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KR20180030298A - Composite spacer and power module of double-side cooling using thereof - Google Patents

Composite spacer and power module of double-side cooling using thereof Download PDF

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KR20180030298A
KR20180030298A KR1020160117399A KR20160117399A KR20180030298A KR 20180030298 A KR20180030298 A KR 20180030298A KR 1020160117399 A KR1020160117399 A KR 1020160117399A KR 20160117399 A KR20160117399 A KR 20160117399A KR 20180030298 A KR20180030298 A KR 20180030298A
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KR
South Korea
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semiconductor chip
power module
substrate
composite spacer
base
Prior art date
Application number
KR1020160117399A
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Korean (ko)
Inventor
박준희
전우용
Original Assignee
현대자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

The present invention provides a composite spacer and a double-sided cooling power module using the same, which have both of a low thermal expansion coefficient of a ceramic material and a high thermal conductivity of a metal material. The composite spacer installed between a semiconductor chip and a substrate of the double-sided power module comprises: a ceramic base having a plurality of through holes in a direction connecting the semiconductor chip and the substrate; and a metal filling material installed in the plurality of through holes, and transmitting heat and electricity.

Description

복합재 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈 {COMPOSITE SPACER AND POWER MODULE OF DOUBLE-SIDE COOLING USING THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite spacer and a double-

본 발명은 복합재 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 열팽창계수와 높은 열전도율을 갖는 복합재 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite spacer and a double-sided cooling power module using the composite spacer, and more particularly to a composite spacer having a low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity and a double-sided cooling power module using the composite spacer.

하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 구동시키기 위해서는 전기에 의해 작동되는 모터를 적용하는 것이 필수적이다. 이러한 모터는 파워모듈에 의해 제어되어 작동 시점과 출력이 조절된다.In order to drive a hybrid vehicle or an electric vehicle, it is necessary to apply an electric motor. These motors are controlled by the power module to control the operating point and output.

파워모듈에는 고출력의 전기가 지속적으로 가해지기 때문에 많은 발열이 발생되므로, 이를 냉각시키기 위해 많은 방법이 강구되고 있다. 그 중 양면냉각형 파워모듈은, 핵심 부품인 반도체칩의 양면에 기판을 설치하고, 이 기판 각각에 냉각기를 설치하여 양측에서 반도체칩을 냉각시키는 구조이다.There are many ways to cool the power module because it generates a lot of heat because high power electricity is continuously applied to the power module. Among them, the double-sided cooling type power module has a structure in which a substrate is provided on both sides of a semiconductor chip, which is a core component, and a cooler is provided on each of the substrates to cool the semiconductor chip on both sides.

한편, 일반적으로 반도체칩에 작동 신호를 전달하기 위해 시그널 리드와 반도체칩을 와이어로 접합시키게 된다. 이러한 와이어 본딩의 특성상 와이어의 굴곡면이 필연적으로 발생하므로, 와이어와 기판의 접촉을 방지하기 위해 기판과 반도체칩 사이에 스페이서를 설치하게 된다.On the other hand, in general, in order to transmit an operation signal to a semiconductor chip, a signal lead and a semiconductor chip are connected with a wire. Because of the nature of such wire bonding, the curved surface of the wire necessarily occurs, so that a spacer is provided between the substrate and the semiconductor chip to prevent contact between the wire and the substrate.

반도체칩에서 발생하는 열이나 반도체칩을 통과하는 전기는 스페이서도 통과하게 되므로, 스페이서는 전기 전도성 및 열전도율이 높고, 기판과의 열팽창계수 차이가 최소화되는 소재를 선택해야 한다.Since heat generated in the semiconductor chip or electricity passing through the semiconductor chip passes through the spacer, the spacer must have a high electrical conductivity and a high thermal conductivity, and a material that minimizes the difference in thermal expansion coefficient from the substrate.

종래에 이러한 스페이서로 사용되는 소재는 Al-SiC, Cu-Mo 등이 있는데, 이들 소재는 비교적 고가이기 때문에 원가 상승의 원인이 되고 있다. 그러나 비교적 저가의 순수 Cu로 제작된 스페이서를 적용할 경우 Cu의 열팽창계수가 높기 때문에, 기판과의 열팽창계수 차이로 인한 응력이 발생하는 문제가 있었다.Conventionally, materials used for such spacers include Al-SiC and Cu-Mo. These materials are relatively expensive and cause a rise in cost. However, when a spacer made of relatively low-cost pure Cu is applied, there is a problem that a stress due to a difference in thermal expansion coefficient from a substrate occurs due to a high coefficient of thermal expansion of Cu.

