KR20180097021A - 방열판재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 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.
본 발명에 따른 방열판재는, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로, 상기 방열판재의 두께방향으로, 제1층, 제2층, 제3층, 제4층 및 제5층이 순차적으로 적층된 구조를 가지고, 상기 제2층 및 제4층은 제1층 및 제5층에 비해 열팽창계수가 작은 물질로 이루어지고, 상기 제3층의 내부에, 상기 방열판재의 면 방향 중 길이가 짧은 방향(단축방향) 및 길이가 긴 방향(장축방향) 중 어느 일 방향을 따라, 소정 두께를 가지며 제3층과 상이한 조성을 가지고 제3층에 비해 열팽창계수가 작은 물질층이 소정 간격을 두고 다수 개 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

방열판재 {HEAT SINK PLATE}
본 발명은 방열판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재로, 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일 내지 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/Cu-Mo합금/Cu의 3층 복합소재(도 6 참조), Cu/Mo/Cu/Mo/Cu의 다층 복합소재(도 7 참조)와 같이 비교적 양호한 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 금속기 복합판재가 사용되고 있다.
그런데 이들 복합판재의 두께방향으로의 열전도도는 최대 250W/mK 정도이고, 실제로 그 이상의 높은 열전도도를 구현하지 못하므로, 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 소자에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 반도체 소자를 제조하는 공정에는 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 소재와의 브레이징 접합 공정이 필수적이다.
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 파손은 소자의 불량을 유발한다.
더욱이, 최근에는 높은 출력구현과 제조시 생산 효율성을 높이기 위하여 하나의 방열판재에 여러 개의 칩을 실장하여 패키지의 길이가 길어지고 있다. 이와 같이 패키지의 길이가 길어질 경우 사용되는 방열판재의 길이도 길어지게 되어 하나의 칩을 실장할 때 문제가 없던 방열판재와 반도체 소자 간의 열팽창계수의 차이도, 실장되는 반도체 소자의 수가 증가할 경우 열팽창에 따른 길이의 차이가 문제가 되므로, 여러 개의 칩을 실장하는데 사용되는 방열판재의 경우 세라믹소재의 열팽창계수의 유사성이 더욱 중요한 요소로 부각되고 있다.
대한민국 공개특허 제2015-0133312호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 판재의 면 방향(특히, 장축방향)으로 9.0×10-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가져, 세라믹 재료(특히 알루미나)와의 접합 시 열 변형량의 차이에 의한 휨이나 파손이 발생하지 않을 뿐 아니라, 판재의 두께 방향으로 270W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있어, 특히 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 고출력 소자의 칩을 여러 개를 실장하는 용도에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로, 상기 방열판재의 두께방향으로, 제1층, 제2층, 제3층, 제4층 및 제5층이 순차적으로 적층된 구조를 가지고, 상기 제2층 및 제4층은 제1층 및 제5층에 비해 열팽창계수가 작은 물질로 이루어지고, 상기 제3층의 내부에, 상기 방열판재의 면 방향 중 길이가 짧은 방향(단축방향) 및 길이가 긴 방향(장축방향) 중 어느 일 방향을 따라, 소정 두께를 가지며 제3층과 상이한 조성을 가지고 제3층에 비해 열팽창계수가 작은 물질층이 소정 간격을 두고 다수 개 형성되어 있는 방열 판재를 제공한다.
본 발명에 따른 방열 판재는 판재의 두께 방향으로의 열전도도가 270W/mK 이상, 바람직하게는 300W/mK 이상 구현될 수 있어, 고출력 소자용에 적합하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방열 판재는 장축방향으로의 열팽창계수가 8.0×10-6/K ~ 9.0×10-6/K로 방열판재와 브레이징 접합되는 세라믹 물질로 이루어진 고출력 소자와의 열팽창계수의 차이가 크지 않아, 2 이상의 소자를 패키지하기 위해 브레이징 공정을 수행하는 과정에 휨이나 박리 또는 세라믹의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방열 판재의 두께방향과 면 방향에 있어서 장축방향과 단축방향을 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열 판재의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열 판재의 제조과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 방열 판재에 있어서, 도 1의 단축방향의 단면을 촬영한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 방열 판재에 있어서, 도 1의 장축방향의 단면을 촬영한 이미지이다.
