KR20130090984A - Diamond powder-metal composite for thermal interface material manufactured by press-in method by rolling or pressing process - Google Patents

Diamond powder-metal composite for thermal interface material manufactured by press-in method by rolling or pressing process Download PDF

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KR20130090984A
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채기웅
김정석
천채일
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호서대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A heat-radiating substrate including a composite of metal and diamond particles pressed in by rolling and pressing processes is provided to achieve mass production by using a metal plate instead of metal powers. CONSTITUTION: A diamond particles (20) - metal composite heat-radiating substrate includes a metal substrate (10) and a diamond particle layer. The metal plate is an aluminum plate. The thickness of the metal plate is about 0.3mm to 5.0mm. The metal plate has a Mohs hardness within a 1-4 range and has an elongation ratio within a 40-80% range. The diamond particle layer is formed by pressing diamond particles into at least one surface of the metal substrate. The diameter of the diamond particle layer is about 1μm to 2mm. The diamond particle has a Mohs hardness within a 5-15 range and has an elongation ratio less than 1%.

Description

압연 및 프레스 공정에 의해 압입된 다이아몬드 입자와 금속의 복합소재 방열기판{Diamond powder-metal composite for thermal interface material manufactured by press-in method by rolling or pressing process}Diamond powder-metal composite for thermal interface material manufactured by press-in method by rolling or pressing process

본 발명은 연성이 높은 금속 기판에 경도가 높은 다이아몬드 분말을 압연 또는 프레스하여 복합 방열기판을 제조하는 방법과 그렇게 제조된 방열기판에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for manufacturing a composite heat dissipation substrate by rolling or pressing diamond powder having a high hardness to a ductile metal substrate, and a heat dissipation substrate thus manufactured.

LED 소자, 반도체 IC 등을 실장한 전자부품의 고집적화, 고출력화에 따라 전자기기 내에서 열 발생이 증대되고 이로 인해 부품 및 기기의 온도 상승은 부품 및 소자의 기능 및 신뢰성이 저하, 수명 단축 등의 문제를 발생시킨다. 따라서 실장 부품이 정해진 면적 또는 공간 내에서 열방출을 극대화시키기 위한 방법으로 우수한 방열기판을 개발하려는 노력들이 진행되고 있다. The heat generation in electronic devices increases due to the high integration and high output of electronic components mounted with LED devices, semiconductor ICs, etc. Cause problems. Therefore, efforts are being made to develop excellent heat dissipation substrates as a method for maximizing heat dissipation within a predetermined area or space.

현재, 조명 및 LCD BLU에 사용되는 LED 팩키지용 방열기판으로는 가격대비 열전도도가 우수한 알루미늄(열전도도: 2.4W/cmK), 구리(3.4W/cmK) 등이 사용되고 있다. 또한, 세라믹 소재로는 열전도도가 비교적 우수한 AlN (1.5W/cmK), 알루미나 (0.32W/cmK), SiC (2.0W/cmK) 등이 사용되거나 금속과 복합재료를 형성하여(예: metal-core PCB) 사용하고 있으나 근본적으로 열전도율이 금속보다 낮고, 가공성이 현저히 낮아 특별한 경우에만 적용되고 있다. 하기 표 1에 방열 재료로 사용 가능한 소재들의 열전도도를 나타내었다.Currently, aluminum (heat conductivity: 2.4W / cmK), copper (3.4W / cmK), etc., which have excellent thermal conductivity at a price, are used as the heat dissipation substrate for LED packages used in lighting and LCD BLU. In addition, as a ceramic material, AlN (1.5W / cmK), alumina (0.32W / cmK), SiC (2.0W / cmK), etc., which have relatively high thermal conductivity, are used, or a metal and a composite material are formed (eg, metal- core PCB), but the thermal conductivity is lower than metal and its workability is remarkably low. Table 1 shows the thermal conductivity of materials that can be used as a heat dissipating material.

[방열소재의 열전도도 및 경도(hardness) 예][Example of thermal conductivity and hardness of heat dissipation material] 방열소재Heat dissipation material 열전도도 (W/cmK)Thermal Conductivity (W / cmK) 경도*
(Mohs 경도)Hardness*
(Mohs hardness) 다이아몬드Diamond 2020 1010 알루미늄aluminum 2.42.4 2.72.7 구리Copper 3.43.4 2.5 - 3.0 2.5-3.0 AlNAlN 1.51.5 -- 알루미나 (Al2O3)Alumina (Al 2 O 3 ) 0.320.32 -- SiC SiC 2.02.0 -- 고열전도성 에폭시 수지
(스미토모 오사카 시멘트 회사) High Thermal Conductivity Epoxy Resin
Sumitomo Osaka Cement Company 0.170.17 --

(* http://en.wikipedia.org/wiki/Mohs_scale_of_mineral_hardness )
(* http://en.wikipedia.org/wiki/Mohs_scale_of_mineral_hardness)

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 다이아몬드는 현존하는 소재 중에서 열전달 능력(열전도도: 20W/cmK)이 가장 우수하며, 이에 따라 다이아몬드를 이용하여 방열효과를 향상시키기 위한 노력이 진행되고 있다. 이러한 노력의 대부분은 다이아몬드 분말이 분산된 금속 또는 유기물 (에폭시 수지) 복합재료의 형태로 만들어지는데, 이때 복합 재료를 제조함에 있어서 대부분 다이아몬드 분말을 에폭시 수지, 금속분말, 또는 세라믹 분말과 기계적으로 혼합하여 경화처리 하거나 온도를 높여 소결하는 방식으로 만들어진다. As shown in Table 1, diamond is the most excellent heat transfer capacity (thermal conductivity: 20W / cmK) of the existing materials, and thus efforts to improve the heat dissipation effect using the diamond. Most of these efforts are made in the form of metal or organic (epoxy resin) composites in which the diamond powder is dispersed, where most diamond powders are mechanically mixed with epoxy resins, metal powders or ceramic powders in the manufacture of the composite materials. It is either hardened or sintered at elevated temperatures.

다이아몬드 분말을 에폭시 수지와 같은 유기물 바인더와의 혼합하여 경화시키는 공정은 다이아몬드 분산 복합체를 만드는데 있어 가장 단순한 공정이나, 유기물 (에폭시 수지)의 열전도율이 금속에 비해 1/10 ~1/20 수준 (예: 스미토모 오사카 시멘트 회사의 고열전도성 특수 에폭시 수지의 열전도도는 0.17W/cmK) 으로 매우 낮기 때문에 다이아몬드 분말 분산 복합체를 만들어도 다이아몬드의 높은 열전도 특성을 충분히 활용할 수 없다는 문제점을 가지고 있다. The process of hardening diamond powder by mixing with organic binder such as epoxy resin is the simplest process to make diamond dispersion composite, but the thermal conductivity of organic material (epoxy resin) is 1/10 ~ 1/20 compared to metal (e.g. The thermal conductivity of the high-temperature-conductive special epoxy resin of Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. is 0.17W / cmK), which is very low, which makes it difficult to fully utilize the high thermal conductivity of diamond even when diamond powder dispersion composites are made.

이와 비교하여, 알루미늄의 열전도도(2.4W/cmK)는 구리 (3.4W/cmK)에 비해 조금 낮으나 알루미늄의 밀도(2.7g/cm³)는 구리(밀도: 8.9g/cm3)에 비해 3배 이상 가볍고, 원자재 가격이 싸기 때문에 방열기판 재료로는 매우 적합한 소재이다. In comparison, the thermal conductivity of aluminum (2.4 W / cmK) is slightly lower than that of copper (3.4 W / cmK), but the density of aluminum (2.7 g / cm³) is three times that of copper (density: 8.9 g / cm 3 ). Since it is light in weight and cheap in raw materials, it is a very suitable material for a heat radiation board material.

