KR20150053522A

KR20150053522A - 파워 모듈

Info

Publication number: KR20150053522A
Application number: KR1020130135574A
Authority: KR
Inventors: 조준형; 송성민; 이석호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-18

Abstract

본 발명은 파워모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 파워모듈은 회로기판 안착홈이 구비된 방열기판; 상기 회로기판 안착홈에 삽입되는 회로기판; 및 상기 회로기판 상부에 형성된 파워칩; 을 포함하므로 방열기판의 휨을 방지할 수 있고, 제품 제조 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

파워 모듈{Power Module}

본 발명은 방열 기판의 홈부에 회로기판이 삽입되어 방열성이 증대된 파워모듈에 관한 것이다.

최근 급속하게 변화하는 가전 등의 전자기기 시장의 요구에 따라 소형화, 다기능, 고성능화를 구현하고, 기존의 파워 모듈과 대비하여, 고신뢰성, 고밀도 및 향상된 써멀 퍼포먼스(thermal performance)를 나타낼 수 있는 차세대 파워모듈의 개발 필요성이 제기되고 있다.

반도체 소자로 이루어지는 파워 디바이스를 구비한 파워 모듈에 있어서, 반도체 소자로부터 발생된 열을 효율적으로 방열시켜 반도체 소자의 온도를 소정 온도 이하로 유지시키는 것이 매우 중요하다.

따라서, 파워모듈은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)과 같이 열전도성이 높으면서 가격 경쟁력이 뛰어난 재료를 방열기판으로 두고, 반도체 소자가 접합하는 방열기판의 반대면에 히트 싱크(Heat Sink)를 결합시켜 쿨링(cooling)을 한다.

한편, 파워모듈은 방열 기판위에 가이드 지그(guide jig)를 이용하여 솔더 프리폼을 올려 놓고 회로기판을 올리고, 회로기판 위에 솔더 프리폼을 올려 놓아 반도체 소자를 올려 일괄적으로 솔더링하여 제조하였다.

그러나, 회로기판 고정용 가이드 지그와 반도체 소자 고정용 가이드 지그를 사용해야 하므로 공정 시간이 많이 소요될 수 밖에 없었고, 리플로우(reflow) 공정시 솔더 프리폼의 오버 플로우(over flow)를 방지할 수 없어 솔더의 기울어짐과 균일한 두께조절을 할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 방열기판 일면에 회로기판 및 반도체소자가 형성되므로 비대칭 구조에 따른 힘의 발생으로 방열기판의 휨을 방지할 수 없고 히트 싱크와 밀착결합력이 열화되어 파워모듈의 방열성이 저하되는 단점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0010166호

따라서, 본 발명은 종래 파워모듈에서 제기되는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 방열기판의 휨을 방지할 수 있으며 파워모듈 제조공정을 간소화 시킬 수 있는 파워모듈이 제공됨에 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 회로기판 안착홈이 구비된 방열기판; 상기 회로기판 안착홈에 삽입되는 회로기판; 및 상기 회로기판 상부에 개재된 파워칩; 을 포함하는 파워 모듈이 제공됨에 의해서 달성된다.

이때, 상기 회로기판은 상기 회로기판 안착홈 상면에 개재된 회로기판 안착 솔더층에 의해 상기 방열기판과 결합될 수 있다.

또한, 상기 회로기판 상면에 상기 파워칩이 삽입되는 파워칩 안착홈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 파워칩은 상기 파워칩 안착홈 상면에 형성된 파워칩 안착 솔더층에 의해 상기 회로기판과 결합될 수 있다.

또한, 상기 방열기판은 방열성을 갖는 금속재질일 수 있다.

또한, 상기 방열기판은 히트 싱크가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 파워칩은 상면을 밀봉하는 몰딩층을 더 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파워모듈은 회로기판 고정용 지그 및 파워칩 고정용 지그가 불필요하므로 제품 제조 공정시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 방열기판 또는/및 회로기판에 형성된 홈에 솔더 프리폼이 형성되어 리플로우시 솔더의 오버플러우가 방지되므로 솔더의 기울어짐 및 솔더의 두께를 균일하게 만들 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 방열기판의 휨을 방지할 수 있으므로 히트 싱크와 말착도를 높일 수 있어 방열효과를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 파워모듈의 실시예 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 파워모듈의 다른 실시예 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 파워모듈의 분해단면도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 다수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 파워모듈(100)의 실시예 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 파워모듈(100)의 다른 실시예 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 파워모듈(100)의 분해단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파워모듈(100)은 회로기판(120)이 삽입될 수 있는 홈이 구비된 방열기판(110)(베이스 플레이트: base plate)과 회로기판(120)에 실장되는 파워칩(130)으로 구성될 수 있다.

파워칩(130)은 작은 입력으로 큰 출력을 얻을 수 있는 예를 들면, IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), 다이오드(diode) 등의 소자일 수 있다. 이때, 파워칩(130)은 입력값을 증폭시켜 발진시키는 것으로서 이 과정에서 열이 발생할 수 있으므로 발생된 열을 효과적으로 제거시키는 것이 파워모듈 성능을 향상시킬 수 있고, 제품의 내구도를 향상시킬 수 있다.

