KR102645116B1 - 세라믹 방열부재 및 세라믹 방열부재의 제조방법 - Google Patents
세라믹 방열부재 및 세라믹 방열부재의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
실시예들은 세라믹 방열부재 및 세라믹 방열부재의 제조방법을 제공한다. 실시예에 따른 세라믹 방열부재는, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2)로 구성된 주성분과, 산화철(Fe2O3, 산화철(Ⅲ)), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화칼륨(K2O), 산화나트륨(Na2O), 이산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하는 보조성분을 포함하여 이루어질 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 세라믹 방열부재 및 세라믹 방열부재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방열성이 우수하여 장시간 사용하더라도 저항값의 변화가 크지 않으면서도 생산 단가가 낮아 경제적인 고방열 세라믹 방열부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자장치들의 소형화에 따라 전자회로에서의 열 발생을 어떻게 처리할지에 대한 문제가 제기되고 있다. 전자 소자의 온도 상승은 부품 및 소자의 기능 및 신뢰성의 저하, 수명 단축 등의 중대한 문제와 직결되며, 특히 사용 전력 에너지의 저감과 기기 성능향상을 위해서는 이러한 열 발생을 억제하거나 발생하는 열을 효과적으로 방출할 필요성이 있다.
종래에 사용되는 저항기의 표면온도는 약 250~300℃로서, 장시간 사용 시 저항기의 온도 변화에 의해 저항값이 변화하게 된다. 특히, 이러한 저항기를 감싸는 세라믹케이스의 방열성이 좋지 않아 제품의 크기를 줄이기도 쉽지 않은 실정이다. 현재 세라믹케이스에 관한 국내의 기술은 세라믹케이스의 표면이 평활하고 단순한 구조이며, 세라믹 재료의 순도가 낮아 열전도율 및 방열성이 낮은 문제점이 있다.
실시예들은, 상기한 문제점들이 개선된 세라믹 방열부재 및 세라믹 방열부재의 제조방법을 제공한다.
실시예들에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 다양한 실시예들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 방열부재는, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2)로 구성된 주성분과, 산화철(Fe2O3, 산화철(Ⅲ)), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화칼륨(K2O), 산화나트륨(Na2O), 이산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하는 보조성분을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 세라믹 방열부재의 표면 중 적어도 한 면은 요철(凹凸)형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 세라믹 방열부재의 원료 중, 상기 알루미나의 순도는 80 내지 85%이고, 상기 알루미나를 85중량% 내지 90중량% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 세라믹 방열부재의 원료 중, 상기 질화알루미늄을 2중량% 내지 4중량% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 세라믹 방열부재의 표면에 방열코팅재가 도포되고, 상기 방열코팅재의 도포 두께는 20um 내지 50um이고, 상기 방열코팅재는 탄화규소(SiC)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예들에 대한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함된, 첨부 도면은 다양한 실시예들을 제공하고, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예들의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 발명의 세라믹 방열부재를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 세라믹 방열부재를 다른 각도에서 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 R 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 방열부재에 대한 저항치 변화 실험 데이터를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 세라믹 방열부재에 대한 저항치 변화 실험 데이터를 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 세라믹 방열부재를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 세라믹 방열부재를 다른 각도에서 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 R 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 방열부재에 대한 저항치 변화 실험 데이터를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 세라믹 방열부재에 대한 저항치 변화 실험 데이터를 도시한 도면이다.
