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KR101388779B1 - 반도체 패키지 모듈 - Google Patents

반도체 패키지 모듈 Download PDF

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KR101388779B1
KR101388779B1 KR1020120068102A KR20120068102A KR101388779B1 KR 101388779 B1 KR101388779 B1 KR 101388779B1 KR 1020120068102 A KR1020120068102 A KR 1020120068102A KR 20120068102 A KR20120068102 A KR 20120068102A KR 101388779 B1 KR101388779 B1 KR 101388779B1
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Abstract

본 발명은 반도체 패키지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열로 인해 집적화가 어려운 전력 반도체 소자들을 모듈화 한 반도체 패키지 모듈에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 반도체 패키지 모듈은, 다수의 반도체 패키지; 및 내부에 유로가 형성되는 관 형상으로, 상기 반도체 패키지가 삽입되는 적어도 하나의 관통 구멍을 갖는 방열 부재;를 포함하며, 상기 반도체 패키지들은 단면이 사각 형상으로 형성되며 상기 방열 부재 내에 다수 개가 나란하게 삽입되어 배치되고, 상기 방열 부재는 상기 유로 내에서 돌출되는 형태로 형성되어 상기 유로에 흐르는 냉매의 흐름을 상기 반도체 패키지 측으로 유도하는 적어도 하나의 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 상기 유로 내에서 인접하게 배치되는 상기 관통 구멍들 사이의 공간에 형성될 수 있다.

Description

반도체 패키지 모듈{SEMICONDUCTOR PACKAGE MODULE}
본 발명은 반도체 패키지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열로 인해 집적화가 어려운 전력 반도체 소자들을 모듈화 한 반도체 패키지 모듈에 관한 것이다.
최근 전자제품 시장은 휴대용으로 급격히 그 수요가 증가하고 있으며, 이를 만족하기 위해 이들 시스템에 실장되는 전자 부품들의 소형화 및 경량화가 요구되고 있다.
이에 따라 전자 소자 자체의 크기를 줄이는 방법 외에도 최대한 많은 소자와 도선을 정해진 공간 내에 설치하는 방법이 반도체 패키지 설계에 있어 중요한 과제가 되고 있다.
한편, 전력용 반도체 소자의 경우, 구동 시 대량의 열이 발생한다. 이러한 고열은 전자 제품의 수명과 작동에 영향을 주기 때문에 패키지의 방열 문제 또한 중요한 이슈가 되고 있다.
이를 위해 종래의 전력 반도체 패키지는 전력소자와 제어소자를 회로기판의 일면에 모두 실장하고 회로기판의 타면에는 열을 방출하기 위한 방열판을 배치하는 구조를 이용하고 있다.
그러나 이러한 종래의 전력 반도체 패키지는 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저?패키지 소형화에 따라 동일한 공간에 배치된 반도체 소자의 수가 늘어나 패키지의 내부에서 대량의 열이 발생하게 되는데, 방열판이 패키지의 하부에만 배치되는 구조이어서 방열이 효율적으로 이루어질 수 없었다.
또한, 종래의 반도체 패키지 모듈은 다수개의 반도체 패키지를 하나의 방열판에 체결하는 구조가 주로 이용되었다. 따라서 종래의 경우, 모듈화된 다수의 반도체 패키지들 중 어느 하나에 이상이 발생하게 되면, 이상이 발생된 반도체 패키지만을 교체할 수 없기 때문에 반도체 패키지 모듈 전체를 교체해야 한다는 단점이 있다.
