KR20220013666A - 전력반도체소자의 fr4 pcb 방열 구조 - Google Patents

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Abstract

전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조는 양면에 회로패턴이 구비되고 관통하도록 구비된 비아를 통하여 회로패턴이 전기적으로 연결되며, 일면에 전력반도체소자가 실장되는 FR4 PCB, 전력반도체소자에 대향하는 FR4 PCB의 타면에 구비되는 방열 패드, 및 적어도 하나의 방열판 및 FR4 PCB의 관통구에 삽입되는 방열핀을 포함하며, 하측 일부가 방열 패드와 접촉하도록 구비되는 방열체를 포함한다. 여기서, 비아와 방열 패드 및 방열핀은 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수직 방향으로 각각 전달하고, 회로패턴은 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수평 방향으로 전달한다.

Description

전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조{Heat dissipation structure of FR4 PCB for power semiconductor device}
본 발명은 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조에 관한 것이다.
전력변환장치는 전력반도체소자의 스위칭을 통해서 전력 변환 및 제어하는 장치로서 전력반도체소자의 도통 손실 및 스위칭 손실로 인해서 발열문제가 필수적으로 발생한다. 이때, 전력반도체소자의 발열문제를 해결하기 위해 방열 부품이 필수적으로 요구된다. 아울러, 전력변환시스템에서 방열부품의 부피가 많은 부분을 차지한다.
최근, 고전력밀도 사양의 전력변환시스템의 요구가 증가 하고 있어, 방열 구조의 최적화가 필요하다. 차세대 소자인 GaN을 적용한 전력반도체소자의 경우, 높은 온도 특성 및 낮은 온-저항 특성으로 인해 높은 전력밀도를 달성하기 용이하다. 특히, GaN 전력반도체소자는 기존의 전력반도체소자의 스위칭 주파수(~100㎑) 대비 더 높은 스위칭 주파수(~1㎒)로 구동이 가능하여 높은 전력밀도를 위해 많이 적용되고 있다.
한편, 전력반도체소자는 고속 스위칭으로 인한 표류(Stray) 인덕턴스를 줄이기 위해 SMD(Surface Mount Devices) 형태로 개발되고 있다. SMD 형태의 전력반도체소자의 경우, 방열 설계가 매우 중요하다.
SMD 형태의 전력반도체소자의 방열을 위해 다양한 방식의 방열구조가 적용되고 있지만, 높은 전력밀도나 높은 열방출 효율 중 어느 하나를 개선하기 위한 것이 대부분이다. 따라서 높은 전력밀도와 높은 열방출 효율을 동시에 달성하는 방안이 요구되고 있다.
KR 2020-0085101 A (2020.07.14)
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 열방출 효율을 향상시키는 동시에 높은 전력밀도를 달성할 수 있는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 양면에 회로패턴이 구비되고 관통하도록 구비된 비아를 통하여 상기 회로패턴이 전기적으로 연결되며, 일면에 전력반도체소자가 실장되는 FR4 PCB; 상기 전력반도체소자에 대향하는 상기 FR4 PCB의 타면에 구비되는 방열 패드; 및 적어도 하나의 방열판 및 상기 FR4 PCB의 관통구에 삽입되는 방열핀을 포함하며, 하측 일부가 상기 방열 패드와 접촉하도록 구비되는 방열체;를 포함하고, 상기 비아와 상기 방열 패드 및 상기 방열핀은 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수직 방향으로 각각 전달하고, 상기 회로패턴은 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수평 방향으로 전달하는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 방열핀은 상기 관통구에 삽입되는 삽입부; 및 상기 삽입부로부터 연장 형성되며 상기 FR4 PCB 상에 지지되는 지지부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열체는 단면상 포크 형상을 갖고, 상기 적어도 하나의 방열판을 일체로 연결하는 연결부를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 방열판은 상기 지지부 사이에 오목부가 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열 패드는 상기 오목부에 대응하는 위치에 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열 패드는 상기 오목부의 바닥면과 상기 회로패턴 사이에 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열핀은 상기 적어도 하나의 방열판 중에서 중앙에 구비된 방열판으로부터 수직 연장되게 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 방열판은 수직한 판상으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 관통구는 열전도성 물질로 내벽이 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회로패턴은 상기 관통구에 연결되도록 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회로패턴은 상기 FR4 PCB의 적어도 일면에서 상기 관통구에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전력반도체소자는 서로 인접하게 적어도 한 쌍으로 이루어지고, 상기 방열체는 서로 인접한 한 쌍의 상기 전력반도체소자에 열접촉하도록 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오목부는 상기 한 쌍의 상기 전력반도체소자 각각에 대응하는 위치에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조는 FR4 PCB의 서멀비아(thermal via) 및 PCB 패턴을 통하여 동시에 열을 방출함으로써, FR4 PCB에서 수직 방향뿐만 아니라 및 수평 방향으로 열을 방출할 수 있으므로 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 방열체가 수직한 판상의 방열판과 방열핀을 구비함으로써, 상대적으로 좁은 방열구조로 인해 방열판 주변에 부품 배치가 가능하므로 높은 전력밀도의 달성이 용이하다.
