KR20220014720A - 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조 - Google Patents

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김현욱
정강호
이현구
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Abstract

상하면을 관통하는 홀이 형성된 회로 기판; 및 상기 홀에 배치되며, 상기 회로 기판의 홀 주변 영역 일부와 접합된 파워 모듈을 포함하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조가 개시된다.

Description

파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조{STRUCTURE INCORPORATING POWERMODUE AND GATE BOARD}
본 발명은 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조에 관한 것이다.
최근 자동차 시장이 화석 연료를 사용하여 동력을 생성하는 자동차에서 전기 에너지를 이용하여 동력을 생성하는 전동화 차량으로 재편되는 추세에서, 전동화 차량의 모터를 구동하기 위해 전력 변환에 사용되는 파워 모듈과 파워 모듈을 제어하기 위한 게이트 보드에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
종래에는, 파워 모듈을 별물로 제작하고 파워 모듈에 제어 신호로 제공하는 게이트 보드의 회로 기판을 파워 모듈에 접합하는 형태의 제작이 이루어져 왔다. 파워 모듈과 회로 기판의 접합을 위해서는, 파워 모듈 자체가 그 내부의 전력 반도체 소자의 제어 신호 단자와 본딩 와이어 또는 클립으로 연결된 신호 리드를 별도로 구비하여야 했다. 종래에는 이러한 신호 리드를 보드와 체결함으로써 보드에서 생성된 제어 신호가 파워 모듈 내 전력 반도체 소자로 제공되어 전력 반도체 소자의 구동이 가능하였다.
특히, 종래에는 파워 모듈의 신호 리드와 회로 기판의 체결을 위해 수작업으로 신호 리드와 회로 기판 내 신호 리드 연결 단자를 정렬시켜 솔더링을 수행하여야 했으므로, 파워 모듈과 회로 기판의 체결을 위한 공수가 많이 소요되고 그에 따라 제작 시간이나 제작 단가가 높아졌다.
또한, 종래에는 파워 모듈 내에 신호 리드를 별도로 제작하여야 하므로 파워 모듈의 사이즈가 증대되고 그에 따라 파워 모듈 내 냉각이 필요 없는 구간(신호 리드가 차지하는 구간)이 증가하여 냉각 효율이 떨어지고, 파워 리드로 인해 신호 전달 경로가 길어짐으로써 기생 인덕턴스가 증가하여 고성능화에 제약이 있었다.
상기 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2020-0038615 A KR 10-2018-0069231 A KR 10-2018-0052143 A
이에 본 발명은, 파워 모듈 내 신호 리드가 차지하는 구간을 생략하여 파워 모듈의 냉각 효율 및 신호 전달 경로의 인덕턴스를 저감 시킬 수 있는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
상하면을 관통하는 홀이 형성된 회로 기판; 및
상기 홀에 배치되며, 상기 회로 기판의 홀 주변 영역 일부와 접합된 파워 모듈;
을 포함하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 파워 모듈은, 전력 반도체 소자; 및 상기 전력 반도체 소자의 하면과 접합된 상면을 포함하는 제1 금속층을 갖는 제1 기판을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조는, 상기 제1 금속층에 일단이 접합되고 상기 회로 기판의 상면에 타단이 접합되는 복수의 연결 구조물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 연결 구조물은 'L'자 형상을 가지며, 그 일단이 상기 제1 금속층 상면에 수직으로 접합되고, 그 타단이 상기 회로 기판의 상면과 나란하게 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 반도체 소자의 신호 단자는 상기 회로 기판 상면과 직접 연결 구조물에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 회로 기판에는 상기 파워 모듈 내 전력 반도체 소자를 제어하기 위한 제어 회로가 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 기판 하면에 배치된 냉각 채널을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 기판은 상기 제1 금속층의 하부에 접합된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 하부에 접합된 제2 금속층을 더 포함하며, 상기 냉각 채널은 상기 제2 금속층 하부에서 상기 제2 금속층과 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 파워 모듈은, 상기 전력 반도체 소자의 상면과 전기적으로 연결된 제2 기판을 더 포함하며, 상기 제1 기판은 상기 회로 기판의 하면 보다 하부에 배치되고 상기 제2 기판은 상기 회로 기판의 상면 보다 