KR20160120887A

KR20160120887A - 고출력 소자용 방열판재

Info

Publication number: KR20160120887A
Application number: KR1020150050013A
Authority: KR
Inventors: 김일호; 조명환; 김영석
Original assignee: 주식회사 더굿시스템
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-10-19
Also published as: KR101691724B1

Abstract

본 발명은 GaN형 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 방열용 기판에 적합하게 사용될 수 있도록 낮은 열팽창률과 높은 열전도도를 구비한 방열판재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방열판재는, 코어층과, 상기 코어층의 상,하면에 적층하여 형성된 2개의 커버층을 포함하여 이루어지는 방열판재로, 상기 코어층은 Cu 기지(matrix)에 탄소상이 복합화된 복합재료로 이루어지고, 상기 커버층은 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

고출력 소자용 방열판재 {HEAT RADIATION PLATE FOR HIGH POWER DEVICES}

본 발명은 방열판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재로, 알루미나와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일하거나 유사한 열팽창계수를 가지면서, 동시에 고출력 소자에서 발생하는 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 높은 열전도도를 얻을 수 있는 방열판재에 관한 것이다.

최근 정보통신 및 국방분야의 핵심기술로서 GaN형 화합물 반도체를 이용한 고출력 증폭소자가 주목을 받고 있다.

이러한 고출력 전자소자나 광소자에서는 일반 소자에 비해 많은 열이 발생하고 이와 같이 발생한 다량의 열을 효율적으로 배출할 수 있는 패키징 기술이 필요하다.

현재, GaN형 화합물 반도체를 활용한 고출력 반도체 소자에는, W/Cu의 2층 복합소재, Cu와 Mo의 2상(phase) 복합소재, Cu/Mo/Cu의 3층 복합소재, Cu/Cu-Mo 합금/Cu의 3층 복합소재와 같이 비교적 양호한 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 금속기 복합재료가 사용되고 있다.

그런데, 이들 복합재료의 열전도도는 최대 300W/mK 정도로, 수백 와트급 파워 트랜지스터에서 요구되는 400W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현하지 못하므로, 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 소자에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 반도체 소자를 제조하는 공정에는 알루미나(Al₂O₃)와 같은 세라믹 소재와의 브레이징 접합 공정이 필수적이며, 이와 같은 브레이징 접합 공정은 약 800℃ 이상의 고온에서 이루어지기 때문에, 상기 금속 복합체 기판과 세라믹 소재 간의 열팽창계수의 차이에 의해, 브레이징 접합 과정에서 휨이나 파손이 발생하며, 이와 같은 휨이나 파손이 발생하여 소자의 불량을 유발하는 문제점도 있다.

대한민국 공개특허공보 제2014-0034695호

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 8×10^-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가져 세라믹 재료(특히 알루미나)와의 접합시 휨이나 파손이 발생하지 않을 뿐 아니라 400W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있어 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 고출력 소자에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 코어층과, 상기 코어층의 상,하면에 적층하여 형성된 2개의 커버층을 포함하여 이루어지는 방열판재로, 상기 코어층은 Cu 기지(matrix)에 탄소상이 복합화된 복합재료로 이루어지고, 상기 커버층은 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 소자용 방열판재를 제공한다.

본 발명에 따른 방열판재는, 8×10^-6/K 이하의 낮은 열팽창계수와 함께, 400W/mK 이상의 높은 열전도도를 얻을 수 있어, 알루미나와 같이 세라믹 재료와의 접합이 요구되는 고출력 반도체 소자의 방열기판으로서 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방열판재의 두께 방향의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 방열판재의 두께 방향의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 사용한 흑연분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 방열판재의 두께 방향의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 방열판재의 Cu-흑연 복합상의 계면에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 방열판재의 두께 방향의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 방열판재의 Cu-흑연 복합상의 계면에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조한 방열판재의 Cu-흑연 복합상의 계면에 대한 투과전자현미경 사진이다.
도 9는 흑연분말의 함량(부피%)과 소결온도(℃)에 따른 열전도도의 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 흑연분말의 함량(부피%)과 소결온도(℃)에 따른 열팽창계수의 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 따른 방열판재는, 도 1에 도시된 바와 같이, 코어층과, 상기 코어층의 상,하면에 적층하여 형성된 2개의 커버층을 포함하여 이루어지며, 상기 코어층은 Cu 기지(matrix)에 탄소상이 복합화된 복합재료로 이루어지고, 상기 커버층은 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 커버층은 2층 이상의 적층 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 코어층에 인접하여 형성되는 제1층은 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지고, 상기 코어층에 접하지 않는 제2층은 Cu로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 Mo, W, Cr, Cu는 불가피한 불순물을 포함하는 이들의 순 금속, 또는 20중량% 이하의 합금원소를 포함하는 Mo 합금, Cr 합금 및 Cu 합금일 수 있다.

