KR20220017759A - 솔더링 구조 및 이를 갖는 파워 모듈 - Google Patents

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KR20220017759A
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solder
power module
soldering
dimples
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박준희
공남식
이현구
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현대자동차주식회사
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Abstract

솔더링 시 솔더의 넘침을 방지할 수 있는 솔더링 구조 및 이를 갖는 파워 모듈이 개시된다. 상기 솔더링 구조는, 솔더링 대상 부품 및 상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과, 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부를 포함하는 금속층을 포함할 수 있다.

Description

솔더링 구조 및 이를 갖는 파워 모듈{SOLDERING STURCTURE AND POWER MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 솔더링 구조 및 이를 갖는 파워 모듈에 관한 것으로, 솔더링 시 솔더의 넘침을 방지할 수 있는 솔더링 구조 및 이를 갖는 파워 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 동력을 생성하는 전기 모터를 구동하기 위해 전력 변환에 사용되는 파워 모듈은 전력 반도체 칩과 전력 반도체 칩의 상하부에 배치되는 기판 및 기타 다른 다양한 부품이 서로 접합되어 전기적 연결을 형성하는 구조를 갖는다. 전력 반도체 소자는 고전력을 변환하는 고속 스위칭이 이루어지므로 많은 발열이 이루어지며 이러한 발열을 용이하게 방출하여 성능 저하를 예방하기 위해 파워 모듈의 상하부에 냉각 채널을 부착할 수 있는 양면 냉각형 파워 모듈이 개발되었다. 양면 냉각형 파워 모듈을 파워 모듈의 상하부에 각각 기판을 구비하여 기판이 상하 냉각 채널과 접촉할 수 있는 구조를 갖는다.
이러한 양면 냉각형 파워 모듈의 경우 파워 모듈의 높이를 일정하게 제작하는 것이 중요하다. 이는, 파워 모듈 상하부 기판과 TIM(Thermal Interface Material)을 개재하여 접촉되는 냉각 채널이 파워 모듈과 균일한 접촉이 이루어질 수 있게 하여야 하며, 파워 모듈 제조 시 몰딩 공정에서 일정한 양의 몰딩재 주입 시 기판이나 다른 전기적 연결의 파손 우려가 있고, 몰딩재가 높이가 낮은 곳으로 침투해 파워 모듈의 냉각 성능이 저하될 수 있기 때문이다.
종래에 파워 모듈의 높이 제어는 파워 모듈 내 부품을 물리적/전기적으로 접합하는 솔더링 공정에 의해 이루어지고 있다. 더욱 상세하게는 파워 모듈의 상하부 기판 사이에 배치되는 부품들과 기판의 솔더링 또는 부품들 간의 솔더링 시 제공되는 솔더의 양을 많이 제공함으로써, 파워 모듈의 높이가 낮은 경우에는 많이 제공된 솔더에 의해 높이가 높아지게 하고 파워 모듈의 높이가 높은 경우에는 솔더가 주변으로 넘침으로써 높이를 낮추는 방식이 적용되었다.
그러나, 이러한 종래의 파워 모듈 높이 제어 방식은, 제공된 솔더가 넘치는 경우 기판에 형성된 금속층에 의한 패턴 경계면까지 솔더가 침투하여 기판에 솔더에 의한 응력이 부가되며 이러한 응력 부가는 열충격 시 기판을 구성하는 절연층(세라믹층)의 파손을 야기하는 문제를 발생시키게 된다.