상부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 기판 하면 및 상기 제2 기판의 상면에 배치된 냉각 채널을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 기판은 상기 제1 금속층의 하부에 접합된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 하부에 접합된 제2 금속층을 더 포함하고, 상기 제2 기판은 상기 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결된 제3 금속층과 상기 제3 금속층 상부에 접합된 제2 절연층 및 상기 제2 절연층 상부에 접합된 제4 금속층을 포함하며, 상기 냉각 채널은 상기 제2 금속층 하부에서 상기 제2 금속층과 접촉하도록 배치되고 상기 제4 금속층 상부에서 상기 제4 금속층과 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조에 따르면, 파워 모듈 내 전력 반도체 소자의 제어 신호 단자와 게이트 보드의 회로 기판을 직접 본딩 와이어와 같은 전기적 연결 수단으로 연결할 수 있으므로, 파워 모듈 내 신호 리드를 생략할 수 있다.
이에 따라, 상기 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조에 따르면, 파워 모듈과 게이트 보드를 접합하기 위한 별도의 접합 공정을 생략하여 제작 공수와 제작 단가를 절감할 수 있으며, 신호 리드 생략을 통해 파워 모듈 내 냉각이 필요 없는 구간을 감소시켜 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 신호 전달 경로를 단축시켜 인덕턴스를 감소시킴으로써 파워 모듈의 고성능화를 달성할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조를 L-L'선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조에서 파워 모듈과 게이트 보드의 접합 구조를 더욱 상세하게 도시한 단면도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조의 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조를 L-L'선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조는, 상하면을 관통하는 홀(41, 42, 43)이 형성된 회로 기판(40)과, 홀 내에 배치되며 회로 기판(40)의 홀(41, 42, 43) 주변 영역 일부와 접합되어 고정된 적어도 하나 이상의 파워 모듈(10, 20, 30)을 포함하여 구성될 수 있다.
파워 모듈(10, 20, 30)은 전력 변환에 사용되는 스위칭 소자 및 다이오드 등을 구현한 전력 반도체 소자(13)와 전력 반도체 소자(13)와의 전기적 연결이 형성된 기판(11, 12) 및 스페이서(14)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 예에서, 파워 모듈(10, 20, 30)은 양면 냉각을 위해 전력 반도체 소자(13)의 상하에 각각 DBC(Double Bonded Copper) 기판(11, 12)이 배치되는 양면 냉각형 파워 모듈일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 양면 냉각형 구조를 갖는 파워 모듈에만 한정되지 않고 전력 반도체 소자의 일면에만 기판이 배치되는 구조의 파워 모듈 등 다양한 파워 모듈에도 적용될 수 있다.
회로 기판(40)은 파워 모듈(10, 20, 30) 내 전력 반도체 소자를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 회로가 구비되는 기판으로, 전력 반도체 소자의 구동 신호를 생성하는 구동 IC(Integrated Circuit) 칩, 구동 IC 칩을 보호하기 위한 과전류 보호 회로, 단락 보호 회로, 과온 보호 회로 등이 회로 기판(40) 상에 구현될 수 있다. 이러한 다양한 회로를 구현하는 다양한 전기 전자 소자가 회로 기판(40)에 실장되고 기판 상에 인쇄된 도전 패턴에 의해 전기 전자 소자들 간 전기적 연결이 형성될 수 있다. 회로 기판(40)은 당 기술 분야에서 게이트 보드로 명명되는 전기 장치를 구현하는데 적용되는 회로 기판일 수 있다.
전술한 바와 같이, 파워 모듈(10, 20, 30)은 양면 냉각을 위해 전력 반도체 소자(13)의 상하부에 각각 제1 기판(11)과 제2 기판(12)이 배치될 수 있다. 제1 기판(11)은 솔더층(141)에 의해 전력 반도체 소자(13)의 하면과 접합된 제1 금속층(111)과 제1 금속층(111)의 하부에 접합된 제1 절연층(112) 및 제1 절연층(112) 하부에 접합된 제2 금속층(113)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 기판(12)은 솔더층(142), 스페이서(14) 및 솔더층(143)을 통해 전력 반도체 소자(13)의 상면과 접합하는 제3 금속층(121)과 제3 금속층(121) 상부에 접합된 제2 절연층(122) 및 제2 절연층(122) 상부에 접합된 제4 금속층(123)을 포함할 수 있다.
