KR20140116653A - 소자 패키지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소자 패키지에 관한 것으로서, 작동 시 열을 방출하는 소자가 실장되는 소자 패키지로서, 일면에 소자가 실장되는 실장부를 갖는 베이스 기판과; 상기 베이스 기판의 일면에 적어도 상기 실장부를 제외한 영역에 배치되는 중간체와; 상기 중간체의 일면에 상기 상기 베이스 기판의 일면에 적어도 상기 실장부를 제외한 영역과 상기 베이스 기판의 측면 일부에 배치되는 절연체; 및 상기 절연체에 접합되어 상기 소자와 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하고, 상기 베이스 기판은 구리층(Cu)과 몰리브덴층(Mo)의 적층구조로 형성되어, 베이스 기판의 열팽창계수 및 열전도율을 중간체의 열팽창계수 및 열전도율과 유사하게 유지하여 소자에서 발생하는 열에 의한 변형이나 손상을 억제 혹은 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 소자 패키지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 소자 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emission Diode, 이하 LED라 함.)는 고 휘도, 고 수명, 고 신뢰성이 요구되고 있으며, 그 성능 및 특성은 색 온도 및 휘도, 휘도 세기의 범위 등으로 결정된다. 1차적으로는 LED의 활성층과 전자 주입(N)층 및 전공 주입(P)층의 결정 성장 정도를 높여 광 추출 효율을 향상시키는 방법이 있다. 2차적으로는 방열구조, 배선 구조 및 본딩 구조 등의 LED 패키지 구조를 변경하는 방법이 있다.
그러나 1차적으로 광 추출 효율을 향상시키는 방법은 화합물 반도체의 재료 특성과 그 제조방법에 많은 영향을 받기 때문에, LED 패키지 구조를 변경하는 2차적 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
한편, LED 패키지는 플립칩(flip-chip) 등의 형태로 제작된 LED 칩과, 상부에 LED 칩이 실장되는 베이스 기판과, 베이스 기판의 상부면 가장자리를 따라 형성되는 절연체와, 절연체 상부에 구비되는 리드 프레임(전극) 및 LED 칩의 전극을 리드 프레임에 전기적으로 연결하는 와이어를 포함한다. 이와 같은 구성을 통해 LED 패키지는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)에 직접 실장할 수 있는 표면 실장소자(Surface Mount Device; SMD)형으로 만들어진다.
LED 패키지의 베이스 기판은 LED 칩에서 발생한 열을 그 하부에 부착되는 방열체에 전달하는 기능을 하며, 열전도도가 우수하고 열팽창 계수가 낮은 금속 재료로 형성되고 있다.
그러나, 베이스 기판의 열팽창계수와 소자 및 절연체의 열팽창계수가 다른 관계로 소자에서 고열이 발생되면 이들 간의 열팽창계수 차이로 인하여 소자가 실장되어 있는 베이스 기판에 상당한 응력이 발생되는 문제점이 있다. 이렇게 열팽창계수의 차이에 의해 베이스 기판에서 발생된 응력이 소자에 전달되는 경우에는 소자가 베이스 기판으로부터 분리되거나, 소자에서 발생한 열이 베이스 기판으로 원활하게 전달되지 않아 소자가 열에 의해 열화 또는 손상되는 문제점도 발생하였다. 또한, 베이스 기판이 변형되면 소자와 베이스 기판 간의 접합 상태는 물론, 베이스 기판에서 발생하는 응력에 의해 절연체에 크랙이 발생하는 문제점도 발생하였다.
이에 따라 베이스 기판과 절연체 사이에 베이스 기판과 절연체 간의 접합 상태를 향상시킬 수 있는 중간체를 개재하는 방법이 적용되고 있으나, 이 경우 중간체와의 접합 특성을 향상시킬 수 있는 동시에 소자에서 발생하는 열을 원활하게 방출시킬 수 있는 다양한 소재의 베이스 기판이 요구된다.
본 발명은 소자에서 발생되는 열에 의한 변형을 억제 혹은 방지할 수 있는 소자 패키지를 제공한다.
