KR102260662B1 - 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법 - Google Patents

체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

단축된 제조공정으로 DSC 파워모듈의 두께 정밀도를 유지할 수 있어 신뢰성이 우수한 양면냉각모듈패키지 제조가 가능한 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 양면냉각모듈패키지는 기판의 소자를 실장하기 위한 실장영역의 상부에, 기판과 이격되도록 소자를 위치시키는 단계; 및 기판과 소자 사이에 침투가능한 접합물질의 증기를 이용하여, 접합층을 형성하여, 기판과 소자를 접합시키는 단계;를 포함한다.

Description

체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법{DOUBLE-SIDE COOLING MODULE PACKAGE USING FASTENING TYPE SPACER AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단축된 제조공정으로 DSC 파워모듈의 두께 정밀도를 유지할 수 있어 신뢰성이 우수한 양면냉각모듈패키지 제조가 가능한 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전력 모듈은 전기 자동차 등 차세대 자동차의 핵심 전력시스템 및 태양전지 스마트 전력시스템에 들어가는 핵심 부품이다. 전력변환을 위한 전력반도체(Power semi-conductor) 또는 파워 디바이스(Power Device)모듈에는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IPM(intelligent power module) 등이 있다.
전자제품이나 전기자동차 또는 태양전지 전력시스템 등에 구비되는 전력모듈의 경우, 최근의 전자기기의 소형화 및 고밀도화 경향에 따라 대전력모듈의 경우에도 가능한 한 소형화 및 박형화를 이루어 연비 향상 및 스마트화가 중요해지고 있다. 또한 전력변환효율을 극대화시키기 위해 최근에는 Si소자 뿐 아니라 GaN 및 SiC 소자가 사용되고 있는데, 이러한 전력변환소자를 이용하여 전력을 변환시에는 고전압 및 고전류가 장시간 흐르게 되어 많은 양의 열이 발생하게 된다.
이러한 전력변환소자의 발열문제를 해소하기 위하여, 양면냉각 (Double Side Cooling, DSC) 구조를 갖는 패키징 제조공법이 제안되었다. 양면 냉각 구조의 패키지는 기판 상에 반도체칩을 실장하고, 다른 기판에는 패키지 두께조절을 위한 스페이서를 위치시킨 후, 이들을 접합하여 양면에 위치한 기판측으로 열을 발산시킨다. 이러한 DSC구조의 패키지는 여러층이 접합되는 구조이므로 균일한 두께를 유지하며 DSC모듈을 양산공정으로 제조하기 어려운 점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 단축된 제조공정으로 DSC 파워모듈의 두께 정밀도를 유지할 수 있어 신뢰성이 우수한 양면냉각모듈패키지 제조가 가능한 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지는 제1기판; 제1기판 상의 반도체칩; 반도체칩 상의 제1스페이서; 제1스페이서와 기계적으로 체결되는 제2스페이서; 및 제2스페이서 상의 제2기판;을 포함한다.
제1스페이서는 일면에 돌출부가 형성되고, 제2스페이서는 돌출부의 형상과 대응하는 오목부가 형성되고, 돌출부 및 오목부는 기계적으로 체결될 수 있다.
돌출부는 측면이 내측으로 인입되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지는 제1스페이서 및 제2스페이서 사이에 열전도성 계면물질층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지는 측면에, 봉지물질을 포함하는 봉지부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지는 제1기판 상의 제1기판접합층; 반도체칩 하면에 위치하는 칩접합층; 제1스페이서 하면에 위치하는 제1스페이서접합층; 제2기판 상의 제2기판접합층; 및 제2스페이서 하면에 위치하는 제2스페이서접합층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1기판 상에 반도체칩 및 제1스페이서를 순차적으로 위치시키는 제1단계; 제2기판 상에 제1스페이서와 기계적으로 체결되는 제2스페이서를 위치시키는 제2단계; 및 제1스페이서 및 제2스페이서가 체결되도록 제2기판을 제1기판 상에 위치시키는 제3단계;를 포함하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 제조방법이 제공된다.
제1스페이서 및 제2스페이서는 슬라이딩 방식으로 체결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접합층을 이용하여 각 층을 접합시키는 경우와 달리 스페이서를 체결형 구조로 구성하여 접합층이 없어도 DSC구조의 모듈의 제조가 가능하므로 모듈 두께의 균일성이 확보되고, 접합부의 열적/기계적 변형이나 접합부 결함 발생이 억제되어 우수한 성능의 양면냉각모듈패키지 제조가 가능한 효과가 있다.
도 1은 제1기판 상에 반도체칩과 제1스페이서가 위치한 것을 도시한 도면이고, 도 2는 제2기판 상에 제2스페이서가 위치한 것을 도시한 도면이며, 도 3은 제1스페이서 및 제2스페이서가 체결된 양면냉각모듈패키지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면냉각모듈패키지의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 제1스페이서이고, 도 6은 제2스페이서이며, 도 7은 제1스페이서 및 제2스페이서가 슬라이딩 방식으로 체결되는 것을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양면냉각모듈패키지의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 일정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 일정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 제1기판 상에 반도체칩과 제1스페이서가 위치한 것을 도시한 도면이고, 도 2는 제2기판 상에 제2스페이서가 위치한 것을 도시한 도면이며, 도 3은 제1스페이서 및 제2스페이서가 체결된 양면냉각모듈패키지의 단면도이다. 본 발명에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지(100)는 제1기판(110); 제1기판(110) 상의 반도체칩(120); 반도체칩(120) 상의 제1스페이서(130); 제1스페이서(130)와 기계적으로 체결되는 제2스페이서(140); 및 제2스페이서(140) 상의 제2기판(150);을 포함한다.
