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特開2024-149421電力半導体モジュールとこれを含む電力変換装置及び電力半導体モジュールの製造方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024149421

(43)【公開日】2024-10-18

(54)【発明の名称】電力半導体モジュールとこれを含む電力変換装置及び電力半導体モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

H02M 7/48 20070101AFI20241010BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024059729

(22)【出願日】2024-04-02

(31)【優先権主張番号】10-2023-0044992

(32)【優先日】2023-04-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】517232084

【氏名又は名称】エルエックスセミコンカンパニー，リミティド

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ムンドンウ

(72)【発明者】

【氏名】キムドクス

(72)【発明者】

【氏名】キムテリョン

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA28

5H770BA02

5H770DA03

5H770DA41

5H770JA10X

5H770QA01

5H770QA02

5H770QA04

5H770QA06

5H770QA08

(57)【要約】（修正有）

【課題】電力半導体モジュール及びこれを含む電力変換装置に関する。
【解決手段】電力半導体モジュール５００は、第１基板及び第２基板と、前記第１基板と第２基板の間に配置されるサブモジュール２００と、前記サブモジュールと電気的に連結される第１伝導性フレーム及び第２伝導性フレームと、を含むことができる。前記電力半導体サブモジュール２００は、第１内部伝導性フレームと第２内部伝導性フレームの間に配置された電力半導体素子１００a、１００ｂと、前記第１内部伝導性フレームと第２内部伝導性フレームの間に配置され、前記電力半導体素子の側面に配置される第１モールド２０１を含むことができる。
【選択図】図３ｃ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基板及び第２基板と、
前記第１基板と第２基板の間に配置されるサブモジュールと、
前記サブモジュールと電気的に連結される第１伝導性フレーム及び第２伝導性フレームと、を含み、
前記サブモジュールは、
第１内部伝導性フレームと第２内部伝導性フレームの間に配置された電力半導体素子と、
前記第１内部伝導性フレームと第２内部伝導性フレームの間に配置され、前記電力半導体素子の側面に配置される第１モールドと、を含む、電力半導体モジュール。

【請求項2】

前記電力半導体素子は、第１、第２電力半導体素子を含み、
前記第１内部伝導性フレームは、離隔した第１-１内部伝導性フレームと第１-２内部伝導性フレームを含む、請求項１に記載の電力半導体モジュール。

【請求項3】

前記第１-１内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子のドレイン電極と電気的に連結され、
前記第１-２内部伝導性フレームは、前記第２電力半導体素子のソース電極及びゲート電極と電気的に連結される、請求項２に記載の電力半導体モジュール。

【請求項4】

前記第２内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子のゲート電極及びソース電極と電気的に連結され、前記第２電力半導体素子のドレイン電極と電気的に連結される、請求項３に記載の電力半導体モジュール。

【請求項5】

前記第１基板は、順次配置された第１金属層、第１絶縁層及び第２金属層を含み、
前記第２金属層は、電気的に分離された第２-１金属層と第２-２金属層を含む、請求項４に記載の電力半導体モジュール。

【請求項6】

前記第２-１金属層と第２-２金属層のそれぞれは、前記サブモジュールの離隔した第１-１内部伝導性フレームと第１-２内部伝導性フレームのそれぞれに電気的に連結される、請求項５に記載の電力半導体モジュール。

【請求項7】

前記第２-１金属層と第２-２金属層のそれぞれは、前記サブモジュールの離隔した第１-１内部伝導性フレームと第１-２内部伝導性フレームのそれぞれに接触して連結される、請求項６に記載の電力半導体モジュール。

【請求項8】

前記第２基板は、順次配置された第３金属層、第２絶縁層及び第４金属層を含み、
前記第３金属層は、前記サブモジュールの第２内部伝導性フレームと電気的に連結される、請求項１に記載の電力半導体モジュール。

【請求項9】

前記第３金属層は、前記サブモジュールの第２内部伝導性フレームと接触して連結される、請求項８に記載の電力半導体モジュール。

【請求項10】

前記第１伝導性フレームと前記第２伝導性フレームは、それぞれ前記第１基板と前記第２基板を介して前記サブモジュールと電気的に連結される、請求項５に記載の電力半導体モジュール。

【請求項11】

前記第１伝導性フレームは、前記第１基板の第２-１金属層と電気的に連結される第１-１伝導性フレームと、前記第２基板の第３金属層と電気的に連結される第１-２伝導性フレームを含む、請求項１０に記載の電力半導体モジュール。

【請求項12】

前記第２伝導性フレームは、前記第１基板の第２-２金属層と電気的に連結される第２-１伝導性フレームと、前記第２基板の第３金属層と電気的に連結される第２-２伝導性フレームを含む、請求項１１に記載の電力半導体モジュール。

【請求項13】

前記サブモジュールの外側面を取り囲む第２モールドをさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力半導体モジュール。

【請求項14】

第１基板及び第２基板と、
前記第１基板と第２基板の間に配置されるサブモジュールと、
前記サブモジュールと電気的に連結される第１伝導性フレーム及び第２伝導性フレームと、
前記サブモジュールの外側面を取り囲む第２モールドと、を含み、
前記サブモジュールは、
第１内部伝導性フレームの上に配置された電力半導体素子と、
前記電力半導体素子の側面に配置される第１モールドと、を含む、電力半導体モジュール。