도 6은 비교예 1로, Cu-CuMo합금-Cu 적층 구조(CuMo 합금층의 두께가 전체 두께의 80%임)를 갖는 방열판재의 단면도이다.
도 7은 비교예 2로, Cu-Mo-Cu-Mo-Cu 적층 구조(Mo층 두께가 전체 두께의 10.5%임)를 갖는 방열판재의 단면도이다.
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 발명자는 판재의 면 방향(특히, 장축방향)으로 9.0×10-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가질 뿐 아니라, 판재의 두께 방향으로 270W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있는 방열판재를 구현하기 위하여 연구한 결과, 다음과 같은 구조를 갖는 방열판재를 통해 상기한 장축방향 열팽창계수와 판재의 두께방향의 열전도도를 구현할 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
도 1은, 본 발명에 따른 방열 판재의 구조와, 본 발명에서 규정하는 두께방향과 면 방향(장축 및 단축)을 나타내는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열판재는 판재의 두께방향으로, 제1층, 제2층, 제3층, 제4층 및 제5층이 순차적으로 적층된 구조를 가지고, 상기 제2층 및 제4층은 제1층 및 제5층에 비해 열팽창계수가 작은 물질로 이루어지고, 상기 방열판재의 면 방향 중 길이가 긴 방향(장축방향)으로, 상기 제3층의 내부에 제2층과 제4층을 연결하고, 소정 두께를 가지며, 면 방향 중 단축방향 또는 단축방향 중 어느 한 방향을 따라, 제3층과 상이한 조성을 갖고 제3층에 비해 열팽창계수가 작은 물질층이, 소정 간격을 두고 다수 개 형성되어 격벽 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방열판재에서는, 제1층 및 제5층에 비해 열전도도가 낮고 열팽창계수가 작은 물질로 이루어진 제2층과 제4층을 배치하고, 제3층 내부에 제3층에 비해 열전도도가 낮고 열팽창계수가 작은 물질층으로 수직으로 다수 개 배치한다.
이를 통해, 방열판재의 장축방향의 열팽창계수를 낮게 유지함과 동시에, 제3층의 두께방향으로의 열전달이 열전도도가 상대적으로 양호한 제3층을 통해 진행되도록 하여 상기 물질층에 의해 방해받는 것을 최소화함으로써, 두께방향의 높은 열전도도와 함께 면 방향(특히, 장축방향)의 열팽창계수를 세라믹 재료와 유사하게 맞출 수 있어, 장축 방향으로 2개 이상의 소자가 접합되더라도 열변형량의 차이를 최소화할 수 있어, 박리 또는 세라믹의 파손을 막을 수 있게 된다.
한편, 상기 물질층은, 바람직하게 면 방향 중 길이가 긴 방향(장축방향)의 길이를 가지고, 면 방향 중 길이가 짧은 방향(단축방향)을 따라 격벽 형태를 이룰 수 있다.
상기 방열판재에 있어서, 상기 제1층과 제3층 및 제5층은 Cu를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 판재의 두께방향의 열전도 특성을 고려할 때, 상기 제1층과 제3층 및 제5층은 Cu 함량이 99중량% 이상인 순 Cu로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 방열판재에 있어서, 상기 제2층과 제4층은 Cu와 Mo를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 합금은 Cu 30~60중량%, Mo 40~70중량%를 포함하는 것이 바람직한데, 이는 Cu 함량이 30중량% 미만이면 열팽창계수가 7×10-6/K 이하로 너무 작아서 세라믹과 브레이징 접합시 세라믹 방향으로 휘는 현상이 발생하고, 60중량% 초과이면 열팽창계수가 9×10-6/K 이상으로 너무 커서 세라믹과 반대방향으로 휘는 현상이 발생하고, Mo 함량이 40중량% 미만이면 열팽창계수가 9×10-6/K 이상으로 너무 커서 세라믹과 반대방향으로 휘는 현상이 발생하고, 70중량% 초과이면 열팽창계수가 7×10-6/K 이하로 너무 작아서 브레이징 접합시 세라믹 방향으로 휘는 현상이 발생하기 때문이다.
