KR101585142B1 - 방열 구조체, 파워 모듈, 방열 구조체의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
냉열 사이클에 있어서의 접합 강도가 높고, 또한 냉각 효율이 높은 방열 구조체, 파워 모듈, 방열 구조체의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 파워 모듈(1)은, 절연성을 가지는 세라믹 기판(10)과, 당해 세라믹 기판(10)의 표면에 경납재에 의해 접합된 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재(50)와, 당해 금속 부재(50)의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 형성된 방열 부재(40)를 구비하고, 방열 부재(40) 내부에는 히트 파이프(60)가 매설되어 있다.
본 발명의 파워 모듈(1)은, 절연성을 가지는 세라믹 기판(10)과, 당해 세라믹 기판(10)의 표면에 경납재에 의해 접합된 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재(50)와, 당해 금속 부재(50)의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 형성된 방열 부재(40)를 구비하고, 방열 부재(40) 내부에는 히트 파이프(60)가 매설되어 있다.
Description
본 발명은, 절연 기판에 금속을 적층한 방열 구조체, 파워 모듈, 방열 구조체의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 산업용, 자동차용 등의 전력 제어부터 모터 제어까지, 폭넓은 분야에 사용되는 에너지 절약화의 키(key) 디바이스로서, 파워 모듈이 알려져 있다. 파워 모듈은, 기재인 절연 기판(예를 들면 세라믹 기판)의 일방(一方)의 면에, 경납땜된 금속판으로 이루어지는 회로 패턴 상에 납땜에 의해 칩(트랜지스터)을 배치하고, 타방(他方)의 면에, 경납땜된 금속판을 통하여 납땜에 의해 방열판을 배치한 장치이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 방열판으로서는, 예를 들면, 열전도율이 높은 금속 또는 합금의 부재가 이용된다. 이와 같은 파워 모듈에 있어서는, 칩으로부터 발생한 열을, 금속판을 통하여 방열판으로 이동시켜 외부로 방열함으로써, 냉각을 행할 수 있다.
또한, 반도체 소자 등의 발열량이 많은 부품을 실장하는 회로 기판을 냉각하는 기술로서, 회로 패턴이 형성된 회로 기판 표면에 히트 파이프를 접속한 회로 기판의 히트 파이프식 냉각 장치나, 히트 파이프가 매설된 회로 기판의 제조 방법(예를 들면, 특허문헌 2 또는 3 참조)이 개시되어 있다.
특허문헌 1의 반도체 모듈은, 소정의 판 두께의 질화 규소로 이루어지는 세라믹 기판과 소정의 판 두께의 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판을 경납땜 접합하고, 또한 상기 금속판을 통하여 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 방열판(칩)을 납땜에 의해 세라믹 기판에 접합함으로써 냉열 사이클에 있어서의 접합 강도 등의 내성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 반도체 모듈은, 접합시의 열팽창률의 차이에 의한 변형의 영향을 억제하기 때문에, 금속판과 방열판을 구성하는 재료를 동일한 금속(구리) 또는 합금(구리 합금)으로 할 필요가 있었다.
