KR20120109266A

KR20120109266A - 방열판과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120109266A
Application number: KR1020110027807A
Authority: KR
Inventors: 김강
Original assignee: 김강
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-08

Abstract

본 발명은 방열판과 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 방열판은 비전도성 방열층을 포함한다. 상기 비전도성 방열층은 50wt% ~ 98wt%의 중량비를 갖는 ZnO 계 물질; 1wt% ~ 25wt%의 중량비를 갖는 Bi₂O₃; 0.8wt% ~ 15wt%의 중량비를 갖는 Pr_xO_y; 및 0.2wt% ~ 10wt%의 중량비를 갖는 첨가제를 포함한다. 상기 첨가제는 Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃ , Mn₃O₄, B₂O_3,Cr₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함한다.

Description

방열판과 그 제조 방법{HEAT RADIATION PLATE AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 전자 부품에 적용되거나 그 전자 부품들이 실장되는 기판에 사용될 수 있는 방열판과 그 제조 방법에 관한 것이다.

각종 전기/전자 기기에 이용되는 전자 부품들의 신뢰도를 높이기 위하여 각종 방열소재가 개발되고 있다. 전기/전자기기의 고성능화, 소형화 요구에 만족할 수 있도록 전자 부품들은 고밀도화, 고집적화, 고기능화로 개발되고 있다. 전자 부품들이 고밀도화, 고집적화, 고기능화 될수록 그 전자 부품들의 발열 온도가 상승하여 전자 부품의 신뢰도가 낮아질 수 있다.

전자 부품의 온도를 낮추어 신뢰도를 높이기 위하여, 전자 부품들이 실장되는 회로 기판이나 전자 부품에 접합되는 방열 소재의 성능을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 방열 소자는 도전성 알루미늄으로 제작된 금속 히트 싱크, 탄화규소(SiC) 혹은 알루미나(Al₂O₃)를 기반으로 한 세라믹 방열판 등이 있다. 금속 히트 싱크는 열전도율이 좋지만 열방출이 낮아 날개 형태로 가공되어 10 mm 이상의 두께를 가지므로 슬림화가 어려운 단점이 있다. 기존 세라믹 방열판은 열전도율이 7~24 W/m.k 정도로 낮고, 열전도율을 높이기가 어려워서 강도가 낮기 때문에 적용 분야가 좁은 단점이 있다.

본 발명은 방열 특성을 높이고 슬림화가 용이하며 강도를 높일 수 있는 방열판과 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 방열판은 비전도성 방열층을 포함한다.

상기 비전도성 방열층은 50wt% ~ 98wt%의 중량비를 갖는 ZnO 계 물질; 1wt% ~ 25wt%의 중량비를 갖는 Bi₂O₃; 0.8wt% ~ 15wt%의 중량비를 갖는 Pr_xO_y; 및 0.2wt% ~ 10wt%의 중량비를 갖는 첨가제를 포함한다. 상기 첨가제는 Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃, Mn₃O₄, B₂O_3,Cr₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함한다.

상기 방열판은 상기 비전도성 방열층 상에 적층된 소성 조절제를 더 포함한다. 상기 소성 조절제는 Bi₂O₃, Pr_xO_y, CoO, Al₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함한다.

상기 방열판은 상기 비전도성 방열층 상에 형성되는 도금층을 더 포함한다.

상기 도금층은 Cu, Ni, Sn, Al, Ag, Au, Cr 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함한다.

상기 방열판은 상기 비전도성 방열츨 상에 접합되는 접합층을 더 포함한다.상기 접합층은 Cu, Ni, Sn, Al, Ag, Au, Cr중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하거나, Al₂O₃, AlN, 알루미늄 호일(Aluminum foil), 구리 호일(Copper foil), 금속판 중 어느 하나를 포함한다.

상기 방열판의 제조 방법은 50wt% ~ 98wt%의 중량비를 갖는 ZnO 계 물질, 1wt% ~ 25wt%의 중량비를 갖는 Bi₂O_3,0.8wt% ~ 15wt%의 중량비를 갖는 Pr_xO_y 및 0.2wt% ~ 10wt%의 중량비를 갖는 첨가제를 혼합하여 비전도성 방열층 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 비전도성 방열층 조성물을 1,000℃ ~ 1,400℃의 온도에서 소성하는 단계를 포함한다. 상기 첨가제는 Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃ , Mn₃O₄, B₂O_3,Cr₂O₃중 하나 이상의 물질을 포함한다.

