KR20200085116A - Power module of double side cooling - Google Patents

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KR20200085116A
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Abstract

A double-sided cooling power module of the present invention includes: a first power module modularized to include a first upper substrate, a first lower substrate, and a high-side diode element and a low-side switching element which are embedded between the first upper substrate and the first lower substrate; and a second power module modularized to include a second upper substrate, a second lower substrate, and a high-side switching element and a low-side diode element which are embedded between the second upper substrate and the second lower substrate.

Description

양면 냉각형 파워 모듈{POWER MODULE OF DOUBLE SIDE COOLING}Double-sided cooling power module {POWER MODULE OF DOUBLE SIDE COOLING}

본 발명은 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 구동모터를 작동시키는 양면 냉각형 파워 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a double-sided cooling power module that operates a driving motor for a hybrid vehicle and an electric vehicle.

하이브리드 자동차 및 전기자동차의 구동모터를 작동시키기 위해서는 인버터가 필수적이다. 구동모터의 효율을 향상시키기 위해서는, 인버터에 포함되는 일종의 스위치 소자인 파워모듈을 소형화시키고, 동시에 냉각효율을 향상시키는 것이 중요하다.In order to operate the driving motors of hybrid vehicles and electric vehicles, an inverter is essential. In order to improve the efficiency of the driving motor, it is important to downsize the power module, which is a kind of switch element included in the inverter, and at the same time, improve the cooling efficiency.

두 개의 기판 사이에 반도체칩을 설치하여 양 기판의 바깥쪽에 냉각기를 설치하는 양면냉각 파워모듈은 단면 냉각 파워모듈에 비해 냉각 효율이 높고, 회로 구조를 단순화시킬 수 있어 파워모듈의 소형화를 위해 중요한 기술이다.The double-sided cooling power module, which installs a semiconductor chip between two boards and installs coolers on both sides of the board, has higher cooling efficiency than the single-sided cooling power module and simplifies the circuit structure, so it is an important technology for miniaturization of the power module. to be.

도 1은 종래의 인버터를 나타내는 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a conventional inverter.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 인버터는 양극 단자(Terminal_P)와 음극 단자(Terminal_N) 사이에 병렬 연결된 인버터 암(arm, 이하, '파워 모듈'이라 함)들(11, 13, 15)을 포함한다.As shown in FIG. 1, a conventional inverter includes inverter arms (hereinafter referred to as'power modules') 11, 13, and 15 connected in parallel between the positive terminal (Terminal_P) and the negative terminal (Terminal_N). Includes.

각 인버터 암은 직렬 연결된 하이-사이드(high-side) 트랜지스터(Thigh)와 로우-사이드(low-side) 트랜지스터(Tlow)를 포함하고, 이들 트랜지스터와 각각 병렬로 연결된 하이 다이오드(Dhigh)와 로우 다이오드(Dlow)를 포함한다. 각 파워 모듈은 하이 트랜지스터(Thigh)와 로우 트랜지스터(Tlow) 사이의 출력 단자(Terminal_U, Terminal_V, Terminal_W)를 통해 서로 다른 상의 전압을 구동 모터(M)에 인가한다.Each inverter arm includes a series connected high-side transistor (T high ) and a low-side transistor (T low ), and each of these transistors is a high diode (D high ) connected in parallel. And a low diode (D low ). Each power module applies different phase voltages to the driving motor M through output terminals (Terminal_U, Terminal_V, Terminal_W) between the high transistor (T high ) and the low transistor (T low ).

도 2는 종래의 파워 모듈의 구조를 나타낸 3차원 모델이고, 도 3은 도 2에 도시한 3차원 모델을 도 2에 도시한 Y 축 방향(A 시점)으로 바라본 측면도이고, 도 4는 도 2에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 것으로, 파워 모듈의 내부 구조를 명확히 보여주기 위해, 상부 기판을 제거한 상태에서 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도이다. 한편, 도 3은 Y 축 방향(A 시점)으로 바라본 측면도이므로, 도 4에서 도시한 하이 트랜지스터(Thigh), 하이 다이오드(Dhigh)와 같은 반도체 소자들과 일부 스페이서 구조물들이 로우 트랜지스터(Tlow), 로우 다이오드(Dlow)) 등의 반도체 소자들에 의해 가려진 상태이기 때문에, 하이 트랜지스터(Thigh), 하이 다이오드(Dhigh)와 같은 반도체 소자들이 도 3에서는 나타나지 않는다.FIG. 2 is a three-dimensional model showing the structure of a conventional power module, and FIG. 3 is a side view of the three-dimensional model shown in FIG. 2 in the Y-axis direction (A point of view) shown in FIG. 2, and FIG. 4 is FIG. 2 The 3D model shown in FIG. 3 is viewed from above, and is a plan view of the 3D model viewed from above with the upper substrate removed to clearly show the internal structure of the power module. Meanwhile, since FIG. 3 is a side view viewed in the Y-axis direction (point A), semiconductor devices such as the high transistor T high and the high diode D high shown in FIG. 4 and some spacer structures are low transistors (T low ). ), low diode (D low )), so that the semiconductor elements such as high transistor (T high ) and high diode (D high ) are not shown in FIG. 3.

도 2 내지 4을 참조하면, 파워 모듈은 상부 기판(10), 하부 기판(30), 이들(10, 30) 사이에 칩 형태로 임베딩된 다수의 전력용 반도체 소자(하이 트랜지스터(Thigh)와 로우 트랜지스터(Tlow), 하이 다이오드(Dhigh)와 로우 다이오드(Dlow)) 및 스페이서(spacer, 23)를 포함한다.2 to 4, the power module includes an upper substrate 10, a lower substrate 30, and a plurality of power semiconductor devices (high transistors (T high )) embedded in a chip form between them (10, 30). It includes a low transistor (T low ), a high diode (D high ) and a low diode (D low ), and a spacer (23).

먼저, 상부 기판(10)은 솔더(solder, 21)에 의해 스페이서(23)의 상부면과 전기적으로 연결된다. 여기서, 스페이서(23)는 금속 재질이다. 스페이서(23)의 하부면은 솔더(25)에 의해 하부 기판(30) 상에 탑재되는 반도체 소자들과 전기적으로 연결된다. 각 반도체 소자(Thigh, Tlow , Dhigh , Dlow)의 하부면은 솔더(29)에 의해 하부 기판(30)과 전기적으로 연결된다. First, the upper substrate 10 is electrically connected to the upper surface of the spacer 23 by solders 21. Here, the spacer 23 is made of metal. The lower surface of the spacer 23 is electrically connected to semiconductor elements mounted on the lower substrate 30 by solder 25. The lower surface of each semiconductor element (T high, T low , D high , D low ) is electrically connected to the lower substrate 30 by solder 29.

