KR101319208B1 - 전자 부품용 접속 소자 - Google Patents

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KR101319208B1
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고블 크리스티안
칼르하인즈 어거스틴
토마스 스토크마이어 닥터
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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 전자 부품과 기판의 전기 전도성 접속을 위한 접속 소자에 관한 것이다. 이 경우, 접속 소자는 적어도 하나의 절연성 필름과 두 개의 전도성 필름으로 구성된 필름 복합체의 형태로 형성된다. 상기 필름 복합체는 전도성 필름과 절연성 필름이 번갈아 형성된 층 형태로 형성되어 있고, 적어도 하나의 전도성 필름이 구성되어 도체 트랙을 형성한다. 또한, 상기 필름 복합체의 주 영역의 적어도 하나의 전도성 필름은 제1 금속을 포함하며, 상기 전도성 필름과 비교하여 두께가 보다 얇은 제2 금속으로 이루어진 층을 구비한 적어도 하나의 필름 부분을 구비한다.
Figure R1020070029614
접속 소자, 절연성 필름, 전도성 필름, 필름 복합체, 도체 트랙

Description

전자 부품용 접속 소자{CONNECTING DEVICE FOR ELECTRONIC COMPONENTS}
도 1은 본 발명에 따른 제1 접속 소자의 기판과 부품의 배열 상태를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 제2 접속 소자의 제1 주 영역을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 제2 접속 소자의 제2 주 영역에서의 비패키지 부품의 배열 상태를 나타낸 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 필름 복합체 2 : 기판
3a, 3b, 4, 5, 6 : 패키지 또는 비패키지 전자 부품
10, 12 : 전도성 필름
14 : 절연성 필름 102, 122 : 제2 금속으로 이루어진 층
본 발명은 전자 부품과 적어도 하나의 기판 사이의 전기 전도성 연결을 위 한, 필름 복합체(film composite) 형태의 접속 소자에 관한 것이다.
다수의 전자 부품용 접속 소자가 공지되어 있다. 예를 들어, 패키지 전자 부품과 관련하여서는, 납땜 기술을 이용하여 기판에 연결되기 위한 금속제 접속 소자 및 접속 방법이 공지되어 있다. 이 경우, 기판은 인쇄 회로 기판 유형을 의미하는 것으로 이해하면 된다.
비패키지(unpackaged) 전자 부품과 관련된 접속 소자로는, 와이어 접합 접속구가 널리 보급되어 있다. 그 외에도, 전력 반도체 모듈 분야에 있어서는, 이른바 압력 접점 접속구(pressure contact connection)로 불리는 적극적 잠금 접속구(positively locking connection)가 공지되어 있다. 또한, 전력 반도체 모듈과 마찬가지로, 압력 접점 접속식의 가요성 인쇄 회로 기판이 접속 소자로서 공지되어 있다. DE 102 21 970 A1 호에는 전술한 바와 같은 유형의 접속 소자를 포함하는 전력 반도체 모듈이 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허는 접속 소자의 정확한 구성에 대해서 언급하고 있지 않다.
DE 103 55 925 A1 호에는 층간 절연층이 개재된 전기 전도성의 제1 및 제2 필름으로 이루어진 필름 복합체를 포함하는 전력 반도체 부품용 접속 소자가 개시되어 있다. 상기 전력 반도체 부품은 초음파 용접을 사용하여 상기 제1 전도층에 영구적으로 고정되고 전기적으로 연결되어 있다. 이 경우, 전력 반도체 부품의 두께에 적합하도록 설정된 두께를 갖는 금속제 접점 요소에 의해, 전력 반도체 부품과 기판의 도체 트랙이 서로 모듈 내부 회로 순응 방식(module internal circuitry conforming)으로 접속되어 있다. 상기 접점 요소는 전력 반도체 부품과 동일한 방 식으로 초음파 용접에 의해 접속 소자에 연결되어 있다.
전술한 종래 기술의 경우, 전력 반도체 부품과 접점 요소에 초음파 용접 접속되는 전도성 필름에는 엠보싱 범프(embossing bump)를 갖춘 알루미늄이 포함되어 있는데, 이는 알루미늄이 전력 반도체 부품의 금속제 부분에 대해 우수한 용접 연결을 나타내기 때문이다. 상기 금속제 부분도 마찬가지로 그 마감층이 알루미늄으로 이루어져 있다.
