KR101946467B1 - 반도체 장치의 방열구조 - Google Patents

반도체 장치의 방열구조 Download PDF

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Abstract

(과제) 표면실장용의 박형 반도체 장치에 적용할 수 있는 우수한 방열성을 갖는 반도체 장치의 방열구조, 바람직하게는 우수한 절연신뢰성도 겸비하는 반도체 장치의 방열구조를 제공한다.
(해결수단) 기판(20)과 전기적으로 접속되는 전기적 접합면(11a)과, 그 반대쪽의 방열면(11b)을 가지는 반도체 디바이스(10)의 방열구조(101)로서, 방열면(11b)이 비절연부품(32)을 통하여 히트 스프레더(31)에 접합 또는 접촉함과 함께, 이 히트 스프레더(31)가 절연부품(41)을 통하여 히트싱크(30)에 접합 또는 접촉하고 있다.

Description

반도체 장치의 방열구조 {HEAT RADIATION STRUCTURE OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 표면실장형의 반도체 장치(반도체 디바이스)의 방열구조(냉각구조라고도 한다)에 관한 것으로서, 특히, 박형(薄型) 패키지의 반도체 장치에 적용할 수 있는 방열성이나 절연신뢰성을 갖춘 방열구조에 관한 것이다.
도 4(a)는 종래의 리드 타입의 디스크리트 부품(1)을 예시하는 개략 사시도이며, 도 4(b)는 근년 개발되고 있는 표면실장형의 반도체 디바이스(10)를 예시하는 개략 사시도이다.
반도체 스위칭 디바이스의 고속화에 수반하여, 디바이스 자체의 기생 인덕턴스를 작게 할 필요가 있다. 도 4(a)에 나타내는 종래의 디스크리트 부품(1)(예를 들면, 리드 타입의 IGBT)과는 달리, 예를 들면, 도 4(b)에 나타내는 반도체 디바이스(10)에서는, 스위칭 속도가 매우 고속이기 때문에, 가능한 한 작은 기생 인덕턴스를 실현하기 위해서 디바이스 패키지의 박형화가 진행되고 있다.
이러한 반도체 디바이스(10)는, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 초박형의 패키지(11)에 담길 수 있고, 예를 들면, 기판과 전기적으로 접속되는 1 이상의 전극(단자)(12)이 배치된 전기적 접합면(11a)과, 그 반대쪽에 넓은 방열전극(13)이 배치된 방열면(11b)을 가지고 있다. 이 반도체 디바이스(10)의 실장시에는, 우수한 방열성이나 절연신뢰성을 갖출 필요가 있어, 예를 들면, 특허문헌 1 내지 3 등의 기술이 제안되고 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허 특개2014-241340호 공보 특허문헌 2: 일본 공개특허 특개2000-311971호 공보 특허문헌 3: 일본 공개특허 특개2008-028163호 공보
도 5(a)는 종래의 방열구조(201)를 개략적으로 예시하는 단면도이며, 도 5(b)는 그 변형예인 방열구조(201A)를 개략적으로 예시하는 단면도이다.
도 5(a)에 나타내는 방열구조(201)에서는, 도전성을 가지는 방열 및 냉각 부품(이하에서는 단지 「방열부품」이라고 한다)의 일례인 히트싱크(30) 상에, 절연부품(41)을 통하여 반도체 디바이스(10)가 그 방열면(11b)을 아래로 하여 접합 또는 접촉하도록 탑재됨과 함께, 그 전기적 접합면(11a)의 전극(12)이 기판(20)의 하부면 패턴(22)에 납땜되어 있다.
이러한 방열구조(201)에 의하면, 반도체 디바이스(10)에서 발생한 열은, 그 방열면(11b)으로부터 절연부품(41)을 통하여 히트싱크(30)에 전해진다.
