(57)【要約】【課題】本発明は、３Ｄパワーモジュールパッケージに関する。【解決手段】本発明の３Ｄパワーモジュールパッケージは、放熱基板と、前記放熱基板に連結された電力素子及びリードフレームからなってパッケージングされた電力変換部と、制御部基板と前記制御部基板の上部に装着されたＩＣ及び制御素子からなってパッケージングされた制御部と、パッケージングされた前記電力変化部と前記制御部との間を電気的に連結する電気的連結部と、を含む。【選択図】図１
2012138559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱基板と、前記放熱基板に連結された電力素子及びリードフレームからなってパッケージングされた電力変換部と、
制御部基板と前記制御部基板の上部に装着されたＩＣ及び制御素子からなってパッケージングされた制御部と、
パッケージングされた前記電力変化部と前記制御部との間を電気的に連結する電気的連結部と、を含むことを特徴とする３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項２】
前記放熱基板は陽極酸化処理されたアルミニウム基板であることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項３】
前記電気的連結部は半田ボールまたは伝導性コネクタからなることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項４】
前記電力変化部と前記制御部との間にはダンパがさらに備えられることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項５】
前記放熱基板は前記制御部基板より熱伝導度が大きいことを特徴とする請求項１に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項６】
放熱基板と、前記放熱基板に連結された電力素子及びリードフレームからなってパッケージングされた電力変換部と、
制御部基板と前記制御基板の上部に装着されたＩＣ及び制御素子からなってパッケージングされた制御部と、
パッケージングされた前記電力変化部に備えられる連結ピンとパッケージングされた前記制御部に備えられる連結ソケットとを含み、前記連結ピンと前記連結ソケットとが組み立てられて電気的に連結されることを特徴とする３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項７】
前記放熱基板は陽極酸化処理されたアルミニウム基板であることを特徴とする請求項６に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項８】
前記連結ピンと前記連結ソケットは銅からなることを特徴とする請求項６に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項９】
前記電力変化部と前記制御部との間にはダンパがさらに備えられることを特徴とする請求項６に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【請求項１０】
前記放熱基板は前記制御部基板より熱伝導度が大きいことを特徴とする請求項６に記載の３Ｄパワーモジュールパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄパワーモジュールパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールは、電力半導体素子とパッケージング素材のモジュール化及び集積化の設計技術、製造工程技術、特性試験、信頼性の評価技術などの主要技術を通じて具現されるものであり、家電を始め、溶接機、産業用モーター、ロボット装置などの産業用設備、ＨＥＶ、ＥＶ、飛行機、自動車、電車などの運送機械分野などのアプリケーションにおけるモーター可変速駆動装置、コンピューター無停電電源装置（ＵＳＰ）のインバータ端におけるＤＣ整流及びＡＣ変換（ＤＣスイッチング）機能を遂行する。
【０００３】
パワーモジュールは、電気駆動システムの電力変換装置（インバータ、コンバータ）分野で材料費の５０〜６０％を占めるほど非常に重要な核心部品であり、高密度化、高効率化及び軽量化のための開発が持続的に行われている。
【０００４】
特に、電力モジュールの場合、制限された空間に装着される部品の特性上、小型化及び軽量化が求められており、より多様な機能の部品を集積化させて高機能のモジュールに進化し、高温、振動などの劣悪な環境で動作するため、高信頼性が非常に重要である。
【０００５】
従来は、一般的にリードフレームの上部面に半田や伝導性エポキシなどを用いて電力半導体素子と受動素子及びドライブ（ＩＣ）などを実装し、ワイヤボンディングを用いて配線を連結した後、ＥＭＣモールディングによって素子の形態を作ってパッケージを製作した。
【０００６】
一部のパッケージ構造では、発熱が多い電力半導体素子の部分とこれを制御する制御部を区分して実装し、一つのパッケージの中に具現することで熱的／機能的分離を試みた。また、電力半導体素子の部分から発生する熱を効果的に制御するために、モジュールの上部にヒートシンクを装着する構造からなっている。しかし、このような構造において小型化、軽量化及び高機能集積化時に必要なピン数の増加とこれによる絶縁距離の確保、制御部面積の増加によるサイズの拡大などは、大きな制限要素と認識されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、温度による性能低下を改善し、モジュールの寿命と信頼性を向上させる３Ｄパワーモジュールパッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージは、放熱基板と、前記放熱基板に連結された電力素子及びリードフレームからなってパッケージングされた電力変換部と、制御部基板と前記制御部基板の上部に装着されたＩＣ及び制御素子からなってパッケージングされた制御部と、パッケージングされた前記電力変化部と前記制御部との間を電気的に連結する電気的連結部と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記放熱基板は陽極酸化処理されたアルミニウム基板であることを特徴とする。
また、前記電気的連結部は半田ボールまたは伝導性コネクタからなることを特徴とする。
また、前記電力変化部と前記制御部との間にはダンパがさらに備えられることを特徴とする。
また、前記放熱基板は前記制御部基板より熱伝導度が大きいことを特徴とする。
【００１０】