파워칩(130)이 구동하여 발생된 열은 전도를 통해 외부로 방열시키는 것이 효율성이 높기 때문에 위해 파워칩(130)을 회로기판(120)과 접촉시켜 회로기판(120)에 열을 전달시킬 수 있다.

그리고, 방열기판(110)에 전달된 열이 외부 공간에 방사 되어 제거되는 과정이 지속적으로 이루어지면 적당한 열적 평형점이 형성되어 파워모듈의 동작에 적당한 온도 범위를 유지할 수 있다.

방열기판(110)은 열의 분산시키키는 히트 싱크(170)(Heat Sink)가 결합될 수 있다. 히트 싱크(170)는 열전달이 우수한 금속재질로 형성될 수 있고, 표면적을 극대화하여 열방출 면적을 넓히므로 파워모듈의 쿨링 효율을 높일 수 있다.

한편, 회로기판(120)은 파워칩(130)이 실장되어 전기적 신호를 전달하는 역할을 할 수 있고, 파워칩(130)에서 발생된 열이 방열기판(110)으로 열이 전달되는 경로가 될 수 있으므로 회로기판(120)은 열전달이 우수한 금속 재질로 구성될 수 있다.

또한, 회로기판(120)은 기계적 강도가 우수하며, 안정적이고 접착성이 좋아 파워칩(130)이나 방열기판(110)과의 접속성이 좋고, 무엇보다도 전기를 통전하지 않는 우수한 전기절연성을 가지면서 열전도성이 우수한 성질이 있어야 한다.

산업용 파워 모듈은 터프한 환경에서 사용되는 경우가 많기 때문에 기계적 강도가 우수하여 칩부품 또는/및 방열기판(110)과의 박리현상을 방지하기 위해 기계적 강도가 우수한 회로기판(120)을 선택할 수 있다.

회로기판(120)은 두꺼운 도체를 가져 열확산이 용이하고, 세라믹 성분으로 구성되어 기판의 휨을 빙지할 정도로 강성이 있는 DBC 기판 또는 IMS(Insulated Metal Substrate)기판일 수 있다.

방열기판(110)은 히트 싱크로 열을 전달시켜야하기 때문에 금속재질로 구성됨이 바람직할 수 있고, 회로기판(120)과 히트 싱크(170)사이의 간극을 없애 회로기판(120)과 히트 싱크를 밀착결합시켜 열전달의 효율을 극대화시키는 것이 바람직할 수 있다.

방열기판(110)은 열 전달의 효율이 높고 경제성을 뛰어난 금속재질로 구성될 수 있다. 이때, 방열기판(110)은 구리(Cu) 성분으로 베이스 플레이트(base plate)를 구성하거나 방열기판(110)은 구리 베이스에 니켈(Ni) 도금된 베이스 플레이트를 구성할 수 있다.

종래에는, 회로기판 및 파워칩을 고정시키는 가이드 지그(guide jig)를 이용하여 제품 제조 시간이 많이 소요되었고, 회로기판(120) 및 파워칩(130)은 방열기판에 비대칭으로 형성되므로 방열기판(110)의 휨(warpage)이 발생되어 히트 싱크(170)와 밀착결합되지 않아 방열 성능이 열화되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 회로기판(120) 및 파워칩(130)의 고정을 위한 가이드 지그를 배제시키고 방열기판(110)에 가해지는 힘을 분산시킬 수 있도록 방열기판(110) 상부에 회로기판(120)이 삽입될 수 있는 회로기판 안착홈(111)을 구비할 수 있다.

회로기판 안착홈(111)은 회로기판(120)이 삽입되어 안착될 수 있도록 회로기판(120)의 넓이와 대응될 수 있고, 회로기판(120)이 회로기판 안착홈(111)에 삽입되면 회로기판(120)의 위치가 고정될 수 있으므로 회로기판 고정용 가이드 지그가 불필요할 수 있다.

또한, 본 발명은 회로기판(120)이 회로기판 안착홈(111)에 삽입되어 결합되어 수직높이를 작게 형성할 수 있으므로, 방열기판(110)에 형성되는 응력을 감소시키고 방열기판(110)의 강성을 유지할 수 있으므로 방열기판(110)에 작용하는 휨현상을 예방할 수 있다.

한편, 회로기판(120)에 실장되는 파워칩(130)은 방열기판(110)의 사이즈보다 매우 작으므로 방열기판(110)의 휨에 미치는 영향도가 적을 수 있다. 따라서, 회로기판(120) 상부에 파워칩 안착 솔더층(142)을 도포하고 가이드 지그를 이용하여 파워칩(130)을 고정시킨 후 리플로우 공정을 수행하여 결합시킬 수 있다.

즉, 파워칩(130)이 실장될 회로기판(120) 영역에 솔더 프리폼을 도포하고 가이드 지그를 통해 파워칩(130)을 고정시킨후 리플로우 시켜 파워칩 안착 솔더층(142)을 형성할 수 있다.

