KR101742063B1 - Silicon Carbide Heatsink and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화규소 방열판의 제조방법에 관한 것으로서, 탄화규소(SiC) 분말 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하여 조립분을 제조하는 단계; 성형 공정을 통해 상기 조립분으로부터 방열판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에 따르면 규산염을 결합제의 일 성분으로 사용함으로써 수축이 없고 저온소성이 가능하며 치수와 형상변화가 거의 없는 효율적이며 에너지 소모량이 적은 방열판을 제조할 수 있다. The present invention relates to a method of manufacturing a silicon carbide heat sink, comprising: mixing a silicon carbide (SiC) powder and a binder to produce a mixture; Drying the mixture to prepare granules; And forming a heat sink from the granulated material through a molding process.
According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a heat sink having low shrinkage, low-temperature firing, and little change in size and shape by using silicate as one component of the binder and having a low energy consumption.
Description
본 발명은 탄화규소 방열판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 방열계수가 크고 열팽창계수가 작고 가벼우며 내열성이 우수한 재료이며 효율적인 방열 특성을 가지는 탄화규소 방열판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a silicon carbide heat sink and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a silicon carbide heat sink having a large heat dissipation coefficient, a small thermal expansion coefficient, a light weight and excellent heat resistance.
최근 반도체 분야 및 각종 전자기기의 부품은 고직접화, 소형화되고 있으며, 이에 따라 발열량이 증가하기 때문에, 이를 사용하는 기기의 사용수명 단축, 기기 오작동, 작동중지, 속도저하 및 내구성의 저하 등의 문제점이 발생하고 있다.In recent years, semiconductor devices and parts of various electronic devices have been directly and miniaturized, and as a result, the amount of heat generated increases. Therefore, problems such as shortening the service life of the devices using the devices, malfunctioning of the devices, .
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 고열전도성의 금속 또는 그라파이트 및 이의 복합체의 방열판이 제조되어 사용되어 왔다. 이중 고열전도성 금속소재로는 m-Cu, m-Al 및 이들의 합금이 있으며, 비금속 방열부재로는 AlN, SiC, BeO, Carbon 등을 이용하여 단일계 또는 복합체를 제조하여 사용하였다. In order to solve such a problem, a heat-radiating plate of a highly heat conductive metal or graphite and a composite thereof has been conventionally produced and used. M-Cu, m-Al and their alloys are used as the high thermal conductive metal materials, and a single system or composite is manufactured by using AlN, SiC, BeO, Carbon or the like as a non-metal heat dissipating member.
또한, 금속과 비금속의 혼합을 통한 방열판 재료의 개발도 이루어지고 있다. 이러한 재료들은 열전도도가 약 100W/mK 이상으로 우수한 열전도성을 보인다. 그러나 재료의 단가가 높고 그것의 제조공정에서도 비용이 높아 대량의 부품으로 적용할 때 원가적인 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 특히, 금속의 경우는 전기전도성도 함께 가지고 있어 실재 사용을 위해서는 보완책이 필요하다. 또한, 금속류의 단일계 또는 복합체 방열판은 무거우며 열팽창계수가 커서 전자부품에 접촉하여 사용할 때 부품에 스크래치를 내거나 탈리되는 현상 등의 문제점이 있다. In addition, heat sink materials are being developed through the mixing of metals and non-metals. These materials exhibit excellent thermal conductivity with a thermal conductivity of about 100 W / mK or more. However, since the material cost is high and the manufacturing cost is high, there is a disadvantage in that the efficiency is low in terms of cost when applied to a large number of parts. Particularly, metal has electric conductivity as well, so a complementary measure is needed for actual use. In addition, a single system or a composite heat sink of a metal is heavy and has a large thermal expansion coefficient, which causes problems such as scratching or tearing of components when they are used in contact with electronic components.
따라서 비금속류 무기재료인 세라믹 방열판이 개발되고 있는데, 비교적 경량이며 높은 열전도성을 나타내기 때문에 많은 주목을 받고 있다.Therefore, a ceramic heat sink, which is a nonmetallic inorganic material, has been developed, and has attracted much attention because it is relatively light and exhibits high thermal conductivity.
이러한 비금속의 재료들이 방열재로 사용되는 이유는 다음과 같다. 즉, 전자부품에서 발생된 열이 방열판을 통하여 열전도가 이루어지나 전달되는데, 이때 열의 대기로의 방출특성이 낮을 경우 그 열이 방열판 내부에 남아있게 되기 때문에 결국에는 높은 열전도도를 갖는 방열판은 그 특성을 활용하지 못하게 된다. 이러한 현상을 축열 현상이라고 한다. The reasons why these non-metallic materials are used as heat-insulating materials are as follows. That is, the heat generated from the electronic component is transmitted through the heat sink through the heat sink. When the heat is released to the atmosphere, the heat is left in the heat sink. Therefore, You will not be able to use it. This phenomenon is called the heat accumulation phenomenon.
