WO2021002652A1 - 반도체 소자 패키지 어셈블리 및 이를 포함하는 전자기기 - Google Patents

반도체 소자 패키지 어셈블리 및 이를 포함하는 전자기기 Download PDF

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황승재
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Abstract

반도체 소자 패키지 어셈블리 및 이를 포함하는 전자기기가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리는 회로기판; 상기 회로기판에 실장되며, 레이저를 발신하는 발광소자; 및 상기 회로기판에 실장되며, 상기 발광소자를 제어하는 구동소자;를 포함하며, 상기 회로기판은, 상기 발광소자 및 구동소자가 각각 실장되는 제1기판층; 및 상기 제1기판층의 일면에 적층되고, 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지는 재질로 이루어진 제2기판층;을 포함한다.

Description

반도체 소자 패키지 어셈블리 및 이를 포함하는 전자기기
본 발명은 반도체 소자 패키지 어셈블리 및 이를 포함하는 전자기기에 관한 것이다.
전자기기에서 일반적으로 사용되는 반도체 소자 패키지는 여러 가지 반도체 소자 및 부품들이 패턴이 형성된 인쇄회로기판에 실장된다.
최근에는 핸드폰이나 노트북 등과 같은 모바일기기의 사용이 확대되고 있다. 이러한 모바일 기기는 휴대성이 강조되므로 그에 탑재되는 각종 부품들 역시 소형화가 요구되고 있다
이러한 부품들의 소형화에 대한 요구는 반도체 소자 패키지도 예외가 아니다. 즉, 반도체 소자 패키지 역시 더 작은 크기에서도 여러 가지 부품들을 실장하여 전체 크기를 줄이려는 노력이 시도되고 있다.
그 일환으로, 반도체 부품 자체의 크기를 소형화 하거나 인쇄회로기판의 양면에 소자 및 부품을 각각 실장하거나 인쇄회로기판에 실장되는 반도체 부품간의 간격을 최소화하려는 시도가 계속되고 있다.
이에 따라, 인쇄회로기판에 실장되는 반도체 부품들은 직접도가 올라가기 때문에, 반도체 소자에서 발생되는 발열량 역시 커지고 있다.
이와 같은 경우, 열에 민감한 부품이 많은 열을 발생하는 다른 반도체 소자 근처에 실장되면 열에 민감한 부품은 열을 발생하는 다른 반도체 소자로부터 전달되는 열에 의해 특성저하와 같은 문제가 발생될 수 있다.
이에 따라, 열에 민감한 부품들은 열을 발생하는 소자 근처에 배치하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 열에 민감한 부품들을 포함하는 반도체 소자 패키지는 열에 민감한 부품으로 인해 소형화가 어려운 문제가 있다.
한편, 전자기기의 부품들 중 레이저 발광소자는 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
일례로, 최근 개발된 레이저 발광소자인 수직캐비티표면광방출레이저(VCSEL: Vertical Surface Emitting Laser, 이하 VCSEL이라 칭함)는 대상물과의 거리 측정, 이미지 감지, 3D화상제작 등에 이용되고 있다.
이러한 VCSEL은 휴대폰 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 차량의 라이다(LiDAR)나 드론, 로봇 등에도 그 적용이 시도되고 있다.
또한, 상기 모바일 기기뿐만 아니라 차량의 라이다, 드론, 로봇 등에서도 탑재되는 부품의 소형화 요구는 지속적으로 제기되고 있다.
그러나 VCSEL 소자는 열에 민감하기 때문에 발열량이 큰 구동소자 등은 VCSEL 소자 주변에 위치시키기 곤란한 문제가 있다. 이는, 반도체 소자 패키지의 소형화 및 제품의 신뢰성에 방해요인으로 작용하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 회로기판에 실장된 소자에서 발생되는 열이 인근의 부품 또는 소자로 전달되는 것을 차단할 수 있도록 이종재료를 통해 회로기판을 구성함으로써 전체사이즈를 소형화시키면서 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자 패키지 어셈블리 및 이를 포함하는 전자기기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 회로기판; 상기 회로기판에 실장되며, 레이저를 발신하는 발광소자; 및 상기 회로기판에 실장되며, 상기 발광소자를 제어하는 구동소자;를 포함하며, 상기 회로기판은, 상기 발광소자 및 구동소자가 각각 실장되는 제1기판층; 및 상기 제1기판층의 일면에 적층되고, 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지는 재질로 이루어진 제2기판층;을 포함하는 반도체 소자 패키지 어셈블리를 제공한다.