상기의 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 10-2017-0092750 A KR 10-2017-0069363 A KR 10-2018-0052143 A
이에 본 발명은, 파워 모듈의 높이 제어를 위해 많은 양의 솔더가 제공되더라도 솔더가 넘치는 현상을 최소화함으로써 솔더 넘침으로 인한 파워 모듈 파손 등의 문제를 해소할 수 있는 솔더링 구조 및 이를 포함하는 파워 모듈을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
솔더링 대상 부품; 및
상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과, 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부를 포함하는 금속층;
을 포함하는 솔더링 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조에서, 상기 홈부는 상기 접합 영역을 둘러싸는 복수의 딤플을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조에서, 상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름보다 작을 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름의 1/2 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조에서, 상기 솔더링 대상 부품은 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조에서, 상기 솔더링 대상 부품은 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재가 표면에 도금될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조에서, 상기 솔더링 대상 부품은 상기 접합 영역과 대면하는 일면과 상기 일면에 수직인 측면을 가지며, 상기 솔더는 상기 솔더링 대상 부품의 측면까지 연장 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
솔더링 대상 부품; 및
상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부가 형성된 상면을 제1 금속층과, 상기 제1 금속층의 하면에 접합된 절연층 및 상기 절연층의 하면에 접합된 제2 금속층을 갖는 기판;
을 포함하는 파워 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 홈부는 상기 접합 영역을 둘러싸는 복수의 딤플을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름보다 작을 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름의 1/2 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 솔더링 대상 부품은 상기 제1 금속층과 타 부품 사이의 전기적 연결을 형성하는 스페이서일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈은, 상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부가 형성된 상면을 제3 금속층과, 상기 제3 금속층의 하면에 접합된 절연층 및 상기 절연층의 하면에 접합된 제4 금속층을 갖는 제2 기판을 더 포함하며, 상기 솔더링 대상 부품은 상기 제1 금속층과 상기 제3 금속층 사이의 전기적 연결을 형성하는 스페이서일 수 있다.
상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부가 형성된 상면을 제3 금속층과, 상기 제3 금속층의 하면에 접합된 절연층 및 상기 절연층의 하면에 접합된 제4 금속층을 갖는 제2 기판을 더 포함하며,
상기 솔더링 대상 부품은 상기 제1 금속층과 상기 제3 금속층 사이의 전기적 연결을 형성하는 스페이서인 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 스페이서는 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 스페이서는 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재가 표면에 도금될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 스페이서는 상기 접합 영역과 대면하는 일면과 상기 일면에 수직인 측면을 가지며, 상기 솔더는 상기 스페이서의 측면까지 연장 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 모듈에서, 상기 홈부의 깊이는 상기 제1 금속층의 두께보다 작을 수 있으며, 상기 홈부의 깊이는 상기 제3 금속층의 두께보다 작을 수 있다.
상기 솔더링 구조 및 이를 포함하는 파워 모듈에 따르면, 파워 모듈 제조 공정에서 파워 모듈의 높이 제어를 위해 많은 양의 솔더가 제공되더라도 솔더가 기판의 금속층에 형성된 패턴 경계까지 넘치는 것을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 상기 솔더링 구조 및 이를 포함하는 파워 모듈에 따르면, 넘친 솔더에 의해 기판에 응력이 부가되는 것을 방지하여 열 충격에 의해 기판이 파손되는 것을 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조가 적용된 파워 모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시형태에서 솔더링 구조를 더욱 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조의 금속층 표면을 도시한 평면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 비교예로서 다양한 형상의 홈부의 형상과 그에 따른 금속층 패턴 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조의 홈부의 형상 및 금속층 패턴 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 비교예로서 홈부를 구성하는 복수의 딤플 간 간격을 증가시킨 예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 솔더링 구조 및 파워 모듈을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조가 적용된 파워 모듈을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 파워 모듈(1)은 양면 냉각형 파워 모듈로서 상하부에 기판(10, 20)을 구비한 형태를 가질 수 있다.
상부 기판(10)은 제1 금속층(11)과 제1 금속층(11)의 상면에 접합된 유전체층(12) 및 유전체층(12)의 상면에 접합된 제2 금속층(13)을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만 제2 금속층(13)의 상면에는 TIM을 개재하여 냉각 채널이 배치될 수 있다.
