WO2017200174A1 - Insulating substrate using thick film printing technique - Google Patents

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WO2017200174A1
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ceramic substrate
insulating substrate
thickness
power semiconductor
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구도현
장혁
김성태
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엘지전자(주)
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Definitions

  • the insulating substrate using the thick film printing method for manufacturing a power semiconductor repeats the sintering and cooling processes, there is a problem in that the substrate is bent or peeled off due to the thermal stress difference between the constituent materials.
  • a base a first metal layer located on the base, a ceramic substrate located on the first metal layer, and at least one pattern formed on the ceramic substrate And a second metal layer, wherein the volume of the first metal layer is 85% or more and 105% or less of the volume of the second metal layer.
  • the first metal layer may have the same pattern as the second metal layer.
  • the ceramic substrate may include at least one of a low temperature co-fired ceramic (LTCC) high temperature co-fired ceramic (HTCC), and aluminum nitride (AIN).
  • LTCC low temperature co-fired ceramic
  • HTCC high temperature co-fired ceramic
  • AIN aluminum nitride
  • FIG. 1 is a view showing a power semiconductor package according to an embodiment of the present invention.
  • the base 110 may include a metal material.
  • the base 110 may include at least one of copper, nickel plated copper, aluminum silicon carbide (AlSiC), or copper molybdenum alloy (Cu / Mo alloy).
  • the base 110 may mount at least one ceramic substrate 130. Accordingly, the area of the base 110 may be wider than other layers. Since the base 110 includes a metal material having high thermal conductivity, it may be helpful for heat dissipation.
  • the first metal layer 120 may be located on one surface of the base 110.
  • the first metal layer 120 may be coupled to the base 110 through the lower solder 132.
  • the first metal layer 120 may include a material having excellent electrical conductivity.
  • the first metal layer 120 may include copper or nickel plated copper.
  • the first metal layer 120 may transfer heat generated from the upper portion to the base 110.
  • the ceramic substrate 130 may be located on one surface of the first metal layer 120.
  • the ceramic substrate 130 may have an insulating property so that the semiconductor chip 150 and the base 110 do not flow electricity.
  • the ceramic substrate 130 may include a material having high thermal conductivity in order to transfer heat generated from the upper portion to the base 110.
  • the ceramic substrate 130 may include at least one of low temperature co-fired ceramic (LTCC), high temperature co-fired ceramic (HTCC), and aluminum nitride (AIN).
  • LTCC low temperature co-fired ceramic
  • HTCC high temperature co-fired ceramic
  • AIN aluminum nitride
  • the semiconductor chip 150 may be located on one surface of the second metal layer 140.
  • the semiconductor chip 150 may be directly coupled to the second metal layer 140 or may be coupled through the wire 117.
  • the semiconductor chip 150 may be coupled through the upper solder 134.
  • the semiconductor chip 150 may include a high power chip 152 and a low power chip 154.
  • the high power chip 152 may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT) that is a power device
  • the low power chip 154 may be a diode that is a control device.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the thickness MLD1 of the first metal layer 120 and the thickness MLD2 of the second metal layer 140 may be the same or similar. have. In this case, volumes of the first metal layer 120 and the second metal layer 140 may be different from each other by the pattern of the second metal layer 140.
  • a pattern may be formed on the first metal layer 120 like the second metal layer 140.
  • the thickness MLD1 of the first metal layer 120 and the thickness MLD2 of the second metal layer 140 may be the same or similar.
  • a TPC process may be used to print the first to sixth printed metal layers 140a to 140f on the ceramic substrate 130.
  • the first printed metal layer 140a having a high copper content may be printed on the ceramic substrate 130 and then sintered. Thereafter, each layer having a higher content of the glass component may be sequentially printed and then dried. Thereafter, up to the sixth printed metal layer 140f may be printed and sintered.

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Abstract

Disclosed is an insulating substrate using a thick film printing technique. A power semiconductor package of the present invention comprises: a first metal layer; a ceramic substrate disposed on the first metal layer; and a second metal layer which has at least one pattern formed thereon and is arranged on the ceramic substrate, wherein a volume of the first metal layer is at least 85% to at most 105% of that of the second metal layer. According to the present invention, volumes of the upper and lower layers of the ceramic substrate are the same or similar, and thus the difference in thermal stress applied to the ceramic substrate can be reduced.

Description

후막인쇄기법을 이용한 절연기판Insulation Board Using Thick Film Printing Technique
본 발명은 후막인쇄 기법을 이용한 절연기판에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 세라믹기판의 상하층의 체적이 동일 또는 유사하기 때문에 절연기판 제작공정 중 세라믹기판이 받는 열응력 차이가 줄어들 수 있는 절연기판에 관한 것이다.The present invention relates to an insulating substrate using a thick film printing technique, and more particularly, to the insulating substrate which can reduce the thermal stress difference received by the ceramic substrate during the manufacturing process of the insulating substrate because the volume of the upper and lower layers of the ceramic substrate is the same or similar. It is about.
