KR20050104280A

KR20050104280A - 하이브리드 무기입자 충전재를 포함하는 열전도성 물질 및이의 제조방법

Info

Publication number: KR20050104280A
Application number: KR1020040029660A
Authority: KR
Inventors: 김준경; 박민; 이상수; 윤호규; 이건웅; 이재익
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-02
Also published as: KR100559366B1

Abstract

본 발명은 높은 열전도도와 낮은 열팽창 계수를 갖는 전자 패키징용 열관리재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고분자 수지 내에 서로 다른 형상의 무기입자를 충전함으로써 열전도 네트워크를 형성하고, 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자 패키징용 열전도성 재료에 관한 것이다.

Description

하이브리드 무기입자 충전재를 포함하는 열전도성 물질 및 이의 제조방법{THERMALLY CONDUCTIVE MATERIALS WITH HYBRID INORGANIC FILLER AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 전자패키징 열전도성 재료로서 전자 부품이나 기기 등의 동작 중에 발생되는 열을 원활하게 방출시키기 위한 방열 재료에 사용되는 열전도성 물질에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열전도성이 우수한 열전도 조성물 및 이 조성물을 이용한 방열기구의 제조방법에 관한 것이다.

프린트 배선 기판 상에 실장되는 전자 부품인 CPU 등의 IC 패키지는 사용 시의 발열에 의한 온도상승에 따라 성능이 저하되거나 파손되는 일이 있기 때문에, 이러한 현상을 방지하기 위하여, IC 패키지와 방열핀 등의 사이에 열 전도성이 좋은 방열 시트나 방열 그리스가 사용되고 있다. 그러나, 전자부품 등의 고성능화에 따라서, 그 발열량이 해마다 증가하기 때문에, 열전도성이 보다 우수한 물질의 개발이 요망되고 있다.

전자기기의 경박 단소화, 고집적화 및 고성능화로 발전되면서 소요되는 전력량이 증가함에 따라 발생되는 열 역시 증가하게 되었다. 전자 패키징용 소재에 요구되는 특성으로 열의 원활한 방출을 위한 높은 열전도도와 소자의 파단 또는 솔더의 파괴원인이 되는 열응력의 최소화를 위한 성질 외에 고강도 및 인성, 저밀도, 저비용, 실형상(Near-Net Shape)에 근접한 제조 공정 등이 요구되고 있다.

현재, 대부분의 반도체 패키지는 실리카 입자를 함유한 에폭시 몰딩 컴파운드 (EMC)로 봉지되고 있다. 또한, 마이크로 패키징의 열관리 재료로는, 열전도가 높은 무기입자로 충전된 에폭시 또는 실리콘 재료가 사용되고 있으나 무기 입자의 높은 충전량에 따른 유동성의 문제, 입자 분산의 문제 등이 발생하고 있으며, 전자 기기가 소형화, 고밀도화, 고속화되어 감에 따라 반도체 패키지 재료의 열관리 문제가 현재보다 더욱 보완되어야 하는 상황이다.

일본 공개특허공보 소61(1986)-157569호 및 소63(1988)-251466호는 유기 폴리실록산, 유기 하이드로겐 폴리실록산의 수지에 평균 입도 10 내지 50의 구형 알루미나 분말, 평균입도 10 미만의 구형 또는 비구형 알루미나 분말 및 백금 또는 백금화합물로 이루어지는 열전도성 실리콘 고무 조성물을 언급하고 있다.

일본 공개특허공보 평02(1991)-041362호는 알케닐 그룹을 함유하는 유기 폴리실록산, 유기 하이드로겐 폴리실록산의 수지에 평균입도 0.1 내지 5의 무정형 알루미나 분말, 평균입도 5 내지 50의 구형 알루미나 분말, 및 백금 촉매로 이루어지는 열전도성 실리콘 고무 조성물을 언급하고 있다.

일본 공개특허공보 평02-041362호는 분자당 2 개 이상의 규소-결합된 알케닐 그룹을 함유하는 유기 폴리실록산, 분자당 3 개 이상의 규소-결합된 수소 원자를 함유하는 유기 하이드로겐 폴리실록산, 평균입도 5 내지 20의 열전도성 충전재, 접착 촉진제, 및 백금 또는 백금 화합물로 이루어지는 열전도성 실리콘 고무 조성물을 언급하고 있다.