한국특허공개공보 제1998-0043254호
본 발명은 방열 특성이 좋은 반도체 패키지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 패키지를 개별적으로 교체할 수 있는 반도체 패키지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈은, 다수의 반도체 패키지; 및 내부에 유로가 형성되는 관 형상으로, 상기 반도체 패키지가 삽입되는 적어도 하나의 관통 구멍을 갖는 방열 부재;를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 반도체 패키지들은, 단면이 사각 형상으로 형성되며 상기 방열 부재 내에 다수 개가 나란하게 삽입되어 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 방열 부재는, 상기 유로 내에서 돌출되는 형태로 형성되어 상기 유로에 흐르는 냉매의 흐름을 상기 반도체 패키지 측으로 유도하는 적어도 하나의 돌출부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 돌출부는, 상기 유로 내에서 인접하게 배치되는 상기 관통 구멍들 사이의 공간에 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 반도체 패키지들은, 모서리가 서로 인접하게 위치하도록 배치되는 마름모 형태로 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 방열 부재는, 상기 유로가 상기 반도체 패키지들의 배치 형태를 따라 전체적인 경로가 다이아몬드 패턴 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 반도체 패키지 모듈은, 상기 반도체 패키지들의 외부 접속 단자들이 연결되는 기판을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 반도체 패키지 모듈은, 상기 반도체 패키지들의 외부 접속 단자들 중 공통 접속 단자를 모두 전기적으로 연결하는 버스 바를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 반도체 패키지는, 편평한 판 형태로 형성되는 공통 접속 단자; 상기 공통 단자의 양면에 각각 접합되는 제1, 제2 전자 소자; 편평한 판 형태로 형성되어 상기 제1 전자 소자에 접합되는 제1, 제2 접속 단자; 및 편평한 판 형태로 형성되고 상기 제2 전자 소자에 접합되는 제3 접속 단자;를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제1 전자 소자는 전력 반도체 소자이고, 상기 제2 전자 소자는 다이오드 소자일 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 공통 접속 단자는 컬렉터 단자이고, 상기 제1 접속 단자는 게이트 단자, 상기 제2 접속 단자는 에미터 단자, 상기 제3 접속 단자는 애노드 단자일 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 공통 접속 단자, 상기 제1 접속 단자, 상기 제2 접속 단자, 및 상기 제3 접속 단자는 서로 나란하게 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제1 접속 단자, 상기 제2 접속 단자, 및 상기 제3 접속 단자는 상기 반도체 패키지의 일면으로 돌출되고, 상기 공통 접속 단자는 상기 반도체 패키지의 타면으로 돌출될 수 있다.
본 실시예에 있어서 반도체 패키지 모듈은, 상기 제1, 제2 접속 단자의 외측과 상기 제3 접속 단자의 외측 중 적어도 어느 한 곳에는 방열을 위한 베이스 기판이 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 반도체 패키지는, 상기 베이스 기판의 적어도 한 면이 상기 방열 부재와 면 접촉하도록 상기 방열 부재와 결합할 수 있다.
본 실시예에 있어서 반도체 패키지 모듈은, 상기 제1, 제2 전자 소자들을 밀봉하는 몰딩부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 방열 부재는, 상기 관통 구멍의 양 단 중 어느 하나에 상기 반도체 패키지를 지지하는 적어도 하나의 지지 돌기가 형성될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈은, 내부에 냉매가 흐르기 위한 유로가 형성되는 방열 부재; 및 상기 방열 부재에 탈착 가능하도록 삽입되는 적어도 하나의 반도체 패키지;를 포함하며, 상기 반도체 패키지는 적어도 4면이 상기 방열 부재와 면 접촉할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 반도체 패키지들은, 모서리가 서로 인접하게 위치하도록 배치되며, 상기 유로는 전체적인 경로가 다이아몬드 패턴 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 패키지 모듈은 방열 부재를 이용하여 반도체 패키지에서 발생하는 열을 효과적으로 배출한다. 따라서 발열이 심한 전력 반도체 패키지들의 모듈화가 가능하다.
또한, 각각의 반도체 패키지들을 방열 부재로부터 용이하게 분리할 수 있다. 즉, 특정 반도체 패키지에 이상이 생기더라도 반도체 패키지 모듈 전체를 교체하지 않고, 해당 반도체 패키지만을 새로운 반도체 패키지로 교체할 수 있다. 따라서 반도체 패키지 모듈의 유지 보수가 용이하며 이상 발생 시에 처리 비용을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 반도체 패키지 모듈은 반도체 패키지가 방열 부재의 관통 구멍에 삽입되어 방열 부재에 결합됨에 따라, 반도체 패키지는 4면이 방열 부재와 면접촉하게 된다. 즉, 반도체 패키지의 베이스 기판뿐만 아니라, 베이스 기판이 없는 몰드부도 방열 부재와 면접촉하도록 배치된다.
이로 인해, 전자 소자로부터 베이스 기판으로 전달되는 열과, 몰드부를 통해 전달되는 열이 모두 방열 부재로 전달되어 외부로 방출될 수 있으므로 방열 효과를 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 반도체 패키지를 개략적으로 도시한 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 반도체 패키지를 투시하여 도시한 사시도.
도 4는 도 2의 A-A'에 따른 단면도.
도 5는 도 1의 A-B에 따른 단면을 도시한 단면도.
도 6은 도 1의 C-D에 따른 단면을 도시한 단면도.
도 7은 도 1에 도시된 반도체 패키지 모듈의 분해 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈을 개략적으로 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈의 유로 내 압력 저하와 그에 따른 방열 효율을 나타내는 그래프.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈은 적어도 하나의 반도체 패키지(100), 방열 부재(90), 기판(80), 및 버스 바(30)를 포함할 수 있다.
