KR102132056B1 - 전력 반도체 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전력 반도체 모듈은 상호 이격된 제1, 제2, 제3 금속 패턴을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 반도체 소자, 상기 기판 상에 위치하고 제1, 제2, 제3, 제4 바디를 갖는 리드 프레임, 상기 제1 바디에 연결된 제1 단자, 상기 제2 바디에 연결된 제2 단자 및 상기 제3 바디 및 제4 바디를 서로 연결하는 제3 공통 단자를 포함하고, 상기 제3 공통 단자의 길이는 상기 제1 및 제2 단자의 길이보다 길 수 있다. 따라서, 전력 반도체 모듈은 단자의 수를 줄여, 리드 프레임을 구현하여 모듈 제조 공정시 불량 결합을 최소화 할 수 있다.

Description

전력 반도체 모듈 및 이의 제조 방법{POWER SEMICONDUCTOR MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전력 반도체 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 칩이 부착된 DBC 기판과 복수의 단자를 포함하는 리드 프레임과의 결합을 용이하게 하는 전력 반도체 모듈 및 제조 방법에 관한 것이다.
전력반도체는 전기 에너지를 활용하기 위해 직류 교류 간의 전력변환(AC→DC), 전력변압(강압,승압), 전력안정(Power Stabilization), 전력분배(Power Management) 및 제어(Power Control)등을 수행하는 데 사용되는 반도체이다.
전력 반도체는 높은 전력을 요구하는 파워 서플라이, UPS, 용접기, 전기차에 사용되고 있다. 대표적인 전력 반도체로는 IGBT, MOSFET, Super Junction, diode 등을 들 수 있다.
전력 반도체 모듈은 디스크리트(Discrete) 단품 소자와 달리, 집적회로(IC) 및 다중소자(IGBT, FRD)를 하나의 package로 집적한 모듈(Module)을 말한다. 예를 들어 고전력 반도체 소자인 IGBT와 Turn on/off 변환을 도와주는 FRD 소자를 하나로 묶어서 사용하는 고효율 전력 소자를 말한다. 이러한 전력 반도체 소자들을 복수개로 나란히 배치하여 고전력을 발생시키는 전력 반도체 모듈을 제조할 수 있다.
종래 기술에 의한 전력 반도체 모듈 패키징 방법에서는 리드 프레임에 붙어 있는 복수의 단자들을 DBC 기판과 결합하는 과정이 포함된다. 복수개의 단자를 하나의 DBC 기판의 원하는 영역에 동시에 접착하는 과정 중에, 리드 프레임에 압력을 가하게 된다. 이 때 압력이 고르게 적용되지 않으면, 어느 하나의 단자가 들뜨거나, 잘 부착되지 않는 문제점이 발생 할 수 있다. 그러한 불량인 상태에서 후속 공정, 예를 들어, 솔더링, 와이어 본딩, 몰딩, 트리밍, 마킹, final test까지 가게 되는데, final test 에서 그 문제가 노출된다. 그렇게 되면 비싼 후속 공정에 의해 엄청난 cost 부담을 안게 된다.
본 발명의 일 실시예는 단자의 수를 줄여서 단자와 기판의 결합 불량을 최소화하는 것이 목적이다.
본 발명의 일 실시예는 단자의 결합 분량을 미리 체크하여 불량을 조기에 발견하고, 그에 따라 비용을 아낄 수 있는 전력 반도체 모듈 패키징 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 전력 반도체 모듈은 상호 이격된 제1, 제2, 제3 금속 패턴을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 반도체 소자, 상기 기판 상에 위치하고 제1, 제2, 제3, 제4 바디를 갖는 리드 프레임, 상기 제1 바디에 연결된 제1 단자, 상기 제2 바디에 연결된 제2 단자 및 상기 제3 바디 및 제4 바디를 서로 연결하는 제3 공통 단자를 포함하고, 상기 제3 공통 단자의 길이는 상기 제1 및 제2 단자의 길이보다 길 수 있다.
상기 제1 단자는 상기 제1 금속 패턴과 연결되고, 상기 제2 단자는 상기 제2 금속 패턴과 연결되며, 상기 제3 공통 단자는 상기 제3 금속 패턴과 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제3 금속 패턴은 솔더 영역과 비솔더 영역으로 구분하고, 상기 제3 공통 단자는 상기 상기 솔더 영역 상에 위치하며, 상기 반도체 소자는 상기 비솔더 영역과 와이어 본딩될 수 있다.
