KR101679385B1 - 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈 - Google Patents

전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시그널 핀과 출력단자 등이 케이스에 일체형으로 결합된 상태로 제작되지 않고, 시그널 핀과 출력단자 등을 솔더링으로 선(先) 고정시킨 후 케이스를 후(後) 결합하는 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 베이스 플레이트(base Plate)의 상부에 DBC(Direct Bonded Cupper) 기판을 부착하고, 상기 DBC 기판의 상부에 다수 개의 반도체 칩을 결합하며, 상기 반도체 칩에 출력단자(Output Terminal) 및 테두리부에 홈이 형성된 시그널 핀을 전기적으로 연결하는 제1공정; 상기 시그널 핀 및 베이스 플레이트 사이에 상기 시그널 핀을 고정시키기 위한 지지부재를 삽입하는 제2공정; 상기 베이스 플레이트에 상부가 개구된 케이스를 결합하는 제3공정; 상기 케이스의 개구된 상부를 통해 실리콘을 충진하고 경화시키는 제4공정; 상기 케이스의 개구된 상부를 폐쇄시키는 제5공정; 및 상기 홈에 정전기를 차단하기 위한 스프링 단자를 체결하는 제6공정;을 포함하는 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈에 관한 것이다.

Description

전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈{MANUFACTURING METHOD OF POWER SEMICONDUCTOR MODULE AND POWER SEMICONDUCTOR MODULE USING THE SAME}
본 발명은 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈에 관한 것으로써, 특히, 게이트 핀 및 에미터(또는 소스) 핀 등으로 구성된 시그널 핀과 출력단자 등이 케이스에 일체형으로 결합된 상태로 제작되지 않고, 시그널 핀과 출력단자 등을 솔더링으로 선(先) 고정시킨 후 케이스를 후(後) 결합하는 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 전력용 반도체 모듈은 동 재질의 베이스 플레이트(base Plate) 위에 여러 개의 반도체 칩이 솔더링(Soldering)되며, 솔더링된 반도체 칩에 출력단자(Output Terminal) 및 게이트 핀과 에미터(또는 소스) 핀으로 구성된 시그널 핀 등을 전기적으로 연결하게 된다.
출력단자 및 시그널 핀 등은 베이스 플레이트와 절연을 위하여 DBC(Direct Bonded Cupper) 기판(절연플레이트)을 사용하며, DBC 기판 위에 솔더링된다.
즉, 종래의 조립방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(110) 위에 절연플레이트인 DBC 기판(120)과 반도체 칩(130)을 솔더링한 후에 와이어본딩(Wire Bonding) 공정을 통하여 DBC 기판(120)과 반도체 칩(130)을 전기적으로 연결하였다.
이후, 상부가 개구되고, 출력단자(140)와 시그널 핀(150) 등이 고정형성된 케이스(170)를 베이스 플레이트(110)의 상부에 결합시키고, 출력단자(140)와 시그널 핀(150) 등의 전기적 연결을 위해 DBC 기판(120)과의 솔더링 작업을 수행하게 된다.
상기 작업 후 케이스(170)의 개구된 상부를 통해 실리콘(180)을 충진하여 경화시킨 뒤 케이스(170)의 개구된 상부에 커버(171)를 결합하여 전력용 반도체 모듈(100)을 제작한다.
이후, 절곡 및 라벨링 등과 같은 후공정은 선택적으로 실시되는 것으로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기와 같은 종래의 방법으로 제작된 전력용 반도체 모듈(100)은 제작시부터 출력단자(140) 및 시그널 핀(150) 등을 케이스(170)에 결합한 형태로 제작해야 하므로, 금형 제작상 비용이 고가이며, 이로 인해 재료비가 상승하는 문제점이 있었다.
또한, 케이스(170)의 결합시 출력단자(140) 및 시그널 핀(150) 등을 솔더링 공정을 통해 DBC 기판(120)에 부착해야 한다.
그러나, 케이스(170)는 주로 PBT 및 PPS 재질로 구성되며, 이 재질의 변형 온도는 240℃ 근처이므로 낮은 온도의 녹는점을 갖는 솔더를 사용해야만 하는 제약이 뒤따랐다.
또한, 케이스(170)와 출력단자(140) 및 시그널 핀(150) 등이 모두 일체로 결합된 상태에서 부착되므로, 유지보수(수리)작업이 거의 불가능하였다.
한편, 등록실용신안 제20-0447260호에 소개된 바와 같이, 상기와 같이 전력용 반도체 모듈(100)을 제작한 뒤에는 정전기 등으로 인해 전력용 반도체 모듈(100)의 내부 회로가 손상되는 것을 방지하기 위하여, 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)으로 구성된 시그널 핀(150)에 도 2에 도시된 바와 같이 토션 스프링을 체결하였다.
