KR102382407B1 - 전기 회로 장치의 방열 구조 - Google Patents

전기 회로 장치의 방열 구조 Download PDF

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Abstract

양산성이 우수하고, 높은 방열성을 가지는 전기 회로 장치의 방열 구조를 제공한다. 전기 회로 장치의 외부로 노출하는 방열판과, 전열 부재와, 냉각기가 적층 구조를 이루도록 배치되어 포함되는 전기 회로 장치의 방열 구조로써, 상기 전열 부재가 세라믹 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루는 소결체에 수지 조성물이 함침되어 있는 세라믹 수지 복합체이고, 또한 상기 방열판 및 상기 냉각기 중 적어도 일방과 직접 접촉하여 적층하도록 배치된다.

Description

전기 회로 장치의 방열 구조
본 발명은 전기 회로 장치의 방열 구조에 관한 것이다.
예를 들면, 파워 MOSFET, 절연 게이트형 양극성 트랜지스터(이후, IGBT라고 표기한다) 등으로 대표되는 파워 반도체 소자를 세라믹 기판상에 배치하여 결선(結線)하고, 다시 그것들을 밀봉재로 정리하여 1개의 패키지에 포함시킨, 일반적으로 파워 모듈로 불리는 전기 회로 장치가 알려져 있다. 그러한 전기 회로 장치는 예를 들면 전력 제어용이고, 예를 들면 차량 추진 모터의 제어에 사용되는 전기 부품으로 많이 이용되고 있다. 파워 반도체 소자는 대전력을 취급하기 때문에 대표적인 발열 소자이기도 하고, 그렇기 때문에 파워 모듈의 방열 구조(그 밖에 냉각 구조, 실장 구조 등과 같은 경우도 있다)에 대해서는 다양하게 궁리되어 왔다.
비교적 간단한 파워 모듈은 파워 소자의 이면측으로부터 열이 내보내어지는 방열 구조를 가지고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 파워 모듈의 이면에 설치된 방열판에 전열 부재인 방열 그리스(열전도성 윤활유 등이라고도 한다), 예를 들면, 실리콘 그리스를 통해서 예를 들면, 알루미늄제 냉각기를 나사로 고정한 파워 모듈의 방열 구조가 나타나 있다.
또한, 파워 모듈의 소형화와 대(大)전력화에 대응하여 방열 면적을 증가시키기 위해서 발열 소자의 양면에 외부로 노출된 방열판을 설치하고, 방열 그리스나 겔 전열재를 통해서 전기적으로 절연성의 전열 부재(절연판)와 냉각기를 설치하며, 추가로 방열판에 충분히 열적으로 밀착되도록 그것들을 최적의 압력으로 압축시키도록 배려된 방열 구조가 특허문헌 2에 나타나 있다. 또한, 발열 소자의 방열판과 냉각기 사이에 개재하는 상기 전열 부재에는 그 자체에도 높은 열전도성이 요구되지만, 전열 부재는 동시에 방열판과 냉각기를 전기적으로 절연하는 구성을 가지는 부재이기도 하다. 그 때문에, 발열 소자의 방열판과 냉각기의 밀착성을 높이기 위해서 이용하는 방열 그리스가 전기적 절연성을 가지지 않는 경우에는 전기적인 절연 소재를 따로 이용해서 전열 부재를 구성할 필요가 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, 방열 구조의 방열 특성 개선의 기준으로 열 저항치가 0.24K/W 이하인 점을 들고 있다.
또한, 종래의 방열 부재를 개량한 파워 모듈의 방열 구조의 발명의 예로써, 발열 소자의 방열판과 냉각기 사이로 열전도 시키는 방향, 즉 방열면에 수직인 방향을 따르도록 카본 나노 튜브와 탄소섬유를 나란히 배치한 사상(수염 모양)체의 층을 마련한 방열 구조 발명이 특허문헌 3에 나타나 있다. 다만, 이 방열 구조는 상기 사상체층의 구조가 섬세하기 때문에 적정한 양산의 면에서 새로운 과제로 되고 있었다.
