KR100262460B1 - 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자에 관한 것으로서, 열보상판을 접합한 칩과 전극 단자 사이에 열팽창률 차이에 따른 응력을 완충시킬 수 있도록 접합되는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자에 있어서, 상기 스프링 단자는 상기 전극 단자에 납땜 접합되는 단자 연결부와, 생성 응력을 완충시킬 수 있는 절곡부와, 상기 열보상판에 땜납으로 접합되고, 접합 면적을 줄일 수 있도록 요홈이 형성된 칩 접합부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면 여러 개의 소형 스프링 단자를 사용하지 않고 하나의 스프링 단자를 사용하더라도 열팽창 차이에 의하여 접합부에 발생하는 응력을 최대한으로 완충시켜 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소형으로 제작할 필요가 없으므로 조립 작업성도 향상시킬 수 있다.

Description

전력용 반도체 모듈의 스프링 단자

본 발명은 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 열팽창률을 갖는 두 재료를 접합할 때 열응력을 최소화함과 동시에 적절한 전류 흐름의 단면적도 확보할 수 있도록 하는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자에 관한 것이다.

일반적으로 전력용 반도체 모듈은 그 동작 환경이 100 ℃를 훨씬 넘는 고온일 뿐만 아니라, 이러한 모듈에 사용되는 전극 단자는 열전도성 및 전기 전도성이 우수한 구리(Cu) 재료를 주로 사용한다. 예를 들면, 반도체 칩의 재료인 실리콘(Si)과 Cu, 혹은 Mo 과 Cu, 세라믹과 Cu 등 열팽창 계수의 차이가 많은 재료들을 접합하여 사용하기 때문에 이러한 접합 계면에는 온도에 따른 서로 다른 열적 팽창률 차이에 의한 응력이 작용한다.

열피로 시험에서 우수한 제품을 만들기 위해서는 서로 상이한 재료의 열적 팽창률 차이에 의하여 발생하는 응력을 최대한으로 줄이고, 또한 발생된 응력에 대해서는 최대한으로 보상해 줄 수 있는 디자인이 요구된다.

이를 해결하기 위하여 응력의 방향을 접합면에 수직이 되는 응력으로 전환하기 위하여 스프링 단자를 사용하고 있다.

도 1 은 종래의 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자가 접합된 상태를 나타낸 단면도이고, 도 2 는 도 1 의 A - A 선 단면도이다.

도 1 및 도 2 에서, 종래에는 반도체 칩(1)에 열보상판(2)을 땜납(5)으로 접합한 후 상기 열보상판(2)과 구리 소재로 이루어진 전극판(3) 사이에 S 자 형상의 스프링 단자(4)를 땜납(5)으로 접합하고 있다.

이러한 스프링 단자(4)는 그 접합면(4a)의 면적이 크면 클수록 온도에 의하여 팽창되는 변위차가 크게되어 접합면(4a)이 속하는 납땜층에서 받는 응력의 크기는 상대적으로 더 커지게 되므로 접합 면적은 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.

그러나, 이렇게 스프링 단자(4)의 접합면(4a)의 면적을 작게 한다는 것은 전류 흐름 통로의 단면적을 줄이는 것을 의미하므로 결국 이로 인하여 저항 성분이 증가됨에 따라 제품의 열손실이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 전술한 종래 기술의 문제점을 보완하기 위하여, 도 3 에서 나타낸 바와 같이, 스프링 단자(4)의 수를 2 개로 나누어서 접합하면 이 스프링 단자(4)의 전체적인 체적을 줄이는 대신에 적당한 전류 흐름의 단면적을 확보할 수 있다.

그러나, 이와 같이 부피가 작은 몇 개의 스프링으로 나누어 사용하는 것은 제조 생산성이나 작업성이 떨어질 뿐만 아니라 작업자기 취급하는 데에도 문제점이 있고, 또한 정확한 접합 위치를 맞추기 위해서도 가공 정밀도를 요하는 지그를 사용해야만 한다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 열팽창 계수의 차가 많이 나는 두 재료를 접합할 때 접합 면적을 줄이더라도 열적 응력을 최소화함과 동시에 적절한 전류 흐름의 단면적을 확보할 수 있게 하는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자를 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자는, 열보상판을 접합한 칩과 전극 단자 사이에 열팽창률 차이에 따른 응력을 완충시킬 수 있도록 접합되는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자에 있어서, 상기 스프링 단자는 상기 전극 단자에 납땜 접합되는 단자 연결부와, 생성 응력을 완충시킬 수 있는 절곡부와, 상기 열보상판에 땜납으로 접합되고, 접합 면적을 줄일 수 있도록 요홈이 형성된 칩 접합부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1 은 종래의 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자가 접합된 상태를 나타낸 단면도.

