단상 모듈을 예시한다.
이와 관련하여, 전력 모듈(100)은 모듈성이 기본이 되도록 구성될 수 있다. 전력 모듈(100)의 단상 구성은 더 높은 전류에 도달하도록 쉽게 병렬화될 수 있다. 도 5에 예시된 바와 같이, 3개의 전력 모듈(100)이 예시되어 있지만, 얼마나 많은 수의 전력 모듈이 이러한 방식으로 구성될 수 있는지에 대한 제한은 없다. 이와 관련하여, 화살표(510)는 전력 모듈(100)의 추가 구성이 병렬로 배열될 수 있음을 보여준다. 병렬화된 경우, 제1 단자(106), 제2 단자(108) 및 제3 단자(110) 각각은 각각의 전력 모듈(100) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6a는 본 개시내용의 양태들에 따른 제1 전력 모듈 구성을 예시하고; 그리고 도 6b는 본 개시내용의 양태들에 따른 제2 전력 모듈 구성을 예시한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 전력 모듈(100)은 개시된 전력 모듈(100)의 확장성이 활용될 수 있고 따라서 또 다른 정의하는 특징이 될 수 있도록 구성될 수 있다. 이는 도 6a 및 도 6b에 도시된다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 전력 모듈(100) 폭은 도 6a에 도시된 전력 모듈(100)과 비교하여 각각의 스위치 위치(104)에 대해 더 많은 소자를 수용하도록 연장될 수 있다. 다음 사항에 유의하는 것이 중요하다.
전력 모듈(100)은 도 5에 도시된 바와 같을 수 있거나, 예를 들어 낮은 인덕턴스, 명료한 스위칭, 높은 전력 밀도 등을 포함하는 본 개시내용의 이점을 희생하지 않고 대부분의 전력 레벨과 일치하도록 도 6b에 도시된 바와 같이 스케일링될 수 있다.
도 7은 본 개시내용의 양태들에 따른 풀 브리지 구성의 전력 모듈들을 예시한다. 도 8은 본 개시내용의 양태들에 따른 3상 구성의 전력 모듈을 예시하고; 그리고 도 9는 본 개시내용의 양태들에 따른 풀-브리지 구성을 갖는 단일 전력 모듈을 예시한다. 일부 양태에서, 모듈성은 또한 다양한 전기 토폴로지의 형성에서, 예컨대 전력 모듈들(100) 중 2개의 풀-브리지 구성을 위한 도 7 및 전력 모듈들(100) 중 3개의 3상 구성을 위한 도 8에서 발견할 수 있다. 이들 토폴로지에 대해, 제1 단자(106)는 V+ 단자로서 기능할 수 있고, 제2 단자(108)는 V- 단자로서 기능할 수 있고 상호 접속될 수 있는 반면, 제3 단자(110)에 의해 구현되는 위상 출력 단자는 분리된 상태를 유지할 수 있다. 도 7 및 도 8의 구성은 또한 단일 하우징에 배치될 수 있고 도 9에 예시된 바와 같이 공유 기부판(base plate)으로 구성될 수 있으며, 이는 더 높은 유닛 복잡성 및 비용의 가능한 상호절충(tradeoff)과 함께 전력 밀도를 증가시킬 수 있다.
전력 모듈(100)의 다양한 배열, 구성 및 스케일링된 폭 버전은 다양한 어플리케이션 및 전력 레벨을 망라하지만, 핵심 내부 구성요소들 및 레이아웃의 동일한 유지, 일치, 중복 등을 가능하게 한다. 이는 개시된 전력 모듈(100)의 유익한 모듈 특성을 강화한다. 이 구조는 높은 레벨의 성능을 보여주는 동시에 사용하기 쉽고 다양한 고객 맞춤형 시스템과 함께 성장할 수 있는 모듈 제품군을 포함한다.
도 10은 본 개시내용의 양태들에 따른 전력 모듈의 부분 사시 내부도를 예시한다.
도 11은 도 10의 전력 모듈의 부분 사시 내부도를 예시한다.
도 12는 도 11의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
특히, 도 10은 전력 모듈(100)의 다수의 내부 요소를 예시한다. 전력 모듈(100)의 내부 요소들은 기부판(602), 하나 이상의 전력 기판(606), 제1 단자(106), 제2 단자(108), 제3 단자(110), 하나 이상의 스위치 위치(104), 전력 소자(302), 신호 단자(502, 504) 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 더욱이, 전력 모듈(100)은 본원에서 기술된 것보다 더 많거나, 더 적거나, 상이한 요소를 포함할 수 있다는 것이 고려된다.
추가적으로, 전력 모듈(100)은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및/또는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)을 포함할 수 있다. 특히, 전력 모듈(100)은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 구현 없이 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 포함하는 구현예를 포함할 수 있고; 전력 모듈(100)은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 구현 없이 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)을 포함하는 구현예를 포함할 수 있고; 그리고 전력 모듈(100)은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)을 포함하는 구현예를 포함할 수 있다. 추가적으로, 전력 모듈(100)은 독립된 구조들, 독립된 연결 구조들, 독립된 직접 연결 구조들, 결합 구조들, 및/또는 통합 구조들일 수 있는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)을 포함하는 구현예를 포함할 수 있다.
특히, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 제1 상승 신호 요소(120) 및 제2 상승 신호 요소(122)를 포함할 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 임의의 수의 상승된 신호 요소를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 제1 상승 신호 요소(120)는 하나 이상의 전력 기판(606) 중 제1 기판 및/또는 하나 이상의 스위치 위치(104) 중 제1 위치 상방에 배열될 수 있고; 그리고 제2 상승 신호 요소(122)는 하나 이상의 전력 기판(606) 중 제2 기판 및/또는 하나 이상의 스위치 위치(104) 중 제2 위치 상방에 배열될 수 있다. 본원에서 사용되는 상대적인 용어 "상방에"는 도면들에 예시된 바와 같이 하나의 요소와 또 다른 요소의 관계를 설명한다는 점에 유의해야 한다. 상대적인 용어 "상방에"는 도면들에 도시된 위치들 및/또는 배향들에 더하여 요소들의 다른 위치 및/또는 배향을 포함하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다. 이와 관련하여, 본원에서 사용되는 상대적인 용어 "상방에"는 도면들에 도시된 배향으로 제한되지 않을 수 있는 요소들의 수직 배열, 수직 오프셋, 상대적인 수직 배치, 공간 배열, 공간 오프셋, 상대적인 공간 배치 등을 기술할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 제1 상승 전력 평면(126), 제2 상승 전력 평면(128) 및 제3 상승 전력 평면(130)을 포함할 수 있다. 그러나 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 임의의 수의 상승된 전력 평면을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 제1 상승 전력 평면(126)은 하나 이상의 전력 기판(606) 중 제1 기판 및/또는 하나 이상의 스위치 위치(104) 중 제1 위치 상방에 배열될 수 있고; 그리고 제2 상승 전력 평면(128)은 하나 이상의 전력 기판(606) 중 제2 기판 및/또는 하나 이상의 스위치 위치(104) 중 제2 위치 상방에 배열될 수 있다. 일 양태에서, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 절연 재료들, 절연층들 등을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 대부분을 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다. 특정 양태들에서, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 60% 내지 100%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 및/또는 90% 내지 100%를 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다.
이와 관련하여, 적어도 하나의 상승 전력 평면(124) 및/또는 적어도 하나의 상승 신호 요소(118)를 전력 소자들(302) 상방에 배치함으로써, 전력 기판들(606) 상의 면적이 확보되어 더 많은 전력 소자, 부가적인 구성요소들(예를 들어, 열 센서, 전류 센서, 커패시터 등), 더 많은 전류를 전달하기 위한 더 큰 금속 평면들, 더 쉬운 레이아웃 기하학적 구조, 부품 배치에 대한 더 많은 유연성 등을 추가함으로써, 그 결과 전력 모듈(100)을 위한 고밀도 전력 모듈 패키지를 가능케 한다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 표준 인쇄 회로 보드(PCB), 보다 견고한 절연 금속 기판(IMS: insulated metal substrate) 기술, 고전압 시제품 모듈 등을 위한 다른 변형을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 고전압 시제품 모듈을 위한 기타 변형 기술은, 기판 레이아웃을 더 단순하게 하고 더 높은 전력 밀도 모듈 등을 허용하기 위해 주로 전압 절연 이유로 구현될 수 있다. 일 양태에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 절연 재료들, 절연층들 등을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)와 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 통합은 전력 기판(606) 상단의 전도 평면의 기하학적 구조를 더 단순화한다. 이러한 통합을 통해 전력 및 신호 경로들을 전력 소자들(302)로 라우팅할 때 더 많은 설계 유연성을 가능하게 한다. 또한, IMS 구성 또는 유사한 기술을 사용하는 실시형태에서, 신호 경로들이 실질적으로 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)에 직접 인쇄되거나 적층되는 경우 전체 부품 수 및 조립 복잡성을 줄일 수 있다(그리고 경우에 따라 비용을 줄일 수 있음). 사실상, 전력 모듈(100)에 추가적인 금속층을 도입하면 전력 모듈(100)의 전체 전류용량도 증가할 수 있다.
소자 레이아웃/위치에 대한 더 큰 선택 범위와 결합된 본 개시내용의 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)으로 신호 및 전력 경로 라우팅의 추가된 선택 범위는 더 나은 열 성능 및 더 낮은 패키지 인덕턴스를 위해 더 낮은 소자 밀도 또는 배치를 허용하는 측면에서 추가 이점을 가질 수 있다.
패키지 인덕턴스를 낮추는 경우, 전력 기판들(606) 위의 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 층상 평면 기하학적 구조는 거의 이상적인 낮은 인덕턴스 루프 기하학적 구조(작은 전도체 분리, 짧은 전체 경로, 및 넓은 전류 경로)를 제공한다.
보다 구체적으로, 본 개시내용은 신호 및/또는 전력 전도를 라우팅하기 위해 기부판(602)을 전력 모듈(100)의 나머지 부분으로부터 절연시키기 위해, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 및/또는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 전도 평면(들)으로서, 기부판(602) 및/또는 전력 기판(606) 위로 상승된 별개의 레벨에서 사용한다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 "호버보드" 또는 "올림식" 또는 "상승식" 구성 또는 접근 방식으로 구현될 수 있으며, 이는 해당 기능의 일부를 전력 모듈(100) 내의 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및/또는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)을 이용하는 또 다른 상승된 평면으로(즉, 2-D에서 3-D로) 이동함으로써 추가적인 전력 소자들, 센서들, 커넥터들, 전도성 전력 및 신호 경로들 등을 배치하기 위한 기부판(602) 및/또는 전력 기판들(606)의 제한된/한정된 기판 영역 문제를 해결하는 데 도움이 된다.
본 개시내용의 일 양태는 전력 소자들(302)의 드레인 측들이 전력 소자들(302)이 장착되는 전력 기판들(606)의 금속 배선(metallization)에 전기적으로 연결되는 전력 모듈(100)을 포함할 수 있다. 전력 연결부들(628)은 예를 들어 전력 소자들(302) 위의 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 정사각형 홀들을 통해 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)에 의해 구현된 금속의 층까지 연결될 수 있으며, 이는 다시 전력 모듈(100)의 제 1 단자(106), 제 2 단자(108) 또는 제 3 단자(110)와 연결될 수 있다(그리고 이들 외부 전력 단자들과 동일한 조각의 금속일 수도 있음).