또한, 특허문헌 2 또는 3은, 히트 파이프의 사용에 의해 냉각 효율을 높일 수 있으나, 히트 파이프를 납땜에 의해 기판상에 접합하는 경우에는, 열에 의해 히트 파이프에 손상을 줄 우려가 있고, 히트 파이프를 기판의 내부에 매설하는 경우에는, 기판의 두께가 두꺼워져 칩 등의 실장을 할 때 문제가 된 적이 있었다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 금속판과 방열판을 다른 재료로 한 경우이더라도, 냉열 사이클에 있어서의 접합 강도가 높고, 또한, 열에 의해 히트 파이프를 손상시키지 않아, 히트 파이프를 접합 가능한 방열 구조체, 파워 모듈, 방열 구조체의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 방열 구조체는, 절연성을 가지는 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 표면에 경납재에 의해 접합된 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재와, 상기 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 형성된 금속 피막층과, 막대 형상의 일단(一端)부에 외부로부터 흡열하는 흡열부와, 타단부에 외부로 방열하는 방열부를 가지고, 온도 조정 가능한 히트 파이프를 구비하고, 상기 흡열부는 상기 금속 피막층 내부에 매설된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체는, 상기 발명에 있어서, 상기 세라믹 기판은 질화물계 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체는, 상기 발명에 있어서, 상기 경납재는, 알루미늄계 경납재인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체는, 상기 발명에 있어서, 상기 경납재는, 게르마늄, 마그네슘, 규소, 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속을 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체는, 상기 발명에 있어서, 상기 금속 부재는, 알루미늄, 은, 니켈, 금, 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속, 또는 당해 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체는, 상기 발명에 있어서, 상기 금속 피막층은, 구리, 알루미늄, 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속, 또는 당해 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 파워 모듈은, 상기의 어느 하나에 기재된 방열 구조체와, 상기 세라믹 기판의, 상기 금속 피막층이 형성된 면과 대향하는 면 상에, 경납재에 의해 접합된 금속 또는 합금으로 이루어지는 제 2 금속 부재와, 상기 제 2 금속 부재 상에 형성된 회로층과, 상기 회로층 상에 실장된 파워 디바이스를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 파워 모듈은, 상기 발명에 있어서, 상기 회로층은, 마스크를 통하여, 상기 제 2 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 절연성을 가지는 세라믹 기판의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재를 경납재에 의해 접합하는 금속 부재 접합 공정과, 막대 형상의 일단부에 외부로부터 흡열하는 흡열부와, 타단부에 외부로 방열하는 방열부를 가지고, 온도 조정 가능한 히트 파이프의 당해 흡열부를 상기 금속 부재 상에 배치하고, 상기 히트 파이프의 흡열부를 배치한 금속 부재 상에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하여, 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 금속 피막층을 형성하는 피막 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 금속 부재 접합 공정은, 상기 세라믹 기판의 표면에 경납재를 배치하는 경납재 배치 공정과, 상기 경납재 상에 상기 금속 부재를 배치하는 금속 부재 배치 공정과, 상기 경납재 및 상기 금속 부재가 순차 배치된 상기 세라믹 기판을 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 경납재 배치 공정은, 경납재 페이스트의 상기 세라믹 기판으로의 도포 공정과, 경납재 박(箔)의 상기 세라믹 기판상으로의 재치 공정과, 증착법 혹은 스퍼터법에 의한 상기 세라믹 기판으로의 경납재의 부착 공정 중 어느 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 열처리 공정은 진공 중 또는 불활성 가스 분위기 중에서 행해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 경납재는, 알루미늄계 경납재이며, 게르마늄, 마그네슘, 규소, 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속을 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 금속 부재의 두께가 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조체의 제조 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 피막 형성 공정은, 상기 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 금속 피막층을 형성하는 제 1 피막 형성 공정과, 상기 제 1 피막 형성 공정으로 형성된 금속 피막을 절삭하여, 상기 히트 파이프를 배치하는 홈부를 형성하는 홈부 형성 공정과, 상기 홈부에 상기 히트 파이프를 배치한 후, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 금속 피막층을 형성하는 제 2 피막 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 파워 모듈의 제조 방법은, 상기의 어느 하나에 기재된 방법에 의해 방열 구조체를 제조하는 방열 구조체 제조 공정과, 상기 세라믹 기판의, 상기 금속 피막층이 형성된 면과 대향하는 면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재를 경납재에 의해 접합하는 제 2 금속 부재 접합 공정과, 상기 제 2 금속 부재 접합 공정으로 접합된 금속 부재 상에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정과, 상기 회로층 상에 파워 디바이스를 실장하는 파워 디바이스 실장 공정을 포함하고, 상기 방열 구조체 제조 공정의 금속 부재 접합 공정과 상기 제 2 금속 부재 접합 공정을 동시에 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 세라믹 기판의 표면에 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재를 경납재로 접합하고, 이 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시키는 콜드 스프레이법에 의해 금속 피막층을 형성하므로, 금속 피막층과 중간층은, 서로 소성 변형이 생겨, 강고한 금속 결합이 이루어짐과 함께, 분말이 중간층에 충돌할 때에 중간층이 세라믹 기판을 향하여 가압된다. 그것에 의해, 세라믹 기판과 금속 피막층의 사이의 밀착 강도가 높은 적층체를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은, 콜드 스프레이법에 의해 상기 금속 피막층 내부에 히트 파이프의 흡열부를 매설하므로, 히트 파이프에 손상을 주지 않고 히트 파이프와 금속 피막의 접합 강도를 유지할 수 있음과 함께, 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 구조체인 파워 모듈의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는, 세라믹 기판과 금속 부재의 접합부의 확대 단면도이다.
