KR20240052989A - 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체 및 이를 제작하기 위한 방법 - Google Patents

무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체 및 이를 제작하기 위한 방법 Download PDF

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KR20240052989A
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비제이 볼로주
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인디아브이피 세미컨덕터 피브이티 엘티디
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Abstract

무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체 및 이를 제작하기 위한 방법. 본 개시서의 실시 예들에는 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 제작하기 위한 방법이 개시된다. 그 방법은 PCB(1302)를 제공함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 PCB(1302)에 제어 회로 구성요소를 조립함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 제어 회로 구성요소 상에 전력 디바이스를 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 SMT, 와이어 본딩 및/또는 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스 상에서 디바이스 상호연결들을 수행함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 PCB(1302)의 하단 부분 상에 버스바를 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 PCB(1302)의 상기 하단 부분 상에 부착된 상기 버스바 아래에 절연층(1312)을 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 절연층(1312) 아래에 방열층(1314)을 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 방열층(1314) 상에 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 또는 포팅 화합물 중 하나를 부착함을 포함한다.

Description

무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체 및 이를 제작하기 위한 방법
본 개시서에 개시된 실시 예들은 전력 모듈 조립체에 관한 것이며, 더 구체적으로는 가요성 있는 무기판 고전류 전력 모듈 조립체 및 그 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 조립/제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
유망 산업(emerging industrial), 자동차 및 소비자 전자 장치 용례들은 합리적인 비용으로 그 시스템들을 위한 고전력 밀도 및 고효율을 요구한다. 다양한 제품 수요를 충족하기 위해서는 설계 및 조립의 유연성이 열쇠이다. 신뢰할 수 있는 전자 장치 설계에 대한 핵심 기준(central criteria)은 열 관리이다. 전자 장치의 신뢰성을 개선하기 위해서는 구성요소들의 피크 온도이 가능한 가장 낮은 한계점으로 유지될 필요가 있다.
고전력, 고전류 전자 모듈을 설계하기 위한 보통의 실무는 전력 디바이스들을 부착하기 위해 세라믹 기판들과 같은 고열전도성 재료들을 이용하는 것이다. 이는 전자 장치들에 의한 방열을 위한, 주변으로의 개선된 열 경로를 보장한다. 이 목적을 위해 이용되는 흔한 재료는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 알루미늄 실리콘 카바이드(aluminum silicon carbide; AlSiC) 세라믹 기판들 또는 알루미늄 금속 코어 인쇄 회로 기판(PCBs)이다. 세라믹 기판들은 FR4(Flame Retardant 4) PCB들에 비해 높은 열전도성을 가지는 반면, 값비싸고 회로 패턴들을 인쇄하기 위하여 복잡한 소결 공정들(sintering processes)을 필요로 한다. 상기 세라믹 기판들 상에 경제적으로 인쇄될 수 있는 구리 도선들(copper traces)의 두께는 약 100μm로 제한된다. 이 두께는 그 시스템들에 의하여 요구되는 고전류를 신뢰할 수 있게 운반하기에 충분하지 않을 수 있다. 사용자는 필요를 충족시키기 위하여 원하는 두께의 구리 리드 프레임을 부착할 수 있다. 그러나 이 공정은 구성요소 개수(count), 복잡성 및 상기 시스템의 비용을 증가시킨다.
금속-산화물-반도체 필드 효과 트랜지스터(MOSFET)들, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)들, 다이오드들 등과 같은 전력 디바이스들를 상기 FR4 PCB 상에 장착하는 것은 가장 쉽고 경제적인 방법이다. 그러나 그 FR4 재료는 믿을 수 없을 정도로 낮은 열전도도(0.24 W/m-˚K)를 가지므로 상기 전력 디바이스의 성능의 활용을 심각하게 제한한다. 상기 FR4의 낮은 용융 온도(melting temperature)도 추가적인 제한사항을 부과한다. 상기 시스템 내의 전류가 증가함에 따라 요구되는 상기 구리 도선들의 두께도 제약사항이 될 것이다. 알루미늄 코어 PCB는 상기 FR4 PCB에 비해 더 나은 열전도도를 가지지만, 상기 구리 도선들의 두께에도 제한이 있다. 더 두꺼운 구리 도선들을 인쇄하는 것은 제조의 비용을 증가시킨다. 대안으로서, 전류 운반 성능을 증가시키기 위하여 더 두꺼운 구리 리드 프레임들이 부착될 수 있다. 그러나 이 방법은 동일한 단점들(예컨대 구성요소 개수, 복잡성, 및 시스템의 비용 등등)을 가진다.
대안으로서, 상기 시스템의 사용자는 그 성능을 개선하기 위해 히트싱크 상에 직접 장착된 이산 반도체들(discrete semiconductors)을 이용할 수 있다. 그러나 전압 및 전류가 증가함에 따라 그 조립체의 복잡성, 변동성(variances) 및 증가한 기생성(parasitic)은 생산성 및 신뢰성을 저하시킬 것이다. 전력 정격이 증가함에 따라 여러 전력 디바이스들이 병렬로 연결되어야 할 필요가 있을 수 있다. 이는 상기 시스템을 복잡하게 만들고 그 신뢰성을 저하시킨다. 그러한 용례들을 위하여 통합 전력 모듈(PM)들 및 지능형 전력 모듈들(IPM)을 이용하는 것이 권장된다. 그것들은 시스템 통합을 더 쉽게 만들고, 변동성을 감소시키며, 상기 시스템의 신뢰성을 개선한다.
도 1 및 도 2는 상기 FR4 PCB 상에 장착된 표면실장 기술(SMT) 디바이스들이 도시된 예시 도면들(100 및 200)이다. 상기 FR4 PCB는 매우 낮은 열전도도를 가진다. 이는 상기 전력 디바이스의 성능을 저하시키므로 설계가는 원하는 성능 사양을 달성하기 위해 많은 디바이스들을 병렬로 이용할 필요가 있다. 상기 구리 도선의 두께는 약 200 미크론으로 제한된다. 이는 상기 시스템에 의하여 요구되는 높은 전류를 전도하는 데 있어서 도전 과제로 제기된다. 다수의 층(2개 초과의 층들)을 이용하는 것은 상기 FR4 PCB들을 제조하는 비용 및 복잡성을 증가시킨다.
도 3은 금속 코어 PCB 상에 장착된 표면실장 기술(SMT) 디바이스들이 도시된 예시 도면(300)이다. 그 금속 코어 PCB들은 일반적으로 단일층이어서 전력 및 제어 회로 둘 모두를 동일한 기판 상에 구현하기가 어렵다. 그 구리 도선들의 두께는 약 200 미크론으로 제한된다. 더 높은 전류 시스템들에 대해, 추가적인 구리 리드 프레임이 부착되어야 하며 이는 그 시스템의 복잡성 및 낮은 신뢰성으로 귀결된다.
도 4에는 상기 금속 코어 PCB의 단면도(400)가 도시된다. 도 4에 나타난 바와 같이, Al 코어의 일 부분 상에 절연층이 제공되고, 그 절연층의 일 부분 상에 구리층이 제공된다.
도 5에는 세라믹 기판을 가진 모듈의 단면도(500)가 도시된다. 도 6에는 상기 세라믹 기판의 단면도(600)가 도시된다. 상기 세라믹 기판들은 정밀하게 엔지니어링(engineered)된 구성요소들이며, 비용이 많이 든다. 상기 세라믹 기판들은 1200V를 초과하는 전압을 가진 시스템들에서 유용하다. 상기 세라믹 기판들은 일반적으로 단면(singles sided)으로 되어서 전력 디바이스들 및 제어 회로 둘 모두를 동일 기판 상에 배치하기 어렵다. 상기 구리 도선들의 두께는 약 200 미크론으로 제한된다. 더 높은 전류 시스템들에 대해, 추가적인 구리 리드 프레임이 부착되어야 하며 이는 그 시스템의 복잡성 및 낮은 신뢰성으로 귀결된다. 도 6에 나타난 바와 같이, 세라믹 절연층의 일 부분 상에 상단 구리층(top copper layer)이 제공된다. 상기 세라믹 절연층은 하단 구리층(bottom copper layer) 상에 제공된다. 상기 세라믹 절연층은 상기 단부 구리층 및 상기 하단 구리층 사이에 위치하게 된다.
도 7a 내지 도 7c는 삽입 몰딩된 리드 프레임 설계 개념(insert moulded lead frame design concepts)이 도시된 예시 도면들(700a 내지 700c)이다. 이 접근법은 세라믹 기판들을 이용하지 않는다. 이 방법은 플라스틱 기저부(plastic base) 내 리드 프레임들의 직접 몰딩을 채용한다. 이는 더 두꺼운 리드 프레임들을 이용할 가능성을 가진 저비용 선택지이다. 이 방법의 단점은 히트싱크에 대해 상기 리드 프레임들을 평면으로 유지하기 어려운 점, 수분이 상기 리드 프레임과 플라스틱 몰딩 사이의 간격을 통하여 유출된다는 점, 제어 회로 구성요소들을 전력 디바이스들에 함께 내장하기 위해 요구되는 매우 미세한 도선(very fine traces)을 내장(embed)시키는 것이 어렵다는 점이다.
