KR20170068708A

KR20170068708A - 박형 양면냉각 파워모듈

Info

Publication number: KR20170068708A
Application number: KR1020150175416A
Authority: KR
Inventors: 전우용
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-20

Abstract

본 발명에 의한 박형 양면냉각 파워모듈은, 하부기판; 및 상기 하부기판 상부에 배치된 상부기판, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 설치된 반도체칩, 상기 반도체칩과 상기 하부기판 사이에 설치된 하부 솔더층, 상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이에 설치된 상부 솔더층 및 상기 반도체칩의 상부에 결합되어 구동 신호를 송수신하는 신호박막을 포함한다.

Description

박형 양면냉각 파워모듈{THIN POWER MODULE OF DOUBLE-FACED COOLING}

본 발명은 박형 양면냉각 파워모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 얇은 두께로 제조할 수 있는 박형 양면냉각 파워모듈에 관한 것이다.

양면냉각형 파워모듈은 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동을 위해 사용되고 있다. 일반적인 단면냉각형 파워모듈에 비해 냉각 성능이 우수하고, 파워모듈의 크기를 보다 콤팩트하게 제조할 수 있기 때문에, 양면냉각형 파워모듈의 사용은 증가 추세에 있다.

양면냉각형 파워모듈은 두 개의 기판을 각각 상하로 배치하고, 그 사이에 스위칭 소자가 내장된 반도체칩을 결합시켜 제조된다.

이를 단순화시켜 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부기판(12), 반도체칩(40), 스페이서(30), 상부기판(11)을 순차적으로 적층하여 제조되는데, 각 구성들의 사이에는 솔더재를 삽입하여 솔더링 공정을 통해 각 구성들을 결합시키게 된다. 도시되어 있지는 않지만, 상부기판(11)과 하부기판(12)의 외측에는 각각 냉각기가 설치되어 반도체칩(40)에서 발생되는 열을 냉각시키게 된다.

이 중 반도체칩(40)의 노출된 면에는 통상적으로 반도체칩(40)의 제어를 위해 와이어(50)가 결합되어 있다. 그러나 이러한 와이어(50)를 결합시키기 위해서는 소정의 높이 방향 여유공간이 필요한데, 이러한 공간을 확보하기 위해 스페이서(30)의 설치가 필요 불가결하였다.

스페이서(30)는 높은 열전도도와 낮은 열저항, 낮은 전기저항을 가져 통전성의 저하를 방지하고, 반도체칩에서 발생되는 열을 상부기판(11)의 외측에 설치된 냉각기로 전달할 수 있어야 한다.

통상적으로 스페이서로는 Al-Si-C, Cu-Mo, Cu-W, Cu 등의 재질을 사용하고 있는데, 구리는 비교적 고가의 원소로 원가 상승의 원인이 되고, 타 재질은 비교적 낮은 열전도도와 높은 열저항을 가지고 있다.

그러나 아무리 열저항이 작은 구리라도 열저항이 있는 것은 명백하므로, 스페이서(30)의 존재 자체만으로도 열적 장애물로서 작용하게 된다. 따라서, 스페이서(30)를 생략하여 열전달 효율을 향상시키면서도, 신호를 송수신하는 와이어(50)와 간섭을 일으키지 않는 새로운 구조의 양면냉각형 파워모듈이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 10-2014-0084590 (2014.07.07.) 대한민국 공개특허 10-2011-0004514 (2011.01.14.)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 얇은 구조를 가지면서 시그널 라인과의 간섭을 방지할 수 있는 박형 양면냉각 파워모듈을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 양면냉각 파워모듈은, 하부기판; 및 상기 하부기판 상부에 배치된 상부기판, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 설치된 반도체칩, 상기 반도체칩과 상기 하부기판 사이에 설치된 하부 솔더층, 상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이에 설치된 상부 솔더층 및 상기 반도체칩의 상부에 결합되어 구동 신호를 송수신하는 신호박막을 포함한다.

상기 하부기판의 상면에는 하부 절연층이 설치되고, 상기 하부 절연층은, 상기 하부 솔더층과 상기 하부기판이 맞닿는 면적을 제외한 상기 하부기판의 상면을 덮도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 상부기판의 하면에는 상부 절연층이 설치되고, 상기 상부 절연층은, 상기 상부 솔더층과 상기 상부기판이 맞닿는 면적을 제외한 상기 상부기판의 하면을 덮도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 신호박막은, 동 재질의 박막 또는 FPCB로 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기 신호박막은, 상기 반도체칩의 상면과 솔더링되어 접합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 박형 양면냉각 파워모듈에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 스페이서를 생략하여 파워모듈의 양면 냉각의 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 파워모듈의 부피를 감소시켜 전자부품의 크기를 감소시킬 수 있다.

셋째, 유연한 재질의 시그널 라인을 적용하여 파워모듈과 시그널 보드 사이의 공차와 무관하게 이들을 연결시킬 수 있다.

도 1은 종래의 양면냉각형 파워모듈을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 양면냉각 파워모듈을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 양면냉각 파워모듈과 구동보드의 연결 모습을 나타낸 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 박형 양면냉각 파워모듈에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 파워모듈은, 상하로 배치된 상부기판(11) 및 하부기판(12), 반도체칩(40), 신호박막(100)으로 구성된다.