도 3은, 도 1에 나타낸 파워 모듈의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4(a)는, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 4(b)는, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 5는, 콜드 스프레이 장치의 개요를 나타낸 모식도이다.
도 6(a)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(b)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(c)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(d)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 2는, 세라믹 기판과 금속 부재의 접합부의 확대 단면도이다.
도 3은, 도 1에 나타낸 파워 모듈의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4(a)는, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 4(b)는, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 5는, 콜드 스프레이 장치의 개요를 나타낸 모식도이다.
도 6(a)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(b)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(c)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(d)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에 있어서 참조하는 각 도면은, 본 발명의 내용을 이해할 수 있을 정도로 형상, 크기 및 위치 관계를 개략적으로 나타내고 있음에 지나지 않는다. 즉, 본 발명은 각 도면에서 예시된 형상, 크기 및 위치 관계에만 한정되는 것은 아니다.
(실시형태)
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 구조체인 파워 모듈의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 2는, 세라믹 기판과 금속 부재의 접합부의 확대 단면도이다. 도 1에 나타낸 파워 모듈(1)은, 절연 기판인 세라믹 기판(10)과, 세라믹 기판(10)의 일방의 면에 금속 부재(50)를 통하여 형성된 회로층(20)과, 회로층(20) 상에 땜납(C1)에 의해 접합된 칩(30)과, 세라믹 기판(10)의 회로층(20)은 반대측의 면에 금속 부재(50)를 통하여 설치된 방열 부재(40)를 구비한다.
세라믹 기판(10)은, 절연성 재료로 이루어지는 대략 판 형상의 부재이다. 절연성 재료로서는, 예를 들면, 질화 알루미늄, 질화 규소 등의 질화물계 세라믹이나, 알루미나, 마그네시아, 지르코니아, 스테아타이트, 포스테라이트, 멀라이트, 티타니아, 실리카, 사이알론 등의 산화물계 세라믹이 이용된다. 내구성, 열전도성 등의 관점에서 질화물계 세라믹이 바람직하다.
회로층(20)은, 예를 들면, 알루미늄이나 구리 등의 양호한 전기 전도도를 가지는 금속 또는 합금으로 이루어진다. 이 회로층(20)에는, 칩(30) 등에 대하여 전기 신호를 전달하기 위한 회로 패턴이 형성되어 있다.
칩(30)은, 다이오드, 트랜지스터, IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 등의 반도체 소자에 의해 실현된다. 칩(30)은, 고전압에서 사용이 가능한 파워 디바이스여도 되고, 칩(30)은, 사용 목적에 맞춰 세라믹 기판(10) 상에 복수개 설치되어도 된다.
방열 부재(40)는, 후술하는 콜드 스프레이법에 의해 형성된 금속 피막층이며, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 은 합금 등의 양호한 열전도성을 가지는 금속 또는 합금으로 이루어지며, 내부에 히트 파이프(60)가 매설되어 있다.
히트 파이프(60)는, 양단이 폐쇄된 진공 상태의 내부 공간을 형성하는 통 형상을 이루고, 일단부에 외부로부터 흡열하는 흡열부와, 타단부에 외부로 방열하는 방열부를 가지고 있다. 히트 파이프(60)의 내부 공간에는, 벽면에 윅(wick)이라 불리는 모세관 구조가 형성되며, 액체(예를 들면, 물과 소량의 알코올)가 봉입되어 있다.
