KR19980025723A - Power Semiconductor Modules Using Beryllia DC Board - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력 반도체 모듈에 관한 것으로서, 절연체기판에 구리를 직접 접합시켜 형성된 디비씨 기판을 사용하여 제조되는 전력 반도체 모듈에 있어서, 상기 절연체 기판은 베릴리아(BeO) 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a power semiconductor module, wherein a power semiconductor module manufactured using a DC substrate formed by directly bonding copper to an insulator substrate, wherein the insulator substrate is made of a beryl (BeO) material.
따라서, 본 발명에 따르면 전력 반도체 모듈은 보다 안정적이고 효율적으로 동작을 할 수 있게 된다. 즉 반도체 모듈의 동작중 전력 반도체 소자에서 발생된 열은 보다 안정적이고 효과적으로 외부 방열판에 전달될 수 있다. 따라서, 시스템 동작중 빈번히 발생하는 모듈의 파괴 현상은 감소된다. 또한 동일한 크기의 패키지에 보다 높은 정격의 반도체 소자를 탑재할 수 있기 때문에 신뢰성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 기존에 사용되는 패키지 보다 소형의 패키지를 사용할 수 있어 원가 절감을 이룰 수 있으며 시스템의 소형화를 이룰 수 있다.Therefore, according to the present invention, the power semiconductor module can operate more stably and efficiently. That is, heat generated in the power semiconductor device during the operation of the semiconductor module may be transmitted to the external heat sink more stably and effectively. Therefore, the breakdown of modules frequently occurring during system operation is reduced. In addition, higher reliability semiconductors can be mounted in packages of the same size, resulting in improved reliability and cost savings through the use of smaller packages than conventional packages. Can be.
Description
본 발명은 베릴리아 디비씨(Beryllia DBC:Direct Bonded Copper) 기판을 사용한 전력 반도체 모듈에 관한 것으로서, 특히 열전도성이 우수한 베릴리아 기판에 구리를 직접 접합시켜 형성한 베릴리아 디비씨 기판에 전력용 반도체소자를 부착시켜 형성한 전력 반도체 모듈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor module using a Beryllia DBC (Direct Bonded Copper) substrate, and more particularly to a power semiconductor on a Beryllia DC substrate formed by directly bonding copper to a Beryl substrate having excellent thermal conductivity. The present invention relates to a power semiconductor module formed by attaching elements.
전력 반도체 모듈은 절연체 기판에 바이폴라 트랜지스터, 파워 모스 트랜지스터, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 다이오드 등을 탑재하여 제조된다.The power semiconductor module is manufactured by mounting a bipolar transistor, a power MOS transistor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a diode, and the like on an insulator substrate.
현재 전력 반도체 모듈의 절연체기판으로서 폭넓게 사용되고 있는 것은 절연 세라믹 기판에 구리를 직접 접합하여 이루어진 디비씨 기판이며, 절연 세라믹 재료로서는 알루미나(Al2O3) 또는 알루미늄 나이트라이트(AlN)를 사용하고 있다.Currently, widely used as an insulator substrate of a power semiconductor module is a DC substrate formed by directly bonding copper to an insulated ceramic substrate, and alumina (Al 2 O 3 ) or aluminum nitrite (AlN) is used as the insulated ceramic material.
세라믹 디비씨 기판에서 세라믹과 구리 접합층에는 열전도를 저해하는 물질이 존재하지 않기 때문에 디비씨 기판은 높은 방열성 및 높은 전기절연성을 가지며 또한 구리는 세라믹과 동등한 열팽창률을 갖고 구리판 표면은 우수한 솔더 부착성, 와이어 본딩 능력 및 큰 접착강도를 나타낸다. 즉, 디비씨 기판은 세라믹과 구리의 특징을 겸비한 복합기능을 발휘하고 있다. 따라서, 세라믹 디비씨 기판은 방열성을 대폭 향상시킬 수 있으며 극히 단순한 반도체 실장구조의 실현, 부품감소, 조립간편화, 자동화, 신뢰성 향상 등을 가능하게 한다.In the ceramic DC substrate, since there is no thermally conductive material in the ceramic and copper bonding layer, the DC substrate has high heat dissipation and high electrical insulation, and copper has the same thermal expansion coefficient as the ceramic, and the copper plate surface has excellent solder adhesion. , Wire bonding ability and large adhesive strength. In other words, the DC substrate has a composite function that combines the characteristics of ceramic and copper. Therefore, the ceramic substrate can greatly improve heat dissipation, and can realize an extremely simple semiconductor package structure, reduce parts, simplify assembly, automate, and improve reliability.
