KR20240043915A - 파워모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

파워모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20240043915A KR1020220122958A KR20220122958A KR20240043915A KR 20240043915 A KR20240043915 A KR 20240043915A KR 1020220122958 A KR1020220122958 A KR 1020220122958A KR 20220122958 A KR20220122958 A KR 20220122958A KR 20240043915 A KR20240043915 A KR 20240043915A
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황재민
이승표
안재국
김태헌
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명은 파워모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈은 기판, 상기 기판을 커버하도록 배치되는 밀봉재, 상기 기판의 일면에 접합되는 히트싱크, 상기 히트싱크의 일면에서 상기 기판을 향하여 단차지게 돌출되는 접합 단차부, 및 상기 접합 단차부와 상기 기판의 사이에 배치되어 소결 접합되는 접합재를 포함할 수 있다.

Description

파워모듈 및 이의 제조방법{POWER MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 파워모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소결 접합을 통해 히트싱크가 접합되는 파워모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 내부에는 각종 전자장치에 전원을 공급하기 위한 파워모듈이 탑재된다. 파워모듈은 전기적 신호에 의하여 각 파워소자가 작동되고 각 파워소자에서 발열 현상이 발생된다. 이와 같이 발명이 발생하는 파워모듈의 방열을 위해 히트싱크가 구비되어 열을 방출하게 된다.
종래의 파워모듈은 써멀 그리스(Thermal Grease)를 통해 히트싱크로 열을 방출하는 방식이 적용되었고, 방열 성능을 확보하기 위해 양면 냉각 타입의 설계를 적용한 제품이 개발되고 있는 실정이다.
하지만, 양면 냉각 방식의 파워모듈을 솔더링을 2회 진행함에 따라 두께 불량 등 솔더링 품질 문제가 상승하고, 재료비가 높아 단면 냉각 방식의 파워모듈 개발이 진행되었다. 이때, 단면 냉각 방식의 파워모듈은 양면 냉각 방식 대비 냉각 효율이 떨어지기 때문에 써멀 그리스를 통한 방열로는 낮은 열전전도(2~4W/mK)로 인해 충분한 방열 성능을 확보할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 단면 냉각 방식의 파워모듈의 방열에 있어서 파워모듈과 히트싱크 간의 소결 접합을 통해 충분한 방열 성능을 확보할 수 있는 파워모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈은 기판; 상기 기판을 커버하도록 배치되는 밀봉재; 상기 기판의 일면에 접합되는 히트싱크; 상기 히트싱크의 일면에서 상기 기판을 향하여 단차지게 돌출되는 접합 단차부; 및 상기 접합 단차부와 상기 기판의 사이에 배치되어 소결 접합되는 접합재를 포함할 수 있다.
상기 접합 단차부의 접합 표면 면적은 상기 기판의 접합 표면 면적보다 상대적으로 작을 수 있다.
상기 접합 단차부의 가장자리 측면은 상기 기판의 접합 표면의 가장자리에 대하여 공차(d)가 형성될 수 있다.
상기 접합재는 페이스트(Paste) 또는 프리폼(Preform) 형태일 수 있다.
상기 접합재가 페이스트 형태인 경우, 상기 접합재가 상기 접합 단차부에 인쇄된 후 고정용제가 도포될 수 있다.
상기 접합재가 프리폼 형태인 경우, 상기 접합 단차부에 고정용제가 도포된 후 상기 접합재가 실장되고, 그 위에 상기 고정용제가 도포될 수 있다.
상기 밀봉재는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈 제조방법은 히트싱크의 일면에 단차지게 돌출되는 접합 단차부를 형성하는 단계; 상기 히트싱크를 로딩하는 단계; 상기 접합 단차부 상에 접합재를 배치하는 단계; 밀봉재가 커버하도록 배치되는 기판을 상기 접합재에 접촉하도록 로딩하는 단계; 및 상기 접합재를 소결 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소결 접합 단계에서, 상기 밀봉재는 프레스에 의해 가압될 수 있다.
상기 프레스는 상기 접합 단차부의 접촉 표면 면적보다 상대적으로 작은 접촉 표면 면적을 가질 수 있다.
상기 프레스와 상기 밀봉재의 사이에는 버퍼부가 배치될 수 있다.
상기 프레스의 가압은 소결 온도가 130℃ 에 도달하면 시작될 수 있다.