파워 반도체(Power Semiconductor)는 전기에너지를 활용하기 위해 직류·교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행할 수 있다. 파워 반도체는 전력을 생산(발전)하는 단계부터 사용하는 단계(서비스)까지 여러 단계에서 다양한 기능을 수행한다. 특히, 사용단계에서는 가전, 스마트폰, 자동차 등 전기로 작동하는 제품의 작동 여부 및 성능을 결정짓는 핵심 부품으로 사용된다.The power semiconductor may perform control processing such as DC / AC conversion, voltage, and frequency change in order to utilize electrical energy. Power semiconductors perform various functions at various stages, from producing (generating) power to using (service). In particular, in the use stage, it is used as a key component that determines the operation and performance of the electric products such as home appliances, smart phones, automobiles.
파워 반도체 제조를 위한 후막인쇄기법을 이용한 절연기판은 소결 및 냉각 공정을 반복하기 때문에, 구성물질 사이의 열응력 차이에 의해 기판이 휘거나 박리되는 문제점이 있었다. Since the insulating substrate using the thick film printing method for manufacturing a power semiconductor repeats the sintering and cooling processes, there is a problem in that the substrate is bent or peeled off due to the thermal stress difference between the constituent materials.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 절연기판의 제작공정 중 세라믹기판이 받는 열응력 차이가 줄어들 수 있는 절연기판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to solve the above and other problems. Another object is to provide an insulating substrate which can reduce the thermal stress difference received by the ceramic substrate during the manufacturing process of the insulating substrate.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면 베이스, 상기 베이스 상에 위치한 제 1 금속층, 상기 제 1 금속층 상에 위치한 세라믹기판, 및 상기 세라믹기판 상에 위치한 적어도 하나의 패턴이 형성된 제 2 금속층을 포함하며, 상기 제 1 금속층의 체적은 상기 제 2 금속층의 체적의 85% 이상 105% 이하인 절연기판을 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the or another object, a base, a first metal layer located on the base, a ceramic substrate located on the first metal layer, and at least one pattern formed on the ceramic substrate And a second metal layer, wherein the volume of the first metal layer is 85% or more and 105% or less of the volume of the second metal layer.
상기 제 1 금속층은 상기 제 2 금속층과 동일한 패턴이 형성될 수 있다.The first metal layer may have the same pattern as the second metal layer.
상기 제 1 금속층은 상기 제 2 금속층과 다른 패턴이 형성될 수 있다.The first metal layer may have a pattern different from that of the second metal layer.
상기 제 1 금속층은 상기 제 2 금속층과 두께가 동일할 수 있다.The first metal layer may have the same thickness as the second metal layer.
상기 제 1 금속층의 두께는 상기 제 2 금속층의 두께보다 얇을 수 있다.The thickness of the first metal layer may be thinner than the thickness of the second metal layer.
상기 제 1,2 금속층은 구리 또는 니켈이 도금된 구리를 포함할 수 있다.The first and second metal layers may include copper or nickel plated copper.
상기 세라믹기판은 LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic) HTCC(High Temperature Co-Fired Ceramic), 및 알루미늄나이트라이드(AIN) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The ceramic substrate may include at least one of a low temperature co-fired ceramic (LTCC) high temperature co-fired ceramic (HTCC), and aluminum nitride (AIN).
본 발명에 따른 절연기판의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the effect of the insulating substrate according to the present invention.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 세라믹기판의 상하층의 체적이 동일 도는 유사하기 때문에 절연기판 제작 공정 중 세라믹기판이 받는 열응력 차이가 줄어들 수 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, since the volume of the upper and lower layers of the ceramic substrate is similar, the thermal stress difference received by the ceramic substrate during the insulating substrate manufacturing process may be reduced.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.Further scope of the applicability of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, various changes and modifications within the spirit and scope of the present invention can be clearly understood by those skilled in the art, and therefore, specific embodiments, such as the detailed description and the preferred embodiments of the present invention, should be understood as given by way of example only.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 반도체 패키지를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a power semiconductor package according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연기판을 나타내는 도면들이다.2 to 13 are views illustrating an insulating substrate according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used in consideration of ease of specification, and do not have distinct meanings or roles from each other. In addition, in describing the embodiments disclosed herein, when it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed herein, but are not limited to the technical spirit disclosed herein by the accompanying drawings, all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, the terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 반도체 패키지를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a power semiconductor package according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 파워 반도체 패키지(100)는 순차적으로 적층된 베이스(110), 제 1 금속층(120), 세라믹기판(130), 제 2 금속층(140), 및 반도체 칩(150)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the power semiconductor package 100 according to the present invention includes a base 110, a first metal layer 120, a ceramic substrate 130, a second metal layer 140, and a semiconductor sequentially stacked. Chip 150 may be included.
베이스(110)는 금속 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 베이스(110)는 구리, 니켈이 도금된 구리, 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC), 또는 구리 몰리브덴 합금(Cu/Mo alloy) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 베이스(110)는 적어도 하나의 세라믹기판(130)을 실장할 수 있다. 이에 따라, 베이스(110)의 면적은 다른 층에 비하여 넓을 수 있다. 베이스(110)는 열 전도율이 높은 금속 재질을 포함하기 때문에 방열에 도움이 될 수 있다.The base 110 may include a metal material. For example, the base 110 may include at least one of copper, nickel plated copper, aluminum silicon carbide (AlSiC), or copper molybdenum alloy (Cu / Mo alloy). The base 110 may mount at least one ceramic substrate 130. Accordingly, the area of the base 110 may be wider than other layers. Since the base 110 includes a metal material having high thermal conductivity, it may be helpful for heat dissipation.