또, 도 5(b)에 나타내는 방열구조(201A)에서는, 히트싱크(30) 상에 절연부품(41)을 통하여 기판(20)의 하부면 패턴(22)이 접촉함과 함께, 기판(20)의 상부면 패턴(21)과 반도체 디바이스(10)의 전기적 접합면(11a)의 전극(12)이 납땜되어 있다.
이러한 방열구조(201A)에 의하면, 반도체 디바이스(10)에서 발생한 열은, 그 전기적 접합면(11a)의 전극(12)으로부터 기판(20)에 설치된 서멀비아 또는 인레이와 절연부품(41)을 통하여 히트싱크(30)에 전해진다.
이러한 방열구조(201, 201A)에는, 다음과 같은 과제가 있지만, 적어도 1)의 과제의 해소, 즉, 발열체인 반도체 디바이스(10)와 히트싱크(30) 사이의 열저항을 최소로 하는 것이 필요하다. 더욱이, 2) 내지 4)의 과제도 해소할 수 있는 것이 바람직하다.
1) 발열체(반도체 디바이스(10))의 방열(냉각) 성능(절연부품(41)의 열전도)
2) 패키지(11) 상의 상부면 전극과 하부면 전극의 절연
3) 패키지(11)와 방열부품과의 절연
4) 기판(20)의 전기배선과 방열부품과의 절연
종래기술의 이러한 과제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 표면실장용의 박형 반도체 장치에 적용할 수 있는 우수한 방열성을 갖춘 반도체 장치의 방열구조, 바람직하게는 우수한 절연신뢰성도 겸비하는 반도체 장치의 방열구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 반도체 장치의 방열구조는, 기판과 전기적으로 접속되는 전기적 접합면과, 그 반대쪽의 방열면을 가지는 반도체 장치의 방열구조로서, 상기 방열면이 비절연부재를 통하여 도전성 고열전도부재에 접합 또는 접촉함과 함께, 이 도전성 고열전도부재가 제1 절연부재를 통하여 방열부품에 접합 또는 접촉하며, 상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재는 서로 이격되어, 상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재와의 사이에 공간이 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 도전성 고열전도부재의 두께는, 상기 반도체 장치의 두께보다 두껍고, 상기 도전성 고열전도부재는, 평면에서 볼 때 상기 방열부품보다 작은 것이 바람직하다. 상기 반도체 장치 및 상기 도전성 고열전도부재가 예를 들어 평면에서 볼 때 모두 대략 사각형상인 경우, 상기 도전성 고열전도부재의 각 변의 길이는, 상기 도전성 고열전도부재의 두께의 2배와 상기 반도체 장치의 각 변의 길이와의 합보다 큰 것이 바람직하다. 다만, 상기 도전성 고열전도부재는, 평면에서 볼 때 대략 사각형상으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 대략 원형상일 수도 있고, 그 크기는, 대략 사각형상의 경우에 준하여 정해질 수 있다. 또, 상기 제1 절연부재는, 평면에서 볼 때 상기 도전성 고열전도부재보다 큰 것이 바람직하다.
이러한 구성의 반도체 장치의 방열구조에 의하면, 반도체 장치에서 발생한 열은, 그 방열면으로부터 비절연부재를 통하여 도전성 고열전도부재에 전해져 확산되고, 더욱이 제1 절연부재를 통하여 방열부품에 전해지므로, 우수한 방열성을 갖는다.
본 발명의 반도체 장치의 방열구조에 있어서, 상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재와의 사이에 상기 반도체 장치의 외주 및 상기 기판의 패턴의 적어도 일부를 덮도록 제2 절연부재가 배치되며, 상기 기판과 상기 제2 절연부재는 서로 이격되어 있을 수도 있다. 더욱이, 상기 제2 절연부재가 상기 기판과 상기 방열부품과의 사이의 공간을 차지하도록 배치되며, 상기 공간을 차지하도록 배치되어 있는 상기 제2 절연부재와 상기 기판은 서로 이격되어 있을 수도 있다.
