KR20190124494A - 그래핀을 이용한 금속 방열판 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 그래핀을 이용한 금속 방열판 및 제조방법은 기판과, 상기 기판 상부에 위치하며 동일한 재질의 금속으로 증착 형성되는 복수개의 금속판과, 상기 금속판 사이에 삽입되는 그래핀을 포함하여 상기 금속판의 응력을 제어하고 상기 기판과 상기 금속판 사이의 뒤틀림을 최소화 할 수 있다.
또한, 상기 기판의 크랙현상을 방지 함으로써 소자의 안정성 및 수명을 늘릴 수 있다.

Description

그래핀을 이용한 금속 방열판 및 제조방법 {METAL HEAT SINK USING GRAPHENE AND MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 그래핀을 이용한 금속 방열판 및 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 금속판과 그래핀을 이용하여 금속판의 응력을 제어할 수 있는 금속 방열판에 관한 것이다.
최근 전자기술이 급격히 발전됨에 따라 전기/전자부품 소자는 소형화, 다기능화, 고집적화, 대용량화를 추구하게 됨으로써, 이에 따라 기존의 전기/전자 부품 소자의 기술혁신을 주도한 소자의 고밀도화에 따른 페키징, 부품실장, 배선기술 등의 혁신이 중요하게 부각되고 있다. 부품실장의 고밀도화는 일차적으로 부품자체에서 많은 열을 발생하게 되며 기판 상에 탑재 되어 있는 각종 부품을 기판으로부터 단락 시키거나 부품의 기능을 상실하게 함으로서 모듈의 수명단축과 효율저하의 원인이 되고 있다.
이를 극복하기 위하여 다양한 방열소재들이 개발되고 있는데 대한민국 등록실용신안공보 제 20-0422893 호(발명의 명칭: 열전도판)은 열전도판이 더욱 실용적인 효과를 가지게 하는 것으로 석묵판의 양면에 얇은 금속판을 붙이는데 그 금속판은 구리, 알루미늄이며 그 접합하는 접착제는 높은 열전도 효과를 가진 접착아교로써 이러한 본 고안의 구성으로 순 구리판으로 제작되는 열전도판보다 더욱 양호한 흡열, 열전도 효과 및 방열 효과를 구비하는 것을 개시하고 있다.
상기와 같은 등록실용신안문헌은 열전도도를 제어할 수 있으나 금속판후막의 잔류 응력을 제어하지 못하여 기판과 금속판 사이의 뒤틀리거나 기판이 떨어지는 것을 해결하지 못하는 문제가 있다.
대한민국 등록실용신안공보 제 20-0422893 호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 금속판 사이에 그래핀을 삽입하여 열전도도율과 응력을 제어할 수 있는 금속 방열판을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 기판과, 상기 기판 상부에 위치하며 동일한 재질의 금속으로 증착 형성되는 복수개의 금속판과, 상기 금속판 사이에 삽입되는 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속판은 기판의 상부 표면에 증착되는 제1 금속판과 상기 그래핀 상부에 증착되는 제2 금속판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속판은 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속판 및 상기 그래핀을 추가 반복하여 적층하고 상기 금속판의 응력을 조절하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속판은 산화아연 (ZnO), 알루미늄(Al), 탄화규소(SiC), 구리(Cu), 질화붕소(BN) 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, a) 사용처의 응력을 산출하는 단계와, b) 기판을 마련하는 단계와, c) 상기 기판 상부에 제1 금속판을 증착하는 단계와, d) 상기 제 1 금속판 상부에 그래핀을 적층하는 단계 및 e) 상기 그래핀 상부에 상기 제1 금속판과 동일한 금속재질의 제2 금속판을 증착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 e) 단계 이후 상기 사용처의 응력 범위에 대응되도록 d) 단계 및 e) 단계를 순차적으로 추가 반복하여 상기 금속판 및 상기 그래핀이 적층 형성되는 f) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속판은 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 복수개의 금속판 사이로 그래핀을 삽입하여 금속판의 응력을 제어하고 기판과 금속판 사이의 뒤틀림을 최소화할 수 있다.
또한, 기판의 CRACK및 떨어지는 현상을 방지함으로써 소자의 안정성 및 수명을 늘릴 수 있다.
또한, 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법을 적용하여 최종적으로 수십에서 수백 um의 두께로 사용될 금속판후막의 잔류 응력을 그래핀의 삽입을 통해 후막 재료의 잔류응력에 대한 신뢰성 저하를 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 그래핀의 확대도 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 금속판과 그래핀의 확대도 이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 금속판과 그래핀의 다층을 나타내는 부분 확대도 이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 금속판과 그래핀의 다층을 나타내는 분해 사시도 이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판의 다층 구조에 따른 응력변화를 나타내는 그래프 이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 그래핀의 확대도 이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 금속판과 그래핀의 부분 확대도 이며, 도 4 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 금속판과 그래핀의 다층을 나타내는 부분 확대도 이고, 도 5 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판 중 금속판과 그래핀의 다층을 나타내는 분해 사시도 이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판의 다층 구조에 따른 응력변화를 나타내는 그래프 이다.
