KR20230033900A - 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조 - Google Patents

표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조 Download PDF

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KR20230033900A
KR20230033900A KR1020210116858A KR20210116858A KR20230033900A KR 20230033900 A KR20230033900 A KR 20230033900A KR 1020210116858 A KR1020210116858 A KR 1020210116858A KR 20210116858 A KR20210116858 A KR 20210116858A KR 20230033900 A KR20230033900 A KR 20230033900A
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Abstract

표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조는 양면에 회로패턴이 구비되고 관통하도록 구비된 비아를 통하여 상기 회로패턴이 전기적으로 연결되며, 일측에 전력반도체소자가 실장되는 FR4 PCB; 상기 전력반도체소자에 대향하는 상기 FR4 PCB의 타측에 접촉하도록 구비되는 방열 패드; 상기 방열 패드와 일면이 접촉하도록 구비되는 제1 방열체; 상기 FR4 PCB에 대향하는 상기 전력반도체소자의 타면에 접촉되도록 구비되는 제2 방열체; 및 상기 FR4 PCB를 관통하여 상기 제2 방열체와 상기 제1 방열체를 결합하도록 구비되는 방열스크류;를 포함하고, 상기 비아와 상기 방열 패드 및 상기 제1 방열체는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수직 방향으로 전달하고, 상기 회로패턴 및 상기 제2 방열체는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수평 방향으로 전달하며, 상기 방열스크류는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 상기 제2 방열체로부터 상기 제1 방열체로 전달하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조가 제공된다.

Description

표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조{DOUBLE HEAT DISSIPATION STRUCTURE FOR SURFACE MOUNT TYPE POWER SEMICONDUCTOR}
본 발명은 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조에 관한 것이다.
일반적으로 전기차용 배터리는 아직 충분한 기술 발전이 이루어지지 않아 배터리의 단가가 높고 에너지 밀도가 낮아서 순수 전기차로 가까운 시일 내에 친환경 저탄소 목표를 이루기에는 어려운 문제가 있다.
최근, 그에 대한 대안으로 기존의 하이브리드 자동차를 개선한 마일드 하이브리드 자동차가 대세를 이룰 것으로 예상된다.
한편, 마일드 하이브리드 자동차는 48V의 배터리 전압을 기반으로 하여 에어컨 공조기 등의 주요 전력 부품에 전원을 공급한다. 이때, 에어컨 공조기와 공기 압축기는 분당회전수가 10만 rpm을 초과하여 초고속 제어가 필요하므로, 100V 이하의 전력반도체가 사용된다. 높은 전력밀도를 확보하기 위해 전력반도체소자는 표면실장형(SURFACE MOUNTED DEVICE) 전력 반도체 소자가 적용되며, 이때 반도체 소자의 도통 손실 및 스위칭 손실로 인해서 발열문제가 필수적으로 발생한다.
또한, 마일드 하이브리드 자동차의 전력변환시스템의 경우 기존 내연기관이 갖는 한정된 공간내에서 전력 시스템이 적용되어야 하므로, 각각의 자동차 모델에 따른 구조의 최적화와 소형화가 필수적이다. 이때, 마일드 하이브리드 자동차는 기존 내연기관 자동차보다 전력의 요구 수준이 매우 높으므로, 회로를 설계하는 엔지니어에게 열 성능과 냉각 시스템을 고려한 회로 설계는 중요한 이슈이며, 기존의 내연기관 자동차의 설계 방식으로는 전력밀도를 높이는데 한계가 있었다.
또한, 보드는 그 구성이 FR4 재질의 PCB 또는 알루미늄(Al) 코어를 적용한 절연 금속 기판으로 적용되나, 높은 열 및 기계적 스트레스 조건이 가해졌을 때 접합부에 균열이 발생하여 전기적 및 열 성능의 저하가 초래되는 문제가 있었다. 더욱이, 진동이 빈번한 자동차에 표면실장형 전력반도체를 적용하는 경우 접합부에서 균열이 발생하는 문제가 초래하게 된다.