또한, 본 발명은 방열체가 방열판과 방열핀을 조합하여 구비됨으로써, 순간적인 고전력 사양에 대해 PCB 패턴과 비아를 통하여 열을 방출할 수 있으므로 열전도도가 증가하며, 다수의 방열핀 구조로 인하여 열이 더 빠르게 방출되므로 고전력 사양에도 적합하다.
또한, 본 발명은 방열판이 판상으로 구비됨으로써, 방열판이 부스바 역할이 가능하므로 FR4 PCB에서 전력 패턴의 길이를 단축할 수 있고 회로패턴의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조를 나타낸 사시도이고,
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조를 나타낸 분해 사시도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 측면을 나타낸 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 정면을 나타낸 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 방열판을 나타난 측면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 열방출 경로를 나타낸 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 전체 외부 표면 온도를 나타낸 사진이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 정면 외부 표면 온도를 나타낸 사진이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 하부전체의 외부 표면 온도를 나타낸 사진이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 하부정면의 외부 표면 온도를 나타낸 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조를 나타낸 분해 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 측면을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 FR4 PCB(110), 방열체(120) 및 방열 패드(130)를 포함한다.
전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 SMD 형태의 전력반도체소자(10)를 위한 방열 구조로서 FR4 PCB를 기반으로 한다. 여기서, 전력반도체소자(10)는 드레인, 게이트 및 소스 단자를 통하여 FR4 PCB(110)의 일면에 실장될 수 있다. 이때, 전력반도체소자(10)는 소스 및 드레인을 통하여 많은 열이 발생한다.
전력반도체소자(10)는 전력변환시스템에서 복수 개로 사용되기 때문에 FR4 PCB(110) 상에 서로 인접하게 배치될 수 있다. 일례로, 전력반도체소자(10)는 적어도 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 여기서, 전력반도체소자(10)는 한 쌍씩 일 열로 배치될 수 있다.
FR4 PCB(110)는 양면에 회로패턴(112)이 구비될 수 있다. 회로패턴(112)은 전력반도체소자(10)를 다른 부품들과 전기적으로 연결하기 위한 전도성 선로일 수 있다. 즉, 회로패턴(112)은 전력반도체소자(10)에 의해 형성되는 전력변환시스템의 회로패턴일 수 있다.
FR4 PCB(110)는 양면을 관통하도록 비아(114)가 구비될 수 있다. 이때, 비아(114)는 전력반도체소자(10)에 대응하는 위치에 구비되며 전력반도체소자(10)에 수직하게 구비될 수 있다.
여기서, 비아(114)는 도전성 물질 및 열전도성 물질로 이루어질 수 있다. 일례로, 비아(114)는 도전성과 열전도성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 즉, 비아(114)는 열을 방출하기 위한 서멀비아 및 전기적 연결을 위한 비아로서 기능할 수 있다. 따라서 비아(114)를 통하여 FR4 PCB(110) 양면에 구비된 회로패턴(112)이 전기적으로 연결될 수 있다.