도 1에 종래의 파워모듈의 단면도가 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 반도체칩(10)의 양면에는 파워리드(21)와 절연판(22)으로 구성된 기판이 각각 배치되는데, 반도체칩(10)과 시그널리드(40)를 연결하는 와이어(50)가 설치되는 방향에는 스페이서(30)가 설치되어 기판과 반도체칩(10) 사이의 높이를 증가시키게 된다. 이때 각각의 구성은 솔더재(S)로 결합된다.1 is a cross-sectional view of a conventional power module. As shown in the drawing, a substrate composed of a power lead 21 and an insulating plate 22 is disposed on both sides of the semiconductor chip 10, and a wire 50 connecting the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 A spacer 30 is provided to increase the height between the substrate and the semiconductor chip 10. At this time, the respective constituents are combined with the solder material (S).

그러나 상술한대로, 스페이서에 고가의 재질을 적용할 경우 원가 상승의 문제가 있고, 저가의 구리를 적용할 경우 파워모듈에 응력이 가해져 파손의 원인이 될 수 있는 문제가 있었다.However, as described above, when expensive materials are applied to spacers, there is a problem of cost increase, and when low-cost copper is applied, there is a problem that stress is applied to the power module to cause breakage.

따라서, 보다 저렴하면서도 기판과의 열팽창계수 차이가 최소화될 수 있고, 높이를 최소화하여 열전도율을 극대화시키며, 파워모듈의 부피와 무게를 감소시킬 수 있는 새로운 스페이서 및 이를 적용한 파워모듈이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for a new spacer and a power module using the same that can minimize the difference in thermal expansion coefficient with respect to the substrate, maximize the thermal conductivity by minimizing the height, and reduce the volume and weight of the power module.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 세라믹 재질의 낮은 열팽창계수와 금속 재질의 높은 열전도율을 모두 가지는 복합재 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a composite spacer having both a low coefficient of thermal expansion of a ceramic material and a high thermal conductivity of a metal material and a two-sided cooling power module using the composite spacer.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 스페이서는, 양면냉각 파워모듈의 반도체칩과 기판 사이에 설치되는 스페이서로서, 상기 반도체칩과 상기 기판 사이를 잇는 방향으로 복수 개의 관통공이 형성된 세라믹 재질의 베이스; 및 복수 개의 상기 관통공에 설치되어 열 및 전기를 전달하는 금속 재질의 충진재;를 포함한다.In order to achieve the above object, a composite spacer according to an embodiment of the present invention is a spacer provided between a semiconductor chip and a substrate of a double-sided cooling power module, wherein a plurality of through holes are formed in a direction connecting between the semiconductor chip and the substrate Ceramic base; And a filling material disposed on the plurality of through holes to transmit heat and electricity.

상기 베이스에 형성된 관통공은, 상기 반도체칩과 상기 기판 사이에서 열 및 전기를 전달하도록 형성된 제1관통공과, 상기 반도체칩과 시그널리드 사이를 연결하여 신호를 전달하도록 형성된 제2관통공을 포함하는 것을 특징으로 한다.The through hole formed in the base includes a first through hole formed to transmit heat and electricity between the semiconductor chip and the substrate and a second through hole formed to connect the semiconductor chip and the signal lead to transmit a signal, .

상기 베이스는, AlN, Al2O3, ZTA, Si3N4 중 어느 하나 이상의 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The base may be formed of any one of AlN, Al 2 O 3 , ZTA, and Si 3 N 4 .

상기 충진재는, 구리 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The filling material is formed of a copper material.

한편, 복합재 스페이서를 적용한 양면냉각 파워모듈은, 상부기판 및 하부기판 사이에 반도체칩이 설치된 양면냉각 파워모듈로서, 상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이를 잇는 방향으로 복수 개의 관통공이 형성된 세라믹 재질의 베이스 및 복수 개의 상기 관통공에 설치되어 열 및 전기를 전달하는 금속 재질의 충진재가 포함된 복합재 스페이서;를 포함한다.On the other hand, a double-sided cooling power module to which a composite spacer is applied is a double-sided cooling power module in which a semiconductor chip is provided between an upper substrate and a lower substrate, and a ceramic material base having a plurality of through holes formed in a direction connecting between the semiconductor chip and the upper substrate And a composite spacer provided on the plurality of through holes and including a filling material of a metal material for transmitting heat and electricity.