도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이, 기판과(100), 기판(100) 상부에 위치하며 동일한 재질의 금속으로 증착 형성되는 복수개의 금속판(200)과, 금속판(200) 사이에 삽입되는 그래핀(300)을 포함한다.
기판(100)은 실리콘 와이퍼를 사용하며 250 μm 두께를 가지며 5mm x 50mm 사이즈를 갖는다.
본 발명의 실시 예에서는 기판(100)이 상기와 같은 물질로 형성되고 상기와 같은 사이즈로 형성된다고 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
금속판(200)은 산화아연(ZnO), 알루미늄(Al), 탄화규소(SiC), 구리(Cu), 질화붕소(BN)로 이루어진 군중에 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 금속판(200)은 기판(100)의 상부 표면에 증착되는 제 1 금속판(210)과, 그래핀(300) 상부에 증착되는 제 2 금속판(220)을 포함할 수 있다. 이때 금속판(200)은 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
원활한 설명을 위해 그래핀(300)을 제 1 그래핀(310)으로 불러 설명하도록 한다.
플라즈마 스퍼터링의 환경조건은 Power: DC (300W), Operation Pressure: 10mTorr of Ar, Target Size & Substrate Size: 2”& 4”, Sample Size: 5mm x 50mm 로 이루어지며 본 발명의 실시 예에서의 환경조건으로서 상기와 같은 조건으로 이루어진다고 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 금속판(210)과 제 2 금속판(220) 사이에 제 1 그래핀(310)을 삽입 함으로써 금속판(200)의 응력을 조절하여 열 발생 시 기판(100)과 금속판(200) 사이의 뒤틀림을 최소화하여 기판(100)이 떨어지는 현상을 방지하여 소자의 안정성 및 수명을 늘릴 수 있다.
여기서 응력은 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중을 가했을 때 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력을 말한다. 재료에 응력이 생기면 재료의 강도 저하나 파손으로 이어지기 때문에 이러한 파손을 방지하기 위해서는 응력의 조절이 필요하다.
도 4 내지 도 5 는 본 발명의 다른 실시 예로서 도에 도시된 바와 같이, 3개의 금속판(200)과 2개의 그래핀(300)으로 구성된다. 원활한 설명을 위해 금속판(200)은 제 3 금속판(230), 제 4 금속판(240) 및 제 5 금속판(250)으로 구분하고 그래핀(300)은 제 2 그래핀(320) 및 제 3 그래핀(330)으로 불러 설명하도록 한다.
제 3 금속판(230)은 기판(100)의 상부에 증착되고, 제 3 금속판(230)의 상부 표면에 제 2 그래핀(320)이 삽입되고, 제 2 그래핀(320) 상부 표면에 제 4 금속판(240)이 증착되며, 제 4 금속판(240) 상부표면에 제 2 그래핀(320)이 삽입되고 제 2 그래핀(320) 상부 표면에 제 5 금속판(250)이 증착되어 금속 방열판(10)이 형성된다.
앞서 설명한 바와 같이 금속판(200)은 플라즈마 스퍼터링 기법으로 증착되고 동일한 조건에서 실시된다.
앞서 설명한 바와 같이 금속판(200) 및 그래핀(300)을 추가 반복하여 적층함으로서 응력을 조절할 수 있다.
금속판(200)과 그래핀(300)이 늘어날수록 금속판(200)에 가해지는 응력이 줄어들게 되어 기판(100)이 금속판(200)에서 떨어지는 현상을 방지하고 소자의 안정성 및 수명을 늘릴 수 있다.
자세한 설명은 도 6 과 같이 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 금속 방열판의 다층 구조에 따른 응력변화를 나타내는 그래프로서, 250 μm 두께를 가지며 5mm x 50mm 사이즈의 실리콘 와이퍼 기판(100) 위에 금속판(200)을 플라즈마 스퍼터를 이용하여 6 μm 두께로 증착 했을 때와, 6 μm 두께의 금속판(200)을 3 μm 두께인 제 1 금속판(210)과 제 2 금속판(220)으로 나누어 사이에 제 1 그래핀을 삽입했을 때와, 6 μm 두께의 구리를 2 μm 두께인 제 3 금속판(230)과 제 4 금속판(240) 및 제 5 금속판(250)으로 나누고 제 3 금속판(230)과 제 4 금속판(240) 사이에 제 2 그래핀(320)을 삽입하고 제 4 금속판(240)과 제 5 금속판(250) 사이에 제 3 그래핀(330)을 삽입 했을 때의 응력 수치를 비교한다.