또한, 전열 부재로서는 종래 세라믹이 전기 절연성과 열전도성의 양면으로부터 바람직하게 이용되어 왔지만, 이것들은 강직하고 표면도 단단해서 피접촉면과의 밀착성이 뒤떨어지기 때문에, 예를 들면, 방열판이나 냉각기와의 사이에 단지 세라믹의 전열 부재를 배치한 것만으로는, 그 계면이 밀착하듯이 양자를 압축하도록 압력을 가했다고 해도 그 계면에는 공기층이 형성되어 열전도성이 방해를 받을 수 있기 때문에, 상기 공기층을 메우기 위한 방열 그리스층을 계면에 마련할 필요가 있었다. 즉, 종래의 방열 구조에서는 방열판과 전열 부재와의 계면, 및 전열 부재와 냉각기와의 계면 양쪽 모두에 방열 그리스층을 마련할 필요가 있었다. 방열 구조에 방열 그리스층을 마련함으로써 국소적인 열전도율의 개선은 꾀할 수 있지만, 상기 방열 그리스 자체의 열전도율은 일반적으로 전열 부재보다 낮고, 또 그것을 2층 마련할 필요가 있기 때문에, 방열 그리스층의 두께를 가능한 한 얇게 했다고 해도, 방열 구조 전체로서의 열전도율 개선의 여지가 여전히 남아 있었다. 또, 방열 그리스층을 마련하는 공정도 별도 필요하게 되었다.
[선행 기술 문헌]
[특허문헌]
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2003-168772호
특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2005-150420호
특허문헌 3: 일본 공개특허공보 2010-192717호
본 발명은 상기 과제에 비추어 양산성이 뛰어난 동시에, 우수한 방열 성능을 발현할 수 있는 방열 구조를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 이하 (1)~(5)에 나타내는 수단을 채용할 수 있다.
(1) 전기 회로 장치의 외부로 노출하는 방열판과, 전열 부재와, 냉각기가 적층 구조를 이루도록 배치되어 포함되는 전기 회로 장치의 방열 구조로써,
상기 전열 부재가 세라믹 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루는 소결체에 수지 조성물이 함침되어 있는 세라믹 수지 복합체이고,
상기 전열 부재가 상기 방열판 및 상기 냉각기 중에서 적어도 일방과 직접 접촉해서 적층하도록 배치되는
것을 특징으로 하는 전기 회로 장치의 방열 구조.
(2) 세라믹 수지 복합체가 평균 긴지름이 3~60㎛, 종횡비가 5~30인 질화 붕소 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루는 세라믹 소결체 35~70체적%에 수지 조성물 65~30체적%를 함침하는 세라믹 수지 복합체인, (1) 기재의 전기 회로 장치의 방열 구조인 것이 바람직하다.
(3) 전열 부재가 두께 0.05mm 이상 1.0mm 이하의 평판 모양인, (1) 또는 (2) 기재의 전기 회로 장치의 방열 구조인 것이 바람직하다.
(4) 전기 회로 장치가 발열 소자를 사이에 두고 마주보며, 각각이 외부로의 노출면을 가지는, 적어도 2매 이상의 방열판을 구비하는, (1)~(3)의 어느 하나에 기재된 전기 회로 장치의 방열 구조인 것이 바람직하다.
(5) 적층 구조의 적층면에 대해서 수직인 방향으로 압축 방향이 압력을 가하고 있는, (1)~(4)의 어느 하나에 기재된 전기 회로 장치의 방열 구조인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 발열 소자의 방열판과 냉각기 사이에 전열 부재로서 열전도율이 높은 세라믹 수지 복합체를 배치해서 이용할 수 있다. 이 때문에, 열전도성이 매우 높고, 또 방열 부재의 양산성도 우수한 전기 회로 장치의 방열 구조를 제공할 수 있고, 또한 그 결과, 전기 회로 장치를 열적으로 보호하는 동시에, 그 전기적 성능의 유지에 이바지하는 전기 회로 장치도 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태와 관련된 방열 구조의 개략을 예시하는 도면이다.
본 명세서에서는 특별히 언급하지 않는 한, 수치 범위는 그 상한치 및 하한치를 포함하는 것으로 한다.
본 발명의 실시형태와 관련되는 전기 회로 장치의 방열 구조는 전기 회로 장치의 외부로 노출하는 방열판에 전열 부재를 통해서 냉각기를 접해서 배치되는 구성을 가지고 있고, 또한 이 전열 부재가 그 방열판 및 냉각기 중 적어도 일방과 직접 접촉해서 적층하도록 배치된다. 상기 전열 부재는 세라믹 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루고 있는 소결체에 수지 조성물이 함침되어 있는 세라믹 수지 복합체를 적어도 포함하는 전열 부재이다.