금속의 경우, 열방출 효율이 약 0.3~0.5 정도로 낮으며 비금속인 세라믹의 경우 약 0.7~1.0 정도로 높기 때문에 금속에 비해 비금속류 무기재료는 장점을 가지고 있다.In the case of metals, heat dissipation efficiency is as low as about 0.3 ~ 0.5. In the case of non-metal ceramics, the nonmetallic inorganic material has an advantage compared with metal because it is about 0.7 ~ 1.0.
특히, SiC 또는 C는 약 0.8~0.9 이상의 열방출 특성을 갖는다. 이런 세라믹 제품의 열방출 특성을 이용하여 비록 높지 않은 열전도도를 갖지만 우수한 방열효과를 내는 효율적인 방열판을 제조할 수 있다.In particular, SiC or C has a heat release characteristic of about 0.8 to 0.9 or more. By using the heat emission characteristics of such a ceramic product, it is possible to manufacture an effective heat sink having an excellent heat conductivity although not having a high thermal conductivity.
방열판에 사용될 수 있는 탄화규소 소재의 예로서, 대한민국 등록특허공보 10-1334640호를 들 수 있다. 상기 선행기술에서는 첨가제로 사용된 알칼리토류 금속 산화물, 바람직하게는 BaO, SrO, CaO, MgO 중에서 선택되는 적어도 1종의 알칼리 토류 금속 산화물이 이산화규소와 반응하여 바륨실리케이트, 스트론튬 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 등의 규산염을 형성함으로써 실리콘옥시카바이드 결합 탄화규소의 고온강도와 내구성 및 내산화성을 증진시키는 효과를 얻고 있다.An example of a silicon carbide material that can be used for a heat sink is Korean Patent Registration No. 10-1334640. In the prior art, at least one alkaline earth metal oxide selected from among alkaline earth metal oxides, preferably BaO, SrO, CaO and MgO used as an additive reacts with silicon dioxide to form barium silicate, strontium silicate, calcium silicate, magnesium The effect of improving the high-temperature strength, durability and oxidation resistance of silicon oxycarbide-bonded silicon carbide is obtained by forming a silicate such as silicate.
이러한 규산염의 이용은 탄화규소를 이용한 방열판의 제조에 있어서 수축을 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있을 가능성이 있다.The use of such a silicate may have the effect of reducing shrinkage in the production of heat sink using silicon carbide.
한편, 대한민국 공개특허공보 10-2011-0023799호에서는 탄화규소와 상기 탄화규소보다 녹는점이 낮은 무기물을 배합함으로써 방열판의 기계적 강도, 기공률 및 비표면적 특성 등을 향상시키고 있다.On the other hand, in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0023799, the mechanical strength, porosity and specific surface area characteristics of the heat sink are improved by combining silicon carbide and an inorganic material having a lower melting point than silicon carbide.
본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로서, 탄화규소로 방열판을 제조할 때 고온 소성 시 수축이 발생하는 문제를 해결함으로써 수축 없이 탄화규소 재질의 방열판을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in view of the above-described prior art, and provides a manufacturing method capable of manufacturing a heat sink of silicon carbide without shrinking by solving the problem of shrinkage at high temperature firing when a heat sink is manufactured using silicon carbide The purpose of that is to do.
또한, 가공시 세라믹 수축 현상이 발생하지 않도록 하여 추가 가공이 필요 없고 생산효율을 향상시키며 소성 온도를 낮출 수 있는 방열판의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a heat sink which does not require a further shrinkage of ceramic during processing and which can improve production efficiency and lower the firing temperature.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 탄화규소 방열판의 제조방법은 탄화규소(SiC) 분말 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하여 조립분을 제조하는 단계; 성형 공정을 통해 상기 조립분으로부터 방열판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a silicon carbide heat sink, comprising: preparing a mixture by mixing silicon carbide (SiC) powder and a binder; Drying the mixture to prepare granules; And forming a heat sink from the granulated powder through a molding process.
이때, 상기 탄화규소 분말은 400 메쉬 이하의 분말 및 250 메쉬 이하의 분말을 혼합한 혼합 분말일 수 있다.In this case, the silicon carbide powder may be a mixed powder of powders of 400 mesh or less and powders of 250 mesh or less.
또한, 상기 결합제는 수지 및 규산염의 혼합물인 것을 특징으로 한다.Further, the binder is a mixture of a resin and a silicate.
이때, 상기 수지는 폴리비닐알코올(PVA), 메틸 셀룰로오스(MC) 중 어느 하나 또는 그 이상일 수 있으며, 상기 규산염은 소듐 실리케이트, 리튬 실리케이트, 바륨 실리케이트, 스트론튬 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 중 어느 하나일 수 있다.At this time, the resin may be any one or more of polyvinyl alcohol (PVA) and methyl cellulose (MC), and the silicate may be any one of sodium silicate, lithium silicate, barium silicate, strontium silicate, calcium silicate, .
