KR102064158B1 - Heat sink plate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재로, 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일 내지 유사한 열팽창계수를 가지면서, 동시에 고출력 소자에서 발생하는 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 높은 열전도도를 얻을 수 있는 방열판재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방열판재는, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로, 상기 방열판재의 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고, 상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질을 포함하는 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.The present invention is a heat dissipation plate material that can be suitably used for the packaging of high-power semiconductor devices using a compound semiconductor, even if bonded with a ceramic material such as alumina (Al 2 O 3 ), the thermal expansion coefficient of the same or similar to the ceramic material to enable good bonding At the same time, the present invention relates to a heat dissipation plate that can obtain a high thermal conductivity capable of quickly discharging a large amount of heat generated from a high output device to the outside.
The heat dissipation plate material according to the present invention is a heat dissipation plate material having a structure in which two or more kinds of materials are laminated, and includes a core layer and a cover layer covering the core layer up and down in the thickness direction of the heat dissipation plate material. The cover layer is made of a material containing copper, and the core layer is formed of a matrix composed of a composite structure containing a material containing copper and carbon, and in the base, an alloy layer containing Cu and Mo is disposed in a lattice shape. It is characterized by that.
Description
본 발명은 방열판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재로, 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일 내지 유사한 열팽창계수를 가지면서, 동시에 고출력 소자에서 발생하는 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 높은 열전도도를 얻을 수 있는 방열판재에 관한 것이다.The present invention relates to a heat dissipation plate material, and more particularly, a heat dissipation plate material that can be suitably used for the packaging of high-power semiconductor devices using a compound semiconductor, even if the bonding with a ceramic material such as alumina (Al 2 O 3 ) is good The present invention relates to a heat dissipation plate material having the same or similar thermal expansion coefficient as that of a ceramic material and at the same time obtaining a high thermal conductivity capable of quickly discharging a large amount of heat generated from a high output device to the outside.
최근 정보통신 및 국방분야의 핵심기술로서 GaN형 화합물 반도체를 이용한 고출력 증폭소자가 주목을 받고 있다.Recently, high-power amplifiers using GaN-type compound semiconductors have attracted attention as core technologies in the fields of information communication and defense.
이러한 고출력 전자소자나 광소자에서는 일반 소자에 비해 많은 열이 발생하고 이와 같이 발생한 다량의 열을 효율적으로 배출할 수 있는 패키징 기술이 필요하다.In the high power electronic device or optical device, a lot of heat is generated in comparison with a general device, and a packaging technology that can efficiently discharge a large amount of heat generated in this way is required.
현재, GaN형 화합물 반도체를 활용한 고출력 반도체 소자에는, W/Cu의 2층 복합소재, Cu와 Mo의 2상(phase) 복합소재, Cu/Cu-Mo합금/Cu의 3층 복합소재, Cu/Mo/Cu/Mo/Cu의 다층 복합소재와 같이 비교적 양호한 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 금속기 복합판재가 사용되고 있다.Currently, high output semiconductor devices utilizing GaN-type compound semiconductors include W / Cu two-layer composite materials, Cu and Mo two-phase composite materials, Cu / Cu-Mo alloy / Cu three-layer composite materials, and Cu. Metal-based composite plates having relatively good thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion have been used, such as multi-layer composite materials of / Mo / Cu / Mo / Cu.
그런데 이들 복합판재의 두께방향으로의 열전도도는 최대 250W/mK 정도이고, 실제로 그 이상의 높은 열전도도를 구현하지 못하므로, 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 소자에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.However, the thermal conductivity in the thickness direction of these composite plates is about 250W / mK at maximum, and since the thermal conductivity is not realized at higher levels, it is difficult to apply to devices such as hundreds of watt power transistors.
한편, 반도체 소자를 제조하는 공정에는 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 소재와의 브레이징 접합 공정이 필수적이다.Meanwhile, a brazing bonding process with a ceramic material such as alumina (Al 2 O 3 ) is essential in the process of manufacturing a semiconductor device.
