KR20130099790A - 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정밀절삭 가공이 가능하고, 열전도도가 우수하며, 이종접합부의 열응력을 최소화할 수 있는, 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법을 구현하기 위하여, 세라믹을 포함하는 제 1 부 및 탄소를 포함하며 상기 제 1 부와 브레이징 접합된 제 2 부를 구비하는, 이종접합 방열 구조체를 제공한다.

Description

이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법{Heterostructure for heat dissipation and method of fabricating the same}
본 발명은 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 세라믹과 탄소를 포함하는 저열팽창 복합재의 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기본적으로 세라믹재는 금속재와 달리 내식성, 절연성 및 유전특성을 갖고 있고, 특히 질화알루미늄은 세라믹이면서도 알루미늄 금속과 동등하거나 그 이상의 우수한 열전도 특성을 갖고 있다. 이러한 특성으로 인해 세라믹재는, 예를 들어, LED, 전력반도체 패키지용 회로가 형성되는 절연기판에 사용될 수 있다. 또한, 이러한 세라믹재는, 예를 들어, 반도체 및 디스플레이 소자를 제조하기 위한 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD), 플라즈마 식각 공정에서 웨이퍼 및 글래스 기판을 거치시키면서 이들 기판의 온도 제어를 위한 가열장치 또는 냉각매체의 복잡한 유로가 내장된 서셉터(susceptor)에 사용되고 있다. 이러한 부품들에 적용할 수 있는 재질로서, 세라믹재 이외에도, 아노다이징 및 세라믹재의 용사공정에 의해, 산화물 피막층이 입혀진 알루미늄이 사용될 수 있다. 그러나 근본적으로 산화물과 알루미늄재 사이의 열팽창계수의 차이로 인해 넓은 온도범위 또는 빠른 공정속도를 구현하기 위한 급격한 온도 싸이클에서는 산화물 피막층의 파괴가 일어나서 그 사용이 매우 제한적이다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고온 및 넓은 온도 싸이클 환경 하에서도 견딜 수 있는 이종접합 방열 구조체를 제공하고, 이를 위해서, 금속과 같이 정밀절삭 가공이 가능하고, 열전도도가 우수하며 무엇보다도 이종접합부의 열응력을 최소화를 구현하기 위해, 세라믹의 열팽창계수와 근접한 새로운 저열팽창 소재의 적용과 이를 통해 넓고 급격한 온도 싸이클에서도 세라믹과의 양호한 계면을 형성하고 유지할 수 있는 접합조립 방법을 제공한다. 이러한 본 발명의 과제는 예시적으로 제시되었고, 따라서 본 발명이 이러한 과제에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 이종접합 방열 구조체가 제공된다. 상기 이종접합 구조는 제 1 부와 상기 제 1 부와 브레이징 접합되는 제 2 부를 구비한다. 상기 제 1 부는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있다. 상기 제 2 부는 탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 제 2 부는 탄소로만 구성된 바디부일 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 제 2 부는 탄소를 포함하는 하이브리드복합체를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 하이브리드복합체는 탄소를 포함하는 바디부 및 알루미늄을 포함하며 상기 바디부의 외부면을 둘러싸는 캐닝부를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 하이브리드복합체는 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들, 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 알루미늄과 탄소의 소결복합층 및 알루미늄을 포함하며 상기 복수의 탄소층들과 상기 소결복합층의 외부면을 둘러싸는 캐닝부를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 하이브리드복합체는 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들, 알루미늄을 포함하며 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 열전도층 및 알루미늄을 포함하며 상기 복수의 탄소층들과 상기 열전도층의 외부면을 둘러싸는 캐닝부를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 하이브리드복합체의 열팽창계수 α2 는 상기 세라믹의 열팽창계수 α1 와 (α1 x 0.9) < α2 < (α1 x 1.1) 의 관계를 만족할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 탄소는 등방성탄소 및 이방성탄소 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 세라믹은 질화알루미늄(AlN)을 포함하며, 상기 제 1 부는 상기 제 2 부와 직접 브레이징 접합될 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체에서, 상기 세라믹은 알루미나(Al2O3)를 포함하며, 상기 제 1 부는 상기 제 2 부와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 개재하여 상기 제 2 부와 브레이징 접합될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 이종접합 방열 구조체의 제조방법이 제공된다. 상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법은 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있는, 제 1 부를 준비하는 단계; 탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있는, 제 2 부를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 부와 상기 제 2 부를 브레이징 접합하는 단계;를 구비한다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 탄소를 포함하는 제 2 부를 형성하는 단계는 탄소로만 구성된 바디부를 형성하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 탄소를 포함하는 제 2 부를 형성하는 단계는 탄소를 포함하는 제 1 구조체를 형성하는 단계 및 상기 제 1 구조체의 외부면을 둘러싸도록, 알루미늄을 포함하는 캐닝부를 형성하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 제 1 구조체는 탄소를 포함하는 바디(body)부를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 제 1 구조체는 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들 및 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 알루미늄과 탄소의 소결복합층을 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 제 1 구조체는 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들 및 알루미늄을 포함하며 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 열전도층을 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 제 1 구조체를 형성하는 단계와 상기 캐닝부를 형성하는 단계 사이에, 상기 제 1 구조체의 외부면을 둘러싸는 메탈라이징층을 형성하는 단계를 더 구비할 수 있다. 나아가, 상기 메탈라이징층을 형성하는 단계는 상기 제 1 구조체의 외부면 상에 제 1 필러를 개재하여 금속 포일을 배치하는 단계 및 상기 제 1 구조체, 상기 제 1 필러 및 상기 금속 포일을 제 1 열처리하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 이종접합 방열 구조체의 제조방법에서, 상기 캐닝부를 형성하는 단계는 상기 제 1 구조체의 외부면 상에 제 2 필러를 개재하여 알루미늄 판재를 배치하는 단계 및 상기 제 1 구조체, 상기 제 2 필러 및 상기 알루미늄 판재를 제 2 열처리하는 단계를 구비할 수 있다. 나아가, 상기 브레이징 접합하는 단계는 상기 제 1 부와 상기 제 2 부 사이에 제 3 필러를 개재하여 상기 제 1 부, 상기 제 2 부 및 상기 제 3 필러를 제 3 열처리하는 단계를 구비할 수 있다. 여기에서, 상기 제 2 필러와 상기 제 3 필러는 동일한 물질로 구성되며, 상기 제 2 열처리하는 단계와 상기 제 3 열처리하는 단계는 동일한 열처리조건으로 동시에 수행될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면 제조비용을 절감하고 열전달 성능이 우수한 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다.
