KR100699746B1 - 열전달 특성이 개선된 전력용 모듈 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전력용 모듈 패키지는, 일면 중앙 부분에 적어도 하나의 반도체 칩이 실장되는 패드가 형성되고, 이 패드의 가장자리를 따라 신호를 전달하기 위한 복수개의 신호 리드들을 갖는 리드 프레임과, 이 리드 프레임의 패드의 다른 면에 부착된 베이스 기판과, 이 베이스 기판과 리드 프레임 사이에 형성된 열전달 수단, 및 리드 프레임, 베이스 기판 및 열전달 수단을 덮되, 신호 리드의 단부 및 베이스 기판의 일면이 노출되도록 형성된 몰딩재를 포함한다.

Description

열전달 특성이 개선된 전력용 모듈 패키지{Power module package having improved heat transfer performance}
도 1은 본 발명에 따른 전력용 모듈 패키지의 단면 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 2는 도 1의 전력용 모듈 패키지의 에어 갭 두께에 따른 열저항을 종래의 경우와 본 발명의 경우를 비교한 그래프이다.
도 3은 도 1의 전력용 모듈 패키지의 열전달 수단의 두께에 따른 열저항을 나타내 보인 그래프이다.
본 발명은 전력용 모듈 패키지에 관한 것으로서, 특히 열전달 특성이 개선된 전력용 모듈 패키지에 관한 것이다.
일반적으로 절연형 전력용 모듈 패키지는 하나 혹은 두개의 반도체 칩이 리드 프레임 다이 패드 위에 실장되어 에폭시 몰딩 화합물 등의 몰딩 수지로 형성되어 있는 패키지 몸체에 싸이고, 이러한 에폭시 몰딩 화합물은 절연성을 제공하는 절연 재료로 사용되는 동시에 열전달 경로로 이용된다. 그런데 최근 전자 기기의 고속도와, 대용량화, 고집적도화에 따라 자동차, 산업 기기, 가전 제품 등에 적용되는 제어용 전력 변환 시스템의 저비용 및 소형 경량화를 이루고 저소음, 고신뢰성의 특성을 얻기 위해서는 반도체 칩에서 발생되는 열을 보다 효과적으로 방출해야 한다는 요구가 증가되고 있다. 이러한 요구에 의해 복수의 칩이 하나의 패키지에 실장되는 모듈 패키지가 사용된다.
종래의 모듈 패키지의 어셈블리 공정을 살펴보면 다음과 같다.
리드 프레임 위에 접착제를 배치하고 칩을 접착재 위에 접착시킨다. 그리고 금속 와이어를 사용하여 칩의 전극과 기판 도전 금속판에 각각 와이어 본딩한다. 이때 사용되는 와이어는 Al 혹은 Au 재료를 사용한다. 와이어 본딩이 끝난 리드 프레임은 에폭시 몰딩을 통해 베이스 기판과 부착시킨다. 이때 베이스 기판은 리드 프레임 위에 탑재된 칩이 동작중에 발생되는 열을 효과적으로 방출시키는 역할을 한다. 이러한 몰딩 패키지는 다수개의 반도체 칩에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하고, 절연성을 얻기 위하여 반도체 칩이 부착된 리드 프레임과 베이스 기판간에 절연 에폭시가 중간에 존재하는 구조를 갖는다. 절연형 전력용 모듈 패키지에서 요구하는 절연 내압을 만족하기 위하여 이러한 에폭시는 충분히 두꺼워야 하며, 에폭시와 리드 프레임 및 에폭시와 베이스 기판 사이에는 동작중 발생하는 열팽창 또는 제조 공정상에 발생되는 재료간 접합에서의 에어 갭(air gap)에 의해 열저항이 증가하게 된다. 이와 같은 에폭시 두께의 증가 및 접합 계면의 에어 갭 증가에 의하여 반도체 칩에서 발생되는 열은 외부 히트 싱크로의 방출이 어렵게 되어 반도체 칩의 접합 온도 증가를 야기하여 모듈의 수명 저하 및 신뢰성 감소와 같 은 문제를 발생시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전달 특성을 개선하여 모듈의 수명이 연장되고 신뢰성이 향상된 전력용 모듈 패키지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전력용 모듈 패키지는, 일면 중앙 부분에 적어도 하나의 반도체 칩이 실장되는 패드가 형성되고, 상기 패드의 가장자리를 따라 신호를 전달하기 위한 복수개의 신호 리드들을 갖는 리드 프레임; 상기 리드 프레임의 패드의 다른 면에 부착된 베이스 기판; 상기 베이스 기판과 리드 프레임 사이에 형성된 열전달 수단; 및 상기 리드 프레임, 베이스 기판 및 열전달 수단을 덮되, 상기 신호 리드의 단부 및 베이스 기판의 일면이 노출되도록 형성된 몰딩재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열전달 수단은 절연성 물질로서 0.05-3W/mK의 열 전도도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 몰딩재와 베이스 기판 측면 사이에는 에어 갭이 있는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전력용 모듈 패키지의 단면 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력용 모듈 패키지(100)는, 리드 프레임(110), 베이스 기판(120), 열전달 수단(130) 및 몰딩재(140)를 포함하여 구 성된다.