상기 접합재는 페이스트(Paste) 또는 프리폼(Preform) 형태일 수 있다.
상기 접합재가 페이스트 형태인 경우, 상기 접합재가 상가 접합 단차부에 인쇄된 후 고정용제가 도포될 수 있다.
상기 접합재가 프리폼 형태인 경우, 상기 접합 단차부에 고정용제가 도포된 후 상기 접합재가 실장되고, 그 위에 상기 고정용제가 도포될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단면 냉각 방식의 파워모듈의 방열에 있어서 파워모듈과 히트싱크 간의 소결 접합을 통해 충분한 방열 성능을 확보할 수 있다. 또한, 단면 냉각 방식에 파워모듈 사용이 가능하여 양면 냉각 방식의 파워모듈의 솔더링 불량율의 개선이 가능하고, 재료비의 절감이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 파워모듈을 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈을 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈의 히트싱크를 도시한 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 파워모듈 및 이의 제조방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈을 도시한 단면도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 파워모듈을 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈은 기판(10), 상기 기판(10)을 커버하도록 배치되는 밀봉재(12), 상기 기판(10)의 일면에 접합되는 히트싱크(20), 상기 히트싱크(20)의 일면에서 상기 기판(10)을 향하여 단차지게 돌출되는 접합 단차부(24), 및 상기 접합 단차부(24)와 상기 기판(10)의 사이에 배치되어 소결 접합되는 접합재(30)를 포함할 수 있다.
기판(10)은 소결 접합 시 발생하는 가압력을 견딜 수 있도록 AMB(Active Metal Brazing) 기판이 적용될 수 있다. 또한, 기판(10) 내의 세라믹은 질화규소(Si3N4) 또는 질화알루미늄(H-ALN)이 적용될 수 있다. 그리고, 기판(10)의 표면처리는 소결재와 같은 은(Ag) 도금을 적용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 무도금(Cu) 또는 금도금(ENEPIG)이 적용될 수 있다.
기판(10)의 일면을 커버하도록 밀봉재(12)가 배치될 수 있다. 밀봉재(12)로는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)가 적용될 수 있다. 밀봉재(12)는 기판(10)의 상면을 커버하도록 배치되며, 기판(10)의 하면은 밀봉재(12)의 표면과 동일한 평면을 형성하도록 배치될 수 있다.
기판(10)의 일면, 즉 기판(10)의 하면에는 히트싱크(20)가 접합될 수 있다. 히트싱크(20)는 기판(10)에서 발생하는 열을 방출하기 위해 접합되는 것으로서, 기판(10)과 접합되는 일면의 타면 측에는 복수개의 방열핀(22)이 직립하게 구비된다.
본 실시예에서 히트싱크(20)는 종래와 같이 직접 기판(10)의 일면에 직접 접합되지 않고 일면에 단차지게 돌출되는 접합 단차부(24)를 통해 접합될 수 있다. 접합 단차부(24)는 기판(10)을 향하여 단차지게 돌출되는 부분으로서, 히트싱크(20)와 같이 얇은 직육면체 형상으로 돌출될 수 있다.
이와 같이 접합 단차부(24)를 형성한 이유는 다음과 같다. 이하에서 설명할 접합재(30)의 소결 접합 시 기판(10)이 히트싱크(20)와 직접 접촉하게 되면 기판(10)과 밀봉재(12)의 경계면에서 박리가 발생하여 방열 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 접합 단차부(24)를 매개로 하여 기판(10)과 히트싱크(20)가 접합되도록 구성한 것이다. 접합 단차부(24)가 기판(10)과 히트싱크(20) 사이에서 접합되면 기판(10)과 밀봉재(12)의 경계면이 히트싱크(20)와 직접 접촉하지 않기 때문에 박리 현상을 원천적으로 차단할 수 있다.
여기에서 접합 단차부(24)의 높이(H)는 0.5 내지 2.0mm 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 그리고, 접합 단차부(24)의 접합 표면 면적은 기판(10)의 접합 표면 면적보다 상대적으로 작아야 한다. 즉, 접합 단차부(24)의 접합 표면 면적이 기판(10)보다 크게 되면 기판(10)과 밀봉재(12)의 경계면이 접합 단차부(24)와 직접 접촉하기 때문에 박리 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 접합 단차부(24)의 접합 표면 면적을 상술한 바와 같이 설계한 것이다. 이와 같이 설계를 하기 위해 접합 단차부(24)의 가장자리 측면은 기판(10)의 접합 표면의 가장자리에 대하여 내측으로 공차(d)를 형성하도록 제조되어야 한다. 여기에서 공차(d)는 약 1mm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 공차(d)는 파워모듈의 방열 성능 저하 시 부품의 공차 확인 후 더 작게 설정될 수도 있다.
