KR100415821B1

KR100415821B1 - 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈

Info

Publication number: KR100415821B1
Application number: KR10-2001-0037948A
Authority: KR
Inventors: 홍복영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2004-01-24
Also published as: KR20030002378A

Abstract

본 발명은 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈에 관한 것으로, 그 목적은 히트 싱크와 전력반도체 케이스와의 결합구조를 개선하여 방열효과를 극대화시키기 위함이다.

본 발명에 따른 히트 싱크(12)를 구비한 전력반도체 모듈(10)에 의하면, 전력반도체(14)가 접합되어 있는 반도체 케이스(13)와 히트 싱크(12)는 접하는 면을 일체화시켜 열저항 값이 최소화되도록 솔더(15)를 통해 접합되어 있다. 이에 따라 반도체 케이스(13)에서 히트 싱크(12)로의 열전달이 보다 원활하게 이루어져 제품 신뢰성이 보다 향상되는 것은 물론이며, 제품을 보다 슬림화, 콤팩트화할 수 있는 작용효과가 있다.

Description

히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈{Power semiconductor module with heat sink}

본 발명은 전력반도체 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도 상승에 의한 파괴 및 오동작을 막기 위해 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 전력반도체 모듈은 인버터, 소프트 모터 스타터(Soft Motor Starter) 등의 모터 제어분야에서 많은 전력을 스위칭하는 것으로, 이의 동작 시에 많은 열손실이 발생한다. 이러한 열을 효과적으로 방출하지 않으면 전력반도체 모듈이 오동작 할 우려가 있기 때문에, 반드시 전력반도체를 냉각시켜야 한다.

특히, 최근에는 전력반도체 모듈들이 보다 슬림(Slim)화, 콤팩트(Compact)화되면서 온도문제는 제품 신뢰성에 매우 중요한 이슈가 되고 있는데, 종래 전력반도체 모듈의 방열구조는 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 종래 전력반도체 모듈의 방열구조는 내부에 전력반도체(2)가 접합되어 있는 반도체 케이스(1)와, 이 반도체 케이스(1) 일면에 결합되는 히트 싱크(4)와, 히트 싱크(4)와 반도체 케이스(1) 사이에 발라지는 방열그리스(3)로 이루어져 있다.

히트 싱크(4)는 열전도성이 우수한 금속재질로 제작되며, 스크류(5)를 통해 반도체 케이스(1)와 접하도록 결합되어 있다. 그리고 방열그리스(3)는 히트 싱크(4)와 반도체 케이스(1) 상호간에 접촉성을 좋게 하기 위한 것으로, 이들 사이에 틈이 형성되는 것을 방지하여 열전달이 용이하게 이루어지게 된다.

따라서 전력반도체(2)에서 발생되는 열은 반도체 케이스(1)와 방열그리스(3)를 매개로 히트 싱크(4)로 전달되어 주위공기로 방사된다.

이러한 종래 전력반도체 모듈의 열전달 체계에서 전력반도체(2) 접합부(2a)에서 공기까지의 열저항(Rja)과, 전력반도체(2) 접합부(2a)에서의 온도(Tj)를 수식적으로 표현하면 다음과 같다.

Rja = Rjc + Rch + Rha

Tj = (Rja ×Ploss) + Ta

여기서, Rja는 전력반도체(2) 접합부(2a)에서 공기(air)까지의 열저항이고, Rjc는 전력반도체(2) 접합부(2a)에서 반도체 케이스(1)까지의 열 저항이고, Rch는 반도체 케이스(1)에서 히트 싱크(4)까지의 열 저항 즉, 방열그리스(3)의 열 저항이고, Rha는 히트 싱크(4)에서 공기까지의 열 저항이고, Tj는 전력반도체(2) 접합부(2a)에서의 온도이고, Ta는 주위 공기 온도이고, Ploss는 전력반도체(2)의 열손실이다.

이와 같이, 종래 전력반도체 모듈의 열전달 체계는 반도체 케이스(1)와 히트 싱크(4)를 방열그리스(3)를 매개로 밀착시켜 전력반도체(2) 접합부(2a)에서 공기까지의 열 저항(Rja)를 최소화함으로써, 전력반도체(2) 접합부(2a)에서의 온도(Tj) 상승을 막는 방법이다.

그러나 종래 전력반도체 모듈의 열전달 체계의 수식을 풀어보면,

Tj = {(Rjc + Rha) × Ploss + Ta} + (Rch ×Ploss) 로 표시할 수 있는데, 이 수식의 2번째 항(Rch ×Ploss)은 방열그리스(3)의 열 저항에서 기인하는 온도 상승분이다.