본 개시내용의 일 양태는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 상방에, 수직으로 오프셋되어, 위에, 바로 위에, 아래에, 바로 아래에, 공간적으로 오프셋되어 등의 방식으로 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 구현하는 전력 모듈(100)을 포함할 수 있다. 본 개시내용의 일 양태는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 맨 위에 놓이는 인쇄 회로 보드(PCB) 요소를 갖는 그리고/또는 적어도 일 측에 적어도 하나의 상승된 신호 소자(118)를 구현하는 전력 모듈(100)을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 일 양태는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 통합형 버전을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 통합형 버전은 회로 기판 층이 후막 또는 인쇄 또는 적층 구조(예컨대, 절연 금속 기판(IMS))로 감소될 수 있는 실시형태일 수 있으며, 여기서 회로 보드의 절연 층 및 전도 층은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 표면에 바로 만들어지고, 배치되고, 인쇄된다. IMS 구현예의 경우, 이는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 전력 및 신호 층들을 하나로 통합하는 단일 구매 부품이 될 수 있다. 그것은 전력 모듈(100) 내에 위치될 것이고, 신호 연결부들(626) 및 전력 연결부들(628) 모두는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 통합된 구성에 접속될 수 있다.
IMS는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 통상적으로 알루미늄 또는 구리이고, 일반적으로 바닥판으로 사용되므로 접지 전위에 있는 IMS 하단 금속층을 구현할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 본 개시내용의 양태들에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 고전류 전도체 및/또는 게이트-켈빈 보조 단자 분배망의 캐리어로서 신규한 방식으로 IMS 하단 금속층을 구현할 수 있다.
일 양태에서, 전력 모듈(100)은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 두꺼운 금속 전도성 전력 평면 구현예 위로 적층될 수 있는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)를 구현할 수 있다. 이는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및/또는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)을 포함할 수 있는 또 다른 전도 평면(또는 가능하게는 다수의 전도 평면) 위에 전력 모듈(100)의 보조 제어 및/또는 감지 신호를 라우팅하는 방법을 나타낸다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 와이어 본드 전기 연결부들의 제작을 용이하게 하기 위해 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 상방에 장착될 수 있지만, 해당 배향에 대한 하나 이상의 이점이 발견되는 경우에도 가능하다. 신호 평면들의 "통합형 버전"(예를 들어, 상측 및 하측 스위치 위치 위의 하나)은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)가 후막, 인쇄 및/또는 적층 구조(예를 들어, 절연 금속 기판(IMS) 회로 보드 기술 등)로 구현될 수 있는 실시형태일 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 절연 층 및 전도 층은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 바로 안에 또는 위에 만들어지고/배치되고/인쇄되고/접착되고/배치된다. IMS 실시형태의 경우, 이는 전력 및 신호 및/또는 제어 층들을 모두 하나로 통합할 수 있는 단일 구매 부품이 될 수 있다. 일 양태에서, 전력 및 신호 와이어 본드를 모두 배치하기 전에 먼저 모듈 내에 물리적으로 위치시킬 수 있다. 이어서, 생성된 구조는 봉지되고, 덮개화되고, 종단 테스트되고, 그리고/또는 기타 처리를 받을 수 있다.
1) 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 상승된 구현예와 2) 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 상승된 구현예의 통합은 기하학적 구조, 트레이스 밀도를 단순화하고 원래의 상단 전도 세라믹 기판 평면의 활용도를 높인다. 이러한 통합은 상단 금속 배선 평면에서 기존의 저전력 및 고전력 요소들을 기본적으로 과소화/제거하여, 더 많은 전력 반도체(즉, SiC MOSFET, SiC 접합 배리어 쇼트키(JBS: Junction Barrier Schottky) 다이오드, SiC IGBT, Si 전력 MOSFET, Si IGBT 등)를 위한 "실면적"의 증대를 가능하게 한다. 이는 이론적으로 동일한 기판 풋프린트(footprint)에 대해 증가된 전류용량을 허용하거나 다른 어플리케이션 회로(예를 들어, 온도 센서, 전류 센서 등)의 통합을 허용한다. 이러한 통합은 또한 추가적인 한 차원의 부가(즉, 2D에서 3D로 이동)를 통해 추가적인 설계 자유도를 가능하게 하므로 모듈 설계자에게 전력 및 신호 경로들의 라우팅에서 더 많은 설계 유연성을 허용한다.
또한, 신호 경로들이 전력 전도체 내에 또는 위에 직접 인쇄되거나 적층되는 IMS 회로 보드 또는 유사한 기술을 사용하는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 실시형태에서, 전체 부품 수, 조립 복잡성, 및 비용이 감소될 수 있다.
적어도 하나의 증가된 신호 요소(118)의 내부 게이트-소스-켈빈(GSK) 인쇄 회로 보드 구현예를 이용하는 일부 전력 모듈 내에 수동 소자들, 예컨대 게이트 또는 소스 저항기들, 커패시터들 등을 배치할 기회도 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 저전력 신호 분배 회로를 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 고전력 전도 평면에 바로 통합시키면 센서들 - 예컨대 적합하지 않거나 쉽게 연결될 수 없는 온도 센서들 또는 전류 센서들 - 을 쉽게 설치하고 연결할 수 있는 기회가 제공된다. 이제 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 신호 층들이 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 바로 상방에 놓여있기 때문에 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 주위에, 위에 또는 매우 가까이에 직접 장착된 유도성 홀 효과 및/또는 저항성 션트 전류 센서를 배치하고 연결하는 것이 훨씬 간단한다.
열 센서의 경우, 이들은 통상적으로 전력 모듈 내의 최대 온도를 감지하기 위해 가장 뜨거운 전력 소자들에 가장 가까운 금속화 세라믹 기판의 상단에 직접 배치된다. 통상적으로 호환되지 않는 전압들, 센서 크기들 및 연결 라우팅 경로들로 인해 설계 절충안의 목록이 필요하다. 집적 회로를 사용하면 전력 기판에서 차지하는 필요한 와이어 본드 길이들 또는 신호 경로 공간을 줄이거나 발열 전력 소자들에 열적으로 밀접하게 결합된 위치의 집적 회로 층에 센서를 직접 장착함으로써(예컨대, 상승된 전력 평면이 기판에 연결됨) 연결 복잡성을 크게 단순화할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 통합된 신호 층들에 대해 유의해야 할 중요한 점은 본 개시내용의 일부 구현예가 신호 층들이 별개이지만 연결된 요소(예컨대, 전력 모듈의 다른 내부 부품에 연결되거나 외부 구성요소들에 공급되는 유연한 리본 케이블)로서 또는 기저의 전력 평면 금속으로 제작된 만곡부들을 따라 평면에서 만곡되는 것을 허용한다는 점이다. 표준 평면 회로 보드를 사용하는 것과 달리 이러한 유연성은 예컨대 내부 신호 경로들을 라우팅 및 연결하거나 게이트 드라이버 보드들에 대한 외부 연결부들을 제작할 때 훨씬 더 큰 범위의 설계 옵션을 허용한다.
마지막으로, 조립 공정에서 이들 만곡부가 제작되는 정확한 시점에 얼마의 사전 고려사항을 적용하면 수동 구성요소들(예를 들어, 저항기, 센서, 소켓, 핀, 블레이드 등)을 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 회로에 배치하고 표준 인쇄 보드처럼 대량으로 처리할 수 있으며 이들의 구성요소는 고도로 자동화된 방식으로 밀집화된다. 이 조립 단계는 매우 저렴한 비용으로 표준 보드 하우스에 아웃소싱할 수 있으며 이후 최종 조립 전이나 도중에 만곡부들을 추가할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 신호 접촉부들, 신호 단자들(502), 신호 단자들(504) 등에서 전력 소자들(302)로의 전기 연결을 용이하게 하는 작은 신호 회로 보드일 수 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 추가적인 노드들 또는 내부 감지 요소들에 대한 연결뿐만 아니라 게이트 및 소스 켈빈 연결을 허용할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 각각의 전력 소자들(302)에 대한 개별 게이트 저항기들을 허용할 수 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 전력 모듈(100)에 배열된 인쇄 회로 보드, 세라믹 회로 보드, 플렉스 회로 보드, 임베디드 금속 스트립들 등일 수 있다. 일 양태에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 복수의 조립체를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 각각의 스위치 위치(104)에 대해 하나씩, 복수의 조립체를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110) 중 하나에 연결되거나 그의 일부일 수 있다. 특히, 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110) 각각은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 중 각각의 전력 평면을 연결하고/하거나 그의 일부일 수 있다. 이와 관련하여, 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110) 중 각각의 단자와 함께 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 중 각각의 전력 평면은 외부 시스템 및 하나 이상의 전력 기판(606) 사이의 높은 전류 경로를 생성할 수 있다. 일 양태에서, 제1 단자(106)는 제1 상승 전력 평면(126)에 연결되거나 그의 일부일 수 있고, 제2 단자(108)는 제2 상승 전력 평면(128)에 연결되거나 그의 일부일 수 있으며, 제3 단자(110)는 제3 상승 전력 평면(130)에 연결되거나 그의 일부일 수 있다.
적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)과, 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110) 중 각각의 단자는 에칭 공정, 스탬핑 작업 등을 통해 판금으로 제조될 수 있다. 일 양태에서, 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110) 중 각각의 단자와 함께 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 전력 기판(606)에 직접 납땜, 초음파 용접 등이 될 수 있다. 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 표면들을 보호하고 납땜 능력을 개선하기 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 적어도 부분적으로 후막 절연부로 구현될 수 있다. 후막 절연부로 구현된 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 위에 직접 인쇄된 후막 유전체를 이용할 수 있고 전압 차단을 제공할 수 있다. 신호 연결부들(626)은 에폭시를 통해 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 후막 절연부에 부착되거나, 유전체 막의 상단에 인쇄된 금속 후막의 얇은 층에 직접 납땜될 수 있다.
다른 양태에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 서스펜션 절연부를 포함할 수 있다. 이 양태에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 위에 충분한 거리로 현수되고 전력 모듈(100)의 하우징에 부착될 수 있다. 이와 관련하여, 전력 모듈(100)을 채우는 겔 봉지(gel encapsulation)는 유전체 절연부를 제공할 수 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 게이트 제어 및 감지 신호들을 제공하도록 구성될 수 있으며, 이는 전력 모듈(100)의 스위칭 성능에 현저하게 영향을 미칠 수 있고 병렬 스위치 위치(104)에서 특히 중요할 수 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 고성능, 견고성 및 균일한 전류 분배를 위해 전력 모듈(100)에서 최적화될 수 있는 신호 루프들로 구성될 수 있다. 전력 루프들과 유사하게, 경로들은 길이가 제한되고 단면이 넓도록 구성될 수 있으며, 연관된 외부 구성요소들은 신호 단자들(502, 504)에 가능한 한 물리적으로 가깝게 배치될 수 있다.
