KR101931005B1 - 반도체 부품을 덮어 봉지하는 시멘트 물질이 구비된 반도체 모듈 - Google Patents

반도체 부품을 덮어 봉지하는 시멘트 물질이 구비된 반도체 모듈 Download PDF

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KR101931005B1
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Abstract

반도체 부품(20)을 덮고 있는 봉지 물질(30)이 구비된 반도체 모듈(10)로서, 봉지 물질(30)이 시멘트인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).

Description

반도체 부품을 덮어 봉지하는 시멘트 물질이 구비된 반도체 모듈{SEMICONDUCTOR MODULE WITH AN ENCASING CEMENT MASS THAT COVERS A SEMICONDUCTOR COMPONENT}
본 발명은 반도체를 덮고 있는 봉지 물질(encapsulating mass)이 구비된 반도체 모듈에 관한 것이다.
US 7,034,660 B2는 건축 재료에 변화가 있음을 나타내는 파라미터들을 검출하기 위해서 콘크리트 또는 그 외 다른 시멘트 함유 재료에 매설되는 무선 센서를 개시하고 있다. 상기 센서는 예를 들면 염소이온 검출에 적합한 전기화학 센서일 수 있다.
오늘날 바람직하게는 기판 위 개개의 반도체와 반도체 부분 조립품(sub-assembly)(수동 부품 포함)을 일부 경우에는 이산화규소(SiO2)와 같은 유기 충전재와 함께 에폭시 수지를 기재로 하는 유기 물질로 봉지하고 있다. 예를 들어 US 4,529,755는 다관능성 에폭시 화합물, 스티렌계 블록 공중합체, 상기 에폭시 화합물용 경화제와 무기 충전제를 포함하는 상기 유형의 봉지 물질을 개시하고 있다.
상기 봉지된 부품과 부분 조립품은 전형적으로 통합 전력 부품에 대한 전기 커넥터와 냉각 접속면을 갖고 있다. 경화된 에폭시 수지(비보강)는 대략 60-80 ppm/K의 전형적인 열팽창계수(CTE)를 갖고 있다. 기판(세라믹, 금속과 유기 코어 회로기판)은 분명하게 더 낮은 열팽창계수(3-20 ppm/K)를 갖고 있다. 전력 전자공학을 적용하기 위해서 전력손실이 높고 게다가 어느 정도 작동전압이 높은, 즉 절연 요건을 갖춘 부품과 부분 조립품에 초점을 맞추고 있다. 전력 전자부품과 부분 조립품에서는 주로 CTE가 3-8 ppm/K인 Al2O3, AlN 또는 Si3N4로 제조한 코어를 가진 세라믹 기판을 사용하는 것이 통례이다.
이와 관련하여 이들 부분 조립품을 유기 물질로 추가 봉지하는데, 상기 유기 물질은 모듈의 탄성 팽창과 변형에 의해 세라믹 기판에 맞지 않게 되어 이를 보상해 주어야 한다. 그러나 상기 세라믹 기판과 봉지 물질 간 서로 맞지 않은 구성과 후속 기계적 전단 응력은 내부 접촉부, 예를 들면 본드 와이어(bond wire)의 박리 및 파괴로 이어진다.
낮은 팽창을 나타내는 충전제로 유기 매트릭스 물질을 강화시키면 가공 중에 낮은 점도와 임계 거동이 나타난다. 상기 물질들은 충전물에 수축공이 없도록 하기 위해 고온에서 액화하고 고압에서 공구 쉘(tool shell)의 공동 안에 압착되어 들어간다. 그러나 상기 가공은 증가하는 충전도에 비례하여 결함(수축공)이 생기기 쉽고 고온(160℃-200℃)과 고온(15-25 MPa)에 의해 에너지 소비가 많다.
마지막으로, 유기 매트릭스를 가져야 하는 필요성으로 인해 충전제 혼합에도 불구하고 매우 낮고 통상적으로 에폭시 수지의 열전도도(대략 0.4 W/mK)보다 그다지 더 높지 않은 열전도도가 나타나게 된다.
따라서 본 발명의 과제는 열 응력에 저항성이 있는 반도체 모듈, 특히 전력 전자부품 부분 조립품을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제1항의 특징부를 가진 반도체 모듈에 의해 해결된다. 종속항들은 본 발명의 유리한 구성예를 반영한다.
본 발명의 기본 개념은 반도체 부품 봉지용으로 순수 무기 무금속 재료로서 시멘트를 사용하는 것이다. 이와 관련하여 중요한 것은 반도체(전형적으로 CTE는 2.5-4 ppm/K임)와 봉지 재료 간 열팽창을 적절히 구성하는 것이다.