도 2 는 도 1 의 A - A 선 단면도.

도 3 은 종래의 다른 실시예에 따른 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자의 접합 상태를 나타낸 단면도.

도 4 는 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자의 접합 상태를 나타낸 단면도.

도 5 는 도 4 에 도시된 스프링 단자의 분리 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 칩, 22, 24 : 열보상판,

30 : 전극 단자, 40 : 스프링 단자,

42 : 단자 연결부, 44 : 절곡부,

46 : 칩 접합부, 46a : 요홈,

50 : 땜납.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

도 4 는 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자의 접합 상태를 나타낸 단면도이고, 도 5 는 도 4 에 도시된 스프링 단자의 분리 사시도.

상기 도면에서, 부호 40 은 본 발명의 스프링 단자를 나타낸 것으로서, 열보상판(22)(24)을 상, 하로 접합시킨 반도체 칩(10)과 전극 단자(30) 사이에 이 들의 열팽창률 차이에 따라 가해지는 응력을 완충시킬 수 있도록 접합되는 것이다.

즉, 상기 스프링 단자(40)는 “ ⊃ ”나 “ ⊂ ”형상으로 된 것으로, 그 상단으로부터 전극 단자(30)에 납땜 접합되는 단자 연결부(42)와, 응력을 완충시킬 수 있는 절곡부(44)와, 상부의 열보상판(22) 위에 땜납(50)에 의하여 접합되고, 접합 면적을 줄일 수 있도록 요홈(46a)이 형성된 칩 접합부(46)로 이루어진다.

여기서, 상기 칩 접합부(46)는 적어도 하나 이상의 요홈(46a)을 갖추면 접합 면적을 더욱 더 줄일 수 있어서 바람직하다.

물론, 스프링 단자(40)의 형상이 S 자 형상으로 이루어져도 무방하다.

이와 같은 형상을 갖춘 본 발명에 따른 스프링 단자(40)는 반도체 칩(10)과 전기적으로 연결되는 칩 접합부(46)에 하나 혹은 그 이상의 요홈(46a)이 형성되면, 그 만큼의 접합 면적을 줄일 수 있으므로 칩(10)과 전극 단자(30) 간의 열팽창률 차이에 따른 온도차에 의하여 팽창되는 변위차가 작아진다. 이에 따라 상기 칩 접합부(46)의 납땜층에서 받는 응력의 크기도 더욱 작아지게 된다.

이렇게 접합 면적을 작게 하면 전류 흐름의 통로 단면적도 아울러 줄게 되지만, 칩 접합부(46)의 접합 소재인 땜납(50)이 용융된 후 응고될 때의 젖음성(Wetting)으로 인하여 요홈부(46a)의 가장자리를 포함하여 접합부(46)의 가장 자리에 땜납(50)이 올라붙게 되므로 충분하게 전류 흐름의 통로를 보충 내지 확보할 수 있게 된다.

상술한 본 발명에 의하면, 여러 개의 소형 스프링 단자를 사용하지 않고 하나의 스프링 단자를 사용하더라도 열팽창 차이에 의하여 접합부에 발생하는 응력을 최대한으로 완충시켜 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소형으로 제작할 필요가 없으므로 조립 작업성도 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 열보상판을 접합한 칩과 전극 단자 사이에 열팽창률 차이에 따른 응력을 완충시킬 수 있도록 접합되는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자에 있어서,

   상기 스프링 단자는 상기 전극 단자에 납땜 접합되는 단자 연결부와,

   생성 응력을 완충시킬 수 있는 절곡부와,

   상기 열보상판에 땜납으로 접합되고, 접합 면적을 줄일 수 있도록 요홈이 형성된 칩 접합부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 칩 접합부는 적어도 하나 이상의 요홈을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈의 스프링 단자.