상기 반도체칩에 신호를 송수신하는 시그널리드; 및 상기 반도체칩과 상기 시그널리드를 연결하는 와이어;를 더 포함한다.A signal lead for transmitting and receiving signals to and from the semiconductor chip; And a wire connecting the semiconductor chip and the signal lead.

상기 반도체칩에 신호를 송수신하는 시그널리드;를 더 포함하고, 상기 베이스에 형성된 관통공은, 상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이에서 열 및 전기를 전달하도록 형성된 제1관통공과, 상기 반도체칩과 상기 시그널리드 사이에서 신호를 전달하도록 형성된 제2관통공을 포함하는 것을 특징으로 한다.A through hole formed in the base includes a first through hole formed to transmit heat and electricity between the semiconductor chip and the upper substrate, And a second through hole formed to transmit a signal between the signal leads.

상기 상부기판 및 상기 하부기판은, 상기 반도체칩 방향에 형성된 파워리드와, 상기 반도체칩 반대 방향에 형성된 방열판과, 상기 파워리드와 상기 방열판 사이에 형성된 절연판을 포함하는 것을 특징으로 한다.The upper substrate and the lower substrate include a power lead formed in the direction of the semiconductor chip, a heat sink formed in a direction opposite to the semiconductor chip, and an insulating plate formed between the power lead and the heat sink.

상기 복합재 스페이서의 양면에 형성되되, 상기 베이스의 표면 중 상기 관통공이 형성되지 않은 부분을 덮도록 형성되는 절연층;을 더 포함한다.And an insulating layer formed on both sides of the composite spacer and formed to cover a portion of the surface of the base where the through hole is not formed.

상기 베이스는, AlN, Al2O3, ZTA, Si3N4 중 어느 하나 이상의 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The base may be formed of any one of AlN, Al 2 O 3 , ZTA, and Si 3 N 4 .

상기 충진재는, 구리 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The filling material is formed of a copper material.

본 발명에 의한 복합재 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to the composite spacer of the present invention and the double-sided cooling power module using the composite spacer, the following effects can be obtained.

첫째, 저가의 세라믹과 구리로 스페이서를 제조하여 원가를 절감할 수 있다.First, cost savings can be achieved by fabricating low-cost ceramic and copper spacers.

둘째, 구리의 높은 열전도율과 세라믹의 낮은 열팽창계수를 함께 갖는 스페이서를 제조할 수 있다.Second, a spacer having both a high thermal conductivity of copper and a low thermal expansion coefficient of ceramic can be manufactured.

셋째, 스페이서를 매개로 반도체칩과 시그널 리드를 연결하여 스페이서의 두께를 감소시킬 수 있다.Third, the thickness of the spacer can be reduced by connecting the semiconductor chip and the signal lead through the spacer.

넷째, 파워모듈 조립시 공수를 최소화할 수 있다.Fourth, the airflow can be minimized when assembling the power module.

도 1은 종래의 양면냉각형 파워모듈의 모습을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 스페이서의 베이스 모습을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈의 모습을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재 스페이서의 베이스 모습을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면냉각형 파워모듈의 모습을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 복합재 스페이서의 단면을 촬영한 현미경 사진이다.1 is a view showing a conventional double-sided cooling type power module,
2 is a view showing a base of a composite spacer according to an embodiment of the present invention,
3 is a view illustrating a double-sided cooling type power module according to an embodiment of the present invention,
4 is a view showing a base of a composite spacer according to another embodiment of the present invention,
5 is a view illustrating a double-sided cooling type power module according to another embodiment of the present invention;
6 is a photomicrograph of a section of a composite spacer according to the present invention.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified, and that other specific features, regions, integers, steps, operations, elements, components, and / And the like.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 복합재 스페이서 및 이를 적용한 양면냉각 파워모듈에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a composite spacer according to a preferred embodiment of the present invention and a double-sided cooling power module using the composite spacer will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합재 스페이서(100)는 기판, 일반적으로 상부기판(200)과 반도체칩(10) 사이에 설치된다.As shown in FIGS. 2 and 3, a composite spacer 100 according to the present invention is installed between a substrate, generally an upper substrate 200, and a semiconductor chip 10.

복합재 스페이서(100)를 보다 자세히 살펴보면, 복수 개의 관통공이 형성되어 있는 베이스(110)와, 관통공에 설치되어 있는 충진재(130)로 구분될 수 있다.The composite spacer 100 may be further divided into a base 110 having a plurality of through holes and a filler 130 installed in the through hole.