본 발명에 따른 방열판의 제조방법은 탄화규소로 방열판을 제조할 때 규산염을 결합제의 일 성분으로 사용함으로써 고온 소성 시 수축이 발생하는 문제를 해결함으로써 수축 없이 탄화규소 재질의 방열판을 제조할 수 있는 효과를 나타낸다.A method of manufacturing a heat sink according to the present invention is a method of manufacturing a heat sink made of silicon carbide without shrinking by solving the problem of shrinkage at high temperature firing by using silicate as one component of a binder in manufacturing a heat sink using silicon carbide .
또한, 가공시 세라믹 수축 현상이 발생하지 않도록 하기 때문에 추가 가공이 필요 없고 생산효율을 향상시키며 소성 온도를 낮출 수 있는 효과를 나타낸다.Further, since the ceramic shrinkage phenomenon does not occur during processing, further processing is unnecessary, the production efficiency is improved, and the firing temperature is lowered.
도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 방열판의 파단면을 관찰한 전자현미경 사진(a) 및 상기 관찰 부위의 에너지 분산형 분광 분석(EDS) 결과이다(b).
도 2는 시판되는 방열판의 파단면을 관찰한 전자현미경 사진(a) 및 상기 관찰 부위의 에너지 분산형 분광 분석(EDS) 결과이다(b).
도 3은 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 방열판의 방열특성을 평가하기 위한 시험장치의 모식도로서 방열판 미설치시(a) 및 방열판 설치시(b)의 시험장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 방열판의 열적 특성을 평가한 그래프이다.
도 5는 시판되는 방열판의 열적 특성을 평가한 그래프이다.FIG. 1 is an electron microscope photograph (a) of a fracture surface of a heat sink manufactured according to the manufacturing method of the present invention and an energy dispersive spectroscopic analysis (EDS) result of the observed region.
Fig. 2 (b) is an electron microscope photograph (a) showing a fracture surface of a commercially available heat sink and an energy dispersive spectroscopic analysis (EDS) of the observed region.
Fig. 3 is a schematic view of a test apparatus for evaluating the heat dissipation characteristics of the heat dissipation plate manufactured by the manufacturing method of the present invention, and is a schematic diagram of the test apparatus of the heat dissipation plate non-installed state (a) and the heat dissipation plate installed state (b).
4 is a graph illustrating thermal characteristics of a heat sink manufactured according to the manufacturing method of the present invention.
5 is a graph showing a thermal property evaluation of a commercially available heat sink.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본 발명의 탄화규소 방열판의 제조방법은 탄화규소(SiC) 분말 및 결합제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하여 조립분을 제조하는 단계; 성형 공정을 통해 상기 조립분으로부터 방열판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a silicon carbide heat sink of the present invention comprises the steps of: preparing a mixture by mixing silicon carbide (SiC) powder and a binder; Drying the mixture to prepare granules; And forming a heat sink from the granulated powder through a molding process.
현재 전자부품의 경량, 박층화와 높은 직접도에 따른 발열문제를 해결하기 위하여 방열판의 연구방향은 고열전도도를 갖는 금속 또는 금속과 세라믹의 복합재료의 개발에 치중되고 있다. Currently, the research direction of heat sink is focused on the development of composite material of metal or metal and ceramic with high thermal conductivity in order to solve heat problem due to light weight, thin layer and high directivity of electronic parts.
그러나 무기질 섬유 또는 무기 입자를 미리 성형하여 프리폼을 형성하고 그 내부에 금속을 가압 또는 자연압으로 침투시킨 복합체는 비싼 원재료비와 비싼 제조공정으로 단가가 높은 단점이 있다. 또한, 제조공정상 환원분위기에서 제조되거나 진공분위기 등을 만들어야하므로 제조공정에서도 고액의 장치가 요구된다. However, composites in which inorganic fibers or inorganic particles are preformed to form a preform and the metal is pressurized or pressurized by natural pressure have high disadvantages due to expensive raw material costs and expensive manufacturing processes. In addition, since it is necessary to produce a vacuum atmosphere or the like in a normal reduction atmosphere of the manufacturing process, a large amount of equipment is required in the manufacturing process.
세라믹으로 제조된 세라믹 방열판은 가벼우며 열팽창계수가 칩의 열팽창계수와 비슷하여 전자부품에 스크래치를 발생하지 않아 전자부품에 대한 손상을 줄이고 부품과의 박리되는 현상도 현저히 줄일 수 있으며 제조공정이 간단하며 제조장비가 간단하여 원가를 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.Ceramic heat sinks made of ceramics are lightweight and have a thermal expansion coefficient similar to that of the chip, so they do not generate scratches on electronic components, thereby reducing damage to electronic components and significantly reducing the peeling off of components. The manufacturing equipment is simple and the cost can be greatly reduced.
본 발명에 제시된 방열판의 제조방법은 일반적인 세라믹 제조공정(press, tape casting, 사출 등)을 적용하는 것인데, 이러한 제조공정은 고온에서 소성하는 공정이 반드시 수반되어야 한다. 고온 소성 과정에서 세라믹은 가교 및 입성장을 거치면서 강도를 유지하는 대신 수축하는 현상이 일어난다. 이로 인하여 치수나 형상의 변화를 가져오기 때문에 최종 제품인 방열판의 품질을 저하시키는 문제를 일으킨다. The manufacturing method of the heat sink according to the present invention is applied to a general ceramic manufacturing process (press, tape casting, injection, etc.), and the manufacturing process must be accompanied by a process of firing at a high temperature. In the high-temperature firing process, the ceramic shrinks instead of maintaining strength while cross-linking and ingrowing. As a result, the quality of the heat sink, which is the final product, is deteriorated due to changes in dimensions and shapes.