따라서 종래 전력반도체 모듈의 열전달 체계에서는 방열그리스(3)의 열 저항에서 기인하는 온도 상승분에 의해 전력반도체(2) 접합부(2a)에서의 온도를 낮추는데 그 한계가 있으며, 이러한 것은 제품의 신뢰성이 떨어지는 것은 물론이며 전력반도체 모듈을 보다 슬림화, 콤팩트화 하는데 커다란 장애요인으로 작용하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전력반도체가 설치되는 반도체 케이스와 히트 싱크를 일체화하여 전력반도체에서 히트 싱크로의 열전달이 보다 원활하게 이루어지도록 하며, 이것에 의해 방열효과를 보다 향상시킬 수 있는 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈을 제공하는 것이다.

도 1은 종래 전력반도체 모듈을 개략적으로 보인 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 전력반도체 모듈을 보인 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 제조공정을 보인 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 프린팅 단계를 보인 개략도이다.

도 5는 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 탑재단계를 보인 개략도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10..전력반도체 모듈 11..회로기판

12..히트 싱크 13..반도체 케이스

14..전력반도체 15..솔더

20..지그장치

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

전력반도체가 배치된 반도체 케이스와, 전력반도체와 전기적으로 접속되는 회로기판과, 반도체 케이스로부터 열을 전달받아 공기 중으로 방사하기 위한 히트 싱크를 갖춘 전력반도체 모듈에 있어서,

반도체 케이스와 히트 싱크는 접하는 면이 일체화되도록 솔더를 통해 접합되어 열저항 값을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 회로기판은 반도체 케이스와 히트 싱크 사이에 배치되며, 회로기판에는 솔더를 통해 반도체 케이스와 히트 싱크가 접합될 수 있도록 개방부가 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 전력반도체 모듈을 개략적으로 보인 것이며, 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 제조공정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전력반도체 모듈(10)은 회로기판(11)에 리드선(14b)을 통해 전기적으로 접속되는 전력반도체(14)와, 이 전력반도체(14)가 내부에 접합되는 반도체 케이스(13)와, 전력반도체(14)에서 발생되는 열을 공기 중으로 발산하기 위해 다수개의 방열핀이 마련된 히트 싱크(12)를 갖추고 있다.

히트 싱크(12)는 구리 또는 주석재질로 제작되거나 이 재질로 코팅하여 구성하는 것이 바람직한데, 이는 열전달이 우수하며 반도체 케이스(13)와의 납땜 접합을 가능케 하기 위함이다. 그리고 전력반도체(14)는 반도체 케이스(13)내에 접합되어 일종의 패키지 타입으로 이루어져 있으며, 회로기판(11)을 사이에 두고 크림 솔더(15,cream solder)를 통해 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13)가 접합되어 있다.

또한, 반도체 케이스(13)와 히트 싱크(12)를 솔더(15)로 접합시키기 위해 회로기판(11)에는 개방부(11a)가 형성되어 있다. 이 개방부(11a)의 폭은 히트 싱크(12)의 폭보다 작게 구성하는 것이 바람직한데, 이는 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13) 사이에 회로기판(11)을 중첩되게 배치하기 위함이다.

즉, 히트 싱크(12) 상면에 크림 솔더(15, 땜납)을 바르고 여기에 개방부(11a)가 일치되도록 반도체 케이스(13)가 조립된 회로기판(11)을 탑재한 상태에서, 리플로우 솔더링(Reflow Soldering)이라는 납땜 방법을 통해 반도체 케이스(13)와 히트 싱크(12)가 접합된다. 이에 따라 반도체 케이스(13)와 히트 싱크(12)의 접합면이 일체화됨으로써, 전력반도체(14)로부터 히트 싱크(12)로의 열전달이 극대화되게 된다.

다음에는 이러한 본 발명에 따른 전력반도체 모듈(10)의 제조방법을 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력반도체 모듈(10)의 제조방법은 히트 싱크(12)에 크림 솔더(15)를 바르는 프린팅 단계(S1)와, 크림 솔더(15) 위에 전력반도체(14)가 접합되어 있는 반도체 케이스(13)를 탑재시키는 탑재단계(S2)와, 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13)를 예열시키는 예열단계(S3)와, 크림 솔더(15)의 녹는점 이상으로 이들을 가열하는 가열단계(S4)와, 다시 이들을 냉각하는 냉각단계(S5)를 포함하며, 이러한 각 단계들은 표면실장기술에서 사용되는 SMT(Surface Mount Thechnology)장비들을 통해 수행된다.

프린팅 단계(S1)에서는 도 4와 같이, 히트 싱크(12)와 회로기판(11) 안착을 위한 리세스홈(21)(22)이 마련된 지그장치(20)에 히트 싱크(12)를 올려놓고 여기에 스크린 프린터(Screen Printer)를 통해 크림 솔더(15)를 바르는 단계이다. 즉, 지그장치(20)에 형성된 히트 싱크용 리세스홈(21)에 히트 싱크(12)를 올려 놓고, 외부로 노출된 히트 싱크(12)의 상면에 스크린 프린터를 통해 적당량의 크림 솔더(15)를 도포하면 프린팅 단계가 완료된다.

