KR101897639B1 - 파워 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 전원과 전기적으로 연결되는 제 1 단자를 포함하는 제 1 금속부재; 상기 제 1 금속부재의 일면 상에 마운팅되는 하나 이상의 제 1 전력반도체; 상기 제 1 전력반도체의 상부에 배치되며 부하와 전기적으로 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 2 금속부재; 상기 제 2 금속부재의 일면 중 상기 제 1 전력반도체와 대응되는 면과 반대되는 면에 마운팅되는 하나 이상의 제 2 전력반도체; 및 상기 제 2 전력반도체의 상부면에 배치되며, 상기 전원과 전기적으로 연결되는 제 3 단자를 포함하는 제 3 금속부재;를 포함하며, 상기 제 1 단자, 제 2 단자 및 제 3 단자 중 어느 하나 이상은 각각 상기 제 1 금속부재, 제 2 금속부재 및 제 3 금속부재와 일체를 이루는 일부분에 해당되는 것인, 파워 모듈이 제공된다.

Description

파워 모듈{power module}
본 발명은 금속판 상에 마운팅된 전력반도체를 패키징하여 제조하는 파워 모듈(power module)에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 전력반도체를 패키징 하는 경우에 발생되는 열 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 방열 구조를 가지는 파워 모듈에 대한 것이다.
일반적으로 파워 모듈은 전원으로부터 높은 전력으로 구동되는 외부 부하에 전류를 공급하기 위한 스위치 소자로서 PMW(pulse width modulation) 신호에 제어된다. 전력시스템에 요구되는 전력량이 증가됨에 따라 파워 모듈의 발열량이 증가하게 되었으며, 이에 따라 방열 특성이 중요하게 되었다. 방열 특성을 향상시키기 위하여 방열판, 방열 패드 등이 등장하게 되었으며, 이로 인해 파워 모듈의 크기가 증가하였다. 한국공개특허 제2016-0050282호에 의하면 한쌍의 전력반도체를 연결하는 기판과 각종 스페이서를 사용하는 파워 모듈의 구조가 개시되어 있다. 그러나 이러한 파워 모듈은 구조가 복잡하고 파워 모듈에 사용되는 구리재료에 각종 터미널을 접합하기 위한 특수 접합 공정이 사용되면서 파우 모듈의 제조 원가가 상승하였다.
본 발명의 실시예는 복수의 전력반도체를 패키징하여 제조하는 경우에 발생되는 열 발생 문제를 보다 간단하고 효과적으로 해결할 수 있는 방열 구조를 구비한 파워 모듈의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 전원과 전기적으로 연결되는 제 1 단자를 포함하는 제 1 금속부재; 상기 제 1 금속부재의 일면 상에 마운팅되는 하나 이상의 제 1 전력반도체; 상기 제 1 전력반도체의 상부에 배치되며 부하와 전기적으로 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 2 금속부재; 상기 제 2 금속부재의 일면 중 상기 제 1 전력반도체와 대응되는 면과 반대되는 면에 마운팅되는 하나 이상의 제 2 전력반도체; 및 상기 제 2 전력반도체의 상부면에 배치되며, 상기 전원과 전기적으로 연결되는 제 3 단자를 포함하는 제 3 금속부재를 포함하며, 상기 제 1 단자, 제 2 단자 및 제 3 단자 중 어느 하나 이상은 각각 상기 제 1 금속부재, 제 2 금속부재 및 제 3 금속부재와 일체를 이루는 일부분에 해당되는 것인, 파워 모듈이 제공된다.
상기 제 1 단자 및 제 3 단자는 제 1 방향으로 신장되며, 상기 제 2 단자는 상기 제 1 방향과 다른 방향인 제 2 방향으로 연장되는 것일 수 있다.
또한 상기 제 1 단자 및 상기 제 3 단자는 서로 다른 높이를 가지며 엇갈리게 배치되는 것일 수 있다.
또한 상기 제 1 단자 또는 상기 제 3 단자 중 어느 하나 이상은 상기 제 1 방향과 수직한 방향에 대해 소정의 각도를 가지고 절곡된 후 제 1 방향으로 신장할 수 있다.
또한 상기 제 1 금속부재의 상기 제 1 전력반도체가 마운팅된 면에 하나 이상의 제 1 다이오드가 마운팅되고, 상기 제 2 금속부재의 상기 제 2 전력반도체가 마운팅된 면에 하나 이상의 제 2 다이오드가 마운팅될 수 있다.