전력 소자들(302), 예컨대 트랜지스터들, 특히 MOSFET들의 병렬 어레이에 대해, 게이트 전류의 타이밍 및 크기는 일관된 턴온 및 턴오프 조건을 발생시키도록 균형을 이루어야 한다. 전력 모듈(100)의 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 신호 연결부들(626)과 같은 게이트 와이어 본드에 의해서만 분리되는 전력 소자들(302)의 게이트에 매우 근접하게 배치될 수 있는 개별 밸러스팅 저항기를 이용할 수 있다. 이들 구성요소는 저항이 낮을 수 있고 전력 소자들(302) 중 각각의 개별 소자에 흐르는 전류를 버퍼링하는 데 도움이 될 수 있다. 이들 구성요소는 전력 소자들(302)의 게이트들을 분리하는 역할을 하여 진동을 방지하고 전력 소자들(302)의 병렬 구성에 대해 등화된 턴온 신호를 보장하는 데 도움을 준다. 스위치 위치(104)의 턴온 속도를 제어하기 위해 단일 외부 저항기가 이용되고 이들 병렬 저항기들에 연결될 수 있다.
적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 어플리케이션에 따라 표면 실장 패키지, 집적 후막층, 인쇄 후막, 와이어 본딩 가능 칩 등을 포함하는 다수의 상이한 방식으로 게이트 저항기들을 구현할 수 있다.
특히, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 위에 배열될 수 있다. 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 신호 단자들(502, 504)에 연결될 수 있다. 이들 연결부는 온도 측정이나 다른 형태의 내부 감지에 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 내부 감지는 진동을 감지하는 스트레인 게이지들, 습도를 감지하는 센서들 등을 포함할 수 있는 진단 센서들로부터 생성될 수 있는 진단 신호들을 포함하는 진단 감지를 포함할 수 있다. 나아가, 진단 센서들은 임의의 환경 또는 소자 특성을 감지할 수 있다.
이 신호 루프 또는 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)의 이러한 구현예는 스위치 위치(104)에서 전력 소자들(302)의 병렬 구성의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 표준 PCB 보드 간 커넥터들을 사용하면 외부 게이트 드라이버 및 제어 회로에 직접 연결할 수 있다.
전력 모듈(100)은 기부판(602)을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 기부판(602)은 금속을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 금속은 구리를 포함할 수 있다. 기부판(602)은 전력 모듈(100)의 열 관리를 위한 열 확산을 용이하게 할 뿐만 아니라 전력 모듈(100)에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다. 기부판(602)은 구리, 알루미늄 등과 같은 비금속 또는 열적으로 생성된 스트레스를 감소시키기 위해 열팽창 계수(CTE: coefficient of thermal expansion) 정합을 제공할 수 있는 금속 매트릭스 복합체(MMC: metal matrix composite)를 포함할 수 있다. 일 양태에서, MMC 재료는 구리, 알루미늄 등과 같은 고전도성 금속과 몰리브덴, 베릴륨, 텅스텐과 같은 낮은 CTE 금속 및/또는 다이아몬드, 실리콘 탄화물, 베릴륨 산화물, 흑연, 임베디드 열분해 흑연 등과 같은 비금속의 복합체일 수 있다. 재료에 따라, 기부판(602)은 기계 가공, 주조, 스탬핑 등에 의해 형성될 수 있다. 기부판(602)은 기부판(602)의 표면들을 보호하고 납땜 능력을 개선하기 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 기부판(602)은 편평한 후면을 가질 수 있다. 일 양태에서, 기부판(602)은 리플로우 후에 평면성을 개선하기 위해 볼록 프로파일(convex profile)을 가질 수 있다. 일 양태에서, 기부판(602)은 직접 냉각을 위한 핀 휜(pin fin)들을 가질 수 있다. 일 양태에서, 기부판(602)은 절연 재료들, 절연층들 등을 포함할 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 전력 기판(606)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606)은 전력 소자들(302)에 대한 전기적 상호 접속, 전압 절연, 열전달 등을 제공할 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606)은 직접 본드 구리(DBC: direct bond copper), 활성 금속 납땜(AMB: active metal braze), 절연 금속 기판(IMS: insulated metal substrate) 등으로 구성될 수 있다. IMS 구조의 경우, 하나 이상의 전력 기판(606)과 기부판(602)이 동일한 요소로 통합될 수 있다. 일부 양태에서, 하나 이상의 전력 기판(606)은 땜납, 열 전도성 에폭시, 소결 등으로 기부판(602)에 부착될 수 있다. 일 양태에서, 각각의 스위치 위치(104)에 대해 하나씩 2개의 전력 기판(606)이 있을 수 있다. 일 양태에서, 전력 기판들(606)은 절연 재료들, 절연층들 등을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 전력 소자들(302)이 기계적으로 부착되는 전력 기판들(606)과 기부판(602) 사이에 높은 열전도성일 수도 있는 전기 절연층이 이용될 수 있다. 추가적으로, 또 다른 전기 절연 재료가 전력 모듈(100)의 다른 구성요소를 둘러쌀 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 전력 접촉부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 접촉부 중 하나의 표면은 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110)를 형성할 수 있다. 하나 이상의 전력 접촉부는 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110)에 의해 구현될 수 있고 외부 시스템과 하나 이상의 전력 기판(606) 사이에 높은 전류 경로를 생성할 수 있다. 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110)에 의해 구현되는 하나 이상의 에지 전력 접촉부는 에칭 공정, 스탬핑 작업 등을 통해 판금으로 제조될 수 있다. 일 양태에서, 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110)에 의해 구현되는 하나 이상의 에지 전력 접촉부는 전력 기판(606)에 직접 납땜, 초음파 용접 등이 될 수 있다. 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및/또는 제3 단자(110)에 의해 구현되는 하나 이상의 전력 접촉부는 표면들을 보호하고 납땜 능력을 개선하기 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 전력 소자들(302)은 하나 이상의 전력 기판(606) 위에 위치될 수 있다. 추가로, 전력 소자들(302)은 전력 소자들(302)을 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)에 연결하는 전력 연결부들(628)을 포함할 수 있다. 게이트 및 소스를 포함하는 전력 소자(302) 상의 상부 패드들은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)로의 전력 연결부들(628) 및/또는 신호 연결부들(626)을 사용하여 그들 각각의 위치에 와이어 본딩될 수 있다. 전력 연결부들(628)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 금, 구리 및/또는 와이어 구조, 리본 구조 등을 구현하는 유사한 재료들을 포함할 수 있으며, 이는 양 발(both feet)에서 초음파 용접 등을 수행하여, 2개의 금속 패드 사이에 전도성 아치를 형성한다. 신호 연결부들(626)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 금, 구리, 및/또는 와이어 구조, 리본 구조 등을 구현하는 유사한 재료들을 포함할 수 있으며, 이는 양 발에서 초음파 용접 등을 수행하여, 2개의 금속 패드 사이에 전도성 아치를 형성한다.
도 13은 도 12의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
특히, 도 13은 제1 상승 전력 평면(126)의 상세사항들을 예시한다. 제1 상승 전력 평면(126)은 제1 단자(106)를 포함할 수 있고/있거나 제1 단자(106)에 연결될 수 있다. 상기 제1 상승 전력 평면(126)은 제1 전력 평면부(150), 제2 전력 평면부(152), 제3 전력 평면부(154), 제4 전력 평면부(156), 제5 전력 평면부(158), 제6 전력 평면부(160), 및 제7 전력 평면부(162) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
제1 전력 평면부(150), 제2 전력 평면부(152), 제3 전력 평면부(154), 제4 전력 평면부(156), 제5 전력 평면부(158), 제6 전력 평면부(160), 및 제7 전력 평면부(162) 중 하나 이상은 제1 상승 전력 평면(126)의 일부일 수 있는 하나 이상의 연결부와 연결될 수 있다. 제1 전력 평면부(150), 제2 전력 평면부(152), 제3 전력 평면부(154), 제4 전력 평면부(156), 제5 전력 평면부(158), 제6 전력 평면부(160), 및 제7 전력 평면부(162) 중 하나 이상 평면부는 외부 시스템과 하나 이상의 전력 기판(606) 및/또는 전력 소자들(302) 사이에 높은 전류 경로를 생성할 수 있고, 에칭 공정, 스탬핑 작업 등을 통해 판금으로 제조될 수 있고/있거나 표면들을 보호하고 납땜 능력을 개선하게 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다.
제1 전력 평면부(150)는 제1 단자(106)에 연결되거나 그의 일부일 수 있다. 제1 전력 평면부(150)는 도 13에 예시된 바와 같이 대체로 수평이거나 대체로 X축에 평행하게 연장될 수 있다. 일반적으로 본원에서는 10° 이내로 한정된다.
제1 전력 평면부(150)는 제2 전력 평면부(152)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 제2 전력 평면부(152)는 Y축에 대해 대체로 수직으로 또는 대체로 평행하게 배열될 수 있다. 나아가, 제2 전력 평면부(152)는 제1 전력 평면부(150) 및/또는 제1 단자(106)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다. 특정 양태들에서, 제2 전력 평면(152)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 60% 내지 100%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 및/또는 90% 내지 100%를 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다.
제2 전력 평면부(152)는 제3 전력 평면부(154)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 상기 제3 전력 평면부(154)는 X축에 대해서 일정 각도로, X축에 대해서 경사지게 배열될 수 있고, y축에 대해서 일정 각도로, y축에 대해서 경사지게 등의 방식으로 배열될 수 있다. 나아가, 제3 전력 평면부(154)는 제2 전력 평면부(152), 제1 전력 평면부(150), 및/또는 제1 단자(106)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다. 특정 양태들에서, 제3 전력 평면(154)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 60% 내지 100%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 및/또는 90% 내지 100%를 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다.
제3 전력 평면부(154)는 제4 전력 평면부(156)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 제4 전력 평면부(156)는 Y축에 대해 대체로 수직으로 또는 대체로 평행하게 배열될 수 있다. 또한, 제4 전력 평면부(156)는 제1 전력 평면부(150), 제2 전력 평면부(152), 제3 전력 평면부(154), 및/또는 제1 단자(106)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다. 특정 양태들에서, 제4전력 평면(156)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 60% 내지 100%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 및/또는 90% 내지 100%를 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다.
제5 전력 평면부(158)는 제4 전력 평면부(156)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 상기 제5 전력 평면부(158)는 X축에 대해서 일정 각도로, X축에 대해서 경사지게 배열될 수 있고, y축에 대해서 일정 각도로, y축에 대해서 경사지게 등의 방식으로 배열될 수 있다. 또한, 제5 전력 평면부(158)는 제4 전력 평면부(156), 제3 전력 평면부(154), 제2 전력 평면부(152), 제1 전력 평면부(150), 및/또는 제1 단자(106)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다.
제5 전력 평면부(158)는 제6 전력 평면부(160)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 제6 전력 평면부(160)는 X축과 대체로 평행하게 그리고/또는 하나 이상의 제2 전력 기판(606)의 상부 표면에 대체로 평행하게 배열될 수 있다. 또한, 제6 전력 평면부(160)는 제5 전력 평면부(158), 제4 전력 평면부(156), 제3 전력 평면부(154), 제2 전력 평면부(152), 제1 전력 평면부(150), 및/또는 제1 단자(106)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다.
제6 전력 평면부(160)는 하나 이상의 전력 기판(606)에 연결될 수 있다. 특히, 제1 전력 평면부(150)는 제7 전력 평면부(162)가 위치하는 하나 이상의 전력 기판(606)에 인접한 하나 이상의 전력 기판(606)에 연결될 수 있다. 일 양태에서, 제6 전력 평면부(160)는 하나 이상의 전력 기판(606)에 대한 부착 공정에 도움이 되도록 발들(feet)로 분할될 수 있다. 제6 전력 평면부(160)는 표면들을 보호하고 납땜 능력을 개선하기 위해 니켈, 은, 및/또는 금과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다.