【請求項15】

前記電力半導体素子は、第１、第２電力半導体素子を含み、
前記第１内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子または前記第２電力半導体素子のソース電極及びゲート電極と電気的に連結される、請求項１４に記載の電力半導体モジュール。

【請求項16】

前記第１、第２電力半導体素子の上に配置された第２内部伝導性フレームをさらに含み、
前記第２内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子または前記第２電力半導体素子のドレイン電極と電気的に連結される、請求項１５に記載の電力半導体モジュール。

【請求項17】

前記第１伝導性フレームと前記第２伝導性フレームは、それぞれ前記第１基板と前記第２基板を介して前記サブモジュールと電気的に連結され、
前記第１伝導性フレームは、前記第１基板の金属層と電気的に連結される第１-１伝導性フレームと、前記第２基板の金属層と電気的に連結される第１-２伝導性フレームを含む、請求項１４に記載の電力半導体モジュール。

【請求項18】

前記第２伝導性フレームは、前記第１基板の金属層と電気的に連結される第２-１伝導性フレームと、前記第２基板の金属層と電気的に連結される第２-２伝導性フレームを含む、請求項１７に記載の電力半導体モジュール。

【請求項19】

請求項１～１２及び請求項１４～１８のいずれか一項に記載の電力半導体モジュールを含む、電力変換装置。

【請求項20】

第１基板を形成するステップと、
前記第１基板の上部にモールディングされたサブモジュールを形成するステップと、
前記サブモジュールの上部に第２基板を形成するステップと、
第１伝導性フレームを前記サブモジュールに電気的に連結するステップと、
第２伝導性フレームを前記サブモジュールに電気的に連結するステップと、を含み、
前記サブモジュールは、
第１内部伝導性フレームと、
第２内部伝導性フレームと、
前記第１内部伝導性フレームと前記第２内部伝導性フレームの間に配置された電力半導体素子と、
前記第１、第２内部伝導性フレームと前記電力半導体素子の側面上に配置される第１モールドと、を含む、電力半導体モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、電力半導体モジュールと、これを含む電力変換装置及び電力半導体モジュールの製造方法（Power semiconductor module、power conversion device including the same and Manufacturing method of power semiconductor module）に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電力半導体(Power Semiconductor)は、電力電子システムの効率、速度、耐久性及び信頼性を決定する核心要素の１つである。

【0003】

最近、電力電子産業の発展に伴い既存に使用されたシリコン((Silicon)Si)電力半導体が物理的限界に到達し、これを代替するための炭化ケイ素((Silicon Carbide)SiC)及び窒化ガリウム((Galium Nitride)GaN)等のWBG(Wide Bandgap)電力半導体に対する研究が活発に行われている。

【0004】

WBG電力半導体素子は、Si電力半導体素子に比べて約３倍のバンドギャップエネルギーを有し、これにより低い真性キャリア濃度、高い絶縁破壊電界(約４～２０倍)、高い熱伝導性(約３～１３倍)及び大きい電子飽和速度(約２～２.５倍)の特性を有する。

【0005】

このような特性により、高温、高電圧環境で動作が可能であり、高いスイッチング速度と低いスイッチング損失を有する。このうち、窒化ガリウム(GaN)電力半導体素子は、低電圧システムに用いることができ、炭化ケイ素(SiC)電力半導体素子は、高電圧システムに適合している。

【0006】

一方、SiC電力半導体に関する従来の内部技術によれば、個別の電力半導体素子を所定の放熱基板に接着する過程で電力半導体素子にクラックが発生する問題がある。

【0007】

また、従来の内部技術では、個別の電力半導体素子を放熱基板に接着した後、モールディング過程でモールド材質が均一に充填されないことによりボイドが存在する問題がある。

【0008】

また、従来の内部技術では、個別の電力半導体素子を放熱基板に接着する過程で電力半導体素子の電極と放熱基板の伝導層パターンの間に電気的インターコネクションの不良が発生する問題がある。

【0009】

また、従来の内部技術によれば、それぞれ複数の電力半導体素子を含む複数の半導体モジュールが１つのユニットモジュール(unit module)として製作されるが、最終のモジュールテストでフェイル(fail)が発生したとき、製作されたユニットモジュール(unit module)全体を廃棄する問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

実施例の技術的課題の１つは、個別の電力半導体素子を所定の放熱基板に接着する過程で電力半導体素子にクラックが発生する問題を解決することである。

【0011】

また、実施例の技術的課題の１つは、個別の電力半導体素子を放熱基板に接着した後、モールディング過程でモールド材質が均一に充填されないことによりボイドが存在する問題を解決することである。

【0012】

また、実施例の技術的課題の１つは、個別の電力半導体素子を放熱基板に接着する過程で電力半導体素子の電極と放熱基板の伝導層パターンの間に電気的インターコネクションの不良が発生する問題を解決することである。

【0013】

また、実施例の技術的課題の１つは、複数の半導体モジュールが１つのユニットモジュール(unit module)として製作された後、最終のモジュールテストでフェイル(fail)が発生したとき、製作されたユニットモジュール全体を廃棄する問題を解決することである。