본 발명은 이와 같이 알루미늄 금속에 다이아몬드가 갖는 매우 높은 열전도 특성(다이아몬드 열전도도: 20W/cmK)을 보완하면 이상적인 방열기판소재를 제조할 수 있다는 것에서부터 출발하였다.
The present invention starts from the fact that it is possible to manufacture an ideal heat dissipation substrate material by supplementing the very high thermal conductivity (diamond heat conductivity: 20 W / cmK) of diamond in aluminum metal.

기존에, 다이아몬드 분산- 알루미늄 복합체를 제조할 수 있는 알려진 기술로는 분말 소결법, 방전 플라스마 소결법 (SPS) 등이 있다. 이들 방법은 고상의 금속 (알루미늄, 구리) 분말과 다이아몬드 분말을 혼합 및 소결하여 복합재료로 만드는 기술로 아래에 기술된 바와 같은 기술적 한계와 문제점이 있다. Conventionally, known techniques for producing diamond dispersion-aluminum composites include powder sintering, discharge plasma sintering (SPS), and the like. These methods are techniques of mixing and sintering solid metal (aluminum, copper) powder and diamond powder into composite materials, which have technical limitations and problems as described below.

먼저, 기존의 통상적인 분말 소결법은 다이아몬드 분말과 금속 분말을 적정 비율로 혼합한 후 이를 성형 및 소결하는 방법으로 이루어지며, 도 1에 이러한 소결 공정을 도식적으로 나타내었다. 기존의 분말 소결법 기술로는 아래에 서술된 내용과 같은 공정상의 문제점 및 열전도도 저하, 제조단가 등의 문제가 있어 우수한 다이아몬드 입자 분산-알루미늄 방열소재를 만들기가 어렵고 실제 제품으로 생산되지 못하고 있다.First, the conventional powder sintering method is a method of mixing the diamond powder and the metal powder in an appropriate ratio, and then forming and sintering them, which is shown schematically in FIG. Conventional powder sintering techniques have problems in the process as described below, such as lowering of thermal conductivity, manufacturing cost, etc., making it difficult to make excellent diamond particle dispersion-aluminum heat dissipating material and are not produced as actual products.

첫째, 기존의 분말 소결법으로 제조한 다이아몬드 분산 금속복합 방열기판 내에서는 다이아몬드 입자가 소결복합체 내 전체에 걸쳐 분산되어 있어서(도 1의 (d)), 다이아몬드 입자 간의 간격이 멀기 때문에 다이아몬드 원료 분말 첨가량을 다량 (최소 20~30% 이상) 첨가하여야만 다이아몬드 분말이 가지는 우수한 열전도 특성이 복합 방열기판에 효과를 나타내기 시작한다. 다이아몬드 원료 분말이 소량 첨가된 복합 방열기판에서는 다이아몬드의 열전도 효과를 얻을 수 없다. First, in the diamond dispersed metal composite heat dissipation substrate manufactured by the conventional powder sintering method, the diamond particles are dispersed throughout the sintered composite (FIG. Only when a large amount (at least 20-30%) is added, the excellent thermal conductivity of the diamond powder starts to have an effect on the composite heat radiation board. In the heat dissipation substrate in which a small amount of diamond raw material powder is added, the thermal conduction effect of diamond cannot be obtained.

또한, 분말 소결법에서 다이아몬드 분말 원료의 혼합량을 알루미늄 분말 대비 10% 이상으로 증가시키면 다이아몬드 입자가 알루미늄 분말과 화학적 친화력이 거의 없고, 또한 융점(3550oC)이 매우 높기 때문에 복합체의 소결 밀도가 매우 낮아지고 이에 따라 열전도도가 현저히 감소한다. 또한, 금속분말과의 큰 밀도차로 다이아몬드를 균일하게 분산시킬 수가 없다.In addition, when the mixed amount of the diamond powder raw material is increased to 10% or more compared to the aluminum powder in the powder sintering method, the sintered density of the composite is very low because the diamond particles have little chemical affinity with the aluminum powder and the melting point (3550 o C) is very high. As a result, the thermal conductivity is significantly reduced. Also, due to the large density difference with the metal powder, the diamond cannot be uniformly dispersed.

둘째, 기존의 분말 소결법의 문제는, 원료로 사용되는 알루미늄(Al) 금속 분말이 산화성이 강해서 공기중에 노출된 원료 분말 표면에는 4nm~50nm 두께의 산화막(Al2O3 film : 도 1의 (a))(3)이 치밀하게 형성되어 있다는 것이다[en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oxide]. 일예로 알루미늄 분말 입자의 크기가 40μm인 알루미늄 분말 제품 내에는 약 0.5wt%의 Al2O3가 표면 산화막으로 존재한다[알코아 알루미늄 분말 제품 사양: www.alcoa.com /primary_metals /catalog /Alcoa_AP_brochure.pdf].Second, the problem of the conventional powder sintering method is that the aluminum (Al) metal powder used as a raw material is oxidatively strong oxide film having a thickness of 4nm ~ 50nm (Al 2 O 3 film: Fig. 1 (a) )) (3) is densely formed [en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oxide]. For example, about 0.5 wt% of Al 2 O 3 is present as a surface oxide in an aluminum powder product having an aluminum powder particle size of 40 μm [Alcoa aluminum powder product specification: www.alcoa.com / primary_metals / catalog /Alcoa_AP_brochure.pdf ].

알루미늄 분말 표면의 산화막은 통상적인 환원 소결 분위기 조건에서는 제거되지 않기 때문에 다이아몬드 분말과 혼합하여 소결할 때 Al 금속 분말 표면에 형성된 산화막은 그대로 잔류하여 소결체의 치밀화를 방해한다. 따라서 소결체의 높은 기공도와 소결체 내의 산화막으로 인해 소결된 다이아몬드분말-알루미늄 복합체의 열전도율이 현저히 저하한다. Since the oxide film on the surface of the aluminum powder is not removed under ordinary reducing sintering atmosphere conditions, the oxide film formed on the surface of the Al metal powder remains as it is when sintered by mixing with the diamond powder to prevent densification of the sintered compact. Therefore, due to the high porosity of the sintered compact and the oxide film in the sintered compact, the thermal conductivity of the sintered diamond powder-aluminum composite is significantly decreased.

한편, 통상적 분말 소결법 이외에 다이아몬드 분말-금속 복합재료 제조에 적용이 가능한 기술로는 방전 플라스마 소결법(SPS)이 있다. 방전 플라스마 소결은, 소결법과 동일하게 금속분말과 다이아몬드 분말을 혼합 및 압축 성형(compacting)한 후 성형체에 압력과 저전압·대전류를 걸어줌으로써, 소결밀도가 높은 복합재료를 단시간에 소결하는 것이다. 그러나, SPS 소결법도 통상 소결법과 동일하게 알루미늄 분말을 사용하여야 하기 때문에 통상적 소결법에 나타난 문제점이 동일하게 나타난다. 또한, SPS 소결법은 단시간에 소결반응을 진행하기 때문에 소결반응 시의 환원 분위기 조절을 통한 분말 표면의 산화막 제거가 더욱 어려워, 이렇게 제조된 다이아몬드 입자 분산형 복합재료는 다이아몬드가 가지는 열전도 특성을 충분히 나타낼 수 없게 된다. 또한 균일한 두께로 연속적으로 대량의 방열기판의 생산이 거의 불가능한 제조방법이다.
On the other hand, in addition to the conventional powder sintering method, a technique that can be applied to the diamond powder-metal composite material manufacturing is the discharge plasma sintering (SPS). In the discharge plasma sintering, a composite material having a high sintered density is sintered in a short time by mixing and compressing a metal powder and diamond powder in the same manner as in the sintering method, and then applying a pressure, a low voltage and a large current to the molded body. However, the SPS sintering method also needs to use aluminum powder in the same way as the sintering method. Therefore, the problems shown in the conventional sintering method appear the same. In addition, since the SPS sintering process is performed in a short time, it is more difficult to remove the oxide film on the surface of the powder by controlling the reducing atmosphere during the sintering reaction. Thus, the diamond particle dispersion composite material thus prepared can sufficiently exhibit the thermal conductivity characteristics of diamond. There will be no. In addition, the production method is almost impossible to produce a large amount of heat dissipation substrate in a uniform thickness.