본 발명은 50wt% ~ 98wt%의 중량비를 갖는 ZnO 계 물질, 1wt% ~ 25wt%의 중량비를 갖는 Bi₂O₃, 0.8wt% ~ 15wt%의 중량비를 갖는 Pr_xO_y, 및 0.2wt% ~ 10wt%의 중량비를 갖는 첨가제를 혼합하고 소성하여 비전도성 방열층을 제작함으로써 기존 방열 제품에 비하여 방열판의 방열 특성을 높이고 슬림화하면서도 강도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열판을 보여 주는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 비전도성 방열층 조성물에 소성 조절제를 쌓거나, 덮는 방법들을 보여 주는 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방열판을 보여 주는 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 방열판을 보여 주는 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 방열판을 보여 주는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방열판의 열방출 테스트 방법을 보여 주는 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 방열판에 적용되는 비전도성 방열층과 시판되고 있는 방열판들의 열방출 특성을 비교한 열방출 테스트 결과를 보여 주는 도면들이다.
도 10은 본 발명의 방열판에서 비전도성 방열층의 물성을 보여 주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 방열판에서 비전도성 방열층의 소성 온도에 따른 강도 변화를 보여 주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 방열판에서 비전도성 방열층의 소성 온도별 밀도 및 비열 특성을 측정한 결과를 보여 주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 방열판에서 다수의 측정 시료로 선택된 비전도성 방열층의 열방출 온도를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 방열판에서 비전도성 방열층의 소성 온도별 열확산율을 측정한 결과를 보여 주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 방열판이 전기/전자 부품 상에 접합된 예를 보여 주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 방열판이 전기/전자 부품들이 실장되는 회로 보드 기판으로 구현된 예를 보여 주는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소들의 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로서, 실제 제품의 명칭과는 상이할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열판(100)을 보여 주는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열판(100)은 ZnO(Zinc oxide) 계 세라믹 재료를 주성분으로 하는 비전도성 방열층(10)을 포함한다. 비전도성 방열층(10)에는 Bi₂O₃(Bismuth oxide), Pr_xO_y(Prasedymium oxide)를 소량 포함하고 또한, Co₃O₄(Cobalt oxide), NiO(Nickel oxide), Cu₃O₄(Copper oxide), Al₂O₃(Alumina oxide) 중 하나 이상을 소량 포함한다.

비전도성 방열층(10)의 조성비는 표 1과 같다.

원료	조성비(wt%)
ZnO	50wt% ~ 98wt%
Bi₂O₃	1wt% ~ 25wt%
Pr_xO_y	0.8wt% ~ 15wt%
Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃ 중에서 선택한 하나 이상	좌에서 선택된 하나 이상의 첨가제는 0.2wt% ~ 10wt%의 조성비로 첨가됨

ZnO는 비전도성 방열층(10)의 주성분으로서 방열판의 방열 특성과 열확산 성능을 높인다. Bi₂O₃과 Pr_xO_y는 비전도성 방열층(10)의 소성 온도를 낮추고 아연(Zn)의 그레인(Grain) 계면을 감쌈으로써 아연 입자들의 사이의 전류패스를 차단하여 비전도성 방열층(10)을 비도전성(또는 부도체) 방열판으로 구현하고 비전도성 방열층(10)의 강도를 높인다. Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃ 등의 첨가제는 비전도성 방열층(10)의 방열 특성과 열확산 기능을 강화하고 방열판(100)의 강도를 강화하는 역할을 한다.

비전도성 방열층(10)의 제조 방법은 표 1과 같은 조성비로 원료들을 균일하게 혼합하는 공정, 1,000℃ ~ 1,400℃의 온도에서 소성하는 소성 공정 등을 포함한다. 도 11의 실험 결과에 의하면, 혼합된 원료들을 1,050℃ ~ 1,400℃의 온도로 소성할 때 방열판(100)의 방열 특성과 강도가 최적화된다.

본 발명의 방열판 강도는 도 2 및 도 3과 같은 소성 조절제(20)로 향상될 수 있다. 소성 조절제(20)는 비전도성 방열층 조성물의 소성 온도를 조절함과 아울러, 비전도성 방열층 조성물을 부도체화하고 비전도성 방열층 조성물의 강도를 높이는 역할을 겸한다.

소성 조절제(20)는 비전도성 방열층 조성물에서 소성 공정에서 휘발되는 물질을 억제하여 아연 입자를 완전히 코팅(또는 치환)함으로써 비전도성 방열층(10)을 부도체화하고 그 강도를 높일 수 있다. 소성 조절제(20)로는 Bi₂O₃, Pr_xO_y, Co₃O₄, Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 선택될 수 있다. 이러한 소성 조절제(20)는 270℃, 935℃ 등 비교적 낮은 온도에서 녹으므로 비전도성 방열층 조성물의 소성 온도를 낮출 수 있다.

