KR20080073736A - 반도체 패키지의 실장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고주파 그라운드와 방열면이 같은 케이스(11)에 형성된 오목부(12)에, 방열 베이스면이 고주파 그라운드가 되도록 전력 증폭용 반도체 소자가 실장된 패키지(13)를 상하 반전시킨 상태로 플립 실장을 행한다. 패키지(13)의 방열 베이스면이 위쪽 방향이 되기 때문에, 여기에 케이스(11)와는 열적으로 독립된 냉각 기구(14)가 설치된다. 냉각 기구(14)는 방열핀(15)과 히트 파이프(16)로 구성되어 있다. 전력 증폭용 반도체 소자의 냉각 기구가 독립적으로 되기 때문에, 다른 전자 부품 장치와의 열적 영향을 방지하고 냉각 시스템의 설계 자유도가 대폭 향상될 수 있다.

Description

반도체 패키지의 실장 장치{SEMICONDUCTOR PACKAGE MOUNTING APPARATUS}
본 발명은 반도체 패키지의 실장 장치에 관한 것으로, 특히 마이크로파대의 고주파용 증폭 장치에 전력 증폭용 반도체 소자용 패키지를 실장한 장치에 관한 것이다.
위성 통신 분야 등 최근 통신의 대용량화에 따라, 전력 증폭용 반도체 소자의 고출력화 요구가 높아지고 있다. 현재 Ku대(12∼15 ㎓) 애플리케이션에 있어서는 그 출력은 100 W, C대(4∼8 ㎓)에 있어서는 그 출력은 500 W를 넘고 있다. 그러나, 이 이상의 고출력화에는 전력 증폭용 반도체 소자에서 발생하는 열을 얼마나 효율적으로 방열하느냐가 중요하다. 이 고출력화는 이후 더욱 증대하는 경향이 있으며, 그 때문에 반도체 장치의 방열이 과제가 되고 있다.
종래의 실장 장치에는, 도 1에서 도시하는 바와 같이 전력 증폭용 반도체 소자패키지(41)가 수냉 또는 공냉 장치가 삽입된 시스템 케이스(42)의 베이스 기판 상에 다른 전자 부품(43)과 함께 실장되어 일체로 방열되고 있다. 전술한 바와 같이 전력 증폭용 반도체 소자로부터의 발열이 커지고 있기 때문에 주변 전자 부품도 고온에 노출되어, 주변에 실장된 전자 부품의 특성에 악영향을 미치게 된다. 현재의 실장 방법에서는 전력 증폭용 반도체 소자 패키지의 방열면이 시스템 케이스와 일체로 되어 있기 때문에 방열에 대한 설계의 자유도가 없는 것이 문제가 된다. 따라서 시스템 케이스와는 독립적으로 전력용 반도체를 냉각시킬 수 있는 실장 장치를 채용할 필요가 있게 된다.
반도체칩을 개별로 또한 케이스면에서 냉각시키지 않는 구조로서, 예컨대 냉각핀과 반도체칩 또는 반도체칩이 다이본드된 금속 베이스를 열전도 엘라스토머(elastomer) 또는 열전도 그리스를 통해 직접 스프링의 힘으로 기계 접촉시켜 방열시키는 실장 장치가 있다. 이것은 CPU칩의 방열 구조나 특허문헌에서 볼 수 있다(일본 공개 특허 공보 평성 제7-94912호 참조).
그러나, 이들 실장 기술이 적용되는 대상 반도체 장치는 그리드 어레이면에서 냉각을 할 수 없는 FC-PGA(Flip Chip Pin Grid Array)나 BGA(Ball Grid Array)타입의 패키지로서, 고출력의 고주파 전력 증폭용 반도체 소자에 대한 실장에 대해서는 해결하지 못한다.