따라서, 상기 언급된 단점들 또는 기타 단점들을 해결하거나 적어도 유용한 대안을 제공하는 것이 요망된다.
본 개시서의 실시 예들의 주된 목적은 가요성 있는 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 조립/제작하기 위한 방법을 개시하는 것이다. 본 개시서의 실시 예들의 또 다른 목적은 고전력 전자 시스템에서 이산 전력 디바이스들 및/또는 베어 다이(bare die)를 이용하여 조립된 전력 전자 장치 시스템들의 효율성, 신뢰성, 생산성을 개선하는 것이다.
본 개시서의 실시 예들의 또 다른 목적은 값비싼 세라믹 기판들을 이용하지 않고 맞춤형 고전류 전력 모듈들(PM) 및 지능형 전력 모듈들(IPM)을 생산하는 것이다.
본 개시서의 실시 예들의 또 다른 목적은 복잡한 공정들, 비용이 많이 드는, 긴 리드 타임 재료들(long lead time materials)을 제거하고 고밀도 통합을 가능하게 하는 동시에 상기 가요성 있는 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체의 열 성능을 개선하는 것이다.
본 개시서의 실시 예들의 또 다른 목적은 제어 회로 및 전력 회로를 이음매 없이 결합하고 전자 시스템의 높은 통합도(degree of integration)를 가능하게 하는 동시에, 상기 가요성 있는 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체의 전력 밀도, 열 성능 및 신뢰성을 개선하는 것이다.
본 개시서의 실시 예들의 또 다른 목적은 전통적인 표면실장 기술(SMT) 장착 기법, 알루미늄 와이어 본딩, 구리 스트립 본딩 솔더링 가능한 상호연결 방법들(solderable interconnection methods) 또는 임의의 상호연결 방법들로 회로를 만들 수 있게 하는 것이다. 제안된 방법은 이러한 특징들로써 광범위한 제품들 및 용례들을 가능하게 한다. 또한, 전력 디바이스 성능의 활용을 최대화하고 전력 전달의 비용을 저감한다. 그 방법은 유연한 설계 및 빠른 시장 출시 시간을 가능하게 하며, 그 해결방법들의 최적화된 비용을 달성할 수 있게 한다.
본 개시서의 실시예들의 이러한 양상들 및 기타 양상들은 다음의 설명 및 첨부된 도면들과 함께 고려될 때 더 잘 확인 및 이해될 것이다. 하지만, 적어도 하나의 실시 예 및 그것의 많은 구체적인 세부사항들을 나타내는 것이라도 다음의 설명들은 한정함 없이 예시로서 제공되는 것이라는 점이 이해되어야 한다. 많은 변경 및 변형이 본 개시서의 실시 예들의 범위 내에서 그 본질(spirit)로부터 일탈됨 없이 이루어질 수 있으며, 본 개시서의 실시 예들은 모든 그러한 변형물들을 포함한다.
본 개시서의 실시 예들은 첨부된 도면들로 도시되며, 이 도면들에 걸쳐 동일한 참조 문자는 다양한 도면들에서 해당하는 부분들을 가리킨다. 본 개시서의 실시 예들은 도면들에 대하여 참조하는 다음 설명으로부터 더 잘 이해될 것인바, 그 중에서:
도 1 및 도 2는 선행기술에 따라 FR4 PCB 상에 장착된 SMT 디바이스들이 도시된 예시 도면들이다.
도 3은 선행기술에 따라 금속 코어 PCB 상에 장착된 SMT 디바이스들이 도시된 예시 도면이다.
도 4에는 선행기술에 따른 금속 코어 PCB의 단면도가 도시된다.
도 5에는 선행기술에 따른 세라믹 기판을 가진 모듈의 단면도가 도시된다.
도 6에는 선행기술에 따른 상기 세라믹 기판의 단면도가 도시된다.
도 7a 내지 도 7c는 선행기술에 따른 삽입 몰딩된 리드 프레임 설계 개념이 도시된 예시 도면들이다.
도 8은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 SMT 전력 디바이스들을 가진 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 9는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 상기 전력 디바이스들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 또 다른 개념적 회로도이다.
도 10은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 칩 및 와이어 본딩을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 11은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 SFM(Solderable Front Metal) 다이를 이용한 구리 스트랩 상호연결들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 12는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 전력 디바이스들 아래에 PCB 절개창들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 13에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도가 도시된다.
도 14는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 통합된 양각 히트싱크를 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 15에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 기판들을 가진 상기 하이브리드 전력 모듈의 단면도가 도시된다.
도 16은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 SMT 전력 디바이스들을 가진 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 17은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 칩 및 상기 와이어 본딩을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 또 다른 예시 도면이다.
도 18은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 SFM 다이를 이용한 구리 스트랩 상호연결들을 가지는 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 또 다른 예시 도면이다.
도 19는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 전력 디바이스들 아래의 PCB 절개창들을 가지는 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 20에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 상기 칩 및 와이어 본딩을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도가 도시된다.
도 21은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 22는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 SMT 전력 디바이스들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 23은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 상기 칩 및 와이어 본딩을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 24는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 SFM 다이를 이용한 상기 구리 스트랩 상호연결들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 또 다른 예시 도면이다.
도 25는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 절개부들(cutouts)을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 PCB가 도시된 예시 도면이다.
도 26에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 양각된 구리 버스 바들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도가 도시된다.
도 27에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도가 도시된다.
도 28은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 몰딩된 플라스틱 케이스를 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면이다.
도 29는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 3상 인버터 전력 회로의 개념적 회로도이다.
도 30은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, SMT 디바이스들을 가진 3상 인버터 전력 모듈 개념 별도 부착 전력 단자들이 도시된 예시 도면이다.
도 31은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, SMT 디바이스들을 가진 3상 인버터 전력 모듈 통합 전력 단자들이 도시된 예시 도면이다.
도 32는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 칩 및 와이어를 가진 3상 인버터 전력 모듈 별도 부착 전력 단자들이 도시된 예시 도면이다.
도 33은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이 또는 칩 및 와이어 본딩을 가진 3상 인버터 전력 모듈 통합 전력 단자들이 도시된 예시 도면이다.
도 34는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 풀 브리지 토폴로지(full bridge topology)가 도시된 예시 도면이다.
도 35는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 상기 풀 브리지 토폴로지의 회로도이다.
도 36은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 하프 브리지 토폴로지(half bridge topology)가 도시된 예시 도면이다.
도 37는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 하프 브리지 토폴로지의 회로도이다.
도 38은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 양방향 스위치가 도시된 예시 도면이다.
도 39는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 양방향 스위치의 회로도이다.
도 40은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 리드 프레임 조립체의 전면도이다.
도 41은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 세부(details)가 있는 리드 프레임 조립체의 측면도이다.
도 42는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, FR4 PCB 상의 상기 리드 프레임 조립체가 도시된 예시 도면이다.
도 43은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 양방향 스위치 조립체 스택 세부의 단면도이다.
도 44 내지 도 48는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 조립하기 위한 방법을 도시하는 흐름도들이다.
본 개시서의 실시 예들 및 그것들의 다양한 특징들 및 유리한 세부사항들은 상기 첨부된 도면들에서 도시되고 아래 설명에서 상세화되는 비한정적인 실시 예들과 관련하여 더 완전하게 설명된다. 잘 알려진 구성요소들과 공정 기법들에 대한 설명은 본 개시서의 실시 예들을 불필요하게 모호하게 만들지 않도록 생략된다. 본 개시서에서 이용된 예시들은 본 개시서의 실시 예들이 실시될 수 있는 방식, 더욱이 통상의 기술자들로 하여금 본 개시서의 실시 예들을 실시할 수 있게 하는 방식의 이해를 촉진하는 것으로만 의도되었다. 따라서 상기 예시들은 본 개시서의 실시 예들의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 개시서의 실시 예들은 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 조립/제작하기 위한 방법을 달성한다. 상기 방법은 PCB를 제공함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 PCB 상에 적어도 하나의 제어 회로 구성요소를 조립함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 제어 회로 구성요소 상에 적어도 하나의 SMT 전력 디바이스를 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 와이어 본딩 및 구리 스트랩 중 적어도 하나를 이용하여 적어도 하나의 다이들 상에 적어도 하나의 장치 상호연결들을 수행함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 PCB의 하단 부분 상에 적어도 하나의 버스바를 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 PCB의 상기 하단 부분에 부착된 상기 적어도 하나의 버스바 아래에 적어도 하나의 절연층을 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 절연층 아래에 방열층을 부착함을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 방열층 상에 플라스틱 몰딩 케이스 또는 포팅 화합물(potting compound) 중 하나를 부착함을 포함한다.