이와 같은 브레이징 접합 공정은 약 800℃ 이상의 고온에서 이루어지기 때문에, 상기 금속 복합체 기판과 세라믹 소재 간의 열팽창계수의 차이에 의해, 브레이징 접합 과정에서 휨이나 파손이 발생하며, 이와 같은 휨이나 파손은 소자의 불량을 유발한다. Since the brazing joining process is performed at a high temperature of about 800 ° C. or more, warpage or breakage occurs during the brazing joining process due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal composite substrate and the ceramic material. Cause badness.
더욱이, 최근에는 높은 출력구현과 제조시 생산 효율성을 높이기 위하여 하나의 방열판재에 여러 개의 칩을 실장하여 패키지의 길이가 길어지고 있다. 이와 같이 패키지의 길이가 길어질 경우 방열판재의 길이도 길어지게 되어 하나의 칩을 실장할 때 문제가 없던 방열판재와 반도체 소자 간의 열팽창계수의 차이도, 실장되는 반도체 소자의 수가 증가할 경우 문제가 되므로, 여러 개의 칩을 실장하는데 사용되는 방열판재의 경우 세라믹소재의 열팽창계수의 유사성이 더욱 중요한 요소로 부각되고 있어, 세라믹 소재의 열팽창계수와 유사하면서도 방열특성이 우수한 방열판재의 개발이 시급하다.Moreover, in recent years, in order to realize high output and increase production efficiency during manufacturing, the package length is increased by mounting several chips on one heat sink. As the length of the package increases, the length of the heat sink is also increased, and the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the semiconductor device, which is not a problem when mounting one chip, also becomes a problem when the number of semiconductor devices to be mounted increases. In the case of heat sink plate used to mount several chips, the similarity of the thermal expansion coefficient of the ceramic material is highlighted as an important factor, it is urgent to develop a heat sink plate similar to the thermal expansion coefficient of the ceramic material, but excellent heat dissipation characteristics.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 판재의 면 방향(가로 및/또는 세로 방향)으로 9.0×10-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가져, 세라믹 재료(특히 알루미나)와의 접합 시 열 변형량의 차이에 의한 휨이나 파손이 발생하지 않을 뿐 아니라, 판재의 두께 방향으로 350W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있어, 특히 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 고출력 소자의 칩을 여러 개를 실장하는 용도에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재를 제공하는 것을 과제로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and has a low coefficient of thermal expansion of 9.0 × 10 −6 / K or less in the plane direction (horizontal and / or longitudinal direction) of a sheet material, and thus, with a ceramic material (especially alumina). Not only does bending and breakage occur due to the difference in thermal deformation during joining, but also high thermal conductivity of 350W / mK or more can be realized in the thickness direction of the plate, so that many chips of high-power devices such as hundreds of watt power transistors An object of the present invention is to provide a heat sink material that can be suitably used for mounting applications.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로, 상기 방열판재의 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고, 상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있는 방열판재를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is a heat dissipation plate material having a structure in which two or more kinds of materials are laminated, including a core layer and a cover layer covering the core layer in the thickness direction of the heat dissipation plate material. The cover layer is made of a material containing copper, and the core layer is formed of a complex structure of a material containing copper and carbon, and an alloy layer containing Cu and Mo is lattice in the base. Provided is a heat sink plate disposed.
본 발명에 따른 방열 판재는 판재의 두께 방향으로의 열전도도가 350W/mK 이상, 바람직한 실시형태에 의하면 열전도도가 400W/mK 이상이기 때문에, 고출력 소자에 적합하게 사용될 수 있다.Since the heat conductivity in the thickness direction of a board | plate material is 350 W / mK or more, According to a preferable embodiment, since the heat conductivity is 400 W / mK or more, it can be used suitably for a high output element.
또한, 본 발명에 따른 방열 판재는 면 방향(가로 또는 세로) 방향으로의 열팽창계수가 8.0×10-6/K ~ 9.0×10-6/K로 방열판재와 브레이징 접합되는 세라믹 물질로 이루어진 고출력 소자와의 열팽창계수의 차이가 크지 않아, 2 이상의 소자를 패키지하기 위해 브레이징 공정을 수행하는 과정에 휨이나 박리 또는 세라믹의 파손을 방지할 수 있다.In addition, the heat dissipation plate material according to the present invention is a high-output device made of a ceramic material brazed and bonded to the heat dissipation plate material with a thermal expansion coefficient of 8.0 × 10 −6 / K to 9.0 × 10 −6 / K in the plane direction (horizontal or vertical) direction Since the difference in the coefficient of thermal expansion is not large, it is possible to prevent bending or peeling or breakage of the ceramic during the brazing process for packaging two or more devices.