제4 전력 평면부(156)는 제7 전력 평면부(162)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 제7 전력 평면부(162)는 대체로 X축과 평행하게 및/또는 대체로 수평으로 배열될 수 있다. 나아가, 제7 전력 평면부(162)는 제4 전력 평면부(156), 제3 전력 평면부(154), 제2 전력 평면부(152), 제1 전력 평면부(150), 및/또는 제1 단자(106)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 제7 전력 평면부(162)는 전력 연결부들(628)에 연결될 수 있다. 전력 연결부들(628)은 또한 전력 소자들(302)에 연결될 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다.
도 13에 더 도시된 바와 같이, 제1 상승 신호 요소(120)는 제1 상승 전력 평면(126)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 배열될 수 있다. 일 양태에서, 제1 상승 신호 요소(120)는 제1 상승 전력 평면(126)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 배열되고 그로부터 분리될 수 있다. 일 양태에서, 제1 상승 신호 요소(120)는 제1 상승 전력 평면(126)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 그리고 위에 배열될 수 있다. 일 양태에서, 제1 상승 신호 요소(120)는 제1 상승 전력 평면(126)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 그리고 바로 위에 배열될 수 있다. 그러나, 다른 양태에서 제1 상승 신호 요소(120)는 또한 제7 전력 평면부(162) 아래에 배열될 수 있다. 특정 양태들에서, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 60% 내지 100%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 및/또는 90% 내지 100%를 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 스위치 위치(104)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위치 위치(104)는 전류, 전압 및 효율에 대한 요구사항들을 충족시키기 위해 병렬로 배치된 제어 가능 스위치들 및 다이오드들의 임의의 조합을 포함할 수 있는 전력 소자들(302)을 포함할 수 있다. 전력 소자들(302)은 땜납, 전도성 에폭시, 소결 재료 등으로 부착될 수 있다.
게이트 및 소스를 포함하는 전력 소자들(302) 상의 상부 패드들은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 중 각각의 전력 평면에 대한 전력 연결부들(628)을 사용하여 그들 각각의 위치에 와이어 본딩될 수 있다. 전력 연결부들(628)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 금, 구리, 및/또는 와이어 구조, 리본 구조 등을 구현하는 유사한 재료들을 포함할 수 있으며, 이는 양 발에서 초음파 용접 등을 수행하여, 2개의 금속 패드 사이에 전도성 아치를 형성한다.
신호 연결부들(626)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 금, 구리, 및/또는 와이어 구조, 리본 구조 등을 구현하는 유사한 재료들을 포함할 수 있으며, 이는 양 발에서 초음파 용접 등을 수행하여, 2개의 금속 패드 사이에 전도성 아치를 형성한다. 일부 양태에서, 신호 연결부들(626)의 와이어 직경은 전력 연결부들(628)의 와이어보다 작을 수 있다.
도 14는 도 12의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
특히, 도 14는 제2 상승 전력 평면(128)의 세부사항을 예시한다. 제2 상승 전력 평면(128)은 제2 단자(108)를 포함할 수 있고/있거나 제2 단자(108)에 연결될 수 있다. 상기 제2 상승 전력 평면(128)은 제1 전력 평면부(150), 제2 전력 평면부(152), 제3 전력 평면부(154), 제4 전력 평면부(156), 제5 전력 평면부(158), 제6 전력 평면부(160), 및 제7 전력 평면부(162) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
제1 전력 평면부(150), 제2 전력 평면부(152), 제3 전력 평면부(154), 제4 전력 평면부(156), 제5 전력 평면부(158), 제6 전력 평면부(160), 및 제7 전력 평면부(162)를 구현하는 제2 상승 전력 평면(128)의 구성 및 동작은 도 13과 관련하여 설명된 바와 같이 제1 상승 전력 평면(126)과 일관될 수 있다. 그러나, 제2 상승 전력 평면(128)의 일부 양태는 제5 전력 평면부(158) 및/또는 제6 전력 평면부(160)를 포함하지 않을 수 있다. 그러나, 다른 양태에서, 제2 상승 전력 평면(128)은 제5 전력 평면부(158) 및/또는 제6 전력 평면부(160)를 포함할 수 있다.
도 14에 더 도시된 바와 같이, 제2 상승 신호 요소(122)는 제2 상승 전력 평면(128)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 배열될 수 있다. 일 양태에서, 제2 상승 신호 요소(122)는 제2 상승 전력 평면(128)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 배열되고 그로부터 분리될 수 있다. 일 양태에서, 제2 상승 신호 요소(122)는 제2 상승 전력 평면(128)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 그리고 위에 배열될 수 있다. 일 양태에서, 제2 상승 신호 요소(122)는 제2 상승 전력 평면(128)의 제7 전력 평면부(162) 상방에 그리고 바로 위에 배열될 수 있다. 그러나, 다른 양태에서 제2 상승 신호 요소(122)는 또한 제7 전력 평면부(162) 아래에 배열될 수 있다.
도 15는 도 12의 전력 모듈의 부분 측면도를 예시한다.
특히, 도 15는 제3 상승 전력 평면(130)의 세부사항을 예시한다. 제3 상승 전력 평면(130)은 제2 단자(108)를 포함할 수 있고/있거나 제2 단자(108)에 연결될 수 있다. 상기 제3 상승 전력 평면(130)은 제1 전력 평면부(170), 제2 전력 평면부(172), 제3 전력 평면부(174), 제4 전력 평면부(176), 및 제5 전력 평면부(178) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
제1 전력 평면부(170), 제2 전력 평면부(172), 제3 전력 평면부(174), 제4 전력 평면부(176), 및 제5 전력 평면부(178) 중 하나 이상은 제3 상승 전력 평면(130)의 일부일 수 있는 하나 이상의 연결부와 연결될 수 있다. 제1 전력 평면부(170), 제2 전력 평면부(172), 제3 전력 평면부(174), 제4 전력 평면부(176), 및 제5 전력 평면부(178) 중 하나 이상 평면부는 외부 시스템과 하나 이상의 전력 기판(606) 및/또는 전력 소자들(302) 사이에 높은 전류 경로를 생성할 수 있고, 에칭 공정, 스탬핑 작업 등을 통해 판금으로 제조될 수 있고/있거나 표면들을 보호하고/하거나 납땜 능력을 개선하게 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다.
제1 전력 평면부(170)는 제2 단자(108)에 연결되거나 그의 일부일 수 있다. 제1 전력 평면부(170)는 도 15에 예시된 바와 같이 대체로 수평이거나 대체로 X축에 평행하게 연장될 수 있다. 일반적으로 본원에서는 10° 이내로 한정된다.
제1 전력 평면부(170)는 제2 전력 평면부(172)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 제2 전력 평면부(172)는 Y축에 대해 대체로 수직으로 또는 대체로 평행하게 배열될 수 있다. 나아가, 제2 전력 평면부(172)는 제1 전력 평면부(170) 및/또는 제2 단자(108)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다.
제2 전력 평면부(172)는 제3 전력 평면부(174)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 상기 제3 전력 평면부(174)는 X축에 대해서 일정 각도로, X축에 대해서 경사지게 배열될 수 있고, y축에 대해서 일정 각도로, y축에 대해서 경사지게 등의 방식으로 배열될 수 있다. 나아가, 제3 전력 평면부(174)는 제2 전력 평면부(172), 제1 전력 평면부(170) 및/또는 제2 단자(108)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다. 특정 양태들에서, 제3 전력 평면(174)은 z축을 따라 전력 모듈(100)의 폭 거리의 60% 내지 100%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 및/또는 90% 내지 100%를 연장하는 적어도 하나의 평면 구조로 형성될 수 있다.
제3 전력 평면부(174)는 제4 전력 평면부(176)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 상기 제4 전력 평면부(176)는 X축에 대해서 일정 각도로, X축에 대해서 경사지게 배열될 수 있고, y축에 대해서 일정 각도로, y축에 대해서 경사지게 등의 방식으로 배열될 수 있다. 또한, 제4 전력 평면부(176)는 제3 전력 평면부(174), 제2 전력 평면부(172), 제1 전력 평면부(170), 및/또는 제2 단자(108)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다.
제4 전력 평면부(176)는 제5 전력 평면부(178)와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 연결은 만곡부, 용접부, 납땜부 등일 수 있다. 제5 전력 평면부(178)는 X축과 대체로 평행하게 그리고/또는 하나 이상의 제2 전력 기판(606)의 상부 표면에 대체로 평행하게 배열될 수 있다. 또한, 제5 전력 평면부(178)는 제4 전력 평면부(176), 제3 전력 평면부(174), 제2 전력 평면부(172), 제1 전력 평면부(170), 및/또는 제2 단자(108)의 수직 아래에 위치할 수 있다. 연결은 2개의 서로 다른 요소 사이에 각도를 형성할 수 있다. 각도는 2개의 서로 다른 요소 사이에서 20° 내지 160°, 20° 내지 60°, 60° 내지 100°, 100° 내지 140°, 또는 140° 내지 160°일 수 있다.
제5 전력 평면부(178)는 하나 이상의 전력 기판(606)에 연결될 수 있다. 특히, 제1 전력 평면부(170)는 제1 상승 전력 평면(126)이 위치하는 하나 이상의 전력 기판(606)에 인접한 하나 이상의 전력 기판(606)에 연결될 수 있다. 일 양태에서, 제5 전력 평면부(178)는 하나 이상의 전력 기판(606)에 대한 부착 공정에 도움이 되도록 발들로 분할될 수 있다. 제5 전력 평면부(178)는 표면들을 보호하고 납땜 능력을 개선하기 위해 니켈, 은, 및/또는 금과 같은 금속 도금을 포함할 수 있다.
도 16은 도 10의 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
특히, 도 16은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 전력 기판(606) 상의 전력 소자들(302)의 예시적인 배열을 예시한다. 나아가, 도 16은 하나 이상의 전력 기판(606) 중 제1 기판 위의 제1 상승 전력 평면(126) 및 전력 소자들(302)로부터 제2 상승 전력 평면(128)으로 연장되는 전력 연결부들(628)의 배열을 예시한다.
추가적으로, 전력 모듈(100)은 제2 상승 전력 평면(128) 및 제1 상승 전력 평면(126)에 배열될 수 있는 복수의 윈도우(306)를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 윈도우(306)는 원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등일 수 있다. 일 양태에서, 각각의 전력 소자(302)에 대해 복수의 윈도우(306) 중 각각의 윈도우가 있을 수 있다. 다른 양태에서, 전력 소자들(302) 중 하나 초과의 전력 소자가 복수의 윈도우(306) 중 각각의 윈도우와 연관될 수 있다. 복수의 윈도우(306)는 전력 연결부들(628)이 전력 소자들(302)로부터 제2 상승 전력 평면(128) 및/또는 제1 상승 전력 평면(126)으로 수직 상향으로 연장될 수 있도록 구성된다. 복수의 윈도우(306)는 신호 연결부들(626)이 전력 소자들(302)로부터 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118), 제2 상승 신호 소자(122) 및/또는 제1 상승 신호 요소(120)까지 수직 상향으로 연장될 수 있도록 추가로 구성된다.