시멘트는 산화물 재료이고 무기 비금속 건축물 재료로서 반도체 봉지용으로 사용하기에 유리한 특성 조합, 즉 높은 전기절연성(20-100 kV/mm), 상대적으로 양호한 열전도도(1-2 W/mK)와 낮은 열팽창(2-10 ppm/K)을 갖고 있다. 시멘트는 보통 천연 원료들인 석회석, 점토와 이회토로 제조되고 소결 향상을 위해 규사와 산화철 함유 물질을 포함할 수 있다. 본 발명을 위해 특히 바람직하게 사용되는 시멘트는 예를 들어 기본 원료들(basic raw materials)인 산화마그네슘, 규산지르코늄과 인산마그네슘으로부터 유리하게 제조할 수 있다.
전력 부품의 무기 봉지 물질은 열전도도를 증가시키기 위해서 바람직하게는 골재로서 질화알루미늄 및/또는 질화붕소를 포함한다. 골재로서 산화알루미늄 및/또는 질화규소도 (경우에 따라 위에서 특정한 물질과 조합하여) 열전도도에 대해 유익한 효과를 갖고 있다.
바람직하게는 상기 봉지 물질은 봉지된 부품의 경계면을 벗어나 있거나 또는 덮여있지 않고 표면의 면에 배치되어 있는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 제조된 금속 냉각 부재에 이르는 열적 경로를 형성하는 열교(heat bridge)이다. 상기 물질을 화학결합(즉, 열전도성이 특히 양호한 물리적 연결)에 의해 접착하는 것이 특히 바람직하다. 따라서 기판 위주의 냉각과 봉지 물질 위주의 냉각을 조합함으로써 열을 여러 측면으로 발산시킬 수 있다.
기판 위 미코팅 부품 및/또는 미코팅 부분 조립품은 바람직하게는 특히 폴리아크릴레이트 분산액으로 제조된 접착 촉진층(프라이머)을 포함할 수 있다. 상기 봉지 물질로 덮는 범위까지 분산액을 박층으로서 부분 조립품에 (예를 들면 분무에 의해) 도포하고 봉지할 부품과 기판의 부품측 표면을 덮는다.
시멘트는 전형적으로 경화 후 잔류 공극률을 갖기 때문에 내습성 코팅을 제공할 수 있다. 이를 위해 2개의 전략이 가능한바: 모세관을 경화에 의해 영구적으로 모세관을 밀봉하는 저점도 보호 물질로 채우는 전략-특히 이를 위해 규산칼륨 또는 규산리튬 수용액이 적합함- 또는 습기가 전혀 또는 조금만 투과하는 보호층으로 시멘트 표면을 코팅하는 전략-특히 이를 위해 경화시킨 에폭시 수지층(바니시)이 적합함.
본 발명에 따르면 무기 시멘트 선택을 통해 반도체 부품, 기판과 봉지 물질 간 팽창 차이를 최소화하더라도 이들 차이는 완전히 없어지지 않는다. 따라서 봉지 체적 내에서 온도 구배로 인해 시멘트 내에는 특히 반도체와 기판과의 경계에서 전단 인장이 나타난다. 시멘트는 압축 응력에 대해서는 상대적으로 저항성이 있지만 인장 응력에는 취약하다.
따라서 인장 응력을 더 큰 체적으로 분포시켜 저항성을 증가시키는 골재로서 원료 시멘트 물질에 섬유를 혼입시키는 것이 바람직하다. 종합하면, 이것은 주기적 온도 응력에 대한 더 높은 저항성으로 이어진다. 시멘트와 매우 마찬가지로 적절한 섬유는 전기적으로 비전도성일 필요가 있고 시멘트에 물리적 결합을 생성할 수 있을 필요가 있다. 이를 위해 예를 들면 유리 섬유, 현무암 섬유, 붕소 섬유와 예를 들면 탄화규소 섬유와 산화알루미늄 섬유와 같은 세라믹 섬유 등의 무기 섬유를 사용하는 것이 통상적이다. 예를 들면 아라미드 섬유와 같은 고융점 유기 섬유 또한 사용할 수 있다.
시멘트의 물리적 결합 능력은 전력손실이 일어나는 반도체로부터 시멘트 물질을 통해 냉각 부재로 바람직한 열전도를 가능하게 한다. 열전도는 하나의 측면 또는 -반도체로부터 비롯되어- 여러 측면으로 이루어질 수 있다.
도면에 나타낸 특히 바람직한 실시예를 토대로 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 도면에서:
도 1은 제1 실시예에 따라 봉지 물질이 글로브 탑(glob-top)으로서 제공되어 있는 본 발명에 따른 반도체 모듈의 개략적인 구성을 도시하고 있고;
도 2는 기계-전기 접속 리드를 제외하고 봉지 물질에 의해 완전히 봉지되어 있는 제2 실시예에 따른 반도체 모듈의 개략적인 구성을 도시하고 있고;
