KR100675091B1

KR100675091B1 - 전자 부품의 방열용 코팅 조성물

Info

Publication number: KR100675091B1
Application number: KR1020050068843A
Authority: KR
Inventors: 김선만; 김선정
Original assignee: 김선만; 김선정
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-01-29

Abstract

본 발명은 전자 부품의 방열용 코팅 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SiO₂, Al₂O₃, SiC, Fe₂O₃, 구리 분말, 알루미늄 분말, 프릿 및 은 나노 바인더를 포함하는 세라믹 코팅 조성물에 관한 것으로 이를 이용하여 열이 발생되는 전자 부품을 코팅하면 열이 일정한 방향으로 발산되도록 함으로써 전자 부품 자체가 과도하게 가열되는 것을 방지할 수 있다.

전자 부품, 반도체 소자, 방열, 전해코팅, 세라믹코팅, 피도물

Description

전자 부품의 방열용 코팅 조성물{COATING COMPOSITION FOR HEAT SINK OF ELECTRONIC COMPONENTS}

도 1a는 본 발명의 실시예 1 내지 4에 따른 방열 처리된 소자의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1b는 본 발명의 비교예 1에 따른 LED 소자의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 전자 부품의 방열용 코팅 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열이 발생하는 전자 부품의 표면에 코팅되어 소자에서 방출되는 열이 충분히 발산되지 못하여 과도하게 가열되는 것을 방지하기 위한 전자 부품의 방열용 코팅 조성물에 관한 것이다.

최근 반도체 소자와 관련한 기술 발전에 따라 전자 부품에 사용되는 소자의 집적도가 급속도로 증가하면서 구동 중에 발생하는 열을 제어하기 위한 방법에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 즉, 반도체 소자의 구동 중에 발생하는 열은 전도(conduction), 방사(radiation), 또는 대류(convection)의 형태로 소자의 모든 방향에서 방출되는데, 이러한 열전달 과정이 원활하게 일어나지 못하면, 반도체 소자가 가열되어 P-N 접합이 수명 시간 이전에 파괴되는 열적 또는 전기적 파괴현상이 발생한다. 따라서 이러한 현상 없이 반도체 소자를 효율적으로 작동시키기 위해서는 제열(heat control) 또는 방열(heat sink)이 필요하며, 다양한 형태의 제열용 또는 방열용의 열전도성 재료가 개발되고 있다. 일반적으로 이러한 열전도성 재료는 크기 취급이 용이한 시트상의 것과 일반적으로 방열용 그리스라고 하는 페이스트의 2가지 형태로 존재한다. 후자의 경우는 전자 부품의 요철이나 간극에 삽입되어 전자 부품과 방열체 사이의 접촉 면적을 넓힐 수 있다는 이점이 있지만, 원래 상태로는 취급이 어렵기 때문에 통상적으로는 디스펜스 기구의 시린지에 충전되어 사용되고 있다. 또한 비교적 넓은 면적에 방열용 그리스를 도포하는 경우에는 금속 스크린 또는 스텐실 등의 인쇄 방법을 적용하여 효율적으로 도포하고 있으며, 이러한 방열용 그리스로서는 각종 실리콘 등을 함유하는 그리스 조성물 등이 일본 특허 공개 제2000-63872호, 일본 특허 공개 제2000-129160호, 일본 특허 공개 제2000-109373호 등에 기재되어 있다.

그러나 상기 그리스 조성물 등은 그 도포 방법 및 적용 가능한 피도물 표면이 한정적이며, 코팅재료의 소성 온도가 극히 제한되어 있고 코팅 막의 물성 또한 충분하지 못하므로 이를 만족시키면서, 용이하게 코팅 가능한 전자 부품의 방열용 코팅 조성물을 제공하고자 한다.

즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면은 SiO₂, Al₂O₃, SiC, Fe₂O₃, Cu 분말, Al 분말, 프릿, 은 나노 바인더, 및 기타 첨가제를 포함하는 전자 부품의 방열용 코팅 조성물에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 한 측면은 상기 전자 부품의 방열용 나노 코팅 조성물과 이에 대한 용제를 포함하는 방열용 코팅액에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 관하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 한 측면에 따른 전자 부품의 방열용 코팅 조성물은 세라믹코팅 조성물로서 다음과 같은 구성을 갖는다.