소성 조절제(20)는 도 2와 같이 하나 이상의 비전도성 방열층 조성물과 교대로 적층되어 비전도성 방열층 조성물과 함께 소성될 수 있다. 이와 다른 방법으로, 소성 조절제(20)는 도 3과 같이 하나 이상의 비전도성 방열층 조성물의 상면과 측면들을 덮는 형태로 비전도성 방열층 조성물에 적층되어 비전도성 방열층 조성물과 함께 소성될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방열판(100)을 보여 주는 단면도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 방열판(100)은 비전도성 방열층(10)에 도금된 도금층(12)을 포함한다. 비전도성 방열층(10)은 표 1과 같은 조성을 갖는다. 비전도성 방열층(10)에는 도 2 및 도 3과 같이 소성 조절제(20)가 적층될 수 있다.

도금층(12)은 방열판(100)의 열전도율, 열방출 특성 및 강도를 강화하고 외력에 의해 비전도성 방열층(10)이 깨지는 현상을 방지하고, 일정한 전자회로를 형성하여 전자부품이 실장이 가능하도록 하는 역할을 한다. 도금층(12)은 도금이 가능한 금속 예를 들면, 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr) 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 그 두께는 1μm ~ 200μm 정도이다. 도금층(12)은 0.1μm ~ 5μm 두께의 금(Au)으로 형성될 수 있다. 도금층(12)은 비전도성 방열층(10)의 상면과 하면 중 하나 이상의 면에 형성될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 방열판(100)을 보여 주는 단면도이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 방열판(100)은 비전도성 방열층(10)에 접합된 접합층(14)을 포함한다. 비전도성 방열층(10)은 표 1과 같은 조성을 갖는다. 비전도성 방열층(10)에는 도 2 및 도 3과 같이 소성 조절제(20)가 적층될 수 있다.

접합층(14)은 방열판(100)의 열전도율, 열방출 특성 및 강도를 강화하고 외력에 의해 비전도성 방열층(10)이 깨지는 현상을 방지하고, 일정한 전자회로를 형성하여 전자부품 실장이 가능하도록 하는 역할을 한다. 접합층(14)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr) 중 하나를 포함할 수 있고, 그 두께는 1μm ~ 200μm 정도이다. 접합층(14)은 0.1μm ~ 5μm 두께의 금(Au)으로 형성될 수 있다. 접합층(14)은 써멀 테이프(thermal tape), 에폭시 접착제 등을 이용하여 비전도성 산화/환원에 의한 화확적 반응을 이용하여 방열층(10)의 상면과 하면 중 하나 이상의 면에 접착될 수 있다. 써멀 테이프(thermal tape)나 에폭시 접착제는 열전도율이 0.7W/m.k ~ 4W/m.k사양인 제품이 사용될 수 있지만, 방열판(100)의 방열 특성을 높이기 위하여 써멀 테이프(thermal tape)나 에폭시 접착제는 4W/m.k 이상인 제품이 바람직하다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 방열판(100)을 보여 주는 단면도들이다.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 방열판(100)은 비전도성 방열층(10)에 접합된 접합층(16)을 포함한다. 비전도성 방열층(10)은 표 1과 같은 조성을 갖는다. 비전도성 방열층(10)에는 도 2 및 도 3과 같이 소성 조절제(20)가 적층될 수 있다.

접합층(16)은 방열판(100)의 열전도율, 열방출 특성 및 강도를 강화하고 외력에 의해 비전도성 방열층(10)이 깨지는 현상을 방지하는 역할을 한다. 접합층(16)은 Al₂O₃, AlN, 알루미늄 호일(Aluminum foil), 구리 호일(Copper foil), 금속판 등 중 어느 하나로 구현될 수 있으며, 그 두께는 0.1mm ~ 5mm 정도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방열판(100)의 열방출 테스트 방법을 보여 주는 단면도이다.

도 7을 참조하면, 시료는 동일 크기의 3 종 방열판으로 선택되었다. 시료로 선택된 3종의 방열판은, 2.5 mm 두께를 갖는 SiC 재질 세라믹, 1 mm 두께를 갖는 A(알루미나) 재질의 세라믹 제품, 그리고 1.0 mm 두께를 갖는 방열판(도 1의 100)을 포함한다. 열방출 테스트 방법은 히팅 블록(50)의 온도를 25℃ 이하로 설정한 상태에서 그 히팅 블록(50)의 표면을 세정하고 세정된 히팅 블록(50) 상에 시료를 올려 놓는다. 이어서, 열방출 테스트 방법은 시료의 상부 면에 열전대(60)을 접촉(또는 근접)시키고 시료로부터 방출되는 열의 온도를 측정한다. 열전대(60)가 시료 상에 접촉(또는 근접)된 상태에서, 히팅 블록(50)의 온도는 40℃, 60℃, 80℃와 같이 단계적으로 상승된다.