상기 방법은 고전력 전자 시스템에서 이산 전력 디바이스들 및/또는 베어 다이들(bare dice)을 이용하여 조립된 전력 전자 장치 시스템들의 유효성, 신뢰성, 생산성을 개선하는 데 이용될 수 있다. 상기 방법은 값비싼 세라믹, 금속 코어, IMS 또는 그와 같은 기판들의 이용 없이 맞춤형 고전류 전력 모듈(PM) 및 지능형 전력 모듈(IPM)을 만드는 데 이용될 수 있다. 상기 방법은 복잡한 공정들, 비용이 많이 드는, 긴 리드 타임 재료들(long lead time materials)을 제거하고 고밀도 통합을 가능하게 하는 동시에 그 시스템의 열 성능을 개선하는 데 이용될 수 있다.
상기 방법은 제어 회로 및 전력 회로를 이음매 없이 결합하고 그 전자 시스템의 높은 통합도를 가능하게 하는 동시에 상기 시스템의 전력 밀도, 열 성능 및 신뢰성을 개선하는 데 이용될 수 있다. 상기 방법은 전통적인 SMT 장착 기법들, 알루미늄 와이어 본드, 구리 스트립 본딩 솔더링 가능한 상호연결 방법들 또는 임의의 상호연결 방법들로 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 만들 수 있게 하는 데 이용될 수 있다. 제안된 방법은 이러한 특징들로써 광범위한 제품들 및 용례들을 가능하게 한다. 또한, 전력 디바이스 성능의 활용을 최대화하고 전력 전달의 비용을 저감한다. 그 방법은 유연한 설계 및 빠른 시장 출시 시간을 가능하게 하며, 그 해결방법들의 최적화된 비용을 달성할 수 있게 한다.
상기 방법은 전기 자동차, 견인 인버터(traction inverter), 충전기, DC-DC 컨버터, 산업용 드라이브(industrial drives), 태양광 인버터, UPS/인버터 및 임의의 고전력 변환 용례들을 위한 시스템을 제조하는 데 이용될 수 있다.
제안된 방법에서, 상기 방법은 FR4 PCB 또는 적합한 등급의 PCB들 및 알루미늄, 구리, 또는 세라믹 기판 플레이트들 또는 그와 같은 임의의 적합한 재료들과 같은 고열전도성 재료들을 이용하여 고전력 전자 장치 모듈들을 조립하는 데 이용될 수 있다. 상기 PCB의 낮은 열 성능은 전력 디바이스(예컨대, SMT 또는 베어 다이들)를 수용하는 버스바 아래 상기 PCB에 창들을 절개하고 상기 버스바들 아래 상기 창들 내에 고열전도성 재료들을 위치시킴으로써 극복된다. 이러한 고열전도성 재료들은 상기 전력 디바이스로부터 히트싱크로, 이에 따라 주변으로의 효율적인 열 경로를 제공한다. 이에 의하여, 그 전체 구조는 주변으로의 열 경로를 개선하고 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체에 이용되는 (MOSFET, IGBT, SiC 장치, GaN 장치, 다이오드 등과 같은) 전력 디바이스들의 성능을 최대화한다. 상기 전력 디바이스와 상기 방열층 사이에 필요한 전기적 절연을 부여하기 위해, 전력 디바이스를 수용하는 전도체와 PCB 창들 내에 위치한 고열전도성 재료들 사이에 적절한 절연층(열 계면 재료; thermal interface material; TIM)이 삽입된다.
상기 방법은 고전력, 고전류 전자 모듈들을 구축하기 위한 값비싼 세라믹 기판들에 대한 필요성을 제거하는 데 이용될 수 있다. 상기 전력 디바이스들을 장착하기 위한 전도체들을 수용하는 데 이용되는 FR4 PCB는 마이크로컨트롤러, 전원 공급 장치, 게이트 드라이버(gate drivers) 등과 같은 제어 회로 블록들을 통합하는 데도 이용될 수 있다. 따라서, 상기 방법은 제품들을 맞춤화하는 것을 더 쉽게 만들고, 생산 공구(production tooling) 및 생산 시스템들(production systems)의 활용을 최대화한다. 또한, 전력 디바이스들과 제어 회로들 사이에 다수의 상호연결 시스템들에 대한 필요성을 제거한다.
제안된 방법에서, 충분한 단면적을 가진 구리 또는 그와 같은 임의의 높은 전도성을 가진 버스바들/패드들은 상기 전력 디바이스들(예컨대, SMT 또는 베어 다이들)을 장착하는 데에, 그리고 전기 저항을 줄여 전력 손실을 감소시키기 위하여 회로 경로를 설정(routing)하는 데에 이용된다. 상기 전력 디바이스들(예컨대, SMT 및/또는 베어 다이들)을 장착하기 위해 이용되는 이러한 두꺼운 금속 버스바들/패드들은 상기 모듈의 열 성능 및 상기 시스템의 신뢰성도 개선한다. 높은 열 용량(thermal capacitance)을 부여함으로써, 상기 버스바들/패드들은 일시적 운영 조건(transient operating conditions) 동안 상기 전력 디바이스들의 피크 접합 온도(peak junction temperatures)를 감소시키는 데 도움을 준다. 그 감소된 피크 접합 온도는 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체의 신뢰성 및 수명을 개선하는 것으로 알려져 있다. 그 두꺼운 버스바들/패드들은 상호연결 단자들을 형성하는 데에도 이용될 수 있다. 이 단자들은 히트 파이프들(heat pipes)로도 작용하여 열을 소산시키는 데 도움을 줌으로써 디바이스 온도를 더 감소시킨다.
상기 PCB와 상기 고열전도성 플레이트들의 이 조합은 PCB 절개부들 안으로 삽입되어 그 플라스틱 케이싱 내에 수용됨으로써 기계적 안정성을 부여하고, 습기 및 전도성 먼지(conductive dust)로부터 보호한다. 입력 출력 단자들, 제어 커넥터들, 센서 요소들 등과 같은 삽입 몰딩된 상호연결 요소들은 모듈 시스템 조립체로 통합된다. 주조된 알루미늄 또는 유사한 방열 요소는 상기 플라스틱 케이싱/전력 모듈 조립체에 부착되어 그 전자 시스템의 열 성능을 개선한다.
본 개시서에서 설명된 공정들 및 개념들에 의해, 전체 조립된 모듈은 그 용례의 습도 및 온도 사이클링(순환) 요구사항을 충족한다. 상기 방법은 값비싼, 복잡한 세라믹 및 유사한 기판 재료들의 이용 없이 전력 모듈들(PM) 및 통합 전력 모듈들(IPM)을 구축하는 것을 제안한다.
게다가, 제안된 방법은 주요 설계 변경 없이 맞춤형 특징들을 구성하기 위한 더 높은 통합도 및 유연성을 가능하게 한다. 이는 도구들 및 생산 공정들에 대한 주요한 변경 없이 모듈 특징들의 재구성을 가능하게 함으로써 생산성이 개선되고 낭비가 줄어든다.
상기 방법은 복잡한 전력 전자 시스템들의 수입 의존도를 줄이고 시장 출시 시간을 단축하는 것도 목적으로 한다. 가요성 전력 조립체들을 조립하는 본 방법은 최종 사용자로 하여금 비용/성능 요구사항들을 충족시키는 게이트 드라이버들(gate drivers) 및 연관 구성요소를 선택할 수 있게 한다. 상기 최종 사용자는 다양한 공급망 선택지들을 가지고서 그가 선택한 공급자들로부터 상기 게이트 드라이버들을 선택할 수 있다. 상기 최종 사용자는 그의 제품들에서 시험 및 시도해본 레거시 게이트 드라이버 블록들(legacy gate driver blocks)을 이용할 수도 있다. 모듈 조립체들은 마이크로컨트롤러들, 센서들 및 기타 제어 구성요소들를 수용할 수 있으므로 발자국(footprint)이 줄어들고, 원래 장비 제조업체(original equipment manufacturer; OEM)들에 짧은 조립 주기, 높은 처리량을 제공하며, 설계 도용(design piracy)으로부터도 보호한다.
제안된 모듈 구조는 디바이스 접합부로부터 주변으로의 낮은 열 저항 경로를 제공한다. 이는 디바이스 성능의 활용을 개선함으로써 그 시스템에 요구되는 전류를 전달하기 위해 병렬로 연결된 전력 디바이스들의 개수를 줄인다. 상기 방법은 고전류 시스템에서 전력 디바이스들을 이용함에 있어서 복잡성 및 오류를 줄이는 데 이용될 수 있다. 결과적으로, 상기 모듈 조립체들은 이산 전력 디바이스들로 구축된 시스템들의 비일관성을 제거함으로써 그 시스템들의 신뢰성을 개선한다. 상기 방법은 상기 최종 사용자로 하여금 맞춤형 구성(custom configurations)을 생성하고 시스템 설계 및 비용을 최적화할 수 있게 하는 데 이용될 수 있다. 상기 모듈 조립체들은 다양한 회로 및 시스템 토폴로지들에 적합화될 수 있다. 상기 방법은 최종 사용자들에게 유연성을 제공하고 세라믹 기판들을 이용하여 구축된 값비싼 PM들 및 IPM들에 대한 대안을 제공하려고 한다.
