KR100934171B1 - 방열 구조체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착막의 응력제어가 가능하며 밀착력이 향상되고 치밀한 밀도를 가져 열전달 성능이 향상된 방열 구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 기재, 기재 상의 적어도 일 측에 형성된 NiCr층 및 NiCr층 상에 형성된 열전달층을 포함하여, 응력제어가 가능하고 기판과의 밀착력이 향상되어 신뢰성 및 내구성을 보장하며, 환경오염을 방지할 수 있다.

방열 구조체, 펄스 마그네트론 스퍼터링, NiCr층

Description

방열 구조체 및 이의 제조 방법{Heat sink and the method manufacturing the same}

본 발명은 방열 구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 증착막의 응력제어가 가능하며 밀착력이 향상되고 치밀한 밀도를 가져 열전달 성능이 향상된 방열 구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 각종 전자소자 및 반도체 산업의 눈부신 발달로 생활주변의 거의 모든 산업제품에 이들 전자소자 및 칩이 필수적으로 사용되고 있다. 최근에 각광을 받고 있는 대표적인 전자소자 중의 하나로서, 기존의 냉매를 이용한 냉각방식 대신에 열전소자를 이용한 냉장 혹은 냉동방식이 새롭게 제품에 이용되고 있는 추세이다. 이 방식은 일종의 특수한 소자인 열전재료에 전기를 통전하면 한쪽의 열을 흡수하여 반대쪽으로 발산하는 성질을 이용하는 것으로서, 기존의 냉각방식에 비해 냉매 및 냉매의 순환에 필요한 장치가 필요없으며 부피를 크게 줄일 수 있는 등 여러 가지 장점이 있다.

이미 알려진 바와 같이 상기의 열전 소자를 비롯한 각종 전자소자와 반도체칩에서는 전기가 흐르면서 필연적으로 열이 발생하게 되는데 이때 발생하는 열을 어느정도 효과적으로 방열하는가에 따라서 이들 소자 및 칩의 효율이 직접 혹은 간접적으로 영향을 받게 된다. 예를 들어 반도체칩의 경우 집적도가 고도화되고 다중층 팩키징(Multi-Layer Packaging)이 일반화됨에 따라 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 외부에 발산시켜주지 못할 경우 칩 성능이 저하되고 수명이 단축되는 문제를 일으킬 수 있는데 이러한 문제는 반도체 칩을 사용하는 컴퓨터나 가전제품 자체의 신뢰성 및 내구성에 심각한 타격을 줄 수도 있다. 특히 상기의 열전소자의 경우에는 한쪽의 열을 흡수하여 반대쪽으로 방열하는 기본원리를 가지고 작동하기 때문에 효과적인 방열시스템 혹은 방열 구조체의 구비여부에 따라 소자효율이 직접적으로 좌우된다.

종래의 방열방법으로는 얇은 핀(fin)을 촘촘하게 배열시킨 방열판을 장착하고 이를 주위의 공기를 이용하여 강제로 혹은 자연냉각시키는 방열시스템이 일반적이었다. 이때 방열판의 재료로는 열전달율이 좋은 알루미늄을 주로 사용해 왔다. 최근에는 이를 보완하는 방법으로 방열판 내부에 냉각유체를 흐르게 할 수 있는 튜브를 삽입함으로써 방열효과를 증진시키는 기술과 함께 알루미늄선을 다발로 묶어 한쪽 끝부분을 부채살처럼 퍼지게 하는 방법으로 방열체를 구성하는 기술이 시도되고 있다. 이러한 방법과 관련하여 현재까지 발표된 자료로는 미국 특허 5,521,792, 5,390,734, 5,729,431 및 일본 특허 06-006060, 07-254667, 09-116054, 09-237859, 10-128531 등이 있다.

그러나 종래의 방열방법은 발생하는 열을 충분히 발산시키는데 기구학적인 측면에서 한계가 있다. 특히 향후에 사용될 마이크로프로세서칩은 발열량에 있어서 기존 칩에 비해 매우 클 것으로 예상되기 때문에 현재의 방열시스템으로는 한계가 있을 것으로 알려져 있다. 이와 같이 전자소자의 발열량은 크게 증가하는 반면 이들 부품을 장착한 전자기기 등의 각종 제품은 갈수록 소형화되는 추세에 있으므로 차후에는 공간을 많이 차지하는 현재의 핀 방식 라디에타(radiator) 등의 방열시스템을 대체하는 새로운 방열 시스템이 요구되고 있다.