일반적인 양면냉각형 파워모듈은 두 기판의 사이에 순차적으로 솔더, 반도체칩, 솔더, 스페이서, 솔더가 배치되어 시그널 와이어가 본딩될 공간을 확보하게 된다.

그러나 본 발명에서는 스페이서를 생략하고, 하부기판(12), 하부 솔더층(210), 반도체칩(40), 상부 솔더층(220), 상부기판(11) 순으로 적층하는 것이다.

이를 위해, 일반적인 파워모듈에 적용되는 와이어를 대신하여 신호박막(100)을 설치하게 된다. 신호박막(100)은 그 명칭 그대로 얇은 박막 형상으로 형성되는데, 전기신호를 전송할 수 있도록 구리박막 또는 FPCB 등의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이를 통해, 와이어 본딩시 필수적으로 요구되던 높이 방향 여유공간을 생략시킬 수 있기 때문에, 본 발명에서는 스페이서를 생략시킬 수 있게 되는 것이다.

상부기판(11)과 하부기판(12) 사이의 간격이 좁아지고, 신호박막(100)과 기판들 사이의 거리가 좁아짐에 따라, 전기가 비정상적으로 흐르는 누전 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상부기판(11)의 하부에 상부 절연층(310)을, 하부기판(12)의 상부에 하부 절연층(320)을 각각 설치하여, 상부기판(11)과 하부기판(12) 사이, 상부기판(11) 및 하부기판(12)과 신호박막(100) 사이의 누전을 방지하게 된다.

상부 절연층(310) 및 하부 절연층(320)은 폴리아미드 등의 수지를 활용할 수 있다. 이러한 수지를 코팅시킴으로써, 절연성을 확보함은 물론, 충진되는 봉지재(70)와 기판들 사이에서 이들의 접착력을 향상시킬 수 있다.

상부 절연층(310)은 상부 솔더층(220)이 상부기판(11)에 부착되는 면적을 제외한 나머지 면적에 코팅되고, 하부 절연층(320)은 하부 솔더층(210)이 하부기판(12)에 부착되는 면적을 제외한 나머지 면적에 코팅되는 것이 바람직하다.

이렇게 미리 코팅된 절연층은, 솔더를 배치하는 위치를 한정하는 일종의 가이드 역할 또한 수행하게 된다. 즉, 절연층이 코팅되지 않은 부위는 움푹 파인 형상이 되므로, 이 부위에 솔더 및 반도체칩을 배치하고 솔더링할 때 배치 위치를 보다 정확하게 한정시킬 수 있는 것이다. 또한, 솔더링 공정 중에 용융된 솔더가 외부로 삐져나오는 현상도 절연층에 의해 가로막혀 억제될 수 있을 것이다.

신호박막(100)은 동박 또는 FPCB로 제공되는 것이 바람직하다. 이들은 전기전도성이 우수하면서도 유연성을 가지고 있기 때문에, 신호박막(100)과 연결되는 구동보드(60)와의 상대적 위치에 공차가 발생할 경우에도 문제 없이 연결될 수 있다. 이를 통해 실질적으로 제조시 허용 공차가 늘어나므로, 양산성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 신호박막(100)은 반도체칩(40)과 신호솔더층(110)을 매개로 연결될 수 있다. 이를 통해 반도체칩(40)과 신호박막(100) 사이의 접합력을 향상시키고, 전기 저항을 최소화시킬 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11: 상부기판 12: 하부기판
21: 하부솔더층 22: 중부솔더층
23: 상부솔더층 30: 스페이서
40: 반도체칩 50: 와이어
60: 구동보드 70: 봉지재
100: 신호박막 110: 신호솔더층
200: 솔더층 210: 하부솔더층
220: 상부솔더층 300: 절연층
310: 상부 절연층 320: 하부 절연층

Claims

하부기판; 및 상기 하부기판 상부에 배치된 상부기판;
상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 설치된 반도체칩;
상기 반도체칩과 상기 하부기판 사이에 설치된 하부 솔더층;
상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이에 설치된 상부 솔더층; 및
상기 반도체칩의 상부에 결합되어 구동 신호를 송수신하는 신호박막;을 포함하는, 박형 양면냉각 파워모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 하부기판의 상면에는 하부 절연층이 설치되고,
상기 하부 절연층은, 상기 하부 솔더층과 상기 하부기판이 맞닿는 면적을 제외한 상기 하부기판의 상면을 덮도록 설치되는 것을 특징으로 하는, 박형 양면냉각 파워모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 상부기판의 하면에는 상부 절연층이 설치되고,
상기 상부 절연층은, 상기 상부 솔더층과 상기 상부기판이 맞닿는 면적을 제외한 상기 상부기판의 하면을 덮도록 설치되는 것을 특징으로 하는, 박형 양면냉각 파워모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 신호박막은, 동 재질의 박막 또는 FPCB로 제공되는 것을 특징으로 하는, 박형 양면냉각 파워모듈.
청구항 4에 있어서,
상기 신호박막은, 상기 반도체칩의 상면과 솔더링되어 접합되는 것을 특징으로 하는, 박형 양면냉각 파워모듈.