또한, 상기 Mo-Cu 합금은 Mo에 15~60부피%의 Cu를 포함하는 합금일 수 있고, W-Cu 합금은 W에 6~20부피%의 Cu를 포함하는 합금일 수 있으며, Cr-Cu 합금은 Cr에 10~60부피%의 Cu를 포함하는 합금일 수 있다.

또한, 상기 코어층에 있어서, Cu와 탄소상의 계면의 적어도 일부 또는 전부에는 Cu와 C가 확산되어 형성된 Cu-C의 확산영역이 존재하며, 이 확산영역은 계면에 수직한 방향으로 1~30nm 폭으로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 확산영역의 폭이 1nm 미만일 경우 방열판재의 열전도도가 떨어지고, 확산영역의 폭이 30nm 초과할 경우 확산된 원자가 빠진 부분에 빈 공간이 모여 형성되는 결함이 형성되어 열전도도가 떨어지기 때문이다. 열전도도 및 열팽창계수의 측면에서 보다 바람직한 Cu-C 확산영역의 폭은 5~20nm이다.

또한, 상기 탄소상(carbon phase)은, 흑연, 다이아몬드, 그래핀, 다이아몬드 라이크 필름(diamond-like film)를 포함할 수 있고, 상기 탄소상의 형상은 완전히 판상으로 형성된 입자는 물론, 비늘 형상이나 플레이크 형상과 같이 소정의 면을 구비한 불규칙한 형상의 입자로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 Cu 기지(matrix)에 복합화된 탄소상은 45~70부피%인 것이 바람직한데, 탄소상의 부피비가 45% 미만일 경우 탄소상의 혼합량이 45부피% 미만일 경우 전체 방열판재의 열팽창계수를 8×10^-6/K 이하로 낮게 구현하기 어렵고, 70부피% 초과일 경우 커버층과 접합할 때 접착력이 낮아지는 문제를 나타내기 때문이다. 보다 바람직한 탄소상의 혼합량은 50~65부피%이다.

또한, 상기 코어층의 두께는 바람직하게 전체 방열판재 두께의 60~90%일 수 있는데, 코어층의 두께가 전체 방열판재 두께의 60% 미만일 경우 열팽창계수가 8.5×10^-6/K 이상으로 크게 나타나고, 90% 초과일 경우 6.5×10^-6/K 이하로 지나치게 작아지기 때문이다.

또한, 상기 코어층의 일측에 형성된 커버층이 2층 구조로 이루어진 경우, 제1층의 두께는 전체 방열판재 두께의 5~10%인 것이 바람직한데, 제1층의 두께가 전체 방열판재 두께의 5% 미만일 경우 8.5×10^-6/K 이상으로 크게 나타나고, 10% 초과일 경우 6.5×10^-6/K 이하로 작게 나타나기 때문이다. 또한, 상기 코어층의 일측에 형성된 제2층의 바람직한 두께도 전체 방열판재 두께의 5~10%인데, 제2층의 두께가 전체 방열판재 두께의 5% 미만일 경우 6.5×10^-6/K 이하로 작게 나타나고, 10% 초과일 경우 8.5×10^-6/K 이상으로 크게 나타나기 때문이다.

또한, 상기 방열판재를 만들기 위한 방법으로, (a) Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 분말로 제1층을 형성하는 단계, (b) 상기 제1층 상에 Cu와 탄소상 분말이 혼합된 분말로 제2층을 형성하는 단계, (c) 상기 제2층 상에 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 분말로 제3층을 형성하는 단계, 및 (d) 적층된 분말을 소결하는 단계를 포함하는 방법을 사용할 수 있다.

또한, 2층 이상의 적층 구조로 이루어진 커버층을 포함하는 방열판재를 만들기 위해, (a) Cu로 이루어진 분말로 제1층을 형성하는 단계, (b) Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 분말로 제2층을 형성하는 단계, (c) 상기 제2층 상에 Cu와 탄소상 분말이 혼합된 분말로 제3층을 형성하는 단계, (d) 상기 제3층 상에 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 분말로 제4층을 형성하는 단계, (e) Cu로 이루어진 분말로 제5층을 형성하는 단계, 및 (f) 적층된 분말을 소결하는 단계를 포함하는 방법을 사용할 수 있다.