상부 기판(10)과 마찬가지로, 하부 기판(20)은 제1 금속층(21)과 제1 금속층(21)의 하면에 접합된 유전체층(22) 및 유전체층(22)의 하면에 접합된 제2 금속층(23)을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만 제2 금속층(23)의 하면에는 TIM을 개재하여 냉각 채널이 배치될 수 있다.
이러한 상부 기판(10)과 하부 기판(20)에 포함된 유전체층(12, 22)은 그 제조 공정의 특성 상 두께의 공차가 크게 발생할 수 있다. 따라서, 상부 기판(10)과 하부 기판(20)에 포함된 유전체층(12, 22)의 두께 공차를 보상하여 전체 파워 모듈(1)의 높이를 일정하게 하기 위해 파워 모듈(1) 내 각 부품들의 물리적/전기적 접합을 형성하는 솔더(51-53)의 양을 증가시켜 솔더(51-53)가 용융됨으로 인한 높이 조정이 이루어지게 할 수 있다.
예를 들어, 파워 모듈(1)의 높이가 설정치보다 작은 것을 보상하기 위해 많은 양을 솔더가 적용될 수 있으며, 높이가 설정치보다 높아 낮추어야 하는 경우에는 용융된 솔더(51-53)가 넓게 퍼져 나감으로써 높이가 감소할 수 있다.
높이 조정을 위한 솔더(51-53)는 상하 기판(10, 20) 사이에서 양 기판(10, 20)에 직간접적으로 연결되는 부품의 접합에 적용되는 솔더인 것이 바람직하다. 특히, 높이 조정을 위한 솔더는 기판(10, 10)의 금속층(11, 21)과 솔더에 의해 접합되며 파워 모듈의 동작이나 내구성 등에 영향을 주지 않는 부품에 적용되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 1에서 솔더(51-53)는 스페이서(31, 32)와 기판(10, 20)의 금속층(11, 21)의 접합에 사용되는 솔더로서 높이 조정에 적합하다. 솔더(54, 55)는 전력 반도체 칩(40)의 접합에 사용되는 솔더이므로 솔더가 넘침 등에 의해 솔더가 전력 반도체 칩(40)의 동작에 영향을 미칠 수 있으므로 높이 조정에 적합하지 않다. 또한, 솔더(56)은 리드(61)을 기판(20)의 금속층(21)에 접합하는 것으로 상부 기판(10)과는 직간접적인 연결관계를 가지지 않으므로 높이 조정에 적합하지 않다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조는 도 1에 도시된 참조부호 'A1' 및 'A2'로 표시된 부분에 적용된 것으로, 솔더링 대상 부품(31, 32)과 솔더링 대상 부품(31, 32)이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과 접합 영역이 주변에 형성된 홈부(D)를 포함하는 금속층(11, 21)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조가 적용된 파워 모듈(1)에서, 솔더링 대상 부품은 스페이서(31, 32)가 될 수 있으며, 금속층은 기판(10, 20)을 구성하는 금속층(11, 21)이 될 수 있다.
특히, 비아 스페이서(31)는 다른 부품의 개입 없이 그 상단이 상부 기판(10)의 제1 금속층(11)과 솔더(51)로 접합되고 그 하단이 하부 기판(20)의 제1 금속층(21)과 솔더(52)로 접합되는 스페이서로서 그 양단에 접합되는 두 금속층(11, 21)에 모두 홈부(D)가 형성될 수 있다.
전력 반도체 칩(40)과 일단이 솔더(54)로 접합되는 스페이서(32)는 그 타단이 제1 기판(10)의 제1 금속층(11)과 솔더(53)로 접합되므로 제1 기판(10)의 제1 금속층(11)에만 홈부(D)가 형성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 실시형태에서 솔더링 구조를 더욱 확대하여 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조의 금속층 표면을 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 'A1'으로 표시된 영역을 더욱 상세하게 도시한 것이며, 도 3은 도 1의 'A1' 또는 'A2'로 표시된 영역에서 스페이서(31, 32)와 금속층(11 또는 31)이 접합되는 평면을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조에서 금속층(11, 21)은 스페이서(31, 32)와 같은 솔더링 대상 부품의 일면이 접합되는 접합 영역(R)과, 접합 영역(R)의 주위에 형성된 홈부(D)를 포함할 수 있다.
