KR19990078062A - 전자 조립체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본원은 절연된 메탈 히트 싱크(10)를 갖는 전자 조립체(20)와 그 제조 방법에 관한 것이다. 전자 조립체(20)는 히트 디시페이터(heat dissipater: 11), 유전체(dielectric material: 12), 및 전도층(13)을 갖는다. 반도체 칩(21)에 의해 발생되는 열은 히트 디시페이터(11)의 전도면(conduction surface: 14)에 전도되고, 히트 디시페이터(11)의 대류면(convection surface: 16)에 전도된다. 열은 히트 디시페이터(11)의 대류면(16)으로부터 유체까지 대류에 의해 전달된다. 유체는 매니폴드(31)에 의해 방향이 정해진다.

Description

전자 조립체 및 그 제조 방법{Electronic Assembly and Method of Manufacture}
본 발명은 전자 조립체, 특히 반도체 다이로부터 열을 제거하기 위한 전자 조립체에 관한 것이다.
산업용 파워 프러덕트, 자동화 파워 프러덕트, 전기 차량, 전원 등과 같은 분야의 시스템 레벨 설계자를 위한 중요한 설계상의 고려는 시스템의 전자 부품에 의해 발산되는 열의 제거이다. 일반적으로, 이러한 부품은 많은 양의 동력을 소비하고 다량의 열을 발생시킨다. 그러므로, 통상적으로 그것들은 동력 장치로서 언급된다. 상기 장치로부터 발생된 열이 제거되지 않은 경우, 그 접합부 온도는 임계 레벨을 초과해서, 전자 부품, 시스템, 또는 두가지 모두를 손상 또는 파괴시킨다. 전자 부품으로부터의 열을 제거하기 위해 통상적으로 사용되는 방법은 전자 부품으로부터의 열전달이 용이한 히트 싱크를 전자 부품에 부착하는 것이다. 히트 싱크는 공기 냉각식 또는 액체 냉각식일 수 있고, 여기서 열은 전자 부품으로부터 공기 또는 액체와 접촉하는 표면까지 전도에 의해 전달된다. 그 열은 전도에 의해 공기 또는 액체에 전달된다. 따라서, 공기 또는 액체는 전자 부품으로부터 열을 운반한다.
다른 중요한 설계상의 고려는 전기 시스템의 크기이다. 일반적으로, 공간 및 중량의 제한으로 인해 작고 가벼운 전기 시스템이 바람직하다. 그러나, 동력 장치를 포함하는 전기 시스템은 통상적으로 동력 장치에 의해 발생되는 열을 소산시키기 위해 전기 시스템 능력에 의해 억제된다. 특히, 동력 장치는 동력 장치 접합부 온도를 안전 작동 영역 내에 유지하기 위해 열을 충분히 제거하는 큰 히트 싱크를 필요로 한다. 따라서, 동력 장치를 갖는 전기 시스템은 종종 크고 무거운 열제거용 구조체, 즉 큰 히트 싱크를 포함한다. 이러한 큰 히트 싱크는 전기 시스템의 크기 및 중량을 증가시킨다.
따라서, 반도체 다이로부터의 열을 제거하기 위한 전자 조립체를 갖는 것이 유리하다. 접합부 온도를 그 안전 작동 영역 내에 유지시키는 상태로 전기 시스템의 크기를 감소시킬 수 있는 전자 조립체가 더욱 유리하다.
일반적으로, 본 발명은 전자 조립체와 전자 조립체 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 전자 조립체는 그 위에 장착되는 반도체 장치를 갖는 절연된 메탈 히트 싱크를 포함한다. 절연된 메탈 히트 싱크는 반도체 장치에 의해 발생되는 열을 제거하기 위한 전도면과 대류면을 갖는 히트 디시페이터를 포함한다. 열은 반도체 장치로부터 전도면까지 전도되고 히트 디시페이터를 통해 대류면까지 전도된다. 열은 대류에 의해 대류면으로부터 주위 매체까지 전달된다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 절연된 메탈 히트 싱크의 등각도.
도 2 는 본 발명에 따른 파워 모듈 조립체의 단면도.
