KR101175613B1 - 소자 패키지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소자 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소자의 방열효율을 향상시시킨 소자 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 소자 패키지는 작동시 열을 방출하는 소자가 실장되는 소자 패키지로서, 상부영역보다 하부영역이 넓게 형성되고, 상기 상부영역에는 상기 소자가 실장되는 실장부가 형성되는 제 1 베이스와; 루프 타입으로 형성되어 상기 제 1 베이스에 접합되는 제 2 베이스와; 상기 제 2 베이스에 접합되는 적어도 하나 이상의 절연체와; 상기 절연체에 접합되어 상기 소자와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드프레임을 포함한다.

Description

소자 패키지 및 그 제조 방법{Device package and Method of manufacturing the same}

본 발명은 소자 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소자의 방열효율을 향상시시킨 소자 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전자부품으로는 고주파 디바이스, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 등과 같은 소자가 사용되고 있다. 이러한 소자들은 작동시에 발열량이 많기 때문에 발생하는 열을 대기 중으로 양호하게 발산시키지 않으면 장치를 정상적으로 작동시킬 수 없게 되는 문제점이 있었다.

근래에는 전자부품의 성능을 향상시켜 점점 소자의 고용량화 및 고출력화가 이루어지고 있는 실정이다. 이와 같이 소자의 고용량화 및 고출력화는 작동시 고열을 발생시키기 때문에 고열의 효율적인 방열을 위하여 소자를 금속 소재의 베이스에 실장시키는 방식을 사용하고 있다. 이때 금속 소재의 베이스를 사용하기 때문에 베이스에 절연체를 부착하고, 절연체에 소자와 전기적으로 연결되는 리드프레임을 형성하게 된다.

그러나, 베이스의 열팽창계수와 소자 및 절연체의 열팽창계수가 다른 관계로 소자에서 고열이 발생되면 열팽창계수의 차이로 인하여 소자가 실장되어 있는 베이스에 상당한 응력이 발생되어 소자 및 절연체가 베이스에서 분리되는 등의 문제가 발생되었다.

특히, 베이스와 소자는 열팽창계수의 차이에 의해 베이스에서 발생된 응력이 소자에 전달되는 경우에는 소자가 손상되는 등의 문제점이 발생할 뿐만 아니라 베이스가 변형 또는 손상되거나, 소자와 베이스가 분리되는 문제가 발생되었다.

또한, 베이스가 변형되면 소자와 베이스 및 소자와 절연체의 접합상태가 불량해져서 베이스에 의한 방열효과가 저하되는 문제가 발생되었다.

본 발명은 소자에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있는 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공한다.

특히, 금속 소재의 베이스에서 패키지가 기판에 실장되는 영역인 하부 영역을 넓게 확장시켜 방열 효과를 향상시킨 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공한다.

또한, 소자가 실장되는 제 1 베이스와 절연체 사이에 제 1 베이스보다 낮은 열팽창계수를 갖는 재료로 제 2 베이스를 형성하여 제 1 베이스와 절연체 사이에서 발생되는 열팽창 차이를 완충시킬 수 있는 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공한다.

그리고, 제 1 베이스와 제 2 베이스의 부착시에 짧은 시간에 용접되도록 하여 제 1 베이스 및 제 2 베이스의 열변형을 억제할 수 있는 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 소자 패키지는 작동시 열을 방출하는 소자가 실장되는 소자 패키지로서, 상부영역보다 하부영역이 넓게 형성되고, 상기 상부영역에는 상기 소자가 실장되는 실장부가 형성되는 제 1 베이스와; 루프 타입으로 형성되어 상기 제 1 베이스에 접합되는 제 2 베이스와; 상기 제 2 베이스에 접합되는 적어도 하나 이상의 절연체와; 상기 절연체에 접합되어 상기 소자와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드프레임을 포함한다.

