KR102515088B1 - 반도체소자 조립체 - Google Patents

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Abstract

반도체소자 조립체를 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 반도체소자; 방열판; 실리콘시트; 방열판의 적어도 일부, 반도체소자 및 실리콘시트를 관통하도록 배치된 복수의 볼트; 복수의 볼트와 체결되어 반도체소자를 고정하는 복수의 너트; 볼트의 주변을 감싸고 반도체소자와 방열판 사이를 절연하는 복수의 제1 절연체; 실리콘시트와 방열판 사이에 배치되고, 적어도 일부가 방열판의 상면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연하는 복수의 제2 절연체; 및 너트의 주변을 감싸고 방열판의 하부에 배치되며, 적어도 일부가 방열판의 하면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연하는 제3 절연체를 포함하는 반도체소자 조립체를 제공한다.

Description

반도체소자 조립체{Assembly of Semiconductor Device}
본 개시는 반도체소자 조립체에 관한 것으로, 상세하게는 반도체소자가 가지고 있는 절연내압(insulation voltage)보다 높은 절연내압이 필요한 환경에서 수냉식 방열판(water-cooled heat sink)에 의한 방열을 만족하면서 절연 파괴가 될 수 있는 환경을 차단하는 반도체소자 조립체에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
광범위한 산업 분야, 특히 전기 및 전자 분야에서 제작되는 전력 변환장치(power converter)에는 고속으로 스위칭하는 전력 반도체소자가 주로 사용되고 있다. 대부분의 전력 반도체 스위칭 소자는 고전압에서 견뎌야 하는 고전압 및 고전압 특성이 요구된다.
또한, 고속으로 스위칭 하는 반도체소자(semiconductor device)에서 발생하는 열로 인해 소자 내부 부품 동작의 오류나 반도체소자 이외에 주변 부품의 소손(burn-out)이 발생할 수 있어 별도의 방열장치(heatsink)를 요구한다. 통상적으로 반도체소자는 방열이 원활한 장치 또는 소재에 취부되어 사용된다.
현재 사용되고 있는 반도체소자 조립체에서는 사용하고자 하는 환경에서 요구하는 절연내압을 자체적으로 만족하는 반도체소자와 방열장치가 사용되고 있다. 높은 절연내압을 요구하는 환경일수록 높은 절연내압을 가진 반도체소자를 사용해야 한다. 높은 절연내압을 가지는 반도체소자일수록 그 크기, 용량 및 비용이 증가하게 된다.
특히 고속으로 주행하는 철도 차량과 같이 강한 진동을 발생시키는 환경에서는, 강한 진동에서도 절연이 유지될 수 있도록 신뢰성 있는 방열구조와 절연구조를 가져야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 반도체소자 조립체의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 반도체소자 조립체는 반도체소자(1), 방열판(2) 및 체결부(3)를 포함한다. 여기서 반도체소자(1)에서 발생되는 열은 방열판(2)에 의해 방열된다. 다만 종래기술과 같이 별도의 절연내압을 가진 구성이 없는 경우, 예컨대 10,000 V의 절연내압을 요구하는 환경에서는 반도체소자(1)의 절연내압이 10,000 V 이상이어야 한다. 반도체소자(1) 자체만으로 요구하는 절연내압을 만족시켜야 하므로 반도체소자(1)의 크기 및 비용 등이 증가할 수 밖에 없다.
이에, 본 개시는 낮은 절연내압을 가지는 반도체소자와 절연체 구조를 이용하여 더 높은 절연내압을 가지는 반도체소자 조립체를 설계하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시는 반도체소자와 방열판 사이에 방열이 우수한 절연 시트와 절연물로 절연 처리된 볼트를 이용하여, 반도체소자가 가지고 있는 기본 절연내압보다 높은 절연내압을 확보하고, 반도체소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있도록 조립체를 구성하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시는 절연체와 함께 결합되어 체결되는 복수의 볼트 및 복수의 너트를 이용하여 강한 진동 환경에서도 반도체소자 조립체의 절연을 유지하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시는 반도체소자의 크기 및 용량을 줄여 반도체소자 조립체를 소형화함으로써 설계 공간 대비 효율적인 배치를 하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시는 반도체소자의 크기 및 용량을 줄임으로써 반도체소자 조립체의 생산단가를 절감하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 반도체소자; 반도체소자의 하부에 배치되며 반도체소자에서 발생되는 열을 전달받아 수냉식으로 방열하도록 배치되는 방열판; 반도체소자와 방열판 사이에 배치되어, 반도체소자에서 발생되는 열을 방열판으로 전달하도록 배치된 실리콘시트; 방열판의 적어도 일부, 반도체소자 및 실리콘시트를 관통하도록 배치된 복수의 볼트; 복수의 볼트와 체결되어 반도체소자를 고정하는 복수의 너트; 볼트의 주변을 감싸고 반도체소자와 방열판 사이를 절연하는 복수의 제1 절연체; 실리콘시트와 방열판 사이에 배치되고, 적어도 일부가 방열판의 상면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연하는 복수의 제2 절연체; 및 너트의 주변을 감싸고 방열판의 하부에 배치되며, 적어도 일부가 방열판의 하면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연하는 제3 절연체를 포함하는 반도체소자 조립체를 제공한다.
