KR100762195B1 - 히트 스프레더 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

히트 스프레더 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래에 필요하였던 히트 스프레더재를 사용하지 않고서 구성할 수 있도록 하여 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모하고, 게다가, 열 사이클에 대한 신뢰성도 향상시키는 것을 목적으로 한다.
히트 스프레더 모듈(10)은 접합체(12)를 구비하고, 이 접합체(12)는 판 부재(14)와, 이 판 부재(14) 상에 배치된 절연 기판(16)과, 이 절연 기판(16) 상에 배치된 회로 기판(18)을 갖는다. 접합체(12)의 상면, 즉, 회로 기판(18)의 상면에는 땜납층(20)을 통해 IC 칩(22)이 실장되고, 접합체(12)의 하면, 즉, 판 부재(14)의 하면에는 히트 싱크(24)가 예컨대 땜납층(26)을 통해 접합되어 히트 싱크 모듈(28)이 구성된다.

Description

히트 스프레더 모듈 및 그 제조 방법{HEAT SPREADER MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
도 1은 본 실시 형태에 따른 히트 스프레더 모듈 및 히트 싱크 모듈을 도시한 구성도.
도 2는 판 부재의 변형예를 도시한 단면도.
도 3은 다공질 소결체의 일례를 도시한 사시도.
도 4는 다공질 소결체의 다른 예를 도시한 사시도.
도 5는 접합체의 열전도성과 열충격 내성을 관찰한 실험예에 있어서의 실시예 1 내지 실시예 8 및 비교예 1 내지 비교예 5의 내역을 도시한 표.
도 6은 접합체의 열전도성과 열충격 내성을 관찰한 실험예의 결과를 도시한 표.
도 7a는 제1 제조 방법에 있어서 금형에 절연 기판 및 다공질 소결체를 설치한 상태를 도시한 공정도이고, 도 7b는 금형의 캐비티에 용융 금속을 유입시킨 상태를 도시한 공정도.
도 8a는 제2 제조 방법에 있어서 금형에 다공질 소결체를 설치한 상태를 도시한 공정도이고, 도 8b는 금형의 캐비티에 용융 금속을 유입시킨 상태를 도시한 공정도.
도 9a는 제2 제조 방법에 있어서의 세팅 공정을 도시한 설명도이고, 도 9b는 접합 공정을 도시한 설명도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 히트 스프레더 모듈 12 : 접합체
14 : 판 부재 16 : 절연 기판
18 : 회로 기판 20, 26 : 땜납층
22 : IC 칩 24 : 히트 싱크
30, 30A, 30B : 다공질 소결체 32 : 금속층
본 발명은 반도체 등으로 구성된 IC 칩 등을 냉각시키기 위해 사용되는 히트 스프레더 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor: 게이트 격리형 바이폴러 트랜지스터) 등의 반도체 장치의 발열을 효과적으로 방산시키는 부재로서의 히트 스프레더 모듈은 회로 기판, 절연 기판, 금속판 및 히트 스프레더재(열확산층)에 의해 구성된다. 이 히트 스프레더재의 하면에 히트 싱크가 접속된다.
종래, 이들 부재를 접합할 때에는 땜납층(융점＝250℃ 정도)을 이용하여 접합하는 경우가 많았다. 그러나, 땜납층이 큰 열저항이 되는 것과, 회로 기판과 절연 기판의 납 접합 공정과, 접합체와 대좌(臺座)의 접합 공정의 2개의 공정을 경유 함으로써 제조 비용을 상승시키는 요인이 되고 있었다.
그래서, 본 발명자들은 먼저 특허 문헌 1에서, 회로 기판, 절연 기판, 중간층 및 히트 싱크재를 경납재를 이용하여 가압하면서 가열하여 접합함으로써, 열저항이 되는 접합층을 잔류시키지 않고, 또한, 하나의 공정으로 접합하는 방법을 개시하였다. 이 방법에 따르면, 높은 열전도율을 가진 히트 스프레더 모듈을 저렴하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명자들은 히트 스프레더 모듈을 접합할 때에, 잉여의 경납재를 생기게 하지 않고, 게다가, 필요한 접합 강도를 얻을 수 있는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법 및 히트 스프레더 모듈도 제안하고 있다(예컨대 특허 문헌 2 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2002-43482호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-303818호 공보
그러나, 히트 싱크에 접속되는 히트 스프레더재를, 예컨대 CuMo 등으로 구성한 경우, 반도체 장치로부터의 발열을 광범위하게 확산시키기 위해서 폭 넓게 형성할 필요가 있고, 예컨대 복수의 반도체 장치를 실장하는 경우, 폭이 넓은 히트 스프레더재 상에 복수의 반도체 장치를 각각 간격을 두고 실장할 필요가 있다. 또한, 히트 스프레더재와 각 반도체 장치 사이에는 회로 기판과 절연 기판과 금속판이 개재되어 있다.