일례로, 상기 제1기판층은 LTCC로 형성될 수 있고, 상기 제2기판층은 AIN, FR4 및 HTCC 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2기판층은 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 제2기판층은 상기 제1기판층의 일면에 솔더링을 통해 접합될 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자 패키지 어셈블리는, 상기 구동소자에서 발생된 열이 상기 발광소자 측으로 전달되는 것을 차단하기 위한 적어도 하나의 열차단부재;를 더 포함할 수 있다.
일례로, 상기 열차단부재는 상기 발광소자와 구동소자 사이에 위치하도록 상기 제1기판층의 일면으로부터 일정높이 돌출형성되는 제1열차단부재를 포함할 수 있다.
다른 예로써, 상기 열차단부재는 상기 발광소자와 구동소자 사이에 위치하면서 상기 제1기판층의 두께 방향을 따라 배치되도록 상기 제1기판층에 매립되는 제2열차단부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 열차단부재는 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지는 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자 패키지 어셈블리는, 상기 발광소자에서 발생된 열을 상기 제2기판층으로 전달할 수 있도록 상기 제1기판층의 두께 방향을 따라 상기 제1기판층에 매립되는 제1열방출부재를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 제1열방출부재는 상부단이 상기 발광소자와 접촉될 수 있고 하부단이 상기 제2기판층과 접촉될 수 있다.
또한, 상기 반도체 소자 패키지 어셈블리는, 상기 제1기판층의 열을 상기 제2기판층으로 전달할 수 있도록 상기 제1기판층의 두께방향을 따라 상기 제2기판층에 매립되는 제2열방출부재를 포함할 수 있고, 상기 제2열방출부재는 상기 구동소자 및 발광소자의 직하부에 배치되지 않을 수 있다.
또한, 상기 발광소자는 수직캐비티표면광방출레이져(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)일 수 있다.
한편, 상술한 반도체 소자 패키지 어셈블리는 전자기기에 적용될 수 있다.
회로기판의 재질로 사용되는 LTCC는 제조단가가 비교적 고가이며, 열에 의한 휨 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 회로기판은 서로 다른 열전도도를 가지는 이종의 재질로 접합하여 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 회로기판을 LTCC로 형성되는 부분과 LTCC와 다른 재질로 형성된 부분을 접합하여 구성하기 때문에 제조단가를 줄이면서도 강도를 보완하고 열을 효과적으로 배출할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 반도체 소자 패키지를 더욱 소형화시킬 수 있으며 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 구동소자와 열에 민감한 발광소자 사이에 열차단부재를 배치하여 구동소자에서 발생된 열이 열에 민감한 발광소자로 전달되는 것을 차단할 수 있기 때문에 열에 민감한 발광소자의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 구동소자에서 발생된 열이 열에 민감한 발광소자로 전달되는 것을 차단하여 구동소자와 열에 민감한 발광소자의 배치간격을 좁힐 수 있기 때문에 신뢰성을 향상시키면서도 반도체 소자 패키지의 크기를 줄일 수 있다.
더욱이, 본 발명에 의하면 열방출부재를 통해 발광소자에서 발생하는 열을 회로기판 중 상대적으로 열전도도가 높은 부분으로 직접 전달할 수 있기 때문에 열에 민감한 발광소자의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 어셈블리에서 하우징 및 확산부재가 분리된 상태를 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 반도체 소자 어셈블리가 윈도우의 하부에 배치된 상태를 나타낸 도면으로서 도 1의 A-A 방향에서 바라본 결합단면도,
도 3은 도 2에서 제1열차단부재를 확대한 도면, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 어셈블리에서 하우징 및 확산부재가 분리된 상태를 나타낸 도면,
도 5는 도 4의 반도체 소자 어셈블리가 윈도우의 하부에 배치된 상태를 나타낸 도면으로서 도 4의 B-B 방향에서 바라본 결합단면도,
도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자 어셈블리의 회로기판에서 제2열방출부재가 구비된 형태를 나타낸 도면,
도 7은 도 6의 C-C 방향단면도,
도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자 어셈블리에 적용될 수 있는 확산부재를 나타낸 저면도, 그리고,
도 9는 본 발명에 따른 반도체 소자 어셈블리에서 확산부재와 하우징이 결합된 상태를 나타낸 부분단면도이다.