또한, 제1 절연체는 일면은 제1 면적을 가지고 일면과 대향하는(opposite) 타면은 제1 면적보다 작은 제2 면적을 가지는 원기둥(cylinder)으로 형성되며, 볼트가 관통하기 위한 중공부(hollow)가 형성되어 있고, 제1 면적을 가지는 면에 볼트의 머리가 삽입되어 고정되는 오목한 공간이 형성될 수 있다.
또한, 제3 절연체는 볼트가 관통하기 위한 중공부가 형성되어 있고, 일면에 너트가 볼트와 체결하기 위해 삽입될 수 있는 오목한 공간이 형성될 수 있다.
또한, 실리콘시트는 4 W/m.K의 열 전도율(thermal conductivity)을 가질 수 있다.
또한, 실리콘시트는 반도체소자 조립체의 요구 절연내압(insulation voltage)에서 반도체소자의 절연내압을 뺀 값보다 크거나 같은 절연내압을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 반도체소자 조립체는 절연체의 배치구조를 이용하여 반도체소자가 가지는 절연내압보다 더 높은 절연내압을 갖는 반도체소자 조립체를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 반도체소자 조립체는 복수의 볼트 및 복수의 너트를 이용하여 반도체소자 및 방열판 사이의 결합을 견고히 하는 동시에, 복수의 볼트 및 복수의 너트 주변에 배치된 절연체를 이용하여 절연내압을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 반도체소자 조립체는 별도의 절연내압을 높이는 절연체의 배치구조로 인해 반도체소자의 크기와 용량을 줄임으로써 제품을 경량화 및 소형화할 수 있고, 생산단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 반도체소자 조립체의 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체소자 조립체의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A 부분에 대한 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체소자 조립체의 분해사시도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 개시에 따른 반도체소자 조립체는 진동이 자주 발생하는 분야에 사용하는 것이 적합하며, 그 중에서도 전기 차량이나 하이브리드 차량 등에 탑재되는 전원장치의 전력 반도체 스위치 소자에 특히 적합하다. 본 개시는 전술한 분야뿐만 아니라 다른 산업분야에서 사용될 수 있으며, 스위치 소자가 아닌 다른 부품에도 적용될 수 있다. 반도체소자는 통상 알려진 구조를 가질 수 있으며, 이하에서는 반도체소자의 절연 및 방열을 위한 구조에 대하여 중점적으로 설명한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체소자 조립체의 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A 부분에 대한 단면도이다. 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체소자 조립체의 분해사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 개시에 따른 반도체소자 조립체(assembly of semiconductor device, 100)는 반도체소자(semiconductor device, 10), 실리콘시트(silicon sheet, 20), 방열판(heat sink, 30), 제1 절연체(first insulator, 41), 제2 절연체(second insulator, 31), 제3 절연체(third insulator, 51), 볼트(bolt, 40) 및 너트(nut, 50)의 전부 또는 일부를 포함한다. 반도체소자 조립체(100)는 상측으로부터 반도체소자(10), 실리콘시트(20) 및 방열판(30)이 순차로 적층되는 구조를 가지며 복수의 볼트(40) 및 복수의 너트(50)의 체결에 의해 결합 및 고정되어 조립된다. 반도체소자(10), 실리콘시트(20) 및 방열판(30)은 복수의 볼트(40)가 관통하도록 형성된 제1 내지 제3 관통홀(12,22 및 32)이 각각 형성되어 있다.
반도체소자(10)는 작동 중에 고속 스위칭 전환 등에 의해 열을 발생시킨다. 반도체소자(10)는 방열판(30) 상부에 복수개 배치될 수 있다. 반도체소자(10)의 가장자리에는 일정 간격을 둔 제1 관통홀(12)이 배치된다. 제1 관통홀(12)에는 볼트(40)와 제1 절연체(41)가 관통되어 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 반도체소자(10)는 각 모서리 부분에 복수의 제1 관통홀(12)이 형성될 수 있다. 형성되는 제1 관통홀(12)의 개수는 제한되지 않는다.