반도체 패키지(100)는 전력 반도체 소자를 구비하여 전력을 제공하는 전력 반도체 패키지일 수 있다.
도 2는 도 1의 반도체 패키지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 반도체 패키지를 투시하여 도시한 사시도이다. 또한 도 4는 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 전자 소자(10), 외부 접속 단자(20), 베이스 기판(60), 및 몰딩부(70)를 포함하여 구성될 수 있다.
전자 소자(10)는 수동 소자와 능동 소자 등과 같은 다양한 소자들을 포함할 수 있다. 특히 본 실시예에 따른 전자 소자(10)는 제1 전자 소자(12, 예컨대 전력 반도체 소자)와 제2 전자 소자(14, 예컨대 다이오드 소자)를 포함할 수 있다. 여기서 제1 전자 소자(12)인 전력 반도체 소자(12)는 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated - gate bipolar Transistor; IGBT)일 수 있으며, 제2 전자 소자(14)인 다이오드는 고속 회복 다이오드(Fast Recovery Diode; FRD)일 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 전력 반도체 소자(12)와, 전력 반도체 소자(12)의 전류 입력 전극 및 전류 출력 전극간에 접속되는 다이오드 소자(14)를 구비하는 전력 반도체 패키지(100)일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 실시예에 따른 전자 소자(10)에는 각각 다수의 전극이 형성될 수 있다. 구체적으로, 전력 반도체 소자(12)는 일면에 게이트(gate) 전극(12a)과 에미터(emitter) 전극(12b)이 형성되고 타면에 컬렉터(collector) 전극(12c)이 형성될 수 있다. 또한 다이오드 소자(14)는 일면에 캐소드(cathode) 전극(14a)이 형성되고, 타면에 애노드(anode) 전극(14b)이 형성될 수 있다.
특히 본 실시예에 따른 전자 소자들(10)은 상호 적층되는 형태로 배치된다. 즉, 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 평면상에 전자 소자들(10)이 배치되지 않고, 전력 반도체 소자(12)의 타면에 다이오드 소자(14)의 일면이 대향하도록 적층되며 배치된다.
이때, 전력 반도체 소자(12)와 다이오드 소자(14)는 후술되는 공통 접속 단자인 컬렉터 접속 단자(28)의 양면에 각각 접합되며 적층된다.
외부 접속 단자(20)는 다수개가 구비되며, 모두 편평한 판 형상의 금속 플레이트로 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 외부 접속 단자(20)는 각 전자 소자들(10)의 양면에 면접촉하며 각 전자 소자들(10)의 전극(12a~12c, 14a~14b)에 접합될 수 있다.
본 실시예에 따른 외부 접속 단자(20)는 개별 접속 단자인 제1, 제2, 제3 접속 단자(22, 24, 26)와, 공통 접속 단자(28)를 포함할 수 있다. 여기서 제1 접속 단자(22)는 게이트 전극(12a)에 연결되는 게이트 접속 단자(22)일 수 있고, 제2 접속 단자(24)는 에미터 전극(12b)에 연결되는 에미터 접속 단자(24)일 수 있으며, 제3 접속 단자(26)는 애노드 전극(14b)에 연결되는 애노드 접속 단자(26)일 수 있다. 또한 공통 접속 단자(28)는 컬렉터 전극(12c)에 연결되는 컬렉터 접속 단자(28)일 수 있다.
또한, 컬렉터 접속 단자(28)는 일면이 전력 반도체 소자(12)의 컬렉터 전극(12c)에 접합되고, 타면이 다이오드 소자(14)의 캐소드 전극(14a)에 접합된다. 즉 컬렉터 접속 단자(28)는 전력 반도체 소자(12)와 다이오드 소자(14) 사이에 개재되는 형태로 배치되며 접합된다.
이에 따라, 전력 반도체 소자(12)의 컬렉터 전극(12c)과 다이오드 소자(14)의 캐소드 전극(14a)은 컬렉터 접속 단자(28)에 의해 서로 전기적으로 연결되고, 컬렉터 접속 단자(28)를 공유하며 외부와 전기적으로 연결된다.
외부 접속 단자(20)들은 다수개가 편평한 판 형태로 형성되어 서로 나란하게 배치될 수 있다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 공통 접속 단자(28)와 다수의 개별 접속 단자들(22, 24, 26)이 서로 다른 방향(예컨대 반대 방향)을 따라 돌출되도록 배치되는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 외부 접속 단자(20)들 모두 동일한 방향으로 돌출되도록 배치하는 등 편평한 판 형태의 외부 접속 단자(20)들이 전자 소자들(10)과 면접촉하며 전자 소자들(10)과 접합될 수만 있다면 필요에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다.
