WO2023286966A1 - 가변 적층형 방열판 패키지 - Google Patents

가변 적층형 방열판 패키지 Download PDF

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WO2023286966A1
WO2023286966A1 PCT/KR2022/001839 KR2022001839W WO2023286966A1 WO 2023286966 A1 WO2023286966 A1 WO 2023286966A1 KR 2022001839 W KR2022001839 W KR 2022001839W WO 2023286966 A1 WO2023286966 A1 WO 2023286966A1
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WO
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heat sink
heat
package
variable
generating element
Prior art date
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PCT/KR2022/001839
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Inventor
이진효
김태진
이상용
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주식회사 알에프세미
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/053—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having an insulating or insulated base as a mounting for the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
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    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • the present invention relates to a variable laminated heat sink package, and more particularly, to a heat sink that improves heat dissipation efficiency by varying the number of stacked heat sinks according to the heat generation amount of a heat generating element such as a power device using a natural cooling method using a chimney effect. It is about.
  • a power device is a device that converts input power and outputs it, and is widely used in power, communication, and automobiles.
  • Silicon MOSFET, MISFET, SiC transistor, IGBT, and diode GaN or GaO transistor and diode are used as power devices.
  • GaN power devices have excellent thermal conductivity characteristics compared to conventional silicon semiconductors, and are increasingly used due to high-speed switching and high power conversion efficiency.
  • Heat dissipation consists of conduction, convection, and radiation phenomena.
  • Conventional heat dissipation technologies are air-cooling and water-cooling using conduction and convection, and require large volumes and complicated auxiliary tools.
  • heat can be dissipated by air cooling using a heat sink and heat sink fins, but a slimmer high-density PCB has dense elements and heat dissipation is a problem because heat sink fins cannot be applied.
  • the present invention is to provide a variable laminated heat sink package capable of adjusting heat dissipation according to the heat generation amount of a heat generating element using a natural cooling method using a chimney effect in a high density PCB.
  • a variable laminated heat sink package according to the present invention for the above object to be solved includes a heat sink 21; a vertical through hole 22 generating a chimney effect in the center of the heat sink; A heat sink unit including a plurality of support parts 23 vertically supported at a predetermined height in a lower direction from the outer rim of the heat sink and side flow holes 24 through which air flows by removing parts other than the support parts It is characterized in that the heat of the generating element is discharged by conduction and convection.
  • the heat dissipation plate unit can be variably laminated according to the amount of heat generated by the heat generating element.
  • the heat generating element is characterized in that flip chip bonding.
  • variable stacked heat sink package is characterized in that it is assembled using a suction pad of assembly equipment.
  • the heat sink 21 As another embodiment of the present invention, the heat sink 21; a vertical through hole 22 generating a chimney effect in the center of the heat sink; A heat sink unit including a plurality of support parts 23 vertically erected at a predetermined height in an upper direction on the outer rim and the inner rim of the heat sink, and side flow holes 24 through which air may flow by removing portions other than the support parts. and a heat sink cover unit 30 covering an upper portion of the heat sink unit.
  • the heat dissipation plate cover unit is characterized in that an automatic assembly is possible because a suction pad can be picked up.
  • heat sink unit and the heat sink cover unit are laminated in plurality to form one heat sink module.
  • a chimney is formed in the center by stacking heat sinks instead of heat sink fins, and the chimney generates a chimney effect in which natural convection is formed in an upward direction, thereby improving heat dissipation efficiency through natural cooling and generating heat.
  • Heat dissipation can be controlled according to the heat generation amount of the device, so it can be applied to all devices that generate heat as well as power devices.
  • FIG. 1 is a perspective view of a metal cap according to the present invention.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view of the central portion of the metal cap according to the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a heat sink unit according to the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a heat dissipation unit coupled to a metal cap according to the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view in which a plurality of heat sink units are stacked on a metal cap according to the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram in which a protection device or/and a recovery device are added to a power device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of a package in which a protection device and a recovery device are combined with a power device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a heat sink according to the present invention.
  • FIG. 9 is a side view of a heat sink cover according to the present invention.
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view of a heat sink cover according to the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a plurality of heat sink units and a heat sink cover unit assembled on a metal cap.