제 1 금속층(120)은 베이스(110)의 일 면 상에 위치할 수 있다. 제 1 금속층(120)은 하부솔더(132)를 통해 베이스(110)와 결합될 수 있다. 제 1 금속층(120)은 전기 전도성이 뛰어난 물질을 포함할 수 있다. 제 1 금속층(120)은 구리 또는 니켈이 도금된 구리를 포함할 수 있다. 제 1 금속층(120)은 상부에서 발생한 열을 베이스(110)로 전달할 수 있다.The first metal layer 120 may be located on one surface of the base 110. The first metal layer 120 may be coupled to the base 110 through the lower solder 132. The first metal layer 120 may include a material having excellent electrical conductivity. The first metal layer 120 may include copper or nickel plated copper. The first metal layer 120 may transfer heat generated from the upper portion to the base 110.
세라믹기판(130)은 제 1 금속층(120)의 일 면 상에 위치할 수 있다. 세라믹기판(130)은 반도체 칩(150)과 베이스(110)가 전기가 흐르지 않도록 절연 특성을 가질 수 있다. 또한, 세라믹기판(130)은 상부에서 발생한 열을 베이스(110)로 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹기판(130)은 LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic), HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic), 또는 알루미늄나이트라이드(AIN) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The ceramic substrate 130 may be located on one surface of the first metal layer 120. The ceramic substrate 130 may have an insulating property so that the semiconductor chip 150 and the base 110 do not flow electricity. In addition, the ceramic substrate 130 may include a material having high thermal conductivity in order to transfer heat generated from the upper portion to the base 110. For example, the ceramic substrate 130 may include at least one of low temperature co-fired ceramic (LTCC), high temperature co-fired ceramic (HTCC), and aluminum nitride (AIN).
제 2 금속층(140)은 세라믹 기판(130)의 일 면 상에 위치할 수 있다. 제 2 금속층(140)은 세라믹 기판(130)의 적어도 일부에 패턴을 가지고 위치할 수 있다. 제 2 금속층(140)은 전도성이 높고 방열이 잘 되는 물질을 포함할 수 있다. 제 2 금속층(140)은 제 1 금속층(140)과 동일 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 금속층(140)은 구리 또는 니켈이 도금된 구리를 포함할 수 있다.The second metal layer 140 may be located on one surface of the ceramic substrate 130. The second metal layer 140 may be positioned with a pattern on at least a portion of the ceramic substrate 130. The second metal layer 140 may include a material having high conductivity and good heat dissipation. The second metal layer 140 may include the same or similar material as the first metal layer 140. For example, the second metal layer 140 may include copper or copper plated with nickel.
제 2 금속층(140)의 일 면 상에 반도체 칩(150)이 위치할 수 있다. 반도체 칩(150)은 제 2 금속층(140)과 직접 결합하거나 와이어(117)를 통해 결합할 수 있다. 반도체 칩(150)은 제 2 금속층(140)과 직접 결합할 때, 상부솔더(134)를 통하여 결합할 수 있다.The semiconductor chip 150 may be located on one surface of the second metal layer 140. The semiconductor chip 150 may be directly coupled to the second metal layer 140 or may be coupled through the wire 117. When the semiconductor chip 150 is directly coupled to the second metal layer 140, the semiconductor chip 150 may be coupled through the upper solder 134.
반도체 칩(150)은 고전력 칩(152)과 저전력 칩(154)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고전력 칩(152)은 전력 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)일 수 있으며, 저전력 칩(154)은 제어 소자인 다이오드일 수 있다.The semiconductor chip 150 may include a high power chip 152 and a low power chip 154. For example, the high power chip 152 may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT) that is a power device, and the low power chip 154 may be a diode that is a control device.
프레임(160)은 베이스(110)의 측면을 둘러싸며 상측으로 돌출될 수 있다. 프레임(160)은 반도체 칩(150)을 보호하는 기능을 할 수 있다. 프레임(160)은 파워 반도체 패키지(100)의 내부와 외부를 연결하는 리드(170)가 내부에 위치하기 때문에, 절연성을 띄는 물질을 포함할 수 있다.The frame 160 may protrude upward from surrounding the side of the base 110. The frame 160 may function to protect the semiconductor chip 150. The frame 160 may include an insulating material because the lead 170 connecting the inside and the outside of the power semiconductor package 100 is located therein.
리드(170)는 프레임(160) 내부에 고정될 수 있다. 리드(170)는 양 단이 프레임(160) 외부로 돌출될 수 있다. 리드(170)의 일 단은 파워 반도체 패키지(100)의 내부로 돌출되며, 리드(170)의 타 단은 파워 반도체 패키지(100)의 외부로 돌출될 수 있다. 리드(170)는 제 2 금속층(140)을 외부와 전기적으로 연결해줄 수 있다. 이에 따라, 리드(170)는 전기 전도성이 큰 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 리드(170)는 금, 은, 구리, 또는 니켈 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The lid 170 may be fixed inside the frame 160. Both ends of the lid 170 may protrude to the outside of the frame 160. One end of the lead 170 may protrude into the power semiconductor package 100, and the other end of the lead 170 may protrude to the outside of the power semiconductor package 100. The lead 170 may electrically connect the second metal layer 140 to the outside. Accordingly, the lead 170 may include a material having high electrical conductivity. For example, the lead 170 may include at least one of gold, silver, copper, or nickel.