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 부가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 회로기판(110), 발광소자(120), 구동소자(130)를 포함할 수 있다.
상기 회로기판(110)은 여러 가지 반도체 소자 및 부품들을 실장할 수 있다. 이와 같은 회로기판(110)은 내부 또는 표면에 형성된 회로패턴을 포함할 수 있다.
이때, 상기 회로기판(110)은 제1기판층(112) 및 제2기판층(114)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1기판층(112)은 표면에 상기 구동소자(130) 및 발광소자(120)가 실장되는 기판층일 수 있으며, 상기 구동소자(130) 및 발광소자(120)를 실장하기 위한 회로패턴을 포함할 수 있다.
이와 같은 제1기판층(112)은 세라믹재질로 형성될 수 있다. 일례로, 상기 제1기판층(112)은 LTCC재질로 이루어질 수 있다.
그러나, 상기 제1기판층(112)의 재질을 이에 한정하는 것은 아니며, AIN, FR4, HTCC 등의 재질로 이루어질 수도 있다.
상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)의 일면에 배치될 수 있다.
즉, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)의 하면에 배치될 수 있으며, 상기 제1기판층(112)의 하면은 상기 구동소자(130) 및 발광소자(120)가 실장되는 면의 반대면일 수 있다.
이와 같은 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)과 마찬가지로 세라믹재질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 열전도도가 더 높은 재질로 형성될 수 있다.
일례로, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)이 LTCC재질로 형성되는 경우 상기 LTCC보다 상대적으로 높은 열전도도를 가지면서도 내열성, 내식성, 전기절연성 등이 좋은 질화알루미늄(AlN) 재질로 형성될 수 있다.
그러나, 상기 제1기판층(112) 및 제2기판층(114)의 재질을 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 제1기판층(112) 및 제2기판층(114) 각각은 FR4, AlN, LTCC 및 HTCC 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 높은 열전도도를 가지는 재질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
더불어, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)의 재질보다 상대적으로 가격이 저렴하고, 강도가 우수하며 열전도도가 높은 재질로 형성될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 회로기판 전체를 제1기판층(112)으로만 구성할 때와 비교할 때 제조단가를 낮출 수 있으며, 외력이나 열에 의한 휨 문제를 개선할 수 있다.
이와 같은 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)의 하면에 솔더링을 통해 접합될 수 있다.
이를 통해, 상기 제1기판층(112) 및 제2기판층(114)이 적층된 회로기판(110)에서 상기 구동소자(130) 및 발광소자(120)가 실장되는 제1기판층(112)이 상기 제2기판층(114)보다 상대적으로 열전도도가 낮은 재질로 형성되기 때문에 상기 구동소자(130) 및 발광소자(120)에서 열이 방출되더라도 상기 구동소자(130) 및 발광소자(120)에서 방출된 열이 상기 제1기판층(112)을 통해 구동소자(130) 및 발광소자(120)의 주변에 실장된 다른 부품으로 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
더불어, 상기 회로기판(110)에서 상기 제1기판층(112)의 하면에 접합된 제2기판층(114)이 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 높은 열전도도를 가지기 때문에 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)으로부터 열을 빠르게 전달받아 분산시킬 수 있고, 상기 제1기판층(112)으로부터 전달된 열을 빠르게 방출시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상술한 회로기판(110)을 통해 우수한 방열성능을 구현할 수 있다.
이때, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 두꺼운 두께를 갖도록 형성된 후 솔더링을 통해 상기 제1기판층(112)의 하면에 접합될 수 있다.
이를 통해, 상기 제2기판층(114)은 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지면서도 보다 큰 열용량을 구현할 수 있으며, 상기 회로기판(110)의 강도를 보완할 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 제2기판층(114)을 통해 보다 높은 열용량을 가질 수 있어 방열성능을 높이면서도 외력이나 열에 의한 휨 문제를 더욱 개선할 수 있다.
상기 발광소자(120)는 상술한 바와 같이 상기 회로기판(110) 중 상기 제1기판층(112)의 일면에 실장될 수 있다. 이와 같은 발광소자(120)는 레이저를 발신할 수 있다.
일례로, 상기 발광소자(120)는 VCSEL일 수 있으나, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 공지의 레이저 발광소자라면 제한없이 적용될 수 있다.
상기 구동소자(130)는 상기 발광소자(120)의 구동을 제어할 수 있다. 이와 같은 구동소자(130)는 상기 발광소자(120)와 마찬가지로 상기 회로기판(110) 중 상기 제1기판층(112)의 일면에 실장될 수 있다.