이러한 외부 접속 단자(20)는 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등의 재질로 형성될 수 있으나, 본 발명이 이이 한정되는 것은 아니다.
베이스 기판(60)은 개별 접속 단자들(22, 24, 26)의 외측 중 적어도 어느 한 곳에 배치되어 전자 소자들(10)로부터 발생되는 열을 외부로 방출한다.
베이스 기판(60)은 열을 효과적으로 외부로 방출하기 위해 금속 재질로 형성될 수 있다. 여기서, 베이스 기판(60)으로는 비교적 저가로 손쉽게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 열전도 특성이 우수한 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 그라파이트(graphite) 등과 같이 금속이 아니더라도 열 전도 특성이 우수한 재질이라면 다양하게 이용될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는, 베이스 기판(60)과 외부 접속 단자(20)들이 전기적으로 연결되어 단락되는 것을 방지하기 위해 베이스 기판(60)과 외부 접속 단자(20)들 사이에는 절연층(65)이 개재될 수 있다.
절연층(65)은 열 전도도가 높고, 베이스 기판(60)과 외부 접속 단자(20)들을 상호 접합하여 견고하게 고정시킴과 동시에, 상호 간에 전기적으로 절연시킬 수 있는 재질이라면 다양하게 이용될 수 있다. 예컨대 절연층(65)은 에폭시 수지 등과 같은 절연성의 접착제에 의해 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
몰딩부(70)는 전자 소자들(10)과, 소자들(10)에 접합된 외부 접속 단자(20)들의 일부를 덮으며 밀봉하는 형태로 형성되어 외부 환경으로부터 전자 소자들(10)을 보호한다. 또한 전자 소자들(10)을 외부에서 둘러싸며 전자 소자들(10)을 고정시킴으로써 외부의 충격으로부터 전자 소자들(10)을 안전하게 보호한다.
한편, 본 실시예에서는 베이스 기판(60)의 몰딩부(70)의 외부에 부착되는 형태로 구성되는 경우를 예로 들고 있다. 이러한 경우 베이스 기판(60)의 5면이 외부에 노출되므로 방열 효과를 높일 수 있다.
그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 이러한 베이스 기판(60)의 일부가 몰딩부(70)에 묻히는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 베이스 기판(60)의 적어도 일면이 몰딩부(70)의 외부로 노출될 수 있다.
이러한 구성으로 인해, 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는, 베이스 기판(60)과 몰딩부(70)에 의해 대략 직육면체 형상으로 형성되며, 직육면체의 적어도 두 면에는 방열 기판(80)이 외부로 노출될 수 있다.
몰딩부(70)는 절연성 재료로 형성될 수 있다. 특히 열 전도도가 높은 실리콘 겔(Silicone Gel)이나 열전도성 에폭시(Epoxy), 폴리이미드(ployimide) 등의 재료가 이용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 반도체 패키지(100)의 외부면과 접촉하여 반도체 패키지(100)에서 발생되는 열을 흡수한 후 외부로 방출한다.
도 5는 도 1의 A-B에 따른 단면을 도시한 단면도이고, 도 6은 도 1의 C-D에 따른 단면을 도시한 단면도로, 버스 바(30)와 기판(80)은 생략하여 도시하였다. 또한 도 7은 도 1에 도시된 반도체 패키지 모듈의 분해 사시도이다.
도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 외벽을 형성하는 관 형태의 하우징과, 하우징의 내부에 형성되는 적어도 하나의 관통 구멍(98), 및 냉매가 유입 및 유출되는 유입구(91a)와 유출구(91b)를 포함할 수 있다.
관통 구멍(98)은 반도체 패키지(100)가 삽입되어 방열 부재(90)와 결합되는 구멍이다.
관통 구멍(98)은 방열 부재(90)의 하우징을 완전히 관통하는 형태로 형성되며, 반도체 패키지(100)의 형상에 대응하여 형태의 구멍으로 형성된다. 본 실시예의 경우 반도체 패키지(100)가 전체적으로 직육면체 형상으로 형성된다. 이에 따라, 관통 구멍(98)은 사각 형상의 단면을 갖는 구멍으로 형성될 수 있다.