상기 리드 프레임(110)은, 일면 중앙 부분에 적어도 하나의 반도체 칩(미도시)이 실장되는 패드(111)와, 상기 패드(111)의 가장자리를 따라 신호를 전달하기 위한 복수개의 신호 리드(112)들을 갖는다. 상기 리드 프레임(110)은 도전성 금속판, 예컨대 구리 합금으로 구성된다.
상기 베이스 기판(120)은 리드 프레임(110)의 패드(111)의 다른 면에 부착되는 것으로서, 그 재질은 절연성 세라믹 또는 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질이다.
상기 열전달 수단(130)은, 베이스 기판(120)과 리드 프레임(110)의 패드(111) 사이에 형성된 것으로서, 비절연성이며 열전도도가 대략 0.05-3w/mK인 열적 그리스(thermal grease)를 사용하여 형성할 수 있다. 이 경우 상기 열적 그리스의 두께는 대략 10-200㎛가 되도록 한다.
상기 몰딩재(140)는, 리드 프레임(110), 베이스 기판(120) 및 열전달 수단(130)을 덮는데, 이때 신호 리드(112)의 단부 및 베이스 기판(120)의 일면이 노출되도록 형성된다. 상기 몰딩재(140)로는 에폭시 몰딩 화합물(EMC; Epoxy Molding Compound)을 사용한다.
한편, 상기 몰딩재(140)와 베이스 기판(120) 측면 사이에는 에어 갭(150)이 형성되도록 할 수 있는데, 이 에어 갭(150)은 열전달 수단(130)과 베이스 기판(120) 사이의 접착이 용이하도록 하기 위한 것으로서, 부가적으로는 열전달 수단(130)이 접착력에 의해 넘쳐나는 것을 방지하기 위한 공간으로서의 역할을 수행한다. 상기 에어 갭(150)의 길이는 패키지 크기에 따라 대략 0.1-5㎜의 분포를 가지며, 또한 베이스 기판(120)의 크기에 비례하여 대략 0.5-5배의 분포를 갖는다.
이와 같은 전력용 모듈 패키지(100)는, 열전달 수단(130)이 리드 프레임(110)과 베이스 기판(120) 사이에 배치되므로, 반도체 칩으로부터의 열이 용이하게 배출될 수 있으며, 또한 상기 열전달 수단(130)이 비절연성의 물질로 이루어져 있으므로 도전성의 베이스 기판(120)을 사용할 수도 있다는 장점을 제공한다.
도 2는 에어 갭(150) 두께에 따른 열저항을 종래의 경우와 본 발명의 경우를 비교한 그래프이다. 본 발명에 따른 전력용 모듈 패키지의 경우, 열전달 수단(130)으로서 열전도도가 0.736W/mK인 멜코(Melco)사의 제품명 TG-002인 열적 그리스를 사용하였으며, 리드 프레임은 0.7mmt의 구리를 사용하였으며, 그리고 베이스 기판(120)으로서 1.5mmt 96%인 알루미나 기판을 사용하였다. 그리고 열전달 수단이 없는 종래의 전력용 모듈 패키지, 즉 베이스 기판과 리드 프레임 사이에 몰딩재가 개재된 경우 상기 몰딩재의 두께는 0.5㎜였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 경우(210)에 비해 본 발명의 경우(220), 에어 갭(150)의 두께가 1㎛ 이상 증가할 수록 열 저항이 증가하며, 특히 100㎛ 이상부터는 급속도로 증가한다는 사실을 알 수 있다.
도 3은 열전달 수단(130)의 두께에 따른 열저항을 나타내 보인 그래프이다. 이때 열전달 수단(130)으로서 열전도도가 0.736W/mK인 멜코(Melco)사의 제품명 TG-002인 열적 그리스를 사용하였으며, 그 두께를 10-200㎛로 변화시켜 보았다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열전달 수단(130)의 두께가 증가할 수록 열 저항이 서서히 증가하는 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
이와 같은 전력용 모듈 패키지의 조립 공정은 다음과 같다.
