KR20240041536A - 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은, 평면부와, 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크와, 세라믹 히트싱크의 상면에 접합되고, 반도체 칩이 접합되도록 구성된 전극 패턴을 포함할 수 있다. 여기서, 세라믹 히트싱크는 방열에 효과적인 세라믹 재료로 형성되기 때문에 방열 성능이 향상될 수 있다.

Description

히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법{POWER MODULE SUBSTRATE WITH HEAT SINK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 히트싱크에 전극 패턴 또는 세라믹 기판이 접합된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기차는 고전압 배터리에서 제공되는 직류 전압을, 모터를 구동하기 위한 교류 3상 전압으로 변환시키는 인버터가 필요하다.
이러한 인버터는 구동용 배터리의 높은 전압을 모터에 적합한 상태로 조절하여 공급하기 위한 파워모듈이 조립된다. 파워모듈은 전력의 변환을 위한 반도체 칩을 포함하는데, 이러한 반도체 칩은 고전압 고전류 동작으로 인해 고온의 열이 발생한다. 이러한 열이 지속되면 반도체 칩이 열화되고, 파워모듈의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 세라믹 또는 금속 기판의 적어도 일면에 히트싱크를 접합하여 열에 의한 반도체 칩의 열화 현상을 방지하고 있다.
일반적으로 히트싱크는 구리, 알루미늄 등의 열전도도가 높은 금속재로 제조되는데, 이러한 금속의 히트 싱크의 경우에도 방열에 한계가 있어 한계 이상의 열이 발생할 경우 냉각 효율이 급격히 떨어지고, 휨이 발생하여 고장의 원인이 되고 있다. 아울러, 반도체 칩이 실장되는 기판의 경우에도 열로 인한 휨 등이 발생하여 특성이 저하되는 문제점이 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 공개된　종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
등록특허공보 제10-1896569호(2018.09.03 등록)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 반도체 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있도록 구성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은, 평면부와, 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크와, 세라믹 히트싱크의 상면에 접합되고, 반도체 칩이 접합되도록 구성된 전극 패턴을 포함할 수 있다. 여기서, 전극 패턴은 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 두께로 이루어질 수 있다.
세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은, 세라믹 히트싱크의 상면과 전극 패턴의 하면 사이에 배치되고, 세라믹 히트싱크와 전극 패턴을 접합시키는 브레이징 필러층을 더 포함하며, 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
복수의 돌출부는 외부의 냉매 순환부에 배치되고, 냉매 순환부를 통해 순환하는 액체형 냉매는 복수의 돌출부와 열교환할 수 있다.
전극 패턴은 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 또한, 전극 패턴은 둘레면이 경사지게 형성될 수 있다. 여기서, 둘레면은 세라믹 히트싱크에 가까울수록 돌출 길이가 증가할 수 있다. 또한, 둘레면은 세라믹 히트싱크 방향으로 오목하게 형성될 수 있다. 한편, 둘레면은 계단 형태로 형성될 수도 있고, 이때 계단을 이루는 각각의 단은 돌출되는 길이가 다를 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 평면부와, 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크와, 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상면의 상부 금속층, 및 상기 세라믹 기재 하면의 하부 금속층을 구비하고, 상기 세라믹 히트싱크의 상면에 접합되는 세라믹 기판을 포함할 수 있다. 여기서, 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은, 세라믹 히트싱크의 상면과 하부 금속층의 하면 사이에 배치되고, 세라믹 히트싱크와 하부 금속층을 접합시키는 브레이징 필러층을 더 포함하며, 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 세라믹 기판의 상부 금속층의 상면에 접합되고, 반도체 칩이 접합되도록 구성된 전극 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법은, 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계와, 세라믹 히트싱크의 상면에 전극층을 접합하는 단계와, 전극층을 식각하여 반도체 칩이 실장되도록 구성되는 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 전극층을 접합하는 단계는, 세라믹 히트싱크의 상면과 전극층의 하면 사이에 브레이징 필러층을 배치하는 단계와, 브레이징 필러층을 용융시켜 전극층 및 세라믹 히트싱크를 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
브레이징 필러층을 배치하는 단계는, 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성된 브레이징 필러층을 배치할 수 있다.
세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서, 세라믹 히트싱크는 인젝션 몰딩(injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다.