상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 제1층과 제5층의 두께는 전체 두께의 10% 미만일 경우 열팽창계수가 너무 낮아 휨이 발생할 수 있고, 30% 초과일 경우 열팽창계수가 너무 커서 반대방향으로의 휨이 발생할 수 있으므로, 10~30%인 것이 바람직하고, 제1층과 제5층은 실질적으로 동일한 두께를 가지는 것이 바람직하다.
상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 제2층과 제4층의 두께는 전체 두께의 5% 미만일 경우 너무 얇아서 제품에서의 변형을 야기할 수 있으며, 20% 초과일 경우 제품의 수직방향 열전도를 급격히 떨어뜨리는 문제를 야기하므로, 5~20%인 것이 바람직하다.
상기 방열판재에 있어서, 상기 물질층은, 장축방향의 열팽창계수를 조절하기 위한 것으로, Mo를 99중량% 이상 포함하는 순 Mo로 이루어질 수 있다.
상기 다수 개 형성된 물질층의 부피의 합은, 제3층 전체 부피의 10% 미만일 경우 장축방향의 열팽창계수를 8~9×10-6/K 수준으로 유지하기 어렵고, 20% 초과일 경우 판재의 두께방향으로 열이 전도되는 면적이 줄어들어 열전도도를 270W/mK 이상으로 유지하기 어렵기 때문에, 10~20%인 것이 바람직하다.
상기 방열판재의 두께방향의 열전도도는 270W/mK이상, 바람직하게는 300W/mK 이상, 보다 바람직하게는 310W/mK 이상일 수 있다.
상기 방열판재의 장축방향의 열팽창계수는, 8.0~9.0×10-6/K 일 수 있다.
상기 방열판재는 장축방향의 열팽창계수가 고출력 반도체를 구성하는 물질의 열팽창계수와 유사하여, 고출력 반도체 소자를 2 이상 브레이징 접합 공정을 통해 실장할 수 있다.
[실시예]
본 발명의 실시예에서는 다음과 공정을 통해, 도 2의 구조를 갖는 방열판재를 제조하였다.
도 2의 구조를 갖는 방열판재는, 도 3에서의 Mo판재와 Cu로 구성된 중간층을 우선적으로 제조하며, 그 제조방법은 Mo판재와 Cu판재를 적층한 후 고온 통전가압방식으로 접합하고, 중간층으로 사용하기 적합한 두께인 제품 전체 두께의 40~70% 두께로 절단하는 제조공정을 수행한다.
이후, 제1층과 5층인 Cu와 제2층과 4층인 Cu-Mo합금과 절단을 통하여 준비된 제3층을 순서대로 배치한 후 통전가압 접합을 통하여 일체화시키는 공정을 포함하여 제조된다.
먼저, 제1층과 제5층으로 적용된 Cu판재는 약 200㎛두께로 길이 100mm, 폭 100mm의 판재로 절단하여 준비하고, 제2층과 제4층으로 적용된 약 50㎛두께의 Cu-Mo판재(Cu 60중량% - Mo 40중량%)를 길이 100mm, 폭 100mm 판재로 절단하고 준비하였다.
이어서, 제3층의 제조는 약 300㎛두께의 Cu판재와 약 50㎛두께의 Mo판재를 전체 두께가 50mm이상이 되도록 반복적으로 적층하고 통전가압소결 방식으로 40MPa압력과 950℃온도 조건으로 접합하여 준비한다. 접합된 벌크재는 멀티와이어 쏘우를 적용하여 소재의 적층방향과 수직인 방향으로 절단하여 약 700㎛두께의 판상 중간재를 준비하였다.
이후, 준비된 제1층, 제2층, 제3층, 제4층, 제5층을 순서대로 적층하여 통전가압 접합방식을 통하여 접합을 진행하며, 진공에서 접합 온도는 950℃, 접합 압력은 40MPa로 접합하여, 도 2의 구조를 갖는 복합판재를 제조하였다.