상기 제1 단자는 상기 반도체 소자의 드레인 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 단자는 상기 반도체 소자의 게이트 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제3 공통 단자는 상기 반도체 소자의 소스 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제3 금속 패턴은 적어도 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역 상에서 와이어 본딩이 수행되며, 상기 제2 영역 상에 상기 제3 공통 단자가 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 영역의 폭은 상기 제2 금속 패턴의 폭과 같을 수 있다. 다른 일 실시예에서, 상기 제1 영역의 폭과 상기 제2 영역의 폭은 같을 수 있다.
상기 반도체 소자는 IGBT 및 FRD 소자를 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 도전막, 제2 절연막, 제3 도전막으로 이루어지고, 상기 제1 및 제3 도전막은 전기적으로 서로 분리되며, 상기 제3 도전막은 상기 제1, 제2, 제3 금속패턴을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 단자의 길이는 제1 단자의 길이보다 짧을 수 있다.
실시예들 중에서, 전력 반도체 모듈 제조 방법은 금속 패턴을 포함하는 DBC 기판을 준비하는 단계, 상기 DBC 기판의 금속 패턴과 전력 반도체 소자의 전극과 와이어 본딩하여 전력 반도체 모듈을 형성하는 단계, 상기 전력 반도체 모듈의 불량 여부를 테스트 하는 단계, 상기 DBC 기판을 베이스 플레이트와 결합하는 단계 및 상기 DBC 기판과 상기 리드 프레임을 결합하는 단계를 포함한다.
전력 반도체 모듈 제조 방법은 상기 DBC 기판과 상기 리드 프레임을 결합하는 단계 이후, 솔더링, 몰딩, 트리밍, 마킹 및 최종 테스트 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 패턴은 상호 이격된 제1, 제2, 제3 금속 패턴을 포함하고, 상기 리드 프레임은 제1, 제2, 제3, 제4 바디를 가지며, 상기 제1 바디에 연결된 제1 단자, 상기 제2 바디에 연결된 제2 단자 및 상기 제3 바디 및 제4 바디를 서로 연결하는 제3 공통 단자를 더 포함하고, 상기 제3 공통 단자의 길이는 제1 및 제2 단자의 길이보다 길 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈은 단자의 수를 줄여, 리드 프레임을 구현하여 모듈 제조 공정시 불량 결합을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈 제조 방법은 반도체 소자를 와이어 본딩한 후, 조기 테스트를 실시함으로써, 불량품을 조기에 발견하여 모듈 제조 공정에 대한 시간 및 비용의 낭비를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈을 구성하고 있는 요소들을 나타내는 도면이다.
도 3은 전력 반도체 모듈 제조 공정의 하나인 리드 프레임의 단자와 DBC 기판과의 접착 방법을 나타내는 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일시예에 따른 전력 반도체 모듈에서 DBC 기판 위에서 형성된 리드 프레임과 반도체 칩과의 결합 상태를 나타내는 도면이다.
도 6, 7, 8은 본 발명의 일시예에 따른 전력 반도체 모듈 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 전력 반도체 모듈을 몰딩 공정과 트리밍 및 성형 공정 단계를 보여주는 도면이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 실시예에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈을 나타내는 도면이다.
도 1a는 전력 반도체 모듈(100)을 나타낸다. 전력 반도체 모듈은 베이스 플레이트(110), 기판(120), 리드 프레임(130), 복수의 반도체 소자(151, 152)를 포함한다. 기판은 베이스 플레이트 위에 형성된다. 리드 프레임 및 복수의 반도체 소자는 기판 위에 형성된다. 여기서, 하나의 리드 프레임은 4개의 바디 영역(130-1,130-2, 130-3, 130-4)과 복수 개의 단자(131,132,133)로 구성된다. 기판은 도 2b에서 자세히 설명하겠지만, 3개의 금속 패턴 영역(121, 122, 123)으로 나누어져 있다. 그리고 복수의 반도체 소자와 기판은 Wire bonding에 의해 전기적으로 연결된다. 또한 리드 프레임과 복수의 반도체 소자는 전기적으로 서로 연결되어 있다.
도 1b, 1c, 1d는 도 1a에서 B-B, C-C, D-D에 대한 각각의 단면도이다. 도 1b를 보면, 베이스 플레이트(110) 위에 기판(120)이 형성된다. 기판(120)은 Direct Bonded Copper (DBC) 기판을 말한다. 도 1b에서 보듯이, DBC 기판(120)은 제1 도전막(117), 제2 절연막(118), 제3 도전막(119)으로 이루어진다. 제1 및 제3 도전막은 제2 절연막에 의해 전기적으로 서로 분리된다. 여기서 제1 및 제3 도전막이 Copper 물질로 형성되어 있다. 제3 도전막은 복수개의 금속 패턴(121,122,123)을 포함하고 있다. 복수 개의 금속 패턴은 전기적으로 서로 분리된다. 도 1b를 보면, 리드 프레임의 제1 바디(130-1)와 연결된 제1 단자(131)가 제1 금속 패턴(121) 위에 형성되어 있다. 또한 리드 프레임의 제2 바디(130-2)와 연결된 제2 단자(132)가 제2 금속 패턴(122) 위에 형성되어 있다. 각 단자와 금속 패턴 사이에는 금속 물질의 솔더 층(도시 하지 않음)이 형성되어 있기 때문에 전기적으로 서로 연결된다.