따라서, 종래의 히트 스프레더 모듈은 사이즈가 커지게 되고, 또한, 히트 스프레더재의 두께도 크게 할 필요가 있기 때문에, 히트 스프레더 모듈의 경량화, 저 높이화, 소형화 및 비용의 저렴화에는 한계가 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 고려하여 이루어진 것으로서, 종래에 필요하였던 히트 스프레더재를 사용하지 않고서 구성할 수 있으며, 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있고, 게다가, 열 사이클에 대한 신뢰성도 향상시킬 수 있는 히트 스프레더 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있는 히트 스프레더 모듈을 용이하게 제작할 수 있으며, 히트 스프레더 모듈의 생산성 향상, 수율 향상을 도모할 수 있고, 게다가, 히트 스프레더 모듈의 열전도성 향상을 도모할 수 있는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 히트 스프레더 모듈은 적어도 판 부재와, 절연 기판과, 회로 기판이 이러한 순서로 접합된 접합체를 이루는 히트 스프레더 모듈에 있어서, 상기 판 부재는 다공질 소결체와 금속층을 가지며, 상기 다공질 소결체의 일부 또는 전부가 상기 금속층으로 둘러싸인 구성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 판 부재가 히트 스프레더재로서의 기능을 수행하기 때문에, 종래에 필요하였던 히트 스프레더재를 사용하지 않고서 히트 스프레더 모듈을 구성할 수 있고, 게다가, 판 부재를 폭 넓게 형성할 필요가 없기 때문에, 히트 스프레더 모듈의 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있다. 또한, 다공질 소결체가 응력 완충재로서 기능함으로써 열 사이클에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 구성에 있어서, 상기 다공질 소결체는 상기 접합체의 두께에 대하여 30% 이상, 99% 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 52% 이상, 91% 이하의 두께를 갖는 것이다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 금속층의 두께(t)는 상기 접합체의 두께에 대하여 0.01% 이상, 50% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이에 따라, 절연 기판과 다공질 소결체 사이 및 판 부재에 접합되는 히트 싱크(수냉이나 공냉용 냉각핀 등)와 다공질 소결체 사이에 금속층이 개재되는 형태가 되어 접합체 전체의 열전도성을 높일 수 있는 동시에 판 부재와 히트 싱크의 접합 강도도 확보할 수 있다. 또한, 전술한 두께의 범위라면, 금속층에서 발생하는 응력을 다공질 소결체에서 충분히 완화할 수 있어, 열 사이클에 대한 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 판 부재의 상기 절연 기판과의 접합면에서부터 상기 다공질 소결체까지의 상기 금속층의 두께를 t1, 상기 판 부재의 상기 절연 기판과의 접합면과 반대측면에서부터 상기 다공질 소결체까지의 상기 금속층의 두께를 t2로 했을 때, t1/t2＝0.1∼10인 것이 바람직하다. t1/t2＝1 또는 1에 가까울수록 판 부재 내에서의 다공질 소결체의 배치 밸런스가 양호해지고, 판 부재와 히트 싱크와의 접합 강도를 높이기 위한 판 부재의 휨을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 다공질 소결체에 상기 금속층을 구성하는 금속 재료가 함침되어 있어도 좋다. 이 경우, 한층 더 열전도의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 다공질 소결체는 카본, SiC, BeO, BN, AlN, Si3N4인 것이 바람직하다. 이 경우, 열전도율이 300 W/mK 이상으로 높기 때문에, 접합체 전체의 열전도율도 높일 수 있다. 게다가, 종래의 예컨대 CuMo에 의한 히트 스프레더재에 비하여 경량이기 때문에, 접합체 전체의 중량 증가를 억제할 수 있다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 절연 기판이 AlN(질화알루미늄)으로 구성되어 있어도 좋다. AlN은 열전도율이 높기 때문에, 접합체 전체의 열전도도를 향상시키는 데에 있어서 유리해진다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 절연 기판이 Si3N4(질화규소)로 구성되어 있어도 좋다. 이 경우, AlN보다도 강도가 높기 때문에, 회로 기판 상에 IC 칩을 납땜할 때나, 판 부재에 히트 싱크를 납땜할 때에, 그 땜납층의 두께나 종류에 따라서는 판 부재에 의한 응력 완화가 불충분해질 우려가 있을 경우에 바람직하게 채용된다.