추가로, 전력 모듈(100)은 복수의 전력 소자(302)를 포함할 수 있다. 특히, 하나 이상의 전력 기판(606) 각각에 대해, X축을 따라 연장되는 복수의 행의 전력 소자(302)가 있을 수 있고; 그리고 하나 이상의 전력 기판(606) 각각에 대해, Y축을 따라 연장되는 복수의 행의 전력 소자(302)가 있을 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, X축을 따라 연장되는 4개 행의 전력 소자(302)가 있을 수 있고; 그리고 하나 이상의 전력 기판(606) 각각에 대해 Y축을 따라 연장되는 3개의 전력 소자(302)가 있을 수 있다. 그러나, X축을 따라 연장되는 임의의 수의 열의 전력 소자(302)가 있을 수 있고; 그리고 하나 이상의 전력 기판(606) 각각에 대해, Y축을 따라 연장되는 임의의 수의 행의 전력 소자(302)가 있을 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606) 상의 전력 소자들(302)의 이러한 배열은 전력 소자(302)들의 어레이로서 정의될 수 있다. 또한, 전력 소자들(302)이 직사각형 그리드 또는 어레이로 배열되어야 한다는 요구사항이 없고; 그리고 전력 소자들(302)은 열 분배, 전력 분배, 인덕턴스 밸런싱 등과 같은 목적하는 특성에 이점을 제공하는 임의의 배열로 하나 이상의 전력 기판(606)의 표면 주위에 분포될 수 있다.
도 17은 도 10의 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
특히, 도 17은 전력 소자들(302), 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118) 및 복수의 윈도우(306)의 배열을 상세히 예시한다. 이와 관련하여, 도 17은 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 제2 상승 전력 평면(128) 및/또는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 제1 상승 전력 평면(126)에 연결하기 위해 복수의 윈도우(306)를 통해 전력 소자들(302)로부터 위로 연장되는 전력 연결부들(628)을 예시한다.
추가적으로, 전력 모듈(100)은 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)에 배열될 수 있는 복수의 윈도우(308)를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 윈도우(308)는 원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등일 수 있다. 일 양태에서, 각각의 전력 소자(302)에 대해 복수의 윈도우(308) 중 각각의 윈도우가 있을 수 있다. 다른 양태에서, 전력 소자들(302) 중 하나 초과의 전력 소자가 복수의 윈도우(308) 중 각각의 윈도우와 연관될 수 있다. 복수의 윈도우(308)는 신호 연결부들(626)이 전력 소자들(302)로부터 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)까지 수직 상향으로 연장될 수 있도록 구성된다. 도 17에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 전력 소자들(302)이 복수의 윈도우(308) 중 각각의 윈도우와 연관될 수 있다.
도 18은 도 10의 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
특히, 도 18은 전력 모듈(100)이 하나 이상의 센서(610)를 더 포함할 수 있음을 예시한다. 특히, 하나 이상의 센서(610)는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 위에 또는 바로 위에 배열될 수 있다. 일부 양태에서, 하나 이상의 센서(610)가 제6 전력 평면부(160) 위에 배열될 수 있다. 하나 이상의 센서(610)는 땜납, 전도성 에폭시, 소결 재료 등으로 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)에 부착된 다음 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)에 연결될 수 있다. 특히, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 제5 전력 평면부(158) 위에 하나 이상의 센서(610)가 배치될 수 있다. 특정 양태들에서, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 위에 배열될 수 있고 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)에 연결될 수 있다.
일 양태에서, 하나 이상의 센서(610)는 하나 이상의 온도 센서일 수 있고 저항성 온도 센서 요소로 구현될 수 있으며 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)에 직접 부착될 수 있다. 특히, 하나 이상의 센서(610)는 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 위에 또는 바로 위에 배열될 수 있다. 저항 온도 검출기(RDT: resistance temperature detector) 유형 센서들, 부의 온도 계수(NTC: Negative Temperature Coefficient) 유형 센서들, 광학 유형 센서들, 서미스터들, 열전대(thermocouple)들 등을 포함하는 다른 유형의 온도 센서도 고려된다.
나아가, 하나 이상의 센서(610)는 진동 등을 감지하는 스트레인 게이지들을 포함할 수 있는 하나 이상의 진단 센서들을 더 포함할 수 있다. 진단 센서들은 또한 습도를 결정할 수 있다. 나아가, 진단 센서들은 임의의 환경 또는 소자 특성을 감지할 수 있다. 하나 이상의 센서(610)는 추가적으로 또는 대안적으로 전력 기판들(606)에 직접 부착될 수 있다.
도 19는 본 개시내용의 양태들에 따른 전력 모듈의 부분 내부도를 예시한다.
특히, 도 19는 전력 모듈(100)의 또 다른 양태를 예시한다. 도 19의 양태는 본 개시내용의 임의의 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다. 추가적으로, 도 9는 제1 상승 전력 평면(126)의 제2 전력 평면부(152)가 대체로 제7 전력 평면부(162)까지 수직 아래로 연장되어 제7 전력 평면부(162)에 연결될 수 있음을 예시한다. 또한, 도 9는 제3 상승 전력 평면(130)의 제2 전력 평면부(172)가 제3 전력 평면부(174)까지 수직 하향 연장되어 제3 전력 평면부(174)에 연결될 수 있음을 예시한다. 나아가, 도 9는 제2 상승 전력 평면(128)의 제2 전력 평면부(152)가 대체로 제7 전력 평면부(162)까지 수직 하향 연장되어 제7 전력 평면부(162)에 연결될 수 있음을 예시한다.
도 20은 도 10의 전력 모듈을 통한 전류 흐름을 예시한다.
특히, 도 20은 그에 따라 전력 소자들(302)이 제어될 때 전력 모듈(100)을 통한 예시적인 전류 흐름을 예시한다. 특히, 전력 소자들(302)은 전력 모듈(100)을 통한 전류 흐름의 다수의 변형에 대해 제어될 수 있다. 따라서, 도 20에 예시된 전류의 흐름은 전력 모듈(100)을 통한 많은 가능한 전류 흐름 중 하나일 뿐이다.
도 20에 예시된 바와 같이, 전류는 제2 단자(108)로부터 제3 상승 전력 평면(130)을 통해 하나 이상의 전력 기판(606)의 최우측 구성으로 흐를 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606)의 최우측 구성으로부터, 전류는 이를 통해 하나 이상의 전력 기판(606)의 최우측 구성 위에 배열된 전력 소자들(302)로 흐를 것이다. 그 후, 전류는 하나 이상의 전력 기판(606)의 최우측 구성 위에 배열된 전력 소자들(302)로부터 전력 연결부들(628)을 통해 제1 상승 전력 평면(126)으로 그리고 그 후 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성으로 흐른다.
그런 다음 전류는 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성으로부터 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성 위에 배열된 전력 소자들(302)로 흐른다. 그 후, 전류는 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성 위에 배열된 전력 소자들(302)로부터 전력 연결부들(628) 중 그들 각각의 연결부를 통해 제2 상승 전력 평면(128)으로 흐르고, 이는 제3 단자(110)로 흐른다.
도 21은 도 10의 전력 모듈을 통한 전류 흐름을 예시한다.
특히, 도 21은 그에 따라 전력 소자(302)가 제어될 때 전력 모듈(100)을 통한 예시적인 전류 흐름을 예시한다. 특히, 전력 소자들(302)은 전력 모듈(100)을 통한 전류 흐름의 다수의 변형에 대해 제어될 수 있다. 따라서, 도 21에 예시된 전류의 흐름은 전력 모듈(100)을 통한 많은 가능한 전류의 흐름 중 하나일 뿐이다.
도 21을 참조하면, 전류는 제3 단자(110)로부터 제4 전력 평면부(156)로 흐를 수 있고, 그 후 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성 위에 배열되는 제7 전력 평면부(162)로 흐를 수 있다. 그 후, 전류는 제7 전력 평면부(162)를 통해 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성 위에 배열된 전력 소자들(302)까지 아래로 전력 연결부들(628)로 흐를 수 있다. 그런 다음, 전류는 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성 위에 배열되고 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성 내로 배열되는 전력 소자들(302)을 통해 흐를 수 있다. 그 후, 전류는 하나 이상의 전력 기판(606)의 최좌측 구성을 통해 제5 전력 평면부(158)로 그리고 이어서 제1 상승 전력 평면(126) 및 제1 단자(106)로 흐를 수 있다.
따라서, 도 20 및 도 21에 예시된 바와 같이, 전력 모듈(100)은 표준 패키징 접근 방식보다 상당히 낮은 루프 인덕턴스로 전력 소자들(302)의 대형 어레이들 사이에 전류를 고르게 분배하도록 구성될 수 있다. 전력 모듈(100)의 레이아웃은 고도로 구성 가능하며 전력 전자 산업에서 일반적인 대부분의 전력 회로 토폴로지를 채택하도록 구성될 수 있다.
패키지 인덕턴스를 낮추는 경우, 전력 기판들(606) 위의 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)의 층상 평면 기하학적 구조는 거의 이상적인 낮은 인덕턴스 루프 기하학적 구조(작은 전도체 분리, 짧은 전체 경로 및 넓은 전류 경로)를 제공한다.
낮은 내부 인덕턴스를 달성하기 위해, 도 20 및 도 21에 예시된 바와 같이 전력 모듈(100)의 전류 경로들은 플럭스 상쇄를 달성하기 위해 가능할 때마다 넓고 길이가 짧고 중첩될 수 있다. 플럭스 상쇄는 루프를 통해 진행하는 전류가 근접하여 반대 방향들로 이동하여 그들 연관된 자기장을 효과적으로 상쇄시킬 때 발생한다. 이 모듈 접근 방식의 주요 이점은 풋프린트의 전체 폭이 전도에 이용된다는 것이다. 전류가 구조물을 통과해야 하는 길이를 줄이기 위해 모듈 높이를 최소화할 수 있다.
추가적으로, 전력 소자들(302)은 제7 전력 평면부(162)에 매우 근접하게 배치되어 그들의 상대적인 루프 인덕턴스의 불균형을 최소화하고 우수한 열적 결합(thermal coupling)을 보장할 수 있다. 도 20 및 도 21에 예시된 식별된 경로들은 다음 요인들로 인해 인덕턴스가 낮다:
모듈의 낮은 높이.
전력 소자(302)를 제7 전력 평면부(162), 제1 단자(106), 제2 단자(108), 제3 단자(110), 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124) 등에 근접 배치. 모든 기능적 요소의 조밀한 패킹.
전력 소자들(302) 각각에 대한 전력 연결부들(628)의 최적화된 병렬 구현.
전력 소자들(302) 간의 균일한 전류 분배.
하측 스위치 위치에서 전류 방향이 반전될 때 플럭스 상쇄.
전반적으로, 이러한 낮은 인덕턴스, 높은 전류 상호 접속 구조는 개시된 전력 모듈 설계에 필요하며 이에 의해 가능해질 수 있다. 이들은 함께 스위치 위치들(104) 사이에 효과적이고 고도로 통합된 낮은 인덕턴스 경로를 형성한다. 이 구조는 광대역 갭 반도체들 같은 전력 소자들(302)의 효율적이고 안정적이며 매우 높은 주파수 스위칭을 허용한다.
이들 이점은 전체적으로 낮은 스위칭 손실, 높은 스위칭 주파수, 개선된 제어 가능성 및 감소된 EMI를 가능하게 한다. 궁극적으로, 이는 시스템 설계자가 보다 전력 밀도가 높고 강건한 전력 변환 시스템들을 달성하는 데 도움이 된다.