도 3 은 도 2 의 파워 모듈 조립체의 등각 분해도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 메탈 히트 싱크 11 : 히트 디시페이터
12 : 유전체 13 : 전도층
14 : 전도면 15 : 핀
16 : 대류면 20 : 파워 모듈 조립체
21 : 반도체 칩 22 : 하우징
24 : 연결부 25, 26 : 와이어본드
27 : 포팅 컴파운드 29 : 모듈 커버
31 : 유체 매니폴드 32 : 립 또는 결합부
33 : 입구 포트 34 : 출구 포트
37 : 밀봉부 38 : 채널
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 절연된 메탈 히트 싱크(10)의 등각도이다. 절연된 메탈 히트 싱크(10)는 전도면(14)과 대류면(16)을 갖는 히트 디시페이터(11)를 포함한다. 대류면(16)은 열 전도 재료로 이루어진 핀(fin: 15)을 갖는다. 히트 디시페이터(11)에 적합한 재료는 아연, 알루미늄, 구리, 강, 구리 합금, 알루미늄 합금 등이다. 히트 디시페이터(11)의 제조 기술은 기계 가공, 압출 가공, 본딩, 주조, 스탬핑, 몰딩 등을 포함한다. 핀의 모양은 본 발명에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 핀은 바늘형 핀, 둥근바늘형 핀, 다이아몬드형 핀, 정사각형 핀, 테이퍼 핀, 세장형 핀, 또는 세그먼트 핀 등일 수 있다. 히트 디시페이터(11)가 핀을 갖는 것으로 설명되었지만, 이것은 본 발명에 제한되는 것은 아니다. 전도면(14)과 대류면(16) 사이의 거리를 최소화하는 상태로 히트 디시페이터(11)의 표면적을 증가시키는 기술은 히트 디시페이터(11) 제조에 사용될 수 있다.
양호하게는, 전도면(14)은 유전체(12)로 덮인 후 전기 전도층(13)으로 덮인다. 다시 말해, 전기 전도층(13)은 유전체(12)에 의해 전도면(14)에 유전적으로 결합된다. 예를 들어, 유전체(12)는 시트로서 전도면(14) 위에 놓이고 전기 전도층(13)은 유전체(12) 위에 놓인다. 그후, 히트 디시페이터(11), 유전체(12), 및 전기 전도층(13)은 상승된 온도에서 함께 적층된다. 유전체(12)를 전도면(14)상에 형성시키기 위한 다른 기술은 증착법(depositing), 화염 분사법(flame-spraying), 스크린 인쇄법(screen printing) 등을 포함한다. 전기 전도층(13)을 적용하기에 적합한 기술은 화염 분사법, 적층 성형법(laminating), 본딩, 솔더링 등을 포함한다.
유전체(12)로 사용되는 재료는 열전도성을 유지한 체로 전기 절연을 제공할 수 있는 B-상태 에폭시(B-staged epoxy), 세라믹 충전 및 다이아몬드 충전 에폭시와 같은 충전 에폭시, 세라믹, 또는 다른 물질을 포함한다.
도 1 을 참조하면, 전기 전도층(13)은 양호하게는 전기 경로, 와이어본드 접지 영역, 반도체 부착 영역 등을 형성하기 위해 종래의 에칭 기술을 사용하여 패턴화된다. 패턴화된 층을 형성하기 위해 전기 전도층(13)을 패턴화하는 다른 기술은 스크린 인쇄법, 화염 분사 단계중의 패턴화, 또는 유전체(12)에 스탬프 메탈 회로를 접착시키는 본딩 기술을 포함한다.
전기 전도층(13)에 사용되는 재료는 예를 들어, 구리, 알루미늄, 황동, 은등과 같은 전기 전도성 메탈을 포함한다. 또한, 전기 전도층(13)은 전도성 잉크로부터 형성될 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 파워 모듈 조립체(20)의 단면도이다. 절연된 메탈 히트 싱크(10)를 포함하는 파워 모듈 조립체(20)는 예를 들어, 그 위에 장착되는 반도체 칩(21)과 같은 열 발생 부품을 구비한다. 특히, 반도체 칩(21)은 전도층(13)상에 장착된다. 전도층(13)에 반도체 칩(21)을 장착하는 기술은 솔더링, 본딩 등을 포함한다.
하우징(22)은 예를 들어, 실리콘 첨가 접착제와 같은 접착제(도시되지 않음)로 절연된 메탈 히트 싱크(10)에 접착된다. 양호하게는, 하우징(22)은 메탈 삽입부 성형 플라스틱 하우징이고, 여기서 메탈 삽입부는 전기 연결부로서 작용한다.
반도체 칩(21)은 와이어본드(25, 26)에 의해 각각 전기 전도층(13)과 전기 연결부(24)에 전기 결합된다. 단지 하나의 칩만이 설명을 위해 도시되고, 복수의 칩이 전도층(13)상에 장착될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 또한, 전기 연결부(24)와 전기 전도층(13)에 반도체 칩(21)을 전기 결합시키기 위한 수단이 와이어본딩에 제한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 반도체 칩(21)은 메탈 칩, 전도 스트립 등을 구비한 전기 연결부(24)에 결합될 수 있다.
