KR20200052301A - 방열시키기 위한 열적 구조체 및 이를 제작하는 방법 - Google Patents

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앤서니 제임스 로빈슨
로코 루포이
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더 프로보스트, 펠로우스, 파운데이션 스콜라스, 앤드 디 아더 멤버스 오브 보오드 오브 더 칼리지 오브 더 홀리 앤드 언디바이디드 트리니티 오브 퀸 엘리자베스 니어 더블린
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Abstract

반도체 기판으로부터 방열시키기 위한 열적 구조체는 조면화될 수 있는 외부 표면을 갖는 반도체 기판을 갖는다. 알루미늄을 포함하는 선택적 베이스층은 저온 분사 공정에 의해 외부 표면의 상부 상에 형성되며, 구리와 다이아몬드의 매트릭스를 포함하는 상부층은 구리와 다이아몬드 입자의 분말 혼합물을 저온 분사함으로써, 기판 위에, 및 존재하는 경우에, 베이스층 위에 형성된다. 이에 의해, 상부층은 기저 표면과의 충돌 시에 구리 입자의 변형에 의해 형성된 구리의 매트릭스 및 구리 매트릭스 내에 임베딩된 다이아몬드 입자를 포함하는 분산 상으로서 생성된다. 얻어진 구조체는 기판과 잘 매칭되는 높은 열전도도 및 열팽창 계수를 가지고, 열 계면 물질 또는 페이스트에 대한 필요성을 제거한다.

Description

방열시키기 위한 열적 구조체 및 이를 제작하는 방법
본 발명은 열전도성 구조체(thermally conductive structure), 및 이러한 구조체를 제작하는 방법에 관한 것이다. 이는 히트 스프레더(heat spreader), 히트싱크(heatsink) 및 열 교환기(heat exchanger)의 제작에 특별히 적용된다.
히트 스프레더, 히트싱크 및 열 교환기는 반도체 전자기기에서 아주 흔하고, 또한, 방출될 필요가 있는 상당한 열을 발생시키는 다른 전자, 전기 및 기계 시스템에서 적용되고 있다.
임의의 히트 스프레더 물질 또는 구조체의 2가지의 특히 중요한 성질들은 열전도도(thermmal conductivity: TC) 및 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion: CTE)이다. 다수의 디바이스의 장기 신뢰성(long term reliability)은 효과적인 냉각, 및 이에 따라, 안전한 작동 온도를 제공하기 위해 높은 TC를 갖는 히트 스프레더 물질을 필요로 한다. 그러나, 냉각이 부품 또는 디바이스로부터의 효율적인 열 전달에 의존하고 이러한 것이 또한 종종 전도(conduction)가 일어나기 위한 양호한 열 접촉(thermal contact)이 존재함을 시사하기 때문에, 신뢰성은 또한, 작동 사이클에 의해 야기된 열 응력 및 디바이스와 히트 스프레더 간의 CTE 불일치(mismatch)에 의해 손상될 수 있다.
이에 따라, 예를 들어, 반도체 전자기기에서, 높은 TC, 및 Si, InP, GaAs 또는 GaN과 매칭된 CTE를 갖는 물질은 히트 스프레더 적용에 중요하다. 실제로, 과학자 및 공학자는 약 10년 동안 새로운 높은-TC/낮은-CTE 복합체 물질을 적극적으로 연구하고 있다. 이러한 긴급성(urgency)은 주로, 전자기기의 열 플럭스 수준(heat flux level)의 상승 및 테블렛, 스마트폰 및 경량 랩탑과 같은 고도의 휴대용 전자기기 디바이스의 도입에 의해 추진된다.
고전도성 금속(Cu, Ag, Al)은 15 내지 20×10-6/K 범위의 CTE를 갖는데, 이는 3 내지 7×10-6/K에 더 가까운 통상적인 CTE 범위를 갖는 반도체에 대해 강성 부착(rigid attachment)을 위해 단순하게 너무 높다. CTE 불일치 문제를 다루기 위하여, AlN, Al203 세라믹 및 Cu-W, Cu-Mo, Al-SiC 복합체와 같은 물질이 이용 가능하다. 그러나, 실제적으로 고려되는 CTE에 대하여, 현재 이용 가능한 TC는 단지 약 200 W/mK이다. 최신 CPU 및 대부분의 다른 고출력 디바이스에 대하여, 이는 너무 낮아서, 미래의 열 부하(heat load)는 물론 전류를 효과적으로 제거하기 어렵다.
반도체 다이(semiconductor die)가 패키지 내에 포함되어 있는 경우에, 히트 스프레더는 폴리머 또는 세라믹 물질과 같은, 패키지의 외부를 형성하는 물질에 탑재(및 이와 열적으로 매칭)될 필요가 있을 수 있다.
