KR101331681B1 - 전력 모듈 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 전력 모듈 패키지에 관한 것으로서, 일면과 타면을 갖는 제1 기판; 상기 제1 기판의 상기 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제1 비아; 상기 제1 기판의 일면에 형성된 메탈층; 상기 메탈층 상에 형성된 반도체 소자; 및 상기 제1 기판의 타면에 형성되는 메탈 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 모듈 패키지{Power Module Package}
본 발명은 전력 모듈 패키지에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 사용량이 증가함에 따라, 제한된 에너지의 효율적인 사용에 지대한 관심을 가지기 시작했다. 이에 따라, 기존 가전용/산업용 제품에서 에너지의 효율적인 컨버젼(Conversion)을 위한 IPM(Intelligent Power Module)을 적용한 인버터의 채용이 가속화되고 있다.
이와 같은 파워 모듈의 확대 적용에 따라 시장의 요구는 더욱더 고집적화/고용량화/소형화되고 있으며, 이에 따른 파워 모듈의 고집적화는 전자 부품의 발열 문제와 모듈 전체의 성능을 떨어뜨리는 결과를 초래하고 있다.
따라서, 파워 모듈의 효율 증가와 고신뢰성 확보를 위해서는 위와 같은 발열 문제를 해결할 수 있는 고집적/고방열 패키지 구조가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 방열 특성이 향상된 전력 모듈 패키지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력 모듈 패키지는, 일면과 타면을 갖는 제1 기판;
상기 제1 기판의 상기 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제1 비아;
상기 제1 기판의 일면에 형성된 메탈층;
상기 메탈층 상에 형성된 반도체 소자; 및
상기 제1 기판의 타면에 형성되는 메탈 플레이트;를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고,
상기 전력 소자 상에 형성된 히트싱크;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고, 상기 제1 비아는 방열 비아와 신호 비아를 포함하며,
상기 전력 소자는 상기 메탈층 상에 형성되되, 상기 방열 비아 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 비아는 방열 비아와 신호 비아를 포함하며,
상기 메탈 플레이트는 상기 방열 비아에 연결되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고, 상기 제1 비아는 방열 비아와 신호 비아를 포함하며,
상기 제어 소자는 상기 메탈층 상에 형성되되, 상기 신호 비아 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고,
상기 전력 소자와 제어 소자는 각각 패키지 형태일 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자가 패키지 형태인 경우,
상기 패키지 형태의 반도체 소자와 상기 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 리드 프레임;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자와 상기 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 와이어;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 기판의 타면측에 형성되되, 상기 메탈 플레이트를 통해 상기 제1 기판과 연결되게 형성된 제2 기판;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 기판의 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제2 비아;를 더 포함하고, 상기 제2 비아는 상기 메탈 플레이트와 연결되게 형성될 수 있다.
다른 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈 패키지는, 일면과 타면을 갖는 제1 기판;
상기 제1 기판의 상기 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 비아;
상기 제1 기판의 일면에 형성된 메탈층; 및
상기 메탈층 상에 형성된 반도체 소자;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고,
상기 전력 소자 상에 형성된 히트싱크;
를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고, 상기 비아는 방열 비아와 신호 비아를 포함하며,
상기 전력 소자는 상기 메탈층 상에 형성되되, 상기 방열 비아 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고, 상기 비아는 방열 비아와 신호 비아를 포함하며,
상기 제어 소자는 상기 메탈층 상에 형성되되, 상기 신호 비아 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고,