【0014】

実施例の技術的課題は、本項目に記載されたものに限定されず、発明の説明から把握できるものを含む。

【課題を解決するための手段】

【0015】

実施例に係る電力半導体モジュールは、第１基板及び第２基板と、前記第１基板と第２基板の間に配置される電力半導体サブモジュールと、前記サブモジュールと電気的に連結される第１伝導性フレーム及び第２伝導性フレームと、を含むことができる。前記第１、第２伝導性フレームは、第１、第２リードフレームと称することができるが、これに限定されるものではない。前記サブモジュールは、電力半導体サブモジュールと称することができるが、これに限定されるものではない。

【0016】

前記サブモジュールは、第１内部伝導性フレームと第２内部伝導性フレームの間に配置された電力半導体素子と、前記第１内部伝導性フレームと第２内部伝導性フレームの間に配置され、前記電力半導体素子の側面に配置される第１モールドを含むことができる。前記第１モールドは、内部モールドと称することができるが、これに限定されるものではない。

【0017】

前記電力半導体素子は、第１、第２電力半導体素子を含むことができる。

【0018】

前記第１内部伝導性フレームは、離隔した第１-１内部伝導性フレームと第１-２内部伝導性フレームを含むことができる。

【0019】

前記第１-１内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子のドレイン電極と電気的に連結され、前記第１-２内部伝導性フレームは、前記第２電力半導体素子のソース電極及びゲート電極と電気的に連結される。

【0020】

前記第２内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子のゲート電極及びソース電極と電気的に連結され、前記第２電力半導体素子のドレイン電極と電気的に連結される。

【0021】

前記第１基板は、順次配置された第１金属層、第１絶縁層及び第２金属層を含み、前記第２金属層は、電気的に分離された第２-１金属層と第２-２金属層を含むことができる。

【0022】

前記第２-１金属層と第２-２金属層のそれぞれは、前記サブモジュールの離隔した第１-１内部伝導性フレームと第１-２内部伝導性フレームのそれぞれに電気的に連結される。

【0023】

前記第２-１金属層と第２-２金属層のそれぞれは、前記サブモジュールの離隔した第１-１内部伝導性フレームと第１-２内部伝導性フレームのそれぞれに接触して連結される。

【0024】

前記第２基板は、順次配置された第３金属層、第２絶縁層及び第４金属層を含み、前記第３金属層は、前記サブモジュールの第２内部伝導性フレームと電気的に連結される。

【0025】

前記第３金属層は、前記サブモジュールの第２内部伝導性フレームと接触して連結される。

【0026】

前記第１伝導性フレームと前記第２伝導性フレームは、それぞれ前記第１基板と前記第２基板を介して前記サブモジュールと電気的に連結される。

【0027】

前記第１伝導性フレームは、前記第１基板の第２-１金属層と電気的に連結される第１-１伝導性フレームと、前記第２基板の第３金属層と電気的に連結される第１-２伝導性フレームを含むことができる。

【0028】

前記第２伝導性フレームは、前記第１基板の第２-２金属層と電気的に連結される第２-１伝導性フレームと、前記第２基板の第３金属層と電気的に連結される第２-２伝導性フレームを含むことができる。

【0029】

実施例は、前記サブモジュールの外側面を取り囲む第２モールドをさらに含むことができる。前記第２モールドは、外側モールドと称することができるが、これに限定されるものではない。

【0030】

また、実施例に係る電力半導体モジュールは、第１基板及び第２基板と、前記第１基板と第２基板の間に配置されるサブモジュールと、前記サブモジュールと電気的に連結される第１伝導性フレームと、第２伝導性フレーム及び前記サブモジュールの外側面を取り囲む第２モールドとを含むことができる。

【0031】

前記サブモジュールは、第１内部伝導性フレームの上に配置された電力半導体素子と、前記電力半導体素子の側面に配置される第１モールドを含むことができる。

【0032】

前記電力半導体素子は、第１、第２電力半導体素子を含むことができる。

【0033】

前記第１内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子または前記第２電力半導体素子のソース電極及びゲート電極と電気的に連結される。

【0034】

実施例は、前記第１、第２電力半導体素子の上に配置された第２内部伝導性フレームをさらに含み、前記第２内部伝導性フレームは、前記第１電力半導体素子または前記第２電力半導体素子のドレイン電極と電気的に連結される。

【0035】

前記第１伝導性フレームと前記第２伝導性フレームは、それぞれ前記第１基板と前記第２基板を介して前記サブモジュールと電気的に連結され、前記第１伝導性フレームは、前記第１基板の金属層と電気的に連結される第１-１伝導性フレームと、前記第２基板の金属層と電気的に連結される第１-２伝導性フレームを含むことができる。

【0036】

前記第２伝導性フレームは、前記第１基板の金属層と電気的に連結される第２-１伝導性フレームと、前記第２基板の金属層と電気的に連結される第２-２伝導性フレームを含むことができる。

【0037】

実施例に係る電力変換装置は、前記いずれか１つの電力半導体モジュールを含むことができる。

【0038】

実施例に係る電力半導体モジュールの製造方法は、第１基板を形成するステップと、前記第１基板の上部にモールディングされたサブモジュールを形成するステップと、前記サブモジュールの上部に第２基板を形成するステップと、第１伝導性フレームを前記サブモジュールに電気的に連結するステップと、第２伝導性フレームを前記サブモジュールに電気的に連結するステップとを含むことができる。

