KR20140055000A - 전력 모듈 패키지 - Google Patents

전력 모듈 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전력 모듈 패키지는 일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에 두께 방향으로 적어도 하나 이상의 홈이 형성된 금속판, 상기 금속판 일면에 접합된 세라믹판, 상기 금속판 타면에 형성된 절연층, 상기 절연층 상에 형성된 회로패턴 및 상기 회로패턴 상에 실장된 반도체칩을 포함한다.

Description

전력 모듈 패키지{Power module package}
본 발명은 전력 모듈 패키지에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고, 세탁기, 에어컨 등과 같은 가정용 전자 제품의 인버터 보드(inverter board)는 전력 제어(power control)이나 모터 구동에 주요한 핵심 역할을 한다.
특히 인버터 보드(inverter board) 내에 사용되는 전력 모듈 패키지는 핵심 반도체 모듈로서 가정용뿐 아니라, 산업용, 자동차 분야에서도 넓은 시장성을 갖는 전자부품이다.
특히 고기능화를 만족하는 동시에 소형이면서 낮은 원가를 요구하는 고객 요구와 고신뢰성을 만족하는 전력 모듈 패키지의 개발에 있어서, 구조적으로 안정적인 모듈 설계는 모듈 개발의 성공을 결정하는 주요한 역할을 한다.
한편, 종래 기술에 따른 전력 모듈 패키지가 미국등록특허 제5920119호에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면은 변형(warpage)을 최소화할 수 있는 기판 구조를 갖는 전력 모듈 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전력 모듈 패키지는 일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에 두께 방향으로 적어도 하나 이상의 홈이 형성된 금속판, 상기 금속판 일면에 접합된 세라믹판, 상기 금속판 타면에 형성된 절연층, 상기 절연층 상에 형성된 회로패턴 및 상기 회로패턴 상에 실장된 반도체칩을 포함한다.
또한, 상기 금속판 일면과 상기 세라믹판 사이에 형성된 접착층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 접착층은 열전도성 접착 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속판은 알루미늄(Al)이고, 상기 절연층은 알루미나(Al2O3)일 수 있다.
또한, 상기 회로패턴은 도금층일 수 있다.
또한, 상기 회로패턴은 리드 프레임(lead frame)일 수 있다.
또한, 상기 회로패턴과 상기 반도체칩 사이에 형성된 접합층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 접합층은 솔더(solder)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 금속판의 일면에 상기 금속판과 반대 방향으로 휨이 발생하는 세라믹판을 접합함으로써, 리플로우 시 금속판의 휨 정도를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속판의 일면에 두께 방향으로 홈을 형성함으로써, 접합되는 세라믹판과의 접촉 면적이 증가함에 따라 열 전달 면적이 증가하여 방열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속판의 일면에 두께 방향으로 홈을 형성함으로써, 접착 물질과의 접촉 면적이 증가하여 계면에서 균열이 발생하는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지의 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지(100)는 일면 및 타면을 갖는 금속판(110), 상기 금속판(110) 일면에 형성된 세라믹판(130), 상기 금속판(110) 타면에 형성된 절연층(140), 상기 절연층(140) 상에 형성된 회로패턴(150) 및 상기 회로패턴(150) 상에 실장된 반도체칩(170)을 포함한다.
본 실시 예에서 금속판(110)은 일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에는 도 1에 도시한 바와 같이, 표면으로부터 두께 방향으로 일정 깊이만큼 홈(110a)이 형성되며, 이때, 상기 홈(110a)은 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
예로써, 상기 금속판(110) 일면의 전체에 상기 홈(110a)이 규칙적인 배열을 갖도록 형성될 수도 있고, 상기 일면 중 특정 부분에만 형성되는 것 역시 가능할 것이다.
이와 같이, 금속판(110)에 홈(110a)을 형성하는 것은 이후, 금속판(110) 일면에 형성될 세라믹판(130)과 금속판(110)과의 접촉 면적을 증가시키기 위함이다. 이때, 상기 접촉 면적은 상기 홈(110a)의 내벽의 면적만큼 증가할 수 있다.
이에 따라, 금속판(110) 타면에 실장되는 반도체칩(170)으로부터 발생되는 열이 금속판(110)을 통해 세라믹판(130)으로 전달될 때, 열 전달 면적을 증가시켜 열 방출 성능을 향상시킬 수 있다.
