KR102346297B1 - 가변 적층형 방열판 패키지 - Google Patents

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heat
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서범식
김태진
이상용
이진효
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Abstract

본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는, 방열판(21); 상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22); 상기 방열판의 바깥 테두리에서 하부 방향 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛을 사용하여 열발생 소자의 열을 전도와 대류로 방출하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 적층형 방열판 패키지{Variable stacked heat sink package}
본 발명은 가변 적층형 방열판 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력소자 등과 같은 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열판의 적층 수를 가변하여 방열 효율을 향상시키는 방열판에 관한 것이다.
전력소자(power device)는 입력전력을 변환하여 출력하는 소자로 전력, 통신, 자동차 등에 광범위하게 사용되고 있고, 실리콘 MOSFET, MISFET, SiC 트랜지스터, IGBT 및 다이오드 GaN 또는 GaO 트랜지스터 및 다이오드 등이 전력소자로 사용된다. 특히 GaN 전력소자는 종래의 실리콘 반도체보다 열전도 특성이 우수하고 고속 스위칭 및 높은 전력 변환효율로 활용이 증가되고 있다.
그러나 전력소자의 변환효율은 50% 이하로 나머지는 대부분 열로 소모되면서 전력소자 자체뿐만 아니라 주변 소자의 성능도 열화시키기 때문에 방열이 매우 중요하다.
방열은 전도, 대류, 복사 현상으로 이루어지는데 종래의 방열 기술은 전도와 대류 현상을 이용한 공랭식과 수냉식으로 큰 부피와 복잡한 보조 도구가 필요하다.
전력소자가 단독으로 사용되고 면적에 구애받지 않는 경우에는 방열판과 방열핀을 사용하여 공랭식으로 방열을 할 수 있으나, 슬림화되는 고밀도 PCB는 소자들이 밀집되어 있고 방열핀을 적용할 수 없어 방열이 문제된다.
방열핀은 대부분은 압출에 의해 제작되기 때문에 소형화에 한계가 있고, 소형 전력소자에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
미국공개특허 US 2020/0118904
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 고밀도 PCB에서 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열을 조절할 수 있는 가변 적층형 방열판 패키지를 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는, 방열판(21); 상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22); 상기 방열판의 바깥 테두리에서 하부 방향 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛을 사용하여 열발생 소자의 열을 전도와 대류로 방출하는 것을 특징으로 한다.
상기 열발생 소자의 열발생량에 따라 상기 방열판 유닛을 가변 적층할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 열발생 소자가 수용되도록 하부에 홈부가 형성되고 상부로 돌출되어 걸림턱이 형성된 메탈캡(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열발생 소자는 플립칩 본딩된 것을 특징으로 한다.
상기 가변 적층형 방열판 패키지에 보호소자가 내장된 것을 특징으로 한다.
상기 가변 적층형 방열판 패키지에 리커버리 소자가 내장된 것을 특징으로 한다.
상기 가변 적층형 방열판 패키지는 조립장비의 흡착패드를 사용하여 조립되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 방열판(21); 상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22); 상기 방열판의 바깥쪽 테두리와 안쪽 테두리에 상부 방향 소정의 높이로 수직으로 세워진 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛과 상기 방열판 유닛의 상부를 덮는 방열판 커버 유닛(30)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방열판 커버 유닛은 흡착패드가 픽업할 수 있어 자동 조립이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 방열판 유닛과 방열판 커버 유닛을 하나의 방열판 모듈로 하여 복수로 적층한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는 전도와 대류를 이용하여 열방출 효율을 향상시키고 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열을 조절할 수 있어, 전력소자뿐만 아니라 열이 발생하는 모든 소자에 적용할 수 있다.
또한, 플립칩(flip chip) 본딩 소자에 적합하여 기생적인 인덕턴스를 줄임으로 전력소자의 효율을 증가시킬 수 있고, 보호소자 또는 리커버리 소자를 함께 패키징할 수 있어 열발생 소자의 성능과 부가가치를 높일 수 있다.
또한, 메탈캡의 사용으로 열전도를 향상시키고 폼팩터가 타이트한 고밀도 슬림 PCB에 적용할 수 있다.