이중 베이스(110)는 세라믹 재질로 형성되어 낮은 열팽창계수를 나타내고, 충진재(130)는 금속 재질로 형성되어 높은 열, 전기 전도성을 나타내는 것이 바람직하다.Preferably, the double base 110 is formed of a ceramic material and exhibits a low thermal expansion coefficient, and the filler 130 is formed of a metal material to exhibit high heat and electrical conductivity.

베이스(110)는 상부기판(200)과 반도체칩(10) 사이에 판 형태로 설치되되, 상부기판(200)과 반도체칩(10) 사이를 잇는 방향으로 복수 개의 관통공이 형성된다. 베이스(110)가 하나의 판으로만 형성될 경우 열, 전기 전도성을 유지하기 위해 금속 기반의 재질을 사용해야 하지만, 금속 재질의 경우 열팽창계수가 높은 문제가 있다.The base 110 is provided between the upper substrate 200 and the semiconductor chip 10 in the form of a plate and has a plurality of through holes in a direction connecting between the upper substrate 200 and the semiconductor chip 10. When the base 110 is formed of only one plate, a metal-based material should be used to maintain thermal and electrical conductivity, but the metal material has a high coefficient of thermal expansion.

종래에 사용되었던 스페이서 재질과, 본 발명에 따른 복합재 스페이서의 조성, 열전도율 및 열팽창계수를 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the conventionally used spacer materials and the composition, thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite spacer according to the present invention.

구분division Al-SiCAl-SiC Cu-MoCu-Mo OFCuOFCu SiSi 복합재 스페이서Composite spacer 조성
(%)Furtherance
(%) Al: 35~39
SiC: 61~65Al: 35 ~ 39
SiC: 61 to 65 Cu: 29~31
Mo: 69~71Cu: 29 to 31
Mo: 69 ~ 71 Cu: 99.99Cu: 99.99 -- AlN(베이스)
Cu(충진재)AlN (base)
Cu (filler) 열전도율
(W/mK)Thermal conductivity
(W / mK) 160160 190190 391391 149149 250250 열팽창계수
(10-6/℃)Coefficient of thermal expansion
(10 -6 / ° C) 7.5 이하7.5 or less 10 이하below 10 1717 3~43 to 4 4.84.8

표 1에 나타난 바와 같이, 금속이 포함된 종래의 스페이서의 경우 열전도도는 높지만 열팽창계수 또한 높은 수준을 나타낸다. 기판 및 반도체칩의 주성분인 Si의 경우 열팽창계수가 3~4x10-6/℃으로 매우 낮은데 비해, Al-Sic, Cu-Mo, OFCu(무산소동)은 열팽창계수가 7.5~17x10-6/℃ 수준으로 매우 높으므로, 스페이서와 반도체칩, 기판 사이의 팽창 정도 차이에 의해 응력이 발생하게 되는 것이다.As shown in Table 1, in the case of conventional spacers containing metal, the thermal conductivity is high but the thermal expansion coefficient is also high. For the main component of the substrate and the semiconductor chip Si coefficient of thermal expansion is very low compared to the 3 ~ 4x10 -6 / ℃, Al -Sic, Cu-Mo, OFCu ( oxygen-free copper) is a thermal expansion coefficient of 7.5 ~ 17x10 -6 / ℃ level The stress is generated due to the difference in degree of expansion between the spacer and the semiconductor chip and the substrate.

따라서, 본 발명에서는 세라믹 재질의 베이스(110)에 복수 개의 관통공을 형성시키고, 이 관통공에 금속 재질의 충진재(130)를 채워 넣은 복합재 스페이서를 사용하여, 250W/mK 수준의 높은 열전도율을 나타내면서도, 열팽창계수는 Si과 유사한 4.8x10-6/℃ 수준을 나타내어, 높은 열전도율과 낮은 열팽창계수를 나타내는 것을 알 수 있다.Accordingly, in the present invention, by using a composite spacer formed by forming a plurality of through holes in a ceramic base 110 and filling the through holes with a filler material 130 made of metal, a high thermal conductivity of 250 W / mK , The thermal expansion coefficient is 4.8 x 10 < -6 > / [deg.] C similar to Si, indicating a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient.

표 1의 복합재 스페이서는 세라믹 재질로 AlN을 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, Al2O3, ZTA, Si3N4 등의 여러 세라믹 재질을 사용할 수 있다.AlN is used as the ceramic material of the composite spacer shown in Table 1, but the present invention is not limited to this, and various ceramic materials such as Al 2 O 3 , ZTA and Si 3 N 4 can be used.