제안된 방법에서, 2개 이상의 층들을 가진 PCB는 상기 디바이스들이 장착된 버스바들에 기계적 및 치수적(dimensional) 안정성을 제공하는 구조적 요소를 형성한다. 동일 PCB가 상기 시스템을 구성하는 제어 회로들, 게이트 드라이버 회로들 및 기타 회로 요소들을 수용하는 데 이용될 수 있다. 이는 상기 시스템의 전력 요소들과 제어 요소들 사이에 값비싸고 공간을 낭비하는 상호연결들을 절약하는 것으로 귀결된다.
제안된 방법에 의하면, PCB에 삽입된 리드 프레임들을 가진 모듈들은 기판들을 제거하고 전류 정격(current ratings)을 높이는 데 이용된다. 제안된 방법은 전류를 운반함에 있어 그 PCB 도선들에 의존하지 않는다. 상기 디바이스들을 수용하는 버스바들이 전류를 운반한다. 두꺼운 버스바들(>2500 μm)이 상기 조립체에서 이용될 수 있다. 이는 상기 모듈의 내부 저항 및 상기 조립체에서의 전력 소산을 감소시킨다. 상기 디바이스들 아래의 두꺼운 버스바들은 열 용량을 증가시키고, 일시적 조건들(transient conditions) 동안의 피크 접합 온도 상승을 관리한다. 더 낮은 피크 접합 온도는 상기 모듈의 신뢰성 및 수명을 개선한다.
상기 방법은 SMT 디바이스들, 웨지 본딩(wedge bonding)을 이용한 베어 다이들, 구리 또는 알루미늄 와이어를 이용한 볼 본딩(ball bonding), 알루미늄 또는 구리 리본을 이용한 리본 본딩(ribbon bonding) 및 솔더링된 상호연결들과 함께 이용될 수도 있다. 상기 방법은 전력을 소산하는 디바이스와 그 소산된 전력을 흡수하는 주변 사이의 열 계면층들의 개수를 줄이는 데 이용될 수 있다. 계면들의 개수가 줄어들면 열 저항이 감소함에 따라 상기 디바이스들의 온도 상승도 감소할 것이다. 온도 상승이 줄어들면 상기 모듈의 신뢰성 및 수명이 개선된다. 상기 열 계면 재료(TIM) 특성들은 상기 시스템에 요구되는 절연 수준(isolation levels) 및 상기 시스템의 전압 정격에 매칭될 수 있다. 적합한 절연 재료 및 몰딩 화합물들을 선택함으로써 상기 모듈의 전압 정격이 1200V 이상으로 증가할 수 있다.
상기 디바이스들을 수용하기 위해 이용되는 버스바들은 전력 단자들을 형성하는 데 이용될 수 있다. 이는 상기 시스템의 요소들의 개수, 공간, 비용을 저감한다. 이 방법은 상기 시스템의 내부 저항 및 인덕턴스도 감소시킨다.
상호연결을 통해, 상기 모듈 단자들(상기 디바이스들을 수용하는 버스바들)을 외부 요소들(배터리/소스 및 부하)에 연결하는 케이블들은 히트 파이프들로도 작용하며 상기 디바이스들에 의해 소산된 전력 중 일부를 상기 모듈로부터 멀리 전달함으로써 상기 디바이스들의 온도 상승을 저감한다. 그 낮은 온도 상승은 상기 모듈의 신뢰성 및 수명을 개선한다.
이제 도면들, 더 구체적으로는 도 8 내지 도 48를 참조하면, 여기서 유사한 참조 문자들은 그 도면들에 걸쳐 일관되게 대응하는 특징부들을 표시하며, 그것들은 실시 예들로 보여진다.
도 8은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 SMT 전력 디바이스들을 가진 무기판 하이브리드 전력 모듈(예컨대, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체 또는 그와 유사한 것)이 도시된 예시 도면(800)이다. 도 8에 나타난 바와 같이, 상단 버스바(1304)는 전력 디바이스(1306)(예컨대, 이산 디바이스, 다이, 칩 또는 그와 유사한 것)를 수용한다. 상기 PCB(1302)는 전력 디바이스들(1306)을 수용하는 상기 버스바 아래의 절개창들을 가진다. 더욱이, 양각된 삽입물들(1310)을 가진 하단 버스바가 상기 PCB 창 안으로 삽입되어 상기 히트싱크에 대한 직접적인 열 경로가 제공된다. 더욱이, 상기 하단 버스바(1310)와 상기 히트싱크 사이에는 열 계면 재료(예컨대, 전기적 절연체)가 추가된다. 도 9에서는 병렬로 연결된 상기 전력 디바이스들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 예시 개념적 회로도(900)가 도시된다.
도 10은 칩 및 와이어 본딩을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(1000)이다. 도 11은 SFM(Solderable Front Metal) 다이를 이용한 구리 스트랩 상호연결들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(1100)이다. 도 12는 상기 전력 디바이스들 아래의 무기판 하이브리드 전력 모듈 PCB 절개창들이 도시된 예시 도면(1200)이다.
도 13에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도(1300)가 도시된다. 도 13에 나타난 바와 같이, 상기 PCB(1302), 상단 구리 버스바(1304)(예컨대, 제어 회로 구성요소)가 나타나며, 상기 상단 구리 버스바는 상기 PCB(1302)의 일 부분 상에 조립된다. 상기 전력 디바이스(1306)(예컨대, SMT, 다이 또는 기타)는 솔더층을 이용하여 상기 상단 구리 버스바(1304)에 부착된다. 상기 디바이스 상호연결들은 와이어 본딩 또는 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스(deice) 상에서 수행된다. 상기 하단 구리 버스바(1310)는 양각 PCB 삽입물들과 함께 상기 PCB(1302)의 하단 부분에 상에 그 안의 상기 절개창들을 통하여 부착된다. 상기 절연층(1312)은 상기 PCB(1302)의 하단 부분에 부착된 상기 하단 구리 버스바(1310) 아래에 부착된다. 방열층(1314)은 상기 절연층(1312) 아래에 부착된다. 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물은 상기 방열층(1314) 상에 부착된다.
도 14는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 통합된 양각 히트싱크를 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(1400)이다. 도 14에 나타난 바와 같이, 상기 하단 구리 버스바(1310)는 제거된다. 상기 PCB 내에 적절하게 준비된 절개창들을 통한 상기 상단 구리 버스바(1304)와의 접촉을 만들기 위하여 적절한 양각 능선들(appropriate embossed ridges)을 가진 히트싱크가 대신 이용된다. 열 계면 재료(예컨대, 전기적 절연체)가 상기 상단 구리 버스바(1304)와 상기 양각 히트싱크 능선들 사이에 추가된다. 상기 히트싱크는 플라스틱 안으로에 몰딩되어 상기 모듈의 일체로 된 부분이 될 것이다. 이 방법은 다수의 열 계면들을 제거하므로 그 실리콘 디바이스들의 더 나은 활용으로 귀결될 것이다. 이 방법은 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 조립 비용도 절감한다.
도 15에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 기판들을 가진 상기 하이브리드 전력 모듈의 단면도(1500)가 도시된다. 상기 PCB(1302), 상기 제어 회로 구성요소(예컨대, 상단 구리 버스바(1304))가 나타나는바, 상기 제어 회로 구성요소는 상기 PCB(1302)의 일 부분 상에 조립된다. 상기 전력 디바이스는 상기 제어 회로 구성요소 상에 부착된다. 상기 디바이스 상호연결들은 상기 SMT, 상기 와이어 본딩 및 상기 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스(deice) 상에서 수행된다. 상기 하단 구리 버스바/리드 프레임(1502)은 상기 PCB(1302) 안으로 상기 기판(예컨대, 세라믹, 금속 코어, IMS 또는 그와 같은 것)(1504)에 부착된다. 이 방법에서 상기 세라믹 기판을 이용하는 것이 가능하다. 이 방법에서 이용되는 상기 세라믹 기판의 크기 및 부피는 현저히 더 낮으며, 상기 조립체 내에서의 열 방산을 개선하고 그 작동 전압 범위를 확장한다. 방열층(1314)이 상기 기판(1504)의 하단 부분에 부착된다. 적합한 열 계면 재료(TIM)(1312)가 하단 기판(1504)과 상기 방열층(1314) 사이에 배치되며 상기 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물은 상기 방열층(1314) 상에 부착된다.
