KR20110012559A - 열전도성 기판 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

높은 열전도도를 나타내어, 보다 작은 면적의 열전도성 기판으로도 효율적으로 열방출이 가능한 열전도성 기판 및 그의 제조방법이 제안된다. 제안된 열전도성 기판은 하부히트싱크층과 하부히트싱크층 상에 접촉하면서 형성되는 열전도체, 및 열전도체 사이를 충전하는 절연 접착부를 포함하는 열전도층, 그리고 열전도층 상에 형성되되, 열전도체와 접촉되어 하부히트싱크층으로 열을 방출하는 상부층을 포함한다.
히트싱크, 다이아몬드, 질화붕소, 접착층

Description

열전도성 기판 및 그의 제조방법{Thermal conductive substrate and manufacturing method of the same}
본 발명은 열전도성 기판 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 열전도도를 나타내어, 보다 작은 면적의 열전도성 기판으로도 효율적으로 열방출이 가능한 열전도성 기판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 소자 등의 전자부품을 탑재한 회로기판은 예를 들어, 가전제품, 자동차, 전기장비의 전자 제어 장치에 사용되는 등 다양한 분야에 필수적으로 사용되고 있다. 장치의 소형화를 위한 급속한 진보에 의해, 회로기판의 고기능화 및 고집적화에 대한 요구가 더욱 더 증가되고 있고, 그 결과 회로 등에 국부적으로 발생된 열의 양이 증가되는 경향이 있다. 회로기판은 전기절연성 등의 전기적 신뢰성 이외에 고열전도성을 갖는 것이 요구되는데, 발생한 열이 외부로 적절히 배출되지 않고축적되면 회로의 내구성에 악영향을 초래하게 된다.
방열을 위해, 고열전도성을 갖는 방열판 또는 금속제 핀과 회로기판 등을 조 립하여 서로 접촉시킴으로써 열전사 및 열전도시키는 방법이 사용된다. 그러나, 이들 2개의 부재가 이음부에서 대전되거나 단락되면, 회로는 파괴되는 문제점이 발생한다.
따라서, 고 전기 절연성을 갖는 유기 폴리머 조성물을 포함하는 수지 조성물층이 회로기판 및 방열판 등의 사이에 끼워져 절연시킨다. 그러나, 절연을 위한 유기 폴리머 조성물은 열전도율이 낮고, 단독으로 사용되는 경우 고열전도성 부재로써의 성능은 기대하기 어렵다.
수지 조성물의 열전도성 문제를 해결하기 위하여 열전도 필러로 고열전도성을 갖는 무기질 분말이 충진하여 사용한다. 또한, 난연성 및 전기절연성 등의 기능을 부여하는 필러로써 무기질 분말이 사용된다. 예컨대, 고열전도율을 갖는 산화 알루미늄 분말은 고열전도성 필러로써 사용되고, 실리카 분말은 그것의 고순도로 인하여 반도체 봉지제 필러로써 사용된다.
그러나, 이렇게 무기필러를 사용하는 기술의 문제점은 무기질 필러와 유기질 접착성분을 어떠한 비율로 섞는다 하더라도 무기질 필러의 외각을 유기질 접착 성분이 둘러싸게 된다는 점이다. 유기질 접착 성분은 열전도 차단 성분이기 때문에 무기질 열전도 성분으로 진행하게 될 포논(phonon) 이나 전자의 열전도를 방해하게 된다. 때문에 상층부와 하층부 간에 직접적인 열전도가 일어나지 못하게 되어 열전 도 효율이 낮아지는 단점이 있다.
따라서, 회로기판 등의 열방출을 보다 효율적으로 수행하기 위한 열방출 기판에 대한 기술개발이 요청된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 높은 열전도도를 나타내어, 보다 작은 면적의 열전도성 기판으로도 효율적으로 열방출이 가능한 열전도성 기판 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 열전도성 기판은 하부히트싱크층; 하부히트싱크층 상에 접촉하면서 형성되는 열전도체, 및 열전도체 사이를 충전하는 절연 접착부를 포함하는 열전도층; 및 열전도층 상에 형성되되, 열전도체와 접촉되어 하부히트싱크층으로 열을 방출하는 상부층;을 포함한다.
열전도체의 경도는 하부히트싱크층 및 상부층의 경도와 같거나 높을 수 있고, 열전도체는 일부가 하부히트싱크층 및 상부층의 내부로 인입될 수 있다. 또한, 열전도층 내부의 열전도체는 단일입자층을 구성하는 것이 바람직하다.