전극 패턴을 형성하는 단계는, 전극층의 상면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 전극층을 식각하는 단계와, 전극층을 식각함에 따라 노출된 브레이징 필러층을 세라믹 히트싱크의 상면이 노출될 때까지 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 세라믹 히트싱크가 방열에 효과적인 세라믹 재료로 형성되기 때문에 금속 재료로 형성된 히트싱크에 비해 열팽창 계수가 낮아 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않고 방열 성능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 칩으로부터 고온의 열이 발생하더라도 연속 순환하는 액체형 냉매가 세라믹 히트싱크와 직접적으로 접촉하여 냉각시키기 때문에 방열 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 전극 패턴이 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나의 재료로 형성되고, 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 비교적 두꺼운 두께로 형성되기 때문에 전기전도성 및 열전도성이 우수하여 고출력의 전력 변환용 파워모듈에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 전극 패턴에서 에지 영역의 두께가 세라믹 히트싱크에 가까울수록 감소하도록 형성되기 때문에 에지 영역의 에너지를 분산시켜 열응력을 완화할 수 있고, 접합 강도를 유지할 수 있기 때문에 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 세라믹 기판을 세라믹 히트싱크와 일체로 접합시키기 때문에 세라믹 기판의 휨이 세라믹 히트싱크에 의해 효과적으로 억제될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 평면측 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 저면측 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판에서 복수의 돌출부의 변형예를 도시한 저면측 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판에서 전극 패턴의 변형예를 도시한 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 정면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 정면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법에서 전극 패턴을 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드　또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는　"직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위　또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 하는 것을 원칙으로 한다.
도면은 본 발명의 사상을 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 도면에 의해서 본 발명의 범위가 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한 도면에서 상대적인 두께, 길이나 상대적인 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 평면측 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 저면측 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판에서 복수의 돌출부의 변형예를 도시한 저면측 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1)은 세라믹 히트싱크(100) 및 전극 패턴(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
세라믹 히트싱크(100)는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 만약, 세라믹 히트싱크(100)가 Cu 등의 금속 재료로 형성될 경우 Cu의 열팽창 계수가 17ppm/K이므로, 200℃ 이상의 열이 발생하는 파워모듈에 적용했을 때 열팽창으로 인한 휨이 발생하여 방열 기능이 저하될 수 있고, 리드 프레임 등과 와이어로 연결 시 단락이 발생할 수 있다.
반면, 세라믹 히트싱크(100)가 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 경우, 600℃ 이상의 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않기 때문에 방열 성능이 향상될 수 있다. 또한, AlN는 열전도도가 150W/m·K 이상이고, Si3N4는 열전도도가 80W/m·K 이상이므로 히트싱크로 사용될 경우 방열에 효과적이다.
세라믹 히트싱크(100)는 평면부(110) 및 복수의 돌출부(120)가 구비될 수 있다. 평면부(110)는 상면(111)에 전극 패턴(200)이 접합되어 전극 패턴(200)과 직접적으로 접하는 부분으로, 열전달을 용이하게 하기 위해 넓은 면적의 평판 형태로 구비될 수 있다. 평면부(110)는 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 평면부(110)가 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 비교적 두꺼운 두께로 형성될 경우 방열 면적이 넓어져서 열이 골고루 퍼지기 때문에 방열에 효과적이다.
복수의 돌출부(120)는 평면부(110)의 하면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100)는 막대 형상인 복수의 돌출부(120)가 서로 간격을 두고 수평으로 배치된 슬릿 타입일 수 있다. 또는, 도 4에 도시된 바와 같이 세라믹 히트싱크(100)는 복수의 돌출부(120)의 단면이 마름모인 핀 형태이거나 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 등의 다양한 핀 형태로 구비된 Pin Fin 타입일 수도 있다. 복수의 돌출부(120)의 형상, 개수 및 배치 형태는 설계 시 사전 시뮬레이션 결과에 따라 다양하게 변경 가능하다. 복수의 돌출부(120)는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하도록 구비될 수 있다. 액체형 냉매는 복수의 돌출부(120) 사이를 이동하므로, 복수의 돌출부(120)의 형상, 개수 및 배치 형태를 변경함에 따라 액체형 냉매의 유속, 냉각 효율 등이 용이하게 제어될 수 있다.