Cu는 이의 높은 TC, 저비용 및 제조 용이성으로 인해 선택된 현 히트 스프레더 물질로서, 이는 무어의 법칙(Moore's Law)에 따라 열 플럭스 수준(heat flux level)이 지속적으로 상승함에 따라 그 자체로 효과적이지 않게 된다. 또한, Cu와 반도체 다이 간의 큰 CTE 불일치로 인하여, 열 그리스(thermal grease)의 두꺼운 층(TIM1, 즉, 열 계면 물질층 1로서 지칭됨)은 차등 열 팽창에 의해 야기된 전단을 흡수하기 위해 반도체와 구리 히트 스프레더 사이에 적용되어야 한다. 이러한 TIM1 층은 상당한 추가적인 열 저항(thermal resistance)을 야기시키며, 그 자체는 작동 사이클 및 그리스의 '펌프-아웃(pump-out)'을 야기시키는 CTE 불일치로 인해 장기 신뢰성 문제를 겪을 수 있다.
다른 성숙 기술(maturing technology)은 화학적 증기 증착(chemical vapour deposition: CVD)을 이용하여 증착된 다이아몬드이다. CVD 다이아몬드는 약 1500 W/mK의 TC를 가지지만, 이는 너무 고가여서(분말 기반 물질의 20배) 비용 민감하지 않은 매우 특수한 적용에서만 사용된다. 또한, 이의 CTE는 대부분의 반도체보다 현저히 낮으며, 이에 따라, 실제로 여전히 CTE 불일치 문제를 겪고 있다.
US 2012273803 A1호에는 상부 표면 상에 복수의 오목 영역을 갖는 기판을 사용하여 형성된 방열 기판(thermal dissipation substrate)이 개시되어 있다. 오목 영역은, 다이아몬드 펠릿이 접착 결합 물질에 의해 적소에 유지되도록, 다이아몬드 펠릿으로 충전되기 전에, 에폭시와 같은 접착 결합 물질로 코팅된다. 결합 물질의 오버층(over-layer)은 이후에, 상부 상에 증착되어, 포켓 내에 다이아몬드 펠릿을 캡슐화한다. 결합 물질의 오버층은 열원으로 결합되며, 이후에, 본래 기판의 하부측은 폴리싱되어, 잉여 물질을 제거하고, 전체 기판의 열 계수를 증가시킨다.
저온 분사(cold spraying: CS)는 CVD 또는 열 그리스를 통한 결합(bonding)에 대한 대안을 제공한다. CS는 다양한 기판 물질 상에 금속, 복합체, 세라믹 및 폴리머의 코팅을 형성시킬 수 있는 적층 가공 기술(additive manufacturing technology)이다. 이는 캐리어 가스(carrier gas)를 사용하여 노즐에서 작은 입자(1 내지 60㎛ 범위)를 초음속까지 가속시킴으로써 달성된다. 기판에 대해 충돌 시에, 입자는 소성 변형되고 여기에 결합한다. CS는 빠르고, 대면적에 대해 적합하고, 환경 친화적이고, 저비용이고, 다수의 전통적인 방법, 예를 들어, 전기도금 또는 플라즈마 분사에 대한 매력적인 대안을 나타낸다. CS는 완전히 고체 상태(즉, 용융되지 않음)인 것으로 입증되었고, Ti 및 이의 합금, Al-Ti 조합체(combination), WC-Co, Cu, 다이아몬드를 포함하지만 이로 제한되지 않는, 상이한 적용을 위한 매우 다양한 물질의 증착을 위해 성공적으로 적용되었다. 저온 분사 공정에 의해 형성된 구조체는 소결과 같은 열적 공정에 의해 형성된 상응하는 구조체와 외관 및 성질에 있어서 질적으로 상이하다. 용어 "저온(cold)"은 코팅 및/또는 기판의 용융 온도에 도달하지 않음을 의미한다.
본 발명의 목적은 높은 TC와 낮은 CTE의 조합을 나타내는 반도체 상의 대안적인 열적 구조체를 제공하는 것이다.
일 양상에서, 기판을 방열시키기 위한 열적 구조체가 제공되되, 해당 열적 구조체는,
외부 표면을 갖는 반도체 기판;
상기 외부 표면의 상부 상에 형성된, 소성 변형을 나타낼 수 있는 연성 물질의 베이스층; 및
금속 및 다이아몬드의 매트릭스를 포함하는 상부층으로서,
금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물 및
금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말
로부터 선택된 분말을 저온 분사함으로써 베이스층 위에 형성된, 상기 상부층을 포함하되,
상부층은 기저 표면과의 충돌 시에 분말의 금속 성분의 변형에 의해 형성된 금속의 매트릭스, 및 금속 매트릭스 내에 임베딩된(embedded) 다이아몬드 입자를 포함하는 분산 상으로 형성된다.