또한, 절연 기판이 AlN 또는 Si3N4인 경우에, 상기 금속층은 Al(알루미늄)로 구성하여도 좋다. 또는, 절연 기판이 Si3N4인 경우에, 상기 금속층은 Cu(구리)로 구성하여도 좋다. 금속층을 Cu로 했을 경우, AlN의 절연 기판에서는 응력을 완화할 수 없게 될 우려가 있기 때문에, Si3N4의 절연 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 접합체의 상기 회로 기판, 상기 절연 기판 및 상기 판 부재를 인서트 몰딩 공정에 의해 일체화하여 구성하도록 하여도 좋고(제1 구성), 상기 회로 기판과 상기 절연 기판 사이에 접합재를 개재시키고, 상기 절연 기판과 상기 판 부재 사이에 접합재를 개재시켜 접합하도록 하여도 좋다(제2 구성). 제1 구성은 인서트 몰딩 공정을 사용하여 용이하게 접합체를 제작할 수 있으므로, 제조 공정의 간략화를 도모할 수 있다. 제2 구성은 재료의 선정에 따라서는 인서트 몰딩 공정이 적용되지 않는 경우도 있을 수 있지만, 그 경우에 적합하게 채용할 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 히트 스프레더 모듈의 제조 방법은 적어도 판 부재와, 절연 기판과, 회로 기판이 이 순서로 접합된 접합체를 가지며, 상기 판 부재가 다공질 소결체와 금속층을 가지며, 상기 다공질 소결체의 일부 또는 전부가 상기 금속층으로 둘러싸인 구성을 갖는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법으로서, 금형 내에 상기 절연 기판과 상기 다공질 소결체를 설치하고, 상기 금형의 캐비티에 용융 금속을 유입시켜 상기 금형을 냉각시킴으로써, 상기 회로 기판과 상기 절연 기판과 상기 판 부재가 일체화된 접합체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있는 히트 스프레더 모듈을 용이하게 제작할 수 있고, 히트 스프레더 모듈의 생산성 향상, 수율 향상을 도모할 수 있다. 또한, 접합체의 각 부재 사이에 경납재나 땜납층을 개재시킬 필요가 없기 때문에, 히트 스프레더 모듈의 열전도성 향상을 도모할 수 있다.
그리고, 상기 제조 방법에 있어서, 상기 다공질 소결체는 미리 상기 용융 금속과 동일한 금속 재료가 함침되어 있어도 좋다. 또한, 상기 금형 내에 상기 절연 기판과 상기 다공질 소결체를 설치하고, 상기 금형의 캐비티에 용융 금속을 유입시키며, 그 후, 상기 용융 금속을 가압하도록 하여도 좋다(용탕 단조법, 가압 주조법).
이하, 본 발명에 따른 히트 스프레더 모듈 및 그 제조 방법의 실시 형태예에 대해서 도 1 내지 도 9b를 참조하면서 설명한다.
본 실시 형태에 따른 히트 스프레더 모듈(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 접합체(12)를 구비하고, 이 접합체(12)는 판 부재(14)와, 이 판 부재(14) 상에 배치된 절연 기판(16)과, 이 절연 기판(16) 상에 배치된 회로 기판(18)을 갖는다.
접합체(12)의 상면, 즉, 회로 기판(18)의 상면에는 땜납층(20)을 통해 IC 칩(22)이 실장되고, 접합체(12)의 하면, 즉, 판 부재(14)의 하면에는 히트 싱크(24)(수냉이나 공냉용 냉각핀 등)가, 예컨대 그리스층, 땜납층(26)을 통해 접합되어 히트 싱크 모듈(28)이 구성된다.