이를 대체할 방열 시스템으로서 세라믹 기판 상에 열전달 박판을 부착시키고 열전달 박판 상에 Ni층 및 Au층을 형성시킨 형태의 방열 구조체가 개시된 바 있다. 그러나, 이러한 방열 구조체는 세라믹 기판과 열전달 박판의 결정구조 및 격자상수 차이로 인한 낮은 밀착력으로 인하여 박판의 박리현상이 야기되어 제품의 불량을 야기할 수 있으며, 박판 상태로 부착되기 때문에 응력제어의 한계를 나타내고 기판과 열전달 박판 사이 계면의 밀착력이 낮으므로, 방열 시스템의 신뢰성 및 내구성이 낮다는 단점이 있다. 또한, 낮은 밀착력으로 인하여 벌크 형태로 부착된 열전달 박판에서의 열전달 성능이 저하되고, 박판 상에 Ni층 또는 Au층 등을 습식 전해 도금으로 형성하기 때문에 화학 용매 등에 의한 환경 오염을 야기하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 응력제어가 가능하고 기판과의 밀착력이 향상되어 신뢰성 및 내구성을 보장하며, 열전달 성능이 우수하면서 환경오염을 야기시키지 않는 방열 구조체 및 이의 제조 방 법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 기재; 상기 기재 상의 적어도 일 측에 형성된 NiCr층; 및 상기 NiCr층 상에 형성된 열전달층;을 포함하는 방열 구조체를 제공한다.

여기서, 상기 열전달층은 Cu, Ag, Au, Al, W, Mg 및 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 복합체로 구성되는 일 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있고, 상기 열전달층 상에 Ni층 또는 Au층으로 구성된 산화 방지층이 더 형성될 수 있으며, 상기 NiCr층은 500 ㎚ 이하일 수 있다. 바람직하게는, Ni층이 열전달층 상에 형성되고, Au층이 Ni층 상에 형성된다.

또한, 본 발명은, 기재를 마련하는 단계; 상기 기재 상의 적어도 일 측에 NiCr층을 형성하는 단계; 및 상기 NiCr층 상에 열전달층을 형성하는 단계;를 포함하는 방열 구조체의 제조 방법을 제공한다.

여기서, 상기 NiCr층 또는 상기 열전달층을 진공증착법으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 열전달층 상에 산화 방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 산화 방지층을 형성하는 단계는, 상기 열전달층 상에 Ni층을 형성하는 단계 및 상기 Ni층 상에 Au층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 산화 방지층을 진공증착법으로 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 진공증착법은 펄스 스퍼터링법이거나, 펄스 및 직류 스퍼터링법을 혼용할 수 있으며, 상기 펄스 스퍼터링법은 단극, 대칭 양극 및 비대칭 양극 으로 구성된 일 군에서 선택되는 적어도 하나의 펄스 스퍼터링법일 수 있다.

본 발명에 따른 방열 구조체 및 이의 제조 방법에 의하여, 응력제어가 가능하고 기판과의 밀착력이 향상되어 신뢰성 및 내구성을 보장하고 열전달 성능이 우수하며, 환경오염을 방지할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방열 구조체의 실시예와 종래예의 구조를 비교도시한 단면도이다. 도 1을 포함하여 본 명세서에서 설명되는 도면은 모식적으로 나타낸 도면으로서, 각 부의 크기, 형상은 이해를 쉽게 하기 위해 적절히 과장해서 나타내고 있다.

먼저, 종래예에서의 방열 구조체(10)는 세라믹 기재(11) 상에 스크린 프링팅법을 이용하여 Cu나 W 박판(13)을 부착시키고, 그 위에 전기적 접합이 용이하도록 전해 도금으로써 Ni층(15)을 형성한 후, 부식 저항성을 높이기 위하여 전해 도금으로써 Au층(17)이 형성된 형태를 가진다. 이러한 종래예의 방열 구조체(10)의 경우 세라믹 기판(11) 상에 Cu 또는 W 박판(13)이 부착될 시에 세라믹 기재(11)와 박판(13)의 결정구조 및 격자상수 차이로 인한 낮은 밀착력으로 인하여 박판(13)의 박리현상이 야기되어 제품의 불량을 야기할 수 있으며, 박판(13) 상태로 부착되기 때문에 응력제어의 한계를 나타낸다. 또한, 벌크 형태로 부착됨에도 불구하고 낮은 밀착력으로 인하여 열전달 성능이 좋지 못하며, Ni층(15) 및 Au층(17)을 습식 전해 도금으로 형성하기 때문에 화학 용매 등에 의한 환경 오염을 야기한다.