여기서, 상기 제2 절연부재는, 상기 방열부품에의 고정을 위한 관통구멍을 가질 수도 있다. 상기 제2 절연부재는, 예를 들면, 절연 내열성 수지에 의한 성형 혹은 절삭 가공품, 절연 내열성의 테이프, 절연 내열성의 수지에 의한 패키징(封止), 또는 이것들 중 어느 2개 이상의 조합에 의해서 배치될 수도 있다.
이러한 구성의 반도체 장치의 방열구조에 의하면, 우수한 방열성을 갖는 동시에, 절연파괴의 발생도 회피할 수 있다.
본 발명의 반도체 장치의 방열구조에 의하면, 반도체 장치에서 발생한 열은, 그 방열면으로부터 비절연부재를 통하여 도전성 고열전도부재에 전해져 확산되고, 더욱이 제1 절연부재를 통하여 방열부품에 전해지므로, 우수한 방열성을 갖는다.
더욱이, 상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재와의 사이에 상기 반도체 장치의 외주 및 상기 기판의 패턴의 적어도 일부를 덮도록 제2 절연부재가 배치되어 있는 경우에는, 우수한 방열성을 갖는 동시에, 절연파괴의 발생도 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 방열구조(101)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 방열구조(102)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에 따른 방열구조(102A)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4(a)는 종래의 리드 타입의 디스크리트 부품(1)을 예시하는 개략 사시도이며, 도 4(b)는 근년 개발되고 있는 GaN 디바이스와 같은 표면실장형의 반도체 디바이스(10)를 예시하는 개략 사시도이다.
도 5(a)는 종래의 방열구조(201)를 개략적으로 예시하는 단면도이며, 도 5(b)는 그 변형예인 방열구조(201A)를 개략적으로 예시하는 단면도이다.
이하, 본 발명의 몇 개의 실시형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
< 제1 실시형태 >
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 방열구조(101)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 방열구조(101)에서는, 도전성을 가지는 방열부품의 일례인 히트싱크(30)(예를 들면 열전도율 190W/mk 이상) 상에, 얇은 시트상의 절연부품(41)을 통하여, 비절연의 열확산 소자(도전성을 가지는 고열전도부품)의 일례인 히트 스프레더(31)가 접합 또는 접촉하도록 탑재되어 있다. 이 히트 스프레더(31) 상에는, 얇은 비절연부품(32)을 통하여, 발열체의 일례이며 초박형의 패키지(11)에 담을 수 있는 반도체 디바이스(10)가 그 방열면(11b)를 아래로 하여 접합 또는 접촉하도록 탑재되어 있다. 그 전기적 접합면(11a)의 전극(12)은, 기판(20)의 하부면 패턴(22)에 남땜 등에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
반도체 디바이스(10)는, 각 전극(12) 및 방열전극(13)이 모두 패키지(11)의 외형보다 내측에 배치되어 있고, 거의 패키지의 두께(T1)에 담겨 있다. 패키지 두께(T1)는, 예를 들면 2mm 이하가 바람직하다.
히트 스프레더(31)는, 그 두께(T2)가 예를 들면 2mm 이상이 바람직하고, 그 사이즈는 반도체 디바이스(10)보다 크고, 히트싱크(30)보다 작다. 히트 스프레더(31)의 각 변의 길이(L2)는, 반도체 디바이스(10)의 1변의 길이를 L1이라고 하면, L1 + 2 × T2 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그 재료로서는, 예를 들면 열전도율 190W/mk 이상의 고열 전도성 금속, 구체적으로는 동 또는 알루미늄을 들 수 있지만, 이것들에 한정되지 않는다.
비절연부품(32)으로서는, 예를 들면 열전도율 20W/mk 이상의 재료, 구체적으로는 땜납 또는 그래파이트를 들 수 있지만, 이것들에 한정되지 않는다.
절연부품(41)으로서는, 예를 들면 열전도율이 1 ~ 10W/mk이고 내(耐)전압이 1500V 이상인 부재로 하는 동시에, 절연거리를 확보하기 위해서 히트 스프레더(31)보다 큰 것이 바람직하다.