즉, SiO₂ 33~37 중량%, Al₂O₃ 18~22 중량%, SiC 18~22 중량%, Fe₂O₃ 3~7 중량%, Cu 분말 3~7 중량%, Al 분말 3~7 중량%, 프릿 2~4 중량%, 및 은 나노 바인더 1~3 중량%를 필수적으로 포함하며, 그 밖에 기타 첨가제도 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는 SiO₂ 35중량%, Al₂O₃ 20중량%, SiC 20중량%, Fe₂O₃ 5중량 %, Cu 분말 5중량%, Al 분말 5중량%, 프릿 3중량%, 은 나노 바인더 2중량%, 및 기타 첨가제 5중량%를 포함한다.

상기 세라믹코팅 조성물은 상기한 바와 같은 매우 선택적인 성분들의 배합을 통해 피도물에 보다 용이하게 코팅되어 충분한 물성 및 방열 특성을 달성할 수 있는데, 특히 2중량%의 은 나노 바인더를 첨가함으로써 세균이나 곰팡이 등에 대한 항균성이 우수한 특징을 갖는다. 은 나노 바인더로서 첨가될 수 있는 보다 구체적인 예로서는 질산은, 황산은, 염화은 등을 포함하는 바인더를 들 수 있다.

상기 구성 성분 중 프릿은 특별히 한정되는 것은 아니나, 저융점 프릿을 사용할 수 있고 구체적인 예로서는 규산염계 프릿, 붕소산염계 프릿, 인산염계 프릿, 규산납계 프릿 등을 사용할 수 있다. 프릿을 상기 함량 미만으로 사용하면 내열성이 저하될 수 있고, 상기 함량을 초과하여 사용할 경우 조성물의 초기 도막 형성 능력이 저하될 수 있다.

상기 기타 첨가제로는 체질안료, 분산제, 침강방지제, 소포제, 부착증진제 등을 예로 들 수 있다. 보다 구체적으로 상기 체질안료의 예로서는 마이카, 티타늄옥사이드, 활석, 황산바륨 등을 들 수 있다. 또한 상기 분산제로는 상업적으로 구입 가능한 각종 도료용 분산제를 사용할 수 있고, 침강방지제로는 폴리에틸렌계 왁스, 폴리프로필렌계 왁스, 폴리아미드계 왁스 등을 사용할 수 있으며, 부착증진제로는 각종 실란 커플링제를 사용할 수 있다.

상기 세라믹코팅 조성물이 코팅될 수 있는 피도물은 필요에 따라 하기와 같 은 전해코팅 조성물로 코팅된 전자부품일 수 있다.

즉, 상기 전해코팅 조성물은 기본적으로 CuSO₄ 26~27 중량%, H₃BO₃ 53~54 중량%, 및 H₂SO₄ 18~22 중량%를 포함한다. 바람직하게 농도 15%의 CuSO₄는 26.6 중량%, 5%의 H₃BO₃은 53.3 중량%, 20%의 H₂SO₄은 20 중량%를 포함하고, 기타 첨가제로서 완충제 등을 0.1 중량%의 함량으로 포함할 수 있다.

상기 전해코팅 조성물은 개별적으로 전자 부품에 코팅되어 방열 재료로 사용될 수도 있지만, 세라믹코팅 이전에 피도물에 코팅되었을 때 보다 효과적인 방열성을 제공할 수 있다. 즉, 상기 전해코팅 조성물로 코팅된 금속 표면에 상기 세라믹코팅 조성물이 코팅된 경우, 80℃ 이상의 온도에서는 특별한 제한 없이 소성이 진행되어 완전 코팅막을 형성할 수 있으며, 코팅 막의 물성 역시 현저히 향상된다. 또한 피도물로부터 열의 방출이 전도, 반사, 대류의 형태로 90°의 일정한 방향으로 일어나, 특히 반도체 소자의 경우에는 P-N 접합의 온도 변화를 낮추거나 제거하는 역할을 할 수 있다.

상기 전해코팅은 통상의 방법에 따라 이루어 질 수 있으며, 한 예로서 코팅하고자 하는 피도물을 상기 구성을 갖는 조성물에 일정 시간 동안 침지하고 일정한 값으로 가압함으로써 진행될 수 있다. 바람직하게는 상기 전압이 17V이고, 상기 시간은 30분 정도인 것이 효과적이다. 필요에 따라서는 상기 전해코팅 전에 피도물을 완충액 등에 세정할 수도 있다.