또한 방열 부재(90)는 관통 구멍(98)의 양단에 형성되는 입구들 중 어느 하나에는 지지 돌기(94)가 형성될 수 있다. 지지 돌기(94)는 관통 구멍(98)에 삽입된 반도체 패키지(100)가 관통 구멍(98)으로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해 구비된다.
따라서, 반도체 패키지(100)는 관통 구멍(98)의 일단을 통해 삽입되고, 관통 구멍(98)의 타단에 형성된 지지 돌기(94)에 의해 타단으로 빠져나가지 않고 관통 구멍(98) 내에 고정된다.
또한 전술한 바와 같이 방열 부재(90)는 하우징은 파이프(pipe)의 형태로 형성될 수 있다. 따라서 하우징의 내부에는 빈 공간이 형성되며, 이러한 빈 공간은 냉매가 흐르는 유로(92)로 이용된다.
즉, 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 냉매를 이용하여 반도체 패키지(100)의 열을 방출시키는 방열 장치일 수 있다. 여기서 냉매로는 물 등의 액체나 기체가 사용될 수 있다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 냉매가 유로(92)로 유입되는 유입구(91a)와, 방열 부재(90)를 거치며 열을 흡수한 냉매가 방열 부재(90)의 외부로 유출되는 유출구(91b)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 경우 유입구(91a)와 유출구(91b)는 하우징의 양 단에 각각 배치된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 위치에 배치될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 방열 효과를 높이기 위해 유로(92) 내에 적어도 하나의 돌출부(94)가 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 돌출부(94)는 유로(92) 내에서 돌출되는 형태로 형성되어 유로(92)에 흐르는 냉매의 흐름을 반도체 패키지(100) 측으로 유도한다.
돌출부(94)는 관통 구멍(98)들 사이의 공간에 배치된다. 돌출부(94)에 의해 유로(92) 내를 이동하는 냉매는 흐름의 방향이 바뀌게 되며, 냉매는 돌출부(94)로 인하여 관통 구멍(98)을 형성하는 측벽과 최대한 긴 시간 동안 접촉하도록 경로가 형성된다. 따라서 냉매는 유로(92) 내에서 이동하는 동안 최대한 많은 열을 흡수할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈(1)은 다이오드 소자(14)의 애노드 전극(14b)과 전력 반도체 소자(12)의 에미터 전극(12b)이 서로 전기적으로 연결되어야 정상적으로 동작할 수 있다.
이를 위해 종래의 경우, 일반적으로 반도체 패키지의 내부에 애노드 전극(14b)과 에미터 전극(12b)을 서로 전기적으로 연결하기 위한 구성이 부가되었다.
그러나 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 패키지 내부에서 애노드 전극(14b)과 에미터 전극(12b)을 서로 연결하지 않고, 반도체 패키지(100)가 실장되는 기판(80)에서 애노드 전극(14b)과 에미터 전극(12b)을 연결하도록 구성된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 반도체 패키지(100)들이 실장되는 기판(80)은 각각의 외부 접속 단자(20)들이 접합되기 위한 다수의 전극 패드(81)가 형성된다. 구체적으로 전극 패드(81)는 제1, 제2, 제3 전극 패드(82, 84, 86)와 연결 패턴(89)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 제1 전극 패드(82)는 제1 접속 단자(22)인 게이트 접속 단자(22)가 접합되는 게이트 전극 패드(82)일 수 있고, 제2 전극 패드(84)는 제2 접속 단자(27)인 에미터 접속 단자(24)가 접합되는 에미터 전극 패드(84)일 수 있으며, 제3 전극 패드(86)는 제3 접속 단자(26)인 애노드 접속 단자(26)가 접합되는 애노드 전극 패드(86)일 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 전극 패드(81)는 제2 전극 패드(84)와 제3 전극 패드(86) 즉 에미터 전극 패드(84)와 애노드 전극 패드(86)를 전기적으로 연결하는 연결 패턴(89)을 포함한다.
이에 따라 기판(80)에 반도체 패키지(100)가 실장되면, 반도체 패키지(100)의 에미터 접속 단자(24)와 애노드 접속 단자(26)는 기판(80)의 연결 패턴(89)에 의해 상호 간에 전기적으로 연결되어 반도체 패키지(100)의 전체 회로를 완성하게 된다.
따라서 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 본 실시예에 따른 기판(80)에 실장됨에 따라 정상적으로 동작될 수 있다.
또한, 공통 전극 패드(88)는 공통 접속 단자(28)인 컬렉터 접속 단자(28)가 접합되는 컬렉터 전극 패드(88)일 수 있다.
