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KR20220005117A - Power module - Google Patents

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KR20220005117A
KR20220005117A KR1020200082529A KR20200082529A KR20220005117A KR 20220005117 A KR20220005117 A KR 20220005117A KR 1020200082529 A KR1020200082529 A KR 1020200082529A KR 20200082529 A KR20200082529 A KR 20200082529A KR 20220005117 A KR20220005117 A KR 20220005117A
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substrate
electrode pattern
semiconductor chip
power module
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여인태
조태호
빈진혁
박승곤
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주식회사 아모센스
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Priority to US18/014,723 priority patent/US20230275010A1/en
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Abstract

The present invention relates to a power module. The power module includes: a lower ceramic board; an upper ceramic board (300) placed in an upper part of the lower ceramic board (200) and having a semiconductor chip (G) mounted in a lower side; a PCB (400) placed in an upper part of the upper ceramic board (300); and a connection pin (800) installed through through-holes (320, 420) formed on the upper ceramic board (300) and the PCB (400) and vertically connecting electrode patterns (a, b, c, d) formed on the upper ceramic board (300) and the PCB (400). In accordance with the present invention, as an electric connection distance between the upper ceramic board and the PCB is made to be short, there can be advantages of minimizing a path of a current and increasing the transfer efficiency of a fast current.

Description

파워모듈{POWER MODULE}Power module {POWER MODULE}

본 발명은 파워모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력 전력 반도체 칩을 적용하여 성능을 개선한 파워모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a power module, and more particularly, to a power module having improved performance by applying a high output power semiconductor chip.

파워모듈은 하이브리드 자동차, 전기차 등의 모터 구동을 위해 고전압 전류를 공급하기 위해 사용된다.The power module is used to supply high voltage current to drive motors such as hybrid vehicles and electric vehicles.

파워모듈 중 양면 냉각 파워모듈은 반도체 칩의 상, 하부에 각각 기판을 설치하고 그 기판의 외측면에 각각 방열판을 구비한다. 양면 냉각 파워모듈은 단면에 방열판을 구비하는 단면 냉각 파워모듈에 비해 냉각 성능이 우수하여 점차 그 사용이 증가하는 추세이다.Among the power modules, the double-sided cooling power module has a substrate on top and a bottom of a semiconductor chip, respectively, and a heat sink on the outer surface of the substrate. The double-sided cooling power module has an excellent cooling performance compared to a single-sided cooling power module having a heat sink on one side, and thus its use is gradually increasing.

전기차 등에 사용되는 양면 냉각 파워모듈은 두 기판의 사이에 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등의 전력 반도체 칩이 실장되므로 고전압으로 인해 높은 발열과 주행 중 진동이 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 고강도와 고방열 특성을 동시에 만족시키는 것이 중요하다.Double-sided cooling power modules used in electric vehicles, etc., have power semiconductor chips such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) mounted between the two substrates. It is important to satisfy both high strength and high heat dissipation characteristics at the same time.

특허문헌 1: 등록특허공보 제1836658호(2018.03.02 등록)Patent Document 1: Registered Patent Publication No. 1836658 (registered on March 2, 2018)

본 발명의 목적은 고강도와 고방열 특성을 가지고, 접합 특성이 우수하며, 전류 경로를 최소화하여 부피를 줄일 수 있으며 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 파워모듈을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a power module that has high strength and high heat dissipation characteristics, has excellent bonding characteristics, can reduce a volume by minimizing a current path, and can improve efficiency and performance.

본 발명의 다른 목적은 하부 세라믹기판, 상부 세라믹기판 및 PCB 기판의 3층 구조를 적용하고, 상부 세라믹기판과 PCB 기판 간의 전기적 연결 거리를 짧게하여 전류 경로를 최소화하고 고속 전류의 이동 효율을 높일 수 있도록 한 파워모듈을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to apply a three-layer structure of a lower ceramic substrate, an upper ceramic substrate, and a PCB substrate, and to shorten the electrical connection distance between the upper ceramic substrate and the PCB substrate to minimize the current path and increase the high-speed current movement efficiency. It is to provide a power module designed to do this.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 하부 세라믹기판과, 하부 세라믹기판의 상부에 배치되며 하면에 반도체 칩이 실장되는 상부 세라믹기판과, 상부 세라믹기판의 상부에 배치되는 PCB 기판과, 상부 세라믹기판과 PCB 기판에 형성된 쓰루홀에 관통 설치되고 상부 세라믹기판과 PCB 기판에 형성된 전극 패턴 간을 수직으로 연결하는 연결핀을 포함한다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, the present invention provides a lower ceramic substrate, an upper ceramic substrate disposed on the lower ceramic substrate and on which a semiconductor chip is mounted on the lower surface, and an upper portion of the upper ceramic substrate It includes a PCB substrate disposed thereon, and a connection pin that is installed through the upper ceramic substrate and the through hole formed in the PCB substrate and vertically connects the electrode pattern formed on the upper ceramic substrate and the PCB substrate.

연결핀은 상부 세라믹기판에 실장되는 반도체 칩의 게이트 단자와 PCB 기판에 실장되는 드라이브 IC를 연결한다.The connection pin connects the gate terminal of the semiconductor chip mounted on the upper ceramic substrate and the drive IC mounted on the PCB substrate.

연결핀은 상부 세라믹기판의 전극 패턴을 상기 PCB 기판에 실장되는 캐패시터와 연결한다.The connection pin connects the electrode pattern of the upper ceramic substrate to the capacitor mounted on the PCB substrate.

쓰루홀에 관통 설치된 연결핀은 쓰루홀의 가장자리의 전극 패턴과 레이저 웰딩에 의해 접합된다.The connecting pin installed through the through hole is joined to the electrode pattern at the edge of the through hole by laser welding.

쓰루홀의 가장자리에 도포되고 레이저 웰딩시 녹아 연결핀을 전극 패턴에 접합하는 솔더층을 포함한다.It includes a solder layer applied to the edge of the through hole and melted during laser welding to bond the connecting pin to the electrode pattern.

연결핀은 구리 또는 구리합금으로 형성된다.The connecting pin is formed of copper or a copper alloy.

상부 세라믹기판은 세라믹기재과 세라믹기재의 상면과 하면에 형성되는 전극 패턴과 세라믹기재를 상하로 관통하도록 형성된 복수 개의 비아홀과 비아홀에 충진되어 상면과 하면의 전극 패턴을 연결하는 금속충진재를 포함한다.The upper ceramic substrate includes a ceramic substrate and an electrode pattern formed on the upper and lower surfaces of the ceramic substrate, a plurality of via holes formed to penetrate vertically through the ceramic substrate, and a metal filler filling the via holes to connect the electrode patterns on the upper surface and the lower surface.

비아홀은 내경이 0.1mm~0.3mm이다. The via hole has an inner diameter of 0.1mm to 0.3mm.

금속충진재는 Ag합금계, Ag-Pd계, Ag-Ceramic계, Cu합금계 중 하나 또는 이들의 혼합 페이스트로 이루어진다.The metal filler is made of one of Ag alloy-based, Ag-Pd-based, Ag-Ceramic-based, Cu alloy-based paste or a mixture thereof.

반도체 칩은 상부 세라믹기판에 플립칩 형태로 실장된다.The semiconductor chip is mounted on the upper ceramic substrate in the form of a flip chip.

본 발명은 고강도와 고방열 특성을 가지고, 접합 특성이 우수하며, 전류 경로를 최소화하여 부피를 줄일 수 있으며 고속 스위칭에 최적화되어 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention has high strength and high heat dissipation characteristics, has excellent bonding characteristics, can reduce a volume by minimizing a current path, and is optimized for high-speed switching to improve efficiency and performance.

또한 본 발명은 하부 세라믹기판, 상부 세라믹기판, 및 PCB 기판을 3층 일체형 구성으로 제작하고, 상부 세라믹기판과 PCB 기판의 전기적 연결을 연결핀을 사용하여 수직 연결하므로 전류 경로를 최소화하고 방열에도 유리한 효과가 있다.In addition, in the present invention, the lower ceramic substrate, the upper ceramic substrate, and the PCB substrate are manufactured in a three-layer integrated configuration, and the electrical connection between the upper ceramic substrate and the PCB substrate is vertically connected using a connecting pin, thereby minimizing the current path and advantageous for heat dissipation. It works.

또한 본 발명은 상부 세라믹기판에 비아홀을 복수 개 형성하여 상면과 하면의 전극 패턴을 연결하므로 대전류의 분산 및 대전류의 통전을 용이하게 하여 쇼트 및 과열 등의 문제를 방지하고 고속 전류의 이동 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention forms a plurality of via holes in the upper ceramic substrate to connect the electrode patterns on the upper and lower surfaces, thereby facilitating the dispersion of large currents and conduction of large currents to prevent problems such as short circuit and overheating, and to increase the efficiency of high-speed current movement. can have an effect.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하우징을 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판에 연결핀이 결합된 상태를 보인 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 PCB 기판의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈 구조를 설명하기 위한 구성도이다.1 is a perspective view showing a shape of a power module according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view showing the shape of a power module according to an embodiment of the present invention.
3 is a side cross-sectional view of a power module according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view showing a housing according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view illustrating a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing an upper surface and a lower surface of a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
7 is a perspective view for explaining an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing an upper surface and a lower surface of an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
9 is a perspective view illustrating a state in which a connection pin is coupled to an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
10 is a plan view of a PCB substrate according to an embodiment of the present invention.
11 is a block diagram illustrating a structure of a power module according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 형상을 보인 분해 사시도이다.1 is a perspective view showing a shape of a power module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view showing a shape of a power module according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈(10)은 하우징(100)에 파워모듈을 이루는 각종 구성품을 수용하여 형성한 패키지 형태의 전자부품이다. 파워모듈(10)은 하우징(100) 안에 기판 및 소자를 배치하여 보호하는 형태로 형성된다. 1 and 2 , the power module 10 according to the embodiment of the present invention is an electronic component in the form of a package formed by accommodating various components constituting the power module in a housing 100 . The power module 10 is formed in such a way that a substrate and elements are disposed in the housing 100 to protect it.

파워모듈(10)은 다수의 기판 및 다수의 반도체 칩을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 파워모듈(10)은 하우징(100), 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300), PCB 기판(400) 및 방열판(500)을 포함한다.The power module 10 may include a plurality of substrates and a plurality of semiconductor chips. The power module 10 according to the embodiment includes a housing 100 , a lower ceramic substrate 200 , an upper ceramic substrate 300 , a PCB substrate 400 , and a heat sink 500 .

하우징(100)은 중앙에 상하로 개구되는 빈 공간이 형성되며 양측에 제1 단자(610)와 제2 단자(620)가 위치된다. 하우징(100)은 중앙의 빈 공간에 방열판(500), 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300) 및 PCB 기판(400)이 상하 일정 간격을 두고 순차적으로 적층되며, 양측의 제1 단자(610)와 제2 단자(620)에 외부 단자를 연결하기 위한 지지볼트(630)가 체결된다. 제1 단자(610)와 제2 단자(620)는 전원의 입출력단으로 사용된다.The housing 100 has an empty space opened vertically in the center, and the first terminal 610 and the second terminal 620 are positioned on both sides. In the housing 100, a heat sink 500, a lower ceramic substrate 200, an upper ceramic substrate 300, and a PCB substrate 400 are sequentially stacked at regular intervals in the top and bottom in an empty space in the center, and the first terminals on both sides A support bolt 630 for connecting an external terminal to the 610 and the second terminal 620 is fastened. The first terminal 610 and the second terminal 620 are used as input/output terminals of power.