또한, 하부 기판(30)은 솔더(20)에 의해 단자들(Terminal_P, Terminal_N, Terminal_U)의 일단부와 전기적으로 연결되어, 파워 모듈은 단자들(Terminal_P, Terminal_N)을 통해 전류(또는 전압)를 인가하는 외부 유닛 및 단자를 통해(Terminal_U) 구동모터와 전기적으로 연결된다. In addition, the lower substrate 30 is electrically connected to one end of the terminals (Terminal_P, Terminal_N, Terminal_U) by the solder 20, so that the power module receives current (or voltage) through the terminals (Terminal_P, Terminal_N). It is electrically connected to the drive motor through the external unit and terminal (Terminal_U).

종래의 파워 모듈에서는, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같은 구조에 기인한 스트레이 인덕턴스(stray inductance)에 의해 하부 기판(30)상에 탑재되는 반도체 소자(Thigh, Tlow)의 턴-오프(turn-off) 시, 각 반도체 소자에서 과전압(overvoltage)이 발생하고, 이러한 과전압은 노이즈 및 반도체 소자를 손상시킨다.In a conventional power module, turn-off of semiconductor elements T high and T low mounted on the lower substrate 30 by stray inductance due to the structure shown in FIGS. 2 to 4 ( During turn-off, overvoltage occurs in each semiconductor element, and this overvoltage damages the noise and the semiconductor element.

도 5는 도 2 내지 4에 도시한 종래의 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면이고, 도 6은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면이다.5 is a view showing a first current path according to the analysis of the stray inductance (stray inductance) in the three-dimensional structure of the conventional power module shown in Figs. 2 to 4 on the equivalent circuit, and Fig. 6 is the stray inductance ( It is a diagram showing a second current path according to the analysis of stray inductance on a plan view and an equivalent circuit.

스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로는 도 5에 도시된 바와 같이, 단자 P(Terminal_P)에 의한 경로(①), 하이 트랜지스터(Thigh)에 의한 경로(②), 상부 기판(10)에 패터닝된 배선 패턴에 의한 경로(③, ④), 스페이서(23)에 의한 상부기판에서 하부 기판을 내려가는 경로(⑤), 로우 다이오드(Dlow)에 의한 경로(⑥), 로우 다이오드(Dlow)와 상부 기판을 연결하는 스페이서와 상부 기판(10)에 패터닝된 배선 패턴(⑦, ⑧), 상부 기판에서 하부 기판으로 내려가는 스페이서에 의한 경로(⑨) 및 단자 N(Terminal_N)에 의한 경로(⑩)를 포함한다. As shown in FIG. 5, the first current path according to the analysis of the stray inductance is the path (①) by the terminal P (Terminal_P), the path (②) by the high transistor (T high ), and the upper substrate. Path (③, ④) by the wiring pattern patterned in (10), path from the upper substrate to the lower substrate by the spacer 23 (⑤), path by the low diode (D low ) (⑥), and low diode (D low ) and the spacer connecting the upper substrate and the wiring patterns (⑦, ⑧) patterned on the upper substrate 10, by the path (⑨) and the terminal N (Terminal_N) by the spacer descending from the upper substrate to the lower substrate Path (경로) is included.

스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 단자 P에 의한 경로(①), 하이 다이오드(Dhigh)에 의한 경로(②), 하이 다이오드(Dhigh)와 상부기판(10)을 연결하는 스페이서와 상부기판에 패터닝된 배선패턴에 의한 경로(③), 상부기판(10)에서 하부기판(30)으로 내려가는 스페이서에 의한 경로(④), 로우 트랜지스터(Tlow)에 의한 경로(⑤), 로우 트랜지스터(Tlow)와 상부기판을 연결하는 스페이서와 상부 기판에 패터닝된 배선 패턴에 의한 경로(⑥), 상부 기판에서 하부 기판으로 내려가는 스페이서에 의한 경로(⑦) 및 단자 N에 의한 경로(⑧)를 포함한다. As shown in FIG. 6, the second current path according to the analysis of the stray inductance is the path (①) by the terminal P, the path (②) by the high diode (D high ), and the high diode (D). high ) and the spacer connecting the upper substrate 10 and the path (③) by the wiring pattern patterned on the upper substrate, the path (④) by the spacer descending from the upper substrate 10 to the lower substrate 30, low transistor route by (T low) (⑤), the low transistors (T low) the route according to the wiring pattern is patterned in the spacer and the upper substrate connecting the upper substrate (⑥), the path by the spacer down to the lower substrate in the upper substrate (⑦) and the path (⑧) by terminal N.

이와 같이, 종래의 파워 모듈에서는, 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 유발하는 다수의 전류 경로가 형성되기 때문에, 과전압에 따른 노이즈 및 반도체 소자를 손상을 유발하는 문제가 있다. As described above, in the conventional power module, since a plurality of current paths causing stray inductance are formed, there is a problem of causing noise due to overvoltage and damage to the semiconductor device.

과전압을 줄이기 위해, 반도체 소자의 게이트 저항을 증가시키면, 손실이 증가하여 반도체 소자의 온도가 증가하는 현상이 발생하고 시스템 효율이 낮아진다.In order to reduce the overvoltage, when the gate resistance of the semiconductor device is increased, the loss increases and the temperature of the semiconductor device increases, resulting in lower system efficiency.

따라서, 본 발명은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 저감시키는 구조를 갖는 양면 냉각형 파워 모듈을 제공하는 데 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a double-sided cooling type power module having a structure for reducing stray inductance.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양면 냉각형 파워 모듈은, 직렬 연결된 하이-사이드(high-side) 스위칭 소자와 로우-사이드(low-side) 스위칭 소자를 포함하고, 상기 하이-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 하이-사이드 다이오드 소자 및 상기 로우-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하는 인버터 암(arm)이 모듈화된 양면 냉각형 파워 모듈에서, 제1 상부기판, 제1 하부 기판 및 상기 제1 상부기판과 상기 제1 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 포함하도록 모듈화된 제1 파워 모듈; 및 제2 상부 기판, 제2 하부 기판 및 상기 제2 상부기판과 상기 제2 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하도록 모듈화된 제2 파워 모듈을 포함한다.The double-sided cooling power module of the present invention for achieving the above object includes a high-side switching element and a low-side switching element connected in series, the high-side switching element In a double-sided cooling power module with an inverter arm comprising a high-side diode element connected in parallel to the low-side diode element connected in parallel to the low-side switching element, the first upper substrate, the first lower substrate And a first power module modularized to include the high-side diode element and the low-side switching element embedded between the first upper substrate and the first lower substrate. And a second power module modularized to include a second upper substrate, a second lower substrate, and the high-side switching element and the low-side diode element embedded between the second upper substrate and the second lower substrate. do.

본 발명에 따르면, 기존의 모듈 대비 노이즈 측면에서 우수하며, 반도체 소자에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 또한 게이트 저항을 낮출 수 있어, 고주파 동작 시 유리하고 손실이 작아 효율이 우수하다. 게이트 저항을 낮춰 속도가 상승하면, 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off)가 빠르고 데드 타임(dead time)이 줄어들어 파형의 왜곡이 줄어든다.According to the present invention, it is superior in terms of noise compared to a conventional module, and stress applied to a semiconductor device can be reduced. In addition, since the gate resistance can be lowered, it is advantageous in high-frequency operation and has excellent efficiency due to small loss. When the gate resistor lowers the speed, the turn-on, turn-off is faster, and the dead time is reduced, thereby reducing the distortion of the waveform.