도 3은 반도체의 양측에 공랭용 냉각 부재가 배치되어 있는 제3 실시예에 따른 반도체 모듈의 개략적인 구성을 도시하고 있고;
도 4는 반도체의 양측에 수랭용 냉각 부재가 배치되어 있는 제4 실시예에 따른 반도체 모듈의 개략적인 구성을 도시하고 있고;
도 5는 반도체의 일측에 공랭용 냉각 부재가 배치되어 있고 반도체의 타측에는 수랭용 냉각 부재가 배치되어 있는 제5 실시예에 따른 반도체 모듈의 개략적인 구성을 도시하고 있다.
도 1은 제1 실시예에 따라 봉지 물질이 글로브 탑으로서 제공되어 있는 본 발명에 따른 반도체 모듈의 개략적인 구성을 도시하고 있다.
도 1은 본 발명에 따라 시멘트로 이루어져 있는 봉지 물질에 의해 덮여 있는 반도체 부품(20)을 구비하고 있고 바람직하게는 전력 전자부품용 부분 조립품으로서 구성되어 있는 반도체 모듈(10)을 도시하고 있다. 바람직하게는 반도체 부품(20)과 접촉하는 본드 와이어 또한 봉지 물질에 의해 적어도 부분적으로, 특히 바람직하게는 완전하게 덮여 있고/또는 봉지되어 있다.
이와 관련하여 -공지된 방식으로- 상기 반도체 부품은 세라믹 기판(50) 상에 부착되며, 상기 세라믹 기판은 또한 저면이 냉각 부재(80)에 연결되어 있는 방열판(70)의 상부 측면에 도포되어 있다. 게다가 반도체 모듈(10)은 바깥쪽으로 안내되어 있는 전기 접촉부의 지지체로서 프레임(60)을 포함하고 있다.
상기 제1 실시예에 있어서, 시멘트로 이루어져 있는 봉지 물질(30)은 반도체 부품(20)과 상기 반도체 부품의 본드 와이어(40)를 덮는/봉지하는 소적("글로브 탑(glob-top)")으로서 단순하게 제공된다. 이와 관련하여, "글로브 탑"과 반도체 모듈(10)의 다른 표면 영역은 절연 물질(90), 예를 들면 실리콘 젤에 의해 덮여진다.
도 2는 제2 실시예에 따라 기계 및 열적 접촉 표면을 제외하고 시멘트로 이루어진 봉지 물질로 완전히 봉지되어 있는 무프레임 구성을 갖도록 구성된 반도체 모듈(10)을 도시하고 있다.
상기 구성예는 특히 다음의 도면에 도시되어 있는 실시예에 대한 출발점으로서 적합하다:
도 3은 2개의 측면에서 공랭을 제공하는 전력 부분 조립품을 도시하고 있는 것으로, 상부 냉각 부재(80a)는 냉각 부재에 물리적으로 접촉해 있는 시멘트로 이루어져 있는 무기 봉지 물질로 이루어진 열교에 물리적으로 연결되어 있고 하부 냉각 부재(80b)는 기판에 물리적으로 연결되어 있다.
도시되어 있는 냉각기 구조는 각각 싱글 파트이고 냉각 리브 또는 냉각 핀에 연결되어 공기 또는 물이 난류 과정으로서 통과할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시되어 있는 구성예에 따라 2개의 측면에서 물로 냉각되는 전력 부분 조립품을 도시하고 있는 것으로, 도 4에 도시되어 있는 냉각기 구조는 싱글 파트로 제공되어 있고 밀봉 길이가 짧은 폐쇄 구조 안에서 물이 통과할 수 있도록 내부에 물을 안내하는 채널이 구비되어 있다.
그리고 마지막으로 도 5는 2개의 측면에서 냉각이 이루어지는 전력 부분 조립품을 도시하고 있는 것으로, 하부 냉각 부재(80b)는 싱글 파트로서 제공되어 있는 반면에 상부 냉각 부재(80c)는 멀티 파트로서 제공되어 있다. 상부 냉각 부재(80c)로서 도시되어 있는 냉각기 구조는 예를 들면 반도체 모듈(10)의 상부면에 걸쳐 연장되어 있는 복수 개의 냉각판으로 이루어지거나 반도체 모듈(10)의 표면 전체에 걸쳐 분포되어 있는 복수 개의 냉각 핀으로 이루어져 있다.
반도체 부품 또는 반도체 부분 조립품, 특히 전력 전자부품 부분 조립품을 봉지하기 위한 봉지 물질 및/또는 매트릭스로서 시멘트를 사용하는 이점은 본 발명에 따라 제안한 대로 1.2 내지 1.6 W/mK의 양호한 열전도성과 대략 4.7 ppm/K의 낮은 열팽창(CTE)이다. 게다가 시멘트는 할로겐이 없으며 금속과는 상용성이 있다. 반도체 부품 및/또는 반도체 부분 조립품의 봉지는 대기 조건과 반도체 모듈의 작동온도에 해당하는 온도 범위에서 진행할 수 있기 때문에 반도체 모듈은 변형되지 않을 수 있다. 그리고 마지막으로 시멘트는 또한 회로기판 표면(Cu, Ni/Au)에 잘 접착된다.