전극 패턴(200)은 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 접합되고, 반도체 칩(c)(도 6 참조)이 실장되도록 구성될 수 있다. 여기서, 반도체 칩(c)은 SiC, GaN, Si, LED, VCSEL 등일 수 있다. 이러한 반도체 칩(c)은 솔더(Solder) 또는 은 페이스트(Ag Paste)를 포함하는 본딩층(b)에 의해 전극 패턴(200)의 상면에 접합될 수 있다. 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 반도체 칩(c)은 복수 개가 전극 패턴(200)에 접합될 수 있고, 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩 등에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 패턴(200)은 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 두께로 구비될 수 있다. 이와 같이 반도체 칩(c)이 접합되는 전극 패턴(200)의 두께가 두껍게 형성될 경우 고전압 고전류가 통전될 수 있다. 철도 차량의 경우 일반 차량에 비해 고출력의 전력 변환이 이루어지기 때문에 전극 패턴(200)은 전기전도도가 높아야 하고, 방열을 위해 열전도도도 높아야 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1)은 전극 패턴(200)이 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나의 재료로 형성되고, 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 비교적 두꺼운 두께로 형성되기 때문에 전기전도성 및 열전도성이 우수하여 고출력의 전력 변환용 파워모듈에 적용 가능하다는 장점이 있다.
전극 패턴(200)은 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 브레이징 필러층(300)을 매개로 접합될 수 있다. 브레이징 필러층(300)은 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)과 전극 패턴(200)의 하면 사이에 배치되고, 브레이징 온도에서 세라믹 히트싱크(100)와 전극 패턴(200)을 일체로 접합시킬 수 있다. 브레이징 온도는 450℃ 이상, 바람직하게는 780℃ 내지 900℃에서 수행될 수 있다. 브레이징 필러층(300)은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있고, 두께는 약 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다. Ag, AgCu 및 AgCuTi는 열전도도가 높아 접합력을 높이는 역할과 동시에 세라믹 히트싱크(100)와 전극 패턴(200) 간의 열 전달을 용이하게 하여 방열 효율을 높일 수 있다.
전극 패턴(200)은 둘레면(210)이 경사지게 형성될 수 있다. 여기서, 둘레면(210)은 세라믹 히트싱크(100)에 가까울수록 돌출 길이가 증가하도록 형성될 수 있다. 또한, 둘레면(210)은 세라믹 히트싱크(100) 방향으로 오목하게 형성될 수 있다. 모서리, 가장자리와 같이 응력(stresss)이 집중되는 에지 영역은 열충격에 취약하기 때문에 급격한 온도 변화에서 균열이 발생할 수 있다. 따라서, 세라믹 히트싱크(100)에 가까울수록 둘레면(210)의 돌출 길이가 증가하도록 형성되면 에지 영역의 두께가 최소화되고, 에지 영역의 에너지가 분산되어 열응력이 완화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판에서 전극 패턴의 변형예를 도시한 정면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1)에서 둘레면(210)은 계단 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 계단 형태는 다단을 이루는 형태를 의미한다. 둘레면(210)에서 계단을 이루는 각각의 단(211,212)은 돌출되는 길이가 다르게 형성될 수 있다. 구체적으로, 둘레면(210)에서 계단을 이루는 각각의 단(211,212)은 세라믹 히트싱크(100)에 가까울수록 돌출 길이가 증가하도록 형성될 수 있다. 즉, 상측 단(211)에 비해 하측 단(212)이 더 돌출되게 형성될 수 있다. 이와 같이, 에지 영역에서의 두께가 감소하면, 에지 영역의 에너지가 분산되어 열응력이 완화되고 열충격에 강하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1)에서 복수의 돌출부(120)는 냉매 순환부(2)에 배치될 수 있다. 냉매 순환부(2)는 액체형 냉매가 유입되는 유입구(2a), 액체형 냉매가 배출되는 배출구(2b) 및 유입구(2a)에서 배출구(2b)까지의 내부 유로(미도시)가 구비될 수 있다. 이때, 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)를 통해 유입된 액체형 냉매는 상기 내부 유로를 거쳐 배출구(2b)를 통해 배출될 수 있다. 유입구(2a)와 배출구(2b) 사이에서 액체형 냉매가 이동하는 경로인 내부 유로의 형태와 크기는 다양하게 설계 변경될 수 있으므로, 냉매 순환부(2)의 내부 유로 자체에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
순환 구동부(3)는 냉매 순환부(2)와 연결되고, 펌프(미도시)의 구동력을 이용하여 액체형 냉매를 순환시킬 수 있다. 여기서, 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)는 제1 순환라인(L1)을 통해 순환 구동부(3)와 연결될 수 있고, 냉매 순환부(2)의 배출구(2b)는 제2 순환라인(L2)을 통해 순환 구동부(3)와 연결될 수 있다. 즉, 순환 구동부(3)는 제1 순환라인(L1), 냉매 순환부(2) 및 제2 순환라인(L2)을 포함한 순환 경로를 따라 액체형 냉매를 연속해서 순환시킬 수 있다. 여기서, 액체형 냉매는 탈이온수(Deionized Water)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 액체질소, 알코올, 기타 용매를 사용할 수도 있다.