한편, 본 발명의 다른 한 측면은 상기 전자 부품의 방열용 코팅 조성물과 이에 대한 용제를 포함하는 방열용 코팅액에 관한 것으로서, 하기와 같은 과정을 통하여 용제 또는 선택적으로 경화제를 포함하는 방열용 코팅액으로 제조된 후 전자 부품 등의 피도물 표면에 코팅될 수 있다.

먼저 상기 특정 비율로 혼합된 세라믹코팅 조성물을 통상의 밀링(milling) 기계, 바람직하게는 볼밀에 넣고 일정 시간 분산시킨다. 바람직하게는 10 내지 15시간, 보다 바람직하게는 14시간 동안 분산시킬 수 있다.

이어서, 상기 분산된 조성물을 용제에 희석하고, 통상 사용되는 경화제를 첨가하여 방열용 코팅액을 제조한 후, 숙성시킨다. 필요에 따라 경화 촉매를 첨가할 수도 있으며, 바람직하게는 8시간 이상을 숙성시키는 것이 효과적이다.

상기 용제는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 바람직하게는 메탄올, 부탄올, 이소프로판올, 톨루엔, 아세톤, 메틸이소부틸케톤, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 또는 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트 등을 예로 들 수 있고, 보다 바람직하게는 메탄올, 부탄올, 이소프로판올 등의 알코올을 사용하는 것이 효과적이다.

다음으로 상기 숙성된 조성물을 전자 부품 등의 표면에 코팅하는데, 코팅 방법은 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 예로서는 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 등을 들 수 있다. 필요에 따라 코팅 막의 두께는 조절될 수 있지만, 바람직하게는 20~30㎛ 두께로 도포하는 것이 효과적이다.

상기 조성물의 도포 과정이 완료되면, 도포된 코팅 막을 소성 처리하여야 하는데, 바람직하게는 80℃ 이상, 보다 바람직하게는 100℃ 이상의 온도에서 일정시간, 예를 들면 약 10~30분간 소성 처리하여 완전한 코팅 막을 형성할 수 있다.

이하에서, 실시예를 통하여 본 발명에 따른 전자 부품의 방열용 코팅 조성물에 관하여 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

실시예 1

<전해코팅>

농도가 15%인 CuSO₄용액 26.6 중량%, 농도가 5%인 H₃BO₃ 수용액 53.3 중량%, 농도가 20%인 H₂SO₄20중량% 및 기타첨가제로 농도10%의 체질안료 0.1중량%를 혼합하여 전해코팅 조성물을 제조하였다. 상기 조성물 1L에 가로 10cm, 세로 20cm, 두께 3T인 알루미늄 시편을 침지하고 30분간 17V로 가압하여 전해코팅을 실시하였다.

<세라믹코팅>

SiO₂ 35중량%, Al₂O₃20중량%, SiC 20중량%, Fe₂O₃ 5중량%, 구리 분말 5중량%, 프릿(Pemco 社) 3중량%, 은 나노 바인더(하영CNS 社) 2중량%, 및 10%의 기타첨가제(체질안료, 분산제, 침강방지제, 소포제, 및 부착증진제 포함) 5중량%를 혼합하고 이를 볼밀에 넣어서 14시간 동안 분산시켰다. 분산이 완료되면 분산된 조성물에 이소프로필알콜과 경화제로서 P.T.B(PNS 社) 넣고 8시간 이상 상압, 20~25℃에서 숙성시켜 세라믹코팅 조성물을 제조하였다. 그 뒤 상기 실시예 1에서 전해코팅한 알루미늄 시편에 스프레이 코팅 처리하였고 두께 25㎛가 되면 이를 100℃의 온도에서 30분간 소성 처리하여 알루미늄 방열판을 완성한 후, 하기와 같은 방식으로 특성을 평가하였다.

특성 평가

상기 실시예 1을 통해 코팅된 알루미늄 시편에 대하여 하기와 같이 물리적 또는 화학적 물성을 평가하였다.

물리적 물성의 평가 방법 및 그 결과는 하기 표 1에 나타난 바와 같다.

물리적 물성	평가 결과
외관¹⁾	손상 없음
코팅막 두께²⁾	25㎛
광택³⁾	30~60%
부착성⁴⁾	양호
전기저항성	부도체(∞)
내열성⁵⁾	양호

¹⁾육안평가

²⁾도막두께 측정기(제조사 보충 要)

³⁾60°로 조사한 조명 하에서 반사율 측정

⁴⁾가로 × 세로 1㎠ 내에 100개의 칸을 갖도록 칼로 그은 후, 스카치 테이프로 밀착시킨 후 떼어내어 코팅 막의 떨어진 정도를 관찰

⁵⁾450℃ 전기로에 1시간 동안 넣은 후 도막의 파괴 여부, 박리 여부 관찰

화학적 물성은 내화학적 물성, 내구성, 내용재성으로 분류될 수 있는데, 그 평가 방법 및 그 결과는 하기 표 2에 나타난 바와 같다.