본 발명의 실시예에 따른 방열 구조체(100)는, 기재(110), 기재(110) 상의 적어도 일 측에 형성된 NiCr층(120) 및 NiCr층(120) 상에 형성된 열전달층(130)을 포함한다.

기재(110)로서는 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 세라믹 기판(110)으로서 Al₂O₃ 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 다양한 종류의 세라믹이 기재로서 사용될 수 있다. 세라믹 기판(110)은 내구성 등의 물성으로 인하여, 안테나, 열교환소재 등의 방열 구조체(100)가 적용될 수 있는 분야에 범용적으로 사용된다. 기재로서 세라믹 이외에도 적용분야, 가공 및 용도 등에 의하여 금속 등의 물질로 구성된 기재도 사용가능하며, 가요성 등이 요구되는 경우 고분자 수지 등의 물질로 구성된 기재 또한 사용가능하다.

기재(110)의 적어도 어느 한 측 상에는 NiCr층(120)이 형성된다. NiCr층(120)은 500 ㎚ 이하의 두께로 기재(110) 상에 물리적 화학적으로 접착된 상태로 형성되어 기재(110)와의 밀착력을 향상시키며 시드(seed)층으로서의 역할을 한다. 다시 말하면, Ni 및 Cr 원자가 증착될 시에 기재(110) 표면 상의 산소 원자와 결합을 이루어 밀착력이 향상되고, 차후 서술될 열전달층(130)의 격자상수와 기재(110) 의 격자상수의 중간값을 가지는 증착된 NiCr층(120)은 열전달층(130)의 성장시에 열전달층(130)과 기재(110)와의 격자상수 차이를 감소시키는 역할을 하게 된다. 또한, NiCr층(120)은 Ni 및 Cr이 산소와 반응하여 안정한 산화물을 형성하므로써 기재(110) 내의 잠재 수분이나 산소 등이 열전달층으로 확산되는 것을 방지한다. NiCr층(120)의 두께는 500 ㎚를 넘을 수도 있으나, 기재(110)와의 밀착력 향상을 고려할 때 500 ㎚를 넘는 두께에서는 밀착력 향상의 효과가 두께 증가에 비례하지 않으므로 500 ㎚ 이하가 바람직할 것이다.

NiCr층(120) 상에는 열전달층(130)이 형성된다. 열전달층(130)은 300 ㎛ 이하의 두께로 형성되며, 방열 구조체(100)에서의 열전달의 대부분이 이루어진다. 열전달층(130)으로서는 열전도도가 높은 재료, 이를테면 Cu, Ag, Au, Al, W, Mg 또는 이들의 조합이나 복합체, 예를 들면, Cu-다이아몬드 복합체, Cu-탄소나노튜브 복합체 등이 사용될 수 있으며, 사용 용도, 비용 등에 따라 상기 열거된 열전도도가 높은 재료 외에 타 재료가 선택될 수도 있다. 방열 구조체(100)에서 열전달층(130)의 두께는 300 ㎛ 이상을 넘을 시에는 열전달 효과가 거의 동일하므로 열전달층(130)의 두께는 300 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

열전달층(130) 상에는 Ni층(150)이 형성될 수 있다. Ni층(150)은 후술되는 Au층(170)과 열전달층(130)과의 밀착력을 향상시켜 주고 외부로부터 열전달층(130)의 잠재수분이나 산소 등의 확산을 방지해준다. 즉, 열전달층(130)에서 NiCr층(120)이 형성된 측에 대한 타측으로의 잠재수분이나 산소 등의 확산을 방지한다.

Ni층(150) 상에는 Au층(170)이 형성될 수 있다. Au층(170)은 방열 구조 체(100)의 최외각층으로서 외부 환경으로부터 방열 구조체의 부식 저항성을 높이는 역할을 한다. Au층(170)에 의한 열전달층으로의 잠재수분이나 산소 등의 확산 방지로 인하여, 또한 상술된 Ni층(150) 및 NiCr층(120)에 의한 열전달층(130)으로의 잠재수분이나 산소 등의 확산방지로 인하여 열전달층(130)의 산화에 의한 열전도도 감소를 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 방열 구조체의 제조 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 방열 구조체의 제조 방법의 실시예와 종례예의 순서도를 나타낸 도면이다.