도 2는 질화알루미늄/탄소재의 브레이징 후 이종접합 방열 구조체의 외관을 나타낸 사진이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄(AlN)/탄소재(ET-10)의 브레이징 후 이종접합 방열 구조체의 외관을 나타낸 사진이고, 도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 질화알루미늄(AlN)/Al6061 계열 합금의 브레이징 후 이종접합 방열 구조체의 외관을 나타낸 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 알루미늄 분말과 50 vol%의 탄소섬유의 소결복합재에 대한 평면 및 단면의 조직 사진들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 형성하는 방법을 도해하는 도면들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 형성하는 변형된 방법을 도해하는 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 비교예에 의한 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 실시예를 설명하는 과정에서 언급하는 "상의" 또는 "하의"와 같은 용어들은, 도면에서 도해되는 것처럼, 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향과 별도로 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하면 상에 존재할 수 있다. 그러므로 예로써 든, "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향을 기준으로, "상의" 및 "하의" 방향 모두를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예를 설명하는 과정에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "연결"된다고 언급할 때는, 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소의 직접 상에 위치하거나, 상기 다른 구성요소에 직접 연결되는 것을 의미할 수도 있으나, 나아가, 하나 또는 둘 이상의 개재하는 구성요소들이 그 사이에 존재할 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소의 "직접 상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "직접 연결"된다거나, 또는 다른 구성요소에"직접 접촉"한다고 언급할 때는, 별도의 언급이 없다면 그 사이에 개재하는 구성요소들이 존재하지 않음을 의미한다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
본 발명은 출원인에 의하여 2012년 2월 29일자로 한국특허청에 출원한 출원번호 제10-2012-0021442호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 내용은 전체로서 본 명세서에 인용되어 통합된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(201)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있다. 제 2 부(201)는, 탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 제 1 부(410)와 제 2 부(201)는 브레이징 접합되므로, 브레이징 접합부(310)가 제 1 부(410)와 제 2 부(201) 사이에 개재된다. 브레이징 접합부(310)는 브레이징 접합에 사용되는 필러(filler)와 접합모재 중 적어도 일부가 용융확산되는 이종접합부로 이해될 수 있으며, 도면에서는 명시적으로 도시하였으나, 실제로 구현된 구조체에서는 제 1 부(410) 및/또는 제 2 부(201)와 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
제 1 부(410)는 세라믹재를 포함하여 구성되며, 예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성될 수 있다. 제 2 부(201)는 탄소로만 구성된 바디부(112)일 수 있다. 예를 들어, 제 2 부(201)는 등방성탄소 또는 이방성탄소를 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 변형된 실시예에서, 제 2 부(201)는 알루미늄과 탄소의 소결복합재로 구성될 수도 있다. 제 1 부(410)가 질화알루미늄(AlN)을 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)와 제 2 부(201)는 직접 브레이징 접합될 수 있으나, 제 1 부(410)가 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)는 제 2 부(201)와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 개재하여 제 2 부(201)와 브레이징 접합될 수 있다.
제 1 부(410)와 제 2 부(201)의 열팽창계수 차이의 정도는 이종접합 방열 구조체의 열응력에 영향에 미치는 중요한 인자로서, 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹재와 제 2 부(201)를 구성하는 탄소재의 열팽창계수의 차이를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 표 1은 본 발명에 적용될 수 있는 탄소재, 소결복합재 및 세라믹재 등에 대한 열팽창계수 및 열전도도를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure pat00001
본 발명에서는, 예시적으로, 질화알루미늄(AlN) 세라믹의 열팽창계수와 동등하거나 그 이하인 열팽창계수를 가지는 탄소재를, 활성필러금속을 이용하여, 질화알루미늄(AlN) 세라믹과 직접 접합하는 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법을 제시한다. 활성필러금속으로는 Ag-Cu-Ti계 및 Au-Ni-Ti계 필러금속을 사용할 수 있다. 또한 활성금속인 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr)이 다량 함유되어 있는 Ti-Zr 기지의 활성필러금속을 사용할 수 있다.