도 16은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 상기 SMT 전력 디바이스들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(1600)이다. 상기 구리 버스바는 상기 전력 디바이스(예컨대, 이산 디바이스, 다이, 칩 등)를 수용한다. 상기 버스바는 상기 PCB(1302) 내 절개창들을 통과하도록 그 하단면에 삽입물들을 가진다. 상기 PCB(1302)는 상기 전력 디바이스를 수용하는 상기 버스바 아래의 절개창들을 가진다. 상기 버스바는 방열층에 대한 직접적인 열 경로를 제공하기 위해 상기 PCB 창 안으로 삽입된다. 상기 열 계면 재료(1312)(예컨대, 전기적 절연체)는 상기 하단 버스바와 상기 방열층 사이에 추가된다.
도 17은 상기 칩 및 상기 와이어 본딩을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 또 다른 예시 도면(1700)이다. 도 18은 상기 SFM 다이를 이용한 상기 구리 스트랩 상호연결들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 또 다른 예시 도면(1800)이다. 도 16 내지 18에서 설명된 실시 예들은 위 단락들에서 설명된 조립 방법들을 이용한다.
도 19는 상기 전력 디바이스들 아래의 상기 PCB 절개창들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(1900)이다. 도 20에는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 SMT, 칩 및 와이어 본딩, 구리 스트랩 상호연결을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도(2000)가 도시된다. 도 20에는 상기 상단 버스바(1310)로서 그 하단면에 양각된 PCB 삽입물들을 가지는 상기 상단 버스바(1310)도 도시된다. 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도(2100)가 도 21에 도시된다.
도 22는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 상기 SMT 전력 디바이스들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(2200)이다. 상기 버스바는 상기 전력 디바이스들을 수용하며, 상기 버스바는 그 상단면에 상기 PCB(1302)의 상기 절개창들을 통과하는 삽입물들을 가진다. 상기 PCB(1302)는 상기 PCB(1302)의 표면의 상단으로 오도록 하는 상기 버스바들을 위한 절개창들을 가진다. 상기 디바이스들은 상기 버스바의 상단면에 장착된다. 상기 버스바들은 히트싱크에 대한 직접적인 열 경로를 가진다. 상기 열 계면 재료(예컨대, 전기적 절연체)가 상기 하단 버스바와 상기 히트싱크 사이에 추가된다.
도 23은 상기 칩 및 와이어 본드를 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(2300)이다. 도 24는 상기 SFM 다이를 이용하는 구리 스트랩 상호연결들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 또 다른 예시 도면(2400)이다. 도 22 내지 24에서 설명된 실시 예들은 위 단락들에서 설명된 조립 방법들을 이용한다.
도 25는 절개부들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 PCB가 도시된 예시 도면(2500)이다.
도 26에는 상기 상단면 구리 버스바들 상에 양각된 PCB 삽입물들을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도(2600)가 도시된다. 도 27에는 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈의 단면도(2700)가 도시된다. 도 28은 몰딩된 플라스틱 케이싱을 가진 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈이 도시된 예시 도면(2800)이다.
도 29 내지 도 43에는 본 개시서에 개시된 실시 예들을 이용하여 다양한 회로 토폴로지들의 구현의 예시들이 도시된다. 도 29는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 3상 인버터 전력 회로의 개념적 회로도(2900)이다.
도 30은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 상기 SMT 디바이스들을 가진 상기 3상 인버터 전력 모듈 개념의 별도 부착 전력 단자들이 도시된 예시 도면(3000)이다.
도 31은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 상기 SMT 디바이스들을 가진 상기 상기 3상 인버터 전력 모듈의 통합 전력 단자들이 도시된 예시 도면(3100)이다.
도 32는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 칩 및 와이어를 가진 상기 3상 인버터 전력 모듈의 별도 부착 전력 단자들이 도시된 예시 도면(3200)이다. 구리 스트랩 상호연결들 또는 기타 방법들을 이용하는 기타 실시 예들은 가능하다.
도 33은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이 또는 칩 및 와이어 본딩을 가진 상기 3상 인버터 전력 모듈의 통합 전력 단자들이 도시된 예시 도면(3300)이다. 구리 스트랩 상호연결들 또는 기타 방법들을 이용하는 기타 실시 예들이 가능하다.
도 34는 다양한 시스템 블록 구현들에 이용되는 풀 브리지 토폴로지의 회로도(3400)이다.
도 35는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 풀 브리지 토폴로지가 도시된 예시 도면(3500)이다. 상기 SMT 디바이스들, 칩/다이를 가진 상기 구리 스트랩 상호연결들을 이용하는 기타 실시 예들은 본 개시서에서 개시된 조립 방법들을 이용하여 구현될 수 있다.
도 36은 다양한 시스템 블록 구현들에 이용되는 하프 브리지 토폴로지의 회로도(3600)이다.
도 37은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 풀 브리지 토폴로지가 도시된 예시 도면(3700)이다. SMT 디바이스들, 칩/다이 및 구리 스트랩 상호연결들을 가지는 다른 실시 예들은 본 개시서에서 개시된 조립 방법들을 이용하여 구현될 수 있다.
도 38은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른, 베어 다이/칩 및 와이어 본드들을 가진 양방향 스위치가 도시된 예시 도면(3800)이다. SMT 디바이스들, 칩/다이 및 구리 스트랩 상호연결들을 가지는 다른 실시 예들은 본 개시서에서 개시된 조립 방법들을 이용하여 구현될 수 있다.
도 39는 다양한 시스템 블록 구현들에 이용되는 양방향 스위치 토폴로지의 회로도(3900)이다.
도 40은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 상기 양방향 스위치를 위한 리드 프레임 조립체의 전면도(4000)이다. 도 41은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 세부(details)가 함께 있는 리드 프레임 조립체 예시의 측면도(4100)이다.
도 42는 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 FR4 PCB 상의 상기 리드 프레임 조립체가 도시된 예시 도면(4200)이다.
도 43은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따른 양방향 스위치 조립체 스택 세부(stack details)의 단면도(4300)이다.
도 44 내지 도 48은 본 개시서에 개시된 바와 같은 실시 예들에 따라 FR4 또는 적합한 등급의 PCB들을 이용하여 고전력 전자 장치 모듈들을 조립/제작하기 위한 방법(4400 내지 4800)을 도시하는 흐름도들이다.
도 44에 나타난 바와 같이, 4402에서 상기 방법은 적절한 절개창들을 가진 베어 PCB를 제공함을 포함한다. 상기 적절한 절개창들을 제공하기 위해, 상기 창들은 상기 창들의 정밀한 위치 및 크기를 위한 전기적/기계적 컴퓨터 보조 설계(CAD) 도구를 통해 표시(marked)된다. 상기 창들은 그 PCB 제작 동안에 밀링 작업(milling operation)을 이용하여 절개될 수 있다. 4404에서 상기 방법은 상기 베어 PCB 상에 상기 상단 버스바들의 제어 회로 구성요소들을 조립함을 포함한다. 4406에서 상기 방법은 상기 상단 버스바들 제어 회로 구성요소들 상에 디바이스(예컨대, SMT, 베어 다이, 칩 등)를 위치시킴을 포함한다. 4408에서 상기 방법은 상기 SMT, 와이어 본딩 및/또는 상기 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스 상호연결들을 수행함을 포함한다. 4410에서 상기 방법은 상기 베어 PCB 내에 상기 하단 버스바들을 부착함을 포함한다. 4412에서 상기 방법은 상기 하단 버스바 아래에 TIM/절연체를 부착함을 포함한다. 4414에서 상기 방법은 상기 TIM 또는 상기 절연체 아래에 상기 히트싱크 또는 상기 방열기(소산기; dissipator)를 부착함을 포함한다. 4416에서 상기 방법은 상기 히트싱크 또는 상기 방열기 상에 플라스틱 몰딩을 적용함, 또는 플라스틱 케이스 및/또는 포팅 화합물을 부착함을 포함한다.
도 45에 나타난 바와 같이, 4502에서 상기 방법은 적절한 절개창들을 가진 베어 PCB를 제공함을 포함한다. 4504에서 상기 방법은 상기 베어 PCB 상에 상기 상단 버스바들 제어 회로 구성요소들을 조립함을 포함한다. 4506에서 상기 방법은 상기 디바이스(예컨대, SMT, 베어 다이, 칩 등)를 부착함을 포함한다. 4508에서 상기 방법은 상기 SMT, 와이어 본딩 및 상기 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스 상호연결들을 생성함을 포함한다. 4510에서 상기 방법은 그 양각된 히트싱크에 상기 TIM 또는 상기 절연체를 부착 또는 적용함을 포함한다. 4512에서 상기 방법은 상기 양각된 히트싱크를 상기 PCB에 부착함을 포함한다. 4514에서 상기 방법은 플라스틱 몰딩을 적용함 또는 플라스틱 케이스 및 포팅 화합물을 부착함을 포함한다.