순환 구동부(3)로부터 공급되는 액체형 냉매는 제1 순환라인(L1)을 통해 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)로 유입되고, 냉매 순환부(2)에 형성된 내부 유로를 따라 이동하여 배출구(2b)를 통해 배출되며, 이후에 제2 순환라인(L2)을 통해 다시 순환 구동부(3)로 이동할 수 있다. 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 순환 구동부(3)는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 순환 구동부(3)의 열교환기는 냉매 순환부(2)의 내부 유로를 통과하면서 온도가 올라간 액체형 냉매의 온도를 낮출 수 있고, 순환 구동부(3)는 열교환기에 의해 온도가 낮춰진 액체형 냉매를 펌프의 구동력을 이용하여 다시 제1 순환라인(L1)으로 공급할 수 있다.
이와 같이, 냉매 순환부(2)는 순환 구동부(3)로부터 공급된 액체형 냉매가 연속해서 순환하도록 구비될 수 있다. 이때, 복수의 돌출부(120)는 냉매 순환부(2)의 내부 유로 내에 배치되고, 내부 유로를 따라 연속해서 순환하는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하여 열교환할 수 있다. 즉, 복수의 돌출부(120)는 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 직접 냉각될 수 있는 수냉식 방열 구조를 가진다.
복수의 돌출부(120)는 전극 패턴(200)에 실장되는 반도체 칩(c)으로부터 고온의 열이 발생하더라도 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 강제 냉각되므로 반도체 칩(c)이 열화하지 않도록 일정한 온도로 유지시킬 수 있다. 즉, 반도체 칩에 약 100℃ 이상의 고온의 열이 발생하더라도, 냉매 순환부(2)의 내부 유로를 따라 순환하는 액체형 냉매의 온도가 약 25℃이므로 복수의 돌출부(120)로 전달된 열을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 다른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 설명하기로 한다. 설명의 편의상, 도 1 내지 도 6에 도시된 일 실시예와 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략하며, 이하 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 정면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1')은 세라믹 히트싱크(100')와 세라믹 기판(400')을 포함하여 구성될 수 있다.
세라믹 기판(400')은 세라믹 히트싱크(100')의 상면(111')에 접합될 수 있다. 세라믹 기판(400')은 AMB(Active Metal Brazing) 기판 또는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다. AMB 기판 또는 DBC 기판은 세라믹 기재에 금속이 직접적으로 본딩되어 있는 기판들이다. 세라믹 기판(400')은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록 세라믹 기재(410')의 상면에 상부 금속층(420')이 구비되고, 세라믹 기재(410')의 하면에 하부 금속층(430')이 구비될 수 있다. 여기서, 세라믹 기재(410')의 두께는 0.32mm일 수 있고, 상하부 금속층(420',430') 각각의 두께는 0.3mm일 수 있다.
세라믹 기재(410')는 산화물계 또는 질화물계 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 세라믹 기재(410')는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 금속층(420')은 세라믹 기재(410')의 상면에 배치되고, 회로패턴 형상으로 구비될 수 있다. 예컨대, 상부 금속층(420')은 Cu 시트 또는 Al 시트로 구비되어 세라믹 기재(410')의 상면에 브레이징 접합되고, 이후에 에칭에 의해 반도체 칩을 실장하는 전극 패턴 및 구동소자를 실장하는 전극 패턴으로 형성될 수 있다.
하부 금속층(430')은 세라믹 기재(410')의 하면에 배치될 수 있다. 예컨대, 하부 금속층(430')은 Cu 시트 또는 Al 시트로 구비되어 세라믹 기재(410')의 하면에 브레이징 접합될 수 있다. 하부 금속층(430')은 세라믹 히트싱크(100')와의 접합 면적을 높여 열 전달이 용이하도록 평판으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 평판으로 형성된 하부 금속층(430')은 전극 패턴으로 형성된 상부 금속층(420')의 부피와 비교했을 때 부피 차이가 커서 반도체 칩에서 열이 발생했을 때 휘어지는 현상이 발생할 수 있다.
