KR100198993B1 - 반도체 패키지공정 및 패키지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량 전력용 소자에 사용되는 디스크형 반도체 패키지공정에 관한 것으로서, 애노드전극 상부에 반도체칩과 패키지 케이스를 탑재하고 상기 패키지 케이스 상부에 캐소드전극을 탑재하여 형성된 반도체 패키지를 정렬하고 상기 애노드전극과 상기 패키지 케이스 사이의 웰딩면 및 상기 캐소드전극과 상기 패키지 케이스 사이의 웰딩면을 웰딩하여 이루어지는 반도체 패키지공정에 있어서, 절삭날이 형성된 복수개의 지지대 사이에 상기 반도체 패키지의 상기 웰딩면을 위치시키고 상기 반도체 패키지를 회전시키면서 상기 지지대에 소정의 압력을 가하여 상기 반도체 패키지를 정렬시키는 동시에 상기 웰딩면의 형성된 오염물질을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 반도체 패키지공정에서 반도체 패키지의 정렬 및 웰딩면의 산화막 등의 오염물질 제거가 동시에 수행되기 때문에 패키지공정을 단순화시킬 수 있고 반도체 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 패키지공정 및 패키지장치

본 발명은 반도체 패키지공정 및 패키지장치에 관한 것으로서, 특히 대전력 구동에 사용되는 대용량 반도체소자에 적용되는 반도체 패키지공정 및 패키지장치에 관한 것이다.

반도체소자의 패키지의 외형 구조는 회로 및 장치 구성에서의 편리성, 방열 특성 등을 고려한 여러 종류가 있다. 이러한 외형구조에 따라 방열 특성이 제한되므로 정격전류가 제한되어진다. 통상적으로 30A급 이하의 소자는 플라스틱 몰드형이 사용되나 70A급 이상의 대전력용 반도체소자의 경우는 스터드형이나 도 1 에 도시된 바와 같은 단면 구조를 갖는 디스크형이 사용된다.

한편, 패키지되는 실리콘칩은 몰리브덴이나 몰리브덴-텅스텐 합금으로 이루어진 열응력 보상판 위에 알루미늄-실리콘 합금을 이용한 용융합금 혹은 브레이징 접합된다.

참고적으로 사이리스터의 경우를 예로 들면, 스터드형은 실리콘칩 윗면 중앙의 게이트면 위에는 단자선이 초음파로 용접되거나 납땜되어 부착된다. 그리고 사이리스터가 동작 중에 있을 때에는 내부의 온도가 많이 올라가므로 절연 피복 재료로는 실리콘고무가 사용되고 있다. 또한 게이트 단자가 빠져나가는 부분은 절연성이 뛰어난 유리 봉합재로 봉합된다. 따라서 단자 재료로는 텅스텐과 같이 전기전도성이 우수하고 유리와의 접합성이 뛰어난 재료가 사용된다. 캐소드면 위에 니켈 등이 도금된 몰리브덴판을 놓고 스프링으로 눌러 압착하거나 캐소드 패턴이 복잡하지 않을 경우에는 브레이징 혹은 고온납땜으로 부착한다. 그러나 전류용량이 커지면 스위칭 시간과 전압상승률 특성 향상을 위하여 캐소드 패턴이 복잡해지므로 땜납 등으로 부착하는 것이 어려워진다. 또한 전극 면적이 커지면 실리콘과 전극 재료 사이에 나타나는 열응력 때문에 캐소드를 접착하는 것 보다 압착방법으로 접착하는 것이 유리하다. 따라서 이러한 구조에서는 애노드 방향으로만 방열시킬 수 있기 때문에 방열특성이 제한되므로 최대 400A 정도의 정격전류로 제한되는 문제점이 있다.