그러나, 이러한 열전도성 실리콘 고무 조성물로부터 고도의 열전도성 실리콘 고무를 형성하기 위해서는 열전도성 실리콘 고무 조성물 중의 열전도성 충전재 양에 유의하여야 하는데, 충전재 함량의 증가에 따라 이들의 취급 특성 및 성형성이 약화되는 문제가 발생한다. 또한, 기존의 구형에 가까운 입자만으로는 충분한 열전도 네트워크를 제공하기 어려워 충전입자의 함량이 과다해지고, 수지의 함량이 감소하면서 유동성 및 성형성이 저하되는 문제점이 있다.

전자기가 소형화, 고속화되어 감에 따라, 반도체 패키지 재료의 열관리 문제가 심각하게 대두되고 있고, 전자기기의 오작동 원인 중 80 % 이상이 열에 기인한다는 사실로부터 보다 효과적인 열관리 소재의 필요성이 대두되고 있다. 또한, 플립 칩 (flip chip) 기술에서도 고성능 소자에서 방출되는 열을 효과적으로 히트 싱크 (heat sink) 또는 히트 스프레더 (heat spreader)로 전달해 주는 계면 재료의 수요도 급증하고 있다.

상기한 문제점을 해결하고 요구에 부응하기 위하여, 본 발명자들은 높은 열전도도를 가질 것, 실장이 용이하도록 충분한 저점도를 유지할 것, 전기적으로 절연성일 것, 및 열이력에 따른 열팽창 계수가 작을 것의 네 가지 요구를 충족할 수 있는 고분자계 입자 분산 복합 재료를 개발하기 위하여, 열전도성 충전재의 패킹과 열전도 네트워크 형성에 대한 개념을 바탕으로, 여러 요인에 의하여 변화되어 나타나는 열전도도와 열팽창 계수의 측정을 시도하였으며, 열전도도 네트워크 형성에 관련한 실험으로부터 판상형 입자 또는 침상형 입자와 구형 입자를 동시에 사용함으로써 혼합 충전 입자에 의한 상승효과를 발견하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 패키징 재료의 다른 성능 및 기능을 유지하면서 고열방성 기능을 갖는 열전도성 물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 높은 열전도도와 낮은 열팽창 계수를 갖는 열전도성 물질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일반적인 고분자 수지 내에 서로 다른 형상을 갖는 하이브리드 무기입자 충전재가 충전됨으로써 열전도 네트워크를 형성하여, 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 열전도성 물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 효율적인 열전도와 낮은 열팽창 계수를 갖도록 하기 위하여, 서로 다른 형상의 하이브리드 무기 충전입자를 충전하여 사용한다. 충전재로서 구형의 입자와 침상형 입자 또는 판상형 입자가 혼합된 하이브리드 충전재를 적용하는 경우, 구형 입자를 단독으로 적용하는 경우와 비교하여, 같은 입자 함량에서 40% 이상 상승된 열전도도를 얻을 수 있다 (표 3 및 표 4 비교). 이러한 열전도도의 상승은 두 입자의 고유 열전도도를 고려하면 매우 획기적인 상승효과이며, 이종입자로 된 열전도 네트워크의 구성이 열전도도를 상승시키는데 매우 효과적이라는 것을 보여준다. 또한, 본 발명은 전처리 단계를 통하여 높은 함량에서의 입자의 분산성을 개선하여 보다 개선된 열전도도를 얻을 수 있다.

우선, 본 발명은 일반적인 고분자 수지 내에 충전재로서 서로 다른 형상을 갖는 하이브리드 무기입자 충전재가 충전됨으로써 열전도 네트워크를 형성하여, 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 열전도성 물질에 관한 것이다.

상기 고분자 수지로서 실리콘 수지 등과 같은 액상 수지, 에폭시 수지 또는 페놀수지와 같은 페스트상 수지, 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)와 같은 압출 및 사출이 가능한 고상의 열가소성 수지를 사용할 수 있다.

상기 무기입자는 구형 입자, 판상 입자 또는 침상입자일 수 있다. 즉, 본 발명은 일반적인 고분자 수지에, 구형 무기입자, 판상 무기입자 및 침상 무기입자 중에서 선택된 2 가지의 서로 다른 형상을 갖는 무기입자가 충전된 열전도성 물질을 제공한다.