이때, 상기 구동소자(130)는 상기 발광소자(120)와 가까운 위치에 위치하도록 상기 제1기판층(112)에 실장될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 발광소자(120)와 구동소자(130)를 서로 가까운 위치에 배치함으로써 전체적인 사이즈를 줄일 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)가 거리 인식용 삼차원 센서 모듈 등에 적용되는 경우 상기 구동소자(130)와 발광소자(120) 간의 거리를 최소화할 수 있기 때문에 상기 발광소자(120)가 VCSEL로 구비되더라도 상기 VCSEL는 빠른 응답속도를 가질 수 있다. 이로 인해, 상기 VCSEL의 정밀성이 향상될 수 있다.
한편, 일반적으로 VCSEL은 열에 민감한 부품으로, 온도변화에 따라 특성이 변화될 수 있으며, VCSEL에서 열에 의한 특성 변화는 측정 정밀도에 악영향을 줄 수 있다.
반면, 구동소자(130)는 고집적소자이므로 작동 중에 많은 열을 방출할 수 있다.
이에 따라, 많은 열을 방출하는 구동소자(130)를 열에 민감한 발광소자(120)에 근접하도록 배치하면, 상기 구동소자(130)에서 방출되는 열은 발광소자(120) 측으로 전달될 수 있으며, 열에 민감한 발광소자(120)는 상기 구동소자(130)로부터 전달되는 열에 의해 특성이 변화되어 측정의 정확성 및 응답성 등이 저하될 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 구동소자(130)에서 방출되는 열이 상기 발광소자(120)에 전해지는 것을 차단할 수 있도록 적어도 하나의 열차단부재(152,154)를 포함할 수 있다.
일례로, 상기 열차단부재(152,154)는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1열차단부재(152) 및 제2열차단부재(154) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1열차단부재(152)는 상기 발광소자(120)와 구동소자(130) 사이에 위치하도록 형성될 수 있으며, 상기 제1열차단부재(152)는 상기 제1기판층(112)의 일면으로부터 일정높이 돌출형성될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 제1열차단부재(152)는 상기 제1기판층(112)의 일면에 실장되는 구동소자(130)의 폭과 동일하거나 상기 구동소자(130)의 폭보다 더 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1열차단부재(152)를 기준으로 상기 발광소자(120)와 구동소자(130)는 상기 제1열차단부재(152)의 양측에 각각 배치될 수 있다.
이를 통해, 상기 제1열차단부재(152)는 상기 구동소자(130)에서 발생한 열이 복사를 통해 상기 발광소자(120) 측으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
이로 인해, 열에 민감한 발광소자(120)가 상대적으로 고온인 열을 방출하는 구동소자(130)와 근접한 위치에 배치되더라도 상기 제1열차단부재(152)를 통해 상기 구동소자(130)에서 발생된 열이 상기 발광소자(120) 측으로 전달되는 것이 차단될 수 있기 때문에 상기 발광소자(120)는 열에 의하여 특성이 변화되는 것이 방지될 수 있다.
이때, 상기 제1열차단부재(152)는 상기 제1기판층(112)과 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 상기 제1기판층(112)과 일체로 형성될 수 있다.
그러나, 상기 제1열차단부재(152)의 형성방식을 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 제1열차단부재(152)는 상기 제1기판층(112)과 다른 재질로 형성될 수도 있으며, 별도의 부재로 구비되어 상기 제1기판층(112)의 일면에 고정될 수도 있다.
이때, 상기 제1열차단부재(152)는 도 3에 도시된 바와 같이 표면에 형성되는 열반사층(158)을 포함할 수 있다.
이와 같은 열반사층(158)은 상기 제1열차단부재(152)의 전체표면 중 상기 구동소자(130)와 대면하는 일면에 형성될 수 있다.
이를 통해, 상기 열반사층(158)은 상기 구동소자(130)에서 발생된 열을 반사시킬 수 있으며, 상기 제1열차단부재(152)와 마찬가지로 상기 구동소자(130)에서 발생된 열이 상기 발광소자(120) 측으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
비제한적인 일례로써, 상기 열반사층(158)은 금, 은, 알루미늄과 같은 금속이 증착된 증착층일 수도 있고, 열반사물질이 포함된 코팅물질이 도포된 코팅층일 수도 있다.