즉, 토션 스프링이 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)을 연결시키도록 체결되고 접촉에 의해 쇼트되어 등 전위를 형성함으로써, 정전기로 인한 손상을 방지하게 된다.
그러나, 제조 공정시에만 최소한 2번의 테스트 공정을 거쳐야 하며, 테스트 공정시마다 토션 스프링을 탈착시켜야 하는데, 작업자가 장갑을 낀 상태에서 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)에 형성된 작은 홀을 통해 작은 토션 스프링을 탈착시켜야 하는 과정은 많은 작업시간이 소요되며, 상당한 불편함을 수반하여 작업 효율성이 크게 저하되었다.
(0001) 등록실용신안 제20-0447260호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 케이스 금형비와 재료비를 절감시킬 수 있는 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 종래와 같은 솔더의 사용제약(케이스의 재질 변형온도보다 낮은 온도에서 녹는 솔더만을 사용) 환경을 극복할 수 있는 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유지보수(수리)가 매우 용이한 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 구조가 단순할 뿐만 아니라 스프링 단자의 탈착 작업이 매우 용이하여 작업 효율성이 향상된 전력용 반도체 모듈 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 전력용 반도체 모듈 제조방법은, 베이스 플레이트(base Plate)의 상부에 DBC(Direct Bonded Cupper) 기판을 부착하고, 상기 DBC 기판의 상부에 다수 개의 반도체 칩을 결합하며, 상기 반도체 칩에 출력단자(Output Terminal) 및 시그널 핀을 전기적으로 연결하는 제1공정; 상기 시그널 핀 및 베이스 플레이트 사이에 상기 시그널 핀을 고정시키기 위한 지지부재를 삽입하는 제2공정; 상기 베이스 플레이트에 상부가 개구된 케이스를 결합하는 제3공정; 상기 케이스의 개구된 상부를 통해 실리콘을 충진하고 경화시키는 제4공정; 및 상기 케이스의 개구된 상부를 폐쇄시키는 제5공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시그널 핀의 상단부에 적어도 하나의 홈을 가공하는 제1-1공정; 및 상기 홈에 정전기를 차단하기 위한 스프링 단자를 체결하는 제6공정;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 전력용 반도체 모듈 제조방법을 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 출력단자 및 시그널 핀 등을 선(先) 공정으로 부착한 후 케이스의 부착을 후(後) 공정으로 진행함으로써, 종래에 비하여 케이스 금형비와 재료비를 절감시킬 수 있다.
또한, 출력단자 및 시그널 핀 등을 케이스와는 별도의 후(後) 공정을 통해 부착함으로써, 종래와 같은 솔더의 사용제약(케이스의 재질 변형온도보다 낮은 온도에서 녹는 솔더만을 사용) 환경을 극복하고 다양한 솔더를 사용할 수 있다.
또한, 케이스와 출력단자나 시그널 핀 등이 일체로 형성되지 않고 각각 별도로 부착되므로, 유지보수(수리)가 매우 용이하다.
또한, 게이트 핀과 에미터(또는 소스) 핀의 테두리부에 홈을 형성하고, 상기 홈에 스프링 단자를 결합 및 분리시키는 구조로 구성함으로써, 탈착 과정이 매우 용이하고, 작업시간이 단축되며, 작업 효율성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 홈의 구성으로, 결합된 스프링 단자가 쉽게 분리되는 문제점도 해결할 수 있다.
또한, 결합력이 우수하여 쉽게 분리되지 않으면서도 스프링의 장력에 의해 분리시에도 소정의 힘을 가하여 용이하게 분리할 수 있으며, 구조가 단순할 뿐만 아니라 제작단가가 저렴한 전력용 반도체 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 구조가 간단한 스프링을 사용함으로써, 가격이 저렴하면서도 내열성 및 체결성이 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 전력용 반도체 모듈의 제조공정을 개념적으로 나타낸 도면,
도 2는 종래의 전력용 반도체 모듈의 정전기로 인한 손상을 방지하기 위해 토션 스프링을 체결한 상태를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈 제조방법의 일실시예에 의한 공정도,
도 4 내지 도 8은 도 3의 공정에 따른 실시예를 개념적으로 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈의 시그널 핀에 형성된 홈에 스프링 단자의 체결상태를 나타낸 도면
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
본 명세서에 사용되는 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈 제조방법의 일실시예에 의한 공정도이고, 도 4 내지 도 8은 도 3의 공정에 따른 실시예를 개념적으로 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈의 시그널 핀에 형성된 홈에 스프링 단자의 체결상태를 나타낸 도면이다.