본 발명의 구체 예에 있어서, 상기 구형 무기 입자는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 Al₂O₃이고, 판상 무기입자는 보론 나이트라이드 (BN)이고, 침상 무기입자는 AlN 휘스커, 다층 카본 나노튜브 (MWNT), 실리콘 카바이드 휘스커 (SiCw) 또는 규회석 (wollastonite)일 수 있다.

이 중에서 AlN은 불규칙한 구형이며 고유 열전도도가 매우 높은 무기입자 중의 하나이다. 규회석과 실리콘 카바이드 휘스커는 침상형 입자이며, 특히 규회석은 고유 열전도도가 상대적으로 낮은 재료이다. BN은 판상형 충전재로서 다른 충전재들과 비교하여 최대 충전률이 훨씬 작은 것으로 알려져 있다. 본 발명에 있어서, 상기와 같이 최대 충전률이 낮은 판상형 BN 입자를 사용하여서도 열전도 네트워크를 형성할 수 있다.

본 발명의 구체예에서 사용된 무기 충전 입자 및 고분자 수지의 기본적인 물성을 다음의 표 1에 나타내었다.

본 발명의 열전도성 물질은 일반적인 고분자 수지에 충전재로서 서로 다른 입자구조를 갖는 하이브리드 무기입자 충전재를 충전시켜, 도 1에서 보여지는 바와 같이, 물질 내부에 열전도 네트워크를 형성시킴으로써, 기존의 고분자 수지에 구형의 무기입자로만 충전된 경우와 비교하여, 동일한 충전함량에서 현저하게 증가한 열전도도를 갖게 된다 (하기의 표 3 및 표 4 비교). 따라서, 본 발명의 열전도도 물질은 상대적으로 적은 함량의 충전 입자로 충전되면서도 우수한 열전도도를 가질 수 있게 되어, 충전 입자 함량 과다로 인한 고분자 수지 함량의 감소에 따른 수지의 성형성 및 유동성 저하 문제를 해결할 수 있다.

하기의 표3 및 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 이종 입자 구조 충전재의 총함량이 열전도성 재료의 부피에 대하여 50 부피% 이하인 경우에는, 단일 입자 구조의 충전재를 함유하는 경우와 비교하여 현저한 열전도성의 증가 효과를 나타내는데 반하여, 이종 입자 구조 충전재의 총 함량이 60 부피% 이상인 경우에는 뚜렷한 열전도성 증가 효과가 나타나지 않는다. 따라서 본 발명의 이종 입자 구조 충전재의 총 함량은 열전도성 물질 부피에 대하여 50 부피% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이종입자 간의 함량비는 구형입자와 침상 입자의 비율이 9:1 ~ 6:4인 것이 바람직하다. 예컨대, A-100과 GF-300의 함량비는 부피비로 7:3이 바람직하고, A-500과 SiCw는 부피비로 86:14가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 충전재 무기입자의 표면을 개질시켜 충전시킴으로써, 높은 함량으로 충전된 경우에도 무기입자의 분산성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 분산성의 향상은 충전재의 고함량 충전시 고분자 수지 내의 기공 형성을 억제시켜 포논(phonon)의 산란을 방지하여 열전도도의 상승효과를 가져온다 (표 4 참조). 이 때, 상기 충전재 무기입자의 표면을 티타네이트 또는 실란과 같은 표면처리제에 의하여 개질시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 일반적인 고분자 수지에 서로 다른 입자 형상을 갖는 하이브리드 무기입자 충전재를 충진시켜, 수지 내에 열전도 네트워크를 형성시키는 단계를 포함하는, 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 열전도성 물질의 제조방법을 제공한다. 상기 본 발명의 열전도성 물질 제조방법은 전처리 과정으로서, 충전재 무기입자의 표면을 개질시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 무기입자로서 구형 입자, 판상 입자 또는 침상입자일 수 있다. 즉, 본 발명은 일반적인 고분자 수지에, 구형 무기입자, 판상 무기입자 및 침상 무기입자 중에서 선택된 2 가지의 서로 다른 형상을 갖는 무기입자를 사용할 수 있다. 본 발명의 구체예에 있어서, 상기 구형 무기 입자는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 Al₂O₃이고, 판상 무기입자는 보론 나이트라이드(BN)이고, 침상 무기입자는 AlN 휘스커, MWTN, 실리콘 카바이드 휘스커 (SiCw) 또는 규회석 (wollastonite)일 수 있다. 이 때, 상기 서로 다른 형상을 갖는 무기입자의 전체 충전함량은 전체 열전도성 물질 부피에 대하여 50 부피% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 충전재 무기입자의 표면의 개질을 위하여, 티타네이트 또는 실란과 같은 표면처리제를 사용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의하여, 높은 열전도도와 낮은 열팽창 계수를 갖는 전자 패키징 소재를 얻을 수 있으며, 원하는 열전도도의 달성을 위한 충전입자의 함량이 상대적으로 감소하여 유동성, 인성 및 작업성, 생산성이 우수한 저밀도 부품 소재의 제조가 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하겠으나, 이들 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