몰드(180)는 프레임(160)의 내부에 채워질 수 있다. 몰드(180)는 파워 반도체 패키지(100) 내부에 위치한 반도체 칩(150), 세라믹기판(130) 등을 고정시킬 수 있다. 또한, 몰드(170)는 파워 반도체 패키지(100) 내부에 위치한 반도체 칩(150), 세라믹기판(130) 등을 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다. 이에 따라, 몰드(180)는 반도체 칩(150)의 상부면까지 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰드(180)는 에폭시 몰드 컴파운드(EMC) 또는 실리콘 겔을 포함할 수 있다.The mold 180 may be filled in the frame 160. The mold 180 may fix the semiconductor chip 150, the ceramic substrate 130, and the like located in the power semiconductor package 100. In addition, the mold 170 may protect the semiconductor chip 150, the ceramic substrate 130, and the like located in the power semiconductor package 100 from an external shock. Accordingly, the mold 180 may be formed to the upper surface of the semiconductor chip 150. For example, the mold 180 may comprise an epoxy mold compound (EMC) or a silicone gel.
커버(190)는 파워 반도체 패키지(100)를 외부의 충격으로부터 보호하기 위하여 몰드(180)의 상측에 위치할 수 있다. 커버(190)는 리드(170)와 접할 수 있기 때문에, 절연성을 띈 물질을 포함할 수 있다.The cover 190 may be located above the mold 180 to protect the power semiconductor package 100 from an external impact. Since the cover 190 may contact the lid 170, the cover 190 may include an insulating material.
도 2 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 반도체 패키지의 절연 기판을 나타내는 도면들이다.2 to 13 are views illustrating an insulating substrate of a power semiconductor package according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 세라믹기판(130)의 일 면 상에 제 1 금속층(120)이 위치하며, 이와 대향하는 타 면 상에 제 2 금속층(140)이 형성될 수 있다. 상술한 것과 같이 제 2 금속층(140)은 패턴이 형성될 수 있다.As shown in FIG. 2, the first metal layer 120 is positioned on one surface of the ceramic substrate 130, and the second metal layer 140 may be formed on the other surface opposite thereto. As described above, the second metal layer 140 may have a pattern formed thereon.
세라믹기판(130)은 DBC(Direct Bonded Copper)법, DPC(Direct Plated Copper)법, 활성금속법(AMC, Active metal Brazed Copper), 또는 메탈라이징법 중 어느 하나를 이용하여 제 1,2 금속층(120, 140)을 증착할 수 있다.The ceramic substrate 130 may be formed using any one of a direct bonded copper (DBC) method, a direct plated copper (DPC) method, an active metal method (AMC, active metal brazed copper), or a metallizing method. 120, 140 may be deposited.
DBC법을 이용하는 경우, 세라믹기판(130) 상에 산화막(예를 들어 산화 알루미늄)을 형성한 후, 제 2 금속층(140)을 증착할 수 있다. 예를 들어, 증착된 제 2 금속층(140)의 두께는 약 300μm 일 수 있다. 그 후에, 제 2 금속층(140)을 소결시킬 수 있다. 예를 들어, 소결 온도는 약 1700도일 수 있다. 그 후에, 제 2 금속층(140)에 에칭 공정을 사용하여 패턴을 형성할 수 있다. In the case of using the DBC method, after forming an oxide film (for example, aluminum oxide) on the ceramic substrate 130, the second metal layer 140 may be deposited. For example, the thickness of the deposited second metal layer 140 may be about 300 μm. Thereafter, the second metal layer 140 may be sintered. For example, the sintering temperature may be about 1700 degrees. Thereafter, a pattern may be formed on the second metal layer 140 using an etching process.
이와 달리, 메탈라이징법을 이용하는 경우, 세라믹 기판(130) 상에 제 2 금속층(140)이 포함하는 물질(예를 들어, 글래스 바인더를 텅스텐, 몰리브덴, 구리 등을 혼합한 페이스트)을 얇게 패턴대로 프린팅할 수 있다. 그 후에, 프린팅 된 물질을 소결시킬 수 있다. 예를 들어, 소결 온도는 약 900도일 수 있다. 그 후에, 소결된 물질 상에 다시 제 2 금속층(140)이 포함하는 물질을 패턴대로 프린팅할 수 있다.On the other hand, in the case of using the metallizing method, a material (for example, a paste in which a glass binder is mixed with tungsten, molybdenum, copper, etc.) of the second metal layer 140 is thinly patterned on the ceramic substrate 130. You can print. Thereafter, the printed material can be sintered. For example, the sintering temperature may be about 900 degrees. Thereafter, the material included in the second metal layer 140 may be printed on the sintered material in a pattern.