도 2는 브레이징에 의하여 접합된 질화알루미늄(AlN)/탄소재(ET-10)의 이종접합 방열 구조체의 외관을 나타낸 사진이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에서의 접합조건은 855℃의 액상선 온도를 가지는 Ti-43.5Zr-6.5Ni-8.1Cu(중량%)의 활성필러금속을 사용하였으며, 1 x 10-5 Torr 이하의 진공도를 갖는 고진공 그라파이트 퍼니스를 이용하여 30분간 900℃의 온도를 유지하였다. 이때 질화알루미늄(AlN) 세라믹 기판의 크기는 125mm x 62mm x 0.2mmt 이었으며 탄소재는 125mm x 62mm x 10mmt 그라파이트 소재(ET-10)를 사용하였다. 질화알루미늄(AlN)의 열팽창계수는 4.5 x 10-6/K 이고, 탄소재의 일종인 ET-10의 열팽창계수는 3.8 x 10-6/K 인데, 상기 접합조건으로 양호한 접합 계면과 열응력적으로 안정한 이종접합 방열 구조체를 구현할 수 있다. 이와 비교하기 위하여, 질화알루미늄(AlN)과 Al6061 계열 합금의 모재를 브레이징에 의하여 접합한 이종접합 방열 구조체를 형성하였다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화알루미늄(AlN)/탄소재(ET-10)의 브레이징 후 이종접합 방열 구조체의 외관을 나타낸 사진이고, 도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 질화알루미늄(AlN)/Al6061 계열 합금의 브레이징 후 이종접합 방열 구조체의 외관을 나타낸 사진이다. 도 3a에 도시된 이종접합 방열 구조체의 접합조건으로는 Ti-43.5Zr-6.5Ni-8.1Cu 합금을 필러로 사용하였으며, 1 x 10-5 Torr 이하의 진공도를 갖는 고진공 그라파이트 퍼니스를 이용하여 30분간 900℃의 온도를 유지하였다. 이에 반하여, 도 3b에 도시된 이종접합 방열 구조체의 접합조건으로는 Al-12Si 합금을 필러로 사용하였으며, 1 x 10-5 Torr 이하의 진공도를 갖는 고진공 그라파이트 퍼니스를 이용하여 30분간 600℃의 온도를 유지하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합 방열 구조체(도 3a)는 종래 기술에 따른 이종접합 방열 구조체(도 3b)에 비하여 접합온도가 높음에도 불구하고 열응력에 의한 구조체의 변형이 거의 없는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 앞에서 설명한 것처럼, 본 발명의 변형된 실시예에서, 제 2 부(201)는 알루미늄과 탄소의 소결복합재로 구성될 수도 있다. 탄소는 소결복합재의 강화재이며, 예를 들어, 탄소섬유를 적용할 수 있는데, 길이가 100미크론 이하의 단섬유(chopped carbon fiber, milled carbon fiber)를 사용할 수 있다. 한편, 탄소섬유 이외에도 저열팽창 및 고열전도성 특성을 갖는 그라파이트 탄소(graphite carbon) 또는 탄소 분말 등의 대체적용도 가능하다.
알루미늄 분말과 탄소의 배합비율은 20 내지 60 vol%까지 가능하나 열팽창계수 및 소결성을 고려하여 30 내지 50 vol% 범위가 바람직하다. 알루미늄 분말과 탄소섬유를 건식 및 습식법에 의해 혼합한 후, 예를 들어, Hot press법, 통전가압소결법 또는 HIP법과 같은, 일반적인 소결법에 의하여 소결하여 벌크화 할 수 있다. 알루미늄 분말의 융점 이하인 500 내지 650℃, 가압력은 20 내지 100MPa 조건에서 진공소결을 통하여 양호한 소결체를 얻을 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 각각 알루미늄 분말과 50 vol%의 탄소섬유의 소결복합재에 대한 평면 및 단면의 조직 사진들을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(202)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있다. 제 2 부(202)는, 탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 제 1 부(410)와 제 2 부(202)는 브레이징 접합되므로, 브레이징 접합부(310)가 제 1 부(410)와 제 2 부(202) 사이에 개재된다. 브레이징 접합부(310)는 브레이징 접합에 사용되는 필러와 접합모재 중 적어도 일부가 용융확산되는 이종접합부로 이해될 수 있으며, 도 5에서는 명시적으로 도시하였으나, 실제로 구현된 구조체에서는 제 1 부(410) 및/또는 제 2 부(202)와 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
제 1 부(410)는 세라믹재를 포함하여 구성되며, 예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성될 수 있다. 제 2 부(202)는 탄소를 포함하는 하이브리드복합체로서, 탄소를 포함하는 바디부(112) 및 알루미늄을 포함하며 바디부(112)의 외부면을 둘러싸는 캐닝부(144)를 구비한다. 바디부(112)는 탄소를 포함하여 구성되며, 예를 들어, 표 1에 개시된, 등방성탄소 또는 이방성탄소를 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 변형된 실시예에서, 바디부(112)는 알루미늄과 탄소의 소결복합재로 구성될 수도 있다. 제 1 부(410)가 질화알루미늄(AlN)을 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)와 제 2 부(202)는 직접 브레이징 접합될 수 있으나, 제 1 부(410)가 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)는 제 2 부(202)와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 개재하여 제 2 부(202)와 브레이징 접합될 수 있다.
캐닝부(144)는 바디부(112)의 상면, 하면 및 측면들을 둘러싸도록 캐닝(canning) 공정을 수행하여 구현될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄을 포함하여 구성될 수 있다. 일예로, 캐닝부(144)는 바디부(112)의 외부면 상에, Al4047 계열 합금을 포함하는 필러를 개재하여, Al6061 계열 합금을 포함하는 알루미늄 판재를 배치한 후에, 열처리함으로써 구현될 수 있다. 한편, 바디부(112) 상에 캐닝 공정을 수행하기 이전에, 선택적으로, 바디부(112) 상에 금속층을 형성하는 메탈라이징 공정을 먼저 수행할 수도 있다.
