KR20200017047A - 프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 정밀한 치수 제어 및 방열 특성이 우수한 고출력 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법 - Google Patents

프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 정밀한 치수 제어 및 방열 특성이 우수한 고출력 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 치수 제어가 정밀하고 방열 특성이 우수한 고출력 반도체 소자 또는 레이저 다이오드 등 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 금속 시트를 프레스 가공하여 띠 형상의 금속 밴드를 형성하는 단계, (b) 금속 밴드의 길이 방향 양단이 접촉하도록 금속 밴드를 절곡하는 단계 및 (c) 초음파 용접을 통하여 금속 밴드의 양단을 접합하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 치수 제어가 정밀하고 방열 특성이 우수한 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법을 제공할 수 있다. 또한 반도체 소자용 금속패키지를 낮은 불량율로 대량 생산할 수 있다.

Description

프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 정밀한 치수 제어 및 방열 특성이 우수한 고출력 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법{A Method Of Fabricating A Wall Of A Metal Package For High Output Semiconductor Devices Using Press Working And Ultrasonic Welding Which Shows Precise Dimension Control and Excellent Heat Emission}
본 발명은 정밀한 치수 제어 및 방열 특성이 우수한 고출력 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 치수 제어가 정밀하고 방열 특성이 우수한 고출력 반도체 소자 또는 레이저 다이오드 등 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법에 관한 것이다.
스마트 폰과 무선 인터넷의 급속한 보급으로 인하여 무선통신의 애플리케이션에 대한 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 고출력, 고온내구성 및 방열성이 보장되는 금속 패키지(package)에 대한 수요도 함께 증대되고 있다. 또한 광통신의 수요증가에 따라 레이저 다이오드용 금속 패키지에 대한 수요도 더불어 증대되고 있다. 금속 패키지(Metal Package)는 패키지의 몸체를 열전도도가 낮은 플라스틱을 사용하는 대신 열전도도가 높은 구리나 알루미늄과 같은 금속을 사용하여 패키지의 방열 특성을 극대화한 패키지이다.
종래에는 금속 패키지의 방열성과 밀폐성을 만족시키기 위해서 고정밀도의 MCT 금속 가공을 하거나 MIM(Metal Injection Molding) 방법에 따라 제조하였다. MCT를 이용하는 경우 그 정밀도는 우수하나 가공하는데 장시간 소요되고 가격이 고가여서 대량 생산에 적합하지 않다. MIM 방법은 금속 분말을 유기 바인더와 혼합하고 사출성형 방법으로 성형한 뒤 바인더를 제거하고 소결하는 공정을 거쳐 제조하는 방법이다. MIM 방법은 단순한 사출성형만으로는 매끄러운 외관이 나오지 않아 2차 가공으로 외관의 치수 등을 다시 조절하여야 하는 경우가 발생하기도 한다. MIM 방법은 단기간에 많은 양을 생산 가능하나 소성과정에서 제품에 변형이 발생하여 정밀도가 저하되어 양품 비율이 현저히 저하될 수 있다. 또한 MIM 방법은 브레이징제가 잘 스며들지 않는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 끝에 본 발명을 완성하였다.
1. 공개특허공보 제10-2009-0115992호(2009.11.11.) 2. 공개특허공보 제10-2018-0042724호(2018.04.26.)
본 발명은 프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 치수 제어가 정밀하고 방열 특성이 우수한 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, (a) 금속 시트를 프레스 가공하여 띠 형상의 금속 밴드를 형성하는 단계, (b) 금속 밴드의 길이 방향 양단이 접촉하도록 금속 밴드를 절곡하는 단계 및 (c) 초음파 용접을 통하여 금속 밴드의 양단을 접합하는 단계를 포함하는 반도체 소자 금속패키지용 월(wall)의 제조 방법일 수 있다.
본 측면에서, 금속 밴드의 양단 중 일단은 제1 단차를 가지고, 타단은 제2 단차를 가질 수 있다.
본 측면에서, 제1 단차 및 제2 단차는 양단의 단부로 갈수록 두께가 얇아지는 테이퍼 형상을 가질 수 있다.
본 측면에서, 제1 단차의 일면과 제2 단차의 일면이 접하여 마찰면을 형성할 수 있다.
본 측면에서, 마찰면에는 톱니 단면을 가지는 다수의 홈이 형성될 수 있다.
본 측면에서, (a) 단계에서 금속 밴드에는 관통홀이 더 형성될 수 있다.
