KR20240045029A - 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 실장용 방열기판과 절연 몰딩을 위한 몰딩 케이스가 일체로 구성된 반도체용 방열기판과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판은, 패턴 스페이스가 사이사이에 형성되어 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴; 상기 다수의 전극 패턴과 동일한 금속 소재로 형성되고, 상기 다수의 전극 패턴의 둘레를 둘러싸며 소정의 높이를 갖는 측벽 형태로 형성되어, 내측에 절연 몰딩재를 수용하는 내부 공간을 제공하는 몰딩 케이스; 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스 아래에 배치되고, 상기 전극 패턴으로부터 전도된 열을 확산시키는 금속 베이스 블록; 및 상기 금속 베이스 블록의 상면과 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 바닥면 사이를 포함하는 부분에 배치되고, 상기 금속 베이스 블록과 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스를 서로 접착하시키되 전기적으로 절연시키는 절연체부; 를 포함하고, 상기 절연체부는 상기 다수의 전극 패턴의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록 사이의 부분과 상기 몰딩 케이스의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록 사이의 부분이 하나의 절연층을 이루며 일체로 형성되도록 구성된다.
Description
본 발명은 몰딩 케이스가 일체화된 반도체 소자 실장용 방열기판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 반도체 소자 실장용 회로기판의 기능을 수행하는 방열기판에 있어서, 고전력 반도체 소자 또는 고출력 LED 등의 실장에 적합하도록 두꺼운 전극 금속판을 구비하고, 절연 몰딩을 위한 케이스 구조물이 일체로 구비된 방열기판의 구조적 특징 및 이를 구현하는 제조방법에 관한 것이다.
최근 전력 산업 분야에서는 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 신재생 에너지 관련 연구 개발 및 전기 전자 기기의 효율 향상을 통한 에너지 절감을 위한 연구 개발이 적극적으로 진행되고 있다. 또한, 자동차 업계에서는 전기 자동차 또는 수소 연료 전지 자동차의 전력 공급 계통에 대한 연구 개발이 활발하다. 여기에 사용되는 핵심 부품은 파워 디바이스를 활용한 파워 모듈, 즉 전력 반도체 모듈이다. 조명 분야에서도 자동차 전조등, 가로등, 스마트팜용 식물 생장등과 같이 높은 출력이 필요한 광원에 대해서도 효율성과 수명이 우수한 반도체 소자인 LED 광원을 적용하는 추세다.
이들 디바이스에서 사용되는 전류는 수십~수백 암페어(Ampere)에 이르고, 또한 전압도 수백~수천 볼트(Volt)로 고전력(High-power)이기 때문에 디바이스 모듈에서 발생하는 열이 많다. 그 열에 의해 디바이스의 오동작, 효율 저하 등과 같은 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 이러한 불량 또는 효율 저하를 방지하기 위해서 반도체 소자에서 발생한 열을 어떻게 신속히 방출시킬 것인가가 관건이다. 고출력 LED 광원 모듈의 경우에도 방열은 장치의 수명과 효율성을 판가름하는 결정적인 요소이다.
이와 같은 기술적 과제의 해결을 위해, 출원인은 등록특허 제10-2055587호, 제10-2283906호, 제10-2120785호를 통해 전극 금속층의 두께 중 전부 또는 일부를 절삭 가공하여 반도체용 방열기판의 성능, 내구성 및 생산성을 향상시키고, 오염 물질 배출을 감소시킬 수 있는 구성 및 제조방법을 제시해 오고 있다.
한편, 고전압 작동으로 인한 절연 파괴 문제도 디바이스 모듈의 성능 및 내구성에 중요한 영향을 미친다. 전력 반도체 모듈의 방열 및 절연 성능을 향상시키기 위한 방안으로서, 일본공개특허공보 JP 2021-180232호(2021.11.18)에 따르면, 반도체 부품이 실장된 기판을 히트 싱크 기능을 겸한 몰딩 케이스 내에 안착시키고 절연성 수지로 몰딩하는 구성도 제시된 바 있다. 이와 같은 구성을 통해 방열 및 절연 성능을 동시에 향상시킬 수 있을 것으로 보인다.
다만, 전력 반도체 모듈과 같은 부품 생산에 있어서 간과될 수 없는 것이 생산성이다. 생산성 측면에서는, 회로기판에 반도체 부품을 실장하고 기판 커팅까지 마친 후에 이를 다시 몰딩 케이스 내부에 안착시키거나, 또는 몰딩 케이스 구조물을 회로기판 상에 추가로 설치하는 등의 공정이 모듈 부품의 생산성을 크게 저하시키는 요인이 될 수 있다. 또한, 절연 몰딩을 위해 추가되는 구성요소들이 방열을 저해하는 요인으로 작용할 수 있다는 문제가 여전히 남아 있다.