홈부(D)는 스페이서(31, 32)와 금속층(11, 21)의 접합을 위해 사용된 솔더가 용융 상태에서 금속층(11, 21)의 표면을 따라 이동하는 것을 차단할 수 있다, 대신 용융 상태의 솔더는 스페이서(31, 32)의 측면을 따라 상하 방향으로 이동할 수 있다. 여기에서 스페이서(31, 32)의 측면은 금속층(11, 21)과 대면하는 스페이서(31, 32)의 일면에 수직 방향으로 형성되는 면을 의미하며, 도 1이나 도 2에 도시된 상태에서의 스페이서(31, 32)의 좌우에 해당하는 면을 의미한다.
이와 같이, 용융 상태의 솔더(51, 52)가 금속층(11, 21)의 표면을 따라 확산되지 않고 스페이서(31, 32)의 측면을 따라 이동하기 위해서는 스페이서(31, 32)의 표면이 젖음성(wettability)이 우수하여야 한다.
솔더링에서 젖음성(wettability)이란 용융된 솔더가 모재 금속, 즉 본 발명의 여러 실시형태에서는 스페이서(31, 32)의 표면에 퍼져 나가는 성질을 의미하며, 젖음성이 우수한 금속이 스페이서(31, 32)의 표면에 채용되어야 솔더가 금속층(11, 21)의 표면을 이동하여 패턴에 영향을 미치는 것을 예방할 수 있다.
이를 위해, 스페이서(31, 32)는, 용융 상태의 솔더가 형성하는 접촉각이 낮아(예를 들어, 접촉각이 약 40도 이하) 젖음성이 우수한 Cu, Au, Ag, Ni 등의 금속으로 제작되거나 이들 금속이 표면에 도금된 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는, 용융 상태의 솔더가 금속층(11, 21)의 표면을 따라 이동하는 것을 방지하고 솔더(51, 52, 53)가 스페이서(31, 32)의 측면으로 이동하게 함으로써, 파워 모듈의 높이 조정을 위해 많은 양의 솔더가 적용되더라도 솔더의 넘침 현상에 의해 솔더가 금속층(11, 21)이 형성하는 패턴에 영향을 미치는 것을 차단할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 홈부(D)는 접합 영역(R)의 주변으로 접합 영역(D)을 둘러싸도록 배치되는 복수의 딤플(dimple) 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 홈부의 형상을 다양하게 변경하여 가장 효과적으로 솔더의 넘침으로 인한 금속층 패턴 변형 발생 여부를 시험하였다. 이 시험 결과가 도 4 내지 도 8에 도시된다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 비교예로서 다양한 형상의 홈부의 형상과 그에 따른 금속층 패턴 상태를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조의 홈부의 형상 및 금속층 패턴 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 사각형의 평면 형상을 갖는 접합 영역(R')의 변 방향을 따라 그루브 형태로 홈부(D')를 설치한 예이고, 도 5는 사각형의 평면 형상을 갖는 접합 영역(R')의 꼭지점 인근에 L자 형상의 그루브로 홈부(D')를 형성한 예이며, 도 6은 도 4에 도시한 비교예의 홈부와 접합 영역 간의 간격을 감소시킨 예이며, 도 7은 도 4에 도시한 비교예의 홈부와 접합 영역 간의 간격을 증가시킨 예이다.
도 4 내지 도 7의 하부에 나타난 사진과 같이 모든 비교예에서 솔더 넘침에 의해 금속층의 패턴에 변형(E)이 발생함을 확인할 수 있다. 이와 같이 솔더가 금속층의 패턴에 변형을 발생시킨 경우 열충격에 의한 기판 파손 등의 문제가 발생할 수 있다.