KR 2020-0085101 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 전력반도체소자와 면접촉하여 열을 방출하는 동시에 타측 방열체로 열을 전달하면서도 결합력을 향상시킬 수 있는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 전력반도체소자의 일측에 알루미늄 플레이트를 배치하여 소자 표면에서 직접적으로 방열하는 동시에 발생되는 열을 스크류를 통해서 메인 방열체로 전달할 수 있는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양면에 회로패턴이 구비되고 관통하도록 구비된 비아를 통하여 상기 회로패턴이 전기적으로 연결되며, 일측에 전력반도체소자가 실장되는 FR4 PCB; 상기 전력반도체소자에 대향하는 상기 FR4 PCB의 타측에 접촉하도록 구비되는 방열 패드; 상기 방열 패드와 일면이 접촉하도록 구비되는 제1 방열체; 상기 FR4 PCB에 대향하는 상기 전력반도체소자의 타면에 접촉되도록 구비되는 제2 방열체; 및 상기 FR4 PCB를 관통하여 상기 제2 방열체와 상기 제1 방열체를 결합하도록 구비되는 방열스크류;를 포함하고, 상기 비아와 상기 방열 패드 및 상기 제1 방열체는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수직 방향으로 전달하고, 상기 회로패턴 및 상기 제2 방열체는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수평 방향으로 전달하며, 상기 방열스크류는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 상기 제2 방열체로부터 상기 제1 방열체로 전달하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 제1 방열체는 직육면체 형상을 갖고, 내측에 복수개의 직사각형 슬릿이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열스크류는 상기 제2 방열체에 안착되는 머리부; 및
상기 방열스크류의 머리부에서 연장되어 상기 FR4 PCB를 관통하고 일단이 상기 제1 방열체에 형성된 체결홈에 결합되는 몸체부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열스크류는 접시머리 볼트이고, 상기 머리부는 접시머리 형상으로 형성되어, 상기 제2 방열체의 일면에 상기 머리부 일면이 일치하도록 상기 제2 방열체에 고정되고, 상기 몸체부의 상기 머리부에 대향하는 일단이 상기 제1 방열체에 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 방열체는 판 형상의 방열플레이트일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 방열체는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 방열체는 서로 인접한 한 쌍의 상기 전력반도체소자에 열접촉하도록 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 비아는 복수개로 구비되어 상기 FR4 PCB와 상기 회로패턴을 전기적으로 연결할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 방열체는 중공을 갖는 하우징 케이스이고, 상기 하우징 케이스는, 상기 전력반도체소자에 접촉되는 제1 면; 상기 제1 방열체에 접촉되는 제2 면; 및 상기 제1 면과 상기 제2 면을 양측에서 연결하는 제3 면;을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열스크류는 상기 제1 방열체와 상기 제2 방열체의 중앙을 결합할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 FR4 PCB에 제1 스크류홀이 형성되고 상기 방열패드에 제2 스크류홀이 형성되며, 상기 제1 스크류홀 및 상기 제2 스크류홀은 열전도성 물질로 내벽이 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체소자용 이중 방열 구조는 방열 패드, 방열스크류, 회로패턴, 제1 방열체 및 제2 방열체를 통하여 열을 방출하도록 구비됨으로써, 수직 방향 및 수평 방향으로 열을 방출할 수 있으므로 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조는 전력반도체소자의 일면에 알루미늄 재질의 제2 방열체를 구비하고 방열스크류 및 비아를 통하여 제1 방열체와 제2 방열체가 열적으로 연결됨으로써 전력반도체소자 표면에서 직접적으로 방열하는 동시에 제2 방열체의 열을 방열체에 전달할 수 있으므로 열방출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조는 방열스크류가 FR4 PCB를 관통하여 제2 방열체와 제1 방열체를 결합함으로써, 열 및 기계적 스트레스로부터 변형에 강인하여 전력반도체소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 나타낸 분해도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 열방출 경로를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비교예와 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 3D 해석결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비교예와 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 해석 모델 및 온도 분포를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비교예와 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 시간에 따른 전력반도체소자의 온도변화를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 하우징 케이스를 나타낸 단면도이다.