도 1은 종래의 인버터를 나타내는 회로도.
도 2는 종래의 파워 모듈의 3차원 모델.
도 3은 도 2에 도시한 3차원 모델을 도 2에 도시한 Y 축 방향(A 시점)으로 바라본 측면도.
도 4는 도 2에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도.
도 5는 종래의 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면.
도 6은 종래의 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 평면도와 등가회로 상에 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 3차원 모델.
도 8은 도 7에 도시한 절단선 A-A'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 9는 도 7에 도시한 절단선 B-B'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 10은 도 7에 도시한 절단선 D-D'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 11는 도 7에 도시한 절단선 E-E'에 따른 3차원 모델의 단면도.
도 12은 도 7에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도.
도 13는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 도 14의 평면도 상에 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 도 14의 평면도 상에 나타낸 도면.1 is a circuit diagram showing a conventional inverter.
Figure 2 is a three-dimensional model of a conventional power module.
FIG. 3 is a side view of the 3D model shown in FIG. 2 in the Y-axis direction (A viewpoint) shown in FIG. 2;
4 is a plan view of the 3D model shown in FIG. 2 as viewed from above.
5 is a view showing a first current path according to an analysis of a stray inductance in a three-dimensional structure of a conventional power module on a plan view and an equivalent circuit.
6 is a view showing a second current path on a plan view and an equivalent circuit according to an analysis of stray inductance in a three-dimensional structure of a conventional power module.
7 is a three-dimensional model of a double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional view of the three-dimensional model taken along line A-A' shown in FIG. 7;
9 is a cross-sectional view of the three-dimensional model taken along line B-B' shown in FIG. 7.
10 is a cross-sectional view of the three-dimensional model taken along line D-D' shown in FIG. 7;
11 is a cross-sectional view of the three-dimensional model taken along line E-E' shown in FIG. 7;
12 is a plan view of the 3D model shown in FIG. 7 as viewed from above.
13 is a view showing a first current path according to an analysis of a stray inductance in a three-dimensional structure of a power module according to an embodiment of the present invention on a plan view of FIG. 14.
14 is a view showing a second current path according to the analysis of the stray inductance (stray inductance) in the three-dimensional structure of the power module according to an embodiment of the present invention on a plan view of FIG.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only to refer to a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular forms used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the meaning of “comprising” embodies certain properties, regions, integers, steps, actions, elements, and/or components, and other specific properties, regions, integers, steps, actions, elements, components, and/or groups It does not exclude the existence or addition of.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Commonly used dictionary-defined terms are additionally interpreted as having meanings consistent with related technical documents and currently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 양면 냉각형 파워 모듈에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a double-sided cooling power module according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 7 내지 13은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈을 나타내는 도면으로서, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 3차원 모델이고, 도 8은 도 7에 도시한 절단선 A-A'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 9는 도 7에 도시한 절단선 B-B'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 10은 도 7에 도시한 절단선 D-D'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 11는 도 7에 도시한 절단선 E-E'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 12은 도 7에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도이다.7 to 13 is a view showing a double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is a three-dimensional model of a double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is shown in Figure 7 9 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along line A-A', FIG. 9 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along line B-B' in FIG. 7, and FIG. -D' is a cross-sectional view of the three-dimensional model, FIG. 11 is a cross-sectional view of the three-dimensional model taken along line E-E' shown in FIG. 7, and FIG. 12 is a plan view of the three-dimensional model shown in FIG. to be.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 3차원 모델이고, 도 8은 도 7에 도시한 절단선 A-A'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 9는 도 7에 도시한 절단선 B-B'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 10은 도 7에 도시한 절단전 C-C'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 11은 도 7에 도시한 절단전 D-D'에 따른 3차원 모델의 단면도이고, 도 12는 도 7에 도시한 절단전 E-E'에 따른 3차원 모델의 단면도이다. 그리고 도 13은 도 7에 도시한 3차원 모델을 위에서 바라본 평면도이다.7 is a three-dimensional model of a double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention, FIG. 8 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line A-A' shown in FIG. 7, and FIG. 9 is in FIG. Fig. 10 is a cross-sectional view of the three-dimensional model along the cutting line B-B', Fig. 10 is a cross-sectional view of the three-dimensional model according to C-C' before cutting, and Fig. 11 is before cutting as shown in Fig. 7 D-D' is a cross-sectional view of the three-dimensional model, and FIG. 12 is a cross-sectional view of the three-dimensional model according to E-E' before cutting shown in FIG. 7. And FIG. 13 is a plan view of the 3D model shown in FIG. 7 viewed from above.

본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은 도 5 및 6에 도시된 바와 같은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)에 따른 전류 경로를 최소화하여 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 저감시킬 수 있는 새로운 3차원 구조를 갖는다.Double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention is a new three-dimensional structure that can reduce the stray inductance (stray inductance) by minimizing the current path according to the stray inductance (stray inductance) as shown in Figures 5 and 6 Have

이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은 도 7에 도시된 바와 같이 종래의 양면 냉각형 파워 모듈(도 2의 3차원 모델)과는 다르게 2개의 모듈(100, 200)로 분리된다.To this end, the double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention is divided into two modules 100 and 200, unlike the conventional double-sided cooling power module (three-dimensional model of FIG. 2) as shown in FIG. Is separated.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은, 인버터 암(11, 13 또는 15)을 구성하는 하이-사이드 스위칭 소자, 하이-사이드 다이오드 소자, 로우-사이드 스위칭 소자 및 로우-사이드 소자가 하나의 파워 모듈에 임베딩되는 종래와는 다르게, 하이-사이드 다이오드 소자와 로우-사이드 스위칭 소자가 한 쌍으로 이루어 제1 파워 모듈(100)에 임베딩되고, 하이-사이드 스위칭 소자와 로우-사이드 다이오드 소자가 한 쌍을 이루어 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된다.In addition, the double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention, a high-side switching element, a high-side diode element, a low-side switching element and a low-side element constituting the inverter arm 11, 13 or 15 Unlike a conventional method in which a is embedded in one power module, a high-side diode element and a low-side switching element are embedded in a first power module 100 in a pair, and a high-side switching element and a low-side diode A pair of devices is embedded in the second power module 200.

본 발명의 실시 예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은, 제1 파워 모듈과 제2 파워 모듈에 공통으로 연결되는 제1 내지 제3 단자(151, 153 및 155)를 포함한다. The double-sided cooling power module according to an embodiment of the present invention includes first to third terminals 151, 153 and 155 that are commonly connected to the first power module and the second power module.

이하, 제1 및 제2 파워 모듈에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the first and second power modules will be described in detail.

제1 파워 모듈(100)First power module 100

도 7 내지 12를 참조하면, 제1 파워 모듈(100)은 제1 상부 기판(110), 제1 하부 기판(130) 및 상기 제1 상부기판(110)과 상기 제1 하부 기판(130) 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 상기 로우-사이드 스위칭 소자(127)를 포함한다.7 to 12, the first power module 100 includes a first upper substrate 110, a first lower substrate 130, and between the first upper substrate 110 and the first lower substrate 130. And the high-side diode element 113 and the low-side switching element 127.