본 발명의 제조방법에 따르면 탄화규소 부품의 방열특성을 그대로 유지하면서 저온소성이 가능하고 치수변화가 없어 생산효율성이 높으며 다른 성분의 불순물이 없도록 제조할 수 있는 장점이 있다.According to the manufacturing method of the present invention, low-temperature firing can be performed while maintaining the heat radiation characteristics of the silicon carbide component, and production efficiency can be improved due to no dimensional change, and there is no impurity of other components.
또한, 상기 제조방법에 의해 제조된 탄화규소 방열판은 일반적인 세라믹 제조공정에서 야기되는 세라믹 수축현상을 일으키지 않고 형상의 변화가 없기 때문에 추가 가공이 필요 없다. 이에 따라 생산효율이 높고 생산원가를 대폭 줄 일수 있으며 소성온도도 확연히 줄일 수 있기 때문에 제조공정에서의 에너지 소모량을 크게 감소시킬 수 있다.In addition, the silicon carbide heat sink manufactured by the above-described method does not cause the shrinkage of the ceramics caused by the general ceramic manufacturing process, and there is no change in shape, so that no further processing is required. As a result, the production efficiency is high, the production cost can be greatly reduced, and the firing temperature can be significantly reduced, which can greatly reduce the energy consumption in the manufacturing process.
본 발명의 제조방법은 탄화규소 분말에 결합제, 분산제, 기타 첨가제를 가하여 이를 혼합하고 스프레이 드라이어 등을 이용하여 조립분을 제조한다. 또한, 제조된 조립분은 기계식 혹은 유압식 프레스를 이용하여 금형에서 그 형상을 갖도록 성형하거나 테이프 캐스팅이나 사출 성형한다. 성형된 제품은 대기분위기로 또는 비활성분위기로에서 약 1500~1600℃로 소성한다, 또한, 제조된 소결품은 평탄도를 유지하게 하기 위하여 바닥이 평탄하도록 간단한 기계가공으로 마무리한다.In the production method of the present invention, a binder, a dispersant, and other additives are added to a silicon carbide powder, and the mixture is mixed and prepared into a granulated powder by using a spray dryer or the like. In addition, the manufactured granulated powder is molded into a shape using a mechanical or hydraulic press, or tape casting or injection molding. The molded product is sintered at about 1500 to 1600 ° C in an atmospheric or inert atmosphere, and the sintered product is finished by simple machining so that the bottom is flat so as to maintain the flatness.
테이프 캐스팅으로 성형하는 경우, 원료분말을 결합제, 분산제, 가소제 등을 밀(mill)에서 혼합한다. 혼합 슬러리는 닥터블레이드에 투입하여 세라믹 시트를 제작하고 건조되면 커팅하여 플레이트상으로 성형을 완료하거나 홈이 있는 롤에 통과시켜 요철을 주고 규격에 맞추어 커팅하여 성형을 완료한다. 제조된 시트는 소성로에서 약 1500~1600℃로 소성하여 방열판을 제작한다. 프레스 공정에서처럼 평탄도를 위한 가공이 필요하다면 실시한다. When molding by tape casting, the raw material powder is mixed with a binder, a dispersant, a plasticizer, and the like in a mill. The mixed slurry is put into a doctor blade to prepare a ceramic sheet. When the ceramic slurry is dried, it is cut into a plate shape, or it is passed through a grooved roll to give irregularities and cut to meet specifications. The produced sheet is fired at about 1500 to 1600 ° C in a firing furnace to produce a heat sink. If machining for flatness is required as in the press process, it is carried out.
사출성형으로 성형하는 경우, 원료분말을 유기바인더와 가소제 등과 열간 혼합하고 사출성형한다. 상기 성형체는 저온에서 장시간 디바인딩 공정을 거치고 약 1500~1600℃로 소성하여 방열판을 제작한다. 평탄도가 필요할 시에는 기계가공을 하여 평탄도를 유지할 수 있도록 한다.In the case of molding by injection molding, the raw material powder is hot-mixed with an organic binder, a plasticizer or the like and injection-molded. The molded body is debinded at a low temperature for a long time and is baked at about 1500 to 1600 ° C to produce a heat sink. If flatness is required, machining is performed to maintain flatness.
본 발명의 방열판을 구성하는 원료인 탄화규소 분말은 수 십 ㎛ 이내의 것으로 두 종류 이상을 혼합하는 것이 바람직하다. 이는 perfect-sphere 이론에서처럼 입자간 공극은 입자 반지름의 0.2배 이내라는 것에 착안하여 입자간 결합을 최대한 하기 위함이다. The silicon carbide powder as a raw material constituting the heat sink of the present invention is preferably several tens of micrometers or less, and it is preferable to mix two or more types of silicon carbide powder. This is to maximize particle-to-particle bonding by considering that inter-particle pores are within 0.2 times the particle radius as in the perfect-sphere theory.