또한, 메탈캡의 정렬 기능을 사용하여 조립이 용이하며 방열판 유닛은 흡착 패드를 사용할 수 있어 자동 조립 공정에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈캡의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 메탈캡의 중앙부의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방열판 유닛의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 결합한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 복수로 적층한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자 또는/및 리커버리소자를 부가한 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자 및 리커버리소자를 결합한 패키지의 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 방열판의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 방열판 커버의 사이도이다.
도 10은 본 발명에 따른 방열판 커버의 수직 단면도이다.
도 11은 메탈캡 위에 복수의 방열판 유닛과 방열판 커버 유닛을 조립한 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 방열판 유닛의 다른 실시예이다.
도 13은 본 발명에 따른 적층형 방열판의 열방출 시뮬레이션 사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 적층형 방열판의 열방출 시뮬레이션의 수직 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션 사시도이다.
도 16은 본 발명에 따른 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션의 수직 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예와 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다. 동일한 기능을 하는 구성은 동일한 도면부호를 부여하였다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈캡의 사시도이고, 도 2는 상기 메탈캡의 중앙부의 수직 단면도이다.
본 발명에 따른 메탈캡(10)은 PCB 기판(1)에 플립칩되어 부착된 전력소자 등 열발생 소자의 뒷면과 접촉하여 전도로 방열을 유도하고, 방열판 유닛(20)의 적층을 위한 정렬 기능도 한다. 열발생 소자와 메탈캡이 밀접 접촉이 안 되어 열전도가 불량할 경우 써멀 그리스 등 열전도 물질로 열접촉을 강화할 수 있다.
전력소자(power device)는 열발생 소자의 하나의 예시로서 이에 한정하지는 않고 열이 많이 발생하는 CPU, SMPS 등이 될 수 있다. 전력소자의 예시로는 실리콘 MOSFET, MISFET, SiC 트랜지스터, IGBT 및 다이오드 GaN 또는 GaO 트랜지스터 및 다이오드 등이 될 수 있다.
전력소자 등의 칩은 패키지에 장착되어 판매되는 것이 일반적이지만 패키징 시에 칩 패드와 패키지 패드와의 연결은 와이어 본딩을 하므로 기생적인 인덕턴스의 발생으로 손실이 발생한다. 기생적인 인덕턴스를 줄이고 효과적인 열전도를 위하여 칩을 뒤집어 기판에 다이 본딩하는 플립칩(flip chip) 본딩이 개발되었고 본 발명은 플립칩 본딩된 열발생 소자의 방열에 매우 효과적이다.
도 2를 살펴보면, 하부의 홈부(12)는 플립칩 본딩된 열발생 소자의 높이에 맞도록 홈부(12)가 형성되고, 상부는 돌출부(11)와 정렬을 위한 걸림턱(13)이 형성된다. 메탈캡은 기판에 다이 본딩으로 부착하고 열발생 소자와 유격이 있을 때는 써멀 그리스 등 열전도체(3)를 충전한다.
도 3은 본 발명에 따른 방열판 유닛(20)의 사시도로서, 중앙부에 수직 관통홀(22)이 형성된 방열판(21), 상기 방열판의 테두리에서 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)로 구성된다.
상기 지지부(23)는 상부에 적층되는 방열판으로 열전도하고, 수직 관통홀(22)과 측면 유동홀(24)은 대류로 열을 방출한다. 상기 지지부의 내측면으로 돌출부가 삽입되고 걸림턱은 정렬 기능을 한다. 지지부는 안정성을 위하여 2개의 다리로 형성되는 것이 바람직하고 다리 사이는 아치형으로 제거하고 그 외 부분은 방열판의 밑면까지 제거한다.
방열판 유닛과 메탈캡의 크기는 열발생 소자의 소비전력과 부착 공간을 고려하여 가변적으로 변형할 수 있다.
상기 방열판 유닛은 열전도가 우수한 하나의 금속판을 펀칭이나 전단으로 수직 관통홀과 측면 유동홀을 형성하고 벤딩으로 지지부를 형성할 수 있다.