따라서 본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로 그 목적은, 시스템 케이스에 삽입된 냉각 시스템과는 독립된 방열 구조에 의해, 다른 전자 부품 장치로의 열적 영향을 방지하여 냉각 시스템의 설계 자유도가 대폭 향상될 수 있는 반도체 패키지의 실장 장치를 제공하는 것을 목적이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본원 발명의 일 형태에 따르면, 고주파 그라운드 기능과 방열 기능을 구비한 케이스에 형성된 오목부와, 이 오목부 내에 수납된 반도체 패키지와, 상기 반도체 패키지 상에 설치된 냉각 기구를 구비하고, 상기 반도체 패키지에는 고주파 그라운드 기능을 구비한 방열 베이스면과, 이 방열 베이스면 상에 실장된 반도체 소자와, 이 반도체 소자의 주위를 둘러싸는 프레임과, 이 프레임에 둘러싸인 공간을 기밀(氣密)하게 덮는 덮개가 설치되며, 상기 방열 베이스면은 상기 덮개에 대하여 위쪽에 배치되도록 상기 케이스에 형성된 오목부 내에 수납되고, 상기 냉각 기구는 상기 오목부의 외측에 배치된 방열 베이스면 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 반도체 패키지의 실장 장치에 따르면, 전력용 반도체의 발열면을 시스템 케이스와 독립적으로 함으로써, 자유도가 있는 독립된 방열 시스템을 설계할 수 있다. 이에 의해 고주파에서의 전기적 특성을 손상시키지 않고, 방열 특성이 우수한 실장 장치를 갖는 시스템을 용이하게 설계할 수 있다. 또한 발열면이 시스템 케이스와 독립적으로 됨으로써, 주변 전자 부품에 열이 전해지는 것을 억제할 수 있고, 또 냉각 기구로서 히트 파이프(heat pipe)를 이용한 경우, 발열면이 케이스 상면이 됨으로써 히트 파이프의 방열면을 위, 수열면을 아래로 배치할 수 있기 때문에, 유효하게 그 효과를 기능시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 패키지의 실장 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
시스템 케이스(11)는 고주파 그라운드를 형성하는 도체와 방열면을 형성하는 방열체를 겸한 블록체로 이루어지는 시스템 케이스이며, 열전도율이 좋은 Cu, Al 등의 저렴한 재료가 이용된다. 이 시스템 케이스(11)에는 그 일부에 오목부(12)가 형성되어, 이 내부에 전력 증폭용 반도체 소자를 수납한 패키지(13)를 상하 반전시켜 플립 실장되어 있다. 즉 패키지(13)에는 고주파 그라운드 도체를 겸하는 방열용 금속 베이스면 상에 전력 증폭용 반도체 소자가 실장되지만, 시스템 케이스(11)의 오목부(12)에는 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)의 저면이 위가 되어, 본체가 오목부(12) 내에 위치하도록 실장된다. 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)의 저면 상에는 시스템 케이스(11)와는 열적으로 독립된 냉각 기구(14)를 설치한다. 냉각 기구(14)는 방열핀(15), 히트 파이프(16) 및 이 히트 파이프(16)가 매립된 동(銅) 블록(16')으로 구성되어 있다. 또, 이 시스템 케이스(11) 상에는 동시에 다른 전자 부품(17)이 실장되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 사용되는 반도체 소자 실장용 패키지(13)의 구성을 도시하는 일부 절결 사시도이다. 이 패키지(13)에 있어서는, 금 도금된 Cu(동) 등의 방열용 금속 베이스(20) 상에, 전력 증폭용 반도체칩(21), 출력측 정합 회로(22), 혹은, 도시하지 않지만, 입력측 정합 회로 등이 실장되며, 입력측 정합 회로 혹은 출력측 정합 회로(22)는 각각 피드스루 타입의 입출력 단자(23, 24)에 접속된다. 전력 증폭용 반도체칩(21)은 그 신뢰성 확보를 위해 프레임(25)과 덮개(26)에 의해 밀봉되어 있다. 이 패키지(13)를 시스템 케이스(11)에 고정하기 위해서 고정 플랜지(27)가 방열용 금속 베이스(20)와 일체로 형성되어 있다. 이 고정 플랜지(27)에는 나사 고정용의 반원형 절결부(28)가 형성되어 있다. 이 부분에서 고정 플랜지(27)를 나사(18)로 고정함으로써 시스템 케이스(11)의 고주파 그라운드와 방열을 확보할 수 있다.
이와 같이 전력 증폭용 반도체칩(21), 출력측 정합 회로(22) 등이 실장된 패키지(13)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템 케이스(11)에 형성된 오목부(12)에, 패키지(13)의 입출력 방향은 그대로 하고 상하를 반전시켜 플립 실장된다. 이때, 패키지(13)는 고정용 플랜지(27)에 형성된 반원형의 절결부(28)에 나사(18)를 통해서 시스템 케이스(11)에 고정된다.
이때 패키지(13) 하면에 있는 덮개(26)는 오목부(12)의 저면(19)에 접촉하지 않도록 간극을 두고 설치한다. 패키지 하면에 있는 덮개(26)가 오목부(12)의 저면(19)에 접촉하고 있으면 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)를 오목부(12)의 상단에서 나사 고정할 때, 나사(18)가 완전히 조여지지 않게 될 우려가 있다. 나사(18)가 완전히 조여지지 않을 경우 양자의 전기적 도통이 불완전해져, 오목부(12)를 포함하는 시스템 케이스(11)는 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)를 기준으로 하는 고주파 그라운드 전위를 유지할 수 없게 되어, 전체의 특성에 악영향을 미치게 된다. 이 때문에 오목부(12)의 깊이는 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)의 하면으로부터의 높이보다 조금 크게 할 필요가 있다. 이 간극에는 방열 효과가 있는 그리스나 겔형 엘라스토머 등을 삽입해도 된다. 패키지(13)의 방열면인 방열용 금속 베이스(20)가 위를 향함으로써, 여기에 시스템 케이스(11)와는 열적으로 독립된 냉각 기구(14)를 설치할 수 있게 된다.