입자간의 결합이 많을수록 입자를 통한 열전달이 우수하기 때문에 조립분을 60 내지 80 중량% 미립분을 20 내지 40 중량%가 되도록 배합하는 것이 바람직하다. 또한, 조립분은 250 메쉬 이하, 미립분은 400 메쉬 이하의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that the granulated powder is blended so that 60 to 80% by weight of fine particles are contained in an amount of 20 to 40% by weight because the greater the bond between the particles, the better the heat transfer through the particles. It is preferable to use a powder having a particle size of 250 mesh or less and a particle size of 400 mesh or less.
조립분과 미립분의 입도와 배합량은 각 입도에 따른 충진율을 감안한 것으로 입도 범위나 배합량이 상기 범위를 벗어나면 충진율이 감소하기 때문에 제조된 방열판에 있어서 열전달 효율이 감소하는 것으로 나타났다.The particle size and the blending amount of the granulated powder and the fine powder are considered considering the filling rate according to each particle size. When the particle size range or the blending amount is out of the above range, the filling rate is decreased, so that the heat transfer efficiency is decreased in the manufactured heat sink.
예를 들어, 탄화규소 분말 중 하나가 10 ㎛ 정도의 평균 입도를 가지는 것이면 다른 하나는 2 ㎛ 이내의 평균 입도를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상황에 따라 100 ㎛의 평균 입도를 가지는 분말을 일부 혼합하여 사용할 수도 있다. 이는 제조과정에서 발생되는 문제점 등을 종합하여 고려하여야 하는데 표면의 조도문제와 입자 탈리 현상이 그 고려 대상이 된다. For example, if one of the silicon carbide powders has an average particle size of about 10 占 퐉, the other one preferably has an average particle size of 2 占 퐉 or less. Depending on the circumstances, some powders having an average particle size of 100 mu m may be mixed and used. This should be considered in terms of the problems occurring in the manufacturing process. The surface roughness problem and the particle desorption phenomenon are considered.
상기 탄화규소 분말에 여기에 폴리비닐알코올(PVA) 또는 메틸 셀룰로오스(MC) 중 어느 하나 또는 그 이상의 결합제를 첨가하고, 여기에 폴리에틸렌글리콜, 모노에틸렌그릴콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜 중 어느 하나의 가소제를 일정량 첨가한다. 그리고 마지막으로 소듐 실리케이트, 리튬 실리케이트, 바륨 실리케이트, 스트론튬 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 중 어느 하나의 규산염을 일정량 혼합하여 혼합물을 제조한다. 혼합물의 준비 이후의 공정은 일반 세라믹 공정을 바탕으로 제조하는 것이 바람직하다.Wherein one or more of polyvinyl alcohol (PVA) or methyl cellulose (MC) is added to the silicon carbide powder, and one of polyethylene glycol, monoethylene glycol, diethylene glycol, and triethylene glycol Of a plasticizer. Finally, the silicate of any one of sodium silicate, lithium silicate, barium silicate, strontium silicate, calcium silicate and magnesium silicate is mixed to prepare a mixture. The preparation after preparation of the mixture is preferably based on a common ceramic process.
본 발명에서는 규산염을 결합제로서 사용한다.In the present invention, silicate is used as the binder.
예를 들어, 소듐 실리케이트는 일정온도 이상에서 수분이 증발되고 산화되어 규산염이 되는데, 이때, 일정부분의 소듐은 잔류하게 되나 규산염으로 변화된 것은 상온분위기에서 다시 환원되지 않으며 강한 공유결합을 이룬다. For example, sodium silicate evaporates and oxidizes to silicate at above a certain temperature. At this time, a certain amount of sodium remains, but the change to silicate is not reduced again in a room temperature atmosphere and a strong covalent bond is formed.
상기 소듐 실리케이트는 상온에서 액상으로 존재하며 탄화규소 분말의 외부를 감싸 표면을 실리케이트화 시켜 내부의 탄화규소가 고온에서 산화되는 것을 막는다. 그리고 용매인 물에 첨가하여 사용하므로 표면에 골고루 도포되어 산화시 초기에는 나노입자형태로 생성되므로 저온에서도 쉽게 산화시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 저온소성으로 결합을 생성하므로 소성시 탄화규소 입자의 입성장을 억제하고 수축을 일으키지 않아 무수축(non-shrinkage)의 탄화규소 제품을 형성할 수 있다. 또한, 규산염 외에 별도의 무기 결합제를 첨가하지 않으므로 순도를 크게 변화시키지 않고 생산할 수 있는 장점이 있다. 이런 특성은 리튬 실리케이트, 바륨 실리케이트, 스트론튬 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트에서도 얻을 수 있다.The sodium silicate exists in a liquid state at room temperature and surrounds the outer surface of the silicon carbide powder to silicate the surface, thereby preventing the internal silicon carbide from being oxidized at a high temperature. Since it is added to water used as a solvent, it can be easily oxidized even at a low temperature because it is uniformly applied on the surface and is formed in the form of nanoparticles at the initial stage of oxidation. In addition, since bonding is generated by low-temperature firing, the silicon carbide particles are prevented from ingrowing during firing, and shrinkage is not caused, thereby forming a non-shrinkage silicon carbide product. Further, since no additional inorganic binder is added in addition to the silicate, there is an advantage that the purity can be produced without greatly changing the purity. These properties can also be obtained from lithium silicates, barium silicates, strontium silicates, calcium silicates, and magnesium silicates.