실리콘시트(20)는 반도체소자(10)에서 발생되는 열을 방열판(30)으로 전달하는 역할을 한다. 실리콘시트(20)는 반도체소자(10)와 방열판(30) 사이에 배치된다. 실리콘시트(20) 자체는 일정량의 절연내압(insulation voltage)을 가지며 반도체소자(10)와 방열판(30) 사이를 절연하는 역할도 한다. 실리콘시트(20)는 두께를 조정하여 열 전도율(thermal conductivity)을 조정할 수 있는데, 4 W/m.K의 열전도율을 가지도록 설계하는 것이 바람직하다.
실리콘시트(20)에는 볼트(40) 및 제1 절연체(41)가 관통할 수 있는 제2 관통홀(22)이 형성되어 있다. 제2 관통홀(22)은 실리콘시트(20)와 반도체소자(10)를 조립할 때 제1 관통홀(12)과 포개어질 수 있는 위치에 형성된다.
실리콘시트(20)는 열전달 또는 절연 역할에 더하여, 반도체소자 조립체(100)가 진동이 발생하는 환경에 배치될 경우에 진동을 감쇠(attenuating)시키는 댐퍼(damper)로서의 역할도 수행할 수 있다.
실리콘시트(20)는 반도체소자 조립체(100)의 요구 절연내압에서 반도체소자(10)의 절연내압을 뺀 값보다 크거나 같은 값일 수 있다. 여기서 요구 절연내압은, 반도체소자 조립체(100)가 배치되는 환경에서 전압에 의해 파괴되거나 손상되는 것을 방지하기 위해 요구되는 전압의 한도이다. 예컨대, 요구 절연내압이 10,000 V인 경우 반도체소자(10)의 절연내압이 5,000 V라면, 5,000 V 이상의 절연내압을 가지는 실리콘시트(20)를 사용하여 반도체소자 조립체(100)를 설계할 수 있다. 실리콘시트(20)의 절연내압을 조절함으로써, 절연내압이 낮은 반도체소자(10)를 사용할 수 있다. 그 결과 생산단가가 절감되고, 반도체소자 조립체(100)의 크기 및 부피가 감소하여 소형화 및 경량화할 수 있다.
방열판(30)은 반도체소자(10)의 하부에 배치되며 반도체소자(10)에서 발생되는 열을 전달받아 수냉식으로 방열한다. 수냉식 방열판(30)의 부피는 동급의 방열 성능을 갖는 공냉식 방열판(air-cooled heat sink)의 부피보다 약 20% 작다. 따라서 본 개시에서 낮은 절연내압을 갖는 반도체소자(10)와 수냉식 방열판(30)을 함께 사용하여 반도체소자 조립체(100)의 크기를 감소시킬 수 있다.
수냉식 방열판(30)의 경우 절연 파괴 시 전기가 수냉식 방열판(30) 내부의 물과 도통되면서 감전 사고를 일으킬 수 있는 문제가 있다. 본 개시에서는 후술할 제1 내지 제3 절연체(31, 41 및 51)를 구성함으로써 수냉식 방열판(30)에 대한 안정성을 상승시킨다.
볼트(40)는 방열판(30)의 적어도 일부, 반도체소자(10) 및 실리콘시트(20)를 관통하도록 배치된다. 볼트(40)의 개수는 형성된 관통홀의 개수에 따라 여러 개 배치될 수 있다. 볼트(40)는 반도체소자(10)를 고정할 때 사용되는 규정 볼트보다 2 mm 작은 규격의 볼트일 수 있으며, 볼트(40)의 길이는 방열판(30)의 제3 관통홀(32)을 관통하여 너트(50)와 체결될 수 있는 길이를 만족한다.
너트(50)는 복수의 볼트(40)와 체결되어 반도체소자(10)를 고정한다. 볼트(40)가 반도체소자(10)의 상부로부터 삽입되어 방열판(30)을 관통하면, 너트(50)가 방열판의 하부에서 볼트(40)와 체결되어 반도체소자 조립체(100)를 견고하게 고정한다. 너트(50)는 함께 체결되는 볼트(40)의 규격과 동일한 크기를 갖는 육각 형태를 가질 수 있다. 여기서 볼트(40)와 너트(50)는 용어 그 자체로 한정되어야 하는 것은 아니고, 반도체소자(10), 실리콘시트(20) 및 방열판(30)을 고정시키기 위해 결합되기 위해 구성되는 한쌍의 결합부라면 본 개시에서 설명하는 볼트(40)와 너트(50)에 포함된다.