＜전기 회로 장치＞
본 명세서에서 말하는 전기 회로 장치는 발열 소자와, 상기 발열 소자의 근방에 또는 접해서 배치되고, 또한 외부로의 노출면을 가지는 방열판을 구비하는 전기 회로 장치이다. 통상은 외부로의 접속 단자나 상기 방열판의 노출면을 제외하고 밀봉재로 전기 회로 장치의 전체가 덮여 있다. 전기 회로 장치는 파워 모듈이 대표적인 예이지만, 본 명세서에서 말하는 전기 회로 장치는, 특히 파워 모듈로 불리는 전기 회로 장치만을 지칭하는 용어는 아니고, 발열하는 소자를 내부에 포함하고, 외부로의 노출면을 가지는 방열판을 포함하는 일체의 장치를 포괄적으로 나타내는 개념이다.
＜발열 소자＞
본 명세서에서 말하는 전기 회로 장치에 포함되는 발열 소자란, 전류를 흘려 보내서 사용할 때에 많든 적든 열을 발생시키는 소자이다. 그 때문에, 본 발명에서는 발열 소자의 종류를 한정하는 것은 아니고 능동 소자든지 수동 소자든 어느 것이어도 좋지만, 본 발명과 관계 깊은 발열 소자로는 예를 들면, 파워 MOSFET, IGBT, 사이리스터나 SiC 디바이스 등 주로 모터나 조명 장치의 구동 제어와 전력 변환 등, 전력 관계의 제어 등에 이용되는 파워 반도체 소자를 들 수 있다.
＜방열판＞
본 명세서에서 말하는 방열판이란, 상기 전기 회로 장치에서 발열 소자의 근방에 또는 인접해서 배치되고, 발열 소자의 열을 내보내기 위해서 외부로의 노출면을 가지는, 예를 들면 구리합금 혹은 알루미늄 합금 등의 금속으로 된 열전도성 및 전기 전도성이 좋은 판이다. 전기 회로 장치의 종류에 따라서는 전극으로서의 기능을 겸하는 경우도 있다. 본 발명에서는 방열판의 형상, 하나의 전기 회로 장치에 포함되는 방열판 수, 방열판이 다수 있는 경우, 이들의 위치 관계를 한정하는 것은 아니지만, 전형적인 실시형태에서는 전기 회로 장치는 평판에 가까운 형태를 하고 있고, 방열판은 한쪽 면 또는 상하 양면에 배치되어 있도록 할 수 있다.
＜전열 부재＞
본 발명의 실시형태와 관련된 전열 부재는 세라믹 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루고 있는 세라믹 소결체에 수지 조성물이 함침되어 있는 복합체(이하, 세라믹 수지 복합체라고 한다)이다. 상기 세라믹 수지 복합체에는 본 발명의 실시형태와 관련되는 방열 구조의 특성을 해치지 않는 이상, 방열 그리스층을 상기 세라믹 수지 복합체와 상기 방열판의 노출면과의 계면, 또는 상기 세라믹 수지 복합체와 냉각기의 계면 중에서 어느 일방에 설치해도 좋다.
상기 세라믹 수지 복합체는 질화 붕소, 질화 알루미늄, 질화 규소로부터 선택되는 적어도 1종의 세라믹 1차 입자가 3차원적으로 연속한 일체의 구조를 이루고 있는 소결체(이하, 세라믹 1차 입자 소결체라고 한다. 또 세라믹 1차 입자가 질화 붕소인 경우는, 질화 붕소 1차 입자 소결체라고 하고, 질화 알루미늄의 경우에는 질화 알루미늄 1차 입자 소결체라고 하며, 질화 규소인 경우에는 질화 규소 1차 입자 소결체라고 한다.)가 바람직하다. 특히 상기 세라믹 1차 입자가 질화 붕소 1차 입자인 경우에는, 상기 세라믹 수지 복합체는 평균 긴지름이 3~60㎛, 종횡비가 5~30인 질화 붕소 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루고 있는 세라믹 소결체 35~70체적%, 바람직하게는 40~65체적%에 대해서, 수지 조성물(바람직하게는, 열경화성 수지 조성물) 65~30체적%, 바람직하게는 60~35체적%가 함침되어 있는 세라믹 수지 복합체인 것이 바람직하다. 또한, 상기 세라믹 수지 복합체의 세라믹 소결체의 양이 35체적%보다 작으면 열전도율이 비교적 낮은 수지 조성물의 비율이 상대적으로 증가하기 때문에, 전열 부재 전체의 열전도율이 저하한다. 반대로, 세라믹 소결체의 양이 70체적%보다 크면 방열판이나 냉각기에 전열 부재를 가열 가압에 의해 접착할 때에, 방열판 표면의 요철에 열경화성 수지 조성물이 잘 침입하지 않게 되어, 인장 전단 접착 강도와 열전도율이 저하할 가능성이 있다.