그러나, 전술한 종래 기술은 상기 알루미늄층과의 납땜 연결이 불가능하거나, 매우 제한된 범위에서만 가능하다는 단점이 있다. 또한, 종래 기술에는 비전도성(specific conductivity)이 우수하고 납땜 가능한, 구리를 사용하여 형성된 대응층의 구성에 대해서는 개시되어 있지 않은데, 이는 그러한 구리층이 전력 반도체 부품용 용접 접속부를 구성하기에는 부적당하기 때문이다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접 연결 및 납땜 연결 모두에 적용 가능하며, 간편하면서도 신속한 방식으로 생산 가능하고 융통성 있는, 예를 들어, 비패키지 전력 반도체 부품 및 패키지 또는 비패키지 집적 회로와 같은 전자 부품의 연결에 사용 가능한 접속 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징부에 기재된 바와 같은 수단을 채용하는 본 발명에 따라 달성가능한 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서는 종속항에 기재된 바와 같다.
본 발명의 개념은, 이로만 한정되는 것은 아니지만, 서로 다르게 배치되어 회로 순응 방식으로 연결되는 복수 개의 부품을 구비한 지능형 전력 반도체 모듈(intelligent power semiconductor module)의 요건에 기초하고 있다. 이러한 유형의 전력 반도체 모듈에 있어서, 비패키지 전력 반도체 부품은 서로 연결되어 있으며 및/또는 이들 부품이 배치된 기판의 도체 트랙에 연결되어 있다. 또한, 제어 및 보조 접속구가 전력 반도체 모듈 내에 패키지 또는 비패키지 방식으로 배치된 구동 부품 및 추가의 전자 부품에 연결되어야 한다. 예를 들어, 온도 및/또는 전류 측정용 센서는 대응하는 평가 유닛에 연결된다. 마찬가지로, 구동 부품뿐만 아니라 전력 반도체 부품의 필요한 제어 및 보조 접속구와 부하 접속구는 외부 접속구에 연결되어야 한다.
본 발명에 따른 접속 소자는 적어도 하나의 절연성 필름과 두 개의 전기 전도성 필름으로 이루어진 필름 복합체 형태로 구성된다. 상기 필름 복합체는 전도성 필름에서 시작하여 절연성 필름과 전도성 필름이 번갈아 형성된 층 형태로 구성된다. 적어도 하나의 전도성 필름이 기본적으로 구성되어, 서로 절연되어 있는 도체 트랙을 형성한다.
제1 금속을 포함하고, 필름 복합체의 주 영역에 배치된 적어도 하나의 전도성 필름은 적어도 하나의 필름 부분을 구비하며, 제2 금속으로 이루어진 층이 상기 필름 부분 상에 배치된다. 본 발명에 따르면, 상기 제2 금속으로 구성된 층의 두께는 제1 금속으로 구성된 필름의 층 두께보다 얇다.
이러한 접속 소자의 특히 바람직한 발달 사항에 대해서는 예시적인 실시예에 관한 이후의 기술 내용에 언급되어 있다. 이하에는, 도 1 내지 도 3의 예시적인 실시예에 기초하여 본 발명의 해결 방안이 보다 상세히 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 접속 소자의 기판(2)과 패키지 또는 비패키지 전자 부품(3a, 3b, 4, 5)의 배열 상태를 나타낸 단면도이다. 기판(2)은 도체 트랙(22)을 구비하며, 상기 도체 트랙(22)은 접속 소자에 마주하는 측면이 서로 절연되어 있다. 이러한 유형의 기판(2)은 전력 반도체 모듈용으로, 바람직하게는 세라믹 운반체(carrier;20) 상에 구리가 피복되어 형성된 금속제 도체 트랙(22)을 구비한 이른바 DCB (direct copper bonding; 직접식 구리 접합) 기판에 사용하도록 형성된 것이다. 마찬가지로, 서로 절연된 도체 트랙이 형성되어 있는 기타 다른 기판도 적당한데, 이 경우 도시된 바와 같이 상기 도체 트랙이 기판상에 배열된 부품 아래 영역 전체에 걸쳐 형성될 필요는 없다. 다만, 전자 부품으로부터 발생한 열을 소산 시켜야만 하는 경우에는 도시된 바와 같이 형성하는 것이 바람직하다.