또한, 상기 제1층 내지 제3층 또는 제1층 내지 제5층으로 이루어진 단위 판재를 다층으로 적층하여 소결한 후, 각 단위 판재를 분리하는 방법을 통해 공정의 효율성을 높일 수 있다.

단위 판재를 분리하는 방법은, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 복수회 반복 수행하여 적층공정을 수행한 후, 상기 (d) 공정을 수행하고, 상기 제1층 내지 제3층이 포함되도록 절단하는 공정을 통해 이루어질 수 있다. 이때, 상기 절단 공정은 와이어 쏘(wire saw)와 같은 장비를 통해 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 본 발명에 따라 제조한 판재를 절단할 수 있는 방법이라면 제한없이 사용될 수 있다.

마찬가지로, 2층 이상의 적층 구조로 이루어진 커버층을 포함하는 방열판재의 경우에는, 상기 (a) 내지 (e) 단계 후에 절단 공정을 통해 단위 판재가 분리되도록 할 수 있다.

또한, 단위 판재를 분리하는 다른 방법으로는, 상기 (a) 내지 (c) 단계 후에 탄소층을 적층한 후, (a) 내지 (c) 단계를 반복 수행하고, 상기 (d) 단계를 통해 소결한 후, 소결되지 않는 탄소층을 통해 단위 판재가 분리되도록 할 수 있다.

마찬가지로, 2층 이상의 적층 구조로 이루어진 커버층을 포함하는 방열판재의 경우에는, 상기 (a) 내지 (e) 단계 후에 탄소층을 적층한 후, (a) 내지 (e) 단계를 반복 수행하고, 상기 (f) 단계를 통해 소결한 후, 소결되지 않는 탄소층을 통해 단위 판재가 분리되도록 할 수 있다.

이와 같이, 탄소층을 사용하는 공정은 정밀 가공이 요구되는 절단 공정 없이, 판재를 만들 수 있어서, 단위 판재의 제조시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

상기 탄소층은 예를 들어 흑연분말과 흑연분말을 성형하기 위한 유기물질로 이루어진 바인더의 혼합물로 이루어질 수 있다.

상기 단일 커버층을 구비한 방열판재에서의 제1층 및 제3층, 또한 2층 이상의 적층 구조로 이루어진 커버층을 포함하는 방열판재에서의 제1층, 제2층, 제4층 및 제5층은 당해 금속 판재를 적층하는 방법을 사용할 수도 있으며, 선택적으로 당해 금속 판재를 도금 방식으로 형성할 수도 있다.

상기 소결단계에서 소결온도는 800℃~1050℃인 것이 바람직한데, 소결온도가 800℃ 미만일 경우 불충분한 소결이 진행되어 열전도도가 낮게 나타나거나 커버층과 코어층 간의 결합력이 약해지는 문제가 발생할 수 있고, 1050℃를 초과할 경우 소결과정에서 코어층 내에 포함된 Cu의 용융이 발생하여 Cu와 탄소상이 분리되거나 응고시 급격한 수축을 야기하여 균열 등의 결함을 만들어 열전도도의 급격한 저하를 초래할 수 있기 때문이다. 보다 바람직한 소결온도는 910~970℃이다.

상기 코어층을 형성하는데 사용되는 탄소상 분말의 표면에는 Cu 코팅층이 형성되어 있는 것이 바람직한데, Cu 코팅층은 예를 들어 도금과 같은 방법으로 형성될 수 있으며, 이와 같이 Cu가 코팅된 탄소상 분말은 소결 후, 복합상에 있어서 Cu 기지와 탄소상 간의 건전한 계면을 형성하는데 바람직할 뿐 아니라, 코어층과 커버층의 결합력 유지에도 도움이 되어, 방열판재의 사용과정에서 코어층과 커버층 간의 계면에서 박리가 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다.

[실시예 1]

금형에, 평균 입도가 약 30㎛인 Mo-Cu(Cu 40부피%) 2상 합금 분말을 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 성형공정을 수행하여, 이와 같은 성형공정을 통해 두께 약 100~150㎛의 Mo-Cu 분말로 이루어진 판상의 제1층을 형성하였다.