이에 따라, 다이아몬드의 우수한 열전도 특성을 이용한 금속-다이아몬드 복합재료의 제작을 위해서는 기존의 알루미늄 분말 또는 구리 분말을 사용할 때 발생하는 낮은 소결밀도 및 산화막에 의한 열전도도 저하 문제를 극복하기 위해 새로운 형태 공정기술이 필요하며, 본 발명에서는 금속 분말 (알루미늄, 구리 등)이 아닌 금속판을 원료로 사용하고 압연(또는 프레스) 공정을 도입하여 기존의 제조기술의 문제점들을 해결하고자 하였다.Accordingly, in order to fabricate the metal-diamond composite material using the excellent thermal conductivity properties of diamond, a new form process technology is used to overcome the problem of low sintering density and the thermal conductivity deterioration caused by the oxide film, which are generated when using aluminum powder or copper powder. In the present invention, a metal plate (not aluminum powder, copper, etc.) is used as a raw material and a rolling (or press) process is introduced to solve the problems of the existing manufacturing technology.

즉, 본 발명은 현존하는 모든 소재 중에서 가장 열전도도가 우수한 다이아몬드(열전도도 20W/cmK)의 열전도 특성과 알루미늄 금속의 경량 (밀도: 2.7g/cm³) 및 저가격의 장점을 조합한 이상적인 방열 기판재료를 제조하는 제조공정기술 및 이에 의해 제조된 방열기판을 제공하는 것이 목적이다. That is, the present invention is an ideal heat-dissipating substrate material that combines the thermal conductivity of diamond (thermal conductivity 20W / cmK), which is the most thermally conductive material among all existing materials, and the advantages of light weight (density: 2.7g / cm³) and low cost of aluminum metal. It is an object of the present invention to provide a manufacturing process technology for manufacturing a heat dissipation substrate manufactured thereby.

또한, 본 발명은 낮은 생산 비용과 우수한 방열 특성을 가지는 방열기판을 대량으로 생산할 수 있는 제조방법을 제공하고자 한다.
In addition, the present invention is to provide a manufacturing method that can produce a large amount of heat radiation substrate having a low production cost and excellent heat dissipation characteristics.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판은 금속 기판과, 상기 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 다이아몬드 입자가 압입되어 형성된 다이아몬드 입자층을 포함하는 것이 특징이다. Diamond particle-metal composite heat dissipation substrate according to the present invention for achieving the above object is characterized in that it comprises a metal substrate and a diamond particle layer formed by pressing the diamond particles on at least one surface of the metal substrate.

여기서, 상기 금속 기판은 알루미늄 기판인 것이 바람직하다. Here, the metal substrate is preferably an aluminum substrate.

그리고, 상기 다이아몬드 입자는 1㎛ ~ 2mm 범위 내의 직경을 가지고, 상기 금속 기판은 0.3mm ~ 5.0mm 범위 내의 두께를 가지는 것이 가능하다. In addition, the diamond particles may have a diameter in the range of 1 μm to 2 mm, and the metal substrate may have a thickness in the range of 0.3 mm to 5.0 mm.

또한, 상기 다이아몬드 입자는 5~15 범위 내의 모스 경도와 1% 이하의 연신율을 가지고, 상기 금속 기판은 1~4 범위 내의 모스 경도와 40~ 80% 범위 내의 연신율을 가지는 것일 수 있다. In addition, the diamond particles may have an Mohs hardness in the range of 5 to 15 and an elongation of 1% or less, and the metal substrate may have an Mohs hardness in the range of 1 to 4 and an elongation in the range of 40 to 80%.

또한, 상기 다이아몬드 입자는 금속 기판의 표면에서 상기 다이아몬드 입자 직경의 30~80%가 압입되고, 나머지 부분은 상기 금속 기판의 표면 밖으로 돌출되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
In addition, the diamond particles are more preferably 30 to 80% of the diameter of the diamond particles on the surface of the metal substrate, the remaining portion is more preferably protruded out of the surface of the metal substrate.

본 발명의 다른 실시형태는, 2개의 금속 기판과, 상기 금속 기판 사이에 다이아몬드 입자가 압입되어 형성된 다이아몬드 입자층을 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판이다.
Another embodiment of the present invention is a diamond particle-metal composite heat dissipation substrate comprising two metal substrates and a diamond particle layer formed by indenting diamond particles between the metal substrates.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 금속 기판을 준비하는 단계; 상기 준비한 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 다이아몬드 입자를 올려놓는 단계; 및 상기 다이아몬드 입자를 프레스 펀치로 압연하는 단계;를 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판의 제조방법이다.
Another embodiment of the present invention includes the steps of preparing a metal substrate; Placing diamond particles on at least one surface of the prepared metal substrate; And rolling the diamond particles with a press punch.

한편, 본 발명은 상기한 다이아몬드 대신에 입방정질화붕소(cubic boron nitride: cBN)를 이용하는 것도 가능하다. On the other hand, the present invention can also use cubic boron nitride (cBN) instead of the diamond described above.

즉, 본 발명은 금속 기판과, 상기 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 입방정질화붕소 입자가 압입되어 형성된 입방정질화붕소 입자층을 포함하는 입방정질화붕소 입자-금속 복합재 방열기판일 수 있다.That is, the present invention may be a cubic boron nitride particle-metal composite heat dissipation substrate including a metal substrate and a cubic boron nitride particle layer formed by pressurizing cubic boron nitride particles on at least one surface of the metal substrate.

그리고, 본 발명은 2개의 금속 기판과, 상기 금속 기판 사이에 입방정질화붕소 입자가 압입되어 형성된 입방정질화붕소 입자층을 포함하는 입방정질화붕소 입자-금속 복합재 방열기판인 것도 가능하다.The present invention may also be a cubic boron nitride particle-metal composite heat dissipation substrate comprising two metal substrates and a cubic boron nitride particle layer formed by pressurizing cubic boron nitride particles between the metal substrates.

또한, 본 발명은 금속 기판을 준비하는 단계; 상기 준비한 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 입방정질화붕소 입자를 올려놓는 단계; 및 상기 입방정질화붕소 입자를 프레스 펀치로 압연하는 단계;를 포함하는 입방정질화붕소 입자-금속 복합재 방열기판의 제조방법일 수 있다.
In addition, the present invention comprises the steps of preparing a metal substrate; Placing cubic boron nitride particles on at least one surface of the prepared metal substrate; And rolling the cubic boron nitride particles with a press punch. The method may include forming a cubic boron nitride particle-metal composite heat dissipation substrate.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

상기한 본 발명에 따라 금속 기판에서 다이아몬드 입자의 층상배열 구조를 갖는 복합 기판은 기존의 분말 소결법 또는 에폭시 수지 경화법으로 제조된 다이아몬드 입자 분산 알루미늄 복합재료에 비해서 다음과 같은 효과를 가진다. According to the present invention, the composite substrate having the layered structure of diamond particles in the metal substrate has the following effects as compared to the diamond particle dispersion aluminum composite material prepared by the conventional powder sintering method or epoxy resin curing method.