반면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1')은 세라믹 기판(400')이 세라믹 히트싱크(100')에 접합되기 때문에 세라믹 기판(400')의 휨이 세라믹 히트싱크(100')에 의해 억제될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100')는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 세라믹 재료로 형성되기 때문에 600℃ 이상의 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않는다. 따라서, 세라믹 히트싱크(100')는 세라믹 기판(400')과의 브레이징 공정 시 고온 환경에서 휨이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 세라믹 기판(400')과 접합된 이후에도 세라믹 기판(400')의 휨을 효과적으로 억제할 수 있다.
세라믹 기판(400')의 하부 금속층(430')은 세라믹 히트싱크(100')의 상면(111')에 브레이징 필러층(300')을 매개로 접합될 수 있다. 브레이징 필러층(300')은 세라믹 히트싱크(100')의 상면(111')과 하부 금속층(430')의 하면 사이에 배치되고, 브레이징 온도에서 세라믹 히트싱크(100')와 하부 금속층(430')을 일체로 접합시킬 수 있다. 브레이징 온도는 450℃ 이상, 바람직하게는 780℃ 내지 900℃에서 수행될 수 있다. 브레이징 필러층(300')은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있고, 두께는 약 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다. Ag, AgCu 및 AgCuTi는 열전도도가 높아 접합력을 높이는 역할과 동시에 세라믹 히트싱크(100')와 하부 금속층(430') 간의 열 전달을 용이하게 하여 방열 효율을 높일 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 정면도이다.
도 9에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1")은 세라믹 기판(400")의 하부 금속층(430")이 세라믹 히트싱크(100")의 상면에 브레이징 필러층(300a")을 매개로 접합되고, 세라믹 기판(400")의 상부 금속층(420")의 상면에 전극 패턴(200")이 접합될 수 있다.
구체적으로, 전극 패턴(200")은 세라믹 기판(400")의 상부 금속층(420")에 대응되는 패턴 형태로 형성되고, 상부 금속층(420")의 상면에 브레이징 필러층(300b")을 매개로 접합될 수 있다. 이러한 전극 패턴(200")은 반도체 칩(c)(도 6 참조)이 접합되기 위한 패턴 형태로 형성될 수 있다. 전극 패턴(200")은 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 두께로 구비될 수 있다. 이와 같이 반도체 칩(c)이 접합되는 전극 패턴(200")의 두께가 두껍게 형성될 경우 고전압 고전류가 통전될 수 있다. 철도 차량의 경우 일반 차량에 비해 고출력의 전력 변환이 이루어지기 때문에 전극 패턴(200")은 전기전도도가 높아야 하고, 방열을 위해 열전도도도 높아야 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1")은 세라믹 기판(400")의 상면에 접합된 전극 패턴(200")이 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나의 재료로 형성되고, 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 비교적 두꺼운 두께로 형성되기 때문에 전기전도성 및 열전도성이 우수하여 고출력의 전력 변환용 파워모듈에 적용 가능하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법을 도시한 흐름도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법에서 전극 패턴을 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 세라믹 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S10)와, 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 전극층(200')을 접합하는 단계(S20)와, 전극층(200')을 식각하여 반도체 칩이 실장되도록 구성되는 전극 패턴(200)을 형성하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
세라믹 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S10)에서, 세라믹 히트싱크(100)는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100)가 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 경우, 600℃ 이상의 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않기 때문에 방열 성능이 향상될 수 있다. 또한, AlN는 열전도도가 150W/m·K 이상이고, Si3N4는 열전도도가 80W/m·K 이상이므로 히트싱크로 사용될 경우 방열에 효과적이다.
세라믹 히트싱크(100)는 인젝션 몰딩(ceramic injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중의 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다. 인젝션 몰딩은 가열된 세라믹 재료를 닫혀진 금형의 공동부에 주입하고 금형 내에서 냉각시킴으로써 금형 공동부에 상당하는 성형품을 만드는 공법이다. 또한, 다이캐스팅 공법은 금형에 세라믹 재료를 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 것으로, 복잡한 형상의 성형품을 대량으로 생산할 수 있다. 인젝션 몰딩 또는 다이캐스팅 이후에는 열처리 단계를 거쳐 세라믹 히트싱크(100)가 제조될 수 있고, 이외에도 세라믹 히트싱크(100)는 압출, 절삭 가공, 프레스 가공 등의 공법으로 형성될 수도 있다.