이에 반해, 도 8에 나타난 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 구조는 금속층의 패턴에 어떠한 영향도 미치지 않음을 확인할 수 있다.
이와 같은 결과는 비교예의 그루브 형상의 홈부(D')에는 쉽게 솔더가 흘러들어가 채워질 수 있기 때문에 솔더를 가두는 효과가 떨어기지 때문이다.
또한, 절연층(12, 22)이 노출되면 금속층(11, 21)에 의한 전기적 경로가 변경될 뿐만 아니라 응력 분산에도 불리하기 때문에 절연층(12, 22)을 노출시키지 않는 상태로 금속층(11, 21)의 일부만 제거하여 홈부를 형성할 필요가 있다. 그러나 도 4 내지 도 7의 비교예와 같이 그루브 형상의 홈부(D')를 형성하기 위해 적용되는 에칭 공정의 정밀도를 감안하면, 기판(10, 20)의 절연층(12, 22)을 노출시키지 않는 상태로 금속층(11, 21)의 일부를 제거하는 것이 매우 까다롭다.
이와 같이, 솔더 넘침 방지의 효과의 측면 및 공정의 난이도 측면 모두에서 본 발명의 일 실시형태와 같이 딤플 형상의 홈부를 형성하는 것이 매우 유리하다.
도 9는 본 발명의 비교예로서 홈부를 구성하는 복수의 딤플 간 간격을 증가시킨 예를 도시한 도면이다. 도 8과 도 9의 비교를 통해 확인할 수 있듯이, 딤플의 간격이 크게 형성된 경우에는 솔더의 넘침에 의해 금속층 패턴의 변형(E)이 발생하였음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 딤플(D)과 솔더링 대상 부품 사이에서 솔더가 칩의 측면을 타고 상승하게 함으로써 솔더의 넘침을 방지하게 한다. 즉, 본 발명의 솔더 가둠은 딤플(D) 내에 솔더를 담아두는 것이 아니라 딤플(D)과 솔더링 대상 부품 사이에 솔더를 가두는 것에 의해 발생하는 것이다. 이러한 딤플에 의한 솔더 가둠은 딤플 사이의 간격이 조밀한 경우 더욱 용이하게 이루어질 수 있으며, 바람직하게 복수의 딤플(D) 각각 사이의 간격은 복수의 딤플 각각의 지름보다 작을 수 있다. 더욱 바람직하게, 복수의 딤플(D) 각각 사이의 간격은 복수의 딤플 각각의 지름의 1/2 이하일 수 있다.
더하여, 형성하여야 하는 딤플(D)의 개수가 한정되는 경우 딤플(D)은 주로 솔더링 대상 영역의 꼭지점 부분에 형성되는 것이 바람직하다. 솔더링 시 솔더가 녹으면서 압착이 이루어지는 경우 솔더링 대상 부품이 솔더가 젖은 부위를 따라 솔더링 영역에서 이탈하거나 회전할 수 있는데, 솔더링 대상 영역의 꼭지점에 인접하여 딤플(D)을 형성하는 경우 솔더링 대상 부품의 꼭지점 부근에서 솔더의 가둠이 이루어져 솔더링 대상 부품이 이동하거나 회전하는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 솔더링 구조 및 이를 포함하는 파워 모듈에 따르면, 파워 모듈 제조 공정에서 파워 모듈의 높이 제어를 위해 많은 양의 솔더가 제공되더라도 솔더가 기판의 금속층에 형성된 패턴 경계까지 넘치는 것을 최소화할 수 있으며, 그에 따라, 솔더 넘침에 의해 기판에 응력이 부가되는 것을 방지하여 열 충격에 의해 기판이 파손되는 것을 예방할 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: 상부기판 11: 상부기판의 제1 금속층
12: 상부기판의 절연층 13: 상부기판의 제3 금속층
20: 하부기판 21: 하부기판의 제1 금속층
22: 하부기판의 절연층 23: 하부기판의 제3 금속층
31, 32: 스페이서 40: 전력 반도체 칩
51-53: 솔더 D: 홈부(딤플)
R: 접합영역

Claims (18)

  1. 솔더링 대상 부품; 및
    상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과, 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부를 포함하는 금속층;
    을 포함하는 솔더링 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈부는 상기 접합 영역을 둘러싸는 복수의 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더링 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 솔더링 구조.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 솔더링 구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 솔더링 대상 부품은 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 솔더링 구조.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 솔더링 대상 부품은 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재가 표면에 도금된 것을 특징으로 하는 솔더링 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 솔더링 대상 부품은 상기 접합 영역과 대면하는 일면과 상기 일면에 수직인 측면을 가지며, 상기 솔더는 상기 솔더링 대상 부품의 측면까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링 구조.