질화 붕소 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루고 있는 세라믹 소결체를 얻는 경우에는, 예를 들면, 질화 붕소의 1차 입자의 분말에 탄산칼슘, 탄산나트륨, 붕산 등의 소결 조제를 0.01~20질량% 정도, 전형적으로는 0.1~10질량% 정도, 보다 전형적으로는 1~5질량% 정도의 비율로 배합하고, 금형이나 냉간 등방압 가압법(CIP) 등 공지된 방법으로 성형한 후, 질소, 아르곤 등의 비산화성 분위기 중, 온도 1500~2200℃에서 1~30시간 정도 소결하여 제조할 수 있다.
상기 소결에 이용하는 소결로에는, 전기로, 관상로, 분위기로 등의 배치식 화로, 로터리 킬른, 스크류 컨베이어로, 터널로, 벨트로, 푸셔로, 수형(竪形) 연속로 등의 연속식 화로를 들 수 있다. 이것들은 목적에 따라서 나누어 사용할 수 있고, 예를 들면 많은 품종의 질화 붕소 소결체를 소량씩 제조할 때는 배치식로, 일정한 품종을 다량 제조할 때는 연속식로가 채용된다.
상기 세라믹 수지 복합체에 포함되는 수지 조성물의 양은 전열 부재의 30~65체적%의 범위 내인 것이 바람직하고, 35~60체적%의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 세라믹 수지 복합체에 포함되는 수지 조성물의 양은 세라믹과 수지의 복합화 전후의 중량 측정 및 비중치에 의해서 산출할 수 있다. 또한, 상기 수지 조성물은 열경화성 수지 조성물인 것이 바람직하다.
상기 열경화성 수지 조성물로는, 예를 들면 에폭시기를 가지는 물질 및 시아네이트기를 가지는 물질의 어느 일방 또는 양쪽 모두, 수산기를 가지는 물질 및 말레이미드기를 가지는 물질의 어느 일방 또는 양쪽 모두의 조합인 것이 바람직하다. 이들 중에서도, 시아네이트기를 가지는 물질과 말레이미드기를 가지는 물질의 조합이 보다 바람직하다.
에폭시기를 가지는 물질로는, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 다관능 에폭시 수지(크레졸의 볼락 에폭시 수지, 디시클로 펜타디엔형 에폭시 수지 등), 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 환식 지방족 에폭시 수지, 글리시딜 에스테르형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시 수지 등의 에폭시 수지를 들 수 있다.
시아네이트기를 가지는 물질로서는, 2,2'-비스(4-시아네이트페닐)프로판, 비스(4-시아네이트-3,5-디메틸페닐)메탄, 2,2'-비스(4-시아네이트페닐)헥사 플루오로 프로판, 1,1'-비스(4-시아네이트페닐)에탄, 1,3-비스(2-(4-시아네이트페닐)이소프로필)벤젠 등의 시아네이트 수지를 들 수 있다.
수산기를 가지는 물질로서는, 페놀 노볼락 수지, 4,4'-(디메틸메틸렌)비스[2-(2-프로페닐)페놀] 등의 페놀류를 들 수 있다. 말레이미드기를 가지는 물질로서는, 4,4'-디페닐메탄비스말레이미드, m-페닐렌비스말레이미드, 비스페놀 A 디페닐에테르비스말레이미드, 3,3'-디메틸-5,5'-디에틸-4,4'-디페닐메탄비스말레이미드, 4-메틸-1,3-페닐렌비스말레이미드, 1,6'-비스말레이미드(2,2,4-트리메틸)헥산, 4,4'-디페닐에테르비스말레이미드, 4,4'-디페닐술폰비스말레이미드, 1,3-비스(3-말레이미드페녹시)벤젠, 1,3-비스(4-말레이미드페녹시)벤젠, 비스-(3-에틸-5-메틸-4-말레이미드페닐)메탄, 2,2'-비스［4-(4-말레이미드페녹시)페닐］프로판 등의 말레이미드 수지를 들 수 있다.
