KR20090078335A - 플라스틱 표면실장형 대면적 전원디바이스 - Google Patents

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KR20090078335A
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large area
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package
thermal expansion
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트레이시 오트리
스티븐 지. 켈리
조지 에이. 디지아코모
크리스토퍼 애런 반스
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마이크로세미 코포레이션
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Abstract

실리콘 다이 대 몰리브덴 도체(본드 패드) 등의 열팽창계수(CTE)가 일치하는 재료들을 가지며 낮은 프로파일을 갖고 하나 또는 두 개의 다이설계의 표면실장형 고출력 마이크로일렉트로닉 패키지. 패키지 내의 재료들의 열팽창계수가 일치하면 디바이스가 결함 또는 균열 없이 반복되는 극단의 온도범위 사이클링에 견딜 수 있게 된다. 이 패키지는 여러 용도 중에서도 과도전압 서프레서(TVS), 쇼트기 다이오드, 정류 다이오드 또는 고전압 다이오드용으로 사용할 수 있다. 매우 높은 탄성율을 갖는 히트싱크 금속도체를 사용하면 패키지의 풋프린트를 최소화하기 위해 매우 얇은 벽의 플라스틱 록킹을 이용할 수 있게 된다.
마이크로일렉트로닉 패키지, 표면실장, 열팽창계수, 다이

Description

플라스틱 표면실장형 대면적 전원디바이스{PLASTIC SURFACE MOUNT LARGE AREA POWER DEVICE}
본 발명은 일반적으로 마이크로일렉트로닉 패키지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 표면실장패키지에 관한 것이다.
고출력 마이크로일렉트로닉 패키지 디바이스는 대전력이 필요한 전원회로에서 정류기나 스위치로서 사용할 수 있다. 큰 소요전력을 취급할 수 있는 디바이스를 설계하기 위해서 단일 패키지 내에 많은 다이(6-8)를 서로 상하로 적층하는 공정을 이용하였다. 이 다이적충법은 외관적 또는 전기적 장해의 가능성을 증가시키고 목표로 하는 전압디바이스를 달성하기 더욱 어렵게 한다. 적층된 다이 디바이스의 결점은 패키지 프로파일이 상당히 증가하며, 다중 적층 다이 때문에 낮은 전압 디바이스를 얻을 수 없다는 것이다. 또한, 적층된 다이 디바이스는 정류기 또는 부하 덤프용 기판에 히트싱크될 수 없다. 극단의 온도사이클링으로 인해 결국 디바이스가 파손되거나 균열이 발생된다.
고출력 디바이스는 일반적으로 종래의 통공법(through-hole technique)을 사용하여 인쇄회로기판(PCB) 상에 장착되는데, 이는 기판조립체를 비싸게 만들고 조립공정을 지연시키게 된다. 이런 시도방법은 PCB 상에 큰 풋프린트(footprint)를 남기게 되고 디바이스가 테이프 및 릴 포맷(tape-and-reel format)으로 공급될 수 없게 한다.
낮은 프로파일의 표면실장 패키지에 다중 적층 없이 높은 소요전력을 취급하기 위해 단일 다이를 갖는 개량된 고출력 디바이스가 요구된다.
본 발명은 표면실장형 고출력 마이크로일렉트로닉 패키지로서의 기술적 이점들을 달성한다. 본 발명의 일 예시적 실시예는 실리콘 다이 대 몰리브덴 도체(본드 패드) 등의 열팽창계수(CTE)가 일치하는 재료들을 가지며 낮은 프로파일을 갖는 단일 다이설계의 패키지를 이용한다. 패키지 내의 재료들의 열팽창계수가 일치하면 디바이스가 결함 또는 균열 없이 반복되는 극단의 온도범위 사이클링에 견딜 수 있게 된다. 이 패키지는 여러 용도 중에서도 과도전압 서프레서(TVS), 쇼트기 다이오드, 정류 다이오드 또는 고전압 다이오드용으로 사용할 수 있다. 매우 높은 탄성율을 갖는 히트싱크 금속도체를 사용하면 패키지의 풋프린트를 최소화하기 위해 매우 얇은 벽의 플라스틱 록킹을 이용할 수 있게 된다.
도 1은 마이크로일렉트로닉 패키지의 예시적 실시예의 준조립체의 측면도;
도 2는 몰딩 전의 본 발명의 예시적 실시예의 평면도;
도 3은 몰딩 전의 본 발명의 예시적 실시예의 측면도;
도 4는 본 발명의 예시적 실시예의 평면도;
도 5는 도 4의 선 A-A를 따라서 취한 본 발명의 예시적 실시예의 단면도;
도 6은 몰딩 전의 본 발명의 제 2 예시적 실시예의 측면도; 및
도 7은 몰딩 전의 본 발명의 제 3 예시적 실시예의 측면도.