세라믹 재료로 널리 사용되고 있는 알루미나와 최근 높은 열전도성 세라믹(알루미나의 약 5-10 배)으로서 주목 받고 있는 알루미늄 나이트라이드 재질을 사용한 디비씨 기판이 현재 전력 반도체 모듈 제조에 주로 사용되고 있다. 알루미나 디비씨 기판과 알루미늄 나이트라이드 디비씨 기판은 반도체에 대응되는 다른 어느 소자에도 이용되고 있으며 디비씨 기판은 자이언트 트랜지스터 모듈용 기판 등에 사용되고 있다.DC substrates using alumina, which is widely used as a ceramic material, and aluminum nitride, which is recently attracting attention as a high thermally conductive ceramic (about 5-10 times that of alumina), are mainly used for manufacturing power semiconductor modules. Alumina DC substrates and aluminum nitride DC substrates are used in any other element corresponding to semiconductors, and DC substrates are used in substrates for giant transistor modules.
한편, 전력용으로 사용되는 반도체 모듈은 동작중 수백 와트 이상의 고열이 발생되기 때문에 반도체소자에 고열이 발생하는 경우 발생된 열을 얼마나 효과적으로 외부 방열판을 통해 방출시키는가가 문제가 된다. 특히 세라믹 디비씨 기판의 절연 재료인 세라믹 재료는 금속과 달리 열전달성이 좋지 못하다. 즉 반도체 소자에서 발생된 열은 세라믹 기판 재료에서 순간적으로 막히는 결과가 발생된다.On the other hand, since the semiconductor module used for power generates high heat of several hundred watts or more during operation, the problem is how effectively the heat generated when the high heat is generated in the semiconductor device through the external heat sink. In particular, a ceramic material, which is an insulating material of a ceramic DC substrate, has a poor heat transfer unlike a metal. That is, the heat generated in the semiconductor device is instantaneously blocked in the ceramic substrate material.
따라서, 종래의 세라믹 디비씨 반도체 모듈 기판은 기판에 발생된 열을 효과적으로 방출시키기 못하기 때문에 반도체 소자를 파괴시키거나 반도체 소자의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.Therefore, the conventional ceramic DC semiconductor module substrate has a problem of destroying the semiconductor device or lowering the reliability of the semiconductor device because it does not effectively discharge heat generated in the substrate.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전도율이 높은 절연 재료로 이루어진 디비씨 기판을 사용하여 열전달 특성을 향상시킨 전력 반도체 모듈을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power semiconductor module having improved heat transfer characteristics by using a DC substrate made of an insulating material having high thermal conductivity.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 반도체 모듈은, 절연체기판에 구리를 직접 접합시켜 형성된 디비씨 기판을 사용하여 제조되는 전력 반도체 모듈에 있어서, 상기 절연체 기판은 베릴리아(BeO) 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.The power semiconductor module of the present invention for achieving the above object is a power semiconductor module manufactured by using a PCB substrate formed by directly bonding copper to an insulator substrate, wherein the insulator substrate is made of a BeO (BeO) material It features.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and comparative examples.
먼저, 종래의 절연체기판 재료로 사용되는 알루미나 및 알루미늄 나이트라이드 재료와 본 발명의 절연체기판 재료로 사용되는 베릴리아 재료의 열전도도를 살펴 보면 아래의 표 1 과 같다.First, looking at the thermal conductivity of the alumina and aluminum nitride material used as a conventional insulator substrate material and the Beryllia material used as the insulator substrate material of the present invention are shown in Table 1 below.
표 1. 절연체기판 재료 및 구리 재료의 열전도도(25℃)Table 1. Thermal Conductivity of Insulator Substrate Material and Copper Material (25 ℃)
표 1 에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 베릴리아 재료의 열전도도는 알루미나 보다는 10 배, 알루미늄 나이트라이드 보다는 2.5 배 가량 큰 값을 갖고 있다. 즉 절연체기판에 접착 금속으로 사용되는 구리 재료의 열전도도에 대하여 알루미나 기판은 약 6.3 %, 알루미늄 나이트라이드 기판은 약 25 %, 베릴리아 기판은 약 63 % 의 값을 나타낸다. 따라서, 본 발명에 따라 전력 반도체 모듈에 베릴리아 기판이 사용되는 경우 종래의 알루미나 기판 혹은 알루미늄 나이트라이드 기판 보다 월등히 개선된 열전달 특성을 얻을 수 있다.As shown in Table 1, the thermal conductivity of the beryllia material used in the present invention has a value 10 times larger than that of alumina and 2.5 times larger than aluminum nitride. That is, the thermal conductivity of the copper material used as the adhesive metal for the insulator substrate is about 6.3% for the alumina substrate, about 25% for the aluminum nitride substrate, and about 63% for the beryllia substrate. Therefore, when a beryllia substrate is used in the power semiconductor module according to the present invention, heat transfer characteristics that are much improved can be obtained than conventional alumina substrates or aluminum nitride substrates.