재료

입자 형상에 따른 열전도 네트워크의 영향을 분석하기 위하여, 구형입자로서 두 종류의 알루미늄 나이트라이드(AlN) A-100 및 A-500을 사용하고, 판상 입자로서 보론 나이트라이드(BN)을 사용하고, 침상입자로서 실리콘 카바이드 휘스커 (SiCw)와 두 종류의 규회석 GF-300 및 GH-150을 사용하였다. 상기 판상형 BN은 최대 충진률이 다른 충진재에 비하여 훨씬 낮은 것을 이용하여, 낮은 충진재 함량에서도 열전도 네트워크가 형성될 수 있음을 확인하기 위하여 사용하였다.

또한, 고분자 수지로서 신에츠사로부터 입수한 이액형 실리콘 엘라스토머인 KE-1300 및 열가소성 수지인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)를 사용하였다.

사용된 충전재 무기입자 및 고분자 수지의 물성을 다음의 표 1a에 정리하였다.

물질		밀도(g/cm³)	CTE(ppm/℃)	입자크기 (㎛)	열전도도 (W/mK)
수지	HDPE	0.945	160 내지 200	< 150	0.33
수지	실리콘 엘라스토머	1.04	-	액상	0.22
충전재	AlN (A-100 & A-500)	3.26	2.5 내지 5.0	3 내지 5 & 20	150 내지 220
	규회석(GF-300 & GH-150)	2.8	6.5	40 내지 5& 60 내지 70	2.5
	SiCw	3.2	4.7	10 내지 15	85
	BN	2.27	4.3	4 내지 5	30 내지 80

이 외에도, 충전재로서 Al₂O₃(구형입자), AlN 휘스커(침상입자), MWNT(침상입자) 등을 사용할 수 있으며, 고분자 수지로는 에폭시 수지, 또는 액상 실리콘 수지 중 전도성이 부여된 형태로서 통상적인 액상 실리콘에 비하여 열전도도가 2 내지 3배 정도 우수한 액상 실리콘 수지 등을 사용할 수 있다. 상기 물질들의 물성을 다음의 표 1b에 나타내었다.

재료		밀도	열전도도(W/mK)
충전재	Al₂O₃	4 내지 4.5	20 내지 50
	AlN 휘스커	3.26	150 내지 220
	MWNT	1.7	1800 내지 3000
수지	에폭시 수지	1.2	0.25
수지	액상 실리콘 수지	1.04	0.6 내지 0.7

충전재 입자의 전처리

충전재 입자의 분산 정도에 따른 열전도도 변화를 확인하기 위하여 티타네이트 커플링제 (KR-138S, I.S.A. 상사, 대한민국)를 사용하여 충전재(A-100, A-500, GF-300, SiCw)를 전처리하였다. 충전재의 0.5 wt.% 되는 양의 티타네이트 커플링제를 이소프로필알코올(IPA)에 녹인 후, 상기 용액에 충전재를 넣고, 70 ??에서 기계식 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 2 시간 동안 혼련하였다, 이 때 사용되는 IPA의 양은 사용될 충전재 부피의 약 3배인 것이 바람직하다. 처리된 충전재를 100 ℃에서 24 시간 동안 진공 건조하여 IPA를 완전히 제거한 후, 수분과의 접촉을 막기 위하여 100 ℃에서 보관하였다.