FR4 PCB(110)는 양면을 관통하도록 관통구(116)가 구비될 수 있다. 여기서, 관통구(116)는 방열체(120)를 삽입하기 위한 것으로, 비아(114)의 양측에 구비될 수 있다. 즉, 관통구(116)는 전력반도체소자(10)의 양측에 구비될 수 있다. 이때, 관통구(116)는 방열체(120)의 방열핀(122)에 대응하는 형상으로 구비될 수 있다.
관통구(116)는 열전도성 물질로 내벽이 코팅될 수 있다. 여기서, 관통구(116)는 방열체(120)를 통하여 열을 방출하는 기능을 가질 수 있다. 즉, FR4 PCB(110)는 재질이 열전달 효율이 낮기 때문에 회로패턴(112)을 통하여 관통구(116)까지 열전달 경로를 형성할 수 있다.
이때, 회로패턴(112)은 관통구(116)에 연결되도록 구비될 수 있다. 즉, 회로패턴(112)은 전력반도체소자(10)에 대한 회로패턴으로부터 관통구(116)까지 더 연장되게 구비될 수 있다. 일례로, 회로패턴(112)은 FR4 PCB(110)의 적어도 일면에서 관통구(116)에 연결될 수 있다.
방열체(120)는 전력반도체소자(10)에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 하측 일부가 방열 패드(130)와 접촉하도록 구비될 수 있다. 일례로, 방열체(120)는 방열 패드(130)를 통하여 서로 인접한 한 쌍의 전력반도체소자(10)에 열접촉하도록 구비될 수 있다. 즉, 방열체(120)는 복수의 전력반도체소자(10)에 대하여 일체로 구비될 수 있다.
여기서, 방열체(120)는 방열핀(122)을 통하여 전력반도체소자(10)의 드레인과 소스 패턴에 고정하여 사용될 수 있다. 이때, 드레인과 소스 패턴은 상술한 바와 같이, 방열핀(122)이 삽입되는 관통구(116)까지 연장 형성될 수 있다.
방열체(120)는 방열핀(122), 연결부(124) 및 방열판(126)을 포함할 수 있다.
방열핀(122)은 FR4 PCB(110)의 관통구(116)에 삽입될 수 있다. 이를 위해, 방열핀(122)은 방열판(126)으로부터 일측으로 돌출형성될 수 있다. 이때, 방열핀(122)은 관통구(116)의 폭 이하의 폭으로 구비될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 핀 형태로 FR4 PCB(110)에 실장되므로 전력변환시스템 전체에서 차지하는 공간이 적고, 상대적으로 좁은 방열구조로 인해 방열판 주변에 부품 배치가 가능하므로 FR4 PCB(110)의 공간 효율성이 높고 따라서 높은 전력밀도의 달성이 용이하다.
연결부(124)는 적어도 하나의 방열판(126)을 일체로 연결할 수 있다. 일례로, 연결부(124)는 적어도 하나의 방열판(126)의 일측에서 방열판(126)에 수직하게 구비될 수 있다. 즉, 연결부(124)는 방열체(120)가 FR4 PCB(110)에 실장되는 하면일 수 있다.
방열판(126)은 적어도 하나로 구비될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 방열판(126)은 수직한 판상으로 이루어지질 수 있다. 즉, 방열판(126)은 FR4 PCB(110)에 수직하게 배치될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 방열판(126)이 회로패턴(112)에 비하여 넓은 면적을 가져 방열판(126)이 부스바 역할이 가능하므로 FR4 PCB(110)에서 전력 패턴의 길이를 단축할 수 있고, 회로패턴의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
방열 패드(130)는 FR4 PCB(110) 상에서 전력반도체소자(10)의 대향하는 타면에 구비될 수 있다. 여기서, 방열 패드(130)는 열전도성이 높고 전기전도성이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 방열 패드(130)는 방열판(126)과 FR4 PCB(110) 사이의 절연을 위한 절연형 서멀패드로서 기능할 수 있다.
