KR20100073022A - 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지 - Google Patents

방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전력 소자 패키지는, 퓨즈 대신에 반영구적으로 사용가능한 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자를 이용하여 전력 소자의 발열을 제어하면서, 이와 더불어 전력 소자의 상부 일 영역에만 형성된 소형의 방열판을 통해 전력 소자에서 발생된 열을 외부로 방출시키며, 이에 따라 우수한 방열 성능을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 전력 소자 패키지는 전력 소자를 사용하는 모든 전기 전자회로에 유용하게 활용될 수 있다.
금속-절연체 전이, 전력 트랜지스터 발열 제어, 패키지

Description

방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지{The package of power device having enhanced heat dissipation}
본 발명은 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지에 관한 것으로, 더 자세하게는 교체 없이 사용가능한 과열 방지 소자와 소형의 방열판을 이용하여 전력 소자의 발열을 효과적으로 방지할 수 있는 전력 소자 패키지에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-025-01, 과제명: 전기적 점프를 이용한 신소자 기술].
컴퓨터를 포함하여 산업용 기기 등에 전력 제어를 위한 소자로서 전력 트랜지스터가 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 전력 트랜지스터에서는 전력 공급으로 인해 열이 많이 발생하며, 이로 인해 전력 트랜지스터를 보호하기 위해 전력 트랜지스터의 베이스나 게이트에 퓨즈(fuse)를 연결하여 사용하고 있다.
퓨즈는 온도가 어떤 위험한 온도까지 상승하면 저절로 끊어져서 전력 트랜지 스터를 턴-오프(Turn-Off) 시켜 전력 트랜지스터의 온도가 낮아지도록 한다.
그런데, 고가의 장비에 저가의 퓨즈를 사용하여 퓨즈의 끊임 유무를 통해 시스템을 보호할 수는 있지만, 퓨즈가 끊긴 후에는 그 퓨즈를 교체해야 하는 문제가 있다.
이와 같이 퓨즈를 교체하는 경우, 퓨즈 자체의 값은 저렴하다고 할지라도 그 교체에 따른 시간 및 비용이 소비되고, 또한 교체에 따른 장비의 불사용으로 인해 막대한 경제적 손해를 초래한다. 그에 따라, 퓨즈의 기능을 대체하면서도 교체 없이 계속적으로 사용할 수 있는 과열 방지 소자에 대한 연구 및 그 과열 방지 소자를 이용한 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로 및 방법 등이 연구되고 있다.
한편, 현재 이차전지 충전기의 경우 적어도 500 mA의 전류가 흐를 수 있는 전력 트랜지스터가 필요한데, 이 때 전력 트랜지스터(TIP 29C, 최대전류 2A)의 온도는 150℃ 이상, 예컨대 140℃까지 올라간다. 그에 따라, 온도 퓨즈를 이용하여 전력 시스템을 보호하면서, 발생한 열을 식히기 위하여 알루미늄 방열판을 사용하고 있다.
하지만, 상기와 같은 알루미늄 방열판은 전력 트랜지스터 보다 크기가 커서 전력 시스템의 소형화에 큰 걸림돌이 되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 교체 없이 사용가능한 과열 방지 소자와 소형의 방열판을 이용하여 전력 소자의 발열을 효과적으로 방지할 수 있는 전력 소자 패키지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지는, 신호를 인가하기 위한 신호 인가 단자들이 길이 방향의 양측면에 인접하여 형성된 인쇄 회로 기판; 상기 인쇄 회로 기판의 소정 영역에 실장되어 전력을 공급하는 전력 소자; 상기 전력 소자의 발열부분에 부착되어 상기 전력 소자의 발열을 제어하는 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자; 및 상기 전력 소자의 상부 일영역에 형성되는 방열판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 인쇄 회로 기판의 길이 방향의 양측면중 하나의 측면에 인접하여 복수개의 제1 신호 인가 단자가 배치되고, 상기 제1 신호 인가 단자와 마주보는 위치에 복수개의 제2 신호 인가 단자가 배치된다.