하부히트싱크층은 알루미늄 기판일 수 있고, 상부층은 압연동박일 수 있다. 또한, 열전도체는 다이아몬드입자 또는 질화붕소(Boron Nitride)입자일 수 있다. 아울러, 절연 접착부는 에폭시 수지일 수 있고, 에폭시 수지를 경화시키기 위하여 절연 접착부는 속경화 경화제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하부히트싱크층 상에 접촉하도록 열전도체 단일층을 형성하는 단계; 열전도체의 상측 일부가 노출되도록 열전도체 사이를 접착물질로 충전하는 단계; 및 노출된 열전도체와 접촉하도록 상부층을 형성하는 단계;를 포함하는 열전도성 기판 제조방법이 제공된다.
이 때, 열전도체 단일층을 형성한 후, 열전도체를 상면에서 가압하여 열전도체의 일부를 하부히트싱크층 내부로 인입시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 또한, 상부층을 형성한 후, 상부층의 상면에서 가압하여 열전도체의 일부를 상부층 내부로 인입시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
열전도체 단일층을 형성하는 단계는 정전도장방법을 사용하여 수행되고, 접착물질로 충전하는 단계는 스핀코팅방법으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 열방출을 위한 하부히트싱크층과 상부층이 열전도체를 통하여 직접 접촉하고 있어서 직접적인 열전도 경로 형성이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 열전도성 기판을 이용하면 직접적인 열전도 경로형성 및 열전도체의 하부히트싱크층 및 상부층내 인입에 따른 접촉면적 증가로 인하여 종래의 열전도성 기판과 비교하여 높은 열전도도를 나타내어, 보다 작은 면적의 열전도성 기판으로 도 효율적으로 열방출이 가능한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전도성 기판의 단면도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 열전도성 기판(100)은 하부히트싱크층(110); 하부히트싱크층(110) 상에 접촉하면서 형성되는 열전도체(121), 및 열전도체(121) 사이를 충전하는 절연 접착부(122)를 포함하는 열전도층(120); 및 열전도층(120) 상에 형성되되, 열전도체(121)와 접촉되어 하부히트싱크층(110)로 열을 방출하는 상부층;을 포함한다.
본 발명에 사용되는 비등방성 열전도 기술은 열전달 소재의 상부와 하부 간의 직접적인 열전도를 달성할 수 있는 기술이다. 이를 위하여 하부히트싱크층(110) 및 상부층(130)사이에 위치하는 열전도층(120)에서 열전도체(121)와의 접촉면적을 최대한 확보한다.
하부히트싱크층(110)은 열전도성 기판(130)에서 열을 방출하기 위한 기본적인 열 방출기판으로서, 열전도성이 높은 물질로 구현되는 것이 바람직하다. 예를 들어 하부히트싱크층(110)은 금속일 수 있으며, 그 중에서도 열전도성이 높으면서도 원료비가 높지않아 제조원가에 불리한 영향을 미치지 않는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
하부히트싱크층(110) 상에는 상부층(130)으로부터 방출되는 열을 하부히트싱크층(110)로 전달하는 열전도층(120)이 형성된다. 열전도층(120)은 하부히트싱크층(110)과 접촉하면서 형성되는 열전도체(121) 및 이들 열전도체(121) 간의 빈 공간을 채우면서 상부층(130)과의 접착성을 부여하는 절연 접착부(122)를 포함한다.
열전도체(121)는 상부층(130)의 열을 하부히트싱크층(110)으로 전달하기 위한 것으로서, 열전도성이 높은 입자인 것이 바람직하다. 예를 들어, 열전도체(121)는 다이아몬드입자 또는 질화붕소(Boron Nitride)입자일 수 있다. 다이아몬드 입자나 질화붕소입자는 열전도성이 높은 입자이면서 하부히트싱크층(110) 및 상부층(130)보다 경도가 높기 때문에 물리적으로 압력을 가하여 하부히트싱크층(110) 및 상부층(130)으로 인입이 가능한 입자이다. 이에 대하여는 이하 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 더 설명하기로 한다.
열전도층(120) 내부의 열전도체(121)는 단일입자층을 구성하는 것이 바람직 하다. 열전도체(121)가 단일층이 아닌 경우에는 열전도를 위하여 열전도체(121)의 상부 및 하부를 일정하게 노출하는 것이 어려울 수 있어 열방출 효율이 불리한 영향을 미칠 수 있다.
