KR101430677B1 - 히트싱크용 복합재료 - Google Patents

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서기식
오세철
오창섭
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Abstract

본 발명은 히트싱크용 복합재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 다중입자를 한 종씩 제공하는 비싼 공정을 사용하지 않고 탄화규소(SiC) 분말을 수득하는 과정에서 생기는 다종의 넓은 입도분포를 가지는 분말을 히트싱크 재료로 사용함으로써, 가격의 경쟁력을 가질 수 있음은 물론 단순 표면이 아니라 내부의 기공면적을 넓게 할 수 있고, 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통, 저온소결이 가능한 세라믹코팅 종류를 사용함으로써, 소결온도를 낮출 수 있어 비용절감이 가능하며, 탄화규소(SiC)와 인상흑연과 무기물접착제가 혼합된 재료가 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리함으로써, 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있고, IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터 등에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위하며, 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공 구조에 의해 방열 면적을 극대화할 수 있음은 물론 단위 면적 당 방열 면적이 매우 크므로 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가지므로 공간 절약도 가능하며, 전자부품이나 전자제품 등에서 요구되는 열팽창율과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

히트싱크용 복합재료{A COMPOSITE MATERIAL FOR HEAT SINK}
본 발명은 종래의 다중입자를 한 종씩 제공하는 비싼 공정을 사용하지 않고 탄화규소(SiC) 분말을 수득하는 과정에서 생기는 다종의 넓은 입도분포를 가지는 분말을 히트싱크 재료로 사용함으로써, 가격의 경쟁력을 가질 수 있음은 물론 단순 표면이 아니라 내부의 기공면적을 넓게 할 수 있고, 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통, 저온소결이 가능한 세라믹코팅(frit) 종류를 사용함으로써, 소결온도를 낮출 수 있어 비용절감이 가능하며, 탄화규소(SiC)와 인상흑연과 무기물접착제가 혼합된 재료가 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리함으로써, 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있고, 전자부품이나 전자제품 등에서 요구되는 열팽창율과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 얻을 수 있으며, 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공 구조에 의해 방열 면적을 극대화할 수 있음은 물론 단위 면적 당 방열 면적이 매우 크므로 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가지므로 공간 절약도 가능하고, IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터 등에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위한 히트싱크용 복합재료에 관한 기술이다.
일반적으로, IC 칩에 있어서 열은 커다란 적이며, 내부 온도가 최대 허용 접합 온도를 넘지 않도록 해야 한다. 또한, 파워 트랜지스터나 반도체 정류 소자 등의 반도체 장치에서는 동작 면적당 소비전력이 크기 때문에, 반도체 장치의 케이스(패키지)나 리드로부터 방출되는 열량만으로는 발생 열량을 끊임없이 방출해도 상기 반도체 장치의 내부 온도가 상승하여 열파괴를 야기할 우려가 있다.
이 현상은 CPU를 탑재한 IC 칩에서도 동일하며, 클럭 주파수의 향상에 따라 동작 시의 발열량이 많아져 방열을 고려한 열 설계가 중요한 사항이 되었다. 상기 열파괴의 방지 등을 고려한 열 설계에 있어서는 IC 칩의 케이스(패키지)에 방열 면적이 큰 히트 싱크를 고착시키는 것을 가미한 소자 설계나 실장 설계가 행해지고 있다.
상기 히트 싱크용 재료로서는 일반적으로 열전도도가 양호한 구리나 알루미늄(10) 등의 금속 재료가 사용되고 있으나, 도 1에 도시한 바와 같이, 알루미늄 히트싱크(30)의 경우 크기가 크다.
최근 들어, CPU나 메모리 등의 IC 칩에 있어서는 저소비 전력을 목적으로 한 저전력 구동을 꾀하면서도 소자의 고집적화와 소자형성 면적의 확대에 따라 IC 칩 자체가 대형화하는 경향이 있다. IC 칩을 대형화하면 반도체 기체(실리콘 기판이나 GaAs 기판)와 히트 싱크와의 열팽창율의 차에 의해 생기는 응력이 커져 IC 칩의 박리 현상이나 기계적 파괴가 생길 우려가 있다.
이것을 방지하기 위한 것으로 IC 칩의 저전력 구동의 실현과 히트 싱크 재료의 개선을 들 수 있다. IC 칩의 저전력 구동은 현재 전원 전압으로서, 종래부터 이용되어 온 TTL 레벨(5 V)을 벗어나 3. 3 V 이하의 레벨이 실용화되고 있다.
한편, 히트 싱크의 구성 재료로서는 단순히 열전도도만 고려할 뿐만 아니라, 반도체 기체(基體)인 실리콘이나 GaAs와 열팽창율이 거의 일치하고, 또한, 열전도도가 높은 재료의 선정이 필요하게 되었다.
히트 싱크 재료의 개선에 관해서는 다양한 보고가 있고, 예컨대 질화알루미늄(AlN)을 사용한 예나, Cu(구리)-W(텅스텐)를 이용한 예 등이 있다. AlN은 열전도성과 열팽창성의 밸런스가 우수하고, 특히 Si의 열팽창율과 거의 일치하기 때문에 반도체 기체로서 실리콘 기판을 이용한 반도체 장치의 히트 싱크 재료로서 적합하다.
또한 종래에 따른 히트 싱크 재료는 SiC와 금속 Cu의 압분체(壓粉體)를 성형하여 히트 싱크를 제작한다고 하는 분체 성형도 있지만, 실제의 전자부품 등에서 요구되는 열팽창율과 열전도율의 밸런스를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.