도 2에 도시된 바에 의하면, 파워모듈(10)은 하우징(100)의 중앙의 빈 공간에 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300), PCB 기판(400)이 순차적으로 수용된다. 구체적으로, 하우징(100)의 하면에 방열판(500)이 배치되고, 방열판(500)의 상면에 하부 세라믹기판(200)이 부착되고, 하부 세라믹기판(200)의 상부에 상부 세라믹기판(300)이 일정 간격을 두고 배치되며, 상부 세라믹기판(300)의 상부에 PCB 기판(400)이 일정 간격을 두고 배치된다.As shown in FIG. 2 , in the power module 10 , a lower ceramic substrate 200 , an upper ceramic substrate 300 , and a PCB substrate 400 are sequentially accommodated in an empty space in the center of the housing 100 . Specifically, the heat sink 500 is disposed on the lower surface of the housing 100, the lower ceramic substrate 200 is attached to the upper surface of the heat sink 500, and the upper ceramic substrate 300 is on the upper side of the lower ceramic substrate 200. These are arranged at a predetermined interval, and the PCB substrate 400 is arranged at a predetermined interval on the upper ceramic substrate 300 .

하우징(100)에 PCB 기판(400)이 배치된 상태는 PCB 기판(400)의 가장자리에 요입되게 형성된 안내홈(401,402)과 안내홈(401,402)에 대응되게 하우징(100)에 형성된 안내리브(101) 및 걸림턱(102)에 의해 고정될 수 있다. 실시예에 따른 PCB 기판(400)은 가장자리를 둘러 다수 개의 안내홈(401,402)이 형성되고, 이들 중 일부의 안내홈(401)은 하우징(100)의 내측면에 형성된 안내리브(101)가 안내되고 이들 중 나머지 일부의 안내홈(402)은 하우징(100)의 내측면에 형성된 걸림턱(102)이 통과되어 걸어진다. The state in which the PCB substrate 400 is disposed in the housing 100 is the guide grooves 401 and 402 formed to be recessed into the edge of the PCB substrate 400 and the guide ribs 101 formed in the housing 100 to correspond to the guide grooves 401 and 402 . ) and the locking jaw 102 may be fixed. A plurality of guide grooves 401 and 402 are formed around the edge of the PCB substrate 400 according to the embodiment, and some of the guide grooves 401 are guided by the guide rib 101 formed on the inner surface of the housing 100 . and the guide groove 402 of the remaining part of them is hung through the locking protrusion 102 formed on the inner surface of the housing 100 .

또는, 하우징(100)의 중앙의 빈 공간에 방열판(500), 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300)이 수용되고, 그 상면에 PCB 기판(400)이 배치된 상태는 체결볼트(미도시)로 고정될 수도 있다. 그러나, 하우징(100)에 PCB 기판(400)을 걸림턱 구조로 고정하는 것이 체결볼트로 고정하는 경우 대비 조립 시간을 줄이고 조립 공정이 간편하다.Alternatively, the heat sink 500, the lower ceramic substrate 200, and the upper ceramic substrate 300 are accommodated in the empty space in the center of the housing 100, and the state in which the PCB substrate 400 is disposed on the upper surface is a fastening bolt ( (not shown) may be fixed. However, fixing the PCB substrate 400 to the housing 100 in a clasp structure reduces the assembly time and simplifies the assembly process compared to the case of fixing it with a fastening bolt.

하우징(100)은 네 모서리에 체결공(103)이 형성된다. 체결공(103)은 방열판(500)에 형성된 연통공(501)과 연통된다. 체결공(103)과 연통공(501)을 관통하여 고정볼트(150)가 체결되고, 체결공(103)과 연통공(501)을 관통한 고정볼트(150)의 단부는 방열판(500)의 하면에 배치될 고정지그의 고정공에 체결될 수 있다. The housing 100 has fastening holes 103 formed at four corners. The fastening hole 103 communicates with the communication hole 501 formed in the heat sink 500 . The fixing bolt 150 is fastened through the fastening hole 103 and the communication hole 501 , and the end of the fixing bolt 150 passing through the fastening hole 103 and the communication hole 501 is the heat sink 500 . It may be fastened to a fixing hole of a fixing jig to be disposed on the lower surface.

제1 단자(610)와 제2 단자(620)에 버스바(700)가 연결된다. 버스바(700)는 제1 단자(610)와 제2 단자(620)를 상부 세라믹기판(300)과 연결한다. 버스바(700)는 3개가 구비되며, 하나는 제1 단자(610) 중 +단자를 상부 세라믹기판(300)의 제1 전극 패턴(a)과 연결하고, 다른 하나는 제1 단자(610) 중 -단자를 제3 전극 패턴(c)과 연결하며, 나머지 하나는 제2 단자(620)를 제2 전극 패턴(b)과 연결한다. 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b) 및 제3 전극 패턴(c)은 후술할 도 7을 참조한다.The bus bar 700 is connected to the first terminal 610 and the second terminal 620 . The bus bar 700 connects the first terminal 610 and the second terminal 620 to the upper ceramic substrate 300 . There are three bus bars 700 , one connecting the + terminal of the first terminals 610 to the first electrode pattern a of the upper ceramic substrate 300 , and the other connecting the first terminal 610 . The middle - terminal is connected to the third electrode pattern (c), and the other one connects the second terminal (620) to the second electrode pattern (b). The first electrode pattern (a), the second electrode pattern (b), and the third electrode pattern (c) will be described later with reference to FIG. 7 .

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈의 측단면도이다.3 is a side cross-sectional view of a power module according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바에 의하면, 파워모듈(10)은 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 복층 구조이며, 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 반도체 칩(G)이 위치된다. 반도체 칩(G)은 GaN(Gallium Nitride) 칩, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field Effect Transistor), HEMT(High Electric Mobility Transistor) 중 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 반도체 칩(G)은 GaN 칩을 사용한다. GaN(Gallium Nitride) 칩(G)은 대전력(300A) 스위치 및 고속(~1MHz) 스위치로 기능하는 반도체 칩이다. GaN 칩(G)은 기존의 실리콘 기반 반도체 칩보다 열에 강하면서 칩의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다. As shown in FIG. 3 , the power module 10 has a multilayer structure of a lower ceramic substrate 200 and an upper ceramic substrate 300 , and a semiconductor chip between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 . (G) is located. The semiconductor chip (G) is any one of GaN (Gallium Nitride) chip, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET (Junction Field Effect Transistor), HEMT (High Electric Mobility Transistor) However, preferably, the semiconductor chip (G) uses a GaN chip. The GaN (Gallium Nitride) chip (G) is a semiconductor chip that functions as a high-power (300A) switch and a high-speed (~1MHz) switch. The GaN chip (G) has the advantage of being stronger in heat than the conventional silicon-based semiconductor chip and reducing the size of the chip.

또한, GaN 칩(G)은 높은 전자이동도, 높은 전자밀도 특성으로 고속 스위치가 가능하고 소형화가 가능해 고성능 및 고효율화에 최적화된 전력 반도체 칩이다. 또한, GaN 칩(G)은 고온에서도 안정적으로 동작하며 고출력 특성을 가져 고효율화가 가능하다 In addition, the GaN chip (G) is a power semiconductor chip optimized for high performance and high efficiency due to its high electron mobility and high electron density, allowing high-speed switching and miniaturization. In addition, the GaN chip (G) operates stably even at high temperatures and has high output characteristics, enabling high efficiency.

하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)은 반도체 칩(G)으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹기재와 세라믹기재의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층을 포함하는 세라믹기판으로 형성된다. The lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 are formed of a ceramic substrate including a metal layer brazed to at least one surface of the ceramic substrate and the ceramic substrate to increase the heat dissipation efficiency of the heat generated from the semiconductor chip (G). do.

세라믹기재는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있다. 금속층은 세라믹기재 상에 브레이징 접합된 금속박으로 반도체 칩(G)을 실장하는 전극 패턴 및 구동소자를 실장하는 전극 패턴으로 각각 형성된다. 예컨데, 금속층은 반도체 칩(G) 또는 주변 부품이 실장될 영역에 전극 패턴으로 형성된다. 금속박은 알루미늄박 또는 동박인 것을 일 예로 한다. 금속박은 세라믹기재 상에 780℃~1100℃로 소성되어 세라믹기재와 브레이징 접합된 것을 일 예로 한다. 이러한 세라믹기판을 AMB(Active Metal Brazing) 기판이라 한다. 실시예는 AMB 기판을 예로 들어 설명하나 DBC(Direct Bonding Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판(Direct Brazed Aluminum)을 적용할 수도 있다. 그러나 내구성 및 방열 효율면에서 AMB 기판이 가장 적합하다. 상기한 이유로, 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)은 AMB 기판임을 일 예로 한다.The ceramic substrate may be, for example, any one of alumina (Al 2 O 3 ), AlN, SiN, and Si 3 N 4 . The metal layer is formed of an electrode pattern for mounting a semiconductor chip (G) and an electrode pattern for mounting a driving element, respectively, with a metal foil brazed on a ceramic substrate. For example, the metal layer is formed as an electrode pattern in the region where the semiconductor chip G or peripheral components are to be mounted. The metal foil may be an aluminum foil or a copper foil as an example. As an example, the metal foil is fired at 780° C. to 1100° C. on a ceramic substrate and brazed to the ceramic substrate. Such a ceramic substrate is called an AMB (Active Metal Brazing) substrate. Although the embodiment is described by taking an AMB substrate as an example, a DBC (Direct Bonding Copper) substrate, a TPC (Thick Printing Copper) substrate, and a DBA substrate (Direct Brazed Aluminum) may be applied. However, in terms of durability and heat dissipation efficiency, AMB substrates are most suitable. For the above reasons, the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 are AMB substrates as an example.

PCB 기판(400)은 상부 세라믹기판(300)의 상부에 배치된다. 즉, 파워모듈(10)은 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400)의 3층 구조로 구성된다. 고전력용 제어를 위한 반도체 칩(G)을 상부 세라믹기판(200)과 하부 세라믹기판(300)의 사이에 배치하여 방열 효율을 높이고, 저전력용 제어를 위한 PCB 기판(400)을 최상부에 배치하여 반도체 칩(G)에서 발생하는 열로 인한 PCB 기판(400)의 손상을 방지한다. 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300), PCB 기판(400)은 핀으로 연결 또는 고정될 수 있다.The PCB substrate 400 is disposed on the upper ceramic substrate 300 . That is, the power module 10 has a three-layer structure of a lower ceramic substrate 200 , an upper ceramic substrate 300 , and a PCB substrate 400 . The semiconductor chip (G) for high power control is disposed between the upper ceramic substrate 200 and the lower ceramic substrate 300 to increase heat dissipation efficiency, and the PCB substrate 400 for low power control is disposed on the uppermost part of the semiconductor Prevents damage to the PCB substrate 400 due to heat generated from the chip (G). The lower ceramic substrate 200 , the upper ceramic substrate 300 , and the PCB substrate 400 may be connected or fixed with pins.