아울러, 방열 패드(130)는 양면에 접착물질이 도포될 수 있다. 즉, 방열 패드(130)는 일면에 도포된 접착물질에 의해 FR4 PCB(110) 상에 접착될 수 있다. 동시에, 방열 패드(130)는 타면에 도포된 접착물질에 의해 방열체(120)에 접착될 수 있다.
이에 의해, 방열체(120)는 방열핀(122)을 통하여 FR4 PCB(110)에 결합하는 동시에 방열 패드(130)를 통하여 FR4 PCB(110)에 결합하므로 제조시 작성업이 향상될 수 있고, 방열체(120)와 FR4 PCB(110) 사이의 결합력도 향상될 수 있다.
여기서, 방열 패드(130)는 방열체(120)의 바닥면에 대응하는 면적을 갖는 판상으로 이루어질 수 있다. 이때, 방열 패드(130)는 방열체(120)의 방열핀(122)이 삽입되는 관통구가 구비될 수 있다. 즉, 방열 패드(130)는 방열체(120)의 하부의 오목부(128)의 바단멱(128a)과 FR4 PCB(110)의 회로패턴(112) 사이에서 일체로 구비될 수 있다.
선택적으로, 방열 패드(130)는 후술하는 바와 같이 방열체(120)의 하부에 구비되는 오목부(128)에 대응하는 위치에 개별로 구비될 수 있다. 즉, 방열 패드(130)는 방열체(120)의 하부의 오목부(128)의 바단멱(128a)과 FR4 PCB(110)의 회로패턴(112) 사이에 각각 구비될 수 있다.
이때, 비아(114)와 방열 패드(130)는 전력반도체소자(10)로부터 발생한 열을 FR4 PCB(110)에 대하여 방열판(126)으로 수직 방향으로 전달할 수 있다.
아울러, 회로패턴(112)은 전력반도체소자(10)로부터 발생한 열을 FR4 PCB(110)에 대하여 수평 방향으로 전달할 수 있다. 이때, 방열핀(122)은 수평으로 전달된 열을 FR4 PCB(110)에 대하여 방열판(126)으로 수직 방향으로 전달할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 FR4 PCB(110)에서 수직 방향뿐만 아니라 및 수평 방향으로 열을 방출할 수 있으므로 열방출 경로를 증가시켜 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 정면을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 방열판을 나타난 측면도이다.
도 3을 참조하면, 방열체(120)는 단면상 포크 형상을 가질 수 있다. 즉, 방열체(120)는 판상의 수직한 복수의 방열판(126)과 이를 연결하는 연결부(124)와 FR4 PCB(110)에 삽입하기 위한 방열핀(122)에 의해 포크 형상을 이룰 수 있다.
이때, 방열핀(122)은 복수의 방열판(126) 중에서 중앙에 구비되는 방열판(126)으로부터 수직 연장되게 구비될 수 있다. 일례로, 방열판(126)의 개수가 홀수인 경우, 방열핀(122)은 중앙의 방열판(126)과 일직선상에 구비될 수 있다. 선택적으로, 방열판(126)의 개수가 짝수인 경우, 방열핀(122)은 중앙의 방열판(126 사이에 구비될 수 있다.
도 4를 참조하면, 방열핀(122)은 지지부(122a) 및 삽입부(122b)를 포함할 수 있다.
지지부(122a)는 삽입부(122b)로부터 연장 형성될 수 있다. 또한, 지지부(122a)는 방열판(126)으로부터 연장 형성될 수 있다. 즉, 지지부(122a)는 방열판(126)의 하부에서 제1폭으로 돌출되게 구비될 수 있다.
지지부(122a)는 FR4 PCB(110) 상에 지지될 수 있다. 즉, 지지부(122a)는 방열판(126)이 FR4 PCB(110)의 일면에 지지되도록 관통구(116)의 폭보다 큰 폭을 가질 수 있다.
이때, 적어도 하나의 방열판(126)은 지지부(122a) 사이에 오목부(128)가 구비될 수 있다. 즉, 오목부(128)는 FR4 PCB(110)에 실장된 한 쌍의 전력반도체소자(10) 각각에 대응하는 위치에 구비될 수 있다. 상술한 바와 같이, 오목부(128)에는 방열 패드(130)가 구비될 수 있다. 여기서, 방열 패드(130)는 지지부(122a)의 높이에 대응하는 두께로 구비될 수 있다.