또한 상기 제 1 전력반도체에 접합된 제 1 신호단자와 상기 제 2 전력반도체에 접합된 제 2 신호단자는 서로 반대방향으로 배치되는 것일 수 있으며, 상기 1 신호단자와 상기 제 2 신호단자는 상기 제 1 단자 및 상기 제 3 단자 사이에 배치될 수 있다.
또한 상기 제 1 전력반도체 및 상기 제 2 금속부재 사이에는 상기 제 1 전력반도체와 상기 제 2 금속부재를 전기적으로 연결할 수 있는 스페이서가 배치될 수 있다.
또한 상기 제 2 금속부재는 예를 들어, 유체가 통과할 수 있는 통로를 포함하는 중공형 플레이트 형태일 수 있다.
또한 상기 제 1 단자는 상기 제 1 전력반도체의 콜렉터(collector)와 전기적으로 연결되고, 상기 제 3 단자는 상기 제 2 전력반도체의 이미터(emitter)와 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 단자는 상기 제 1 전력반도체의 이미터 및 제 2 전력반도체의 콜렉터와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 1 금속부재의 상기 제 1 전력반도체가 마운팅되는 면의 반대면에는 제 1 전기절연체를 사이에 두고 제 4 금속부재가 배치되고, 상기 제 3 금속부재의 상기 제 2 전력반도체와 대응되는 면의 반대면에는 제 2 전기절연체를 사이에 두고 제 5 금속부재가 배치될 수 있다.
이때 상기 제 1 전기절연체 및 제 2 전기절연체 중 어느 하나 이상은 Al2O3 또는 AlN을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 전력반도체가 마운팅되는 금속부재의 일부분을 전원 단자로 활용함에 상기 금속부재가 방열 패드 및 전원 단자로 동시에 기능할 수 있다. 따라서 종래에 비해 작은 크기를 가지면서도 부유 인턱턴스를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 스위칭 효율을 향상시킬 수 있는 파워 모듈을 경제적으로 제조할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 따르는 파워 모듈의 평면도 이다.
도 2는 도 1의 파워 모듈을 구성요소별로 분해한 분해도 이다.
도 3은 도 1의 A-A’를 따라 절개한 부분의 단면도 이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예를 따르는 파워 모듈의 방열영역을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예를 따르는 파워 모듈의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예를 따르는 파워 모듈을 병렬 연결한 경우를 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 제 1 실시예를 따르는 파워 모듈의 평면도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 파워 모듈을 구성요소별로 분해한 분해도가 도시되어 있다. 또한 도 3에는 도 1의 A-A’구간을 절개한 경우의 단면도가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 파워 모듈(100)은 전원(미도시)과 전기적으로 연결되는 제 1 단자(102a)를 포함하는 제 1 금속부재(102), 제 1 금속부재(102)의 일면 상에 마운팅되는 제 1 전력반도체(108), 제 1 전력반도체(108)의 상부에 배치되며 부하(미도시)와 전기적으로 연결되는 제 2 단자(104a)를 포함하는 제 2 금속부재(104), 제 2 금속부재(104)의 일면 중 제 1 전력반도체(108)와 대응되는 면과 반대되는 면에 마운팅되는 제 2 전력반도체(118) 및 제 2 전력반도체(118)의 상부면에 배치되며, 상기 전원(미도시)과 전기적으로 연결되는 제 3 단자(106a)를 포함하는 제 3 금속부재(106)를 포함한다.
제 1 내지 제 3 금속부재(102, 104, 106)는 전기전도성 및 방열특성이 우수한 금속소재로 이루어진 판형 혹는 플레이트(plate) 형태를 가질 수 있다. 대표적으로 금속소재로는 구리(순수 구리 및 구리합금 포함)가 사용될 수 있다.
예컨대, 상술한 전원은 배터리(battery)와 같은 전기저장매체일 수 있고, 부하는 모터(motor)일 수 있다. 이 경우 파워 모듈(100)은 모터를 구동하기 위한 전력을 배터리로부터 공급받아 이를 모터에 공급하는 스위치(switch) 소자로서 기능할 수 있다.
