KR20190052768A - Thermal management system having nitride thick film - Google Patents
Thermal management system having nitride thick film Download PDFInfo
- Publication number
- KR20190052768A KR20190052768A KR1020170148457A KR20170148457A KR20190052768A KR 20190052768 A KR20190052768 A KR 20190052768A KR 1020170148457 A KR1020170148457 A KR 1020170148457A KR 20170148457 A KR20170148457 A KR 20170148457A KR 20190052768 A KR20190052768 A KR 20190052768A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thick film
- nitride
- transfer system
- heat transfer
- ain
- Prior art date
Links
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 51
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 24
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 11
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 29
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 15
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 10
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
- H01L33/641—Heat extraction or cooling elements characterized by the materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
- H01L33/642—Heat extraction or cooling elements characterized by the shape
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 열 전달 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물 후막을 포함하여 내전압 및 열전도도 특성이 우수한 열 전달 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat transfer system, and more particularly, to a heat transfer system including a nitride thick film and having excellent withstand voltage and thermal conductivity characteristics.
고출력 LED나 파워 디바이스 등의 고전력이 소모되고, 열이 많이 발생하는 부품 제작에 있어, 부품의 신뢰성 및 장수명 보장을 위해 방열성 기판이 사용되고 있다.A heat-dissipating substrate is used to manufacture a component that consumes high power such as a high-power LED or a power device and generates a lot of heat in order to assure the reliability of components and the long life.
일반적으로, 방열성 기판은 고열전도성 전기절연층, 금속히트싱크 (Metal Heat Sink)로 이루어져 있으며, 고열전도성 전기절연층과 금속히트싱크 사이에 방열접착제인 TIM (Thermal Interface Material)이 사용된다. 방열성 기판용 소재들은 우수한 열전도성과 높은 기계적 강도가 필요하며, 각 소재간의 열팽창 계수를 고려한 구조 디자인 등의 기술이 요구된다. 상기 기판은 소자와 연결되는 것으로 소자에 열전도성을 제공하며, TIM은 고열전도성 전기절연층과 금속히트싱크를 서로 밀착시키는 역할을 하며, 수지 재료로 이루어진다. 상기 금속히트싱크는 열전도성이 우수한 금속성 재료로 이루어진다.Generally, a heat-dissipating substrate is made of a high thermal conductive electrical insulating layer, a metal heat sink, and a thermal interface material (TIM) is used as a heat insulating adhesive between the high thermal conductive electrical insulating layer and the metal heat sink. Materials for heat-dissipating substrates require excellent thermal conductivity and high mechanical strength, and are required to have a structural design that takes thermal expansion coefficients into consideration. The substrate is connected to the element to provide thermal conductivity to the element, and the TIM serves to adhere the high thermal conductive electrical insulation layer and the metal heat sink to each other, and is made of a resin material. The metal heat sink is made of a metallic material having excellent thermal conductivity.
방열성 기판에서 열전도 특성이 가장 낮은 층인 TIM을 제거하면, 보다 우수한 방열 특성을 기대할 수 있으며, TIM의 제거를 위해서는 금속히트싱크 위에 고열전도성 전기절연층용 두껍고 치밀한 후막을 직접 코팅하는 기술이 필요하다.Removal of TIM, which is the lowest thermally conductive layer in a heat-dissipating substrate, can provide better heat dissipation characteristics. In order to remove TIM, a technique of directly coating a thick and dense thick film for a high thermal conductivity electrical insulating layer on a metal heat sink is required.
이와 같이, TIM을 제거한 신구조의 방열성 기판이 고출력 부품에 사용되기 위해서는 고열전도성을 보일 뿐만 아니라, 높은 항복 전압에서도 견뎌야 한다. 소재의 고열전도성은 방열 시스템에서는 낮은 열저항으로 대변된다. In this way, a new structure of a heat-dissipating substrate with a TIM removed can not only exhibit high thermal conductivity but also withstand a high breakdown voltage in order to be used in high-output parts. The high thermal conductivity of the material is represented by low thermal resistance in the heat dissipation system.
