KR20140125650A - 전력관리집적회로모듈 - Google Patents

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KR20140125650A
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박성근
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 기술은 전력소자의 열을 효율적으로 방출할 수 있고, 열이 발생하여도 충분한 전류를 흘릴 수 있는 전력관리집적회로모듈을 제공하기 위한 것으로, 전력소자와 회로소자를 포함하는 칩; 및 상기 전력소자 상에 형성된 방열판을 포함하며, 상기 방열판은 상기 전력소자의 트랜지스터와 수평방향으로 형성될 수 있으며, 본 기술은 파워 소자 상부에 방열판을 포함하여 전력소자의 열을 방출하는 효과가 있다. 또한, 본 기술은 방열판을 통해 전력소자에 인장응력을 인가하여 소자의 전도성을 증가시키는 효과가 있다.

Description

전력관리집적회로모듈{POWER MANAGEMENT INTEGRATED CURCUIT}
본 실시예는 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력관리집적회로모듈에 관한 것이다.
현대의 전력소자(power device)는 전력 효율을 높이기 위하여 수십 볼트(V)의 고전압 및 수 암페어(A)의 고전류를 사용하는 소자를 빠른 속도로 스위칭(switching)하면서 원하는 전압(voltage)으로 제어(regulation)하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 사용한다.
일반적으로 이러한 전력관리집적회로모듈(Power management IC, PMIC)은 대부분을 전력소자가 점유하고 일부분을 회로(Logic)소자가 점유한다. 특히, 전력소자의 경우 스위칭을 위한 트랜지스터로 로우사이드 엔모스 트랜지스터(Low side NMOS) 및 하이사이드 엔모스 트랜지스터(High side NMOS)를 사용하여 면적을 더욱 줄이는 방법이 사용 되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력관리집적회로모듈을 나타내는 간략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력관리집적회로모듈(PMIC, Power Management IC)은 기판(102) 상에 형성된 회로소자(103)와 전력소자(104)를 포함한다. 전력관리집적회로모듈은 인쇄회로기판(101, PCB;Printed Circuit Board) 상에 형성될 수 있다. 회로소자(102)와 전력소자(103)는 일정 거리로 이격되어 배치된다.
그러나, 종래 기술은 고전압(High voltage) 및 고전류(High current)가 인가되는 만큼 고전압영역에서 많은 열이 발생하며, 국부적인 열을 효율적으로 방출시킬 필요성이 있다. 더욱이, 일단 온도가 올라가면 높아진 온도만큼 NMOS로 구성된 전력소자의 전류(current)는 감소하고, 동일하게 효율은 감소하는 문제점이 있다.
본 실시예는 전력소자의 열을 효율적으로 방출할 수 있고, 열이 발생하여도 충분한 전류를 흘릴 수 있는 전력관리집적회로모듈을 제공한다.
본 실시예에 따른 전력관리집적회로모듈은 전력소자와 회로소자를 포함하는 칩; 및 상기 전력소자 상에 형성된 방열판을 포함하며, 상기 방열판은 상기 전력소자의 트랜지스터와 수평방향으로 형성될 수 있다.
특히, 상기 전력소자의 트랜지스터는 엔모스 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 방열판은 바이메탈(bi-metal)을 포함하거나, 상기 방열판은 실리콘질화물보다 열팽창계수가 큰 금속을 포함할 수 있다.
상기 칩은 소자 및 패키징 공정이 완료된 반도체 패키지를 포함하고, 상기 방열판은 상기 반도체 패키지의 바닥에 연결된 전력관리집적회로모듈.
본 기술은 파워 소자 상부에 방열판을 포함하여 전력소자의 열을 방출하는 효과가 있다. 또한, 본 기술은 방열판을 통해 전력소자에 인장응력을 인가하여 소자의 전도성을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력관리집적회로모듈을 나타내는 간략도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 전력관리집적회로모듈을 나타내는 간략도이다.
도 3은 도 2를 A-A'방향에서 바라본 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 게이트와 응력의 방향에 따른 각 소자의 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 실시예의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 실시예에 따른 전력관리집적회로모듈을 나타내는 간략도이다. 도 3은 도 2를 A-A'방향에서 바라본 단면도이다. 이해를 돕기위해 도 2와 도 3은 동일한 도면부호를 사용하여 동시에 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전력관리회로는 소자 및 패키징 공정이 완료된 반도체 패키지를 포함할 수 있고, 인쇄회로기판(201, PCB;Printed Circuit Board) 상에 형성될 수 있다. 전력관리회로는 회로소자(203) 및 전력소자(204)를 포함하는 기판(202)과 전력소자(204) 상부에 국부적으로 형성된 방열판(206)을 포함할 수 있다. 기판(202)은 소자 및 패키징 공정이 완료된 반도체 패키지를 포함할 수 있고, 이때 회로소자(203) 및 전력소자(204)는 각 구조물이 형성된 소자 영역을 가리킬 수 있다. 전력관리회로(202)는 회로소자(203)와 전력소자(204)는 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 회로소자(203) 및 전력소자(204)는 방열판(206) 형성시 간섭이 없고, 고전압을 사용하는 전력소자(204)에 의한 노이즈(noise)를 방지할 수 있는 충분한 간격을 두고 이격된다.
회로소자(203) 및 전력소자(204)는 기판(202) 상에 형성될 수 있다. 또한, 회로소자(203) 및 전력소자(204)는 각각 기판(202) 상에 형성된 구조물(203A, 204A을 포함할 수 있다. 회로소자의 구조물(203A)과 전력소자의 구조물(204A)은 각 소자의 구조물 간의 간격보다 더 큰 간격을 갖고 서로 이격되어 형성될 수 있다. 각 구조물은 트랜지스터 등의 도전 패턴을 포함할 수 있다. 전력소자의 구조물(204A)은 엔모스(NMOS) 트랜지스터를 포함할 수 있다.