방열 부재(40) 내에는, 히트 파이프(60)의 흡열부가 매설되어 있다. 히트 파이프(60)의 흡열부에서는, 칩(30)이 발생하고, 세라믹 기판(10)을 통하여 방열 부재(40) 측으로 전도된 열에 의해, 내부에 봉입되어 있는 액체는 비점(沸點) 이하에서 기화되고, 당해 기화열에 의해 방열 부재(40)는 냉각된다. 증발된 기체는, 방열부 측으로 이동하고, 다시 액체로 되돌아가, 윅의 모세관 현상에 의해 흡열부로 이동한다. 히트 파이프(60)에서는, 내부에 봉입된 액체가, 흡열부와 방열부의 사이에서 증발과 응축을 반복함으로써 신속한 열전달을 행할 수 있다.
본 실시형태에서는, 히트 파이프(60)의 흡열부를 세라믹 기판(10)에 근접하도록 방열 부재(40)의 내부에 설치하고 있으므로, 흡열의 효율을 더 향상시킬 수 있다. 히트 파이프(60)는, 세라믹 기판(10)의 크기, 실장하는 칩(30)의 개수 등에 따라, 방열 부재(40) 내에 복수 매설해도 된다. 또한, 히트 파이프(60)의 방열부 주변에는, 복수의 방열 핀을 설치 등 해도 된다.
금속 부재(50)는, 세라믹 기판(10)의 표면에 경납재(51)에 의해 접합된다. 금속 부재(50)는, 세라믹 기판(10)과 금속 또는 합금으로 이루어지는 회로층(20), 또는 세라믹 기판(10)과 금속 또는 합금으로 이루어지는 방열 부재(40)를 접합할 때의, 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
금속 부재(50)는, 두께가 예를 들면 0.01mm∼0.2mm 정도의 박 형상의 압연 부재이다. 본 실시형태에 있어서는, 이와 같이 두께가 작은 부재를 이용함으로써, 세라믹 기판(10)의 접합이나, 그 밖의 열처리 공정을 할 때, 금속 부재(50)와 세라믹 기판(10)의 사이에 있어서의 열팽창률의 차이에 기인하는 파손을 방지하는 것으로 하고 있다. 또한, 경납재(51) 상에 배치하는 금속 부재(50)로서는, 박 형상으로 한정되지 않고, 두께가 약 1mm 이하이면, 판 형상의 금속 부재를 배치해도 된다.
금속 부재(50)로서는, 세라믹 기판(10)에 대하여 경납재에 의한 접합이 가능하고, 또한, 후술하는 콜드 스프레이법에 의한 피막 형성이 가능한 정도의 경도를 가지는 금속 또는 합금이 이용된다. 이 경도의 범위는 콜드 스프레이법에 있어서의 성막 조건 등에 의해서도 다르기 때문에, 일률적으로는 정해지지 않으나, 대체로, 비카스경도가 100HV 이하의 금속 부재이면 적용할 수 있다. 구체적으로는, 알루미늄, 은, 니켈, 금, 구리, 또는 이들의 금속을 포함하는 합금 등을 들 수 있다. 경도 및 가공성 등의 관점으로부터 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다.
경납재(51)는, 세라믹 기판(10)의 종류나, 금속 부재(50)의 종류에 따라 선택할 수 있다. 경납재(51)는, 알루미늄을 주성분으로 하고, 게르마늄, 마그네슘, 규소, 구리로 선택되는 적어도 1종의 금속을 함유하는 알루미늄계 경납재가 바람직하다.
경납재(51)를 세라믹 기판(10) 표면에 배치하는 방법으로서는, 공지된 여러 가지의 방법이 이용된다. 예를 들면, 유기 용제 및 유기 바인더를 포함하는 페이스트 형상의 경납재를 스크린 인쇄법에 의해 세라믹 기판(10)에 도포해도 된다. 또한, 박 형상의 경납재(경납재 박)를 세라믹 기판(10) 상에 재치해도 된다. 혹은, 증착법이나 스퍼터법 등에 의해 경납재를 세라믹 기판(10)의 표면에 부착시켜도 된다.
금속 부재(50)와 세라믹 기판(10)의 경납땜은, 사용하는 경납재(51), 금속 부재(50) 및 세라믹 기판(10)에 의해서도 변동되나, 진공 중 또는 질소 가스 등의 불활성 분위기 중에서, 500℃∼630℃의 온도 범위, 바람직하게는 550℃∼600℃의 온도 범상에서 가열함으로써 행한다.