따라서, 낮은 열저항과 높은 항복전압이 요구되는 고출력 디바이스에 적용이 가능하도록, 두껍고 치밀한 미세구조를 가지며, 전기적/열적 특성이 우수한 열 전달 시스템에 관한 연구가 필요하다.Therefore, it is necessary to study a heat transfer system having a thick and dense microstructure and excellent electrical / thermal characteristics so that it can be applied to high output devices requiring low thermal resistance and high breakdown voltage.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1116516호(2012.02.28. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 열적 특성이 개선된 전력 반도체 모듈용 메탈라이징 세라믹 기판 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.As a background art related to the present invention, Korean Registered Patent No. 10-1116516 (published on Mar. 28, 2012) discloses a metallized ceramic substrate for a power semiconductor module having improved thermal characteristics and a manufacturing method thereof have.
본 발명의 목적은 내전압 및 방열 특성이 우수한 열 전달 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a heat transfer system excellent in withstand voltage and heat dissipation characteristics.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 열 전달 시스템은 금속히트싱크; 및 상기 금속히트싱크 상에 형성되는 질화물 후막;을 포함하고, 상기 질화물 후막의 산소 함량은 3중량% 이하인 것을 특징으로 한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a heat transfer system including: a metal heat sink; And a nitride thick film formed on the metal heat sink, wherein an oxygen content of the nitride thick film is 3 wt% or less.
상기 열 전달 시스템은 상기 질화물 후막의 두께(㎛) Х 열전도도(W/mK) = 4000 ~ 9000㎛·W/mK일 수 있다.The heat transfer system may have a thickness (탆) Х thermal conductivity (W / mK) of the nitride thick film = 4000 to 9000 탆 W / mK.
상기 열 전달 시스템은 항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV 일 수 있다.The heat transfer system may have a breakdown voltage (kV) of 3-6 kV.
상기 열 전달 시스템의 열저항(%)은 AIN 후막(Bulk AIN)의 두께가 320㎛인 방열 기판 시스템(Al+TIM+Bulk AIN)의 열저항 100% 대비, 90~92%인 것일 수 있다.The thermal resistance (%) of the heat transfer system may be 90% to 92% of the thermal resistance of 100% of the heat dissipation substrate system (Al + TIM + Bulk AIN) having a thickness of 320 탆 of AIN thick film.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 따른 열 전달 시스템은 금속히트싱크; 및 상기 금속히트싱크 상에 형성되는 질화물 후막;을 포함하고, 상기 질화물 후막의 산소 함량은 10~20중량%인 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a heat transfer system including: a metal heat sink; And a nitride thick film formed on the metal heat sink, wherein an oxygen content of the nitride thick film is 10 to 20 wt%.
상기 열 전달 시스템은 상기 질화물 후막의 두께(㎛) Х 열전도도(W/mK) = 3000 ~ 4000㎛·W/mK일 수 있다.The heat transfer system may have a thickness (탆) Х thermal conductivity (W / mK) of the nitride thick film = 3000 to 4000 탆 W / mK.
상기 열 전달 시스템은 항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV 일 수 있다.The heat transfer system may have a breakdown voltage (kV) of 3-6 kV.
상기 열 전달 시스템의 열저항(%)은 AIN 후막(Bulk AIN)의 두께가 320㎛인 방열 기판 시스템(Al+TIM+Bulk AIN)의 열저항 100% 대비, 76~78%인 것일 수 있다.The thermal resistance (%) of the heat transfer system may be 76 to 78% as compared to 100% of the thermal resistance of the AIN thick film (Al + TIM + Bulk AIN) having a thickness of 320 μm.
상기 제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 질화물 후막은 질화 알루미늄(AIN), 질화 붕소(BN), 질화 규소(Si3N4), 질화 갈륨(GaN), 질화 티타늄(TiN) 및 질화 인듐(InN) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.In the first or second embodiment, the nitride thick film may be formed of a material selected from the group consisting of aluminum nitride (AIN), boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), gallium nitride (GaN), titanium nitride And indium nitride (InN).
본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 질화물 후막을 열 전달 시스템에 적용하게 되면, TIM을 배제할 수 있어, 시스템의 열저항의 감소로 인한 우수한 방열 특성을 나타낼 수 있다.If the nitride thick film according to the first and second embodiments of the present invention is applied to a heat transfer system, the TIM can be excluded and excellent heat dissipation characteristics due to reduction in thermal resistance of the system can be exhibited.