베이스층은 연성 물질, 즉, 유럽 표준(European Standard) EN ISO 6892-1:2016 또는 ASTM E8/E8M과 같은 표준 압축 또는 인장 시험을 이용하여 시험할 때 소성 변형을 나타내는 물질의 베이스층이다. 이에 따라, 파단 전에 소성을 나타내지 않는 취성 물질(brittle material)이 배제된다. 특히 적합한 연성 물질의 예에는 알루미늄, 구리, 아연, 및 열가소성 물질, 예를 들어, 아크릴로나이트릴 부타다이엔 스타이렌(ABS)을 포함하는 폴리머, 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 나일론 및 다른 폴리아마이드, 또는 폴리염화비닐(PVC)뿐만 아니라, 이러한 물질을 함유한 복합체가 있다.
다이아몬드가 분산된 매트릭스를 제공하는 바람직한 금속은 구리이며, 또한, 적합한 TC 및 CTE 특징을 갖는 다른 금속, 예를 들어, 알루미늄을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 다이아몬드에 대한 구리층의 접착력을 증진시키기 위해 특히 이러한 금속이 금속-클래드 다이아몬드 입자에서 사용되는 경우에, 매트릭스가 니켈과 같은 다른 금속을 도입하는 것이 가능하다.
저온 분사에 의해 형성된 구리-다이아몬드 매트릭스가 매우 열전도성이고 낮은 CTE를 가져서, 이를 열 분사기에서와 같은 열 적용을 위해 매우 적합하게 만든다는 것이 확인되었다.
상세하게, 베이스층과 저온 분사된 상부층 사이의 계면은 효과적으로 연속적인데, 왜냐하면, 저온 분사된 분말에서 새로이 증착된 입자가 이러한 것이 충돌하는 표면에 부합하기 때문이다. 낮은 CTE 불일치 정도는, 방열 구조체(thermal dissipation structure)가 반도체 기판 상에 직접적으로 형성되어, 공지된 히트 싱크(heat sink)의 고장의 원인이고 통상적인 히트 싱크에서 반도체와 구리 사이의 열 장벽(thermal barrier)을 제공하는 TIM(열 계면 물질)의 사용을 제거할 수 있다는 것을 의미한다는 것이 인식될 것이다.
베이스층은 하기 3가지 기능을 갖는다: (1) 이는 상부층과 기저 기판 간의 결합을 개선시키며, (2) 이는 기판과 상부층 사이에 열적 연속성(thermal continuity)을 제공하며, (3) 이는 상부층을 저온 분사하는데 사용되는 입자들의 충돌 에너지로부터 기판을 보호한다. 특히, 구리-다이아몬드 상부층이 저온 분사에 의해 형성되는 경우, 및 기판이 사용되는 구리 입자(또는 구리-클래드 다이아몬드 입자)의 충돌 에너지로 인해 달리 파단될 수 있는 반도체인 경우에, 연성 베이스층의 존재는 충돌 에너지를 흡수하고 확산시켜 기판에 대한 손상을 방지한다.
상용제품(commercially off the shelf; COTS) 금속-다이아몬드 복합체는 기판에 적층되고 고정되도록 요구되어, 열접촉 저항(thermal contact resistance)을 감소시키기 위해 TIM 층을 필요로 하는데, 이는 어셈블링된 패키지의 순 열 저항(net thermal resistance)과 관련하여 불리하다.
저온 분사가 용융 없이 소성 변형을 야기시키기 때문에, 저온 분사된 층의 구조체는 소결, CVD, 또는 다른 공정에 의해 형성된 유사한 물질들의 층과 구별 가능하다. 상세하게, 샘플이 관찰을 위해 제조된 직후에, 열적 공정에서, 열 영향 구역(Heat Affected Zone) 또는 금속간 화합물의 강력한 형성의 명확한 증거를 나타낼 수 있는 "중간(intermediate)" 층의 첨가 없이, (예를 들어, 광학 현미경 또는 주사전자 현미경을 이용하여) 기판과 분사된 층 간의 명확한 구별이 관찰될 수 있다. 기본적으로, 물질 A가 물질 B 상에 저온-분사되는 경우에, 저온 분사 공정은 계면에서 중간층(약간의 A 및 약간의 B)이 거의 존재하지 않는다는 사실에 의해 식별 가능할 것이다.