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 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 나타낸 측면도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조를 나타낸 분해도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조는 FR4 PCB(110), 방열 패드(120), 제1 방열체(130), 제2 방열체(140) 및 방열스크류(170)를 포함할 수 있다.
표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조(100)는 표면실장(SMD, SURFACE MOUNTED DEVICE) 형태의 전력반도체소자(10)를 위한 방열 구조로서 전력반도체소자(10)가 FR4 PCB(110)에 실장된 전력 모듈을 기반으로 한다. 여기서, 전력반도체소자(10)는 드레인, 게이트 및 소스 단자를 통하여 FR4 PCB(110)의 일면에 실장될 수 있다.
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. 일례로, 전력반도체소자(10)는 질화갈륨(GaN) 전력반도체소자일 수 있다. 이러한, 질화갈륨 전력반도체소자는 기존 실리콘 전력반도체소자보다 스위칭 손실, 스위칭 속도, 내환경성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 전력반도체소자(10)는 탄화수소(SiC) 전력반도체소자일 수도 있다.
FR4 PCB(110)는 제1 스크류홀(111), 비아(112) 및 회로패턴(113)을 포함할 수 있다.
제1 스크류홀(111)은 FR4 PCB(110)의 중앙부에 위치하여, FR4 PCB(110)를 관통하도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 스크류홀(111)의 직경은 후술할 방열스크류(170)가 삽입되어 체결되도록 방열스크류(170)의 직경에 대응하는 크기로 형성될 수 있다. 또한, 제1 스크류홀(111)의 외주면은 방열스크류(170)가 체결되도록 암나사산이 형성될 수 있다.
비아(112)는 FR4 PCB(110)를 관통하도록 형성될 수 있다. 이때, 비아(112)는 전력반도체소자(10)에 대응하는 위치에 형성되고, 전력반도체소자(10)에 수직하게 형성될 수 있다.
여기서, 비아(112)는 도전성 물질 및 열전도성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 즉, 비아(112)는 열을 방출하기 위한 서멀비아 및 전기적 연결을 위한 비아로서 기능할 수 있다.
회로패턴(113)은 FR4 PCB(110)의 양면에 구비될 수 있다. 회로패턴(113)은 전력반도체소자(10)를 다른 부품들과 전기적으로 연결하기 위한 전도성 선로일 수 있다. 즉, 회로패턴(113)은 전력반도체소자(10)에 의해 형성되는 전력변환시스템의 회로패턴일 수 있다. 이때, 회로패턴(113)은 비아(112)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
방열 패드(120)는 전력반도체소자(10)에 대향하는 FR4 PCB(110)의 타면에 구비될 수 있다. 이때, 방열 패드(120)는 일면에 접착물질이 도포되어, 회로패턴(113)의 일면에 접하도록 구비될 수 있다.
방열 패드(120)는 열전도성이 높고 전기전도성이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 방열 패드(120)는 FR4 PCB(110)와 후술할 제1 방열체(130) 사이의 절연을 위한 절연형 서멀패드로서 기능할 수 있다.
방열 패드는(120) 제2 스크류홀(121)을 포함할 수 있다.
제2 스크류홀(121)은 방열 패드(120)의 중앙부에 위치하여, 방열 패드(120)를 관통하도록 형성될 수 있다. 이때, 제2 스크류홀(121)의 직경은 후술할 방열스크류(170)가 삽입되어 체결되도록 방열스크류(170)의 직경에 대응하는 크기로 형성될 수 있다. 또한, 제2 스크류홀(121)의 외주면은 방열스크류(170)가 체결되도록 암나사산이 형성될 수 있다.