특히, 실시예 1에 따른 열 전달 시스템(GSV, 30~70㎛ AIN 후막)은 산소 함량은 3중량% 이하인 AIN 후막을 포함함으로써, 실시예 2에 따른 열 전달 시스템(AD, 30㎛ AIN 후막)에 비해, 동일한 두께에서 열저항이 낮은 결과를 보여준다. 이는 실시예 1에 따른 AIN 후막이 치밀하고 순도 높은 AIN으로 구성된 것을 입증한다.In particular, the heat transfer system (AD, 30 탆 AIN thick film) according to Example 2 includes the AIN thick film having an oxygen content of 3 wt% or less, , The thermal resistance is low at the same thickness. This proves that the AIN thick film according to Example 1 is composed of dense and high purity AIN.
도 1은 TIM를 포함하는 열 전달 시스템(좌측) 및 TIM을 포함하지 않는 열 전달 시스템(우측)의 열 흐름 개략도이다.
도 2는 AD 공정과 GSV 공정에 따라 제조된 AIN 후막을 포함하는 열 전달 시스템의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 다양한 구조를 갖는 열 전달 시스템의 열저항을 나타내는 그래프이다.
도 4는 Al 기판(좌측)과 Al 기판 상에 코팅된 AIN 후막(우측)을 나타낸 사진이다.
1 is a heat flow schematic of a heat transfer system (left) comprising a TIM and a heat transfer system (right) without a TIM.
2 is a graph showing electrical characteristics of a heat transfer system including an AIN thick film manufactured according to an AD process and a GSV process.
3 is a graph showing the thermal resistance of a heat transfer system having various structures.
4 is a photograph showing an Al substrate (left side) and an AIN thick film (right side) coated on an Al substrate.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물 후막을 포함하는 열 전달 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a heat transfer system including a nitride thick film according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
전자 기기에 사용되는 방열성 기판은 고열전도성 전기절연층, TIM, 금속히트싱크로 이루어지며, 이 중 TIM는 열전도율이 가장 낮다.A heat-dissipating substrate used in electronic equipment is made of a high thermal conductive electrical insulation layer, a TIM, and a metal heat sink. Among these, the TIM has the lowest thermal conductivity.
도 1은 TIM를 포함하는 열 전달 시스템(좌측) 및 TIM을 포함하지 않는 열 전달 시스템(우측)의 열 흐름 개략도이다.1 is a heat flow schematic of a heat transfer system (left) comprising a TIM and a heat transfer system (right) without a TIM.
본 발명에서는 TIM 없이, 금속히트싱크와 질화물 후막으로 제조되어 내전압 및 방열 특성이 우수한 열 전달 시스템에 대하여 제공하고자 한다.In the present invention, it is desired to provide a heat transfer system which is made of a metal heat sink and a nitride thick film without TIM, and has excellent withstand voltage and heat dissipation characteristics.
제1실시예First Embodiment
본 발명의 제1실시예에 따른 열 전달 시스템은 금속히트싱크, 및 상기 금속히트싱크 상에 형성되는 질화물 후막을 포함하고, 상기 질화물 후막의 산소 함량은 3중량% 이하인 것이 바람직하다.The heat transfer system according to the first embodiment of the present invention includes a metal heat sink and a nitride thick film formed on the metal heat sink, and the oxygen content of the nitride thick film is preferably 3 wt% or less.
상기 금속히트싱크는 Al, Cu 등의 각종 금속 재질이라면 제한없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 열전도도가 높고 가격 경쟁력이 있는 AI 재질의 기판이 사용될 수 있다.The metal heat sink can be used without limitation as long as it is made of various metals such as Al and Cu. Preferably, a substrate made of an AI material having a high thermal conductivity and being cost competitive can be used.
상기 질화물 후막은 질화 알루미늄(AIN), 질화 붕소(BN), 질화 규소(Si3N4), 질화 갈륨(GaN), 질화 티타늄(TiN) 및 질화 인듐(InN) 중 1종 이상을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.The nitride thick film may be formed of a material including at least one of aluminum nitride (AIN), boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), gallium nitride (GaN), titanium nitride (TiN), and indium nitride As shown in FIG.
질화물 후막의 산소 함량이 3중량% 이하라는 것은 후막을 제조하는 과정에서 산화 없이 치밀하고 고순도의 후막이 안정적으로 형성되었음을 의미한다.When the oxygen content of the nitride thick film is 3 wt% or less, it means that a dense and high-purity thick film is formed stably without oxidation in the process of manufacturing the thick film.