Cu-다이아몬드 복합체의 CS 제작은 경질 다이아몬드 충전제와 함께 더 연질의 금속 캐리어의 큰 소성 변형을 기초로 한 기계적 공정이다. 고-변형 소성 변형은 금속 캐리어와 다이아몬드 간의 친밀한 기계적 접촉 및 이에 따라 열적 접촉을 형성하고, 이들 사이에 낮은 계면 열적 장벽을 야기시킨다. 이는 구리와 같은 금속의 소수성 특성으로 인해, 다이아몬드로의 소결과 같은 상변환 제작 공정(phase transformation manufacturing process)으로의 경우는 아니다. 다이아몬드의 매우 불량한 습윤화는 캐리어 금속과 다이아몬드 사이에 열 계면 저항을 생성시키고, 베이스 금속 자체의 전도도보다 더 낮은 것으로 보이는 유효 열 전도도를 야기시킨다. 이후에, 다이아몬드는 열 흐름에 대한 장벽으로서 역할을 하고, 이에 따라, 이의 더 높은 열전도도와 관련된 임의의 긍정적인 영향을 제거한다. 이러한 효과는 금속-다이아몬드 복합체의 CS 고체 상태 기계적 성형을 이용하여 방지된다.
유리하게, CS 제작은 기판 상에 직접적으로 및 기판 둘레에 맞춤형 층, 구조체 및 피처의 제작을 용이하게 하는 적층 가공 공정이다. 소결과 같은 통상적인 제작 기술을 이용하여 제작된 금속-다이아몬드 복합체는 좁은 범위의 치수 및 형상으로 대량으로 생성된다. 이러한 것들로부터 맞춤형 피처(bespoke feature)를 제작하는 것은 밀링과 같은 감산 제작 공정(subtractive manufacturing process)을 필요로 하기 때문에 매우 문제가 되는데, 이는 복합체의 다이아몬드 함량으로 인해 툴링(tooling)에 대해 매우 파괴적이다.
바람직한 실시형태에서, 베이스층은 저온 분사 공정에 의해 상기 외부 표면의 상부 상에 형성되며, 상기 상부층은 베이스층 위에 형성되며, 여기서, 베이스층은 (i) 금속, (ii) 적어도 두 개의 금속을 포함하는 복합체, 또는 (iii) 금속 및 비-금속을 포함하는 복합체로 형성된다.
시험에서는, 구리-다이아몬드 저온 분사된 매트릭스층이 규소 및 다른 반도체 기판 표면에 직접적으로 적용될 때 항상 잘 결합되는 것이 아니라는 것을 확인하였다. 이러한 타입의 베이스층을 제공하는 것은, TC 또는 CTE 성능에 과도하게 영향을 미치지 않으면서 강한 접착력을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이는, 최종 구조체를 통해 나타난 높은 연속성으로 인하여, 베이스층이 저온 분사될 때 특히 그러하다.
저온 분사에 대한 대안예로서, 베이스층은 전착, 물리적 증기 증착(PVD), 또는 화학적 증기 증착(CVD)에 의해 형성될 수 있다.
반도체 표면을 조면화함으로써 기판에 대한 분사된 입자의 접착력을 개선시키는 것이 가능하다. 이러한 것이 반드시 필수적인 것은 아니지만, 이는 적절한 경우에 수행될 수 있다. 조면화(roughening)는 더 양호한 접착력을 증진시키기 위해 알루미늄 입자가 충돌 시에 변형될 수 있는 돌출부 및 함몰부를 제공한다.
바람직하게는, 베이스층은 알루미늄, 또는 알루미늄과 1종 이상의 금속 또는 비-금속 성분의 복합체로 형성된다.
알루미늄은 기판이 반도체이고 상부층이 구리-다이아몬드일 때, 베이스층에 대한 특히 바람직한 물질인데, 왜냐하면 이러한 것이 기판과 상부층 사이에 매우 유리한 열전도도를 보유하면서, (규소 표면에 대해) 아래 및 (구리-다이아몬드 매트릭스에 대해) 위 둘 모두에 잘 결합하기 때문이다.
바람직하게는, 상기 베이스층은 5 내지 100㎛, 더욱 바람직하게는, 10 내지 60㎛의 평균 입자 크기를 갖는 알루미늄 분말을 저온 분사함으로써 형성된다.
바람직하게는, 상기 베이스층은 30 내지 500㎛, 더욱 바람직하게는, 50 내지 250㎛의 평균 두께를 갖는다.
대안적인 실시형태에서, 베이스층은 구리, 구리와 1종 이상의 금속 또는 비-금속 성분의 복합체로 형성된다.
바람직하게는, 이러한 경우에, 상기 베이스층은 구리를 함유하고 0.5 내지 15㎛, 더욱 바람직하게는, 1 내지 10㎛의 평균 입자 크기를 갖는, 구리 분말 또는 복합체를 저온 분사함으로써 형성된다.
더 작은 입자 크기는, 기판이 반도체 웨이퍼 또는 칩일 때 특히 유리한데, 왜냐하면, 이러한 것이 기판의 파단 에너지 미만의 감소된 충돌 에너지를 제공하기 때문이다.