이러한 세라믹 재질 각각의 물성에 대해 표 2에 나타내었다.The physical properties of each of these ceramic materials are shown in Table 2.

구분division Al2O3 Al 2 O 3 ZTAZTA AlNAlN Si3N4 Si 3 N 4 강도(MPa)Strength (MPa) 400400 700700 350350 650650 두께(mm)Thickness (mm) 1.01.0 0.320.32 1.01.0 0.320.32 열전도율(W/mK)Thermal conductivity (W / mK) 2424 2727 180180 9090 열전도율(W/mK)
(충진재 포함 예측치) Thermal conductivity (W / mK)
(Expected value including filler) 120120 160160 250250 220220 열팽창계수(10-6/℃)Thermal expansion coefficient (10 -6 / ° C) 77 7.57.5 4.84.8 2.62.6

AlN은 열전도율이 높으면서도 열팽창계수가 적절한 수준으로 낮아 본 발명에 적합하다. Al2O3과 ZTA는 AlN에 비해 열팽창계수가 약간 높지만, Al2O3는 매우 저렴하고, ZTA는 강도가 높은 장점이 있다. Si3N4는 열전도율과 강도가 모두 높고 열팽창계수가 매우 낮은 반면, 가공이 비교적 어려울 수 있다.AlN has a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient, and is suitable for the present invention. Al 2 O 3 and ZTA have a slightly higher thermal expansion coefficient than AlN, but Al 2 O 3 is very inexpensive and ZTA has a high strength. Si 3 N 4 has a high thermal conductivity and strength and a very low coefficient of thermal expansion, but may be relatively difficult to process.

한편 충진재(130)의 경우 다양한 금속 재질을 사용할 수 있겠지만, 전기 전도성과 열전도율, 가격 등을 종합적으로 고려하면 구리 재질이 가장 바람직할 것이다.Meanwhile, the filler material 130 may be made of a variety of metal materials, but copper material is most preferable considering the electrical conductivity, thermal conductivity, and price.

이렇게 반도체칩(10)과 상부기판(200) 사이에 본 발명에 따른 복합재 스페이서(100)를 설치하여 간격을 형성시킴으로써, 열팽창계수 차이에 따른 응력 발생을 최소화하면서 반도체칩(10)과 시그널리드(40) 사이를 연결하는 와이어(50)를 설치할 공간을 확보할 수 있게 되는 것이다.By providing the composite spacer 100 according to the present invention between the semiconductor chip 10 and the upper substrate 200 to form a space therebetween, the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 can be secured.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합재 스페이서(100)의 다른 실시예로서, 관통공(120)을 제1관통공(121) 및 제2관통공(122)으로 각각 형성시킬 수 있다. 이러한 제1관통공(121)과 제2관통공(122)에도 역시 충진재(130)가 설치되어 전기와 신호의 전달을 매개하게 된다.4 and 5, the through hole 120 may be formed as a first through hole 121 and a second through hole 122, respectively, as another embodiment of the composite spacer 100 according to the present invention. . The filler 130 is also installed in the first through hole 121 and the second through hole 122 to mediate the transmission of electricity and signals.

제1관통공(121)은 반도체칩(10)과 상부기판(200) 사이를 잇도록 형성되어 반도체칩(10)에서 발생하는 열을 상부기판(200) 방향으로 전달하고, 반도체칩(10)과 상부기판(200) 사이에 전기를 전달하게 된다.The first through hole 121 is formed between the semiconductor chip 10 and the upper substrate 200 to transmit heat generated from the semiconductor chip 10 toward the upper substrate 200, And the upper substrate 200, as shown in FIG.

제2관통공(122)은 반도체칩(10)과 시그널리드(40) 사이를 연결하여, 제어 신호를 송수신하게 된다. 이때, 제2관통공(122)의 일단은 반도체칩(10)에 형성되어 신호를 송수신하는 일종의 시그널 패드와 대응되는 위치에 형성되고, 타단은 시그널리드(40)에 형성되어 신호를 송수신하는 시그널 패드와 대응되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.The second through hole 122 connects the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 to transmit and receive a control signal. At this time, one end of the second through hole 122 is formed in the semiconductor chip 10 at a position corresponding to a kind of signal pad for transmitting and receiving signals, and the other end is formed in the signal lead 40, And is preferably formed at a position corresponding to the pad.