  • FIG. 13 is a perspective view of a heat dissipation simulation of a laminated heat sink according to the present invention.
  • FIG. 14 is a vertical cross-sectional view of a heat dissipation simulation of a laminated heat sink according to the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view of heat dissipation simulation when a substrate of a multilayer heat sink according to the present invention is erected.
  • FIG. 16 is a vertical cross-sectional view of a heat dissipation simulation when a substrate of a multilayer heat sink according to the present invention is erected.
  • FIG. 1 is a perspective view of a metal cap according to the present invention
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the central portion of the metal cap.
  • the metal cap 10 makes contact with the rear surface of a heat generating element such as a power element attached to a PCB board 1 by being flip-chip, induces heat dissipation through conduction, and has an alignment function for stacking the heat sink unit 20. also do If heat conduction is poor due to lack of close contact between the heat generating element and the metal cap, thermal contact can be strengthened with a heat conducting material such as thermal grease.
  • a power device is an example of a heat generating device, but is not limited thereto, and may be a CPU or SMPS that generates a lot of heat.
  • Examples of power devices may include silicon MOSFETs, MISFETs, SiC transistors, IGBTs, and diodes GaN or GaO transistors and diodes.
  • chips such as power devices are mounted in packages and sold.
  • wire bonding is used to connect chip pads to package pads during packaging, parasitic inductance generates losses.
  • flip chip bonding has been developed in which a chip is turned over and die bonded to a substrate.
  • the lower groove 12 is formed to match the height of the flip chip bonded heat generating element, and the upper portion has a locking step 13 for alignment with the protrusion 11. .
  • the metal cap is attached to the board by die bonding, and when there is a gap with the heat generating element, the thermal conductor (3) such as thermal grease is filled.
  • FIG 3 is a perspective view of a heat sink unit 20 according to the present invention, a heat sink 21 having a vertical through hole 22 formed in the center, a plurality of support parts 23 vertically supported at a predetermined height from the edge of the heat sink, and Parts other than the support are removed and constituted by side flow holes 24 through which air can flow.
  • the support part 23 conducts heat to the heat dissipation plate stacked thereon, and the vertical through hole 22 and the side flow hole 24 dissipate heat by convection.
  • a protrusion is inserted into the inner surface of the support and the locking jaw serves to align.
  • the support part is preferably formed of two legs for stability, and the bridge between the legs is removed in an arch shape, and the other parts are removed to the bottom of the heat sink.
  • the size of the heat sink unit and the metal cap may be variably modified in consideration of power consumption and attachment space of the heat generating element.
  • the heat dissipation plate unit may form a vertical through hole and a side flow hole by punching or shearing a single metal plate having excellent heat conduction, and may form a support part by bending.
  • the metal cap, the heat sink, and the heat sink cover may use copper, aluminum, silver, or an alloy thereof having excellent thermal conductivity.
  • the thickness of the heat sink and cover is 0.2 to 1.5 mm.
  • the central vertical through-hole generates a chimney effect through which heated air escapes, and the chimney effect increases as the number of stacked heat sink units increases.
  • the flow hole on the side functions to transfer heat by convection by introducing cold air.
  • the flow hole on the side creates a chimney effect, and the vertical through hole in the center changes its function to a flow hole on the side.
  • the heat sink 21 secures a flat area so that it can be picked up with a suction pad of an assembly equipment, so that automatic assembly is possible.
  • FIG. 4 is a perspective view in which a heat sink unit is combined on a metal cap according to the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view in which a plurality of heat sink units are stacked on a metal cap according to the present invention.
  • the stacking assembly of the heat sink units may be performed by fabricating a jig so as not to collapse and stacking the heat sink units while aligning them, and the heat sink units may be bonded to each other using solder having excellent thermal conductivity.
  • 6 is a circuit diagram in which a protection device or/and a recovery device are added to a power device according to the present invention.
  • 6(a) is an example of a single use of a GaN transistor, and applicable devices may include power IGBTs, MOSFETs, and HEMTs implemented with semiconductor materials such as Si, SiC, GaN, and Ga 2 O 3 .
  • Figure 6 (b) is a circuit including a protection element to prevent damage due to ESD or instantaneous overvoltage on the gate of the transistor.