도 1은, 본 발명에 따른 방열 판재의 구조와, 본 발명에서 규정하는 두께방향과 면 방향(길이 및 폭)을 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재의 전체 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 평면 이미지이다.
도 5는 도 4의 이미지를 확대한 것으로, Cu-Mo로 이루어진 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자가 한 방향으로 배향된 상태를 보인다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 단면 이미지이다.
도 7은 도 6의 이미지를 확대한 것으로, Cu-Mo로 이루어진 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자가 두께 방향으로 배향된 상태를 보인다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재의 가로 방향 열팽창계수 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재의 세로 방향 열팽창계수 측정 결과를 나타낸 것이다.1 shows the structure of the heat dissipation plate member according to the present invention, and the thickness direction and the surface direction (length and width) specified in the present invention.
2 shows the overall structure of a heat radiation plate according to a preferred embodiment of the present invention.
3 shows the structure of the core layer constituting the heat dissipation plate material according to the preferred embodiment of the present invention.
4 is a planar image of a core layer constituting a heat dissipation plate material according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged view of the image of FIG. 4 and shows a state in which graphite particles constituting a composite structure in a lattice made of Cu-Mo are oriented in one direction.
6 is a cross-sectional image of a core layer constituting a heat dissipation plate material according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged view of the image of FIG. 6 and shows a state in which graphite particles constituting a composite structure in a grating made of Cu-Mo are oriented in the thickness direction.
Fig. 8 shows the measurement results of the lateral thermal expansion coefficient of the heat dissipation plate according to the preferred embodiment of the present invention.
9 shows the longitudinal thermal expansion coefficient measurement results of the heat radiation plate according to the preferred embodiment of the present invention.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms, the scope of the present invention is not limited to the embodiments described in the following. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
본 발명자는 판재의 면 방향(판재의 길이 및 폭 방향)으로 9.0×10-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가질 뿐 아니라, 판재의 두께 방향으로 350W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있는 방열판재를 구현하기 위하여 연구한 결과, 다음과 같은 구조를 갖는 방열판재를 통해 상기한 장축방향 열팽창계수와 판재의 두께방향의 열전도도를 구현할 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.The present inventor not only has a low coefficient of thermal expansion of 9.0 × 10 −6 / K or less in the plane direction (length and width direction of the plate), but also a heat sink capable of realizing high thermal conductivity of 350W / mK or more in the thickness direction of the plate. As a result of the study to realize the ash, it was found that the heat conduction plate having the following structure can realize the above-described long-term thermal expansion coefficient and the thermal conductivity in the thickness direction of the plate and reached the present invention.
도 1은, 본 발명에 따른 방열 판재의 구조와, 본 발명에서 규정하는 두께방향과 면 방향(길이 및 폭)을 나타내는 것이다. 길이 방향은 상대적으로 길이가 긴 장축방향이고, 폭 방향은 길이방향에 대해 수직한 방향을 의미하며, 길이방향과 폭방향의 길이가 동일할 경우, 2중 하나의 방향을 길이방향으로 하고 나머지 방향을 폭 방향으로 정의한다.1 shows the structure of the heat dissipation plate member according to the present invention, and the thickness direction and the surface direction (length and width) specified in the present invention. The longitudinal direction is a relatively long longitudinal direction, and the width direction means a direction perpendicular to the longitudinal direction. When the length direction and the width direction have the same length, one of the two directions is the longitudinal direction and the other direction is the same. Define in the width direction.
본 발명에 따른 방열판재는, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 가지며, 그 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고, 상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.The heat sink member according to the present invention has a structure in which two or more kinds of materials are laminated, and includes a core layer and a cover layer covering the core layer up and down in the thickness direction thereof, wherein the cover layer is formed of copper. It is made of a material comprising, the core layer is characterized in that the base consisting of a composite structure of a material containing copper and carbon, and in the base, an alloy layer containing Cu and Mo in a lattice shape.