도 46에 나타난 바와 같이, 4602에서 상기 방법은 적절한 절개창들을 가진 베어 상기 PCB를 제공함을 포함한다. 4604에서 상기 방법은 상기 PCB 상에 상단 버스바들 제어 회로 구성요소들을 조립함을 포함한다. 4606에서 상기 방법은 상기 디바이스(예컨대, SMT, 베어 다이, 칩 등)를 부착함을 포함한다. 4608에서 상기 방법은 SMT/상기 와이어 본딩/상기 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스 상호연결들을 생성함을 포함한다. 4610에서 상기 방법은 상기 PCB 절개부들에 구리 리드 프레임을 가진 상기 기판을 부착함을 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 구리 리드 프레임은 상기 양각된 삽입물들을 형성하기 위해 밀링/가공된 구리 버스바들 중 하나를 포함한다. 그것들은 요구되는 사양으로 다이캐스팅/몰딩될 수도 있다. 상기 구리 버스바들/리드 프레임은 솔더링 공정을 통해, 또는 클립들, 나사들 또는 상기 FR4 PCB에 고정하기 위한 기타 적절한 수단을 이용하는 기계적 부속품들을 통해 상기 FR4 PCB에 부착될 수 있다. 4612에서 상기 방법은 상기 기판의 하단에 상기 히트싱크를 부착함을 포함한다. 4614에서 상기 방법은 플라스틱 몰딩을 적용함 또는 상기 플라스틱 케이스 및 상기 포팅 화합물을 부착함을 포함한다.
도 47에 나타난 바와 같이, 4702에서 상기 방법은 적절한 절개부들을 가진 상기 PCB를 제공함을 포함한다. 4704에서 상기 방법은 하단면에 상기 양각된 PCB 삽입물들을 가지는 상기 버스바들을 조립함을 포함한다. 4706에서 상기 방법은 상기 디바이스들(예컨대, SMT, 베어 다이, 칩 등)을 상기 버스바의 상단면에 위치시킴을 포함한다. 4708에서 상기 방법은 SMT, 상기 와이어 본딩 또는 상기 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스 상호연결들을 수행함을 포함한다. 4710에서 상기 방법은 상기 버스바의 하단면 아래에 상기 TIM/절연체를 부착함을 포함한다. 4712에서 상기 방법은 상기 TIM 또는 상기 절연체 아래에 상기 히트싱크 또는 상기 방열기를 부착함을 포함한다. 4714에서 상기 방법은 상기 히트싱크 또는 상기 방열기 상에 상기 플라스틱 몰딩을 적용하거나 플라스틱 케이스, 또는 상기 포팅 화합물을 부착함을 포함한다.
도 48에 나타난 바와 같이, 4802에서 상기 방법은 적절한 절개부들을 가진 상기 베어 PCB를 제공함을 포함한다. 4804에서 상기 방법은 상기 버스바들의 상단면 상에 상기 양각된 PCB 삽입물들을 가지는 상기 버스바들을 조립함을 포함한다. 4806에서 상기 방법은 상기 디바이스들(예컨대, SMT, 베어 다이, 칩 등)을 상기 버스바들의 상단면 상에 위치시킴을 포함한다. 4808에서 상기 방법은 SMT, 상기 와이어 본딩 또는 구리 스트랩을 이용하여 상기 디바이스 상호연결들을 수행함을 포함한다. 4810에서 상기 방법은 상기 버스바 아래에 TIM/절연체를 부착함을 포함한다. 4812에서 상기 방법은 상기 TIM 또는 상기 절연체 아래에 히트싱크 또는 상기 방열기를 부착함을 포함한다. 4814에서 상기 방법은 상기 히트싱크 또는 상기 방열기 상에 상기 플라스틱 몰딩을 적용함 또는 플라스틱 케이스, 또는 상기 포팅 화합물을 부착함을 포함한다.
상기 방법은 상기 고전력 전자 시스템에서 이산 전력 디바이스들 및/또는 베어 다이들을 이용하여 조립된 전력 전자 장치 시스템들의 유효성, 신뢰성, 생산성을 개선하는 데 이용될 수 있다. 상기 방법은 값비싼 세라믹 기판들의 이용 없이 맞춤형 고전류 PM 및 상기 IPM을 생성하는 데 이용될 수 있다. 상기 방법은 복잡한 공정, 값비싸고, 긴 리드 타임 재료들을 제거하고 고밀도 통합을 가능하게 하는 동시에 상기 시스템의 열 성능을 개선하는 데 이용될 수 있다.
상기 방법은 상기 제어 회로 및 상기 전력 회로를 이음매 없이 결합하고 상기 전자 시스템의 높은 통합도를 가능하게 하는 동시에 상기 시스템의 전력 밀도, 열 성능 및 신뢰성을 개선하는 데 이용될 수 있다. 상기 방법은 상기 전통적인 SMT 장착 기법들, 상기 알루미늄 와이어 본드들, 상기 구리 스트립 본딩 솔더링 가능한 상호연결 방법들 또는 임의의 상호연결 방법들로 회로를 만들 수 있게 하는 데 이용될 수 있다. 상기 제안된 방법은 이러한 특징들로써 광범위한 제품들 및 용례들을 가능하게 한다. 또한, 전력 디바이스 성능의 활용을 최대화하고 전력 전달의 비용을 저감한다. 상기 방법은 유연한 설계 및 빠른 시장 출시 시간을 가능하게 하며, 그 해결방법들의 최적화된 비용을 달성할 수 있게 한다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 상기 FR4 PCB 또는 적합한 등급의 PCB들 및 알루미늄, 구리, 세라믹 기판 플레이트들 또는 임의의 그러한 적합한 재료들과 같은 고열전도성 재료들을 이용하여 고전력 전자 장치 모듈들을 조립하는 데 이용될 수 있다. PCB의 낮은 열 성능은 전력 디바이스들(예컨대, SMT 또는 베어 다이들)을 수용하는 상기 버스바들 아래 상기 PCB 내에서 창들을 절개함 및 그 버스바들 아래 상기 창들 내에 고열전도성 재료들을 위치시킴으로써 극복된다. 이러한 고열전도성 재료들은 상기 전력 디바이스들로부터 상기 히트싱크로, 그리고 결국 주변으로의 효율적인 열 경로를 제공한다. 이에 따라, 그 전체 구조는 주변으로의 열 경로를 개선하고 상기 시스템에서 이용되는 상기 전력 디바이스들(예컨대, MOSFET, IGBT, SiC 디바이스, GaN 디바이스, 다이오드 등)의 성능을 최대화한다. 적절한 열 계면 재료는 상기 전력 디바이스와 상기 열 방열 시스템(heat dissipating system) 사이에 필요한 전기적 절연을 부여하기 위해 상기 PCB 창들 내에 위치한 상기 고열전도성 재료들과 전력 디바이스를 수용하는 상기 전도체 사이에 삽입된다.
상기 방법은 고전력, 고전류 전자 모듈들을 구축하기 위한 값비싼 세라믹 기판들에 대한 필요성을 제거하는 데 이용될 수 있다. 상기 전력 디바이스들을 장착하기 위한 전도체들을 수용하기 위해 이용된 FR4 PCB는 마이크로컨트롤러들, 전원 공급 장치들, 게이트 드라이버들 등과 같은 제어 회로 블록들을 통합하는 데 이용될 수도 있다. 따라서, 상기 방법은 그 제품들을 맞춤화하는 것을 더 쉽게 만들고 그 생산 도구와 생산 시스템들의 활용을 최대화한다. 전력 디바이스들과 제어 회로들 사이에 다수의 상호연결 시스템들에 대한 필요성도 제거한다.
그 제안된 방법에서, 충분한 단면적의 구리 또는 그와 같은 고전도성 버스바들/패드들은 상기 전력 디바이스들(SMT 또는 베어 다이들)을 장착하고 그 전기 저항을 저감함으로써 전력 손실을 저감하도록 회로 경로를 설정하는 데 이용된다. 전력 디바이스들(SMT 및/또는 베어 다이들)을 장착하기 위해 이용된 이 두꺼운 금속 버스바들/패드들은 상기 모듈의 열 성능 및 상기 시스템의 신뢰성도 개선한다. 높은 열 용량을 부여함으로써, 상기 버스바들/패드들은 일시적 운영 조건 동안 상기 전력 디바이스들의 피크 접합 온도를 감소시키는 데 도움을 준다. 그 감소된 피크 접합 온도는 상기 시스템들의 신뢰성 및 수명을 개선한다고 알려져 있다. 그 두꺼운 버스바들/패드들은 상기 상호연결 단자들을 형성하는 데 이용될 수도 있다. 이 단자들은 열 파이프들로도 작용하여 열을 방산함으로써 그 디바이스 온도를 더 감소시키는 데 도움을 준다.