상기 세라믹 수지 복합체에는, 적당히 세라믹과 수지 조성물 간의 밀착성을 향상시키기 위한 실란 커플링제, 습윤성이나 레벨링성의 향상 및 점도 저하를 촉진하여 함침·경화 시의 결함의 발생을 저감하기 위한 소포제, 표면 조정제, 습윤 분산제를 함유할 수 있다. 또한, 경화 속도나 발열 개시 온도를 제어하기 위해서, 경화촉진제를 첨가해도 좋다. 경화촉진제로서는, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류, 트리 페닐 포스핀, 테트라 페닐 포스포늄 테트라-p-트릴보레이트 등의 유기 인화합물, 아세틸 아세톤 구리(II), 아연(II) 아세틸 아세트네이트 등의 금속 촉매를 들 수 있다.
세라믹 수지 복합체는 상기 세라믹과 상기 수지 조성물을 복합화한 것으로서, 예를 들면 세라믹 1차 입자 소결체에 수지 조성물을 함침시킴으로써 복합화한 것이다. 이 경우 세라믹 1차 입자 소결체로의 수지 조성물의 함침은 예를 들면, 진공 함침 및/또는 1~300MPa(G)에서의 가압 함침을 실시함으로써 할 수 있다. 또한, 진공 함침시의 압력은 1000Pa(abs) 이하가 바람직하고, 100Pa(abs) 이하가 더욱 바람직하다. 가압 함침에서는, 압력 1MPa(G) 미만에서는 세라믹 1차 입자 소결체의 내부까지 수지 조성물을 충분히 함침할 수 없을 가능성이 있고, 300MPa(G)를 초과하면 설비가 대규모로 되기 때문에 비용면에서 불리하다. 또한, 질화 붕소 1차 입자 소결체의 내부에 수지 조성물을 쉽게 함침시키기 위해서, 진공 함침 및 가압 함침 시에 100~180℃로 가열하고, 수지 조성물의 점도를 저하시키는 것도 가능하다.
상기 수지 조성물이 열경화성 수지 조성물인 경우에는, 열경화성 수지 조성물을 반경화(B 스테이지화)하는 것도 가능하며, 바람직한 방법이다. 반경화 시키기 위한 가열 방식은 적외선 가열, 열풍 순환, 오일 가열 방식, 핫 플레이트 가열 방식 또는 이들의 조합으로 실시할 수 있다. 반경화는 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 후에 함침 장치의 가열 기능을 이용하여 그대로 실시해도 좋고, 함침 장치에서 꺼낸 후에 열풍 순환식 컨베이어로 등 공지의 장치를 이용하여 별도로 실시해도 좋다.
본 발명의 실시형태에서는, 상기 세라믹 수지 복합체에 대해서, 본 발명의 방열 구조의 특성을 해치지 않는 이상, 방열 그리스층을 상기 세라믹 수지 복합체와 상기 방열판의 노출면과의 계면, 또는 상기 세라믹 수지 복합체와 냉각기와의 계면의 어느 일방에 설치해도 좋다. 방열 그리스로는, 예를 들면 실리콘 수지에 열전도성 필러가 충전된 것으로, 열전도율로서는 1~5W/(m·K) 정도의 것을 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면 세라믹 수지 복합체의 표면에 도포하는 형태로 이용할 수 있다. 도포하는 경우의 두께로는 20~100㎛인 것이 바람직하다. 전열 부재에 방열 그리스를 도포함으로써, 세라믹 수지 복합체는 방열판 또는 냉각기와 보다 쉽게 밀착하도록 하기 위해서, 방열 구조의 전열 성능이 높아지는 경우가 있다. 다른 실시형태에서의 방열 구조에서는, 방열판을 2면 가지고 있는 경우, 일방의 방열판에는 방열 그리스층이 1층 존재하고, 타방의 방열판에는 방열 그리스층을 포함하지 않도록 할 수도 있다. 또한, 다른 실시형태에서는 방열 구조가 방열 그리스층을 포함하지 않도록 할 수도 있다.
전열 부재의 두께는 전기 회로 장치의 방열 구조의 전기적 및 열적 요구 특성에 따라서 적당히 바꿀 수 있다. 전열 부재는 예를 들면 멀티 와이어 소(「MWS-32N」 타카트리사제) 등을 이용하여, 소정의 두께의 시트 모양으로 가공할 수 있고, 특히 열 저항을 줄이고 싶은 경우에는 0.1~0.35mm의 얇은 시트 모양으로 하는 것도 가능하다.