도 4 및 도 5는 실제 제조한 복합판재의 정면 및 측면의 현미경 이미지를 나타낸 것으로, 도 2와 같은 형상으로 Cu-Mo 합금층 및 Mo 층이 Cu 층의 내부에 형성되어 있음이 확인된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에서는 복합판재를 구성하는 각각의 판재를 적층한 후 통전가압하는 방법으로 형성하였으나, 금속을 분말소결법이나 다양한 증착법을 통해 만든 판재 등 다양한 형태의 판재를 적층하는 방법을 사용할 수도 있다.
아래 표 1은 본 발명의 실시예와, 종래의 적층구조를 갖는 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방열판재의 열전도도 및 열팽창계수를 나타낸 것이다.
비교예 1의 경우, 도 6에 도시된 Cu/Cu-Mo합금/Cu의 3층 적층구조를 가지며, 상, 하측에 배치된 Cu층의 두께는 전체 두께의 20%, Cu-Mo 합금층의 두께는 전체 두께의 80%이다.
비교예 2의 경우, 도 7에 도시된 Cu/Mo/Cu/Mo/Cu의 5층 적층구조를 가지며, 상,하측에 배치된 Cu층의 두께는 전체 두께의 약 40%, 가운데 배치된 Cu층의 두께는 전체 두께의 약 45%, Mo층의 두께는 전체 두께의 약 15%이다.
면 방향(장축 방향)
열팽창계수
(×10-6/K)		 판재의 두께 방향
열전도도
(W/mK)
비교예 1 8.0 220
비교예 2 7.0 230
실시예 8.2 316
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열판재의 열팽창계수는 장축방향에 있어서, 8.2×10-6/K로 고출력 반도체 소자를 구성하는 세라믹 물질과의 열팽창계수와의 차이가 거의 없어 2 이상의 소자를 실장할 때 휨이나 박리의 문제가 발생하지 않을 뿐 아니라, 판재의 두께 방향의 열전도도가 316W/mK로 비교예 1 및 비교예 2에 비해 현저하게 향상되어, 고출력 반도체 소자에 적합하게 사용될 수 있을 정도의 열전도도를 나타낸다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 방열판재는, 판재의 두께방향의 열전도도를 향상시킴과 동시에, 면방향(장축방향)의 열팽창계수를 방열판재에 실장되는 반도체 소자와의 접합성을 저하시키지 않을 정도로 구현되었다.

Claims (11)

  1. 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로,
    상기 방열판재의 두께방향으로, 제1층, 제2층, 제3층, 제4층 및 제5층이 순차적으로 적층된 구조를 가지고,
    상기 제2층 및 제4층은 제1층 및 제5층에 비해 열팽창계수가 작은 물질로 이루어지고,
    상기 제3층의 내부에, 상기 방열판재의 면 방향 중 길이가 짧은 방향(단축방향) 및 길이가 긴 방향(장축방향) 중 어느 일 방향을 따라, 소정 두께를 가지며 제3층과 상이한 조성을 가지고 제3층에 비해 열팽창계수가 작은 물질층이 소정 간격을 두고 다수 개 형성되어 있는 방열 판재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물질층은, 상기 장축방향의 길이를 가지고, 상기 단축방향을 따라 격벽 형태를 이루는, 방열판재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제3층 및 제5층은 Cu를 포함하는 물질로 이루어진, 방열판재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2층과 제4층은 Cu와 Mo를 포함하는 합금으로 이루어진, 방열판재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 물질층은, Mo를 포함하는 물질로 이루어진, 방열판재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 제1층과 제5층의 두께는 전체 두께의 10~30%인, 방열판재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 제2층과 제4층의 두께는 전체 두께의 5~20%인, 방열판재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방열판재의 장축방향에 있어서, 상기 다수 개 형성된 물질층의 부피의 합은, 전체 물질층 부피의 10~20%인, 방열판재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 두께 방향의 열전도도는 270W/mK 이상인, 방열판재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방열판재의 면방향 중 상대적으로 길이가 긴 방향의 열팽창계수는, 7.0~9.0×10-6/K인, 방열판재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방열판재의 일측에는 고출력 반도체 소자가 2 이상 패키지되는, 방열판재.
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