이러한 양면 냉각 구조의 파워 모듈(10, 20, 30)이 적용되는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드이 통합 구조는 제2 금속층(113)의 하부 및 제4 금속층(123)의 상부에서 각각 제2 금속층(113) 및 제4 금속층(123)과 접촉하도록 배치된 냉각 채널을 더 포함할 수 있다.
냉각 채널의 배치를 위해, 제1 기판(11)은 회로 기판(40)의 하면 보다 하부에 배치되고 제2 기판(12)은 회로 기판(40)의 상면 보다 상부에 배치될 수 있다.
물론 하나의 기판만 구비하는 파워 모듈이 적용되는 경우에는 파워 모듈 내 기판이 회로 기판 보다 상부 또는 하부에 위치되도록 배치될 수 있고 기판과 접촉하도록 냉각 채널이 구비될 수도 있다.
와 같이, 파워 모듈(10, 20, 30)은 회로 기판(40)에 형성된 홀(41, 42, 43) 내에 배치되어 고정될 수 있도록 회로 기판의 홀 주변 영역 일부와 접합될 수 있다.
특히, 파워 모듈(10, 20, 30)에서 전력 반도체 소자(30)의 하면이 솔더층(141)에 의해 그 상면에 접합된 제1 기판(11)의 제1 금속층(111)과 회로 기판(40)의 상면이 연결 구조물(15)에 의해 서로 접합될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조에서 파워 모듈과 게이트 보드의 접합 구조를 더욱 상세하게 도시한 단면도이다.
도 3에 상세하게 도시된 것과 같이, 연결 구조물(15)은 'L'자 형상을 가질 수 있으며, 그 일단은 제1 금속층(111)의 상면에 수직으로 접합되고, 그 타단은 회로 기판(40)의 상면에 나란하게 접합될 수 있다. 연결 구조물(15)의 양단은 접합 솔더(51, 52)에 의해 회로 기판(40)의 상면 및 제1 금속층(111)에 각각 접합될 수 있다. 당 기술 분야에 알려진 다른 접합 공정(예를 들어, 레이저 접합, 신터링 등)을 통해서 접합되는 경우 솔더(51, 52)가 생략될 수도 있다.
또한, 도 1에서 각 파워 모듈(10, 20, 30)은 각각 네 개의 연결 구조물(15)에 의해 회로 기판(40)의 홀 내에 배치되도록 접합되지만, 연결 구조물(15)의 개수는 접합 강도, 접합 가능 공간 등 여러 요건에 따라 선택적으로 변경 가능하며, 그 위치 또한 선택적으로 변경 가능하다.
이러한 구조적 특징에 의해, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조는 파워 모듈(10, 20, 30)에 구비된 전력 반도체 소자(13)의 제어 신호 단자와 회로 기판(40)을 직접 본딩 와이어(16) 또는 클립과 같은 전기적 연결 수단으로 연결할 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 파워 모듈과 회로 기판의 연결은, 완성된 파워 모듈을 회로 기판 상에 별도로 체결하는 구조에 의해 완성될 수 있다. 이를 위해서는 파워 모듈 자체가 전력 반도체 소자의 제어 신호 단자와 본딩 와이어 또는 클립으로 연결된 신호 리드를 별도로 구비하여야 했다. 종래에는 이러한 신호 리드를 보드와 체결함으로써 보드에서 생성된 제어 신호가 파워 모듈 내 전력 반도체 소자로 제공되어 전력 반도체 소자의 구동이 가능하였다.
특히, 종래에는 파워 모듈의 신호 리드와 회로 기판의 체결을 위해 일일이 수작업으로 신호 리드와 회로 기판 내 신호 리드 연결 단자를 정렬시켜 솔더링을 수행하여야 했다. 따라서, 종래에는 파워 모듈과 회로 기판의 체결을 위한 공수가 많이 소요되고 그에 따라 제작 시간이나 제작 단가가 높아졌다.
또한, 신호 리드를 별도로 제작하여야 하므로 파워 모듈의 사이즈가 증대되고 그에 따라 파워 모듈 내 냉각이 필요 없는 구간이 증가하여 냉각 효율이 떨어지고, 파워 리드로 인해 신호 전달 경로가 길어짐으로써 기생 인덕턴스가 증가하여 고성능화에 제약이 있었다.
이에 반해, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조는, 파워 모듈과 게이트 보드를 나란하게 매우 인접한 상태로 배치되게 할 수 있어, 파워 모듈 내 전력 반도체 소자의 제어 신호 단자와 회로 기판을 직접 본딩 와이어와 같은 전기적 연결 수단으로 연결할 수 있다. 즉, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조는 파워 모듈 내 신호 리드를 생략할 수 있게 한다.
이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조는, 파워 모듈과 게이트 보드를 접합하기 위한 별도의 접합 공정을 생략할 수 있고, 신호 리드 생략을 통해 파워 모듈 내 냉각이 필요 없는 구간을 감소시켜 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 신호 전달 경로를 단축시켜 인덕턴스를 감소시킴으로써 파워 모듈의 고성능화를 달성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10, 20, 30: 파워 모듈 11: 제1 기판
111: 제1 금속층 112: 제1 절연층
113: 제2 금속층 12: 제2 기판
121: 제3 금속층 122: 제2 절연층
123: 제4 금속층 13: 전력 반도체 소자
14: 스페이서 141-143: 솔더층
15: 연결 구조물 16: 본딩 와이어
40: 회로 기판 51, 52: 접합 솔더