  • 6(c) is a circuit including a recovery device having a high-speed diode characteristic at the drain to enable fast switching of the power device. It is a structure suitable for application of PFC circuit of power module.
  • 6(d) is a circuit including a driving circuit
  • 6(e) is a circuit including a driving circuit and a recovery diode.
  • FIG. 7 is an embodiment showing a vertical cross-sectional view of a package in which a protection device 4 and a recovery device 5 are combined with a power device according to the present invention, and the protection device, the recovery device, and the driving circuit are selectively combined as needed. and can be applied.
  • the area of the heat sink unit may be larger than the area of the metal cap 10 and stacked.
  • FIG 8 shows another embodiment of the heat sink unit 20, unlike the previous embodiment, the heat sink unit is reversed and stacked to vary the area of the heat sink unit, and a heat sink cover 30 is used for assembly.
  • the vertical through-hole 22 in the center of the heat sink 21 functions as a chimney for heat dissipation and is inserted into the protrusion 11 of the metal cap 10 to function as an alignment. Accordingly, the area of the heat dissipation plate 21 is expanded to be larger than that of the vertical through hole, so that the heat dissipation effect can be maximized.
  • a plurality of vertically erected support parts 23 are formed on the outer rim and the inner rim of the heat sink, and side flow holes 24 for smooth air circulation are formed in the support parts.
  • the support part 23 conducts heat to the heat dissipation plate stacked thereon, and the side flow hole 24 dissipates heat by convection.
  • the outer circumferential surface other than the support portion is removed to free the flow of air.
  • FIG. 9 is a perspective view of the heat sink cover unit 30 and FIG. 10 is a vertical cross-sectional view of the heat sink cover.
  • a plurality of vertical through-holes 32 for convection are formed in the upper part of the heat sink cover 31, and a lip portion 33 formed with a lower edge is formed so that the outer support portion 23 of the heat sink is aligned and fitted.
  • the heat sink cover is configured to be automatically assembled by securing an area that can be picked up with a suction pad, etc., and thus can be applied to automation.
  • the metal cap, the heat sink, and the heat sink cover may use copper, aluminum, silver, or an alloy thereof having excellent thermal conductivity.
  • the thickness of the heat sink and cover is 0.2 to 1.5 mm.
  • FIG. 11 is a perspective view of assembling a plurality of heat sink units 20 and a heat sink cover 30.
  • a plurality of heat sinks and heat sink covers may be stacked as one heat sink module according to the amount of heat generated by a heat generating element.
  • one premade heat sink module may be picked up and stacked one by one using a specially manufactured jig, or a plurality of heat sink units may be stacked in advance and attached to a substrate at once.
  • the area of the heat sink unit 20 is made wider and the support part 23 and the side flow hole 24 are further formed in the middle for stable support. can do.
  • FIG. 13 is a perspective view of a heat release simulation result of a heat generating device
  • FIG. 14 is a vertical cross-sectional view of a heat dissipation simulation result of a heat generating device.
  • the central part shows that the heat dissipation of the heat generating element is very effective due to the chimney effect.
  • FIG. 15 is a perspective view of a heat dissipation simulation in the case where the substrate of the multilayer heat sink is erected
  • FIG. 16 is a vertical cross-sectional view of the heat dissipation simulation in the case where the substrate of the multilayer heat sink is erected. Since the convective flow moves from the bottom to the top, the side flow rather than the central through hole It shows that the heat dissipation effect by the hole is dominant.
  • the laminated heat sink according to the present invention has vertical through holes and side flow holes Since it is provided, heat dissipation by convection is effective regardless of the mounting direction of the board.
  • variable multi-layer heat sink package can control heat dissipation according to the amount of heat generated by the heat generating device, so it can be applied to all devices that generate heat as well as power devices.
  • the use of a metal cap improves heat conduction and can be applied to a high-density slim PCB with a tight form factor.
  • the heat sink unit can use a suction pad, so it can be applied to the automatic assembly process.