절연 접착부(122)는 하부히트싱크층(110) 및 상부층(130)을 절연시키면서 서로 접착시키기 위한 것으로서 점착성 있는 수지인 것이 바람직하다. 액상의 수지를 하부히트싱크층(110) 및 상부층(130) 사이에 위치시키고, 경화시키면 절연성과 함께 증대된 접착성을 구현할 수 있기 때문이다. 따라서, 절연 접착부(122)가 수지인 경우, 수지를 경화시키기 위하여 절연 접착부(122)는 경화제를 더 포함할 수 있다.
상부층(130)은 열전도층(120) 상에 형성된다. 상부층(130)은 다른 회로기판 등의 열방출 대상과 접촉하여 열을 하부히트싱크층(110)으로 전달하여 방출한다. 상부층(130)은 압연동박일 수 있다. 상부층(130)은 외부 소자 등이 실장될 수 있는 등 접촉할 수 있도록 패턴화될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 여러 실시예에 따라 열전도체가 달리 위치하는 열전도성 기판의 단면도이다. 도 2a 내지 도 2c에서 하부히트싱크층(210, 210', 210''), 상부층(230, 230', 230''), 및 절연 접착부(222, 222', 222'')에 대한 설명은 도 1에 관하여 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 열전도체(221)는 상부는 상부층(230)과 하부는 하부히트싱크층(210)과 접촉하면서 열전도층(220)내에 위치한다. 이 경우에도 열전도체(221)는 상부층(230)으로부터 방출되는 열을 하부히트싱크층(210)으로 전달하여 열방출을 보조한다.
도 2b에서는 열전도체(221')가 상부층(230') 및 하부히트싱크층(210')으로 상측 일부 및 하측 일부가 인입되어 있다. 도 2a와 같은 경우에서도 열전달은 가능하나 열전도체(221)가 상부층(230) 및 하부히트싱크층(210)과 접촉하는 면적이 작기 때문에 열전달 측면에서는 효율을 증강시킬 필요가 있다. 따라서, 도 2b에서와 같이 열전도체(221')를 상부층(230') 및 하부히트싱크층(210')으로 인입시켜 접촉면적을 증가시키면 열전달 효율이 증가된다.
또한, 도 2b와 같이 구현하는 경우에는 열전도체(221')가 상부층(230') 및 하부히트싱크층(210')으로 인입되어 있으므로 도 2a에서보다 상부층(230') 및 하부히트싱크층(210')의 접착성이 향상되는 장점이 있다.
도 2c의 경우는 열전도체(221'')의 형상이 서로 다른 경우를 상정한 것이다. 도 2c의 경우에도 열전도체(221'')가 상부층(230'') 및 하부히트싱크층(210'')으로 인입되어 있다. 그에 따라, 도 2b의 열전도성 기판에서와 같이 열전달 효율 및 접 착성이 향상될 것으로 예상된다.
이외에도, 도 2b의 열전도체(221')와 같이 형상이 균일한 열전도체(221')를 사용하는 경우 열전도체(221') 상부에 상부층(230')을 접합하여야 하므로 높이 편차가 적다는 면에서 도 2c에서보다 제조효율이 더 높을 수 있다. 그러나, 도 2b의 열전도체(221')와 같이 균일한 형상의 입자를 형성하는 것은 고비용이 요구되므로 제조비용 측면에서는 바람직하지 않은 경우가 있다.
따라서, 도 2c의 경우에서와 같이 균일하지 않은 열전도체(221'')를 사용하는 경우에, 열전도체(221'')를 하부히트싱크층(210'')으로 동일한 높이로 인입시키면 상부층(230'')과 접합할 때, 제조효율이 높아질 수 있다. 따라서, 균일하지 않은 열전도체(221'')를 사용하고도 제조효율은 높일 수 있다.
도 2b 및 도 2c에서의 열전도체(221', 221'')는 상부층(230', 230'') 및 하부히트싱크층(210', 210'')으로 인입되어야 한다. 따라서, 열전도체(221', 221'')는 적어도 상부층(230', 230'') 및 하부히트싱크층(210', 210'')의 경도보다 높은 경도를 갖는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 열전도성 기판 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
열전도성 기판을 제조하기 위하여, 먼저 하부히트싱크층(310)을 준비한다. 하부히트싱크층(310)상에는 하부히트싱크층(310)에 접촉하도록 열전도체(321) 단일층을 형성한다(도 3a). 도 2c와 관련하여 설명한 바와 같이 열전도체(321)는 단일층으로 구현되는 것이 바람직하다. 열전도체(321)를 단일층으로 균일하게 도포하기 위해서는 정전도장 기술을 사용할 수 있다.