바디부(112)와 캐닝부(144)로 구성되는 하이브리드복합체(202)의 열팽창계수 α2 는 하기의 수학식 1과 같이 캐닝부(144)의 열팽창계수(αAl)와 부피분율(tAl)의 곱과 바디부(112)의 열팽창계수(αg)와 부피분율(tg)의 곱의 합과 같다. 여기에서 각 구성요소의 부피분율은 하이브리드복합체(202)의 전체 두께에 대한 각 구성요소의 총 두께의 비(比)에 해당하는데, 두께의 방향은 도면에서 A-A'선을 따른 방향(y방향)을 의미한다.
[수학식 1]
α2 = αAl tAl + αg tg
표 2는 바디부(112)와 캐닝부(144)로 구성되는 다양한 실시예들에 따른 하이브리드복합체(202)의 열팽창계수를 나타낸다. 캐닝부(144)와 바디부(112)의 부피분율을 조절하고, 바디부(112)를 구성하는 탄소재의 종류를 적절하게 선택함으로써, 하이브리드복합체(202)의 열팽창계수를 적절하게 설계할 수 있다.
[표 2]
Figure pat00002
본 발명의 상기 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체에서 구현된 하이브리드복합체(202)의 열팽창계수 α2 는 세라믹(410)의 열팽창계수 α1 와 일정 수준 범위 이내로 제어될 수 있으며, 예를 들어, 하기의 수학식 2의 관계를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
(α1 x 0.9) < α2 < (α1 x 1.1)
구체적으로 살펴보면, 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹이 열팽창계수가 약 4.5 인 질화알루미늄인 경우, 2의 케이스 1 내지 2에서 구현된, 제 2 부(202)를 구성하는 하이브리드복합체의 열팽창계수(4.428 또는 4.42)는 상기 수학식 2를 만족한다. 또한, 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹이 열팽창계수가 약 7.8 인 알루미나인 경우, 2의 케이스 3 내지 5에서 구현된, 제 2 부(202)를 구성하는 하이브리드복합체의 열팽창계수는 상기 수학식 2를 만족한다. 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹재의 열팽창계수와 제 2 부(202)를 구성하는 하이브리드복합체(202)의 열팽창계수의 상대적인 차이가 작을수록, 이종접합 방열 구조체에 발생하는 열응력이 낮아져 구조적으로 안정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(203)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있다. 제 2 부(203)는, 탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 제 1 부(410)와 제 2 부(203)는 브레이징 접합되므로, 브레이징 접합부(310)가 제 1 부(410)와 제 2 부(203) 사이에 개재된다. 브레이징 접합부(310)는 브레이징 접합에 사용되는 필러와 접합모재 중 적어도 일부가 용융확산되는 이종접합부로 이해될 수 있으며, 도 6에서는 명시적으로 도시하였으나, 실제로 구현된 구조체에서는 제 1 부(410) 및/또는 제 2 부(203)와 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
제 1 부(410)는 세라믹재를 포함하여 구성되며, 예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성될 수 있다. 제 2 부(203)는 탄소를 포함하는 하이브리드복합체로서, 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들(113) 및 복수의 탄소층들(113) 사이에 개재하는 알루미늄과 탄소의 소결복합층(114)을 구비한다. 나아가, 제 2 부(203)는 알루미늄을 포함하며 복수의 탄소층들(113)과 소결복합층(114)의 외부면을 둘러싸는 캐닝부(144)를 구비한다. 소결복합층(114)은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 앞에서 이미 상술하였으므로 여기에서는 설명을 생략한다. 한편, 복수의 탄소층들(113)과 소결복합층(114)을 구성하는 탄소는, 예를 들어, 1에 개시된, 등방성탄소 또는 이방성탄소를 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 부(410)가 질화알루미늄(AlN)을 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)와 제 2 부(203)는 직접 브레이징 접합될 수 있으나, 제 1 부(410)가 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)는 제 2 부(203)와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 개재하여 제 2 부(203)와 브레이징 접합될 수 있다.
캐닝부(144)는 복수의 탄소층들(113)과 소결복합층(114)에서 상호접촉면을 제외한 상면, 하면 및 측면들을 둘러싸도록 캐닝 공정을 수행하여 구현될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄을 포함하여 구성될 수 있다. 일예로, 캐닝부(144)는 복수의 탄소층들(113) 및 소결복합층(114)의 외부면 상에, Al4047 계열 합금을 포함하는 필러를 개재하여, Al6061 계열 합금을 포함하는 알루미늄 판재를 배치한 후에, 열처리함으로써 형성될 수 있다. 한편, 복수의 탄소층들(113) 및 소결복합층(114)으로 구성된 적층 구조체 상에 캐닝 공정을 수행하기 이전에, 선택적으로, 상기 적층 구조체 상에 금속층을 형성하는 메탈라이징 공정을 먼저 수행할 수도 있다.
복수의 탄소층들(113), 소결복합층(114) 및 캐닝부(144)로 구성되는 하이브리드복합체(203)의 열팽창계수 α2 는 하기의 수학식 3과 같이 캐닝부(144)의 열팽창계수(αAl)와 부피분율(tAl)의 곱과 복수의 탄소층들(113)의 열팽창계수(αg)와 부피분율(tg)의 곱과 소결복합층(114)의 열팽창계수(αcf)와 부피분율(tcf)의 곱의 합과 같다. 여기에서 각 구성요소의 부피분율은 하이브리드복합체(203)의 전체 두께에 대한 각 구성요소의 총 두께의 비(比)에 해당하는데, 두께의 방향은 도면에서 A-A'선을 따른 방향(y 방향)을 의미한다.