이 경우, 기판(2)의 도체 트랙(22) 상에 배열된 전자 부품(3a, 3b)은, 반드시 이로만 제한되는 것은 아니지만, 전력 다이오드(3b)와 전력 트랜지스터(3a)이다. 상기 전자 부품(3a, 3b)은 접속 소자에 마주하는 측면 상에 적어도 하나의 접점 영역(32, 34, 36)을 구비한다. 전력 다이오드(3b)에는 애노드(anode;36)가 마련되어 있으며, 전력 트랜지스터(3b)에는 이미터(emitter;32)와 베이스(base;34)가 마련되어 있다. 종래 기술에 따르면, 전력 반도체 부품(3a, 3b)의 접점 영역은 알루미늄층으로 형성되어 있다.
전술한 제1 실시예의 구성을 보면, 접속 소자는 50㎛ 내지 400㎛ 두께의 알루미늄으로 이루어진 제1 전도성 필름(10)과, 10㎛ 내지 80㎛ 두께의 인접한 플라스틱 필름(14), 그리고 20㎛ 내지 100㎛ 두께의 구리로 이루어진 제2 전도성 필름(12)을 포함하며, 상기 제1 전도성 필름의 두께는 상기 제2 전도성 필름의 두께의 적어도 두 배 이상이다.
전력 반도체 부품(3a, 3b)의 접점 영역(32, 34, 36)과 제1 전도성 필름(10)의 전기 전도성 접속을 위하여, 필름 복합체(1)는 제1 엠보싱 범프(16a)를 구비한다. 엠보싱 범프(16a)는 초음파 용접법에 의해 대응하는 접점 영역(32, 34, 36)에 연결된다.
기판(2)의 도체 트랙(22)과 제1 전도성 필름(10)의 전기 전도성 접속을 위하여, 필름 복합체(1)는 제1 엠보싱 범프(16a)보다 깊게 형성된 제2 엠보싱 범프(16b)를 구비한다. 제2 엠보싱 범프(16b)의 영역에서는, 제1 전도성 필름(10) 상에 바람직하게는 1㎛ 내지 20㎛ 두께의 구리로 이루어진 층이 증착되어 있다. 이 경우, 구리층의 증착은 갈바니(galvanic) 방법 또는 냉각 가스 분무를 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기 제2 엠보싱 범프(16b)의 구리 표면은 납땜 기술을 사용하여 기판(2)의 구리 도체 트랙(22)에 연결된다.
접속 소자의 플라스틱 필름(14)은 제1 전도성 필름(10)과 제2 전도성 필름(12)의 사이의 전기 전도성 접속부(18)용 관통홀을 형성하기 위한 절개부를 구비하고 있다. 이에 따라, 제1 전도성 필름의 전위가 제2 전도성 필름에 인가된다. 예를 들어, 전력 트랜지스터(3a)의 게이트 전위(gate potential)가 예시되어 있다.
본 발명에서는, 제2 전도성 필름(12) 상에 배열된 두 개의 집적 회로(4, 5)가 예시되어 있다. 개개의 저항기(resistor), 축전기(capacitor), 코일 또는 그 밖의 센서와 같은 추가의 구성 요소를 배열하는 것이 바람직할 수도 있다. 다른 구성예에서는, 이러한 종류의 부품이 기판(2)의 도체 트랙(22) 상에 배열되어, 회로 순응 방식으로 연결될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 제1 집적 회로(4)는 SMD 부품의 형태로 형성된 것으로, 납땜 기술을 사용하여 제2 전도성 필름(12)의 대응하는 도체 트랙에 연결되는 접점 소자(40)를 구비한다. 제2 집적 회로(5)는, 도시된 바와 같이, 비패키지 부품으로서, 접착제 접합 기술에 의해 제2 전도성 필름(12)에 연결된다. 제2 전도성 필름(12)의 대응하는 도체 트랙에 전자 부품(5)의 개개의 접점 영역(50)을 연결하기 위한 전기 접속구로서, 박형의 와이어 접합 접속구(52)가 형성되어 있다.
접합 와이어(52)에 연결된 상기 도체 트랙의 부분 상에 금 피복층(gold layer)의 구성을 갖는 제2 금속제 층을 배치하는 것이 바람직할 수도 있다.