첫째, 종래의 다이아몬드 복합 방열기판 소재에서는 복합체 내부 전체에 걸쳐 다이아몬드 입자가 분산되어 있고 서로 일정하지 못한 다양한 거리를 두고 배열함으로써 효과적으로 다이아몬드 입자를 통한 열전달에 문제가 있었다(도 7 왼쪽 참조). 또한 방열기판의 열전도도를 높이기 위해서는 다이아몬드 분말의 사용량을 늘려야하는데, 이 경우 소결성이 현저히 나빠져 열전도율이 오히려 더욱 감소하고, 다이아몬드 원료 사용량이 커지게 된다. 이에 비해, 본 발명에서는 복합 방열기판 내에 다이아몬드 입자를 층상으로 배열시킴으로써(도 7 오른쪽 참조), 비교적 소량의 다이아몬드 분말을 사용하여도 다이아몬드 입자간의 간격이 매우 좁게 배열되고 표면에 집중되어, LED 소자 등에서 발생한 열을 다이아몬드 입자 층을 따라 매우 빠르게 분산시킬 수 있어 방열효과를 크게 증대시킬 수 있다(도 7 오른쪽 참조).First, in the conventional diamond composite heat dissipation substrate material, diamond particles are dispersed throughout the composite and arranged at various distances which are not constant with each other, thereby effectively causing heat transfer through the diamond particles (see FIG. 7 left). In addition, in order to increase the thermal conductivity of the heat dissipation substrate, the amount of diamond powder needs to be increased. In this case, the sinterability is significantly worsened, so that the thermal conductivity is further reduced, and the amount of diamond raw material is increased. In contrast, in the present invention, by arranging the diamond particles in a layered layer in the composite heat dissipation substrate (see the right side of FIG. 7), even when a relatively small amount of diamond powder is used, the spacing between the diamond particles is very narrowly arranged and concentrated on the surface. The generated heat can be dissipated very quickly along the diamond particle layer, greatly increasing the heat dissipation effect (see FIG. 7 right).

둘째, 본 발명은 기존의 원료 분말 소결법 또는 에폭시수지 경화법보다 소량의 다이아몬드 분말 원료를 사용해서도 다이아몬드 입자를 촘촘히 배열시킬 수 있고, 촘촘히 배열된 다이아몬드 입자 층에 의해 높은 열전도도를 달성할 수 있기 때문에 다이아몬드 원료 분말의 사용량을 최소화 할 수 있어 원료 비용 절감에 효과적이다.Second, the present invention can be used to arrange diamond particles in a smaller amount than the conventional raw material powder sintering method or epoxy resin hardening method, and high thermal conductivity can be achieved by the densely arranged diamond particle layer. Therefore, the amount of diamond raw material powder can be minimized, which is effective for reducing raw material cost.

셋째, 기존의 분말 소결법에서는 알루미늄 원료 분말 표면에 형성된 산화막으로 인해 소결밀도가 낮아지고, 잔류 산화막으로 인해 열전도도가 저하하는 문제가 있는데 반해, 본 발명에서는 알루미늄 분말 대신 알루미늄 금속 기판을 원료소재로 사용함으로써 기존 소결법의 문제를 해결할 수 있어, 다이아몬드 입자가 가지는 우수한 열전도 효과를 극대화할 수 있다.Third, in the conventional powder sintering method, there is a problem that the sintered density is lowered due to the oxide film formed on the surface of the aluminum raw material powder and the thermal conductivity is lowered due to the remaining oxide film. In the present invention, an aluminum metal substrate is used as the raw material instead of the aluminum powder. By solving the problem of the conventional sintering method, it is possible to maximize the excellent thermal conductivity effect of the diamond particles.

넷째, 기존의 다이아몬드 분말-에폭시 복합재료에서는 에폭시의 열전도도가 금속에 비해 1/10 ~1/20 수준 (스미토모 오사카 시멘트 회사의 고열전도성 특수 에폭시 수지의 열전도도: 0.17W/cmK)이기 때문에 공업적으로 우수한 방열소재가 될 수 없는 반면, 본 발명에서는 에폭시 수지 대신에 열전도도가 10배 이상 우수한 알루미늄 판재를 소지(matrix)로 사용하기 때문에 우수한 방열기판이 제조된다. Fourth, in the existing diamond powder-epoxy composites, the thermal conductivity of epoxy is 1/10 ~ 1/20 compared to that of metal (thermal conductivity of high thermal conductivity special epoxy resin of Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd .: 0.17W / cmK). On the contrary, while excellent heat dissipation material cannot be used, an excellent heat dissipation board is manufactured in the present invention because an aluminum plate having excellent thermal conductivity 10 times or more is used as a matrix instead of an epoxy resin.

다섯째, 본 발명은 기존의 소결법에 비해 매우 단순한 제조공정을 제공할 수 있어 기판 생산원가를 대폭 줄인 새로운 형태의 방열 기판을 여러 산업 분야에 폭넓게 제공할 수 있어 새로운 시장의 창출이 가능해진다.
Fifth, the present invention can provide a very simple manufacturing process compared to the conventional sintering method can provide a new type of heat dissipation substrate to a wide range of industries to significantly reduce the production cost of the substrate to create a new market.

도 1은 종래의 분말 소결법에 의해 다이아몬드-금속 복합재료를 제조하는 공정을 나타내는 모식도로써, (a)는 금속 알루미늄 분말, (b는) 다이아몬드 입자, (c)는 다이아몬드 분말과 알루미늄 분말의 혼합 성형 과정, (d)는 소결된 이후의 미세조직을 도식적으로 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다이아몬드-금속 방열기판의 개략적인 단면도로서, 금속 기판의 상부에 다이아몬드 입자 복합층(composite layer)이 포함되어 이루어진 방열기판을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 다이아몬드 분말 층이 금속 기판의 상.하부에 모두 형성되어 있는 방열기판을 도식적으로 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 다층의 금속기판 사이에 다이아몬드 분말층이 형성되어 있는 방열기판을 도식적으로 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다이아몬드-금속 방열기판을 프레스(또는 압연) 공정에 의한 제조하는 과정을 나타내는 모식도로써, (a)는 금속 기판에 다이아몬드 분말을 올려 놓은 모습, (b)는 프레스 펀치 또는 압연 롤로 압연하기 전의 모습, (c)는 프레스 또는 압연 중의 모습 (d)는 프레스 또는 압연 롤로 압연 이후의 방열기판과 프레스 펀치 또는 압연롤의 모습을 도식적으로 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 다이아몬드-금속 방열기판의 개략적인 단면도로서, 금속 기판의 상부에 형성된 다이아몬드 분말의 일부가 상기 기판 표면 위로 도출되어 냉각 효과를 극대화한 방열기판을 도식적으로 나타내고 있다.
도 7은 기존의 방열기판과 본 발명에 따른 방열기판에 의한 방열효과를 도식적으로 나타낸 것으로, 왼쪽은 기존의 방열기판에 의한 열의 흐름을 표시한 것이며, 오른쪽은 본 발명의 방열기판에 의한 열의 흐름을 표시한 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방열기판의 제조방법으로써, 연속적인 압연공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방열기판의 제조방법을 설명하기 위한 실제 사진으로써, 도 9는 다이아몬드 분말이 압입될 부분을 균일한 모습의 홈으로 가공한 알루미늄 금속 기판의 미세조직이며, 도 10은 가공된 홈에 다이아몬드 입자가 균일하게 자리잡은 모습이고, 도 11은 압연롤이나 프레스 펀치를 이용하여 다이아몬드 입자를 압입한 이후, 다이아몬드 입자가 금속 기판 속에 균일하게 압입된 완성된 금속-다이아몬드 방열 기판의 미세조직를 나타낸 것이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a process for producing a diamond-metal composite material by a conventional powder sintering method, (a) is a metal aluminum powder, (b) diamond particles, (c) is a mixed molding of diamond powder and aluminum powder Process (d) schematically shows the microstructure after sintering.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a diamond-metal heat radiation substrate according to an exemplary embodiment of the present invention, and schematically illustrates a heat radiation substrate including a diamond particle composite layer on the metal substrate.
3 is a diagram illustrating a heat dissipation substrate in which a diamond powder layer is formed on both upper and lower portions of a metal substrate as another preferred embodiment of the present invention.
4 schematically shows a heat dissipation substrate in which a diamond powder layer is formed between multiple metal substrates as another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a process of manufacturing a diamond-metal heat radiation substrate by a press (or rolling) process according to an embodiment of the present invention, (a) shows a diamond powder placed on a metal substrate, and (b) ) Shows a state before rolling with a press punch or a rolling roll, (c) shows a state during a press or a rolling (d) shows the heat radiation board and the press punch or a rolling roll after rolling with a press or a rolling roll.
6 is a schematic cross-sectional view of a diamond-metal heat radiation substrate according to another exemplary embodiment of the present invention, in which a part of diamond powder formed on an upper portion of a metal substrate is drawn on the surface of the substrate to maximize a cooling effect. It is indicated by.
Figure 7 schematically shows the heat dissipation effect by the heat dissipation substrate and the heat dissipation substrate according to the present invention, the left shows the flow of heat by the existing heat dissipation substrate, the right is the flow of heat by the heat dissipation substrate of the present invention It is displayed.
8 is a diagram illustrating a continuous rolling process as a method of manufacturing a heat dissipation substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
9 to 11 are actual pictures for explaining a method of manufacturing a heat dissipation substrate according to an embodiment of the present invention, Figure 9 is an aluminum metal substrate processing a portion of the diamond powder is pressed into a groove of a uniform shape 10 is a microstructure, and the diamond grains are uniformly placed in the processed grooves, and FIG. 11 is a diamond grain is uniformly pressed into the metal substrate after pressing the diamond grains using a rolling roll or a press punch. It shows a microstructure of the metal-diamond heat radiation substrate.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다이아몬드-금속 방열기판의 개략적인 단면도로서, 금속 기판의 상부에 다이아몬드 입자 복합층(composite layer)이 포함되어 이루어진 방열기판을 도식적으로 나타낸 것이다.FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a diamond-metal heat radiation substrate according to an exemplary embodiment of the present invention, and schematically illustrates a heat radiation substrate including a diamond particle composite layer on the metal substrate.