＜냉각기＞
냉각기는 일반적으로 금속이 바람직하고, 예를 들면 성형한 알루미늄이 바람직하게 이용된다. 냉각기는 전열 부재에 인접해서 배치하는데 적합한 면을 가지는 것이 바람직하지만, 그 외의 형상이나 내부 구조에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 냉각액이 내부에 흐르도록 한 액냉식 구조여도 좋으며, 냉각핀을 가지는 공랭식 구조여도 좋고, 특히 제한은 없다.
본 발명의 실시형태와 관련된 전기 회로 장치의 방열 구조에서는, 전기 회로 장치에 구비되는 방열판의 노출면에 인접해서 전열 부재가 배치되고, 추가로 상기 방열판과 직접 접촉시키지 않고 상기 전열 부재에 접해서 냉각기가 배치되어 있다. 또한, 상기 전기 회로 장치가 발열 소자를 사이에 두고 서로 마주보는, 적어도 2매 이상의 방열판을 구비하는 것도 가능하다. 이 경우의 방열판은 일반적으로는 평행하게 마주보는 것이 바람직하다. 그래서 본 발명의 전기 회로 장치의 방열 구조에서는 전기 회로 장치의 양면에 각각 전열 부재를 통해서 냉각기를 장착하여 적층 구조로 한 방열 구조가 바람직하게 채용된다. 또한, 냉각기를 보다 강하게 전기 회로 소자에 밀착시켜서 방열 특성을 향상시키기 때문에, 전기 회로 장치, 전열 부재를 사이에 두고, 단단하게 조여서 적층면에 대해서 수직인 방향으로 압축 하중(즉, 압축 방향의 압력)을 가할 수 있도록 한 구조도 바람직하게 채용된다. 또, 적층면 전체에 걸쳐서 압축 하중을 가하는 것이 열전도 효율에 비추어 보다 바람직하다. 압축 하중을 가하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 도 1에 나타내듯이, 예를 들면 냉각기에 구멍을 뚫고 볼트나 너트 등을 이용한 조임 부재를 장착해서, 서로 마주 보는 냉각기끼리 나사로 당기듯이 하여 압축 하중을 가하는 방식의 방열 구조를 바람직하게 채용할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예, 비교예를 들어서 더욱 구체적으로 설명하는데, 이것들은 본 발명 및 그 이점을 보다 잘 이해하기 위해서 제공되는 것으로, 본 발명이 한정되는 것을 의도하는 것은 아니다.
실시예 및 비교예의 방열 구조를 구성하기 위한 준비로서, 이하에 나타내는 전기 회로 장치, 전열 부재, 방열 그리스, 냉각기를 준비하여, 각각의 개요를 하기 표 1에 나타내었다.
＜전기 회로 장치＞
전기 회로 장치로서 세로 35mmХ가로 21mm의 평판 직사각형 방열판을 윗면/아래면의 양면에 가지는 양면 냉각형 파워 모듈을 준비했다. 또한, 상기 파워 모듈의 발열량은 310W이다. 이것을 전기 회로 장치 A라고 한다.
＜전열 부재＞
전열 부재로서 시트 모양의 질화 붕소 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루는 세라믹 소결체에 수지 조성물을 함침시킨 세라믹 수지 복합체를 준비했다. 이것을 전열 부재 B라고 한다. 전열 부재 B의 열전도율은 80W/(m·K)였다.
＜세라믹 수지 복합체＞
상기 세라믹 수지 복합체는 질화 붕소 분말을 3차원적으로 소결시킨 질화 붕소 소결체에 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 질화 붕소 소결체의 수지 복합체이다. 상기 질화 붕소 소결체는 평균 긴지름이 18㎛, 종횡비가 12인 질화 붕소와, 평균 긴지름이 6㎛, 종횡비가 15인 질화 붕소와, 붕산과 탄산칼슘을 64.2:34.0:1.2:0.6의 질량비로 맞추고, 이것을 에탄올, 질화 규소제 볼밀을 이용해서 습식법으로 2시간 혼합한 후, 건조, 해쇄(解碎)해서 얻은 혼합 분말을 금형에 충전하고, 5MPa의 압력으로 블록 모양으로 프레스 성형하여, 얻어진 블록 모양 성형체를 추가로 CIP(냉간 등방압 가압법) 장치(ADW800, 고베 제강소사제)에 의해 75MPa(G) 사이에서 가압 처리를 한 후, 배치식 고주파로(FTH-300-1H, 후지 전파 공업사제)에서 2000℃에서 10시간, 질소 유량 10L/min의 조건으로 소결시켜서 얻은 것이다. 