이와 같이 본 발명에서는 커버층을 구리를 주성분으로 하는 물질을 사용하고, 코어층을 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 함과 동시에, 상기 복합조직 내에 격자 형태로 배치된 Cu와 Mo를 포함하는 합금층을 배치함으로써, 커버층과 코어층의 내박리성을 높이고, 동시에 두께방향으로 현재 사용되고 있는 방열판재에서는 구현할 수 없는 높은 열전도도와 함께 면 방향(길이 및 폭방향)의 열팽창계수를 세라믹 재료와 유사하게 맞출 수 있도록 한다. 또한, 본 발명에 따른 방열판재의 소재 및 구조는 방열판재에 2개 이상의 소자가 접합되더라도 열변형량의 차이를 최소화할 수 있어, 박리 또는 세라믹의 파손을 막을 수 있게 된다.As described above, in the present invention, the cover layer is made of a copper-based material, and the core layer is made of a composite structure of a material containing copper and carbon, and includes Cu and Mo arranged in a lattice form in the composite structure. By arranging the alloy layer to improve the peeling resistance of the cover layer and the core layer, and at the same time the thermal expansion coefficient in the surface direction (length and width direction) with the high thermal conductivity that can not be realized in the heat sink material currently used in the thickness direction ceramic material Make it similar to In addition, the material and structure of the heat dissipation plate according to the present invention can minimize the difference in the amount of heat deformation even if two or more elements are bonded to the heat dissipation plate, it is possible to prevent peeling or breakage of the ceramic.
또한, 상기 방열판재에 있어서, 상기 복합조직은 구리와 판상의 흑연 물질로 이루어지며, 상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향을 따라 평행하게 배향되어 있고, 동시에 상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향에 수직한 면 방향 중 일 방향(즉, 길이방향 또는 폭방향)을 따라 평행하게 배향되어 있을 수 있다. 상기 판상의 흑연 물질의 형상은 판상 형상은 물론, 플레이크(flake)상, 비늘상과 같은 형상의 분말을 포함하는 것을 의미한다.In the heat dissipation plate member, the composite structure may be formed of copper and a plate-like graphite material, and the plate-like graphite material is oriented in parallel along the thickness direction of the heat dissipation plate material. It may be oriented parallel in one of the plane directions perpendicular to the thickness direction of the ash (ie, the longitudinal direction or the width direction). The shape of the plate-like graphite material is meant to include a plate-like, flake, scale-like powder.
또한, 본 발명에 있어서, '두께 방향 또는 면 방향 중 일 방향으로 평행하게 배향된 조직'이란, 당해 방향과 판상 입자가 구성하는 내각이 45°미만인 입자가 복합조직의 면적분율로 50%를 초과한 조직을 의미하며, 45°미만인 입자가 복합조직의 면적분율로 70% 이상인 것이 바람직하다.In addition, in this invention, the "structure which was oriented in parallel in one direction of a thickness direction or a surface direction" means that the particle | grains whose 45 degrees of internal angles which the said direction and plate-shaped particle comprise comprise exceed more than 50% by the area fraction of a composite structure. It is preferred that particles of less than 45 ° mean more than 70% of the area of the composite tissue.
이러한 구조를 통해 두께 방향의 열전도도를 높임과 동시에 면 방향으로의 열팽창계수를 낮게 유지할 수 있다.Through this structure, the thermal expansion coefficient in the plane direction can be kept low while increasing the thermal conductivity in the thickness direction.
또한, 상기 방열판재에 있어서, 상기 커버층은 구리 또는 구리합금으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예로서 상기 커버층은 Cu 함량이 99중량% 이상인 순 Cu로 이루어질 수 있다.In addition, in the heat dissipation plate material, the cover layer may be made of copper or a copper alloy, and as a preferred example, the cover layer may be made of pure Cu having a Cu content of 99% by weight or more.