여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판은 금속 기판(10)과, 상기 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 다이아몬드 입자(20)가 압입되어 형성된 다이아몬드 입자층(20)을 포함하는 것이 특징이다. As shown herein, the diamond particle-metal composite heat dissipation substrate according to the present invention includes a metal substrate 10 and a diamond particle layer 20 formed by press-fitting diamond particles 20 to at least one surface of the metal substrate. It is characteristic.

본 발명자들은 기존의 분말 소결법 또는 에폭시수지 경화법으로 제조된 복합 방열기판에서 나타나는 열전도도 특성의 저하, 산화막의 잔류, 다이아몬드 분말의 사용량 증대, 불균일한 분포, 소결밀도 저하 등을 해결하고, 동시에 단순한 제조공정 제공과 다이아몬드 사용량을 최소화한 방열기판을 제공하기 위해 아래와 같은 공정원리와 방열기판 구조를 발명하였다. The present inventors have solved the degradation of the thermal conductivity characteristics of the composite heat dissipation substrate manufactured by the conventional powder sintering method or the epoxy resin curing method, the residual of the oxide film, the increase in the amount of the diamond powder used, the nonuniform distribution, the decrease in the sinter density, and the like. In order to provide a manufacturing process and to provide a heat dissipation substrate with minimal diamond usage, the following process principle and heat dissipation substrate structure were invented.

본 발명에서는 알루미늄 금속과 다이아몬드가 가지는 극히 서로 상반된 특성, 즉, 알루미늄의 낮은 경도 (Mohs 경도: 2.75) 및 우수한 연성 (연신율: 50% 이상, 인장강도: 4.6kg/mm2)과 다이아몬드의 매우 높은 경도 (Mohs 경도: 10) 및 0%의 연신율을 본 발명의 목적을 달성하는 해결 수단으로 사용하였다. In the present invention, the extremely opposite properties of aluminum metal and diamond, that is, low hardness (Mohs hardness: 2.75) and excellent ductility (elongation: 50% or more, tensile strength: 4.6kg / mm 2 ) of aluminum and very high Hardness (Mohs hardness: 10) and an elongation of 0% were used as a means of achieving the object of the present invention.

먼저, 본 발명은 기존의 분말 소결법에 의한 다량의 다이아몬드를 사용함에 따른 소결 치밀화 저하의 문제, 다이아몬드 원료비용 상승 등의 문제들을 다음과 같이 해결하였다. 본 발명에서는 금속소재 원료로서 금속 분말을 사용하지 않고 대신에 금속 기판(도 2, 10)(두께 0.5mm~50mm)을 사용하고, 다이아몬드 분말은 금속판재 (알루미늄판) 표면으로부터 균일하게 압입 (壓入), 즉, 압연이나 프레스 공정으로 다이아몬드 입자(20)에 압력을 주어 판재 내부로 강제로 삽입, 하는 방법을 사용함으로써 다이아몬드 입자(20)를 금속 기판의 표면 아래에만 다이아몬드 입자 층(30)을 형성시킨다. 따라서 본 발명에서는 복합 방열기판 내에 다이아몬드 입자(20)를 층으로 배열하여(도 2, 30) 비교적 소량의 다이아몬드 분말을 사용하여서도 다이아몬드 입자(20) 간의 간격을 매우 좁게 배열함으로써, LED나 반도체 소자에서 발생한 열이 다이아몬드 입자 층을 따라 매우 빠르게 분산되도록하여 방열효과를 크게 증대시킬 수 있다. 이러한 본 발병은 기존의 분말 혼합 소결법보다 소량의 다이아몬드 분말 원료로도 열전도도를 높일 수 있으므로 생산 원가를 절감하는 장점이 있다. First, the present invention solves the problems of the sinter densification lowering, the increase in the cost of diamond raw materials, etc., by using a large amount of diamond by the conventional powder sintering method as follows. In the present invention, metal powder is not used as a metal material raw material, and instead, a metal substrate (FIGS. 2 and 10) (thickness 0.5 mm to 50 mm) is used, and diamond powder is uniformly pressed from the surface of the metal plate material (aluminum plate). Ie), that is, a method of forcing the diamond particles 20 into a sheet by forcing the diamond particles 20 in a rolling or pressing process to insert the diamond particles layer 30 only below the surface of the metal substrate. Form. Therefore, in the present invention, by arranging the diamond particles 20 in layers in the composite heat dissipation substrate (FIGS. 2 and 30), the spacing between the diamond particles 20 is very narrow even with a relatively small amount of diamond powder. Heat dissipated in can be dispersed very quickly along the diamond particle layer, thereby greatly increasing the heat dissipation effect. This onset has the advantage of reducing the production cost because it can increase the thermal conductivity even with a small amount of diamond powder raw material than the conventional powder mixed sintering method.

또한, 본 발명에서는 알루미늄 분말 대신에 알루미늄 판재(판재 두께 : 5mm 이하)를 금속 원료로 사용함으로써 분말 표면에 형성되는 산화피막 문제를 근원적으로 해결할 수 있다. In addition, in the present invention, by using an aluminum plate (plate thickness: 5 mm or less) as a metal raw material instead of aluminum powder, it is possible to fundamentally solve the problem of the oxide film formed on the surface of the powder.

상기의 두 가지 해결 방안을 조합함으로써 기존의 소결법이 갖는 한계와 문제점을 개선 및 해결할 수 있다. 모재로 사용될 알루미늄 판재(두께 0.5mm ~ 5mm) 표면 위에 다이아몬드 분말을 압입시켜 판재 표면 내부에 일정 두께의 다이아몬드 입자 층을 형성시킨다. 이렇게 압입된 다이아몬드 입자는 금속 표면 아래에서 다이아몬드 입자층(30)을 형성하는 것이 특징이다(도 2).By combining the above two solutions, it is possible to improve and solve the limitations and problems of the conventional sintering method. Diamond powder is pressed on the surface of an aluminum sheet (0.5 mm to 5 mm) to be used as a base material to form a layer of diamond particles having a predetermined thickness inside the sheet surface. This indentation of diamond particles is characterized by forming a diamond particle layer 30 under the metal surface (Fig. 2).