좀 더 자세히 설명하면, 소듐 실리케이트는 약 350℃에서 SiO2로 산화되기 시작하는데 이때 나트륨 이온은 SiO2내부에서 불순물로 존재하게 된다. 소성이 진행되면서 소듐 실리케이트는 탄화규소 입자의 표면을 감싸며 SiO2를 생성하여 탄화규소가 산화되는 것을 억제하고 탄화규소 입자끼리 결합하게 하는 결합제 역할을 하게 된다. More specifically, sodium silicate begins to oxidize to SiO 2 at about 350 ° C., where sodium ions are present as impurities in SiO 2 . As the sintering progresses, sodium silicate encapsulates the surface of the silicon carbide particles to produce SiO 2 , which inhibits the silicon carbide from oxidizing and serves as a binder to bond the silicon carbide particles together.
따라서 본 발명에서 사용되는 규산염은 무기 결합제의 역할을 하는 성분이다. 이 모든 일련의 과정이 약 700℃에서 1100℃ 이내에서 소성 완료됨으로써 탄화규소 입자 자체끼리의 입성장을 억제하여 소성 수축현상을 없도록 할 수 있다.Therefore, the silicate used in the present invention is a component serving as an inorganic binder. All of these processes are completed at a temperature of about 700 ° C to 1100 ° C, so that the grain growth of the silicon carbide particles themselves can be suppressed and the plastic shrinkage phenomenon can be prevented.
이와 같이 수 마이크로미터의 탄화규소 단독 분말 혹은 수십에서 수백 마이크로미터의 탄화규소를 혼합한 혼합 분말은 프레스, 테이프 캐스팅 혹은 사출 성형 등의 세라믹 제조공정으로 성형을 하고 공기 중에서 700~1100℃로 소성하므로 소성온도를 상대적으로 낮출 수 있다. 다만, 700℃ 이하의 온도로 소성하면 소성강도가 약해지는 경향이 있어 바람직하지 않으며, 1100℃ 이상의 온도로 소성하면 제품상의 문제는 없으나 에너지 효율 측면에서 바람직하지 못하다. As such, a mixed powder of a few micrometers of silicon carbide alone or a mixture of silicon carbide of several tens to several hundreds of micrometers is molded into a ceramic manufacturing process such as press, tape casting or injection molding and fired at 700 to 1100 ° C in the air The firing temperature can be relatively lowered. However, when baking at a temperature of 700 ° C or less, the baking strength tends to become weak, which is undesirable. If the baking is performed at a temperature of 1100 ° C or more, there is no problem with the product.
본 발명으로 제조된 탄화규소 방열판은 이하 시험결과를 통해 확인할 수 있으며, 일반적으로 소결된 탄화규소 방열판과 비교하여도 방열특성 등이 크게 변화하지 않는다는 것을 확인 할 수 있다. The silicon carbide heat sink fabricated according to the present invention can be confirmed from the test results below, and it can be confirmed that the heat dissipation characteristics and the like are not largely changed in comparison with the sintered silicon carbide heat sink.
시험을 위하여 시판되는 탄화규소 방열판(대만 A사 제품)과 비교시험을 실시하였다.For the test, a comparative test was conducted with a commercially available silicon carbide heat sink (manufactured by Taiwan A Company).
탄화규소 미립 파우더 #400-mesh 이하 30 중량%, 탄화규소 조립 파우더 #250-mesh 70 중량%를 혼합한 혼합 분말 100 중량%를 기준으로 하여 PVA 205(쿠레라이) 1.5 중량%, TEG #400 0.5 중량%, PEG #2000 0.3 중량%, 소듐 실리케이트(40% 농도) 10 중량%를 물에 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 스프레이 드라이어로 건조하여 조립분을 제조하였다.1.5% by weight of PVA 205 (Kureai), and 0.5% by weight of TEG # 400 0.5 (based on 100% by weight of mixed powder of silicon carbide fine powder 30% by weight or less and silicon carbide- By weight, PEG # 2000 0.3% by weight, and sodium silicate (40% concentration) 10% by weight were added to water to prepare a mixture. The mixture was dried with a spray dryer to prepare granules.