이 질화 붕소 소결체의 비중은 1.51이었다. 또한, 상기 질화 붕소 소결체를 세로 45mmХ가로 35mmХ두께 0.32mm의 시트 모양으로 잘라내서, 진공 가온 함침 장치(G-555AT-R, 쿄신 엔지니어링사제)를 이용하여, 온도 145℃, 압력 15Pa(abs)의 진공 중에서, 각각 10분간 탈기한 후, 계속 상기 장치 내에서 상기 가온 진공 하에서, 열경화성 수지 조성물, 즉 비스페놀 F형 에폭시 수지(JER807, 미쓰비시 화학사제, 비중 1.2) 12.1질량%과, 노볼락형 시아네이트 수지(PT-30, 론더사제, 비중 1.2) 72질량%와, 페놀 노볼락 수지(TD-2131, DIC사제, 비중 1.2) 7.9질량%와, 비스-(3-에틸-5-메틸-4-말레이미드페닐)메탄(비중 1.3) 8질량%를 혼합시킨 수지 조성물 중에 10분간 침지 처리했다. 그 다음, 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 질화 붕소 소결체를 추가로 가압 가온 함침 장치(HP-4030AA-H45, 쿄신 엔지니어링사제) 내에 설치하여, 온도 145℃, 압력 3.5MPa의 가압 상태에서 120분간 유지하며, 그 후, 대기압 하에, 160℃에서 120분간의 조건으로 가열하고, 열경화성 수지 조성물을 반경화시킨 시트 모양의 세라믹 수지 복합체, 즉 질화 붕소 소결체와 수지 조성물의 복합체(이하, 질화 붕소 수지 복합체 시트라고도 표기한다)를 얻었다. 이 세라믹 수지 복합체의 크기는, 기본이 된 질화 붕소 소결체의 그것과 실질적으로 다르지 않았다. 또한, 세라믹 수지 복합체 중의 질화 붕소 소결체와 수지 조성물의 체적비를 세라믹과 수지의 복합화 전후 중량 측정 및 비중에 의해 산출했는데 52:48였다.
＜방열 그리스＞
방열 그리스로서는 열전도율 2W/(m·K)를 나타내는 방열 그리스(G-765, 신에츠 화학공업사제)를 준비했다. 이것을 방열 그리스 C라고 한다.
＜냉각기＞
냉각기로서는 열전도율 200W/(m·K)의 전열 부재에 인접하는 면이 50mmХ30mm이고, 두께 5mm인 평판 모양의 알루미늄제 수냉식 냉각기를 준비했다. 이것을 냉각기 D라고 한다.
Figure 112019021491865-pct00001
＜실시예 1＞
준비한 전기 회로 장치 A와 질화 붕소 수지 복합체 시트인 전열 부재 B와의 양 중심선을 일치시키고, 또한 방열판의 길이 35mm의 변과, 전열 부재 B의 45mm의 변이 평행하게 되도록, 상기 전기 회로 장치 A의 상하 양면 방열판에 인접해서, 전열 부재 B를 적층시키고 나서, 프레스기 압력 10MPa, 온도 200℃에서 24시간에 걸쳐서 접착시켰다. 또한, 그 바깥쪽에 전열 부재 B의 중심선과 냉각기 D의 중심선을 일치시키고, 또한 전열 부재 B의 45mm의 변과 냉각기의 50mm의 변이 평행하게 되도록 상하 양면으로부터 2개의 냉각기를 적층시켜서, 실시예의 방열 구조로 하였다. 2개의 냉각기의 네 모퉁이에는 각각 볼트와 너트에 의한 조임 부재를 장착하여, 적층면 전체에 걸쳐서 균일하게 10MPa의 압축 방향의 압력이 가해지도록 조정했다.
＜방열 구조의 방열 특성 평가＞
실시예 1의 방열 구조의 방열 특성인 열 저항을 이하의 방법으로 평가했다. 열 저항은 방열판과 냉각기에 이르는 경로의 열 저항(℃/W)이다. 전기 회로 장치 A의 발열량을 310W, 냉각기에 보내는 냉각수의 입구 온도를 65℃, 냉각수 유량을 5(l/분)로 설정하고, 방열판의 바깥쪽 표면과 냉각기의 바깥쪽 표면에 열전대를 삽입하여 온도를 측정했다. 또한, 열 저항(℃/W)=(방열판 온도(℃)-냉각기 온도(℃))/310(W)의 식을 이용해서 방열 구조 전체의 열 저항을 산출했다. 실시예 1의 방열 구조 1번째 단부터의 적층 순서와, 조임 압력과 열 저항치는 하기 표 2에 나타냈다. 또, 절연 파괴 강도를 JIS C2110로 측정하여, 그 수치도 표 2에 나타냈다.