다음으로, 파워 모듈(1)의 제조 방법에 대하여, 도 3∼도 6(d)를 참조하면서 설명한다. 도 3은, 도 1에 나타낸 파워 모듈(1)의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 도 4(a) 및 도 4(b)는, 본 발명의 실시형태에 관련된 방열 부재(40)의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
먼저, 스크린 인쇄 등에 의해 세라믹 기판(10)의 표면에 경납재(51)를 배치한다(단계(S1)).
계속하여, 경납재(51) 상에 금속 부재(50)를 배치한다(단계(S2)).
경납재(51) 및 금속 부재(50)를 표면에 배치한 세라믹 기판(10)을 소정 시간, 소정 온도로 유지하여 진공 중에 있어서 열처리를 실시한다(단계(S3)). 이 열처리에 의해, 경납재(51)가 용융되고, 세라믹 기판(10)과 금속 부재(50)의 접합체가 얻어진다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 세라믹 기판(10)의 양면에 금속 부재(50)를 접합하는 경우에는, 경납재(51)를 양면에 배치한 세라믹 기판(10)을 2매의 금속 부재(50)에 의해 사이에 둔 것을 열처리함으로써, 세라믹 기판(10)의 양면에 금속 부재(50)를 접합할 수 있다. 또한, 세라믹 기판(10)의 양면에, 다른 경납재에 의해 다른 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재(50)를 접합하는 경우에는, 열처리 온도가 높은 것부터 순서대로 세라믹 기판(10)에 접합하면 된다. 또한, 도 2에서는, 세라믹 기판(10)의 양면에 금속 부재(50)를 접합하고 있으나, 적어도 방열 부재(40)를 형성하는 측에 금속 부재(50)가 경납재(51)에 의해 접합되어 있으면 된다.
금속 부재(50)의 접합 후, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 금속 부재(50) 상에 히트 파이프(60)의 흡열부를 배치한다(단계(S4)).
계속하여, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 콜드 스프레이법에 의해 히트 파이프(60)를 배치한 금속 부재(50) 상에 금속 피막층을 적층하고, 방열 부재(40)를 형성한다(단계(S5)). 도 5는, 금속 피막층의 형성에 사용되는 콜드 스프레이 장치(70)의 개요를 나타낸 모식도이다.
도 5에 나타낸 콜드 스프레이 장치(70)는, 압축 가스를 가열하는 가스 가열기(71)와, 금속 피막층의 재료의 분말을 수용하고, 스프레이 건(73)에 공급하는 분말 공급 장치(72)와, 가열된 압축 가스 및 거기에 공급된 재료 분말을 기재에 분사하는 가스 노즐(74)과, 가스 가열기(71) 및 분말 공급 장치(72)에 대한 압축 가스의 공급량을 각각 조절하는 밸브(75 및 76)를 구비한다.
압축 가스로서는, 헬륨, 질소, 공기 등이 사용된다. 가스 가열기(71)에 공급된 압축 가스는, 예를 들면 50℃ 이상이며, 금속 피막층의 재료 분말의 융점보다 낮은 범위의 온도로 가열된 후, 스프레이 건(73)에 공급된다. 압축 가스의 가열 온도는, 바람직하게는 300∼900℃이다.
한편, 분말 공급 장치(72)에 공급된 압축 가스는, 분말 공급 장치(72) 내의 재료 분말을 스프레이 건(73)에 소정의 토출량이 되도록 공급한다.
가열된 압축 가스는 끝이 넓은 형상을 이루는 가스 노즐(74)에 의해 초음속류(약 340m/s 이상)로 된다. 이 때의 압축 가스의 가스 압력은, 1∼5MPa 정도로 하는 것이 바람직하다. 압축 가스의 압력을 이 정도로 조정함으로써, 금속 부재(50)에 대한 금속 피막층의 밀착 강도의 향상을 도모할 수 있기 때문이다. 보다 바람직하게는, 2∼4MPa 정도의 압력으로 처리하면 된다. 스프레이 건(73)에 공급된 분말 재료는, 이 압축 가스의 초음속류 중으로의 투입에 의해 가속되며, 고상 상태 그대로, 세라믹 기판(10) 상의 금속 부재(50)에 고속으로 충돌하여 퇴적하고,피막을 형성한다. 또한, 재료 분말을 세라믹 기판(10)을 향해 고상 상태에서 충돌시켜 피막을 형성할 수 있는 장치이면, 도 5에 나타낸 콜드 스프레이 장치(70)에 한정되는 것은 아니다.