이와 같은 인쇄 회로 기판의 구조를 이용하여 상기 인쇄 회로 기판에 다수의 전력 소자가 실장되는 경우, 상기 인쇄 회로 기판의 소정 영역에만 다수의 전력 소자를 인접하게 배열하고, 상기 다수의 전력 소자의 상부 일 영역에 걸쳐 상기 방열 판을 일체로 형성하면, 상기 MIT 소자를 통해 상기 다수의 전력 소자의 발열을 제어하면서 상기 방열판을 이용하여 상기 다수의 전력 소자에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전력 소자 패키지는, 퓨즈 대신에 반영구적으로 사용가능한 MIT 소자를 이용하여 전력 소자의 발열을 제어하면서, 이와 더불어 전력 소자의 상부 일 영역에만 형성된 소형의 방열판을 통해 전력 소자에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있으므로, 이에 따라 우수한 방열 성능을 갖는다.
따라서, 본 발명에 따른 전력 소자 패키지는 전력 소자를 사용하는 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 전지 충전회로, 모터 제어회로, 전기 전자 기기의 파워 제어회로, 파워 서플라이, 오디오를 포함하는 파워 앰프, 및 마이크로프로세서를 포함하는 집적화된 기능성 IC의 내부 회로 등의 모든 전기 전자회로 등에 유용하게 활용될 수 있다.
게다가, 본 발명의 전력 소자 패키지에 적용된 MIT 소자는 교체 없이 반영구적으로 사용될 수 있으므로, 종래 퓨즈 사용에 의해 발생하던 시간 및 비용 낭비 등의 문제를 해결할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설 명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었으며, 본 발명과 크게 관련 없는 부분은 생략되었다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명자들은 선행 발명으로서 퓨즈 대신에 반영구적으로 사용가능한 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자를 이용하여 전력 트랜지스터의 발열을 제어하는 회로를 제시한 바 있다. 본 발명은 이러한 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로가 인쇄 회로 기판에 실장되는 경우 상기 MIT 소자와 병행하여 전력 트랜지스터의 발열을 보조적으로 감소시킬 수 있는 패키지 구조에 관한 것으로, 본 발명의 이해를 돕기 위해 선행 발명의 MIT 소자를 이용한 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 소자 패키지에 포함되는 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로(100)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로(100)는, 구동소자(130)에 전력을 공급하는 전력 트랜지스터(110)와, 상기 전력 트랜지스터(110)의 발열을 제어하기 위하여 상기 전력 트랜지스터(110)의 베이스에 연결된 MIT 소자(150)를 포함한다.
상기 전력 트랜지스터(110)의 에미터는 제1 저항(R1)을 통해 전원(Vcc)에 연 결되고, 베이스도 제2 저항(R2)을 통해 전원(Vcc)에 연결되어 있다. 여기에서, 상기 제1 및 제2 저항(R1, R2)의 저항값은 전력 트랜지스터(110)의 올바른 작동 및 구동 소자(130)로 공급되는 전력의 조절을 위해 전원에 따라 적절하게 조절된다.
전술한 바와 같이, 상기 전력 트랜지스터(110)에서는 전력 공급으로 인해 열이 발생하게 되고, 이러한 열에 의해 전력 트랜지스터(110)가 오작동하는 경우가 발생한다. 이러한 전력 트랜지스터(110)의 오작동이 발생하는 경우, 구동소자(130)가 손상되거나 파괴되는 경우가 발생할 수 있다.
상기 MIT 소자(150)는 이러한 전력 트랜지스터(110)의 발열을 제어하기 위하여 전력 트랜지스터(110)의 발열부분, 예컨대 전력 트랜지스터(110)의 표면에 부착되어 전력 트랜지스터(110)의 온도에 따라 전력 트랜지스터(110)의 온오프를 제어하며, 상기 MIT 소자(150)의 동작에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, MIT 소자(150)는 특정 임계 전압 또는 임계 온도에서 급격한 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으켜 절연체에서 금속으로, 또는 금속에서 절연체로 전이하는 특성을 갖는다.
따라서, 상기 전력 트랜지스터(110)에서 열이 발생하지 않은 평상시의 경우, 상기 MIT 소자(150)는 절연체로 전이하며, 이에 따라 상기 전력 트랜지스터(110)의 베이스 전압이 구동소자(130)에 연결된 컬렉터 전압보다 높아져 상기 전력 트랜지스터(110)가 턴-온(Turn-On)되어 구동 소자(130)로 전력이 공급된다.