본 측면은, 금속 밴드의 양단을 접합한 접합부의 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 치수 제어가 정밀하고 방열 특성이 우수한 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 반도체 소자용 금속패키지를 낮은 불량율로 대량 생산할 수 있다.
도 1은 일반적인 반도체 소자용 금속패키지의 구조를 도시하였다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 공정을 순차적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따라 금속 밴드를 절곡한 후 초음파 용접을 하기 전의 반도체 소자용 금속패키지의 월(wall)에 대한 사시도이다.
도 4는 도 1에서 접합부(A)에 대한 부분 확대도이다.
도 5은 본 발명의 일 측면에 따라 제조된 금속 밴드의 양단이 초음파 용접에 의하여 접합되는 과정을 도시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 측면에 따라 초음파 용접이 완료된 후의 반도체 소자 금속패키지용 월(wall)에 대한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 본 발명에서, 제1 또는 제2 라는 표현은 순서, 중요도를 의미하는 것이 아니라 단순히 구성요소를 구분하기 위한 것이다.
도 1은 일반적인 반도체 소자용 금속패키지의 구조를 도시하였다.
도 1을 참조하면, 반도체 소자나 레이저 다이오드 등의 금속패키지는 기본 적으로 베이스(base)(20)와 월(wall)(10)를 포함할 수 있다. 베이스와 월을 각각 별도로 제조한 후 부착할 수 있다. 베이스와 월은 열전도도가 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 금속으로는 코바(Kovar), 인바(Invar), 42 얼로이(Alloy), 서스(SUS), SPCC(Steel Plate Cold Commercial), W-Cu, Mo-Cu, Cu 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
베이스(20)와 월(10)로 형성된 수용공간(40)에는 반도체 소자나 레이저 다이오드 등의 고출력 반도체 소자가 수납될 수 있다. 수납된 고출력 반도체 소자 등은 단자(30)를 통하여 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 수납된 반도체 소자 등에서 발생하는 열은 베이스(20) 뿐만 아니라 월(wall)(10)을 통하여 외부로 발산되기 때문에 방열특성이 매우 우수하며, 이로 인하여 고출력 반도체 소자가 내구성이 향상되고, 안정적으로 동작할 수 있다.
본 발명은 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법에 관한 것으로, 프레스 가공 및 초음파 용접을 이용하여 치수 제어가 정밀하고 방열 특성이 우수한 금속패키지의 월을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 2에는 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 공정을 순차적으로 도시하였다. 도 3에는 본 발명의 일 측면에 따라 금속 밴드를 절곡한 후 초음파 용접을 하기 전의 반도체 소자용 금속패키지의 월(wall)에 대한 사시도를 도시하였다. 도 4에는 도 2의 접합부(A)에 대한 부분 확대도를 도시하였다. 도 5에는 본 발명의 일 측면에 따라 제조된 금속 밴드의 양단이 초음파 용접에 의하여 접합되는 과정을 모식적으로 도시하였다. 도 6에는 본 발명의 일 측면에 따라 초음파 용접이 완료된 후의 반도체 소자용 금속패키지의 월(wall)에 대한 사시도를 도시하였다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 측면은, (a) 금속 시트를 프레스 가공하여 띠 형상의 금속 밴드를 형성하는 단계, (b) 금속 밴드의 길이 방향 양단이 접촉하도록 금속 밴드를 절곡하는 단계 및 (c) 초음파 용접을 통하여 금속 밴드의 양단을 접합하는 단계를 포함하는 반도체 소자 금속패키지용 월(wall)의 제조 방법일 수 있다.
먼저, 금속 시트를 프레스 가공하여 띠 형상의 금속 밴드를 제작할 수 있다(a 단계).
금속 시트는 코바(Kovar), 인바(Invar), 42 얼로이(Alloy), 서스(SUS), SPCC(Steel Plate Cold Commercial), W-Cu, Mo-Cu, Cu 에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
금속 재질은 제작하고자 하는 전자부품의 동작 특성, 특히 발열 특성을 고려하여 외부로의 방열이 효과적으로 이루어질 수 있도록 열전도도 및 가공 특성을 고려하여 결정할 수 있다.
예를 들어, 광통신 부품용 금속패키지의 경우 월은 코바(Kovar), 인바(Invar), 42 얼로이(Alloy), 서스(SUS), SPCC 을 단독으로 또는 이들을 조합하여 사용하고, 베이스는 W-Cu, Mo-Cu, Cu 등을 단독으로 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 이러한 광통신 부품에는 WADM Module, Modulator, Attenuator, Pump Laser, Switch, Amplifier, LD/PD Module 등이 포함될 수 있다.