메탈라이징법은 DBC법에 의해 소결 온도가 낮기 때문에 비용이 적게 들 수 있다. 또한, 에칭 공정이 따로 요구되지 않아 공정이 간단해질 수 있다.The metallizing method can be low in cost because the sintering temperature is low by DBC method. In addition, an etching process is not required separately and the process can be simplified.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 기존의 파워 반도체 패키지(100)는 제 1 금속층(120)의 두께(MLD1)와 제 2 금속층(140)의 두께(MLD2)가 동일 또는 유사할 수 있다. 이 경우, 제 2 금속층(140)의 패턴에 의해 제 1 금속층(120)과 제 2 금속층(140)의 체적이 서로 다를 수 있다.As shown in FIG. 3A, in the conventional power semiconductor package 100, the thickness MLD1 of the first metal layer 120 and the thickness MLD2 of the second metal layer 140 may be the same or similar. have. In this case, volumes of the first metal layer 120 and the second metal layer 140 may be different from each other by the pattern of the second metal layer 140.
이 경우, 제 1 금속층(120)과 제 2 금속층(140)의 열팽창률이 동일하여도 체적이 다르기 때문에, 온도 변화에 따라 세라믹기판(130)에 가해지는 응력이 다를 수 있다.In this case, even if the thermal expansion coefficients of the first metal layer 120 and the second metal layer 140 are the same, the volume may be different, and thus the stress applied to the ceramic substrate 130 may vary according to temperature change.
이러한 온도 변화는 상술한 것과 같이, 제 1,2 금속층(120, 140)의 소결 및 냉각 공정에 의해 급격하게 일어날 수 있다. 즉, 세라믹기판(130)에 상하로 불규칙한 응력이 가해질 수 있음을 의미한다.As described above, such a temperature change may occur rapidly by the sintering and cooling processes of the first and second metal layers 120 and 140. That is, it means that irregular stress may be applied to the ceramic substrate 130 up and down.
이에 따라, 제 1,2 금속층(120, 140)을 증착할 때 소결과 냉각 공정이 반복된다면, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 일 측으로 휘거나, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 세라믹기판(130)에 크랙이 형성될 수 있다는 문제점이 있다.Accordingly, if the sintering and cooling processes are repeated when the first and second metal layers 120 and 140 are deposited, as shown in FIG. 3 (b), bent to one side or shown in FIG. 3 (c). As described above, there is a problem that cracks may be formed in the ceramic substrate 130.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 파워 반도체 패키지(100)는 제 1 금속층(120)의 두께(MLD1)와 제 2 금속층(140)의 두께(MLD2)가 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(120)의 두께(MLD1)는 제 2 금속층(140)의 두께(MLD2)보다 얇을 수 있다.As shown in FIG. 4, in the power semiconductor package 100 according to an exemplary embodiment, the thickness MLD1 of the first metal layer 120 may be different from the thickness MLD2 of the second metal layer 140. . For example, the thickness MLD1 of the first metal layer 120 may be thinner than the thickness MLD2 of the second metal layer 140.
이 경우, 제 1 금속층(120)과 제 2 금속층(140)의 체적은 동일 또는 유사할 수 있다. 이에 따라, 세라믹기판(130)은 양 쪽에서 온도변화로 인하여 받는 열응력이 동일 또는 유사할 수 있다. 즉, 열응력이 서로 상쇄되어 세라믹기판(130)이 휘거나 파손되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(120)의 체적은 제 2 금속층(140)의 체적의 85% 이상 105% 이하일 수 있다.In this case, the volume of the first metal layer 120 and the second metal layer 140 may be the same or similar. Accordingly, the ceramic substrate 130 may have the same or similar thermal stress due to temperature change at both sides. That is, the thermal stresses are canceled with each other to prevent the ceramic substrate 130 from bending or breaking. For example, the volume of the first metal layer 120 may be 85% or more and 105% or less of the volume of the second metal layer 140.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 반도체 패키지(100)는 제 1 금속층(120)도 제 2 금속층(140)과 같이 패턴이 형성될 수 있다. 이 경우, 제 1 금속층(120)의 두께(MLD1)와 제 2 금속층(140)의 두께(MLD2)는 동일 또는 유사할 수 있다.As shown in FIG. 5, in the power semiconductor package 100 according to another exemplary embodiment, a pattern may be formed on the first metal layer 120 like the second metal layer 140. In this case, the thickness MLD1 of the first metal layer 120 and the thickness MLD2 of the second metal layer 140 may be the same or similar.