또한, 상기 방열판재에 있어서, 상기 합금층은 Cu-Mo 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 바람직한 예로서 상기 Cu-Mo 합금은 Cu 30~60중량%, Mo 40~70중량%를 포함할 수 있는데, 이는 Cu 함량이 30중량% 미만이면 열팽창계수가 7×10-6/K 이하로 너무 작아서 세라믹과 브레이징 접합시 세라믹 방향으로 휘는 현상이 발생하고, 60중량% 초과이면 열팽창계수가 9×10-6/K 이상으로 너무 커서 세라믹과 반대방향으로 휘는 현상이 발생하고, Mo 함량이 40중량% 미만이면 열팽창계수가 9×10-6/K 이상으로 너무 커서 세라믹과 반대방향으로 휘는 현상이 발생하고, 70중량% 초과이면 열팽창계수가 7×10-6/K 이하로 너무 작아서 브레이징 접합시 세라믹 방향으로 휘는 현상이 발생하기 때문이다.In addition, in the heat sink plate, the alloy layer may be made of a Cu-Mo alloy. Further, as a preferred example, the Cu-Mo alloy may include 30 to 60% by weight of Cu and 40 to 70% by weight of Mo, which has a thermal expansion coefficient of 7 × 10 −6 / K or less when the Cu content is less than 30% by weight. It is too small to bend in the ceramic direction when brazing the ceramic, and if it exceeds 60% by weight, the thermal expansion coefficient is more than 9 × 10 -6 / K, which is too big to bend in the opposite direction to the ceramic. If it is less than 40% by weight, the coefficient of thermal expansion is too high at 9 × 10 -6 / K or more, and warpage occurs in the opposite direction to the ceramic. If it is more than 70% by weight, the coefficient of thermal expansion is too small at 7 × 10 -6 / K or less and brazing. This is because bending occurs in the ceramic direction during bonding.
상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 커버층의 두께는 전체 두께의 5% 미만일 경우 열팽창계수가 너무 낮아 휨이 발생하거나 방열특성이 떨어질 수 있고, 40% 초과일 경우 열팽창계수가 너무 커서 반대방향으로의 휨이 발생할 수 있으므로, 5~40%인 것이 바람직하고, 상,하층의 두께는 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.In the thickness direction of the heat dissipation plate material, the thickness of the cover layer is less than 5% of the total thickness of the thermal expansion coefficient is too low may cause warpage or heat dissipation characteristics, if more than 40% thermal expansion coefficient is too large in the opposite direction Since warpage may occur, the thickness is preferably 5 to 40%, and the thickness of the upper and lower layers is preferably substantially the same.
[실시예]EXAMPLE
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열판재의 전체 구조를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열판재를 구성하는 코어층의 구조를 나타낸 것이다.FIG. 2 shows the overall structure of the heat sink plate according to the preferred embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the structure of the core layer constituting the heat sink plate material according to the preferred embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열판재는 Cu 커버층의 내부에 코어층이 배치된 구조로 이루어진다.As shown in FIG. 2, the heat dissipation plate material according to a preferred embodiment of the present invention has a structure in which a core layer is disposed in a Cu cover layer.
상기 코어층은 도 3에 도시된 바와 같이, Cu와 흑연으로 이루어진 복합재로 이루어진 기지에, 상면에서 볼 때, Cu-Mo 합금층이 길이(x 방향) 및 폭(y 방향) 방향으로 격자상으로 배치되어 있으며, 이 Cu-Mo 합금층은 코어층 기지의 두께방향을 연장하여 하면에서 볼 때도 동일한 격자상의 형태를 이룬다.As shown in FIG. 3, the core layer is formed of a composite made of Cu and graphite, and when viewed from above, the Cu-Mo alloy layer is lattice in the length (x direction) and width (y direction) directions. This Cu-Mo alloy layer extends the thickness direction of a core layer matrix, and forms the same lattice form also when seen from a lower surface.
이러한 Cu-Mo 합금층의 배치는 x 방향 및 y 방향으로의 열팽창계수를 낮춤과 동시에 두께 방향으로의 열전도도를 최대한 유지할 수 있도록 하며, 동시에 Cu로 이루어진 커버층과의 접합시, Cu-Mo 합금층과의 접합 면적을 최소화하여 층간의 박리를 막는데도 기여한다.The arrangement of the Cu-Mo alloy layer is such that the thermal expansion coefficient in the x direction and the y direction can be lowered, and the thermal conductivity in the thickness direction can be maintained as much as possible. At the same time, the Cu-Mo alloy is bonded to the cover layer made of Cu. It also contributes to preventing the delamination between layers by minimizing the junction area with the layers.