[수학식 3]
α2 = αAl tAl + αg tg + αcf tcf
3은 복수의 탄소층들(113), 소결복합층(114) 및 캐닝부(144)로 구성되는 다양한 실시예들에 따른 하이브리드복합체(203)의 열팽창계수를 나타낸다. 복수의 탄소층들(113), 소결복합층(114) 및 캐닝부(144)의 부피분율을 조절하고, 복수의 탄소층들(113) 및 소결복합층(114)을 구성하는 탄소재의 종류를 적절하게 선택함으로써, 하이브리드복합체(203)의 열팽창계수를 적절하게 설계할 수 있다.
[표 3]
Figure pat00003
본 발명의 상기 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체에서 구현된 하이브리드복합체(203)의 열팽창계수 α2 는 세라믹(410)의 열팽창계수 α1 와 일정 수준 범위 이내로 제어될 수 있으며, 예를 들어, 상기 수학식 2의 관계를 만족할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹이 열팽창계수가 약 4.5 인 질화알루미늄인 경우, 3의 케이스 1 내지 2에서 구현된, 제 2 부(203)를 구성하는 하이브리드복합체의 열팽창계수(4.654 또는 4.177)는 상기 수학식 2를 만족한다. 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹재의 열팽창계수와 하이브리드복합체(203)의 열팽창계수의 상대적인 차이가 작을수록, 이종접합 방열 구조체에 발생하는 열응력이 낮아져 구조적으로 안정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 도해하는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(204)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있다. 제 2 부(204)는, 탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 제 1 부(410)와 제 2 부(204)는 브레이징 접합되므로, 브레이징 접합부(310)가 제 1 부(410)와 제 2 부(204) 사이에 개재된다. 브레이징 접합부(310)는 브레이징 접합에 사용되는 필러와 접합모재 중 적어도 일부가 용융확산되는 이종접합부로 이해될 수 있으며, 도 7에서는 명시적으로 도시하였으나, 실제로 구현된 구조체에서는 제 1 부(410) 및/또는 제 2 부(204)와 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
제 1 부(410)는 세라믹재를 포함하여 구성되며, 예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성될 수 있다. 제 2 부(204)는 탄소를 포함하는 하이브리드복합체로서, 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들(113) 및 알루미늄을 포함하며 복수의 탄소층들(113) 사이에 개재하는 열전도층(146)을 구비한다. 열전도층(146)은, 예를 들어, 열전도도가 상대적으로 높은, 알루미늄을 포함하여 구성되므로, 제 2 부(204)의 열전도 특성을 증가시킬 수 있다. 나아가, 제 2 부(204)는, 예를 들어, 알루미늄을 포함하며, 복수의 탄소층들(113)과 열전도층(146)의 외부면을 둘러싸는 캐닝부(144)를 구비한다. 복수의 탄소층들(113)을 구성하는 탄소는, 예를 들어, 1에 개시된, 등방성탄소 또는 이방성탄소를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 변형된 실시예에서, 복수의 탄소층들(113)은 알루미늄과 탄소의 소결복합재로 구성될 수도 있다.
제 1 부(410)가 질화알루미늄(AlN)을 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)와 제 2 부(204)는 직접 브레이징 접합될 수 있으나, 제 1 부(410)가 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)는 제 2 부(204)와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 개재하여 제 2 부(204)와 브레이징 접합될 수 있다.
캐닝부(144)는 복수의 탄소층들(113)과 열전도층(146)에서 상호접촉면을 제외한 상면, 하면 및 측면들을 둘러싸도록 캐닝 공정을 수행하여 구현될 수 있으며, 알루미늄을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 캐닝부(144)는 복수의 탄소층들(113) 및 열전도층(146)의 외부면 상에, Al4047 계열 합금을 포함하는 필러를 개재하여, Al6061 계열 합금을 포함하는 알루미늄 판재를 배치한 후에, 열처리함으로써 형성될 수 있다. 한편, 복수의 탄소층들(113) 및 열전도층(146)으로 구성된 적층 구조체 상에 캐닝 공정을 수행하기 이전에, 선택적으로, 상기 적층 구조체 상에 금속층을 형성하는 메탈라이징 공정을 먼저 수행할 수도 있다.
복수의 탄소층들(113), 열전도층(146) 및 캐닝부(144)로 구성되는 하이브리드복합체(204)의 열팽창계수 α2 는 하기의 수학식 4와 같이 캐닝부(144) 및 열전도층(146)의 열팽창계수(αAl)와 부피분율(tAl)의 곱과 복수의 탄소층들(113)의 열팽창계수(αg)와 부피분율(tg)의 곱의 합과 같다. 여기에서 각 구성요소의 부피분율은 하이브리드복합체의 전체 두께에 대한 각 구성요소의 총 두께의 비(比)에 해당하는데, 두께의 방향은 도면에서 A-A'선을 따른 방향(y 방향)을 의미한다.
[수학식 4]
α2 = αAl tAl + αg tg
4는 복수의 탄소층들(113), 열전도층(146) 및 캐닝부(144)로 구성되는 다양한 실시예들에 따른 하이브리드복합체(204)의 열팽창계수를 나타낸다. 복수의 탄소층들(113), 열전도층(146) 및 캐닝부(144)의 부피분율을 조절하고, 복수의 탄소층들(113)을 구성하는 탄소재의 종류를 적절하게 선택함으로써, 하이브리드복합체(204)의 열팽창계수를 적절하게 설계할 수 있다.