만약, 상기 전력 트랜지스터(110)에 열이 발생하여 소정 임계 온도 이상으로 상승하는 경우, 상기 MIT 소자(150)가 금속으로 전이함으로써 상기 전력 트랜지스 터(110)의 베이스 전압은 거의 0V가 된다. 이에 따라 상기 전력 트랜지스터(110)의 베이스 전압이 컬렉터 전압보다 낮아지게 되어 상기 전력 트랜지스터(110)가 턴-오프되며, 따라서 구동 소자(130)로의 전력 공급이 차단된다. 전력 공급이 차단되면, 다시 말해서 전류의 흐름이 차단되면, 전력 트랜지스터(110)의 발열이 중지되어 냉각된다.
그리고, 상기 전력 트랜지스터(110)가 소정 임계 온도 미만으로 냉각되면, MIT 소자(150)는 다시 절연체로 전이하고, 이에 따라 전력 트랜지스터(110)가 턴-온 되어 다시 정상적인 전력을 구동소자(130)로 공급하게 된다.
이와 같이, 임계 온도에서 급격한 금속-절연체 전이 현상을 일으키는 MIT 소자(150)를 이용하여 교체 없이 반영구적으로 전력 트랜지스터(110)의 발열을 제어할 수 있고, 그에 따라 전력 트랜지스터(110)에 연결된 구동소자(130)나 시스템을 안전하게 보호할 수 있다.
하지만, 전력 트랜지스터(110)에서 많은 열이 발생되거나, 하나의 전력 트랜지스터가 아닌 다수의 전력 트랜지스터가 사용될 경우에는 이러한 MIT 소자(150)를 통해서도 전력 트랜지스터(110)의 발열이 크게 감소되지 못할 수도 있다.
이를 위해 본 발명에서는 MIT 소자(150)와 함께 소형의 방열판을 이용하여 전력 트랜지스터(110)의 발열을 더욱 감소시키며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 소자 패키지에 포함되는 인쇄 회로 기판(200)의 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 인쇄 회로 기판(200)의 실 제 구현예를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판(200)에는 다수의 소자를 실장하기 위한 본딩 패드(250)가 솔더링되어 있다.
상기 인쇄 회로 기판(200)의 길이 방향의 양측면중 하나의 측면에 인접하여 복수개의 제1 신호 인가 단자(210)가 배치되어 있으며, 상기 제1 신호 인가 단자(210)와 마주보는 위치에 복수개의 제2 신호 인가 단자(230)가 배치되어 있다.
상기 제1 신호 인가 단자(210)와 상기 제2 신호 인가 단자(230)는 인쇄 회로 기판(200)에 솔더링된 본딩 패드(250)와 전기적으로 연결된다.
즉, 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판(200)에서는 신호를 인가하기 위한 신호 인가 단자(210, 230)들이 기판 내에 형성되지 않고 길이 방향의 양측면에 인접하여 형성된다.
따라서, 이러한 인쇄 회로 기판(200)의 구조를 이용하여 인쇄 회로 기판(200)의 소정 영역에만 전력 트랜지스터(110)들을 인접하게 배열하고 그 전력 트랜지스터(110)들이 위치한 상부 영역에만 소형의 방열판을 형성하면, MIT 소자(150)와 병행하여 소형의 방열판을 통해 전력 트랜지스터(110)들의 발열을 동시에 감소시킬 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 인쇄 회로 기판(200)에 전력 트랜지스터가 다수개 실장된 전력 소자 패키지의 평면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 전력 소자 패키지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판(200)의 소정 영역 에는 다른 소자에 전력을 공급하기 위한 전력 트랜지스터(110)들이 실장되어 있으며, 이들 전력 트랜지스터(110)들은 본딩 와이어를 통해 인쇄 회로 기판(200)에 전기적으로 연결된다.
상기 각 전력 트랜지스터(110)에는 발열을 제어하기 위한 MIT 소자(150)가 연결되어 있으며, 특히 상기 각 전력 트랜지스터(110) 상부의 일 영역에 걸쳐 방열판(300)이 일체로 형성되어 있다.