메탈캡, 방열판 및 방열판 커버는 열전도가 우수한 구리, 알루미늄, 은 또는 그 합금을 사용할 수 있다. 방열판 및 커버의 두께는 0.2~1.5mm이다.
중앙의 수직 관통홀은 가열된 공기가 빠져나가는 굴뚝효과를 발생시키며 방열판 유닛의 적층수가 많을수록 굴뚝효과는 증가한다. 측면의 유동홀은 차가운 공기를 유입시켜 대류로 열전달을 하는 기능을 한다. PCB 기판이 수직으로 장착될 경우에는 측면 유동홀이 굴뚝효과를 일으키며 중앙의 수직 관통홀은 측면 유동홀로 기능이 바뀐다.
상기 방열판(21)은 조립장비의 흡착패드 등으로 픽업(pick up)할 수 있도록 평평한 면적을 확보하여 자동 조립이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 결합한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 복수로 적층한 사시도이다.
방열판 유닛의 적층 수가 많아질수록 중앙의 굴뚝효과로 대류에 의한 열방출이 우세하게 되므로 열발생 소자의 방열량에 따라 적층 수를 가변할 수 있다. 방열판 유닛의 적층 조립은 무너짐이 없도록 지그를 제작하여 정렬하면서 적층할 수 있고, 방열판 유닛 간의 접착은 열전도가 우수한 솔더 등을 사용하여 접착시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자 또는/및 리커버리소자를 부가한 회로도이다. 도 6(a)는 GaN 트랜지스터의 단독 사용에 대한 예시이고, 적용 가능한 소자는 Si, SiC, GaN, Ga2O3 등의 반도체 재료로 구현된 전력용 IGBT, MOSFET, HEMT 등이 포함될 수 있다. 도 6 (b)는 트랜지스터의 게이트에 ESD나 순간 과전압에 의한 손상을 방지하는 방호소자를 포함하는 회로이다. 도 6(c)는 전력소자의 빠른 스위칭이 가능하도록 드레인에 고속다이오드 특성의 리커버리 소자를 포함하는 회로이다. 전원모듈의 PFC회로 응용에 적합한 구조이다. 도 6(d)는 구동회로(6)를 내장한 회로이며, 6(e)는 구동회로와 리커버리 다이오드 포함하는 회로이다.
도 7은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자(4) 및 리커버리 소자(5)를 결합한 패키지의 수직 단면도를 보여주는 하나의 실시예로서, 보호소자, 리커버리 소자 및 구동회로를 필요에 따라 선택적으로 조합하여 적용할 수 있다.
열전도 효과를 극대화하기 위하여 방열판 유닛의 면적을 메탈캡(10)의 면적보다 크게 하여 적층할 수 있다.
도 8은 방열판 유닛(20)의 다른 실시예로서 방열판 유닛의 면적을 가변하기 위하여 앞의 실시예와는 달리 방열판 유닛을 뒤집어 적층하고 조립을 위하여 방열판 커버(30)를 사용한다. 방열판(21) 중앙의 수직 관통홀(22)은 열방출을 위한 굴뚝 기능도 하고 메탈캡(10)의 돌출부(11)에 삽입되어 정렬 기능도 한다. 따라서 수직 관통홀보다 더 크게 방열판(21)의 면적이 확장되어 열방출 효과를 극대화할 수 있다.
방열판의 바깥쪽 테두리와 안쪽 테두리에 수직으로 세워진 복수의 지지부(23)가 형성되고, 상기 지지부에는 공기 유통을 원활히 하기 위한 측면 유동홀(24)이 형성된다. 상기 지지부(23)는 상부에 적층되는 방열판으로 열전도하고 측면 유동홀(24)은 대류로 열을 방출한다. 상기 지지부 이외의 외주면은 제거하여 공기의 유동을 자유롭게 한다.