방열판(500)은 하부 세라믹기판(200)의 하부에 배치된다. 방열판(500)은 반도체 칩(G)에서 발생하는 열의 방열을 위한 것이다. 방열판(500)은 소정의 두께를 가지는 사각 플레이트 형상으로 형성된다. 방열판(500)은 하우징(100)과 대응되는 면적으로 형성되며 방열 효율을 높이기 위해 구리 또는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.The heat sink 500 is disposed under the lower ceramic substrate 200 . The heat sink 500 is for dissipating heat generated in the semiconductor chip (G). The heat sink 500 is formed in the shape of a square plate having a predetermined thickness. The heat sink 500 has an area corresponding to the housing 100 and may be formed of copper or aluminum to increase heat dissipation efficiency.

이하에서는 본 발명의 파워모듈의 각 구성별 특징을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 파워모듈의 각 구성별 특징을 설명하는 도면에서는 각 구성별 특징을 강조하기 위해 도면을 확대하거나 과장하여 표현한 부분이 있으므로 도 1에 도시된 기본 도면과 일부 일치하지 않는 부분이 있을 수 있다. Hereinafter, the characteristics of each configuration of the power module of the present invention will be described in more detail. In the drawings for explaining the characteristics of each configuration of the power module, there are parts that are enlarged or exaggerated to emphasize the characteristics of each configuration, so there may be parts that do not match the basic drawings shown in FIG. 1 .

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하우징을 보인 사시도이다.4 is a perspective view showing a housing according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바에 의하면, 하우징(100)은 중앙에 빈 공간이 형성되며, 양단에 제1 단자(610)와 제2 단자(620)가 위치된다. 하우징(100)은 양단에 제1 단자(610)와 제2 단자(620)가 일체로 고정되게 인서트 사출 방식으로 형성될 수 있다.As shown in FIG. 4 , an empty space is formed in the center of the housing 100 , and a first terminal 610 and a second terminal 620 are positioned at both ends. The housing 100 may be formed by an insert injection method such that the first terminal 610 and the second terminal 620 are integrally fixed at both ends.

기존의 파워모듈은 이격된 회로를 연결하기 위해 하우징에 연결핀을 인서트 사출하여 적용하고 있으나, 본 실시예는 하우징(100)의 제조시 연결핀을 제외하여 제조한 형상을 갖는다. 이는 하우징(100)의 내부에 연결핀이 위치하지 않음으로써 형상을 단순화하여 파워모듈의 비틀림 모멘트에 유연성을 향상시킨다.Existing power modules are applied by inserting and injecting connecting pins into the housing to connect spaced circuits, but this embodiment has a shape manufactured by excluding the connecting pins when the housing 100 is manufactured. This simplifies the shape because the connecting pin is not located inside the housing 100 to improve flexibility in the torsional moment of the power module.

하우징(100)은 네 모서리에 체결공(103)이 형성된다. 체결공(103)은 방열판(500)에 형성된 연통공(501)과 연통된다. 제1 단자(610)와 제2 단자(620)에는 지지공(104)이 형성된다. 지지공(104)에는 제1 단자(610) 및 제2 단자(620)를 모터 등의 외부 단자와 연결하기 위한 지지볼트(630)가 체결된다.The housing 100 has fastening holes 103 formed at four corners. The fastening hole 103 communicates with the communication hole 501 formed in the heat sink 500 . A support hole 104 is formed in the first terminal 610 and the second terminal 620 . A support bolt 630 for connecting the first terminal 610 and the second terminal 620 to an external terminal such as a motor is fastened to the support hole 104 .

하우징(100)은 단열 재질로 형성된다. 하우징(100)은 반도체 칩(G)에서 발생한 열이 하우징(100)을 통해 상부의 PCB 기판(400)에 전달되지 않도록 단열 재질로 형성될 수 있다. The housing 100 is formed of a heat insulating material. The housing 100 may be formed of a heat insulating material so that heat generated from the semiconductor chip G is not transferred to the PCB substrate 400 above the housing 100 through the housing 100 .

또는 하우징(100)은 방열 플라스틱 재질을 적용할 수 있다. 하우징(100)은 반도체 칩(G)에서 발생한 열이 하우징(100)을 통해 외부로 방열될 수 있도록 방열 플라스틱 재질을 적용할 수 있다. 일예로, 하우징(100)은 엔지니어링 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 엔지니어링 플라스틱은 높은 내열성과 뛰어난 강도, 내약품성, 내마모성을 가지며 150℃ 이상에서 장시간 사용 가능하다. 엔지니어링 플라스틱은 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 변성 폴리페닐렌옥사이드 중 하나의 재료로 된 것일 수 있다. Alternatively, the housing 100 may be made of a heat-dissipating plastic material. The housing 100 may be made of a heat-dissipating plastic material so that heat generated from the semiconductor chip G can be radiated to the outside through the housing 100 . For example, the housing 100 may be formed of an engineering plastic material. Engineering plastics have high heat resistance, excellent strength, chemical resistance, and abrasion resistance, and can be used for a long time at 150℃ or higher. The engineering plastic may be made of one of polyamide, polycarbonate, polyester, and modified polyphenylene oxide.

반도체 칩(G)은 스위치로서 반복 동작을 하는데 그로 인해 하우징(100)은 고온과 온도변화에 스트레스를 받게 되나, 엔지니어링 플라스틱은 고온 안정성이 우수하므로 일반 플라스틱에 비해 고온과 온도변화에 상대적으로 안정적이고 방열 특성도 우수하다.The semiconductor chip (G) operates repeatedly as a switch, which causes the housing 100 to be stressed by high temperature and temperature changes. It also has excellent heat dissipation properties.

실시예는 엔지니어링 플라스틱 소재에 알루미늄 또는 구리로 된 단자를 인서트사출 적용하여 하우징(100)을 제조한 것일 수 있다. 엔지니어링 플라스틱 소재로 된 하우징(100)은 열을 전파시켜 외부로 방열시킨다. 하우징(100)은 수지에 고열 전도율 필러를 충전함으로써 일반 엔지니어링 플라스틱 소재보다 열전도성을 더 높일 수 있고 알루미늄에 비해 경량인 고방열 엔지니어링 플라스틱으로 될 수 있다.In the embodiment, the housing 100 may be manufactured by insert-injecting a terminal made of aluminum or copper to an engineering plastic material. The housing 100 made of an engineering plastic material spreads heat and radiates heat to the outside. The housing 100 may be made of a high heat dissipation engineering plastic that may have higher thermal conductivity than a general engineering plastic material and is lightweight compared to aluminum by filling the resin with a high thermal conductivity filler.

또는, 하우징(100)은 엔지니어링 플라스틱 또는 고강도 플라스틱 소재의 내외부에 그래핀 방열코팅재를 도포하여 방열 특성을 가지도록 한 것일 수 있다. Alternatively, the housing 100 may have heat dissipation properties by applying a graphene heat dissipation coating material to the inside and outside of an engineering plastic or high-strength plastic material.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이다.5 is a perspective view illustrating a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 5에 도시된 바에 의하면, 하부 세라믹기판(200)은 방열판(500)의 상면에 부착된다. 구체적으로, 하부 세라믹기판(200)은 반도체 칩(G)과 방열판(500)의 사이에 배치된다. 하부 세라믹기판(200)은 반도체 칩(G)에서 발생하는 열을 방열판(500)으로 전달하고, 반도체 칩(G)과 방열판(500)의 사이를 절연하여 쇼트를 방지하는 역할을 한다.3 and 5 , the lower ceramic substrate 200 is attached to the upper surface of the heat sink 500 . Specifically, the lower ceramic substrate 200 is disposed between the semiconductor chip G and the heat sink 500 . The lower ceramic substrate 200 transfers heat generated from the semiconductor chip G to the heat sink 500 and insulates between the semiconductor chip G and the heat sink 500 to prevent a short circuit.

하부 세라믹기판(200)은 방열판(500)의 상면에 솔더링 접합될 수 있다. 방열판(500)은 하우징(100)과 대응되는 면적으로 형성되며 방열 효율을 높이기 위해 구리 재질로 형성될 수 있다. 솔더는 SnAg, SnAgCu 등이 사용될 수 있다.The lower ceramic substrate 200 may be soldered to the upper surface of the heat sink 500 . The heat sink 500 is formed in an area corresponding to the housing 100 and may be formed of a copper material to increase heat dissipation efficiency. As the solder, SnAg, SnAgCu, or the like may be used.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 하부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.6 is a view showing an upper surface and a lower surface of a lower ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6에 도시된 바에 의하면, 하부 세라믹기판(200)은 세라믹기재(201)와 세라믹기재(201)의 상하면에 브레이징 접합된 금속층(202,203)을 포함한다. 하부 세라믹기판(200)은 세라믹기재(201)의 두께가 0.68t이고, 세라믹기재(201)의 상면과 하면에 형성한 금속층(202,203)의 두께가 0.8t인 것을 일예로 할 수 있다.5 and 6 , the lower ceramic substrate 200 includes a ceramic substrate 201 and metal layers 202 and 203 brazed to upper and lower surfaces of the ceramic substrate 201 . In the lower ceramic substrate 200 , the thickness of the ceramic substrate 201 may be 0.68 t, and the thickness of the metal layers 202 and 203 formed on the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 201 may be 0.8 t.

하부 세라믹기판(200)의 상면(200a)의 금속층(202)은 구동소자를 실장하는 전극 패턴일 수 있다. 하부 세라믹기판(200)에 실장되는 구동소자는 NTC 온도센서(210)일 수 있다. NTC 온도센서(210)는 하부 세라믹기판(200)의 상면에 실장된다. NTC 온도센서(210)는 반도체 칩(G)의 발열로 인한 파워모듈 내의 온도 정보를 제공하기 위한 것이다. 하부 세라믹기판(200)의 하면(200b)의 금속층(203)은 방열판(500)에 열전달을 용이하게 하기 위해 하부 세라믹기판(200)의 하면 전체에 형성될 수 있다.The metal layer 202 of the upper surface 200a of the lower ceramic substrate 200 may be an electrode pattern on which a driving element is mounted. The driving device mounted on the lower ceramic substrate 200 may be an NTC temperature sensor 210 . The NTC temperature sensor 210 is mounted on the upper surface of the lower ceramic substrate 200 . The NTC temperature sensor 210 is to provide temperature information in the power module due to the heat of the semiconductor chip G. The metal layer 203 of the lower surface 200b of the lower ceramic substrate 200 may be formed on the entire lower surface of the lower ceramic substrate 200 to facilitate heat transfer to the heat sink 500 .

하부 세라믹기판(200)에 절연 스페이서(220)가 접합된다. 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)의 상면에 접합되며 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 이격 거리를 규정한다.An insulating spacer 220 is bonded to the lower ceramic substrate 200 . The insulating spacer 220 is bonded to the upper surface of the lower ceramic substrate 200 and defines a separation distance between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 .

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 이격 거리를 규정하여 상부 세라믹기판(300)의 하면에 실장된 반도체 칩(G)에서 발생하는 열의 방열 효율을 높이고, 반도체 칩(G) 간의 간섭을 방지하여 쇼트와 같은 전기적 충격을 방지한다. The insulating spacer 220 defines the separation distance between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 to increase the heat dissipation efficiency of the heat generated by the semiconductor chip (G) mounted on the lower surface of the upper ceramic substrate 300, Interference between the semiconductor chips G is prevented to prevent an electric shock such as a short circuit.

