KR970000217B1 - 히트씽커 일체형 반도체소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

히트씽커 일체형 반도체소자

제1도는 종래의 고출력 발광소자칩의 발열에너지 방출용 리드프레임 단면도.

제2도는 본 발명의 일실시예에 의한 히트씽커 일체형 반도체소자 단면구조도.

제3도는 본 발명의 히트씽커 단면구조도.

제4도는 본 발명에 의한 히트씽커의 발열에너지 방출원리를 설명하기 위한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 외측리드프레임 11A : 내측리드프레임

12,13 : 리드 19,20 : 히트씽커 전원용 리드

21 : 하부 세라믹기판 22 : 히트씽커 음전극

23 : 열교환소자 24 : 히트씽커 양전극

25 : 상부 세라믹기판 26:발광소자 음전극

본 발명은 히트씽커(Heat sinker)일체형 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 발열에너지 방출용 히트씽커가 반도체소자에 일체형으로 접속된 구조에 관한 것이다.

실리콘 및 화합물 반도체소자의 이용시 소자에서 발생하는 열에너지로 인하여 소자의 특성이 변화하는 경우가 많다. 이러한 소자의 열에 의한 특성변화를 방지하기 위해 여러 가지 방법으로 소자의 발열에너지를 방출시키고 있다.

소자의 패키지 내부의 리드프레임을 히트씽커로 이용하기도 하고, 패키지 외부에 히트씽커를 부착하여 소자의 발열에너지를 방출시키기도 한다.

종래의 히트씽커는 그 용도에 따라 다양한 형태로의 응용이 가능하지만 그 중에서 고출력 발광소자칩의 히트씽커로 제1도에 도시된 바와 같이 리드프레임에 칩을 올려 리드프레임 자체가 히트씽커의 역할을 하도록 하기도 한다.

제1도는 종래의 고출력 발광소자칩의 발열에너지 방출용 리드프레임의 단면도로서, 리드프레임(11)상에 발광소자칩(15)을 실장하여 상기 리드프레임(11)을 히트씽커로 이용한 구조를 나타낸 것이다. 즉, 리드프레임(11)상에 양면에 각각 N측 전극(17) 및 P측 전극(16)이 형성된 발광소자칩(15)을 N측 전극(17)이 리드프레임(11)과 접속되도록 실장하고, P측 전극(16)은 금선(Au wire)(18)을 이용하여 리드(13)에 접속시킨 구조이다.

여기에서 미설명부호 12는 리드를 나타내고, 14는 글래스(Glass)를 나타낸다. 고출력 발광소자칩의 경우에는 발광효율이 15% 정도이므로 발광에 이용된 에너지중 85%는 대부분이 열에너지 형태로 소자의 칩을 가열하게 된다.

이와 같이 발생한 칩의 발열에너지를 전기전도도 및 열전도도가 높은 리드프레임이 흡수하게 되고, 리드프레임이 흡수한 열에너지는 외기 및 외부분위기와 접촉하여 방출하게 된다.

이와 같이 고출력 발광소자칩은 열적특성변화(순방향전류의 변화, 발광파장의 변화, 발광출력의 변화 등)가 발생하지 않도록 가능한 한 신속하게 칩의 발열에너지를 방출시켜야 한다.

그러나 종래의 리드프레임 히트씽커로는 리드프레임의 모양변형(에너지 방출은 히트씽커의 단면적에 비례), 리드프레임의 재질(에너지 방출은 히트씽커의 열전도도에 비례), 분위기 온도와의 열교환(단순한 대류 형태의 열교환) 등의 한계로 인해 발열에너지의 신속한 방출에 한계가 있는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 열적특성 변화가 발생하지 않는 히트씽커 일체형 반도체 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트씽커 일체형 반도체소자는 반도체소자부와, 외측 리드프레임(11)과 상기 외측 리드프레임(11)과 분리되어 소정깊이를 가지고 구부러진 형태로 변형된 내측 리드프레임(11A)으로 구성된 리드프레임부, 및 하부 세라믹기판(21), 히트씽커 음전극(22), 열교환소자(23), 히트씽커 양전극(24), 상부 세라믹기판(25)이 차례로 접속되고, 상기 히트씽커 음전극(22)와 히트씽커 양전극(23)의 각각의 일측단에 각각 전원용 리드(19,20)가 접속된 구조를 가지며, 상기 하부 세라믹기판(21)이 상기 리드프레임부의 내측 리드프레임(11A)상에 접속되고 상기 상부 세라믹기판(25)이 상기 반도체소자부의 발열부위에 접합한 히트씽커부(A)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 기존의 리드프레임의 모양을 수정하여 재질과 분위기 온도의 변화에 관계없이 반도체의 열전현상을 이용한 열교환 소자를 칩과 리드프레임 사이에 접속하여 가능한 한 신속하게 칩의 발열에너지를 방출시키고 칩의 동작온도를 일정하게 유지시킨다.