본 발명에 따른 양면냉각모듈패키지(100)는 반도체칩(120)의 양면에 기판이 위치하여 양면을 통한 냉각이 가능하다. 이를 위해, 제1기판(110) 및 제2기판(150)을 결합하여야 한다. 제1기판(110) 상에 반도체칩(120)이 위치하면, 제2기판(150) 상에는 반도체칩(120) 상의 제1스페이서(130)에 대응하는 형상의 제2스페이서(140)가 위치한다.
제1기판(110) 및 제2기판(150)의 결합은 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)의 결합, 즉 체결에 의해 이루어진다. 도 1에서 제1스페이서(130)에는 돌출부(131)가 형성되어 있고, 도 2에서 제2스페이서(140)에는 돌출부(131)에 대응하는 형상의 오목부(141)가 형성되어 있어, 돌출부(131) 상에 오목부(141)가 위치하면 접합층이 없어도 결합할 수 있다.
도 1에서 및 도 2에서의 돌출부(131) 및 오목부(141)의 형상은 사다리꼴형상으로 예시되었으나, 돌출부(131)에 대응하는 오목부(141)의 형상이어서 기계적인 체결이 가능한 구조라면 어떤 대응되는 형상이라도 구현가능하다. 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)가 서로 대응되는 형상이므로 서로 기계적으로 맞물려 보이드나 공극 결함이 최소화된다.
따라서, 본 발명에 따른 양면냉각모듈패키지(100)는 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)가 기계적으로 체결되므로 추가적인 2차 솔더링이나 소결접합 등의 접합공정이 불필요하고, 접합공정에 기인한 두께 불균일을 제거할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면냉각모듈패키지의 단면도이다. 본 실시예에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지는 측면에, 봉지물질을 포함하는 봉지부(160);를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 양면냉각모듈패키지(100)는 반도체칩(120), 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)의 측면에 봉지부(160)를 포함한다. 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)가 기계적으로 체결되어 있으므로 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140) 사이의 균열이나 보이드 등을 제거하기 위한 추가적인 공정이 필요없고, 바로 봉지부(160)를 형성하여 양면냉각모듈패키지(100)의 제조를 완료할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 제1스페이서이고, 도 6은 제2스페이서이며, 도 7은 제1스페이서 및 제2스페이서가 슬라이딩 방식으로 체결되는 것을 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 제1스페이서(130)의 돌출부(131)는 측면이 내측으로 인입되어 있을 수 있다.
도 1에서와 같이 제1스페이서(130)의 돌출부(131)의 측면이 형성되어 있는 경우, 기계적인 체결력이 낮을 수 있다. 이에 반해, 도 5에서와 같이 돌출부(131)의 하측에 경사가 있고, 이에 대응하는 형상의 오목부(141)를 체결한다면 기계적 체결력의 향상이 가능하다. 이러한 형상의 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)를 포함하는 경우, 도 7과 같이 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)는 슬라이딩 방식으로 체결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양면냉각모듈패키지의 단면도이다. 본 실시예에 따른 양면냉각모듈패키지(100)는 제1기판(110), 반도체칩(120), 제1스페이서(130), 제2스페이서(140), 제2기판(150)을 포함하고, 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140) 사이에는 열전도성 계면물질층(170)이 형성된다.
열전도성 계면물질층(170)은 열전도성 계면물질(Thermal Interface Material, TIM)을 포함하여, 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140)의 계면에서의 열전달 효율이 낮은 문제를 해결할 수 있다. 즉, 제1스페이서(130) 및 제2스페이서(140) 사이의 체결영역의 열전도도를 일정하게 유지하기 위하여 열전도성 계면물질층(170)을 형성할 수 있다.
TIM에는 방열그리스(Thermal Grease), 방열에폭시 접착제(Thermal Bond), 방열패드(Thermally Conductive Silicone Pad), 방열테이프(Thermally Conductive Adhesive Tape), 흑연시트(Graphite Sheet), 또는 PCM(Thermally Conductive Phase Change Material) 등이 있다.
본 발명에 따른 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지는 제1기판 상의 제1기판접합층; 반도체칩 하면에 위치하는 칩접합층; 제1스페이서 하면에 위치하는 제1스페이서접합층; 제2기판 상의 제2기판접합층; 및 제2스페이서 하면에 위치하는 제2스페이서접합층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 양면냉각모듈패키지는 제1기판 및 반도체칩 사이, 반도체칩 및 제1스페이서 사이, 제2기판 및 제2스페이서 사이에는 각각 솔더 등의 접합층을 포함하나, 제1스페이서 및 제2스페이서는 기계적으로 체결하므로 접합층이 불필요하다. 따라서, 접합층 형성 공정 및 접합 후 공정 등이 불필요하므로 제조공정이 간소화되고, 접합층 불량에 따른 제품신뢰성 악화를 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1기판 상에 반도체칩 및 제1스페이서를 순차적으로 위치시키는 제1단계; 제2기판 상에 제1스페이서와 기계적으로 체결되는 제2스페이서를 위치시키는 제2단계; 및 제1스페이서 및 제2스페이서가 체결되도록 제2기판을 제1기판 상에 위치시키는 제3단계;를 포함하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 제조방법이 제공된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 양면냉각모듈패키지
110: 제1기판
120: 반도체칩
130: 제1스페이서
131: 돌출부
140: 제2스페이서
141: 오목부
150: 제2기판
160: 봉지부
170: 열전도성 계면물질층