디스크형 패키지는 고전압, 대용량 칩의 경우 스터드형과 같은 단면 방열 구조에 탑재하는 것은 불가능하다. 따라서 도 1 의 단면 구조와 같이 양면 방열 구조체 내에 실리콘칩을 실장한다. 이러한 구조는 방열 특성이 뛰어나기 때문에 수 kV, 수 kA 급까지 응용된다. 이 구조는 스터드 구조와 거의 동일하나 캐소드 측이 압착 접착되어 있고 애노드 측은 웰딩되는 구조와 애노드 및 캐소드 양쪽이 웰딩되어 있는 두 가지의 경우가 있다.

한편, 디스크형 패키지에서 게이트는 스프링으로 눌러지며 단자는 자기질 절연체 면에서 빠져나오도록 되어 있다. 특히, 절연 애관을 통과하는 지점에서의 게이트 단자는 관으로 되어 최종 조립 후 이 관을 통하여 내부를 진공으로 만든 뒤 절연 가스를 채우고 봉합할 수 있도록 되어 있다.

상기한 바와 같은 디스크형 패키지는 대전력을 구동하는 시스템에 적용되기 때문에 신뢰성 있게 제작되는 것이 매우 중요하다. 디스크형 패키지는 양면 방열체 구조를 갖기 때문에 대전력 소자에 유용하게 적용이 가능한 반면에 소용량의 패키지 구조 보다 복잡하고 사용되는 부품이 많기 때문에 이들 부품들의 조립시에 공정 안정성을 보장하기 위해서는 각각의 재료를 준비하는 단계에서부터 재료의 정렬 및 웰딩 또는 압착의 최종 봉합공정에 이르기까지 공정의 안정성이 매우 중요한 요소가 된다.

한편, 도 2 에 도시된 바와 같이, 웰딩공정에 사용되는 반도체 패키지장치는 챔버 내부에는 샘플 세팅척(38), 샘플위치 정렬레버(42), 샘플 고정지그(40), 웰딩팁(도시되지 않음) 및 챔버입구덮개(도시되지 않음)로 구성되어 있다. 챔버 외부에는 아아크 웰딩에 필요한 아르곤 가스 및 챔버 내부의 압력을 제어할 수 있는 펌핑 시스템 등의 부가적인 장치들(도시되지 않음)이 연결되어 있다. 샘플위치 정렬레버(42)는 3 개의 레버가 샘플을 중심으로 정삼각형으로 배치되어 있으며, 각 레버의 단부에는 자체회전링(44)이 샘플 세팅척(38) 위에 고정된 샘플의 웰딩면(34)에 접촉과 비접촉이 가능하도록 좌우로 움직일 수 있게 되어 있으므로 레버를 접촉시키고 샘플을 회전시키면 샘플위치 정렬레버(42)가 웰딩면(34)을 지지하고 있으므로 샘플이 샘플 세팅척(38)의 중앙에 정확하게 정렬된다. 샘플정렬이 끝나면 샘플 고정지그(40)로 샘플 상부를 일정 압력으로 눌러 샘플이 완전히 고정되도록 한 후 수동으로 웰딩될 면 사이를 균일하게 조정하고 줄(file)을 사용하여 산화막을 제거하기 위해 웰딩면(34)을 약간 갈아낸다. 이어서 챔버입구덮개를 닫고 펌핑 시스템을 동작시켜 챔버 내부의 압력을 조절한 후 웰딩 팁을 일정 간격으로 웰딩면(34)에 세팅하고 샘플 세팅척(38)을 회전시키면서 아르곤 아아크 웰딩을 실시하게 된다.