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)의 상면 가장자리를 둘러 소정 간격을 두고 다수 개가 접합된다. 절연 스페이서(220) 간의 간격은 방열 효율을 높이는 공간으로 활용된다. 도면상 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)을 기준으로 할 때 가장자리를 둘러 배치되며, 일예로 8개가 일정 간격을 두고 배치된다.A plurality of insulating spacers 220 are bonded to each other at predetermined intervals around the upper surface edge of the lower ceramic substrate 200 . A gap between the insulating spacers 220 is used as a space to increase heat dissipation efficiency. In the drawing, the insulating spacers 220 are arranged around the edge of the lower ceramic substrate 200 as a reference, and for example, eight insulating spacers 220 are arranged at regular intervals.

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)에 일체로 접합되어 하부 세라믹기판(200)의 상부에 상부 세라믹기판(300)을 배치할 때 얼라인을 확인하는 용도로 적용될 수 있다. 하부 세라믹기판(200)에 절연 스페이서(220)가 접합된 상태에서 그 상부에 반도체 칩(G)이 실장된 상부 세라믹기판(300)을 배치할 때, 절연 스페이서(220)가 상부 세라믹기판(300)의 얼라인을 확인하는 용도로 적용될 수 있다. 또한, 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)을 지지하여 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 휨을 방지하는데 기여한다. The insulating spacer 220 may be integrally bonded to the lower ceramic substrate 200 to confirm alignment when the upper ceramic substrate 300 is disposed on the lower ceramic substrate 200 . When the upper ceramic substrate 300 on which the semiconductor chip G is mounted is disposed in a state in which the insulating spacer 220 is bonded to the lower ceramic substrate 200 , the insulating spacer 220 is formed on the upper ceramic substrate 300 . ) can be applied to check the alignment of In addition, the insulating spacer 220 supports the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 , thereby contributing to preventing bending of the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 .

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)에 실장된 칩과 상부 세라믹기판(300)에 실장된 칩 및 부품 간의 절연을 위해 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 일 예로, 절연 스페이서는 Al2O3, ZTA, Si3N4, AlN 중 선택된 1종 또는 이들 중 둘 이상이 혼합된 합금으로 형성될 수 있다. Al2O3, ZTA, Si3N4, AlN는 기계적 강도, 내열성이 우수한 절연성 재료이다. The insulating spacer 220 may be formed of a ceramic material for insulation between the chip mounted on the lower ceramic substrate 200 and the chip and the component mounted on the upper ceramic substrate 300 . For example, the insulating spacer may be formed of one selected from Al 2 O 3 , ZTA, Si 3 N 4 , and AlN, or an alloy in which two or more thereof are mixed. Al 2 O 3 , ZTA, Si 3 N 4 , and AlN are insulating materials having excellent mechanical strength and heat resistance.

절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)에 브레이징 접합된다. 절연 스페이서(220)를 하부 세라믹기판(200)에 솔더링 접합하면 솔더링 또는 가압 소성시 열적 기계적 충격으로 기판이 파손될 수 있으므로 브레이징 접합한다. 브레이징 접합은 AgCu층과 Ti층을 포함한 브레이징 접합층을 이용할 수 있다. 브레이징을 위한 열처리는 780℃~900℃에서 수행할 수 있다. 브레이징 후, 절연 스페이서(220)는 하부 세라믹기판(200)의 금속층(202)과 일체로 형성된다. 브레이징 접합층의 두께는 0.005mm~0.08mm로 절연 스페이서의 높이에 영향을 미치치 않을 만큼 얇고 접합 강도는 높다. The insulating spacer 220 is brazed to the lower ceramic substrate 200 . When the insulating spacer 220 is bonded to the lower ceramic substrate 200 by soldering, the substrate may be damaged due to thermal and mechanical shock during soldering or pressurization, so that it is bonded by brazing. For the brazing bonding, a brazing bonding layer including an AgCu layer and a Ti layer may be used. Heat treatment for brazing can be performed at 780°C to 900°C. After brazing, the insulating spacer 220 is integrally formed with the metal layer 202 of the lower ceramic substrate 200 . The thickness of the brazing bonding layer is 0.005 mm to 0.08 mm, which is thin enough not to affect the height of the insulating spacer, and the bonding strength is high.

하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 인터커넥션 스페이서(230)를 설치한다. 인터커넥션 스페이서(230)는 상하 복층 구조의 기판에서 연결핀을 대신하여 전극 패턴 간 전기적 연결을 수행할 수 있다. 전기적 로스(loss) 및 쇼트(shot)를 방지하여 기판 간을 직접 연결함으로써 접합 강도를 높이고 전기적 특성도 개선할 수 있다. 인터커넥션 스페이서(230)는 일단이 브레이징 접합 방식으로 하부 세라믹기판(200)의 전극 패턴에 접합될 수 있다. 또한, 인터커넥션 스페이서(230)는 반대되는 타단이 브레이징 접합 방식 또는 솔더링 접합 방식으로 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴에 접합될 수 있다. 인터커넥션 스페이서(230)는 Cu 또는 Cu+CuMo 합금일 수 있다. An interconnection spacer 230 is installed between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 . The interconnection spacer 230 may perform electrical connection between electrode patterns in place of connection pins in a substrate having an upper and lower multilayer structure. It is possible to increase bonding strength and improve electrical properties by directly connecting substrates to each other by preventing electrical loss and short circuit. One end of the interconnection spacer 230 may be bonded to the electrode pattern of the lower ceramic substrate 200 by a brazing bonding method. In addition, the other end of the interconnection spacer 230 may be bonded to the electrode pattern of the upper ceramic substrate 300 by a brazing bonding method or a soldering bonding method. The interconnection spacer 230 may be Cu or a Cu+CuMo alloy.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판을 설명하기 위한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판의 상면과 하면을 보인 도면이다.7 is a perspective view for explaining an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a view showing an upper surface and a lower surface of the upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 7 및 도 8에 도시된 바에 의하면, 상부 세라믹기판(300)은 하부 세라믹기판(200)의 상부에 배치된다.7 and 8 , the upper ceramic substrate 300 is disposed on the lower ceramic substrate 200 .

상부 세라믹기판(300)은 적층 구조의 중간 기판이다. 상부 세라믹기판(300)은 하면에 반도체 칩(G)을 실장하고, 고속 스위칭을 위한 하이 사이드(High Side) 회로와 로우 사이드(Low Side) 회로를 구성한다. The upper ceramic substrate 300 is an intermediate substrate having a stacked structure. The upper ceramic substrate 300 has a semiconductor chip (G) mounted on its lower surface, and constitutes a high-side circuit and a low-side circuit for high-speed switching.

상부 세라믹기판(300)은 세라믹기재(301)와 세라믹기재(301)의 상하면에 브레이징 접합된 금속층(302,303)을 포함한다. 상부 세라믹기판(300)은 세라믹기재의 두께가 0.38t이고 세라믹기재의 상면(300a)과 하면(300b)에 형성한 전극 패턴의 두께가 0.3t인 것을 일예로 한다. 세라믹기판은 상면과 하면의 패턴 두께가 동일해야 브레이징시 틀어지지 않는다. The upper ceramic substrate 300 includes a ceramic substrate 301 and metal layers 302 and 303 brazed to upper and lower surfaces of the ceramic substrate 301 . For the upper ceramic substrate 300, the thickness of the ceramic substrate is 0.38t, and the thickness of the electrode pattern formed on the upper surface 300a and the lower surface 300b of the ceramic substrate is 0.3t as an example. The ceramic substrate must have the same pattern thickness on the upper and lower surfaces to prevent distortion during brazing.

상부 세라믹기판(300)의 상면의 금속층(302)이 형성하는 전극 패턴은 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b), 제3 전극 패턴(c)으로 구분된다. 상부 세라믹기판(300)의 하면의 금속층(303)이 형성하는 전극 패턴은 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴과 대응된다. 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴을 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b), 제3 전극 패턴(c)으로 구분한 것은 고속 스위칭을 위해 하이 사이드(High Side) 회로와 로우 사이드(Low Side) 회로로 분리하기 위함이다. The electrode pattern formed by the metal layer 302 on the upper surface of the upper ceramic substrate 300 is divided into a first electrode pattern (a), a second electrode pattern (b), and a third electrode pattern (c). The electrode pattern formed by the metal layer 303 on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 corresponds to the electrode pattern on the upper surface of the upper ceramic substrate 300 . The division of the electrode pattern on the upper surface of the upper ceramic substrate 300 into a first electrode pattern (a), a second electrode pattern (b), and a third electrode pattern (c) is a high-side circuit for high-speed switching. and to separate the low-side circuit.

반도체 칩(G)은 상부 세라믹기판(300)의 하면(300b)에 솔더(Solder), 은 페이스트(Ag Paste) 등의 접착층에 의해 플립칩(flip chip) 형태로 구비된다. 반도체 칩(G)이 상부 세라믹기판(300)의 하면에 플립칩 형태로 구비됨에 따라 와이어 본딩이 생략되어 인덕턴스 값을 최대한 낮출 수가 있게 되어, 이에 의해 방열 성능 또한 개선시킬 수 있다. The semiconductor chip G is provided in the form of a flip chip by an adhesive layer such as solder and silver paste on the lower surface 300b of the upper ceramic substrate 300 . As the semiconductor chip G is provided in the form of a flip chip on the lower surface of the upper ceramic substrate 300, wire bonding is omitted so that the inductance value can be reduced as much as possible, thereby improving the heat dissipation performance.

도 8에 도시된 바와 같이, 반도체 칩(G)은 고속 스위칭을 위해 2개씩 병렬로 연결될 수 있다. 반도체 칩(G)은 2개가 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴(a)과 제2 전극 패턴(b)을 연결하는 위치에 배치되고 나머지 2개가 제2 전극 패턴(b)과 제3 전극 패턴(c)을 연결하는 위치에 병렬로 배치된다. 일예로 반도체 칩(G) 하나의 용량은 150A이다. 따라서 반도체 칩(G) 2개를 병렬연결하여 용량이 300A가 되도록 한다.As shown in FIG. 8 , two semiconductor chips G may be connected in parallel for high-speed switching. Two semiconductor chips (G) are disposed at positions connecting the first electrode pattern (a) and the second electrode pattern (b) among the electrode patterns of the upper ceramic substrate 300, and the other two are the second electrode pattern (b). and the third electrode pattern (c) are arranged in parallel to each other. For example, the capacity of one semiconductor chip G is 150A. Therefore, two semiconductor chips (G) are connected in parallel so that the capacity becomes 300A.