그리고, Cu와 흑연상으로 이루어진 제2층을 형성하는데, 본 발명의 실시예 1에서는 제2층을 Cu가 도금된 흑연분말을 사용하였다.

흑연분말은 도 3에 나타난 바와 같은 비늘상으로 이루어지고 평균 입도가 약 130㎛인 분말을 사용하였다. 이 흑연분말의 표면에는 소결을 통해 코어층을 만들었을 때 흑연분말과 Cu 기지 간의 계면결합력 향상과 코어층의 상,하부에 위치하는 커버층과의 결합력을 향상시키기 위하여 Cu 코팅층을 형성하였다.

Cu 코팅층의 형성에는 무전해 도금법을 사용하였다. 구체적으로 흑연분말을 300~400℃에서 30~90분 정도 가열하여 흑연분말의 활성화처리를 수행하고, 이와 같이 활성화처리된 흑연분말에 Cu 도막이 잘 형성될 수 있도록 흑연분말 전체 중량 대비 3중량%의 빙초산을 첨가한 후, 흑연분말과 빙초산 혼합물 20중량%, CuSO₄ 70중량%, 물 10중량%를 혼합하여 슬러리를 만든다. 이와 같이 만든 슬러리에 치환 용제로서 Cu염 수용액의 금속보다 전기음성도가 큰 0.7mm 크기의 Zn, Fe, Al 과립물을 상기 슬러리 중량에 대해 약 20중량% 정도가 되도록 첨가한 후, 상온에서 25rpm 정도의 속도로 교반하여 흑연분말의 표면에 Cu 도금층이 형성되도록 하였다. 그리고 무전해 도금이 완료된 Cu 코팅 흑연분말이 대기 중에서 부식되는 것을 방지하기 위해 부동태화를 실시하였는데, 이를 위해 Cu 코팅 흑연분말을 증류수, H₂SO₄, H₃PO₄, 타르타르산이 중량비로 75:10:10:5로 혼합된 용액에서 20분간 침지한다. 마지막으로, 흑연분말 표면에 잔존하는 산을 제거하기 위해 수세한 후 대기 중에서 50~60℃로 가열 건조함으로써, 흑연분말의 표면에 Cu가 약 50부피% 정도로 코팅된 흑연분말을 제조하였다.

이와 같이 Cu가 코팅된 흑연분말을 상기 제1층 위에 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 판상으로 성형하는 성형공정을 수행하며, 이와 같은 성형공정을 통해 두께 약 1.0mm의 Cu가 코팅된 흑연분말로 이루어진 제2층을 형성하였다.

본 발명의 실시예 1에서는 제2층을 Cu가 코팅된 흑연분말을 사용하였으나, 흑연분말과 Cu분말을 혼합한 후 성형한 성형체로 형성할 수도 있고, 흑연상이 분산된 Cu 판재로 형성할 수도 있다.

그리고, 제2층 상에 평균 입도가 약 30㎛인 Mo-Cu(Cu 40부피%) 2상 합금 분말을 올린 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 성형공정을 수행하여, 두께 약 100~150㎛의 Mo-Cu 분말로 이루어진 판상의 제3층을 형성하였다.

상기와 같은 단위 판재의 적층 공정을 반복하여 제1층~제3층이 10회 이상 반복 적층된 분말 성형체를 얻었다.

이와 같이 얻은 성형체를 약 80MPa의 압력으로 가압하면서, 950℃로 가열하는 가압소결을 1~2시간 동안 수행하여 벌크재를 얻는다.

이와 같이 얻은 벌크재를 다이아몬드 와이어 절단기를 사용하여, 단위판재의 경계부를 절단함으로써, 판재의 가운데(즉, 코어층)에는 Cu와 흑연 입자의 복합상이 형성되고, 코어층의 상,하면에는 Mo-Cu의 커버층이 형성된 복합판재를 얻었다.

[실시예 2]

금형에 평균 입도가 약 50㎛의 Cu 분말을 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 성형공정을 수행하며, 이와 같은 성형공정을 통해 두께 약 50~100㎛의 Cu 분말로 이루어진 판상의 제1층을 형성하였다.

그리고, 평균 입도가 약 30㎛인 Mo-Cu(Cu 40부피%) 2상 합금 분말을 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 성형공정을 수행하여, 이와 같은 성형공정을 통해 두께 약 50~100㎛의 Mo-Cu 분말로 이루어진 판상의 제2층을 형성하였다.