상술한 바와 같이 종래 기술에 있어서는 소자의 칩에서 발생하는 열에너지를 리드프레임의 재질, 모양의 변경, 분위기온도의 변화 등의 한계로 소자의 칩은 전기, 광학적 특성값이 전원을 인가하더라도 일정한 온도(약 50℃)를 유지하게 된다.

이와 같이 칩의 최적 동작상태에서 발생하는 열에너지를 가능한 한 신속하게 제거하고, 칩의 동작온도를 일정하게 유지시키기 위해 본 발명은 제2도에 도시한 바와 같이 고출력 발광소자의 리드프레임을 변형하여 제작한다. 즉, 본 발명의 리드프레임은 상기 종래의 리드프레임 구조에서 리드프레임(11)과 리드(12)와의 웰딩(welding) 부위가 분리되고, 분리된 리드프레임중 내측의 리드프레임인 소정의 깊이를 가지는 구부러진 형태의 변형된 리드프레임(11A)과 외측의 리드프레임(11)으로 구성된다.

상기 변형된 리드프레임(11A)상에는 세라믹기판(21), 히트씽커 음전극(22), 히트씽커의 열교환소자인 P형 반도체(23), 히트씽커 양전극(24), 세라믹기판(25)이 차례로 적층되어 형성된 히트씽커(A)가 접속되고, 이 위에 발광소자칩(15)의 음전극(26)이 접속되어 있다.

상기 히트씽커에는 하부로부터 전원용 리드(19,20)가 접속되어 있다.

상기 리드프레임(11)의 변형부분(11A)은 상기 히트씽커가 탑재될 수 있을 만큼의 깊이를 가진 구부러진 형태로 되어 있다.

제2도중 히트씽커 부위의 확대도를 제3도에 도시한바, 제2도가 X방향 단면도라고 할 경우, 제3도는 Y방향 단면도가 된다.

제3도에 도시된 바와 같이 본 발명의 히트씽커는 열교환소자(23)의 양면에 히트씽커 음전극(22)과 양전극(24)이 각각 오믹접속(31,32)되고, 히트씽커 음전극(22)의 일측단과 이와 반대쪽인 히트씽커 양전극(24)의 일측단에는 전원용 리드(19,20)가 각각 웰딩되어 있다.

그리고 상기 히트씽커 음전극(22)과 양전극(24)의 상기 열교환소자(23)와 접속되지 않은 반대면에는 열전도성 그리스(Thermal grease)(28,29)에 의해 세라믹기판(21,25)이 각각 접속되어 있다.

이와 같은 구조의 히트씽커는 제2도에 도시된 바와 같이 히트씽커의 음전극(22)에 접속된 하부 세라믹기판(21)이 열전도성 그리스(27)(제3도 참조)에 의해 상기 변형된 리드프레임(11A)상에 접속되고, 히트씽커 양전극(24)에 접속된 상부 세라믹기판(25)이 역시 열전도성 그리스(30)(제3도 참조)에 의해 발광소자칩의 음전극(26)에 접속됨으로써 상기 발광소자칩의 열에너지 방출용 히트씽커의 역할을 하게 된다.

제2도에서 히트씽커 전원용 리드(19,20)를 전원의 (-)와 (+)에 각각 연결하게 되면, 상부 세라믹기판(25)과 발광소자칩의 음전극(26)의 접합부위와 하부 세라믹기판(21)과 리드프레임(11A)의 접합부위와의 온도차이는 약 30℃ 이상이 나게 된다. 따라서 하부 세라믹기판(21)과 리드프레임(11A)의 접합부위 온도가 분위기온도와 비슷하다면(30℃), 상부 세라믹기판(25)과 발광소자칩의 음전극(26)의 접합부위의 온도는 0℃가 된다.

그러나 발광소자칩의 발열에너지를 본 발명의 히트씽커가 흡수하여야 하므로 최대 20℃ 정도의 칩동작온도를 유지할 수 있다.

다음에 제3도를 참조하여 본 발명의 히트씽커에 의한 발열에너지 방출과정을 설명하면, 먼저, 히트씽커 전원용 리드(19,20)에 각각 (-)와 (+)전원을 인가하면 리드(20)로부터 정공이 히트씽커의 열교환소자(23)의 가전자대로 주입된다.