추가 대안예는 금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물, 또는 금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말을 저온 분사함으로써 형성된 베이스층이며, 상기 분말 혼합물 또는 분말은 0.5 내지 15㎛, 더욱 바람직하게는, 1 내지 10㎛의 평균 입자 크기를 갖는다.
바람직하게는, 구리, 구리 복합체, 또는 구리-다이아몬드 베이스층에 대하여, 베이스층은 5 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는, 10 내지 30㎛의 평균 두께를 갖는다.
다른 대안적인 실시형태에서, 상기 베이스층은 알루미늄 및 구리를 포함하고, 구리와 알루미늄 입자의 혼합물을 저온 분사함으로써 형성된다.
바람직한 구리 및 알루미늄 베이스층은 30:70 내지 70:30, 더욱 바람직하게는, 40:60 내지 60:40의 비(w/w)의 알루미늄과 구리의 혼합체(mix)를 포함한다.
선택적으로, 기판의 상기 외부 표면은 화학적 에칭, 샌드 블라스팅 및 레이저 에칭으로부터 선택된 공정에 의해 베이스층의 형성 전에 조면화된다.
바람직하게는, 상기 기판의 상기 외부 표면은 1 내지 25㎛, 더욱 바람직하게는, 3 내지 20㎛, 가장 바람직하게는, 7 내지 15㎛의 거칠기 평균(Ra) 값을 갖는다.
바람직하게는, 상기 상부층은 30:70 내지 90:10, 더욱 바람직하게는, 50:50 내지 90:10, 더욱더 바람직하게는, 75:25 내지 90:10, 가장 바람직하게는, 대략 80:20의 비(w/w)의 구리와 다이아몬드의 혼합체를 포함한다.
바람직하게는, 상기 분말이 금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물인 경우에, 상기 혼합물에서 상기 금속 입자는 10 내지 60㎛의 평균 크기를 갖는다.
바람직하게는, 상기 혼합물에서 또는 상기 금속-클래드 다이아몬드 입자에서 상기 다이아몬드 입자는 10 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는, 20 내지 100㎛의 평균 크기를 갖는다.
바람직하게는, 상기 분말이 금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말일 때, 금속은 구리이다.
바람직하게는, 이러한 입자는 20 내지 100㎛ 범위의 평균 크기를 가지고 2 내지 8㎛ 두께의 구리층으로 코팅된 다이아몬드 그릿(diamond grit)을 포함한다.
선택적으로, 입자는 구리 증착을 돕기 위해 다이아몬드에 적용, 즉, 도포된 1 내지 3㎛ 층 두께의 니켈을 더 포함할 수 있으며, 구리층은 니켈층 위에 도포된다. 니켈은 유리하게, 전기도금에 의해 도포될 수 있다.
바람직하게는, 각 그레인(grain)에서, 다이아몬드와 Ni/Cu 간의 바람직한 중량 비는 70-30 내지 30-70, 더욱 바람직하게는, 대략 50-50이다.
바람직하게는, 상기 상부층은 0.3㎜ 내지 5㎜의 평균 두께를 갖는다.
선택적으로, 구리의 중간층은 저온 분사 공정에 의해 알루미늄 베이스층의 상부 상에 제공될 수 있으며, 상부층은 상기 중간층 상에 저온 분사된다.
중간 구리층의 장점은, 이러한 것이 베이스층과 상부층 간에 더 양호한 결합을 증진시킨다는 것이다. 구리 분말은, 저온 분사될 때, 이러한 것 위 및 아래 둘 모두에서 층들과 양호한 결합을 형성한다. 또한, 구리층은 기저 규소 기판에 대한 고속 다이아몬드 입자의 충돌 효과를 감소시킬 수 있는 더 연질의 물질의 버퍼층(buffer layer)을 제공한다.
바람직하게는, 중간층이 존재할 때, 중간층은 10 내지 60㎛의 평균 입자 크기를 갖는 구리 분말을 저온 분사함으로써 형성된다.
바람직하게는, 중간층은 0.1㎜ 내지 1㎜의 평균 두께를 갖는다.
바람직하게는, 상부층에는, 외부 또는 노출된 표면(기판으로부터 원위)에서, 대부분의 상부층에 대해 멀티-스케일 피처(multi-scale feature)가 제공되며, 바람직한 피처 크기는 0.5㎛ 내지 120㎛이다. 이러한 피처는 비등(boiling)을 향상시키기 위해 공극률의 변화를 제공할 수 있다.