제1 상부 기판(110)은, 상부 구리층(101), 하부 구리층(105) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(103)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다. 제1 하부 기판(130)은 상부 구리층(117), 하부 구리층(121) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(119)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다.The first upper substrate 110 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 101, a lower copper layer 105 and a ceramic layer 103 interposed therebetween. The first lower substrate 130 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 117, a lower copper layer 121, and a ceramic layer 119 interposed therebetween.

제1 하부 기판(130) 상에는 하이-사이드 다이오드 소자(113)가 실장되고, 제1 상부 기판(110) 상에는 로우-사이드 스위칭 소자(127)가 실장된다. The high-side diode element 113 is mounted on the first lower substrate 130, and the low-side switching element 127 is mounted on the first upper substrate 110.

구체적으로, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 솔더(도 8 및 10의 115)에 의해 상기 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117) 상에 실장되고, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 솔더(도 9 및 10의 125)에 의해 상기 제1 상부 기판(110)의 하부 구리층(105) 상에 실장된다. 여기서, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 칩 형태로 제조된 전력용 반도체 소자일 수 있다. 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 칩 형태로서, MOSFET, IGBT, Diode와 같은 전력용 반도체 소자일 수 있다. Specifically, the high-side diode element 113 is mounted on the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130 by solder (115 in FIGS. 8 and 10), and the low-side switching element 127 ) Is mounted on the lower copper layer 105 of the first upper substrate 110 by solder (125 in FIGS. 9 and 10). Here, the high-side diode device 113 may be a power semiconductor device manufactured in the form of a chip. The low-side switching device 127 is in the form of a chip, and may be a power semiconductor device such as a MOSFET, an IGBT, or a diode.

제1 하부 기판(130) 상에 실장되는 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 하이-사이드 스페이서(109)에 의해 상부 기판(130)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 솔더(111)에 의해 하이-사이드 스페이서(109)의 하부면과 전기적으로 연결되고, 하이-사이드 스페이서(109)의 상부면은 솔더(107)에 의해 상부 기판(110)의 하부 구리층(105)과 전기적으로 연결된다. 이때, 하이-사이드 스페이서(109)는 구리와 같은 금속재일 수 있다. 따라서, 하이-사이드 다이오드 소자(113)는 하이-사이드 스페이서(109)에 의해 상부 기판(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.The high-side diode device 113 mounted on the first lower substrate 130 is electrically connected to the upper substrate 130 by a high-side spacer 109. Specifically, the high-side diode element 113 is electrically connected to the lower surface of the high-side spacer 109 by solder 111, and the upper surface of the high-side spacer 109 is connected to the solder 107. By this, it is electrically connected to the lower copper layer 105 of the upper substrate 110. At this time, the high-side spacer 109 may be a metal material such as copper. Therefore, the high-side diode element 113 can be electrically connected to the upper substrate 130 by the high-side spacer 109.

로우-사이드 스위칭 소자(127)는 로우-사이드 스페이서(131)에 의해 하부 기판(130)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 솔더(129)에 의해 로우-사이드 스페이서(131)의 상부면과 전기적으로 연결되고, 로우-사이드 스페이서(131)의 하부면은 솔더(133)에 의해 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117)과 전기적으로 연결된다. 이때, 로우-사이드 스페이서(131)는 구리와 같은 금속재질일 수 있다. 따라서, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 로우-사이드 스페이서(131)에 의해 하부 기판(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.The low-side switching element 127 is electrically connected to the lower substrate 130 by a low-side spacer 131. Specifically, the low-side switching element 127 is electrically connected to the upper surface of the low-side spacer 131 by solder 129, and the lower surface of the low-side spacer 131 is connected to the solder 133. By this, the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130 is electrically connected. At this time, the low-side spacer 131 may be a metal material such as copper. Accordingly, the low-side switching element 127 may be electrically connected to the lower substrate 130 by the low-side spacer 131.

또한, 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 제1 상부 기판(110)의 하부 구리층(105)을 패터닝한 제5 배선 패턴(도 10 및 12의 L5)에 의해 하이-사이드 스페이서(109)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 로우-사이드 스위칭 소자(127)는 하이-사이드 스페이서(109) 및 제5 배선 패턴(L5)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.In addition, the low-side switching element 127 and the high-side spacer 109 by the fifth wiring pattern (L5 in FIGS. 10 and 12) patterned the lower copper layer 105 of the first upper substrate 110 It is electrically connected. Therefore, the high-side diode element 113 and the low-side switching element 127 may be electrically connected by the high-side spacer 109 and the fifth wiring pattern L5.

제2 파워 모듈(200)Second power module 200

도 7 내지 13을 참조하면, 제2 파워 모듈(200)은 제2 상부 기판(210), 제2 하부 기판(230) 및 상기 제2 상부기판(210)과 상기 제2 하부 기판(230) 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자(213)와 상기 로우-사이드 다이오드 소자(227)를 포함한다.7 to 13, the second power module 200 includes a second upper substrate 210, a second lower substrate 230, and between the second upper substrate 210 and the second lower substrate 230. And a high-side switching element 213 embedded in the low-side diode element 227.

제2 상부 기판(210)은, 상부 구리층(201), 하부 구리층(205) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(203)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다. 제2 하부 기판(230)은 상부 구리층(217), 하부 구리층(221) 및 이들 사이에 개재되는 세라믹층(219)을 포함하는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판일 수 있다.The second upper substrate 210 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 201, a lower copper layer 205, and a ceramic layer 203 interposed therebetween. The second lower substrate 230 may be a Direct Bonded Copper (DBC) substrate including an upper copper layer 217, a lower copper layer 221, and a ceramic layer 219 interposed therebetween.

제2 하부 기판(230) 상에는 하이-사이드 스위칭 소자(213)가 실장되고, 제2 상부 기판(210) 상에는 로우-사이드 다이오드 소자(227)가 실장된다.The high-side switching element 213 is mounted on the second lower substrate 230, and the low-side diode element 227 is mounted on the second upper substrate 210.

구체적으로, 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 솔더(215)에 의해 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217) 상에 실장된다. 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 솔더(225)에 의해 제2 상부 기판(210)의 하부 구리층(205) 상에 실장된다.Specifically, the high-side switching element 213 is mounted on the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230 by solder 215. The low-side diode element 227 is mounted on the lower copper layer 205 of the second upper substrate 210 by solder 225.