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Abstract

본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는, 방열판(21); 상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22); 상기 방열판의 바깥 테두리에서 하부 방향 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛을 사용하여 열발생 소자의 열을 전도와 대류로 방출하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 적층형 방열판 패키지
본 발명은 가변 적층형 방열판 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 굴뚝효과를 이용한 자연냉각 방식을 사용하여 전력소자 등과 같은 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열판의 적층 수를 가변하여 방열 효율을 향상시키는 방열판에 관한 것이다.
전력소자(power device)는 입력전력을 변환하여 출력하는 소자로 전력, 통신, 자동차 등에 광범위하게 사용되고 있고, 실리콘 MOSFET, MISFET, SiC 트랜지스터, IGBT 및 다이오드 GaN 또는 GaO 트랜지스터 및 다이오드 등이 전력소자로 사용된다. 특히 GaN 전력소자는 종래의 실리콘 반도체보다 열전도 특성이 우수하고 고속 스위칭 및 높은 전력 변환효율로 활용이 증가되고 있다.
그러나 전력소자의 변환효율은 50% 이하로 나머지는 대부분 열로 소모되면서 전력소자 자체뿐만 아니라 주변 소자의 성능도 열화시키기 때문에 방열이 매우 중요하다.
방열은 전도, 대류, 복사 현상으로 이루어지는데 종래의 방열 기술은 전도와 대류 현상을 이용한 공랭식과 수냉식으로 큰 부피와 복잡한 보조 도구가 필요하다.
전력소자가 단독으로 사용되고 면적에 구애받지 않는 경우에는 방열판과 방열핀을 사용하여 공랭식으로 방열을 할 수 있으나, 슬림화되는 고밀도 PCB는 소자들이 밀집되어 있고 방열핀을 적용할 수 없어 방열이 문제된다.
방열핀은 대부분은 압출에 의해 제작되기 때문에 소형화에 한계가 있고, 소형 전력소자에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 고밀도 PCB에서 굴뚝효과를 이용한 자연냉각 방식을 사용하여 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열을 조절할 수 있는 가변 적층형 방열판 패키지를 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는, 방열판(21); 상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22); 상기 방열판의 바깥 테두리에서 하부 방향 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛을 사용하여 열발생 소자의 열을 전도와 대류로 방출하는 것을 특징으로 한다.
상기 열발생 소자의 열발생량에 따라 상기 방열판 유닛을 가변 적층할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 열발생 소자가 수용되도록 하부에 홈부가 형성되고 상부로 돌출되어 걸림턱이 형성된 메탈캡(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열발생 소자는 플립칩 본딩된 것을 특징으로 한다.
상기 가변 적층형 방열판 패키지에 보호소자가 내장된 것을 특징으로 한다.
상기 가변 적층형 방열판 패키지에 리커버리 소자가 내장된 것을 특징으로 한다.
상기 가변 적층형 방열판 패키지는 조립장비의 흡착패드를 사용하여 조립되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 방열판(21); 상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22); 상기 방열판의 바깥쪽 테두리와 안쪽 테두리에 상부 방향 소정의 높이로 수직으로 세워진 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛과 상기 방열판 유닛의 상부를 덮는 방열판 커버 유닛(30)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방열판 커버 유닛은 흡착패드가 픽업할 수 있어 자동 조립이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 방열판 유닛과 방열판 커버 유닛을 하나의 방열판 모듈로 하여 복수로 적층한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는 방열핀이 아닌 방열판을 적층함으로써 중앙에 굴뚝을 형성하고, 상기 굴뚝은 상방향으로 자연대류가 형성되는 굴뚝효과를 발생하여 자연냉각으로 열방출 효율을 향상시키고 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열을 조절할 수 있어, 전력소자뿐만 아니라 열이 발생하는 모든 소자에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈캡의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 메탈캡의 중앙부의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방열판 유닛의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 결합한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 복수로 적층한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자 또는/및 리커버리소자를 부가한 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자 및 리커버리소자를 결합한 패키지의 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 방열판의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 방열판 커버의 사이도이다.
도 10은 본 발명에 따른 방열판 커버의 수직 단면도이다.
도 11은 메탈캡 위에 복수의 방열판 유닛과 방열판 커버 유닛을 조립한 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 방열판 유닛의 다른 실시예이다.