단지 다이아몬드 분사 또는 구리-클래드 다이아몬드 분사에 의해서만 제조될 수 있는, 최종 상부 표면(100 내지 300㎛의 두께)을 부가하는 것이 가능하다. 이는 본 명세서에서 이미 나열된 저온 분사 파라미터를 제외하고, 공극률의 변화에 중요한 역할을 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 증가된 공극률은 노즐 유입구 압력, 스탠드오프 거리(standoff distance), 입자 이송속도, 및 기판과 노즐 간의 상대적 이동을 변화시키는 것 중 하나 이상에 의해 상부층의 최외측 부분의 적용 동안 저온 분사 파라미터의 변화로부터 형성된다.
증가된 공극률은 향상된 비등을 가능하게 하고, 이에 따라, 구조체로부터 주변 액체로의 더 양호한 열 전달을 가능하게 한다. 이는 구리-다이아몬드 구조체에서, 본 발명자의 최상의 지식에 대한 히트 스프레더의 친밀한 통합된 특징으로서 알려져 있지 않다. 높은 TC 복합체로 제조된 최종 노출 표면의 연속 피처링(continuous featuring)을 제공하고 TIM2(또는 다른 접촉 저항)를 생략함으로써, 개선된 비등이 초래된다.
히트 스프레더 상에 구리-다이아몬드 코팅을 증착시키고 멀티-스케일 피처를 갖는 증착된 층의 외부 표면 상의 공극률을 증가시킴으로써, 핀 또는 다른 통상적인 향상된 비등 구조체를 대체할 수 있는 코팅을 제공하기 위해 동일한 원리 및 기술이 이용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 반도체이며, 더욱 바람직하게는, 이는 규소, 게르마늄, 갈륨 아르세나이드, 규소 카바이드, 갈륨 나이트라이드, 갈륨 포스파이드 또는 카드뮴 설파이드로 형성된다.
다른 양상에서, 기판으로부터 방열시키기 위한 임의의 상기 열적 구조체를 제작하는 방법으로서,
외부 표면을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계; 및
상기 외부 표면의 상부 상에, 소성 변형을 나타낼 수 있는 연성 물질의 베이스층을 형성하는 단계; 및
금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물, 및 금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말로부터 선택된 분말을 저온 분사함으로써 기판 위에 상부층을 형성하는 단계를 포함하며,
이에 의해, 금속의 매트릭스는 기저 표면과의 충돌 시에 금속 입자의 변형에 의해 형성되며, 다이아몬드 입자를 포함하는 분산 상은 금속 매트릭스 내에 임베딩된 방법이 제공된다.
본 방법의 추가 세부사항은 특징들이 상기에 언급된 제품 종속 청구항으로부터 명백하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예로서 제공된, 하기 본 발명의 실시형태의 설명에 의해 더 예시될 것이다:
도 1은 전자기기 디바이스에서 방열시키기 위한 공지된 열적 구조체의 단면도;
도 2는 상이한 수준의 다이아몬드를 갖는 Cu-다이아몬드 복합체 물질의 열전도도(TC) 및 열팽창 계수(CTE)의 그래프;
도 3(a) 및 도 3(b)는 각각 저온 분사된 순수한 구리층 및 구리-다이아몬드층의 이미지;
도 4는 저온 분사 장비의 개략적 다이어그램;
도 5는 규소 상의 저온 분사된 30㎛ 구리의 샘플을 도시한 도면;
도 6은 도 5의 샘플에 대한 테이프 시험의 결과를 도시한 도면;
도 7은 규소 상의 저온 분사된 30㎛ 알루미늄의 샘플을 도시한 도면
도 8(a) 내지 도 8(c)는 열적 구조체를 제작하는데 있어서 연속적인 단계를 도시한 도면;
도 9(a) 내지 도 9(c)는 각각 도 8(a) 내지 도 8(c)의 3가지 샘플을 통한 SEM 현미경사진;
도 10은 도 8(a) 내지 도 8(c)에서 형성된 구조체의 상세한 SEM 단면도;
도 11은 위에서 찍은 최종 구조체의 SEM 현미경사진;
도 12는 통상적인 구조체 및 구리-다이아몬드 구조체에 대한 열 저항의 비교도; 및
도 13은 규소 상의 저온 분사된 1㎛ 구리의 샘플을 도시한 도면.
도 1은 전자기기 디바이스에서 방열시키기 위한 공지된 열적 구조체를 도시한 단면도이다. 반도체 칩(10)은 회로판(12) 상에 탑재된다. 열 페이스트(thermal paste)를 포함하는 제1 열 계면 물질(TIM) 층(14)은, 칩을 히트 싱트(20)에 연결하기 위한 확장된 표면을 제공하는 구리 히트 스프레더(16)에 대한 열 전도성 결합을 제공하기 위해, 칩(10)의 상부 표면 상에 증착된다. 제2 TIM 층(18)은 히트 스프레더(16) 상에 히트 싱크(20)를 탑재하기 위해 사용된다.