제 1 금속층(120)과 제 2 금속층(140)의 두께가 유사하더라도, 제 1 금속층(120) 상에 패턴이 형성되어 있어 제 1 금속층(120)과 제 2 금속층(140)은 체적이 동일 또는 유사할 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(120)의 체적은 제 2 금속층(140)의 체적의 85% 이상 105% 이하일 수 있다. 이에 따라, 세라믹기판(130)이 양 쪽에서 받는 열응력은 동일 또는 유사할 수 있다. 즉, 열응력이 서로 상쇄되어 세라믹기판(130)이 휘거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.Although the thicknesses of the first metal layer 120 and the second metal layer 140 are similar, a pattern is formed on the first metal layer 120 so that the first metal layer 120 and the second metal layer 140 have the same volume. May be similar. For example, the volume of the first metal layer 120 may be 85% or more and 105% or less of the volume of the second metal layer 140. Accordingly, the thermal stress that the ceramic substrate 130 receives from both sides may be the same or similar. That is, the thermal stresses are canceled with each other to prevent the ceramic substrate 130 from bending or breaking.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파워 반도체 패키지(100)는 제 1 금속층(120)이 제 2 금속층(140)과 서로 다른 패턴이 형성될 수 있다. 이 경우, 제 1 금속층(120)의 두께(MLD1)와 제 2 금속층(140)의 두께(MLD2)는 동일 또는 유사할 수 있다. 다만, 이에 한정하지 아니하며 제 1 금속층(120)에 형성된 패턴에 따라 제 1 금속층(120)의 두께(MLD1)와 제 2 금속층(140)의 두께(MLD2)는 상이할 수도 있다.As shown in FIG. 6, in the power semiconductor package 100 according to another exemplary embodiment, a pattern in which the first metal layer 120 is different from the second metal layer 140 may be formed. In this case, the thickness MLD1 of the first metal layer 120 and the thickness MLD2 of the second metal layer 140 may be the same or similar. However, the present invention is not limited thereto, and the thickness MLD1 of the first metal layer 120 and the thickness MLD2 of the second metal layer 140 may be different according to the pattern formed on the first metal layer 120.
제 1 금속층(120)의 패턴이 제 2 금속층(140)의 패턴과 서로 다르더라도, 제 1 금속층(120)은 패턴의 형성으로 인해 제 2 금속층(140)과 체적이 동일 또는 유사할 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(120)의 체적은 제 2 금속층(140)의 체적의 85% 이상 105% 이하일 수 있다. 이에 따라, 세라믹기판(130)이 양쪽에서 받는 열응력은 동일 또는 유사할 수 있다. 즉, 열응력이 서로 상쇄되어 세라믹기판(130)이 휘거나 파손되는 것을 방지할 수 있다. Although the pattern of the first metal layer 120 is different from the pattern of the second metal layer 140, the first metal layer 120 may have the same volume or the same volume as the second metal layer 140 due to the formation of the pattern. For example, the volume of the first metal layer 120 may be 85% or more and 105% or less of the volume of the second metal layer 140. Accordingly, the thermal stress that the ceramic substrate 130 receives from both sides may be the same or similar. That is, the thermal stresses are canceled with each other to prevent the ceramic substrate 130 from bending or breaking.
도 7에 도시된 바와 같이, 세라믹기판(130) 상에 제 1,2 금속층(120, 140)을 증착한 후, 제 2 금속층(140) 상에 반도체 칩(150)과 와이어(117)를 증착할 수 있다.As shown in FIG. 7, after depositing the first and second metal layers 120 and 140 on the ceramic substrate 130, the semiconductor chip 150 and the wire 117 are deposited on the second metal layer 140. can do.
반도체칩(150)은 상부솔더(134)를 통해 반도체 칩(150)과 제 2 금속층(140)을 부착할 수 있다. 반도체칩(150)은 제 2 금속층(140)과 와이어(117)를 통해서 전기적으로 연결될 수도 있다.The semiconductor chip 150 may attach the semiconductor chip 150 and the second metal layer 140 through the upper solder 134. The semiconductor chip 150 may be electrically connected to the second metal layer 140 through the wire 117.
도 8에 도시된 바와 같이, 기존 발명에 따른 파워 반도체 패키지(100)는 제 2 금속층(140)과 반도체칩(150) 사이에 버퍼층(146)이 위치할 수 있다. 제 2 금속층(140)과 반도체칩(150)은 서로 열팽창계수의 차이가 크기 때문에 소결 및 냉각 공정을 반복하면 열응력에 의해 크랙이 형성되거나 휘게될 수 있다. 이에 따라, 열팽창계수가 제 2 금속층(140)보다 높으며 반도체칩(150)보다 낮은 버퍼층(146)이 두 층 사이에 위치하여 열응력을 방지할 수 있다.As shown in FIG. 8, in the power semiconductor package 100 according to the existing invention, a buffer layer 146 may be located between the second metal layer 140 and the semiconductor chip 150. Since the second metal layer 140 and the semiconductor chip 150 have a large difference in coefficient of thermal expansion, cracks may be formed or bent by thermal stress if the sintering and cooling processes are repeated. Accordingly, a thermal expansion coefficient higher than the second metal layer 140 and lower than the semiconductor chip 150 may be disposed between the two layers to prevent thermal stress.
그러나, 버퍼층(146)이 위치할 경우, 버퍼층(146)을 제 2 금속층(140) 상에 부착하기 위하여 제 1 상부솔더(134a)가 필요하며 반도체칩(150)을 버퍼층 상에 부착하기 위하여 제 2 상부솔더(134b)가 필요할 수 있다. 즉, 파워 반도체 패키지를 제조하기 위해 솔더링 공정이 더 추가될 수 있음을 의미한다. 이에 따라, 파워 반도체 패키지의 제조 공정이 복잡해지며 비용이 상승할 수 있다는 문제점이 있다.However, when the buffer layer 146 is located, the first upper solder 134a is required to attach the buffer layer 146 on the second metal layer 140, and the semiconductor chip 150 may be attached to the buffer layer. 2 upper solder 134b may be required. In other words, a soldering process may be further added to manufacture the power semiconductor package. Accordingly, there is a problem that the manufacturing process of the power semiconductor package can be complicated and the cost can be increased.
