KR101221805B1 - 전력 소자용 패키지 및 패키지 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 동작 전압과 순간 전압을 갖는 전력 소자용 패키지 및 패키지 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명의 전력 소자용 패키지 어셈블리는 전력 소자가 캡슐화되고, 전력 소자가 외부로 돌출된 리드와 전기적으로 연결된 패키지; 및 상기 패키지 상에 부착되는 방열판과 상기 패키지 사이의 절연 유격을 채우는 절연 스페이서(isolation spacer)를 포함한다.
방열판(heat sink), 패키지, 전력 소자, 절연 표면거리(creepage distance), 절연 유격(clearance distance)

Description

전력 소자용 패키지 및 패키지 어셈블리{Package and package assembly for power device}
도 1은 종래의 전력 소자용 패키지 및 방열판을 나타내는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 소자용 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 전력 소자용 패지키를 나타내는 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 6는 도 5a에 도시된 전력 소자용 패키지 어셈블리의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리의 절연 스페이서를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 패키지 101 : 전력 소자
102 : 기판 103 : 절연체
104 : 열전도판 105 : 리드
150 : 방열판 200 : 요철부
300 : 절연 스페이서 300a : 에지부
300b : 요철부 300c, 300d : 지지부
본 발명은 패키지 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전력 소자용 패키지 어셈블리에 관한 것이다.
전력 소자, 예를 들면, 실리콘 제어 정류기(silicon-controlled rectifier; SCR), 전력 트랜지스터, 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT), 모스 트랜지스터, 전력 정류기, 전력 레귤레이터, 인버터, 컨버터 또는 이들이 조합된 반도체 장치는 30 V 내지 1000 V 또는 그 이상의 전압에서 동작하도록 설계된다. 전력 소자는 논리 또는 메모리 소자와 달리 고전압에서 동작하므로, 전력 소자로부터 발생하는 열의 우수한 방출 능력과 고압에서의 절연 능력이 요구된다.
도 1은 종래의 전력 소자용 패키지 및 방열판을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전력 소자(5)가 형성된 기판(10)은 열방출을 위하여 금속성 열전도판(30)과 결합된 상태로 몰딩부재인 EMC(epoxy mold compound), 세라믹 등을 이용하여 캡슐화된다. 캡슐화된 전력 소자(5)는 패키지(50) 외부로 나온 리 드(40)와 전기적으로 연결된다.
통상적으로, 금속성 열전도판(30)은 노출되어 패키지(50)의 표면이 된다. 노출된 금속성 열전도판(30) 상에는 열을 흡수하여 외부로 방출시키기 위한 방열판(또는 냉각용 블록; 60)가 결합된다. 방열판(60)는 통상적으로 열전도율이 우수한 금속으로 이루어진다. 따라서, 전력 소자(5)가 고압에서 동작하는 경우에 패키지(또는 전력 소자용 패키지; 50)의 리드(40)와 방열판(60) 사이에 전기적 단락이 발생할 수 있다. 리드(40)와 방열판(60) 사이의 전기적 단락을 방지하기 위하여, 패키지(50) 및 방열판(60)의 설계시 동작 전압(operation voltage) 및 순간 전압(impulse voltage) 등의 사용 전압을 고려하여 절연 표면거리(creepage distance; L1) 및 절연 유격(clearance distance; L2) 등의 절연 거리(isolation distance)를 결정한다. 전력 소자의 동작 전압이 증가할수록 더 큰 절연 유격(L1)과 절연 표면거리(L2)가 요구된다.
방열 면적을 증가시키기 위하여 방열판(60) 자체의 면적을 증가시킬 필요가 있는 경우가 있다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 방열판(60) 자체의 면적을 A1 에서 A2 로 증가시키는 경우가 있다. 또는, 방열판(60) 제조 비용의 절감이나 다양한 설계 조건을 고려하여, 방열판(60) 자체의 면적을 증가시켜야 하는 경우가 있다. 예를 들면, 제조 비용의 절감을 위하여 두 개의 전력 소자용 패키지에 하나의 방열판(60)를 배치하는 경우이다. 또한, 열 전달 면적을 증가시키기 위해 방열판(60)와 패키지(50)의 접촉 면적을 증가시키는 경우가 있을 수 있다.