반도체 칩(21), 전기 전도층(13), 와이어본드(25, 26), 및 전기 전도층(13)의 일부는 예를 들어, 포팅 컴파운드(27)와 같은 유전체로 덮인다. 포팅 컴파운드는 실리콘, 에폭시 등을 포함한다. 포팅 컴파운드(27)는 전기 아크를 방지하고, 오염물질이 반도체 칩(21)을 손상시키는 것을 방지한다. 포팅 컴파운드(27)가 하우징(22)에 의해 형성된 공동을 부분적으로 채우는 것으로 도시되었지만, 이것은 본 발명에 제한되는 것은 아니다. 양호하게는, 포팅 컴파운드(27)는 반도체 칩(21)과 와이어본드(25, 26)의 일부를 덮는다.
모듈 커버(29)는 하우징(22)에 결합된다. 모듈 커버(29)는 하우징(22)에 단단히 부착되거나 하우징(22)에 초음파식으로 적층될 수 있다.
파워 모듈 조립체(20)는 그것이 유체에 의해 냉각될 수 있는 유체 매니폴드(31)를 포함해서 보다 높은 열을 제거할 수 있다. 유체 매니폴드(31)는 하우징(22)과의 결합을 위한 그리고 파워 모듈 조립체(20)에 유체 매니폴드(31)를 고정시키기 위한 립 또는 결합부(32)를 갖는다. 또한, 유체 매니폴드(31)는 유동 채널(38)로부터의 유체 누설을 방지하기 위한 밀봉부(37)를 포함한다. 적절한 밀봉부는 개스킷, 0-링, 초음파 기둥, 실리콘 접착제 등을 포함한다. 유체 매니폴드(31)는 유체 임구 포트(33)와 유체 출구 포트(34)를 포함한다. 유체 입구 포트(33)는 유체 난류를 강화하기 위해 유체 출구 포트(34)로부터 양호하게 오프셋되므로, 대류면(16)으로부터 채널(38) 내의 유체까지 대류 열전달을 증가시킨다. 또한, 유체 매니폴드(31)는 유체가 통과해 흐를 수 있는 유동 채널(38)을 형성하기 위해 절연된 메탈 히트 싱크(10)와 협동한다. 특히, 유체 매니폴드(31)는 유체 매니폴드(31)의 팽창, 유체 매니폴드(31)상의 편차 및 응력 제한을 방지하기 위해 핀(15)과 협동하는 패스닝부 또는 패스너(36)를 포함한다. 유체 매니폴드(31)가 복수의 패스너를 갖는 것으로 도시되었지만, 이것은 본 발명에 제한되는 것은 아니다. 유체 매니폴드(31)는 패스너(36) 없이 제조될 수 있다.
유체 매니폴드(31)는 유체 난류를 강화하기 위해 퍼추베이터(perturbators: 도시되지 않음)를 포함할 수 있으므로, 대류 열전달을 증가시킨다. 유체 매니폴드(31)가 대류 열전달을 증가시키는 부분이라는 것을 이해해야 한다. 유체 매니폴드(31)용으로 적합한 재료는 플라스틱, 메탈, 세라믹 등을 포함한다.
도 3 은 도 2의 파워 모듈 조립체의 등각 분해도이다. 도 3 은 파워 모듈 조립체(20)의 부가의 도시를 위해 제공된다. 상술한 바와 같이, 파워 모듈 조립체(20)는 하우징(22)에 결합되는 절연된 메탈 히트 싱크(10)를 포함한다. 모듈 커버(29)는 하우징(22)에 부착되고, 유체 매니폴드(31)는 하우징(22)에 결합된다. 와이어본드(26)와 포팅 컴파운드(27)는 본 발명의 목적을 명료히 하기 위해 도 3에는 도시되어 있지 않다.
이제 향상된 열적 성능을 갖는 전자 조립체가 제공된 것이 이해될 것이다. 본 발명의 이점은 반도체 칩과 주위 매체 사이의 공유 영역의 수의 감소이다. 따라서, 적은 수의 부품이 사용되어, 신뢰도를 향상시키고 전자 조립체의 가격을 감소시킨다.

Claims (3)

  1. 전도면(14)과 대류면(16)을 갖는 히트 디시페이터(11)와,
    상기 히트 디시페이터(11) 위에 배치되는 유전체(12)와,
    상기 유전체(12) 위에 배치되는 전기 전도층(13)과,
    결합면을 갖는 하우징(22)을 포함하고;
    상기 결합면은 히트 디시페이터(11)에 결합되는 전자 조립체(20).
  2. 전도면(14)과 대류면(16)을 갖는 히트 디시페이터(11)와,
    상기 히트 디시페이터(11) 위에 배치되는 유전체(12)와,
    상기 유전체(12) 위에 배치되는 전기 전도층(13)을 포함하는 절연된 메탈 히트 싱크(10).
  3. 전도면(14)과 대류면(16)을 갖는 히트 디시페이터(11)를 형성하는 형성 단계와,
    전기 전도층(13)을 상기 히트 디시페이터(11)의 전도면(14)에 절연식으로 결합시키는 결합 단계를 포함하는 전자 조립체(20) 제조 방법.
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