아래의 도표 1 은 종래의 알루미나 디비씨 기판과 본 발명의 베릴리아 디비씨 기판의 열전도도를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the thermal conductivity of the conventional alumina DC substrate and the Berilia DC substrate of the present invention.
도표 1. 알루미나 디비씨 기판과 베릴리아 디비씨 기판의 열전도도Table 1. Thermal Conductivity of Alumina and PCBs
상기 도표 1 의 결과는 기판의 두께를 0.025 인치와 0.04 인치로 하고 구리층 두께는 양면 모두 0.01 인치를 기준으로 하여 얻어진 것이다. 도표에서 확인할 수 있듯이 베릴리아 디비씨 기판은 100℃에서 기판 두께 0.025 인치인 경우 265 W/mK 정도, 기판 두께 0.04 인치인 경우 250 W/mK 정도의 열전도도를 나타내고 있는 반면, 알루미나 디비씨 기판의 경우 기판 두께 0.025 인치에서 28 W/mK 정도, 기판 두께 0.04 인치에서 25 W/mK 정도의 열전도도를 나타내고 있다.The results in Table 1 were obtained based on the thickness of the substrates of 0.025 inch and 0.04 inch and the thickness of the copper layer on both sides of 0.01 inch. As can be seen from the diagram, the Beryllia DC substrate has a thermal conductivity of about 265 W / mK at a substrate thickness of 0.025 inches at 100 ° C and about 250 W / mK at a substrate thickness of 0.04 inches. In this case, thermal conductivity of 28 W / mK at substrate thickness of 0.025 inch and 25 W / mK at substrate thickness of 0.04 inch is shown.
상기 결과를 표 1 과 비교해 볼 때, 열전도도값이 기판 재료 자체의 특성값 보다 약간 크게 나왔는데, 이것은 열전도도가 높은 구리 재료가 전체적인 열전도도를 증가시킨 것이며 도표 1 의 결과가 세라믹 재료의 열전도도와 유사한 것으로 미루어 볼 때 세라믹 재료 자체의 열전도도를 디비씨 기판 자체의 열전도도로 보아도 무방할 것으로 판단된다.Comparing the results with Table 1, the thermal conductivity value is slightly larger than the characteristic value of the substrate material itself. This is because the copper material with high thermal conductivity increased the overall thermal conductivity. Similarly, the thermal conductivity of the ceramic material itself may be regarded as the thermal conductivity of the PCB itself.
따라서, 표 1 과 도표 1 의 결과를 종합해 볼 때, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드 및 베릴리아 기판을 사용한 디비씨 기판 중에서 본 발명의 베릴리아 기판이 가장 우수한 열전달 특성을 나타냄을 알 수 있다.Therefore, when the results of Table 1 and Table 1 are combined, it can be seen that among the DC substrates using the alumina, aluminum nitride, and beryllia substrates, the beryllia substrate of the present invention exhibits the best heat transfer characteristics.
따라서, 본 발명에 따르면 전력 반도체 모듈은 보다 안정적이고 효율적으로 동작을 할 수 있게 된다. 즉 반도체 모듈의 동작중 전력 반도체 소자에서 발생된 열은 보다 안정적이고 효과적으로 외부 방열판에 전달될 수 있다. 따라서, 시스템 동작중 빈번히 발생하는 모듈의 파괴 현상은 감소된다. 또한 동일한 크기의 패키지에 보다 높은 정격의 반도체 소자를 탑재할 수 있기 때문에 신뢰성이 향상될 뿐만 아니라 기존에 사용되는 패키지 보다 소형의 패키지를 사용할 수 있어 원가 절감을 이룰 수 있으며 시스템의 소형화를 이룰 수 있다.Therefore, according to the present invention, the power semiconductor module can operate more stably and efficiently. That is, heat generated in the power semiconductor device during the operation of the semiconductor module may be transmitted to the external heat sink more stably and effectively. Therefore, the breakdown of modules frequently occurring during system operation is reduced. In addition, higher rated semiconductor devices can be mounted in packages of the same size, which not only improves reliability but also makes it possible to use smaller packages than existing packages, resulting in cost savings and system downsizing. .
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