도 9는 방열판 커버 유닛(30)의 사시도이고 도 10은 방열판 커버의 수직 단면도이다. 방열판 커버(31) 상부로 대류를 위한 복수의 수직 관통홀(32)이 형성되고 방열판의 바깥쪽 지지부(23)가 정렬되어 끼워지도록 아래로 테두리가 형성된 립부(33)가 형성된다. 방열판 커버는 흡착 패드 등으로 픽업할 수 있는 면적을 확보하여 자동 조립할 수 있도록 구성되어 자동화에 적용할 수 있다.
메탈캡, 방열판 및 방열판 커버는 열전도가 우수한 구리, 알루미늄, 은 또는 그 합금을 사용할 수 있다. 방열판 및 커버의 두께는 0.2~1.5mm이다.
도 11은 복수의 방열판 유닛(20)과 방열판 커버(30)를 조립한 사시도로서 열발생 소자의 열발생량에 따라 복수의 방열판과 방열판 커버를 하나의 방열판 모듈로 하여 복수로 적층할 수 있다.
복수 개의 방열판 유닛을 적층하는 방법은 특수 제작된 지그를 사용하여 미리 만들어진 하나의 방열판 모듈을 하나씩 픽업하여 적층할 수도 있고, 복수 개로 미리 적층하여 한꺼번에 기판에 부착시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예로 열발생 소자의 면적이 큰 경우에 방열판 유닛(20)의 면적을 더 넓게 만들고 안정적 지지를 위하여 중간에 지지부(23)와 측면 유동홀(24)을 더 형성할 수 있다.
도 13은 열발생 소자의 열방출 시뮬레이션 결과의 사시도이고, 도 14는 열발생 소자의 열방출 시뮬레이션 결과의 수직 단면도로서, 본 발명에 따른 패키지가 전도와 대류에 의하여 열방출됨을 알 수 있고, 특히 중앙 부분은 굴뚝효과로 열발생 소자의 열방출이 매우 효과적임을 보여준다.
도 15는 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션 사시도이고, 도 16은 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션의 수직 단면도로서, 대류의 흐름이 밑에서 위로 이동하므로 중앙 관통홀보다는 측면 유동홀에 의한 열방출 효과가 우세함을 보여준다.
대류는 낮은 온도에서 높은 온도쪽으로 이동하면서 상하로 유동할 수 있고 좌우로도 유동할 수 있으나, 기판 PCB가 수평이나 수직 어느 방향으로 장착되어 있어도 본 발명에 따른 적층형 방열판은 수직 관통홀과 측면 유동홀을 구비하고 있어 기판의 장착 방향에 관계없이 대류에 의한 열방출이 효과적이다.
1: PCB 2: 열발생 소자
3: 열전도체 4: 보호소자
5: 리커버리 소자 6: 구동회로
10: 메탈캡 20: 방열판 유닛
30: 방열판 커버 유닛

Claims (10)

  1. 열발생 소자가 수용되는 메탈캡(10)상에 설치되는 방열판(21);
    상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22);
    상기 방열판의 바깥 테두리에서 하부 방향 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및
    상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛을 사용하되,
    상기 방열판 유닛은 열발생 소자의 열발생량에 따라 적층 수를 복수로 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열발생 소자가 수용되도록 하부에 홈부(12)가 형성되고 상부로 돌출되어 걸림턱(13)이 형성된 메탈캡(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열발생 소자는 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 적층형 방열판 패키지에 보호소자(4)가 내장된 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 적층형 방열판 패키지에 리커버리 소자(5)가 내장된 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가변 적층형 방열판 패키지는 흡착패드가 픽업할 수 있어 자동 조립이 가능한 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  8. 하부에서 메탑캡(10)과 면접촉하는 방열판(21);
    상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22);
    상기 방열판의 바깥쪽 테두리와 안쪽 테두리에 상부 방향 소정의 높이로 수직으로 세워진 복수의 지지부(23) 및
    상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛과 상기 방열판 유닛의 상부를 덮는 방열판 커버 유닛(30)을 포함하되,
    상기 방열판 유닛과 방열판 커버 유닛은 열발생 소자의 열발생량에 따라 적층 수를 복수로 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방열판 커버 유닛은 흡착패드가 픽업할 수 있어 자동 조립이 가능한 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  10. 삭제
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