이와 같은 열반사층(158)은 열을 흡수하지 않으면서 높은 열반사율을 가지는 재질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 열반사층(158)은 상기 제1열차단부재(152)에서 외부로 노출되는 노출면 전체에 형성될 수도 있다.
한편, 상기 제2열차단부재(154)는 상기 구동소자(130)에서 발생된 열이 회로기판(110)을 통해 전도방식으로 상기 발광소자(120) 측으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
이를 위해, 상기 제2열차단부재(154)는 상기 발광소자(120)와 상기 구동소자(130)가 실장되는 제1기판층(112)의 내부에 매립될 수 있다.
이와 같은 제2열차단부재(154)는 상기 제1기판층(112)의 내부에서 상기 발광소자(120)와 구동소자(130) 사이에 위치하도록 상기 제1기판층(112)에 매립될 수 있다.
비제한적인 일례로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)가 상기 제1열차단부재(152) 및 제2열차단부재(154)를 모두 포함하는 경우, 상기 제2열차단부재(154)는 상기 제1열차단부재(152)의 직하부에 위치하도록 상기 제1기판층(112)의 내부에 매립될 수 있다.
구체적으로, 상기 제2열차단부재(154)는 소정의 폭과 길이를 갖는 판상의 부재일 수 있으며, 상기 제1기판층(112)의 두께 방향을 따라 배치되도록 상기 제1기판층(112)의 내부에 매립될 수 있다.
이에 따라, 상기 구동소자(130)에서 발생된 열이 상기 구동소자(130)가 실장된 부분을 통해 제1기판층(112)으로 전달되는 경우, 상기 제2열차단부재(154)는 상기 구동소자(130)가 실장된 부분을 통해 제1기판층(112)으로 전도된 열이 제1기판층(112)을 따라 분산되더라도 상기 발광소자(120)가 실장된 부분으로 이동하는 것을 차단할 수 있다.
즉, 상기 제2열차단부재(154)는 상기 구동소자(130)로부터 제1기판층(112)으로 전달되어 상기 발광소자(120) 측으로 이동하는 열을 흡수함으로써 상기 제1기판층(112)을 통해 구동소자(130)의 열이 발광소자(120) 측으로 이동하는 것을 차단할 수 있다.
이와 같은 제2열차단부재(154)는 상기 제1기판층(112)에 형성되는 접지패턴(GND)과 연결될 수 있다.
여기서, 상기 접지패턴(GND)은 적어도 일부가 외부로 노출되도록 상기 제1기판층(112)의 내부에 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2열차단부재(154)를 통해 흡수된 열은 상기 접지패턴(GND)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
이와 같은 제2열차단부재(154)는 열전도도가 높은 재질로 형성될 수 있다.
비제한적인 일례로서, 상기 제2열차단부재(154)는 금, 은, 구리 등일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 열전도성이 우수한 재질이라면 공지의 다양한 재질이 모두 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)가 상술한 제1열차단부재(152) 및 제2열차단부재(154)를 모두 포함하는 경우, 상기 구동소자(130)에서 방출되는 열 중 복사열은 상기 제1열차단부재(152)를 통해 상기 발광소자(120) 측으로 전달되는 것이 차단될 수 있으며, 상기 구동소자(130)에서 방출되는 열 중 상기 제1기판층(112)을 통해 전도열은 상기 제2열차단부재(154)를 통해 상기 발광소자(120) 측으로 전달되는 것이 차단될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)에서 열에 민감한 발광소자(120)와 많은 열을 방출하는 구동소자(130)가 가까운 거리에 위치하도록 상기 제1기판층(112)의 일면에 실장되더라도 상기 제1열차단부재(152) 및 제2열차단부재(154) 중 적어도 하나를 통해 구동소자(130)의 열이 발광소자(120) 측으로 전도되는 것을 차단할 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 전체 사이즈를 줄일 수 있으며, 열에 민감한 발광소자(120)가 발열원인 구동소자(130) 측에 가깝게 위치하더라도 원활하게 작동될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 회로기판(110)의 열을 외부로 빠르게 방출하기 위한 적어도 하나의 열방출부재(162,164)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 적어도 하나의 열방출부재(162,164)는 상기 회로기판(110)에서 상기 발광소자(120) 및 구동소자(130)와 같은 부품이 실장되는 부분과 대응되는 위치 또는 상기 부품이 실장되는 부분의 주변에 위치하도록 구비될 수 있다.