세라믹 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S10)에서, 세라믹 히트싱크(100)는 평면부(110) 및 복수의 돌출부(120)가 구비될 수 있다. 평면부(110)는 상면(111)이 전극 패턴(200)과 직접적으로 접하는 부분으로 열전달을 용이하게 하기 위해 넓은 면적의 평판 형태로 구비될 수 있다. 복수의 돌출부(120)는 평면부(110)의 하면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성될 수 있다. 이러한 복수의 돌출부(120)는 외부의 냉매 순환부(2)에 배치되어 냉매 순환부(2)를 통해 순환하는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하도록 구비될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100)는 막대 형상인 복수의 돌출부(120)가 서로 간격을 두고 수평으로 배치된 슬릿 타입일 수 있다. 또는, 세라믹 히트싱크(100)는 복수의 돌출부(120)의 단면이 마름모인 핀 형태이거나 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 등의 다양한 핀 형태로 구비된 Pin Fin 타입일 수도 있다.
세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 전극층(200')을 접합하는 단계(S20)는, 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)과 전극층(200')의 하면 사이에 브레이징 필러층(300)을 배치하는 단계와, 브레이징 필러층(300)을 용융시켜 전극층(200') 및 세라믹 히트싱크(100)를 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
브레이징 필러층(300)을 배치하는 단계는, 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 브레이징 필러층(300)을 배치할 수 있다. 브레이징 필러층(300)은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있고, 두께는 약 20㎛ 내지 100㎛일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 브레이징 필러층(300)을 용융시켜 전극층(200') 및 세라믹 히트싱크(100)를 접합하는 단계는 450℃ 이상, 바람직하게는 780~900℃에서 수행할 수 있고, 접합력을 높이기 위해 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법에서 전극 패턴을 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 전극층(200')을 식각하여 반도체 칩이 실장되도록 구성되는 전극 패턴(200)을 형성하는 단계(S30)는, 전극층(200')의 상면에 포토레지스트 패턴(p)을 형성하는 단계(S31)와, 포토레지스트 패턴(p)을 식각 마스크로 이용하여 전극층(200')을 식각하는 단계(S32)와, 전극층(200')을 식각함에 따라 노출된 브레이징 필러층(300)을 세라믹 히트싱크(100)의 상면이 노출될 때까지 식각하는 단계(S33)를 포함할 수 있다.
포토레지스트 패턴(p)을 형성하는 단계(S31)는 전극층(200') 상에서 포토리소그래피(photolithography) 공정을 수행하여 포토레지스트 패턴(p)을 형성할 수 있다. 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 포토리소그래피 공정은 포토레지스트 층을 형성한 후, 포토레지스트 층에 노광 및 현상 공정을 수행하여 포토레지스트 패턴(p)을 형성할 수 있다.
포토레지스트 패턴(p)을 형성하는 단계(S31) 이후에, 포토레지스트 패턴(p)을 식각 마스크로 이용하여 전극층(200')을 식각하는 단계(S32)를 수행할 수 있다. 이때, 전극층(200')을 식각함에 따라, 전극층(200')이 식각된 부분에 브레이징 필러층(300)이 노출될 수 있다. 이를 제거하기 위해, 노출된 브레이징 필러층(300)을 세라믹 히트싱크(100)의 상면이 노출될 때까지 식각하는 단계(S33)를 수행할 수 있다. 이때, 세라믹 히트싱크(100)와 브레이징 필러층(300)이 반응하여 형성된 물질도 함께 식각될 수 있다. 일례로, 세라믹 히트싱크(100)가 AlN, Si3N4 등의 질화물계 재료일 경우, 브레이징 필러층(300)의 Ti와 반응하여 TiN이 형성될 수 있으므로 TiN도 함께 식각될 수 있다. 이후에, 포토레지스트 패턴(p)을 건식 또는 습식 식각을 통하여 제거하는 단계(S34)를 수행함으로써, 기설계된 회로 패턴에 맞게 서로 분리된 전극 패턴(200)을 형성할 수 있다.