반도체 칩(G)으로 GaN 칩을 사용하는 파워모듈의 목적은 고속 스위칭에 있다. 고속 스위칭을 위해서는 Gate drive IC 단자에서 반도체 칩(G)의 Gate 단자 간이 매우 짧은 거리로 연결되는 것이 중요하다. 따라서 반도체 칩(G) 간을 병렬로 연결하여 Gate drive IC와 Gate 단자 간 연결 거리를 최소화한다. 또한, 반도체 칩(G)이 고속으로 스위칭하기 위해서는 반도체 칩(G)의 Gate 단자와 Source 단자가 동일한 간격을 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 반도체 칩(G)과 반도체 칩(G)의 사이의 중심에 연결핀이 연결되도록 Gate 단자와 Source 단자를 배치할 수 있다. Gate 단자와 Source 단자가 동일한 간격을 유지하지 않거나 패턴의 길이가 달라지면 문제가 발생한다. The purpose of a power module using a GaN chip as a semiconductor chip (G) is high-speed switching. For high-speed switching, it is important that the gate drive IC terminal be connected with a very short distance between the gate terminal of the semiconductor chip (G). Therefore, the connection distance between the gate drive IC and the gate terminal is minimized by connecting the semiconductor chips G in parallel. In addition, in order for the semiconductor chip G to switch at high speed, it is important that the gate terminal and the source terminal of the semiconductor chip G maintain the same distance. To this end, the gate terminal and the source terminal may be disposed such that the connection pin is connected to the center between the semiconductor chip G and the semiconductor chip G. If the gate terminal and the source terminal do not keep the same distance or the length of the pattern is different, a problem occurs.

Gate 단자는 낮은 전압을 이용하여 반도체 칩(G)을 온오프(on/off)시키는 단자이다. Gate 단자는 연결핀을 통해 PCB 기판(400)과 연결될 수 있다. Source 단자는 고전류가 들어오고 나가는 단자이다. 반도체 칩(G)은 Drain 단자를 포함하며, Source 단자와 Drain 단자는 N형과 P형으로 구분되어 전류의 방향을 바꿀 수 있다. Source 단자와 Drain 단자는 반도체 칩(G)을 실장하는 전극 패턴인 제1 전극 패턴(a), 제2 전극 패턴(b), 제3 전극 패턴(c)을 통해 전류의 입출력을 담당한다. Source 단자와 Drain 단자는 전원의 입출력을 담당하는 도 1의 제1 단자(610) 및 제2 단자(620)와 연결된다. The gate terminal is a terminal for turning on/off the semiconductor chip G by using a low voltage. The gate terminal may be connected to the PCB board 400 through a connection pin. Source terminal is a terminal for high current to enter and exit. The semiconductor chip G includes a drain terminal, and the source terminal and the drain terminal are divided into N-type and P-type to change the direction of the current. The source terminal and the drain terminal are responsible for input and output of current through the first electrode pattern (a), the second electrode pattern (b), and the third electrode pattern (c), which are electrode patterns for mounting the semiconductor chip (G). The source terminal and the drain terminal are connected to the first terminal 610 and the second terminal 620 of FIG. 1 in charge of input and output of power.

도 1에 도시된 제1 단자(610)는 +단자와 -단자를 포함하며, 제1 단자(610)에서 +단자로 유입된 전원은 도 8에 도시된 상부 세라믹기판(300)의 제1 전극 패턴(a), 제1 전극 패턴(a)과 제2 전극 패턴(b)의 사이에 배치된 반도체 칩(G) 및 제2 전극 패턴(b)을 통해 제2 단자(620)로 출력된다. 그리고 도 1에 도시된 제2 단자(620)로 유입된 전원은 도 8에 도시된 제2 전극 패턴(b), 제2 전극 패턴(b)과 제3 전극 패턴(c)의 사이에 배치된 반도체 칩(G) 및 제3 전극 패턴(c)을 통해 제1 단자(610)의 -단자로 출력된다. 예컨데, 제1 단자(610)에서 유입되고 반도체 칩(G)을 통과하여 제2 단자(620)로 출력되는 전원을 하이 사이드(High Side), 제2 단자(620)에서 유입되고 반도체 칩(G)을 통과하여 제1 단자(610)로 출력되는 전원을 로우 사이드(Low Side)가 된다.The first terminal 610 illustrated in FIG. 1 includes a + terminal and a - terminal, and the power introduced from the first terminal 610 to the + terminal is the first electrode of the upper ceramic substrate 300 illustrated in FIG. 8 . It is output to the second terminal 620 through the pattern (a), the semiconductor chip (G) and the second electrode pattern (b) disposed between the first electrode pattern (a) and the second electrode pattern (b). And the power supplied to the second terminal 620 shown in FIG. 1 is disposed between the second electrode pattern (b), the second electrode pattern (b) and the third electrode pattern (c) shown in FIG. 8 . It is output to the - terminal of the first terminal 610 through the semiconductor chip G and the third electrode pattern c. For example, power flowing in from the first terminal 610 and passing through the semiconductor chip G and output to the second terminal 620 is supplied from the high side and the second terminal 620 and the semiconductor chip G ) through the power output to the first terminal 610 becomes a low side (Low Side).

도 7에 도시된 바에 의하면, 상부 세라믹기판(300)은 NTC 온도센서(210)에 대응하는 부분에 커팅부(310)가 형성될 수 있다. 하부 세라믹기판(200)의 상면에 NTC 온도센서(210)가 장착된다. NTC 온도센서(210)는 반도체 칩(G)의 발열로 인한 파워모듈 내의 온도 정보를 제공하기 위한 것이다. 그런데 NTC 온도센서(210)의 두께가 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이의 간격에 비해 두꺼워 NTC 온도센서(210)와 상부 세라믹기판(300)의 간섭이 발생한다. 이를 해결하기 위해 NTC 온도센서(210)와 간섭되는 부분의 상부 세라믹기판(300)을 커팅하여 커팅부(310)를 형성한다. As shown in FIG. 7 , a cutting part 310 may be formed in a portion of the upper ceramic substrate 300 corresponding to the NTC temperature sensor 210 . An NTC temperature sensor 210 is mounted on the upper surface of the lower ceramic substrate 200 . The NTC temperature sensor 210 is to provide temperature information in the power module due to the heat of the semiconductor chip G. However, since the thickness of the NTC temperature sensor 210 is thicker than the gap between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 , interference between the NTC temperature sensor 210 and the upper ceramic substrate 300 occurs. In order to solve this problem, the upper ceramic substrate 300 of the portion that interferes with the NTC temperature sensor 210 is cut to form a cutting portion 310 .

커팅부(310)를 통해 상부 세라믹기판(300)과 하부 세라믹기판(200)의 사이 공간에 몰딩을 위한 실리콘액 또는 에폭시를 주입할 수 있다. 상부 세라믹기판(300)과 하부 세라믹기판(200)의 사이를 절연하기 위해 실리콘액 또는 에폭시를 주입해야 한다. 상부 세라믹기판(300)과 하부 세라믹기판(200)에 실리콘액 또는 에폭시를 주입하기 위해 상부 세라믹기판(300)의 한쪽면을 커팅하여 커팅부(310)를 형성할 수 있으며, 커팅부(310)는 NTC 온도센서(210)와 대응되는 위치에 형성하여 상부 세라믹기판(300)과 NTC 온도센서(210)의 간섭도 방지할 수 있다. 실리콘액 또는 에폭시는 반도체 칩(G)의 보호, 진동의 완화 및 절연의 목적으로 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300) 사이의 공간과 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400) 사이의 공간에 충진할 수 있다.A silicone liquid or epoxy for molding may be injected into the space between the upper ceramic substrate 300 and the lower ceramic substrate 200 through the cutting part 310 . In order to insulate between the upper ceramic substrate 300 and the lower ceramic substrate 200, silicone liquid or epoxy must be injected. In order to inject silicon liquid or epoxy into the upper ceramic substrate 300 and the lower ceramic substrate 200, one side of the upper ceramic substrate 300 may be cut to form a cutting part 310, and the cutting part 310 may be formed. is formed at a position corresponding to the NTC temperature sensor 210 to prevent interference between the upper ceramic substrate 300 and the NTC temperature sensor 210 . Silicon liquid or epoxy is used in the space between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 and the upper ceramic substrate 300 and the PCB substrate 400 for the purpose of protecting the semiconductor chip (G), alleviating vibration, and insulating. You can fill in the space between them.

상부 세라믹기판(300)에 쓰루홀(Through Hole)(320)이 형성된다. 쓰루홀(320)은 상하 복층의 기판 구조에서 상부 세라믹기판(300)에 실장되는 반도체 칩(G)을 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 최단거리로 연결하고, 하부 세라믹기판(200)에 실장된 NTC 온도센서(210)를 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 최단거리로 연결하기 위한 것이다. A through hole 320 is formed in the upper ceramic substrate 300 . The through hole 320 connects the semiconductor chip G mounted on the upper ceramic substrate 300 to the driving device mounted on the PCB substrate 400 in the shortest distance in the upper and lower multi-layered substrate structure, and the lower ceramic substrate 200 . This is to connect the NTC temperature sensor 210 mounted to the PCB board 400 to the driving device mounted on the shortest distance.

쓰루홀(320)은 반도체 칩(G)이 설치되는 위치에 2개씩 8개가 형성되고, NTC 온도센서가 설치되는 위치에 2개가 설치되어 총 10개가 형성될 수 있다. 또한, 쓰루홀(320)은 상부 세라믹기판(300)에서 제1 전극 패턴(a)과 제3 전극 패턴(c)이 형성된 부분에 다수 개가 형성될 수 있다. Eight through-holes 320 are formed at a position where the semiconductor chip G is installed, and two through-holes 320 are installed at a position where the NTC temperature sensor is installed, so that a total of 10 can be formed. In addition, a plurality of through-holes 320 may be formed in the portion where the first electrode pattern (a) and the third electrode pattern (c) are formed in the upper ceramic substrate 300 .

제1 전극 패턴(a)에 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)은 상부 세라믹기판(300)의 상면의 제1 전극 패턴(a)으로 유입된 전류가 상부 세라믹기판(300)의 하면에 형성된 제1 전극 패턴(a)으로 이동하고 반도체 칩(G)으로 유입되도록 한다. 제3 전극 패턴(c)에 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)은 반도체 칩(G)으로 유입된 전류가 상부 세라믹기판(300)의 하면의 제3 전극 패턴(c)을 통해 상부 세라믹기판(300)의 상면의 제3 전극 패턴(c)으로 이동하도록 한다.The plurality of through-holes 320 formed in the first electrode pattern (a) allow the current flowing into the first electrode pattern (a) of the upper surface of the upper ceramic substrate 300 to be formed on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 . It moves to the electrode pattern (a) and flows into the semiconductor chip (G). In the plurality of through holes 320 formed in the third electrode pattern c, the current flowing into the semiconductor chip G passes through the third electrode pattern c of the lower surface of the upper ceramic substrate 300 to the upper ceramic substrate 300 . ) to move to the third electrode pattern (c) on the upper surface.

쓰루홀(320)의 직경은 0.5mm~5.0mm일 수 있다. 쓰루홀(320)에는 연결핀이 설치되어 PCB 기판의 전극 패턴과 연결되고 이를 통해 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 연결될 수 있다. 상하 복층의 기판 구조에서 쓰루홀(320) 및 쓰루홀(320)에 설치되는 연결핀을 통한 전극 패턴 간 연결은 최단 거리 연결을 통해 다양한 출력 손실을 제거하여 파워모듈의 크기에 따른 제약을 개선하는데 기여할 수 있다.The through hole 320 may have a diameter of 0.5 mm to 5.0 mm. A connection pin is installed in the through hole 320 to be connected to the electrode pattern of the PCB substrate, and may be connected to the driving device mounted on the PCB substrate 400 through this. The connection between the electrode patterns through the through-holes 320 and the connection pins installed in the through-holes 320 in the upper and lower multi-layered substrate structure eliminates various output losses through the shortest distance connection, thereby improving the constraints according to the size of the power module. can contribute

상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴에는 복수 개의 비아홀(330)이 형성될 수 있다. 비아홀(330)은 기판 면적 대비 최소 50% 이상 가공될 수 있다. 상술한 비아홀(330)의 면적은 기판 면적 대비 최소 50% 이상 적용되는 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 50% 이하로 가공될 수도 있다.A plurality of via holes 330 may be formed in the electrode pattern of the upper ceramic substrate 300 . The via hole 330 may be processed by at least 50% of the substrate area. The area of the via hole 330 described above has been described as an example in which at least 50% of the substrate area is applied, but is not limited thereto, and may be processed to 50% or less.