이 냉각 기구(14)는 전술한 바와 같이, 시스템 케이스(11)와는 열적으로 독립된 냉각 기구이다. 즉, 이 냉각 기구(14)는 시스템 케이스(11)로부터 열적으로 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각 기구(14)를 상부에 설치할 수 있음으로써 방열 효과가 향상된다. 방열핀(15)의 열은 공기의 열로 변환되어 상승하는 것이 가능하고, 열대류를 원리로 하는 히트 파이프(16)에 있어서는 방열 효과의 향상을 더욱 기대할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이 시스템 케이스(11) 상에는 또, 분파기, 합파기, 입출력 정합 회로, 제어 회로 등 다른 전자 부품(17)이 실장되어 있다. 이와 같이 고출력 반도체 소자를 독립적으로 냉각시킬 수 있는 기구를 채용함으로써, 다른 전자 부품과 열적으로 분리할 수 있고, 발열이 특성에 악영향을 미치게 하는 것을 방지할 수 있다.
도 4a는 도 2에 도시하는 실시형태에 있어서의, 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)와 시스템 케이스(11)의 그라운드면과의 접속 상태를 도시하는 측면도이고, 또 도 4b는 그 평면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 반전 실장된 패키지(13)의 입출력 단자(23, 24)가 시스템 케이스(11) 상에 형성된 마이크로파 전송 선로(34)에 접속되어 있다. 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)와 시스템 케이스(11)의 그라운드면과는, 입력 단자(23)의 양측에서, 접속 도체(35)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 마이크로파 전송 선로(34)의 단부 양측에서는, 마이크로파 전송 선로(34) 하측의 절연체층(36)이 일부 제거되어, 하지의 시스템 케이스(11) 표면이 노출된다. 접속 도체(35)의 일단은 이 노출부에서 시스템 케이스(11)에 전기적으로 접속된다. 이에 의해 고주파 특성의 악화를 방지한다. 또한, 이러한 패키지(13)의 방열용 금속 베이스(20)와 시스템 케이스(11)의 그라운드면과의 접속은, 패키지(13)의 출력 단자(24)측에서도 상기 입력 단자(23)측과 동일하게 행하는 것이 바람직하다. 따라서 도면에서는, 상기 입력 단자(23)측의 구성 부분과 대응하는 부분에 대해서는 대시 「'」를 붙인 동일 도면 부호로 도시하며, 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 반도체 패키지의 실장 장치에 따르면, 전력용 반도체의 발열면을 시스템 케이스와 독립적으로 형성함으로써, 자유도가 있는 독립된 방열 시스템을 설계할 수 있다. 이에 의해 고주파에서의 전기적 특성을 손상시키지 않고, 방열 특성이 우수한 실장 장치를 갖는 시스템을 용이하게 설계할 수 있다. 또한, 발열면이 시스템 케이스와 독립적으로 됨으로써, 주변 전자 부품에 열이 전해지는 것을 억제할 수 있고, 또한, 냉각 기구로서 히트 파이프를 이용한 경우, 발열면이 케이스 상면이 되기 때문에 유효하게 그 효과를 기능시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 그대로 한정되는 것이 아니며, 실시 단계에서 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구체화할 수 있다. 예컨대, 반도체 패키지의 시스템 케이스로의 고정 방법으로서는, 나사 고정 대신에 다른 적당한 고정 방법, 예컨대 납땜에 의해 고정해도 된다.
도 1은 종래의 반도체 장치의 실장 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 반도체 패키지의 실장 장치를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 사용하는 반도체 패키지의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 4a는 도 2에 도시하는 반도체 장치의 실장 장치에서의, 패키지의 고주파 그라운드와 케이스 그라운드의 접속 상태를 도시하는 측면도이다.
도 4b는 도 2에 도시하는 반도체 장치의 실장 장치에서의, 패키지의 고주파 그라운드와 케이스 그라운드의 접속 상태를 도시하는 평면도이다.

Claims (7)

  1. 오목부를 갖는 케이스와,
    베이스 및 이 베이스의 한쪽면에 반도체 소자를 가지며 이 반도체 소자를 상기 오목부측으로 향하게 상기 케이스에 실장되는 반도체 패키지와,
    상기 베이스의 다른쪽면으로서 상기 케이스 외측에 설치되는 냉각 기구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 패키지는 상기 베이스의 단부에서 상기 케이스에 나사 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반도체 패키지는 상기 오목부 내에서 상기 케이스와의 사이에 간극이 생기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 기구는 방열핀과 히트 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 고주파 그라운드 기능을 구비하고,
    상기 반도체 패키지는 상기 반도체 소자를 둘러싸는 프레임과, 이 프레임에 둘러싸인 공간을 덮는 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키지의 실장 장 치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반도체 패키지의 상기 베이스와 상기 케이스는 그라운드 접속 도체에 의해 접속되고, 이에 의해 상기 반도체 패키지의 고주파 그라운드와 상기 케이스의 고주파 그라운드는 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 반도체 패키지는 상기 반도체 소자에 접속되는 입력측 정합 회로, 출력측 정합 회로, 상기 입력측 정합 회로에 접속되는 입력 단자 및 상기 출력측 정합 회로에 접속되는 출력 단자를 더 포함하고,
    상기 케이스는 상기 오목부 주위에 절연층을 통해 형성된 마이크로파 전송 선로를 더 포함하며,
    상기 그라운드 접속 도체의 일단은 상기 절연층을 제거함으로써 노출된 상기 케이스의 표면에 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 실장 장치.
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