KR19990033885A - 적어도 하나의 금속 기판에 다이아몬드 기판을 접합시키는 방법 - Google Patents

적어도 하나의 금속 기판에 다이아몬드 기판을 접합시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 기판을 적어도 하나의 금속 기판에 접합시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이 방법은 다이아몬드 기판의 표면들 중 적어도 하나를 알루미늄 포일의 단편으로 덮는 단계와, 상기 다이아몬드 기판과 상기 알루미늄 포일의 단편을 제어된 분위기하의 챔버에 배치하여 이들을 아르곤하에서 또는 진공하에서 제1 열압축 공정에 의해 서로 접합함으로써 복합 다층 기판을 형성하는 단계와, 상기 복합 다층 기판을 알루미늄 표면이 금속 기판과 접촉하도록 금속 기판 상에 배치하는 단계와, 상기 복합 다층 기판과 상기 금속 기판을 제2 열압축 공정을 수행함으로써 서로 접합하는 단계로 이루어진다.

Description

적어도 하나의 금속 기판에 다이아몬드 기판을 접합시키는 방법
전자식 파워 모듈에 있어서는, 고-전위의 전자식 파워 부품을 냉각시킬 필요가 있다.
구리 트랙에 부품을 납땜시키는 것을 포함하는 종래의 냉각 수단 자체는 바닥판(soleplate) 및 접지된 냉각 장치로부터 고-전위 트랙과 부품을 절연시키도록 작용하는 AlN 형식 등의 전기 절연 세라믹 상에 장착되어 있다.
구리-트랙-및-AlN 다층 구조체는 이러한 파워 부품을 전기적으로 절연시키기에 매우 적합하다. 그러나, 다층 구조체를 제작하는 데 사용된 다수의 계면(interface), 납땜, 접착제(glue) 및 그리스는 자체 또는 냉각 장치를 통해 파워 부품으로부터의 주울(Joule) 열 손실을 적절하게 제거하도록 구조체의 성능에 영향을 미치는 상당한 열 저항[625 ㎛의 AlN 및 300 ㎛의 Cu에 대해 와트당 약 15 × 10-6켈빈(k/W)]으로 구성된다.
또한, 전위가 증가하면 할수록 유전 세라믹 층의 두께는 두꺼워져야 하는 반면에, 세라믹 유전체가 양호한 열 전도체가 아니라는 것은 공지되어 있다.
인조 다이아몬드가 사용되면, 탁월한 전기적 절연체이고 AlN 보다 약 10배 정도 큰 열 전도율[다이아몬드: 미터 켈빈당 1500 와트(W/m·K); AlN: 180 W/m·K]을 구비하는 장점을 제공한다는 것이 공지되어 있다.
인조 다이아몬드 기판을 구리 또는 알루미늄 트랙에 접합시키는 것은, 일반적으로 티타늄과, 백금과, 금의 미세 층이 인조 다이아몬드 기판 상에 부착되는 제1 PVD 금속-도금 단계와, 다이아몬드/티타늄, 백금, 금 복합 기판을 구리 또는 알루미늄 트랙에 납땜시키기 위해 종래의 납땜 방법들이 사용되는 제2 납땜 단계로 이루어진다.
열 방산 이득(heat dissipation gain)은 AlN 다층 구조체와 비교하여 약 25 % 내지 30 %이다.
그 이득은 인조 다이아몬드의 열 전도 특성의 관점에서 예상될 수 있는 것과 비교해서 작다.
이것은 상당한 열 저항(300 ㎛의 다이아몬드, 100 ㎛의 땜납 및 300 ㎛의 구리의 경우에 땜납과 계면에 의해 유도된 12 × 10-6K/W를 포함하여 약 13 × 10-6K/W의 전체 열 저항)에 기인한다.
또한, 인조 다이아몬드의 매우 높은 구매가는 생산 단가와 열 방산 이득 사이의 비율을 AlN 기술에 의한 것보다 훨씬 높게 만들어 주며, 그러므로 대량 생산 목적에 반한다.
본 발명의 목적은 금속 기판과 낮은 열 저항을 갖는 계면을 갖춘 다이아몬드 기판을 서로 접합시키는 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 적어도 하나의 금속 기판에 다이아몬드 기판을 접합시키기 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 다이아몬드 기판의 표면들 중 적어도 하나를 알루미늄 포일(foil)의 단편으로 덮는 단계와, 상기 다이아몬드 기판과 상기 알루미늄 포일의 단편을 제어된 분위기하의 챔버에 배치하여 이들을 아르곤하에서 또는 진공하에서 제1 열압축(thermocompression) 공정에 의해 서로 접합함으로써 복합 다층 기판을 형성하는 단계와, 상기 복합 다층 기판을 알루미늄 표면이 금속 기판과 접촉하도록 금속 기판 상에 배치하는 단계와, 상기 복합 다층 기판과 상기 금속 기판을 제2 열압축 공정을 수행함으로써 서로 접합하는 단계로 이루어진다.
다른 예에서, 상기 복합 다층 기판은 알루미늄 포일의 두개 단편 사이에 샌드위치된 상기 다이아몬드 기판을 포함하고, 금속 기판은 알루미늄 포일의 단편들 중 각각에 결합된다.
본 발명의 방법에 따른 제1 열압축 공정의 예에서, 열압축 온도는 550 ℃ 내지 650 ℃ 범위에 있고, 이 열압축을 수행하기 위해 적용된 압력은 100 kg/cm2내지 150 kg/cm2범위에 있다.
금속 기판이 구리 기판일 때, 제2 열압축 공정에서의 열압축 온도는 500 ℃ 내지 550 ℃ 범위에 있고, 이 열압축을 수행하기 위해 적용된 압력은 100 kg/cm2내지 150 kg/cm2범위에 있다.
본 발명의 다른 장점 및 특징들은 하기 설명으로부터 명백하다.
열압축은 다양한 재료들 사이의 계면의 열저항을 상당히 감소시킨다.
그러나, 다이아몬드식 기판 상에 직접 구리를 열압축시키기 위해 수반되는 온도는 약 1000 ℃인 반면에, CVD 다이아몬드는 800 ℃이상 900 ℃까지 안정적이지 않고 흑연으로 변형된다는 것이 공지되어 있다.
이러한 장애가 되는 단점을 완화시키기 위해, 적어도 하나의 금속 기판에 다이아몬드 기판을 접합시키기 위한 본 발명의 방법은 두개의 열압축 공정을 기초로 하고 있다.
제1 열압축 공정은 다이아몬드 기판과 적어도 하나의 알루미늄 포일의 단편을 포함한다.
다이아몬드 기판의 표면들 중 하나는 알루미늄 포일의 단편으로 덮혀진다.
알루미늄 포일-및-다이아몬드 조립체는 제어된 분위기하의 열압축기 챔버에 배치된다.
제1 열압축 공정은 아르곤하에서 또는 진공하에서 발생하고, 이것은 알루미늄 포일과 다이아몬드 기판을 서로 접합시키며, 이에 의해서 복합 다층 기판을 형성한다. 다른 예에서, 다이아몬드 기판은 알루미늄 포일의 두개의 단편 사이에 샌드위치된다. 열압축을 수행하기 위해 수반된 온도는 CVD 다이아몬드가 안정적인 약 600 ℃이다.
제1 열압축 공정에서 형성된 복합 다층 기판은 하나 이상의 금속 기판 상에 배치되는 데, 알루미늄 표면(들)이 금속 기판(들)과 접촉한다.
이어서, 제2 열압축 공정은 알루미늄 표면(들)과 금속 기판(들)이 서로 접합하도록 한다. 이때 다시 수반된 열압축 온도는 약 600 ℃이다.
본 발명의 방법에 따른 제1 열압축 공정의 예에서, 열압축 온도는 550 ℃ 내지 650℃ 범위 내에 놓여지고, 열압축을 수행하기 위해 적용된 압력은 100 kg/cm2내지 150 kg/cm2범위 내에 놓여진다.
금속 기판이 구리 기판일 때, 제2 열압축의 온도는 500 ℃ 내지 550 ℃범위 내에 놓여지고, 제2 열압축용으로 적용된 압력은 100 kg/cm2내지 150 kg/cm2범위 내에 놓여진다.
본 발명의 제한적이 아닌 예시적인 예에서, 300 ㎛의 다이아몬드 기판과, 100 ㎛의 알루미늄 포일 단편과, 300 ㎛의 구리 기판이 서로 접합되었다. 전체 열 저항은 2.9 × 10-6K/W, 즉 종래 기술에서보다 5배 정도 적다.
이러한 열 정항의 감소로부터 다양한 장점들이 직접적으로 발생한다:
먼저, 다이아몬드의 사용은 AlN보다 구매하기에 약 10배 이상의 비용이 발생하지만 제품 경쟁력이 있다.
둘째로, 전자식 파워 모듈은 절연체의 두께를 감소시킴으로써, 그리고 열 제거 수단의 크기를 감소시킴으로써 보다 소형으로 만들어질 수 있다.
마지막으로, 등가의 치수의 경우에 훨씬 더 높은 파워가 전자식 모듈을 통해 통과될 수 있다.
자연적으로, 본 발명은 상술된 예에 한정되지 않으며, 그의 보다 다양한 변형이 본 발명을 벗어남이 없이 본 기술 분야의 숙련된 당업자들에게 명백할 수 있다. 특히, 금속 기판의 재료는 구리외의 다른 것이 될 수 있고, 유사하게 알루미늄 포일은 다이아몬드의 변형 온도보다 낮은 온도에서의 열압축에 의해 다이아몬드 기판을 금속 기판에 접합시킬 수 있는 어떠한 재료로도 대체될 수 있다.

