KR100902766B1 - 절연성 세라믹 히트 싱크를 갖는 디스크리트 패키지 - Google Patents

절연성 세라믹 히트 싱크를 갖는 디스크리트 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 디스크리트 패키지(discrete package)는, 제1 면 및 반대의 제2 면을 갖는 리드 프레임 패드와, 리드 프레임 패드의 일 측면에 연결된 리드와, 리드 프레임 패드의 제1 면에 부착된 반도체 칩과, 리드 프레임 패드의 제2 면에 직접 접촉되도록 배치된 세라믹막, 및 리드 프레임 패드, 반도체 칩 및 세라믹막의 일부를 둘러싸면서 리드 및 세라믹막의 반도체 칩이 부착된 면의 반대면 만을 노출시키는 몰딩재를 구비한다.

Description

절연성 세라믹 히트 싱크를 갖는 디스크리트 패키지{Discrete package having insulated ceramic heat sink}
도 1은 종래의 디스크리트 패키지의 일 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 2는 종래의 디스크리트 패키지의 다른 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 3은 종래의 디스크리트 패키지의 또 다른 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 상부면을 나타내 보인 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 하부면을 나타내 보인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지를 도 4 및 도 5의 선 A-A'를 따라 절단하여 나타내 보인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크리트 패키지를 도 4 및 도 5의 선 A-A'를 따라 절단하여 나타내 보인 단면도이다.
도 8 내지 도 10 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크리트 패키지의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 단면도이다.
본 발명은 반도체 패키지에 관한 것으로서, 특히 절연성 세라믹 히트 싱크를 갖는 디스크리트 패키지(discrete package)에 관한 것이다.
도 1은 종래의 디스크리트 패키지의 일 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 디스크리트 패키지(100)는 히트 싱크(110) 위에 세라믹막(120), 리드 프레임 패드(130) 및 반도체 칩(140)이 순차적으로 부착된 구조를 갖는다. 상기 히트 싱크(110), 세라믹막(120), 리드 프레임 패드(130) 및 반도체 칩(140)은, 예컨대 에폭시 몰딩 화합물(EMC; Epoxy Molding Compound)과 같은 몰딩재(150)에 의해 둘러싸이며, 열 방출을 위해 단지 히트 싱크(110)의 바닥면만 몰딩재(150) 밖으로 노출된다.
히트 싱크(110)와 세라믹막(120)의 부착 및 세라믹막(120)과 리드 프레임 패드(130)의 부착은, 리드 프레임 패드(130)와 반도체 칩(140)의 부착과 마찬가지로, 예컨대 PbSnSb 재질의 솔더를 이용한 솔더링(soldering)에 의해 이루어진다. 그러나 세라믹막(120)이 솔더링에 부적합하다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다. 따라서 솔더링에 의해 히트 싱크(110)와의 부착 및 리드 프레임 패드(130)와의 부착을 위해서는, 세라믹막(120)의 상부면(120a) 및 하부면(120b)에 솔더링이 가능한, 예컨대 Ag로 이루어진 도전막 패턴이 코팅된 세라믹막(120)을 사용하여야 한다는 제약이 있다. 도전막 패턴이 코팅된 세라믹막(120)은 그렇지 않은 세라믹막에 비해 대략 3배 정도 고가인 것은 잘 알려져 있는 사실이다. 더욱이 3단계의 솔더링 공정을 수행함으로 인하여 제조 원가 또한 높은 편이다.
도 2는 종래의 디스크리트 패키지의 다른 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 디스크리트 패키지(200)는, 절연 및 열 방출을 위해 직접 본딩된 구리(DBC; Direct Bonding Copper) 기판(210)을 사용한다. DBC 기판(210)은 가운데의 세라믹막(214) 양쪽 면에 각각 하부 구리막(212) 및 상부 구리막(216)이 부착된 구조를 갖는다. 상부 구리막(216) 위에는 반도체 칩(220)이 솔더링에 의해 부착된다. 도면에 나타내지는 않았지만, DBC 기판(210)의 상부 구리막(212)에는 리드가 부착된다. DBC 기판(210) 및 반도체 기판(220)은 몰딩재(230)에 의해 둘러싸이고, DBC 기판(210)의 하부 구리막(212)의 바닥면과, 상부 구리막(216)에 연결된 리드의 일부만이 몰딩재(230) 밖으로 노출된다.