【0039】

前記サブモジュールは、第１内部伝導性フレームと、第２内部伝導性フレームと、前記第１内部伝導性フレームと前記第２内部伝導性フレームの間に配置された電力半導体素子と、前記第１、第２内部伝導性フレームと前記電力半導体素子の側面上に配置される第１モールドとを含むことができる。

【発明の効果】

【0040】

実施例に係る電力半導体モジュール及びこれを含む電力変換装置によれば、個別の電力半導体素子を所定の放熱基板に接着する過程で電力半導体素子にクラックが発生する問題を解決することができる。

【0041】

例えば、実施例では、複数の電力半導体素子は、内部伝導性フレームを利用したサブモジュール(SubModule)化が可能であり、サブモジュール状態で内部伝導性フレームが放熱基板に接着されるので、電力半導体素子にクラックが発生する問題を解決できる技術的効果がある。

【0042】

また、実施例によれば、個別の電力半導体素子を放熱基板に接着した後、モールディング過程でモールド材質が均一に充填されないことによりボイドが存在する問題を解決することができる。

【0043】

例えば、実施例は、内部伝導性フレームを利用したサブモジュール段階で内部モールディングが行われるので、内部にボイドが存在する問題を解決できる技術的効果がある。

【0044】

また、実施例によれば、個別の電力半導体素子を放熱基板に接着する過程で電力半導体素子の電極と放熱基板の伝導層パターンの間に電気的インターコネクションの不良が発生する問題を解決することができる。

【0045】

例えば、実施例は、内部伝導性フレームを利用したサブモジュール化を行い、サブモジュール状態の内部伝導性フレームが放熱基板の伝導層パターンに接着されるので、電力半導体素子の電極と放熱基板の伝導層パターンの間に電気的インターコネクションの不良が発生する問題を解決できる技術的効果がある。

【0046】

また、実施例によれば、複数の半導体モジュールが１つのユニットモジュール(unit module)として製作された後、最終のモジュールテストでフェイルが発生したとき、製作されたユニットモジュール全体を廃棄する問題を解決することができる。

【0047】

例えば、実施例は、モジュールの仕様に応じて複数の電力半導体素子を直列または並列でサブモジュール(SubModule)化し、サブモジュールに対して事前テスト(Pre-test)を行うことによりフェイルが発生したサブモジュールのみ廃棄することができるので、コストを節減でき、量産性が増大する技術的効果がある。

【0048】

また、第２実施例に係る第２サブモジュールPMは、広い第２ゲート電極領域GAを確保できる技術的効果がある。例えば、第２ゲート電極領域GAは、第１ゲート領域G１または第２ゲート領域G２に比べて一側の幅Lが４倍以上確保可能であり、これにより内部技術に比べて第２ゲート電極領域GAは、１６倍(L×L)以上のゲート電極領域を確保できる特別な技術的効果がある。

【0049】

実施例の技術的効果は、本項目に記載されたものに限定されず、発明の説明から把握できるものを含む。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】図１は、実施例に係る電力変換装置１０００の構成の例示図である。

【図2a】図２ａは、実施例に係る電力半導体素子１００の第１断面図である。

【図2b】図２ｂは、実施例に係る電力半導体素子１００の第２断面図である。

【図3a】図３ａは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の第１断面図である。

【図3b】図３ｂは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の第２断面図である。

【図3c】図３ｃは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の第３断面図である。

【図3d】図３ｄは、図３ｃに図示された電力半導体モジュール５００でサブモジュール２００の詳細図である。

【図4a】図４ａは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図4b】図４ｂは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図4c】図４ｃは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図4d】図４ｄは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図4e】図４ｅは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図4f】図４ｆは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図4g】図４ｇは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【図5a】図５ａは、第２実施例に係るサブモジュールの製造工程の例示図である。

【図5b】図５ｂは、図５ａに図示された第１内部伝導性フレーム２１０の上に配置された第２サブモジュールPMの拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0051】

以下では、図面を参照して上記課題を解決するための実施例に係る発明をより詳しく説明する。

【0052】

以下の説明で用いられる構成要素に対する接尾辞「モジュール」及び「部」は、単に明細書の作成を容易にするために付与されるものとして、それ自体で特に重要な意味または役割を付与するものではない。よって、前記「モジュール」及び「部」は、互換的に用いることもできる。

【0053】

第１、第２等の序数を含む用語が多様な構成要素を説明するために用いることができるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されるものではない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられる。

【0054】

単数の表現は、文脈上明白に異ならせて意味しない限り、複数の表現を含む。

【0055】

本出願で、「含む」、「有する」または「備える」等の用語は、明細書に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組合せたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組合せたものの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解されるべきである。

【実施例0056】

図１は、実施例に係る電力変換装置１０００の構成例示図である。

【0057】

実施例に係る電力変換装置１０００は、バッテリー或いは燃料電池からDC電源を受けてAC電源に変換することができ、所定の負荷にAC電源を供給することができる。例えば、実施例に係る電力変換装置１０００はインバータを含むことができ、バッテリーからDC電源を受けて三相のAC電源に変換してモータMに供給することができ、モータMは、電気自動車、燃料電池自動車等に動力を提供することができる。