또한, 제 2 상부솔더(134b) 및 버퍼층(146)이 위치할 경우 전류 및 열전달 경로가 길어지기 때문에 파워 반도체 패키지의 전기적, 열적 성능이 악화될 수 있다는 문제점이 있다.In addition, when the second upper solder 134b and the buffer layer 146 are positioned, there is a problem that electrical and thermal performance of the power semiconductor package may be deteriorated because current and heat transfer paths become longer.
이와 달리, 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 파워 반도체 패키지(100)는 제 2 금속층(140)이 복수의 인쇄 금속층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 금속층(140)은 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a, 140f)을 포함할 수 있다. 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a-140f)은 세라믹 기판(130) 상에 순차적으로 적층될 수 있다. 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a-140f)은 서로 열팽창계수가 다를 수 있다.In contrast, as shown in FIG. 9, in the power semiconductor package 100 according to the present invention, the second metal layer 140 may include a plurality of printed metal layers. For example, the second metal layer 140 may include first to sixth printed metal layers 140a and 140f. The first to sixth printed metal layers 140a to 140f may be sequentially stacked on the ceramic substrate 130. The first to sixth printed metal layers 140a to 140f may have different thermal expansion coefficients.
예를 들어, 제 1 인쇄금속층(140a)에서 제 6 인쇄금속층(140f)으로 갈수록, 인쇄된 금속층은 구리 내부에 글래스 프릿트의 함량이 커질 수 있다. 즉, 상부에 위치한 인쇄금속층이 하부에 위치한 인쇄금속층보다 글래스 프릿트의 함량이 클 수 있음을 의미한다. 글래스 프릿트는 구리가 세라믹기판(130)에 쉽게 부착되도록 도울 수 있다.For example, as the printed metal layer moves from the first printed metal layer 140a to the sixth printed metal layer 140f, the content of the glass frit may increase in the copper. That is, the upper portion of the printed metal layer means that the content of the glass frit may be greater than the printed metal layer located below. The glass frit may help copper to adhere easily to the ceramic substrate 130.
글래스 프릿트는 열팽창계수가 구리보다 작기 때문에 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a-140f) 내에서 글래스 프릿트의 함량이 클수록 열팽창계수가 작아질 수 있다. 이에 따라, 열팽창계수가 제 1 인쇄금속층(140a)에서 제 6 인쇄금속층(140f)으로 갈수록 작아질 수 있다. 즉, 상부로 향할수록 제 2 금속층(140)의 열팽창계수가 작아질 수 있음을 의미한다.Since the glass frit has a smaller thermal expansion coefficient than copper, the larger the glass frit content in the first to sixth printed metal layers 140a to 140f, the smaller the thermal expansion coefficient. Accordingly, the coefficient of thermal expansion may become smaller from the first printed metal layer 140a to the sixth printed metal layer 140f. That is, it means that the thermal expansion coefficient of the second metal layer 140 may be smaller toward the top.
이에 따라, 반도체칩(150)과 인접한 제 6 인쇄금속층(140f)은 열팽창계수의 차이가 적어 열응력에 의하여 칩이 휘거나 파손되는 것을 방지할 수 있따.Accordingly, the sixth printed metal layer 140f adjacent to the semiconductor chip 150 has a small difference in thermal expansion coefficient, thereby preventing the chip from bending or breaking due to thermal stress.
본 도면에서는 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a-140f)만을 도시하였지만 이에 한정하지 아니하며, 제조 공정에 따라서 다양한 층을 가질 수 있다.In the drawings, only the first to sixth printed metal layers 140a to 140f are illustrated, but the present invention is not limited thereto and may have various layers according to a manufacturing process.
세라믹기판(130) 상에 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a-140f)을 인쇄하기 위하여 TPC 공정을 사용할 수 있다. 우선, 세라믹기판(130) 상에 구리 함량이 높은 제 1 인쇄금속층(140a)을 인쇄한 후 소결시킬 수 있다. 그 후에 글래스 성분의 함량이 높아지는 각 층을 순차적으로 인쇄한 후 건조 시킬 수 있다. 그 후에, 순차적으로 제 6 인쇄금속층(140f)까지 인쇄하여 소결시킬 수 있다.A TPC process may be used to print the first to sixth printed metal layers 140a to 140f on the ceramic substrate 130. First, the first printed metal layer 140a having a high copper content may be printed on the ceramic substrate 130 and then sintered. Thereafter, each layer having a higher content of the glass component may be sequentially printed and then dried. Thereafter, up to the sixth printed metal layer 140f may be printed and sintered.