반도체 칩(130)의 부착 위치 등은 전력용 반도체 모듈 특성마다 달라지거나 공지된 기술에 속하므로 도 4 내지 도 6에서는 편의상 반도체 칩(130)의 결합 상태를 미도시 하였으며, 반도체 칩(130)의 부착 구성은 도 1을 참조할 수 있다.
도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명인 전력용 반도체 모듈 제조방법을 각 공정별로 설명하면 다음과 같다.
1) 제1공정(S100) 및 제1-1공정(S110)
도 3, 도 4, 도 8 및 도 9를 참조한다.
먼저, 베이스 플레이트(110)의 상부에 DBC(120) 기판을 부착하고, DBC 기판(120)의 상부에 다수 개의 반도체 칩(130)을 결합한다.
또한, 반도체 칩(130)과 출력단자(140) 및 시그널 핀(150)이 부착될 DBC 기판(120)을 와이어 본딩작업에 의해 전기적으로 연결하며, 상기 작업공정은 '발명의 배경이 되는 기술' 및 종래기술 부분을 참조할 수 있다.
이후, DBC 기판(120)에 출력단자(140, Output Terminal) 및 시그널 핀(150)을 솔더링 작업에 의해 부착하여 반도체 칩(130)과 전기적으로 연결한다.
이때, 시그널 핀(150)을 솔더링 작업하기 전에 시그널 핀(150)의 상단부에 적어도 하나의 홈(153)을 가공한다.
홈(153)은 요철부의 형태로 구성할 수 있다.
또한, 홈(153)은 하나로 형성되거나 복수 개로 형성될 수 있으며, 복수 개로 구성시 홈(153)의 형성 간격은 등 간격 또는 불규칙적인 간격으로 형성하는 것이 가능하나, 도시된 바와 같이 등 간격으로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 홈(153)을 복수 개로 구성시 홈(153)의 깊이는 다양한 깊이로 형성할 수 있으나, 동일한 직경을 갖는 스프링 단자(160)의 적용을 고려하여 동일한 깊이로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 홈(153)의 상하폭은 스프링 단자(160)의 두께에 대응시켜 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 출력단자(140) 및 시그널 핀(150)의 솔더링 작업시 별도의 지그(JIG)를 이용하여 출력단자(140) 및 시그널 핀(150)을 지지하는 것이 바람직하며, 상기 지그의 구조 및 구성 등은 다양하게 실시할 수 있다.
또한, 반도체 칩(130)과 출력단자(140), 시그널 핀(150)을 전기적으로 연결하는 공정도 상기 기재된 내용으로 한정하지 않으며, 전기적 연결구성에 문제만 없다면 작업 효율성 향상을 위해 순서를 변경하여 작업하는 것도 얼마든지 가능하다 할 것이다.
2) 제2공정(S200)
도 3 및 도 5를 참조한다.
DBC 기판(120)에 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)으로 구성된 시그널 핀(150) 및 출력단자(140)를 부착한 뒤에는 시그널 핀(150)이 하부로 내려않지 않도록 시그널 핀(150) 및 베이스 플레이트(110) 사이에 지지부재(190)를 삽입한다.
지지부재(190)는 절연물질을 사용하며, 시그널 핀(150)의 형상을 고려하여 시그널 핀(150)이 베이스 플레이트(110)에 부착된 후 본디 형상과 위치를 유지하도록 지지하는 역할을 한다.
3) 제3공정(S300) 및 제4공정(S400)
도 3 및 도 6을 참조한다.
지지부재(190)를 결합 후 베이스 플레이트(110)의 테두리부 상부에는 상부가 개구된 케이스(170)를 결합한다.
케이스(170)의 구성은 상부가 개구되지 않고 커버(171)가 일체로 형성된 제품으로 구성할 수도 있으나, 실리콘(180)의 충진 및 경화작업을 위해 상부가 개구된 케이스(170)를 사용하는 것이 바람직하다.
케이스(170)는 주로 PBT 및 PPS 재질로 구성된다.
케이스(170)의 결합 후 케이스(170)의 개구된 상부로 출력단자(140)가 돌출되어 위치되며, 시그널 핀 체결홈이 형성된 케이스(170)의 일측에는 시그널 핀(150)이 체결되어 돌출형성된다.
이후, 도시되진 않았으나, 케이스(170)의 개구된 상부를 통해 실리콘(180)을 충진하고 경화시키며, 이 공정은 도 1의 종래공정을 참조할 수 있다.
4) 제5공정(S500)
도 3 및 도 7을 참조한다.
실리콘(180)이 경화된 뒤에는 케이스(170)의 상부에 커버(171)를 결합하여 케이스(170)의 개구된 상부를 폐쇄시킨다.