이 디스크리트 패키지(200)는 DBC 기판(210)을 사용함으로써 절연 효과와 함께 높은 열 전달 효율을 제공하는 이점을 제공한다. 그러나 DBC 기판(210)과 리드 사이, 및 DBC 기판(210)과 반도체 칩(220) 사이의 2 단계의 솔더링 공정이 요구되므로 제조 비용이 높으며, 또한 DBC 기판(210)의 가격이 베어(bare) 세라믹의 가격보다 대략 8배 정도 비싸다는 사실은 잘 알려져 있다.
도 3은 종래의 디스크리트 패키지의 또 다른 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 디스크리트 패키지(300)는, 히트 싱크 역할도 함께 수행하는 리드 프레임 패드(310)와, 솔더링에 의해 이 리드 프레임 패드(310)의 상부면(310a)에 부착된 반도체 칩(320)을 포함하여 구성된다. 리드 프레임 패드(310) 및 반도체 칩(320)은 몰딩재(330)에 의해 완전히 둘러싸인다. 리드 프레임 패드(310)의 하부면(310b)도 몰딩재(330)에 의해 둘러싸이는데, 리드 프레임 패드(310)의 하부면(310b) 아래의 몰딩재(330)는 절연 효과를 제공한다.
이와 같은 디스크리트 패키지(300)는 리드 프레임 패드(310)와 반도체 칩(320) 사이의 1단계의 부착 공정만이 요구되므로 그 제조 비용이 저렴해지고, 또한 몰딩재(330)의 일부가 절연 효과를 제공한다는 이점이 있다. 그러나 몰딩재(330)로서 사용되는 EMC가 세라믹보다 10배 이상 낮은 열 방출 능력을 가지고 있다는 단점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 절연 효과와 높은 열 방출 능력을 제공하면서 낮은 제조 비용을 요구하는 디스크리트 패키지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지는, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대의 제2 면을 갖는 리드 프레임 패드; 상기 리드 프레임 패드의 일 측면에 연결된 리드; 상기 리드 프레임 패드의 제1 면에 부착된 반도체 칩; 상기 리드 프레임 패드의 제2 면에 직접 접촉되도록 배치된 세라믹막; 및 상기 리드 프레임 패드, 상기 반도체 칩 및 상기 세라믹막의 일부를 둘러싸면서 상기 리드 및 상기 세라믹막의 반도체 칩이 부착된 면의 반대면 만을 노출시키는 몰딩재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크 리트 패키지는, 제1 면 및 상기 제1 면과 반대의 제2 면을 갖는 리드 프레임 패드; 상기 리드 프레임 패드의 일 측면에 연결된 리드; 상기 리드 프레임 패드의 제1 면에 부착된 반도체 칩; 상기 리드 프레임 패드의 제2 면에 에폭시에 의해 부착된 세라믹막; 및 상기 리드 프레임 패드, 상기 반도체 칩 및 상기 세라믹막의 일부를 둘러싸면서 상기 리드 및 상기 세라믹막의 반도체 칩이 부착된 면의 반대면 만을 노출시키는 몰딩재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 여러 실시예들에 있어서, 상기 리드와 상기 리드 프레임 패드는 단차를 갖는 것이 바람직하다.
그리고 상기 반도체 칩과 상기 리드를 전기적으로 연결시키는 와이어를 더 구비하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 리드 프레임 패드이 두께는 0.5㎜인 것이 바람직하다.