제2 하부 기판(230) 상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 하이-사이드 스페이서(209)에 의해 제2 상부 기판(210)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 솔더(211)에 의해 하이-사이드 스페이서(209)의 하부면과 전기적으로 연결되고, 하이-사이드 스페이서(209)의 상부면은 솔더(207)에 의해 제2 상부 기판(210)의 하부 구리층(205)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제2 하부 기판(230) 상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자(213)는 제2 상부 기판(210)과 전기적으로 연결될 수 있다.The high-side switching element 213 mounted on the second lower substrate 230 is electrically connected to the second upper substrate 210 by a high-side spacer 209. Specifically, the high-side switching element 213 is electrically connected to the lower surface of the high-side spacer 209 by solder 211, and the upper surface of the high-side spacer 209 is connected to the solder 207. By this, it is electrically connected to the lower copper layer 205 of the second upper substrate 210. Therefore, the high-side switching element 213 mounted on the second lower substrate 230 may be electrically connected to the second upper substrate 210.

제2 상부 기판(210) 상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 로우-사이드 스페이서(231)에 의해 제2 하부 기판(230)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 솔더(229)에 의해 로우-사이드 스페이서(231)의 상부면과 전기적으로 연결되고, 로우-사이드 스페이서(231)의 하부면은 솔더(233)에 의해 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제2 상부 기판(210) 상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 제2 하부 기판(230)과 전기적으로 연결될 수 있다.The low-side diode device 227 mounted on the second upper substrate 210 is electrically connected to the second lower substrate 230 by a low-side spacer 231. Specifically, the low-side diode element 227 is electrically connected to the upper surface of the low-side spacer 231 by solder 229, and the lower surface of the low-side spacer 231 is connected to the solder 233. By this, it is electrically connected to the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230. Accordingly, the low-side diode device 227 mounted on the second upper substrate 210 may be electrically connected to the second lower substrate 230.

또한, 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 제2 상부 기판(210)의 하부 구리층(205)을 패터닝한 제6 배선 패턴(도 11 및 12의 L6)에 의해 하이-사이드 스페이서(209)와 전기적으로 연결된다. In addition, the low-side diode element 227 is coupled to the high-side spacer 209 by a sixth wiring pattern (L6 in FIGS. 11 and 12) patterning the lower copper layer 205 of the second upper substrate 210. It is electrically connected.

따라서, 제2 상부 기판(210) 상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자(227)는 제6 배선 패턴(L6)과 하이-사이드 스페이서(209)에 의해 제2 하부 기판(230) 상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자(213)와 전기적으로 연결될 수 있다.Therefore, the low-side diode element 227 mounted on the second upper substrate 210 is mounted on the second lower substrate 230 by the sixth wiring pattern L6 and the high-side spacer 209. It may be electrically connected to the high-side switching element 213.

제1 단자(151)First terminal (151)

제1 단자(151, Terminal_P)는 도 2에 도시된 Terminal_P에 대응하는 단자로서, 제1 파워 모듈(100)에 임베딩된 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된 하이-사이드 스위칭 소자(213)에 공통으로 연결된다.The first terminals 151 and Terminal_P are terminals corresponding to Terminal_P illustrated in FIG. 2, which are embedded in the high-side diode element 113 and the second power module 200 embedded in the first power module 100. It is commonly connected to the high-side switching element 213.

구체적으로, 제1 단자(151, Terminal_P)는 중앙에 결합홈(H1)이 형성되며, 결합홈(H1)에는 제1 파워 모듈(100)에 임베딩된 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된 하이-사이드 스위칭 소자(213)에게 양의 전압을 인가하는 양극 단자(도시하지 않음)가 결합된다. Specifically, the first terminal (151, Terminal_P) is a coupling groove (H1) is formed in the center, the coupling groove (H1) is a high-side diode device 113 and the second embedded in the first power module 100 A positive terminal (not shown) for applying a positive voltage to the high-side switching element 213 embedded in the power module 200 is coupled.

제1 단자(151, Terminal_P)의 한쪽 단부는 솔더(도 8의 123)에 의해 제1 파워 모듈(100)의 제1 하부 기판(130)에 전기적으로 연결되고, 제1 단자(151, Terminal_P)의 다른쪽 단부는 솔더(도 8의 223)에 의해 제2 파워 모듈(200)의 제2 하부 기판(230)에 전기적으로 연결된다. One end of the first terminals 151 and Terminal_P is electrically connected to the first lower substrate 130 of the first power module 100 by solder (123 of FIG. 8 ), and the first terminals 151 and Terminal_P are connected. The other end of the is electrically connected to the second lower substrate 230 of the second power module 200 by solder (223 in FIG. 8).

제1 하부 기판(130)에 전기적으로 연결된 제1 단자(151, Terminal_P)의 한쪽 단부는 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117)을 패터닝한 제1 배선 패턴(도 8 및 12의 L1)에 의해 하이-사이드 다이오드 소자(113)에 전기적으로 연결된다.One end of the first terminals 151 and Terminal_P electrically connected to the first lower substrate 130 has a first wiring pattern (FIGS. 8 and 12) patterning the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130. L1) is electrically connected to the high-side diode element 113.

제2 하부 기판(230)에 전기적으로 연결된 제1 단자(151, Terminal_P)의 다른쪽 단부는 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217)을 패터닝한 제2 배선 패턴(도 8 및 12의 L2)에 의해 하이-사이드 스위칭 소자(213)와 전기적으로 연결된다.The other ends of the first terminals 151 and Terminal_P electrically connected to the second lower substrate 230 have a second wiring pattern (FIGS. 8 and 12) patterning the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230. L2) is electrically connected to the high-side switching element 213.

제2 단자(153)Second terminal (153)

제2 단자(153, Terminal_N)는 도 2에 도시한 Terminal_N에 대응하는 단자로서, 제2 단자(153, Terminal_N)는 중앙에 결합홈(H2)이 형성되며, 결합홈(H2)에는 제1 파워 모듈(100)에 임베딩된 로우-사이드 스위칭 소자(127)와 제2 파워 모듈(200)에 임베딩된 로우-사이드 다이오드 소자(227)에게 음의 전압을 인가하는 음극 단자(도시하지 않음)가 결합된다.The second terminals 153 and Terminal_N are terminals corresponding to Terminal_N shown in FIG. 2, and the second terminals 153 and Terminal_N are formed with a coupling groove H2 in the center, and a first power is provided in the coupling groove H2. The low-side switching element 127 embedded in the module 100 and the negative terminal (not shown) for applying a negative voltage to the low-side diode element 227 embedded in the second power module 200 are coupled. do.

구체적으로, 제2 단자(153, Terminal_N)의 한쪽 단부는 솔더(도 9의 135)에 의해 제1 하부 기판(130)에 전기적으로 연결되고, 제2 단자(153, Terminal_N)의 다른쪽 단부는 솔더(도 9의 235)에 의해 제2 하부 기판(230)에 전기적으로 연결된다.Specifically, one end of the second terminals 153 and Terminal_N is electrically connected to the first lower substrate 130 by solder (135 of FIG. 9), and the other end of the second terminals 153 and Terminal_N is It is electrically connected to the second lower substrate 230 by solder (235 in FIG. 9).