본 실시예에서는 연결 패턴(89)이 기판(80)의 일면에 형성되는 경우를 예로 들었으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 다층 기판을 이용하여 기판 내부에 형성된 배선 패턴을 통해 연결 패턴을 형성하거나 기판의 타면을 통해 연결 패턴을 형성하는 등 다양한 응용이 가능하다.
한편 본 실시예에서는 기판(80)의 전극 패드(81) 상에 각 외부 접속 단자(20)들이 접합되며 반도체 패키지(100)가 기판(80)에 실장되는 경우를 예로 들고 있다. 이 경우 솔더 등에 의해 상호 접합될 수 있다.
또한 본 발명의 구성은 상기한 구성에 한정되지 않으며 다양한 응용이 가능하다.
예를 들어, 기판(80)의 연결 패턴(89)을 생략하고, 별도의 연결 부재(도전성 와이어나 클램프 등)를 이용하여 에미터 접속 단자(24)와 애노드 접속 단자(26)를 전기적으로 연결하도록 구성하는 것도 가능하다.
이러한 기판(80)의 일측에는 외부 와이어(도시되지 않음)를 체결하기 위한 다수의 체결 구멍(88)이 형성될 수 있다.
따라서, 체결 구멍(88)은 기판(80)의 배선 패턴을 통해 전극 패드(81)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 각각의 반도체 패키지(100)들은 체결 구멍(88)에 체결되는 외부 와이어에 의해, 외부(예컨대 인버터 시스템)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 체결 구멍(88)은 필요에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있으며 다양한 개수로 형성될 수 있다.
버스 바(30, bus-bar)는 반도체 패키지(100)의 공통 접속 단자(28)들과 전기적으로 연결된다. 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 공통 접속 단자(28)가 다른 외부 접속 단자(20)들과 반대 방향에서 돌출되도록 형성됨에 따라, 버스 바(30)도 기판(80)과 반대 방향에 배치된다.
버스 바(30)는 금속 재질의 편평한 막대 형태로 형성될 수 있으며, 일단에는 외부 장치(예컨대 인버터 시스템의 하우징 등)에 체결되거나 외부 와이어가 연결되기 위한 체결 홀(32)이 적어도 하나 형성될 수 있다. 버스 바(30)가 외부 장치에 체결됨에 따라, 버스 바(30)는 외부(예컨대 인버터 시스템)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 본딩 와이어를 이용하지 않고, 판 형태의 외부 접속 단자(20)가 소자(10)의 전극에 면접촉하며 접합된다. 따라서, 본딩 와이어를 이용하는 종래에 비해 접합 신뢰성을 확보할 수 있으며, 몰딩부(70)를 형성하는 과정 등에서 본딩 와이어의 형태가 변형되는 등의 문제를 해소할 수 있으므로 제조 과정에서 불량의 발생을 최소화할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 종래와 같이 에미터 접속 단자(24)와 애노드 접속 단자(26)를 전기적으로 연결하기 위한 부가적인 구성을 포함하지 않으며, 전자 소자(10)와 외부 접속 단자(20)들을 반복적으로 적층하는 공정만으로 제조가 가능하다. 따라서 종래에 비해 제조가 용이하고, 제조 시간과 제조 비용을 최소화할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 적층된 전자 소자(10)의 양면에 베이스 기판(60)이 배치되는 양면 방열 구조가 적용된다. 그리고 열 전도도가 높은 재료를 사용하여 전자 소자(10)와 베이스 기판(60)간의 열 전달 경로를 구성하며, 외부 접속 단자(20) 상에 직접 베이스 기판(60)이 배치되므로 전자 소자(10)와 베이스 기판(60)간의 거리를 최소화할 수 있다.
이에 따라 종래에 비해 매우 향상된 방열 특성을 얻을 수 있으며, 이에 반도체 패키지(100)의 장기적인 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 반도체 패키지(100)는 전자 소자들(10)을 하나의 평면상에 배치하는 구조가 아닌, 순차적으로 적층하여 배치하는 구조로 구성된다. 그리고 종래와 같이 전자 소자들(10)과 외부 접속 단자(20)를 전기적으로 연결하기 위한 본딩 와이어 등이 생략되므로 반도체 패키지(100)의 크기를 보다 작게 형성할 수 있다.
따라서, 소자의 실장 면적이 최소화할 수 있으므로 소형화/고집적화가 요구되는 다양한 전자 기기에 용이하게 적용될 수 있다.
더하여 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈(1)은 방열 부재(90)를 이용하여 반도체 패키지(100)에서 발생하는 열을 효과적으로 배출한다. 따라서 발열이 심한 전력 반도체 패키지들(100)의 모듈화가 가능하다.