다시 도 4를 참조하면, 전력 모듈(100)은 하우징(198) 등을 더 포함할 수 있다. 하우징(198)은 합성 재질로 형성될 수 있다. 일 양태에서, 하우징(198)은 주입 성형된 플라스틱 요소일 수 있다. 하우징(198)은 전기적 절연, 전압 연면거리 및 간극, 구조적 지지체, 및 전압 및 습기 차단 봉지화를 유지하기 위한 공동들을 제공할 수 있다. 일 양태에서, 하우징(198)은 강화된 고온 플라스틱으로 주입 성형 공정에서 형성될 수 있다. 전력 모듈(100) 및/또는 하우징(198)은 개스킷을 포함할 수 있다. 개스킷은 액밀 밀봉을 제공함으로써 봉지 공정(encapsulation process)을 개선할 수 있다. 이와 관련하여, 전력 모듈(100)은 내부에 유전체 봉지화를 포함할 수 있다. 개스킷은 사출 성형, 분배 등일 수 있으며 홈에 적용될 수 있다.
전력 모듈(100)은 계류 체결구(captive fastener)들을 더 포함할 수 있다. 계류 체결구들은 하우징(198)에 배치된 육각 너트들일 수 있고 접힌 후에 에지 전력 접촉부들, 제1 단자(106), 제2 단자(108), 제3 단자(110) 등 아래에 계류되도록 유지될 수 있다. 계류 체결구들을 구현하기 위해 다른 유형의 체결구들 또는 커넥터들이 고려된다. 계류 체결구들은 외부 버스 바들 또는 케이블들에 대한 전기 연결을 용이하게 할 수 있다. 계류 체결구들은 전력 모듈(100)이 버스 바들에 볼트로 고정될 때 계류 체결구들과 제1 단자(106), 제2 단자(108), 제3 단자(110) 등이 버싱 내로 상향으로 당겨지도록 배열되어, 더 나은 품질의 전기 연결을 형성할 수 있다. 계류 체결구들이 하우징(198)에 부착되면, 버싱을 전력 모듈(100) 안으로 아래로 당기는 역할을 할 수 있으며, 이는 버스 바들의 강성도로 인해 불량한 연결을 형성할 수 있다.
일 양태에서, 하우징(198)은 뚜껑을 포함할 수 있고 하우징(198)은 계류 체결구들이 회전하는 것을 방지하기 위해 계류 체결구들의 외부 형상과 일관된 형상을 갖는 개구를 포함할 수 있다. 해당하는 체결구는 계류 체결구들에 의해 수용될 수 있다. 해당하는 체결구는 제1 단자(106), 제2 단자(108), 제3 단자(110) 등의 체결구 홀을 통해 연장되어 외부 버스 바들 또는 케이블들에 대한 전기 연결을 용이하게 한다.
개시된 전력 모듈들(100)은 냉각판을 포함할 수 있다. 냉각판은 전력 모듈들(100)로부터 폐열을 다른 장소(액체, 공기 등)로 전달하는 역할을 하는 고성능 액체 냉각판, 히트 싱크 등일 수 있다.
전력 소자들(302), 예컨대 트랜지스터들, 특히 MOSFET들의 병렬 어레이에 대해, 게이트 전류의 타이밍 및 크기는 일관된 턴온 및 턴오프 조건을 발생시키도록 균형을 이루어야 한다. 전력 모듈(100)은 게이트 와이어 본드에 의해서만 분리되는 전력 소자들(302)의 게이트에 매우 근접하게 배치될 수 있는 개별 밸러스팅 저항기를 이용할 수 있다. 개별 밸러스팅 저항기는 저항이 낮을 수 있고 전력 소자들(302)의 각각의 개별 소자에 흐르는 전류를 버퍼링하는 데 도움이 될 수 있다. 개별 밸러스팅 저항기는 전력 소자들(302)의 게이트들을 분리하는 역할을 하여 진동을 방지하고 전력 소자들(302)의 병렬 구성에 대해 등화된 턴온 신호를 보장하는 데 도움을 준다. 스위치 위치(104)의 턴온 속도를 제어하기 위해 단일 외부 저항기가 이용되고 이들 병렬 저항기들에 연결될 수 있다. 일 양태에서, 밸러스팅 저항기는 각각의 전력 소자(302)와 연관될 수 있다. 일 양태에서, 개별 밸러스팅 저항기는 전력 소자들(302) 중 각각의 개별 소자와 연관될 수 있다.
추가적인 양태들에서, 전력 모듈(100)은 전력 소자들(302)의 소스 켈빈 연결부에 매우 근접하게 배치될 수 있는 개별 밸러스팅 소스 켈빈 저항기를 이용할 수 있다. 일 양태에서, 소스 켈빈 저항기들은 소스 켈빈 와이어 본드에 의해서만 분리될 수 있다. 일 양태에서, 소스 켈빈 저항기는 각각의 전력 소자(302)와 연관될 수 있다. 일 양태에서, 개별적인 소스 켈빈 저항기는 전력 소자들(302) 중 각각의 개별 소자와 연관될 수 있다. 소스 켈빈 저항기들은 저항이 낮을 수 있고 전력 소자들(302)의 각각의 개별 소자의 소스 켈빈 연결부에 흐르는 전류를 버퍼링하는 데 도움이 될 수 있다. 소스 켈빈 저항기들은 전력 소자들(302)의 소스 켈빈 연결부들을 분리하는 역할을 하여 진동을 방지하고 전력 소자들(302)의 병렬 구성에 대해 등화 신호를 보장하는 데 도움을 준다. 특정 양태들에서, 소스 켈빈 저항기들은 개별 전력 소자들(302) 중 개별 소자의 임의의 불일치, 전력 소자들(302) 중 개별 소자의 레이아웃 등을 처리하도록 구성 및 구현될 수 있다.
특정 양태들에서, 소스 켈빈 저항기들은, 전력 소자들(302) 중 개별 소자 사이의 피드백 진동을 방지하거나 감소시키도록, 전력 소자들(302) 중 개별 소자 사이의 피드백 진동을 감쇠시키도록, 전력 소자들(302) 중 개별 소자들 사이의 소스 켈빈 신호들을 분리하도록, 전력 소자들(302) 중 개별 소자에 대한 소스 켈빈 신호들 사이에 흐르는 전류를 억제하도록, 전력 소자들(302) 중 개별 전력 소자에 대한 소스 켈빈 신호들 사이에 흐르는 전류를 등화시키도록, 전력 소자들(302) 중 개별 소자를 통해 흐르는 전류를 전류 경로를 통해 흐르도록, 그리고 기타 등등의 것을 하도록 구성 및 구현될 수 있다. 또한, 소스 켈빈 저항기들은 시그널링 인덕턴스를 감소시키고, 전력 소자들(302)의 게이트 작동이 느려지지 않도록 보장하고, 전력 소자들(302)에서 게이트/소스 과전압을 최소화하는 등의 작동을 수행할 수 있다.
소스 켈빈 저항기들은 어플리케이션에 따라 표면 실장 패키지, 통합된 후막층, 인쇄된 후막, 와이어 본딩 가능 칩, "자연적인" 저항 경로(저항을 추가하는 재료/구조 인터페이스) 등일 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 소스 켈빈 저항기들의 저항 값 및 저항기들은 동일할 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 소스 켈빈 저항기들의 저항 값 및 저항기들은 상이할 수 있다.
일 양태에서, 전력 모듈(100)은 하프-브리지, 풀-브리지, 3상, 부스터, 초퍼, DC-DC 변환기들 및 유사 배열 및/또는 토폴로지를 포함하는 매우 다양한 전력 토폴로지로 구현될 수 있다.
일 양태에서, 전력 모듈(100)은 복수의 핀 휜을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 복수의 핀 휜은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 구성요소로부터 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서, 복수의 핀 휜은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 구성요소를 냉각하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서, 복수의 핀 휜은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 구성요소를 직접 냉각하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서, 복수의 핀 휜은 냉각판과 함께 전력 모듈(100)의 하나 이상의 구성요소를 직접 냉각하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서, 복수의 핀 휜은 냉각수가 핀 휜을 통과하도록 구성될 수 있다.
일 양태에서, 전력 모듈(100)은 어플리케이션에 삽입되거나, 어플리케이션으로 구현되거나, 어플리케이션으로 구성되는 등의 방식으로 형성될 수 있다. 어플리케이션은 전력 모듈(100)을 구현하는 시스템일 수 있다. 어플리케이션은 전력 시스템, 모터 시스템, 자동차 모터 시스템, 충전 시스템, 자동차 충전 시스템, 차량 시스템, 산업용 모터 드라이브, 임베디드 모터 드라이브, 무정전 전원, AC-DC 전원, 용접기 전원, 군사 시스템, 인버터, 풍력 터빈용 인버터, 태양광 패널, 조력 발전소 및 전기 자동차(EV: electric vehicle), 변환기 등일 수 있다.
특히, 전력 모듈(100)은 3상 인버터로 구현될 수 있다. 양태들에서, 인버터는 2개의 분리된 3상 인버터, 1개의 3상 인버터, 1개의 풀-브리지, 1개의 하프-브리지 등으로 구성될 수 있다. 일 양태에서, 인버터는 6개의 전용 하프 브리지로 구성될 수 있다. 일 양태에서, 상술한 구성은 인버터 외부의 연결부들로 구조화되고 배열될 수 있다. 일 양태에서, 전술한 구성은 상이한 버전의 전력 모듈(100) 및/또는 다른 조립 구성요소를 포함할 수 있다.
도 22는 본 개시내용에 따른 전력 모듈을 구현하는 방법을 예시한다.
특히, 도 22는 본원에 기술된 전력 모듈(100)을 구현, 제조, 제작, 형성 등과 관련된 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)을 예시한다. 전력 모듈(박스 400)을 구성하는 방법의 양태들은 본원에 기술된 양태들과 일관된 다른 순서로 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 더욱이, 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)은 본원에 개시된 다양한 양태와 일관된 더 많거나 더 적은 공정을 갖도록 변형될 수 있다.
초기에, 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판을 제공하는 단계(박스 402)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 하나 이상의 전력 기판(606)은 본원에 기술된 바와 같이 구축, 구성, 및/또는 배열될 수 있다.
하나 이상의 전력 기판(606)은 전력 소자들(302)에 대한 전기적 상호 접속, 전압 절연, 열전달 등을 제공할 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606)은 직접 본드 구리(DBC), 활성 금속 납땜(AMB), 절연 금속 기판(IMS) 등으로 구성될 수 있다. IMS 구조의 경우, 하나 이상의 전력 기판(606)과 기부판(602)이 동일한 요소로 통합될 수 있다. 일부 양태에서, 하나 이상의 전력 기판(606)은 땜납, 열 전도성 에폭시, 소결 등으로 기부판(602)에 부착될 수 있다. 일 양태에서, 각각의 스위치 위치(104)에 대해 하나씩 2개의 전력 기판(606)이 있을 수 있다. 일 양태에서, 전력 기판들(606)은 절연 재료들, 절연층들 등을 포함할 수 있다.
나아가, 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)은 복수의 전력 소자를 배열하고 복수의 전력 소자를 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 연결하는 단계(박스 404)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전력 소자들(302)은 하나 이상의 전력 기판(606) 위에 본원에 기술된 바와 같이 구축, 구성, 및/또는 배열될 수 있다.
전력 소자들(302)은 땜납, 전도성 에폭시, 소결 재료 등으로 부착될 수 있다. 전력 소자들(302)은 열 분배, 전력 분배, 인덕턴스 밸런싱 등과 같은 목적하는 특성에 이점을 제공하는 임의의 배열로 하나 이상의 전력 기판(606)의 표면 주위에 분포될 수 있다.