도 1c를 보면, 도 1b와 마찬가지로, 베이스 플레이트(110) 위에 기판(120)이 형성된다. 그 기판은 제1 금속 패턴(121)이 형성되어 있는데, 복수의 반도체 소자(151, 152)가 제1 금속 패턴(121) 위에 서로 독립적으로 형성된다. 일 실시예에서, 반도체 소자(151, 152)는 고속 역회복 다이오드(FRD), 모스펫(MOSFET), 트랜지스터(TR), 다이오드(Diode), 콘트롤 IC, 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 통해 구현될 수 있다. 즉, 전력 반도체 소자(151, 152)는 다양한 형태로 구현될 수 있고, 전력 반도체 모듈(100)의 특성을 결정할 수 있다. 여기서 전력 반도체 소자는 복수 개로 구성된다. 본 발명에서는 FRD 소자(151)과 IGBT 소자(152)를 표시했지만, 추가로 Control IC (도시 되지 않음)가 추가 될 수 있다. Control IC 는 IGBT 소자를 콘트롤 하는 IC이다. 여기서 복수의 전력 반도체 소자와 리드 프레임은 같은 평면을 사용한다. 즉, 복수의 전력 반도체 소자와 리드 프레임은 DBC 기판의 금속 패턴이라는 동일한 평면 상에 형성되고, 서로 떨어져서 형성된다.
도 1d를 보면, 도 1b와 마찬가지로, 베이스 플레이트(110) 위에 DBC 기판(120)이 형성된다. 그리고 리드 프레임(130)의 제3 바디(130-3) 및 제4 바디(130-4)와 연결된 제3 공통 단자(133)가 제3 금속 패턴(123) 위에 형성되어 있다. 결국, 각각의 금속 패턴이 리드 프레임의 복수의 단자와 1대1로 연결된다.
도 2에서 전력 반도체 모듈(100)을 구성하고 있는, 베이스 플레이트, DBC 기판, 복수의 단자를 가지고 있는 리드 프레임을 각각 분리해서 설명하고자 한다.
도 2a는 베이스 플레이트(110)를 나타낸다. 전력 반도체 모듈 패키징(100)의 베이스를 형성하며, 열 방출 기능을 한다. 베이스 플레이트(110)는 상단에 솔더를 마운팅하여 DBC 기판(120)을 수용할 수 있다.
도 2b는 DBC 기판(120)을 나타낸다. DBC 기판은 Direct Bonded Copper 기판을 말한다. DBC 기판(120)은 제1 도전막, 제2 절연막, 제3 도전막으로 이루어지고, 제1 및 제3 도전막은 전기적으로 서로 분리되며, 제3 도전막은 제1, 제2, 제3 금속패턴(121, 122, 123)을 포함할 수 있다.
도 2c, 2d, 2e 모두, 하나의 리드 프레임(130)을 나타낸다. 도 2c에서 보듯이, 리드 프레임은 제1 바디(130-1), 제2 바디(130-2), 제3 바디(130-3) 및 제4 바디(130-4)를 포함한다. 본 발명에서는 하나의 리드 프레임을 사용한다. 종래에는 별개의 2개의 리드 프레임을 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 하나의 제3 공통 단자를 사용하였기 때문에 모두 서로 연결되어 있는 하나의 리드 프레임으로 존재한다. 후속 트리밍 공정에 의해 4개의 바디로 분리된다.
제1 바디에 연결된 제1 단자(131), 제2 바디에 연결된 제2 단자, 제3 및 제4 바디에 연결된 제3 공통 단자를 더 포함한다. 일 실시예에서, 제2 단자(132)의 길이는 제1 단자(131)의 길이보다 짧을 수 있다. 그 이유는 제1 단자(131)는 반도체 소자의 드레인 전극과 연결되는데, 드레인 영역에서 전류량이 많기 때문에 더 길게 할 수 있다. 일 실시예에서, 제3 공통 단자(133)의 길이는 제1 및 제2 단자들(131, 132)의 길이보다 더 길다. 그 이유는 제3 공통 단자는 단자 수를 줄이기 위해 하나로 통합되어 있기 때문이다.