본 실시예를 따르는 금속부재(102, 104, 106)는 전원 또는 부하와 전기적으로 연결되는 단자(102a, 104a, 106a)가 금속부재(102, 104, 106)와 별개로 존재하는 것이 아니라 각 금속부재의 일부분으로서, 일체로 형성되어 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 금속부재(102)의 일단부에는 전원의 양극(+)과 연결되는 제 1 단자(102a)가 특정 방향으로 돌출되어 형성되어 있다. 즉, 제 1 단자(102a)는 물리적으로 제 1 금속부재(102)와 일체를 이루며, 제 1 금속부재(102)의 일부분에 해당된다.
마찬가지로 전원의 음극(-)과 연결되는 제 3 단자(106a) 및 부하와 연결되는 제 2 단자(104a)도 각각 제 3 금속부재(106) 및 제 2 금속부재(104)와 일체를 이루는 일부분에 해당된다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제 1 단자(102a) 및 제 3 단자(106a)는 제 1 방향(-y방향)으로 신장되며, 제 2 단자(104a)는 제 2 방향(y방향)으로 신장된다. 또한 제 1 단자(102a) 및 제 3 단자(106a)는 파워 모듈(100)의 두께방향(z방향)으로 서로 다른 높이를 가지며, (x)방향으로 서로 엇갈리도록 배치된다.
도3을 참조하면, 제 1 단자(102a)는 제 1 금속부재(102)의 일부분이 (z)방향으로 절곡된 후 (-y)방향으로 신장하는 형태를 가질 수 있으며, 이와 같은 방식으로 제 3 단자(106a)는 제 3 금속부재(106)의 일부분이(-z)방향으로 절곡된 후 (-y)방향으로 신장되는 형태를 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제 1 및 제 3 단자(102a, 106a)는 상술한 절곡없이 제 1 및 제 3 금속부재(102, 106)로부터 같은 평면상에서 신장되도록 구성될 수 있다.
제 1 금속부재(102)의 일면에는 제 1 전력반도체(108)가 마운팅된다. 이때 선택적으로 동일면의 제 1 전력반도체(108) 측부에는 제 1 다이오드(110)가 마운팅될 수 있다. 제 2 전력반도체(118)가 마운팅되는 제 2 금속부재(104)의 일면에도 제 2 전력반도체(118)의 측부에 제 2 다이오드(116)가 배치될 수 있다.
전력반도체(108, 118)로는 FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) 반도체 소자들을 포함한다. 예를 들어 전력용 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 및 제 2 전력반도체(108, 118)는 제 1 및 제 2 금속부재(102, 104)에 접착층(140, 142)에 의해 접착될 수 있다. 예를 들어 솔더링(soldering)에 의해 접착될 경우 접착층(140, 142)은 솔더층이 된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전기전도성 접착제를 이용하여 접착을 수행할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 전력반도체(108)의 상부에는 제 1 전력반도체(108)를 제 2 금속부재(104)와 전기적으로 연결하는 스페이서(112)가 적층된다. 예컨대, 스페이서(112)는 제 1 전력반도체(108)와 접착층(141)에 의해 접착될 수 있다.
따라서 제 1 전력반도체(108)와 제 2 금속부재(104)는 스페이서(112)를 사이에 두고 스페이서(112)의 두께만큼 이격 배치되어 전기적으로 연결된다.
스페이서(112)는 제 1 전력반도체(108)를 제 2 금속부재(104)와 전기적으로 연결하며, 소정의 두께를 가짐에 따라 후속되는 공정 중 제 1 전력반도체(108)에 와이어를 본딩하는 작업을 용이하게 수행하게 할 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
이러한 스페이서(112)는 전기전도도를 가지는 물질로서, 금속소재를 포함할 수 있다.
선택적으로 제 1 전력반도체(108)에 측부에 제 1 다이오드(110)가 배치되는 경우에는 제 1 다이오드(110) 상부에도 스페이서(112)가 적층된다. 이 경우 제 1 전력반도체(108) 및 제 1 다이오드(110)는 스페이서(112)에 의해 제2 금속부재(104)에 전기적으로 연결된다.
전력반도체(118)의 상부에 배치되는 제 3 금속부재(106)도 접착층(143)층에 의해 서로 접착될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제 1 전력반도체(108) 및 제 2 전력반도체(118)의 게이트(gate)에 신호를 인가하는 제 1 및 제 2 신호 단자(signal terminal, 126, 128)는, 예를 들어 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 제 1 전력반도체(108) 및 제 2 전력반도체(118)의 게이트 단자에 각각에 접합된다.