상기 전력 소자와 제어 소자는 각각 패키지 형태일 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자가 패키지 형태인 경우, 상기 패키지 형태의 반도체 소자와 상기 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 리드 프레임;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자와 상기 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 와이어;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 기판의 타면측에 형성된 제2 기판;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈 패키지는 고방열성 전력 소자와 제어 소자를 서로 분리하여 배치함에 따라, 상대적으로 열적으로 취약한 제어 소자들의 전력 소자들로부터의 열의 영향력을 최소화하여, 모듈의 신뢰성 및 성능 향상 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 모듈 패키지는 전력 소자에 연결되게 방열 비아와 히트 싱크를 형성하고, 메인 보드에 해당하는 기판에 방열 비아를 형성함에 따라, 열 방출 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 반도체 소자가 실장되는 집적용 기판을 별도로 형성함에 따라, 모듈의 용도 및 스펙에 따라 반도체 소자의 배치 및 추가 구현하는 것이 용이하여 전체 전력 모듈 패키지의 디자인 자유도가 증가한다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 전력 소자와 제어 소자 파트를 각각 별도로 구현하기 때문에, 용도에 따른 전체 모듈의 디자인 변경이 용이하여 생산성이 향상되고, 불량 발생 시 폐기량도 감소시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 모듈 패키지의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력 모듈 패키지의 구성을 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 제1 기판의 일 실시예를 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명의 제1 기판의 다른 실시예를 나타내는 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈 패키지의 배치예를 설명하기 위한 평면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
전력 모듈 패키지- 제1 실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 모듈 패키지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈 패키지(500)는 일면과 타면을 갖는 제1 기판(110), 제1 기판(110)의 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제1 비아(120, 130), 제1 기판(110)의 타면에 형성되는 메탈 플레이트(400), 제1 기판(110)의 일면에 형성된 메탈층(140) 및 메탈층(140) 상에 형성된 반도체 소자(150, 170, 180)를 포함할 수 있다.
여기에서, 반도체 소자는 전력 소자(150)와 제어 소자(170, 180)를 포함할 수 있다.
이때, 도 1, 도3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 전력 소자(150)와 제어 소자(180)는 각각 패키지 형태일 수도 있다.
예를 들어, 전력 소자(150)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 다이오드(Diode) 등과 같이 발열량이 큰 소자를 의미하며, 제어 소자(170, 180)는 제어 IC(Control Integrated Circuit), 수동(Passive) 소자와 같이 발열량이 전력 소자에 비해 상대적으로 작은 소자를 의미하는 것으로 정의하기로 한다.
또한, 제1 비아(120, 130)는 방열 비아(120)와 신호 비아(130)를 포함할 수 있다.
또한, 히트싱크(200)는 전력 소자(150) 상에 형성될 수 있다.
이때, 제어 소자(170, 180)에 비해 발열량이 큰 전력 소자(150)는 히트싱크(200) 및 방열 비아(120)와 연결되어 있기 때문에, 전력 소자(150)로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한, 전력 소자(150)의 원활한 열 방출 효과로 인해 제어 소자(170, 180)를 비롯한 전력 모듈 패키지(500) 전체의 동작 신뢰성도 향상시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한, 전력 소자(150)는 메탈층(140) 상에 형성되되, 방열 비아(120) 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
즉, 전력 소자(150)와 방열 비아(120)가 서로 인접하게 형성되어, 방열 비아(120)가 전력 소자(150)로부터 발생되는 열을 하부로 빠르게 전달할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 제어 소자(170, 180)는 메탈층(140) 상에 형성되되, 신호 비아(130) 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
즉, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 메탈층(140) 상에 형성된 제어 소자(170, 180)가 신호 비아(130)를 통해 외부접속단자(190)와 연결되어 제2 기판(310)과 전기적으로 연결되는 것이다. 이때, 참조번호 170의 제어 소자와 같이 와이어를 통해 신호 비아(130)에 연결되는 것도 가능하다.
도 1에서는 제1 기판(110)과 제2 기판(310)이 볼 그리드 어레이(BGA) 방식으로 연결된 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, 랜드 그리드 어레이(LGA) 방식 등으로 연결되는 것도 가능하다.
또한, 도 1, 도3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 반도체 소자(150, 171)가 패키지 형태인 경우, 패키지 형태의 반도체 소자와 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 리드 프레임(160)을 더 포함할 수 있다.
또한, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈 패키지(500)는 반도체 소자(170)와 메탈층(140) 간을 전기적으로 연결시키는 와이어를 더 포함할 수 있다.
또한, 메탈 플레이트(400)는 방열 비아(120)에 연결되게 형성될 수 있다.
또한, 제1 기판(110)의 타면측에 형성되되, 메탈 플레이트(400)를 통해 제1 기판(110)과 연결되게 형성된 제2 기판(310)을 포함할 수 있다.