[표 4]
Figure pat00004
본 발명의 상기 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체에서 구현된 하이브리드복합체(204)의 열팽창계수 α2 는 세라믹(410)의 열팽창계수 α1 와 일정 수준 범위 이내로 제어될 수 있으며, 예를 들어, 상기 수학식 2의 관계를 만족할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹이 열팽창계수가 7.8 인 알루미나인 경우, 표 4의 케이스 1 내지 3에서 구현된, 제 2 부(204)를 구성하는 하이브리드복합체의 열팽창계수(7.69, 7.72, 또는 7.84)는 상기 수학식 2를 만족한다. 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹재의 열팽창계수와 하이브리드복합체(204)의 열팽창계수의 상대적인 차이가 작을수록, 이종접합 방열 구조체에 발생하는 열응력이 낮아져 구조적으로 안정될 수 있다.
지금까지 설명한 이종접합 방열 구조체에서, 도 1에 도시된 탄소를 포함하는 구조체(201)와 도 5 내지 도 7에 도시된 하이브리드복합체(202, 203, 204)는 복잡형상에 대한 절삭가공성이 우수하고, 높은 열전도 특성을 가질 뿐만 아니라, 열팽창계수가 알루미나 세라믹(7.8 x 10-6/k) 및 질화알루미늄 세라믹(4.5 x 10-6/k)에 근접하여 이종접합 방열 구조체의 열응력을 저감 시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 의하면, 세라믹과 접합되는 상대재인 종래의 알루미늄재 또는 동재 대신 탄소재 및 그 하이브리드 복합소재를 적용하며, 브레이징 접합에 의해 양호한 접합 계면을 가지는 이종접합 방열 구조체를 구현할 수 있으므로, 넓고 급격한 온도 싸이클에서도 내구성을 가지고 사용할 수 있는 방열 구조체를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체의 제조방법을 설명하고자 한다. 도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체를 제조하는 방법을 도해하는 도면들로서, 예시적으로, 도 5에 도시된 이종접합 방열 구조체를 제조하는 방법을 도해한다.
먼저, 도 8a를 참조하면, 탄소를 포함하는 바디부(112)로 구성된 구조체를 준비한다. 탄소를 포함하는 바디부(112)로 구성된 구조체에 대한 설명은 도 5를 참조하여 앞에서 설명한 부분과 동일하므로 여기에서는 생략한다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에서, 탄소를 포함하는 바디부(112)로 구성된 구조체는, 도 6에 도시된 것처럼, 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들(113) 및 복수의 탄소층들(113) 사이에 개재하는 알루미늄과 탄소의 소결복합층(114)으로 구성된 적층 구조체로 대체될 수 있다. 또한, 본 발명의 변형된 다른 실시예에서, 탄소를 포함하는 바디부(112)로 구성된 구조체는, 도 7에 도시된 것처럼, 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들(113) 및 복수의 탄소층들(113) 사이에 개재하는 열전도층(146)으로 구성된 적층 구조체로 대체될 수 있다.
계속하여, 도 8b 및 8c를 참조하면, 구조체(112)의 외부면(상호 접촉면을 제외한 상면, 하면 및 측면) 상에, 제 1 필러(122)를 개재하여, 스텐레스 포일(stainless foil, 124)을 배치한 후에, 구조체(112), 제 1 필러(122) 및 스텐레스 포일(124)을, 예를 들어, 1050℃의 온도에서 30분 동안, 제 1 열처리함으로써, 구조체(112)의 외부면을 둘러싸는 메탈라이징층(126)을 형성할 수 있다. 제 1 필러(122)는, 예를 들어, BNi2를 포함할 수 있다.
계속하여, 도 8d 및 도 8e를 참조하면, 외부면에 메탈라이징층(126)이 형성된 구조체(112) 상에, 제 2 필러(141)를 개재하여, 알루미늄 판재(142)를 배치한다. 알루미늄 판재(142)는 알루미늄을 포함하는 케이스로 이해될 수도 있다. 그 후에 구조체(112), 제 2 필러(141) 및 알루미늄 판재(142)를, 예를 들어, 600℃의 온도에서 30분 동안, 제 2 열처리하여 구조체(112) 상에 캐닝부(144)를 형성함으로써, 탄소를 포함하는 제 2 부(202)가 구현된다. 제 2 필러(141)는, 예를 들어, 12%의 규소가 함유된 알루미늄 합금인 Al4047 계열의 합금을 포함할 수 있다. 알루미늄 판재(142)는, 예를 들어, Al6061 계열의 합금을 포함할 수 있다.
계속하여, 도 8e 및 도 8f를 참조하면, 세라믹을 포함하는 제 1 부(410)를 준비하고, 제 1 부(410)와 제 2 부(202)를 브레이징 접합한다. 브레이징 접합은, 예를 들어, Al4047 계열 합금을 포함하는, 제 3 필러(312)를 제 1 부(410)와 제 2 부(202) 사이에 개재한 후에, 600℃의 온도에서 30분 동안, 제 3 열처리함으로써 수행될 수 있다.