상기 질화물 후막의 두께는 20~100㎛일 수 있으며, 이 범위를 만족하는 후막을 포함하는 열 전달 시스템은 종래 AlN 소결체의 두께가 320 ㎛인 상용품 대비 더 낮은 두께에서도 보다 우수한 내전압 특성을 가진다. The thickness of the nitride thick film may be 20 to 100 mu m and the heat transfer system including the thick film satisfying the range may have a better withstand voltage characteristic than the conventional AlN sintered body having a thickness of 320 mu m.
상기 질화물 후막을 포함하는 열 전달 시스템은 항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV 일 수 있다.The heat transfer system including the nitride thick film may have a breakdown voltage (kV) of 3 to 6 kV.
제1실시예에 따른 열 전달 시스템의 자세한 설명은 도면을 참조하여 설명하기로 한다.The detailed description of the heat transfer system according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
본 발명의 제1실시예에 따른 열 전달 시스템의 제조 방법은 다음과 같다.A manufacturing method of the heat transfer system according to the first embodiment of the present invention is as follows.
GSV(granule spray in vacuum) 공정을 이용한 제조 방법으로, GSV는 25±10℃ 및 진공 분위기에서, 노즐을 이용하여 질화물 그래뉼을 기판 상에 분사하여 증착시킴으로써, 후막을 제조하는 공정이다.GSV is a process for manufacturing a thick film by spraying a nitride granule on a substrate using a nozzle in a vacuum atmosphere at 25 ± 10 ° C and depositing the substrate.
먼저, 분무 건조(spray drying)를 통해 질화물 분말로부터 질화물 그래뉼(granule)을 형성한다.First, a nitride granule is formed from the nitride powder through spray drying.
다음으로, 상기 질화물 그래뉼을 600~950℃에서 어닐링한다. 상기 어닐링 시간은 1~3시간 동안 수행되는 것이 바람직하며, 이 범위를 벗어나는 경우, 기판 상에 20~100㎛ 두께의 질화물 후막을 형성하기 어려울 수 있다.Next, the nitride granules are annealed at 600 to 950 占 폚. The annealing time is preferably 1 to 3 hours. If the annealing time is out of the range, it may be difficult to form a thick nitride film having a thickness of 20 to 100 mu m on the substrate.
다음으로, 상기 어닐링된 질화물 그래뉼을 기판 상에 분사하여 질화물 후막을 제조한다. 후막 제조는 25±10℃ 및 진공 분위기에서 노즐을 통해 분사하여 수행될 수 있으며, 왕복 3~10번의 코팅 횟수에 따라, 후막의 두께를 20~100㎛로 조절하여 기판 상에 안정적으로 형성시킬 수 있다.Next, the annealed nitride granules are sprayed onto the substrate to produce a nitride thick film. The thick film can be formed by spraying through a nozzle in a vacuum atmosphere of 25 ± 10 ° C. and can be stably formed on the substrate by controlling the thickness of the thick film to 20 to 100 μm according to the number of coatings 3 to 10 times have.
제2실시예Second Embodiment
본 발명의 제2실시예에 따른 열 전달 시스템은 금속히트싱크 및 상기 금속히트싱크 상에 형성되는 질화물 후막을 포함하고, 상기 질화물 후막의 산소 함량은 10~20중량%인 것이 바람직하다.The heat transfer system according to the second embodiment of the present invention includes a metal heat sink and a nitride thick film formed on the metal heat sink, and the oxygen content of the nitride thick film is preferably 10 to 20 wt%.
상기 금속히트싱크에 대한 사항은 전술한 바와 같다.The above-mentioned metal heat sink is as described above.
상기 질화물 후막은 질화 알루미늄(AIN), 질화 붕소(BN), 질화 규소(Si3N4), 질화 갈륨(GaN), 질화 티타늄(TiN) 및 질화 인듐(InN) 중 1종 이상을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.The nitride thick film may be formed of a material including at least one of aluminum nitride (AIN), boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), gallium nitride (GaN), titanium nitride (TiN), and indium nitride As shown in FIG.
질화물 후막의 산소 함량이 10~20중량%이라는 것은 후막을 제조하는 과정에서 산화물 또는 산질화물이 형성되었음을 의미한다.The oxygen content of the nitride thick film is 10 to 20 wt%, which means that an oxide or an oxynitride is formed in the process of manufacturing a thick film.