도 6에는 본 발명에 따른 복합재 스페이서(100)의 실제 단면 현미경 사진이 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 세라믹 재질의 베이스(110)를 관통하여 금속 재질의 충진재(130)가 채워져 있어, 베이스(110)의 상하부를 전기적, 열적으로 연결하는 것이다.6 shows an actual cross-sectional micrograph of a composite spacer 100 according to the present invention. As shown in the figure, a filler material 130 is filled through a ceramic base 110 to electrically and thermally connect the upper and lower portions of the base 110.

한편, 도 2 및 도 4를 기초로 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복합재 스페이서(100)가 적용된 양면냉각 파워모듈은 상부기판(200)과 하부기판(300) 사이에 반도체칩(10)을 설치하여 반도체칩(10)에서 발생되는 열을 상부기판(200) 및 하부기판(300) 방향으로 각각 전달하여 냉각시키게 된다.3 and 5, the double-sided cooling power module to which the composite spacer 100 is applied is provided between the upper substrate 200 and the lower substrate 300, and the semiconductor chip 10 And the heat generated in the semiconductor chip 10 is transferred to the upper substrate 200 and the lower substrate 300, respectively.

이때, 상부기판(200) 및 하부기판(300)은 각각 파워리드(21), 절연판(22), 방열판(23)으로 구성된다. 파워리드(21)는 반도체칩(10)에 전기를 공급하기 위한 구성이고, 절연판(22)은 파워리드(21)를 통해 공급되는 전기가 파워모듈 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 구성이며, 방열판(23)은 파워모듈에 결합되는 냉각기(미도시)로 열을 효율적으로 배출시키기 위한 구성이다. 이러한 기판 구조는 일반적으로 널리 사용되는 구조이므로, 더 자세한 설명은 생략한다.At this time, the upper substrate 200 and the lower substrate 300 are composed of a power lead 21, an insulating plate 22, and a heat sink 23, respectively. The power lead 21 is configured to supply electricity to the semiconductor chip 10. The insulating plate 22 is configured to prevent electricity supplied through the power lead 21 from leaking to the outside of the power module, (23) is a structure for efficiently discharging heat by a cooler (not shown) coupled to the power module. Since such a substrate structure is a commonly used structure, a detailed description thereof will be omitted.

이에 더해서, 반도체칩(10)과 시그널리드(40) 사이를 연결하기 위해서는 소정의 간격이 요구되기 때문에, 반도체칩(10)의 일면, 본 발명에서는 반도체칩(10)과 상부기판(200)의 사이 공간에 복합재 스페이서(100)를 설치하게 된다.A predetermined distance is required to connect the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 to each other so that the semiconductor chip 10 and the upper substrate 200 So that the composite spacer 100 is installed in the space between them.

이러한 복합재 스페이서(100)는 관통공(120)이 형성되어 있는 세라믹 재질의 베이스(110)와 금속 재질의 충진재(130)로 구성되어 있다. 복합재 스페이서(100)의 재질과 구조, 효과에 대해서는 앞서 설명하였으므로 여기에서는 생략하도록 한다.The composite spacer 100 includes a ceramic base 110 having a through-hole 120 formed therein and a filler 130 made of a metal material. The material, the structure, and the effect of the composite spacer 100 have been described above and will not be described here.

시그널리드(40)는 반도체칩(10)에 제어신호를 송수신하는 일종의 기판으로서, 반도체칩(10)의 일면에 형성되어 있는 시그널패드(미도시)와 접속된다.The signal lead 40 is a substrate for transmitting and receiving control signals to and from the semiconductor chip 10 and is connected to a signal pad (not shown) formed on one surface of the semiconductor chip 10.

반도체칩(10)과 시그널리드(40)를 연결하기 위해, 본 발명의 일 실시예를 나타낸 도 3에서는 종래와 같이 와이어(50)를 이용하였고, 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도 4에서는 복합재 스페이서(100)에 형성된 제2관통공(122)을 통해 반도체칩(10)과 시그널리드(40)를 연결하였다.In order to connect the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 to each other, a wire 50 is used in FIG. 3 as one embodiment of the present invention. In FIG. 4 showing another embodiment of the present invention, The semiconductor chip 10 and the signal lead 40 are connected to each other through the second through hole 122 formed in the spacer 100.