이하의 실시예들은 실시예들의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 다양한 실시예들을 구성할 수도 있다. 다양한 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
도면에 대한 설명에서, 다양한 실시예들의 요지를 흐릴 수 있는 절차 또는 단계 등은 기술하지 않았으며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 절차 또는 단계는 또한 기술하지 아니하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 다양한 실시예들을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한, 온도에 관한 수치는 섭씨(℃) 온도 단위에 따른 수치인 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 "um"으로 표시된 단위기호는 마이크로미터(1×10^(-6)m)를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 다양한 실시예들에 따른 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 다양한 실시예들의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
또한, 다양한 실시예들에서 사용되는 특정(特定) 용어들은 다양한 실시예들의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 다양한 실시예들의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명의 세라믹 방열부재를 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 세라믹 방열부재를 다른 각도에서 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 세라믹 방열부재(100)는 내부 공간(110)을 둘러싸는 형태로 구현될 수 있다. 세라믹 방열부재(100)의 내부 공간(110)에는 전기회로에서 고정저항 또는 변동저항 역할을 수행하는 저항기가 배치될 수 있다. 즉, 세라믹 방열부재(100)는 저항기를 감싸는 패키지 형태로 구현될 수 있다. 비록 도 1 및 도 2에는 도시되지 않았으나, , 세라믹 방열부재(100) 패키지의 상면 또는 하면으로 저항기의 양 끝단이 노출될 수 있다.
세라믹 방열부재(100)의 크기는 다양할 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 크기는 통상적으로 용인되는 오차 범위 내에서, 제1 방향(x) 길이는 90mm, 제2 방향(y) 길이는 19mm, 제3 방향(z) 길이는 19mm일 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 방열성을 향상시키기 위해, 세라믹 방열부재(100)의 표면은 요철(凹凸)형상으로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 세라믹 방열부재(100)의 상면 및 하면을 제외한 나머지 면 중, 제1 방향(x)과 평행한 면의 표면은 요철 형상으로 구현될 수 있다. 세라믹 방열부재(100)의 표면이 요철 형상으로 구현됨에 따라, 세라믹 방열부재(100)의 표면적이 증가하여 세라믹 방열부재(100)의 방열성이 향상될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 방향(z)에서 바라볼 때, 세라믹 방열부재(100)는 피쉬본(fishbone) 형상일 수 있다.
세라믹 방열부재(100)의 주성분은 알루미나(Al2O3, 산화 알루미늄), 및 실리카(SiO2, 이산화규소)로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명의 다양한 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 방열성을 향상시키기 위해 다양한 보조성분이 첨가될 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 주성분으로 알루미나를 85중량% 내지 90중량% 포함할 수 있다. 세라믹 방열부재(100)의 우수한 방열성을 얻기 위해서는, 알루미나를 85중량% 내지 90 중량% 포함하는 것이 바람직하다.
세라믹 방열부재(100)의 주성분 중 알루미나는 순도 80 내지 85%일 수 있다. 알루미나의 순도가 높을수록 열전도도, 내열성, 내식성 등의 물성이 우수한 특징이 있는데, 일반적으로 공업용 알루미나는 순도 80% 이상의 알루미나를 사용한다. 반면, 공업용 알루미나 중 순도 85%를 초과하는 고순도 알루미나는 가격이 비싸기 때문에, 특별한 용도가 아닌 한, 본 발명의 세라믹 방열부재(100)는 순도 80 내지 85%의 알루미나를 사용하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 원료는 알루미나, 실리카를 주성분으로 포함하고, 산화철(Fe2O3, 산화철(Ⅲ)), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화칼륨(K2O), 산화나트륨(Na2O), 이산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 보조성분을 포함할 수 있다.