이러한 방열구조(101)에 의하면, 반도체 디바이스(10)의 방열면(11b)이 비절연으로 히트 스프레더(31)에 접촉함과 함께, 이 히트 스프레더(31)가 히트싱크(30)와 절연으로 접촉하고 있다. 이것에 의해, 반도체 디바이스(10)에서 발생한 열은, 그 방열면(11b)으로부터 비절연부품(32)을 통하여 히트 스프레더(31)에 전해져 확산되고, 더욱이 절연부품(41)을 통하여 히트싱크(30)에 전해지므로, 우수한 방열성을 갖는다.
< 제2 실시형태 >
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 방열구조(102)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 제1 실시형태와 동일한 구성 부재에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이하에서는 주로 차이점에 대해 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이 방열구조(102)에서는, 제1 실시형태의 방열구조(101)의 구성에 더하여, 기판(20)과 히트 스프레더(31) 사이에, 반도체 디바이스(10)의 외주 및 기판(20)의 패턴(적어도 히트 스프레더(31)와 고전압차가 될 수 있는 패턴)을 덮도록 횡단면이 L자 형상인 절연부품(42)이 삽입되어 있다. 다만, 이러한 절연부품(42)의 삽입으로 한정하지 않고, 동일한 절연재료의 도포 등에 의해서, 반도체 디바이스(10)의 외주에 이 절연재료가 존재하도록 배치할 수 있다. 즉, 반도체 디바이스(10)의 외주 상의 기판(20)과 히트 스프레더(31)에 끼워진 공간에 절연재료에 의한 절연층을 가지는 구조로 한다.
절연부품(42)으로서는, 예를 들면 절연 내열성 수지(예를 들면 PPS)에 의한 성형 혹은 절삭 가공품, 절연 내열성의 테이프, 절연 내열성의 수지(예를 들면 에폭시나 실리콘 등)에 의한 패키징, 또는 이것들 중 어느 2개 이상의 조합을 들 수 있지만, 이것들로 한정되지 않는다.
히트 스프레더(31)는, 반도체 디바이스(10)의 패키지(11)와의 접합 또는 접촉부가 주위보다 높아져 있는 것이 바람직하다.
이러한 방열구조(102)에 의하면, 반도체 디바이스(10)의 방열면(11b)이 비절연으로 히트 스프레더(31)에 접촉함과 함께, 이 히트 스프레더(31)가 히트싱크(30)와 절연으로 접촉하고 있고, 더욱이 반도체 디바이스(10)의 외주 및 기판(20)의 패턴이 절연부품(42)에 의해서 덮인다. 이것에 의해, 우수한 방열성을 갖는 동시에, 절연 파괴의 발생도 회피할 수 있다.
< 제2 실시형태의 변형예 >
도 3은 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에 따른 반도체 디바이스(10)의 방열구조(102A)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 제2 실시형태와 동일한 구성 부재에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이하에서는 주로 차이점에 대해 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이 방열구조(102A)에서는, 제2 실시형태의 방열구조(102)의 구성에 있어서의 절연부품(42)에 대신하여, 기판(20)과 히트싱크(30) 사이에 나머지 공간을 차지하는 절연부품(42A)이 삽입되고, 히트싱크(30) 상에 설치된 나사구멍(30a)에 나사(50)로 고정되어 있다. 이 절연부품(42A)은, 기판(20)과 히트싱크(30) 사이에서 반도체 디바이스(10)뿐만이 아니라, 기판(20)의 하부면(하부면 패턴(22)도 포함한다), 비절연부품(32), 히트 스프레더(31) 및 절연부품(41)도 포함하는 전체 외주를 덮는다.
비절연부품(32)으로서는, 예를 들면, 땜납이나 그래파이트 시트 등을 들 수 있지만, 이것들로 한정되지 않는다.