접합재(30)는 소결 접합을 위해 준비되는 부분이다. 접합재(30)는 접합 단차부(24)에 미리 도포된 후 가압되는 기판(10)과의 사이에서 소결 접합될 수 있다. 소결(Sintering) 접합이란 용융 온도보다 낮은 온도에서 입자간 확산 결합을 통해 상대물을 접합하는 공법으로서, 가열, 가압에 의해 입자간 조대화 및 치밀화를 이루면서 결합이 이루어진다. 소결 접합은 금속 확산(Diffusion bonding)에 의한 접합으로 별도의 IMC 층을 형성하기 않아 솔더링과 대비하여 신뢰성에 유리한 장점이 있다.
한편, 접합재(30)로는 은(Ag) 등이 사용될 수 있으며, 원가 절감을 위해 구리(Cu) 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서 접합재(30)는 페이스트(Paste) 또는 프리폼(Preform) 형태가 적용될 수 있다. 접합재(30)의 두께는 기판(10)의 최대 휨(Warpage)과 방열 성능을 만족시키는 최대 두께 사이로 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 파워모듈을 제조하는 과정을 살펴보기로 한다. 먼저 도 2를 참조하면, 히트싱크(20)의 일면에 단차지게 돌출되는 접합 단차부(24)가 형성되고, 접합을 위해 히트싱크(20)가 로딩된다.
도 3을 참조하면, 접합 단차부(24) 상에 접합재(30)가 배치된다. 접합재(30)는 페이스트 또는 프리폼 형태가 적용될 수 있는데, 도 3에 도시된 접합재(30)는 페이스트 형태로서 접합재(30)에 인쇄될 수 있다. 접합재(30)가 페이스트 형태일 경우에는 접합 단차부(24)에 인쇄된 후 고정용제(32)가 도포될 수 있다. 고정용제(32)는 기판(10)의 위치 고정을 위해 도포된다. 접합재(30)가 프리폼 형태인 경우에는 접합 단차부(24)에 고정용제(32)가 도포된 후 접합재(30)가 실장되고, 그 위에 고정용제(32)가 도포될 수 있다. 프리폼 형태의 경우 접합 단차부(24)에 대해서도 위치 고정이 필요하기 때문에 상면 및 하면 측에 모두 고정용제(32)가 도포될 수 있다.
도 4를 참조하면, 기판(10)이 로딩된 후, 밀봉재(12)는 프레스(40)에 의해 상방 및 하방에서 각각 가압될 수 있다. 이와 같이 프레스(40)가 밀봉재(12)를 가압하게 되면 기판(10)의 밀봉재(12)가 접합재(30)에 의해 접합 단차부(24)와 접촉하게 된다.
이때, 프레스(40)는 접합 단차부(24)의 가장자리를 가압하지 않도록 접합 단차부(24)의 접촉 표면 면적보다 상대적으로 작은 접촉 표면 면적을 가질 수 있다. 즉, 프레스(40)의 가장자리는 접합 단차부(24)의 가장자리보다 폭(W)만큼 작게 형성될 수 있다.
또한, 프레스(40)의 가압 시 프레스(40)와 밀봉재(12)의 직접 접촉을 방지하고 기판(10)의 휨을 방지하기 위해 버퍼부(42)가 그 사이에 배치될 수 있다. 버퍼부(42)는 프레스(40)와 밀봉재(12)의 직접 접촉 시 소결 압력에 의해 밀봉재(12)에 크랙 또는 박리가 발생하는 것을 방지하고 기판(10)의 휨으로 인한 압력 편차를 보상하는 역할을 한다. 버퍼부(42)는 버퍼 필름(PTFE 재질 등) 또는 그라파이트 시트 등이 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 소결 접합 시 프레스(40)의 가압은 소결 온도가 130℃ 에 도달하면 시작될 수 있다. 소결 온도가 140℃ 이상이 되면 자체 소결이 시작되어 소결 접합 강도가 저하되기 때문이다. 또한, 소결 접합 시 제품의 품질 확보를 위해 내부에 질소 분위기를 형성하여 소결 산화를 방지할 수 있고, 가열 시 고정용제(32) 기화에 따른 파워모듈의 틀어짐이 없는 조건 적용이 필요하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈을 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈을 도시한 평면도이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워모듈의 히트싱크를 도시한 사시도이다.