산화철은 빛, 공기, 수분, 열 등 외부 환경 요인에 대하여 안정성이 뛰어나며, 다른 성분에 미량 함유되었을 때 전기전도도가 향상되는 특성을 가지고 있다. 산화칼슘은 세라믹 방열부재(100)의 제조공정 중 열처리 과정에서 산성 산화물을 중화하기 위해 첨가될 수 있다. 이산화티타늄은 반응성이 낮아 화학적으로 매우 안정하며, 방열재에 미량 첨가될 경우 재료의 열전도성을 높이는 특징을 가지고 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 원료는 알루미나를 85중량% 내지 90 중량% 포함하고, 실리카를 8중량% 내지 10중량% 포함하고, 산화철, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화칼륨, 산화나트륨, 이산화티타늄, 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 보조성분을 0.1중량% 내지 7중량% 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 원료 중 보조성분은, 질화알루미늄을 2중량% 내지 4중량% 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 원료 중 보조성분은, 이산화티타늄을 0.15중량% 내지 1중량% 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 원료는 알루미나(Al2O3, 산화 알루미늄) 86.06 중량%, 실리카(SiO2, 이산화규소) 8.94중량%, 산화철(Fe2O3, 산화철(Ⅲ)) 0.36중량%, 산화칼슘(CaO) 0.25중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.62 중량%, 산화칼륨(K2O) 0.14중량%, 산화나트륨(Na2O) 0.08중량%, 이산화티타늄(TiO2) 0.18중량%을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 도 2의 R 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 세라믹 방열부재(101)의 표면에는 방열코팅재(102)가 도포될 수 있다. 즉, 세라믹 방열부재(101) 상면에 방열코팅재(102)가 형성될 수 있다. 방열코팅재(102)는 세라믹 방열부재(100)의 방열성을 향상시키기 위한 원료로서, 세라믹 방열부재(100)의 제조과정에서 표면에 증착 또는 도포되거나, 세라믹 방열부재(100)의 제조 공정 이후에 추가공정으로서 표면에 증착 또는 도포될 수 있다. 여기서, 추가공정은 붓, 롤러, 스프레이 등을 사용하여 세라믹 방열부재(100)의 표면에 방열코팅재(102)를 도포하는 공정일 수 있다.
방열코팅재(102)의 도포 두께는 20um 내지 50um일 수 있다. 방열코팅재(102)는 접착성이 있는 액화조성물일 수 있다. 방열코팅재(102)의 원료는 알루미나 및 산화지르코늄(ZrO2)을 포함하고, 질화규소 또는 탄화규소를 포함할 수 있다. 방열코팅재(102)의 원료는 질화규소(Si3N4) 및 탄화규소(SiC)의 경우 열전도도가 매우 높아 방열부재의 표면 코팅에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 방열코팅재(102)는 탄화규소 6중량% 내지 13중량%를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방열코팅재(102)는 질화규소 8중량% 내지 10중량%를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 방열코팅재(102)는 탄화규소 6중량% 내지 13중량%, 및 질화규소 8중량% 내지 10중량%를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 세라믹 방열부재에 대한 저항치 변화 실험 데이터를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 세라믹 방열부재에 대한 저항치 변화 실험 데이터를 도시한 도면이다.
본 발명의 세라믹 방열부재(100)의 성능 테스트를 위해, 시제품 중 5개의 샘플을 선택하여 전압 인가 후 샘플의 온도 변화 및 저항값 변화 실험을 진행하였다. 실험 환경은 온도가 26.8℃이며, 습도는 26.4%이다. 각각의 샘플에 전압을 인가한 후, 1분, 2분, 3분, 4분, 5분, 6분, 7분, 8분, 9분, 10분, 15분, 20분, 25분, 30분, 35분, 40분, 45분, 50분, 55분, 60분 경과 후 샘플의 온도를 측정하고, 전압 인가 직후의 샘플의 저항값과 60분 경과 후의 샘플의 저항값을 각각 측정하여 오차율을 산출하는 방식으로 진행하였다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 세라믹 방열부재(100)의 5개의 샘플은, 전압 인가 직후 온도가 58℃~68℃ 범위로 측정되었고, 전압 인가 60분 후 온도가 265℃~277℃ 범위로 측정되었다. 반면, 본 발명의 세라믹 방열부재(100)의 5개의 샘플은 모두 전압 인가 60분 후에도 저항값이 크게 변화하지 않았다. 평균적으로 전압 인가 직후 저항값이 59.3028Ω이었고, 전압 인가 60분 후 저항값이 60.3692Ω였다. 각각의 샘플 모두 허용 오차 범위를 만족하였다.