도 1의 공지된 시스템이, TIM 층과 관련된 전도도 상실로 인해, 구리의 CTE가 규소와 불일치되기 때문에, 및 특히, 결합된 표면들 간에 열팽창 계수 불일치로 인해 반복된 응력에 노출될 때, 시간에 따라, TIM 페이스트가 분해하기 때문에 문제가 된다는 것이 인식될 것이다.
추가의 단점은 수 개의 제작 단계가 도 1의 구조체를 생성시키기 위해 필요하다는 것이다.
높은-TC/낮은-CTE 복합체 물질을 제작하기 위하여, 높은-TC 금속 결합제/매트릭스는 여기에서 낮은-CTE 분산 상과 조합된다. 복합체의 유효 열전도도(keff)는 하기 수학식으로 제공된 맥스웰(Maxwell)의 이론에 의해 잘 추정될 수 있다:
Figure pct00001
수학식 1
상기 식에서, km은 매트릭스 물질의 전도도이며, kd는 분산물의 전도도이며, εd는 분산 상의 부피 분율이다. 물론, kd > km인 경우에, keff > km이며, keff는 분산 상의 부피 분율(εd)이 증가함에 따라 증가한다. 유사한 방식으로, 복합체의 유효 CTE(αeff)는 하기 커너(Kerner) 방정식에 의해 추정될 수 있다:
Figure pct00002
수학식 2
상기 식에서, αi, Ki, 및 Gi는 각각, 상 i의 부피 팽창 계수, 체적 탄성률(bulk modulus), 및 전단 계수(shear modulus)이다. 이러한 표현은, αd < αm인 경우에, αeff < αm이며, αeff가 분산 상의 부피 분율(εd)이 증가함에 따라 감소한다는 것을 나타낸다.
도 2는 백분율 w/w로서 상이한 수준의 다이아몬드를 갖는 Cu-다이아몬드 복합체 물질의 열전도도(TC) 및 열팽창 계수(CTE)를 그래프로 나타낸 것이다. 또한, 저온 분사된 구리, 및 30% 다이아몬드를 함유한 분말 혼합물을 저온 분사함으로써 생성된, 저온 분사된 구리-다이아몬드 매트릭스의 실험적 열전도도 측정을 도시한 것으로서, 이는 이론과의 일치를 나타낸다. 다이아몬드 백분율은, 복합체가 너무 취성을 나타내기 전에 약 70%까지 증가될 수 있다. 복합체에 대한 플롯 라인(plot line)을 변경하기 위해 음의 열팽창 계수를 갖는 물질과 같은, 제3 성분을 첨가하는 것이 가능하다.
다이아몬드의 CTE가 통상적으로 Cu의 대략 15% CTE이라는 사실과 함께, 매트릭스(kCu 약 400 W/mK) 및 분산(kDia 약 1500 내지 2000 W/mK) 물질 둘 모두의 높은 열전도도는, Cu-다이아몬드 매트릭스의 사용이 규소 및 다른 반도체 물질로부터 열의 열적 소산을 위한 유망한 물질임을 의미한다.
Cu-다이아몬드 복합체는 순수한 Cu 샘플과 함께 저온 분사(CS)를 이용하여 제작되었다. 후자는 순수한 CS 제작 매트릭스 물질의 공극률의 기준선(baseline sense)을 제공하기 위해 제작되었는데, 이는 샘플의 밀도 측정으로부터 용이하게 얻어진다.
도 3(a)는 순수한 CS Cu 샘플의 주사전자현미경(SEM) 이미지(22) 및 사진(24)을 도시한 것이다. 저온 분사를 위해 사용되는 구리 분말은 10 내지 60㎛의 입자 크기를 갖는다. 이는 다소 연속적인 Cu인 것이 명확하며, 이러한 것이 실험적 불확실성(±5%) 내에서, 순수한 Cu인 것으로 밝혀진 밀도 측정에 의해 입증된다. 이는 도 2에 도시된 CS 0% 다이아몬드 샘플의 열전도도 측정에 의해 추가로 입증되는데, 이는 실험적 불확실성(±10%) 내에서, 순수한 Cu인 것으로 나타난다.
도 3(b)는 CS 30% 다이아몬드 그릿(약 100㎛) Cu-다이아몬드 복합체의 SEM 이미지(26) 및 사진(28)을 도시한 것이다. 다이아몬드 입자는 강조되고 30으로 지시된다. 중요하게, 밀도 측정과 함께 열전도도 측정(εd를 추정하기 위해 사용됨)은 다이아몬드 입자가 복합체의 열전도도와 관련하여 존재하고 긍정적으로 참여함을 입증할 뿐만 아니라, 맥스웰 이론과 긴밀한 일치는, CS 제작 기술이 낮은 Cu-다이아몬드 계면 열 장벽을 갖는 복합체를 형성한다는 것을 강력히 시사한다.