이를 참조하면, 히트싱크(20)에 도면에 도시된 바와 같이 3개의 기판(10)이 각각 접합될 수 있다. 물론, 기판(10)의 개수는 3개에 제한되는 것은 아니고 2개 이상의 복수개가 접합될 수 있다. 이를 위해 히트싱크(20)에는 길이방향을 따라 복수개의 접합 단차부(24)가 각각 형성될 수 있다.
이와 같이 하나의 히트싱크(20)에 복수개의 접합 단차부(24)만 길이방향을 따라 형성하면 복수개의 기판(10)을 각각 접합하여 사용할 수 있다. 도 8은 히트싱크(20)의 접합 단차부(24) 하나에 접합재(30)가 인쇄된 것을 예시적으로 도시한 것이다.
이상에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 파워모듈을 참조하면, 기판(10)과 히트싱크(20) 간 소결(200W/mK) 접합을 통해 기존의 써멀 그리스(3W/mK) 대비 우수한 열전도율을 가진 접합면의 확보가 가능하고, 이에 따라 단면 냉각 방식의 파워모듈에도 적용이 가능하다. 결국, 양면 냉각 방식 파워모듈의 솔더링 불량율을 개선할 수 있고, 양면 냉각 방식 파워모듈 대비 재료비의 절감이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 기판 12: 밀봉재
20: 히트싱크 22: 방열핀
24: 접합 단차부 30: 접합재
32: 고정용제 40: 프레스
42: 버퍼부

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판을 커버하도록 배치되는 밀봉재;
    상기 기판의 일면에 접합되는 히트싱크;
    상기 히트싱크의 일면에서 상기 기판을 향하여 단차지게 돌출되는 접합 단차부; 및
    상기 접합 단차부와 상기 기판의 사이에 배치되어 소결 접합되는 접합재를 포함하는 파워모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접합 단차부의 접합 표면 면적은 상기 기판의 접합 표면 면적보다 상대적으로 작은 파워모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접합 단차부의 가장자리 측면은 상기 기판의 접합 표면의 가장자리에 대하여 공차(d)가 형성되는 파워모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접합재는 페이스트(Paste) 또는 프리폼(Preform) 형태인 파워모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접합재가 페이스트 형태인 경우, 상기 접합재가 상기 접합 단차부에 인쇄된 후 고정용제가 도포되는 파워모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 접합재가 프리폼 형태인 경우, 상기 접합 단차부에 고정용제가 도포된 후 상기 접합재가 실장되고, 그 위에 상기 고정용제가 도포되는 파워모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉재는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)인 파워모듈.
  8. 히트싱크의 일면에 단차지게 돌출되는 접합 단차부를 형성하는 단계;
    상기 히트싱크를 로딩하는 단계;
    상기 접합 단차부 상에 접합재를 배치하는 단계;
    밀봉재가 커버하도록 배치되는 기판을 상기 접합재에 접촉하도록 로딩하는 단계; 및
    상기 접합재를 소결 접합시키는 단계를 포함하는 파워모듈 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소결 접합 단계에서,
    상기 밀봉재는 프레스에 의해 가압되는 파워모듈 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프레스는 상기 접합 단차부의 접촉 표면 면적보다 상대적으로 작은 접촉 표면 면적을 가지는 파워모듈 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 프레스와 상기 밀봉재의 사이에는 버퍼부가 배치되는 파워모듈 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 프레스의 가압은 소결 온도가 130℃ 에 도달하면 시작되는 파워모듈 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 접합재는 페이스트(Paste) 또는 프리폼(Preform) 형태인 파워모듈 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 접합재가 페이스트 형태인 경우, 상기 접합재가 상가 접합 단차부에 인쇄된 후 고정용제가 도포되는 파워모듈 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 접합재가 프리폼 형태인 경우, 상기 접합 단차부에 고정용제가 도포된 후 상기 접합재가 실장되고, 그 위에 상기 고정용제가 도포되는 파워모듈 제조방법.
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