이때 제 1 신호단자(126)는 (?) 방향으로 신장되도록 배치되고, 제 2 신호단자(128)는 이에 반대되는 (x)방향으로 배치될 수 있다.
또한 제 1 신호단자(126)와 제 2 신호단자(128)는 제 1 단자(102a) 및 제 2 단자(104a)의 사이, 혹은 제 3 단자(106a) 및 제 2 단자(104a) 사이에 배치될 수 있다.
제 1 단자(102a)는 제 1 전력반도체(108)의 콜렉터(collector)와 전기적으로 연결되어 있으며, 제 3 단자(106a)는 제 2 전력반도체(118)의 이미터(emitter)와 전기적으로 연결되어 있다. 한편 제 2 단자(104a)는 제 1 전력반도체(108)의 이미터 및 제 2 전력반도체(118)의 콜렉터와 연결되어 있다.
본 실시예를 따르는 파워 모듈(100)은 전력반도체가 마운팅되는 금속부재가 상기 전력반도체의 구동 중에 발생되는 높은 열을 외부로 방출시키는 방열 패드와 상기 전력반도체의 콜렉터 및/또는 이미터와 연결되는 전원 단자의 역할을 동시에 수행하게 된다.
즉, 전원 단자인 제 1 내지 제 3 단자(102a, 104a, 106a)는 각각 제 1 내지 제 3 금속부재(102, 104, 106)의 일부분에 해당되므로 방열 패드의 역할을 수행하면서 전기적으로는 외부의 전원을 전력반도체에 전기적으로 연결하게 된다.
도 4에는 본 실시예를 따르는 파워 모듈(100)의 방열 면적을 개략적으로 표시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 제 1 전력반도체(108) 및 제 2 전력반도체(118)가 마운팅된 제 1 및 제 2 금속부재(102, 104)는 방열특성이 우수한 금속, 예를 들어 구리로 이루어져 있으므로 제 1 전력반도체(108) 및 제 2 전력반도체(118)에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열 패드의 역할을 수행한다. 또한 제 2 전력반도체(118)의 상부에 적층되는 제 3 금속부재(106)도 제 2 전력반도체(118)와 접촉되어 있음으로 제 2 전력반도체(118)에서 발생한 열을 외부로 방출시키는 방열 패드의 역할을 수행한다.
예를 들어, 도면부호(310)은 제 1 전력반도체(108)의 콜렉터의 방열면적을 나타내며, 도면부호(320)는 제 1 전력반도체(108)의 이미터 및 제 2 전력반도체(118)의 콜렉터의 방열면적을 나타내며, 도면부호(330)는 제 2 전력반도체(118)의 이미터 방열면적을 나타낸다.
본 실시예의 경우 제 1 내지 제 3 금속부재(102, 104, 106)는 그 일부분을 전원 단자로 활용함에 따라 제 1 내지 제 3 단자(102a, 104a, 106a)는 방열 패드의 역할도 동시에 수행하게 된다.
종래에는 전력반도체에 전력을 공급하기 위한 전원 단자를 별도로 제조한 후 전력반도체가 마운팅된 금속부재(혹은 리드프레임)에 특수한 접합기술, 예를 들어 와이어 본딩, 초음파 접합 등의 방법을 이용하여 서로 접합하는 것이 일반적이었다. 이러한 종래기술에 의하면, 전원 단자는 단지 전기적 연결 부재로서 기능할 뿐이었다.
그러나 본 실시예의 경우에는 전원 단자(즉 제 1 내지 제 3 단자)가 별도로 제조되어 접합된 것이 아니라, 방열 패드의 역할을 수행하는 금속부재의 일부분을 그대로 사용한 것이므로 종래와 달리 방열 능력이 극대화 되게 된다.
또한 종래와 같이 별도의 단자를 접합하는 파워 모듈과 비교할 때, 별도의 단자가 접합된 것에 비해 접합 인턱턴스를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 스위칭 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 금속부재(102)의 일면 중 제 1 전력반도체(108)가 마운팅되는 면의 반대면에는 제 1 전기절연체(152)를 사이에 두고 제 4 금속부재(150)가 배치되고, 제 3 금속부재(106)의 일면 중 제 2 전력반도체(118)와 대응되는 면의 반대면에는 제 2 전기절연체(154)를 사이에 두고 제 5 금속부재(156)가 배치될 수 있다.