실리콘 와이퍼 기판(100) 위에 6 μm 의 금속판(200)만 증착 했을 때의 응력수치는 16.8MPa이며, 3 μm 두께의 제 1 및 제 2 금속판(220) 사이에 제 1 그래핀(310)을 삽입했을 때의 응력 수치는 2.25MPa이고, 2 μm 두꼐의 제 3, 제 4 및 제 5 금속판(250) 사이에 제 2 그래핀(320)과 제 3 그래핀(330)을 삽입했을 때의 응력 수치는 1.1MPa로 나타났다.
상기 결과에 따르면 실리콘 와이퍼 기판(100) 위에 금속판(200)만 증착했을 때의 응력은 16.8MPa로 높은 반면에 제 1 금속판(210)과 제 2 금속판(220) 사이에 제 1 그래핀(310)을 삽입하는 것 만으로 응력 수치가 2.25MPa로 줄어들어 기판(100)과 금속판(200) 사이의 뒤틀림을 최소화하고 기판(100)이 떨어지거나 파손되는 것을 방지하여 소자의 안정성 및 수명을 늘릴 수 있다.
또한 제 3, 제 4 및 제 5 금속판(230, 240, 250)과 제2 및 제 3 그래핀(320, 330)의 응력 수치는 1.1MPa로 두개의 금속판(200)과 하나의 그래핀(300)을 사용할 때보다 더 낮은 것으로 보아 금속판(200)과 그래핀(300)이 추가 반복되어 적층되면 응력의 수치는 반비례 하여 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
상기 설명한 구성을 바탕으로 그래핀(300)을 이용한 금속 방열판(10) 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
a) 사용처의 응력을 산출하는 단계가 실행된다. 일 예로 소자에 금속 방열판이 사용되면 소자의 응력을 산출하고, 금속 방열판(10)의 응력을 소자의 응력 범위에 대응되도록 조절할 수 있다.
b) 기판(100)을 마련하는 단계가 실행된다, 이때 기판(100)은 실리콘 와이퍼를 사용하며 250 μm두께를 가지고 5mm x 50mm 사이즈를 갖는다.
이후, c) 기판(100) 상부에 금속판(200)을 증착하는 단계가 실행되고, d) 제 1금속판(210) 상부에 그래핀(300)을 적층하는 단계 및 e)그래핀(300) 상부에 제 1 금속판(210)과 동일한 금속재질의 제 2 금속판(220)을 증착하는 단계가 실행된다.
이때 금속판(200)은 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법으로 증착된다.
e) 단계 이후 소자의 응력 범위에 대응되도록 d) 단계 및 e) 단계를 순차적으로 추가 반복하여 그래핀(300) 및 금속판(200)이 반복 적층 형성되는 f) 단계가 실행될 수 있다.
이와 같이 그래핀(300)과 금속판(200)을 추가하여 반복적으로 적층하게 되면 사용처의 응력 범위에 따라 효과적으로 응력을 제어할 수 있으므로 기판과 금속판 사이의 뒤틀림을 방지하고 기판의 크랙을 방지함으로써 소자의 안정성을 향상 시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 금속 방열판 100 : 기판
200 : 금속판 210 : 제 1 금속판
220 : 제 2 금속판 230 : 제 3 금속판
240 : 제 4 금속판 250 : 제 5 금속판
300 : 그래핀 310 : 제 1 그래핀
320 : 제 2 그래핀 330 : 제 3 그래핀

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 위치하며 동일한 재질의 금속으로 증착 형성되는 복수개의 금속판;
    상기 금속판 사이에 삽입되는 그래핀;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속판은 상기 기판의 상부 표면에 증착되는 제1 금속판과 상기 그래핀 상부에 증착되는 제2 금속판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속판은 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속판 및 상기 그래핀을 추가 반복하여 적층하고 상기 금속판의 응력을 조절하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속판은 산화아연 (ZnO), 알루미늄(Al), 탄화규소(SiC), 구리(Cu), 질화붕소(BN) 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판.
  6. a) 사용처의 응력을 산출하는 단계;
    b) 기판을 마련하는 단계;
    c) 상기 기판 상부에 제1 금속판을 증착하는 단계;
    d) 상기 제 1 금속판 상부에 그래핀을 적층하는 단계 및
    e) 상기 그래핀 상부에 상기 제1 금속판과 동일한 금속재질의 제2 금속판을 증착하는 단계를 포함하는 그래핀을 이용한 금속 방열판 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 e) 단계 이후 상기 사용처의 응력 범위에 대응되도록 d) 단계 및 e) 단계를 순차적으로 추가 반복하여 상기 금속판 및 상기 그래핀이 적층 형성되는 f) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속판은 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 금속 방열판 제조방법.
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