삽입부(122b)는 FR4 PCB(110)의 관통구(116)에 삽입될 수 있다. 삽입부(122b)는 지지부(122a)로부터 연장 형성될 수 있다. 여기서, 삽입부(122b)는 지지부(122a)의 제1폭보다 작은 제2폭으로 지지부(122a)로부터 돌출되게 구비될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조의 열방출 경로를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 먼저 비아(114)를 통하여 FR4 PCB(110)에 대하여 수직 방향으로 전달된다. 이때, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 FR4 PCB(110)의 상측에 구비된 방열 패드(130)를 통하여 방열판(126)으로 수직 방향으로 전달된다. 즉, 방열 패드(130)와 FR4 PCB(110)의 비아(114)를 통하여 방열판(126)으로 열이 전달되므로 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 넓은 범위에 걸쳐 열이 전도되어 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
이와 동시에 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 회로패턴(112)을 통하여 FR4 PCB(110)에 대하여 수평 방향으로 전달된다. 여기서, 전력반도체소자(10) 측에 구비된 회로패턴(112)은 전력반도체소자(10)에서 발생한 열을 바로 수평 방향으로 전달하고, 전력반도체소자(10)의 반대측에 구비된 회로패턴(112)은 비아(114)를 통하여 수직 방향으로 전달된 열을 수평 방향으로 전달한다. FR4 PCB(110)의 양면에서 회로패턴(112)에 의해 수평 방향으로 전달된 열은 FR4 PCB(110)에 삽입된 방열핀(122)을 통하여 방열판(126)으로 수직 방향으로 전달된다.
이와 같이, 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 비아(114)와 방열 패드(130)를 통한 열전달 경로와 회로패턴(112) 및 방열핀(122)을 통한 열전달 경로에 의해 열전달 경로를 이중으로 구성할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 순간적인 고전력 사양에 대해 PCB 패턴과 비아를 통하여 열을 방출할 수 있으므로 열전도도가 증가하며, 다수의 방열핀 구조로 인하여 열이 더 빠르게 방출되므로 고전력 사양에도 적합하다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)와 비교예의 실험결과를 설명한다.
먼저, 비교예는 SMD 형태의 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조로서, 하나의 방열판과 방열판의 하측에 구비된 삽입핀으로 구성된다. 여기서, 비교예의 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조는 방열 패드를 구비하지 않고, 방열핀에 의해서만 열전달이 이루어지는 구조이다. 이때, 비교예 및 실시예 모두 전력반도체소자는 GaN FET로 제작하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 전체 외부 표면 온도를 나타낸 사진이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 정면 외부 표면 온도를 나타낸 사진이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 하부전체의 외부 표면 온도를 나타낸 사진이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조와 비교예의 하부정면의 외부 표면 온도를 나타낸 사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, (a)의 비교예 경우, 전력반도체소자에서 발생한 열은 FR4 PCB 상의 전력반도체소자 부근에서 집중되는 것으로 나타났다. 즉, 방열판은 낮은 온도를 나타내었으며, 이로부터 방열판으로의 열전달이 잘 이루어지지 않음을 알 수 있다.
반면, (b)의 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)의 경우, 전력반도체소자에서 발생한 열은 FR4 PCB(110) 전반에 걸쳐 분포되는 동시에 방열판(126)에 집중되는 것으로 나타났다. 즉, 방열판(126)은 (a)의 비교예에 비하여 높은 온도를 나타내었으며, 이로부터 방열판(126)으로의 열전달이 (a)의 비교예에 비하여 효과적임을 알 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, (a)의 비교예 경우, 전력반도체소자에서 발생한 열은 FR4 PCB 상의 전력반도체소자 부근에서 집중되는 것으로 나타났다. 즉, 전력반도체소자에서 발생한 열은 방열판으로의 전달이 잘 이루어지지 않음은 물론, FR4 PCB에서 잘 확산되지 않음을 알 수 있다.