제1 절연체(41)는 볼트(40)의 주변을 감싸고 반도체소자(10)와 방열판(30) 사이를 절연한다. 제1 절연체(41)의 일면은 제1 면적을 가지고, 일면과 대향하는 타면은 제1 면적보다 작은 제2 면적을 가지는 원기둥 모양으로 형성되어 있다. 제1 절연체(41)의 중앙에는 볼트(40)가 관통할 수 있는 중공부가 형성되어 있다. 제1 면적을 가지는 면에는 볼트(40)의 머리가 삽입되어 고정되는 오목한 공간이 형성된다.
제2 절연체(31)는 실리콘시트(20)와 방열판(30) 사이에 배치되고, 적어도 일부가 방열판(30)의 상면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연한다. 제2 절연체(31)는 상부면과 하부면이 면적을 달리하는 원기둥 모양으로 형성될 수 있다.
제3 절연체(51) 너트(50)의 주변을 감싸고 방열판(30)의 하부에 배치되며, 적어도 일부가 방열판(30)의 하면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연한다. 제3 절연체(51)는 볼트(40)가 관통하기 위한 중공부가 형성되어 있다. 제3 절연체(51)의 일면에는 너트(50)가 볼트(40)와 체결하기 위해 삽입될 수 있는 오목한 공간이 형성되어 있다. 즉, 제3 절연체(51)는 너트(50)를 감싸는 방식으로 배치되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 반도체소자(10)와 수냉식 방열판(30) 사이에 열 전달용 실리콘시트(20)를 구비하고, 반도체소자(10)를 고정하기 위한 볼트(40) 및 너트(50)를 절연하여, 반도체소자 조립체(100)는 반도체소자(10)가 자체적으로 가지고 있는 절연내압 이상의 절연내압을 가질 수 있다. 따라서 반도체소자(10)를 사용 용도에 맞는 적정 용량을 선정하더라도, 보다 높은 절연내압을 요구하는 환경에서도 반도체소자 조립체(100)를 안정적으로 사용 가능하게 되고, 그 결과 반도체소자(10)에 들어가는 비용을 절감하며 반도체소자 조립체(100) 설계 시 설계 여유공간을 확보할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 반도체소자 20: 실리콘시트
30: 방열판 31: 제2 절연체
40: 볼트 41: 제1 절연체
50: 너트 51: 제3 절연체

Claims (5)

  1. 반도체소자(semiconductor device);
    상기 반도체소자의 하부에 배치되며 상기 반도체소자에서 발생되는 열을 전달받아 수냉식(water-cooled)으로 방열하도록 배치되는 방열판(heat sink);
    상기 반도체소자와 상기 방열판 사이에 배치되어, 상기 반도체소자에서 발생되는 열을 상기 방열판으로 전달하도록 배치된 실리콘시트(silicone sheet);
    상기 방열판의 적어도 일부, 상기 반도체소자 및 상기 실리콘시트를 관통(penetrate)하도록 배치된 복수의 볼트(bolts);
    상기 복수의 볼트와 체결되어 상기 반도체소자를 고정하는 복수의 너트(nuts);
    상기 볼트의 주변을 감싸고 상기 반도체소자와 상기 방열판 사이를 절연하는 복수의 제1 절연체(first insulator);
    상기 실리콘시트와 상기 방열판 사이에 배치되고, 적어도 일부가 상기 방열판의 상면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연하는 복수의 제2 절연체(second insulator); 및
    상기 너트의 주변을 감싸고 상기 방열판의 하부에 배치되며, 적어도 일부가 상기 방열판의 하면의 오목한 부분 내에 배치되어 절연하는 제3 절연체(third insulator)
    를 포함하는 반도체소자 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연체는,
    일면은 제1 면적을 가지고 상기 일면과 대향하는(opposite) 타면은 상기 제1 면적보다 작은 제2 면적을 가지는 원기둥(cylinder)으로 형성되며,
    상기 볼트가 관통하기 위한 중공부(hollow)가 형성되어 있고,
    상기 제1 면적을 가지는 면에 상기 볼트의 머리가 삽입되어 고정되는 오목한 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체소자 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 절연체는,
    상기 볼트가 관통하기 위한 중공부가 형성되어 있고,
    일면에 상기 너트가 상기 볼트와 체결하기 위해 삽입될 수 있는 오목한 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체소자 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘시트는,
    4 W/m.K의 열 전도율(thermal conductivity)을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체소자 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘시트는,
    상기 반도체소자 조립체의 요구 절연내압(insulation voltage)에서 상기 반도체소자의 절연내압을 뺀 값보다 크거나 같은 절연내압을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체소자 조립체.
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