먼저, 종래예에서는 통상의 건식 또는 습식 세정을 통하여 세라믹 기판이 준비되고(S10), 세라믹 기판 상에 스크린 프린팅법으로 열전달층 박판이 부착된다(S30). 이후, 열전달층 박판 상에 전해도금으로써 Ni층이 형성되고(S50) Au층이 형성된다(S70). 이와 같은 종래예에서는 열전달층을 스크린 프린팅법으로 형성하여 세라믹 기판과의 밀착력이 약하며, 그로 인하여 기판으로부터 열전달층이 용이하게 박리되는 문제점을 가진다. 또한, Ni층 및 Au층을 형성할 시 전해도금을 사용함으로써 화학 용매 등에 의한 환경 오염을 야기하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예에서는, 기재를 마련하는 단계(S110), 기재 상의 적어도 일 측에 NiCr층을 형성하는 단계(S120) 및 NiCr층 상에 Cu층을 형성하는 단계(S130)를 포함한다.

먼저, 기재로서의 세라믹 기판이 통상의 건식 또는 습식 세정을 통하여 마련 된다(S110). 마련된 세라믹 기판은 진공 증착장치 내에 장착되며, 세라믹 기판 상에 NiCr층이 형성된다(S120). 이때, NiCr층은 화학 용매를 사용하지 않는 진공 증착법으로 형성되며, 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링법으로 형성된다.

NiCr층이 형성된 후 NiCr층 상에는 열전달층으로서 Cu층이 형성되고(S130), Cu층 상에는 Ni층 및 Au층이 차례로 형성된다(S150, S170). NiCr층을 비롯하여, Cu층, Ni층 및 Au층 또한 진공 증착법, 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링법으로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 마그네트론 스퍼터링법은 단극(unipolar), 대칭 양극(symetric bipolar) 및 비대칭 양극(asymetric bipolar) 중 적어도 하나의 펄스 마그네트론 스퍼터링법이 사용될 수 있다.

이와 같은 펄스 마그네트론 스퍼터링법은 통상의 직류 스퍼터링법에 비하여 단위 펄스 내에서 직류보다 높은 순간 최대 전력을 인가할 수 있으므로 스퍼터된 입자들이 더 높은 에너지를 가지고 피처리재 상에 증착되도록 한다. 높은 에너지를 가지고 피처리재 상에 증착된 입자들로 형성된 증착막은 높은 밀착력과 치밀한 밀도를 가질 수 있다. 또한, 펄스 마그네트론 스퍼터링법은 이온/중성비(ion/neutral ratio) 및 금속 이온 분율(metal ion fraction)을 향상시키며, 이로 인하여 형성된 증착막의 밀도를 치밀하게 하는데 기여할 수 있다.

펄스 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 증착막을 형성할 시의 펄스 주파수는 다양한 범위의 주파수가 사용될 수 있다. 현재 시판되는 통상의 펄스 전원의 범위는 150 ㎑ 이하이나, 어드밴스드 에너지 사의 320 ㎑ 구형파 펄스 또한 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들자면, 320 ㎑를 초과하는 주파수를 가지는 정현(sine)파 교류 전원 또한 사용될 수 있다.

펄스 마그네트론 스퍼터링법을 사용하는 경우, 단위 펄스 주기 내에서 음의 듀티(duty) 동안만 스퍼터링 증착이 이루어지므로, 단위 시간당 증착율이 저하될 수 있다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 직류 및 펄스 마그네트론 스퍼터링법을 혼용할 수 있다. 즉, 적어도 둘 이상, 이를테면 한 쌍의 증착원을 사용하여 하나의 증착원은 직류 마그네트론 스퍼터링법을 사용하고 다른 하나의 증착원은 펄스 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 증착을 수행할 수 있다. 이 경우, 직류 마그네트론 스퍼터링법을 사용하는 증착원은 형성되는 증착막의 증착율에 기여를 할 수 있고, 펄스 마그네트론 스퍼터링법을 사용하는 증착원은 증착되는 증착막의 밀도 및 밀착력을 증진시킬 수 있다.

또한, 직류 마그네트론 스퍼터링법으로 증착된 증착막에 비하여 펄스 마그네트론 스퍼터링법으로 증착된 증착막에서는 더 높은 순간 최대 전력으로 인하여 원자간 거리가 더 가까워지고 밀도가 높아지며 압축 응력을 가질 수 있다. 반면, 직류 마그네트론 스퍼터링법으로 증착된 증착막은 펄스 마그네트론 스퍼터링법에 비하여 인장 응력을 가진다. 인장 응력을 +로, 압축 응력을 -로 한다면 증착된 증착막의 응력은 하기의 관계식으로 정의될 수 있다.