제1 방열체(130)는 일면에 접착물질이 도포되어 방열 패드(120)의 일면에 접촉하도록 구비될 수 있다. 제1 방열체(130)는 전력반도체소자(10)에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 전력반도체소자(10)와 열접촉하도록 구비될 수 있다. 이때, 제1 방열체(130)는 외부로 열을 방출하기 위해 일정 부피를 갖는 직육면체 형상일 수 있다.
제1 방열체(130)는 체결홈(131) 및 슬릿(132)을 포함할 수 있다.
체결홈(131)은 제1 방열체(130)의 중앙부에 형성되어 방열스크류(170)를 고정하기 위한 것으로, 방열스크류(170)의 직경에 대응하는 크기로 형성될 수 있다. 이때, 체결홈(131)은 방열스크류(170)의 일단이 삽입되어 체결될 수 있다.
슬릿(132)은 제1 방열체(130)의 내측에 직사각형 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 슬릿(132)은 방열 패드(120)에 수직하게 복수개로 형성될 수 있다. 슬릿(132)은 제1 방열체(130)를 관통하도록 형성되어, 공기가 유동함에 따라 열을 방출할 수 있다. 아울러, 슬릿(132)에 의해 제1 방열체(130)는 표면적이 증가할 수 있다. 따라서 제1 방열체(130)는 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 방열체(140)는 FR4 PCB(110)에 대향하는 전력반도체소자(10)의 타면에 접촉되도록 구비될 수 있다. 이때, 제2 방열체(140)는 서로 인접한 한 쌍의 전력반도체소자(10)에 열접촉하여 전력반도체소자(10)의 표면을 직접적으로 방열할 수 있다. 여기서, 제2 방열체(140)는 전력반도체소자(10)의 표면과의 접촉 면적을 최대로 하도록 판 형상의 방열플레이트로 형성될 수 있다.
제2 방열체(140)는 열전도성이 높은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 제2 방열체(140)는 구리 및 경량소재인 마그네슘으로 이루어질 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조(100)는 전력반도체소자(10)의 일면에 알루미늄 재질의 제2 방열체(140)를 구비하고 방열스크류(170) 및 비아(112)를 통하여 제1 방열체(130)와 제2 방열체(140)가 열적으로 연결됨으로써 전력반도체소자(10) 표면에서 직접적으로 방열하는 동시에 제2 방열체(140)의 열을 방열체에 전달할 수 있으므로 열방출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
제2 방열체는(140)는 안착홀(141)을 포함할 수 있다.
안착홀(141)은 제2 방열체(140)의 중앙부에 형성되고, 방열스크류(170)가 삽입되어 안착될 수 있다. 이때, 안착홀(141)은 방열스크류(170)가 삽입되어 볼트조임 되도록 방열스크류(170)의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
방열스크류(170)는 제1 방열체(130)와 제2 방열체(140)를 겹합하도록 구비될 수 있다. 이때, 방열스크류(170)는 제1 방열체(130)와 제2 방열체(140)의 중앙에서 결합될 수 있다.
방열스크류(170)는 제2 방열체(140)의 안착홀(141)로 삽입되어 FR4 PCB(110) 및 방열 패드(120)를 관통하여 체결홈(131)에 고정될 수 있다.
방열스크류(170)는 머리부(171)와 몸체부(172)를 포함할 수 있다. 이때, 방열스크류(170)는 접시머리 볼트일 수 있다.
머리부(171)는 접시머리 볼트의 접시머리 형상으로 형성되어, 제2 방열체(140)의 안착홀(141)에 삽입되어 안착될 수 있다. 이때, 머리부(171)의 일면은 제2 방열체(140)의 전력반도체소자(10)에 대향하는 일면과 일치하도록 조임되어 고정될 수 있다.
몸체부(172)는 머리부(171)에서 연장되어 머리부(171)에 대향하는 일단이 제1 방열체(130)의 체결홈(131)에 결합될 수 있다. 이때, 몸체부(172)의 직경은 제1 방열체(130)의 체결홈(131)과 대응하는 크기로 형성될 수 있다.