【0058】

実施例に係る電力変換装置１０００は、電力半導体素子１００を含むことができる。前記電力半導体素子１００は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であるが、これに限定されるものではなく、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を含むことができる。

【0059】

例えば、前記電力変換装置１０００は、複数の電力半導体素子１００a、１００b、１００c、１００d、１００e、１００fを含むことができ、複数のダイオード(図示されていない)を含むことができる。前記複数のダイオードのそれぞれは、前記電力半導体素子１００a、１００b、１００c、１００d、１００e、１００fにそれぞれに内部ダイオード形態で内在してもよいが、これに限定されるものではなく、別途で配置されてもよい。

【0060】

実施例は、複数の電力半導体素子１００a～１００fに対するオン・オフ制御によりDC電源をAC電源に変換することができる。例えば、実施例に係る電力変換装置１０００は、一周期の第１時区間で第１電力半導体素子１００aをオンし第２電力半導体素子１００bをオフしてモータMに正極性電源を供給し、一周期の第２時区間で第１電力半導体素子１００aをオフし第２電力半導体素子１００bをオンしてモータMに負極性電源を供給することができる。

【0061】

実施例で、入力側の高電圧ラインと低電圧ラインで直列配置される電力半導体素子のグループをアーム(arm)と呼ぶことができる。例えば、第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは、第１アームを構成し、第３電力半導体素子１００cと第４電力半導体素子１００dは、第２アームを構成し、第５電力半導体素子１００eと第６電力半導体素子１００fは、第３アームを構成することができる。

【0062】

前記アーム(arm)で上側電力半導体素子と下側電力半導体素子は、同時にオンしないように制御される。例えば、第１アームで第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは、同時にオンせず、交互にオン・オフすることができる。

【0063】

各電力半導体素子１００a～１００fは、オフした状態で高い電源が印加される。例えば、第１電力半導体素子１００aがオンした状態で第２電力半導体素子１００bがオフすると、第２電力半導体素子１００bには入力電圧がそのまま印加される。第２電力半導体素子１００bに入力された電圧は、相対的に高い電圧であり、このような高い電圧を耐えることができるように各電力半導体素子１００a～１００fの耐圧は高いレベルに設計される。

【0064】

各電力半導体素子１００a～１００fは、オンした状態で高電流を導通させることができる。前記モータMは、相対的に高い電流で駆動され、このような高電流は、オンしている電力半導体を通じてモータMに供給される。

【0065】

各電力半導体素子１００a～１００fに印加される高い電圧は、高いスイッチング損失を誘発し得る。電力半導体素子１００a～１００fを導通する高い電流は、高い導通損失を誘発し得る。このような損失により発生する熱を放出するために電力半導体素子１００a～１００fは、放熱手段を含む電力半導体モジュールにパッケージングされてもよい。

【0066】

実施例の電力半導体素子１００は、炭化ケイ素(SiC)電力半導体素子であってもよく、高温、高電圧環境で動作が可能であり、高いスイッチング速度と低いスイッチング損失を有することができる。

【0067】

一方、実施例に係る電力変換装置１０００は、複数の電力半導体モジュールを含むことができる。

【0068】

例えば、図１に図示された複数の電力半導体素子１００a～１００fが１つの電力半導体モジュールにパッケージングされるか、各アームを構成する電力半導体素子が１つの電力半導体モジュールにパッケージングされてもよい。

【0069】

例えば、図１に図示された第１電力半導体素子１００a、第２電力半導体素子１００b、第３電力半導体素子１００c、第４電力半導体素子１００d、第５電力半導体素子１００e及び第６電力半導体素子１００fが１つの電力半導体モジュールにパッケージングされてもよい。

【0070】

また、電流容量を増やすために各電力半導体素子１００a～１００fと並列で配置される追加の電力半導体素子がさらに存在してもよい。この場合、電力半導体モジュールに含まれる電力半導体素子の個数は６個より多くてもよい。

【0071】

実施例に係る電力変換装置１０００には、トランジスタ形態の電力半導体素子１００a～１００f以外にダイオード形態の電力半導体素子も含まれてもよい。例えば、第１電力半導体素子１００aと並列で第１ダイオード(図示されていない)が配置され、第２電力半導体素子１００bと並列で第２ダイオード(図示されていない)が配置されてもよい。そして、このようなダイオードも１つの電力半導体モジュールに一緒にパッケージングされてもよい。また、前記ダイオードは、各電力半導体素子に内部ダイオード形態で配置されてもよい。

【0072】

次に、各アームを構成する電力半導体素子が１つの電力半導体モジュールにパッケージングされてもよい。

【0073】

例えば、第１アームを構成する第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bが第１電力半導体モジュールにパッケージングされ、第２アームを構成する第３電力半導体素子１００cと第４電力半導体素子１００dが第２電力半導体モジュールにパッケージングされ、第３アームを構成する第５電力半導体素子１００eと第６電力半導体素子１００fが第３電力半導体モジュールにパッケージングされてもよい。

【0074】

また、電流容量を増やすために各電力半導体素子１００a～１００fと並列で配置される追加の電力半導体素子がさらに存在してもよく、この場合、各電力半導体モジュールに含まれる電力半導体素子の個数は２つより多くてもよい。そして、各アームにはトランジスタ形態の電力半導体素子１００a～１００f以外にダイオード形態の電力半導体素子(図示されていない)も含まれてもよく、このようなダイオードも１つの電力半導体モジュールに一緒にパッケージングされてもよい。また、前記ダイオードは、各電力半導体素子に内部ダイオード形態で配置されてもよい。