본 발명의 특징은 다이아몬드 분말을 금속판 표면으로부터 압연 롤이나 프레스 펀치로 눌러 압입시킴으로써, 소량의 다이아몬드분말을 압입하여도 입자가 금속판 표면 근처에만 집중적으로 촘촘히 분산되기 때문에, 다이아몬드의 높은 열전도도 특성을 효과적으로 활용될 수 있게 된다. A feature of the present invention is to press and press the diamond powder from the surface of the metal plate with a rolling roll or a press punch, so that even when a small amount of diamond powder is pressed, the particles are concentrated and concentrated only near the surface of the metal plate, thereby effectively increasing the high thermal conductivity characteristics of the diamond. Can be utilized.

즉, 종래의 분말 소결복합체에서는 금속분말과 다이아몬드 분말 간의 밀도차이가 커서 다이아몬드 분말의 균일한 분산이 근본적으로 어렵다. 또한 복합체 내부 전체에 걸쳐 다이아몬드 입자가 분산되기 때문에 다이아몬드 입자간의 간격이 넓어 많은 량의 다이아몬드 분말을 사용하여야 열전도도를 높일 수 있게 된다. 반면에, 본 발명에서는 소량의 다이아몬드 분말을 사용하여도 입자가 표면 아래에 집중적으로 층으로 배열되어 있어 다이아몬드의 높은 열전도도 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다. That is, in the conventional powder sintered composite, the density difference between the metal powder and the diamond powder is large, so that uniform dispersion of the diamond powder is fundamentally difficult. In addition, since the diamond particles are dispersed throughout the inside of the composite, the spacing between the diamond particles is wide, so that a large amount of diamond powder must be used to increase the thermal conductivity. On the other hand, in the present invention, even when using a small amount of diamond powder particles are concentrated in a layer below the surface has the advantage of maximizing the high thermal conductivity effect of diamond.

이를 위하여, 본 발명에 따른 상기 금속 기판(10)의 재질은 특별히 제한되지 않고 이 기술분야에 널리 알려진 다양한 금속으로 이루어질 수 있지만, 그 중에서도 알루미늄으로 이루어진 것이 바람직하다. To this end, the material of the metal substrate 10 according to the present invention is not particularly limited and may be made of various metals well known in the art, but is preferably made of aluminum.

또한, 상기 다이아몬드 입자(20)는 1㎛ ~ 2mm 범위 내의 직경을 가지고, 상기 금속 기판(10)은 0.3mm ~ 5.0mm 범위 내의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 다이아몬드 입자(20)의 크기가 상기 범위보다 작으면 다이아몬드 입자층(30)의 두께가 얇아 열전도 효과가 미비하고, 상기 범위보다 크면 다이아몬드 입자(20) 간의 간격을 좁게 배열하기 힘들다. 또한, 금속 기판(10)의 두께가 상기 범위보다 작으면 표면층에 다이아몬드 입자층(30)의 형성이 힘들어지고, 상기 범위보다 크면 다이아몬드 입자(20)의 압연이 힘들기 때문이다.
In addition, the diamond particles 20 preferably have a diameter in the range of 1 μm to 2 mm, and the metal substrate 10 preferably has a thickness in the range of 0.3 mm to 5.0 mm. Because, when the size of the diamond particles 20 is smaller than the range, the diamond particle layer 30 has a thin thickness, so that the thermal conduction effect is insignificant, and when the size of the diamond particles 20 is larger than the range, it is difficult to narrowly space the diamond particles 20. In addition, when the thickness of the metal substrate 10 is smaller than the above range, it is difficult to form the diamond particle layer 30 in the surface layer, and when the thickness is larger than the above range, the diamond particles 20 are difficult to roll.

또한, 본 발명의 다른 특징은 방열효과의 극대화를 위해 방열기판 표면에서 다이아몬드 입자(20)들의 일부분만이 금속 기판(10) 내로 압입되고, 나머지 부분은 상기 금속 기판(10) 표면 위로 돌출되는 형상을 가지는 것이다(도 6의 (c) 참조). 일례로, 상기 다이아몬드 입자(20)는 금속 기판(10)의 표면에서 상기 다이아몬드 입자(20) 직경의 30~80%가 압입되고, 나머지 부분은 상기 금속 기판(10)의 표면 밖으로 돌출되어 있는 것이 바람직하다. In addition, another feature of the present invention is a shape in which only a part of the diamond particles 20 are pressed into the metal substrate 10 on the surface of the heat dissipation substrate to maximize the heat dissipation effect, and the remaining portions protrude above the surface of the metal substrate 10. (See (c) of FIG. 6). For example, the diamond particles 20 is 30 to 80% of the diameter of the diamond particles 20 is pressed on the surface of the metal substrate 10, the remaining portion is protruding out of the surface of the metal substrate 10. desirable.

이렇게 돌출된 다이아몬드 입자(20)는 대기(공기)와의 접촉면적이 증가하여, 방열기판 내의 열을 공기(대기)로 방출하는 열방출 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.
The protruding diamond particles 20 have an increased contact area with the atmosphere (air), thereby further improving the heat dissipation ability of dissipating heat in the radiating substrate to air (atmosphere).

또한, 본 발명의 다른 실시형태는, 도 3에 나타난 바와 같이, 다이아몬드 입자(20)가 방열기판으로 이용될 알루미늄 금속 기판(10)의 상부 및 하부에 함께 균일한 층으로 압입되어 상기 금속 기판(10)의 양쪽 표면에 다이아몬드 입자층(30)을 가질 수 있다.
In addition, another embodiment of the present invention, as shown in Figure 3, the diamond particles 20 are pressed together in a uniform layer on the upper and lower portions of the aluminum metal substrate 10 to be used as a heat radiating substrate to the metal substrate ( 10) may have a diamond particle layer 30 on both surfaces.

나아가, 본 발명은 다이아몬드 입자층(30)이 다수의 금속 기판(10) 사이에 층으로 압입된 다층 구조의 금속-다이아몬드 복합 기판일 수도 있다(도 4).Furthermore, the present invention may be a multi-layer metal-diamond composite substrate having a diamond particle layer 30 pressed into a layer between a plurality of metal substrates 10 (FIG. 4).

즉, 본 발명은 2개의 금속 기판과, 상기 금속 기판 사이에 다이아몬드 입자가 압입되어 형성된 다이아몬드 입자층(30)을 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판인 것이 가능하다.That is, the present invention may be a diamond particle-metal composite heat dissipation substrate including two metal substrates and a diamond particle layer 30 formed by indenting diamond particles between the metal substrates.

예를 들어, 두 장의 알루미늄 금속판을 이용하여 두 금속 판 사이에 다이아몬드 분말을 분산시키고, 이후 압연 또는 프레스로 두 판을 합착시킴으로써 방열 기판 내부 중심에 층상으로 배열된 일정 두께의 다이아몬드 분말 층이 형성된 기판을 제공할 수 있다. 이러한 본 발명은 방열기판의 표면을 완전히 매끄러운 금속면으로 제공할 수 있는 효과가 있다.
For example, a substrate having a diamond powder layer having a predetermined thickness arranged in a layer at the center of a heat dissipation substrate by dispersing diamond powder between two metal plates by using two sheets of aluminum metal plates and then joining the two plates by rolling or pressing. Can be provided. This invention has the effect of providing the surface of the radiating substrate to a completely smooth metal surface.

한편, 본 발명의 핵심적 내용 중 하나는 금속 기판(10) 내에 다이아몬드 입자(20)가 촘촘하게 층상으로 배열된 복합 방열기판을, 저렴하고 대량생산이 가능한 압연 또는 프레스에 의해 제조하는 방법을 제공하는 것이다. On the other hand, one of the essential contents of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite heat radiation substrate in which the diamond particles 20 are densely layered in the metal substrate 10 by rolling or pressing inexpensive and mass production. .

