KR100216731B1

KR100216731B1 - A power device modules using a petyllia dbc substrate

Info

Publication number: KR100216731B1
Application number: KR1019960043963A
Authority: KR
Inventors: 이근혁; 송종규; 백준영; 최연식
Original assignee: 김충환; 한국전자주식회사
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1999-09-01
Also published as: KR19980025723A

Abstract

본 발명은 전력 반도체 모듈에 관한 것으로서, 절연체기판에 구리를 직접 접합시켜 형성된 디비씨 기판을 사용하여 제조되는 전력 반도체 모듈에 있어서, 상기 절연체 기판은 베릴리아(BeO) 재질로서 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a power semiconductor module, and more particularly, to a power semiconductor module manufactured using a divisible substrate formed by directly bonding copper to an insulator substrate, wherein the insulator substrate is made of a Beryllium (BeO) material.

따라서, 본 발명에 따르면, 전력 반도체 모듈은 보다 안정적이로 효율적으로 동작을 할 수 있게 된다. 즉 반도체 모듈의 동작중 전력 반도체 소자에서 발생된 열은 보다 안정적이고 효과적으로 외부 방열판에 전달될 수 있다. 따라서, 시스템 동작중 빈번히 발생하는 모듈의 파괴 현상은 감소된다. 또한 동일한 크기의 패키지에 보다 높은 정격의 반도체 소자를 탑재할 수 있기 때문에 신뢰성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 기존에 사용되는 패키지 보다 소형의 패키지를 사용할 수 있어 원가 절감을 이룰 수 있으며 시스템의 소형화를 이룰 수 있다.Therefore, according to the present invention, the power semiconductor module can operate more stably and efficiently. That is, the heat generated in the power semiconductor device during operation of the semiconductor module can be more stably and effectively transmitted to the external heat sink. Therefore, the destruction phenomenon of the module frequently occurring during the system operation is reduced. In addition, since higher-rated semiconductor devices can be mounted on a package of the same size, reliability can be improved, and a package smaller than a conventional package can be used, thereby achieving cost reduction and miniaturization of the system. .

Description

Power semiconductor module using Beryllium Divisubstrate

본 발명은 베릴리아 디비씨(Beryllia DBC:Direct Bonded Copper) 기판을 사용한 전력 반도체 모듈에 관한 것으로서, 특히 열전도성이 우수한 베릴리아 기판에 구리를 직접 접합시켜 형성한 베릴리아 디비씨 기판에 전력용 반도체소자를 부착시켜 형성한 전력 반도체 모듈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor module using Beryllia DBC (Direct Bonded Copper) substrate, and more particularly to a power semiconductor module using Beryllia DBC (Direct Bonded Copper) To a power semiconductor module formed by attaching an element.

전력 반도체 모듈은 절연체 기판에 바이폴라 트랜지스터, 파워 모드 트랜지스터, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 다이오드 등을 탑재하여 제조된다.The power semiconductor module is manufactured by mounting a bipolar transistor, a power mode transistor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a diode on an insulator substrate.

현재 전력 반도체 모듈의 절연체기판으로서 폭넓게 사용되고 있는 것을 절연 세라믹 기판에 구리를 직접 접합하여 이루어진 디비씨 기판이다.Currently, widely used as an insulator substrate of a power semiconductor module is a divisible substrate formed by directly bonding copper to an insulating ceramic substrate.

디비씨 기판은 세라믹 상하에 구리 금속판이 붙어 있는 형태, 즉 세라믹과 구리 금속판이 화학결합된 상태의 기판으로서, 통상적인 기판이 세라믹과 구리 금속부를 별도의 중간 매개 물질을 사용하여 물리적으로 접합하던 것과는 다르다.The DBS substrate is a substrate in which a ceramic plate and a copper plate are attached to the upper and lower surfaces of the ceramic, that is, a ceramic plate and a copper plate are chemically bonded to each other. different.

따라서, 세라믹 디비씨 기판의 경우는 세라믹과 구리 접합층 사이에 열전도를 저해하는 물질이 존재하지 않기 때문에 디비씨 기판은 높은 방열성 및 높은 전기절연성을 가지며 또한 구리는 세라믹과 동등한 열팽창률을 갖고, 구리판 표면은 우수한 솔더 부착성, 와이어 본딩 능력 및 큰 접착강도를 나타낸다. 즉, 디비씨 기판은 세라믹과 구리의 특징을 겸비한 복합기능을 발휘하고 있다. 따라서, 세라믹 디비씨 기판은 방열성을 대폭 향상시킬 수 있으며 극히 단순한 반도체 실장구조의 실현, 부품감소, 조립간편화, 자동화, 신뢰성 향상 등을 가능하게 한다.Therefore, in the case of the ceramic divisible substrate, since there is no substance which interferes with the heat conduction between the ceramic and the copper bonding layer, the divisible substrate has a high heat dissipation property and a high electrical insulation property, and the copper has a thermal expansion coefficient equivalent to that of the ceramic, The surface exhibits excellent solder adhesion, wire bonding capability and high adhesive strength. In other words, the divisible substrate exhibits a composite function that combines the features of ceramic and copper. Therefore, the ceramic divisible substrate can greatly improve the heat dissipation property, realizing an extremely simple semiconductor mounting structure, reducing parts, simplifying assembly, automation, and improving reliability.