추가적으로, 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)은 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계(박스 406)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 본원에 기술된 바와 같이 구축, 구성, 및/또는 배열될 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 신호 연결부들(626)에 의해 전력 소자들(302)에 전기적으로 연결될 수 있다.
특히, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 제1 상승 신호 요소(120) 및 제2 상승 신호 요소(122)를 포함할 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 임의의 수의 상승된 신호 요소를 포함할 수 있다. 신호 연결부들(626)은 전력 소자들(302)로부터 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118), 제2 상승 신호 소자(122), 및/또는 제1 상승 신호 요소(120)까지 수직 상향으로 연장될 수 있다.
추가적으로, 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)은 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결하고 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계(박스 408)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 본원에서 기술된 바와 같이 구축, 구성, 및/또는 배열될 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 하나 이상의 전력 기판(606)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124), 제1 상승 전력 평면(126), 제2 상승 전력 평면(128), 제3 상승 전력 평면(130), 제5 전력 평면부(178), 제2 상승 전력 평면(128), 제6 전력 평면부(160) 등은 하나 이상의 전력 기판(606)에 연결될 수 있다.
추가적으로, 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124), 제1 상승 전력 평면(126), 제2 상승 전력 평면(128), 제3 상승 전력 평면(130), 제7 전력 평면부(162) 등은 전력 연결부들(628)에 의해 전력 소자들(302)에 연결될 수 있다.
추가적으로, 전력 모듈을 구성하는 방법(박스 400)은 사양 및 도면들을 포함하는 본 개시내용과 일관된 추가 공정들을 포함할 수 있다.
따라서, 본 개시내용은 기판 상의 면적이 확보되어 더 많은 전력 소자, 부가적인 구성요소들(예를 들어, 열 센서, 전류 센서, 커패시터 등), 더 많은 전류를 전달하기 위한 더 큰 금속 평면들, 더 쉬운 레이아웃 기하학적 구조, 부품 배치에 대한 더 많은 유연성 또는 이들의 임의 조합을 추가함으로써, 그 결과 고밀도 전력 모듈 패키지를 가능케 하는 전력 소자들 상방에 상승되어 지지된 금속층을 포함하는 전력 모듈을 제시하였다. 더욱이, 본 개시내용은 기판 레이아웃을 더 간단하게 제작하고, 더 높은 전력 밀도 모듈 등을 허용하는 전력 모듈을 제시하였다.
추가적으로, 본 개시내용은 상승된 신호 보드 및 기판 상단의 전도 평면의 기하학적 구조를 더욱 단순화하는 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈을 제시하였다. 이러한 통합을 통해 전력 및 신호 경로들을 전력 소자들로 라우팅할 때 더 많은 설계 유연성을 가능하게 한다. 사실상, 전력 모듈에 추가적인 금속층을 도입하면 전력 모듈의 전체 전류용량도 증가할 수 있다. 소자 레이아웃/위치에 대한 더 큰 선택 범위와 결합된 신호 및 전력 경로 라우팅의 추가된 선택 범위는 더 나은 열 성능 및 더 낮은 패키지 인덕턴스를 위해 더 낮은 소자 밀도 또는 배치를 허용하는 측면에서 추가 이점을 가질 수 있다.
추가적으로, 본 개시내용은 패키지 인덕턴스를 낮추도록 구성된 전력 모듈을 제시하였다. 특히, 기판 전력 평면 상방의 상승된 전력 평면의 층상 평면 기하학적 구조는 거의 이상적인 낮은 인덕턴스 루프 기하학적 구조(작은 전도체 분리, 짧은 전체 경로 및 넓은 전류 경로)를 제공한다.
따라서, 본 개시내용은 안정성을 증가시키고, 스위칭 손실을 감소시키고, EMI를 감소시키고, 시스템 구성요소들에 대한 스트레스를 제한하기 위해 루프 인덕턴스와 같은 기생 임피던스를 처리하도록 구성된 개선된 전력 모듈(100) 및 연관된 시스템을 또한 제시하였다.
특히, 개시된 전력 모듈(100)은 하프-브리지 구성, 풀-브리지 구성, 공통 소스 구성, 공통 드레인 구성, 중성점 클램프 구성 및 3상 구성을 포함하는 다양한 토폴로지로 구현될 수 있다. 전력 모듈(100)의 어플리케이션들에는 모터 드라이브들, 태양광 인버터들, 회로 차단기들, 보호 회로들, DC-DC 변환기들 등이 포함된다.
본 개시내용의 전력 모듈(100)은 소정의 어플리케이션에 대해 특정한 전력 처리 요구 및 크기 및 중량 제한 내에서 대부분의 시스템에 적응될 수 있다. 본 개시내용에 기술된 전력 모듈 설계 및 시스템 레벨 구조들은 높은 레벨의 전력 밀도 및 체적 이용이 달성되도록 허용한다.
추가적으로, 본 개시내용의 다양한 양태는 중전압 및 고전압 패키지들에도 적용될 수 있다. 예를 들어 패키지들은 밀폐형 프레스 팩 스타일(또는 "하키 퍽(hockey puck)") 패키지들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 정류기, 하나 이상의 고속 복구 다이오드, 하나 이상의 사이리스터 등을 갖는 패키지들과 같은 다양한 전기 구성요소를 포함하는 패키지들.
이와 관련하여, 이러한 패키징 기술을 이용하는 본 개시내용의 어플리케이션들은 비밀폐형 플라스틱 하우징 모듈에 비해 다음과 같은 이점들을 갖는다: 1) 직접 액침(즉, 가공된 유전체 유체 사용함)을 포함하는 모든 냉각 옵션에 적합한 밀폐형 패키지; 2) 더 많은 폭발 및 파열 저항성; 3) 높은 열 순환 저항; 4) 양면 냉각이 가능할 수 있음; 및 5) GTO 사이리스터들 및 정류기들과 기계적으로 호환되어 기존 장비 및 설계를 새로운 SiC MOSFET, IGBT 또는 GTO 기술로 개선할 수 있음. 또한 프레스 팩들은 고신뢰성 전기 연결부들을 달성하기 위해 본드리스 구조(즉, 기계적 압력)를 사용한다. 그런 다음 이들 단일 스위치 밀폐형 패키지는 더 높은 전압 작동을 위해 또는 다중 레벨 토폴로지로 직렬로 적층될 수 있다. 일 양태에서, 패키지들은 더 높은 전압을 달성하기 위해 직렬로 연결될 수 있다.
일 양태에서, 중전압 및 고전압 패키지들은 본 개시내용의 다양한 양태 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 전기 구성요소들은 전력 기판들(606) 위에 배열될 수 있다. 적어도 하나의 상승된 전력 평면(124)은 전력 기판들(606) 상방에 배열될 수 있고 전기 구성요소들에 대한 전력 연결부들(628)을 포함할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 상승된 신호 요소(118)는 전력 기판(606) 상방에 배열될 수 있고 전기 구성요소들에 대한 신호 연결부들(626)들 포함할 수 있다.
본 개시내용의 양태들은 본 개시내용의 양태들이 도시되어 있는 첨부 도면들을 참조하여 위에서 설명되었다. 그러나, 본 개시내용은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 상기 제시된 양태들에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점을 이해할 것이다. 오히려, 이러한 양태들은 본 개시내용이 철저하고 완전해지고, 당업자에게 개시내용의 범위를 완전히 전달하도록 제공된다. 또한, 기술된 다양한 양태들은 별개로 구현될 수 있다. 더욱이, 기술된 하나 이상의 다양한 양태는 조합될 수 있다. 동일한 번호는 전반에 걸쳐 전체적으로 동일한 요소를 나타낸다.
본 명세서 전반에 걸쳐 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용되나, 이러한 구성요소가 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안된다는 점이 이해될 것이다. 이들 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데에만 사용된다. 예를 들어, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 요소도 제1 요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 연관된 나열 항목 중 하나 이상의 임의의 그리고 모든 조합을 포함한다.
본원에서 사용된 전문 용어는 단지 특정한 양태들을 설명하는 목적을 위한 것으로, 본 개시내용을 제한하려고 의도된 것은 아니다. 본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태들도 마찬가지로 포함하는 것으로 의도된 것이다. 포함("comprises", "comprising," "includes", 및/또는 "including")이라는 용어들은, 본원에서 사용되는 경우, 언급되는 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 요소들, 및/또는 구성요소들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니라는 점이 추가로 이해될 것이다.
층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 또 다른 요소 "위에(on)" 존재하거나 또 다른 요소 "위로(onto)" 연장된다고 지칭되는 경우, 다른 요소 바로 위에 있거나 또는 다른 요소 위로 직접 연장될 수 있거나 또는 개재 요소들이 또한 존재할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 반면에, 요소가 또 다른 요소 "바로 위에" 있거나 또 다른 요소 바로 위로 연장된다고 지칭되는 경우, 개재 요소들이 존재하지 않는다. 요소가 또 다른 요소에 "연결" 또는 "결합"된다고 지칭되는 경우, 다른 요소에 직접 연결 또는 결합될 수 있거나 또는 개재 요소들이 존재할 수 있다는 점이 또한 이해될 것이다. 반면에, 요소가 또 다른 요소에 "직접 연결" 또는 "직접 결합"된다고 지칭되는 경우, 개재 요소들은 존재하지 않는다.
상대적인 용어들, 예컨대 "아래(below)" 또는 "상방(above)" 또는 "상부(upper)" 또는 "하부(lower)" 또는 "상단(top)" 또는 "하단(bottom)"이 도면들에 예시되는 바와 같은 하나의 요소, 층 또는 영역에 대한 또 다른 요소, 층 또는 영역과의 관계를 설명하기 위해 본원에서 사용될 수 있다. 이들 용어는 도면들에 도시되는 배향에 더하여 소자의 상이한 배향을 포함하도록 의도된 것이라는 점이 이해될 것이다.
본 개시내용의 양태들은 본 개시내용의 이상화된 실시형태들(및 중간 구조체들)의 개략적 예시들인 단면 예시들을 참조하여 본원에 기술된다. 도면들에서의 층들 및 영역들의 두께는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 추가적으로, 예를 들어, 제조 기술들 및/또는 공차들의 결과로서 예시들의 형상으로부터의 변형들이 예상될 것이다.
도면들 및 명세서에는, 본 개시내용의 일반적인 양태들이 개시되었으며, 특정 용어들이 이용되고 있더라도, 이들은 제한의 목적이 아니라 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 본 개시내용의 범위는 다음의 청구범위에서 제시된다.
본 개시내용이 예시적인 양태들의 면에서 설명되었지만, 기술 분야의 숙련자들은 본 개시내용이 첨부된 청구범위의 사상 및 범위에서의 변형들로 실시될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 위에 주어진 이러한 예들은 단지 예시적인 것이고 본 개시내용의 모든 가능한 설계들, 양태들, 어플리케이션들 또는 변형들의 총망라 목록인 것을 의미하는 것은 아니다. 이와 관련하여, 다양한 양태, 특징, 구성요소, 요소, 모듈, 배열, 회로 등은 교환 가능하고, 혼합되고, 정합되고, 조합되는 등의 방식으로 구성되는 것이 고려된다. 이와 관련하여, 본 개시내용의 상이한 특징들은 모듈식이고, 서로 혼합되고 정합될 수 있다.