상기 접속 소자의 외부 접속부, 예를 들어, 스크류 접속부는 전체 필름 복합체의 원형 절개부에 의해 형성될 수도 있다. 이 경우에는, 주 영역의 적어도 하나의 전도성 필름 층의 상기 절개부 둘레에 제2 금속제 층을 집중적으로 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 필름은 적어도 100㎛ 두께를 갖도록 냉각 가스 분무 방식으로 증착되는 것이 바람직하다.
제2 실시예의 구성을 보면, 명확하게 도시되어 있지는 않지만, 접속 소자는 30㎛ 내지 300㎛ 두께의 구리로 이루어진 제1 전도성 필름과, 10㎛ 내지 80㎛ 두께의 인접한 플라스틱 필름, 그리고 마찬가지로, 30㎛ 내지 300㎛ 두께의 구리로 이루어진 제2 전도성 필름(12)을 포함한다.
이러한 구성에 있어서는, 전력 반도체 부품의 접점 영역에 용접 연결되는 제1 층의 부분에 알루미늄으로 이루어진 제2 층이 형성된다. 이와 같이 구성하여야만 영구적인 내구성을 갖는 연결을 달성할 수 있다. 이 경우, 제2 금속제 층은 납땜 기술에 의해 기판의 도체 트랙에 연결되는 엠보싱 범프를 필요로 하지 않는다.
전술한 바와 같은 삼중 층 구성에 대해서는 도 2 및 도 3에 예시되어 있다.
본 발명에 따른 접속 소자의 추가적인 구성에는, 예를 들어, 동일한 금속으로 이루어지고, 전술한 두 개의 층과 동일한 두께를 갖는 복수 개의 층이 포함된다. 본 발명에 따르면, 다섯 개의 층을 연속적으로 형성하는 것이 유리할 수도 있으며, 이 경우, 중앙의 금속제 층은 그 중에서도 특히 박형 구조로 형성되어, 작동 동안 규정된 전위를 갖는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 제2 접속 소자를 구성하는 필름 복합체의 제1 주 영역을 나타낸 평면도이다. 도시된 바와 같이, 제1 형태의 필름 복합체는 플라스틱 필름 형태의 절연 층(14)과, 알루미늄으로 구성된 제1 전도성 필름(10)을 포함한다. 당업계의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 상기 제1 전도성 필름(10)은 필름 복합체의 기본적인 구성으로서, 서로 절연된 세 개의 도체 트랙을 형성하고 있다. 각각의 도체 트랙은 비패키지 반도체 부품, 보다 구체적으로는 전력 다이오드의 초음파 용접 연결 또는 기판의 도체 트랙용의 납땜 연결을 위한 두 개의 엠보싱 범프(16a, 16b) 그룹을 구비한다. 이러한 구성의 변형예로서, 전력 반도체 부품으로만 한정되는 것은 아닌 복수 개의 서로 다른 비패키지 부품을 서로 연결하기에 적당한 다른 변형예의 구성 또한 가능하다.
전술한 제1 실시예의 구성에 있어서, 제1 그룹의 엠보싱 범프(16a)는 알루미늄으로 형성되는 것이 바람직한 접점 영역에 부품을 점 용접(spot welding) 연결하기에 적당하다. 제2 그룹의 엠보싱 범프(16b)의 부분에서는, 알루미늄층 상에 전기 증착(electro-deposition) 또는 냉각 가스 분무에 의해 증착된 보다 얇은 구리층이 배치되어 있다. 이 구리 층(102)은 기판의 도체 트랙에 납땜 연결하기에 특히 적당하다.