몸체부(172)는 FR4 PCB(110)의 제1 스크류홀(111)과 방열 패드(120)의 제2 스크류홀(121)을 관통하여 체결홈(131)에 고정될 수 있다. 몸체부(172)는 제1 스크류홀(111)과 제2 스크류홀(121)에 고정되도록 외주면에 숫나사산이 형성될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조는 방열스크류(170)가 FR4 PCB(110)를 관통하여 제2 방열체(140)와 제1 방열체(130)를 결합함으로써, 열 및 기계적 스트레스로부터 변형에 강인하여 전력반도체소자(10)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 열방출 경로를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 먼저 비아(112)를 통하여 FR4 PCB(110)에 대하여 수직 방향으로 전달된다. 이때, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 FR4 PCB(110)의 상측에 구비된 방열 패드(120)를 통하여 제1 방열체(130)로 수직 방향으로 전달된다. 즉, 방열 패드(120)와 FR4 PCB(110)의 비아를 통하여 제1 방열체(130)로 열이 전달되므로 전력반도체소자(10)의 FR4 PCB(110)는 넓은 범위에 걸쳐 열이 전도되어 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 회로패턴(113)을 통하여 FR4 PCB(110)에 대하여 수평 방향으로 전달된다. 여기서, 전력반도체소자(10) 측에 구비된 회로패턴(113)은 전력반도체소자(10)에서 발생한 열을 바로 수평 방향으로 전달하고, 전력반도체소자(10)의 반대측에 구비된 회로패턴(113)은 비아(112)를 통해 수직 방향으로 전달된 열을 수평방향으로 전달한다.
이와 동시에 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 전력반도체소자(10)의 일면과 접촉하는 제2 방열체(140)에 대하여 수직 방향으로 전달된다. 이때, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 제2 방열체(140)의 표면을 통하여 수직 방향의 외부로 방출될 수 있다. 즉, 전력반도체소자(10)의 상하측 수직 방향으로 동시에 열을 전달할 수 있으므로 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 제2 방열체(140)를 통하여 전력반도체소자(10)에 대하여 수평 방향으로 전달된다. 이때, 전력반도체소자(10)에서 발생한 열은 방열스크류(170)를 통해 수직 방향으로 전달되어 제1 방열체(130)로 전달된다.
이와 같이, 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조(100)는 제1 방열체(130)로 향하는 열전달 경로와, 제2 방열체(140)로 향하는 열전달 경로를 이중으로 구성할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력반도체소자의 FR4 PCB(110)는 순간적인 고전력 사양에 대해 PCB 패턴과 비아(112)를 통하여 열을 방출할 수 있으므로, 열전도도가 증가하며, 제2 방열체(140)와 방열스크류(170) 구조로 인하여 열이 더 빠르게 방출되므로 고전력 사양에도 적합하다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조(100)와 비교예의 실험결과를 설명한다.
먼저, 비교예는 SMD 형태의 전력반도체소자의 FR4 PCB 방열 구조로서, 전력반도체소자와 접촉하여 FR4 PCB에 대향하는 측에 형성된 방열체와 방열스크류를 구비하지 않고, 전력반도체소자에서 FR4 PCB를 향하는 측에 형성된 방열체로만 열전달이 이루어지는 구조이다. 반면에, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조(100)는 비교예에 비해 제1 방열체의 크기는 작아졌으나, 제2 방열체와 방열스크류를 추가로 구비하여 전체 높이는 비교예와 같도록 하였다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비교예와 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 3D 해석결과를 나타낸 사진이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비교예와 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 해석 모델 및 온도 분포를 나타낸 사진이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예와 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 시간에 따른 전력반도체소자의 온도변화를 나타낸 사진이다.