Claims (5)

  1. 다이아몬드 기판을 적어도 하나의 금속 기판에 접합시키는 방법에 있어서,
    다이아몬드 기판의 표면들 중 적어도 하나를 알루미늄 포일의 단편으로 덮는 단계와,
    상기 다이아몬드 기판과 상기 알루미늄 포일의 단편을 제어된 분위기하의 챔버에 배치하여 이들을 아르곤하에서 또는 진공하에서 제1 열압축 공정에 의해 서로 접합함으로써 복합 다층 기판을 형성하는 단계와,
    상기 복합 다층 기판을 알루미늄 표면이 금속 기판과 접촉하도록 금속 기판 상에 배치하는 단계와,
    상기 복합 다층 기판과 상기 금속 기판을 제2 열압축 공정을 수행함으로써 서로 접합하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합 다층 기판은 알루미늄 포일의 두개 단편 사이에 샌드위치된 상기 다이아몬드 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 열압축 공정에서, 열압축 온도는 550 ℃ 내지 650 ℃ 범위에 있고, 이 열압축을 수행하기 위해 적용된 압력은 100 kg/cm2내지 150 kg/cm2범위에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 기판은 구리 기판인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 열압축 공정에서, 열압축 온도는 500 ℃ 내지 550 ℃ 범위에 있고, 이 열압축을 수행하기 위해 적용된 압력은 100 kg/cm2내지 150 kg/cm2범위에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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