이를 통해, 상기 적어도 하나의 열방출부재(162,164)는 상기 부품들로부터 회로기판(110) 측으로 전달된 열을 외부로 빠르게 방출하기 위한 경로를 제공할 수 있다.
일례로, 상기 열방출부재(162,164)는 제1열방출부재(162) 및 제2열방출부재(164) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1열방출부재(162)는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 발광소자(120)와 대응되는 위치에서 상기 발광소자(120)의 직하부에 위치하도록 상기 회로기판(110)의 내부에 매립될 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 발광소자(120)는 VCSEL과 같이 열에 민감한 부품일 수 있으며, 상기 발광소자(120)의 작동시 발생된 열이 적절하게 방출되지 않으면 열에 민감한 발광소자(120)는 특성이 저하될 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 본 발명에서는 상기 발광소자(120)에서 발생된 열을 상기 제2기판층(114)으로 전달할 수 있도록 상기 제1기판층(112)에 제1열방출부재(162)가 매립될 수 있다.
즉, 상기 제1열방출부재(162)는 상기 제1기판층(112)의 두께방향을 따라 매립될 수 있으며, 상부단이 상기 발광소자(120)와 접촉될 수 있고 하부단이 상기 제2기판층(114)의 일면과 접촉될 수 있다.
여기서, 상기 제1열방출부재(162)는 상기 제2기판층(114)과 마찬가지로 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 발광소자(120)에서 발생된 열은 상기 제1열방출부재(162)를 통해 상기 제2기판층(114)으로 전달될 수 있으며, 상기 제2기판층(114)으로 전달된 열은 상기 제2기판층(114)의 표면을 통해 외부로 방출될 수 있다.
이때, 상기 제2기판층(114)은 상술한 바와 같이 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 발광소자(120)의 작동시 발생된 열은 상기 제1기판층(112)으로 전도되지 않고 제1열방출부재(162)를 통해 상기 제2기판층(114)으로 빠르게 전달될 수 있다.
이로 인해, 상기 발광소자(120)에서 발생된 열은 상기 발광소자(120)의 주변 또는 상기 발광소자(120)가 실장된 제1기판층(112) 부분에 머무르지 않고 상기 발광소자(120)와 소정 간격 이격된 제2기판층(114)으로 빠르게 이동할 수 있음으로써 열에 의한 발광소자(120)의 특성저하를 방지할 수 있다.
이와 같은 제1열방출부재(162)는 열전도도가 높은 재질로 형성될 수 있다.
비제한적인 일례로서, 상기 제1열방출부재(162)는 금, 은, 구리 등과 같이 금속재질로 이루어진 금속 슬러그(metal sulg)일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지면서 열전도성이 우수한 재질이라면 공지의 다양한 재질이 모두 적용될 수 있다.
도면에는 상기 제1열방출부재(162)가 상기 제1기판층(112)에만 매립되는 것으로 도시하였지만, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 제1열방출부재(162)는 상기 제2기판층(114)에도 매립될 수도 있다.
일례로, 상기 제2기판층(114)에 매립되는 제1열방출부재(162)는 상기 제1기판층(112)에 매립되는 제1열방출부재(162)와 대응되는 위치에 배치될 수 있고, 상기 제1기판층(112)에 매립되는 제1열방출부재(162)와 상기 제2기판층(114)에 매립되는 제1열방출부재(162)는 일단이 서로 직접 접촉될 수 있다.
한편, 상기 제2열방출부재(164)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1기판층(112)에 형성될 수 있으며, 상기 제1기판층(112)에 존재하는 열을 상기 제2기판층(114)으로 빠르게 전달할 수 있다.
이를 위해, 상기 제2열방출부재(164)는 상기 제1열방출부재(162)와 마찬가지로 상기 제1기판층(112)의 두께방향을 따라 매립될 수 있으며, 상부단이 외부로 노출될 수 있고 하부단이 상기 제2기판층(114)의 일면과 접촉될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 제2열방출부재(164)는 상기 제2기판층(114)으로 전달되는 열의 이동경로를 최소화할 수 있도록 상기 제1기판층(112)의 두께방향과 평행하게 상기 제1기판층(112)에 매립될 수 있다. 여기서, 상기 제2열방출부재(164)는 열전도도가 높은 재질로 형성될 수 있다.