즉, 본 발명의 또 다른 실시형태는, 금속 기판을 준비하는 단계; 상기 준비한 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 다이아몬드 입자를 올려놓는 단계; 및 상기 다이아몬드 입자를 프레스 펀치로 압연하는 단계;를 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판의 제조방법일 수 있다.That is, another embodiment of the present invention, preparing a metal substrate; Placing diamond particles on at least one surface of the prepared metal substrate; And rolling the diamond particles with a press punch. It may be a method of manufacturing a diamond particle-metal composite radiating substrate comprising a.

본 발명의 구현 원리를 도 5에 나타내었다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방열기판의 공정도로서, 금속 기판(10)의 상부에 다이아몬드 입자층(50)을 압연 또는 프레스 공정에 의해 형성하는 방법을 나타내는 것이 특징이다. 다이아몬드 입자(20)는 소재 중에서 가장 높은 경도 (모스 경도: 10, 연신율: 0%)를 갖기 때문에 통상적의 기계적 압력이나 힘으로는 파괴되거나 변형되지 않는다. 그래서, 본 발명에서는 먼저 알루미늄 금속 기판(10)(모스 경도:2.75, 연신율: 40~50%) 위에 다이아몬드 입자(20)를 포함하는 분말을 분산시킨다(도 5의 (a)). 이후에 그 위에서 압연 롤이나 프레스 펀치(40)로 상기 다이아몬드 입자(20)를 누르면(도 5의 (b)) 낮은 응력에 의해서도 다이아몬드 입자(20)는 쉽게 금속 기판(10) 안으로 압입(壓入, press in) 될 수 있다. 이때 다이아몬드 입자(20)는 경도가 매우 커서 전혀 손상을 입지 않은 채로 원래 형상대로 금속 기판(10) 내로 압입 되고(도 5(c)), 압입된 다이아몬드 입자(20)는 금속 기판(10) 표면 아래에서 층상(layer)으로 배열되어, 다이아몬드 입자층(30)을 형성한다(도 5(d)). An implementation principle of the present invention is shown in FIG. 5. FIG. 5 is a process diagram of a heat radiation substrate according to an exemplary embodiment of the present invention, which illustrates a method of forming a diamond particle layer 50 on a metal substrate 10 by a rolling or pressing process. Since the diamond particles 20 have the highest hardness (Moss hardness: 10, elongation: 0%) among the materials, they are not broken or deformed by the usual mechanical pressure or force. Therefore, in the present invention, first, the powder containing the diamond particles 20 is dispersed on the aluminum metal substrate 10 (Moss hardness: 2.75, elongation: 40-50%) (Fig. 5 (a)). Subsequently, when the diamond particles 20 are pressed with a rolling roll or a press punch 40 thereon (FIG. 5B), the diamond particles 20 are easily pressed into the metal substrate 10 even by a low stress. , can be pressed in. At this time, the diamond particles 20 are very hard and are indented into the metal substrate 10 in its original shape without being damaged at all (FIG. 5 (c)), and the pressed diamond particles 20 are formed on the surface of the metal substrate 10. Arranged in a layer below, forming a diamond particle layer 30 (FIG. 5 (d)).

이러한 본 발명의 제조방법에 의하면, 공정의 단순화와 다이아몬드 분말 사용량의 최소화로 인해 제조비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 방열특성을 가진 방열기판을 간단하고 용이하게 제조할 수 있으며, 이로 인해 고출력 소형 전자 부품의 수명과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다. According to the manufacturing method of the present invention, not only the manufacturing cost can be reduced by simplifying the process and minimizing the use of diamond powder, but also it is possible to easily and easily manufacture the heat dissipation substrate having excellent heat dissipation characteristics, thereby high output The life and reliability of small electronic components can be greatly improved.

상기와 같이 본 발명의 제조방법에서는 금속판을 가열하지 않고도 다이아몬드 분말을 금속 내부로 압입 시킬 수 있고, 이것은 앞서 설명한 바와 같이 알루미늄 금속은 연성(소성 변형성)이 매우 크고 경도도 낮은데 반해, 다이아몬드 입자는 경도가 매우 높다는 것에 기초한다. 이를 위하여, 상기 다이아몬드 입자(20)는 5~15 범위 내의 모스 경도와 1% 이하의 연신율을 가지고, 상기 금속 기판(10)은 1~4 범위 내의 모스 경도와 40~ 80% 범위 내의 연신율을 가지는 것이 바람직하다. As described above, in the manufacturing method of the present invention, the diamond powder can be pressed into the metal without heating the metal plate. As described above, aluminum metal has very high ductility (plastic deformation) and low hardness, whereas diamond particles have hardness. Is based on very high. To this end, the diamond particles 20 has a Mohs hardness in the range of 5-15 and elongation of 1% or less, and the metal substrate 10 has a Mohs hardness in the range of 1-4 and an elongation in the range of 40-80%. It is preferable.

나아가, 알루미늄 보다 경도가 조금 높고 연성이 조금 낮은 금속 기판(예: 구리)을 사용하는 경우에는, 상기 구리 금속 기판 내로 다이아몬드 입자를 쉽게 압입시키기 위항, 프레스 펀치 또는 압연 롤을 가열하여 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 가열된 프레스 펀치 또는 롤은 열전도율이 매우 좋은 다이아몬드 분말을 통해 다이아몬드 입자와 접촉된 금속 기판 부위를 가열시키기 때문에, 압입에 필요한 금속 기판의 소성변형성을 증대시킴으로써 다이아몬드 분말을 용이하게 압입시킬 수 있다. Furthermore, when using a metal substrate (eg copper) that is slightly harder than aluminum and slightly less ductile, it is preferable to heat and apply a press punch or rolling roll to easily inject diamond particles into the copper metal substrate. Do. That is, since the heated press punch or roll heats the metal substrate portion in contact with the diamond particles through the diamond powder having a very high thermal conductivity, the diamond powder can be easily indented by increasing the plastic deformation of the metal substrate required for the indentation. .

물론, 금속 기판 표면에 다이아몬드 분말을 압입시키는 방법은 상기의 방법으로만 제한되는 것은 아니며, 핫 프레스등과 같은 다른 방법으로도 구현이 가능하다.
Of course, the method of pressing the diamond powder on the surface of the metal substrate is not limited to the above method, and may be implemented by other methods such as a hot press.

한편, 본 발명은 상기한 다이아몬드 대신에 입방정질화붕소(cubic boron nitride: cBN)를 이용하는 것도 가능하다. On the other hand, the present invention can also use cubic boron nitride (cBN) instead of the diamond described above.

상기 입방정질화붕소는 섬아연광형 공유결합성 화합물로써, 다이아몬드와 유사한 특성을 가지고 있다. 즉, 입방정 질화붕소를 원료로 하여 수만 기압의 초고압 하에서 만들어지며, 다이아몬드 다음으로 단단하고, 강과 반응하지 않으므로 고온에서 안정한 특성을 가진다. 일반적으로, 절삭공구용으로써 cBN미분과 Co미분의 혼합분을 초고압 하에서 소결(燒結)하고, 공구강, 초합금 등의 난삭(難削)재의 절삭에 사용되지만, 본 발명에서는 이를 이용하여 특별히 방열기판의 제조에 이용하는 것이 특징이다. The cubic boron nitride is a zinc light covalently bonded compound, and has properties similar to diamond. In other words, cubic boron nitride is used as a raw material, and is made under ultrahigh pressure of tens of thousands of atmospheric pressure, and it is hard after diamond, and does not react with steel, and thus has stable characteristics at high temperature. In general, as a cutting tool, a mixture of cBN fine powder and Co fine powder is sintered under ultra-high pressure, and used for cutting difficult-to-cut materials such as tool steel and superalloy. It is a characteristic to use for manufacture.