일 실시예에서, 리드 프레임(130)은 제1 바디(130-1)와 제3 바디(130-3) 사이와 제2 바디(130-2)와 제4 바디(130-4) 사이에 형성되는 트리밍 영역들(137)을 더 포함할 수 있다. 트리밍 영역들(137)은 전력 반도체 모듈 패키징(100)의 어셈블리 패키지(310)가 완성되면 트리밍되어 제거될 수 있다. 즉, 제1 바디(130-1)와 제3 바디(130-3) 및 제2 바디(130-2)와 제4 바디(130-4)는 트리밍 영역들(137)이 제거되기 전까지 서로 연결되어 있다.
도 2d는 도 2c의 옆면에서 바라본 리드 프레임의 단면도이다. 그리고 도 2e는 리드 프레임의 제3 바디, 제4 바디를 중심으로 바라본 리드 프레임의 단면도이다. 제1 바디 및 제2 바디는 각각의 단자가 형성되어 서로 떨어져 있으나, 제3바디 및 제4 바디는 하나의 공통 단자(133)로 서로 연결되어 있다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 전력 반도체 모듈의 효과를 설명하고자 위해 제시되었다. 우선 전력 반도체 모듈 제조 공정에는 리드 프레임과 DBC 기판과의 접착 공정이 포함된다.
도 3a는 종래 기술에 따른 리드 프레임과 DBC 기판과의 접착 공정의 예를 나타낸다. 종래의 리드 프레임은 2개의 리드 프레임을 가지고 있고, 각 리드 프레임 마다 2개의 바디와 2개의 단자로 구성되어 있다. 그래서 총 4개의 바디가 있고, 각각 바디와 연결된 4개의 단자를 포함한다. 보다 상세히 보면, 제3 및 제4 바디들(130-3, 130-4)과 각각 연결된 제3 및 제4 단자(133, 134)를 포함하는 리드 프레임을 포함한다. 제3 및 제4 단자(133, 134)를 접착할 때 각각의 단자 아래에 있는 솔더층(141-145)의 형상에 의해 영향을 받는다. 제 3단자의 아래에 있는 솔더 층은 정상적인 두께로 코팅되어 있다고 가정하고, 제 4단자 아래에 있는 솔더 층(140)은 두껍게 형성되어 있다고 가정한 경우이다. 그래서 제4 단자의 경우는, 단자 아래에 있는 솔더 층(140)의 두께가 두꺼워서, 제4 단자가 기울어진 형태로 접착된다. 이렇게 되면 후속 공정을 위해 바디를 고정하고자 할 때 문제가 생길 수 있다. 어느 한쪽의 바디가 기울어져 있기 때문에 문제가 생길 수 있다. 또한 제4 단자(134)가 기울어진 형태가 될 경우, 와이어 본딩 시에 문제가 생길 수 있다. 와이어 본딩이 제대로 되지 않아 반도체 소자와 연결에 문제가 발생할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리드 프레임과 DBC 기판과의 접착 예를 나타내는 도면이다. 앞의 도 1d에서 설명했듯이, 제3 및 제4 바디들(130-3, 130-4)은 공통 단자(133)으로 묶어져 있다. 그래서 단자의 수가 2개에서 1개로 줄어든 경우이다. 두 개의 단자가 하나의 제3 공통 단자(133)로 바뀌었기 때문에, 도 3a와 같이 솔더 층의 두께에 차이가 있어도, 위에서 언급한 문제가 발생하지 않는다. 왜냐하면 솔더 층의 두께에 차이가 있어도 하나의 단자를 사용했기 때문에 아무런 문제가 되지 않는다. 하나의 단자만을 사용했기 때문에 단자가 기울어지지 않는다.
도 4 및 도 5는 일시 예에 따른 전력 반도체 모듈을 구성하고 있는 DBC 기판에 대한 자세한 내용을 기술하기 위해 제시된 도면이다. 또한 DBC 기판 위에 형성되는 반도체 칩(또는 die)과 리드 프레임과의 결합 상태를 보여 주기 위해 제시 되었다.
먼저 도 4a에 DBC 기판을 나타내었다. DBC 기판(120)은 상호 이격된 제1 금속 패턴(121), 제2 금속 패턴(122) 및 제3 금속 패턴(123)을 포함할 수 있다. 각각의 금속 패턴은 서로 전기적으로 분리되어 있다.
도 4b는 솔더 층(141-145)이 DBC 기판에 형성된 모습을 보여준다. 금속성 솔더 층(141-145)은 복수의 반도체 소자와 리드 프레임의 복수의 단자(또는 터미널)가 DBC 기판에 잘 부착되도록 하기 위해 올라가는 물질이다. 솔더 코팅 공정을 통해서 원하는 위치에 솔더 층을 형성한다. 솔더 층(141-145)은 기판의 상호 이격된 제1, 제2 및 제3 영역들(121, 122, 123)의 상단에 형성된다. 그래서 솔더층은 제1 단자(131), 제2 단자(132), 제3 공통 단자(133)와 반도체 소자(151, 152)를 수용할 수 있는 면적을 가질 수 있다. 솔더 층(141-145)은 솔더 프리폼(Solder Preform) 또는 솔더 페이스트(Solder Paste)를 통해 구현될 수 있다.