판 부재(14)는 다공질 소결체(30)와 금속층(32)을 가지며, 다공질 소결체(30)의 일부 또는 전부가 금속층(32)으로 둘러싸인 구성을 갖는다. 이 실시 형태에서는 도 1에 도시된 바와 같이 다공질 소결체(30)의 전체에 걸쳐 금속층(32)이 형성된 구성을 갖지만, 도 2의 변형예에 도시된 바와 같이, 다공질 소결체(30)의 상면 및 하면에 금속층(32)을 형성하고, 측면을 노출시킨 구성으로 하여도 좋다. 즉, 다공질 소결체(30)의 상부와 하부에 각각 금속층(32)이 존재하면 좋다.
이하의 설명에서는, 다공질 소결체(30)의 전체에 걸쳐 형성된 금속층(32) 중, 다공질 소결체(30)의 상부에 위치하는 금속층(32)을 상부 금속층(32a)이라 기 재하고, 다공질 소결체(30)의 하부에 위치하는 금속층(32)을 하부 금속층(32b)이라 기재한다.
다공질 소결체(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 카본을 예비 소성하여 네트워크화함으로써 얻을 수 있고, 또한, 다수의 개기공(34)이 형성된 다공질 소결체(카본, SiC, BeO, BN, AlN, Si3N4 등)로 하여도 좋으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 다공질 소결체(카본, SiC, BeO, BN, AlN, Si3N4 등)(30A)의 개기공(34) 내에 금속층(32)을 구성하는 금속 재료와 동일한 금속 재료(36)를 함침하여 다공질 소결체(30B)로 하여도 좋다. 이 경우, 도 1에 도시된 접합체(12)를 제작할 때에, 동시에 다공질 소결체(30)에 금속을 함침하도록 하여도 좋다.
또한, 절연 기판(16)에는 AlN 또는 Si3N4를 이용할 수 있고, 판 부재(14)의 금속층(32)을 구성하는 금속 재료로서 Al(알루미늄)이나 Cu(구리)를 이용할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 히트 스프레더 모듈(10)에 있어서는 판 부재(14)가 히트 스프레더재로서의 기능을 수행하기 때문에, 종래에 필요하였던 히트 스프레더재를 사용하지 않고서 히트 스프레더 모듈(10)을 구성할 수 있고, 게다가, 판 부재(14)를 폭 넓게 형성할 필요가 없기 때문에, 히트 스프레더 모듈(10) 및 히트 싱크 모듈(28)의 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있다. 또한, 다공질 소결체(30)가 응력 완충재로서 기능함으로써 열 사이클에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 판 부재(14)의 바람직한 구성예에 대해서 설명한다. 우선, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 30% 이상, 99% 이하의 두께(t3)를 갖는 것이 바람직하다. 이것을 나타낸 실험예를 도시한다. 이 실험예는 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 5에 대해서 접합체(12)의 열전도성과 열충격 내성을 관찰한 것이다. 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 5의 내역을 도 5에 나타내고, 실험 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6에 있어서, 열전도성의 평가는 접합체(12)의 열전도율이 169 W/mK 이하인 경우에 「×」, 170∼200 W/mK 이하인 경우에 「△」, 201∼230 W/mK 이하인 경우에 「○」, 230 W/mK 이상인 경우에 「◎」로 하였다.
마찬가지로, 열충격 내성의 평가는 150∼-65℃의 열 사이클이 0∼100회에서 접합체(12)에 박리가 발생한 경우에 「×」, 상기 열 사이클이 101∼500회에서 접합체에 박리가 발생한 경우에 「△」, 상기 열 사이클이 501∼1000회에서 접합체에 박리가 발생한 경우에 「○」, 상기 열 사이클이 1001∼2000회에서 접합체에 박리가 발생한 경우에 「◎」로 하였다.