본 발명은 반도체 실장용 방열기판과 절연 몰딩을 위한 몰딩 케이스가 일체로 구성된 반도체용 방열기판과 이를 포함하는 전력 반도체 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 전력 반도체 모듈에서 절연 몰딩 외부로 노출되는 입출력 터미널이 전극 패턴과 일체로 형성된 구성의 반도체용 방열기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판은, 패턴 스페이스가 사이사이에 형성되어 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴; 상기 다수의 전극 패턴과 동일한 금속 소재로 형성되고, 상기 다수의 전극 패턴의 둘레를 둘러싸며 소정의 높이를 갖는 측벽 형태로 형성되어, 내측에 절연 몰딩재를 수용하는 내부 공간을 제공하는 몰딩 케이스; 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스 아래에 배치되고, 상기 전극 패턴으로부터 전도된 열을 확산시키는 금속 베이스 블록; 및 상기 금속 베이스 블록의 상면과 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 바닥면 사이를 포함하는 부분에 배치되고, 상기 금속 베이스 블록과 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스를 서로 접착하시키되 전기적으로 절연시키는 절연체부; 를 포함하고, 상기 절연체부는 상기 다수의 전극 패턴의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록 사이의 부분과 상기 몰딩 케이스의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록 사이의 부분이 하나의 절연층을 이루며 일체로 형성되도록 구성된다.
상기 절연체부는 상기 패턴 스페이스에 대응되는 부분에서 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 바닥면보다 높게 형성되어 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 측면 하부에 직접 접촉되어 이들을 지지하는 절연재 충전부를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 베이스 블록의 상면은 평면을 이루고, 상기 다수의 전극 패턴의 바닥면과 상기 몰딩 케이스의 바닥면은 상기 금속 베이스 블록의 상면에 대한 높이가 서로 동일하게 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체용 방열기판은 상기 전극 패턴의 바닥면 또는 상기 몰딩 케이스의 바닥면에 형성된 오목한 형태의 홈과, 상기 오목한 형태의 홈에 상기 절연체부를 구성하는 소재가 채워져 형성된 보강 돌기를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체용 방열기판은 상기 다수의 전극 패턴 중 적어도 하나의 상부에 일체로 형성된 입출력 터미널을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체용 방열기판은 열전도성 및 전기 전도성의 금속 소재로 형성되고 상기 몰딩 케이스 및 상기 내부 공간의 상부를 덮는 캡을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조 방법은, 열 확산 및 발산을 위한 금속 베이스 블록, 상기 금속 베이스 블록의 상면에 배치된 절연층, 상기 절연층 상에 배치된 것으로 패턴 스페이스에 의해 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴을 포함하는 반도체용 방열기판을 제조하는 방법에 있어서, 소정의 높이를 갖는 평판 형태의 전극 금속 블록을 일면 또는 양면으로부터 절삭 가공하되 상기 전극 금속 블록의 테두리 부분을 측벽 형태로 남기며 그 내측을 소정의 깊이로 절삭하여 몰딩 케이스와 상기 몰딩 케이스 내측의 공간을 형성하고, 상기 몰딩 케이스 내측에 상기 패턴 스페이스에 대응되는 홈 패턴과 잔여부를 형성하는 단계; 및 상기 전극 금속 블록과 상기 금속 베이스 블록이 상기 절연층을 매개로 서로 접착된 상태에서, 상기 몰딩 케이스 내측의 상기 잔여부를 에칭 또는 절삭 가공에 의해 제거하여 상기 홈 패턴에 의해 정의된 상기 다수의 전극 패턴을 서로서로 분리시키는 단계; 를 포함하여 구성된다.
상기 전극 금속 블록의 양면 중 상기 절연층과 접하게 되는 바닥면으로부터 상기 홈 패턴을 제1 깊이(d1)로 절삭 가공하고, 상기 바닥면의 반대면으로부터 상기 몰딩 케이스 내측의 공간을 제2 깊이(d2)로 절삭하되, 상기 제1 깊이(d1)와 상기 제2 깊이(d2)의 합은 상기 전극 금속 블록의 상기 소정의 높이(H)보다 작도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 전극 금속 블록에 상기 홈 패턴을 절삭 가공한 후에, 상기 몰딩 케이스 및 그 내측 공간을 절삭하기 전에, 상기 홈 패턴이 형성된 면과 상기 금속 베이스 블록 사이를 절연성 수지로 접착하여 상기 절연층과 함께 상기 홈 패턴을 메운 절연재 충전부를 형성할 수 있다.
또한, 절삭 가공에 의해 상기 몰딩 케이스 및 상기 몰딩 케이스 내측의 공간을 형성할 때, 상기 다수의 전극 패턴과 일체를 이루는 입출력 터미널을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 실장용 방열기판과 절연 몰딩을 위한 몰딩 케이스가 일체로 구성된 반도체용 방열기판과 이를 포함하는 전력 반도체 모듈 및 그 제조 방법이 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 전력 반도체 모듈에서 절연 몰딩 외부로 노출되는 입출력 터미널이 전극 패턴과 일체로 형성된 구성의 반도체용 방열기판 및 그 제조 방법이 제공된다.