상기 질화물 후막의 두께는 15~30㎛일 수 있으며, 이 범위를 만족하는 후막을 포함하는 열 전달 시스템은 종래 AlN 소결체가 150 ㎛인 상용품 대비 더 낮은 두께에서도 보다 우수한 내전압 특성을 가진다. The thickness of the nitride thick film may be in the range of 15 to 30 占 퐉. The heat transfer system including the thick film satisfying this range has better withstand voltage characteristics than the conventional AlN sintered body having a thickness of 150 占 퐉.
상기 열 전달 시스템은 항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV 일 수 있다.The heat transfer system may have a breakdown voltage (kV) of 3-6 kV.
제2실시예에 따른 열 전달 시스템의 자세한 설명은 도면을 참조하여 설명하기로 한다.The detailed description of the heat transfer system according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
본 발명의 제2실시예에 따른 열 전달 시스템의 제조 방법은 다음과 같다.A manufacturing method of the heat transfer system according to the second embodiment of the present invention is as follows.
AD(aerosol deposition) 공정을 이용한 제조 방법으로, AD는 25±10℃ 및 진공 분위기에서, 노즐을 이용하여 질화물 분말을 기판 상에 분사하여 증착시킴으로써, 후막을 제조하는 공정이다. An AD (Aerosol Deposition) process is a process for manufacturing a thick film by spraying a nitride powder onto a substrate using a nozzle at a temperature of 25 ± 10 ° C and a vacuum atmosphere.
먼저, 질화물 분말을 평균 입경이 3㎛ 이하가 되도록 분쇄한다.First, the nitride powder is pulverized so as to have an average particle diameter of 3 탆 or less.
다음으로, 상기 분쇄된 질화물 분말을 800~850℃에서 어닐링한다. 상기 어닐링 시간은 38~48시간 동안 수행되는 것이 바람직하며, 이 범위를 벗어나는 경우, 기판 상에 15~30㎛ 두께의 질화물 후막을 형성하기 어려울 수 있다. Next, the pulverized nitride powder is annealed at 800 to 850 ° C. The annealing time is preferably 38 to 48 hours. If the annealing time is outside this range, it may be difficult to form a nitride thick film having a thickness of 15 to 30 mu m on the substrate.
다음으로, 상기 어닐링된 질화물 분말을 기판 상에 분사하여 질화물 후막을 제조한다. 후막 제조는 25±10℃ 및 진공 분위기에서 노즐을 이용하여 수행될 수 있으며, 왕복 3~10번의 코팅 횟수에 따라, 후막의 두께를 15~30㎛로 조절하여 기판 상에 안정적으로 형성시킬 수 있다.Next, the annealed nitride powder is sprayed on the substrate to produce a nitride thick film. The thick film can be formed using a nozzle at 25 ± 10 ° C. and a vacuum atmosphere, and the thickness of the thick film can be stably formed on the substrate by adjusting the thickness of the thick film to 15 to 30 μm according to the number of coatings 3 to 10 times .
도 2 내지 도 3에서 AD는 질화물 분말을 이용한 것이고, GSV는 상기 질화물 분말보다 입경이 큰 질화물 그래뉼을 이용한 것이다. 도 2에서 KICET는 종래 타기관에서 제조한 것을 가리킨다. 열 전달 시스템의 항복 전압은 내전압 시험기(TOS 5101, Kikusui Electronics Corp., Yokohama, Japan)를 사용하여 측정되었다.In Figs. 2 to 3, AD is a nitride powder, and GSV is a nitride granule having a particle diameter larger than that of the nitride powder. In Fig. 2, KICET refers to a product manufactured by another organization in the past. The breakdown voltage of the heat transfer system was measured using a withstand voltage tester (TOS 5101, Kikusui Electronics Corp., Yokohama, Japan).
도 2는 AD 공정과 GSV 공정에 따라 제조된 AIN 후막을 포함하는 열 전달 시스템의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다. AD 공정과 GSV 공정에 따른 AIN 후막은 두께가 150㎛인 벌크 세라믹에 비해 두께가 얇았지만, 열 전달 시스템에서 항복 전압이 더 높은 결과를 보여준다.2 is a graph showing electrical characteristics of a heat transfer system including an AIN thick film manufactured according to an AD process and a GSV process. The AIN thick film according to the AD process and the GSV process is thinner than the bulk ceramics having a thickness of 150 μm, but the breakdown voltage is higher in the heat transfer system.