열방출 테스트 결과는 도 8 및 도 9와 같으며, 그 테스트 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 방열판(100)은 시판되고 있는 다른 조성의 방열판 제품에 비하여 열방출 특성이 월등히 높다. 도 8에서, "개발 세라믹"이 도 1에 도시된 본 발명의 방열판(100)이다.

본 발명의 방열판(100)에서 비전도성 방열층(10)의 물성은 도 10과 같고, 강도(Mpa)는 도 11과 같으며 소성 온도(℃)에 따라 조절될 수 있다.

도 12는 본 발명의 방열판(100)에서 비전도성 방열층(10)의 소성 온도별 제품의 밀도 및 비열 특성을 측정한 결과를 보여 주는 도면이다. 도 13 및 도 14는 본 발명의 방열판(100)에서 다수의 측정 시료로 측정된 비전도성 방열층(10)의 소성 온도별 제품의 열확산율을 측정한 결과를 보여 주는 도면이다. 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 비전도성 방열층(10)의 열확산율은 10(mm²/sec) 이상이다. 이에 비하여, 기존의 알루미나 세라믹 방열판의 열확산율은 2~3(mm²/sec) 정도이다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 방열판(100)에서 비전도성 방열층(10)의 소성 온도별 제품의 열확산율을 측정한 결과를 보여 주는 도면들이다.

본 발명의 방열판(100)은 도 15와 같이 각종 전기/전자 부품(200)에 접합될 수 있다. 방열판(100)은 써멀 테이프 또는 에폭시 접착제로 전기/전자 부품(200)에 접합될 수 있다. 방열판(100)이 접합되는 전기/전자 부품(200)으로는, 전기/전자 기기의 제어회로, 메모리 회로, 그래픽 처리 회로, 전원회로 등 알려진 어떠한 전기/전자 부품(200)도 가능하다.

본 발명의 방열판(100)은 기존의 인쇄회로보드를 대체하는 기판으로 제작될 수 있다. 이 경우에, 방열판(100)에는 도 16과 같이 각종 전기 전자 부품들(200)이 실장되고 그 표면에 전기/전자 부품들(200)을 연결하는 회로 배선들이 형성될 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100: 방열판 10 : 비전도성 방열층
12 : 도금층 14, 16 : 접합층
20 : 소성 조절제

Claims

비전도성 방열층을 포함하고,
상기 비전도성 방열층은,
50wt% ~ 98wt%의 중량비를 갖는 ZnO 계 물질;
1wt% ~ 25wt%의 중량비를 갖는 Bi₂O₃;
0.8wt% ~ 15wt%의 중량비를 갖는 Pr_xO_y; 및
0.2wt% ~ 10wt%의 중량비를 갖는 첨가제를 포함하고,
상기 첨가제는 Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃ , Mn₃O₄, B₂O_3,Cr₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항에 있어서,
상기 비전도성 방열층 상에 적층된 소성 조절제를 더 포함하고,
상기 소성 조절제는 Bi₂O₃, Pr_xO_y, Co₃O₄, Al₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 비전도성 방열층 상에 형성된 도금층을 더 포함하고,
상기 도금층은 Cu, Ni, Sn, Al, Ag, Au, Cr 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 비전도성 방열층 상에 형성되는 접착층을 더 포함하고,
상기 접착층은 Cu, Ni, Sn, Al, Ag, Au, Cr 중 하나 이상을 포함하거나, Al₂O₃, AlN, 알루미늄 호일(Aluminum foil), 구리 호일(Copper foil), 금속판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판.
(A) 50wt% ~ 98wt%의 중량비를 갖는 ZnO 계 물질, 1wt% ~ 25wt%의 중량비를 갖는 Bi₂O_3,0.8wt% ~ 15wt%의 중량비를 갖는 Pr_xO_y 및 0.2wt% ~ 10wt%의 중량비를 갖는 첨가제를 혼합하여 비전도성 방열층 조성물을 제조하는 단계; 및
(B) 상기 비전도성 방열층 조성물을 1,000℃ ~ 1,400℃의 온도에서 소성하는 단계를 포함하고,
상기 첨가제는 Co₃O₄, NiO, CuO, Al₂O₃ , Mn₃O₄, B₂O_3,Cr₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
Bi₂O₃, Pr_xO_y, Co₃O₄, Al₂O₃ 중 하나 이상의 물질을 포함하는 소성 조절제를 상기 비전도성 방열층 조성물 상에 적층하는 단계를 더 포함하고,
상기 (B) 단계는,
상기 소성 조절제와 함께 상기 비전도성 방열층 조성물을 1,050℃ ~ 1,400℃의 온도로 소성하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.