그러나, 방열판과 패키지의 접촉 면적을 증가시키는 것은 전력 소자의 절연을 위하여 절연 표면거리에 의해 제한될 수 있으며, 방열판 자체의 면적을 증가시키는 것은 고전압에 동작하는 전력 소자의 절연을 위하여 절연 유격에 의해 제한될 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 절연 표면거리의 제한 없이, 방열량, 제조 비용 또는 다양한 설계 조건 등에 따라 다양한 크기와 접촉 면적을 갖는 방열판을 적용할 수 있는 전력 소자용 패키지를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 절연 유격 및 절연 표면거리의 제한 없이, 방열량, 제조 비용 또는 다양한 설계 조건 등에 따라 다양한 크기와 접촉 면적을 갖는 방열판을 적용할 수 있는 전력 소자용 어셈블리를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 소자용 패키지는 전력 소자가 캡슐화되고, 상기 전력 소자는 외부로 돌출된 리드와 전기적으로 연결된 패키지로서, 상기 패키지 상에 부착되는 방열판(heat sink)와 상기 리드 사이의 패키지 상부에 요철부를 포함하고, 상기 요철부의 최대 높이는 상기 패키지 상에 부착되는 방열판과 접촉하는 부분의 높이보다 작다.
상기 요철부는 상기 리드가 배치된 상기 패키지의 가장자리 상부에 형성된다. 바람직하게는, 상기 요철부는 상기 리드가 배치된 상기 패키지의 가장자리와 평행한 방향으로 연장된 직선형이다. 또한, 상기 요철부는 상기 리드가 배치된 상기 패키지의 가장자리 상부에 중단없이 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리는, 전력 소자가 캡슐화되고, 상기 전력 소자는 외부로 돌출된 리드와 전기적으로 연결된 패키지; 및 상기 패키지 상에 부착되는 방열판과 상기 패키지 사이의 절연 유격을 채우는 절연 스페이서(isolation spacer)를 포함한다.
상기 절연 스페이서는 무기 산화물계, 고무계 또는 폴리머 수지계 재료로 이루어진다. 바람직하게는, 상기 절연 스페이서는 상기 방열판보다 수평 방향으로 더 돌출되는 에지부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 절연 스페이서는 상기 리드의 일부를 덮는 에지부를 포함할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 패키지는 상기 패키지 상에 부착되는 방열판과 상기 리드 사이의 패키지 상부에 요철부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 절연 스페이서는 상기 패키지의 상기 요철부와 결합하는 반대 형상의 요철부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 절연 스페이서는 상기 절연 유격을 한꺼번에 채우도록 일체화된 형상을 가질 수 있다. 상기 절연 스페이서는 상기 패키지가 실장되는 인쇄회로기판에 함께 고정되는 지지부를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 소자용 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전력 소자(101)가 형성된 기판(102)은 전력 소자(101)로부터 발생되는 열을 패키지(100) 외부로 방출시키기 위하여 금속성 열전도판(104)에 부착되어 캡슐화된다. 이 경우, 전력 소자(101)와 금속성 열전도판(104)의 절연을 위하여 기판(102)과 금속성 열전도판(104) 사이에 절연체(103)를 배치할 수 있다. 패키지(100) 외부로 노출된 금속성 열전도판(104)은 방열판(150)와 접촉한다.
패키지(100)는 패키지(100) 상에 부착되는 방열판(150)와 리드(105) 사이의 패키지(100) 상부에 요철부(200)를 포함한다. 요철부(200)는 도 2a에서 도시된 바와 같이, 하나의 볼록부를 가질 수 있다. 선택적으로는, 요철부(200)는 도 2b에 도시된 바와 같이 볼록부와 오목부가 교번하는 형태를 가질 수도 있다.