一方、本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージは、放熱基板と、前記放熱基板に連結された電力素子及びリードフレームからなってパッケージングされた電力変換部と、制御部基板と前記制御基板の上部に装着されたＩＣ及び制御素子からなってパッケージングされた制御部と、パッケージングされた前記電力変化部に備えられる連結ピンとパッケージングされた前記制御部に備えられる連結ソケットとを含み、前記連結ピンと前記連結ソケットとが組み立てられて電気的に連結されることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記放熱基板は陽極酸化処理されたアルミニウム基板であることを特徴とする。
また、前記連結ピンと前記連結ソケットは銅からなることを特徴とする。
また、前記電力変化部と前記制御部との間にはダンパがさらに備えられることを特徴とする。
また、前記放熱基板は前記制御部基板より熱伝導度が大きいことを特徴とする。
【００１２】
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づいた以下の詳細な説明によってさらに明らかになるであろう。
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は通常的かつ辞書的な意味に解釈されてはならず、発明者が自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されるべきである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による３Ｄパワーモジュールパッケージは、電力素子が実装されて発熱が大きい電力変換部モジュールと、これを制御する熱に脆弱な制御部とに、夫々３次元的に分離して組み立て、これを一つのモジュールに統合させることにより、高信頼性の集積化された構造をなすことができる。
【００１４】
これにより、モジュールのサイズが減少して基板の実装密度が向上し、３Ｄ高集積モジュール化によって制御ピンの制約要素を除去し、制御部の具現を自由にする。また、放熱部と制御部の独立構造により、熱に脆弱なＩＣなどの寿命と機能が保護され、モジュール温度の定格電力（Ｐｏｗｅｒ  ｒａｔｉｎｇ）が増加し、コストが低減される。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係る以下の詳細な説明および好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、本発明の説明において、係わる公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にぼかす可能性があると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。
【００１６】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図１は本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージを示した図面である。図２は本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、電力変換部の製作工程を示したフロー図である。図３は本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、制御部の製作工程を示したフロー図である。図４は本発明の好ましい第１実施例による電力変換部と制御部との組立を示した図面である。
【００１７】
図５は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージを示した図面である。図６は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、電力変換部の製作工程を示したフロー図である。図７は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、制御部の製作工程を示したフロー図である。図８は本発明の好ましい第２実施例による電力変換部と制御部との組立を示した図面である。
【００１８】
図１に図示されたように、本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ１００は、放熱基板１１１、電力素子１１２、リードフレーム１１３からなる電力変換部１１０と、制御部基板１２１、ＩＣ及び制御素子１２２、電気的連結部１２３、ダンパ１２４からなる制御部１２０とからなる。
【００１９】
放熱基板１１１は、従来に用いられていたリードフレームやセラミック基板に代えて、陽極酸化処理されたアルミニウム基板を用いることが好ましい。
【００２０】
また、電力半導体素子用電力変換部パッケージは、熱伝導度が高い金属材質の放熱基板１１１を含むように製作され、電力素子製品での放熱特性を向上させる。
【００２１】
電力素子１１２は放熱基板１１１に連結され、電気的信号を送受して電気的連結を行うものであり、ＩＣ及び各種電気素子などを含む。
【００２２】
リードフレーム１１３は電力素子１１２に連結されたものであり、電力素子１１２から印加される電気的信号を他の部品に印加する役割をする。
【００２３】
回路制御用素子のパッケージは、熱伝導度の低い制御部基板１２１を含むように製作され、発熱素子の温度による周辺素子の劣化特性を改善し、モジュールの寿命と信頼性を向上させる同時に２Ｄパッケージ構造の限界を改善する。
【００２４】
ＩＣ及び制御素子１２２は制御部基板１２１の上部に装着されたものであり、電気的信号を送受する。
【００２５】
電気的連結部１２３は電力変換部１１０と制御部１２０との間に備えられるものであり、放熱基板１１１と電力素子１１２がパッケージングされた電力変換部１１０の上部に制御部基板１２１とＩＣ及び制御素子１２２がパッケージングされた制御部１２０を電気的に連結する。この際、電気的連結部１２３は半田ボールまたは電気コネクタで備えられるが、半田ボールはＢＧＡ半田ボールまたは一般的なコネクタ用半田ボールが用いられる。
【００２６】
放熱基板１１１は制御部基板１２１より熱伝導度が高い。
【００２７】
ダンパ１２４は電力変換部１１０と制御部１２０との間に装着されたものであり、組立時の衝撃を吸収するために、ゴム材質または緩衝材質からなる。これにより、二つのモジュールが組み立てられた３Ｄモジュールの構造的安全性を高め、高信頼性の構造を具現することができる。
【００２８】
図２は本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、電力変換部の製作工程を示したフロー図である。
【００２９】