정전도장 기술은 열전도체(321)에 고전압(약 1.5kV)을 걸어주면서 공기압으로 밀어내게 되면 입자와 입자간 반발에 의해 열전도체(321) 층이 단일층으로 제한되며, 입자와 입자 사이 거리도 일정 거리 이상 유지되어 원하는 단일층의 균일한 열전도체(321) 층을 얻을 수 있다.
열전도체(321) 층이 형성되면, 열전도체(321)의 상측 일부가 노출되도록 열전도체(321) 사이를 접착물질로 충전하여 절연 접착부(322)를 형성한다(도 3c). 접착물질로 충전하는 단계는 스핀코팅방법으로 수행될 수 있다. 즉, 접착물질이 액상이라면 열전도체(321)가 형성된 하부히트싱크층(310)에 붓고, 스핀코팅하여 열전도체(321) 사이를 채울 수 있다.
이때, 접착물질로 충전시 열전도체(321)의 상측일부가 노출되도록 하는 것이 중요하다. 접착물질 적용시 접착제의 전체 두께가 열전도체(321)의 입자의 두께보 다 두껍게 적용되게 되면 상부 기판을 접착할 때 입자와의 직접 접촉이 일어나지 못하게 되기 때문이다. 이러한 현상을 피하기 위하여 접착물질로 충전되는 절연 접착부(322)의 두께는 열전도체(321)의 두께보다 낮도록 적용되어야 한다. 도 3d를 참조하면, 열전도체(321)의 높이와 절연 접착부(322)의 높이간에는 d1만큼 차이가 나타난다. 상측 일부가 노출된 열전도체(321) 상부에는 상부층(330)을 형성하여 본 발명에 따라 열전도성 기판을 제조한다(도 3e).
본발명에 따른 열전도성 기판 제조방법에서는 열전도체(321) 단일층을 형성한 후, 절연 접착부(322)을 형성하기 전에, 도 3b와 같이 열전도체(321)를 상면에서 가압하여 열전도체(321)의 일부를 하부히트싱크층(310) 내부로 인입시킬 수 있다. 이로 인하여 열전도체(321)와 하부히트싱크층(310)사이의 접촉면적이 높아지고, 열전도체(321)의 상부높이를 균일하게 맞출 수 있다.
이는 전술한 바와 같이 열전도체(321)의 상부높이가 균일해야 추후 상부층(330) 접합시 높이 편차를 줄여 제조효율을 높일 수 있기 때문이다. 따라서, 이는 열전도체(321)의 경도가 하부히트싱크층(310)의 경도보다 높을 경우인데, 열전도체(321)에 상부에서 적절한 압력을 가해 입자의 일부분이 하부히트싱크층(310)으로 파고들도록 하여 상부 높이를 균일하게 맞춘다.
열전도체(321)를 하부히트싱크층(310)으로 인입시키는 과정은 또한, 열전도 체(321)에 접착물질을 도포하여 절연 접착부(322) 형성시 균일한 단일층으로 형성된 열전도체(321)가 이동하지 않고 고정시키는 장점이 있다. 이에 따라 열전도체(321)는 균일한 이격거리로 단일층으로 형성되어 하부히트싱크층(310) 및 상부층(330)과 접촉하고 있으므로 보다 효율적인 열방출이 가능하다.
이와 유사하게, 열전도체(321)의 사이로 절연 접착부(322)가 형성된 후, 상부층(330)을 형성한 후, 도 3d에서와 같이 상부층(330)의 상면에서 가압하여 열전도체(321)의 일부를 상부층(330)의 내부로 인입시킬 수 있다. 따라서, 상부층(330) 접착시, 열전도체(321)의 노출두께보다 깊이 눌러주어 상부층(330) 및 절연 접착부(322)가 서로 접촉하게 한다. 상부층(330) 접착시, 노출된 열전도체(321)의 두께보다 깊이 눌러주어야 상부층(330)이 절연 접착부(322)와 접촉할 수 있게 되어 접착성이 발휘될 뿐 아니라 열전도체(321)가 상부층(330)에 파고들어 열전도 효율이 증가된다.