도 5를 참조하면, (a)의 비교예의 경우, 전력반도체소자에서 발생한 열은 외부로 충분히 방출되지 않아 발열에 의해 온도가 높게 상승하였으며, 그 영향으로 FR4 PCB 온도 역시 증가하였다. 즉, 낮은 열전도도 특성으로 인해 전력반도체소자가 충분히 방열되지 않아 온도가 적색으로 높게 나타났고 FR4 PCB의 온도도 전력반도체소자의 발열에 의한 영향으로 매우 낮지 않은 것으로 나타났다. 이로부터 방열체로의 열전달이 충분히 이루어지지 않음을 알 수 있다.
반면, (b)의 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 방열 구조(100)의 경우, 전력반도체소자에서 발생한 열은 제1 방열체 및 제2 방열체를 통하여 외부로 완전히 방출되는 것으로 나타났다. 즉, 높은 열 전도도 특성으로 인해 전력반도체소자가 비교예의 방열 구조에 비해 전력반도체소자의 온도가 낮게 나타났으며, 또한, FR4 PCB 역시 충분히 낮은 온도로 나타났다. 이로부터 제1 방열체 및 제2 방열체로의 열전달이 (a)에 비하여 효과적임을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, (a)의 비교예의 경우, 전력반도체소자의 온도는 전력반도체 소자에 집중되어 높아지는 것으로 나타났다.
반면, (b)의 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 방열 구조(100)의 경우, 전력반도체소자의 온도는 비교예의 온도보다 낮은 것으로 나타났다. 즉, 전력반도체에서 발생한 열은 제1 방열체 및 제2 방열체로 전달되고, 외부로의 열방출이 (a)에 비하여 효과적임을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 비교예의 경우, 시간이 경과함에 따라 짧은 시간 내에 온도가 급격하게 상승하는 것으로 나타났다.
반면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 방열 구조(100)의 경우, 발열 초기 온도 상승의 폭이 크기 않으며, 동일 시간 경과 후에도 전력반도체소자의 온도가 비교예의 온도보다 낮으며 지속적인 시간 경과에도 온도 상승 폭이 크지 않은 것으로 나타났다. 이에 의해, 전력반도체에서 발생한 열을 효과적으로 방열하여 전력반도체소자의 온도를 비교예에 비해 낮은 상태로 유지할 수 있으므로, 초기 방열도 우수하며 전력반도체소자의 신뢰성도 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조의 하우징 케이스를 나타낸 단면도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열구조(200)는 FR4 PCB(110), 방열 패드(120), 제1 방열체(130), 제2 방열체(240), 방열스크류(170)를 포함할 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열구조(200)는 제2 방열체(240)를 제외하면 제1 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열구조(100)와 동일하므로 본 제2 실시예에서 상술한 제1 실시예와 동일한 구성은 제1 실시예와 동일한 도면번호를 사용하고 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제2 방열체(240)는 내부에 중공을 갖는 하우징 케이스일 수 있다. 즉, 제2 방열체(240)는 FR4 PCB(110), 방열 패드(120), 제1 방열체(130) 및 전력반도체소자(10)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이때, 제2 방열체(240)는 열전도성이 높은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 제2 방열체(240)는 구리 및 경량소재인 마그네슘으로 이루어질 수 있다.
제2 방열체(240)는 제1 면(241), 제2 면(242) 및 제3 면(243)을 포함할 수 있다.
제1 면(241)은 FR4 PCB(110)에 대향하는 전력반도체소자(10)의 타면에 접촉되도록 구비될 수 있다. 이때, 제1 면(241)은 전력반도체소자(10)에 열접촉하여 전력반도체소자(10)의 표면을 직접적으로 방열할 수 있다. 또한, 제1 면(241)은 중앙부에 방열스크류(170)가 안착될 수 있다. 이때, 제1 면(241)에는 도 3의 안착홀(141)에 대응하는 안착홀(미도시)이 구비될 수 있다.
제2 면(242)은 제1 방열체(130)의 일면에 접촉되도록 구비될 수 있다. 제2 면(242)은 제1 방열체(130)의 상단면에 접촉될 수 있다. 이때, 제 2면(242)은 제1 방열체(130)와 열접촉하여 제1 방열체(130)의 표면을 직접적으로 방열할 수 있다.