비제한적인 일례로서, 상기 제2열방출부재(164)는 금, 은, 구리 등과 같이 금속재질로 이루어진 금속 슬러그(metal sulg)일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 상기 제1기판층(112)보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지면서 열전도성이 우수한 재질이라면 공지의 다양한 재질이 모두 적용될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2열방출부재(164)는 상기 제1기판층(112)에 존재하는 열을 빠르게 흡수할 수 있으며, 상기 제1기판층(112)의 일면에서 외부로 노출된 부분을 통해 흡수한 열을 외부로 방출하거나 상기 제2기판층(114)과 접촉된 부분을 통해 흡수한 열을 상기 제2기판층(114)으로 전달할 수 있다.
또한, 상기 제2열방출부재(164)를 통해 상기 제2기판층(114)으로 전달된 열은 상기 제2기판층(114)의 표면을 통해 외부로 신속하게 방출될 수 있다.
이때, 상기 제2열방출부재(164)는 상기 제1열방출부재(162)와는 다르게 상기 제1기판층(112)에서 상기 발광소자(120) 및 구동소자(130)와 같은 부품들이 실장되는 부분의 직하부가 아닌 상기 발광소자(120) 및 구동소자(130)와 같은 부품들이 실장되는 부분의 주변영역에 위치하도록 배치될 수 있다.
이는, 상기 제1기판층(112)에 실장되는 소자들과의 간섭을 피하면서 원활한 방열이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 하우징(170,270)을 포함할 수 있으며, 상기 하우징(170,270) 측에는 상기 발광소자(120)의 상부에 배치되는 확산부재(180)가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 확산부재(180)는 상기 발광소자(120)에서 방출된 빛을 확산시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 발광소자(120)에서 방출되는 레이저와 같은 빛은 상기 확산부재(180)를 통해 확산될 수 있음으로써 시신경의 손상과 같은 안전사고의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
일례로, 상기 하우징(170,270)은 상기 제1기판층(112)에 실장되는 발광소자(120)의 상부와 대응하는 영역에 관통형성되는 개구부(172,272)를 포함할 수 있으며, 상기 확산부재(180)는 도 9에 도시된 바와 같이 상기 개구부(172,272) 측에 위치하도록 배치될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 확산부재(180)는 도 8에 도시된 바와 같이 레이저와 같은 빛을 확산시키기 위한 렌즈패턴(182)을 포함할 수 있으며, 상기 확산부재(180)의 테두리 측에는 상기 확산부재(180)의 파손을 감지하기 위한 ITO코팅층(184)이 상기 렌즈패턴(182)을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 발광소자(120)에서 방출되는 빛(레이저)은 상기 확산부재(180)를 통해 확산될 수 있으며, 상기 확산부재(180)의 상측에 배치되는 윈도우(190)를 통해 외부로 조사될 수 있다.
여기서, 상기 윈도우(190)는 전자기기에 구비되는 부품일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 윈도우(190)의 후방에 위치하도록 상기 전자기기에 설치될 수 있다.
이로 인해, 상기 발광소자(120)에서 방출되는 빛(레이저)은 물체의 표면에서 반사된 후 수광부(미도시)로 수광될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 발광소자(120)의 일측에 배치되는 포토 다이오드(140)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 포토 다이오드(140)는 상기 확산부재(180)의 파손시 상기 발광소자(120)의 작동을 중지시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 상기 발광소자(120)에서 발생된 빛이 인체에 직접 조사되는 것을 방지할 수 있음으로써 시신경의 손상과 같은 안전사고의 발생을 미연에 방지할 수 있다
한편, 상기 하우징(170)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1기판층(112)의 일면 중 일부 면적을 덮도록 구비될 수도 있지만, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 하우징(270)은 상기 제1기판층(112)의 일면 전체를 덮도록 구비될 수도 있다.
즉, 상기 하우징(270)은 상기 발광소자(120)와 더불어 상기 구동소자(130)의 상부를 덮도록 구비될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 하우징(270)은 상기 구동소자(130)의 작동시 발생되는 전자파를 차폐하는 기능을 포함할 수 있다.
이를 위해, 상기 하우징(270)의 내면에는 도 5의 확대도에 도시된 바와 같이 전자파 차폐 코팅층(174)이 형성될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(200)는 상기 구동소자(130)의 작동시 전자파가 발생하더라도 상기 하우징(270)을 통해 전자파를 차단할 수 있다.
한편, 상기 하우징(170,270)은 방열성을 갖도록 구비될 수 있다.