이를 통해 전력 반도체 모듈과 같이 발열이 심하고 작동 전압이 높은 반도체 모듈에 있어서, 방열 및 절연 성능을 향상시킴과 동시에 모듈의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 패드와 입출력 터미널 사이의 저항을 감소시켜 발열을 줄일 수 있음은 물론, 별도의 입출력 터미널 조립 공정을 생략할 수 있어 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M)을 보인다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M1)의 한 단면을 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M2)의 한 단면을 보인다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M3)의 한 단면을 보인다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M4)의 한 단면을 보인다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M5)의 한 단면을 보인다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M6)이 적용된 전력 반도체 모듈의 절연 몰딩재 충전 이전 상태를 보인다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M2)의 제조 과정을 보인다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M1)의 제조 과정 일부를 보인다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M3)의 제조 과정 일부를 보인다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M5)의 제조 과정 일부를 보인다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M1)의 한 단면을 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M2)의 한 단면을 보인다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M3)의 한 단면을 보인다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M4)의 한 단면을 보인다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M5)의 한 단면을 보인다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M6)이 적용된 전력 반도체 모듈의 절연 몰딩재 충전 이전 상태를 보인다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M2)의 제조 과정을 보인다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M1)의 제조 과정 일부를 보인다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M3)의 제조 과정 일부를 보인다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M5)의 제조 과정 일부를 보인다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속한 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 위, 아래, 상면, 저면 등의 방향은 별도의 언급이 있는 경우를 제외하고는 참조된 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M)을 보인다.
본 도면은 좀 더 구체적으로 본 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(이하에서는 반도체용 방열기판으로 약칭하기로 한다)(M)이 적용된 반도체 모듈의 절연 몰딩재 충전 이전 상태를 나타낸다. 이러한 반도체 모듈은 하나 이상의 전력 반도체 소자(55)를 포함하는 전력 반도체 모듈일 수 있다. 상기 전력 반도체 소자(55)는 다수의 입출력 단자 또는 패드 전극을 구비하고, 상기 반도체용 방열기판(M) 상면에 배치된 다수의 전극 패턴(31) 상에 표면실장 될 수 있다. 상기 다수의 전극 패턴(31)은 그 둘레가 패턴 스페이스(32)로 둘러싸여 인접 전극 패턴(31) 및 몰딩 케이스(37)와 전기적으로 절연된다. 상기 패턴 스페이스(32)의 상면으로는 절연체부(20)의 일부를 구성하는 절연재가 노출된다.
상기 절연체부(20)는 히트 싱크 기능을 수행하는 금속 베이스 블록(10)과 상기 다수의 전극 패턴(31) 및 상기 몰딩 케이스(37)를 구성하는 전극 금속 블록(30)의 사이에 배치된다. 상기 절연체부(20)는 상기 금속 베이스 블록(10)과 상기 전극 금속 블록(30)을 서로 접착시키되, 전기적으로는 서로 절연시키는 기능을 동시에 수행한다. 상기 금속 베이스 블록(10)의 하부에는 다수의 방열 구조물(12)이 형성되어 외부 접촉 면적을 확장을 통해 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