브레이징 접합 공정에 의하여, 브레이징 접합부(310)가 제 1 부(410)와 제 2 부(201) 사이에 개재된다. 브레이징 접합부(310)는 브레이징 접합에 사용되는 필러와 접합모재 중 적어도 일부가 용융확산되는 이종접합부로 이해될 수 있으며, 도면에서는 명시적으로 도시하였으나, 실제로 구현된 구조체에서는 제 1 부(410) 및/또는 제 2 부(202)와 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
한편, 캐닝부(144)를 형성하기 위하여 수행된 상기 제 2 열처리와 브레이징 접합을 위하여 수행된 상기 제 3 열처리는 동일한 열처리조건으로 동시에 수행되는 열처리일 수 있다. 이는, 상기 제 2 열처리에 필요한 제 2 필러(141)와 상기 제 3 열처리에 필요한 제 3 필러(312)가 동일한 Al4047 계열의 합금으로 구성될 수 있으며, 열처리 온도와 시간이 동일할 수 있기 때문에 가능하다. 따라서 본 발명의 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체의 제조방법에 따르면, 캐닝부(144)를 형성하기 위하여 수행된 상기 제 2 열처리 및 브레이징 접합을 위하여 수행된 상기 제 3 열처리를 각각 따로 수행하지 않고 동시에 동일한 조건으로 한 번에 수행할 수 있으므로, 이종접합 방열 구조체에 인가되는 열적 부담이 낮아지며, 나아가, 생산비용을 낮출 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 도 8e 및 도 8f와 같이, 제 1 부(410)가 질화알루미늄(AlN)을 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)와 제 2 부(202)는 직접 브레이징 접합될 수 있으나, 도 9a 및 도 9b와 같이, 제 1 부(410)가 알루미나(Al2O3)를 포함하여 구성되는 경우, 제 1 부(410)는 제 2 부(202)와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층(320)을 개재하여 제 2 부(202)와 브레이징 접합될 수 있다.
지금까지 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체 및 그 제조방법을 설명하였다. 특히, 캐닝부(144), 열전도층(146), 제 1 부(410)를 구성하는 세라믹재, 제 1 필러(122), 제 2 필러(141), 제 3 필러(312), 메탈라이징층(126, 320), 금속 판재(142) 및 금속 포일(124) 등을 설명하는 부분에서 언급된 구성물질은 예시적인 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 한정되지 않음은 명백하다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체가 구체적으로 적용된 반도체 패키지를 살펴본다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 발명의 일 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지(100a)는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(201)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩(530)과 배선패턴(510)이 배치될 수 있다. 배선패턴(510)은 도전성패드, 회로배선, 범프 등 전기적 신호를 입출력하기 위하여 형성된 패턴을 포함한다. 반도체칩(530)과 배선패턴(510)은, 예를 들어, 본딩 와이어와 같은, 전기적 연결수단(540)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 배선패턴(510)의 일부 상에는, 예를 들어, 솔더와 같은, 접착부재(520)를 개재하여, 반도체칩(530)이 장착될 수 있다. 제 2 부(201)는, 탄소를 포함하며, 반도체칩(530) 및/또는 배선패턴(510)에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 제 2 부(201)는 탄소로만 구성된 바디부(112)일 수 있다. 제 1 부(410), 제 2 부(201) 및 브레이징 접합부(310)에 대한 구체적인 설명은, 도 1을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 여기에서는 생략한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 발명의 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지(100b)는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(202)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩(530)과 배선패턴(510)이 배치될 수 있다. 제 2 부(202)는, 탄소를 포함하며, 반도체칩(530) 및/또는 배선패턴(510)에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 반도체칩(530), 배선패턴(510), 전기적 연결수단(540) 및 접착부재(520)에 대한 구체적인 설명은 도 10을 참조하여 상술한 내용과 동일하며, 제 1 부(410), 제 2 부(202) 및 브레이징 접합부(310)에 대한 구체적인 설명은 도 5를 참조하여 상술한 내용과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지(100c)는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(203)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩(530)과 배선패턴(510)이 배치될 수 있다. 제 2 부(203)는, 탄소를 포함하며, 반도체칩(530) 및/또는 배선패턴(510)에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 반도체칩(530), 배선패턴(510), 전기적 연결수단(540) 및 접착부재(520)에 대한 구체적인 설명은 도 10을 참조하여 상술한 내용과 동일하며, 제 1 부(410), 제 2 부(203) 및 브레이징 접합부(310)에 대한 구체적인 설명은 도 6을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 발명의 또 다른 실시예에 의한 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지(100d)는 제 1 부(410) 및 제 1 부(410)와 브레이징 접합되는 제 2 부(204)를 포함한다. 제 1 부(410)는 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩(530)과 배선패턴(510)이 배치될 수 있다. 제 2 부(204)는, 탄소를 포함하며, 반도체칩(530) 및/또는 배선패턴(510)에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있다. 반도체칩(530), 배선패턴(510), 전기적 연결수단(540) 및 접착부재(520)에 대한 구체적인 설명은 도 10을 참조하여 상술한 내용과 동일하며, 제 1 부(410), 제 2 부(204) 및 브레이징 접합부(310)에 대한 구체적인 설명은 도 7을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
도 14는 본 발명의 비교예에 의한 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지를 도해하는 단면도이다. 도 14를 참조하면, 발명의 비교예에 의한 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지(10)는 반도체칩(530)과 배선패턴(510)이 그 상에 배치되며, 세라믹을 포함하여 구성되는, 제 1 부(410)를 구비한다. 한편, 발명의 비교예에 의한 반도체 패키지(10)는 반도체칩(530) 및 배선패턴(510)에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위한 히트 스프레더(12)를 더 구비한다. 히트 스프레더(12)와 제 1 부(410)는 솔더와 같은 접착부재(520)에 의하여 접합된다. 제 1 부(410)는, 예를 들어, 질화알루미늄(AlN)과 같은 세라믹으로 구성되고, 히트 스프레더(12)는, 예를 들어, 구리나 알루미늄과 같은 금속재로 구성되므로, 제 1 부(410)와 히트 스프레더(12) 간의 열팽창계수의 차이가 상대적으로 크다. 또한, 제 1 부(410)와 히트 스프레더(12) 간에 용융확산에 의한 브레이징 접합이 아니라 접착부재(520)에 의한 결합이 이루어져 접합계면에서의 강도가 상대적으로 취약하다. 결국, 넓고 급격한 온도 싸이클을 거치는 동안 반도체 패키지(10)는 상대적으로 큰 열응력을 받게 되는데, 오히려 접합계면의 강도는 상대적으로 낮아져서, 구조적으로 취약한 단점을 가진다.
