KR20190041383A

KR20190041383A - 방열판재

Info

Publication number: KR20190041383A
Application number: KR1020170174778A
Authority: KR
Inventors: 김일호; 조명환; 김영석
Original assignee: 주식회사 더굿시스템
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-04-22
Also published as: KR102064158B1; JP2019075564A

Abstract

본 발명은 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.
본 발명에 따른 방열판재는, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로, 상기 방열판재의 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고, 상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질을 포함하는 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 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, Cu/Mo/Cu/Mo/Cu의 다층 복합소재와 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 방열판재의 길이도 길어지게 되어 하나의 칩을 실장할 때 문제가 없던 방열판재와 반도체 소자 간의 열팽창계수의 차이도, 실장되는 반도체 소자의 수가 증가할 경우 문제가 되므로, 여러 개의 칩을 실장하는데 사용되는 방열판재의 경우 세라믹소재의 열팽창계수의 유사성이 더욱 중요한 요소로 부각되고 있어, 세라믹 소재의 열팽창계수와 유사하면서도 방열특성이 우수한 방열판재의 개발이 시급하다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 판재의 면 방향(가로 및/또는 세로 방향)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 350W/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, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고, 상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있는 방열판재를 제공한다.

본 발명에 따른 방열 판재는 판재의 두께 방향으로의 열전도도가 350W/mK 이상, 바람직한 실시형태에 의하면 열전도도가 400W/mK 이상이기 때문에, 고출력 소자에 적합하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방열 판재는 면 방향(가로 또는 세로) 방향으로의 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 구조와, 본 발명에서 규정하는 두께방향과 면 방향(길이 및 폭)을 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재의 전체 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 평면 이미지이다.
도 5는 도 4의 이미지를 확대한 것으로, Cu-Mo로 이루어진 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자가 한 방향으로 배향된 상태를 보인다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 단면 이미지이다.
도 7은 도 6의 이미지를 확대한 것으로, Cu-Mo로 이루어진 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자가 두께 방향으로 배향된 상태를 보인다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재의 가로 방향 열팽창계수 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재의 세로 방향 열팽창계수 측정 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 발명자는 판재의 면 방향(판재의 길이 및 폭 방향)으로 9.0×10^-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가질 뿐 아니라, 판재의 두께 방향으로 350W/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(길이 및 폭)을 나타내는 것이다. 길이 방향은 상대적으로 길이가 긴 장축방향이고, 폭 방향은 길이방향에 대해 수직한 방향을 의미하며, 길이방향과 폭방향의 길이가 동일할 경우, 2중 하나의 방향을 길이방향으로 하고 나머지 방향을 폭 방향으로 정의한다.

본 발명에 따른 방열판재는, 2종 이상의 물질이 적층된 구조를 가지며, 그 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고, 상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에서는 커버층을 구리를 주성분으로 하는 물질을 사용하고, 코어층을 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 함과 동시에, 상기 복합조직 내에 격자 형태로 배치된 Cu와 Mo를 포함하는 합금층을 배치함으로써, 커버층과 코어층의 내박리성을 높이고, 동시에 두께방향으로 현재 사용되고 있는 방열판재에서는 구현할 수 없는 높은 열전도도와 함께 면 방향(길이 및 폭방향)의 열팽창계수를 세라믹 재료와 유사하게 맞출 수 있도록 한다. 또한, 본 발명에 따른 방열판재의 소재 및 구조는 방열판재에 2개 이상의 소자가 접합되더라도 열변형량의 차이를 최소화할 수 있어, 박리 또는 세라믹의 파손을 막을 수 있게 된다.

또한, 상기 방열판재에 있어서, 상기 복합조직은 구리와 판상의 흑연 물질로 이루어지며, 상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향을 따라 평행하게 배향되어 있고, 동시에 상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향에 수직한 면 방향 중 일 방향(즉, 길이방향 또는 폭방향)을 따라 평행하게 배향되어 있을 수 있다. 상기 판상의 흑연 물질의 형상은 판상 형상은 물론, 플레이크(flake)상, 비늘상과 같은 형상의 분말을 포함하는 것을 의미한다.

또한, 본 발명에 있어서, '두께 방향 또는 면 방향 중 일 방향으로 평행하게 배향된 조직'이란, 당해 방향과 판상 입자가 구성하는 내각이 45°미만인 입자가 복합조직의 면적분율로 50%를 초과한 조직을 의미하며, 45°미만인 입자가 복합조직의 면적분율로 70% 이상인 것이 바람직하다.

이러한 구조를 통해 두께 방향의 열전도도를 높임과 동시에 면 방향으로의 열팽창계수를 낮게 유지할 수 있다.

또한, 상기 방열판재에 있어서, 상기 커버층은 구리 또는 구리합금으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예로서 상기 커버층은 Cu 함량이 99중량% 이상인 순 Cu로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 방열판재에 있어서, 상기 합금층은 Cu-Mo 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 바람직한 예로서 상기 Cu-Mo 합금은 Cu 30~60중량%, Mo 40~70중량%를 포함할 수 있는데, 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 커버층의 두께는 전체 두께의 5% 미만일 경우 열팽창계수가 너무 낮아 휨이 발생하거나 방열특성이 떨어질 수 있고, 40% 초과일 경우 열팽창계수가 너무 커서 반대방향으로의 휨이 발생할 수 있으므로, 5~40%인 것이 바람직하고, 상,하층의 두께는 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.

[실시예]

도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열판재의 전체 구조를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열판재를 구성하는 코어층의 구조를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열판재는 Cu 커버층의 내부에 코어층이 배치된 구조로 이루어진다.