이와같은 디비씨 기판에 있어서, 절연 세라믹 재료로서는 알루미나(Al₂O₃) 또는 알루미늄 나이트라이트(AIN)를 사용하고 있다.In such a divisible substrate, alumina (Al ₂ O ₃ ) or aluminum nitride (AIN) is used as the insulating ceramic material.

세라믹 재료로 널리 사용되고 있는 알루미나의 최근 높은 열전도성 세라믹(알루미나의 약 5-10 배)으로서 주목 받고 있는 알루미나 나이트라이드 재질을 사용한 디비씨 기판이 현재 전력 반도체 모듈 제조에 주로 사용되고 있다. 알루미나 디비씨 기판이과 알루미나 나이트라이드 디비씨 기판은 반도체에 대응되는 다른 어느 소자에도 이용되고 있으며 디비씨 기판은 자이언트 트랜지스터 모듈용 기판 등에 사용되고 있다.DiBiSe substrate using alumina nitride material, which is attracting attention as a recent high thermal conductive ceramic (about 5-10 times of alumina) of alumina which is widely used as a ceramic material, is currently mainly used for manufacturing a power semiconductor module. The alumina divide substrate and the alumina nitride divide substrate are used for any other device corresponding to the semiconductor, and the divide substrate is used for the substrate for the giant transistor module and the like.

한편, 전력용으로 사용되는 반도체 모듈은 동작 중 수백 와트 이상의 고열이 발생되기 때문에 반도체소자에 고열이 발생하는 경우 발생된 열을 얼마나 효과적으로 외부 방열판을 통해 방출시키는가가 문제가 된다. 특히 세라믹 디비씨 기판의 절연 재료인 세라믹 재료는 금속과 달리 열전달성이 좋지 못하다. 즉 반도체 소자에서 발생된 열은 세라믹 기판 재료에서 순간적으로 막히는 결과가 발생된다.On the other hand, since a semiconductor module used for electric power generates high heat of several hundred watts or more during operation, it is a problem of how effectively heat generated when a semiconductor device generates heat is discharged through an external heat sink. In particular, ceramic materials, which are insulating materials for ceramic divasubstrates, have poor thermal conductivity, unlike metals. That is, the heat generated in the semiconductor device is momentarily clogged in the ceramic substrate material.

따라서, 종래의 세라믹 디비씨 반도체 모듈 기판은 기판에 발생된 열을 효과적으로 방출시키지 못하기 때문에 반도체 소자를 파괴시키거나 반도체 소자의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.Therefore, the conventional ceramic divide semiconductor module substrate can not effectively dissipate the heat generated on the substrate, which has a problem of destroying the semiconductor element or lowering the reliability of the semiconductor element.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전도율이 높은 절연 재료로 이루어진 디비씨 기판을 사용하여 열전달 특성을 향상시킨 전력 반도체 모듈을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power semiconductor module in which heat transfer characteristics are improved by using a divisible substrate made of an insulating material having a high thermal conductivity.

상기 복적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 반도체 모듈은, 절연체기판에 구리를 직접 접합시켜 형성된 디비씨 기판을 사용하여 제조되는 전력 반도체 모듈에 있어서, 상기 절연체 기판은 베릴리아(BeO) 재질로 이루어진 것을 그 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the power semiconductor module of the present invention is manufactured by using a divisible substrate formed by directly bonding copper to an insulator substrate, wherein the insulator substrate is made of Berylite (BeO) It is characterized by.

제1도는 알루미나 디비씨 기판과 베릴리아 디비씨 기판의 열전도도를 비교한 그래프이다.FIG. 1 is a graph comparing thermal conductivities of alumina divisible and beryllium divisible substrates.

이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of specific examples and comparative examples

먼저, 종래의 디비씨 기판의 절연체기판 재료로 사용되는 알루미나 및 알루미늄 나이트라이드 재료와 본 발명의 절연체기판 재료로 사용되는 베릴리아 재료의 열전도도를 살펴 보면 아래의 표 1 과 같다.First, the thermal conductivity of the alumina and aluminum nitride materials used as the insulating substrate material of the conventional divisible substrate and the beryllia material used as the insulating substrate material of the present invention are shown in Table 1 below.