화학적 물성	평가 결과
내염수분무성¹⁾	합격
내산성²⁾	합격
내알코올성³⁾	합격
내알칼리성⁴⁾	합격
내오염성⁵⁾	이상 없음
항균성⁶⁾	합격

¹⁾ 5% NaCl에서 24시간 동안 침지

²⁾ 5% H₂SO₄에서 8시간 동안 침지

³⁾ 메탄올에서 2시간 동안 침지

⁴⁾ 3%의 Na₂CO₃에서 4시간 동안 침지

⁵⁾ 식용유를 떨어뜨린 후 제거

⁶⁾ KSM 5000-3431 기준

방열특성 평가

다음으로 상기에서 제작된 알루미늄 시편에 LED소자(Lumileds' Batwing LED)를 부착하고 350mA의 전류를 흘려서 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다. 그 결과를 도 1a에 그래프로 도시하였고, 하기 표 3에 온도 측정 후 50분에서 65분 사이의 평균 온도(T) 및 이 평균 온도와 초기 온도와의 차이(ΔT=T-T_start)를 나타내었다.

실시예 2

알루미늄 금속 시편에 전해코팅 대신에 주석산화물로 전처리한 후, 세라믹 코팅을 한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 방열특성을 평가하였고 그 결과를 도 1a 및 표 3에 나타내었다.

실시예 3

알루미늄 금속 시편에 전해코팅 대신에 구리산화물로 전처리한 후, 세라믹 코팅을 한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 방열특성을 평가하였고 그 결과를 도 1a 및 표 3에 나타내었다.

실시예 4

알루미늄 금속 시편에 전해코팅 대신에 착색 전처리한 후, 세라믹 코팅을 한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 방열특성을 평가하였고 그 결과를 도 1a 및 표 3에 나타내었다.

비교예 1

전처리 및 세라믹코팅을 하지 않은 알루미늄 시편을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방열특성을 평가하고, 그 결과를 도 1b 및 표 3에 나타내었다.

구분	50~60분 사이의 평균온도 T(℃)	온도변화 ΔT(T-T_start)
실시예 1	72.11	45.91
실시예 2	73.49	47.69
실시예 3	72.40	45.80
실시예 4	71.18	45.08
비교예 1	87.21	63.21

상기 표 1 및 2의 물성 평가 결과와 표 3의 방열특성 평가로부터 알 수 있듯이 본 발명에 따른 전해코팅용 조성물 또는 세라믹코팅용 조성물을 이용하여 형성된 코팅 막은 내열, 방열 기능, 내식성, 내용제성, 내약품성이 우수한 동시에 항균성 또한 매우 우수함을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 부품의 방열용 나노 코팅 조성물은 반도체 소자 등의 피도물에 도포되었을 때 피도물에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키면서도 그 코팅 막 자체의 물리적, 화학적 물성이 우수하고 현저한 항균성 도 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형은 청구 범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims

SiO₂ 35중량%, Al₂O₃ 20중량%, SiC 20중량%, Fe₂O₃ 5중량%, Cu 분말 5중량%, Al 분말 5중량%, 프릿 3중량%, 은 나노 바인더 2중량%, 및 체질안료, 분산제, 침강방지제, 소포제, 부착증진제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제 5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품의 방열용 코팅 조성물.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 전자 부품은 15%의 CuSO₄ 26.6 중량%, 5%의 H₃BO₃ 53.3 중량%, 20%의 H₂SO₄ 20 중량% 및 10%의 완충제 0.1 중량%을 포함하는 전해코팅 조성물로 전해코팅된 반도체 소자인 것을 특징으로 하는 전자 부품의 방열용 코팅 조성물.
제 1항에 따른 전자 부품의 방열용 나노 코팅 조성물과 이에 대한 용제를 포 함하는 방열용 코팅액.
제 4항에 있어서, 경화제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품의 방열용 코팅액.
제 4항에 있어서, 상기 용제는 메탄올, 부탄올, 이소프로판올, 톨루엔, 아세톤, 메틸이소부틸케톤, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 및 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전자 부품의 방열용 코팅액.