와이어(50)를 매개로 반도체칩(10)과 시그널리드(40)를 연결시킬 때에는 시그널리드(40)가 상부기판(200) 및 하부기판(300)과 별개로 설치되지만, 제2관통공(122)을 통해 반도체칩(10)과 시그널리드(40)를 연결시킬 경우에는 시그널리드(40)를 상부기판(200)에 결합시킬 수도 있다.The signal lead 40 is provided separately from the upper substrate 200 and the lower substrate 300 when the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 are connected to each other via the wire 50. However, The signal lead 40 may be coupled to the upper substrate 200 when the semiconductor chip 10 and the signal lead 40 are connected to each other via the signal lead 40. [

즉, 상부기판(200)의 절연판(22) 상에 시그널리드(40)를 접합시키되, 파워리드(21)와는 서로 분리되도록 설치하여 합선이 일어나지 않도록 하는 것이다.That is, the signal lead 40 is bonded on the insulating plate 22 of the upper substrate 200, but is separated from the power lead 21 to prevent short-circuiting.

시그널리드(40)를 상부기판(200)에 결합시키는 위치는, 상술한대로 제2관통공(122)이 형성된 곳에 시그널리드(40)의 시그널패드(미도시)가 위치되도록 반도체칩(10) 및 복합재 스페이서(100)의 설치 형태를 고려하여 설치하는 것이 바람직할 것이다.The position where the signal lead 40 is coupled to the upper substrate 200 is determined so that the signal pad of the signal lead 40 (not shown) is positioned where the second through hole 122 is formed, It is preferable to install the composite spacer 100 in consideration of the installation type of the composite spacer 100. [

이렇게 시그널리드(40)를 상부기판(200)에 미리 결합시킴으로써, 파워모듈 조립시 공수를 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있을 것이다.By joining the signal leads 40 to the upper substrate 200 in advance, productivity in assembling the power module can be reduced to improve the productivity.

도 5에 도시된 바와 같이, 복합재 스페이서(100)에서 관통공(120)이 드러나 있는 곳을 제외한 나머지 표면에는 절연층(70)이 형성될 수 있다. 절연층(70)은 예를 들어 PSR 잉크로 이루어진 층일 수 있다.As shown in FIG. 5, an insulating layer 70 may be formed on the remaining surface of the composite spacer 100 except where the through hole 120 is exposed. The insulating layer 70 may be a layer made of, for example, PSR ink.

이렇게 복합재 스페이서(100)의 표면 일부에 절연층(70)을 형성시킴으로써, 파워리드(21)와 반도체칩(10)이 연결되는 부위와, 시그널리드(40)와 반도체칩(10)이 연결되는 부위가 분리되어 합선이 방지될 수 있다.By forming the insulating layer 70 on a part of the surface of the composite spacer 100 in this manner, a portion where the power lead 21 and the semiconductor chip 10 are connected and a portion where the signal lead 40 and the semiconductor chip 10 are connected The site can be separated and a short-circuit can be prevented.

파워모듈의 조립이 완료되면, 파워리드(21) 및 시그널리드(40)의 일부분을 제외한 나머지 공간을 봉지재(60)로 채워 각 구성들 사이를 절연시키면서 내구성을 향상시키게 된다.When the assembly of the power module is completed, the remaining space excluding the portions of the power lead 21 and the signal lead 40 is filled with the sealing material 60, thereby improving the durability while insulating the structures from each other.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

10: 반도체칩 21: 파워리드
22: 절연판 23: 방열판
30: 스페이서 40: 시그널리드
50: 와이어 60: 봉지재
70: 절연층 100: 복합재 스페이서
110: 베이스 120: 관통공
121: 제1관통공 122: 제2관통공
130: 충진재 200: 상부기판
300: 하부기판 S: 솔더재10: semiconductor chip 21: power lead
22: insulating plate 23: heat sink
30: spacer 40: signal lead
50: wire 60: encapsulant
70: Insulation layer 100: Composite spacer
110: Base 120: Through hole
121: first through hole 122: second through hole
130: filler 200: upper substrate
300: lower substrate S: solder material

Claims (11)