도 4c는 앞에서 설명한 솔더 물질을 이용해서, 리드 프레임(130)의 복수의 단자(131-133)와 복수의 전력 반도체 소자(151, 152)가 DBC 기판(120)에 각각 결합된 모습을 나타낸다.
도 4d는 전력 반도체 소자와 리드 프레임의 단자와 전기적으로 연결하기 위해서 와이어 본딩(211~213)된 모습을 나타낸다. 일 실시예에서, 제1 단자(131)는 제2 반도체 소자(152)의 드레인 전극과 전기적으로 연결된다. 제2 단자(132)는 제2 반도체 소자(152)의 게이트 전극과 wire bonding(213)을 통해 전기적으로 연결된다. 제3 공통 단자(133)는 제2 반도체 소자(152)의 소스 전극과 wire bonding(212)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서 제2 반도체 소자(152)의 드레인 전극은 제2 반도체 소자(152)의 후면이 DBC 기판의 표면과 직접 contact 하고 있기 때문에 wire bonding을 하지 않아도 된다. 또한 제3 공통 단자(133)는 제1 반도체 소자(151)의 소스 전극과도 wire bonding(211)을 통해 전기적으로 연결된다. 그래서 결국, 제3 공통 단자에 의해 제1 반도체 소자의 소스 영역과 제2 반도체 소자의 소스 영역은 서로 전기적으로 연결된다.
여기서 제1 반도체 소자(151)는 FRD(fast recovery diode), 제2 반도체 소자(152)는 IGBT 또는 Trench MOSFET, Planar MOSFET 일 수 있다. FRD 소자에 의해 IGBT 소자의 turn of/off 변환에 걸리는 시간을 짧게 해줄 수 있다. 그만큼 switching loss 를 줄여줄 수 있다.
도 5는 다른 일시예에 따른 전력 반도체 모듈을 구성하고 있는 DBC 기판, 반도체 소자, 리드 프레임의 결합관계를 나타내었다. 도 4와 다른 점은 DBC 기판이 달라졌다는 것이다. 특히 제3 금속 패턴 모양이 도 4(a)의 금속 패턴과 다르다.
도 5a 및 5b에서 보듯이, 제3 금속 패턴(123)은 제1 영역(123-1) 및 제2 영역(123-2)으로 나누어져 있다. 여기에서, 제1 영역(123-1)은 와이어 본딩 영역 또는 비솔더 영역에 해당된다. 비솔더 영역이란 솔더 물질을 코팅하지 않는 지역을 말한다. 그리고 제2 영역(123-2)은 리드 프레임의 단자(또는 터미널이라고 호칭) 마운팅 영역 또는 솔더 영역에 해당할 수 있다. 즉, 솔더 물질을 코팅 하고 그 위에 리드 프레임의 단자를 올리는 영역이 된다. 여기서, 제1 영역(123-1)의 폭은 제2 금속 패턴(122)의 폭과 같을 수 있다. 다른 일 실시예에서, 제1 영역(123-1)의 폭과 제2 영역(123-2)의 폭은 같을 수 있다. 모듈 제조 공정의 편의성을 위해서이다.
일 실시예에서, 제1 영역(123-1)과 제2 영역(123-2)은 나란히 형성될 수 있고, 제1 및 제2 영역 연결 부위(123-3)를 통하여 상호 연결될 수 있다. 즉, 제1 영역(123-1)과 제2 영역(123-2)은 연결 부위(123-3)를 제외하여 이격되게 배치될 수 있다. 그리고 절연막(또는 분리 영역)(123-4)을 통해 솔더링 과정에서 제2 영역(123-2) 상의 솔더가 제1 영역(123-1)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
도 5c에서, 복수의 반도체 소자(151,152)를 DBC 기판(120)에 결합 시킨 후 바로 wire boding (211-213)을 한다. 이것이 앞의 실시예와 또 다른 점이다. 보다 구체적으로, 반도체 소자(151,152)는, 리드 프레임(130)을 마운팅하는 공정을 진행하기 전에, 솔더층(141, 142) 상에 마운팅되고 와이어 본딩될 수 있다. 여기서 와이어 본딩은 DBC 기판의 금속 패턴과 반도체 소자들(151, 152)과 직접 연결된다. 반면에 앞의 도 4에서는 리드 프레임의 단자와 반도체 금속이 직접 wire bonding 되었다.