도 13은 본 발명에 따른 적층형 방열판의 열방출 시뮬레이션 사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 적층형 방열판의 열방출 시뮬레이션의 수직 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션 사시도이다.
도 16은 본 발명에 따른 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션의 수직 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈캡의 사시도이고, 도 2는 상기 메탈캡의 중앙부의 수직 단면도이다.
본 발명에 따른 메탈캡(10)은 PCB 기판(1)에 플립칩되어 부착된 전력소자 등 열발생 소자의 뒷면과 접촉하여 전도로 방열을 유도하고, 방열판 유닛(20)의 적층을 위한 정렬 기능도 한다. 열발생 소자와 메탈캡이 밀접 접촉이 안 되어 열전도가 불량할 경우 써멀 그리스 등 열전도 물질로 열접촉을 강화할 수 있다.
전력소자(power device)는 열발생 소자의 하나의 예시로서 이에 한정하지는 않고 열이 많이 발생하는 CPU, SMPS 등이 될 수 있다. 전력소자의 예시로는 실리콘 MOSFET, MISFET, SiC 트랜지스터, IGBT 및 다이오드 GaN 또는 GaO 트랜지스터 및 다이오드 등이 될 수 있다.
전력소자 등의 칩은 패키지에 장착되어 판매되는 것이 일반적이지만 패키징 시에 칩 패드와 패키지 패드와의 연결은 와이어 본딩을 하므로 기생적인 인덕턴스의 발생으로 손실이 발생한다. 기생적인 인덕턴스를 줄이고 효과적인 열전도를 위하여 칩을 뒤집어 기판에 다이 본딩하는 플립칩(flip chip) 본딩이 개발되었고 본 발명은 플립칩 본딩된 열발생 소자의 방열에 매우 효과적이다.
도 2를 살펴보면, 하부의 홈부(12)는 플립칩 본딩된 열발생 소자의 높이에 맞도록 홈부(12)가 형성되고, 상부는 돌출부(11)와 정렬을 위한 걸림턱(13)이 형성된다. 메탈캡은 기판에 다이 본딩으로 부착하고 열발생 소자와 유격이 있을 때는 써멀 그리스 등 열전도체(3)를 충전한다.
도 3은 본 발명에 따른 방열판 유닛(20)의 사시도로서, 중앙부에 수직 관통홀(22)이 형성된 방열판(21), 상기 방열판의 테두리에서 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및 상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)로 구성된다.
상기 지지부(23)는 상부에 적층되는 방열판으로 열전도하고, 수직 관통홀(22)과 측면 유동홀(24)은 대류로 열을 방출한다. 상기 지지부의 내측면으로 돌출부가 삽입되고 걸림턱은 정렬 기능을 한다. 지지부는 안정성을 위하여 2개의 다리로 형성되는 것이 바람직하고 다리 사이는 아치형으로 제거하고 그 외 부분은 방열판의 밑면까지 제거한다.
방열판 유닛과 메탈캡의 크기는 열발생 소자의 소비전력과 부착 공간을 고려하여 가변적으로 변형할 수 있다.
상기 방열판 유닛은 열전도가 우수한 하나의 금속판을 펀칭이나 전단으로 수직 관통홀과 측면 유동홀을 형성하고 벤딩으로 지지부를 형성할 수 있다.
메탈캡, 방열판 및 방열판 커버는 열전도가 우수한 구리, 알루미늄, 은 또는 그 합금을 사용할 수 있다. 방열판 및 커버의 두께는 0.2~1.5mm이다.
중앙의 수직 관통홀은 가열된 공기가 빠져나가는 굴뚝효과를 발생시키며 방열판 유닛의 적층수가 많을수록 굴뚝효과는 증가한다. 측면의 유동홀은 차가운 공기를 유입시켜 대류로 열전달을 하는 기능을 한다. PCB 기판이 수직으로 장착될 경우에는 측면 유동홀이 굴뚝효과를 일으키며 중앙의 수직 관통홀은 측면 유동홀로 기능이 바뀐다.
상기 방열판(21)은 조립장비의 흡착패드 등으로 픽업(pick up)할 수 있도록 평평한 면적을 확보하여 자동 조립이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 결합한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 메탈캡 위에 방열판 유닛을 복수로 적층한 사시도이다.