PCB와 그 PCB 절개부들 안으로 삽입된 상기 고열전도성 플레이트들의 이러한 조합은 플라스틱 케이싱 내에 수용되어 기계적 안정성이 부여되고 습기 및 전도성 먼지로부터 보호된다. 입력 출력 단자들, 제어 커넥터들, 센서 요소들 등과 같은 삽입 몰딩된 상호연결 요소들은 모듈 시스템 조립체에 일체화된다. 주조된 알루미늄 또는 유사한 열 방산 요소는 상기 플라스틱 케이싱/전력 모듈 조립체에 부착되어 그 전자 시스템의 열 성능을 개선할 수 있다.
본 개시서에서 설명된 공정들 및 개념들에 의하여, 그 전체 조립된 모듈은 그 용례의 습도 및 온도 사이클링 요구사항을 충족한다. 상기 방법에서는 값비싸고 복잡한 세라믹 및 유사 기판 재료들의 이용 없이 전력 모듈들(PM) 및 지능형 전력 모듈들(IPM)을 구축하는 것이 제안된다.
게다가, 그 제안된 방법은 주요한 설계 변경 없이 맞춤형 특징들을 구성할 수 있는 더 높은 통합도 및 유연성을 가능하게 한다. 이는 도구들 및 생산 공정들에 대한 주요한 변경 없이 모듈 특징들의 재구성을 가능하게 함으로써 생산성을 개선하고 낭비를 줄인다.
상기 제안된 방법에서, 2개 이상의 레이어들을 가진 상기 PCB는 상기 디바이스들이 장착되는 상기 버스바들에 기계적 및 치수적 안정성을 제공하는 구조적 요소를 형성한다(구조적 요소로 작용한다). 동일한 PCB는 상기 시스템을 구성하는 제어 회로들, 게이트 드라이버 회로들 및 기타 회로 요소들을 수용하는 데 이용될 수 있다. 이는 상기 시스템의 전력 요소들 및 제어 요소들 사이에 값비싸고 공간을 낭비하는 상호연결들을 절약함으로 귀결된다.
상기 제안된 방법에서, 삽입 몰딩된 리드 프레임들을 가진 모듈들은 기판들을 제거하고 전류 정격을 증가시키는 데 이용된다. 그 제안된 방법은 전류를 운반하기 위해 PCB 도선들에 의존하지 않는다. 상기 디바이스들을 수용하는 버스바들이 전류를 운반한다. 두꺼운 버스바들(>2500 마이크로미터)이 상기 조립체에 이용될 수 있다. 이는 상기 모듈의 내부 저항 및 상기 조립체 내의 전력 소산을 저감한다. 상기 디바이스들 아래의 두꺼운 버스바들은 열 용량을 증가시키고 일시적 조건들 동안 피크 접합 온도 상승을 줄인다. 낮은 피크 접합 온도는 그 모듈의 신뢰성 및 수명을 개선한다.
상기 방법은 웨지 본딩, 구리 또는 알루미늄 와이어를 이용한 볼 본딩, 알루미늄 또는 구리 리본들을 이용한 리본 본딩, 및 솔더링된 상호연결들과 함께 이용될 수도 있다.
상기 방법은 전력을 소산하는 디바이스와 그 소산된 전력을 흡수하는 주변 사이의 열 계면 층들의 개수를 줄이는 데 이용될 수 있다. 상기 계면들의 개수가 줄어들면 그 열 저항이 줄어들기 때문에 상기 디바이스들의 온도 상승이 감소할 것이다. 온도 상승이 줄어들면 상기 모듈의 신뢰성 및 수명이 개선된다. 상기 열 계면 재료(TIM)의 특성은 상기 시스템의 전압 정격 및 상기 시스템에 요구되는 절연 수준에 맞춰질 수 있다. 적합한 절연 재료 및 몰딩 화합물들을 선택함으로써, 상기 모듈의 전압 정격이 1200V 이상으로 증가할 수 있다. 상기 디바이스들을 수용하는 데 이용되는 상기 버스바들은 전력 단자들을 형성하는 데 이용될 수 있다. 이는 상기 시스템의 요소들의 개수, 공간, 비용을 줄인다. 이 방법은 상기 시스템의 내부 저항 및 인덕턴스도 감소시킨다.
상호연결들에 의하여, 상기 모듈 단자들(상기 디바이스들을 수용하는 버스바들)을 외부 요소들(배터리/전원 및 부하)에 연결하는 케이블들은 열 파이프들로도 작용하여 상기 디바이스들에 의해 소산된 전력의 일부를 상기 모듈로부터 멀리 전달함으로써 상기 디바이스들의 온도 상승을 감소시킨다. 더 낮은 온도 상승은 상기 모듈의 신뢰성 및 수명을 개선한다.
상기 방법은 복잡한 전력 전자 시스템들의 수입 의존도를 줄이고 시장 출시 시간을 단축하는 것도 목적으로 한다.
본 개시서의 실시 예들은 최종 사용자로 하여금 그들의 비용/성능 요구사항을 충족시키는 게이트 드라이버들 및 연관 구성요소들을 선택할 수 있게 한다. 그 최종 사용자는 다양한 공급망 선택지들을 가지고 그들이 선택한 공급자들로부터의 게이트 드라이버들을 선택할 수 있다. 상기 최종 사용자는 그들의 제품들에서 테스트 및 시도한 레거시 게이트 드라이버 블록들을 이용할 수도 있다. 상기 모듈 조립체들은 마이크로컨트롤러들, 센서들 및 기타 제어 구성요소들을 수용할 수 있으므로 발자국(footprint)을 저감하고, 설계 도용으로부터의 보호를 OEM들에 제공한다.
상기 제안된 모듈 구조는 그 디바이스 접점(junction)으로부터 주변으로의 낮은 열 저항 경로를 제공한다. 이는 상기 시스템에 요구되는 전류를 전달하기 위해 병렬로 연결된 전력 디바이스들의 개수를 줄인다. 본 개시서의 실시 예들은 고전류 시스템에서 전력 디바이스들을 이용함에 있어서 복잡성 및 오류들을 줄이는 것도 목적으로 한다. 결과적으로, 본 개시서에서 설명된 모듈 조립체들은 이산 전력 디바이스들로 구축된 시스템들의 비일관성을 제거함으로써 그 시스템들의 신뢰성을 개선한다. 본 개시서의 실시 예들은 그 최종 사용자로 하여금 맞춤형 구성들, 정격(등급)을 만들어 시스템 설계 및 비용을 최적화할 수 있게도 한다. 상기 모듈 조립체들은 다양한 회로 및 시스템 토폴로지들에 적합화될 수 있다. 상기 방법은 그 최종 사용자들에게 유연성을 제공하려 하고, 세라믹 기판들을 이용하여 구축된 값비싼 PM들 및 IPM들에 대한 대안을 제공하려고 한다.
상기 조립 공정은 유연하며 본 특허출원에서 설명된 것으로 한정되지 않는다. 상기 제안된 방법들을 이용하여 다른 토폴로지들이 조립될 수 있다. 실리콘 MOSFET들, IGBT들, 다이오드들, SiC MOSFET들, SiC 다이오드들, GaN 디바이스들이 상기 제안된 방법을 이용하여 조립될 수 있다.
30V 내지 1700V의 전압 정격 및 이를 초과하는 전압 정격을 가진 전력 디바이스들은 적절한 절연 기법들로써 상기 제안된 방법을 이용하여 조립될 수 있다. 10A에서 1000A 이상까지의 전류 정격을 가진 전력 디바이스들은 적절한 버스바 및 상호연결 기법들로써 상기 제안된 방법을 이용하여 조립될 수 있다. 고전력 디바이스들과 저전력 제어 디바이스들 두 가지 모두는 성능을 개선하고 부피를 줄이기 위하여 상기 제안된 방법을 이용하여 동일한 패키지로 조립될 수 있다. 상기 방법은 상기 시스템 내의 상호연결들도 줄여 그 신뢰성을 개선한다.
상기 방법(4400 내지 4800)의 다양한 조치들(actions), 거동들(acts), 블록들, 단계들 또는 유사한 것들이 제시된 순서대로, 다른 순서로, 또는 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 몇몇 실시 예들에서는 본 개시서의 실시 예들의 범위에서 일탈됨 없이 상기 조치들, 거동들, 블록들, 단계들 또는 유사한 것들 중 일부가 생략, 추가, 수정, 건너뜀 등이 될 수 있다.
상기 특정 실시 예들의 전술한 설명은 본 개시서의 실시 예들의 일반적인 성질을 충분히 드러낼 것이므로, 다른 이들은 현재의 지식을 적용함으로써, 그 상위개념(generic concept)으로부터 일탈됨 없이 그러한 특정 실시 예들을 다양한 용례들을 위하여 수정 및/또는 적합화할 수 있으므로 그러한 적합화 및 수정은 상기 개시된 실시 예들의 의미 및 균등물의 범위 내에서 이해되는 것으로 의도되며, 이해되어야 한다. 본 개시서에서 채용된 용어(terminology) 또는 용어법(phraseology)은 설명을 목적으로 한 것이며 한정하는 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 본 개시서의 실시 예들이 실시 예들 및 예시들의 측면에서 설명되었지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 본 개시서에서 개시된 실시 예들 및 예시들이 본 개시서에서 설명된 바와 같은 실시 예들의 본질 및 범위 내에서의 수정으로써 실시될 수 있다는 점을 인식할 것이다.