그리고, 실시예 1 내지 실시예 4는 회로 기판(18)의 재질을 Al(알루미늄), 두께를 0.6 ㎜로 하고, 절연 기판(16)의 재질을 AlN(질화알루미늄), 두께를 0.635 ㎜로 하며, 판 부재(14)의 금속층(32)의 재질을 Al, 특히, 상부 금속층(32a)의 두께를 0.6 ㎜, 하부 금속층(32b)의 두께를 0.6 ㎜로 한 것으로서, 그 중, 실시예 1은 판 부재(14)의 다공질 소결체(30)의 재질을 카본 블랙[다공질 소결체(30A)]으로 하고, 실시예 2 내지 실시예 4는 카본 블랙에 Al을 함침시킨 것[다공질 소결 체(30B)]을 사용하였다. 또한, 다공질 소결체(30)의 두께(t3)는 실시예 1 및 실시예 2에 있어서 2.000 ㎜, 실시예 3에 있어서 10.000 ㎜, 실시예 4에 있어서 1.200 ㎜로 하였다.
실시예 5 내지 실시예 8은 회로 기판(18)의 재질을 Cu(구리), 두께를 0.3 ㎜로 하고, 절연 기판(16)의 재질을 Si3N4(도 5에서는 SN으로 표기), 두께를 0.300 ㎜로 하며, 판 부재(14)의 금속층(32)의 재질을 Cu로 한 것으로서, 그 중, 실시예 5, 실시예 6 및 실시예 8은 상부 금속층(32a) 및 하부 금속층(32b)의 두께를 각각 0.3 ㎜로 하고, 실시예 7은 상부 금속층(32a) 및 하부 금속층(32b)의 두께를 각각 0.4 ㎜로 하였다. 또한, 실시예 5는 판 부재(14)의 다공질 소결체(30)의 재질을 카본으로 하고, 실시예 6 내지 실시예 8은 카본에 Cu를 함침시킨 것을 사용하였다. 또한, 다공질 소결체(30)의 두께(t3)는 실시예 5 및 실시예 6에 있어서 2.000 ㎜, 실시예 7에 있어서 10.000 ㎜, 실시예 8에 있어서 0.900 ㎜로 하였다.
비교예 1 및 비교예 4는 회로 기판(18)의 재질을 Al, 두께를 0.6 ㎜로 하고, 절연 기판(16)의 재질을 AlN, 두께를 0.635 ㎜로 하며, 판 부재(14)의 금속층(32)[상부 금속층(32a)뿐이며, 하부 금속층(32b)은 존재하지 않음]의 재질을 Al로 한 것으로서, 그 중, 비교예 1은 금속층의 두께를 0.6 ㎜로 하고, 비교예 4는 금속층의 두께를 0.3 ㎜로 하였다.
비교예 2, 비교예 3 및 비교예 5는 회로 기판(18)의 재질을 Cu, 두께를 0.3 ㎜로 하고, 절연 기판(16)의 재질을 Si3N4, 두께를 0.300 ㎜로 하며, 판 부재(14)의 금속층(32)[상부 금속층(32a)뿐이며, 하부 금속층(32b)은 존재하지 않음]의 재질을 Cu, 두께를 0.3 ㎜로 하였다.
특히, 비교예 1 및 비교예 2의 판 부재는 다공질 소결체(30)가 존재하지 않고 금속층(32)만으로 하였다. 한편, 비교예 3은 판 부재(14)의 다공질 소결체(30)의 재질을 카본 블랙으로 하고, 비교예 4는 카본에 Al을 함침시킨 것을 사용하며, 비교예 5는 카본에 Cu를 함침시킨 것을 사용하였다. 또한, 다공질 소결체(30)의 두께(t3)는 비교예 3에 있어서 0.300 ㎜, 비교예 4에 있어서 0.400 ㎜, 비교예 5에 있어서 0.200 ㎜로 하였다.
즉, 다공질 소결체(30)의 두께(t3)와 접합체(12)의 두께(ta)와의 비(比)로 관찰했을 경우, 실시예 1 및 실시예 2에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 45.1%의 두께(t3)를 가지며, 실시예 3에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 80.4%의 두께(t3)를 가지며, 실시예 4에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 33.0%의 두께(t3)를 가지며, 실시예 5 및 실시예 6에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 각각 62.5%의 두께(t3)를 가지며, 실시예 7에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 87.7%의 두께(t3)를 가지며, 실시예 8에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 42.9%의 두께(t3)를 갖는다.