일예로 제1 전극 패턴(a)에는 152개의 비아홀이 형성되고 제2 전극 패턴(b)에는 207개의 비아홀이 형성되고 제3 전극 패턴(c)에는 154개의 비아홀이 형성될 수 있다. 각 전극 패턴에 형성되는 복수 개의 비아홀은 대전류 통전 및 대전류 분산을 위한 것이다. 하나의 슬롯 형태로 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴과 하면의 전극 패턴을 도통시키면 한쪽으로만 고전류가 흘러 쇼트, 과열 등의 문제가 발생할 수 있다. For example, 152 via holes may be formed in the first electrode pattern (a), 207 via holes may be formed in the second electrode pattern (b), and 154 via holes may be formed in the third electrode pattern (c). A plurality of via holes formed in each electrode pattern are for conducting a large current and distributing a large current. When the electrode pattern on the upper surface and the electrode pattern on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 are conducted in the form of a single slot, a high current flows only to one side, and problems such as short circuit and overheating may occur.

비아홀(330)에는 전도성 물질이 충진된다. 전도성 물질은 Ag 또는 Ag 합금일 수 있다. Ag 합금은 Ag-Pd 페이스트일 수 있다. 비아홀(330)에 충진된 전도성 물질은 상부 세라믹기판(300)의 상면의 전극 패턴과 하면의 전극 패턴을 전기적으로 연결한다. 비아홀(330)은 PCB 기판(400) 가공하여 형성할 수 있다. The via hole 330 is filled with a conductive material. The conductive material may be Ag or an Ag alloy. The Ag alloy may be an Ag-Pd paste. The conductive material filled in the via hole 330 electrically connects the electrode pattern on the upper surface and the electrode pattern on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 . The via hole 330 may be formed by processing the PCB substrate 400 .

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 상부 세라믹기판에 연결핀이 결합된 상태를 보인 사시도이다.9 is a perspective view illustrating a state in which a connection pin is coupled to an upper ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바에 의하면, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에서 반도체 칩(G)과 인접한 위치에 형성된 쓰루홀(Through Hole)(320)에 끼워진다. 반도체 칩(G)과 인접한 위치에 형성된 쓰루홀(320)에 끼워진 연결핀(800)은 PCB 기판(400)에 대응된 위치에 형성된 쓰루홀에 끼워져 반도체 칩(G)을 실장하는 게이트(Gate) 단자와 PCB 기판(400)의 전극 패턴을 연결할 수 있다. As shown in FIG. 9 , the connection pin 800 is inserted into a through hole 320 formed at a position adjacent to the semiconductor chip G in the upper ceramic substrate 300 . The connection pin 800 fitted into the through hole 320 formed at a position adjacent to the semiconductor chip G is inserted into the through hole formed at a position corresponding to the PCB substrate 400 to mount the semiconductor chip G The terminal and the electrode pattern of the PCB substrate 400 may be connected.

또한, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에서 NTC 온도센서(210)와 인접하는 위치에 형성된 쓰루홀(320)에 끼워진다. NTC 온도센서(210)와 인접하는 위치에 형성된 쓰루홀(320)에 끼워진 연결핀(800)은 PCB 기판(400)에 대응되는 위치에 형성된 쓰루홀에 끼워져 NTC 온도센서(210)의 단자와 PCB 기판(400)의 전극 패턴을 연결할 수 있다. In addition, the connection pin 800 is inserted into the through hole 320 formed at a position adjacent to the NTC temperature sensor 210 in the upper ceramic substrate 300 . The connection pin 800 fitted into the through hole 320 formed at a position adjacent to the NTC temperature sensor 210 is inserted into the through hole formed at a position corresponding to the PCB substrate 400 to the terminal of the NTC temperature sensor 210 and the PCB. The electrode patterns of the substrate 400 may be connected.

또한, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에서 제1 전극 패턴(a)과 제3 전극 패턴(c)에 일렬로 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)에 끼워진다. 제1 전극 패턴(a)과 제3 전극 패턴(c)에 형성된 다수 개의 쓰루홀(320)에 끼워진 연결핀(800)은 PCB 기판(400)에 대응된 위치에 형성된 쓰루홀에 끼워져 반도체 칩(G)을 PCB 기판(400)의 캐패시터(410)와 연결할 수 있다.In addition, the connection pin 800 is fitted into the plurality of through holes 320 formed in a line in the first electrode pattern (a) and the third electrode pattern (c) in the upper ceramic substrate 300 . The connection pins 800 fitted into the plurality of through holes 320 formed in the first electrode pattern (a) and the third electrode pattern (c) are inserted into the through holes formed at positions corresponding to the PCB substrate 400 to form a semiconductor chip ( G) may be connected to the capacitor 410 of the PCB substrate 400 .

연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에 실장되는 반도체 칩(G)을 PCB 기판(400)에 실장되는 구동소자와 최단거리로 연결하여 다양한 출력 손실을 제거하고 고속 스위칭이 가능하게 한다.The connection pin 800 connects the semiconductor chip G mounted on the upper ceramic substrate 300 to the driving device mounted on the PCB substrate 400 with the shortest distance, thereby eliminating various output losses and enabling high-speed switching.

도 10은 본 발명의 실시예에 의한 PCB 기판의 평면도이다.10 is a plan view of a PCB substrate according to an embodiment of the present invention.

도 10에 도시된 바에 의하면, PCB 기판(400)은 반도체 칩(G)을 스위칭하거나 NTC 온도센서(210)가 감지한 정보를 이용하여 반도체 칩의 스위칭하기 위한 구동소자가 실장된다. 구동소자는 Gate Drive IC를 포함한다.As shown in FIG. 10 , a driving element for switching the semiconductor chip G or using the information sensed by the NTC temperature sensor 210 is mounted on the PCB substrate 400 for switching the semiconductor chip. The driving device includes a Gate Drive IC.

PCB 기판(400)은 상면에 캐패시터(410)가 장착된다. 캐패시터(410)는 상부 세라믹기판(300)의 제1 전극 패턴(a)과 제2 전극 패턴(b)을 연결하도록 배치된 반도체 칩(G)과 상부 세라믹기판(300)의 제2 전극 패턴(b)과 제3 전극 패턴(c)을 연결하도록 배치된 반도체 칩(G)의 사이에 해당하는 위치인 PCB 기판(400)의 상면에 장착된다. The capacitor 410 is mounted on the PCB substrate 400 . The capacitor 410 includes a semiconductor chip G disposed to connect the first electrode pattern a and the second electrode pattern b of the upper ceramic substrate 300 and the second electrode pattern (G) of the upper ceramic substrate 300 . It is mounted on the upper surface of the PCB substrate 400 at a position corresponding to a position between the semiconductor chip G disposed to connect b) and the third electrode pattern c.

반도체 칩(G)의 사이에 해당하는 위치인 PCB 기판(400)의 상면에 캐패시터(410)가 장착되면 연결핀(도 9의 도면 부호 800)을 이용하여 반도체 칩(G)과 Gate Drive IC 회로를 최단거리로 연결할 수 있으므로 고속 스위칭에 보다 유리하다. 일 예로, 캐패시터(410)는 용량을 맞추기 위해 10개가 병렬로 연결될 수 있다. 입력단에 디커플링용도로 2.5㎌ 이상을 확보하기 위해서는 고전압의 캐패시터 10개를 연결하여 용량을 확보해야 한다. 관련식은 56㎌/630V×5ea= 2.8㎌에서 확인된다. Gate Drive IC 회로는 High side gate drive IC와 Low side gate drive IC를 포함한다. When the capacitor 410 is mounted on the upper surface of the PCB substrate 400, which is a position between the semiconductor chips G, the semiconductor chip G and the Gate Drive IC circuit using a connection pin (reference numeral 800 in FIG. 9) can be connected in the shortest distance, which is more advantageous for high-speed switching. As an example, ten capacitors 410 may be connected in parallel to match their capacity. In order to secure more than 2.5㎌ for decoupling at the input terminal, 10 high-voltage capacitors must be connected to secure the capacity. The related formula is confirmed at 56㎌/630V×5ea = 2.8㎌. The gate drive IC circuit includes a high side gate drive IC and a low side gate drive IC.

도 11은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈 구조를 설명하기 위한 구성도이다. 도 11의 구성도는 도 3에서 보여지는 실제 파워모듈의 내부 구조를 식별이 용이하도록 주요 부분만 과장하여 도시한 것이다. 따라서 도 3의 실제 측면도와 도 11의 구성도는 일부 일치하지 않는 부분이 있을 수 있다.11 is a block diagram illustrating a structure of a power module according to an embodiment of the present invention. The configuration diagram of FIG. 11 is an exaggerated illustration of only the main part of the actual internal structure of the power module shown in FIG. 3 for easy identification. Therefore, there may be some inconsistencies between the actual side view of FIG. 3 and the configuration diagram of FIG. 11 .

도 11에 도시된 바에 의하면, 파워모듈(10)은 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300) 및 PCB 기판(400)의 3층 일체형 구조로 된다. As shown in FIG. 11 , the power module 10 has a three-layer integrated structure of the lower ceramic substrate 200 , the upper ceramic substrate 300 , and the PCB substrate 400 .

상부 세라믹기판(300)은 하부 세라믹기판(200)의 상부에 이격되게 배치된다. 반도체 칩(G)은 상부 세라믹기판(300)의 하면에 실장되고 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 배치된다. 고전력용 제어를 위한 반도체 칩(G)은 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 배치하여 방열 효율을 높이고, 저전력용 제어를 위한 PCB 기판(400)은 상부 세라믹기판(300)의 상부에 배치하여 반도체 칩(G)에서 발생하는 열로 인한 PCB 기판(400)의 손상을 방지한다. The upper ceramic substrate 300 is disposed to be spaced apart from the upper ceramic substrate 200 . The semiconductor chip G is mounted on the lower surface of the upper ceramic substrate 300 and disposed between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 . The semiconductor chip G for high-power control is disposed between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300 to increase heat dissipation efficiency, and the PCB substrate 400 for low-power control is the upper ceramic substrate 300 ) to prevent damage to the PCB substrate 400 due to heat generated from the semiconductor chip (G).

PCB 기판(400)의 상면에는 반도체 칩(G)의 스위칭하기 위한 구동소자, 전압을 연속적이게 하기 위한 캐패시터, 커넥터 등이 실장된다. 구동소자는 Gate Drive IC 회로를 포함한다. Gate Drive IC 회로는 High side gate drive IC와 Low side gate drive IC를 포함한다. PCB 기판(400)은 복수의 절연층의 사이에 내부 전극 패턴이 형성되고 최상층에 상부 전극 패턴이 형성된 다층 구조로 될 수 있다. A driving device for switching the semiconductor chip G, a capacitor for making a voltage continuous, a connector, and the like are mounted on the upper surface of the PCB substrate 400 . The driving device includes a Gate Drive IC circuit. The gate drive IC circuit includes a high side gate drive IC and a low side gate drive IC. The PCB substrate 400 may have a multilayer structure in which an internal electrode pattern is formed between a plurality of insulating layers and an upper electrode pattern is formed in an uppermost layer.