電力変換部１１０の製作工程は、まず、電力変換部１１０の放熱基板を準備し（Ｓ１０）、放熱基板の上部に電力素子を付着した後（Ｓ２０）、電力素子の下部及び側部にリードフレームを連結する（Ｓ３０）。その後、放熱基板及びリードフレームの上部に電気信号の印加を受けるための金属配線を形成し（Ｓ４０）、電力変換部１１０をパッケージングした後（Ｓ５０）、リードフレームをトリム（ＴＲＩＭ）することにより、全体的な構造が形成される（Ｓ６０）。
【００３０】
図３は本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ１００のうち、制御部の製作工程を示したフロー図である。
【００３１】
制御部１２０の製作工程は、まず、制御部基板を準備し（Ｐ１０）、制御部基板の上部にＩＣ及び制御素子を付着した後（Ｐ２０）、制御部１２０をパッケージングする（Ｐ３０）。その後、制御部１２０の下部に半田ボールとダンパを形成する（Ｐ４０）。
【００３２】
図４は本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ１００の電力変換部１１０と制御部１２０との組立を示した図面である。
【００３３】
図５は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ２００を示した図面であり、第１実施例の３Ｄパワーモジュールパッケージ１００に装着された放熱基板１１１、電力素子１１２、リードフレーム１１３と、制御部基板１２１、ＩＣ及び制御素子１２２、ダンパ１２４の構造及びその特性は全て同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
図５に図示されたように、本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ２００は、電力変換部２１０に電気信号の連結のための連結ピン２１４が備えられ、制御部２２０に連結ソケット２２４が備えられて、連結ピン２１４と連結ソケット２２４とが組み立てられて電気的に連結されることを特徴とする。
【００３５】
この際、連結ピン２１４と連結ソケット２２４は、電気的信号を送受することができる銅のような金属からなる。
【００３６】
図６は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、電力変換部２１０の製作工程を示したフロー図である。
【００３７】
電力変換部２１０の製作工程は、まず、電力変換部２１０の放熱基板を準備し（Ｓ１１０）、放熱基板に電力素子を付着した後（Ｓ１２０）、電力素子にリードフレームを連結する（Ｓ１３０）。その後、放熱基板及びリードフレームの上部に電気信号の印加を受けるための連結ピン２１４を形成し（Ｓ１４０）、電力変換部１１０を全体的にパッケージングした後（Ｓ１５０）、リードフレームをトリム（ＴＲＩＭ）することにより、全体的な構造が形成される（Ｓ１６０）。
【００３８】
図７は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ２００のうち、制御部２２０の製作工程を示したフロー図である。
【００３９】
制御部２２０の製作工程は、まず、制御部基板を準備し（Ｐ１１０）、制御部基板の上部にＩＣ及び制御素子を付着した後（Ｐ１２０）、制御部２２０をパッケージングする（Ｐ１３０）。その後、制御部２２０の下部に電気的連結のための連結ソケット２２４とダンパを形成する（Ｐ１４０）。
【００４０】
図８は本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージ２００の電力変換部２１０と制御部２２０との組立を示した図面である。
【００４１】
上述のような構造を有する本発明の３Ｄパワーモジュールパッケージ１００、２００は、電力素子が実装されて発熱が大きい電力変換部モジュールと、これを制御する熱に脆弱な制御部とに、夫々３次元的に分離して組み立て、これを一つのモジュールに統合させることにより、高信頼性の集積化された構造を成すことができる。
【００４２】
これにより、モジュールのサイズが減少して基板の実装密度が向上し、３Ｄ高集積モジュール化によって制御ピンの制約要素を除去し、制御部の具現を自由にする。また、放熱部と制御部の独立構造により、熱に脆弱なＩＣなどの寿命と機能が保護され、モジュール温度の定格電力（Ｐｏｗｅｒ  ｒａｔｉｎｇ）が増加し、コストが低減される。
【００４３】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明による３Ｄパワーモジュールパッケージはこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
【００４４】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージを示した図面である。
【図２】本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、電力変換部の製作工程を示したフロー図である。
【図３】本発明の好ましい第１実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、制御部の製作工程を示したフロー図である。
【図４】本発明の好ましい第１実施例による電力変換部と制御部との組立を示した図面である。
【図５】本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージを示した図面である。
【図６】本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、電力変換部の製作工程を示したフロー図である。
【図７】本発明の好ましい第２実施例による３Ｄパワーモジュールパッケージのうち、制御部の製作工程を示したフロー図である。
【図８】本発明の好ましい第２実施例による電力変換部と制御部との組立を示した図面である。
【符号の説明】
【００４６】
１００、２００  ３Ｄパワーモジュールパッケージ
１１０、２１０  電力変換部
１２０、２２０  制御部
１１１  放熱基板
１１２  電力素子
１１３  リードフレーム
１２１  制御部基板
１２２  ＩＣ及び制御素子
１２３  半田ボール
１２４  ダンパ
２１４  連結ピン
２２４  連結ソケット
【図１】
2012138559.tif 000003
【図２】
2012138559.tif 000004
【図３】
2012138559.tif 000005
【図４】
2012138559.tif 000006
【図５】
2012138559.tif 000007
【図６】
2012138559.tif 000008
【図７】
2012138559.tif 000009
【図８】
2012138559.tif 000010