따라서, 탄화규소(SiC) 분말을 수득하는 과정에서 생기는 다종의 넓은 입도분포를 가지는 분말을 히트싱크 재료로 사용하여 가격의 경쟁력을 가질 수 있음은 물론 단순 표면이 아니라 내부의 기공면적을 넓게 할 수 있고, 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통, 저온소결이 가능한 세라믹코팅(frit) 종류를 사용하여 소결온도를 낮출 수 있어 비용절감이 가능하며, 탄화규소(SiC)와 인상흑연과 무기물접착제가 혼합된 재료가 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리함으로써, 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있고, 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공 구조에 의해 방열 면적을 극대화할 수 있음은 물론 단위 면적 당 방열 면적이 매우 크므로 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가지므로 공간 절약도 가능하며, 전자부품이나 전자제품 등에서 요구되는 열팽창율과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 얻을 수 있는 히트싱크용 복합재료의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2002-0064474(2002. 10. 22)
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 종래의 다중입자를 한 종씩 제공하는 비싼 공정을 사용하지 않고 탄화규소(SiC) 분말을 수득하는 과정에서 생기는 다종의 넓은 입도분포를 가지는 분말을 히트싱크 재료로 사용함으로써, 가격의 경쟁력을 가질 수 있음은 물론 단순 표면이 아니라 내부의 기공면적을 넓게 할 수 있는 히트싱크용 복합재료를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 목적은 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통, 저온소결이 가능한 세라믹코팅 종류를 사용함으로써, 소결온도를 낮출 수 있어 비용절감이 가능한 히트싱크용 복합재료를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 탄화규소(SiC)와 인상흑연과 무기물접착제가 혼합된 재료가 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리함으로써, 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있는 히트싱크용 복합재료를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공 구조에 의해 방열 면적을 극대화할 수 있음은 물론 단위 면적 당 방열 면적이 매우 크므로 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가지므로 공간 절약도 가능한 히트싱크용 복합재료를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 전자부품이나 전자제품 등에서 요구되는 열팽창율과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 얻을 수 있는 히트싱크용 복합재료를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기 가스 정화용 DPF 필터 등에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위한 히트싱크용 복합재료를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트싱크용 복합재료에 있어서,
AlN, Si3N4 , B4C, BeO 중에서 선택하여 단수 또는 복수로 대체가 가능한 탄화규소(SiC) 50 내지 70 중량부와, 인상흑연(C) 20 내지 40 중량부와, 소결온도를 낮출 수 있는 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통 또는 저온소결이 가능한 세라믹코팅 종류인 무기물 접착제 10 중량부로 구성되며, 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공구조로 되어 있는 다공체이므로 단위 면적당 방열 면적을 크게 할 수 있고, 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리하여 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
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상기 본 발명에 있어서, 상기 복합재료는 IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터에 적용할 수 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 히트싱크용 복합재료는 다음과 같은 효과를 나타낸다.
첫째, 본 발명은 종래의 다중입자를 한 종씩 제공하는 비싼 공정을 사용하지 않고 탄화규소(SiC) 분말을 수득하는 과정에서 생기는 다종의 넓은 입도분포를 가지는 분말을 히트싱크 재료로 사용함으로써, 가격의 경쟁력을 가질 수 있음은 물론 단순 표면이 아니라 내부의 기공면적을 넓게 할 수 있다.
둘째, 본 발명은 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통, 저온소결이 가능한 세라믹코팅 종류를 사용함으로써, 소결온도를 낮출 수 있어 비용절감이 가능하다.
셋째, 본 발명은 탄화규소(SiC)와 인상흑연과 무기물접착제가 혼합된 재료가 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리함으로써, 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있다.
넷째, 본 발명은 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공 구조에 의해 방열 면적을 극대화할 수 있음은 물론 단위 면적 당 방열 면적이 매우 크므로 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가지므로 공간 절약도 가능하다.
다섯째, 본 발명은 전자부품이나 전자제품 등에서 요구되는 열팽창율과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 얻을 수 있다.
여섯째, 본 발명은 IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터 등에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위하다.