그리고 Cu가 코팅된 흑연분말을 상기 제2층 위에 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 판상으로 성형하는 성형공정을 수행하며, 이와 같은 성형공정을 통해 두께 약 0.6~0.8mm의 Cu가 코팅된 흑연분말로 이루어진 제3층을 형성하였다.

그리고 제3층 위에 평균 입도가 약 30㎛인 Mo-Cu(Cu 40부피%) 2상 합금 분말을 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 성형공정을 수행하여, 두께 약 50~100㎛의 Mo-Cu 분말로 이루어진 판상의 제4층을 형성하였다.

그리고 제4층 위에 다시 평균 입도가 약 50㎛의 Cu 분말을 장입한 후, 프레스로 약 200MPa의 가압력으로 가압하여 성형공정을 수행하여, 두께 약 50~100㎛의 Cu 분말로 이루어진 판상의 제5층을 형성하였다.

본 발명의 실시예 2에서는 Mo-Cu 분말 또는 Cu 분말을 압축성형하여 제1층, 제2층, 제4층, 제5층을 형성하였으나, Mo-Cu 판재나 Cu 판재를 사용하여 적층할 수도 있다.

상기와 같은 단위 판재의 적층 공정을 반복하여 제1층~제5층이 5회 이상 반복 적층된 분말 성형체를 얻었다.

이와 같이 얻은 벌크재를 다이아몬드 와이어 절단기를 사용하여, 단위판재의 경계부를 절단함으로써, 판재의 가운데(즉, 코어층)에는 Cu와 흑연 입자의 복합상이 형성되고, 코어층의 상,하면에는 2층 구조(Mo-Cu합금/Cu)의 커버층이 형성된 복합판재를 얻었다.

[실시예 3]

소결공정을 제외한 나머지 공정은 본 발명의 실시예 2와 동일하게 하고, 소결공정은 소결온도 900℃, 가압력 80MPa, 소결시간 20분으로 수행하여, 금속기 복합판재를 얻었다.

[실시예 4]

소결공정을 제외한 나머지 공정은 본 발명의 실시예 2와 동일하게 하고, 소결공정은 소결온도 850℃, 가압력 80MPa, 소결시간 20분으로 수행하여, 금속기 복합판재를 얻었다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 방열판재의 두께 방향의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 방열판재의 상면 및 하면의 표면으로부터 약 100㎛ 깊이까지는 흑연 입자상이 존재하지 않는 Mo-Cu 합금으로 이루어진 커버층(도면상 연한 회색으로 나타난 부분)이 형성되어 있고, 가운데에는 Cu 기지 내에 흑연 입자가 분포하는 복합상이 약 1mm의 두께로 형성되어 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 방열판재의 Cu-흑연 복합층의 계면에 대한 투과전자현미경 사진이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 복합상에 존재하는 Cu-흑연 입자의 계면에는 Cu와 탄소가 확산된 영역이 형성되어 있으며, 이 확산영역은 계면에 대해 수직으로 약 10nm 폭으로 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예 2에도 실시예 1과 동일하게 확산영역이 약 10nm 폭으로 형성됨이 관찰되었다.

도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 방열판재의 상면 및 하면의 표면으로부터 약 50㎛ 깊이까지는 흑연 입자상이 존재하지 않는 Cu로 이루어진 영역(도면상 상대적으로 짙은 회색으로 나타난 부분)이 형성되어 있고, Cu로 이루어진 영역의 아래에는 약 150㎛ 두께의 Mo-Cu로 형성된 영역(도면상 Cu층에 비해 상대적으로 밝은 회색으로 나타난 부분)이 형성되어 있으며, 중앙에는 Cu-C 복합층이 형성된 구조로 이루어져 있다.

도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 방열판재의 Cu-흑연 복합층의 계면에 대한 투과전자현미경 사진이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 복합상에 존재하는 Cu-흑연 입자의 계면에는 Cu와 탄소가 확산된 영역이 형성되어 있음을 알 수 있다.

도 8은 실시예 3에 따라 제조한 방열판재의 Cu-흑연 복합층의 계면에 대한 투과전자현미경 사진이다.

도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 3에 의해 제조된 Cu-흑연 입자의 계면에는 Cu와 탄소가 1nm 이상의 폭으로 확산된 영역이 관찰되지 않는다. 또한, 실시예 4에 따른 방열판재에서도 Cu-흑연 입자의 계면에는 Cu와 탄소가 확산된 영역이 1nm 이상의 폭으로 형성된 것이 관찰되지 않았다.