또한, 금속 피막층으로서 방열 부재(40)에 더해, 회로층(20)을 형성하는 경우에는, 예를 들면, 금속 부재(50)의 상층에 회로 패턴이 형성된 메탈 마스크 등을 배치하고, 예를 들면, 콜드 스프레이 장치(70) 등에 의해, 회로층(20)을 형성하는 금속 또는 합금의 분말을 이용하여 피막 형성을 행하면 된다.
또한, 필요에 따라 칩(30) 등의 부품을 땜납으로 회로층(20)에 접합한다. 이것에 의해, 도 1에 나타낸 파워 모듈(1)이 완성된다.
본 실시형태에서는, 세라믹 기판(10) 상에 방열 부재(40)를 콜드 스프레이법에 의해 형성하고 있다. 콜드 스프레이법은, 금속 분말의 분사 온도가 낮기 때문에 열응력의 영향이 완화되어, 상변태가 없이 산화도 억제된 금속 피막을 얻을 수 있다. 특히, 기재와 피막이 되는 재료가 함께 금속인 경우, 기재에 피막이 되는 분말이 충돌함으로써, 분말과 기재의 사이에 소성 변형이 생겨, 앵커 효과를 얻을 수 있다. 또한, 소성 변형이 생기는 영역에서는, 기재에 분말이 충돌했을 때에, 서로의 산화 피막이 파괴되어, 신생면끼리에 의한 금속 결합이 생겨, 높은 밀착 강도의 적층체가 얻어진다는 효과도 기대되고 있다. 그러나, 세라믹 기판(10)에, 콜드 스프레이법에 의해 직접 금속 분말을 분사한 경우, 소성 변형이 금속측에만 생겨, 세라믹과 금속의 사이의 충분한 앵커 효과가 얻어지지 않아, 세라믹과 금속 피막의 사이의 밀착 강도가 약하다는 문제가 있었다.
본 출원인들은, 세라믹 기판(10)의 표면에, 소정의 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재(50)를 경납재(51)에 의해 접합하고, 금속 부재(50)를 통하여 콜드 스프레이법에 의해 방열 부재(40)를 형성함으로써, 밀착 강도를 향상할 수 있다는 것을 찾아냈다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹 기판(10)의 표면에, 경납재(51)에 의해 금속 부재(50)를 접합하고, 이 금속 부재(50) 상에 히트 파이프(60)를 배치한 후, 콜드 스프레이법에 의해 금속 피막층을 적층하여 방열 부재(40)를 형성한다. 이 때문에, 재료 분말이 금속 부재(50) 및 히트 파이프(60)에 충돌했을 때에 충분한 앵커 효과가 생겨, 금속 부재(50)에 강고하게 밀착된 금속 피막층이 형성된다. 또한, 재료 분말의 충돌시에, 중간층(50) 및 히트 파이프(60)에 세라믹 기판(10) 방향의 가압력이 가해지므로, 세라믹 기판(10)에 대한 금속 부재(50)의 접합 강도가 향상한다. 그 결과, 세라믹 기판(10)과 금속 부재(50)와 금속 피막층이 강고하게 밀착된 방열 구조체를 얻을 수 있다.