전극 금속 블록(30)은 구리, 구리-망간 합금, 알루미늄, 니켈 등 비저항 낮고, 열전도성 및 가공성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 전극 패턴(31)은 상기 전극 금속 블록(30)의 두께 중 상당 부분이 삭제되어 전극 패턴(31)의 기능에 적합한 두께가 남겨진 형태를 가진다. 상기 패턴 스페이스(32)는 상기 전극 금속 블록(30)의 두께 전부가 삭제되어 상기 절연체부(20)를 노출시키는 형태로 형성된다. 상기 몰딩 케이스(37)는 상기 전극 금속 블록(30)의 측면부가 그 둘레를 따라 남겨져 측벽(side wall)을 이루는 형태로 형성된다. 상기 몰딩 케이스(37)의 내부에는 상기 전극 패턴(31) 및 상기 패턴 스페이스(32) 형성을 위해 삭제된 부분에 의해서 상기 전력 반도체 소자(55)를 비롯해서, 입출력 터미널(40) 등이 수용되는 내부 공간(38)이 형성된다. 도시되지는 않았으나, 상기 내부 공간(38)은 절연 몰딩재로 충전되는데, 이때 상기 몰딩 케이스(37)가 경화되기 전의 유동성 있는 절연 몰딩재를 가두는 지그의 역할을 하게된다. 한편, 상기 금속 베이스 블록(10) 역시 열전도성 및 가공성이 우수한 구리, 알루미늄 등의 금속으로 이루어질 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 상기 몰딩 케이스(37)는 상기 전극 패턴(31)과 동일하게 상기 전극 금속 블록(30)으로부터 형성된다. 따라서, 상기 몰딩 케이스(37)의 바닥면과 상기 전극 패턴(31)의 바닥면, 즉 상기 몰딩 케이스(37)와 상기 전극 패턴(31)에서 각각 상기 절연체부(20)와 직접 접촉하는 두 부분의 높이가 실질적으로 서로 같다. 여기서, '두 부분의 높이가 실질적으로 서로 같다'는 것은 인위적으로 어느 한쪽을 부분 삭제하는 가공을 통해 상기 전극 패턴(31)의 두께보다 작은 약간의 차이가 있는 정도를 포함하는 의미이다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M)이 적용된 전력 반도체 모듈에서, 상기 전력 반도체 소자(55)에서 발생한 열은 상기 전극 패턴(31)과 상기 절연체부(20)을 통해 상기 금속 베이스 블록(10)으로 전도되고, 상기 다수의 방열 구조물(12)을 통해 외부로 빠르게 방출될 수 있다. 또한, 일부의 열은 상기 내부 공간(38)에 충전된 절연 몰딩재를 통해 상기 몰딩 케이스(37) 등으로 전도되어 방출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M1)의 한 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M1)에서는, 다수의 방열 구조물(12)을 포함하는 상기 금속 베이스 블록(10)의 상면(101)에 소정의 두께를 갖는 절연체부(20A)가 배치되고, 상기 절연체부(20A) 상에 전술한 다수의 전극 패턴(31)과 패턴 스페이스(32), 그리고 이들이 배치된 내부 공간(38)을 둘러싸는 측벽 형태의 몰딩 케이스(37)가 배치된다. 상기 절연체부(20A)는 상기 전극 패턴(31)의 바닥면(311) 및 상기 몰딩 케이스(37)의 바닥면(371)과 상기 금속 베이스 블록(10)의 상면(101) 사이에서 양측의 이들 금속 구조물을 접착시키되, 상기 전극 패턴(31)과 상기 금속 베이스 블록(10) 사이, 상기 전극 패턴(31)과 상기 몰딩 케이스(37) 사이, 그리고 서로 인접한 상기 전극 패턴(31) 들의 사이를 서로 전기적으로 절연시키는 역할을 하도록 구성된다.
본 실시예에서, 상기 절연체부(20A)는 그 상면과 하면이 모두 평평한 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 상기 전극 패턴(31) 및 상기 몰딩 케이스(37)의 측면들은 상기 패턴 스페이스(32) 등에 의해 상기 내부 공간(38) 측으로 노출되며, 상기 내부 공간(38)에 반도체 소자 및 입출력 터미널 등 내부 구성요소들이 모두 배치되고 난 뒤에 남은 공간에는 절연 몰딩재가 충전될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M2)의 한 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M2)에서, 하부의 금속 베이스 블록(10)에 관한 사항은 전술한 도 2의 실시예와 동일하다. 본 실시예에서 상기 다수의 전극 패턴(31) 및 상기 몰딩 케이스(37)는 각각의 바닥면(311, 371)에 가까운 측면 일부분이 절연체부(20B)에 부분적으로 소정의 깊이만큼 묻히도록 배치된다.
서로 인접한 두 전극 패턴(31) 사이, 그리고 전극 패턴(31)과 상기 몰딩 케이스(37) 사이에 위치한 패턴 스페이스(32) 부분에서, 상기 절연체부(20B)의 상면(IT)은 상기 전극 패턴(31)의 바닥면 높이(EB)보다 높고, 상기 전극 패턴(31)의 상면 높이(ET)보다 낮은 높이를 갖는다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 상기 절연체부(20B) 중에서 상기 금속 베이스 블록(10)의 상면과 상기 전극 패턴(31)의 바닥면(311) 또는 상기 몰딩 케이스(37)의 바닥면(371) 사이에 위치한 부분을 절연층(21)이라 부르고, 상기 다수의 전극 패턴(31) 및 상기 몰딩 케이스(37)의 바닥면측 일부가 묻히도록 상기 패턴 스페이스(32)의 하부를 채운 부분을 절연재 충전부(22)라고 부르기로 한다. 상기 절연층(21)과 상기 절연재 충전부(22)는 동일 소재로 일체를 이루며, 서로의 사이에 계면이 존재하지 않도록 형성된 것이 바람직히다. 이와 같이 상기 전극 패턴(31)의 하부가 부분적으로 상기 절연체부(20B)에 묻힌 구조는 상기 전극 패턴(31)의 박리 강도를 높일 뿐만 아니라, 다수의 전극 패턴(31) 사이의 절연 내력 향상에도 도움이된다.