도 1은 종래의 알루미늄 히트싱크가 적용되는 형태를 나타낸 사진 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료가 히트싱크로 적용되는 형태를 나타낸 사진 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료의 형태를 나타낸 사진 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료의 표면을 나타낸 SEM 사진 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합재료인 히트싱크가 전자제품에 적용되는 상태를 나타낸 사진 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료가 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터에 적용되는 상태를 나타낸 사진 도면.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 히트싱크용 복합재료를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료가 히트싱크로 적용되는 형태를 나타낸 사진 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료의 형태를 나타낸 사진 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료의 표면을 나타낸 SEM 사진 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복합재료인 히트싱크가 전자제품에 적용되는 상태를 나타낸 사진 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료가 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터에 적용되는 상태를 나타낸 사진 도면이다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 히트싱크용 복합재료(20)는 탄화규소(SiC) 50 내지 70 중량부와, 인상흑연(C) 20 내지 40 중량부와, 무기물 접착제 10 중량부로 구성된다.
상기 히트싱크용 복합재료를 구성하는 구성 물질과 기능을 살펴보면 다음과 같다.
상기 히트싱크용 복합재료(20)는 탄화규소(SiC) 50 내지 70 중량부와, 인상흑연(C) 20 내지 40 중량부와, 무기물 접착제 10 중량부로 구성되며, 상기 히트싱크용 복합재료(20)는 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공(21) 구조로 되어 있어 단위 면적당 방열 면적을 크게 할 수 있는 것이다.
또한, 상기 탄화규소(SiC)와 인상흑연과 무기물접착제가 혼합된 재료인 복합재료(20)는 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리하여 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있는 것이다.
상기 무기물 접착제는 소결온도를 낮출 수 있는 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통과, 저온소결이 가능한 세라믹코팅 종류인 것이다.
상기 표면에 미세한 기공 구조를 갖는 다공체인 탄화규소(SiC)는 AlN, Si3N4 , B4C, BeO 중에서 선택하여 단수 또는 복수로 대체가 가능한 것이다.
상술한 바와 같은, 히트싱크용 복합재료(20)는 탄화규소(SiC)와, 인상흑연(C)과, 무기물 접착제의 중량부가 각각 60, 30, 10인 경우가 가장 바람직하다.
상기 히트싱크용 복합재료(20)의 제작은 탄화규소(SiC)와, 인상흑연(C)과, 무기물 접착제를 정해진 중량에 맞게 혼합한 후 성형을 한다. 이후에 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리하여 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행하는 것이다.
그러므로 탄화규소(SiC) 분말을 수득하는 과정에서 생기는 다종의 넓은 입도분포를 가지는 분말을 히트싱크 재료로 사용하여 가격의 경쟁력을 가질 수 있음은 물론 단순 표면이 아니라 내부의 기공면적을 넓게 할 수 있고, 무기물 상온 경화 물질들을 사용하여 소결온도를 낮출 수 있어 비용절감이 가능한 것이다. 또한 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공 구조에 의해 방열 면적을 극대화할 수 있음은 물론 단위 면적 당 방열 면적이 매우 크므로 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가지므로 공간 절약도 가능하며, 내부식성과 내구성이 우수하고, 전기적 부도체이므로 전기회로에 적용할 때 안전성 확보가 가능한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료가 전자제품에 적용되는 상태를 나타낸 사진 도면으로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 복합재료인 히트싱크(30)가 종래의 금속류의 히트싱크 보다 더 얇은 두께로도 우수한 방열 능력을 가질 수 있고, 공간 절약도 가능한 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크용 복합재료가 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터에 적용되는 상태를 나타낸 사진 도면으로서, 도 6에 도시한 바와 같이, 히트싱크용 복합재료가 자동차 배기가스 정화용으로 사용되는 디젤 입자상물질 제거용 필터(DPF : Diesel Particulate Filter)로도 사용이 가능한 것이다.
상술한 바와 같은, 히트싱크용 복합재료는 IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터 등에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용대상이 광범위하다.
도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었으며, 여기서 사용된 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능할 것이며, 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 히트싱크용 알루미늄 20 : 히트싱크용 복합재료
21 : 기공 30 : 히트싱크
40 : 배기가스 정화용 DPF 필터

Claims (5)

  1. 히트싱크용 복합재료에 있어서,
    AlN, Si3N4 , B4C, BeO 중에서 선택하여 단수 또는 복수로 대체가 가능한 탄화규소(SiC) 50 내지 70 중량부와, 인상흑연(C) 20 내지 40 중량부와, 소결온도를 낮출 수 있는 무기물 상온 경화 물질들인 물유리, 실리카졸 계통 또는 저온소결이 가능한 세라믹코팅 종류인 무기물 접착제 10 중량부로 구성되며, 넓은 표면적과 표면에 미세한 기공구조로 되어 있는 다공체이므로 단위 면적당 방열 면적을 크게 할 수 있고, 카본의 제거 온도인 400℃에서 열처리하여 기공의 형성과 무기물의 접착을 동시에 진행할 수 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 히트싱크용 복합재료.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복합재료는 IC, Processer가 장착되는 LCD TV, LED TV, PC 모니터, 노트북 PC, 핸드폰, 네비게이션 시스템, 셋업(Set top) 박스, LCD 디스플레이장치, LED 디스플레이장치, 자동차 배기가스 정화용 DPF 필터에 적용할 수 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 히트싱크용 복합재료.
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