따라서, 이와 같은 방열 구조체를 파워 모듈(1)에 적용함으로써, 모듈 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 회로층(20)이나 방열 부재(40)를, 기계 체결 부재나 땜납이나 실리콘 그리스 등을 이용하지 않고 배치할 수 있다. 따라서, 종래보다 열전도성이 우수하고, 구조도 간소해져, 사이즈를 소형화할 수 있다. 또한, 파워 모듈(1)의 사이즈를 종래와 동일한 정도로 할 경우에는, 방열 부재(40) 등의 주요한 구성 부분이 차지하는 비율을 크게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 방열 부재(40) 내에 히트 파이프(60)를 매설하고 있기 때문에, 회로층(20)에 있어서 발생한 열을 히트 파이프(60)에 의해 더 효율적으로 방열하는 것이 가능해진다. 또한, 히트 파이프(60)의 접합을 콜드 스프레이법에 의해 행하기 때문에, 높은 접합 강도에서의 접합을 가능하게 함과 함께, 히트 파이프(60)의 열손상을 방지할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹 기판(10)의 양측에 금속 부재(50)를 형성하고 있으나, 세라믹 기판(10)의 방열 부재(40)에만 금속 부재(50)를 형성하는 것으로 해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 히트 파이프(60)를 직접 금속 부재(50) 상에 배치하고, 콜드 스프레이법에 의해 금속 피막층을 적층하여, 방열 부재(40)를 형성하고 있으나, 일단 금속 부재(50) 상에 금속 피막층을 일부 적층한 후, 히트 파이프(60)를 배치하도록 해도 된다.
도 6(a)∼도 6(d)는, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관련된 방열 부재의 제조 공정을 설명한 단면도이다.
도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 금속 부재(50) 상에, 도 5에 나타낸 콜드 스프레이 장치(70) 등에 의해 방열 부재(40)를 구성하는 금속 피막층을 형성한다. 형성한 금속 피막층에, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 절삭 등에 의해 히트 파이프(60A)를 배치하는 홈부(61)를 형성한다.
계속하여, 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 홈부(61)에 히트 파이프(60A)를 재치한다. 홈부(61)의 형상은, 히트 파이프(60A)의 형상에 맞도록 형성되기 때문에, 예를 들면, 도 6(c)에 나타낸 바와 같은, 단면 원형의 히트 파이프(60A)여도 소정 위치에 배치하는 것이 용이해진다는 효과를 가진다.
히트 파이프(60A)의 배치 후, 도 6(d)에 나타낸 바와 같이, 또한 콜드 스프레이 장치(70) 등에 의해, 금속 피막층을 적층하여, 방열 부재(40)를 형성하면 된다.
상기 실시형태에 있어서는, 적층체의 기재로서 절연성을 가지는 질화물계 세라믹이나 산화물계 세라믹을 들었으나, 탄화물계 세라믹 등의 도전성의 기재에 대해서도 동일한 방법으로 적층체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에 있어서, 경납재(51)로서 알루미늄 경납재, 금속 부재(50)로서 알루미늄을 이용한 경우, 금속 부재(50)와 경납재(51)는 알루미늄을 주성분으로 하는 거의 똑같은 층으로서 관찰되는 것이 많다. 그러나, 금속 부재(50) 및 경납재(51)에 대한 원소 분포 분석이나 SEM에 의한 금속 조직 관찰 등에 의해, 판 형상의 알루미늄 부재로부터 유래되어, 거의 알루미늄으로 이루어지는 금속 부재(50)층과, 알루미늄 경납재로부터 유래되어, 알루미늄 이외의 성분(게르마늄, 마그네슘, 규소, 구리 등)을 함유하는 경납재(51) 층을 식별할 수 있는 경우도 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관련된 방열 구조체, 파워 모듈, 방열 구조체의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법은, 높은 방열 특성과 내구성이 요구되는 분야에 유용하다.