한편, 본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M2)에서 상기 내부 공간(38) 측으로 노출된 상기 전극 패턴(31)의 상측 모서리는 전술한 도 1의 실시예에 비해 완만하게 형성될 수 있다. 이는 다수의 전극 패턴(31) 사이의 절연 내력 향상에 도움이된다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M3)의 한 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M3)은 상기 도 3의 실시예(M2)에 비해 상기 절연체부(20B)에 대한 상기 전극 패턴(31) 및/또는 상기 몰딩 케이스(37)의 박리를 방지하는 적어도 하나의 보강 돌기(26)가 추가된 점에 차이가 있다. 상기 보강 돌기(26)는 상기 절연층(21)과 접하는 상기 전극 패턴(31)의 바닥면(311), 상기 몰딩 케이스(37)의 바닥면(371), 및 상기 금속 베이스 블록(10)의 상면(101) 중 적어도 한 부분에 오목한 형태의 홈(36)(16)이 형성되고, 이러한 홈(36)(16)에 상기 보강 돌기(26)가 채워져 맞물리도록 형성된다. 여기서, 상기 보강 돌기(26)는 상기 전연층(21)과 접하는 부분의 폭에 비해 상기 전극 패턴(31), 상기 몰딩 케이스(37) 또는 상기 금속 베이스 블록(10) 내측으로 함입된 부분의 폭이 더 넓은 도브테일(dovetail) 형태의 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같은 보강 돌기(26)는 특히 입출력 터미널(41)이 설치되는 전극 패드(31)이나 몰딩 케이스(37)에 대응되게 설치되어, 모듈의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M4)의 한 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M4)은 상기 도 3의 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M2)에 비해 절연체부(20C)에서 상기 패턴 스페이스(32)에 대응되는 절연재 충전부(22)의 최상면(222) 높이가 상기 전극 패턴(31)의 상면(312)의 높이와 같도록 형성된 점에 차이가 있다. 이 경우 상기 전극 패턴(31) 및 상기 몰딩 케이스(37)의 바닥면(311, 317) 쪽 부분이 상기 절연체부(20C)에 좀 더 깊이 묻히게 되어 박리 강도 및 절연 강도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M5)의 한 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M5)은 상기 도 3의 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M2)과 비교할 때 전극 패턴(31)에 입출력 터미널(341)이 일체로 형성된 점에 차이가 있다. 상기 입출력 터미널(341)은 전술한 전극 금속 블록으로부터 상기 내부 공간(38)에 해당하는 일부분을 절삭가공을 포함하는 방법으로 삭제하며 상기 전극 패턴(31)과 상기 몰딩 케이스(37)를 형성하는 과정에서 이와 동시에 형성될 수 있다. 이 경우 상기 입출력 터미널(341)은 대응되는 전극 패턴(31)에 접합면 없이 일체로 연결되므로 연결부에서의 전기 저항을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M6)이 적용된 전력 반도체 모듈의 절연 몰딩재 충전 이전 상태를 보인다.
본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M6)은 전술한 실시예들에 따른 반도체용 방열기판(M1~M5) 중 어느 하나 또는 이들의 구성 중 일부가 서로 결합된 구성의 반도체용 방열기판에 더해서, 몰딩 케이스(37H)의 외측면에 다수의 그루브(groove) 등의 방열 구조물을 더 포함할 수 있다. 외측면에 방열 구조물이 형성되어 표면적이 확장된 형태의 몰딩 케이스(37H)도 히트싱크의 기능을 수행하게 된다. 전술한 실시예와 마찬가지로 상기 몰딩 케이스(37H)로 둘러싸인 내부 공간(38)에는 절연 몰딩재(미도시)가 충전된다. 상기 몰딩 케이스(37H)는 발열원으로부터 상기 절연 몰딩재를 통해 전도된 열을 외부로 더욱 빠르게 방출할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 반도체용 방열기판(M6)은 전술한 절연 몰딩재가 충전된 상태로 상기 내부 공간(38)과 상기 히트싱크형 몰딩 케이스(37H)의 상부를 덮는 캡(50)을 더 포함할 수 있다. 상기 캡(50)은 상면에 다수의 방열 구조물(52)을 포함하는 히트싱크형 캡으로 구성될 수 있다. 상기 캡(50)의 저면(51)과 상기 몰딩 케이스(37H)의 상단면(372)은 다양한 결합 수단에 의해 서로 체결 또는 접합될 수 있다. 결합 수단으로는 예컨대, 볼트 체결, 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding), 열전도성 접착제를 이용한 접착, 스폿 용접, 브레이징 등의 수단이 단독으로 또는 복합적으로 적용될 수 있다. 마찰교반용접을 적용할 경우 별도의 접합재료 개입 없이 상기 몰딩 케이스(37H) 상단면(372)과 상기 캡(50) 저면(51)을 분자 구조 수준에서 접합할 수 있어, 결합부에서도 열 및 전기에 대한 전도 저항을 크게 경감시킬 수 있다. 이를 통해 발열량이 많은 반도체 모듈에 있어서도 요구되는 방열 성능을 충족시킬 수 있다.
또한, 전술한 금속 베이스 블록(10), 상기 몰딩 케이스(37H), 및 상기 캡(50)은 열전도성 뿐만 아니라 전기 전도성이 우수한 금속으로 형성되므로, 상기 내부 공간(38)에 수용된 반도체 소자 및 회로에 대해 매우 높은 수준의 전자파 차폐(EMI) 기능을 제공할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 베이스 블록(10), 상기 몰딩 케이스(37H), 및 상기 캡(50)를 접지시킬 수 있다. 또한, 상기 금속 베이스 블록(10)과 상기 몰딩 케이스(37H) 사이도 금속제 볼트나 전도성 테이프 등의 전기 전도성 부재를 이용하여 전기적으로 연결할 수 있다. 전도성 테이프로 상기 반도체용 방열기판(M6)의 측면을 둘러 노출된 절연체부(20)를 모두 가린다면, 상기 금속 베이스 블록(10)과 상기 몰딩 케이스(37) 사이의 전기적 연결을 확보함과 동시에 절연체부(20)의 측단면을 통한 전자파 침투 경로도 완전히 차단할 수 있다.