또한 상기 리드 프레임 패드와 상기 반도체 칩 사이의 접착제를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 4는 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 상부면을 나타내 보인 평면도이다. 그리고 도 5는 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 하부면을 나타내 보인 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 상부에서는 몰딩재(450)의 상부면 만이 노출된다. 그리고 측면부에서는 리드(430)가 노출된다. 리드(430)의 개수는 특별한 제한이 없으며 내부에 장착되는 반도체 칩의 종류에 따라 결정될 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 리드(430)를 포함하는 경우를 예로 들었다. 하부에서는, 몰딩재(450)의 일부와 세라믹막(410)의 하부면(410b)만이 노출된다. 한편 상기 디스크리트 패키지의 상부면은 단차가 서로 다른 부분이 존재하는데, 참조 부호 "455"는 이 단차를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지를 도 4 및 도 5의 선 A-A'를 따라 절단하여 나타내 보인 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지(600)는, 상호 반대되는 상부면(410a)과 하부면(410b)을 갖는 절연성 방열판으로서의 세라믹막(410)과, 그 위에 배치된 리드 프레임 패드(420)와, 그리고 그 위에 부착된 반도체 칩(440)을 포함하여 구성된다. 리드 프레임 패드(420) 또한 상호 반대되는 상부면(420a)과 하부면(420b)을 갖는다. 리드 프레임 패드(420)의 일 측면에는 밴드(bend)부(435)를 통해 리드(430)가 배치된다. 그리고 세라믹막(410)의 일부, 리드 프레임 패드(420) 및 반도체 칩(440)은 몰딩재(450)에 의해 둘러싸이며, 단지 세라믹막(410)의 하부면(410b)과 리드(430)만이 몰딩재(450) 밖으로 노출된다. 한편 몰딩재(450)의 일부분에는 몰딩재(450)를 관통하는 홈(460)이 만들어지는데, 이 홈(460)은 외부 히트 싱크와의 나사 체결을 위한 것이다.
리드 프레임 패드(420)의 상부면(420a) 위에는 반도체 칩(440) 부착을 위한 접착제, 예컨대 솔더가 배치될 수 있다. 그러나 리드 프레임 패드(420)의 하부면(420b)과 세라믹막(410)의 상부면(410a) 사이의 접촉은 접착제의 사용 없이 직접 접촉되도록 한다. 리드 프레임 패드(420)와 세라믹막(410) 사이의 부착력은 몰딩재(450)에 의해 제공받는다. 세라믹막(410)과 리드 프레임 패드(420)의 접착을 위한 솔더링을 수행하지 않으므로, 세라믹막(410)의 상부면(410a)에는 솔더링을 위한 도전막 패턴이 요구되지 않는다. 따라서 솔더링을 위한 도전막 패턴이 코팅된 세라믹막보다 대략 3배 정도 저가인 베어(bare) 세라믹막을 절연성 방열판으로서 사용함으로써 전체 제조 단가를 낮게 할 수 있다. 물론 도전막 패턴이 코팅된 세라믹막보다 더 고가인 DBC 기판을 사용하는 경우보다 더 저가인 것은 당연하다. 또한 몰딩재의 일부를 이용하여 절연 효과를 제공하는 경우보다 높은 열 전달 효율을 나타낸다. 통상적으로 몰딩재로서 사용되는 EMC(85wt%의 충진제 포함)의 열 전달율이 대략 25℃의 온도에서 2.09W/m℃인 반면에 세라믹(96% 순도의 Al2O3)의 열 전달율은 대략 25℃의 온도에서 27W/m℃인 것으로 알려져 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크리트 패키지를 도 4 및 도 5의 선 A-A'를 따라 절단하여 나타내 보인 단면도이다. 도 7에서 도 6과 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 따라서 이하에서는 앞서 기술된 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디스크리트 패키지(700)는, 리드 프레임 패드(420)의 하부면(420b)과 절연성 방열판으로서의 세라믹막(410)의 상 부면(410a)을 부착시키기 위하여 에폭시(epoxy)(470)를 사용했다는 점에서 앞서 설명한 실시예와 상이하다. 상기 에폭시(470)는 대략 20㎛의 두께를 가지며, 대략 25℃의 온도에서 대략 4W/m℃의 열 전달율을 갖는다. 따라서 도 6을 참조하여 설명한 디스크리트 패키지(600)가 갖고 있는 장점들을 여전히 나타내면서 종래 기술에 따른 디스크리트 패키지들의 단점들을 보완한다.