리드 프레임(110)의 패드(111) 위에 접착제를 올려놓고, 그 위에 반도체 칩을 올려 놓는다. 접착제는 조성비에 따라 녹는점은 다르지만 대략 300℃에서 녹는 조성비를 주로 사용하며, 다이 본더에 의해 반도체 칩을 올려 놓는 작업을 수행할 수 있다. 다이 본더의 구조는 멀티 칩이 본딩되도록 멀티 헤드 및 웨이퍼 익스체인저를 구비한다. 다음에 와이어를 이용하여 칩의 전극과 리드 프레임(110)의 리드(112) 사이를 연결시킨다. 이때 주로 사용하는 와이어는 Au 및 Al이며, 크기는 높은 전류 정격을 충분히 견딜 수 있도록 직경이 대략 10-20mil되는 Al과 1-2mil되는 Au를 사용한다. 와이어 본딩이 끝난 리드 프레임(110)은 패키지 외형을 결정하는 몰드 다이에서 EMC를 사용하여 리드 프레임(110) 및 칩을 에폭시로 몰딩한다. 이때 몰딩 방식은 트랜스퍼 몰드 방식이며, 대략 160-170℃의 온도에서 작업이 이루어진다. 몰딩이 완료된 샘플은 리드 프레임(110)의 이면이 보이도록 되어 있으며, 이면을 통하여 열전달 수단(130) 도포 및 베이스 기판(120) 부착이 이루어진다. 즉 몰딩이 끝난 샘플은 열전달 수단(130)을 리드 프레임(110)의 노출 부분에 도포하는데, 이때 양호한 도포를 위하여 디스펜싱 기계를 사용한다. 열전달 수단(130)이 도포된 샘플에 베이스 기판(120)을 부착한다. 이때 부착 효과를 높이기 위하여 대략 0.1-10㎏㎝의 힘으로 하중이 인가되며, 열전달 수단(130)의 두께가 대략 10-200㎛가 되도록 한다. 이후 통상의 도금, 리드 커팅 및 포밍 공정과 테스트 공정을 수행한다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전력용 모듈 패키지에 의하면 다음과 같은 이점들이 있다.
첫째로, 반도체 칩으로부터 발생된 열을 리드 프레임을 통하여 열전달 수단 및 베이스 기판으로 방출시킬 수 있으며, 특히 열전달 수단이 리드 프레임과 베이스 기판 사이의 틈이 없는 양호한 부착이 되도록 함으로써 효과적인 열방출을 유도할 수 있고 패키지의 열저항값을 낮출 수 있다. 예를 들면 0.1㎛의 에어 갭이 존재하는 기존의 전력용 모듈 패키지에 비하여 대략 5%, 0.5㎛의 에어 갭이 존재하는 기존의 전력용 모듈 패키지에 비하여 대략 22%, 10㎛의 에어 갭이 존재하는 기존의 전력용 모듈 패키지에 비하여 대략 43%, 그리고 100㎛의 에어 갭이 존재하는 기존의 전력용 모듈 패키지에 비하여 대략 530%의 열방출 효과가 있다.
둘째로, 열전달 수단으로서 비절연성 물질을 사용하므로 베이스 기판을 세라믹과 같은 절연 기판으로 사용할 경우 절연 내압 특성을 향상시킬 수 있으며, 베이스 기판을 금속과 같은 전도성 기판으로 사용해도 무방하다. 예를 들면 베이스 기판으로 Al 재질을 사용하였을 때의 열적 특성이 대략 70% 향상된다.
셋째로, 베이스 기판이 몰딩 공정이 끝난 상태에서 사용되므로 공정중에 자주 발생되는 재료간 응력에 기인한 베이스 기판의 벤딩(bending) 문제를 제거하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
넷째로, 시스템에서 요구하는 열특성을 만족시킬 수 있는 다양한 재질의 열특성 및 절연 특성이 우수한 기판을 직접 장착할 수 있으므로, 다양한 종류의 원자재를 선택적으로 사용하여 시스템 요구를 만족시키며, 다양한 재료의 선택적 사용 에 따른 비용을 절감할 수 있다.

Claims (3)

  1. 일면 중앙 부분에 적어도 하나의 반도체 칩이 실장되는 패드가 형성되고, 상기 패드의 가장자리를 따라 신호를 전달하기 위한 복수개의 신호 리드들을 갖는 리드 프레임;
    상기 리드 프레임의 패드의 다른 면에 부착된 베이스 기판;
    상기 베이스 기판과 리드 프레임 사이에 형성된 열전달 수단; 및
    상기 리드 프레임, 베이스 기판 및 열전달 수단을 덮되, 상기 신호 리드의 단부 및 베이스 기판의 일면이 노출되도록 형성된 몰딩재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력용 모듈 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 수단은 절연성 물질로서 0.05-3W/mK의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 전력용 모듈 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몰딩재와 베이스 기판 측면 사이에는 에어 갭이 있는 것을 특징으로 하는 전력용 모듈 패키지.
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