＜실시예 2＞
전기 회로 장치 A의 상하 양면의 방열판과 전열 부재 B의 계면에 두께 20㎛의 방열 그리스 C층을 마련한 것 외에는, 실시예 1과 같은 구성, 제작 순서에 의해서 실시예 2의 방열 구조를 제작하고, 그 열 저항을 실시예 1과 같게 측정했다. 이 결과는 표 2에 나타냈다. 또한, 방열 그리스 C층은 스크린 인쇄기를 이용해서 형성시켰다.
＜실시예 3＞
전열 부재 B와 냉각기 D의 2곳의 계면에 두께 20㎛의 방열 그리스 C층을 마련한 것 외에는, 실시예 1과 같은 구성, 제작 순서에 의해서 실시예 3의 방열 구조를 제작했다. 실시예 3의 열 저항도 실시예 1과 같이 측정하고, 결과를 표 2에 나타냈다.
＜비교예 1＞
전기 회로 장치 A의 상하 양면의 방열판과 전열 부재 B의 계면에, 두께 20㎛의 방열 그리스 C층을 전열 부재 B와 냉각기 D의 2곳의 계면에 두께 20㎛의 방열 그리스 C층을 각각 마련한 것 외에는, 실시예 1과 같은 구성으로 하여 비교예 1의 방열 구조를 제작하고, 그 열 저항을 실시예 1과 같이 측정했다. 이 결과도 표 2에 나타냈다.
＜비교예 2＞
전열 부재를 치밀한 질화 규소 소결체로 한 것 외에는 비교예 1과 같은 구조의 방열 구조를 제작하고, 비교예 2의 방열 구조로 했다. 비교예 2는 종래 기술의 전형적인 구성을 가지는 방열 구조의 예이다. 또한, 상기 질화 규소 소결체는 시판하는 제품(SN-90, 마루와사제)으로부터 전열 부재 B와 동일한 치수가 되도록 자른 것을 사용했다. 비교예 2의 방열 구조의 구성과 열 저항치도 표 2에 나타냈다.
실시예, 비교예의 방열 구조가 나타내는 방열 특성의 비교에 의해서, 본 발명의 방열 구조는 방열 그리스 C층을 한쪽 면당 2층씩 가지고 있던 종래 기술의 방열 구조보다 낮은 열 저항이고, 보다 우수한 방열 구조인 것으로 나타났다.
Figure 112019021491865-pct00002
[산업상 이용 가능성]
본 발명의 전기 회로 장치의 방열 구조는 일반 산업용과 차재용 파워 모듈에 사용할 수 있다.
1　발열 소자(파워 반도체 소자 등)
2　밀봉재
3　방열판
(1~3이 일체가 되어 전기 회로 장치를 형성한다)
4　세라믹 수지 복합체
5　냉각기
6　조임 부재

Claims (5)

  1. 전기 회로 장치의 외부로 노출하는 방열판과, 전열 부재와, 냉각기가 적층 구조를 이루도록 배치되어 포함되는, 전기 회로 장치의 방열 구조로서,
    상기 전열 부재가, 평균 긴지름이 3~60㎛ 또한 종횡비가 5~30인 세라믹 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루고 있는 세라믹 소결체에 수지 조성물이 함침되어 있는 세라믹 수지 복합체이고,
    상기 전열 부재가 상기 방열판 및 상기 냉각기 중 적어도 일방과 직접 접촉해서 적층하도록 배치되며,
    적층 구조의 적층면에 대해서 수직인 방향으로 압축 방향의 압력을 가하는 것을 특징으로 하는, 전기 회로 장치의 방열 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    세라믹 수지 복합체가, 평균 긴지름이 3~60㎛, 종횡비가 5~30인 질화 붕소 1차 입자가 3차원적으로 일체의 구조를 이루고 있는 세라믹 소결체 35~70체적%에, 수지 조성물 65~30체적%를 함침하고 있는 세라믹 수지 복합체인, 전기 회로 장치의 방열 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    전열 부재가 두께 0.05mm 이상 1.0mm 이하의 평판 모양인, 전기 회로 장치의 방열 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    전기 회로 장치가 발열 소자를 사이에 두고 마주 보며, 각각이 외부로 노출면을 가지는 적어도 2매 이상의 방열판을 구비하는, 전기 회로 장치의 방열 구조.
  5. 삭제
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