제3 면(243)은 제1 면(241)과 제2 면(242)을 양측에서 연결하도록 제1 면(241)과 제2 면(242)에 수직하게 구비될 수 있다. 이때, 제3 면(243)은 한 쌍으로 형성될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면실장형 전력반도체용 이중 방열구조(200)는 제2 방열체(240)를 전력반도체 모듈을 케이스 일체형으로 구성함으로써, 표면실장형 전력반도체 소자의 방열 성능, 열 및 기계적 스트레스로 인한 변형 저항성을 더욱 향상시킬 수 있고, 신뢰성을 더욱 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 전력반도체소자
100, 200 : 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조
110 : FR4 PCB 111 : 제1 스크류홀
112 : 비아 113 : 회로패턴
120 : 방열패드 121 : 제2 스크류홀
130 : 제1 방열체 131 : 체결홈
132 : 슬릿 140, 240 : 제2 방열체
141 : 안착홀 170 : 방열스크류
171 : 머리부 172 : 몸체부
241 : 제1 면 242 : 제2 면
243 : 제3 면

Claims (11)

  1. 양면에 회로패턴이 구비되고 관통하도록 구비된 비아를 통하여 상기 회로패턴이 전기적으로 연결되며, 일측에 전력반도체소자가 실장되는 FR4 PCB;
    상기 전력반도체소자에 대향하는 상기 FR4 PCB의 타측에 접촉하도록 구비되는 방열 패드;
    상기 방열 패드와 일면이 접촉하도록 구비되는 제1 방열체;
    상기 FR4 PCB에 대향하는 상기 전력반도체소자의 타면에 접촉되도록 구비되는 제2 방열체; 및
    상기 FR4 PCB를 관통하여 상기 제2 방열체와 상기 제1 방열체를 결합하도록 구비되는 방열스크류;를 포함하고,
    상기 비아와 상기 방열 패드 및 상기 제1 방열체는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수직 방향으로 전달하고, 상기 회로패턴 및 상기 제2 방열체는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 수평 방향으로 전달하며, 상기 방열스크류는 상기 전력반도체소자로부터 발생한 열을 상기 제2 방열체로부터 상기 제1 방열체로 전달하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방열체는 직육면체 형상을 갖고, 내측에 복수개의 직사각형 슬릿이 형성되는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 방열스크류는 상기 제2 방열체에 안착되는 머리부; 및
    상기 방열스크류의 머리부에서 연장되어 상기 FR4 PCB를 관통하고 일단이 상기 제1 방열체에 형성된 체결홈에 결합되는 몸체부;를 포함하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 방열스크류는 접시머리 볼트이고,
    상기 머리부는 접시머리 형상으로 형성되어, 상기 제2 방열체의 일면에 상기 머리부 일면이 일치하도록 상기 제2 방열체에 고정되고,
    상기 몸체부의 상기 머리부에 대향하는 일단이 상기 제1 방열체에 고정되는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방열체는 판 형상의 방열플레이트인 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방열체는 알루미늄으로 이루어지는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방열체는 서로 인접한 한 쌍의 상기 전력반도체소자에 열접촉하도록 구비되는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 비아는 복수개로 구비되어 상기 FR4 PCB와 상기 회로패턴을 전기적으로 연결하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방열체는 중공을 갖는 하우징 케이스이고,
    상기 하우징 케이스는,
    상기 전력반도체소자에 접촉되는 제1 면;
    상기 제1 방열체에 접촉되는 제2 면; 및
    상기 제1 면과 상기 제2 면을 양측에서 연결하는 제3 면;을 포함하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 방열스크류는 상기 제1 방열체와 상기 제2 방열체의 중앙을 결합하는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 FR4 PCB에 제1 스크류홀이 형성되고 상기 방열패드에 제2 스크류홀이 형성되며,
    상기 제1 스크류홀 및 상기 제2 스크류홀은 열전도성 물질로 내벽이 코팅되는 표면실장형 전력반도체용 이중 방열 구조.
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