Claims (22)

  1. 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체를 제작하기 위한 방법(4400 내지 4800)으로서:
    인쇄 회로 기판(PCB)(1302) 상에 적어도 하나의 제어 회로 구성요소를 조립함(4404 내지 4804);
    상기 적어도 하나의 제어 회로 구성요소 상에 적어도 하나의 전력 디바이스를 부착함(4406 내지 4806); 및
    표면실장 기술(Surface-mount technology; SMT), 와이어 본딩(wire bonding), 리본 본딩(리본 본딩) 및 구리 스트랩(copper strap) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 적어도 하나의 디바이스에 대해 적어도 하나의 디바이스 상호연결을 수행함(4408 내지 4808)
    을 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은:
    상기 PCB(1302)의 하단 부분에 적어도 하나의 버스바를 부착함(4410);
    상기 PCB(1302)의 상기 하단 부분에 부착된 상기 적어도 하나의 버스바 아래에 적어도 하나의 절연층(1312)을 부착함(4412);
    상기 적어도 하나의 절연층(1312) 아래에 방열층(heat dissipating layer; 1314)을 부착함(4414); 및
    상기 방열층(1314) 상에 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물(potting compound) 중 하나를 부착함(4416)
    을 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은:
    양각된 방열층(1314)에 적어도 하나의 절연층(1312)을 부착함(4510);
    상기 PCB(1302)와 연관된 절개부들(cutouts) 내에 상기 양각된 방열층(1314)을 부착함(4512); 및
    상기 방열층(1314) 상에 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물 중 하나를 부착함(4514)
    을 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은:
    상기 PCB(1302)와 연관된 절개부들 내에 구리 리드 프레임(copper lead frame; 1504)과 함께 기판(1502)을 부착함(4610);
    상기 기판(1502)의 하단 부분에 방열층(1314)을 부착함(4612); 및
    상기 방열층(1314) 상에 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물 중 하나를 부착함(4614)
    을 포함하는, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 기판(1502)은 세라믹 기판, 금속 코어 PCB, IMS 기판 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 회로 구성요소는 상단 버스바 제어 회로 구성요소(1304) 및 하단 버스바 제어 회로 구성요소(1310) 중 하나를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 상단 버스바 제어 회로 구성요소(1304)에는 적어도 하나의 양각된 PCB 삽입물(embossed PCB insert)이 제공되며, 상기 하단 버스바 제어 회로 구성요소(1310)에는 적어도 하나의 양각된 PCB 삽입물이 제공되는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 전력 디바이스는 SMT, 베어 다이(bare die), 칩, 이산 디바이스(discrete device), 금속-산화물-반도체 필드 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor; MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT), 다이오드 및 질화갈륨(gallium nitride; GaN) 디바이스를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 2 또는 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 적어도 하나의 절연층(1312)은 적어도 하나의 TIM 및 절연체(at least one a TIM and an insulator)를 포함하며, 상기 방열층(1314)은 히트싱크(heatsink) 및 방열기(heat dissipater)를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 PCB(1302)는 상기 버스바 아래에 절개창들(windows cut out)을 포함하며, 상기 창들에는 컴퓨터 지원 설계(computer-aided design; CAD) 도구를 통해 상기 절개창의 정밀한 위치 및 크기가 표시되며, 상기 창들은 PCB 제작(PCB fabrication) 중 밀링 작업(milling operation)을 이용하여 절개되는, 방법.
  11. 청구항 14에 있어서, 상기 구리 리드 프레임(1504)은 양각 삽입물들을 형성하기 위하여 밀링된 구리 버스바들 및 가공된 구리 버스바들 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 구리 리드 프레임(1504)은 요구된 사양으로 다이캐스팅 또는 몰딩되며, 상기 구리 버스바들 및 상기 리드 프레임들 중 상기 적어도 하나는 연결 유닛(connecting unit)을 이용하는 기계적 부속품들(mechanical fitments) 또는 솔더링 공정을 통해 상기 PCB에 부착되어 상기 PCB에 상기 리드 프레임을 고정시키고, 상기 연결 유닛은 클립 및 나사(screws)를 포함하는, 방법.
  12. 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체로서:
    인쇄 회로 기판(PCB)(1302);
    적어도 하나의 제어 회로 구성요소로서, 상기 적어도 하나의 제어 회로 구성요소는 상기 PCB(1302) 상에 조립되는, 제어 회로 구성요소;
    적어도 하나의 전력 디바이스로서, 상기 적어도 하나의 전력 디바이스는 상기 적어도 하나의 제어 회로 구성요소 상에 부착되는 전력 디바이스; 및
    적어도 하나의 장치 상호연결들로서, 와이어 본딩, 리본 본딩 및 구리 스트랩 중 적어도 하나를 이용하여 상기 적어도 하나의 표면실장 기술(SMT) 및 다이들(dice)로 수행되는, 장치 상호연결들을 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체는:
    적어도 하나의 버스바로서, 상기 적어도 하나의 버스바는 상기 PCB(1302)의 하단 부분 상에 부착되는, 버스바;
    적어도 하나의 절연층(1312)으로서, 상기 적어도 하나의 절연층(1312)은 상기 PCB(1302)의 상기 하단 부분 상에 부착된 상기 적어도 하나의 버스바 아래에 부착되는, 절연층;
    상기 적어도 하나의 절연층(1312) 아래에 부착되는 방열층(1314); 및
    상기 방열층(1314) 상에 부착되는 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물 중 하나
    를 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체는:
    양각된 방열층(1314)에 부착된 적어도 하나의 절연층(1312);
    상기 PCB(1302) 내에 부착된 상기 양각된 방열층(1314); 및
    상기 방열층(1314) 상에 부착된 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물 중 하나
    를 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체는:
    하단 표면으로부터 상기 PCB(1302) 절개부들 내로 구리 리드 프레임(1504)과 함께 부착된 기판(1502);
    상기 기판(1502)의 하단 부분에 부착된 방열층(1314); 및
    상기 방열층(1314) 상에 부착된 플라스틱 몰딩 케이스(2702) 및 포팅 화합물 중 하나
    를 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 기판(1502)은 세라믹 기판, 금속 코어 PCB 및 IMS 기판 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 기판은 시스템의 전압 정격(voltage ratings)을 확장하는 데 조력하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  17. 청구항 12에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어 회로 구성요소는 상단 버스바 제어 회로 구성요소(1304) 및 하단 버스바 제어 회로 구성요소(1310) 중 하나를 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 상단 버스바 제어 회로 구성요소(1304)에는 적어도 하나의 양각된 PCB 삽입물이 제공되며, 상기 하단 버스바 제어 회로 구성요소(1310)에는 적어도 하나의 양각된 PCB 삽입물이 제공되는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  19. 청구항 12에 있어서, 상기 적어도 하나의 전력 디바이스는 표면실장기술(SMT), 베어 다이, 칩, 이산 디바이스, 금속-산화물-반도체 필드 효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 다이오드 및 질화갈륨(GaN) 디바이스를 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  20. 청구항 13 또는 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서, 적어도 하나의 절연층(1312)은 적어도 하나의 TIM 및 절연체를 포함하며, 상기 방열층(1314)은 히트싱크 및 방열기를 포함하는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  21. 청구항 12에 있어서, 상기 PCB(1302)는 상기 버스바 아래에 절개창들을 포함하고, 상기 창들에는 컴퓨터 지원 설계(computer-aided design; CAD) 도구를 통해 상기 절개창의 정밀한 위치 및 크기가 표시되며, 상기 창들은 PCB 제작(PCB fabrication) 중 밀링 작업(milling operation)을 이용하여 절개되는, 무기판 하이브리드 전력 모듈 조립체.
  22. 청구항 15에 있어서, 상기 구리 리드 프레임(1504)은 양각 삽입물들을 형성하기 위하여 밀링된 구리 버스바들 및 가공된 구리 버스바들 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 구리 리드 프레임(1504)은 요구된 사양으로 다이캐스팅 또는 몰딩되며, 상기 구리 버스바들 및 상기 리드 프레임들 중 상기 적어도 하나는 연결 유닛(connecting unit)을 이용하는 기계적 부속품들(mechanical fitments) 또는 솔더링 공정을 통해 상기 PCB에 부착되어 상기 PCB에 상기 리드 프레임을 고정시키고, 상기 연결 유닛은 클립 및 나사(screws)를 포함하는, 방법.
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