또한, 도 3의 적색 점선으로 표시된 Cu-Mo 격자로 구분되는 단위 기지 조직은 그 아래의 확대도에 나타난 바와 같이, Cu와 판상의 흑연재의 복합재로 이루어지며, 판상의 흑연재는 두께 방향에 대략 평행하게 배향됨과 동시에 y 방향에 대해서도 평행하게 배향된 것을 특징으로 한다. 이러한 구조를 통해, 두께 방향으로의 열전도도를 최대화할 수 있으며, 동시에 면방향으로의 열팽창을 억제할 수 있게 된다.In addition, the unit matrix structure divided by the Cu-Mo lattice indicated by the dotted red line in FIG. 3 is composed of a composite material of Cu and plate-like graphite material, as shown in the enlarged view below, and the plate-like graphite material is in the thickness direction. And substantially parallel to the y direction. Through this structure, the thermal conductivity in the thickness direction can be maximized, and at the same time, thermal expansion in the plane direction can be suppressed.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 평면(상면) 이미지이다. 도 4에서 밝은 회색의 격자 형태로 이루어진 부분이 Co-Mo 합금(Co: 45중량%, Mo: 55중량%) 부분이고 상대적으로 검은 부분이 Cu와 비늘상으로 이루어진 흑연 입자와의 복합조직 부분이다. 도 5에서 확인되는 바와 같이, Cu-Mo 합금 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자들은 격자의 한 방향으로 배향된 상태를 보인다.4 is a planar (top) image of the core layer constituting the heat dissipation plate material according to the preferred embodiment of the present invention. In FIG. 4, the light gray lattice is a portion of the Co-Mo alloy (Co: 45% by weight, Mo: 55% by weight), and the relatively black portion is a composite structure of graphite and graphite particles composed of scales. . As shown in FIG. 5, graphite particles constituting the composite structure in the Cu—Mo alloy lattice show a state oriented in one direction of the lattice.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 단면 이미지로, 두께 방향을 따라 등 간격으로 배치된 Cu-Mo(가장 밝은 회색)로 이루어진 격자를 보인다. 또한, 코어의 상,하면에는 Cu로 이루어진 커버층이 보인다.6 is a cross-sectional image of the core layer constituting the heat dissipation plate material according to the preferred embodiment of the present invention, showing a lattice composed of Cu-Mo (lightest gray) arranged at equal intervals along the thickness direction. In addition, upper and lower surfaces of the core show a cover layer made of Cu.
도 7은 도 6의 이미지를 확대한 것으로, Cu-Mo로 이루어진 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자가 두께 방향으로 배향된 상태를 보인다.FIG. 7 is an enlarged view of the image of FIG. 6 and shows a state in which graphite particles constituting a composite structure in a lattice made of Cu—Mo are oriented in the thickness direction.
도 8, 도 9 및 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열판재와, 이 방열판재와 비교예 1(구리(Cu)/구리-몰리브덴 합금(Cu-Mo)/구리(Cu)의 구조를 가지며, 두께 방향의 길이의 비율이 Cu 40%, Cu-Mo 20%, Cu 40%로 이루어지며, 전체 두께는 본 발명의 실시예와 동일함) 및 본 발명의 방열판재와 동일한 치수의 순 구리로 제조한 판재의 열전도도와 열팽창계수를 비교한 것이다.8, 9 and Table 1 show a heat sink according to a preferred embodiment of the present invention, the heat sink and the comparative example 1 (copper (Cu) / copper- molybdenum alloy (Cu-Mo) / copper (Cu) structure) The ratio of the length in the thickness direction is made of Cu 40%, Cu-Mo 20%, Cu 40%, the total thickness is the same as the embodiment of the present invention) and the order of the same dimensions as the heat sink of the present invention The thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the plate made of copper are compared.