시편 준비

상기한 바와 같이, 열가소성 수지로서 입자상으로 구성되어 사출 성형을 통해 시험편 성형이 용이한 HDPE를 사용하였다. 충전재 입자는 사용 전 100 ℃에서 6 시간 이상 건조시켜 사용하였고, HDPE는 60 ℃에서 건조하여 사용하였다. 충전입자와 HDPE를 헨쉘 믹서 (Henschel mixer, 홍보 테크. 한국)에서 약 4,000 rpm으로 15 분 동안 건식 혼합하였고, 충전재의 함량이 10 vol.%, 30 vol.% 및 50 vol.%인 복합재료는 사출성형기 (Babyplast, USA)를 이용하여 250 ℃에서 길이 65 mm, 넓이 15 mm, 두께 3 mm의 막대 형태로 제조하였고, 60 vol.% 이상의 고충전 샘플에 대해서는 압축성형기 (Tetrahedron, USA)를 사용하여 200 ℃에서 사출성형물과 동일한 형태로 제조하였다.

또한, 실리콘 수지로서 액상인 이액형 실리콘 엘라스토머를 사용하였으며, 상기와 동일한 조건에서 기계 혼련을 통하여 페이스트 상으로 혼합한 후, 두께 1 mm 정도의 필름으로 성형하였다.

AlN(A100)-규회석(GF-300), AlN(A500)-SiCw 시스템의 혼합비는 Milewski 실험과 재료 모사를 통하여 최적비를 얻었다. 그 결과 A-100과 GF-300의 함량비는 부피비로 7:3이 바람직하고, A-500과 SiCw는 부피비로 86:14가 바람직한 것으로 나타났다.

열전도도 및 열팽창계수 측정

열전도도는 TC probe^TM(Perkin-Elmer, USA)를 사용하여 측정하였다. 각 샘플의 지속시간 (duration time)으로서 블라터법 (blotter method)에 의하여 구한 이탈시간 (deviation time)을 적용하였다. 시편 측정과 눈금조정 (calibration)은 30 ??에서 실시하였고, 눈금조정 시 적용되는 HDPE의 유출도 (effusivity) 값은 TC 프로브에서 제시한 값을 사용하였다. 프로브와 시편과의 열적 접촉저항을 최대한 줄이기 위하여 열 그리스(thermal grease, YG-6111, Toshiba, Japan)를 시편에 바르고 700 g 정도의 추를 올려놓고 측정하였다.

열팽창계수의 측정은 TMA-7 (Perkin-Elmer, USA)을 사용하였다. 시험 조건은 30 내지 80 ℃의 범위에서 5 ℃/min.로 승온하였고, 탐침봉이 샘플에 가하는 정압은 50.00 mN이었다. 시편과 프로브가 접촉하는 면을 평평하게 하기 위하여 시편을 연마하여 측정하였다. 모든 시편에서 열팽창계수는 40 ℃ 일 때 값을 채택하였다. 얻어진 열팽창계수값을 하기의 표 2에 나타내었다.

시편	열팽창계수 (ppm/℃)
A100 10%	100
A100 30%	80
A100 50%	58
A100 60%	42
처리된 A100 60%	30
A100/GF300 10%	108
A100/GF300 30%	75
A100/GF300 50%	66
A500/SiCw 10%	157
A500/SiCw 30%	90
A500/SiCw 50%	80
A500/SiCw 60%	25
처리된 A500/SiCw 60%	13

상기 표 중에서 "처리된"은 상기 충전재 입자의 전처리에서 언급한 티타네이트 표면처리제를 이용한 전처리를 거친 것을 의미한다.

비교예: 구형 충전입자 패키징 재료의 열전도도

충전재로서 구형의 AlN만을 사용하여, 상기한 방법에 의하여, 입자 함량별로 시편을 제조하고, 열전도도를 측정하여 그 결과를 아래의 표 3에 나타내었다. 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 충전 입자 함량이 증가함에 따라 열전도도가 상승하였고, 높은 충전재 함량에서 (충전재 함량 50 및 60 vol.%) 열전도도가 급격히 상승하는 경향을 보였다.