조립분은 40*40*5t의 금형에 투입하고 800㎏f/㎠의 압력으로 가압하였다. 평탄도가 좋은 사가 플레이트에 알루미나 격분제를 소량 뿌리고 제품을 적층하였으며 각 제품 사이에도 소량의 격분제를 사용하여 제품간의 융착을 방지하였다. 성형된 탄화규소 방열판은 850℃에서 2시간 소성하였다.The granules were put into a mold of 40 * 40 * 5t and pressed at a pressure of 800 kgf / cm2. A small amount of alumina emulsifier was sprayed on a sagas plate having a good flatness and the product was laminated. Also, a small amount of emulsifier was used between the products to prevent fusion between the products. The molded silicon carbide heat sink was fired at 850 ° C for 2 hours.
비교에 사용된 시판되는 탄화수소 방열판은 일반적인 고온소성 조건인 1600℃에서 4시간 소성하여 제조된 것이다. The commercially available hydrocarbon heat sink used in the comparison was manufactured by baking at 1600 ° C for 4 hours under general high temperature baking conditions.
도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 방열판의 파단면을 관찰한 전자현미경 사진(a) 및 상기 관찰 부위의 에너지 분산형 분광 분석(EDS) 결과(b)이며, 도 2는 시판되는 방열판의 파단면을 관찰한 전자현미경 사진(a) 및 상기 관찰 부위의 에너지 분산형 분광 분석(EDS) 결과(b)이다.FIG. 1 is an electron microscope (a) of the heat dissipation plate manufactured according to the manufacturing method of the present invention and a result of energy dispersive spectroscopy (EDS) of the observed region (b) (A) and the result of energy dispersive spectroscopy (EDS) of the observed region (b).
도 1 및 2를 비교해보면, 소성온도가 상대적으로 낮음에도 불구하고 본 발명의 단열판의 소성 후 조밀도가 시판되는 방열판과 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 또한, EDS 분석 결과를 비교해 보아도 Si와 C의 원자%가 43.24:44.82로 거의 1:1에 가까워 결정성이 우수한 것으로 나타났다(도 1(b)). 이와는 달리, 시판되는 방열판의 EDS 분석 결과를 살펴보면, Si와 C의 원자%가 38.5:26.72로 차이가 나며 이는 소성 공정 중 C가 소실되기 때문인 것으로 생각된다. 이러한 결과는 결정 구조의 결함이 다수 존재하는 것을 시사하는 것으로 방열판의 장기적인 사용 시 성능 저하로 이어질 우려가 있는 결과이다.Comparing FIGS. 1 and 2, it can be seen that the densities after firing of the heat insulating plate of the present invention are not significantly different from those of commercially available heat sinks, although the firing temperature is relatively low. In addition, the results of the EDS analysis show that the atomic percentages of Si and C are 43.24: 44.82, which is close to 1: 1, indicating excellent crystallinity (Fig. 1 (b)). In contrast, the EDS analysis of commercially available heat sinks suggests that the atomic percentages of Si and C differ by 38.5: 26.72 because of the loss of C during the firing process. These results suggest that there are many crystal structure defects, which may lead to deterioration in performance when the heat sink is used for a long time.
두 개의 방열판에 대한 평가 결과를 표 1에 요약하였다.The evaluation results for the two heat sinks are summarized in Table 1.
밀도와 기공률은 아르키메데스법을 사용하여 JIS C2141 규격에 명시된 방법으로 측정하였다. Density and porosity were measured by the method specified in JIS C2141 using Archimedes' method.
강도는 인스트롱사의 만능테스트기를 사용하여 JIS R1601 규격으로 3점 곡강도를 측정하였다.The strength was measured using a universal testing machine manufactured by In-Strong Co., Ltd., and the three-point bending strength was measured according to JIS R1601 standard.
방열특성은 실제 사용되는 제품의 형상을 모사한 도 3에서와 같은 시험장치를 사용하였다. 이러한 시험장치를 통해 방열판 미설치시(도 3(a))를 reference로 하여 방열판 설치시(도 3(b))의 온도 변화를 측정함으로써 방열특성을 평가하였다. 또한, 상기 시험장치에서는 열원으로 실제 사용하는 CPU 대신 film heater를 사용하였다. 각 시간의 흐름에 따른 CPU(본 시험에서는 열원으로 film heater 사용)의 온도변화와 내부의 온도변화는 컴퓨터로 자동 기록되도록 프로그래밍하였다.The heat dissipation characteristics were measured using a test apparatus as shown in Fig. 3 in which the shapes of actual products were simulated. The heat dissipation characteristics were evaluated by measuring the temperature change at the time of installing the heat sink (FIG. 3 (b)) with reference to FIG. 3 (a) In the test apparatus, a film heater was used instead of a CPU used as a heat source. The temperature changes of the CPU (in this test, using a film heater as a heat source) and the internal temperature changes according to the flow of time are programmed to be automatically recorded by a computer.
표 1의 결과를 살펴보면, 일반적인 고온소성에 의해 제조된 방열판에 비하여 더 가벼우면서 강도는 약 150% 이상 향상된 값을 얻을 수 있었으며 방열특성에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.As shown in Table 1, the lighter than the conventional heat plate produced by the high temperature firing, the strength was improved by about 150%, and the heat radiation characteristics were not significantly different.