이와 같이 주입된 정공의 평균에너지는 열교환소자(23)의 가전자대 상단과 페르미준위간의 차이만큼의 에너지에 정공의 평균 운동에너지 3/2·kT(k : 볼쯔만상수, T : 온도)의 합이 된다.

따라서 정공은 이만큼의 에너지를 주입측전극(히트씽커 양전극(24))에서 상대측전극(히트씽커 음전극(22))으로 운반해가게 된다. 따라서 히트씽커 양전극(24)과 열교환소자(23)의 접합부에서는 흡열이, 열교환 소자(23)와 히트씽커 음전극(22)의 접합부에서는 발열이 일어나게 된다.

이상의 발열에너지 방출과정을 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

N형 및 P형 반도체에 금속을 접속시켜 전압을 인가하면 그 접합부위에서 주울열이 아닌 열의 발생 또는 흡수가 일어나게 된다.

열평형상태에서 두 종류의 물질(반도체와 금속)이 접속되어 있으면 각각의 페르미레벨은 일치하지만 그 양단에 전원을 연결하면 전위가 높은 쪽의 페르미레벨이 낮아지므로 제4도에 도시된 바와 같은 에너지 밴드 구조를 가지게 된다.

따라서 N형 반도체와 금속의 접합일 경우, 전자는 음극(전원(-))으로부터 전도대로(제4도(a) 참조), P형 반도체와 금속의 접합일 경우, 정공은 양극(전원(+))으로 부터 가전자대로 주입된다(제4도(b) 참조).

이와 같이 주입된 전자와 정공은 금속의 페르미레벨보다 φ1,φ2만큼의 에너지+평균캐리어의 운동에너지 3/2·kT(eV에 해당)만큼 더 큰 에너지를 가지고 주입측전극에서 상대측전극으로 진행하게 된다.

이와 같이 에너지가 높은 전자와 정공을 잃은 금속에서는 잃은 양만큼의 에너지를 그 금속자체가 가지고 있는 열에너지 형태로 보충하므로 전자와 정공의 주입측 전극의 금속에서는 냉각(흡열)되고, 반면에 상대측전극의 금속은 에너지가 높은 전자와 정공을 받아들여 가열(발열)되게 된다.

즉, 종래방법에서의 분위기와의 온도차에 의한 대류에 의한 열에너지 방출과정보다 훨씬 신속하게 열에너지의 방출이 이루어지므로 칩의 동작온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

본 발명의 히트씽커는 상술한 고출력 발광소자칩뿐 아니라 각종 반도체 소자의 발열부위에 접합함으로써 반도체 소자의 발열에너지 방출 및 소자의 동작 온도 조절이 가능하게 되며, 특히 본 발명의 히트씽커는 전력용 반도체의 열에너지 방출용으로 적합하다.

또한, 본 발명의 히트씽커는 반도체 소자의 패키지내에 포함시켜 반도체 소자와 일체화할 수도 있고, 제작된 반도체소자 패키지에 부착하는 것도 가능하다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열적특성의 변화가 발생하지 않는 히트씽커를 구현할 수 있으므로 반도체소자의 동작특성을 안정화시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 반도체 소자부와, 외측 리드프레임(11)과 상기 외측 리드프레임(11)과 분리되어 소정깊이를 가지고 구부러진 형태로 변형된 내측 리드프레임(11A)으로 구성된 리드프레임부, 및 하부 세라믹기판(21), 히트씽커 음전극(22), 열교환소자(23), 히트씽커 양전극(24), 상부 세라믹기판(25)이 차례로 접속되고, 상기 히트씽커 음전극(22)과 히트씽커 양전극(23)의 각각의 일측단에 각각 전원용 리드(19,20)가 접속된 구조를 가지며, 상기 하부 세라믹기판(22)이 상기 리드프레임부의 내측 리드프레임(11A)상에 접속되고 상기 상부 세라믹기판(25)이 상기 반도체소자부의 발열부위에 접합된 히트씽커부(A)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트씽커 일체형 반도체소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자부가 발광소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트씽커 일체형 반도체소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 히트씽커부의 상부 세라믹기판(25)이 발광소자 음전극(26)에 접합된 구조로 된 것을 특징으로 하는 히트씽커 일체형 반도체소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 열교환소자(23)와 열교환소자(23) 양면에 접속된 히트씽커 음전극(22)과 히트씽커 양전극(24)은 각각 오믹접속된 것을 특징으로 하는 히트씽커 일체형 반도체소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 열교환소자(23)는 N형 또는 P형 반도체로 이루어짐을 특징으로 하는 히트씽커 일체형 반도체소자.