표 3에 있어서, 입자크기가 각각 3 - 5 ㎛ 및 20 ㎛인 AlN(A-100)과 AlN(A-500) 시편에 대한 결과는 열전도도가 입자 크기에 의하여 영향을 받는다는 사실을 보여준다. 이는 충전재의 입자크기가 열전도도에 영향을 주는 열이 전도될 수 있는 경로의 두께에 영향을 미치기 때문인 것으로 보인다. 전자현미경 사진 확인 결과 입자크기가 큰 AlN(A-500)에 의해서 매트릭스 내에서 더 두껍고 넓은 경로가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 두껍고 넓은 열전도도 경로는 충전재와 수지와의 계면에서 발생할 수 있는 포논의 산란을 줄여주는 역할을 한다. 따라서, 더 높은 열전도도를 얻을 수 있었다.

상기의 구형 입자로 충전된 열전도성 물질의 열전도도는 하기의 표 2에 나타낸 바와 같다.

충전재 함량 (vol.%)	열전도도 (W/mK)
충전재 함량 (vol.%)	AlN(A-100)	AlN(A-500)	BN
0	0.33	0.33	0.33
10	0.46
30	0.744
50	0.98		3.65
60	2.01	2.42
70	2.31
75	2.26
	비교예 1	비교예 2	비교예 3

상기 비교예 1 및 비교예 2에서 보는 바와 같이, 입자 충전 비율이 증가함에 따라 열전도도가 증가하다가 높은 함량에서 약간 감소하는 경향을 보인다는 것을 알 수 있다. 높은 함량에서 입자 분산성이 감소하여 시편 내부에 공기 등이 혼합되어 열전도도를 저하시키며, 특히, 높은 함량에서 유동성에 심각한 저하가 발생한다. 두 종류의 AlN 중에서 입경이 큰 A-500의 경우 약간 높은 열전도도를 보여준다. 반면, 비교예 3에서 보는 바와 같이, 판상형 입자인 BN은 50 vol.%에서도 매우 높은 열전도도를 보여주고 있다. 즉, 열전도도의 증가에 있어서, 입자 충전비율보다 열전도 네트워크를 형성시키는 것이 보다 중요함을 알 수 있다.

침강법으로 조사한 BN 입자의 최대 충전율은 30 vol.% 미만의 값을 보였다. 따라서 BN 입자에 의해서 형성되는 열전도 네트워크는 AlN에 비하여 훨씬 낮은 충전재 함량에서 형성된다. 이것은 BN으로 제조된 시편이 저충전에서도 높은 열전도도를 보이는 원인이 된다.

실시예 1 내지 3: 이종 형태 입자로 구성된 하이브리드 충전재로 충전된 열전도성 물질의 열전도도

불규칙 구형의 AlN 입자와 침상인 규회석 입자를 혼합하여 시편을 성형하고 열전도도를 측정하여 다음의 표 4에 요약하였다.

충전재 함량 (vol.%)	열전도도 (W/mK)
충전재 함량 (vol.%)	AlN-규회석(GF-300)	AlN-규회석(GF-150)	AlN-SiCw
0	0.33	0.33	0.33
10	0.656		0.75
30	0.85		1.1
50	1.5		1.8
60	2.4	2.3	2.85
	실시예 1	실시예 2	실시예 3

실시예 1에서 보는 바와 같이, 하이브리드 충전재는 단독 충전재를 사용했을 때보다 50 vol.%의 충전재 함량까지는 더 높은 열전도도 값을 보였지만, 60 vol.%에서는 하이브리드 충전재에 의한 열전도도의 상승효과를 얻을 수 없었다. 이는 AlN-규회석의 최대 충진율이 AlN의 경우보다 상대적으로 낮은 것에 기인한다. 반면, 규회석의 열전도도가 매우 낮음에도 불구하고 동일한 부피 충전 비율에서 AlN-규회석 충전계의 열전도도가 개선되는 것은 주목할 만한 결과이다.