이는 도 4와 5의 본 발명에 따른 방열판과 시판되는 방열판의 열적 특성을 평가한 그래프로부터도 확인할 수 있는 것으로, 소성온도가 낮음에도 불구하고 전체적인 방열특성에서 크게 차이가 없는 결과를 얻었다.It can be seen from the graphs that the thermal characteristics of the heat sink according to the present invention shown in FIGS. 4 and 5 and the heat sinks on the market are evaluated, and the heat dissipation characteristics are not significantly different from each other even though the firing temperature is low.
이렇게 저온 소성된 본 발명의 세라믹 방열판은 종래의 금속계 및 금속-세라믹 복합재료에 비하여 우수한 특성이 있다. 종래의 재료들은 치밀하여 방열을 하기 위한 비표면적이 좁은데 비하여 이와 같이 대기로에서 소성된 탄화규소 방열판은 자체기공에 의해서 매우 넓은 방열면적을 가진다. 즉, Al2O3(알루미나질)나 기타 열전도도가 높은 무기재료들은 소성 시에 확산, 증발 및 응축 등에 의하여 치밀화가 진행되지만, 본 발명에서 사용된 규산염을 함유한 탄화규소 방열판은 대기 분위기에서 산화되어 SiO2가 형성되며 이 SiO2는 소성시에 탄화규소를 치밀화 할 정도로 온도가 높지 않으며 서로 결합되어 충분한 강도를 발현한다. 이렇게 소성시 치밀화 되지 않으면 표면에서 넓은 비표면적을 갖게 되므로 방열 메커니즘의 대류(convection)와 복사(radiation)에서 큰 이점을 나타낸다.The low heat-fired ceramic heat sink of the present invention is superior to conventional metal-based and metal-ceramic composite materials. Conventional materials are dense and have a small specific surface area for heat dissipation, whereas the silicon carbide heat sinks thus baked in the atmosphere have a very large heat dissipation area due to their own pores. In other words, Al 2 O 3 (alumina) or other inorganic materials having high thermal conductivity are densified by diffusion, evaporation and condensation at the time of firing, but the silicate-containing silicon carbide heat sink used in the present invention is not is oxidized to form an SiO 2 and the SiO 2 is not a high enough temperature to densify the silicon carbide during sintering are coupled to each other exhibits a sufficient strength. If this is not densified during firing, it will have a large specific surface area at the surface, which is a great advantage in the convection and radiation of the heat dissipation mechanism.
또한, 본 발명은 탄화규소 방열판의 제조방법으로 저가의 규산염을 사용함으로써 소성온도가 낮고 제품의 변형과 치수변화가 거의 없어 기판의 평탄도를 유지하기 위한 별도의 기계가공이 필요 없으므로 원가절감차원에서도 매우 효과적인 제조방법이다.In addition, since the present invention uses a low-priced silicate as a manufacturing method of a silicon carbide heat sink, since the sintering temperature is low and the product is not deformed or dimensionally changed, a separate machining is required to maintain the flatness of the substrate. It is a very effective manufacturing method.
본 발명에 따른 방열판은 디스플레이 제품의 IC 회로나 인버터, 셋톱박스의 CPU, 칩셋 및 PCB, 노트북의 CPU, 칩셋 및 LED 어레이, 조명 및 자동차용의 고출력 LED, 기타 전자부품 및 고발열 부품들의 냉각 부재 등으로 활용될 수 있다. The heat sink according to the present invention can be used for a display device such as an IC circuit or an inverter, a CPU of a set-top box, a chipset and a PCB, a CPU of a notebook computer, a chipset and an LED array, a high output LED for lighting and automobiles, .
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiment, but is capable of many modifications and variations within the scope of the appended claims. It is self-evident.
Claims (6)
상기 혼합물을 건조하여 조립분을 제조하는 단계;
성형 공정을 통해 상기 조립분으로부터 방열판을 제조하는 단계;
를 포함하며,
상기 결합제는 폴리비닐알코올(PVA), 메틸 셀룰로오스(MC) 중 어느 하나 또는 그 이상의 수지 및 소듐 실리케이트, 리튬 실리케이트, 바륨 실리케이트, 스트론튬 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 중 어느 하나의 규산염의 혼합물이며,
상기 방열판을 제조하는 단계는 700 내지 1100℃에서 소성함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 방열판의 제조방법.
Mixing a silicon carbide (SiC) powder and a binder to prepare a mixture;
Drying the mixture to prepare granules;
Fabricating a heat sink from the assembly through a molding process;
/ RTI >
The binder is a mixture of any one or more of polyvinyl alcohol (PVA), methyl cellulose (MC) and a silicate of any one of sodium silicate, lithium silicate, barium silicate, strontium silicate, calcium silicate and magnesium silicate,
Wherein the step of preparing the heat sink is performed by firing at 700 to 1100 ° C.
상기 탄화규소 분말은 400 메쉬 이하의 분말 및 250 메쉬 이하의 분말을 혼합한 혼합 분말인 것을 특징으로 하는 탄화규소 방열판의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon carbide powder is a mixed powder obtained by mixing powders of 400 mesh or less and powders of 250 mesh or less.
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