다음으로, 본 발명의 세라믹 방열부재(100)의 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 분말 야금 공정의 경우, 제1단계에서, 세라믹 방열부재(100) 주성분인 알루미나와 실리카를 분말 형태로 혼합한다. 일 실시예에서, 혼합한 원료 분말에 저온 소결조건에서 결합력을 부여해주기 위해 첨가하는 유리 프리트(firt) 분말과 프레스 성형시 성형성을 부여하기 위해 첨가하는 유기 고분자 바인더를 첨가할 수 있다. 일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 원료는 알루미나, 실리카를 주성분으로 포함하고, 산화철(Fe2O3, 산화철(Ⅲ)), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화칼륨(K2O), 산화나트륨(Na2O), 이산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 보조성분을 포함할 수 있다.
제1단계에서, 주성분과 보조성분이 이물질이 혼합되지 않도록 각각 분리되어 퍼내스에 주입되어야 한다. 또한, 각각의 원료 파우더의 입도를 적절히 제어하여 균일한 성형체가 제조될 수 있도록 한다.
이어, 제2단계에서, 혼합한 원료 분말을 금형을 이용하여 성형하여 성형체를 생성한다. 일 실시예에서, 세라믹 방열부재(100)의 금형은 피쉬본 형상일 수 있다. 즉, 제2단계를 통해 생성된 성형체는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 표면 요철 형상, 또는 피쉬본 형상일 수 있다.
제3단계에서, 생성된 성형체에 열처리 공정을 진행한다.
일 실시예에서, 열처리 공정을 복수일 수 있다. 즉, 혼합물의 원료 각각의 녹는점에 따라 상이한 열처리 온도 및 열처리 시간으로 구성되는 복수의 공정이 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 열처리 공정은 700℃ 내지 1200℃로 2시간 이상 진행될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 열처리 공정은 1200℃ 내지 1600℃로 2시간 이상 진행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 열처리 공정은 700℃ 내지 1200℃로 2시간 이상 진행되고, 제1 열처리 공정에 후속하는 제2 열처리 공정이 1200℃ 내지 1600℃로 2시간 이상 될 수 있다. 제1 열처리 공정(700℃ 내지 1200℃로 2시간 이상)에 의해 성형체 내부의 유기바인더가 열분해되어 제거될 수 있다. 제2 열처리 공정(1200℃ 내지 1600℃로 2시간 이상)에 의해, 성형체 내부의 원료 입자들을 균일하게 결합시켜 제품 전체에 걸쳐 균일한 결합부를 가질 수 있도록 처리할 수 있다. 입자가 균일한 세라믹 방열부재를 제조하기 위해 열처리 온도와 시간은 다양하게 결정될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (5)
- 저항기를 둘러싸는 세라믹 방열부재(100)로서,
알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2)로 구성된 주성분과, 산화철(Fe2O3, 산화철(Ⅲ)), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화칼륨(K2O), 산화나트륨(Na2O), 이산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하는 보조성분을 포함하여 이루어지고,
상기 알루미나의 순도는 80 내지 85%이고,
상기 알루미나를 85중량% 내지 90중량% 포함하고,
상기 질화알루미늄을 2중량% 내지 4중량% 포함하고,
상기 산화철 0.36중량%, 상기 산화칼슘 0.25중량%, 상기 산화마그네슘 0.62 중량%, 상기 산화칼륨 0.14중량%, 상기 산화나트륨 0.08중량%, 상기 이산화티타늄 0.18중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는,
세라믹 방열부재. - 제1항에 있어서,
상기 세라믹 방열부재(100)의 표면 중 적어도 한 면은 요철(凹凸)형상인 것을 특징으로 하는,
세라믹 방열부재. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 방열부재(100)의 표면에 방열코팅재(102)가 도포되고,
상기 방열코팅재(102)의 도포 두께는 20um 내지 50um이고,
상기 방열코팅재(102)는 탄화규소(SiC)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
세라믹 방열부재.
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