제1 하부 기판(130)에 연결되는 제2 단자(153, 단자 N)의 한쪽 단부는 제1 하부 기판(130)의 상부 구리층(117)을 패터닝한 제3 배선 패턴(도 9 및 12의 L3)에 의해 로우-사이드 스페이서(131)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1 하부 기판(130)에 연결되는 제2 단자(153, Terminal_N)는 제3 배선 패턴(도 9의 L3) 및 로우-사이드 스페이서(131)에 의해 제1 상부 기판(110) 상에 실장된 로우-사이드 스위칭 소자(127)와 전기적으로 연결될 수 있다.One end of the second terminal 153 and the terminal N connected to the first lower substrate 130 has a third wiring pattern (FIGS. 9 and 12) patterning the upper copper layer 117 of the first lower substrate 130. L3) is electrically connected to the low-side spacer 131. Accordingly, the second terminals 153 and Terminal_N connected to the first lower substrate 130 are on the first upper substrate 110 by the third wiring pattern (L3 in FIG. 9) and the low-side spacer 131. It may be electrically connected to the mounted low-side switching element 127.

제2 하부 기판(230)에 연결되는 제2 단자(153, Terminal_N)의 다른쪽 단부는 제2 하부 기판(230)의 상부 구리층(217)을 패터닝한 제4 배선 패턴(도 9 및 12의 L4)에 의해 로우-사이드 스페이서(231)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 제2 단자(153, Terminal_N)는 제4 배선 패턴(도 9 및 12의 L4)과 로우-사이드 스페이서(231)에 의해 제2 상부 기판(210) 상에 실장된 로우-사이드 다이오드 소자(227)와 전기적으로 연결된다.The other ends of the second terminals 153 and Terminal_N connected to the second lower substrate 230 have a fourth wiring pattern (FIGS. 9 and 12) patterning the upper copper layer 217 of the second lower substrate 230. L4) is electrically connected to the low-side spacer 231. Accordingly, the second terminals 153 and Terminal_N are low-side diode elements mounted on the second upper substrate 210 by the fourth wiring pattern (L4 in FIGS. 9 and 12) and the low-side spacer 231 ( 227).

결과적으로, 제2 단자(153, Terminal_N)는 제1 파워 모듈(100)의 제1 상부 기판(110) 상에 실장된 로우-사이드 스위칭 소자(127)와 제2 파워 모듈(200)의 제2 상부 기판(210) 상에 실장된 로우-사이드 다이오드 소자(227)에 공통으로 연결된다.As a result, the second terminals 153 and Terminal_N are the low-side switching elements 127 mounted on the first upper substrate 110 of the first power module 100 and the second terminals of the second power module 200. It is commonly connected to the low-side diode device 227 mounted on the upper substrate 210.

도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로를 도 12의 평면도를 이용하여 나타낸 도면이다.13 is a view showing a first current path according to an analysis of a stray inductance in a power module according to an embodiment of the present invention using the plan view of FIG. 12.

도 13을 참조하면, 제1 전류 경로는, 도 5의 등가 회로상에 나타나는 전류 경로에 대응하는 것으로, 제1 단자(151, Terminal_P)에 의한 경로, 제2 하부 기판(230)에 패터닝된 제2 배선 패턴(L2)에 의한 경로, 제2 하부 기판(230) 상에 실장된 하이-사이드 스위칭 소자(213)에 의한 경로, 하이-사이드 스위칭 소자(213)를 제2 상부 기판(210)에 연결하는 하이-사이드 스페이서(209)에 의한 경로, 하이-사이드 스페이서(209)와 제2 상부 기판(210)에 실장된 로우-사이드 다이오드 소자(227)를 연결하는 제6 배선 패턴(L6)에 의한 경로, 로우-사이드 다이오드 소자(227)에 의한 경로, 로우-사이드 다이오드 소자(227)를 제2 하부 기판(230)에 연결하는 로우-사이드 스페이서(231)에 의한 경로, 로우-사이드 스페이서(231)와 제2 단자(153, Terminal_N)를 연결하는 제4 배선 패턴(L4)에 의한 경로, 및 제2 단자(153, Terminal_N)에 의한 경로를 포함한다.Referring to FIG. 13, the first current path corresponds to a current path appearing on the equivalent circuit of FIG. 5, and is a path by the first terminals 151 and Terminal_P and patterned by the second lower substrate 230 2 The path by the wiring pattern L2, the path by the high-side switching element 213 mounted on the second lower substrate 230, and the high-side switching element 213 to the second upper substrate 210 To the path by the high-side spacer 209 to connect, to the sixth wiring pattern L6 connecting the high-side spacer 209 and the low-side diode element 227 mounted on the second upper substrate 210 Path by low-side diode element 227, path by low-side spacer 231 connecting low-side diode element 227 to second lower substrate 230, low-side spacer ( 231) and a path by a fourth wiring pattern L4 connecting the second terminals 153 and Terminal_N, and a path by the second terminals 153 and Terminal_N.

도 5에 도시한 전류 경로와 대비할 때, 그 길이가 대폭 짧아진 것을 확인할 수 있다. 이것은 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 도 5의 스페이서(도 4의 23)가 삭제되어, 삭제된 스페이서(도 4의 23)만큼 그 경로가 줄어들기 때문에 가능한 것이다. When compared with the current path shown in FIG. 5, it can be seen that the length is greatly shortened. This is possible because the spacer of FIG. 5 (23 in FIG. 4) is deleted in the structure of the power module of the present invention, and the path is reduced by the deleted spacer (23 in FIG. 4).

도 5의 스페이서(도 4의 23)의 삭제가 가능한 것은 무엇보다도 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 제1 전류경로를 형성하는 하이-사이드 스위치 소자(213)와 로우-사이드 다이오드 소자(231)를 한 쌍으로 구성하여 이를 제2 파워 모듈(200)에 임베딩한 상태에서 로우-사이드 다이오드 소자(231)를 하부 기판(230)이 아니라 상부 기판(210) 상에 실장하였기 때문에 가능한 것이다. 즉, 본 발명의 파워 모듈에서는 도 5의 전류 경로 ⑤, ⑦, ⑧, ⑨가 삭제될 수 있다. The spacer of FIG. 5 (23 of FIG. 4) can be deleted. Above all, in the structure of the power module of the present invention, the high-side switch element 213 and the low-side diode element 231 forming the first current path are used. This is possible because the low-side diode device 231 is mounted on the upper substrate 210 instead of the lower substrate 230 in a state in which it is configured as a pair and embedded in the second power module 200. That is, in the power module of the present invention, the current paths ⑤, ⑦, ⑧, ⑨ of FIG. 5 may be deleted.

이와 같이, 종래에 비해 제1 전류 경로가 짧아졌기 때문에, 그에 따른 스트레이 인덕턴스를 크게 줄일 수 있다.As described above, since the first current path is shorter than in the prior art, the stray inductance can be greatly reduced.

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈의 3차원 구조에서 스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로를 도 12의 평면도를 이용하여 나타낸 도면이다.14 is a view showing a second current path according to an analysis of a stray inductance in a three-dimensional structure of a power module according to an embodiment of the present invention, using the plan view of FIG. 12.