제2 실시예에 있어서, 도시하지는 않았지만, 제2 전도성 필름은 구리를 포함한다. 이와 같이 구리로 이루어진 제2 전도성 필름을 사용하는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 구리가 부품으로부터 방출된 열을 전달하기 위한 높은 열 전도성 뿐만 아니라 높은 전류 수용 용량을 달성하기에 적당한 낮은 저항성을 갖추고 있기 때문이다. 이 경우, 부품에 점 용접 연결되는 엠보싱 범프 그룹에는 용접 연결에 적당한 표면을 제공할 수 있도록 알루미늄으로 이루어진 제2 층을 형성할 필요가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 접속 소자의 제2 주 영역에서의 비패키지 부품의 배열 상태를 나타낸 평면도이다. 도시된 바와 같이, 제2 접속 소자는 플라스틱 필름 형태의 절연층(14)과, 구리로 구성된 제2 전도성 필름(12)을 포함한다. 제2 전도성 필름(12)은 기본적으로 제1 전도성 필름(10)(도 2 참조)과 비교하여 보다 정밀하게 구성되며, 당업계의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 부품(5), 보다 구체적으로는 전력 반도체 부품을 구동시키기 위한 구동 회로용 접착제 접합 연결 영역을 형성한다. 또한, 이러한 구리층은 상기 구동 회로를 연결하는 복수 개의 도체 트랙을 형성한다. 상기 도체 트랙은 서로 절연되어 있으며, 도시된 바와 같이 커패시터(6) 형태의 추가 부품용 또 다른 접점 영역을 구비하고 있다. 상기 도체 트랙은 0.5㎛ 내지 5㎛ 두께를 갖는 금 피복층 형태의 추가의 금속제 층(122)이 제공된 부분을 구비한다. 이러한 금 피복 층을 갖춘 부분은 바람직하게는 도체 트랙에 구동 회로(5)의 접점 영역(50)을 연결하기 위한 박형의 와이어 접합 접속구(52)용 접점 영역이다. 마찬가지로, 필름 복합체의 제1 전도성 필름에 관통홀이 형성되는 것으로 도시되어 있다.
본 발명에 따르면, 용접 연결 및 납땜 연결 모두에 적용 가능하며, 간편하면서도 신속한 방식으로 생산 가능하고 융통성 있는, 복수 개의 부품, 예를 들어, 비패키지 전력 반도체 부품 및 패키지 또는 비패키지 집적 회로와 같은 전자 부품의 연결에 사용 가능한 접속 소자가 제공된다.

Claims (10)

  1. 패키지 또는 비패키지 전자 부품(3a, 3b, 4, 5, 6)과 적어도 하나의 기판(2)의 전기 전도성 연결을 위한 접속 소자로서,
    상기 접속 소자는 적어도 하나의 절연성 필름(14)과 두 개의 전기 전도성 필름(10, 12)으로 구성된 필름 복합체의 형태로 형성되고, 상기 필름 복합체는 전도성 필름과 절연성 필름이 번갈아 형성된 층 형태로 배치되고, 적어도 하나의 전도성 필름이 구성되어 도체 트랙을 형성하며,
    상기 필름 복합체의 주 영역의 적어도 하나의 전도성 필름(10, 12)은 제1 금속을 포함하고, 상기 전도성 필름의 두께와 비교하여 보다 얇은 제2 금속으로 이루어진 층(102, 122)을 갖는 적어도 하나의 필름 부분을 구비하고,
    상기 필름 복합체는 적어도 하나의 엠보싱 범프(16a, 16b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 절연성 필름(14)은 인접한 전도성 필름의 전기 전도성 접속부(18)를 위한 적어도 하나의 절개부를 구비하는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 엠보싱 범프(16a, 16b)는 제2 금속으로 이루어진 층(102, 122)을 갖는 필름 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 비패키지 전자 부품(3a, 3b)이 배치되어, 필름 복합체의 제1 주 영역 상의 엠보싱 범프(16a)에 점 용접 연결을 사용하여 회로 순응 방식으로 전기 전도 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 기판(2)의 도체 트랙(22)은 필름 복합체(1)의 엠보싱 범프(16b)에 납땜 연결을 사용하여 회로 순응 방식으로 전기 전도 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  7. 제1항에 있어서, 패키지 전자 부품(4) 또는 비패키지 전자 부품(5)이 납땜 기술 또는 접착제 접합 기술에 의해 필름 복합체의 제2 주 영역 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  8. 제7항에 있어서, 비패키지 전자 부품(5)은 필름 복합체(1)의 제2 주 영역의 도체 트랙에 박형의 와이어 접합 접속구(52)를 사용하여 회로 순응 방식으로 전기 전도 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 금속으로 이루어진 층(102, 122)은 냉각 가스 분무 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 금속으로 이루어진 층(102, 122)은 전기 증착되는 것을 특징으로 하는 접속 소자.
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