한편, 비록 도시되지는 않았으나, 전극층(200')을 접합하는 단계(S20)와 전극 패턴(200)을 형성하는 단계(S30) 사이에, 기계적 가공으로 전극층(200')의 일부분을 전체 두께의 50% 내지 90% 범위만큼 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 전극 패턴(200)의 두께가 두껍게 형성될 경우, 에칭 공정으로만 전극 패턴을 형성하는 것은 에칭 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 에칭 공정 이전에 기계적 가공 방식인 프레스 가공, 절삭 가공 등으로 미리 정해진 패턴에 따라 전극층(200')의 일부분을 전체 두께의 50% 내지 90% 범위만큼 제거하면, 식각 단계에서 식각할 전극층(200')의 두께가 줄어들기 때문에 식각 공정에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 예를 들어, 전극층(200')의 두께가 10mm 정도로 매우 두껍더라도 7mm 두께의 패턴홈을 사전에 형성해 놓으면 패턴홈에 대응되는 전극층(200') 부분의 두께가 3mm로 줄어들어 에칭 시간이 줄어들게 된다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 파워모듈에 적용하여 반도체 칩의 다중 다량 접속과 방열 효과를 모두 확보할 수 있고 소형화에도 기여하므로 파워모듈의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 파워모듈 외에도 고전력에 사용되는 다양한 모듈 부품에 적용 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1,1',1": 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판
2: 냉매 순환부 2a: 유입구
2b: 배출구 3: 순환 구동부
L1: 제1 순환라인 L2: 제2 순환라인
100,100',100": 세라믹 히트싱크 110,110',110": 평면부
111,111',111": 평면부의 상면 112,112',112": 평면부의 하면
120,120',120": 방열부 200,200": 전극 패턴
210: 둘레면
300,300',300a",300b": 브레이징 필러층
400',400": 세라믹 기판 410',410": 세라믹 기재
420',420": 상부 금속층 430',430": 하부 금속층

Claims (19)

  1. 평면부와, 상기 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크; 및
    상기 세라믹 히트싱크의 상면에 접합되고, 반도체 칩이 접합되도록 구성된 전극 패턴을 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 0.6mm 이상 9.0mm 이하의 두께로 이루어진 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크의 상면과 상기 전극 패턴의 하면 사이에 배치되고, 상기 세라믹 히트싱크와 상기 전극 패턴을 접합시키는 브레이징 필러층을 더 포함하며,
    상기 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부는 외부의 냉매 순환부에 배치되고,
    상기 냉매 순환부를 통해 순환하는 액체형 냉매는 상기 복수의 돌출부와 열교환하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나의 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 둘레면이 경사지게 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 둘레면은 상기 세라믹 히트싱크에 가까울수록 돌출 길이가 증가하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 둘레면은 상기 세라믹 히트싱크 방향으로 오목하게 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 둘레면은 계단 형태이고, 상기 계단을 이루는 각각의 단은 돌출되는 길이가 다른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  11. 평면부와, 상기 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크; 및
    세라믹 기재, 상기 세라믹 기재 상면의 상부 금속층, 및 상기 세라믹 기재 하면의 하부 금속층을 구비하고, 상기 세라믹 히트싱크의 상면에 접합되는 세라믹 기판을 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크의 상면과 상기 하부 금속층의 하면 사이에 배치되고, 상기 세라믹 히트싱크와 상기 하부 금속층을 접합시키는 브레이징 필러층을 더 포함하며,
    상기 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 세라믹 기판의 상부 금속층의 상면에 접합되고, 반도체 칩이 접합되도록 구성된 전극 패턴을 더 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  15. 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계;
    상기 세라믹 히트싱크의 상면에 전극층을 접합하는 단계; 및
    상기 전극층을 식각하여 반도체 칩이 실장되도록 구성되는 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전극층을 접합하는 단계는,
    상기 세라믹 히트싱크의 상면과 상기 전극층의 하면 사이에 브레이징 필러층을 배치하는 단계; 및
    상기 브레이징 필러층을 용융시켜 상기 전극층 및 상기 세라믹 히트싱크를 접합하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층을 배치하는 단계는,
    도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성된 브레이징 필러층을 배치하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서,
    상기 세라믹 히트싱크는 인젝션 몰딩(injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 전극 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 전극층의 상면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 전극층을 식각하는 단계; 및
    상기 전극층을 식각함에 따라 노출된 상기 브레이징 필러층을 상기 세라믹 히트싱크의 상면이 노출될 때까지 식각하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
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