그런데, 상기한 바와 같은 일반적인 웰딩공정을 실시함에 있어서 도 3 에 도시된 바와 같은 종래의 자체회전링(46)이 샘플위치 정렬레버(42)의 단부에서 단순히 회전하면서 웰딩면(34)을 지지하고 정렬하여 주는 역할만을 할 수 있도록 되어 있기 때문에 아아크 웰딩 전까지의 공정순서를 진행한 후 별도로 도 1 의 세라믹 케이스와 애노드 및 캐소드 전극 사이를 균일하게 해주고 웰딩면(34)의 산화에 의한 웰딩 효율을 높이기 위해 줄을 이용하여 웰딩면(34)을 갈아주어야 하는 비효율적인 공정이 추가되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 패키지 웰딩공정에 있어서 샘플의 위치조정, 웰딩면의 균일화, 공정시 발생한 오염원이나 산화막 제거 등의 공정을 동시에 실시함으로서 웰디 효율을 향상시켜 공정 안정화를 실현할 수 있는 패키지공정을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 패키지 웰딩 장치에 있어서 샘플위치 정렬레버의 단부에 부착된 자체회전링의 구조를 개선하여 샘플위치 정렬과 동시에 웰딩면의 균일한 접촉 상태 및 웰딩면의 산화막을 동시에 제거할 수 있는 패키지장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 패키지공정은, 애노드전극 상부에 반도체칩과 패키지 케이스를 탑재하고 상기 패키지 케이스 상부에 캐소드전극을 탑재하여 형성된 반도체 패키지를 정렬하고 상기 애노드전극과 상기 패키지 케이스 사이의 웰딩면 및 상기 캐소드전극과 상기 패키지 케이스 사이의 웰딩면을 웰딩하여 이루어지는 반도체 패키지공정에 있어서, 절삭날이 형성된 복수개의 지지대 사이에 상기 반도체 패키지의 상기 웰딩면을 위치시키고 상기 반도체 패키지를 회전시키면서 상기 지지대에 소정의 압력을 가하여 상기 반도체 패키지를 정렬시키는 동시에 상기 웰딩면의 형성된 오염물질을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 패키지장치는, 상부에 반도체 패키지가 적재되는 회전 가능한 샘플 세팅척과, 상기 샘플 세팅척 상부에 적재되는 반도체 패키지 상부에 하방으로 소정의 압력을 가하는 회전 가능한 샘플 고정지그와, 상기 샘플 세팅척 상부에 적재되는 반도체 패키지의 웰딩면을 지지하는 자체회전링과, 상기 자체회전링을 지지하며 상기 반도체 패키지의 웰딩면 방향으로 소정의 압력을 가하는 샘플위치 정렬레버로 구성된 반도체 패키지장치에 있어서, 상기 자체회전링의 둘레에는 요홈이 형성되어 있으며 상기 요홈에는 절삭날이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1 은 디스크형 반도체 패키지의 단면 구조를 나타내는 도면.

도 2 는 디스크형 반도체 패키지의 웰딩공정에 사용되는 반도체 패키지장치를 나타내는 개략적인 도면.

도 3 은 도 2 의 반도체 패키지장치에 사용되는 자체회전링의 구조를 나타내는 도면.

도 4 는 본 발명에 따른 자체회전링의 구조를 나타내는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 애노드전극12 : 구리판