또한, AD 공정과 GSV 공정에 따른 AIN 후막을 포함하는 열 전달 시스템은 두께가 150㎛인 벌크 세라믹에 비해, 절연내력이 4배 이상 월등히 높은 결과를 보여준다. 이는 치밀화된 미세 구조와, 분말의 경계에 존재하는 공간 전하 때문일 수도 있다.In addition, the heat transfer system including the AIN thick film according to the AD process and the GSV process has a significantly higher dielectric strength than the bulk ceramic of 150 탆 in thickness, which is four times higher than that of the bulk ceramic. This may be due to the dense microstructure and the space charge existing at the boundary of the powder.
[표 1]은 AlN으로 제조된 방열 시스템의 열저항 및 항복전압 특성을 나타낸 결과이다.[Table 1] And the thermal resistance and breakdown voltage characteristics of the heat dissipation system made of AlN.
[표 1][Table 1]
도 2 및 표 1을 참조하면, AD 공정에 따른 AIN 후막(30㎛), GSV 공정에 따른 AIN 후막(70㎛) 각각을 포함하는 열 전달 시스템은 기존 320㎛ 두께의 AIN 소결체로 제조된 열 전달 시스템의 열저항 대비, 77.0%, 91.1%로 낮은 열저항을 나타내었다.Referring to FIG. 2 and Table 1, the heat transfer system including the AIN thick film (30 탆) according to the AD process and the AIN thick film (70 탆) according to the GSV process, 77.0% and 91.1%, respectively, compared with the thermal resistance of the system.
AD 공정에 따른 AIN 후막(30㎛)을 포함하는 열 전달 시스템은 항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV을 만족하는 범위에서 3.4kV를 나타내었다. GSV 공정에 따른 AIN 후막(30㎛, 70㎛)을 포함하는 열 전달 시스템은 항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV를 만족하는 범위에서 5.8kV를 나타내었다.The heat transfer system including the AIN thick film (30 μm) according to the AD process showed 3.4 kV in the range where the breakdown voltage (kV) satisfies 3 to 6 kV. The heat transfer system including the AIN thick film (30 ㎛, 70 ㎛) according to the GSV process showed 5.8 kV in the range where the breakdown voltage (kV) satisfies 3 - 6 kV.
AD 공정과 GSV 공정에 따른 AIN 후막은 질화물 서브미크론 입자 사이에 존재하는 질화물 나노 입자를 포함한다. AD 공정에 따른 AIN 후막(30㎛)과 GSV 공정에 따른 AIN 후막(30㎛)을 비교해보면, AD 공정에 따른 AIN 후막(30㎛)이 AD 공정에 따른 AIN 후막에서 질화물 나노 입자의 영역이 더 크기 때문에 더 높은 항복 전압을 나타내었다.The AIN thick films according to the AD process and the GSV process include nitride nanoparticles present between the nitride sub-micron particles. Comparing the AIN thick film (30 μm) according to the AD process and the AIN thick film (30 μm) according to the GSV process, it can be seen that the AIN thick film (30 μm) according to the AD process has more nitride nanoparticles The higher breakdown voltage was shown due to the size.
또한, 후막의 두께가 두꺼워질수록 항복 전압이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 절연내력은 후막의 두께가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보인다.Also, it can be seen that the breakdown voltage increases as the thickness of the thick film increases, and the dielectric strength tends to decrease as the thickness of the thick film increases.
도 3은 다양한 구조를 갖는 열 전달 시스템의 열저항을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the thermal resistance of a heat transfer system having various structures.
본 발명의 Al 기판, AIN 후막을 포함하는 열 전달 시스템(좌측)은 벌크 세라믹, TIM, Al 기판 구조를 갖는 열 전달 시스템(우측)에 비해, 더 낮은 열저항 값을 나타내었다.The heat transfer system (left side) including the Al substrate, AIN thick film of the present invention showed a lower thermal resistance value than the heat transfer system (right side) having a bulk ceramic, TIM, Al substrate structure.
본 발명의 Al 기판, AIN 후막을 포함하는 열 전달 시스템(좌측)에서는 GSV 공정에 따라 제조된 AIN 후막(30㎛)이 AD 공정에 따라 제조된 AIN 후막(30㎛)에 비해 더 낮은 열저항 값을 나타냈다. 이는 AIN 자체의 높은 열전도도로 인해 후막이 더 치밀하고 고순도의 AIN으로 이루어진 것을 의미한다.In the heat transfer system (left side) including the Al substrate and the AIN thick film of the present invention, the AIN thick film (30 mu m) manufactured according to the GSV process has a lower thermal resistance value (30 mu m) than the AIN thick film Respectively. This means that due to the high thermal conductivity of AIN itself, the thick film is made of more dense and high purity AIN.