도 2에서 상술한 것과 같이, TPC 공정은 소결 온도가 낮기 때문에 비용이 적게 들 수 있고 에칭공정이 따로 요구되지 않아 공정이 간단해질 수 있다. 또한, 제 2 금속층(140)이 제 1 내지 6 인쇄금속층(140a-140f)을 포함하기 때문에, 버퍼층(146)이 필요하지 않아 공정이 간단해지며 비용이 절약될 수 있다. 또한, 버퍼층(146)이 위치하지 않기 때문에 전류 경로 및 열전달 경로가 짧아져 파워 반도체 패키지의 전기적 열적 성능이 개선될 수 있다. As described above in FIG. 2, the TPC process may be low in cost because of a low sintering temperature and the process may be simplified since no etching process is required. In addition, since the second metal layer 140 includes the first to sixth printed metal layers 140a to 140f, the buffer layer 146 is not necessary, thereby simplifying the process and reducing the cost. In addition, since the buffer layer 146 is not located, the current path and the heat transfer path may be shortened, thereby improving electrical and thermal performance of the power semiconductor package.
도 10에 도시된 바와 같이, 반도체칩(150)을 제 2 금속층(140) 상에 부착한 후, 제 1 금속층(120)을 베이스(110) 상에 부착할 수 있다. 제 1 금속층(120)은 하부솔더(132)를 통해 베이스(110)와 부착될 수 있다. 제 1 금속층(120)과 베이스(110)의 결합 공정은 제 2 금속층(140)과 반도체칩(150)의 결합공정과 동일 또는 유사할 수 있다.As illustrated in FIG. 10, the semiconductor chip 150 may be attached onto the second metal layer 140, and then the first metal layer 120 may be attached onto the base 110. The first metal layer 120 may be attached to the base 110 through the lower solder 132. The bonding process of the first metal layer 120 and the base 110 may be the same as or similar to the bonding process of the second metal layer 140 and the semiconductor chip 150.
그 후에, 도 11에 도시된 바와 같이, 베이스(110)의 측면에 리드(170)가 포함된 프레임(160)을 결합할 수 있다. 예를 들어, 프레임(160)과 베이스(110)는 스크류를 통해 결합할 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 11, the frame 160 including the lid 170 may be coupled to the side of the base 110. For example, the frame 160 and the base 110 may be coupled through a screw.
리드(170)는 제 2 금속층(140)을 와이어(117)를 통해 외부와 연결시킬 수 있다.The lead 170 may connect the second metal layer 140 to the outside through the wire 117.
그 후에, 도 12에 도시한 바와 같이, 몰드(180)를 프레임(160) 내에 채울 수 있다. 몰드(180)는 상술한 바와 같이, 반도체 칩(150) 및 세라믹기판(130)을 보호하기 위하여 반도체칩(150)의 상부면까지 채워질 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 12, the mold 180 may be filled in the frame 160. As described above, the mold 180 may be filled up to an upper surface of the semiconductor chip 150 to protect the semiconductor chip 150 and the ceramic substrate 130.
마지막으로, 도 13에 도시한 바와 같이, 몰드(180)의 상부에 커버(190)를 덮어 파워 반도체 패키지(100)를 완성할 수 있다. 커버(190)는 프레임(160)과 결합될 수 있다.Finally, as shown in FIG. 13, the power semiconductor package 100 may be completed by covering the cover 190 on the mold 180. The cover 190 may be combined with the frame 160.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above detailed description should not be construed as limiting in all respects but should be considered as illustrative. The scope of the invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention.

Claims (7)

  1. 제 1 금속층;A first metal layer;
    상기 제 1 금속층 상에 위치한 세라믹기판; 및A ceramic substrate on the first metal layer; And
    상기 세라믹기판 상에 위치한 적어도 하나의 패턴이 형성된 제 2 금속층을 포함하며,A second metal layer having at least one pattern formed on the ceramic substrate;
    상기 제 1 금속층의 체적은 상기 제 2 금속층의 체적의 85% 이상 105% 이하인 절연기판.An insulating substrate having a volume of the first metal layer is 85% or more and 105% or less of the volume of the second metal layer.
  2. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 금속층은,The first metal layer,
    상기 제 2 금속층과 동일한 패턴이 형성된 절연기판.An insulating substrate having the same pattern as the second metal layer.
  3. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 금속층은,The first metal layer,
    상기 제 2 금속층과 다른 패턴이 형성된 절연기판.An insulating substrate having a pattern different from that of the second metal layer.
  4. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 금속층은,The first metal layer,
    상기 제 2 금속층과 두께가 동일한 파워 절연기판.A power insulating substrate having the same thickness as the second metal layer.
  5. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 금속층의 두께는,The thickness of the first metal layer,
    상기 제 2 금속층의 두께보다 얇은 절연기판.An insulating substrate thinner than the thickness of the second metal layer.
  6. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1,2 금속층은,The first and second metal layers,
    구리 또는 니켈이 도금된 구리를 포함하는 절연기판.An insulating substrate comprising copper or nickel plated copper.
  7. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 세라믹기판은,The ceramic substrate,
    LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic), HTCC(High Temperature Co-Fired Ceramic), 및 알루미늄나이트라이드(AIN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연기판.An insulating substrate comprising at least one of Low Temperature Co-Fired Ceramic (LTCC), High Temperature Co-Fired Ceramic (HTCC), and Aluminum Nitride (AIN).
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