도 14를 참조하면, 제2 전류 경로는, 도 6의 등가 회로상에 나타나는 전류 경로에 대응하는 것으로, 제1 단자(151, Terminal_P)에 의한 경로, 제1 배선 패턴(L1), 하이-사이드 다이오드 소자(113)에 의한 경로, 하이-사이드 스페이서(109), 제5 배선 패턴(L5), 제1 상부 기판(110) 상에 실장된 로우-사이드 스위칭 소자(127), 로우-사이드 스페이서(131), 제3 배선 패턴(L3) 및 제2 단자(153, Terminal_N)을 포함한다.Referring to FIG. 14, the second current path corresponds to a current path appearing on the equivalent circuit of FIG. 6, and the path by the first terminals 151 and Terminal_P, the first wiring pattern L1, and the high-side Path by diode element 113, high-side spacer 109, fifth wiring pattern L5, low-side switching element 127 mounted on first upper substrate 110, low-side spacer ( 131), a third wiring pattern (L3) and a second terminal (153, Terminal_N).

도 6에 도시한 전류 경로와 대비할 때, 그 길이가 대폭 짧아진 것을 확인할 수 있다. 도 13에서 설명한 바와 유사하게 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 도 6의 스페이서(도 4의 23)가 삭제되어, 삭제된 스페이서(도 4의 23)만큼 그 경로가 줄어들기 때문에 가능한 것이다. When compared with the current path shown in FIG. 6, it can be seen that the length is greatly shortened. In the structure of the power module of the present invention similar to that described with reference to FIG. 13, the spacer of FIG. 6 (23 of FIG. 4) is deleted, and the path is reduced by the deleted spacer (23 of FIG. 4).

도 6의 스페이서(도 4의 23)의 삭제가 가능한 것은 무엇보다도 본 발명의 파워 모듈의 구조에서는 제2 전류경로를 형성하는 하이-사이드 다이오드 소자(113)와 로우-사이드 스위칭 소자(127)를 한 쌍으로 구성하여 이를 제1 파워 모듈(200)에 임베딩한 상태에서 로우-사이드 스위칭 소자(127)를 하부 기판(130)이 아니라 상부 기판(110) 상에 실장하였기 때문에 가능한 것이다. 이렇게 함으로써, 본 발명의 파워 모듈에서는 도 6의 전류 경로 ④, ⑥, ⑦가 삭제될 수 있다. The spacer of FIG. 6 (23 of FIG. 4) can be deleted. Above all, in the structure of the power module of the present invention, the high-side diode element 113 and the low-side switching element 127 forming the second current path are used. This is possible because the low-side switching element 127 is mounted on the upper substrate 110 instead of the lower substrate 130 in a state in which a pair is configured and embedded in the first power module 200. By doing so, in the power module of the present invention, the current paths ④, ⑥, and ⑦ of FIG. 6 can be deleted.

이와 같이, 종래에 비해 제2 전류 경로 또한 짧아졌기 때문에, 그에 따른 스트레이 인덕턴스를 크게 줄일 수 있다.As described above, since the second current path is also shorter than in the prior art, the stray inductance can be greatly reduced.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 개선된 파워모듈은 기존대비 30% 낮은 over voltage를 가짐을 시뮬레이션 및 테스를 거쳐 확인할 수 있었다. 이는 기존의 모듈 대비 노이즈 측면에서 우수하며, 반도체 소자에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 또한, 게이트 저항을 낮출 수 있어, 고주파 동작 시 유리하고 손실이 작아 효율이 우수하다. 게이트 저항을 낮춰 속도가 상승하면, 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off)가 빠르고 데드 타임(dead time)이 줄어들어 파형의 왜곡이 줄어든다. As described above, the improved power module according to the present invention was confirmed through simulation and testing that it has a 30% lower over voltage than the previous one. This is superior in terms of noise compared to the existing module, and can reduce the stress applied to the semiconductor device. In addition, since the gate resistance can be lowered, it is advantageous in high-frequency operation, and its efficiency is excellent due to small loss. When the gate resistor lowers the speed, the turn-on, turn-off is faster, and the dead time is reduced, thereby reducing the distortion of the waveform.

이상에서와 같이 본 발명은 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.As described above, the present invention is not limited to the configuration and method of the described embodiments, the embodiments may be configured by selectively combining all or part of each embodiment so that various modifications can be made.

Claims (11)