그리고 탑재단계(S2)에서는 도 5와 같이, 전력반도체(14)가 접합되어 있는 반도체 케이스(13)를 올려놓는 단계로, 반도체 케이스(14)가 조립된 회로기판(11)을 칩 마운터(Chip Mounter)를 통해 히트 싱크(12) 상면을 덮도록 회로기판용 리세스홈(22)에 배치된다. 이 때, 개방부(11a)가 히트 싱크(12)와 대응하도록 회로기판(11)이 탑재되며, 이것에 의해 크림 솔더(15) 위에 표면 실장되는 반도체케이스(13)가 당접하게 된다. 또한, 회로기판(11)의 고정을 위해 지그장치(20) 양단에는 회로기판(11)의 양측부가 관통하여 임시로 고정되도록 가이드핀(23)이 마련되어 있다.

예열단계(S3)에서는 지그장치(20)위에 올려진 전력반도체 모듈(10)을 이루는 구성요소를 소정온도로 예열하는 것으로, 이 단계에서 반도체 케이스(13)와 히트 싱크(12) 모두 온도가 상승하여 납땜이 될 준비가 이루어진다.

계속하여 가열단계(S4)에서는 이러한 전력반도체 모듈(10)을 이루는 구성요소를 가열하는 것으로, 이 단계에서 크림 솔더(15)가 용융된다. 이러한 가열단계(S4)는 SMT장비인 리플로우(Reflow)에서 수행되는데, 통상 열풍으로 크림 솔더(15)를 녹여서 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13)가 납땜될 수 있도록 해준다.

냉각단계(S5)는 가열단계(S4)를 마친 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13)를 냉각하는 것으로, 가열단계(S4)에서 용융된 크림 솔더(15)가 냉각되면서 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13)가 접합 일체화됨과 동시에 회로기판(11)이 히트 싱크(12)와 반도체 케이스(13) 사이에 견실하게 고정된다. 그리고 냉각이 완료된 후 이들을 지그장치(20)로부터 빼내면, 도 2에 도시한 바와 같은 전력반도체 모듈(10)이 완성된다.

다음에는 이와 같은 일련의 단계를 통해 제조된 히트 싱크(12)를 구비한 전력반도체 모듈(10)의 열전달 체계 및 이에 따른 효과를 설명한다.

먼저, 전력반도체(14)의 작동 시 상당한 열이 발생되는데, 이 때 발생된 열은 반도체 케이스(13)로 전달되며, 계속하여 히트 싱크(12)를 통해 공기 중으로 방사된다.

이 때, 반도체 케이스(13)와 히트 싱크(12)는 접하는 면이 솔더(15,땜납)를 통해 일체화되어 있기 때문에, 반도체 케이스(13)에서 히트 싱크(12)까지의 열저항(Rch)이 최소화된다. 즉, 반도체 케이스(13)에서 히트 싱크(12)까지의 열저항(Rch) 값이 거의 "0"에 근접하게 된다.

따라서 전력반도체(14) 접합부(14a)에서의 온도를 "Tj" 라 할 때, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

Tj ≡{(Rjc + Rha) ×loss + Ta} 이다.

여기서, Rjc는 전력반도체(14) 접합부(14a)에서 반도체 케이스(13)까지의 열저항이고, Rha는 히트 싱크(12)에서 공기까지의 열저항이고, Ploss는 전력반도체(14)의 열손실이고, Ta는 주위 공기 온도이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 전력반도체(14) 접합부(14a)에서의 온도(Tj)값을 나타내는 수식을 종래와 비교하면, 반도체 케이스(13)에서 히트 싱크(12)까지의 열저항(Rch) 값이 없어진 것을 알 수 있다.

결국, 반도체 케이스(13)에서 히트 싱크(12)로의 열전달이 극대화되고, 이것에 의해 전력반도체(14)는 접합부(14a)에서의 온도(Tj)가 보다 낮아지며 본 기능을 원활하게 수행할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈에 의하면, 전력반도체가 접합되어 있는 반도체 케이스와 히트 싱크는 접하는 면을 일체화시켜 열저항 값이 최소화되도록 솔더를 통해 접합되어 있다. 이에 따라 반도체 케이스에서 히트 싱크로의 열전달이 보다 원활하게 이루어져 제품 신뢰성이 보다 향상되는 것은 물론이며, 제품을 보다 슬림화, 콤팩트화할 수 있는 작용효과가 있다.

Claims

전력반도체가 배치된 반도체 케이스와, 상기 반도체 케이스로부터 열을 전달받아 공기 중으로 방사하기 위한 히트 싱크와 상기 전력반도체와 전기적으로 접속되고 상기 반도체 케이스와 상기 히트 싱크가 접합될 수 있도록 개방부가 형성된 회로기판을 갖춘 전력반도체 모듈에 있어서,

상기 반도체 케이스와 히트 싱크는 접하는 면이 일체화되도록 솔더를 통해 접합되어 열저항 값을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 회로기판은 상기 반도체 케이스와 히트 싱크 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크를 구비한 전력반도체 모듈.