위와 같은 구성은, 전술한 바와 같이 전력 반도체 모듈에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 높은 수준의 방열 성능, 방진/방습 성능과 더불어 전자파 차폐 성능이 요구되는 자동차용 ECU(Electronic Control Unit) 모듈, GPU(Graphic Process Unit) 모듈 등에도 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판을 효율적으로 제조하는 방법에 관해 설명한다. 제조 과정에서 여러 구성요소들의 소재나 형태 등에 관해서는 별도의 언급이 없는 이상 앞서 반도체용 방열기판의 여러 실시예에 관해 설명된 내용 중 대응되는 실시예에 관한 사항이 동일하게 적용된다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M2)의 제조 과정을 보인다.
먼저 (a)에 도시된 바와 같이, 높이 H의 평판 형태인 전극 금속 블록(30)을 준비하고, 그 일면에, 구체적으로는 향후에 절연체부와 접촉하는 바닥면(301)이 될 면에, 전술한 패턴 스페이스의 평면적인 패턴에 대응되는 형태로 d1의 일정 깊이를 갖는 홈 패턴(321)을 형성한다. 상기 홈 패턴(321)을 형성하는 데에는 엔드밀 등의 절삭툴을 이용한 절삭 가공 기술이 적용될 수 있다. 본 실시예에서 상기 홈 패턴(321)의 깊이 d1은 목적하는 전극 패턴의 두께보다 작은 값을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 여기서 상기 높이 H에 의해 완성된 반도체용 방열기판(M2)에서의 몰딩 케이스(37)의 높이가 정의된다. 높이 H는 최종 목적물인 반도체 모듈에 대해서 요구되는 전극 패턴의 두께, 그 위에 실장되는 반도체 소자의 높이 및 상기 반도체 소자를 덮는 절연 몰딩재의 두께를 고려하여 결정되는데, 일 예로 자동차용 전력 반도체 모듈에 있어서, 상기 H는 대략 4 mm 내지 5 mm 정도의 값을 가질 수 있다.
다음으로, (b)에 도시된 바와 같이, 상기 전극 금속 블록(30)에서 상기 홈 패턴(321)이 형성된 상기 바닥면(301)과 금속 베이스 블록(10)의 상면 사이를 절연체부(20B)를 매개로 접착한다. 이 과정은 상기 전극 금속 블록(30)의 바닥면(301) 및 상기 금속 베이스 블록(10)의 상면 중 적어도 한 쪽에 유동성 있는 상태의 절연성 수지를 도포하고, 상기 절연성 수지가 소정 두께의 절연체부(20B)를 이루도록 상기 두 부재를 마주 가압하여 경화시키는 방법으로 진행될 수 있다. 이 과정은 진공 핫프레스 공정으로 진행될 수 있다. 이 과정에서 상기 홈 패턴(321) 내부로 함입된 절연재 충전부와 상기 바닥면(301)과 상기 금속 베이스 블록(10)의 상면 사이에 배치된 일정한 두께의 절연층을 포함하는 절연체부(20B)가 상기 절연성 수지로부터 형성된다.
다음으로, (c)에 도시된 바와 같이, 상기 전극 금속 블록(30)의 상면(302)( 즉 상기 절연체부(20B)와 접촉하는 상기 바닥면(301)의 반대쪽 면)으로부터 향후 몰딩 케이스(37)를 이루게 될 테두리 부분을 제외한 가운데 부분을 소정의 깊이 d2만큼 절삭 가공하여 내부 공간(38)의 대부분을 형성한다. 여기서 상기 소정의 깊이 d2는 전술한 홈 패턴(321)의 깊이, d1 및 전극 금속 블록(30)의 높이, H와의 사이에서, d1 + d2 < H 인 관계를 충족하도록 결정된다.
그 결과, 상기 홈 패턴(321)과 상기 내부 공간(38) 사이에는, (d1+d2)의 값과 H 값의 차에 해당하는 두께를 갖는 잔여부(322)가 남겨지게 된다. 상기 잔여부(322)의 두께는 0.2mm 미만일 수 있고, 더 바람직하게는 0.05mm 내지 0.1mm 일 수 있다.
다음으로, (d)에 도시된 바와 같이, 상기 몰딩 케이스(37) 내측에서 상기 잔여부(322)를 제거하여 패턴 스페이스(32)를 형성함으로써 다수의 전극 패턴(31) 및 내부 공간(38)을 완성한다. 에칭(Etching) 또는 밀링(Milling) 가공 등의 방법으로 상기 잔여부(322)를 삭제할 수 있다. 등방성 에칭을 통해 상기 잔여부(322)를 삭제할 경우 남겨진 전극 패턴(31)의 모서리를 완만하게 둥글려 절연 내력을 향상시키는 효과도 얻을 수 있다.