실시예 2는 침상형 입자의 형상비(aspect ratio)에 따른 열전도도를 확인하기 위하여 규회석(GH-150)을 사용한 것이다. 표 4의 결과에 알 수 있는 바와 같이, 이와 같은 형상비가 다른 입자의 사용이 열전도도의 상승에 큰 효과를 나타내지 않는 것으로 나타났다. 이로부터 침상형 입자의 형상비보다는 두 가지 종류의 입자구조로부터 형성되는 열전도 네트워크가 보다 효과적인 열전도도 상승 요인이며, 이러한 열전도 네트워크에 의하여 입자의 고유 열전도도와 대비하여 매우 높은 열전도도 값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

실시예 3은 규회석을 대신하여 침상형 입자 종류를 변경한 것으로 SiCw 입자는 침상형 구조를 가지면서 고유 열전도도가 높은 재료이다. 다음의 표 4에서 보는 바와 같이 침상형 입자의 고유 열전도도가 증가하면서 보다 높은 열전도도를 얻을 수 있다.

상기 표 3 및 표 4의 결과를 도 2에 그래프로 나타내었다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 구형 입자만을 단독으로 충전시킨 경우보다 구형 입자와 침상 입자를 혼합하여 충전시킨 경우에 현저하게 열전도도가 증가되는 것을 다시 한 번 확인 할 수 있다.

실시예 4 내지 6: 분산성 향상을 위한 표면개질의 효과

부피비 충전에서 입자의 고함량으로 인하여 분산성이 감소하는 현상이 발생한다. 입자 분산성의 개선을 위하여 티타네이트 계열의 표면 개질제를 도입하였고, 부피비 60%의 경우에 적용하였다. 전처리된 충전재의 60 vol.%의 고충전 샘플에서 입자의 분산성이 열전도도에 영향을 미친다는 사실을 표 4에 나타내었다 (실시예 4 및 5). 분산성의 향상은 고충전시 발생할 수 있는 매트릭스 내의 기공 형성을 억제시켜 포논의 산란을 막아주기 때문에 열전도도 상승을 가져온다.

반면 AlN-SiCw (실시예 6)에서는 열전도도 상승을 얻을 수 없었다. 이는 세 가지의 경우 중 AlN-SiCw가 가장 큰 최대 충진율을 갖는 것에 기인한다. 충전재 함량이 큰 시편의 경우에는 수지 내 충전재의 분산성이 좋은 경우가 뭉쳐있는 경우보다 더 효율적인 열전도도 네트워크를 형성한다. 그러나 최대 충진율이 클수록 분산정도가 열전도도에 미치는 효과는 줄어들 것으로 생각된다.

다음의 표 5는 분산성 향상을 위한 표면 개질의 효과를 나타낸 것이다.

충전재함량 (vol.%)	열전도도 (W/mK)
충전재함량 (vol.%)	AlN	AlN-규회석(GF-300)	AlN-SiC_w
0	0.33	0.33	0.33
60	2.13	2.65	2.9
	실시예 4	실시예 5	실시예 6

이상과 같이 고유 열전도도가 낮더라도 이종 입자구조를 이용한 열전도 네트워크를 형성함으로서 낮은 충전재 함량에서 높은 열전도도를 얻을 수 있으며, 입자의 고유 열전도도가 높을수록 하이브리드형 열전도도는 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 이상의 효과를 전자 패키징 재료에 도입하면 보다 적은 입자 충전 함량에서 고열전도도를 얻을 수 있으며, 패키징 재료의 유동성과 작업성 및 성형성을 획기적으로 개선할 수 있다.

검토

일반적으로, 고분자 복합재료의 열전도도 값은 충전재의 열전도도에 크게 의존하지 않는다. 따라서 본 발명에서는 복합재료의 열전도도는 재료 내에서 형성되는 열전도 네트워크에 의존한다는 가정 하에서 실험을 진행하였다. 그 결과, 구조 형성용 충전재인 규회석을 첨가한 하이브리드 시스템에서 더 높은 열전도도를 얻을 수 있었다. 또한, 충전재와 매트릭스 사이의 계면을 줄여 포논의 산란을 감소시키는 실험에서도 1 내지 2 배 정도의 열전도도 상승을 얻을 수 있었다. 티타네이트에 의한 입자 전처리는 충전재의 분산성을 향상시켜 고충전시 형성되는 기공을 줄이고 그에 따라 포논의 산란도 줄임으로써 열전도도를 향상시켰다.