열전도도(W/mK)Thickness direction
Thermal Conductivity (W / mK)
800℃ 열팽창계수
(×10-6/K)Length (x) direction
800 ℃ thermal expansion coefficient
(× 10 -6 / K)
800℃ 열팽창계수
(×10-6/K)Width (y) direction
800 ℃ thermal expansion coefficient
(× 10 -6 / K)
Example
Comparative Example 1
(구리 판재)Comparative Example 2
(Copper board)
표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열판재의 열팽창계수는 면 방향(길이 및 폭)에 있어서, 8.1×10-6/K ~ 8.8×10-6/K의 열팽창계수를 나타내어 고출력 반도체 소자를 구성하는 세라믹 물질과의 열팽창계수와의 차이가 거의 없어 2 이상의 소자를 실장할 때 휨이나 박리의 문제가 발생하지 않는다.As confirmed in Table 1, the thermal expansion coefficient of the heat sink plate according to the embodiment of the present invention exhibits a thermal expansion coefficient of 8.1 × 10 −6 / K to 8.8 × 10 −6 / K in the plane direction (length and width) There is almost no difference in coefficient of thermal expansion from the ceramic material constituting the high output semiconductor device, and thus no problem of warping or peeling occurs when mounting two or more devices.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방열판재의 두께 방향의 열전도도는 400W/mK수준인데, 이는 기존의 비교예 1 판재는 물론, 구리로만 이루어진 판재(비교예 2)에 비해서도 우수할 뿐 아니라, 면방향으로 9×10-6/K 이하의 열팽창계수를 구현할 수 있는 어떠한 방열판재에 비해서도 현저하게 향상된 열전도성을 가진다.In addition, the thermal conductivity in the thickness direction of the heat sink according to an embodiment of the present invention is 400W / mK level, which is not only superior to the conventional Comparative Example 1 plate material, but also made of copper plate (Comparative Example 2), the surface It has significantly improved thermal conductivity compared to any heat sink material capable of realizing a coefficient of thermal expansion of 9 × 10 −6 / K or less in the direction.
Claims (7)
상기 방열판재의 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고,
상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며,
상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있고,
상기 복합조직은 구리와 판상의 흑연 물질로 이루어지며,
상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향을 따라 평행하게 배향되어 있고, 동시에 상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향에 수직한 면 방향 중 일 방향을 따라 평행하게 배향되어 있는 방열판재.A heat sink having a structure in which two or more materials are laminated,
It comprises a core layer in the thickness direction of the heat sink, and a cover layer for covering the core layer up and down,
The cover layer is made of a material containing copper,
The core layer is formed of a matrix composed of a composite structure of a material containing copper and carbon, and an alloy layer containing Cu and Mo is disposed in a lattice shape in the matrix,
The composite structure is made of copper and plate-like graphite material,
And the plate-like graphite material is oriented in parallel along the thickness direction of the heat sink, and at the same time, the plate-like graphite material is oriented in parallel in one direction of the plane direction perpendicular to the thickness direction of the heat sink.
상기 커버층은 구리 또는 구리합금으로 이루어진 방열판재.The method of claim 1,
The cover layer is a heat sink plate made of copper or copper alloy.
상기 합금층은 Cu-Mo 합금인 방열판재.The method of claim 1,
The alloy layer is a heat sink plate Cu-Mo alloy.
상기 합금층은 Cu 30~60중량%, Mo 40~70중량%를 포함하는 방열판재.The method of claim 4, wherein
The alloy layer is a heat sink containing 30 to 60% by weight of Cu, 40 to 70% by weight of Mo.
상기 방열판재는 판재의 두께 방향으로의 열전도도가 350W/mK 이상이고,
길이 및 폭 방향의 열팽창계수가 8.0×10-6/K ~ 9.0×10-6/K인 방열판재.The method according to any one of claims 1 and 3 to 5,
The heat sink is a thermal conductivity of 350W / mK or more in the thickness direction of the plate,
Heat-sink plate with a coefficient of thermal expansion in the length and width directions of 8.0 × 10 -6 / K to 9.0 × 10 -6 / K.
상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 커버층의 두께는 전체 두께의 5 ~ 40%인 방열판재.The method according to any one of claims 1 and 3 to 5,
In the thickness direction of the heat sink material, the thickness of the cover layer is 5 to 40% of the total thickness heat sink material.
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