양면냉각 파워모듈의 반도체칩과 기판 사이에 설치되는 스페이서로서,
상기 반도체칩과 상기 기판 사이를 잇는 방향으로 복수 개의 관통공이 형성된 세라믹 재질의 베이스; 및
복수 개의 상기 관통공에 설치되어 열 및 전기를 전달하는 금속 재질의 충진재;를 포함하는, 복합재 스페이서.
A spacer provided between the semiconductor chip and the substrate of the double-sided cooling power module,
A ceramic base having a plurality of through holes formed in a direction connecting the semiconductor chip and the substrate; And
And a filling material which is provided on the plurality of through holes and which is made of a metal and transmits heat and electricity.
청구항 1에 있어서,
상기 베이스에 형성된 관통공은, 상기 반도체칩과 상기 기판 사이에서 열 및 전기를 전달하도록 형성된 제1관통공과, 상기 반도체칩과 시그널리드 사이를 연결하여 신호를 전달하도록 형성된 제2관통공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서.
The method according to claim 1,
The through hole formed in the base includes a first through hole formed to transmit heat and electricity between the semiconductor chip and the substrate and a second through hole formed to connect the semiconductor chip and the signal lead to transmit a signal, ≪ / RTI >
청구항 1에 있어서,
상기 베이스는, AlN, Al2O3, ZTA, Si3N4 중 어느 하나 이상의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서.
The method according to claim 1,
Wherein the base is formed of one or more materials selected from AlN, Al 2 O 3 , ZTA, and Si 3 N 4 .
청구항 1에 있어서,
상기 충진재는, 구리 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서.
The method according to claim 1,
Characterized in that the filler is made of a copper material.
상부기판 및 하부기판 사이에 반도체칩이 설치된 양면냉각 파워모듈로서,
상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이를 잇는 방향으로 복수 개의 관통공이 형성된 세라믹 재질의 베이스 및 복수 개의 상기 관통공에 설치되어 열 및 전기를 전달하는 금속 재질의 충진재가 포함된 복합재 스페이서;를 포함하는, 복합재 스페이서를 적용한 양면냉각 파워모듈.
A two-sided cooling power module in which semiconductor chips are provided between an upper substrate and a lower substrate,
And a composite spacer including a base of a ceramic material having a plurality of through holes formed in a direction connecting between the semiconductor chip and the upper substrate, and a filler material, which is provided on the plurality of through holes and is made of a metal material for transmitting heat and electricity. Double-sided cooling power module with composite spacer.
청구항 5에 있어서,
상기 반도체칩에 신호를 송수신하는 시그널리드; 및
상기 반도체칩과 상기 시그널리드를 연결하는 와이어;를 더 포함하는, 복합재 스페이서를 적용한 양면냉각 파워모듈.
The method of claim 5,
A signal lead for transmitting and receiving signals to and from the semiconductor chip; And
Further comprising: a wire connecting the semiconductor chip and the signal lead.
청구항 5에 있어서,
상기 반도체칩에 신호를 송수신하는 시그널리드;를 더 포함하고,
상기 베이스에 형성된 관통공은, 상기 반도체칩과 상기 상부기판 사이에서 열 및 전기를 전달하도록 형성된 제1관통공과, 상기 반도체칩과 상기 시그널리드 사이에서 신호를 전달하도록 형성된 제2관통공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서를 적용한 양면냉각 파워모듈.
The method of claim 5,
And a signal lead for transmitting and receiving signals to and from the semiconductor chip,
The through hole formed in the base includes a first through hole formed to transfer heat and electricity between the semiconductor chip and the upper substrate and a second through hole formed to transmit a signal between the semiconductor chip and the signal lead Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > composite spacer.
청구항 5에 있어서,
상기 상부기판 및 상기 하부기판은, 상기 반도체칩 방향에 형성된 파워리드와, 상기 반도체칩 반대 방향에 형성된 방열판과, 상기 파워리드와 상기 방열판 사이에 형성된 절연판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서를 적용한 양면냉각 파워모듈.
The method of claim 5,
Wherein the upper substrate and the lower substrate include a power lead formed in a direction of the semiconductor chip, a heat sink formed in a direction opposite to the semiconductor chip, and an insulating plate formed between the power lead and the heat sink. Applied double sided cooling power module.
청구항 5에 있어서,
상기 복합재 스페이서의 양면에 형성되되, 상기 베이스의 표면 중 상기 관통공이 형성되지 않은 부분을 덮도록 형성되는 절연층;을 더 포함하는, 복합재 스페이서를 적용한 양면냉각 파워모듈.
The method of claim 5,
Further comprising an insulating layer formed on both sides of the composite spacer and formed to cover a portion of the surface of the base where the through hole is not formed.
청구항 5에 있어서,
상기 베이스는, AlN, Al2O3, ZTA, Si3N4 중 어느 하나 이상의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서.
The method of claim 5,
Wherein the base is formed of one or more materials selected from AlN, Al 2 O 3 , ZTA, and Si 3 N 4 .
청구항 5에 있어서,
상기 충진재는, 구리 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합재 스페이서.
The method of claim 5,
Characterized in that the filler is made of a copper material.
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