실제로 도 1에 도시된 종래의 디스크리트 패키지와 도 7에 도시된 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 열 저항값을 실험에 의해 비교해 본 결과, 종래의 디스크리트 패키지의 열 저항값은 2.10(℃/W)으로 나타났지만, 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 열 저항값은 0.66(℃/W)으로 상대적으로 매우 낮게 나타났다. 실험을 위해서 사용된 종래의 디스크리트 패키지와 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 경우, 모두 1.3㎜ 두께의 리드 프레임 패드와, 20㎛ 두께의 반도체 칩 부착제와, 5.8×4.9㎟의 단면적과 0.3㎜의 두께를 갖는 실리콘 반도체 칩과, 그리고 0.4㎜ 두께의 EMC를 사용하였다. 특히 본 발명에 따른 디스크리트 패키지의 경우에는, 8.8×7.2㎟의 단면적과 0.5㎜의 두께를 갖는 세라믹막과, 20㎛ 두께의 세라믹막과 리드 프레임 패드 사이의 부착을 위한 에폭시를 사용하였다.
도 8 내지 도 10 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다. 특히 도 9는 도 8의 선 B-B'를 따라 절단하여 나타내 보인 단면도이다.
먼저 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 리드(430)가 부착된 리드 프레임 패드(420)의 칩 본딩 영역에 반도체 칩(440)을 부착시킨다. 도면에 나타내지는 않았 지만, 반도체 칩(440) 부착은, 예컨대 솔더와 같은 소정의 접착제에 의해 이루어질 수 있다. 다음에 도 10에 도시된 바와 같이, 와이어(480)를 통해 리드(430)와 반도체 칩(440)을 전기적으로 연결시키기 위한 와이어 본딩 공정을 수행한다. 다음에 도 6에 도시된 바와 같이, 도 10의 결과물과 세라믹막(410)을 함께 몰딩 장비 내에 배치시킨 후에 EMC를 사용한 몰딩 공정을 수행하고, 통상의 트림(trim) 공정을 수행하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크리트 패키지를 완성시킨다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크리트 패키지의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 단면도이다.
먼저 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한 공정을 동일하게 수행한다. 다음에 도 11에 도시된 바와 같이, 리드 프레임 패드(420)의 반도체 칩(440)이 부착된 면의 반대면에 에폭시(470)를 이용하여 베어 세라믹막(410)을 부착시킨다. 다음에 도 7에 도시된 바와 같이, 통상의 몰딩 공정 및 트림 공정을 수행하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크리트 패키지를 완성시킨다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 디스크리트 패키지에 따르면, 절연성 방열판으로서의 세라믹막을 사용함으로써 열 전달 효율이 높아진다는 이점을 제공한다. 또한 세라믹막을 리드 프레임 패드에 부착시키기 위한 솔더링 공정을 수 행하지 않으므로 솔더링을 위한 도전막 패턴이 코팅된 세라믹막을 사용할 필요가 없다. 따라서 상대적으로 저가인 베어 세라믹막을 사용함으로써 제조 단가를 감소시킬 수 있다는 이점도 함께 제공한다.

Claims (10)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면과 반대의 제2 면을 갖는 리드 프레임 패드;
    상기 리드 프레임 패드의 일 측면에 연결된 리드;
    상기 리드 프레임 패드의 제1 면에 부착된 반도체 칩;
    상기 리드 프레임 패드의 제2 면에 직접 접촉되도록 배치된 세라믹막; 및
    상기 리드 프레임 패드, 상기 반도체 칩 및 상기 세라믹막의 일부를 둘러싸면서 상기 리드 및 상기 세라믹막의 상기 반도체 칩이 부착된 면의 반대면 만을 노출시키는 몰딩재를 포함하며,
    상기 몰딩제에 의해 상기 리드 프레임 패드와 상기 세라믹막 사이의 부착이 지지되는 것을 특징으로 하는 디스크리트 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리드와 상기 리드 프레임 패드는 단차를 갖는 것을 특징으로 하는 디스크리트 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 칩과 상기 리드를 전기적으로 연결시키는 와이어를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 디스크리트 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리드 프레임 패드이 두께는 0.5㎜인 것을 특징으로 하는 디스크리트 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리드 프레임 패드와 상기 반도체 칩 사이의 접착제를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 디스크리트 패키지.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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