일 실시예에서, 제1 금속 패턴(121)은 제2 반도체 소자(152)의 드레인 전극과 전기적으로 연결된다. 제2 금속 패턴(122)은 제2 반도체 소자(152)의 게이트 전극과 wire bonding(213)을 통해 전기적으로 연결된다. 제3 금속 패턴(123)은 제2 반도체 소자(152)의 소스 전극과 wire bonding(212)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 제2 반도체 소자(152)의 드레인 전극은 제2 반도체 소자(152)의 후면이 DBC 기판의 표면과 직접 contact 하고 있기 때문에 wire bonding을 하지 않아도 된다. 제2 반도체 소자의 상면에 소스 전극과 게이트 전극이 위치하고, 하면에 드레인 전극이 위치하기 때문에 위와 같이 연결한다. 또한 제3 금속 패턴(123)은 제1 반도체 소자(151)의 소스 전극과도 wire bonding(211)을 통해 전기적으로 연결된다. 여기서 제1 반도체 소자(151)는 FRD(fast recovery diode), 제2 반도체 소자(152)는 IGBT 또는 Trench MOSFET, Planar MOSFET 일 수 있다.
도 5d에서, 전력 반도체 모듈(100)이 양품 또는 합격품에 해당하는 경우, 리드 프레임(130)을 DBC 기판에 결합한다. 그래서 전력 반도체 모듈(100)이 완성된다. 여기서, 리드 프레임(130)의 제1 단자(131)는 제1 금속 패턴(121) 상에 형성된다. 또한 제2 단자(132)는 제2 금속 패턴(122) 상에 형성된다. 또한 제3 공통 단자(133)는 제3 금속 패턴(123) 상에 형성된다. 보다 정확하게는 제3 공통 단자(133)는 제3 금속 패턴의 솔더 영역(123-2) 상에 형성된다. 각각의 단자와 금속 패턴 사이는 금속성 솔더 층에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 그래서 제1 금속 패턴(121)은 제1 단자(131)와 제2 반도체 소자(152)의 드레인 전극과 연결되어 있다. 결국, 제1 단자와 제2 반도체 소자(152)의 드레인 전극은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 마찬가지로, 제2 금속 패턴(122)은 제2 단자(132)와 제2 반도체 소자(152)의 게이트 전극과 연결되어 있다. 결국, 제2 단자와 제2 반도체 소자(152)의 게이트 전극은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 마찬가지로, 제3 금속 패턴(123)은 제3 공통 단자(133)와 제2 반도체 소자(152)의 소스 전극과 연결되어 있다. 결국, 제3 공통 단자와 제2 반도체 소자(152)의 소스 전극은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 또한 제3 공통 단자는 제1 반도체 소자(151)의 소스 전극과도 서로 전기적으로 연결되어 있다.
도 6은 일시예에 따른 전력 반도체 모듈 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 6a에서, 베이스 플레이트(110) 상단에 솔더층(141-145)를 형성하고, 도 6b에서 DBC 기판(120)을 베이스 플레이트(110)에 부착한다.
도 6c에서, 복수의 반도체 칩(또는 반도체 다이)(151,152)과 리드 프레임(130) 각각을 준비한다. 도 6d에서, 반도체 소자(151, 152)와 리드 프레임(130)을 DBC 기판(120) 상에 마운팅(또는 결합) 한다. 전력 반도체 소자와 리드 프레임이 DBC 기판에 잘 부착되기 위해 고온 공정이 추가된다. 솔더 물질들이 고온에서 reflow 되는 과정을 통해 결합이 일어난다. 그리고 밖으로 나온 솔더 물질들에 대해서는 클리닝 공정으로 제거한다.
도 6e에서, 반도체 소자(151,152)와 리드 프레임과 전기적으로 연결하기 위해 와이어 본딩 작업을 한다. 그리고 Wire bonding 후 몰딩 작업, 트리밍 작업, 마킹, 최종 test 과정을 거친다. 반도체 소자의 불량, 정상 여부를 가장 마지막 단계에서 test 한다. 왜냐하면 wire bonding 이 진행된 후 반도체 소자의 test가 가능하기 때문이다.
도 7은 다른 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 7a에서, DBC 기판(120)에 솔더층을 형성하고, 복수의 반도체 소자(150)를 부착한다. 이 단계 이후, DBC 기판에 복수의 반도체 소자(150)를 잘 부착하기 위하여, 솔더링 공정, 클리닝 공정이 추가될 수 있다.