상기 제 1 베이스 및 제 2 베이스는 금속 소재이고, 상기 제 2 베이스의 열팽창계수는 상기 제 1 베이스의 열팽창계수보다 낮은 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 베이스는 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금이고, 상기 제 2 베이스는 코바(Kovar), Fe-Ni합금, 몰리브덴(Mo), 몰리브덴(Mo)합금, 텅스텐(W) 및 텅스텐(W)합금 중 어느 하나 또는 그 합금인 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 베이스의 하부영역에는 가장자리에서 측방으로 연장되는 연장부가 형성되고, 상기 절연체는 상기 연장부의 상면에 접합되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 베이스와 제 2 베이스는 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)으로 접합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지 제조방법은 소자가 실장되는 소자 패키지를 제조하는 방법으로서, 일면에 상기 소자가 실장되는 실장부를 갖는 제 1 베이스를 준비하는 과정과; 상기 제 1 베이스보다 낮은 열팽창계수를 갖는 재료를 사용하여 제 2 베이스를 준비하는 과정; 상기 제 1 베이스와 제 2 베이스를 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)으로 접합시키는 과정을 포함한다.

그리고, 세라믹 재료를 사용하여 절연체를 준비하는 과정과; 상기 제 2 베이스와 상기 절연체를 브레이징(brazing)으로 접합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 소자가 실장되는 제 1 베이스에서 패키지가 기판에 실장되는 영역인 하부 영역을 넓게 형성함에 따라 소자에서 발생되는 열의 방출 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 제 1 베이스의 열변형을 최대한 억제하여 제 1 베이스와 소자가 분리되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 소자가 실장되는 제 1 베이스와 절연체 사이에 제 1 베이스보다 낮은 열팽창계수를 갖는 재료로 제 2 베이스를 형성함에 따라 소자에서 발생되는 열에 의해 제 1 베이스와 절연체 사이에서 발생되는 열팽창 차이를 완충시켜 제 1 베이스와 절연체가 분리되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 제 1 베이스와 제 2 베이스를 부착할 때 부착시간이 상당히 짧은 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)을 사용하여 제 1 베이스 및 제 2 베이스가 용접열에 의해 변형되는 것을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 분해사시도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 분해사시도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지의 제조방법을 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 소자 패키지(100)는 소자(10)가 실장되는 실장부(111)가 형성되는 제 1 베이스(110)와; 루프 타입으로 형성되어 상기 제 1 베이스(110)에 접합되는 제 2 베이스(120)와; 상기 제 2 베이스(120)에 접합되는 적어도 하나 이상의 절연체(130)와; 상기 절연체(130)에 접합되어 상기 소자(10)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드프레임(140)을 포함한다.

먼저, 본 발명에서 설명되는 소자(10)는 작동시 열이 발생되는 전자부품으로서, 예를 들어 고주파 디바이스, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 등과 같은 소자가 사용될 수 있다. 물론 상기 소자(10)는 제시된 소자에 한정되지 않고, 작동시 열이 발생되고, 발생되는 열을 효과적으로 방열시켜야 하는 다양한 소자가 사용될 수 있을 것이다.

상기 제 1 베이스(110)는 소자(10)에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시키는 금속 소재로서, 특히 방열 효과를 향상시키기 위하여 소자 패키지(100)가 별도의 기판에 실장되는 영역인 하부영역(110b)을 넓게 확장시킨 형상을 갖는다. 예를 들어 제 1 베이스(110)는 상부영역(110a)과 하부영역(110b)으로 구분되고, 상부영역(110a)은 대략 사각형의 단면을 갖는 육면체 형상을 하고, 하부영역(110b)은 상부영역(110a)과 대응되는 형상으로 형성되되, 가장자리에서 측방으로 연장되는 연장부(112)가 형성된다. 그래서 제 1 베이스(110)의 전체적인 형상은 상부영역(110a)과 하부영역(110b) 사이에 단차가 형성되어 하부영역(110b)이 상부영역(110a)보다 넓게 확장된 형상을 갖는다. 물론 제 1 베이스(110)의 형상은 제시된 형상에 한정되지 않고 하부영역(110b)이 상부영역(110a)보다 넓게 확장된 형상으로 형성되어 열이 방출되는 면적이 넓게 형성되는 다양한 형상으로 변경될 수 있을 것이다.