본 실시 예에서, 금속판(110)은 예를 들어, 비교적 저가로 손쉽게 얻을 수 있는 금속재료일 뿐 아니라 열전달 특성이 매우 우수한 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다.
이때, 상기 금속판(110) 타면에 형성된 절연층(140)은 알루미나(Al2O3)일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
여기에서, 상기 절연층(140)이 알루미나(Al2O3)인 경우에는 상기 금속판(110)을 양극산화처리하여 형성할 수 있다.
구체적으로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 상기 금속판(110)을 붕산, 인산, 황산, 크롬산 등의 전해액에 담근 후, 상기 금속판(110)에는 양극을 인가하고, 상기 전해액에는 음극을 인가함으로써 생성될 수 있다.
이와 같이 형성된 절연층(140)은 일반적인 수지로 이루어진 절연층보다 얇은 두께로 형성 가능하기 때문에, 금속판(110)과 추후 실장되는 반도체칩(170)과의 거리를 줄임으로써 방열 성능을 더욱 향상시키는 동시에 박형화를 가능하게 한다.
또한, 본 실시 예에서 세라믹판(130)은 금속계 질화물 또는 세라믹 재료로 이루어질 수 있으며, 금속계 질화물로서, 예를 들어, 알루미늄 질화물(AlN) 또는 실리콘 질화물(SiN)을 포함할 수 있으며, 세라믹 재료로서, 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 베릴륨 산화물(BeO)을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지는 금속판(110) 일면과 세라믹판(130) 사이에 형성된 접착층(120)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 접착층(120)은 열전도성 접착 물질로 이루어질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 열전도성 접착 물질을 이용함으로써, 추후 금속판(110) 타면 상에 실장되는 반도체칩(170)으로부터 발생되는 열이 금속판(110)을 통해 세라믹판(130)으로 용이하게 전달될 수 있을 것이다.
도 1을 살펴보면, 금속판(110) 일면에 형성된 홈(110a) 내부로 접착층(120)이 충전되어 있다. 이에 따라, 홈(110a) 내벽의 면적만큼 접착층(120)과 접촉하는 면적이 증가하게 되고 이는 곧 열 전달 면적이 증가하게 되는 것이며, 결과적으로는 열 방출 성능이 향상될 수 있는 것이다.
또한, 금속판(110)의 일면과 세라믹판(130) 사이 계면에서 균열이 발생하는 것을 감소시킬 수 있다.
일반적으로, 금속판(110)을 이루는 알루미늄(Al)의 열팽창계수는 대략 23ppm이고, 금속판(110) 일면에 접합된 세라믹판(130)의 열팽창계수는 대략 7ppm으로, 금속판(110)보다 세라믹판(130)의 열팽창계수가 작다.
또한, 리플로우(reflow) 공정 시 가해지는 열에 의해 일반적으로 세라믹은 '스마일' 형상(당업계에서, 도 1에 도시된 도면을 기준으로 세라믹판(130)의 좌, 우 끝 부분은 위로, 가운데 부분은 아래로 휘는 형상을 지칭하는 용어로 사용된다)으로 휘게 되고, 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속판(110)은 상술한 '스마일' 형상과는 반대의 형상으로 휘게 된다. 즉, 도 1에 도시된 도면을 기준으로 금속판(110)의 좌, 우 끝 부분은 아래로, 가운데 부분은 위로 휘는 것이다.
이와 같이, 휘는 형상이 서로 반대인 금속판(110)의 일면에 세라믹판(130)을 접합함에 따라, 리플로우 시 세라믹판(130)이 금속판(110)을 휘려는 방향의 반대 방향으로 당김으로써 금속판(110)의 휨 정도를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 추후 금속판(110) 타면에 실장되는 회로패턴(150), 반도체칩(170) 및 와이어(미도시) 등을 외부충격으로부터 보호하기 위해 몰딩 공정을 수행할 때, 사용할 수 있는 몰딩재의 선택폭이 넓어질 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 종래 금속판(110)만을 이용하여 전력 모듈 패키지를 제조할 때, 상술한 바와 같이 반도체칩(170) 실장을 위한 리플로우 시 상기 금속판(110)은 '스마일' 형상의 반대 형상 즉, 좌, 우 끝 부분은 아래쪽으로, 가운데 부분은 위쪽으로 휘게 되는데, 이후 몰딩 공정 시 가해지는 열에 의해 몰딩재가 수축하면서 아래쪽으로 휜 좌, 우 끝부분을 당겨 금속판(110)의 휨 정도를 감소시킬 수 있었다.
이를 구현하기 위해서는 수축하는 정도가 일정 수준 이상인 몰딩재만을 사용해야 하기 때문에, 몰딩재 선택의 폭이 좁아질 수밖에 없었다.
그러나, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 금속판(110)의 일면에 세라믹판(130)을 접합하여 금속판(110)의 휨 정도를 감소시키므로, 사용할 수 있는 몰딩재 선택의 폭이 넓어질 수 있는 것이다.