한편, 위와 달리 상기 잔여부(322)를 제거하기 위해 상기 몰딩 케이스(37) 내측 부분 전부를 밀링 가공을 통해 상기 잔여부(322)의 두께 이상 절삭하여 제거하는 경우, 전술한 도 5의 실시 형태와 같은 반도체용 방열기판(M4)을 얻을 수도 있다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M1)의 제조 과정 일부를 보인다.
전술한 도 8의 실시예에 따른 제조 방법과 대비하여 설명하자면, 전극 금속 블록(30)의 바닥면에 대한 홈 가공 없이 그대로 금속 베이스 블록(10)과 접착하여, 일정한 두께의 절연체부(20A)를 형성한다.
상기 절연체부(20A)의 반대편에 위치하는 또는 위치하게 될 면으로부터 절삭 가공을 통해 내부 공간(38)과 패턴 스페이스(32)의 평면 패턴에 대응되는 홈 패턴(323)을 형성한다. 이때, 상기 홈 패턴(323) 바닥에 소정 두께의 잔여부를 남긴다.
여기서, 상기 전극 금속 블록(30)에 상기 내부 공간(38) 및 상기 홈 패턴(323)을 형성하는 절삭 가공 단계와, 상기 절연체부(20A)를 이루게 될 절연성 수지를 이용하여 상기 전극 금속 블록(30)의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록(10)을 접착하는 접착 단계(예컨대 진공 핫 프레스 공정)의 순서는 그 선후가 앞서 설명된 순서와 달라도 무방하다. 상기 잔여부로 인해 몰딩 케이스(37) 부분과 다수의 전극 패턴(31)에 대응되는 부분들이 모두 한 파트로 연결되어있기 때문이다.
다음으로, 에칭 또는 밀링과 같은 방법으로 상기 잔여부를 제거함으로써, 전술한 도 2의 실시예와 같은 실시 형태의 반도체용 방열기판(M1)을 완성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M3)의 제조 과정 일부를 보인다.
본 도면에 도시된 과정은 상기 도 8의 실시예에서 (a)에 도시된 과정을 대체하여 적용될 수 있다. 전극 금속 블록(30)의 바닥면(301) 측에 전술한 홈 패턴(321)을 형성할 때, 전술한 도 4의 반도체용 방열기판(M3) 관련하여 설명된, 보강 돌기의 형성을 위한 오목한 형태의 홈(36)을 추가로 형성할 수 있다. 상기 오목한 형태의 홈(36)은 상기 바닥면을 향해 뚫린 구멍의 폭보다 내측으로 함입된 부분의 폭이 더 넓은 도브테일(dovetail) 형태의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이 보강 돌기 형성을 위한 홈(36)이 형성된 경우, 상기 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 절연체부(20B) 형성과 동시에 상기 전극 금속 블록(30)과 상기 금속 베이스 블록(10)을 서로 접착하는 과정, 예컨대 진공 핫프레스 공정 중에 유동성 있는 절연성 수지가 상기 홈(36)에 채워진 채로 경화됨으로써 보강 돌기가 형성된다.
한편, 전술한 도 4에는 금속 베이스 블록(10) 측에도 보강 돌기가 배치되어 있는데, 이를 위해서는 금속 베이스 블록(10)과 상기 전극 금속 블록(30)과의 접착 전에 그 상면에 위와 같은 오목한 형태의 홈을 형성해 둘 수 있다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판(M5)의 제조 과정 일부를 보인다.
본 도면에 도시된 과정은 상기 도 8의 실시예에서 (c)에 도시된 과정을 대체하여 적용될 수 있다. 상기 전극 금속 블록(30)의 상면으로부터 상기 절연체부(20B)를 향해 절삭 가공하여 상기 내부 공간(38) 부분을 형성할 때, 상기 몰딩 케이스(37)를 이루게 될 부분 뿐만 아니라 입출력 터미널(341)를 이루게 될 부분을 함께 남기며 절삭 가공을 수행함으로써, 전술한 도 6의 실시예에서와 같이, 전극 패턴(31)과 일체로 형성된 입출력 터미널(341)을 얻을 수 있게 된다.