상기 제 1 베이스(110)는 실장부(111)가 형성되어 소자(10)가 직접 실장됨에 따라 소자(10)에서 발생되는 열을 직접 전도시킨다. 이에 따라 상기 제 1 베이스(110)는 열전도율이 높은 금속 소재로 마련되는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 제 1 베이스(110)는 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금이 사용될 수 있다. 하지만 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금은 열전도율이 좋은 장점이 있지만 열팽창 계수가 높다는 단점이 있다.

상기 제 1 베이스(110)에 형성되는 실장부(111)는 제 1 베이스(110)의 상부영역(110a)의 상면을 정의하는 것으로서, 상기 실장부(111)는 특정 영역에 한정되지 않고, 제 1 베이스(110)의 상면 중 소자(10)가 실장될 수 있는 영역 어디라도 무관하다.

제 2 베이스(120)는 상기 제 1 베이스(110)와 절연체(130) 사이의 열팽창계수 차이를 완충시키는 역할을 한다. 상기 제 2 베이스(120)는 상기 제 1 베이스(110)의 연장부(112) 상면에 접합된다. 이에 따라 상기 제 2 베이스(120)는 상기 연장부(112)의 형상에 대응되는 사각형 또는 원형을 루프(loop) 형상을 갖는 것이 바람직하다. 상기 제 2 베이스(120)의 형상은 상기 제 1 베이스(110) 및 상기 연장부(112)에 대응하여 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

상기 제 2 베이스(120)는 상기 제 1 베이스(110)보다 낮은 열팽창계수를 갖는 금속 재료 또는 세라믹 재료로 마련된다. 예를 들어 상기 제 2 베이스(120)는 코바(Kovar), Fe-Ni합금(alloy 42 또는 alloy 52), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴(Mo)합금, 텅스텐(W) 및 텅스텐(W)합금 중 어느 하나 또는 그 합금이 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 코바(Kovar)는 세라믹과 유리(glass)의 열팽창특성과 적합한 소재로서 다양한 반도체 부품 및 전자 제품의 실링 및 접합 소재로 적용되고 재료이다.

상기와 같이 제 1 베이스(110) 및 제 2 베이스(120)는 용접에 의한 방법으로 접합되는데, 금속 재료인 제 1 베이스(110) 및 제 2 베이스(120)는 용접시에 용접열에 의해 열변형이 발생될 수 있다. 그래서 본 실시예에서는 제 1 베이스(110) 및 제 2 베이스(120)의 접합시 제 1 베이스(110) 및 제 2 베이스(120)의 열변형을 최대한 억제하기 위하여 순간적으로 용접이 이루어지는 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)을 이용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 준비되는 제 1 베이스(110)에는 소자(10)가 실장되고, 제 2 베이스(120)의 상면에는 소자(10)와 전기적으로 연결되는 리드프레임(140)이 마련된다. 이때 상기 제 2 베이스(120)와 리드프레임(140) 사이에는 절연을 위한 절연체(130)가 구비된다.

상기 절연체(130)는 상기 제 2 베이스(120)와 리드프레임(140)을 절연시키는 수단으로서, 세라믹 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 절연체(130)는 상기 제 2 베이스(120)의 상면에 적어도 하나 이상 구비된다. 본 실시예에서는 상기 제 2 베이스(120)의 형상에 대응하도록 대략 "ㅁ"자 형상으로 상기 절연체(130)을 제작하였다. 이에 따라 상기 절연체(130)의 내부에 제 1 베이스(110)의 실장부(111)가 형성된다. 물론 상기 절연체(130)의 형상은 제시된 실시예에 한정되지 않고 상기 제 2 베이스(120)와 리드프레임(140)을 절연시킬 수 있는 다양한 형상으로 변경되어 구현될 수 있다.

상기 리드프레임(140)은 상기 소자(10)와 와이어(11)에 의해 전기적으로 연결되어 외부의 전원과 전기적으로 연결시키는 수단으로서, 적어도 한 쌍 이상의 금속편이 사용된다. 그래서 각각의 리드프레임(140)이 상기 절연체(130)에 각각 접합된다. 상기 리드프레임(140)의 개수는 제 1 베이스(110)에 실장되는 소자(10)의 개수에 의해 다양하게 변경될 수 있다.