방열판 유닛의 적층 수가 많아질수록 중앙의 굴뚝효과로 자연대류에 의한 열방출이 우세하게 되므로 열발생 소자의 방열량에 따라 적층 수를 가변할 수 있다. 방열판 유닛의 적층 조립은 무너짐이 없도록 지그를 제작하여 정렬하면서 적층할 수 있고, 방열판 유닛 간의 접착은 열전도가 우수한 솔더 등을 사용하여 접착시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자 또는/및 리커버리소자를 부가한 회로도이다. 도 6(a)는 GaN 트랜지스터의 단독 사용에 대한 예시이고, 적용 가능한 소자는 Si, SiC, GaN, Ga2O3 등의 반도체 재료로 구현된 전력용 IGBT, MOSFET, HEMT 등이 포함될 수 있다. 도 6 (b)는 트랜지스터의 게이트에 ESD나 순간 과전압에 의한 손상을 방지하는 방호소자를 포함하는 회로이다. 도 6(c)는 전력소자의 빠른 스위칭이 가능하도록 드레인에 고속다이오드 특성의 리커버리 소자를 포함하는 회로이다. 전원모듈의 PFC회로 응용에 적합한 구조이다. 도 6(d)는 구동회로(6)를 내장한 회로이며, 6(e)는 구동회로와 리커버리 다이오드 포함하는 회로이다.
도 7은 본 발명에 따른 전력소자에 보호소자(4) 및 리커버리 소자(5)를 결합한 패키지의 수직 단면도를 보여주는 하나의 실시예로서, 보호소자, 리커버리 소자 및 구동회로를 필요에 따라 선택적으로 조합하여 적용할 수 있다.
열전도 효과를 극대화하기 위하여 방열판 유닛의 면적을 메탈캡(10)의 면적보다 크게 하여 적층할 수 있다.
도 8은 방열판 유닛(20)의 다른 실시예로서 방열판 유닛의 면적을 가변하기 위하여 앞의 실시예와는 달리 방열판 유닛을 뒤집어 적층하고 조립을 위하여 방열판 커버(30)를 사용한다. 방열판(21) 중앙의 수직 관통홀(22)은 열방출을 위한 굴뚝 기능도 하고 메탈캡(10)의 돌출부(11)에 삽입되어 정렬 기능도 한다. 따라서 수직 관통홀보다 더 크게 방열판(21)의 면적이 확장되어 열방출 효과를 극대화할 수 있다.
방열판의 바깥쪽 테두리와 안쪽 테두리에 수직으로 세워진 복수의 지지부(23)가 형성되고, 상기 지지부에는 공기 유통을 원활히 하기 위한 측면 유동홀(24)이 형성된다. 상기 지지부(23)는 상부에 적층되는 방열판으로 열전도하고 측면 유동홀(24)은 대류로 열을 방출한다. 상기 지지부 이외의 외주면은 제거하여 공기의 유동을 자유롭게 한다.
도 9는 방열판 커버 유닛(30)의 사시도이고 도 10은 방열판 커버의 수직 단면도이다. 방열판 커버(31) 상부로 대류를 위한 복수의 수직 관통홀(32)이 형성되고 방열판의 바깥쪽 지지부(23)가 정렬되어 끼워지도록 아래로 테두리가 형성된 립부(33)가 형성된다. 방열판 커버는 흡착 패드 등으로 픽업할 수 있는 면적을 확보하여 자동 조립할 수 있도록 구성되어 자동화에 적용할 수 있다.
메탈캡, 방열판 및 방열판 커버는 열전도가 우수한 구리, 알루미늄, 은 또는 그 합금을 사용할 수 있다. 방열판 및 커버의 두께는 0.2~1.5mm이다.
도 11은 복수의 방열판 유닛(20)과 방열판 커버(30)를 조립한 사시도로서 열발생 소자의 열발생량에 따라 복수의 방열판과 방열판 커버를 하나의 방열판 모듈로 하여 복수로 적층할 수 있다.