제 4 및 제 5 금속부재(150, 156)는 방열을 위한 것으로서 열전도도가 우수한 금속, 예를 들어 구리(구리합금 포함)로 이루어진 플레이트 일 수 있다.
제 1 및 제 2 전기절연체(152, 154)는 금속부재간의 절연을 위한 것으로서, 방열특성을 극대화하기 위하여 전형적으로 열전도도가 우수한 세라믹 소재가 사용될 수 있다. 이러한 세라믹 소재로는 예를 들어 Al2O3, AlN 등이 사용될 수 있다.
최종적으로 파워 모듈(100)은 에폭시, 기타 몰딩 컴파운드 등에 의해 몰딩된 하우징(160)으로 감싸지게 된다.
도 5에는 본 발명의 제 2 실시예를 따르는 파워 모듈(100)이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 제 2 실시예는 제 1 실시예와 제 2 금속부재(104)의 구조만 차이가 있으며 그 외의 구성은 실질적으로 동일하다. 제 2 실시예에 의하면, 제 2 금속부재(104)는 단순한 플레이트 형태가 아니 중간에 빈공간(1041)이 있는 중공형 플레이트 형태를 가진다. 빈공간(1041)으로는 유체가 통과할 수 있으며, 이러한 빈공간으로 냉각매체를 유동시킴으로써 제 2 금속부재의 냉각 효율을 극대화 할 수 있다.
냉각효율을 극대화하기 위하여 빈공간의 내부 표면은 돌기(1042)를 형성하여 표면적을 더 크게 할 수 있다. 다른 예로서 돌기(1042) 대신에 홈을 형성하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시예를 따른 파워 모듈을 병렬로 사용하는 경우를 예시한 도면이다. 본 발명의 실시예를 따르는 파워 모듈은 종래의 파워 모듈에 비해 부피가 작으므로 병렬 연결시 소자의 집적도가 증가하여 작은 면적도 더 많은 파워 모듈을 집적하는 것이 가능하다.
본 발명의 실싱예들에 의할 시, 복수의 전력반도체들은 동일한 평면에서 측면으로 배치되지 않고 서로 수직한 방향으로 적층되는 구조를 가지게 된다. 종래와 같이 복수의 전력반도체가 동일 평면에서 측면으로 배치되는 경우, 전력반도체의 개수가 증가할수록, 전력반도체들이 차지하는 평면의 면적이 증가하게 되며, 따라서 이러한 면적을 커버(cover)하기 위한 전기절연체의 면적도 이에 비례하여 증가하게 된다. 일반적으로 파워 모듈에 사용되는 전기절연체는 열전도성이 우수한 고가의 세라믹들이므로 이러한 소재들의 사용을 감소시키는 경우 원가 절감이 가능하다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 전력반도체들이 수직으로 적층됨에 따라, 전력반도체의 개수가 증가되어도 전력반도체들이 차지하는 평면의 면적은 실질적으로 큰 증가를 나타내지 않게 된다. 따라서 이러한 면적을 커버하기 위한 전기절연체의 면적이 실질적으로 증가되지 않기 때문에 상술한 고가의 세라믹 사용을 감소시켜 원가 절감을 달성할 수 있다. 이러한 열전도성이 우수한 전기절연체의 면적이 증가되지 않더라도 전력반도체가 마운팅되는 금속부재의 거의 전면적으로 방열 패드로서 사용할 수 있다는 점에서 종래에 비해 더 우수한 방열 특성을 나타낼 수 있다.