도 1을 참조하면, 표면실장형 고출력 마이크로일렉트로닉 패키지의 준조립체가 10에 도시되어 있다. 용이한 제조를 위해, 이 디바이스는 오정렬을 피할 수 있도록 단계적으로 구성된다. 준조립체가 구성되고, 그 외의 부품들이 추가된 후 모든 요소가 패키징에 의해 봉입된다. 도체(본드 패드)에 대면적 반도체 다이가 접착제와 함께 배치되는데, 여기서 반도체 다이의 열팽창계수는 본드패드의 열팽창계수와 일치한다. 일 예시적 실시예에서, 대면적, 예를 들어 0.380″×0.380″을 갖는 실리콘 다이(12)가 두께가 약 0.010″인 몰리브덴("몰리") 패드에 연납(16)과 함께 배치된다. "몰리"패드(14)는 사용하는 실리콘 다이(12)와 사이즈가 유사하다. 분위기가 조절된 벨트퍼니스(belt furnace) 내에서 플럭스를 사용하지 않고 준조립체를 구성하는데는 융점이 약 309℃인 95Pb/5Sn 등의 고온 땜납을 사용한다. "몰리"패드(14)는 열에 의한 굽어짐을 방지하는 역할을 하며 따라서 디바이스의 잠재적인 손상을 경감시킨다. 다이의 열팽창은 디바이스의 제조에 사용되는 기타 재료 전부에 영향을 준다. 반도체 다이에 대한 재료특성의 선택 및 조합으로 풋프린트가 최소가 되고 높은 신뢰도를 갖는 대면적 디바이스를 만들 수 있게 된다.
이제 도 2를 참조하면, 몰딩 전의 본 발명의 예시적 실시예의 평면도가 20으로 도시되어 있다. "몰리"패드(14)에는 높은 전기전도성 구리탭(22)이 동작 가능하게 연결되는데, 이 "몰리"패드는 실리콘 다이(12)에 동작 가능하게 연결되며, 이 실리콘 다이는 준조립체 제조에 사용된 것보다 약간 낮은 융점을 갖는 땜납을 사용하여 85Mo/15Cu 금속매트릭스 히트싱크(26)에 동작 가능하게 연결된다. 이 제조는 분위기가 조절된 벨트퍼니스 속에 연화/용융 온도범위가 약 280℃인 88Pb/10Sn/2Ag 땜납을 사용하여 요소들을 동시에 배치함으로써 달성될 수 있다. 히트싱크(26)는 매우 높은 탄성율을 가지고 다이의 열팽창계수와 유사한 열팽창계수를 갖는다. 유리하게는, 히트싱크(26)는 열방출 외에도 디바이스를 기판에 고정함과 동시에 휘지 않는 매우 단단한 구조를 제공하는 장착구조물로서 기능한다. 히트싱크(26) 재료는 구리/"몰리" 매트릭스로 구성되지만, 구리/텅스텐 매트릭스, 구리/몰리브덴 매트릭스 또는 그 외의 재료로 구성될 수 있다. 구리 탭(22)은 기판에 패키지가 평면상태로 부착될 수 있게 하는 굴곡부(23)를 갖는다.
이제 도 3을 참조하면, 몰딩 전의 본 발명의 예시적 실시예의 측면도가 30에 도시되어 있다. 실리콘 다이(12)는 캐소드 측면이 히트싱크(26)에 연결되도록 장착되는데 왜냐하면 히트싱크의 열팽창이 실리콘 다이(12)의 열팽창과 유사하기 때문이다. 그러나 신뢰도를 증가시키기 위해서는 제 2 "몰리"패드(14)가 실리콘 다이(12)와 히트싱크(26) 사이에 배치될 수 있다. 트랜스퍼 몰딩 컴파운드 등의 재료로 오버몰딩되는 경우는 히트싱크의 록킹기구 주위의 영역에서의 온도사이클링 중에 몰드 컴파운드의 균열 발생을 방지한다. 이렇게 되면 기판 상에 풋프린트가 최소화되는 매우 얇은 벽구조의 플라스틱 몰드부가 가능하게 된다. 히트싱크(26)는 히트싱크(26)의 주위에 일체로 된 절반형 에칭 록킹기구(32)가 있어서 플라스틱 몰드가 히트싱크(26)에 견고히 부착되도록 구성된다. 플라스틱 몰드를 히트싱 크(26)에 부착하는 어떤 록킹법이라도 사용할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 몰딩 후의 본 발명의 예시적 실시예의 평면도가 40에 도시되어 있다. 이 디바이스는 풋프린트를 최소화하는 얇은 플라스틱 몰드(42)로 패키지된다. 플라스틱 몰드(42)는 몰드 컴파운드가 디바이스의 내부 접점을 절연시키는 것을 방지하는(플래싱) 구멍(44)을 갖는다.
이제 도 5를 참조하면, 도 4의 선 A-A를 따라서 취한 본 발명의 예시적 실시예의 단면도가 50에 도시되어 있다. 구리탭(22), "몰리"패드(14), 실리콘 다이(12) 및 히트싱크(26)가 트랜스퍼 몰드 내에서 몰딩 컴파운드로 오버몰딩되어 낮은 프로파일 및 작은 풋프린트를 갖는 디바이스가 되며, 트랜스퍼 몰드 내에서 몰딩 컴파운드로 오버몰딩된다. 전형적인 몰딩 컴파운드는 스미토모사의 6300H가 될 수 있으며 몰딩 컴파운드 제조사의 권고에 따라서 몰딩 후에 경화하였다.