또한, 본 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지(100)는 금속판(110) 타면에 형성된 절연층(140) 상에 형성된 회로패턴(150)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 회로패턴(150)은 구리(Cu) 도금층일 수도 있고 또는 리드 프레임(lead frame)일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지(100)는 상기 회로패턴(150) 상에 실장된 반도체칩(170)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 반도체칩(170)은 전력소자 및 상기 전력소자의 구동을 제어하는 제어소자를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 전력소자는 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier:SCR), 전력 트랜지스터, 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT), 모스 트랜지스터, 전력 정류기, 전력 레귤레이터, 인버터, 컨버터, 또는 이들이 조합된 고전력 반도체칩 또는 다이오드(diode)를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지(100)는 상기 회로패턴(150)과 상기 반도체칩(170) 사이에 형성된 접합층(160)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 접합층(160)은 반도체칩(170)으로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위하여 열전도율이 상대적으로 높은 솔더(solder) 또는 전도성 에폭시(epoxy)로 이루어질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예에 다른 전력 모듈 패키지(100)는 상기 금속판(110) 타면에 상기 회로패턴(150) 및 반도체칩(170)을 감싸도록 형성된 밀봉부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이때, 밀봉부재(150)로는 실리콘 겔(silicone gel) 또는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molded Compound:EMC) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예에 따른 전력 모듈 패키지(100)는 상기 세라믹판(130) 상에 접합되는 방열판(미도시)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 방열판(미도시)은 반도체칩(170)으로부터 발생되는 열을 공기중으로 발산하기 위해 다수 개의 방열핀을 구비할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니나, 구리(Su) 또는 주석(Sn) 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 전력 모듈 패키지
110 : 금속판
110a : 홈
120 : 접착층
130 : 세라믹판
140 : 절연층(알루미나(Al2O3))
150 : 회로패턴
160 : 접합층
170 : 반도체칩

Claims (8)

  1. 일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에 두께 방향으로 적어도 하나 이상의 홈이 형성된 금속판;
    상기 금속판 일면에 접합된 세라믹판;
    상기 금속판 타면에 형성된 절연층;
    상기 절연층 상에 형성된 회로패턴; 및
    상기 회로패턴 상에 실장된 반도체칩
    을 포함하는 전력 모듈 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속판 일면과 상기 세라믹판 사이에 형성된 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 접착층은 열전도성 접착 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속판은 알루미늄(Al)이고, 상기 절연층은 알루미나(Al2O3)인 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로패턴은 도금층인 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로패턴은 리드 프레임(lead frame)인 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로패턴과 상기 반도체칩 사이에 형성된 접합층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 접합층은 솔더(solder)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 모듈 패키지.
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