【0075】

次に、図２ａは、実施例に係る電力半導体素子１００の第１断面図である。

【0076】

図２ａを参照すると、実施例に係る電力半導体素子１００は、基板１１０、第１導電型エピ層１２０、第２導電型ウェル１３０、第１導電型ソース領域１４０、ゲート絶縁層１５０、ゲート電極１６０及びドレイン電極１０５を含むことができる。前記第１導電型はn型であってもよく、第２導電型はP型であってもよいが、これに限定されるものではない。

【0077】

例えば、前記電力半導体素子１００は、所定の基板１１０の上に形成された第１導電型エピ層１２０と、前記第１導電型エピ層１２０に形成された第２導電型ウェル１３０と、前記第２導電型ウェル１３０に形成された第１導電型ソース領域１４０と、前記第１導電型ソース領域１４０の上に形成されたゲート絶縁層１５０と、ゲート電極１６０及び前記基板１１０の下に配置されるドレイン電極１０５を含むことができる。

【0078】

前記基板１１０と前記第１導電型エピ層１２０は、SiC(Silicon Carbide)を含むことができる。

【0079】

次に、図２ｂは、実施例に係る電力半導体素子１００の第２断面図であり、図２ａに図示された第１断面図に基づいた概略図である。

【0080】

実施例に係る電力半導体素子１００は、所定の半導体エピ層１２０の上側に配置されたソース電極１４５、ゲート電極１６５及び前記半導体エピ層１２０の下側に配置されたドレイン電極１０５を含むことができる。

【0081】

MOSFETの形態においてソース電極１４５またはゲート電極１６５は、Al系の金属を含むことができ、ドレイン電極１０５は、Ti層、Ni層、Ag層を含むTi/Ni/Ag金属やNiV/Ag、V(vanadium)/Ni/Ag等を含むことができるが、これに限定されるものではない。

【0082】

次に、図３ａは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の第１断面図である。

【0083】

実施例に係る電力半導体モジュール５００は、第１基板４１０、第２基板４２０、サブモジュール２００、第１伝導性フレーム３１０、第２伝導性フレーム３２０を含むことができる。

【0084】

前記サブモジュール２００は、複数の電力半導体素子１００a、１００bを含むことができる。

【0085】

例えば、前記サブモジュール２００は、第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bを含むことができる。再び図２ｂを参照すると、第１または第２電力半導体素子１００a、１００bは、半導体エピ層１２０、ソース電極１４５、ゲート電極１６５及びドレイン電極１０５を含むことができる。

【0086】

再び図３ａを参照すると、第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは１つのアームを構成することができる。

【0087】

例えば、前記第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは、電極が反対方向に配置される。例えば、第１電力半導体素子１００aのソース電極とゲート電極は上側に配置され、ドレイン電極は下側に配置される。

【0088】

そして、第２電力半導体素子１００bのソース電極とゲート電極は下側に配置され、ドレイン電極は上側に配置される。このような配置構造において第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは１つのアームを構成することができる。

【0089】

一方、第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは、電気的に並列連結される。

【0090】

例えば、実施例で、第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは、電極が同一方向に配置される。例えば、第１電力半導体素子１００aのソース電極とゲート電極は上側に配置され、ドレイン電極は下側に配置される。

【0091】

また、第２電力半導体素子１００bのソース電極とゲート電極は上側に配置され、ドレイン電極は下側に配置される。このような配置構造において第１電力半導体素子１００aと第２電力半導体素子１００bは、電気的に並列連結される。

【0092】

次に、図３ｂは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の第２断面図として、図３ａに図示された実施例に係る電力半導体モジュール５００の詳細図である。

【0093】

実施例で、第１、第２基板４１０、４２０は、電力半導体モジュール５００の下側と上側にそれぞれ配置される。

【0094】

例えば、前記第１基板４１０は、電力半導体モジュール５００の下側に配置され、所定の接着部材(図示されない)により電力半導体モジュール５００の下側に接着される。前記接着部材は、Sn-Ag系の接着部材であるかAg系の接着部材であってもよい。または、前記第１基板４１０は、ソルダリング或いは焼結(sintering)により電力半導体モジュール５００の下側に接着されてもよい。

【0095】

前記第２基板４２０は、前記電力半導体モジュール５００の上側に配置され、先述した第１基板４１０の技術的特徴を採用することができる。

【0096】

前記第１基板４１０は、第１金属層４１０a、第１絶縁層４１０b及び第２金属層４１０cを含むことができる。

【0097】

前記第１絶縁層４１０bは、第１金属層４１０aと第２金属層４１０cを電気的に絶縁させることができる。前記第１絶縁層４１０bは、熱伝導度が高いセラミック材質を含むことができる。