또한, 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈(1)은 각각의 반도체 패키지(100)들을 방열 부재(90)로부터 용이하게 분리할 수 있다. 이에 특정 반도체 패키지(100)에 이상이 생기더라도 반도체 패키지 모듈(1) 전체를 교체하지 않고, 해당 반도체 패키지(100)만을 새로운 반도체 패키지(100)로 교체할 수 있다.
따라서 반도체 패키지 모듈(1)의 유지 보수가 용이하며 이상 발생 시에 처리 비용을 최소화할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈(1)은 반도체 패키지(100)가 방열 부재(90)의 관통 구멍(98)에 삽입되어 방열 부재(90)에 결합됨에 따라, 반도체 패키지(100)는 4면이 방열 부재(90)와 면접촉하게 된다.
즉, 반도체 패키지(100)의 베이스 기판(60)뿐만 아니라, 베이스 기판(60)이 없는 몰드부(70)도 방열 부재(90)와 면접촉하도록 배치된다.
이로 인해, 전자 소자(10)로부터 베이스 기판(60)으로 전달되는 열과, 몰드부(70)를 통해 전달되는 열이 모두 방열 부재(90)로 전달되어 외부로 방출될 수 있으므로 방열 효과를 최대화할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 방열 부재는 상기한 구성으로 한정되지 않으며 다양한 응용이 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈을 개략적으로 도시한 단면도로, 도 1의 C-D에 대응하는 단면을 도시하고 있다.
본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈은 전술한 실시예와 유사하게 구성되며, 관통 구멍과 그에 따른 유로의 구조에 있어서만 차이를 갖는다. 따라서 전술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 관통 구멍과 유로의 구조에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈(2)의 방열 부재(90)는 관통 구멍들(98)이 마름모 형상으로 배치된다. 즉, 인접하게 배치되는 두 개의 관통 구멍(98)은 모서리 부분이 가장 인접한 형태로 배치된다. 마찬가지로, 유입구(91a)와 유출구(91b)도 관통 구멍(98)의 모서리 부분과 인접한 위치에 배치된다.
이로 인해, 관통 구멍(98) 내에 배치되는 반도체 패키지들(100)도 모서리가 서로 인접하게 배치되는 마름모 형태로 배치된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 유로(92)의 전체적인 경로가 다이아몬드 패턴 형상으로 형성된다.
따라서, 유입구(91a)를 통해 유로(92)에 유입된 냉매는 다이아몬드 패턴 형태의 유로(92)를 따라 갈라져 관통 구멍(98) 측벽 전체와 차례로 접촉하며 유출구(91b)로 이동하게 된다.
이에 본 실시예에 따른 방열 부재(90)는 전술한 실시예의 방열 부재(90)처럼 유로(92) 내에 별도의 돌기를 형성하지 않더라도 냉매를 관통 구멍(98)의 측벽들에 최대로 접촉시킬 수 있다.
이처럼 유로(92)를 다이아몬드 패턴 형상으로 형성하는 경우, 전술한 실시예의 경우에 비해 방열 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 모듈의 유로 내의 압력 저하와, 그에 따른 방열 효율을 나타내는 그래프이다. 도 6과 도 8에 도시된 방열 부재(90)의 경우, 분기된 유로(P1, P1') 내의 압력이 1인 경우, 분기된 유로(P1, P1')가 만나는 점(P2, P2')에서 유로의 단면적이 넓어지므로 압력 저하가 발생된다.
시뮬레이션을 통해, 도 6에 도시된 방열 부재(90)의 경우 분기된 유로(P1)가 만나는 점(P2)에서 압력 저하가 커지며, 이로 인해 방열 효율은 약 35%로 낮아지는 것으로 측정되었다.
그러나, 도 8에 도시된 방열 부재(90)의 경우 분기된 유로(P1')가 만나는 점(P2')에서 압력 저하가 거의 발생하지 않으며, 방열 효과는 약 90%을 유지하는 것으로 측정되었다.
따라서, 본 발명에 따른 방열 부재(90)는 내부 유로(92)를 다이아몬드 패턴으로 형성하는 경우에 방열 효과를 더욱 높일 수 있음을 알 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 방열 효과를 최대화할 수만 있다면 다양한 형태로 내부 유로(92)를 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시예들에 따른 반도체 패키지는 전술한 실시예들에 한정되지 않으며, 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어, 전술한 실시예들에서는 반도체 패키지가 전체적으로 직육면체 형상으로 형성되는 경우를 예로 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 원통형이나 다각 기둥 형태로 형성하는 등 필요에 따라 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
또한, 전술된 실시예들에서는 전력 반도체 패키지의 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 적어도 하나의 전자 소자들이 패키징되는 전자 부품이라면 다양하게 적용될 수 있다.