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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 파워 모듈
102, 104, 106 : 제 1 , 제 2 및 제 3 금속부재
102a, 104a, 106a : 제 1 , 제 2 및 제 3 단자
108, 118: 제 1 및 제 2 전력반도체
112, 120: 제 1 및 제 2 스페이서
126, 128 : 제 1 및 제 2 신호 단자

Claims (12)

  1. 전원과 전기적으로 연결되는 제 1 단자를 포함하는 제 1 금속부재;
    상기 제 1 금속부재의 일면 상에 마운팅되는 하나 이상의 제 1 전력반도체;
    상기 제 1 전력반도체의 상부에 배치되며 부하와 전기적으로 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 2 금속부재;
    상기 제 2 금속부재의 일면 중 상기 제 1 전력반도체와 대응되는 면과 반대되는 면에 마운팅되는 하나 이상의 제 2 전력반도체; 및
    상기 제 2 전력반도체의 상부면에 배치되며, 상기 전원과 전기적으로 연결되는 제 3 단자를 포함하는 제 3 금속부재;
    를 포함하며,
    상기 제 1 단자, 제 2 단자 및 제 3 단자 중 어느 하나 이상은 각각 상기 제 1금속부재, 제 2 금속부재 및 제 3 금속부재와 일체를 이루는 일부분에 해당되는 것이고,
    상기 제 2 금속부재는 유체가 통과할 수 있는 통로를 포함하는 중공형 플레이트 형태인,
    파워 모듈
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 3 단자는 제 1 방향으로 신장되며, 상기 제 2 단자는 상기 제 1 방향과 다른 방향인 제 2 방향으로 연장되는,
    파워 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 3 단자는 서로 다른 높이를 가지며 엇갈리게 배치되는,
    파워 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 또는 상기 제 3 단자 중 어느 하나 이상은 상기 제 1 방향과 수직한 방향에 대해 소정의 각도를 가지고 절곡된 후 제 1 방향으로 신장하는,
    파워 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속부재의 상기 제 1 전력반도체가 마운팅된 면에 하나 이상의 제 1 다이오드가 마운팅되고,
    상기 제 2 금속부재의 상기 제 2 전력반도체가 마운팅된 면에 하나 이상의 제 2 다이오드가 마운팅되는,
    파워 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력반도체에 접합된 제 1 신호단자와 상기 제 2 전력반도체에 접합된 제 2 신호단자는 서로 반대방향으로 배치되는,
    파워 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1 신호단자와 상기 제 2 신호단자는 상기 제 1 단자 및 상기 제 3 단자 사이에 배치되는,
    파워 모듈
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력반도체 및 상기 제 2 금속부재 사이에는 상기 제 1 전력반도체와 상기 제 2 금속부재를 전기적으로 연결할 수 있는 스페이서가 배치되는,
    파워 모듈.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자는 상기 제 1 전력반도체의 콜렉터(collector)와 전기적으로 연결되고,
    상기 제 3 단자는 상기 제 2 전력반도체의 이미터(emitter)와 전기적으로 연결되며,
    상기 제 2 단자는 상기 제 1 전력반도체의 이미터 및 제 2 전력반도체의 콜렉터와 연결되는,
    파워 모듈
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속부재의 상기 제 1 전력반도체가 마운팅되는 면의 반대면에는 제 1 전기절연체를 사이에 두고 제 4 금속부재가 배치되고,
    상기 제 3 금속부재의 상기 제 2 전력반도체와 대응되는 면의 반대면에는 제 2 전기절연체를 사이에 두고 제 5 금속부재가 배치되는,
    파워 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 전기절연체 및 제 2 전기절연체 중 어느 하나 이상은 Al2O3 또는 AlN을 포함하는,
    파워 모듈
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230145565A1 (en) * 2021-11-11 2023-05-11 Shinko Electric Industries Co., Ltd. Semiconductor device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010283236A (ja) * 2009-06-05 2010-12-16 Renesas Electronics Corp 半導体装置
JP2013058733A (ja) * 2011-06-08 2013-03-28 Internatl Rectifier Corp 両面冷却パワー半導体パッケージ
JP2013191788A (ja) * 2012-03-15 2013-09-26 Denso Corp 半導体モジュール及び半導体装置
JP2015225918A (ja) * 2014-05-27 2015-12-14 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 半導体モジュールおよび半導体スイッチ

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101388737B1 (ko) * 2012-04-12 2014-04-25 삼성전기주식회사 반도체 패키지, 반도체 모듈, 및 그 실장 구조

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010283236A (ja) * 2009-06-05 2010-12-16 Renesas Electronics Corp 半導体装置
JP2013058733A (ja) * 2011-06-08 2013-03-28 Internatl Rectifier Corp 両面冷却パワー半導体パッケージ
JP2013191788A (ja) * 2012-03-15 2013-09-26 Denso Corp 半導体モジュール及び半導体装置
JP2015225918A (ja) * 2014-05-27 2015-12-14 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 半導体モジュールおよび半導体スイッチ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102442951B1 (ko) 2022-02-04 2022-09-15 (주)아이에이파워트론 파워모듈 내 터미널의 전기적 연결 및 일체화 고정 장치

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