본 발명은 소자의 신뢰성의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 소자 패키지를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 소자 패키지는, 작동 시 열을 방출하는 소자가 실장되는 소자 패키지로서, 일면에 소자가 실장되는 실장부를 갖는 베이스 기판과; 상기 베이스 기판의 일면에 적어도 상기 실장부를 제외한 영역에 배치되는 중간체와; 상기 중간체의 일면에 상기 상기 베이스 기판의 일면에 적어도 상기 실장부를 제외한 영역과 상기 베이스 기판의 측면 일부에 배치되는 절연체; 및 상기 절연체에 접합되어 상기 소자와 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하고, 상기 베이스 기판은 구리층(Cu)과 몰리브덴층(Mo)의 적층구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스 기판은 6 내지 15ppm의 열팽창 계수와 260 내지 380W/m·k의 열전도율을 가질 수도 있다.
상기 베이스 기판은 상기 구리층과 상기 몰리브덴층이 교대로 배치되고, 상기 구리층이 최상층 및 최하층에 배치될 수 있다.
상기 몰리브덴층은 상기 베이스 기판 전체의 2 내지 40%를 차지할 수 있다.
상기 중간체는 열팽창 계수가 5 내지 10 ppm인 금속층일 수 있다.
상기 중간체는 상기 베이스 기판 두께의 5 내지 70%일 수 있다.
상기 소자는 GaN 파워 디바이스, SiC 파워 디바이스, LED 칩 및 레이저 다이오드 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 소자 패키지는, 소자 패키지를 구성하는 중간체와 베이스 기판 간의 접합 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 베이스 기판의 열팽창계수 및 열전도율을 중간체의 열팽창계수 및 열전도율과 유사하게 유지하여 소자에서 발생하는 열에 의한 변형이나 손상을 억제 혹은 방지할 수 있다. 따라서 소자에서 발생하는 열을 원활하게 방출시킬 수 있어 소자의 신뢰성이 저하되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소자 패키지의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 소자 패키지의 분리 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 소자 패키지의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소자 패키지에 적용되는 다양한 형태의 베이스 기판을 보여주는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 소자 패키지의 분리 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 소자 패키지의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소자 패키지에 적용되는 다양한 형태의 베이스 기판을 보여주는 단면도.
이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 기판은 LED 칩이나 레이저 다이오드(Laser Diode, LD) 등과 같이 동작 시 고열이 발생하는 소자를 장착하는데 적용될 수 있다. 이와 같은 기판은 소자의 전극에 전기적으로 연결될 수 있으며, 소자에서 발생하는 열을 외부 또는 방열체에 효과적으로 전달할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소자 패키지의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 소자 패키지의 분리 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 소자 패키지의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소자 패키지에 적용되는 다양한 형태의 베이스 기판을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 소자 패키지(100)는 실장부(110')가 형성된 기판(100)과, 실장부(110')에 접합되는 소자(10)와, 기판(100)에 접합되는 리드 프레임(140) 및 소자(10)와 리드 프레임(140)을 전기적으로 연결하는 와이어(11)를 포함한다.
먼저, 소자(10)는 작동시 열이 발생하는 전자부품으로서, 예를 들어 GaN, SiC 파워 디바이스, 레이저 다이오드(Laser Diode), LED 칩 등과 같은 소자(10)일 수 있다. 물론, 소자(10)는 제시된 소자(10)들에 한정되지 않고, 작동 시 열이 발생하고 발생한 열을 효과적으로 방열시켜야 하는 다양한 소자가 사용될 수 있다.
리드 프레임(140)은 소자(10)와 와이어(11)에 의해 전기적으로 연결되어 외부의 전원과 전기적으로 연결시키는 수단으로서, 도전성 물질로 형성된다. 리드 프레임(140)은 소자(210)의 적어도 한 쌍 이상이 구비될 수 있다.
기판(100)은 베이스 기판(110)과, 베이스 기판(110) 일면, 예컨대 상면에 접착층(미도시)을 통해 접합되는 중간체(120)와, 중간체(120)의 상면에 접착층을 통해 접합되는 절연체(130)를 포함한다.
절연체(130)는 베이스 기판(110)과 리드 프레임(140)을 절연시키기 위한 부재로서, 절연체(130)는 베이스 기판(110)의 실장부(110')를 제외한 영역에 적어도 하나 배치될 수 있으며, 본 실시 예에서는 'ㅁ'자 형상으로 형성하였다. 절연체(130)로는 통상 알루미나 등과 같은 세라믹이 사용되고 있으며, 세라믹은 5 내지 10 ppm 정도의 열팽창 계수를 갖는다.