상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400)에 쓰루홀(320,420)이 형성된다. 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400)에 형성된 쓰루홀(320,420)에 연결핀(800)이 관통 설치된다. 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400)에 형성된 전극 패턴(a,b,c,d) 간을 수직으로 연결한다.Through holes 320 and 420 are formed in the upper ceramic substrate 300 and the PCB substrate 400 . The connection pins 800 are installed through the through holes 320 and 420 formed in the upper ceramic substrate 300 and the PCB substrate 400 . The connecting pins 800 vertically connect between the upper ceramic substrate 300 and the electrode patterns a, b, c, and d formed on the PCB substrate 400 .

상부 세라믹기판(300)의 쓰루홀(320)과 PCB 기판(400)의 쓰루홀(420)을 관통하여 설치된 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴(a,b,c)과 PCB 기판(400)의 전극 패턴(d)을 최단 거리로 연결하여 다양한 출력 손실을 제거하고 임피던스와 인덕턴스를 낮춤으로써 대전력을 고속으로 제어하기 용이하도록 한다.The connection pins 800 installed through the through hole 320 of the upper ceramic substrate 300 and the through hole 420 of the PCB substrate 400 are the electrode patterns (a, b, c) of the upper ceramic substrate 300 . By connecting the electrode pattern d of the PCB substrate 400 to the shortest distance, various output losses are eliminated and impedance and inductance are lowered to facilitate high-speed control of large power.

전압이 일정하다는 가정하에 임피던스가 낮으면 전류의 이동이 용이하므로 전류를 고속으로 제어하기 용이하다. 그리고 인덕턴스가 높으면 저항이 증가하고 열이 증가하므로 고속 스위칭 및 방열을 위해서는 인덕턴스를 낮추는 것이 중요하다. 임피던스와 인덕턴스는 전극 패턴의 연결 거리를 길수록 높아진다. Under the assumption that the voltage is constant, if the impedance is low, it is easy to move the current, so it is easy to control the current at high speed. And, if the inductance is high, resistance increases and heat increases. Therefore, it is important to lower the inductance for high-speed switching and heat dissipation. Impedance and inductance increase as the connection distance of the electrode pattern increases.

만약, 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300) 및 PCB 기판(400)을 별도로 제작하고 필요에 따라서 조립하여 사용하면, 전극 패턴 간을 최단 거리로 연결하기 어렵고 와이어 등을 이용하여 연결해야 하므로 다양한 출력 손실이 발생하고, 높은 임피던스와 인덕턴스로 인해 전류를 고속으로 제어하기 어려운 한계가 있다. If the lower ceramic substrate 200, the upper ceramic substrate 300, and the PCB substrate 400 are separately manufactured and assembled as needed, it is difficult to connect the electrode patterns with the shortest distance, and it is difficult to connect them using wires, etc. Therefore, various output losses occur, and it is difficult to control the current at high speed due to high impedance and inductance.

따라서, 실시예의 파워모듈은 고출력 전력 반도체 칩 모듈과 Drive PCBA(Print Circuit Board Assembly)를 일체형으로 구성하여 전류 경로를 최소화하고 임피던스와 인덕턴스를 낮춘다. 고출력 전력 반도체 칩 모듈은 하부 세라믹기판(200)과 상부 세라믹기판(300)의 사이에 고출력 반도체 칩을 배치한 구조의 모듈이고, Drive PCBA는 PCB 기판(400)에 구동소자 및 전극 패턴 등을 포함한 PCB 조립품을 의미한다.Accordingly, the power module of the embodiment minimizes the current path and lowers the impedance and inductance by integrally configuring the high output power semiconductor chip module and the Drive PCBA (Print Circuit Board Assembly). The high output power semiconductor chip module is a module having a structure in which a high output semiconductor chip is disposed between the lower ceramic substrate 200 and the upper ceramic substrate 300, and the Drive PCBA includes a driving element and an electrode pattern on the PCB substrate 400. PCB assembly.

반도체 칩(G)은 GaN 칩이며, 상부 세라믹기판(300)의 하면에 플립칩 형태로 고정한다. 반도체 칩(G)을 상부 세라믹기판(300)에 플립칩 형태로 고정하면 반도체 칩(G)과 Gate drive IC 단자 간의 거리를 최대한 짧게 설계할 수 있어 반도체 칩(G)의 성능을 최대한 발휘하도록 할 수 있다.The semiconductor chip G is a GaN chip, and is fixed to the lower surface of the upper ceramic substrate 300 in the form of a flip chip. When the semiconductor chip G is fixed to the upper ceramic substrate 300 in the form of a flip chip, the distance between the semiconductor chip G and the gate drive IC terminal can be designed as short as possible to maximize the performance of the semiconductor chip G. can

일 예로, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)에 실장되는 반도체 칩(G)의 게이트 단자와 PCB 기판(400)에 실장되는 드라이브 IC를 연결할 수 있다. 드라이브 IC는 하이 게이트 드라이브 IC(HS gate drive IC)와 로우 게이트 드라이브 IC(LS gate drive IC)를 포함한다. 또한, 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴을 PCB 기판(400)에 실장되는 캐패시터와 연결할 수 있다. For example, the connection pin 800 may connect the gate terminal of the semiconductor chip G mounted on the upper ceramic substrate 300 and the drive IC mounted on the PCB substrate 400 . The drive IC includes a high gate drive IC (HS gate drive IC) and a low gate drive IC (LS gate drive IC). In addition, the connection pin 800 may connect the electrode pattern of the upper ceramic substrate 300 to the capacitor mounted on the PCB substrate 400 .

연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)과 PCB 기판(400)을 수직으로 연결하되, 쇼트 방지를 위하여 상부 세라믹기판(300)의 하부에 배치되는 하부 세라믹기판(200)과는 접촉하지 않는다.The connecting pin 800 vertically connects the upper ceramic substrate 300 and the PCB substrate 400, but does not contact the lower ceramic substrate 200 disposed under the upper ceramic substrate 300 to prevent short circuit. .

쓰루홀(320,420)에 관통 설치된 연결핀(800)은 상부 세라믹기판(300)의 쓰루홀(320)의 가장자리의 전극 패턴(a,b,c)과 레이저 웰딩에 의해 접합될 수 있다. 연결핀(800)을 쓰루홀(320)에 끼움 결합하고 레이저 웰딩으로 접합하면 연결핀(800)을 상부 세라믹기판(300)에 고정하기 용이하고 위치의 정밀도가 향상된다. 이는 연결핀(800)이 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴(a,b,c)에 안정적으로 연결되게 하므로 파워모듈의 작동 신뢰성 확보에 유리하다. The connection pins 800 installed through the through-holes 320 and 420 may be bonded to the electrode patterns a, b, and c of the edge of the through-hole 320 of the upper ceramic substrate 300 by laser welding. When the connecting pin 800 is fitted into the through hole 320 and joined by laser welding, it is easy to fix the connecting pin 800 to the upper ceramic substrate 300 and the positioning accuracy is improved. This is advantageous in securing the operational reliability of the power module since the connecting pin 800 is stably connected to the electrode patterns a, b, and c of the upper ceramic substrate 300 .

레이저 웰딩시 연결핀(800)을 상부 세라믹기판(300)의 전극 패턴(a,b,c)에 접합하는 솔더층(850)을 포함할 수 있다. 솔더층(850)은 상부 세라믹기판(300)의 쓰루홀(320)의 가장자리에 도포되고 레이저 웰딩시 녹아 연결핀(800)을 전극 패턴(a,b,c)에 접합할 수 있다. 연결핀(800)은 전도성이 있는 구리 또는 구리합금으로 형성될 수 있다. 연결핀(800)은 쓰루홀(320,420)의 내경에 대응되는 원기둥 형상으로 형성될 수도 있고 제작의 용이성을 위해 사각 기동 형상으로 형성될 수도 있다. 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 연결핀(800)은 묶음 형태로 제작되어 상부 세라믹기판(300)의 쓰루홀(320)에 끼움 결합될 수 있다.A solder layer 850 for bonding the connection pins 800 to the electrode patterns a, b, and c of the upper ceramic substrate 300 during laser welding may be included. The solder layer 850 may be applied to the edge of the through hole 320 of the upper ceramic substrate 300 and melted during laser welding to bond the connection pins 800 to the electrode patterns a, b, and c. The connection pin 800 may be formed of conductive copper or a copper alloy. The connecting pin 800 may be formed in a cylindrical shape corresponding to the inner diameter of the through-holes 320 and 420 or may be formed in a rectangular starting shape for ease of manufacture. Alternatively, as shown in FIG. 9 , the connecting pins 800 may be manufactured in a bundle form and fitted into the through-holes 320 of the upper ceramic substrate 300 .

하부 세라믹기판(200)의 하면에 부착된 방열판(500)을 포함한다. 방열판(500)은 하부 세라믹기판(200)의 하면에 솔더링 접합될 수 있다. and a heat sink 500 attached to the lower surface of the lower ceramic substrate 200 . The heat sink 500 may be soldered to the lower surface of the lower ceramic substrate 200 .

하부 세라믹기판(200)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판이고, AMB 기판을 형성하는 세라믹기재(201)의 두께가 0.635mm이고 세라믹기재(201)의 상부와 하부의 금속층(202,203)의 두께가 각각 0.8mm인 것을 일예로 할 수 있다.The lower ceramic substrate 200 is an AMB (Active Metal Brazing) substrate, the thickness of the ceramic substrate 201 forming the AMB substrate is 0.635 mm, and the thickness of the upper and lower metal layers 202 and 203 of the ceramic substrate 201 are respectively 0.8 mm may be used as an example.

상부 세라믹기판(300)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판이고, AMB 기판을 형성하는 세라믹기재(301)의 두께가 0.38mm이고 세라믹기재(301)의 상부와 하부의 금속층(302,303)의 두께가 각각 0.3mm인 것을 일예로 할 수 있다. 또한 금속층은 동박인 것을 일예로 한다. 금속층(302,303)이 전극 패턴(a,b,c)을 형성한다.The upper ceramic substrate 300 is an AMB (Active Metal Brazing) substrate, the thickness of the ceramic substrate 301 forming the AMB substrate is 0.38 mm, and the thickness of the metal layers 302 and 303 of the upper and lower portions of the ceramic substrate 301 are respectively. 0.3mm may be used as an example. In addition, the metal layer is made of copper foil as an example. Metal layers 302 and 303 form electrode patterns a, b, and c.

PCB 기판(400)은 다층 구조의 FR4 기판이고, 두께가 0.9mm인 것을 일예로 할 수 있다. 방열판(500)은 구리 재질, 구리합금 재질, Cu-Mo-Cu 3층 구조 및 Cu-CuMo-Cu 3층 구조 중 어느 하나 형성되며 두께가 4mm인 것을 일예로 할 수 있다.The PCB substrate 400 may be an FR4 substrate having a multi-layer structure, and may have a thickness of 0.9 mm as an example. The heat sink 500 may be formed of any one of a copper material, a copper alloy material, a Cu-Mo-Cu three-layer structure, and a Cu-CuMo-Cu three-layer structure and have a thickness of 4 mm as an example.