여기에서, 메탈 플레이트(400)는 제1 기판(110)과 제2 기판(310) 사이에 형성되어, 제2 기판(310)에 비해 상대적으로 전력 소자(150) 등의 구성으로 인해 압력을 받는 제1 기판(110)을 지지하는 역할, 방열 비아(120)로부터 전달되는 열을 수평, 수직 방향으로 전달하는 방열 기능 및 제1 기판(110)과 제2 기판(310) 간의 전기적 연결 기능을 수행할 수 있다.
상기 메탈 플레이트(400)는 1차적으로 방열 비아(120)를 통해 전달된 열을 2차로 전달하는 역할을 수행하기 때문에, 전력 소자(150)로부터의 열을 빠르게 방출시켜, 전력 소자(150)의 열이 제어 소자(170, 180)에 미치는 영향을 최소화하는 역할을 수행하는 것이다.
또한, 전력 모듈 패키지(500)는 제2 기판(310)의 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제2 비아(330)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제2 비아(330)는 메탈 플레이트(400)와 연결되게 형성될 수 있다.
상기 제2 비아(330)는 메탈 플레이트(400)와 연결되게 형성되기 때문에, 전력 소자(150)로부터 발생하는 열의 방출을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 역할을 한다.
한편, 도 3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 제1 기판측 전력 모듈 패키지(100)는 제2 기판(310)에 결합되기 이전에 제1 비아(120, 130)가 형성된 제1 기판(110)에 메탈층(140)을 형성하고, 메탈층(140) 상에 반도체 소자(150, 170, 180)를 실장한 후 전기적 연결을 위한 와이어 또는 리드 프레임을 형성한 상태인 것이다.
여기에서, 제1 기판측 전력 모듈 패키지(100)는 메인 보드에 해당하는 제2 기판(310)에 결합하기 이전의 전력 모듈 패키지를 의미하는 것으로 정의하기로 한다.
또한, 반도체 소자(150, 170, 180)는 베어(Bare) 소자뿐만 아니라 참조번호 150 및 171과 같이 패키징 형태의 소자도 적용할 수 있다.
상기 베어 소자는 패키지에 들어가 있지 않고, 웨이퍼(wafer)에서 잘라낸 소자를 의미하고, 패키징 형태의 소자는 패키지에 들어가 있는 상태의 소자를 의미하는 것이다.
본 발명의 실시예에서, 제1 기판(110)은 1차적으로 집적 보드 역할로, 도 5 및 도 6에서 도시하는 바와 같이, 기판 상에 전력 소자(150)와 제어 소자(170, 180)를 실장하기 때문에, 반도체 소자 배치, 회로 형성 등과 같은 설계에 있어 자유도를 향상시킬 수 있다.
전력 모듈 패키지- 제2 실시예
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력 모듈 패키지의 구성을 나타내는 단면도로서, 메탈 플레이트(400)를 포함하지 않는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
다만, 제2 실시예에 대한 구성 중 제1 실시예의 구성과 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈 패키지(500)는 일면과 타면을 갖는 제1 기판(110), 제1 기판(110)의 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 비아(120, 130), 제1 기판(110)의 일면에 형성된 메탈층(140) 및 메탈층(140) 상에 형성된 반도체 소자(150, 170, 180)를 포함할 수 있다.
여기에서, 반도체 소자는 전력 소자(150)와 제어 소자(170, 180)를 포함한다.
이때, 도 1, 도3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 전력 소자(150)와 제어 소자(180)는 각각 패키지 형태일 수도 있다.
예를 들어, 전력 소자(150)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 다이오드(Diode) 등과 같이 발열량이 큰 소자를 의미하며, 제어 소자(170, 180)는 제어 IC(Control Integrated Circuit), 수동(Passive) 소자와 같이 발열량이 전력 소자에 비해 상대적으로 작은 소자를 의미하는 것으로 정의하기로 한다.
또한, 비아는 방열 비아(120)와 신호 비아(130)를 포함할 수 있다.
또한, 히트싱크(200)는 전력 소자(150) 상에 형성될 수 있다.