아래 표 1은 본 발명의 실시예 1 내지 4의 열전도도 및 열팽창계수를 나타낸 것이다.

구분	소결온도 (℃)	Cu-C 확산영역	열전도도 (W/mK)	열팽창계수 (ppm/K)
실시예 1	950	있음	478	6.7
실시예 2	950	있음	463	7.5
실시예 3	900	관찰 안됨	362	6.9
실시예 4	850	관찰 안됨	359	7.8

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2는 열전도도가 400W/mK 이상을 나타내어 고출력 전자소자에서 발생하는 많은 열의 방열이 가능할 뿐 아니라, 열팽창계수도 8×10^-6/K 이하로 낮게 유지할 수 있어 반도체 소자를 제조하는 공정에 필수적인 세라믹 소재와의 접합 공정에서 휨이나 파손이 발생하는 것을 막을 수 있다.

한편, 실시예 3 및 4의 경우, Cu-흑연입자 복합상에서 Cu-C 간의 확산상이 거의 관찰되지 않는데, 이 영향으로 열전도도가 350W/mK 정도의 수준으로 실시예 1 및 2에 비해 낮으나, 열팽창계수는 8×10^-6/K 이하로 유지되어 적절한 방열성과 함께 세라믹 소재와의 접합에 필요한 낮은 열팽창계수를 충족한다. 즉, 실시예 3 및 4는 실시예 1 및 2에 비해 낮은 정도의 방열성이 요구되는 세라믹 소재와의 접합에 적합하게 사용될 수 있다.

도 9 및 10은 흑연분말의 함량과 소결온도에 따른 열전도도와 열팽창계수의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.

도 9 및 10에서 확인되는 바와 같이, 수백 와트급 파워 트랜지스터에서 요구되는 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수를 충족하기 위해서는 흑연함량은 적어도 50부피% 이상이 바람직하고, 소결온도는 900℃를 초과하여 수행되는 것이 보다 바람직함을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예 1 내지 4에 따른 방열판재는 Cu-흑연입자 복합상을 흑연입자에 Cu를 코팅한 것을 사용함으로써, 흑연입자와 Cu 모재와의 계면결합력이 높고, 코어층과 금속으로 이루어지는 커버층 간의 결합력도 높게 유지할 수 있어서, 사용 과정에서 코어층이 상,하부에 존재하는 커버층으로부터 분리되는 현상도 막을 수 있다.

Claims

코어층과, 상기 코어층의 상,하면에 적층하여 형성된 2개의 커버층을 포함하여 이루어지는 방열판재로,
상기 코어층은 Cu 기지(matrix)에 탄소상이 복합화된 복합재료로 이루어지고,
상기 커버층은 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 소자용 방열판재.
제1항에 있어서,
상기 커버층은 2층 이상의 적층 구조로 이루어지고,
상기 코어층에 인접하여 형성되는 제1층은 Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr, Cr-Cu 합금 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지고,
상기 코어층에 접하지 않는 제1층 상에 형성되는 제2층은 Cu로 이루어지는, 고출력 소자용 방열판재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 커버층을 이루는 Mo, W, 및 Cr은 순수금속 또는 20중량% 이하의 합금원소를 포함하는, 고출력 소자용 방열판재.
제2항에 있어서,
상기 제2층의 Cu는 순수 금속 또는 20중량% 이하의 합금원소를 포함하는, 고출력 소자용 방열판재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 코어층에 있어서, Cu 기지(matrix)와 탄소상 간의 계면의 적어도 일부에는 Cu-C의 확산영역이 1~30nm 두께로 형성되어 있는, 고출력 소자용 방열판재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소상은, 흑연, 다이아몬드, 그래핀, 다이아몬드 라이크 필름(diamond-like film)를 포함하는, 고출력 소자용 방열판재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 코어층의 두께는 전체 방열판재 두께의 40~90%인, 고출력 소자용 방열판재.
제2항에 있어서,
상기 제1층의 두께는 전체 방열판재 두께의 5~10% 이하로 구성되어 있는, 고출력 소자용 방열판재.
제5항에 있어서,
상기 Cu-C의 확산영역이 5~20nm 두께로 형성되어 있는, 고출력 소자용 방열판재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 Cu 기지(matrix)에 복합화된 탄소상의 부피비는 40~80%인, 고출력 소자용 방열판재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 방열판재의 열전도도는 400W/mK 이상이고, 열팽창계수는 8×10^-6/K 이하인, 고출력 소자용 방열판재.