또한, 도 3 및 표 1을 참조하면, GSV 공정에 따라 제조된 AIN 후막의 두께가 30㎛에서 70㎛로 증가함에 따라, 열저항 값이 상승하는 결과를 보여준다.Also, referring to FIG. 3 and Table 1, as the thickness of the AIN thick film produced according to the GSV process increases from 30 탆 to 70 탆, the thermal resistance value is increased.
도 4는 Al 기판(좌측)과 Al 기판 상에 코팅된 AIN 후막(우측)을 나타낸 사진이다. 5cmХ5cm를 크기를 나타내었으며, 장비에 따라 다양한 크기의 열 전달 시스템을 제조할 수 있다.4 is a photograph showing an Al substrate (left side) and an AIN thick film (right side) coated on an Al substrate. 5cm × 5cm, and various sizes of heat transfer systems can be manufactured according to the equipment.
따라서, 본 발명에 따른 질화물 후막을 열 전달 시스템에 적용하게 되면, TIM을 배제할 수 있어, 시스템의 열저항의 감소로 인한 우수한 방열 특성을 나타낼 수 있다.Therefore, when the nitride thick film according to the present invention is applied to the heat transfer system, the TIM can be excluded and excellent heat radiation characteristics can be exhibited due to reduction in thermal resistance of the system.
본 발명의 열 전달 시스템은 Al 기판과 AIN 필름 사이에 산화층이 형성될 수 있으나, 산화층이 너무 얇아서 TEM 이미지에서 관찰할 수 없었다. 산화가 진행되더라도 열적 특성이 현저히 감소하지 않았음을 확인할 수 있다.The heat transfer system of the present invention could form an oxide layer between the Al substrate and the AIN film, but the oxide layer was too thin to be observed in the TEM image. It can be confirmed that the thermal properties did not decrease remarkably even when the oxidation proceeded.
특히, 실시예 1에 따른 열 전달 시스템(GSV, 30~70㎛ AIN 후막)은 산소 함량은 3중량% 이하인 AIN 후막을 포함함으로써, 실시예 2에 따른 열 전달 시스템(AD, 30㎛ AIN 후막)에 비해, 방열 및 내전압 특성이 우수한 결과를 보여준다. 이는 실시예 1에 따른 AIN 후막이 치밀하고 순도 높은 AIN으로 구성된 것을 입증한다.In particular, the heat transfer system (AD, 30 탆 AIN thick film) according to Example 2 includes the AIN thick film having an oxygen content of 3 wt% or less, , The heat dissipation and the withstand voltage characteristics are excellent. This proves that the AIN thick film according to Example 1 is composed of dense and high purity AIN.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
Claims (7)
상기 금속히트싱크 상에 형성되는 질화물 후막;을 포함하고,
상기 질화물 후막의 산소 함량은 3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.
Metal heat sink; And
And a nitride thick film formed on the metal heat sink,
Wherein the oxygen content of the nitride thick film is 3 wt% or less.
상기 열 전달 시스템의 열저항(%)은
AIN 후막(Bulk AIN)의 두께가 320㎛인 방열 기판 시스템(Al+TIM+Bulk AIN)의 열저항 100% 대비, 90~92%인 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.
The method according to claim 1,
The thermal resistance (%) of the heat transfer system is
Wherein the thickness of the AIN thick film is from 90 to 92% of the thermal resistance of the heat dissipation substrate system (Al + TIM + Bulk AIN) having a thickness of 320 占 퐉.
상기 열 전달 시스템은
항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV인 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.
The method according to claim 1,
The heat transfer system
Wherein the breakdown voltage (kV) is between 3 and 6 kV.
상기 금속히트싱크 상에 형성되는 질화물 후막;을 포함하고,
상기 질화물 후막의 산소 함량은 10~20중량%인 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.
Metal heat sink; And
And a nitride thick film formed on the metal heat sink,
And the oxygen content of the nitride thick film is 10 to 20 wt%.
상기 열 전달 시스템의 열저항(%)은
AIN 후막(Bulk AIN)의 두께가 320㎛인 방열 기판 시스템(Al+TIM+Bulk AIN)의 열저항 100% 대비, 76~78%인 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.