반면, (b)의 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)의 경우, 전력반도체소자에서 발생한 열은 FR4 PCB(110) 전반에 걸쳐 분포되는 동시에 방열판(126)에 집중되는 것으로 나타났다. 즉, 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)는 (a)의 비교예에 비하여 전력반도체소자에서 발생한 열이 방열판(126)으로 효과적으로 전달됨은 물론, FR4 PCB(110)의 수평 방향으로의 확산도 효과적임을 알 수 있다.
도 6 내지 도 9의 실험결과의 주요 결과는 아래의 표 1과 같다.
구분 (a)비교예 (b) 실시예
GaN-FET 표면온도(℃) 70 70
FR4 PCB 표면 평균온도(℃) 35.65 53.45
방열핀 표면 평균온도(℃) 36.05 62.75
방열핀 방열량(W) 0.33 4.14
총 외부표면 방열량(W) 1.10 5.08
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, (a)의 비교예의 경우, FR4 PCB 및 방열핀의 평균온도는 전력반도체소자의 평균온도의 절반 수준으로 나타났다. 이는 FR4 PCB 및 방열체의 열전달이 효과적으로 이루어지지 않음을 나타내며, 결과적으로 방열핀 및 방열체 총 외부표면 방열량은 비교적 낮다.
반면, (b)의 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조(100)의 경우, FR4 PCB(110) 및 방열핀(122)의 평균온도가 전력반도체소자(10)의 평균온도의 3/4 이상 수준으로 나타났다. 이는 FR4 PCB(110) 및 방열체(120)의 열전달이 효과적으로 이루어짐을 나타내며, 결과적으로 방열핀(122) 및 방열체(120)의 총 외부표면 방열량이 (a)의 비교예에 비하여 5배 정도 높다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조
110 : FR4 PCB 112 : 회로패턴
114 : 비아 116 : 관통구
120 : 방열체 122 : 방열핀
122a : 지지부 122b : 삽입부
124 : 연결부 126 : 방열판
128 : 오목부 128a: 바닥면
130 : 방열 패드

Claims (12)

  1. 양면에 회로패턴이 구비되고 관통하도록 구비된 비아를 통하여 상기 회로패턴이 전기적으로 연결되며, 일면에 전력반도체소자가 실장되는 FR4 PCB;
    상기 전력반도체소자에 대향하는 상기 FR4 PCB의 타면에 구비되는 방열 패드; 및
    적어도 하나의 방열판 및 상기 FR4 PCB의 관통구에 삽입되는 방열핀을 포함하며, 하측 일부가 상기 방열 패드와 접촉하도록 구비되는 방열체;를 포함하고,
    상기 비아와 상기 방열 패드 및 상기 방열핀은 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수직 방향으로 각각 전달하고, 상기 회로패턴은 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수평 방향으로 전달하는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열핀은,
    상기 관통구에 삽입되는 삽입부; 및
    상기 삽입부로부터 연장 형성되며 상기 FR4 PCB 상에 지지되는 지지부;를 포함하는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방열체는 단면상 포크 형상을 갖고, 상기 적어도 하나의 방열판을 일체로 연결하는 연결부를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 방열판은 상기 지지부 사이에 오목부가 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방열 패드는 상기 오목부에 대응하는 위치에 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방열 패드는 상기 오목부의 바닥면과 상기 회로패턴 사이에 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열핀은 상기 적어도 하나의 방열판 중에서 중앙에 구비된 방열판으로부터 수직 연장되게 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 방열판은 수직한 판상으로 이루어지는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 관통구는 열전도성 물질로 내벽이 코팅되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회로패턴은 상기 관통구에 연결되도록 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회로패턴은 상기 FR4 PCB의 적어도 일면에서 상기 관통구에 연결되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 전력반도체소자는 서로 인접하게 적어도 한 쌍으로 이루어지고,
    상기 방열체는 서로 인접한 한 쌍의 상기 전력반도체소자에 열접촉하도록 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 한 쌍의 상기 전력반도체소자 각각에 대응하는 위치에 구비되는 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조.
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