또 다른 예를 들면, 레이저 모듈용 금속패키지의 경우 월은 코바(Kovar), 동(Cu), ST304, SPCC 등을 단독으로 또는 이들을 조합하여 사용하고, 베이스는 W-Cu, Mo-Cu, Cu, CMC/CPC, SUS, SPCC 등을 단독으로 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 이러한 레이저 모듈은 국방(Defense), 광섬유레이저(Fiber Laser Solution), 소재 가공(Material Processing), 의료기기(Medical), 디스플레이(Display) 및 환경(Environment) 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
본 측면에서, (a) 단계에서 금속 밴드에는 관통홀이 더 형성될 수 있다. 관통홀은 추후 단자가 형성되어 외부와 전기적으로 연결시키는 통로를 제공할 수 있다. 공정의 단계를 줄임으로써 리드 타임을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있기 때문에 프레스 공정에서 함께 관통홀을 형성할 수 있다.
하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 전자 부품의 특성상 관통홀을 별도로 제작하여야 하는 경우에는, 즉 프레스 가공을 통하여 제작할 수 없는 독특한 형상을 가지는 경우에는 먼저 프레스 가공을 통하여 금속 밴드를 제작하고 그 다음에 다른 공정, 예를 들어 레이저 가공 등을 통하여 관통홀을 별도로 형성할 수 있다.
다음으로, 금속 밴드의 길이 방향 양단이 접촉하도록 금속 밴드를 절곡할 수 있다(b 단계).
금속 밴드의 양단 중 일단을 제1 단부(11), 타단을 제2 단부(12)라 할 수 있다. 프레스 가공을 통하여 금속 밴드를 절곡하여 금속 밴드의 제1 단부(11)와 제2 단부(12)가 접하도록 할 수 있다.
금속 밴드의 양단에는 각각 단차가 형성될 수 있다. 공정상 편의를 위하여 단차는 프레스 공정에서 함께 형성될 수 있다. 즉 금속 밴드의 양단에 단차가 형성될 수 있도록 프레스 금형을 제작하고, 이를 이용하여 금속 시트를 프레스 가공을 함으로써 금속 밴드를 형성함과 동시에 금속 밴드의 양단에 각각 단차를 형성할 수 있다. 금속 밴드의 제1 단부에 형성된 단차를 제1 단차라 하고, 제2 단부에 형성된 단차를 제2 단차라 할 수 있다. 제1 단차와 제2 단차는 서로 맞물리는 구조를 가질 수 있다.
제1 단차 및 제2 단차는 양단의 단부로 갈수록 두께가 얇아지는 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 제1 단차와 제2 단차가 서로 맞물리면서 제1 단차의 일면과 제2 단차의 일면이 서로 접하여 마찰면(13)을 형성할 수 있다.
특히 도 5를 참조하면, 제1 단부(11)와 제2 단부(12)는 서로 접해 있는 상태인데, 제1 단부(11)에는 왼쪽 방향으로 힘이 가해지고, 제2 단부(12)에는 오른쪽 방향으로 힘이 가해지도록 함으로써 제1 단부와 제2 단부는 마찰면에서 밀착할 수 있도록 해야 한다.
이때, 제1 단부(11) 및 제2 단부(12)에 가해지는 힘은 균형이 이루어야 한다. 만약 그렇지 않은 경우에는 어느 한 쪽으로 치우침으로써 변형이 발생할 수 있다. 이러한 힘의 균형은 금속 밴드를 절곡하는 과정에서 미세하게 조절할 수 있다.
마찰면에는 톱니 단면을 가지는 다수의 홈이 형성될 수 있다. 마찰면에서 마찰에 의한 발열을 이용한 용접이 이루어지는데, 이러한 발열을 더욱 촉진시키기 위하여 마찰면에 미세한 홈을 형성할 수 있다. 이러한 홈은 제1 단부(11)와 제2 단부(12)의 상대적인 움직임을 방해하지 않을 정도이어야 한다. 오히려 홈이 커서 제1 단부(11)와 제2 단부(12)의 상대적인 움직임을 방해하는 경우에는 마찰열을 이용한 용접이 악영향을 미칠 수 있기 때문이다.
다음으로, 초음파 용접을 통하여 금속 밴드의 양단을 접합할 수 있다(c 단계).