도 7b에서, 반도체 소자(151,152)를 DBC 기판의 금속 패턴과 와이어 본딩 작업을 한다. Wire bonding 이 형성되었기 때문에 이 단계에서 반도체 소자의 정상 유/무에 대한 test가 가능하다. 리드 프레임(130)이 배치되지 않은 상태에서 반도체 소자(151, 152)의 정상 여부에 대한 테스트를 진행할 수 있다. 전력 반도체 모듈(100)의 불량 여부는 반도체 소자(151, 152)의 정상 동작 여부를 기초로 판단될 수 있다. 따라서, 전력 반도체 모듈(100)의 불량 여부가 조기에 결정될 수 있고, 전력 반도체 모듈(100)이 불량품에 해당하는 경우, 아직 진행되지 않은 공정을 생략하고, 해당 과정을 종료할 수 있기 때문에 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있다.
도 7c에서, 베이스 플레이트(110)와 리드 프레임(130)을 준비한다. 도 7d에서, DBC 기판(120)을 베이스 플레이트(110)의 상단에 마운팅하고, 리드 프레임(130)을 상기 DBC 기판(120)의 상단에 마운팅한다. 마운팅 공정이 완료된 후 솔더링 공정, 몰딩, 트리밍/성형, 마킹, 최종 테스트, 패킹 공정이 추가될 수 있다. 여기서 솔더링 공정은 리드 프레임, 복수의 반도체 소자와 DBC 기판과의 접착이 잘 이루어지도록 고온에서 솔더링을 하는 것이다. 몰딩 공정은 플라스틱 패키징 공정으로서 반도체 소자를 외부 환경으로부터 보호하기 위함이다. 트리밍은 복수의 바디를 서로 분리하는 작업이다. 트리밍 영역(137)이 제거 되는 것이다. 성형은 리드 프레임의 바디를 180도 구부리는 작업이다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈 제조 공정의 순서를 나타내는 도면이다.
도 8a에서, DBC 기판에 반도체 소자(150)를 올린다. 이 단계 이후, DBC 기판에 복수의 반도체 소자를 잘 부착하기 위하여, 솔더링 공정, 클리닝 공정이 추가될 수 있다.
도 8b에서, 반도체 소자(150)와 DBC 기판의 금속 패턴과 와이어 본딩을 하여 서로 전기적으로 연결한다. 그리고 반도체 소자의 정상 여부를 판정하기 위해, 중간 test 를 실시한다. 앞에서 설명한 것처럼, 조기 테스트에 의해 제조 비용, 시간을 절약할 수 있다.
그리고 다시 도 8c에서, 리드 프레임의 단자를 부착할 영역에 솔더를 코팅한다. 도 8d에서, 리드 프레임과 베이스 플레이트를 준비한다. 도 8e에서, DBC 기판(120)을 베이스 플레이트(110)의 상단에 마운팅하고, 리드 프레임(130)을 상기 DBC 기판(120)의 상단에 마운팅한다. 마운팅 공정이 완료된 후 솔더링 공정, 몰딩, 트리밍/성형(trimming/forming), 마킹, 최종 테스트, 패킹(Packing) 공정이 추가될 수 있다.
도 7과 도 8은 리드 프레임의 단자 부착용 솔더 층의 형성 순서가 다를 뿐, 나머지는 모듈 제조 공정이 유사하다. 도 8의 경우, 리드 프레임의 단자를 마운팅 하기 바로 직전에 솔더 코팅을 하는 것이고, 도 7의 경우, 훨씬 이전 step 에서 미리 솔더 코팅을 해 놓는 것이 차이점이다.
도 9는 본 발명의 전력 반도체 모듈을 몰딩 공정과 트리밍 및 성형 공정을 보여주는 도면이다. 도 9a는 몰딩 공정을 나타내는데, 플라스틱 물질로 반도체 소자와 리드 프레임의 복수의 단자를 덮는 공정이다. 그리고 이 과정을 통해 볼트가 들어갈 너트 모양(320)이 형성된다.
그리고 도 9b에서 트리밍 영역(137)이 제거되고, 성형을 한다. 성형 과정은 리드 프레임의 바디(130-1~4)를 180도 구부리는 작업이다. 그래서 너트 모양과 align 된다. 그리고 후속 공정에서 볼트를 사용해서 조립하는 것이다. 여기서 볼트(도시 되지 않음)는 제1 바디(130-1), 제2 바디(130-2), 제3 바디(130-3) 및 제4 바디(130-4)의 홀을 관통하는 것이다. 그러면 최종적으로 전력 반도체 모듈(100)이 포함된 어셈블리 패키지(310)가 완성되는 것이다.