히트 스프레더(31)로서는, 예를 들면, 동(銅)제의 것을 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 그 두께(T2)는, 예를 들면 2mm 이상이 바람직하다. 그 사이즈(각 변의 길이를 L2라고 한다)는, 반도체 디바이스(10)의 1변의 길이를 L1이라고 하면, L1 + 2 × T2보다 크고, 히트싱크(30)보다는 작게 하는 것이 바람직하다.
절연부품(41)으로서는, 예를 들면, 절연 시트(예를 들면 열전도율이 5W/mk)를 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
히트싱크(30)로서는, 예를 들면, 알루미늄제의 것을 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
이러한 방열구조(102A)에 의하면, 제2 실시형태의 방열구조(102)와 마찬가지로, 반도체 디바이스(10)의 방열면(11b)이 비절연으로 히트 스프레더(31)에 접촉함과 함께, 이 히트 스프레더(31)가 히트싱크(30)와 절연으로 접촉하고 있고, 더욱이 반도체 디바이스(10)의 각 전극(12)의 주위가 절연부품(42A)에 의해서 덮인다. 이것에 의해, 우수한 방열성을 갖는 동시에, 절연 파괴의 발생을 회피할 수 있다.
이상에서 설명한 각 실시형태 및 그 변형예 등의 각 구성은, 저해요인 등이 특히 없는 한, 서로 조합할 수도 있다.
또한, 본 발명은, 그 주지 또는 주요한 특징으로부터 일탈함 없이, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상술한 각 실시형태나 각 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며, 한정적으로 해석해서는 안 된다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 의해서 나타나는 것이며, 명세서 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 더욱이, 특허청구의 범위의 균등범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
10: 반도체 디바이스
11: 패키지
12: 전극
13: 방열전극
20: 기판
30: 히트 싱크
31: 히트 스프레더
32: 비절연부품
41: 절연부품
42: 절연부품
42A: 절연부품
50: 나사

Claims (7)

  1. 기판과 전기적으로 접속되는 전기적 접합면과, 그 반대쪽의 방열면을 가지는 반도체 장치의 방열구조로서,
    상기 방열면이 비절연부재를 통하여 도전성 고열전도부재에 접합 또는 접촉함과 함께,
    이 도전성 고열전도부재가 제1 절연부재를 통하여 방열부품에 접합 또는 접촉하며,
    상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재는 서로 이격되어, 상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재와의 사이에 공간이 존재하고 있으며,
    상기 기판과 상기 도전성 고열전도부재와의 사이에 상기 반도체 장치의 외주 및 상기 기판의 패턴의 적어도 일부를 덮도록 제2 절연부재가 배치되며,
    상기 기판과 상기 제2 절연부재는 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 고열전도부재의 두께는, 상기 반도체 장치의 두께보다 두껍고,
    상기 도전성 고열전도부재는, 평면에서 볼 때 상기 방열부품보다 작고,
    상기 반도체 장치 및 상기 도전성 고열전도부재가 평면에서 볼 때 모두 사각형상인 경우, 상기 도전성 고열전도부재의 각 변의 길이는, 상기 도전성 고열전도부재의 두께의 2배와 상기 반도체 장치의 각 변의 길이와의 합보다 큰 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열구조.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 제1 절연부재는, 평면에서 볼 때 상기 도전성 고열전도부재보다 큰 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열구조.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 절연부재가 상기 기판과 상기 방열부품과의 사이의 공간을 차지하도록 배치되며,
    상기 공간을 차지하도록 배치되어 있는 상기 제2 절연부재와 상기 기판은 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열구조.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 절연부재는, 상기 방열부품에의 고정을 위한 관통구멍을 가지는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 절연부재는, 절연 내열성 수지에 의한 성형 혹은 절삭 가공품, 절연 내열성의 테이프, 절연 내열성의 수지에 의한 패키징(封止), 또는 이것들 중 어느 2개 이상의 조합에 의해서 배치되는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열구조.
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