상기 코어층은 도 3에 도시된 바와 같이, Cu와 흑연으로 이루어진 복합재로 이루어진 기지에, 상면에서 볼 때, Cu-Mo 합금층이 길이(x 방향) 및 폭(y 방향) 방향으로 격자상으로 배치되어 있으며, 이 Cu-Mo 합금층은 코어층 기지의 두께방향을 연장하여 하면에서 볼 때도 동일한 격자상의 형태를 이룬다.

이러한 Cu-Mo 합금층의 배치는 x 방향 및 y 방향으로의 열팽창계수를 낮춤과 동시에 두께 방향으로의 열전도도를 최대한 유지할 수 있도록 하며, 동시에 Cu로 이루어진 커버층과의 접합시, Cu-Mo 합금층과의 접합 면적을 최소화하여 층간의 박리를 막는데도 기여한다.

또한, 도 3의 적색 점선으로 표시된 Cu-Mo 격자로 구분되는 단위 기지 조직은 그 아래의 확대도에 나타난 바와 같이, Cu와 판상의 흑연재의 복합재로 이루어지며, 판상의 흑연재는 두께 방향에 대략 평행하게 배향됨과 동시에 y 방향에 대해서도 평행하게 배향된 것을 특징으로 한다. 이러한 구조를 통해, 두께 방향으로의 열전도도를 최대화할 수 있으며, 동시에 면방향으로의 열팽창을 억제할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 평면(상면) 이미지이다. 도 4에서 밝은 회색의 격자 형태로 이루어진 부분이 Co-Mo 합금(Co: 45중량%, Mo: 55중량%) 부분이고 상대적으로 검은 부분이 Cu와 비늘상으로 이루어진 흑연 입자와의 복합조직 부분이다. 도 5에서 확인되는 바와 같이, Cu-Mo 합금 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자들은 격자의 한 방향으로 배향된 상태를 보인다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 방열 판재를 구성하는 코어층의 단면 이미지로, 두께 방향을 따라 등 간격으로 배치된 Cu-Mo(가장 밝은 회색)로 이루어진 격자를 보인다. 또한, 코어의 상,하면에는 Cu로 이루어진 커버층이 보인다.

도 7은 도 6의 이미지를 확대한 것으로, Cu-Mo로 이루어진 격자 내의 복합조직을 구성하는 흑연 입자가 두께 방향으로 배향된 상태를 보인다.

도 8, 도 9 및 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열판재와, 이 방열판재와 비교예 1(구리(Cu)/구리-몰리브덴 합금(Cu-Mo)/구리(Cu)의 구조를 가지며, 두께 방향의 길이의 비율이 Cu 40%, Cu-Mo 20%, Cu 40%로 이루어지며, 전체 두께는 본 발명의 실시예와 동일함) 및 본 발명의 방열판재와 동일한 치수의 순 구리로 제조한 판재의 열전도도와 열팽창계수를 비교한 것이다.

구분	두께방향 열전도도(W/mK)	길이(x) 방향 800℃ 열팽창계수 (×10^-6/K)	폭(y) 방향 800℃ 열팽창계수 (×10^-6/K)
실시예	400.4	8.11	8.36
비교예 1	300	11.5	12.0
비교예2 (구리 판재)	380	17	17

표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방열판재의 열팽창계수는 면 방향(길이 및 폭)에 있어서, 8.1×10^-6/K ~ 8.8×10^-6/K의 열팽창계수를 나타내어 고출력 반도체 소자를 구성하는 세라믹 물질과의 열팽창계수와의 차이가 거의 없어 2 이상의 소자를 실장할 때 휨이나 박리의 문제가 발생하지 않는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 방열판재의 두께 방향의 열전도도는 400W/mK수준인데, 이는 기존의 비교예 1 판재는 물론, 구리로만 이루어진 판재(비교예 2)에 비해서도 우수할 뿐 아니라, 면방향으로 9×10^-6/K 이하의 열팽창계수를 구현할 수 있는 어떠한 방열판재에 비해서도 현저하게 향상된 열전도성을 가진다.

Claims

2종 이상의 물질이 적층된 구조를 갖는 방열판재로,
상기 방열판재의 두께방향으로, 코어층과, 상기 코어층을 상,하에서 커버하는 커버층을 포함하여 이루어지고,
상기 커버층은 구리를 포함하는 물질로 이루어지며,
상기 코어층은 구리와 탄소를 포함하는 물질의 복합조직으로 이루어지는 기지와, 상기 기지 내에, Cu와 Mo를 포함하는 합금층이 격자 형상으로 배치되어 있는 방열판재.
제1항에 있어서,
상기 복합조직은 구리와 판상의 흑연 물질로 이루어지며,
상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향을 따라 평행하게 배향되어 있고,
동시에 상기 판상의 흑연 물질은 상기 방열판재의 두께 방향에 수직한 면 방향 중 일 방향을 따라 평행하게 배향되어 있는 방열판재.
제1항에 있어서,
상기 커버층은 구리 또는 구리합금으로 이루어진 방열판재.
제2항에 있어서,
상기 합금층은 Cu-Mo 합금인 방열판재.
제4항에 있어서,
상기 합금층은 Cu 30~60중량%, Mo 40~70중량%를 포함하는 방열판재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방열판재는 판재의 두께 방향으로의 열전도도가 350W/mK 이상이고,
길이 및 폭 방향의 열팽창계수가 8.0×10^-6/K ~ 9.0×10^-6/K인 방열판재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방열판재의 두께방향에 있어서, 상기 커버층의 두께는 전체 두께의 5 ~ 40%인 방열판재.