A·a + B·b = C

여기서, A는 직류 마그네트론 스퍼터링법으로 증착되는 증착막의 인장 응력(+ 값), a는 직류 마그네트론 스퍼터링법으로 증착되는 증착막의 두께이고, B는 펄스 마그네트론 스퍼터링법으로 증착되는 증착막의 압축 응력(- 값), b는 펄스 마그네트론 스퍼터링법으로 증착되는 증착막의 두께이며, C는 증착막의 총괄응력이다.

A 및 B의 절대값 크기는 전원의 세기 등에 의존할 수 있다. 상기 관계식에서와 같이 직류 및 펄스 마그네트론 스퍼터링법을 혼용함으로써 증착막의 증착률을 확보함은 물론, 증착막의 응력을 제어할 수 있다. 기판 상에서 증착막이 응력에 의하여 박리되는 현상을 방지하려면 C의 절대값이 1 이하인 것이 바람직하다. 증착막에 인장 및 압축 응력이 없는, 즉 무응력 증착막의 경우에 C는 0이 된다.

열전달층의 일 예로서 사용되는 Cu막의 경우 100 내지 300 ㎛ 정도의 두께로 증착되는 후막이다. 이와 같이 두껍게 증착되는 후막의 경우 박막에 비해서 더 큰 응력이 잠재할 수 있고 잠재 응력에 의해 증착막이 파괴되거나 박리될 수 있으며 이는 곧 제품의 신뢰성 및 내구성 저하로 이어지게 된다. 따라서, 상기와 같이 증착막의 응력을 제어함으로써 증착된 막의 파괴 및 박리를 방지할 수 있으며, 이러한 증착막이 적용된 제품의 신뢰성 및 내구성을 보장할 수 있다.

하기 표 1에 도 1의 종래예 및 본 발명의 실시예에 따라 제조된 방열 구조체에서의 열전달 성능을 나타내었다. 열전달층으로서는 Cu를 사용하였고, 레이저 측정 방법으로 열전도율을 측정하였으며 오차범위는 2% 이내 이다.

	열확산율[㎟/S]	열전도율[W/m·K]	Cu 밀도[g/㎤]
종래예	10.727	41.215	5.902
실시예	11.142	51.397	5.68

상기 표 1의 결과와 같이, 본 발명의 실시예에서는 종래예, 즉 벌크 Cu에서와 거의 유사한 밀도를 유지하면서 열전달 성능이 더욱 우수한 방열 구조체를 얻을 수 있었다.

본 발명의 기술적 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방열 구조체의 실시예와 종래예의 구조를 비교도시한 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 방열 구조체의 제조 방법의 실시예와 종례예의 순서도를 나타낸 도면.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 기재를 마련하는 단계;

   상기 기재 상의 적어도 일 측에 NiCr층을 형성하는 단계; 및

   상기 NiCr층 상에 열전달층을 형성하는 단계;를 포함하며,

   상기 NiCr층 또는 상기 열전달층을 형성하는 방법이 펄스 스퍼터링법과 직류 스퍼터링법을 함께 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 펄스 스퍼터링법은 단극 스퍼터, 대칭 양극 스퍼터 및 비대칭 양극 스퍼터로 구성된 일 군에서 선택되는 적어도 하나의 펄스 마그네트론 스퍼터링법인 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 NiCr층을 형성하는 단계 및 상기 열전달츨을 형성하는 단계에서, 상기 NiCr층 또는 상기 열전달층에 남은 양의 값의 인장응력과 음의 값의 압축응력의 합으로 결정되는 총괄응력을 조절하여 형성하며,

   상기 인장응력은 상기 직류 스퍼터링법에 의한 인장응력값에 상기 직류 스퍼터링법에 의해 증착된 두께의 곱으로 구해지고, 상기 압축응력은 상기 펄스 스퍼터링법에 의한 압축응력값에 상기 펄스 스퍼터링법에 의해 증착된 두께의 곱으로 구해지는 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 총괄응력의 절대값이 1이하로 조절되는 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.
9. 청구항 5에 있어서,

   상기 열전달층은 Cu, Ag, Au, Al, W, Mg 및 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 복합체로 구성되는 일 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.
10. 청구항 5에 있어서,

    상기 열전달층 상에 산화방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 산화방지층이 Au층의 단일층구조 또는 Ni층 상에 Au층이 형성된 이중층구조인 것을 특징으로 하는 방열구조체의 제조방법.

Images