100: 반도체 패키지
10: 전기 소자
12: 전력 반도체 소자 14: 다이오드 소자
20: 외부 접속 단자
30: 버스 바
60: 베이스 기판
70: 몰딩부
80: 기판 81: 전극 패드
90: 방열 부재

Claims (19)

  1. 다수의 반도체 패키지; 및
    내부에 유로가 형성되는 관 형상으로, 상기 반도체 패키지가 삽입되는 적어도 하나의 관통 구멍을 갖는 방열 부재;
    를 포함하며,
    상기 반도체 패키지들은 단면이 사각 형상으로 형성되며 상기 방열 부재 내에 다수 개가 나란하게 삽입되어 배치되고,
    상기 방열 부재는 상기 유로 내에서 돌출되는 형태로 형성되어 상기 유로에 흐르는 냉매의 흐름을 상기 반도체 패키지 측으로 유도하는 적어도 하나의 돌출부를 포함하며,
    상기 돌출부는 상기 유로 내에서 인접하게 배치되는 상기 관통 구멍들 사이의 공간에 형성되는 반도체 패키지 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 패키지들의 외부 접속 단자들이 연결되는 기판을 더 포함하는 반도체 패키지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 패키지들의 외부 접속 단자들 중 공통 접속 단자를 모두 전기적으로 연결하는 버스 바를 더 포함하는 반도체 패키지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 패키지는,
    편평한 판 형태로 형성되는 공통 접속 단자;
    상기 공통 단자의 양면에 각각 접합되는 제1, 제2 전자 소자;
    편평한 판 형태로 형성되어 상기 제1 전자 소자에 접합되는 제1, 제2 접속 단자; 및
    편평한 판 형태로 형성되고 상기 제2 전자 소자에 접합되는 제3 접속 단자;
    를 포함하는 반도체 패키지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 전자 소자는 전력 반도체 소자이고, 상기 제2 전자 소자는 다이오드 소자인 반도체 패키지 모듈.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 공통 접속 단자는 컬렉터 단자이고, 상기 제1 접속 단자는 게이트 단자, 상기 제2 접속 단자는 에미터 단자, 상기 제3 접속 단자는 애노드 단자인 반도체 패키지 모듈.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 공통 접속 단자, 상기 제1 접속 단자, 상기 제2 접속 단자, 및 상기 제3 접속 단자는 서로 나란하게 배치되는 반도체 패키지 모듈.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 접속 단자, 상기 제2 접속 단자, 및 상기 제3 접속 단자는 상기 반도체 패키지의 일면으로 돌출되고, 상기 공통 접속 단자는 상기 반도체 패키지의 타면으로 돌출되는 반도체 패키지 모듈.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 접속 단자의 외측과 상기 제3 접속 단자의 외측 중 적어도 어느 한 곳에는 방열을 위한 베이스 기판이 배치되는 반도체 패키지 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 반도체 패키지는,
    상기 베이스 기판의 적어도 한 면이 상기 방열 부재와 면 접촉하도록 상기 방열 부재와 결합하는 반도체 패키지 모듈.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 전자 소자들을 밀봉하는 몰딩부를 더 포함하는 반도체 패키지 모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 부재는,
    상기 관통 구멍의 양 단 중 어느 하나에 상기 반도체 패키지를 지지하는 적어도 하나의 지지 돌기가 형성되는 반도체 패키지 모듈.
  18. 내부에 냉매가 흐르기 위한 유로가 형성되는 방열 부재; 및
    상기 방열 부재에 형성된 관통 구멍들에 탈착 가능하도록 삽입되는 적어도 하나의 반도체 패키지;
    를 포함하며,
    상기 반도체 패키지는 적어도 4면이 상기 방열 부재와 면 접촉하고,
    상기 반도체 패키지들은 단면이 사각 형상으로 형성되며 상기 방열 부재 내에 다수 개가 나란하게 삽입되어 배치되고,
    상기 방열 부재는 상기 유로 내에서 돌출되는 형태로 형성되어 상기 유로에 흐르는 냉매의 흐름을 상기 반도체 패키지 측으로 유도하는 적어도 하나의 돌출부를 포함하며,
    상기 돌출부는 상기 유로 내에서 인접하게 배치되는 상기 관통 구멍들 사이의 공간에 형성되는 반도체 패키지 모듈.

  19. 삭제
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