입방정질화붕소를 이용하는 본 발명의 특징은 상기한 다이아몬드에 관한 설명과 동일하다.
The characteristics of the present invention using cubic boron nitride are the same as those described for the diamond.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
The present invention may be better understood by the following examples, which are for the purpose of illustrating the invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방열기판의 제조방법으로써, 연속적인 압연공정을 도식적으로 나타낸 것이다. 8 is a diagram illustrating a continuous rolling process as a method of manufacturing a heat dissipation substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.

금속 기판(10) 위에 다이아몬드 입자(20)를 균일하게 분산시키는 것은 다양한 방법으로 가능한데, 도 8에서는 압연공정을 이용하였다. 먼저, 준비된 금속 기판(10) 위에 균일하게 다이아몬드 입자(20)를 분산시키기 위해 1차 압연(70)을 실시하였다. 상기 1차 압연(70)을 위한 롤(roll)의 표면은 상기 다이아몬드 입자(20) 크기보다 조금 큰 직경을 갖는 핀(pin, 압연 롤과 같은 소재)(80)이 균일하게 형성된 것을 사용하였다. 그래서, 상기 금속 기판(10)을 1차 압연(70)함으로써, 다이아몬드 입자(20)의 크기보다 조금 큰 균일한 홈(구멍)을 형성하였다. 그런 다음, 상기 금속 기판(10) 위에 형성된 홈에 다이아몬드 입자(20)들을 채워서 균일하게 분산시키며, 이후에는 2차 압연(90)에 의해 금속 기판(10) 내로 다이아몬드 입자(20)를 효과적으로 압입시켰다.
It is possible to uniformly disperse the diamond particles 20 on the metal substrate 10 in various ways, a rolling process was used in FIG. First, primary rolling 70 was performed to uniformly disperse the diamond particles 20 on the prepared metal substrate 10. As the surface of the roll for the primary rolling 70, a pin (material such as a rolling roll) 80 having a diameter slightly larger than the size of the diamond particles 20 was uniformly used. Therefore, by uniformly rolling the metal substrate 10, a uniform groove (hole) slightly larger than the size of the diamond grains 20 was formed. Then, the diamond particles 20 are uniformly dispersed by filling the grooves formed on the metal substrate 10, and then the diamond particles 20 are effectively pressed into the metal substrate 10 by the secondary rolling 90. .

도 9 내지 도 11은 상기에서 설명된 프레스 공정에 의해 알루미늄 금속 판 위에 다이아몬드를 분산시킨 후 그 위에서 프레스 펀치로 다이아몬드 입자를 눌러서 금속 판 내로 다이아몬드 입자를 압입 (壓入)시키는 과정을 보여주는 각 단계별 광학현미경 사진이다. 9 to 11 are optical steps for each step showing a process of dispersing diamond on an aluminum metal plate by the press process described above, and then pressing the diamond particles with a press punch thereon to press the diamond particles into the metal plate. Photomicrograph.

도 9는 압입 전 다이아몬드 입자의 균일한 분포를 위해 다이아몬드 입자가 들어갈 부분을 가공한 사진이고, 도 10은 가공된 홈에 다이아몬드 입자가 균일하게 분산된 모양이며, 도 11은 이후 프레스 펀치로 압입되어 알루미늄 판 내로 다이아몬드 입자가 압입된 형상을 보여준다.
FIG. 9 is a photograph of a portion in which diamond particles are inserted for uniform distribution of diamond particles before indentation, FIG. 10 is a shape in which diamond particles are uniformly dispersed in a processed groove, and FIG. 11 is then pressed into a press punch. The diamond particles are pressed into the aluminum plate.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be apparent to those skilled in the art that changes may be made.

1: 금속분말 (알루미늄 분말)
2, 20: 다이아몬드 입자
3: 금속분말 표면의 산화층(알루미나 산화막)
10: 금속기판
30: 다이아몬드 층
40: 압연롤 또는 프레스
50: 열방출 전자 부품(LED 칩 등)
60: 열 흐름(방열 방향)
70: 1차 압연롤
80: 1차 압연롤 면에 있는 압연 바늘
90: 2차 압연 롤 1: metal powder (aluminum powder)
2, 20: diamond particles
3: Oxide layer (alumina oxide film) on the surface of metal powder
10: metal substrate
30: diamond layer
40: rolling roll or press
50: heat dissipation electronic components (LED chips, etc.)
60: heat flow (heat direction)
70: first rolling roll
80: rolling needle on the primary roll side
90: secondary rolled roll

Claims (9)

금속 기판과,
상기 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 다이아몬드 입자가 압입되어 형성된 다이아몬드 입자층을 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판.
Metal substrate,
And a diamond particle layer formed by injecting diamond particles into at least one surface of the metal substrate.
제1항에 있어서,
상기 금속 기판은 알루미늄 기판인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판.
The method of claim 1,
The metal substrate is a diamond particle-metal composite heat dissipation substrate, characterized in that the aluminum substrate.
제1항에 있어서,
상기 다이아몬드 입자는 1㎛ ~ 2mm 범위 내의 직경을 가지고,
상기 금속 기판은 0.3mm ~ 5.0mm 범위 내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판.
The method of claim 1,
The diamond particles have a diameter in the range of 1 ㎛ ~ 2mm,
And the metal substrate has a thickness in the range of 0.3 mm to 5.0 mm.
제1항에 있어서,
상기 다이아몬드 입자는 5~15 범위 내의 모스 경도와 1% 이하의 연신율을 가지고,
상기 금속 기판은 1~4 범위 내의 모스 경도와 40~ 80% 범위 내의 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판.
The method of claim 1,
The diamond particles have a Mohs hardness in the range of 5 to 15 and an elongation of 1% or less,
The metal substrate has a Mohs hardness in the range of 1 to 4 and elongation in the range of 40 to 80%.
제1항에 있어서,
상기 다이아몬드 입자는 금속 기판의 표면에서 상기 다이아몬드 입자 직경의 30~80%가 압입되고, 나머지 부분은 상기 금속 기판의 표면 밖으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판.
The method of claim 1,
The diamond particles are 30 to 80% of the diameter of the diamond particle is pressed on the surface of the metal substrate, the remaining portion of the diamond particle-metal composite heat dissipation substrate, characterized in that protruding out of the surface of the metal substrate.
금속 기판과,
상기 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 입방정질화붕소(cubic boron nitride: cBN) 입자가 압입되어 형성된 입방정질화붕소 입자층을 포함하는 입방정질화붕소 입자-금속 복합재 방열기판.
Metal substrate,
And a cubic boron nitride particle layer formed by injecting cubic boron nitride (cBN) particles into at least one surface of the metal substrate.
2개의 금속 기판과,
상기 금속 기판 사이에 다이아몬드 입자가 압입되어 형성된 다이아몬드 입자층을 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판.
Two metal substrates,
A diamond particle-metal composite heat dissipation substrate comprising a diamond particle layer formed by inserting diamond particles between the metal substrates.
2개의 금속 기판과,
상기 금속 기판 사이에 입방정질화붕소(cubic boron nitride: cBN) 입자가 압입되어 형성된 입방정질화붕소 입자층을 포함하는 입방정질화붕소 입자-금속 복합재 방열기판.
Two metal substrates,
A cubic boron nitride particle-metal composite radiating substrate comprising a cubic boron nitride particle layer formed by pressurizing cubic boron nitride (cBN) particles between the metal substrates.
금속 기판을 준비하는 단계;
상기 준비한 금속 기판의 적어도 한쪽 표면에 다이아몬드 입자를 올려놓는 단계; 및
상기 다이아몬드 입자를 프레스 펀치로 압연하는 단계;를 포함하는 다이아몬드 입자-금속 복합재 방열기판의 제조방법.
Preparing a metal substrate;
Placing diamond particles on at least one surface of the prepared metal substrate; And
Rolling the diamond particles with a press punch; Diamond particle-metal composite radiating substrate comprising a.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111636060A (en) * 2019-03-01 2020-09-08 鼎镁（昆山）新材料科技有限公司 Process for pressing hard particle powder into flat plate by combining extrusion and rolling

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