Claims (52)

  1. 전력 모듈로서,
    적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판; 및
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 연결되는 복수의 전력 소자를 포함하고,
    상기 전력 모듈은,
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 상방에 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소; 및
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 전력 평면 중 적어도 하나를 더 포함하는, 전력 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 제1 상승 신호 요소 및 제2 상승 신호 요소를 포함하는, 전력 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 제1 상승 전력 평면, 제2 상승 전력 평면 및 제3 상승 전력 평면을 포함하는, 전력 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 인쇄 회로 보드(PCB) 또는 절연 금속 기판(IMS) 중 하나를 포함하는, 전력 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 고전류 전도체로서 구성된 금속층을 갖는 절연 금속 기판(IMS)을 포함하는, 전력 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함하고,
    상기 전력 소자들은 상기 전력 소자들을 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면에 연결하는 전력 연결부들을 포함하는, 전력 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소 및 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 분리되는 방식, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 위에 배열되는 방식, 및 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 바로 위에 배열되는 방식 중 하나의 방식으로 배열되는, 전력 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 복수의 제1 윈도우를 포함하는, 전력 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 윈도우는 전력 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로 수직 연장되도록 구성되는, 전력 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전력 소자들은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 패턴으로 배열되는, 전력 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 복수의 제2 윈도우를 포함하는, 전력 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제2 윈도우는 신호 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소까지 수직 연장되도록 구성되는, 전력 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소; 및
    하나 이상의 센서를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면 및 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 중 하나 위에 배열되고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소에 연결되는, 전력 모듈.
  14. 전력 모듈을 구성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판을 제공하는 단계;
    복수의 전력 소자를 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열하고 상기 복수의 전력 소자를 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 연결하는 단계; 및
    적어도 하나의 상승된 전력 평면을 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결하고 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋되어 배열되는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 상승된 신호 요소를 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소가 제1 상승 신호 요소 및 제2 상승 신호 요소를 포함하도록 구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 배열되는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면이 제1 상승 전력 평면, 제2 상승 전력 평면 및 제3 상승 전력 평면을 포함하도록 구성하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 상승된 신호 요소를 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계; 및
    인쇄 회로 보드(PCB) 및/또는 절연 금속 기판(IMS) 중 하나를 사용하여 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 구현하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    고전류 전도체로서 구성된 금속층을 갖는 절연 금속 기판(IMS)으로서 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 구현하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 전력 소자들이 상기 전력 소자들을 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면에 연결하는 전력 연결부들을 포함하도록 구성하는 방법을 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 상승된 신호 요소를 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소를, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 분리되는 방식, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 위에 배열되는 방식, 및 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 바로 위에 배열되는 방식 중 하나의 방식으로 배열하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면에 복수의 제1 윈도우를 배열하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 제1 윈도우를 전력 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로 수직 연장되도록 구성하는 방법을 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 패턴으로 상기 전력 소자들을 구성하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  24. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 상승된 신호 요소를 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소에 복수의 제2 윈도우를 배열하는 단계를 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 제2 윈도우를 신호 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소까지 수직 연장되도록 구성하는 방법을 더 포함하는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  26. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 상승된 신호 요소를 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결하는 단계; 및
    하나 이상의 센서를 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면 위에 배열되고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소에 연결되는, 전력 모듈을 구성하는 방법.
  27. 전력 모듈로서,
    적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판;
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 연결되는 복수의 전력 소자;
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 상승된 신호 요소; 및
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋되어 배열되고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 배열되는, 전력 모듈.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 제1 상승 신호 요소 및 제2 상승 신호 요소를 포함하는, 전력 모듈.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 제1 상승 전력 평면, 제2 상승 전력 평면 및 제3 상승 전력 평면을 포함하는, 전력 모듈.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 인쇄 회로 보드(PCB) 및/또는 절연 금속 기판(IMS) 중 하나를 사용하여 구현되는, 전력 모듈.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 고전류 전도체로서 구성된 하단 금속층을 갖는 절연 금속 기판(IMS)을 구현하는, 전력 모듈.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 전력 소자들은 상기 전력 소자들을 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면에 연결하는 전력 연결부들을 포함하는, 전력 모듈.
  33. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 분리되는 방식, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 위에 배열되는 방식, 및 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 바로 위에 배열되는 방식 중 하나의 방식으로 배열되는, 전력 모듈.
  34. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 복수의 제1 윈도우를 포함하는, 전력 모듈.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 복수의 제1 윈도우는 전력 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로 수직 연장되도록 구성되는, 전력 모듈.
  36. 제27항에 있어서, 제1 축을 따라 연장되는 복수의 행의 전력 소자 및 제2 축을 따라 연장되는 복수의 행의 전력 소자를 더 포함하는, 전력 모듈.
  37. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소에 배열된 복수의 제2 윈도우를 더 포함하는, 전력 모듈.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 제2 윈도우는 신호 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소까지 수직 연장되도록 구성되는, 전력 모듈.
  39. 제27항에 있어서,
    하나 이상의 센서를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면 위에 배열되고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소에 연결되는, 전력 모듈.
  40. 전력 모듈로서,
    적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판;
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 배열되어 연결되는 복수의 전력 소자; 및
    상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 전력 평면을 포함하는, 전력 모듈.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 제1 상승 신호 요소 및 제2 상승 신호 요소를 포함하는, 전력 모듈.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 제1 상승 전력 평면, 제2 상승 전력 평면 및 제3 상승 전력 평면을 포함하는, 전력 모듈.
  43. 제40항에 있어서,
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 인쇄 회로 보드(PCB) 또는 절연 금속 기판(IMS) 중 하나를 포함하는, 전력 모듈.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 고전류 전도체로서 구성된 금속층을 갖는 절연 금속 기판(IMS)을 포함하는, 전력 모듈.
  45. 제40항에 있어서, 상기 전력 소자들은 상기 전력 소자들을 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면에 연결하는 전력 연결부들을 포함하는, 전력 모듈.
  46. 제40항에 있어서,
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 분리되는 방식, 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 위에 배열되는 방식, 및 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로부터 수직으로 오프셋되어 그 바로 위에 배열되는 방식 중 하나의 방식으로 배열되는, 전력 모듈.
  47. 제40항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면은 복수의 제1 윈도우를 포함하는, 전력 모듈.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 복수의 제1 윈도우는 전력 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면으로 수직 연장되도록 구성되는, 전력 모듈.
  49. 제40항에 있어서, 상기 전력 소자들은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 위에 패턴으로 배열되는, 전력 모듈.
  50. 제40항에 있어서,
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소는 복수의 제2 윈도우를 포함하는, 전력 모듈.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 복수의 제2 윈도우는 신호 연결부들이 상기 전력 소자들로부터 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소까지 수직 연장되도록 구성되는, 전력 모듈.
  52. 제40항에 있어서,
    상기 복수의 전력 소자에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판으로부터 수직으로 오프셋 배열된 적어도 하나의 상승된 신호 요소; 및
    하나 이상의 센서를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 전력 평면 및 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 중 하나 위에 배열되고,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 적어도 하나의 상승된 신호 요소에 연결되는, 전력 모듈.
KR1020237013893A 2020-09-28 2021-09-22 통합형 신호 보드를 구비한 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈 및 이를 구현하는 방법 KR20230074545A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/034,815 US11574859B2 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Power module having an elevated power plane with an integrated signal board and process of implementing the same
US17/034,815 2020-09-28
PCT/US2021/051522 WO2022066746A1 (en) 2020-09-28 2021-09-22 Power module having an elevated power plane with an integrated signal board and process of implementing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230074545A true KR20230074545A (ko) 2023-05-30

Family

ID=80822878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237013893A KR20230074545A (ko) 2020-09-28 2021-09-22 통합형 신호 보드를 구비한 상승된 전력 평면을 갖는 전력 모듈 및 이를 구현하는 방법

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11574859B2 (ko)
EP (1) EP4214823A1 (ko)
JP (1) JP2023544138A (ko)
KR (1) KR20230074545A (ko)
CN (1) CN116391311A (ko)
WO (1) WO2022066746A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11784113B2 (en) * 2020-04-17 2023-10-10 Texas Instruments Incorporated Multilayer package substrate with stress buffer
DE102022207850A1 (de) * 2022-07-29 2024-02-01 Vitesco Technologies Germany Gmbh Leistungselektronikmodul und Inverter mit einem Leistungselektronikmodul
CN116387269B (zh) * 2023-04-21 2024-02-13 华中科技大学 一种功率模块

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG157957A1 (en) * 2003-01-29 2010-01-29 Interplex Qlp Inc Package for integrated circuit die
JP4717020B2 (ja) * 2007-01-31 2011-07-06 富士通株式会社 中継基板および光通信モジュール
US8018047B2 (en) 2007-08-06 2011-09-13 Infineon Technologies Ag Power semiconductor module including a multilayer substrate
KR20100084379A (ko) 2009-01-16 2010-07-26 삼성전자주식회사 인쇄회로기판
JP5555206B2 (ja) * 2011-07-11 2014-07-23 株式会社 日立パワーデバイス 半導体パワーモジュール
US8466541B2 (en) * 2011-10-31 2013-06-18 Infineon Technologies Ag Low inductance power module
US9468090B2 (en) 2012-10-29 2016-10-11 Cisco Technology, Inc. Current redistribution in a printed circuit board
US9407251B1 (en) * 2012-12-07 2016-08-02 Cree Fayetteville, Inc. Method for reworkable packaging of high speed, low electrical parasitic power electronics modules through gate drive integration
US20140339687A1 (en) 2013-05-15 2014-11-20 Shailesh Kumar Power plane for multi-layered substrate
US9839146B2 (en) * 2015-10-20 2017-12-05 Cree, Inc. High voltage power module
US10062499B2 (en) * 2016-10-28 2018-08-28 Delta Electronics, Inc. Power module and magnetic component thereof
US11652473B2 (en) * 2016-12-16 2023-05-16 Wolfspeed, Inc. Power modules having an integrated clamp circuit and process thereof
US10212838B2 (en) * 2017-01-13 2019-02-19 Cree Fayetteville, Inc. High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
US10784235B2 (en) * 2018-01-30 2020-09-22 Cree Fayetteville, Inc. Silicon carbide power module
US11069640B2 (en) * 2019-06-14 2021-07-20 Cree Fayetteville, Inc. Package for power electronics

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022066746A1 (en) 2022-03-31
US11574859B2 (en) 2023-02-07
US20220102260A1 (en) 2022-03-31
CN116391311A (zh) 2023-07-04
US20230163062A1 (en) 2023-05-25
EP4214823A1 (en) 2023-07-26
JP2023544138A (ja) 2023-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102398496B1 (ko) 전력 디바이스들을 병렬화하기 위한 저 인덕턴스 및 고속 스위칭을 갖는 고 전력 다층 모듈
US11445630B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
US10749443B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
US10283436B2 (en) Power electronics module with first and second coolers
US20230163062A1 (en) Power Module Having an Elevated Power Plane with an Integrated Signal Board and Process of Implementing the Same
US20070165376A1 (en) Three phase inverter power stage and assembly
KR102580635B1 (ko) 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈
US11696417B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
WO2020229114A1 (en) Semiconductor module
Zhou A Novel SiC Power Module with 3D Integration
KR20220003802A (ko) 파워모듈
KR20220003804A (ko) 파워모듈
CN117558719A (zh) 一种功率变换器、封装结构以及散热结构