상기 방열판(300)은 에폭시 또는 접착 테이프 등의 접착 수단(310)에 의해 각 전력 트랜지스터(110)와 연결되어 각 전력 트랜지스터(110)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킨다. 이 때, 상기 방열판(300)은 각 전력 트랜지스터(110)의 상부를 모두 덮는 형태가 아니라 각 전력 트랜지스터(110)의 상부 일 영역에 걸쳐 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 방열판(300)의 상부를 제외한 영역은 외부 충격으로부터의 보호를 위해 에폭시 몰딩 컴파운드(330)로 몰딩되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 퓨즈 대신에 반영구적으로 사용가능한 MIT 소자(150)를 이용하여 각 전력 트랜지스터(110)의 발열을 방지하면서 소형의 방열판(300)을 통해 각 전력 트랜지스터(110)의 발열을 보조적으로 감소시킴으로써, 다수의 전력 트랜지스터(110)가 실장된 경우에도 각 전력 트랜지스터(110)의 발열을 효과적으로 제어할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 서로 다른 본딩 패드상에 전력 트랜지스터와 MIT 소자가 각각 별도로 형성된 경우에 대하여 설명하였지만, 전력 트랜지스터와 MIT 소 자가 원칩화된 경우에도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 실시예에서는 인쇄 회로 기판이 단층으로 구현된 경우에 대하여 설명하였지만, 인쇄 회로 기판에 실장되어야할 소자가 많은 경우에는 다층 구조로 구현될 수도 있음은 물론이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 소자 패키지에 포함되는 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 소자 패키지에 포함되는 인쇄 회로 기판의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 인쇄 회로 기판의 실제 구현예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 인쇄 회로 기판에 전력 트랜지스터가 다수개 실장된 전력 소자 패키지의 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전력 소자 패키지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 전력 트랜지스터의 발열 제어 회로
110 : 전력 트랜지스터 130 : 구동 소자
150 : MIT(Metal-Insulator Transition) 소자
R1, R2 : 제1, 2 저항
200 : 인쇄 회로 기판
210, 230 : 제1, 2 신호 인가 단자 250 : 본딩 패드
300 : 방열판
310 : 접착 수단 330 : 에폭시 몰딩 컴파운드

Claims (9)

  1. 신호를 인가하기 위한 신호 인가 단자들이 길이 방향의 양측면에 인접하여 형성된 인쇄 회로 기판;
    상기 인쇄 회로 기판의 소정 영역에 실장되어 전력을 공급하는 전력 소자;
    상기 전력 소자의 발열부분에 부착되어 상기 전력 소자의 발열을 제어하는 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자; 및
    상기 전력 소자의 상부 일영역에 형성되는 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판에 다수의 전력 소자가 실장되는 경우, 상기 인쇄 회로 기판의 소정 영역에 상기 다수의 전력 소자가 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다수의 전력 소자의 상부 일 영역에 걸쳐 상기 방열판이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 방열판은 접착 수단에 의해 상기 각 전력 소자의 상부에 접착되어 상기 각 전력 소자에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 길이 방향의 양측면중 하나의 측면에 인접하여 복수개의 제1 신호 인가 단자가 배치되고, 상기 제1 신호 인가 단자와 마주보는 위치에 복수개의 제2 신호 인가 단자가 배치되는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 신호 인가 단자와 상기 제2 신호 인가 단자는 상기 인쇄 회로 기판에 솔더링된 본딩 패드와 전기적으로 연결되며, 상기 본딩 패드 상에 상기 전력 소자와 상기 MIT 소자가 실장되는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 단층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 소자는 전력 트랜지스터이며, 상기 MIT 소자는 상기 전력 트랜지스터의 베이스에 연결되는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
  9. 제 8항에 있어서,
    소정 임계 온도에서 급격한 금속-절연체 전이 현상을 일으키는 상기 MIT 소자가 상기 전력 트랜지스터의 온오프를 제어하여 상기 전력 트랜지스터의 발열을 제어하는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지.
KR1020080131599A 2008-12-22 2008-12-22 방열 성능이 향상된 전력 소자 패키지 KR101109667B1 (ko)

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