10: 금속 베이스 블록
20, 20A, 20B, 20C: 절연체부
21: 절연층 22: 절연재 충전부
26: 보강 돌기 30: 전극 금속 블록
31: 전극 패턴 32: 패턴 스페이스
37, 37H: 몰딩 케이스 38: 내부 공간
341: 입출력 터미널 50: 캡
55: 반도체 소자
20, 20A, 20B, 20C: 절연체부
21: 절연층 22: 절연재 충전부
26: 보강 돌기 30: 전극 금속 블록
31: 전극 패턴 32: 패턴 스페이스
37, 37H: 몰딩 케이스 38: 내부 공간
341: 입출력 터미널 50: 캡
55: 반도체 소자
Claims (10)
- 패턴 스페이스가 사이사이에 형성되어 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴;
상기 다수의 전극 패턴과 동일한 금속 소재로 형성되고, 상기 다수의 전극 패턴의 둘레를 둘러싸며 소정의 높이를 갖는 측벽 형태로 형성되어, 내측에 절연 몰딩재를 수용하는 내부 공간을 제공하는 몰딩 케이스;
상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스 아래에 배치되고, 상기 전극 패턴으로부터 전도된 열을 확산시키는 금속 베이스 블록; 및
상기 금속 베이스 블록의 상면과 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 바닥면 사이를 포함하는 부분에 배치되고, 상기 금속 베이스 블록과 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스를 서로 접착하시키되 전기적으로 절연시키는 절연체부; 를 포함하고,
상기 절연체부는 상기 다수의 전극 패턴의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록 사이의 부분과 상기 몰딩 케이스의 바닥면과 상기 금속 베이스 블록 사이의 부분이 하나의 절연층을 이루며 일체로 형성된,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판. - 제1항에 있어서,
상기 절연체부는 상기 패턴 스페이스에 대응되는 부분에서 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 바닥면보다 높게 형성되어 상기 다수의 전극 패턴 및 상기 몰딩 케이스의 측면 하부에 직접 접촉되어 이들을 지지하는 절연재 충전부를 더 포함하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판. - 제1항에 있어서,
상기 금속 베이스 블록의 상면은 평면을 이루고, 상기 다수의 전극 패턴의 바닥면과 상기 몰딩 케이스의 바닥면은 상기 금속 베이스 블록의 상면에 대한 높이가 서로 동일한,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판. - 제1항에 있어서,
상기 전극 패턴의 바닥면 또는 상기 몰딩 케이스의 바닥면에 형성된 오목한 형태의 홈과, 상기 오목한 형태의 홈에 상기 절연체부를 구성하는 소재가 채워져 형성된 보강 돌기를 더 포함하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판. - 제1항에 있어서,
상기 다수의 전극 패턴 중 적어도 하나의 상부에 일체로 형성된 입출력 터미널을 더 포함하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판. - 제1항에 있어서,
열전도성 및 전기 전도성의 금속 소재로 형성되고 상기 몰딩 케이스 및 상기 내부 공간의 상부를 덮는 캡을 더 포함하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판. - 열 확산 및 발산을 위한 금속 베이스 블록, 상기 금속 베이스 블록의 상면에 배치된 절연층, 상기 절연층 상에 배치된 것으로 패턴 스페이스에 의해 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴을 포함하는 반도체용 방열기판을 제조하는 방법에 있어서,
소정의 높이를 갖는 평판 형태의 전극 금속 블록을 일면 또는 양면으로부터 절삭 가공하되 상기 전극 금속 블록의 테두리 부분을 측벽 형태로 남기며 그 내측을 소정의 깊이로 절삭하여 몰딩 케이스와 상기 몰딩 케이스 내측의 공간을 형성하고, 상기 몰딩 케이스 내측에 상기 패턴 스페이스에 대응되는 홈 패턴과 잔여부를 형성하는 단계; 및
상기 전극 금속 블록과 상기 금속 베이스 블록이 상기 절연층을 매개로 서로 접착된 상태에서, 상기 몰딩 케이스 내측의 상기 잔여부를 에칭 또는 절삭 가공에 의해 제거하여 상기 홈 패턴에 의해 정의된 상기 다수의 전극 패턴을 서로서로 분리시키는 단계; 를 포함하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 전극 금속 블록의 양면 중 상기 절연층과 접하게 되는 바닥면으로부터 상기 홈 패턴을 제1 깊이(d1)로 절삭 가공하고, 상기 바닥면의 반대면으로부터 상기 몰딩 케이스 내측의 공간을 제2 깊이(d2)로 절삭하되, 상기 제1 깊이(d1)와 상기 제2 깊이(d2)의 합은 상기 전극 금속 블록의 상기 소정의 높이(H)보다 작도록 하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 전극 금속 블록에 상기 홈 패턴을 절삭 가공한 후에, 상기 몰딩 케이스 및 그 내측 공간을 절삭하기 전에, 상기 홈 패턴이 형성된 면과 상기 금속 베이스 블록 사이를 절연성 수지로 접착하여 상기 절연층과 함께 상기 홈 패턴을 메운 절연재 충전부를 형성하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
절삭 가공에 의해 상기 몰딩 케이스 및 상기 몰딩 케이스 내측의 공간을 형성할 때, 상기 다수의 전극 패턴과 일체를 이루는 입출력 터미널을 형성하는,
몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판의 제조 방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020220124774A KR20240045029A (ko) | 2022-09-29 | 2022-09-29 | 몰딩 케이스 일체형 반도체용 방열기판 및 그 제조 방법 |
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Citations (3)
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| KR102055587B1 (ko) | 2018-06-08 | 2019-12-13 | 이종은 | 고전력 반도체용 방열기판, 이를 포함하는 고전력 반도체 모듈, 및 그 제조 방법 |
| KR102283906B1 (ko) | 2019-12-27 | 2021-07-29 | 이종은 | 반도체용 방열기판 및 그 제조 방법 |
| JP2021180232A (ja) | 2020-05-13 | 2021-11-18 | 三菱電機株式会社 | 電力半導体装置 |
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2022
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