이때, 제어 소자(170, 180)에 비해 발열량이 큰 전력 소자(150)는 히트싱크(200) 및 방열 비아(120)와 연결되어 있기 때문에, 전력 소자(150)로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한, 전력 소자(150)의 원활한 열 방출 효과로 인해 제어 소자(170, 180)를 비롯한 전력 모듈 패키지(500) 전체의 동작 신뢰성도 향상시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
또한, 전력 소자(150)는 메탈층(140) 상에 형성되되, 방열 비아(120) 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 전력 모듈 패키지(500)는 제1 기판(110)의 타면측에 형성된 제2 기판(310)을 더 포함할 수 있다.
또한, 제어 소자(170, 180)는 메탈층(140) 상에 형성되되, 신호 비아(130) 형성 영역에 대응되게 형성될 수 있다.
즉, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 메탈층(140) 상에 형성된 제어 소자(180)가 신호 비아(130)를 통해 외부접속단자(190)와 연결되어 제2 기판(310)과 연결될 수 있는 것이다.
도 1에서는 제1 기판(110)과 제2 기판(310)이 볼 그리드 어레이(BGA) 방식으로 연결된 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, 랜드 그리드 어레이(LGA) 방식 등으로 연결되는 것도 가능하다.
또한, 도 1, 도3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 반도체 소자가 패키지 형태인 경우, 패키지 형태의 반도체 소자와 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 리드 프레임(160)을 더 포함할 수 있다.
또한, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈 패키지(500)는 반도체 소자(170)와 메탈층(140) 간을 전기적으로 연결시키는 와이어를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제1 기판(110)은 1차적으로 집적 보드 역할로, 도 5 및 도 6에서 도시하는 바와 같이, 기판 상에 전력 소자(150)와 제어 소자(170, 180)를 실장하기 때문에, 반도체 소자 배치, 회로 형성 등과 같은 설계에 있어 자유도가 향상될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전력 모듈 패키지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 제1 기판측 전력 모듈 패키지 110 : 제1 기판
120, 130 : 제1 비아, 비아 140, 320 : 메탈층
150 : 전력 모듈 160 : 리드 프레임
170, 180 : 반도체 소자 190 : 외부접속단자
200 : 히트 싱크
310 : 제2 기판 330 : 제2 비아
400 : 메탈 플레이트 500 : 전력 모듈 패키지

Claims (18)

  1. 일면과 타면을 갖는 제1 기판;
    상기 제1 기판의 상기 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제1 비아;
    상기 제1 기판의 일면에 형성된 메탈층;
    상기 메탈층 상에 형성된 반도체 소자;
    상기 제1 기판의 타면에 형성되는 메탈 플레이트;
    상기 제1 기판의 타면측에 형성되되, 상기 메탈 플레이트를 통해 상기 제1 기판과 연결되게 형성된 제2 기판; 및
    상기 제2 기판의 일면으로부터 타면을 관통하도록 형성된 제2 비아;를 포함하고,
    상기 반도체 소자는 전력 소자와 제어 소자를 포함하고, 상기 제1 비아는 방열 비아와 신호 비아를 포함하며,
    상기 전력 소자는 상기 메탈층 상에 형성되되, 상기 방열 비아 형성 영역에 대응되게 형성되고,
    상기 메탈 플레이트는 상기 방열 비아에 연결되게 형성되고,
    상기 제2 비아는 상기 메탈 플레이트와 연결되게 형성되며,
    상기 메탈 플레이트는 상기 제1 기판을 지지하고, 상기 방열 비아로부터 전달되는 열을 수평 및 수직 방향으로 전달하며, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 간의 전기적 연결기능을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 소자 상에 형성된 히트싱크;를 더 포함하는 전력 모듈 패키지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 소자는 상기 메탈층 상에 형성되되, 상기 신호 비아 형성 영역에 대응되게 형성되는 전력 모듈 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 소자와 제어 소자는 각각 패키지 형태인 전력 모듈 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 소자가 패키지 형태인 경우,
    상기 패키지 형태의 반도체 소자와 상기 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 리드 프레임;
    을 더 포함하는 전력 모듈 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 소자와 상기 메탈층 간을 전기적으로 연결시키는 와이어;
    를 더 포함하는 전력 모듈 패키지.
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