1: 파워 모듈 10: 세라믹 기판
20: 회로층 30: 칩
40: 방열 부재 50: 금속 부재
51: 경납재 60: 히트 파이프
70: 콜드 스프레이 장치 71: 가스 가열기
72: 분말 공급 장치 73: 스프레이 건
74: 가스 노즐 75, 76: 밸브
20: 회로층 30: 칩
40: 방열 부재 50: 금속 부재
51: 경납재 60: 히트 파이프
70: 콜드 스프레이 장치 71: 가스 가열기
72: 분말 공급 장치 73: 스프레이 건
74: 가스 노즐 75, 76: 밸브
Claims (16)
- 절연성을 가지는 세라믹 기판과,
상기 세라믹 기판의 표면에 경납재에 의해 접합된 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재와,
상기 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 형성된 금속 피막층과,
막대 형상의 일단부에 외부로부터 흡열하는 흡열부와, 타단부에 외부로 방열하는 방열부를 가지고, 온도 조정 가능한 히트 파이프를 구비하고, 상기 흡열부는 상기 금속 피막층 내부에 매설되고,
상기 금속 부재 및 상기 히트 파이프와 상기 금속 피막층과의 사이에 금속 결합이 생겨 있는 것을 특징으로 하는 방열 구조체. - 제 1항에 있어서,
상기 세라믹 기판은 질화물계 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 구조체. - 제 1항에 있어서,
상기 경납재는, 알루미늄계 경납재인 것을 특징으로 하는 방열 구조체. - 제 3항에 있어서,
상기 경납재는, 게르마늄, 마그네슘, 규소, 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 부재는, 알루미늄, 은, 니켈, 금, 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속, 또는 당해 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 구조체. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 피막층은, 구리, 알루미늄, 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속, 또는 당해 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 구조체. - 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 방열 구조체와,
상기 세라믹 기판의, 상기 금속 피막층이 형성된 면과 대향하는 면 상에, 경납재에 의해 접합된 금속 또는 합금으로 이루어지는 제 2 금속 부재와,
상기 제 2 금속 부재 상에 형성된 회로층과,
상기 회로층 상에 실장된 파워 디바이스를 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈. - 제 7항에 있어서,
상기 회로층은, 마스크를 통하여, 상기 제 2 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 형성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈. - 절연성을 가지는 세라믹 기판의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재를 경납재에 의해 접합하는 금속 부재 접합 공정과,
막대 형상의 일단부에 외부로부터 흡열하는 흡열부와, 타단부에 외부로 방열하는 방열부를 가지고, 온도 조정 가능한 히트 파이프의 당해 흡열부를 상기 금속 부재 상에 배치하고, 상기 히트 파이프의 흡열부를 배치한 금속 부재 상에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하여, 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 금속 피막층을 형성하는 피막 형성 공정을 포함하고,
상기 금속 부재 및 상기 히트 파이프와 상기 금속 피막층과의 사이에 금속 결합이 생겨 있는 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 금속 부재 접합 공정은,
상기 세라믹 기판의 표면에 경납재를 배치하는 경납재 배치 공정과,
상기 경납재 상에 상기 금속 부재를 배치하는 금속 부재 배치 공정과,
상기 경납재 및 상기 금속 부재가 순차 배치된 상기 세라믹 기판을 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 경납재 배치 공정은, 경납재 페이스트의 상기 세라믹 기판으로의 도포 공정과, 경납재 박의 상기 세라믹 기판상으로의 재치 공정과, 증착법 혹은 스퍼터법에 의한 상기 세라믹 기판으로의 경납재의 부착 공정 중 어느 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 열처리 공정은 진공 중 또는 불활성 가스 분위기 중에서 행해지는 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 경납재는, 알루미늄계 경납재이며, 게르마늄, 마그네슘, 규소, 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 금속 부재의 두께가 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 9항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피막 형성 공정은,
상기 금속 부재의 표면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 금속 피막층을 형성하는 제 1 피막 형성 공정과,
상기 제 1 피막 형성 공정으로 형성된 금속 피막층을 절삭하여, 상기 히트 파이프를 배치하는 홈부를 형성하는 홈부 형성 공정과,
상기 홈부에 상기 히트 파이프를 배치한 후, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 금속 피막층을 형성하는 제 2 피막 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체의 제조 방법. - 제 9항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 방열 구조체를 제조하는 방열 구조체 제조 공정과,
상기 세라믹 기판의, 상기 금속 피막층이 형성된 면과 대향하는 면에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 금속 부재를 경납재에 의해 접합하는 제 2 금속 부재 접합 공정과,
상기 제 2 금속 부재 접합 공정으로 접합된 금속 부재 상에, 금속 또는 합금으로 이루어지는 분말을 가스와 함께 가속하고, 상기 표면에 고상 상태 그대로 분사하여 퇴적시킴으로써 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정과,
상기 회로층 상에 파워 디바이스를 실장하는 파워 디바이스 실장 공정을 포함하고, 상기 방열 구조체 제조 공정의 금속 부재 접합 공정과 상기 제 2 금속 부재 접합 공정을 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
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