결론적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈은 단자의 수를 줄여, 리드 프레임을 구현하여 모듈 제조 공정시 불량 결합을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 모듈 제조 방법은 반도체 소자를 와이어 본딩한 후, 조기 테스트를 실시함으로써, 불량품을 조기에 발견하여 모듈 제조 공정에 대한 시간 및 비용의 낭비를 방지할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전력 반도체 모듈 110: 베이스 플레이트
120: DBC 기판 121: 제1 금속 패턴
122: 제2 금속 패턴 123: 제3 금속 패턴
123-1: 제1 영역, 와이어 본딩 영역, 비솔더 영역
123-2: 제2 영역, 터미널 마운팅 영역, 솔더 영역
123-3: 제1 및 제2 영역 연결 부위
123-4: 절연막 또는 분리 영역
130: 리드 프레임 130-1: 제1 바디
130-2: 제2 바디 130-3: 제3 바디
130-4: 제4 바디 131: 제1 단자
132: 제2 단자 133: 제3 공통 단자
137: 트리밍 영역들 140-145: 솔더 층
150, 151, 152: 전력 반도체 소자 211~213: 와이어

Claims (19)

  1. 상호 이격된 제1, 제2, 제3 금속 패턴을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 반도체 소자;
    상기 기판 상에 위치하고 제1, 제2, 제3, 제4 바디를 갖는 리드 프레임;
    상기 제1 바디에 연결된 제1 단자;
    상기 제2 바디에 연결된 제2 단자; 및
    상기 제3 바디 및 제4 바디를 서로 연결하는 제3 공통 단자를 포함하고,
    상기 반도체 소자의 소스 전극과 전기적으로 연결되는 상기 제3 공통 단자의 길이는 상기 제1 및 제2 단자의 길이보다 길게 하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단자는 상기 제1 금속 패턴과 연결되고;
    상기 제2 단자는 상기 제2 금속 패턴과 연결되며;
    상기 제3 공통 단자는 상기 제3 금속 패턴과 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 금속 패턴은 솔더 영역과 비솔더 영역으로 구분하고,
    상기 제3 공통 단자는 상기 솔더 영역 상에 위치하며,
    상기 반도체 소자는 상기 비솔더 영역과 와이어 본딩되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단자는 상기 반도체 소자의 드레인 전극과 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 단자는 상기 반도체 소자의 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 금속 패턴은 적어도 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역 상에서 와이어 본딩이 수행되며,
    상기 제2 영역 상에 상기 제3 공통 단자가 위치하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 영역의 폭은 상기 제2 금속 패턴의 폭과 같은 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 영역의 폭과 상기 제2 영역의 폭은 같은 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 IGBT 및 FRD 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 제1 도전막, 제2 절연막, 제3 도전막으로 이루어지고, 상기 제1 및 제3 도전막은 전기적으로 서로 분리되며, 상기 제3 도전막은 상기 제1, 제2, 제3 금속패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단자의 길이는 제1 단자의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  11. 금속 패턴을 포함하는 DBC 기판을 준비하는 단계;
    상기 DBC 기판의 금속 패턴과 전력 반도체 소자의 전극과 와이어 본딩하여 전력 반도체 모듈을 형성하는 단계;
    상기 전력 반도체 모듈의 불량 여부를 테스트 하는 단계;
    상기 DBC 기판을 베이스 플레이트와 결합하는 단계; 및
    상기 DBC 기판과 리드 프레임을 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 리드 프레임은 제1 단자, 제2 단자, 제3 공통 단자를 포함하며,
    상기 리드 프레임은 상기 제1 단자와 연결된 제1 바디;
    상기 제2 단자와 연결된 연결된 제2 바디; 및
    상기 제3 공통단자와 연결된 제3 바디 및 제4 바디를 포함하고,
    상기 제3 공통단자는 상기 제1 단자 또는 상기 제2 단자의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 DBC 기판과 상기 리드 프레임을 결합하는 단계 이후, 솔더링, 몰딩, 트리밍, 마킹 및 최종 테스트 하는 단계를 더 포함하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 상호 이격된 제1, 제2, 제3 금속 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 단자는 상기 제1 금속 패턴과 연결되고;
    상기 제2 단자는 상기 제2 금속 패턴과 연결되며;
    상기 제3 공통 단자는 상기 제3 금속 패턴과 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 리드 프레임을 4개의 분리된 바디로 분할하기 위해서 상기 리드 프레임의 상기 제1 바디와 상기 제3 바디의 사이 및 상기 제2 바디와 상기 제4 바디의 사이에 형성된 트리밍 영역을 제거하는 단계를 더 포함하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 리드 프레임의 상기 제1 바디 내지 제4 바디를 상기 DBC 기판과 정렬시키는 단계를 더 포함하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제3 바디 및 상기 제4 바디에 연결된 상기 제3 공통단자는 상기 제3 금속패턴 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3 공통단자는 상기 리드 프레임의 상기 제3 바디 및 상기 제4 바디와 동일 평면상에 있지 않는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제3 공통 단자는 상기 제3 바디 및 상기 제4 바디 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈 제조 방법.
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