【0098】

第１金属層４１０aは一側が第１絶縁層４１０bに接し、他側に熱を発散させることができる。第１金属層４１０aの他側には、冷却媒体を含む放熱手段が近接配置される。

【0099】

前記第２金属層４１０cには、配線パターンが形成され、配線パターンはサブモジュール２００と電気的に連結される。

【0100】

例えば、前記第２金属層４１０cは、電気的に分離された第２-１金属層４１０c１と第２-２金属層４１０c２を含むことができ、それぞれ第１電力半導体素子１００a及び第２電力半導体素子１００bと電気的に連結される。前記第１金属層４１０aと第２金属層４１０cはCu系の金属を含むことができるが、これに限定されるものではない。

【0101】

また、前記第２基板４２０は、第３金属層４２０a、第２絶縁層４２０b及び第４金属層４２０cを含むことができる。前記第２基板４２０は、前記第１基板４１０の技術的特徴を採用することができる。

【0102】

例えば、前記第２絶縁層４２０bは、第３金属層４２０aと第４金属層４２０cを電気的に絶縁させることができる。前記第２絶縁層４２０bは、熱伝導度が高いセラミック材質を含むことができる。

【0103】

前記第３金属層４２０aには、配線パターンが形成され、配線パターンはサブモジュール２００と電気的に連結される。例えば、第３金属層４２０aは、第１電力半導体素子１００a及び第２電力半導体素子１００bと電気的に連結される。

【0104】

第４金属層４２０cは一側が第２絶縁層４２０bに接し、他側に熱を発散させることができる。第４金属層４２０cの他側には、冷却媒体を含む放熱手段が近接配置される。

【0105】

続いて、図３ｂを参照すると、第１伝導性フレーム３１０と第２伝導性フレーム３２０のそれぞれの一側はサブモジュール２００と電気的に連結される、それぞれの他側は外部連結端子と連結される。外部連結端子は、入力電源、モータまたはインバータ制御機等を含むことができる。

【0106】

例えば、第１伝導性フレーム３００と第２伝導性フレーム３２０は、第１基板４１０と第２基板４２０を介してサブモジュール２００と電気的に連結される。

【0107】

例えば、前記第１伝導性フレーム３１０は、第１基板４１０の第２-１金属層４１０c１と電気的に連結される第１-１伝導性フレーム３１０aと、第２基板４２０の第３金属層４２０aと電気的に連結される第１-２伝導性フレーム３１０bを含むことができる。

【0108】

また、前記第２伝導性フレーム３２０は、第１基板４１０の第２-２金属層４１０c２と電気的に連結される第２-１伝導性フレーム３２０aと、第２基板４２０の第３金属層４２０aと電気的に連結される第２-２伝導性フレーム３２０bを含むことができる。

【0109】

次に、図３ｃは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の第３断面図として、図３ｂに図示された実施例に係る電力半導体モジュール５００の詳細図である。

【0110】

実施例のサブモジュール２００は、複数の電力半導体素子１００a、１００bの側面を取り囲む第１モールド２０１を含むことができる。

【0111】

また、実施例に係る電力半導体モジュール５００は、前記サブモジュール２００の外側面を取り囲む第２モールド５０２を含むことができる。

【0112】

前記第１モールド２０１または前記第２モールド５０２はEMC(Epoxy Molding Compound)を含むことができるが、これに限定されるものではない。

【0113】

次に、図３ｄは、図３ｃに図示された電力半導体モジュール５００でサブモジュール２００の詳細図である。

【0114】

実施例に係るサブモジュール２００は、第１内部伝導性フレーム２１０と第２内部伝導性フレーム２２０の間に配置された複数の電力半導体素子１００a、１００b及び前記複数の電力半導体素子１００a、１００bの側面を取り囲む第１モールド２０１を含むことができる。前記第１内部伝導性フレーム２１０は、第１-１内部伝導性フレーム２１０aと第１-２内部伝導性フレーム２１０bを含むことができる。

【0115】

前記第１-１内部伝導性フレーム２１０aは、第１電力半導体素子１００aのドレイン電極と電気的に連結され、第１-２内部伝導性フレーム２１０bは、第２電力半導体素子１００bのソース電極及びゲート電極と電気的に連結される。前記第２電力半導体素子１００bのゲート電極と、ソース電極と連結される第１-２内部伝導性フレーム２１０bは、図示されたものと違うように互いに連結されていない個別の構成であってもよい。

【0116】

前記第２内部伝導性フレーム２２０は、第１電力半導体素子１００aのゲート電極及びソース電極と電気的に連結され、第２電力半導体素子１００bのドレイン電極と電気的に連結される。第１電力半導体素子１００aのゲート電極と、ソース電極と連結される第２内部伝導性フレーム２２０は、図示されたものと違うように互いに連結されていない個別の構成であってもよい。前記第１モールド２０１は、複数の電力半導体素子１００a、１００bを酸化物質から保護し、複数の電力半導体素子１００a、１００bを固定させる機能をすることができる。

【0117】

実施例によれば、第１、第２内部伝導性フレーム２１０、２２０を利用したサブモジュール(SubModule)段階で、第１モールド２０１により１次内部モールディングが行われるので、内部にボイドが存在する問題を解決できる技術的効果がある。

【0118】

また、実施例によれば、複数の電力半導体素子を、内部伝導性フレームを利用してサブモジュール(SubModule)化し、サブモジュール状態で内部伝導性フレームが第１基板４１０及び第２基板４２０に接着され、第１モールド２０１によって電力半導体素子が保護されるので、電力半導体素子にクラックが発生する問題を解決できる技術的効果がある。