  8. 솔더링 대상 부품; 및
    상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부가 형성된 상면을 제1 금속층과, 상기 제1 금속층의 하면에 접합된 절연층 및 상기 절연층의 하면에 접합된 제2 금속층을 갖는 기판;
    을 포함하는 파워 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 홈부는 상기 접합 영역을 둘러싸는 복수의 딤플을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 딤플 각각 사이의 간격은 상기 복수의 딤플의 지름의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 솔더링 대상 부품은 상기 제1 금속층과 타 부품 사이의 전기적 연결을 형성하는 스페이서인 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 솔더링 대상 부품이 솔더에 의해 접합되는 접합 영역과 상기 접합 영역의 주변에 형성된 홈부가 형성된 상면을 제3 금속층과, 상기 제3 금속층의 하면에 접합된 절연층 및 상기 절연층의 하면에 접합된 제4 금속층을 갖는 제2 기판을 더 포함하며,
    상기 솔더링 대상 부품은 상기 제1 금속층과 상기 제3 금속층 사이의 전기적 연결을 형성하는 스페이서인 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 스페이서는 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  15. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 스페이서는 솔더 젖음성이 우수한 Cu, Ag, Au, 또는 Ni의 금속 소재가 표면에 도금된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  16. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 접합 영역과 대면하는 일면과 상기 일면에 수직인 측면을 가지며, 상기 솔더는 상기 스페이서의 측면까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  17. 청구항 8에 있어서,
    상기 홈부의 깊이는 상기 제1 금속층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 홈부의 깊이는 상기 제3 금속층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024144121A1 (ko) * 2022-12-29 2024-07-04 주식회사 아모그린텍 파워모듈용 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240028223A (ko) * 2022-08-24 2024-03-05 현대자동차주식회사 차량용 파워 모듈

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170069363A (ko) 2015-12-10 2017-06-21 현대자동차주식회사 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법
KR20170092750A (ko) 2016-02-03 2017-08-14 현대자동차주식회사 양면냉각형 파워모듈 솔더링 지그
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008270455A (ja) * 2007-04-19 2008-11-06 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール
KR101956996B1 (ko) * 2016-12-15 2019-06-24 현대자동차주식회사 양면냉각형 파워모듈
CN206388700U (zh) * 2016-12-28 2017-08-08 上海凯虹科技电子有限公司 一种可靠性高的封装体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170069363A (ko) 2015-12-10 2017-06-21 현대자동차주식회사 파워모듈용 접합재를 이용한 파워모듈 접합방법
KR20170092750A (ko) 2016-02-03 2017-08-14 현대자동차주식회사 양면냉각형 파워모듈 솔더링 지그
KR20180052143A (ko) 2016-11-09 2018-05-18 현대자동차주식회사 양면냉각형 파워모듈

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024144121A1 (ko) * 2022-12-29 2024-07-04 주식회사 아모그린텍 파워모듈용 세라믹 기판 및 이를 포함하는 파워모듈

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