복수 개의 방열판 유닛을 적층하는 방법은 특수 제작된 지그를 사용하여 미리 만들어진 하나의 방열판 모듈을 하나씩 픽업하여 적층할 수도 있고, 복수 개로 미리 적층하여 한꺼번에 기판에 부착시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예로 열발생 소자의 면적이 큰 경우에 방열판 유닛(20)의 면적을 더 넓게 만들고 안정적 지지를 위하여 중간에 지지부(23)와 측면 유동홀(24)을 더 형성할 수 있다.
도 13은 열발생 소자의 열방출 시뮬레이션 결과의 사시도이고, 도 14는 열발생 소자의 열방출 시뮬레이션 결과의 수직 단면도로서, 본 발명에 따른 패키지가 전도와 대류에 의하여 열방출됨을 알 수 있고, 특히 중앙 부분은 굴뚝효과로 열발생 소자의 열방출이 매우 효과적임을 보여준다.
도 15는 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션 사시도이고, 도 16은 적층형 방열판의 기판이 세워진 경우의 열방출 시뮬레이션의 수직 단면도로서, 대류의 흐름이 밑에서 위로 이동하므로 중앙 관통홀보다는 측면 유동홀에 의한 열방출 효과가 우세함을 보여준다.
대류는 낮은 온도에서 높은 온도쪽으로 이동하면서 상하로 유동할 수 있고 좌우로도 유동할 수 있으나, 기판 PCB가 수평이나 수직 어느 방향으로 장착되어 있어도 본 발명에 따른 적층형 방열판은 수직 관통홀과 측면 유동홀을 구비하고 있어 기판의 장착 방향에 관계없이 대류에 의한 열방출이 효과적이다.
본 발명에 따른 가변 적층형 방열판 패키지는 열발생 소자의 열발생량에 따라 방열을 조절할 수 있어, 전력소자뿐만 아니라 열이 발생하는 모든 소자에 적용할 수 있다.
또한, 플립칩(flip chip) 본딩 소자에 적합하여 기생적인 인덕턴스를 줄임으로 전력소자의 효율을 증가시킬 수 있고, 보호소자 또는 리커버리 소자를 함께 패키징할 수 있어 열발생 소자의 성능과 부가가치를 높일 수 있다.
또한, 메탈캡의 사용으로 열전도를 향상시키고 폼팩터가 타이트한 고밀도 슬림 PCB에 적용할 수 있다.
또한, 메탈캡의 정렬 기능을 사용하여 조립이 용이하며 방열판 유닛은 흡착 패드를 사용할 수 있어 자동 조립 공정에 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 열발생 소자가 수용되는 메탈캡(10)상에 설치되는 방열판(21);
    상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22);
    상기 방열판의 바깥 테두리에서 하부 방향 소정의 높이로 수직 지지하는 복수의 지지부(23) 및
    상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛을 사용하되,
    상기 방열판 유닛은 열발생 소자의 열발생량에 따라 적층 수를 복수로 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열발생 소자가 수용되도록 하부에 홈부(12)가 형성되고 상부로 돌출되어 걸림턱(13)이 형성된 메탈캡(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열발생 소자는 플립칩 본딩된 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변 적층형 방열판 패키지에 보호소자(4)가 내장된 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 적층형 방열판 패키지에 리커버리 소자(5)가 내장된 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 적층형 방열판 패키지는 흡착패드가 픽업할 수 있어 자동 조립이 가능한 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  7. 하부에서 메탑캡(10)과 면접촉하는 방열판(21);
    상기 방열판의 중앙부에 굴뚝효과를 발생시키는 수직 관통홀(22);
    상기 방열판의 바깥쪽 테두리와 안쪽 테두리에 상부 방향 소정의 높이로 수직으로 세워진 복수의 지지부(23) 및
    상기 지지부 외의 부분은 제거되어 공기가 유동할 수 있는 측면 유동홀(24)을 포함하는 방열판 유닛과 상기 방열판 유닛의 상부를 덮는 방열판 커버 유닛(30)을 포함하되,
    상기 방열판 유닛과 방열판 커버 유닛은 열발생 소자의 열발생량에 따라 적층 수를 복수로 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방열판 커버 유닛은 흡착패드가 픽업할 수 있어 자동 조립이 가능한 것을 특징으로 하는 가변 적층형 방열판 패키지.
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