초음파 용접은 전기를 고주파전기에너지로 바꾼 뒤 진동자를 이용하여 기계적 진동으로 바꾸고, 이어 그 진동 폭을 넓혀 생기는 초음파에너지를 용접대상물에 전달함으로써 진동마찰열을 일으켜 대상물체를 서로 붙이는 기술이다. 일반용접과 달리 땜납과 같은 솔더(solder, 접합재료)를 쓰지 않고 낮은 온도에서 붙이는 방법으로 접합속도가 빠르고 연기나 소음이 거의 나지 않는 친환경적 용접법이다.　특히 일반용접으로 붙이기 어려운 얇은 판이나 가는 와이어접합에도 쓰이고 서로 다른 종류의 금속접합에도 적용할 수 있다는 장점이 있다.
초음파 용접은 초음파 용접기를 사용하여 수행할 수 있다. 절곡된 금속 밴드를 초음파 용접기에 장착하고 초음파 용접을 진행하며, 도 5의 왼쪽 그림처럼 화살표 방향으로 서서히 압력을 가할 수 있다.
제1 단부(11)와 제2 단부(12)에는 테이퍼진 형상을 가지는 단차가 형성되어 있기 때문에, 도 5의 화살표 방향대로 제1 단부와 제2 단부가 서로 반대 방향으로 이동할수록 마찰면(13)에서의 마찰력은 더욱 증가하고, 이로 인하여 마찰면(13)에서 발생하는 마찰열도 더욱 증가하여 초음파 용접이 효과적으로 이루어질 수 있다.
초음파 용접이 완료되는 시점에 제1 단부(11)와 제2 단부(12)가 완전하게 결합될 수 있다(도 5의 오른쪽 그림 참조).
본 측면은, 금속 밴드의 양단을 접합한 접합부의 표면을 연마하는 단계(d 단계)를 더 포함할 수 있다.
접합부에는 초음파 용접 과정에 외부로 돌출된 부분이 발생할 수 있다. 이러한 돌출부는 베이스나 뚜껑 등과의 접합시 방해 요소로 작용하고 밀폐성을 확보하는데 있어서 장애 요소로 작용할 수 있다. 이러한 이유로 접합부에 형성된 돌출부는 연마하여 이를 제거할 수 있다.
본 발명에서는 초음파 용접을 사용하기 때문에 치수를 정밀하게 제어할 수 있다. MIM 과 같은 경우 소성을 거치면서 치수 변형 등이 발생하는데, 본 발명에서는 이러한 문제가 전혀 발생할 여지가 없다. 또한 본 발명에서는 프레스 가공과 초음파 공정이라는 쉽게 제어할 수 있는 공정을 거치기 때문에 가공이 용이하며 불량이 발생할 확률을 현저하게 줄일 수 있다. 또한 프레스 가공과 초음파 공정이라는 단순 공정을 거치므로 리드 타임도 현저하게 줄일 수 있어 생산비용도 현저하게 절감할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 용어는 특정한 실시형태를 설명하기 위한 것으로 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부한 도면에 의하여 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 보아야 할 것이다.
10: 월(wall) 11: 제1 단부
12: 제2 단부 13: 마찰면
20: 베이스(base) 30: 단자
40: 수용공간 50: 관통홀
A: 접합부

Claims (7)

  1. (a) 금속 시트를 프레스 가공하여 띠 형상의 금속 밴드를 형성하는 단계;
    (b) 상기 금속 밴드의 길이 방향 양단이 접촉하도록 상기 금속 밴드를 절곡하는 단계; 및
    (c) 초음파 용접을 통하여 상기 금속 밴드의 양단을 접합하는 단계;
    를 포함하는, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 밴드의 양단 중 일단은 제1 단차를 가지고, 타단은 제2 단차를 가지는, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 단차 및 상기 제2 단차는 상기 양단의 단부로 갈수록 두께가 얇아지는 테이퍼 형상을 가지는, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 단차의 일면과 상기 제2 단차의 일면이 접하여 마찰면을 형성하는, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마찰면에는 톱니 단면을 가지는 다수의 홈이 형성된, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (a) 단계에서, 상기 금속 밴드에는 관통홀이 더 형성되는, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 밴드의 양단을 접합한 접합부의 표면을 연마하는 단계를 더 포함하는, 반도체 소자용 금속패키지의 월을 제조하는 방법.
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KR20090115992A (ko) 2008-05-06 2009-11-11 윤성노 프레스 단조 방식의 발광다이오드 금속제 하우징 및 금속제하우징을 이용한 발광다이오드 금속제 패키지
KR20180042724A (ko) 2016-10-18 2018-04-26 (주)켐옵틱스 연성회로기판과 금속케이스의 밀봉 패키지

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