마찬가지로, 비교예 1 및 비교예 2에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 0%의 두께를 가지며, 비교예 3에 있어서, 다공질 소결 체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 25.0%의 두께(t3)를 가지며, 비교예 4에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 20.7%의 두께(t3)를 가지며, 비교예 5에 있어서, 다공질 소결체(30)는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 18.2%의 두께(t3)를 갖는다.
이 실험예로부터, 도 6에 도시된 바와 같이, 다공질 소결체(30)의 두께(t3)가 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 25% 이하인 경우(비교예 1 내지 비교예 5)는, 열전도성이 나쁘고, 열충격성에 대해서도 신뢰성이 낮은 것을 알 수 있다. 한편, 다공질 소결체(30)의 두께(t3)가 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 30% 이상인 경우(실시예 1 내지 실시예 8)는, 열전도성이 좋고, 열충격성에 대해서도 신뢰성이 높은 것을 알 수 있다.
그 밖의 바람직한 형태로서는 금속층(32)의 두께[상부 금속층(32a) 및 하부 금속층(32b)의 각 두께]는 접합체(12)의 두께(ta)에 대하여 0.01% 이상, 50% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이에 따라, 절연 기판(16)과 다공질 소결체(30) 사이 및 판 부재(14)에 접합되는 히트 싱크(24)(수냉이나 공냉용 냉각핀 등)와 다공질 소결체(30) 사이에 금속층(32)이 개재되는 형태가 되어, 접합체(12) 전체의 열전도성을 높일 수 있는 동시에 판 부재(14)와 히트 싱크(24)와의 접합 강도도 확보할 수 있다. 또한, 전술한 두께의 범위라면, 금속층(32)에서 발생하는 응력을 다공질 소결체(30)로써 충분히 완화할 수 있고, 열 사이클에 대한 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 도 1에 있어서, 판 부재(14)의 절연 기판(16)과의 접합면에서부터 다 공질 소결체(30)까지의 금속층(32)의 두께를 t1, 판 부재(14)의 절연 기판(16)과의 접합면과 반대측면에서부터 다공질 소결체(30)까지의 금속층(32)의 두께를 t2로 했을 때, t1/t2＝0.1∼10인 것이 바람직하다. t1/t2＝1 또는 1에 가까울수록 판 부재(14) 내에서의 다공질 소결체(30)의 배치 밸런스가 양호해지고, 판 부재(14)와 히트 싱크(24)와의 접합 강도를 높이기 위해 판 부재(14)의 휨을 용이하게 제어할 수 있다.
그리고, 본 실시 형태에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 다공질 소결체(30)로서 다공질 소결체(30A)에 금속층(32)을 구성하는 금속 재료(36)가 함침된 타입의 것[다공질 소결체(30B)]을 사용하면, 한층 더 열전도의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 다공질 소결체(30)로서 카본, SiC, BeO, BN, ALN, Si3N4를 사용하면, 열전도율이 300 W/mK 이상으로 높기 때문에, 접합체(12) 전체의 열전도율도 높일 수 있다. 게다가, 종래의 예컨대 CuMo에 의한 히트 스프레더재에 비하여 경량이기 때문에, 접합체(12) 전체의 중량 증가를 억제할 수 있다.
또한, 절연 기판(16)을 AlN으로 구성하면, AlN은 열전도율이 높기 때문에, 접합체(12) 전체의 열전도도를 향상시키는 데에 있어서 유리해진다. 절연 기판(16)을 Si3N4로 구성하면, AlN보다도 강도가 높기 때문에, 회로 기판(18) 상에 IC 칩(22)을 납땜할 때나, 판 부재(14)에 히트 싱크(24)를 납땜할 때에, 그 땜납층(20) 및 땜납층(26)의 두께나 종류에 따라서는 판 부재(14)에 의한 응력 완화가 불충분해질 우려가 있을 경우에 바람직하게 채용된다.
또한, 절연 기판(16)이 AlN 또는 Si3N4인 경우에, 금속층(32)은 Al로 구성하여도 좋다. 또는, 절연 기판(16)이 Si3N4인 경우에, 금속층(32)은 Cu로 구성하여도 좋다. 금속층(32)을 Cu로 했을 경우, AlN의 절연 기판(16)에서는 응력을 완화시킬 수 없게 될 우려가 있기 때문에, Si3N4의 절연 기판(16)을 이용하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시 형태에 따른 히트 스프레더 모듈(10)의 제조 방법에 대해서 도 7a 내지 도 9b를 참조하면서 설명한다.