상부 세라믹기판(300)에는 비아홀(330)이 형성된다. A via hole 330 is formed in the upper ceramic substrate 300 .

비아홀(330)은 상부 세라믹기판(300)의 세라믹기재(301)를 상하로 관통하도록 형성된다. 비아홀(330)은 복수 개가 형성되며, 비아홀(330)에는 금속충진재(P)가 충진된다. 비아홀(330)에 충진된 금속충진재(P)는 세라믹기재(301)의 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)을 수직으로 연결한다. 비아홀(330)에 충진된 금속충진재(P)는 비아홀(330)의 상부와 하부로 돌출되어 세라믹기재(301)의 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)과 접합될 수 있다. 또는, 비아홀(330)은 상부 세라믹기판(300)을 상하로 관통하도록 형성되고, 금속충진재(P)는 비아홀(330)에 충진되어 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)을 연결할 수 있다.The via hole 330 is formed to vertically penetrate the ceramic substrate 301 of the upper ceramic substrate 300 . A plurality of via holes 330 are formed, and a metal filler P is filled in the via holes 330 . The metal filler P filled in the via hole 330 vertically connects the electrode patterns a, b, and c of the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 301 . The metal filler P filled in the via hole 330 may protrude upward and downward of the via hole 330 to be bonded to the electrode patterns a, b, and c of the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 301 . Alternatively, the via hole 330 is formed to penetrate the upper ceramic substrate 300 up and down, and the metal filler P is filled in the via hole 330 to connect the upper and lower electrode patterns a, b, and c. have.

세라믹기재(301)는 알루미나(Al2O3), ZTA, AlN, SiN, Si3N4 중 하나로 형성될 수 있다. 이와 같이, 세라믹기재(301)는 절연재질로 형성되므로 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)의 전기적 연결이 불가능한 구조이다. 파워모듈에서 반도체 칩을 통한 루프 연결 및 전기적 회로 연결이 필요한데, 전기적 루프 길이가 길어지면 인덕턴스 값이 증가한다. 인덕턴스 값이 증가하면 전류의 고속 이동에 불리하다. The ceramic substrate 301 may be formed of one of alumina (Al 2 O 3 ), ZTA, AlN, SiN, and Si 3 N 4 . As described above, since the ceramic substrate 301 is formed of an insulating material, it is impossible to electrically connect the upper and lower electrode patterns a, b, and c. In the power module, loop connection and electrical circuit connection through a semiconductor chip are required. As the length of the electrical loop increases, the inductance value increases. An increase in the inductance value is detrimental to the high-speed movement of current.

따라서 인덕턴스 값을 낮추어 전류의 고속 이동에 유리하도록 세라믹기재(301)의 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)을 비아홀(330)에 충진한 금속충진재(P)로 연결하여 전류의 이동 효율을 높이고, 파워모듈의 소형화가 가능하게 할 수 있다.Therefore, the electrode patterns (a, b, c) of the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 301 are connected with the metal filler P filled in the via hole 330 to lower the inductance value to facilitate the high-speed movement of the current. It is possible to increase the efficiency and make it possible to miniaturize the power module.

비아홀(330)은 금속충진재(P)의 충진이 용이하도록 내경이 0.1mm~0.3mm 범위이다. 금속충진재(P)는 전도성 금속으로 이루어진다. 일 예로, 금속충진재(P)는 Ag합금계, Ag-Pd계, Ag-Ceramic계, Cu합금계 중 하나 또는 이들의 혼합 페이스트로 이루어진다. 상기한 금속충진재(P)는 저항이 낮아 세라믹기재(301)의 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)을 연결하여 전류의 이동 효율을 높인다. The via hole 330 has an inner diameter in the range of 0.1 mm to 0.3 mm to facilitate filling of the metal filler P. The metal filler (P) is made of a conductive metal. For example, the metal filler (P) is made of one of Ag alloy-based, Ag-Pd-based, Ag-Ceramic-based, Cu alloy-based paste, or a mixture thereof. The metal filler (P) has a low resistance and connects the electrode patterns (a, b, c) of the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 301 to increase the current movement efficiency.

비아홀(330)의 면적은 상부 세라믹기판(300)의 면적 대비 10% 이상일 수 있다. The area of the via hole 330 may be 10% or more of the area of the upper ceramic substrate 300 .

상술한 실시예는 하부 세라믹기판(200), 상부 세라믹기판(300) 및 PCB 기판(400)을 3층 일체형 구성으로 제작하여 전류 경로를 최소화하고 임피던스와 인덕턴스를 낮춤으로써 대전력을 고속으로 제어하기 용이하도록 할 수 있다.In the above-described embodiment, the lower ceramic substrate 200, the upper ceramic substrate 300, and the PCB substrate 400 are manufactured in a three-layer integrated configuration to minimize the current path and lower the impedance and inductance to control large power at high speed. can make it easy.

또한, 상부 세라믹기판(300)에 복수 개의 비아홀(330)을 형성하여 상면과 하면의 전극 패턴(a,b,c)을 연결함으로써 대전류의 분산 및 대전류의 통전을 용이하게 하여 쇼트 및 과열 등의 문제를 방지하고 고속 전류의 이동을 효율을 높일 수 있다.In addition, by forming a plurality of via holes 330 in the upper ceramic substrate 300 to connect the electrode patterns a, b, and c on the upper surface and the lower surface, the dispersion of the large current and the conduction of the large current are facilitated to prevent short circuit and overheating. It can prevent problems and increase the efficiency of high-speed current movement.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is disclosed in the drawings and in the specification with preferred embodiments. Herein, although specific terms have been used, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments of the present invention are possible therefrom. Accordingly, the true technical scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

10: 파워모듈 100: 하우징
101: 안내리브 102: 걸림턱
103: 체결공 104: 지지공
200: 하부 세라믹기판 201: 세라믹기재
202,203: 금속층 210: NTC 온도센서
220: 절연 스페이서 230: 인터커넥션 스페이서
300,300': 상부 세라믹기판 301: 세라믹기재
302,302: 금속층 310: 커팅부
320,420: 쓰루홀 330: 비아홀
400: PCB 기판 401: 안내홈
410: 캐패시터 420: 쓰루홀
430: 커넥터 500: 방열판
610: 제1 단자 620: 제2 단자
630: 지지볼트 700: 버스바
G: 반도체 칩(GaN 칩) 800: 연결핀
850: 솔더층 a,b,c,d: 전극 패턴10: power module 100: housing
101: guide rib 102: locking jaw
103: fastening hole 104: support hole
200: lower ceramic substrate 201: ceramic substrate
202,203: metal layer 210: NTC temperature sensor
220: insulating spacer 230: interconnection spacer
300,300': upper ceramic substrate 301: ceramic substrate
302,302: metal layer 310: cutting part
320,420: through hole 330: via hole
400: PCB board 401: guide groove
410: capacitor 420: through hole
430: connector 500: heat sink
610: first terminal 620: second terminal
630: support bolt 700: bus bar
G: semiconductor chip (GaN chip) 800: connection pin
850: solder layer a, b, c, d: electrode pattern

Claims (10)

하부 세라믹기판;
상기 하부 세라믹기판의 상부에 배치되며 하면에 반도체 칩이 실장되는 상부 세라믹기판;
상기 상부 세라믹기판의 상부에 배치되는 PCB 기판; 및
상기 상부 세라믹기판과 상기 PCB 기판에 형성된 쓰루홀에 관통 설치되고 상기 상부 세라믹기판과 상기 PCB 기판에 형성된 전극 패턴 간을 수직으로 연결하는 연결핀;
을 포함하는 파워모듈.lower ceramic substrate;
an upper ceramic substrate disposed on the lower ceramic substrate and having a semiconductor chip mounted thereon;
a PCB substrate disposed on the upper ceramic substrate; and
a connection pin installed through the through hole formed in the upper ceramic substrate and the PCB substrate and vertically connecting the upper ceramic substrate and the electrode pattern formed in the PCB substrate;
A power module comprising a. 제1항에 있어서,
상기 연결핀은
상기 상부 세라믹기판에 실장되는 상기 반도체 칩의 게이트 단자와 상기 PCB 기판에 실장되는 드라이브 IC를 연결하는 파워모듈. According to claim 1,
The connecting pin is
A power module for connecting a gate terminal of the semiconductor chip mounted on the upper ceramic substrate and a drive IC mounted on the PCB substrate. 제1항에 있어서,
상기 연결핀은
상기 상부 세라믹기판의 전극 패턴을 상기 PCB 기판에 실장되는 캐패시터와 연결하는 파워모듈.According to claim 1,
The connecting pin is
A power module for connecting the electrode pattern of the upper ceramic substrate to a capacitor mounted on the PCB substrate. 제1항에 있어서,
상기 쓰루홀에 관통 설치된 상기 연결핀은 상기 쓰루홀의 가장자리의 전극 패턴과 레이저 웰딩에 의해 접합된 파워모듈.According to claim 1,
The connection pin installed through the through hole is connected to the electrode pattern at the edge of the through hole by laser welding. 제4항에 있어서,
상기 쓰루홀의 가장자리에 도포되고 상기 레이저 웰딩시 녹아 상기 연결핀을 상기 전극 패턴에 접합하는 솔더층을 포함하는 파워모듈.5. The method of claim 4,
and a solder layer applied to an edge of the through hole and melted during laser welding to bond the connection pin to the electrode pattern. 제1항에 있어서,
상기 연결핀은 구리 또는 구리합금으로 형성된 파워모듈.According to claim 1,
The connection pin is a power module formed of copper or a copper alloy. 제1항에 있어서,
상기 상부 세라믹기판은
세라믹기재;
상기 세라믹기재의 상면과 하면에 형성되는 전극 패턴;
상기 세라믹기재를 상하로 관통하도록 형성된 복수 개의 비아홀; 및
상기 비아홀에 충진되어 상기 상면과 하면의 전극 패턴을 연결하는 금속충진재;
를 포함하는 파워모듈. According to claim 1,
The upper ceramic substrate is
ceramic substrate;
electrode patterns formed on the upper and lower surfaces of the ceramic substrate;
a plurality of via holes formed to vertically penetrate the ceramic substrate; and
a metal filler filling the via hole and connecting the electrode patterns on the upper surface and the lower surface;
A power module comprising a. 제7항에 있어서,
상기 비아홀은 내경이 0.1mm~0.3mm인 파워모듈.8. The method of claim 7,
The via hole is a power module having an inner diameter of 0.1 mm to 0.3 mm. 제7항에 있어서,
상기 금속충진재는
Ag합금계, Ag-Pd계, Ag-Ceramic계, Cu합금계 중 하나 또는 이들의 혼합 페이스트로 이루어진 파워모듈.8. The method of claim 7,
The metal filler is
A power module composed of one of Ag alloy-based, Ag-Pd-based, Ag-Ceramic-based, Cu alloy-based paste or a mixture thereof. 제1항에 있어서,
상기 반도체 칩은 상기 상부 세라믹기판에 플립칩 형태로 실장되는 파워모듈.According to claim 1,
The semiconductor chip is mounted on the upper ceramic substrate in the form of a flip chip.
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