Claims (8)

  1. 제1기판; 제1기판 상의 반도체칩; 반도체칩 상의 제1스페이서; 제1스페이서와 기계적으로 체결되는 제2스페이서; 및 제2스페이서 상의 제2기판;을 포함하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지로서,
    제1스페이서는 일면에 돌출부가 형성되고,
    제2스페이서는 돌출부의 형상과 대응하는 오목부가 형성되고,
    돌출부 및 오목부는 기계적으로 체결되고,
    돌출부는 측면이 내측으로 인입되어 하측에 경사가 있고, 제1스페이서 및 제2스페이서는 슬라이딩 방식으로 체결가능하여, 기계적 체결력이 향상되고, 체결부위의 보이드나 공극결함이 최소화될 수 있는 것을 특징으로 하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1스페이서 및 제2스페이서 사이에 열전도성 계면물질층;을 더 포함하는 것을 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    측면에, 봉지물질을 포함하는 봉지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1기판 상의 제1기판접합층;
    반도체칩 하면에 위치하는 칩접합층;
    제1스페이서 하면에 위치하는 제1스페이서접합층;
    제2기판 상의 제2기판접합층; 및
    제2스페이서 하면에 위치하는 제2스페이서접합층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지.
  7. 제1기판 상에 반도체칩 및 제1스페이서를 순차적으로 위치시키는 제1단계;
    제2기판 상에 제1스페이서와 기계적으로 체결되는 제2스페이서를 위치시키는 제2단계; 및
    제1스페이서 및 제2스페이서가 체결되도록 제2기판을 제1기판 상에 위치시키는 제3단계;를 포함하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 제조방법으로서,
    제1스페이서는 일면에 돌출부가 형성되고,
    제2스페이서는 돌출부의 형상과 대응하는 오목부가 형성되고,
    돌출부 및 오목부는 기계적으로 체결되는 것을 특징으로 하고,
    돌출부는 측면이 내측으로 인입되어 하측에 경사가 있고, 제1스페이서 및 제2스페이서가 슬라이딩 방식으로 체결가능하여, 기계적 체결력이 향상되고, 체결부위의 보이드나 공극결함이 최소화될 수 있는 것을 특징으로 하는 체결형 스페이서를 이용한 양면냉각모듈패키지 제조방법.
  8. 삭제
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