요철부(200)의 최대 높이(h1)는 패키지(100) 상에 부착되는 방열판(150)와 접촉하는 부분의 높이(h2)보다 작도록 하여, 방열판(150)를 장착시 요철부(200)가 방열판(150)와 접촉하지 않도록 한다. 요철부(200)가 방열판(150)와 접촉하는 경우 절연 표면거리(L1)가 단축되기 때문에, 요철부(200)에 의해 절연 표면거리(L1)가 증가된 효과를 얻기 위해서는 요철부(200)의 최대 높이가 방열판(150)와 접촉하는 부분의 높이보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명의 요철부(200)를 포함하는 전력 소자용 패키지(100)는 리드(105)로부터 도전체인 방열판(150)까지의 표면 경로를 증가시킴으로써, 절연 표면거리(L1)를 증가시킨다. 그 결과, 본 발명은 동작 전압 또는 순간 전압이 600 V 내지 2000 V의 범위를 갖는 전력 소자에 적용시 충분한 절연 표면거리를 확보할 수 있는 패키지를 제공한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 전력 소자용 패지키를 나타내는 평면도이다. 도 2a는 도 3a의 A-A를 따라 절취한 단면도이며, 도 2b는 도 3b의 B-B를 따라 절취한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 요철부(200)는 리드(105)가 배치된 패키지(100)의 가장자리 상부에 형성된다. 바람직하게는, 요철부(200)는 리드(105)가 배치된 패키지(100)의 가장자리와 평행한 방향으로 연장된 직선형이며, 패키지 상부의 가장자리를 따라 중단(intermission)없이 일체로 형성된다. 패키지(100) 상에는 방열판(도 2a, 2b의 150)과 패키지(100)를 체결하기 위한 체결구(106)가 형성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 패키지 어셈블리(500)는 패키지(100) 상에 부착 되는 방열판(150)와 패키지(100) 사이의 절연 유격(L2)을 채우는 절연 스페이서(300)를 포함한다. 절연 스페이서(300)는 당해 기술분야에서 알려진 통상의 절연 재료로서, 예를 들면, 무기 산화물계, 고무계, 실리콘 고무계 또는 폴리머 수지계 등의 재료로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 절연 스페이서(300)는 도 4a에 나타낸 바와 같이, 방열판보다 수평 방향으로 더 돌출되는 에지부(300a)를 포함할 수 있다. 선택적으로는, 절연 스페이서(300)는 도 4b에 나타낸 바와 같이 리드(105)의 일부를 덮는 에지부(300a)를 포함할 수 있다. 또한, 더욱 바람직하게는, 절연 스페이서(300)는 방열판(150)보다 수평 방향으로 더 돌출되어 있으면서 동시에 리드(105)의 일부를 덮는 형상을 가지는 에지부(미도시)를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 절연 스페이서(300)에 의해 리드(105)와 방열판(150) 사이의 절연 유격(L2)이 제거되어, 절연 유격(L2)의 제한 없이 방열판(150)의 방열 면적을 증가시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 패키지(100)는 도 2a 및 도 2b에서 도시된 바와 같이, 패키지(100) 상에 부착되는 방열판(150)와 리드(105) 사이의 패키지(100) 상부에 요철부(200)를 포함한다. 요철부(200)는 도 5a에서 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 볼록부를 가질 수 있다. 선택적으로는, 요철부(200)는 도 5b에 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 볼록부와 오목부가 교번하는 형태를 가질 수도 있다.
요철부(200)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 리드(105)가 배치된 패키지(100)의 가장자리 상부에 형성된다. 바람직하게는, 요철부(200)는 리드(105)가 배치된 패키지(100)의 가장자리와 평행한 방향으로 연장된 직선형이며, 패키지(105) 상부의 가장자리를 따라 중단없이 일체로 형성된다.
절연 스페이서(300)는 패키지(100)의 요철부(200)와 결합할 수 있도록 반대 형상의 요철부(300b)를 포함한다. 절연 스페이서(300)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 방열판(150)보다 수평방향으로 더 돌출되는 에지부(300a)를 포함할 수 있다. 선택적으로는, 절연 스페이서(300)는 도 5c 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 리드(105)의 일부를 덮는 에지부(300a)를 포함할 수 있다. 또한, 더욱 바람직하게는, 절연 스페이서(300)의 에지부(300a)는 방열판(150)보다 수평 방향으로 더 돌출되어 있으면서 동시에 리드(105)의 일부를 덮는 형상을 가질 수도 있다.
도 6는 도 5a에 도시된 전력 소자용 패키지 어셈블리의 평면도이다. 도 5a를 제외한 도 4a 내지 도 5d의 경우, 도 6의 평면도에서 요철부(200)와 절연 스페이서(300)의 요철부(200)와 결합하는 부분에서만 차이가 있을 뿐 나머지는 동일하다.
도 6을 참조하면, 절연 스페이서(300)는 방열판(미도시)와 패키지(100) 사이의 절연 유격을 한꺼번에 채우도록 일체화된 형상을 갖는다. 절연 스페이서(300)는 리드(105)가 형성된 패키지(100)의 가장자리와 방열판(미도시) 사이의 절연 유 격을 제거하도록 끼워지고, 리드(105)가 없는 가장자리에서는 절연 스페이서(300)가 패키지(100)의 바깥부분을 감싸게 된다. 그 결과, 절연 스페이서(300)는 고정을 위하여 패키지(100)와 방열판(미도시) 사이에 접착제와 같은 접착 부재가 없어도 기계적으로 지지된다.