그러나, AlN-SiCw 60 vol.%에서는 티타네이트 코팅을 한 충전재와 하지 않은 경우가 비슷한 열전도도를 보였는데, 이는 분산성에 따른 열전도도 변화는 최대 충진율과 관계가 있다는 것을 보여준다. 본 발명의 실험 결과에서도 최대 충진율이 가장 낮은 AlN-규회석의 경우가 티타네이트 코팅에 따른 가장 높은 열전도도 상승을 보였다. 충전재 중에서 상대적으로 낮은 열전도도를 가진 충전재이지만 최대 충진율이 훨씬 작은 BN 복합 재료의 경우 가장 높은 열전도도를 보였다. 열팽창 계수는 충전재 함량이 증가할수록 낮아지는 경향을 보였고, 충전재의 열팽창계수가 높으면 복합재료에 그 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 열전도성 물질은 서로 다른 형상의 무기입자를 충전함으로써 내부에 열전도 네트워크가 형성되어 열전도도가 현저하게 상승된 물질이며, 이러한 우수한 열전도도에 의하여 전자 패키징용 재료로서 매우 유용하다. 또한, 본 발명의 열전도성 물질은 원하는 열전도도의 달성을 위한 충전입자의 함량이 상대적으로 적기 때문에, 유동성, 인성 및 작업성, 생산성이 우수한 저밀도 부품 소재의 제조를 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 사용되는 이종입자에 대한 열전도 네트워크 구조도를 보여주는 것이다.

도 2는 본 발명에 의하여 제조된 열전도성 재료의 열전도도 비교도이다.

Claims

일반적인 고분자 수지 내에 서로 다른 형상을 갖는 무기입자 하이브리드 충전재가 충전되어 열전도 네트워크를 형성함으로써, 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 열전도성 물질.
제 1 항에 있어서, 상기 충전재 무기입자가 티타네이트 또는 실란으로 표면개질되어 충전된 열전도성 물질.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 수지가 실리콘 수지를 포함하는 액상 수지, 에폭시 수지 및 페놀 수지를 포함하는 페이스트상 수지, 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 포함하는 고상의 열가소성수지 중에서 선택된 것인 열전도성 물질.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무기입자 하이브리드 충전재가 구형 입자, 판상 입자 및 침상 입자 중에서 선택된 2 가지의 서로 다른 형상을 갖는 무기입자가 혼합되어 열전도 네트워크를 형성하는 열전도성 물질.
제 4 항에 있어서, 상기 구형 입자가 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 Al₂O₃이고, 판상 무기입자가 보론 나이트라이드(BN)이고, 침상 입자가 일루미늄 나이트라이드(AlN) 휘스커, 다층 카본 나노튜브(MWNT), 실리콘 카바이드 휘스커 (SiCw) 또는 규회석 (wollastonite)인 열전도성 물질.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하이브리드 충전재의 총함량이 열전도성 물질의 부피에 대하여 50 부피% 이하인 열전도성 물질.
고분자 수지에 서로 다른 입자 형상을 갖는 무기입자 하이브리드 충전재를 충진시켜, 열전도 네트워크를 형성시키는 단계를 포함하는, 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 열전도성 물질의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 전처리 과정으로서, 티타네이트 또는 실란을 사용하여 상기 하이브리드 충전재 무기입자의 표면을 개질시키는 단계를 추가적으로 포함하는 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 고분자 수지로서 실리콘 수지를 포함하는 액상 수지, 에폭시 수지 및 페놀 수지를 포함하는 페이스트상 수지, 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 포함하는 고상의 열가소성 수지 중에서 선택된 것을 사용하는 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 무기입자 하이브리드 충전재로서 구형 입자, 판상 입자 및 침상 입자 중에서 선택된 2 가지의 서로 다른 형상을 갖는 무기입자를 혼합하여 사용하여 열전도 네트워크를 형성시키는 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 구형 입자로서 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 Al₂O₃를 사용하고, 상기 판상 무기입자로서 보론 나이트라이드(BN)를 사용하고, 상기 침상 입자로서 일루미늄 나이트라이드(AlN) 휘스커, 다층 카본 나노튜브(MWNT), 실리콘 카바이드 휘스커 (SiCw) 또는 규회석 (wollastonite)을 사용하는 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 하이브리드 충전재를 열전도성 물질의 부피에 대하여 50 부피% 이하로 충전시키는 방법.