또는, 회로기판(120)에 파워칩(130)이 삽입될 수 있는 파워칩 안착홈(121)이 구비되어 파워칩(130)을 파워칩 안착홈(121)에 안착시킬 수 있다.

이때, 회로기판(120)의 파워칩 안착홈(121) 상부에 형성된 솔더 프리폼이 리플로우 공정을 거치면 회로기판(120)과 파워칩(130) 사이에 파워칩 안착 솔더층(142)을 형성하여 상호 전기적으로 연결될 수 있고, 용융되었던 솔더가 경화되어 파워칩 안착 솔더층(142)을 형성하면서 파워칩(130)이 회로기판(120)에 고정될 수 있다.

파워칩(130)은 와이어 본딩(wire bonding)으로 파워칩(130)과 회로기판(120)을 연결하는 리드 프레임(160)을 통해 회로기판(120)과 전기적인 접속할 수 있다. 이때, 파워칩 안착 솔더층(142)은 파워칩(130)을 회로기판(120)에 고정시키기 위한 구성에 불과하므로 특정 패턴이 형성되지 않고 패드 형태로 파워칩 안착홈(121) 상면에 형성될 수 있다.

파워칩(130) 상부에는 다른 소자와 전기적으로 절연시키기 위해 에폭시(epoxy)로 구성된 몰딩층(150)이 덮여있을 수 있다. 또한, 몰딩층(150)은 파워칩(130)에서 발생된 열이 파워칩(130) 상부로 전달되는 것을 방지하고 회로기판(120) 및 방열기판(110) 방향으로 열의 흐름을 인도할 수 있다.

즉, 몰딩층(150)은 파워 모듈에서 발생한 열을 히트 싱크(170)가 구비된 방향으로 열전달 흐름을 형성할 수 있고, 히트 싱크(170)로 열의 이동을 집중시킬 수 있어 인접한 전자기기에 열의 영향이 최소화될 수 있도록 할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 파워 모듈의 분해 단면도이다. 도시된 바와 같이, 방열기판(110) 상부에는 회로기판(120)이 삽입될 수 있는 회로기판 안착홈(111)이 있고, 회로기판 안착홈(111)에 솔더 프리폼을 도포한 후 솔더 프리폼 상부에 회로기판(120)을 올려 놓는다.

회로기판(120)이 회로기판 안착홈(111)에 삽입되면서 솔더 프리폼 상부에 안착되면 회로기판(120) 상부에 형성된 파워칩 안착홈(121)에 솔더 프리폼을 도포하고 상부에 파워칩(130)을 올려 놓는다. 이때, 파워칩 안착홈(121)에 형성된 솔더 프리폼은 회로기판(120)이 방열기판에 실장되기 전에 미리 도포시킬 수 있다.

그리고, 방열기판(110), 회로기판(120) 및 파워칩(130)을 서로 고정시키기 위해 리플로우(reflow) 공정을 실시하면 솔더 프리폼이 용융되어 경화되면서 회로기판 안착 솔더층(141)과 파워칩 안착 솔더층(142)이 솔더링 접합되어 고정 될 수 있다.

회로기판 안착 솔더층(141)과 파워칩 안착 솔더층(142)은 각각 방열기판(110)과 회로기판(120), 회로기판(120)과 파워칩(130) 사이에서 개재되고, 각각 회로기판(120)과 파워칩(130)이 삽입되므로 리플로우 공정시 솔더가 홈부 상면으로 오버플로우(over flow)되지 않고, 솔더가 수평으로 평형을 이루기 때문에 회로기판 또는 파워칩이 기울어지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 방열기판(110) 상부에 회로기판(120)을 솔더 접합하기 전에 별도의 지그를 사용하여 고정시키는 공정을 배제시킬 수 있어 제품 제조 공정 시간을 현저히 줄일 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100. 파워모듈
110. 방열기판
111. 회로기판 안착홈
120. 회로기판
121. 파워칩 안착홈
130. 파워칩
141. 회로기판 안착 솔더층
142. 파워칩 안착 솔더층
150. 몰딩층
160. 리드 프레임
170. 히트 싱크

Claims

회로기판 안착홈이 구비된 방열기판;
상기 회로기판 안착홈에 삽입되는 회로기판; 및
상기 회로기판 상부에 개재된 파워칩;
을 포함하는 파워 모듈.
제1항에 있어서,
상기 회로기판은 상기 회로기판 안착홈 상면에 개재된 회로기판 안착 솔더층에 의해 상기 방열기판과 결합되는 파워모듈.
제1항에 있어서,
상기 회로기판 상면에 상기 파워칩이 삽입되는 파워칩 안착홈이 형성된 파워모듈.
제3항에 있어서,
상기 파워칩은 상기 파워칩 안착홈 상면에 형성된 파워칩 안착 솔더층에 의해 상기 회로기판과 결합되는 파워모듈.
제1항에 있어서,
상기 방열기판은 열전도성이 우수한 금속재질인 파워모듈.
제1항에 있어서,
상기 방열기판은 히트 싱크가 더 구비되는 파워모듈.
제1항에 있어서,
상기 파워칩은 상면을 밀봉하는 몰딩층을 더 포함하는 파워모듈.