표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 베릴리아 재료의 열전도도는 알루미나 보다는 10 배, 알루미늄 나이트라이드 보다는 2.5 배 가량 큰 값을 갖고 있다. 즉 절연체기판에 접착 금속으로 사용되는 구리 재료의 열전도도에 대하여 알루미나 기판은 약 6.3, 알루미늄 나이트라이드 기판은 약 25, 베릴리아 기판은 약 63의 값을 나타낸다. 따라서, 본 발명에 따라 전력 반도체 모듈의 베릴리아 기판이 사용되는 경우 종래의 알루미나 기판 혹은 알루미늄 나이트라이드 기판 보다 월등히 개선된 열전달 특성을 얻을 수 있다.As shown in Table 1, the thermal conductivity of the Beryllia material used in the present invention is 10 times larger than alumina and 2.5 times larger than aluminum nitride. The thermal conductivity of the copper material used as an adhesive metal on the insulator substrate is about 6.3 , The aluminum nitride substrate is about 25 , The Beryllium substrate is about 63 Lt; / RTI > Therefore, when the Beryllium substrate of the power semiconductor module is used according to the present invention, the heat transfer characteristic much improved compared to the conventional alumina substrate or aluminum nitride substrate can be obtained.

첨부된 제1도는 종래의 알루미나 디비씨 기판과 본 발명의 베릴리아 디비씨 기판의 열전도도를 나타낸 것이다.FIG. 1 illustrates the thermal conductivity of a conventional alumina divisible substrate and a Beryllium divisor substrate of the present invention.

제1도의 결과는 기판의 두께를 0.025 인치와 0.04 인치로 하고 구리층 두께는 양면 모두 0.01 인치를 기준으로 하여 얻어진 것이다. 첨부도면에서 확인할 수 있듯이 베릴리아 디비씨 기판은 100에서 기판 두께 0.025 인치인 경우 265 W/mK 정도, 기판 두께 0.04 인치인 경우 250 W/mK 정도의 열전도도를 나타내고 있는 반면, 알루미나 디비씨 기판의 경우 기판 두께 0.025 인치에서 28 W/mK 정도, 기판 두께 0.04인치에서 25 W/mK 정도의 열전도도를 나타내고 있다.The results of FIG. 1 show that the thickness of the substrate was 0.025 inches and 0.04 inches, and the thickness of the copper layer was obtained on the basis of 0.01 inches on both sides. As can be seen from the accompanying drawings, the Beryllium divisubstrate is 100 In the case of a substrate thickness of 0.025 inches and a thermal conductivity of 250 W / mK in a case of a substrate thickness of 0.04 inches, while a thermal conductivity of about 28 W / mK at a substrate thickness of 0.025 inches in an alumina divisible substrate, And a thermal conductivity of about 25 W / mK at a thickness of 0.04 inches.

상기 결과를 표 1 과 비교해 볼 때, 열전도도값이 기판 재료 자체의 특성값보다 약간 크게 나왔는데, 이것은 열전도도가 높은 구리 재료가 전체적인 열전도도를 증가시킨 것이며 제1도의 결과가 세라믹 재료의 열전도도와 유사한 것으로 미루어 볼 때 세라믹 재료의 열전도도를 디비씨 기판 자체의 열전도도로 보아도 무방할 것으로 판단된다.Comparing the above results with Table 1, the thermal conductivity value is slightly larger than the characteristic value of the substrate material itself, because the copper material with high thermal conductivity increases the overall thermal conductivity, and the result of FIG. 1 shows the thermal conductivity of the ceramic material It is considered that the thermal conductivity of the ceramic material can be regarded as the thermal conductivity of the divisor substrate itself.

따라서, 표 1 과 제1도의 결과를 종합해 볼 때, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드 및 베릴리아 기판을 사용한 디비씨 기판 중에서 본 발명의 베릴리아 기판이 가장 우수한 열전달 특성을 나타냄을 알 수 있다.Accordingly, from the results of Table 1 and FIG. 1, it can be seen that the Beryllium substrate of the present invention exhibits the best heat transfer characteristics among the DBS substrates using alumina, aluminum nitride and Beryllium substrates.

따라서, 본 발명에 따르면 전력 반도체 모듈은 보다 안정적이고 효율적으로 동작을 할 수 있게 된다. 즉 반도체 모듈의 동작중 전력 반도체 소자에서 발생된 열은 보다 안정적이고 효과적으로 외부 방열판에 전달될 수 있다. 따라서, 시스템 동작중 빈번히 발생하는 모듈의 파괴 현상은 감소된다. 또한 동일한 크기의 패키기에 보다 높은 정격의 반도체 소자를 탑재할 수 있기 때문에 신뢰성이 향상될 뿐만 아니라 기존에 사용되는 패키지 보다 소형의 패키지를 사용할 수 있어 원가 절감을 이룰 수 있으며 시스템의 소형화를 이룰 수 있다.Therefore, according to the present invention, the power semiconductor module can operate more stably and efficiently. That is, the heat generated in the power semiconductor device during operation of the semiconductor module can be more stably and effectively transmitted to the external heat sink. Therefore, the destruction phenomenon of the module frequently occurring during the system operation is reduced. In addition, since higher-rated semiconductor devices can be mounted on packages of the same size, not only the reliability is improved but also a package that is smaller than the conventional package can be used, resulting in cost reduction and miniaturization of the system have.

Claims

A power semiconductor module manufactured using a divisible substrate formed by directly bonding copper to an insulator substrate, wherein the insulator substrate is made of Berylo (BeO) material.