본 발명의 모든 예시적 실시예들은 과도전압 서프레서(Transient Voltage Suppressor; TVS)로서 구성될 수 있는데, 이는 강건한 실리콘 PN접합의 저임피던스 아발란체 고장(avalanche breakdown)에 의한 전압스파이크를 제한하는 클램핑 디바이스이다. TVS는 유도뢰(induced lightning), 유도부하스위칭 및 정전방전에 의해 야기되는 것 같은 전기적 과대응력으로부터 민감한 부품들을 보호하는데 사용할 수 있다.
본 발명을 이용하기 위해서는, 용도에 필요한 소요전력을 결정한다. 예를 들어 15kW의 양방향 TVS가 필요하다면, 이 용도에는 하나의 디바이스로 충분하다. 만일 45kW의 TVS가 필요하다면 3개의 디바이스가 필요하다. 필요한 디바이스의 전 압을 결정한다. 각 디바이스가 전자기판(PCB 등) 상에 놓이기 위해서는 디바이스용 본딩패드를 권장 본딩에 따라서 디바이스 데이터 시트 상에 배치하여야 한다. 이 디바이스들은 수동 또는 자동화 조립장비에 의해 본딩 패드 상에 배치되어 컨벡션 리플로우(convection reflow) 등의 업계표준 솔더 리플로우법을 사용하여 솔더링될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 몰딩 전의 본 발명의 제 2 예시적 실시예의 측면도가 60에 도시되어 있다. PN접합의 캐소드가 동작 가능하게 연결되도록 두 개의 반도체 다이(14)가 배치된다. 각각의 0.380″×0.380″의 반도체 다이는 정격 15kW의 TVS 서지보호를 갖는다. 반도체 다이(14)가 캐소드끼리 연결된다는 사실 때문에 정격 15kW의 서지보호는 양방향성이다.
이제 도 7을 참조하면, 몰딩 전의 본 발명의 제 2 예시적 실시예의 측면도가 70에 도시되어 있다. 이 구조에서 반도체 다이(14)는 캐소드 대 캐소드로 배치되어 있다는 사실 때문에, PN접합 부품이 단락되지 않도록 "몰리"패드가 필요하다. 그리고 정격 15kW의 0.380″×0.380″의 반도체 다이 TVS 서지보호가 모여져서 양방향으로 30kW의 전원보호등급을 가질 수 있게 된다.
본 발명은 먼저 하나의 큰 다이가 많은 적층 다이 없이 높은 소요전력을 취급할 수 있기 때문에 기술적 이점들을 실현한다. 두 번째로 표면실장 패키징 때문에 디바이스가 테이프 및 릴 포맷으로 공급되어 표준 자동화 조립장비를 사용하여 기판 상에 놓여질 수 있다(즉, 픽 앤드 플레이스 방식). 세 번째로 디바이스는 정류기/쇼트키(Schottky) 및 로드덤프 용도로 PCB에 히트싱크될 수 있다.
본 발명은 게다가 패키지 내의 재료들의 열팽창계수를 일치시켜서 큰 다이를 사용하여 밀리터리 (Hi-Rel) 온도사이클링을 수행할 수 있는 능력을 부여할 수 있게 함으로써 기술적 이점들을 실현한다.
이상 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 당업자라면 본 출원서로부터 많은 변형 및 수정이 가능해질 것이다. 따라서 첨부하는 특허청구의 범위는 이런 모든 변형 및 수정을 포함하도록 종래기술에 비추어서 가능한 넓게 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 고출력적용 디바이스에 있어서:
    대면적 반도체 다이;
    상기 반도체 다이에 근접하여 배치된 열팽창계수가 일치하는 도체;
    상기 반도체 다이에 근접하여 배치된 열팽창계수가 일치하는 히트싱크;
    상기 반도체 다이, 상기 도체 및 상기 히트싱크를 봉입하는 얇은 키 몰드; 및
    표면실장 디바이스로서 패키지된 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도체 재료는 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 디바이스는 과도전압 서프레서인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 디바이스는 쇼트키 다이오드인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 디바이스는 정류 다이오드인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디바이스는 고전압 다이오드를 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 도체 재료는 텅스텐인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 온도사이클링 중에 부품의 휨을 감소시키는 방법에 있어서:
    대면적 반도체 다이를 적어도 하나의 저열팽창 도체에 근접하게 배치하는 단계; 및
    상기 대면적 반도체 다이를 히트싱크에 근접하게 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 반도체 다이의 열팽창계수는 적어도 하나의 도체의 열팽창계수와 일치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 도체 재료는 높은 탄성율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 대면적 반도체 다이는 과도전압 서프레서인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 대면적 반도체 다이는 쇼트키 다이오드인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 4 항에 있어서, 상기 대면적 반도체 다이는 정류 다이오드인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 4 항에 있어서, 상기 대면적 반도체 다이는 고전압 다이오드를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
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