커버(171)에는 출력단자(140)가 삽입되는 출력단자 체결홈이 형성된다.
5) 제6공정(S600)
도 3, 도 8 및 도 9를 참조한다.
커버(171)를 체결한 후 시그널 핀(150)의 상단 테두리부에 형성된 홈(153)에 정전기를 차단하기 위한 스프링 단자(160)를 체결한다.
스프링 단자(160)의 내측 직경은, 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)의 수평선상에 위치된 테두리를 동일 원주로 갖는 원의 직경보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
스프링 단자(160)의 내측 직경이 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)의 좌우폭(도 9를 기준으로 좌우폭)보다 크게 형성될 경우, 홈(153)에 체결된 스프링 단자(160)가 쉽게 분리되어 이탈될 가능성이 커진다.
또한, 스프링의 장력이 초과되도록 스프링 단자(160)의 내측 직경이 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)의 좌우폭보다 너무 작게 형성될 경우 체결 및 분리 작업이 용이하지 않으므로, 스프링 단자(160)의 내측 직경은 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)의 수평선상에 위치된 테두리를 동일 원주로 갖는 원의 직경보다는 작게 형성되고, 홈(153)의 수평선상에 위치된 테두리를 동일 원주로 갖는 원의 직경과 동일하게 형성됨으로써, 체결 및 분리시 스프링의 장력에 의해 소정의 저항을 가지며 스프링 단자(160)가 홈(153)에 체결 및 분리되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)에 홈(153)을 형성하고, 게이트 핀(151)과 에미터(또는 소스) 핀(152)의 상부에서 홈(153)에 체결 및 분리되는 스프링 단자(160)로 구성시, 종래와 같은 토션 스프링으로 구성하는 것에 비하여 탈착작업이 매우 용이해지며, 스프링 단자(160)의 탈착 작업속도가 현저하게 향상되고, 작업 효율성이 향상된다.
또한, 소정의 저항을 가지며 스프링 단자(160)가 홈(153)에 체결되므로, 체결성도 우수해질 뿐만 아니라 진동 등에 의한 스프링 단자(160)의 이탈이 방지되므로 제품의 제조시는 물론, 제품이 사용자에게 전달될 때까지 정전기로 인한 제품의 손상을 효율적으로 방지할 수 있다.
한편, 상기와 같은 전력용 반도체 모듈 제조방법을 이용하여 제조된 전력용 반도체 모듈(100)을 제공함으로써, 종래에 비하여 케이스(170) 금형비와 재료비를 절감시킬 수 있고, 종래와 같은 솔더의 사용제약(케이스의 재질 변형온도보다 낮은 온도에서 녹는 솔더만을 사용) 환경을 극복하고 다양한 솔더를 사용할 수 있으며, 유지보수(수리)가 매우 용이하고, 스프링 단자(160)의 탈착 과정이 매우 용이하여 작업시간이 단축됨은 물론, 작업 효율성을 향상시킬 수 있다.
100 : 전력용 반도체 모듈
110 : 베이스 플레이트 120 : DBC 기판
130 : 반도체 칩 140 : 출력단자
150 : 시그널 핀 151 : 게이트 핀
152 : 에미터(또는 소스) 핀 153 : 홈
160 : 스프링 단자 170 : 케이스
171 : 커버 180 : 실리콘
190 : 지지부재
S100 : 제1공정 S110 : 제-1공정
S200 : 제2공정 S300 : 제3공정
S400 : 제4공정 S500 : 제5공정
S600 : 제6공정

Claims (3)

  1. 시그널 핀의 상단부에 적어도 하나의 홈을 가공하는 제1-1공정;
    베이스 플레이트(base Plate)의 상부에 DBC(Direct Bonded Cupper) 기판을 부착하고, 상기 DBC 기판의 상부에 다수 개의 반도체 칩을 결합하며, 상기 반도체 칩에 출력단자(Output Terminal) 및 상기 홈이 가공된 시그널 핀을 전기적으로 연결하는 제1공정;
    상기 시그널 핀 및 베이스 플레이트 사이에 상기 시그널 핀을 고정시키기 위한 지지부재를 삽입하는 제2공정;
    상기 베이스 플레이트에 상부가 개구된 케이스를 결합하는 제3공정;
    상기 케이스의 개구된 상부를 통해 실리콘을 충진하고 경화시키는 제4공정;
    상기 케이스의 개구된 상부를 폐쇄시키는 제5공정; 및
    상기 제5공정 이후에 상기 홈에 정전기를 차단하기 위한 스프링 단자를 체결하는 제6공정;을 포함하는 전력용 반도체 모듈 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
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