이에 반하여, 본 발명의 실시예들에 의한 이종접합 방열 구조체는 열팽창계수의 차이가 상대적으로 작은 제 1 부(410)와 제 2 부(201 내지 204)로 구성되며, 제 1 부(410)와 제 2 부(201 내지 204) 사이에 브레이징 접합에 의하여 양호한 접합강도를 가지므로, 넓고 급격한 온도 싸이클을 거치는 동안, 구조적으로 안정한 이점을 가진다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
100a, 100b, 100c, 100d : 이종접합 방열 구조체가 적용된 반도체 패키지
112 : 탄소를 포함하는 바디부
113 : 복수의 탄소층들
114 : 알루미늄과 탄소의 소결복합층
126 : 메탈라이징층
144 : 캐닝부
146 : 열전도층
201, 202, 203, 204 : 탄소를 포함하여 구성되는 제 2 부
310 : 브레이징 접합부
410 : 세라믹을 포함하여 구성되는 제 1 부
530 : 반도체칩
510 : 배선패턴
540 : 전기적 연결수단

Claims (20)

  1. 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있는, 제 1 부; 및
    탄소를 포함하며, 상기 제 1 부와 브레이징 접합되며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있는, 제 2 부;
    를 구비하는 이종접합 방열 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 부는 탄소로만 구성된 바디부인, 이종접합 방열 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 부는 탄소를 포함하는 하이브리드복합체를 구비하는, 이종접합 방열 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 하이브리드복합체는
    탄소를 포함하는 바디부; 및
    알루미늄을 포함하며, 상기 바디부의 외부면을 둘러싸는, 캐닝(canning)부;
    를 구비하는, 이종접합 방열 구조체.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 하이브리드복합체는
    서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들;
    상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 알루미늄과 탄소의 소결복합층; 및
    알루미늄을 포함하며, 상기 복수의 탄소층들과 상기 소결복합층의 외부면을 둘러싸는, 캐닝부;
    를 구비하는, 이종접합 방열 구조체.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 하이브리드복합체는
    서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들;
    알루미늄을 포함하며, 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 열전도층; 및
    알루미늄을 포함하며, 상기 복수의 탄소층들과 상기 열전도층의 외부면을 둘러싸는, 캐닝부;
    를 구비하는, 이종접합 방열 구조체.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 하이브리드복합체의 열팽창계수 α2 는 상기 세라믹의 열팽창계수 α1 와 (α1 x 0.9) < α2 < (α1 x 1.1) 의 관계를 만족하는, 이종접합 방열 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹은 질화알루미늄(AlN)을 포함하며, 상기 제 1 부는 상기 제 2 부와 직접 브레이징 접합된, 이종접합 방열 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹은 알루미나(Al2O3)를 포함하며, 상기 제 1 부는 상기 제 2 부와 대향하는 면 상에 형성된 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 개재하여 상기 제 2 부와 브레이징 접합된, 이종접합 방열 구조체.
  10. 세라믹을 포함하며, 그 상에 반도체칩과 배선패턴이 배치될 수 있는, 제 1 부를 준비하는 단계;
    탄소를 포함하며, 상기 반도체칩 또는 상기 배선패턴에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있는, 제 2 부를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 부와 상기 제 2 부를 브레이징 접합하는 단계;
    를 구비하는 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 제 2 부를 형성하는 단계는 탄소로만 구성된 바디부를 형성하는 단계;를 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 제 2 부를 형성하는 단계는
    탄소를 포함하는 제 1 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 구조체의 외부면을 둘러싸도록, 알루미늄을 포함하는 캐닝부를 형성하는 단계;
    를 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 구조체는 탄소를 포함하는 바디부를 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 구조체는 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들; 및 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 알루미늄과 탄소의 소결복합층;을 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 구조체는 서로 이격되어 배치되는 복수의 탄소층들; 및 알루미늄을 포함하며 상기 복수의 탄소층들 사이에 개재하는 열전도층;을 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 구조체를 형성하는 단계와 상기 캐닝부를 형성하는 단계 사이에, 상기 제 1 구조체의 외부면을 둘러싸는 메탈라이징층을 형성하는 단계를 더 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 메탈라이징층을 형성하는 단계는
    상기 제 1 구조체의 외부면 상에, 제 1 필러를 개재하여, 금속 포일을 배치하는 단계; 및
    상기 제 1 구조체, 상기 제 1 필러 및 상기 금속 포일을 제 1 열처리하는 단계;
    를 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 캐닝부를 형성하는 단계는
    상기 제 1 구조체의 외부면 상에, 제 2 필러를 개재하여, 알루미늄 판재를 배치하는 단계; 및
    상기 제 1 구조체, 상기 제 2 필러 및 상기 알루미늄 판재를 제 2 열처리하는 단계;
    를 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 브레이징 접합하는 단계는
    상기 제 1 부와 상기 제 2 부 사이에 제 3 필러를 개재하여, 상기 제 1 부, 상기 제 2 부 및 상기 제 3 필러를 제 3 열처리하는 단계를 구비하는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제 2 필러와 상기 제 3 필러는 동일한 물질로 구성되며, 상기 제 2 열처리하는 단계와 상기 제 3 열처리하는 단계는 동일한 열처리조건으로 동시에 수행되는, 이종접합 방열 구조체의 제조방법.
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