이하의 실시예 1 및 실시예 2에서는 본 발명에 따른 열전도성 기판 제조방법에 따라 열전도성 기판을 제조하였다.
<실시예 1>
하부히트싱크층으로서 1.0mm 두께를 갖는 알루미늄 기판에 열전도체로서, 20㎛의 중심값을 갖는 다이아몬드 입자(일진다이아몬드사제, IMPM(8~12 mesh))를 정 전 도장하여 다이아몬드 입자 단일층을 형성한다. 이후 평판 프레스를 사용하여 5 MPa로 가압하여 다이아몬드 입자를 알루미늄 기판에 박아 넣고 상부 높이 균일도를 맞추어 준다. 여기에 절연성 접착제인 에폭시 수지 (YD-128M, 국도화학사제)와 속경화 경화제(HX3932HP, 아사히 케미칼사제)를 당량대로 섞은 후 2000rpm에서 스핀코팅하여 17㎛두께를 맞춘다. 이후 상부층으로 25㎛ 두께를 갖는 압연동박을 적용한 후 핫프레스에서 3MPa, 150℃로 5분간 가압하여 열전도성 기판을 제조하였다.
<실시예 2>
하부히트싱크층으로서 1.0mm 두께를 갖는 알루미늄 기판에 20㎛의 열전도체로서, 중심값을 갖는 질화붕소입자(일진다이아몬드사제, IMPCA (8~12 mesh))를 정전 도장하여 질화붕소 단일 입자층을 형성한다. 이후 평판 프레스를 사용하여 5 MPa로 가압하여 질화붕소 입자를 알루미늄 기판에 박아 넣고 상부 높이 균일도를 맞추어 준다. 여기에 절연성 접착제인 에폭시 수지(YD-128M, 국도화학사제)와 속경화 경화제(HX3932HP, 아사히 케미칼사제)을 당량대로 섞은 후 2000 rpm에서 스핀코팅하여 17㎛로 두께를 맞춘다. 이후 상부층으로 25㎛ 두께를 갖는 압연동박을 적용한 후 핫프레스에서 3MPa 및 150℃로 5분간 가압하여 열전도성 기판을 제조하였다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변 형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전도성 기판의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 여러 실시예에 따라 열전도체가 달리 위치하는 열전도성 기판의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 열전도성 기판 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 열전도성 기판 110 하부히트싱크층
120 열전도층 121 열전도체
122 절연 접착부 130 상부층

Claims (13)

  1. 하부히트싱크층;
    상기 하부히트싱크층 상에 접촉하면서 형성되는 열전도체, 및 상기 열전도체 사이를 충전하는 절연 접착부를 포함하는 열전도층; 및
    상기 열전도층 상에 형성되되, 상기 열전도체와 접촉되어 상기 하부히트싱크층으로 열을 방출하는 상부층;을 포함하는 열전도성 기판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도체의 경도는 상기 하부히트싱크층 및 상기 상부층의 경도와 같거나 높은 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도체는 일부가 상기 하부히트싱크층 및 상기 상부층의 내부로 인입된 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도층 내부의 열전도체는 단일입자층을 구성하는 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 하부히트싱크층은 알루미늄 기판이고,
    상기 상부층은 압연동박인 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도체는 다이아몬드입자 또는 질화붕소(Boron Nitride)입자인 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 접착부는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 절연 접착부는 속경화 경화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 기판.
  9. 하부히트싱크층 상에 접촉하도록 열전도체 단일층을 형성하는 단계;
    상기 열전도체의 상측 일부가 노출되도록 상기 열전도체 사이를 접착물질로 충전하는 단계; 및
    상기 노출된 열전도체와 접촉하도록 상부층을 형성하는 단계;를 포함하는 열전도성 기판 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 열전도체 단일층을 형성한 후,
    상기 열전도체를 상면에서 가압하여 상기 열전도체의 일부를 상기 하부히트싱크층 내부로 인입시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 기판 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 상부층을 형성한 후,
    상기 상부층의 상면에서 가압하여 상기 열전도체의 일부를 상기 상부층 내부로 인입시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 기판 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 열전도체 단일층을 형성하는 단계는 정전도장방법을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전도성 기판 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 접착물질로 충전하는 단계는 스핀코팅방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 열전도성 기판 제조방법.
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