【0119】

また、実施例は、内部伝導性フレームを利用したサブモジュール(SubModule)化を行い、サブモジュール状態の内部伝導性フレームが第１、第２基板４１０、４２０に接着されるので、電力半導体素子の電極と第１、第２基板４１０、４２０の伝導層パターンの間に電気的インターコネクションの不良が発生する問題を解決できる技術的効果がある。

【0120】

また、実施例では、モジュールの仕様に応じて複数の電力半導体素子を直列または並列でサブモジュール(SubModule)化することにより搭載数量の調節が可能であり、サブモジュールに対して事前テスト(Pre-test)を行うことによりフェイルが発生したサブモジュールのみ廃棄することができるので、コストを節減でき、量産性が増大する技術的効果がある。

【0121】

次に、図４ａ～図４ｇは、実施例に係る電力半導体モジュール５００の製造工程の例示図である。

【0122】

まず、図４ａを参照すると、第１内部伝導性フレーム２１０の上に複数の電力半導体素子１００が配置される。前記第１内部伝導性フレーム２１０は、Cu等を含む伝導層金属であってもよい。

【0123】

前記電力半導体素子１００は、それぞれの電極の配置が同じ方向を向く並列形態で、複数でパッケージングされてもよく、それぞれの電極の配置が反対方向に向けて配置されて、各アームを構成する形態でパッケージングされてもよい。

【0124】

また、実施例は、MOSFET形態の電力半導体素子以外にダイオード形態の電力半導体素子を含むこともでき、それぞれの電力半導体素子１００と並列でダイオード(図示されない)が配置されてもよく、各電力半導体素子に内部ダイオード形態でダイオードが配置されてもよい。

【0125】

次に、図４ｂのように、前記複数の電力半導体素子１００の上に第２内部伝導性フレーム２２０が配置される。前記第２内部伝導性フレーム２２０は、Cu等を含む伝導層金属であってもよい。

【0126】

図４ｂでは、第１内部フレーム２１０と第２内部フレーム２００が備えられるものと図示したが、これに限定されるものではない。

【0127】

例えば、実施例のサブモジュール２００は、第１内部フレーム２１０と第２内部フレーム２００のうち少なくとも１つを備えることができる。例えば、実施例のサブモジュール２００は、電力半導体素子１００のドレイン電極方向に位置する内部フレームを備えなくてもよく、この場合、ドレイン電極が第１基板または第２基板の電極パターンに接触して電気的に連結される。

【0128】

次に、図４ｃのように、前記第１内部伝導性フレーム２１０と前記第２内部伝導性フレーム２２０の間に第１モールド２０１を充填することができる。

【0129】

【0130】

【0131】

次に、図４ｄのように、第１モールド２０１されたモジュールに対してシンギュレーション(Singulation)(C)を行ってサブモジュール２００を製造することができる。

【0132】

前記サブモジュール２００は、複数の電力半導体素子１００を含むことができ、それぞれの電力半導体素子１００の電極の配置が同じ方向を向く並列形態でパッケージングされてもよく、それぞれの電極の配置が反対方向に配置されて各アームを構成する形態でパッケージングされてもよい。

【0133】

次に、図４ｅのように、それぞれのサブモジュール２００に対して事前テスト(Pre-test)を行う。

【0134】

実施例によれば、モジュールの仕様に応じて複数の電力半導体素子を直列または並列でサブモジュール(SubModule)化することにより搭載数量の調節が可能であり、サブモジュールに対して事前テスト(Pre-test)を行うことによりフェイルが発生したサブモジュールのみ廃棄することができるので、コストを節減でき、量産性が増大する技術的効果がある。

【0135】

次に、図４ｆ及び図４ｇのように、第１基板４１０、第２基板４２０の間に第１伝導性フレーム３１０、第２伝導性フレーム３２０及びサブモジュール２００を配置した後圧搾して、実施例に係る電力半導体モジュール５００を製造することができる。

【0136】

これにより、実施例によれば、複数の電力半導体素子を、内部伝導性フレームを利用してサブモジュール(SubModule)化し、サブモジュール状態で内部伝導性フレームが第１基板４１０及び第２基板４２０に接着され、第１モールド２０１によって電力半導体素子が保護されるので、電力半導体素子にクラックが発生する問題を解決できる技術的効果がある。

【0137】

【0138】

次に、図５ａは、第２実施例に係る第２サブモジュールPMの製造工程の例示図であり、図５ｂは、図５ａに図示された第１内部伝導性フレーム２１０の上に配置された第２サブモジュールPMの拡大図である。

【0139】

第２実施例は、先述された実施例の技術的特徴を採用することができ、以下第２実施例の主な特徴を中心に説明することにする。

【0140】

図５ｂを参照すると、第２サブモジュールPMは、第１内部伝導性フレーム２１０の上に配置された第２-１電力半導体素子１００Xと第２-２電力半導体素子１００Yを含むことができる。

【0141】

前記第２-１電力半導体素子１００Xは、第２-１ソース領域S１と第２-１ゲート領域G１を含むことができる。

【0142】

前記第２-２電力半導体素子１００Yは、第２-２ソース領域S２と第２-２ゲート領域G２を含むことができる。

【0143】