중간체(120)는 베이스 기판(110)의 일면, 예컨대 상면에 접합된다. 중간체(120)는 베이스 기판(110)과 절연체(130)의 접합 특성을 향상시키기 위해 사용되는 부재로서, 베이스 기판(110)에서 소자(10)가 실장되는 실장부(110')를 제외한 영역에 형성될 수 있다. 예컨대 중간체(120)는 절연체(130)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 수 있다. 중간체(120)는 열전도율이 높고 절연체(130)와 베이스 기판(110)과 유사한, 또는 일부 중복되는 범위의 열팽창 계수를 갖는 재질로 형성될 수 있다. 또한, 중간체(120)는 절연체(130)와 베이스 기판(110) 간의 접합 특성을 향상시키기 위해 사용되는 것으로 베이스 기판(110)의 열팽창 계수와 유사한, 또는 베이스 기판(110)의 열팽창 계수와 중복되는 범위의 열팽창 계수를 갖는 재질로 형성될 수 있다. 나중에 설명하겠지만 베이스 기판(110)은 6 내지 15ppm 정도의 열팽창 계수를 갖도록 형성되는데, 이에 중간체(120)는 절연체(130)와 베이스 기판(110)의 열팽창 계수의 적어도 일부와 중복되는 5 내지 10ppm 정도의 열팽창 계수를 갖는 재질로 형성될 수 있다. 이와 같은 재질로는 코바(Kovar), Fe-Ni 합금, 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금, 텅스텐(W), 텅스텐 합금 중 어느 하나 또는 그 합금이 사용될 수 있다.
상기 중간체(120)는 절연체(130)와 베이스 기판(110) 사이에 배치되어 절연체(130)와 베이스 기판(110) 간의 접합 특성을 향상시키기 위해 사용되는 것으로, 중간체(120)에 의해 소자(10)의 특성 저하가 일어나면 사용상 이점이 저하될 수 있다. 따라서 중간체(120)는 적절한 두께를 갖도록 형성하여 소자(10)에서 발생하는 열에 의해 베이스 기판(110)이 변형되는 것을 억제할 수 있는 동시에, 리드 프레임(140)을 통해 절연체(130)에 전달되는 열을 베이스 기판(110)으로 효과적으로 전달할 수 있도록 하는 것이 좋다. 이에 중간체(120)는 베이스 기판(110) 두께의 5 내지 70% 정도의 두께를 가지도록 형성함으로써 소자(10)에서 발생하는 열에 의한 베이스 기판(110)의 열변형을 효과적으로 구속하는 동시에, 베이스 부재(110)에 의한 방열효과를 향상시킬 수 있다.
베이스 기판(110)은 열전도도가 높고, 소자(10)에서 발생한 열에 의해 팽창되거나 수축되는 현상이 거의 없는 열팽창 계수가 낮은 금속을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 예에서는 베이스 기판(110)으로 구리층(Cu)(110a)과, 몰리브덴층(Mo)(110b)의 적층구조를 사용하였다. 통상 구리는 350 내지 400w/m·k 정도의 우수한 열전도율을 가지나, 15 내지 20ppm 정도의 열팽창 계수를 갖기 때문에 열에 의해 변형되기 쉽다. 따라서 구리를 이용하여 베이스 기판(110)을 제작하는 경우 소자에서 발생하는 열은 효과적으로 방출시킬 수는 있으나, 열변형으로 발생하는 응력으로 인해 소자 패키지, 예컨대 중간체(120)와의 접합 특성이 저하되는 문제점이 있다. 이와 같이 발생하는 응력은 중간체(120)는 물론, 그 상부에 적층되는 절연체(130)와 소자(10)에까지 영향을 미쳐 결국에는 소자 패키지의 성능 불량이 발생하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 구리층(110a)과 몰리브덴층(110b)의 적층구조로 베이스 기판(110)을 제작하여, 구리층(110a)의 우수한 열전도율을 유지하면서, 열팽창 계수를 낮추어 소자에서 발생하는 열을 원활하게 방출시킬 수 있는 동시에 열에 의한 변형을 억제 혹은 방지하였다. 이때, 베이스 기판(110)은 6 내지 15ppm의 열팽창 계수와 260 내지 380W/m·k의 열전도율을 갖도록 형성될 수 있다. 이는 중간체(120)와의 접합 특성을 좋게 하면서 소자(10)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있도록 하기 위함이다. 베이스 기판(110)이 이와 같은 물리적 특성을 갖기 위해서는 몰리브덴층(110b)이 베이스 기판(110) 전체의 2 내지 40%를 차지하도록 형성할 수 있다. 몰리브덴층(110b)의 함량비가 제시된 범위보다 높은 경우 베이스 기판(110)의 열팽창계수는 더 좋게 할 수는 있으나, 열전도율이 저하될 수 있으며, 제시된 범위보다 낮은 경우에는 열팽창 계수가 저하되어 열변형을 억제할 수 있는 효과가 저하될 수 있다.