그리고, 각 구조물(203A, 204)을 포함하는 기판(202) 상에 패시베이션막(205)이 형성된다. 패시베이션막(205)은 절연물질을 포함할 수 있다. 패시베이션막(205)은 실리콘질화물을 포함할 수 있다.
그리고, 전력소자영역의 패시베이션막(205) 상에 방열판(206)을 형성한다. 방열판(206)은 전력소자(204) 상부에만 국부적으로 형성되도록 패터닝할 수 있다.
방열판(206)은 전력소자(204)에서 발생하는 열을 방출하는 역할과 동시에 전력소자(204)에 응력을 인가시키는 역할을 한다. 즉, 전력소자(204)에서 열이 발생하면 방열판(206)이 팽창하면서 전력소자(204)에 인장응력을 인가할 수 있다. 또 다른 실시예로, 방열판(206)을 방열(heat sink) 역할을 하는 반도체 패키지(PKG)의 바닥과 연결하면 보다 효율적인 열 방출이 이루어질 수 있다.
방열판(206)은 금속물질을 포함할 수 있다. 방열판(206)은 전력소자(204)보다 열팽창계수가 큰 금속을 포함할 수 있다. 방열판(206)은 바이메탈(bimetal)을 포함할 수 있다. 바이메탈은 열팽창계수가 매우 다른 두 가지의 금속판을 붙여놓은 것으로, 열팽창 계수가 큰 금속이 열팽창 계수가 작은 금속보다 많이 늘어나는 특성을 이용하여 전력소자(204)에 응력을 인가할 수 있다.
또 다른 실시예로, 방열판(206)은 실리콘질화물보다 열팽창계수가 큰 금속을 포함할 수 있다. 이는, 회로소자(203) 및 전력소자(204)가 형성된 칩의 패시베이션(passivation) 물질로 실리콘질화물을 적용하며, 패시베이션막(205) 상에 실리콘질화물보다 열팽창 계수가 큰 금속을 형성함으로써 바이메탈과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 방열판(206)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 실리콘질화물의 열팽창 계수는 1.8∼3.3ppm/C이고, 알루미늄(Al)의 열팽창 계수는 23.6ppm/C로 전력소자(204)에 강한 응력을 인가할 수 있다.
이와 같이, 전력소자(204) 상부에 국부적으로 방열판(206)을 형성하면 전력소자(204)에서 발생하는 열이 열전도가 높은 방열판(206)에 의해 방출될 수 있다. 또한, 열이 발생하면 방열판(206)에 의해 응력(stress)이 발생하고, 열팽창계수의 차이에 의해 전력소자(204)에 인장응력(tensile stress)을 인가된다. 결국, 엔모스 트랜지스터로 구성된 전력소자(204)는 열에 의한 전도도(conductivity) 감소를 인장응력에 의한 전도도 증가가 보상해 줌으로써 DC-DC 컨버터의 효율을 유지시킬 수 있다. 따라서, 전력소자(204)에서 발생하는 열에 의한 전류 감소를 보상할 수 있다.
또한, 방열판(206)을 회로소자(203)가 아닌 전력소자(204)에만 국부적으로 형성하여 과도한 열 발생이 없는 회로소자(203)에는 영향을 주지않고, 전력소자(204)에만 독립적으로 방열 역할을 할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 게이트와 응력의 방향에 따른 각 소자의 특성 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4a는 게이트 방향과 수직한 방향에 대한 응력에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 4b는 게이트 방향과 수평한 방향의 응력에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 게이트 방향과 수직한 방향으로 응력이 인가되는 경우 엔모스는 변형률이 커질수록 전류가 증가하고 있으나, 피모스는 변형률이 커질수록 전류가 감소한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 게이트 방향과 수평한 방향으로 응력이 인가되는 경우 엔모스와 피모스에서 모두 변형률이 커질수록 전류가 증가하는 특성을 갖는다.
따라서, 본 실시예에서는 엔모스 트랜지스터를 포함하는 전력소자를 형성하여, 게이트 방향에 관계없이 인가되는 인장응력에 의해 전류가 증가되는 특성을 가질 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 전력관리집적회로모듈을 기재하고 있으나, 방열판을 통해 소자의 열손실을 보완하는 본 실시예의 기술 사상은 이에 한정되지 않으며, 고속 MCU(Micro Controller Unit)와 같이 국부적인 코어(core)의 클럭 속도(clock speed)가 높아서 많은 열을 방출하는 집적회로에도 적용이 가능하다.
이렇듯, 본 실시예의 기술 사상은 상기 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 실시예의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 실시예의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
201 : 인쇄회로기판 202 : 기판
203 : 회로소자 204 : 전력소자
203A : 회로소자의 구조물 204A : 전력소자의 구조물
205 : 패시베이션막 206 : 방열판

Claims (6)

  1. 전력소자와 회로소자를 포함하는 칩; 및
    상기 전력소자 상에 형성된 방열판을 포함하며,
    상기 방열판은 상기 전력소자의 트랜지스터와 수평방향으로 형성된 전력관리집적회로모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력소자의 트랜지스터는 엔모스 트랜지스터를 포함하는 전력관리집적회로모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열판은 바이메탈(bi-metal)을 포함하는 전력관리집적회로모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열판은 실리콘질화물보다 열팽창계수가 큰 금속을 포함하는 전력관리집적회로모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열판은 알루미늄물질막을 포함하는 전력관리집적회로모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 칩은 소자 및 패키징 공정이 완료된 반도체 패키지를 포함하고, 상기 방열판은 상기 반도체 패키지의 바닥에 연결된 전력관리집적회로모듈.
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