일례로, 상기 하우징(170,270)은 알루미늄, 구리 등과 같은 금속재질로 이루어질 수도 있으나, 전체적인 무게를 경감하면서도 방열성능을 구현할 수 있도록 공지의 방열플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 하우징(170,270)은 방열성을 높일 수 있도록 표면에 도포되는 방열코팅층(미도시)을 더 포함할 수도 있다
일례로, 상기 방열코팅층은 방열성 및 절연성을 모두 갖도록 고분자매트릭스에 분산된 절연성 방열필러를 포함한 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(200)에서 상기 하우징(270)이 방열성을 가지면서 상기 구동소자(130)의 상부를 덮도록 구비되는 경우, 상기 하우징(270)의 내측면은 상기 구동소자(130)의 일면과 직접 접촉될 수도 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 하우징(270)의 내측면은 상기 구동소자(130)의 일면과 직접 접촉될 수 있다.
이를 통해, 상기 구동소자(130)에서 발생된 열은 상기 하우징(270) 측으로 전달될 수 있음으로써 방열이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다.
이와 같은 경우, 서로 접촉되는 하우징(27)의 내측면과 구동소자(130)의 일면 사이에는 열전달물질(176)이 개재될 수 있다.
이와 같은 열전달물질(176)은 서로 대면하는 구동소자(130)의 표면 및 하우징(270)의 내면 사이에 공기층이 형성되는 것을 방지함으로써 상기 구동소자(130)로부터 발생된 열을 하우징(270) 측으로 원활하게 전달시킬 수 있다. 일례로, 상기 열전달물질(176)은 서멀 그리스 등과 같은 TIM(Thermal interface material)일 수 있으며, 열전도성 필러 및 상변이 화합물(Phase change materials) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 방열형성조성물이 고화된 패드 형태일 수도 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 패키지 어셈블리(100,200)는 휴대폰, 노트북 등과 같은 전자기기에 적용될 수 있으며, 차량의 라이다, 드론, 로봇 등에도 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 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.

Claims (13)

  1. 회로기판;
    상기 회로기판에 실장되며, 레이저를 발신하는 발광소자; 및
    상기 회로기판에 실장되며, 상기 발광소자를 제어하는 구동소자;를 포함하며,
    상기 회로기판은,
    상기 발광소자 및 구동소자가 각각 실장되는 제1기판층; 및
    상기 제1기판층의 일면에 적층되고, 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지는 재질로 이루어진 제2기판층;을 포함하는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판층은 LTCC로 형성되고,
    상기 제2기판층은 AIN, FR4 및 HTCC 중 어느 하나로 형성되는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2기판층은 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 두꺼운 두께를 갖도록 형성되는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    제2기판층은 상기 제1기판층의 일면에 솔더링을 통해 접합되는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자 패키지 어셈블리는,
    상기 구동소자에서 발생된 열이 상기 발광소자 측으로 전달되는 것을 차단하기 위한 적어도 하나의 열차단부재;를 더 포함하는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열차단부재는 상기 발광소자와 구동소자 사이에 위치하도록 상기 제1기판층의 일면으로부터 일정높이 돌출형성되는 제1열차단부재를 포함하는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열차단부재는 상기 발광소자와 구동소자 사이에 위치하면서 상기 제1기판층의 두께 방향을 따라 배치되도록 상기 제1기판층에 매립되는 제2열차단부재를 포함하는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열차단부재는 상기 제1기판층보다 상대적으로 더 높은 열전도도를 가지는 재질로 이루어지는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자 패키지 어셈블리는,
    상기 발광소자에서 발생된 열을 상기 제2기판층으로 전달할 수 있도록 상기 제1기판층의 두께 방향을 따라 상기 제1기판층에 매립되는 제1열방출부재를 더 포함하는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1열방출부재는 상부단이 상기 발광소자와 접촉되고 하부단이 상기 제2기판층과 접촉되는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자 패키지 어셈블리는,
    상기 제1기판층의 열을 상기 제2기판층으로 전달할 수 있도록 상기 제1기판층의 두께방향을 따라 상기 제2기판층에 매립되는 제2열방출부재를 포함하고,
    상기 제2열방출부재는 상기 구동소자 및 발광소자의 직하부에 배치되지 않는 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자는 수직캐비티표면광방출레이져(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)인 반도체 소자 패키지 어셈블리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 반도체 소자 패키지 어셈블리를 포함하는 전자기기.
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