도 4를 참조하면, 베이스 기판(110)은 구리층(110a)과 몰리브덴층(110b)이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 구리층(110a)이 베이스 기판(110)의 최상층과 최하층에 배치되도록 하였다. 이는 구리층(110a)의 열전도율이 몰리브덴층(110b)의 열전도율보다 높아서 소자(10)에서 발생하는 열을 원활하게 방출시킬 수 있기 때문이다. 베이스 기판(110)을 이와 같은 구조로 형성하는 경우, 베이스 기판(110)은 홀수층으로 형성될 수 있다. 예컨대 베이스 기판(110)은 도 4의 (a)에 도시된 것처럼 구리층(110a)과 몰리브덴층(100b)을 교대로 적층하여 3층으로 형성되거나, (b)에 도시된 것처럼 5층으로 형성되거나 (c)에 도시된 것처럼 9층으로 형성될 수도 있다. 이외에도 베이스 기판(110)은 7층, 11층 등 필요에 따라 다양한 층수의 적층구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
베이스 기판(110)은 구리층(110a)과 몰리브덴층(110b)을 적층하여 가압 성형하는 클래딩 방법으로 형성될 수 있으며, 이외에도 구리층(110a)과 몰리브덴층(110b)을 상호 압착시킬 수 있는 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
그리고 베이스 기판(110), 중간체(120) 및 절연체(130)를 상호 접착시키는 접착층은 열전도도가 높은 접착제가 사용될 수 있다. 접착층은 열전도도가 우수한 금(Au)이나 은(Ag) 등을 함유하는 물질이 사용될 수 있으며, 예컨대 AgCu합금, AuSi합금, AuGe합금, AuSn합금 등이 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 소자 11: 와이어
100 : 기판 110 : 베이스 기판
120: 중간체 130: 절연체
100 : 기판 110 : 베이스 기판
120: 중간체 130: 절연체
Claims (7)
- 작동 시 열을 방출하는 소자가 실장되는 소자 패키지로서,
일면에 소자가 실장되는 실장부를 갖는 베이스 기판과;
상기 베이스 기판의 일면에 적어도 상기 실장부를 제외한 영역에 배치되는 중간체와;
상기 중간체의 일면에 상기 상기 베이스 기판의 일면에 적어도 상기 실장부를 제외한 영역과 상기 베이스 기판의 측면 일부에 배치되는 절연체; 및
상기 절연체에 접합되어 상기 소자와 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하고,
상기 베이스 기판은 구리층(Cu)과 몰리브덴층(Mo)의 적층구조로 형성되는 소자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 베이스 기판은 6 내지 15ppm의 열팽창 계수와 260 내지 380W/m·k의 열전도율을 갖는 소자 패키지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 베이스 기판은 상기 구리층과 상기 몰리브덴층이 교대로 배치되고, 상기 구리층이 최상층 및 최하층에 배치되는 소자 패키지. - 청구항 3에 있어서,
상기 몰리브덴층은 상기 베이스 기판 전체의 2 내지 40%를 차지하는 소자 패키지. - 청구항 4에 있어서,
상기 중간체는 열팽창 계수가 5 내지 10 ppm인 금속층인 소자 패키지. - 청구항 5에 있어서,
상기 중간체는 상기 베이스 기판 두께의 5 내지 70%인 소자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 소자는 GaN 파워 디바이스, SiC 파워 디바이스, LED 칩 및 레이저 다이오드 중 적어도 어느 하나인 소자 패키지.
Priority Applications (1)
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| KR20130031493A KR101492522B1 (ko) | 2013-03-25 | 2013-03-25 | 소자 패키지 |
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| KR20130031493A KR101492522B1 (ko) | 2013-03-25 | 2013-03-25 | 소자 패키지 |
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2013
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