5. The method of claim 4,
The thermal resistance (%) of the heat transfer system is
Wherein the AIN thick film (Bulk AIN) has a thickness of 320 占 퐉 and the thermal resistance of the heat dissipation substrate system (Al + TIM + Bulk AIN) is 76% to 78%.
상기 열 전달 시스템은
항복 전압(kV)이 3 ~ 6kV인 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.
5. The method of claim 4,
The heat transfer system
Wherein the breakdown voltage (kV) is between 3 and 6 kV.
상기 질화물 후막은 질화 알루미늄(AIN), 질화 붕소(BN), 질화 규소(Si3N4), 질화 갈륨(GaN), 질화 티타늄(TiN) 및 질화 인듐(InN) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 시스템.The method according to claim 1 or 4,
The nitride thick film preferably includes at least one of aluminum nitride (AIN), boron nitride (BN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), gallium nitride (GaN), titanium nitride (TiN), and indium nitride Characterized by a heat transfer system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170148457A KR101981934B1 (en) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Thermal management system having nitride thick film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170148457A KR101981934B1 (en) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Thermal management system having nitride thick film |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190052768A true KR20190052768A (en) | 2019-05-17 |
| KR101981934B1 KR101981934B1 (en) | 2019-05-27 |
Family
ID=66678134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170148457A KR101981934B1 (en) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Thermal management system having nitride thick film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101981934B1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR900015257A (en) * | 1989-03-31 | 1990-10-26 | 가부시끼가이샤 도시바 | Aluminum nitride metallization substrate |
-
2017
- 2017-11-09 KR KR1020170148457A patent/KR101981934B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR900015257A (en) * | 1989-03-31 | 1990-10-26 | 가부시끼가이샤 도시바 | Aluminum nitride metallization substrate |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Byung-Dong Hahn 외 9명, Fabrication and characterization of aluminum nitride thick film coated on aluminum substrate for heat dissipation, C.I 42, pp.18141-18147, 2016.08.23.* * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101981934B1 (en) | 2019-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6293949B2 (en) | Silicon nitride substrate for pressure contact structure and silicon nitride circuit substrate using the same | |
| Hahn et al. | Fabrication and characterization of aluminum nitride thick film coated on aluminum substrate for heat dissipation | |
| US20210284535A1 (en) | Aluminum nitride film, method of manufacturing aluminum nitride film, and high withstand voltage component | |
| KR101981934B1 (en) | Thermal management system having nitride thick film | |
| JP5695780B1 (en) | High thermal conductivity / electrical insulation / low thermal expansion powder, heat dissipation structure using the same, and method for producing the powder | |
| JP2002037683A (en) | Plasma resistant element and its manufacturing method | |
| US20050022744A1 (en) | Susceptor for Semiconductor Manufacturing Equipment, and Semiconductor Manufacturing Equipment in Which the Susceptor Is Installed | |
| US20090284893A1 (en) | Electrostatic chuck | |
| WO2021033553A1 (en) | Ceramic substrate, circuit board and method for producing same, and power module | |
| KR101735822B1 (en) | Nitride powder used for preparing thick film, method for preparing nitride thick film using the powder and thick film prepared thereby | |
| JP4052343B2 (en) | Electrostatic chuck | |
| Wang et al. | Room temperature fabrication of MIMCAPs via aerosol deposition | |
| TW201935624A (en) | Methods of making ceramic-based thermally conductive power substrates | |
| Lin et al. | A study on microstructure and dielectric performances of alumina/copper composites by plasma spray coating | |
| JP3683067B2 (en) | Aluminum nitride sintered body | |
| CN103354220A (en) | A patterned structure substrate for optical and electronic devices | |
| JPH04285073A (en) | Aluminum nitride-based substrate | |
| JP2003261396A (en) | Plasma resistant aluminum nitride based ceramic | |
| JP7486666B2 (en) | Heat dissipation member and heat sink | |
| CN203340409U (en) | A patterned ceramic layer printed circuit substrate for optical and electronic devices | |
| CN206790778U (en) | A kind of ceramic base copper-clad plate | |
| KR102121736B1 (en) | Nitride thick film and method for manufacturing the same | |
| CN117923950A (en) | Ceramic matrix composite heat dissipation substrate and preparation method and application thereof | |
| Shashkov et al. | Inorganic Insulated Metal Substrates | |
| JPS62275069A (en) | Manufacture of aln ceramics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |