KR102248521B1 - 전력 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제조가 용이한 전력 모듈에 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 전력 모듈은, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈은, 방열 기판, 내부에 상기 방열 기판이 배치되는 공간이 형성된 프레임, 일단이 상기 방열 기판에 접합되고 타단은 상기 프레임의 외부로 노출되는 다수의 단자 핀, 및 상기 단자 핀 상에 실장되는 적어도 하나의 전자 소자를 포함할 수 있다.

Description

전력 모듈 및 그 제조 방법{POWER MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 제조가 용이한 전력 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

가전용/산업용 제품의 전력 모듈 시장은 모듈의 고용량화/소형화를 요구하는 추세이며, 이러한 추세는 필연적으로 소자의 고집적화를 야기한다.

소자의 고집적화로 인해 모듈 내부에는 상당한 열이 발생되며, 이 열을 효과적으로 방출시키는 것이 모듈의 전기적 특성 및 신뢰성 확보 측면에서 상당히 중요하다.

전력 모듈에서 발열은 구조물의 열변형에 의해 부품들의 수명에 큰 영향을 미치고 있기 때문에 냉각성능을 높이는 구조에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나 효율을 높이기 위한 복잡한 구조는 양산 시의 단가를 높이는 결과로 나타나므로 실질적으로는 단순하면서도 제작이 쉬운 고효율　구조가 필요하다.

한국공개특허공보 제2009-0094981호

본 발명은 방열 특성이 뛰어난 전력 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈은, 방열 기판, 내부에 상기 방열 기판이 배치되는 공간이 형성된 프레임, 일단이 상기 방열 기판에 접합되고 타단은 상기 프레임의 외부로 노출되는 다수의 단자 핀, 및 상기 단자 핀 상에 실장되는 적어도 하나의 전자 소자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 구성되는 전력 모듈은, 단자 핀이 하우징에 일체로 형성되지 않고, 기판에 먼저 접합된 후 하우징에 결합된다.

따라서 단자 핀과 기판을 전기적으로 연결하기 위해, 본딩 와이어를 이용할 필요가 없으며, 이에 따라 와이어 본딩 공정도 생략할 수 있다.

또한 단자 핀을 이용하여 제1 기판의 패드부를 형성하므로, 패드부의 두께를 최대화할 수 있으며, 이에 열방출 효과를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈을 개략적으로 도시한 저면도.
도 2는 도 1의 분해 사시도.
도 3은 단자 핀이 결합된 하우징을 개략적으로 도시한 부분 확대 사시도.
도 4는 도 1의 A-A에 따른 부분 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈을 개략적으로 도시한 저면도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이며, 도 3은 단자 핀이 결합된 하우징을 개략적으로 도시한 부분 확대 사시도이다. 또한 도 4는 도 1의 A-A에 따른 부분 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 모듈(100)은, 전자 소자(11), 제1, 제2 기판(10, 20), 및 하우징(30)을 포함하여 구성될 수 있다.

전자 소자(11)는 전력 소자(12)와 제어 소자(13)를 포함할 수 있다.

전력 소자(12)는 서보 드라이버, 인버터, 전력 레귤레이터 및 컨버터 등과 같은 전력 제어를 위한 전력 변환 또는 전력 제어를 위한 전력 회로 소자일 수 있다.

예를 들어, 전력 소자(12)는 전력 모스펫(power MOSFET), 바이폴라 졍션 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT), 다이오드(diode) 이거나 이들의 조합을 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에 있어서 전력 소자(12)는 상술한 소자들을 모두 포함하거나 또는 그 일부를 포함할 수 있다.

특히, 본 실시예에 따른 전력 소자(12)는 모스펫(MOSFET)과 고속 회복 다이오드(FRD)를 한 쌍으로 하여, 여러 쌍으로 구성될 수 있다. 그러나 이는 하나의 예시일 뿐, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 전력 소자들(12)은 발열이 큰 소자들로, 후술되는 제1 기판(10)에 실장된다.

제어 소자(13)는 본딩 와이어(60) 등을 통해 전력 소자들(12)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 전력 소자(12)의 동작을 제어할 수 있다.

제어 소자(13)는 예를 들어, 마이크로 프로세서(microprocessor)일 수 있으나, 이에 더하여 저항, 인버터, 또는 콘덴서와 같은 수동 소자, 또는 트랜지스터와 같은 능동 소자들이 더 부가될 수 있다.

한편, 제어 소자(13)는 하나의 전력 소자(12)에 대하여 하나 또는 다수개가 배치될 수 있다. 즉, 제어 소자(13)의 종류 및 개수는 전력 소자(12)의 종류와 개수에 따라서 적절하게 선택될 수 있다.

이러한 제어 소자들(13)은 후술되는 제2 기판(20)에 실장된다.

본 실시예에 따른 전자 소자들(11) 중 전력 소자들(12)은 본딩 와이어(60)를 통해 제1 기판(10) 또는 제2 기판(20)과 전기적으로 연결된다. 따라서 전력 소자들(12)은 접착 부재(도 4의 50)를 매개로 제1 기판(10) 상에 부착될 수 있다.

여기서 접착 부재(50)는 도전성이거나 비도전성일 수 있다. 예를 들어, 접착 부재는 도전성 솔더나 도전성 페이스트 또는 테이프 일 수 있다. 또한, 접착 부재로 솔더(solder), 금속 에폭시, 금속 페이스트, 수지계 에폭시(resin-based epoxy), 또는 내열성이 우수한 접착 테이프 등이 이용될 수 있다.

그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 플립 칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 전력 소자(12)와 제1 기판(10)을 전기적으로 연결하는 등 등 필요에 따라 다양한 방식이 이용될 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 전자 소자들(11) 중 제어 소자들(13)은 플립칩 본딩 방식을 통해 제2 기판(20)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어 제어 소자들(13)은 솔더와 같은 도전성 접착제를 매개로 제2 기판(20) 상에 실장될 수 있다.

그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 전력 소자들(12)과 같이 본딩 와이어(60)를 이용하여 제어 소자(13)와 제2 기판(20)을 전기적으로 연결하는 등 등 필요에 따라 다양한 방식이 이용될 수 있다.

제1 기판(10)은 전력 소자들(12)이 실장되는 기판으로, 열방출 효과가 높은 방열 기판이 이용된다. 예를 들어 제1 기판(10)은 절연된 금속 기판이 이용될 수 있다. 이 경우 전력 소자들(12)로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.

도 4를 참조하면, 제1 기판(10)은 알루미늄 판(10a) 상에 절연층(10b)이 형성된다. 그리고 절연층(10b) 상에는 구리와 같은 도전성 재질의 패드부(46)가 적층될 수 있다.

제1 기판(10)의 패드부(46)는 접합 패드의 형태로 형성될 수 있으며, 후술되는 단자 핀(45)의 일부로 형성된다.

패드부(46) 상에는, 전술한 바와 같이, 접착 부재(50)를 매개로 하여 발열이 큰 전력 소자들(12)이 실장된다. 따라서 전력 소자들(12)은 패드부(46)를 통해 제1 기판(10)에 면접촉하도록 부착되며, 이에 제1 기판(10)으로의 열전달 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 제1 기판(10)은, 알루미늄 판(10a)이 1000㎛의 두께로 형성되고, 패드부(46)의 두께는 300㎛ 또는 그 이상(예컨대, 300㎛ ~ 500㎛)으로 형성될 수 있다.

이처럼 본 실시예에 따른 전력 모듈(100)은 단자 핀(45)을 이용하여 패드부(46)를 형성하므로, 배선 패턴으로 패드부를 형성하는 경우보다 두꺼운 두께로 패드부(46)를 형성할 수 있다. 따라서, 패드부(46)의 내부에서 열이 분산되는 양이 증가되므로, 결과적으로 열전달면적을 증가시켜 전력 모듈(100) 전체의 열저항을 감소시킬 수 있다.

제1 기판(10)에서 전력 소자들(12)이 실장되지 않는 면(이하 비실장면)은 전력 모듈(100)의 외부면으로 이용될 수 있다. 예를 들어 제1 기판(10)이 후술되는 하우징(30)에 결합되면, 제1 기판(10)의 비실장면은 전력 모듈(100)의 일면(예컨대 상부면)을 형성할 수 있다.

또한 전력 소자들(12)은 제1 기판(10)의 실장면 전체에 분포되어 실장되지 않고, 제1 기판(10)의 실장면을 양분할 때, 양분된 두 영역 중 어느 하나의 영역에만 실장된다. 따라서 나머지 영역은 어떠한 전자 소자(11)도 실장되지 않는 빈 면으로 형성될 수 있다.

제2 기판(20)은 제어 소자들(13)이 실장되는 제어 기판일 수 있다. 따라서 제어 기판으로는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)이 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 세라믹 기판, 프리-몰딩(pre-molded) 기판, 또는 DBC(direct bonded copper) 기판이거나, 절연된 금속 기판(insulated metal substrate, IMS) 등 다양한 기판이 이용될 수 있다.

제2 기판(20)에는 후술되는 제어 소자들(13)이 실장되기 위한 실장용 전극(미도시)이나, 이들을 전기적으로 연결하기 위한 배선 패턴 등이 형성될 수 있다.

배선 패턴은 통상적인 층 형성방법, 예를 들어 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 물리기상 증착법(physical vapordeposition, PVD)을 이용할 수 있고, 또는 전해 도금이나 무전해 도금에 의하여 형성될 수 있다. 또한, 배선 패턴(13)은 금속과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

하우징(30)은 전력 모듈(100)의 전체적인 외관을 형성하며, 내부에 배치되는 전자 소자들(11)과 제1, 제2 기판(10, 20)을 외부 환경으로부터 보호한다.

본 실시예에 따른 하우징(30)은 본체부(32)와 단자 고정부(40)를 포함한다.

본체부(32)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 제1, 제2 기판(10, 20)의 일부 또는 전체를 수용한다. 따라서 본체부(32)의 내부에는 제1, 제2 기판(10, 20)의 크기에 대응하는 수용 공간이 형성될 수 있다.

본체부(32)는 육면체 형상의 프레임(frame) 형태로 형성된다. 보다 구체적으로, 본체부(32)는 하우징의 전체적인 외형을 형성하며 양면이 개방된 사각의 프레임(32a)과, 프레임(32a)의 내부를 가로지르며 배치되는 긴 막대 형태의 지지부(32b)를 포함할 수 있다.

프레임(32a)의 개방된 양면 중 일면에는 전술한 제1 기판(10)이 결합된다. 이때 제1 기판(10)은 프레임(32a)의 개방된 일면을 완전히 닫는 형태로 결합될 수 있다.

또한 제1 기판(10)은 비실장면이 외부로 향하도록 프레임(32a)에 결합된다. 따라서 제1 기판(10)이 프레임(32a)에 결합되는 경우, 제1 기판(10)에 실장된 전력 소자들(12)은 프레임(32a)의 내부 공간에 수용되는 형태로 배치된다.

여기서, 전력 소자들(12)은 지지부(32b)에 의해 양분되는 프레임(32a)의 내부 영역 중 어느 한 영역(S1, 이하 제1 영역)에 수용된다. 그리고 나머지 영역(S2, 이하 제2 영역)에는 제2 기판(20)이 배치된다.

제2 기판(20)은 본체부(32) 내부에 수용되되, 지지부(32b)에 의해 제1 기판(10)과 일정 거리 이격되어 배치된다. 이때, 제2 기판(20)은 제2 영역(S2) 측에 안착되어 제1 기판(10)과 평행을 이루도록 배치될 수 있다.

또한 프레임(32a)에는 적어도 하나의 체결 구멍(38)이 형성될 수 있다. 체결 구멍(38)은 방열 핀(heat sink) 등을 전력 모듈(100)에 체결하는 경우, 볼트와 같은 체결 부재가 삽입되어 결합되는 구멍이다. 따라서 방열 핀을 결합할 필요가 없는 경우, 체결 구멍(38)은 생략될 수 있다.

프레임(32a)의 내부에는 적어도 하나의 결합부(35)가 형성될 수 있다.

결합부(35)는 후술되는 단자 핀(45)이 배치되고, 단자 고정부(40)가 결합되는 부분이다. 따라서 결합부(35)는 단자 고정부(40)가 삽입될 수 있는 공간을 구비한다.

본 실시예에서는 프레임(32a)의 마주보는 양 측에 내면에 각각 결합부(35)가 형성된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 위치에 더 많은 수의 결합부(35)를 형성할 수도 있다.

단자 고정부(40)는 결합부(35)에 결합되어 결합부(35)에 배치된 단자 핀들(45)을 가압하며 고정시킨다. 따라서, 단자 고정부(40)와 프레임(32a) 사이에는 틈이 형성되며, 이러한 틈을 통해 단자 핀들(45)이 배치된다.

단자 고정부(40)는 수지와 같은 절연성 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.

단자 핀(45)은 결합부(35)의 길이 방향을 따라 다수 개가 일정 거리 이격되며 배치된다.

단자 핀(45)의 양단은 외부 기판(미도시)과 연결되기 위한 외부 단자와, 하우징(30)의 내부에 배치되어 제1, 제2 기판(10, 20)과 전기적으로 연결되는 내부 단자로 구분될 수 있다.

따라서 외부 단자는 하우징(30)의 외부로 노출되는 부분을 의미하며, 내부 단자는 하우징(30)의 내부에 위치하는 부분으로 구분될 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 단자 핀(45)은 제1 단자 핀(45a)과 제2 단자 핀(45b)을 포함할 수 있다.

제1 단자 핀(45a)은 전력 소자들(12)이 실장된 제1 기판(20)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 단자 핀(45b)은 제어 소자들(13)이 실장된 제2 기판(10)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 단자 핀들(45a)과 제2 단자 핀들(45b)은 전체적인 개수나 크기가 서로 다를 수 있다.

단자 핀(45)은 다수의 절곡부를 구비한다. 절곡부는 단자 핀(45)이 절곡되는 부분을 의미하며, 절곡부에 의해 단자 핀(45)의 양단은 서로 다른 위치에서 서로 다른 방향을 향하도록 배치될 수 있다.

도 3에 도시된 제1 단자 핀(45)을 예로 들면, 제1 단자 핀(45a)의 양 단은 제1 절곡부(P1)에 의해 서로 수직을 이루도록 배치된다.

또한 제2 절곡부(P2)에 의해 제1 단자 핀(45) 중 제1 기판(10)과 평행하게 배치되는 부분은 단차를 갖도록 형성된다. 보다 구체적으로, 제1 단자 핀(45)은 제1 기판(10)에 접합되는 패드부(46)와, 패드부(46)의 끝단에서 단차지도록 절곡되어 외측으로 돌출되는 수평부(47), 그리고 수평부(47)의 끝단에서 절곡되어 형성되는 수직부(48)를 포함할 수 있다.

여기서, 수평부(47)는 제1 기판(10)과 평행을 이루도록 배치되지만, 제1 기판(10)과 일정 거리 이격된다. 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 기판(10)과 수평부(47) 사이에는 하우징(30)이 삽입된다.

또한 본 실시예에 따른 단자 핀(45)은 양단의 크기가 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 패드부(46)를 형성하는 부분은 납작하고 넓은 폭을 갖는 형상으로 형성될 수 있으며, 본체부(32)의 외부로 노출되는 수직부(48)는 패드부(46)에 비해 상대적으로 얇고 좁은 폭으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같이 구성되는 전력 모듈(100)은, 단자 핀(45)이 하우징(30)에 일체로 형성되지 않고, 기판(10, 20)에 먼저 접합된 후 하우징(30)에 결합된다.

따라서 단자 핀(45)과 기판(10, 20)을 전기적으로 연결하기 위해, 본딩 와이어를 이용할 필요가 없으며, 이에 따라 와이어 본딩 공정도 생략할 수 있다.

또한 단자 핀(45)을 이용하여 제1 기판(10)의 패드부(46)를 형성하므로, 패드부(46)의 두께를 최대화할 수 있으며, 이에 열방출 효과를 높일 수 있다.

이어서 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 전력 모듈의 제조 방법을 간략히 설명한다.

먼저 도 2에 도시된 바와 같이 제1 단자 핀들(45a)을 제1 기판(10)에 접합한다. 그리고, 제1 기판(10)에 접합된 제1 단자 핀(45a)의 패드부(46) 상에 적어도 하나의 전력 소자(12)를 실장한다.

한편, 제2 기판(20)에도 제2 단자 핀(45b)과 제어 소자들(13)이 실장된다. 제2 기판(20)의 경우, 제2 단자 핀(45b) 상에 제어 소자(13)가 실장되지 않으므로, 제2 단자 핀(45b)과 제어 소자들(13)은 임의의 순서로 실장될 수 있다.

이어서 단자 핀(45a, 45b)이 접합된 제1, 제2 기판(10, 20)을 본체부(32)에 결합한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 단자 핀(45)의 수평부(47)와 제1 기판(10) 사이에는 본체부(32)의 일부가 삽입 배치된다.

이어서, 단자 고정부(40)를 본체부(32)의 결합부(35)에 결합하여 단자 핀들(45)을 고정한다.

이상에서 설명한 본 실시예들에 따른 전력 모듈은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어, 전술한 실시예들에서는 전력 모듈의 하우징이 전체적으로 직육면체 형상으로 형성되는 경우를 예로 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 원통형이나 다각 기둥 형태로 형성하는 등 필요에 따라 다양한 형상으로 형성할 수 있다.

또한, 전술된 실시예들에서는 전력 모듈의 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 적어도 하나의 전력 소자들이 패키징되는 전자 부품이라면 다양하게 적용될 수 있다.

100: 전력 모듈
10: 제1 기판
11: 전자 소자
20: 제2 기판
30: 하우징
32: 본체부
35: 결합부
40: 단자 고정부
45: 단자 핀

Claims (9)

1. 방열 기판;
   양면이 개방된 사각 형상으로 형성되며 내부에 상기 방열 기판이 배치되는 공간이 형성된 프레임;
   상기 프레임의 내부를 가로지르며 배치되어 상기 프레임의 내부 영역을 양분하는 막대 형태의 지지부;
   일단이 상기 방열 기판에 면접합되고, 타단은 상기 프레임의 외부로 노출되는 다수의 단자 핀;
   상기 공간에 배치되며, 적어도 하나의 제어 소자가 실장되는 제어 기판;
   상기 방열 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 전력 소자;
   를 포함하고,
   상기 방열 기판과 상기 제어 기판은 일정 거리 이격 배치되며,
   상기 전력 소자는, 상기 단자 핀을 통해 상기 방열 기판에 면접촉하도록 부착되고 본딩 와이어를 통해 상기 제어 기판과 전기적으로 연결되며,
   상기 전력 소자는 상기 지지부에 의해 양분되는 상기 프레임의 두 내부 영역 중 어느 한 영역에 수용되고, 나머지 한 영역에는 상기 제어 기판이 배치되는 전력 모듈.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 단자 핀은,
   상기 방열 기판에 면접합되는 패드부;
   상기 패드부에서 연장되며, 상기 기판과 평행을 이루며 상기 기판에서 이격되는 수평부; 및
   상기 수평부에서 수직하게 연장되는 수직부를 포함하는 전력 모듈.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 전력 소자는 상기 패드부 상에 접합되는 전력 모듈.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 수평부와 상기 방열 기판 사이에는,
   상기 프레임이 개재되는 전력 모듈.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 패드부는,
   구리 재질로 형성되며, 300㎛ ~ 500㎛의 두께로 형성되는 전력 모듈.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 프레임은,
   상기 방열 기판이 배치되는 공간이 관통 구멍의 형태로 형성되며, 상기 방열 기판은 상기 관통 구멍 일단의 개구를 막으며 상기 프레임에 결합되는 전력 모듈.
   
7. 삭제
8. 제어 소자가 실장된 제어 기판과, 일면에 다수의 단자 핀이 접합된 방열 기판을 준비하는 단계;
   상기 제어 기판과 상기 방열 기판을 프레임에 결합하는 단계; 및
   단자 고정부를 상기 프레임에 결합하여 상기 단자 핀을 고정하는 단계;
   를 포함하며,
   상기 방열 기판을 준비하는 단계는, 상기 방열 기판에 접합된 상기 단자 핀에 면접촉하도록 적어도 하나의 전력 소자를 상가 단자 핀에 부착하는 단계를 포함하고,
   상기 방열 기판과 상기 제어 기판은 일정 거리 이격 배치되며,
   상기 전력 소자는, 본딩 와이어를 통해 상기 제어 기판과 전기적으로 연결되고,
   상기 프레임은 양면이 개방된 사각 형상으로 형성되며 내부에 상기 방열 기판이 배치되는 공간이 구비하고,
   상기 프레임의 내부를 가로지르며 배치되는 지지부에 의해 상기 프레임의 내부 영역은 양분되며,
   상기 전력 소자는 상기 지지부에 의해 양분되는 상기 프레임의 두 내부 영역 중 어느 한 영역에 수용되고, 나머지 한 영역에는 상기 제어 기판이 배치되는 전력 모듈 제조 방법.
   
9. 삭제

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