Claims (8)

  1. 기판(50), 반도체 부품(20), 봉지 물질(30) 및 절연 물질(90)이 구비된 반도체 모듈(10)로서,
    상기 봉지 물질(30)이 시멘트이며, 상기 시멘트는 기본 원료들인 산화마그네슘, 규산지르코늄과 인산마그네슘으로부터 제조되고,
    상기 봉지 물질(30)이 "글로브 탑"으로서 제공되어 있으며, 상기 봉지 물질(30)이 상기 반도체 부품(20)을 덮고 있고,
    상기 절연 물질(90)이 "글로브 탑"으로서 제공되어 있는 상기 봉지 물질(30)과 기판(50)과 반도체 모듈의 나머지 다른 표면 영역을 완전히 덮고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  2. 제1항에 있어서, 봉지 물질(30)이 반도체 부품(20)에 연결되어 있는 본드 와이어(40)를 적어도 부분적으로 봉지하는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 시멘트가 골재로서 질화알루미늄, 질화붕소, 산화알루미늄 및 질화규소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 시멘트가 시멘트 내 분산되어 있는 섬유상 성분을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  5. 제1항에 있어서, 상기 시멘트에 물리적으로 연결되어 있는 적어도 하나의 냉각 부재(80, 80a, 80b, 80c)를 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  6. 제5항에 있어서, 냉각 부재(80, 80a, 80b, 80c)가 공랭식 또는 액랭식 냉각 부재인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  7. 제1항에 있어서, 상기 반도체 모듈이 전력 전자부품 부분 조립품인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈(10).
  8. 삭제
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