한편, 제 1 실시예에 따른 소자 패키지는 제 1 베이스의 형상을 다양하게 변경할 수 있다.

제 2 실시예에 따른 소자 패키지(200)는 소자 패키지(200)의 체결을 용이하게 실시하기 위하여 제 1 베이스(210)의 형상을 변경하였다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소자 패키지를 보여주는 분해사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 소자 패키지(200)는 제 1 실시예와 마찬가지로 소자(10)가 실장되는 실장부(211)가 형성되는 제 1 베이스(210)와; 루프 타입으로 형성되어 상기 제 1 베이스(210)에 접합되는 제 2 베이스(220)와; 상기 제 2 베이스(220)에 접합되는 적어도 하나 이상의 절연체(230)와; 상기 절연체(230)에 접합되어 상기 소자(10)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드프레임(240)을 포함한다.

제 2 실시예에 따른 소자 패키지(200)는 제 1 베이스(210)의 형상을 변경하여 소자 패키지(200)를 소정의 제품, 예를 들어 기판에 용이하게 부착할 수 있도록 하였다.

상기 제 2 베이스(220), 절연체(230) 및 리드프레임(240)은 제 1 실시예에 설명된 구성요소와 동일한 구성 및 작용을 하는 구성요소이기 때문에 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

다만 제 1 베이스(210)는 제 1 실시예와 같이 실장부(211)가 형성되는 상부영역(210a)과 연장부(212)가 형성되는 하부영역(210b)으로 구분되고, 하부영역(201b)에 형성되는 연장부(212)에는 볼트 등과 같은 체결부재의 체결을 위한 관통공(213)이 형성된다. 이때 상기 관통공(213)을 형성을 위하여 연장부(212) 중 일부 영역이 다른 영역보다 넓게 확장될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 연장부(212)가 상기 제 1 베이스(210)와 같은 평면상에서 서로 반대되는 방향으로 길게 더 연장하여 형성하였다. 그리고, 연장부(212) 중 더 연장된 영역에 하나씩의 관통공(213)을 형성하였다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 소자 패키지의 제조방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 소자 패키지의 제조방법을 보여주는 순서도이다.

도면에 도시된 바와같이 본 발명에 다른 소자 패키지는 먼저, 일면에 상기 소자가 실장되는 실장부(111)를 갖는 제 1 베이스(110)를 준비하고, 상기 제 1 베이스(110)보다 낮은 열팽창계수를 갖는 재료를 사용하여 제 2 베이스(120)를 준비한다. 그리고, 세라믹 재료를 사용하여 절연체(130)를 준비한다.

이렇게 제 1 베이스(110), 제 2 베이스(120) 및 절연체(130)가 준비되었다면 제 2 베이스(120)와 절연체(130)를 접합시킨다. 이때 제 2 베이스(120)와 절연체(130)는 금속 재료와 세라믹 재료의 접합이기 때문에 이종 접합에 사용되는 브레이징(brazing)을 사용하여 접합한다. 브레이징은 은구리(AgCu)합금을 사용하여 실시한다.

제 2 베이스(120)에 절연체(130)를 접합하였다면 제 1 베이스(110)에 제 2 베이스(120)를 접합시킨다. 이때 제 1 베이스(110)와 제 2 베이스(120)는 금속 재료이기 때문에 용접 시간이 길어질 경우에는 용접열에 의한 열변형이 발생될 수 있다. 이에 따라 제 1 베이스(110)와 제 2 베이스(120)의 용접은 용접시간이 짧은 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)을 사용하여 접합한다. 그래서 제 1 베이스(110)와 제 2 베이스(120)의 용접시에 발생될 수 있는 열변경을 최대한 억제한다.

이렇게 제 1 베이스(110), 제 2 베이스(120) 및 절연체(130)의 접합이 완료되었다면 절연체(130)의 상부에 한 쌍의 리드프레임(140)을 접합시킨 다음, 제 1 베이스(110)의 실장부(111)에 소자(10)를 실장시킨다. 그리고, 한 쌍의 와이어(11)를 이용하여 소자(10)와 한 쌍의 리드프레임(140)을 각각 전기적으로 연결시킨다.