Claims (10)

  1. 상하면을 관통하는 홀이 형성된 회로 기판; 및
    상기 홀에 배치되며, 상기 회로 기판의 홀 주변 영역 일부와 접합된 파워 모듈;
    을 포함하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워 모듈은, 전력 반도체 소자; 및 상기 전력 반도체 소자의 하면과 접합된 상면을 포함하는 제1 금속층을 갖는 제1 기판을 포함하며,
    상기 제1 금속층에 일단이 접합되고 상기 회로 기판의 상면에 타단이 접합되는 복수의 연결 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연결 구조물은 'L'자 형상을 가지며, 그 일단이 상기 제1 금속층 상면에 수직으로 접합되고, 그 타단이 상기 회로 기판의 상면과 나란하게 접합된 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 전력 반도체 소자의 신호 단자는 상기 회로 기판 상면과 직접 연결 구조물에 의해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로 기판에는 상기 파워 모듈 내 전력 반도체 소자를 제어하기 위한 제어 회로가 구현된 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 기판 하면에 배치된 냉각 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 기판은 상기 제1 금속층의 하부에 접합된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 하부에 접합된 제2 금속층을 더 포함하며,
    상기 냉각 채널은 상기 제2 금속층 하부에서 상기 제2 금속층과 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 파워 모듈은, 상기 전력 반도체 소자의 상면과 전기적으로 연결된 제2 기판을 더 포함하며, 상기 제1 기판은 상기 회로 기판의 하면 보다 하부에 배치되고 상기 제2 기판은 상기 회로 기판의 상면 보다 상부에 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 기판 하면 및 상기 제2 기판의 상면에 배치된 냉각 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 기판은 상기 제1 금속층의 하부에 접합된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 하부에 접합된 제2 금속층을 더 포함하고,
    상기 제2 기판은 상기 전력 반도체 소자와 전기적으로 연결된 제3 금속층과 상기 제3 금속층 상부에 접합된 제2 절연층 및 상기 제2 절연층 상부에 접합된 제4 금속층을 포함하며,
    상기 냉각 채널은 상기 제2 금속층 하부에서 상기 제2 금속층과 접촉하도록 배치되고 상기 제4 금속층 상부에서 상기 제4 금속층과 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈 및 게이트 보드의 통합 구조.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180052143A (ko) 2016-11-09 2018-05-18 현대자동차주식회사 양면냉각형 파워모듈
KR20180069231A (ko) 2016-12-15 2018-06-25 현대자동차주식회사 양면냉각형 파워모듈
KR20200038615A (ko) 2018-10-04 2020-04-14 현대자동차주식회사 파워모듈

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