우선, 제1 제조 방법은 도 7a에 도시된 바와 같이 인서트 몰딩 공정에서 사용되는 금형(40A) 및 금형(40B) 내에 절연 기판(16)과 다공질 소결체(30)를 설치한다. 그 후, 도 7b에 도시된 바와 같이, 금형(40A) 및 금형(40B)의 캐비티(42)(도 7a 참조)에 용융 금속(44)을 유입시킨다. 이 때, 절연 기판(16)의 단부면과 금형(40A)의 내벽면(46) 사이에 용융 금속(44)이 유입되는 동시에, 다공질 소결체(30)를 둘러싸도록 용융 금속(44)이 유입된다. 절연 기판(16)의 단부면과 금형(40A)의 내벽면(46) 사이에 유입된 용융 금속(44)은, 그 후, 회로 기판(18)이 되고, 다공질 소결체(30)를 둘러싸도록 유입된 용융 금속(44)은, 그 후, 판 부재(14)의 금속층(32)이 된다.
그리고, 금형(40A) 및 금형(40B)을 냉각시키고, 금형(40A) 및 금형(40B)을 개방함으로써, 회로 기판(18)과 절연 기판(16)과 판 부재(14)가 일체화된 접합 체(12), 즉, 본 실시 형태에 따른 히트 스프레더 모듈(10)이 완성된다. 그 후, 도 1에 도시된 바와 같이, 회로 기판(18) 상에 땜납층(20)을 통해 IC 칩(22)을 실장하고, 판 부재(14)의 단부면에 땜납층(26)을 통해 히트 싱크(24)를 접합함으로써, 히트 싱크 모듈(28)이 완성된다.
이 제1 제조 방법에 있어서는, 인서트 몰딩 공정을 사용하여 용이하게 접합체(12)를 제작할 수 있으므로, 제조 공정의 간략화를 도모할 수 있다. 즉, 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있는 히트 스프레더 모듈(10)을 용이하게 제작할 수 있고, 히트 스프레더 모듈(10) 및 히트 싱크 모듈(28)의 생산성 향상, 수율 향상을 도모할 수 있다. 또한, 접합체(12)의 각 부재 사이에 경납재나 땜납층을 개재시킬 필요가 없기 때문에, 히트 스프레더 모듈(10)의 열전도성의 향상을 도모할 수 있다.
제2 제조 방법은 우선, 도 8a에 도시된 바와 같이, 인서트 몰딩 공정에서 사용되는 금형(50) 내에 다공질 소결체(30)를 설치하고, 그 후, 도 8b에 도시된 바와 같이, 금형(50)의 캐비티(52)(도 8a 참조)에 용융 금속(44)을 유입시켜 판 부재(14)를 제작한다. 물론, 여기서는 도시하지 않지만, 금형 내에 용융 금속을 유입시킨 후, 용융 금속을 펀치 등으로 가압하도록 하여도 좋다(용탕 단조법, 가압 주조법). 이에 따라, 동시에 다공질 소결체(30)에 금속을 함침할 수 있고, 다공질 소결체(30)에 금속이 함침된 복합재로 이루어지고 금속층(32)에 의해 둘러싸인 판 부재(14)를 동시에 제작할 수 있다.
그 후, 도 9a에 도시된 바와 같이, 판 부재(14) 상에 경납재(54), 절연 기 판(16), 경납재(56) 및 회로 기판(18)의 순으로 적재(세팅)한다. 이 세팅 공정은 ,예컨대 대기 중에서 행해진다.
그 후, 도 9b에 도시된 바와 같이, 전술한 회로 기판(18), 경납재(56), 절연 기판(16) 및 경납재(54)가 세팅된 판 부재(14)를 지그(58) 상에 고정하고, 예컨대 1.0×10-5 Torr 이하의 진공 중에서 상측에서부터 가압을 행하면서, 승온 및 강온을 행하여 접합한다. 이 접합 처리에 의해, 도 1에 도시된 바와 같이, 회로 기판(18), 절연 기판(16) 및 판 부재(14)가 일체화된 접합체, 즉, 히트 스프레더 모듈(10)이 완성된다.