14 : 스틸판16 : 반도체칩

18 : 게이트전극20 : 게이트전극 완충스프링

22 : 게이트전극 격리 테프론링24 : 게이트 리드선

26 : 세라믹 케이스28 : 게이트전극정렬 캐소드전극

30 : 캐소드전극32 : 테프론링

34 : 웰딩면36 : 챔버

38 : 샘플 세팅척40 : 샘플 고정지그

42 : 샘플위치 정렬레버44,46,50 : 자체회전링

48 : 링지지대52 : 절삭날

54 : 절삭날 지지대

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 4 를 참조하면, 본 발명의 패키지장치에 사용되는 자체회전링(50)의 둘레에는 요홈이 형성되어 있으며 상기 요홈에는 반도체 패키지의 웰딩면(34)에 대응하는 크기를 가진 디귿자 형태의 절삭날(52)이 삽입되어 있다. 상기 절삭날(52)은 절삭날 지지대(54)에 의해 고정 지지되며 절삭날 지지대(54)로부터 반도체 패키지의 웰딩면(34) 방향으로 소정의 압력을 받도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 자체회전링(52)이 장착된 반도체 패키지장치에서 디스크형 반도체 패키지의 정렬 및 웰딩공정이 이루어지는 순서를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 1 에 도시된 바와 같이, 애노드전극(10) 상부에 반도체칩(16)을 탑재하고 세라믹 케이스(26)와 캐소드전극(30)을 장착하여 형성된 반도체 패키지는 후속공정인 웰딩공정을 위해 도 2 의 반도체 패키지장치로 이동된다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 반도체 패키지는 샘플 세팅척(38) 상부에 적재되고 반도체 패키지의 웰딩면(34)은 정 3 각형 형태로 배치된 샘플위치 고정레버(42)의 단부에 장착된 자체회전링(44)의 고속도강으로 제조된 절삭날(52) 안으로 삽입되어 지지되며 상기 반도체 패키지의 상부에는 샘플 고정지그(40)가 하방으로 일정한 압력을 가하면서 반도체 패키지를 지지하고 있다.

상기와 같이 반도체 패키지장치에 반도체 패키지를 장착한 후 상기 샘플 세팅척과(38) 상기 샘플 고정지그(40)를 회전시키는 동시에 상기 샘플위치 정렬레버(42)를 통해 상기 자체회전링(44)에 반도체 패키지의 웰딩면(34) 방향으로 소정의 압력을 가하면서 반도체 패키지의 정렬작업이 진행된다. 이때 반도체 패키지의 웰딩면(34)은 도 4 에 도시된 디귿자 형태의 절삭날(52)의 안쪽에 삽입되어 상기한 바와 같이 샘플위치 정렬레버(42)를 통해 소정의 압력을 받으면서 회전되기 때문에 반도체 패키지의 애노드전극(10)과 세라믹 케이스(26) 및 캐소드전극(30)이 정렬되면서 동시에 웰딩면(34)의 표면에 형성된 산화막 등의 오염물질이 절삭날(52)에 의해 제거된다.

상기와 같이 정렬되고 웰딩면(34)의 오염물이 제거된 반도체 패키지는 회전하면서 웰딩면(34)을 따라 웰딩공정이 진행되어 반도체 패키지공정이 마무리된다.

따라서, 본 발명은 반도체 패키지공정에서 반도체 패키지의 정렬 및 웰딩면의 산화막 등의 오염물질 제거가 동시에 수행되기 때문에 패키지공정을 단순화시킬 수 있고 반도체 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 애노드전극 상부에 반도체칩과 패키지 케이스를 탑재하고 상기 패키지 케이스 상부에 캐소드전극을 탑재하여 형성된 반도체 패키지를 정렬하고 상기 애노드전극과 상기 패키지 케이스 사이의 웰딩면 및 상기 캐소드전극과 상기 패키지 케이스 사이의 웰딩면을 웰딩하여 이루어지는 반도체 패키지공정에 있어서, 절삭날이 형성된 복수개의 지지대 사이에 상기 반도체 패키지의 상기 웰딩면을 위치시키고 상기 반도체 패키지를 회전시키면서 상기 지지대에 소정의 압력을 가하여 상기 반도체 패키지를 정렬시키는 동시에 상기 웰딩면의 형성된 오염물질을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 반도체 패키지공정.
2. 상부에 반도체 패키지가 적재되는 회전 가능한 샘플 세팅척과, 상기 샘플 세팅척 상부에 적재되는 반도체 패키지 상부에 하방으로 소정의 압력을 가하는 회전 가능한 샘플 고정지그와, 상기 샘플 세팅척 상부에 적재되는 반도체 패키지의 웰딩면을 지지하는 자체회전링과, 상기 자체회전링을 지지하며 상기 반도체 패키지의 웰딩면 방향으로 소정의 압력을 가하는 샘플위치 정렬레버로 구성된 반도체 패키지장치에 있어서, 상기 자체회전링의 둘레에는 요홈이 형성되어 있으며 상기 요홈에는 절삭날이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지장치.