직렬 연결된 하이-사이드(high-side) 스위칭 소자와 로우-사이드(low-side) 스위칭 소자를 포함하고, 상기 하이-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 하이-사이드 다이오드 소자 및 상기 로우-사이드 스위칭 소자에 병렬 연결된 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하는 인버터 암(arm)이 모듈화된 양면 냉각형 파워 모듈에서,
제1 상부기판, 제1 하부 기판 및 상기 제1 상부기판과 상기 제1 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 포함하도록 모듈화된 제1 파워 모듈; 및
제2 상부 기판, 제2 하부 기판 및 상기 제2 상부기판과 상기 제2 하부 기판 사이에 임베딩된 상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 포함하도록 모듈화된 제2 파워 모듈
을 포함하는 양면 냉각형 파워 모듈.A high-side switching element connected in series and a low-side switching element, and a high-side diode element connected in parallel to the high-side switching element and a parallel to the low-side switching element. In a dual-sided cooling power module in which an inverter arm comprising a connected low-side diode element is modularized,
A first power module modularized to include a first upper substrate, a first lower substrate and the high-side diode element and the low-side switching element embedded between the first upper substrate and the first lower substrate; And
A second power module modularized to include a second upper substrate, a second lower substrate and the high-side switching element and the low-side diode element embedded between the second upper substrate and the second lower substrate
Double-sided cooling power module comprising a. 제1항에서,
상기 하이-사이드 다이오드는 상기 제1 하부 기판 상에 실장되고, 상기 로우-사이드 스위치 소자는 상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
The high-side diode is mounted on the first lower substrate, and the low-side switch element is mounted on the first upper substrate. 제1항에서,
상기 하이-사이드 스위칭 소자는 상기 제2 하부 기판상에 실장되고, 상기 로우-사이드 다이오드 소자는 상기 제2 상부 기판 상에 실장되는 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
The high-side switching element is mounted on the second lower substrate, and the low-side diode element is mounted on the second upper substrate. 제1항에서,
상기 제1 파워 모듈은,
상기 제1 하부 기판 상에 실장되는 상기 하이-사이드 다이오드 소자를 상기 제1 상부 기판에 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서; 및
상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 상기 제1 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서;
를 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
The first power module,
A high-side spacer electrically connecting the high-side diode element mounted on the first lower substrate to the first upper substrate; And
A low-side spacer electrically connecting the low-side switching element mounted on the first upper substrate to the first lower substrate;
Double-sided cooling power module that includes. 제1항에서,
상기 제2 파워 모듈은,
상기 제2 하부 기판 상에 실장되는 상기 하이-사이드 스위칭 소자를 상기 제2 상부 기판에 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서; 및
상기 제2 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 상기 제2 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서
를 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
The second power module,
A high-side spacer electrically connecting the high-side switching element mounted on the second lower substrate to the second upper substrate; And
A low-side spacer electrically connecting the low-side diode element mounted on the second upper substrate to the second lower substrate.
Double-sided cooling power module that includes. 제1항에서,
상기 제1 하부 기판상에 실장되는 상기 하이-다이오드 소자와 상기 제2 하부 기판 상에 실장되는 상기 하이-사이드 스위칭 소자에 공통으로 연결되는 제1 단자(Terminal_P); 및
상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 상기 제1 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서와 상기 제2 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 상기 제2 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서에 공통으로 연결되는 제2 단자(Terminal_N)
를 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
A first terminal (Terminal_P) commonly connected to the high-diode element mounted on the first lower substrate and the high-side switching element mounted on the second lower substrate; And
The low-side spacer electrically connecting the low-side switching element mounted on the first upper substrate to the first lower substrate and the low-side diode element mounted on the second upper substrate are the second. A second terminal (Terminal_N) commonly connected to a low-side spacer electrically connected to the lower substrate
Double-sided cooling power module that includes. 제6항에서,
상기 제1 단자(Terminal_P)는,
상기 하이-다이오드 소자와 상기 하이-사이드 스위칭 소자에게 양의 전압을 인가하는 양극 단자가 결합되는 결합홈을 가지며,
상기 제2 단자(Terminal_N)는,
상기 로우-사이드 스위칭 소자와 상기 로우-사이드 다이오드 소자에게 음의 전압을 인가하는 음극 단자가 결합되는 결합홈을 갖는 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 6,
The first terminal (Terminal_P),
The high-diode device and the high-side switching element has a coupling groove to which a positive terminal for applying a positive voltage is coupled,
The second terminal (Terminal_N),
A double-sided cooling power module having a coupling groove in which the low-side switching element and the cathode terminal for applying a negative voltage to the low-side diode element are coupled. 제6항에서,
상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 제1 단자(Terminal_P)의 한쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제1 하부 기판 상에 패터닝된 제1 배선 패턴(L1);
상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 제1 단자(Terminal_P)의 다른쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 하부 기판 상에 패터닝되는 제2 배선 패턴(L2);
상기 제1 상부 기판 상에 실장되는 상기 로우-사이드 스위칭 소자를 상기 제1 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서와 상기 제2 단자(Terminal_N)의 한쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 하부 기판 상에 패터닝되는 제3 배선 패턴(L3);
상기 제2 상부 기판상에 실장되는 상기 로우-사이드 다이오드 소자를 상기 제2 하부 기판에 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서와 상기 제2 단자(Terminal_N)의 한쪽 단부를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 하부 기판 상에 패터닝되는 제4 배선 패턴(L4);In claim 6,
A first wiring pattern (L1) patterned on the first lower substrate to electrically connect one end of the high-side diode element and the first terminal (Terminal_P);
A second wiring pattern (L2) patterned on the second lower substrate to electrically connect the high-side switching element and the other end of the first terminal (Terminal_P);
The second lower portion to electrically connect one end of the second terminal (Terminal_N) to a low-side spacer electrically connecting the low-side switching element mounted on the first upper substrate to the first lower substrate. A third wiring pattern L3 patterned on the substrate;
The second lower portion to electrically connect one end of the second terminal (Terminal_N) to a low-side spacer electrically connecting the low-side diode element mounted on the second upper substrate to the second lower substrate. A fourth wiring pattern L4 patterned on the substrate; 제6항에서,
상기 제1 하부 기판 상에 실장되는 하이-사이드 다이오드 소자를 상기 제1 상부 기판에 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서와 상기 제1 상부 기판상에 실장되는 로우-사이드 스위칭 소자에 전기적으로 연결하도록 상기 제1 상부 기판상에 패터닝되는 제5 배선 패턴(L5); 및
상기 제2 하부 기판상에 실장되는 하이-사이드 스위칭 소자와 제2 상부 기판을 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서와 상기 제2 상부 기판상에 실장되는 로우-사이드 다이오드 소자를 전기적으로 연결하도록 상기 제2 상부 기판상에 패터닝되는 제6 배선 패턴(L6);
을 포함하는 것인 양면 냉각형 파워 모듈. In claim 6,
The high-side diode element mounted on the first lower substrate is electrically connected to a high-side spacer electrically connected to the first upper substrate and a low-side switching element mounted on the first upper substrate. A fifth wiring pattern L5 patterned on the first upper substrate; And
The high-side switching element mounted on the second lower substrate and the high-side spacer electrically connecting the second upper substrate and the low-side diode element mounted on the second upper substrate are electrically connected. 2, a sixth wiring pattern (L6) patterned on the upper substrate;
Double-sided cooling power module comprising a. 제1항에서,
스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제1 전류 경로는,
제1 단자(Terminal_P);
상기 제2 하부 기판상에 실장되어, 상기 제1 단자(단자 P)와 전기적으로 연결되는 하이-사이드 스위칭 소자;
상기 하이-사이드 스위칭 소자와 상기 제2 상부 기판을 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서;
상기 제2 상부 기판 상에 실장되어, 상기 하이-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 로우-사이드 다이오드 소자;
상기 로우-사이드 다이오드 소자와 상기 제2 하부 기판을 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서; 및
상기 로우-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 제2 단자(단자_N)
를 포함하도록 구성된 경로인 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
The first current path according to the analysis of the stray inductance,
A first terminal (Terminal_P);
A high-side switching element mounted on the second lower substrate and electrically connected to the first terminal (terminal P);
A high-side spacer electrically connecting the high-side switching element and the second upper substrate;
A low-side diode device mounted on the second upper substrate and electrically connected to the high-side spacer;
A low-side spacer electrically connecting the low-side diode element and the second lower substrate; And
A second terminal (terminal_N) electrically connected to the low-side spacer
Double-sided cooling power module that is a path configured to include a. 제1항에서,
스트레이 인덕턴스(stray inductance)의 해석에 따른 제2 전류 경로는,
제1 단자(Terminal_P);
상기 제1 하부 기판 상에 실장되어, 상기 제1 단자(단자 P)와 전기적으로 연결되는 하이-사이드 다이오드 소자;
상기 하이-사이드 다이오드 소자와 상기 제1 상부 기판을 전기적으로 연결하는 하이-사이드 스페이서;
상기 제1 상부 기판 상에 실장되어, 상기 하이-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 로우-사이드 스위칭 소자;
상기 로우-사이드 스위칭 소자와 상기 제1 하부 기판을 전기적으로 연결하는 로우-사이드 스페이서; 및
상기 로우-사이드 스페이서와 전기적으로 연결되는 제2 단자(Terminal_N)
를 포함하도록 구성된 경로인 것인 양면 냉각형 파워 모듈.In claim 1,
The second current path according to the analysis of the stray inductance,
A first terminal (Terminal_P);
A high-side diode device mounted on the first lower substrate and electrically connected to the first terminal (terminal P);
A high-side spacer electrically connecting the high-side diode element and the first upper substrate;
A low-side switching element mounted on the first upper substrate and electrically connected to the high-side spacer;
A low-side spacer electrically connecting the low-side switching element and the first lower substrate; And
A second terminal electrically connected to the low-side spacer (Terminal_N)
Double-sided cooling power module that is a path configured to include a.
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