그 후, 전술한 제1 제조 방법과 마찬가지로 회로 기판(18) 상에 땜납층(20)을 통해 IC 칩(22)을 실장하고, 판 부재(14)의 단부면에 땜납층(2b)을 통해 히트 싱크(24)를 접합함으로써, 히트 싱크 모듈(28)이 완성된다.
이 제2 제조 방법을 채용하는 경우, 경납재(54) 및 경납재(56)는 활성 원소를 함유하는 경납재인 것이 바람직하다. 이 경우, 활성 원소는 Mg, Sr, Ca, Ba, Be 등의 주기율표 제2A족, Ce 등의 제3A족, Ti, Zr 등의 제4A족, 또는 Nb 등의 제5A족, B, Si 등의 제4B족에 속하는 원소 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이 실시 형태에서는, 경납재(54) 및 경납재(56)로서 Ag-Cu-In-Ti의 경납재를 사용하였다. 이 경우, 활성 원소는 Ti이다.
이 제2 제조 방법에 있어서는 재료의 선정에 따라서는 인서트 몰딩 공정이 적용되지 않는 경우도 있을 수 있지만, 그 경우에 적합하게 채용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 히트 스프레더 모듈 및 그 제조 방법은 전술한 실시 형태에 한하지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하는 일없이 여러 가지 구성을 채용할 수 있는 것은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 히트 스프레더 모듈에 의하면, 종래에 필요하였던 히트 스프레더재를 사용하지 않고서 구성할 수 있고, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 히트 스프레더 모듈의 제조 방법에 따르면, 경량화, 저높이화, 소형화 및 비용의 저렴화를 도모할 수 있는 히트 스프레더 모듈을 용이하게 제작할 수 있고, 히트 스프레더 모듈의 생산성 향상, 수율 향상을 도모할 수 있으며, 게다가, 히트 스프레더 모듈의 열전도성 향상을 도모할 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 판 부재와, 절연 기판과, 회로 기판이 이러한 순서로 접합된 접합체를 구비하는 히트 스프레더 모듈에 있어서,
    상기 판 부재는 다공질 소결체와 금속층을 가지며, 상기 다공질 소결체의 일부 또는 전부가 상기 금속층으로 둘러싸인 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공질 소결체는 상기 접합체의 두께에 대하여 30% 이상, 99% 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 상기 접합체의 두께에 대하여 0.01% 이상, 50% 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판 부재의 상기 절연 기판과의 접합면에서부터 상기 다공질 소결체까지의 상기 금속층의 두께를 t1, 상기 판 부재의 상기 절연 기판과의 접합면과 반대측면에서부터 상기 다공질 소결체까지의 상기 금속층의 두께를 t2로 했을 때, t1/t2＝0.1∼10 인 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공질 소결체에 상기 금속층을 구성하는 금속 재료와 동일한 금속 재료가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공질 소결체는 카본, SiC, BeO, BN, AlN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연 기판은 AlN(질화알루미늄)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연 기판은 Si3N4(질화규소)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속층은 Al(알루미늄) 또는 그 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 금속층은 Cu(구리) 또는 그 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합체의 상기 회로 기판, 절연 기판 및 판 부재는 인서트 몰딩 공정에 의해 일체화되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합체는 상기 회로 기판과 상기 절연 기판 사이에 접합재가 개재되고, 상기 절연 기판과 상기 판 부재 사이에 접합재가 개재되어 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈.
  13. 적어도 판 부재와, 절연 기판과, 회로 기판이 이러한 순서로 접합된 접합체를 가지며, 상기 판 부재가 다공질 소결체와 금속층을 가지며, 상기 다공질 소결체의 일부 또는 전부가 상기 금속층으로 둘러싸인 구성을 갖는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법으로서,
    금형 내에 상기 절연 기판과 상기 다공질 소결체를 설치하고, 상기 금형의 캐비티에 용융 금속을 유입시켜 상기 금형을 냉각시킴으로써, 상기 회로 기판과 상기 절연 기판과 상기 판 부재가 일체화된 접합체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다공질 소결체는 미리 상기 용융 금속과 동일한 금속 재료가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 금형 내에 상기 절연 기판과 상기 다공질 소결체를 설치하고, 상기 금형의 캐비티에 용융 금속을 유입시키며, 그 후, 상기 용융 금속을 가압하는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더 모듈의 제조 방법.
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