전술된 실시예에서는 제 2 베이스(120)와 절연체(130)를 먼저 접합시킨 다음 제 1 베이스(110)와 제 2 베이스(120)를 접합시켰지만, 이에 한정되지 않고 제 1 베이스(110)와 제 2 베이스(120)를 먼저 접합시킨 다음 제 2 베이스(120)에 절연체(130)를 접합시킬 수도 있다.

상기와 같이 다양한 실시예에 따라 구비되는 소자 패키지(100, 200)는 소자(10)의 작동시에 소자(10)에서 고열이 발생하면 열전도율이 좋은 제 1 베이스(110, 210)로 빠르게 전도되어 효과적으로 방출된다. 이때 제 1 베이스(110, 210)의 하부영역(110b, 210b)이 소자가 실장되는 상부영역(110a, 210a)보다 넓게 형성되어 있기 때문에 소자(10)에서 발생되는 열이 상부영역(110a, 210a)에서 하부영역(110b, 210b)으로 빠르게 전도되고, 보다 넓은 영역에서 열이 방출되기 때문에 열의 방출 효율을 향상된다. 이에 따라 제 1 베이스(110, 210)가 열변형되는 것을 최대한 억제하여 제 1 베이스(110, 210)와 소자(10)의 결합상태가 항상 양호하게 유지될 수 있다.

또한, 제 1 베이스(110, 210)와 절연체(130, 230) 사이에서 발생되는 열팽창 차이를 제 2 베이스(120, 220)가 완충시킬 수 있어 제 1 베이스(110, 210)와 절연체(130, 230)가 분리되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

10: 소자 110, 210: 제 1 베이스
111, 211: 실장부 112, 212: 연장부
120, 220: 제 2 베이스 130, 230: 절연체
140, 240: 리드프레임

Claims (7)

1. 작동시 열을 방출하는 소자가 실장되는 소자 패키지로서,
   상부영역보다 하부영역이 넓게 형성되고, 상기 상부영역에는 상기 소자가 실장되는 실장부가 형성되는 제 1 베이스와;
   루프 타입으로 형성되어 상기 제 1 베이스에 접합되는 제 2 베이스와;
   상기 제 2 베이스에 접합되는 적어도 하나 이상의 절연체와;
   상기 절연체에 접합되어 상기 소자와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드프레임을 포함하는 소자 패키지.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 1 베이스 및 제 2 베이스는 금속 소재이고, 상기 제 2 베이스의 열팽창계수는 상기 제 1 베이스의 열팽창계수보다 낮은 소자 패키지.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제 1 베이스는 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금이고,
   상기 제 2 베이스는 코바(Kovar), Fe-Ni합금, 몰리브덴(Mo), 몰리브덴(Mo)합금, 텅스텐(W) 및 텅스텐(W)합금 중 어느 하나 또는 그 합금인 소자 패키지.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 1 베이스의 하부영역에는 가장자리에서 측방으로 연장되는 연장부가 형성되고,
   상기 절연체는 상기 연장부의 상면에 접합되는 소자 패키지.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 1 베이스와 제 2 베이스는 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)으로 접합되는 소자 패키지.
   
6. 소자가 실장되는 소자 패키지를 제조하는 방법으로서,
   일면에 상기 소자가 실장되는 실장부를 갖는 제 1 베이스를 준비하는 과정과;
   상기 제 1 베이스보다 낮은 열팽창계수를 갖는 재료를 사용하여 제 2 베이스를 준비하는 과정;
   상기 제 1 베이스와 제 2 베이스를 레이저 용접(laser welding) 또는 심 용접(seam welding)으로 접합시키는 과정을 포함하는 소자 패키지 제조 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   세라믹 재료를 사용하여 절연체를 준비하는 과정과;
   상기 제 2 베이스와 상기 절연체를 브레이징(brazing)으로 접합하는 소자 패키지 제조 방법.
   

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