도 7은 본 발명에 따른 전력 소자용 패키지 어셈블리의 절연 스페이서를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 절연 스페이서(300)는 패키지(100)가 실장되는 인쇄회로기판(160)에 함께 고정되는 지지부(300c, 300d)를 더 포함할 수 있다. 지지부(300c, 300d)는 예를 들면, 보드를 천공하는 방식이거나 인쇄회로기판(160)을 파지하는 방식에 의하여 절연 스페이서(300)를 기계적으로 지지할 수 있다.
본 발명의 전력 소자가 형성된 기판은 리드 프레임 상에 접착제 등에 의하여 탑재된 형태로 캡슐화될 수도 있으며, 본 발명이 EMC(epoxy mold compound)와 같은 몰딩 재료를 패키지 몰드에 충전하여 반도체 소자를 캡슐화화여 형성되는 패키지에 용이하게 적용될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 세라믹과 같은 다양한 몰딩 재료를 이용하는 경우에도 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 전력 소자용 패키지는 패키지 상에 부착되는 방열판(heat sink)와 리드 사이의 패키지 상부에 요철부를 포함함으로써, 리드로부터 도전체인 방열판까지의 표면 경로를 증가시켜 절연 표면거리(L1)를 증가시켜, 절연 표면거리의 제한 없이 다양한 크기와 접촉 면적을 갖는 방열판을 적용할 수 있는 패키지를 제공한다.
또한, 본 발명의 전력 소자용 패키지 어셈블리는 패키지 상에 부착되는 방열판과 패키지 사이의 절연 유격을 채우는 절연 스페이서(isolation spacer)를 포함함으로써 리드와 방열판 사이의 절연 유격이 제거되어, 절연 유격의 제한 없이 다양한 크기와 접촉 면적을 갖는 방열판을 적용할 수 있는 패키지를 제공한다. 또한, 전력 소자용 패키지 어셈블리는 패키지 상에 부착되는 방열판과 리드 사이의 패키지 상부에 요철부를 포함함으로써, 절연 유격 및 절연 표면거리의 제한 없이 다양한 크기와 접촉 면적을 갖는 방열판을 적용할 수 있는 전력 소자용 패키지 어셈블리를 제공한다.

Claims (16)

  1. 전력 소자가 캡슐화되고, 상기 전력 소자는 외부로 돌출된 리드와 전기적으로 연결된 패키지로서,
    상기 패키지 상에 부착되는 방열판(heat sink); 및
    상기 방열판과 상기 리드 사이의 패키지 상부에 형성되는 요철부를 포함하고,
    상기 요철부의 최대 높이는 상기 패키지 상에 부착되는 방열판과 접촉하는 부분의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리드가 배치된 상기 패키지의 가장자리 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리드가 배치된 상기 패키지의 가장자리와 평행한 방향으로 연장된 직선형인 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 리드가 배치된 상기 패키지의 가장자리 상부에 중단없이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 소자의 동작 전압(operation voltage) 및 순간 전압(impulse voltage)은 600 V 내지 2000 V 의 범위인 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지.
  6. 전력 소자가 캡슐화되고, 상기 전력 소자는 외부로 돌출된 리드와 전기적으로 연결된 패키지;
    상기 패키지 상에 부착되는 방열판; 및
    상기 방열판과 상기 패키지 사이의 절연 유격을 채우도록 형성된 절연 스페이서(isolation spacer)를 포함하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 패키지는 상부에 상기 방열판과 접촉하도록 노출된 금속성 열전도판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 무기 산화물계, 고무계 또는 폴리머 수지계 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 방열판보다 수평 방향으로 더 돌출되는 에지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 리드의 일부를 덮는 에지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 패키지는 상기 패키지 상에 부착되는 방열판과 상기 리드 사이의 패키지 상부에 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 요철부의 최대 높이는 상기 패키지 상에 부착되는 상기 방열판과 접촉하는 부분의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 패키지의 상기 요철부와 결합하는 반대 형상의 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 절연 유격을 한꺼번에 채우도록 일체화된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 패키지가 실장되는 인쇄회로기판에 함께 고정되는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 소자의 동작 전압(operation voltage) 및 순간 전압(impulse voltage)은 600 V 내지 2000 V 의 범위인 것을 특징으로 하는 전력 소자용 패키지 어셈블리.
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