Yoshida & Morigami의 문헌[K. Yoshida, H. Morigami, "Thermal properties of diamond/copper composite material," Microelectronics Reliability 44 (2004) 303-308]에서는 계면 열 저항이 열전도도를 소결된 Cu-다이아몬드에 대한 맥스웰의 예측보다 훨씬 낮게 감소시킬 수 있음을 나타내었으며, 심지어 중간 정도의 εd 및 작은 입자 크기(약 20 내지 30㎛)에 대한 정도까지도 복합체 물질의 유효 열전도도는 구리보다 거의 절반 정도 낮다. 이러한 현상에 대한 원인은 소결 동안 Cu-용융물에 의한 다이아몬드의 불량한 습윤화인데, 이는 여기에서 그러한 경우가 아니다. 이에 따라, 물질 제작 관점으로부터, 이는, 이러한 것이 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작되었다는 사실을 고려하기 전에 그 자체로 매우 흥미로운 결과이다. 또한, 모든 관련된 연구에서 커너 방정식의 사용이 Cu-다이아몬드 복합체의 CTE를 잘 예측한다는 것을 나타낸다는 것이 주지되어야 한다.
도 4는 본 명세서에 기술된 구조체를 생성하기 위해 사용되는 저온 분사 장비의 개략적 다이어그램이다. 가압된 가스 소스(30)는 장비로 공급되고, 2개의 스트림으로 분할된다. 상부 스트림은 분말 공급기(32)에 의해 진행되고 당해 분말 공급기로부터 분말 입자를 픽업한다(pick up). 하부 스트림은, 가열된 가스 스트림 및 혼입된 분말 입자를 운반시키는 스트림이 재결합되기 전에, 가스 온도, 이에 따라, 음속(sonic speed), 이에 따라, 노즐 배출구에서 실제 속도를 증가시키기 위해 가스 가열기(34)를 통해 진행한다. 재결합된 가스 스트림 및 혼입된 입자는 기판(38)에 충돌하기 위해 입자를 가속시키는 초음파 노즐(36)을 통해 진행한다. 입자는 소성 변형하고 기판 및 서로 접착하여 증착된 층(40)을 제공하며, 이의 두께 및 형상은 증착점에 대해 기판을 이동시킴으로써 및 가스 온도, 가스 압력 및 조성, 상부 및 하부 분기를 통한 상대적 유량, 등을 변경시킴으로써 조절될 수 있다. 증착된 층의 구조는 분말화된 물질(또는 분말들의 혼합체)의 선택 및 입자 크기 분포에 의해 달라질 수 있다.
전술한 구리-다이아몬드 복합체의 유망한 성질에도 불구하고, 기저 기판과의 양호한 결합을 보장하는 것이 필요하다. 바람직한 상부층이 다이아몬드가 임베딩된 구리의 매트릭스이며, 가장 상업적으로 중요한 기판이 규소이기 때문에, 규소 기판 상에 증착된 CS 구리층 상에서 시험이 수행되었다.
분말 입자 크기를 선택할 때, CS 성능은 유일한 고려사항이 아니다. 매우 미세한 분말(예를 들어, 1㎛)은 미세한 분말이 뭉치고(clump) 공급기를 막을 수 있고 작은 입자가 또한 잠재적인 건강 위험을 초래할 수 있기 때문에 취급하기 어렵다. 그럼에도 불구하고, 하기에 도시되는 바와 같이, 이러한 작은 입자 크기는, 적절한 물질 취급 보호장치가 적소에 설치된 경우에, 유용할 수 있다.
한편, 30㎛의 입자 크기를 갖는 구리 분말은 취급하기 용이하지만, 규소상에서 CS 30㎛ 구리의 시험은 초음파의, 비교적 무거운 입자의 운동량으로 인한 것으로 보이는 규소 기판에서의 균열을 나타내었다.
30㎛ 구리층은 규소 상에 증착되었으며, 접착 강도는 테이프 시험으로 측정되었으며, 이러한 시험에서, Scotch Klebeband 감압 테이프는 증착된 구리층에 도포되었으며, 테이프는 이후에 떼내어, 구리가 테이프와 함께 떨어져 나갔거나 규소 상에 고정된 채로 유지되었는 지의 여부를 확인하였다(Scotch Klebeband는 3M Corporation의 상표임).
도 5를 참조하면, 30㎛ 구리(52)가 규소 기판(50)에 결합되어 있는 동안, 접착 강도는 높지 않았으며, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 이는 테이프 시험에서 불합격되었다. 상기에 주지된 바와 같이, 현미경 분석에서는 또한, 이러한 입자 크기가 균열을 유발시킴으로써 기판을 손상시켰다는 것을 나타내었다.
도 7은 규소 상에 30㎛ 알루미늄 분말로부터 형성된 저온 분사된 층(58)을 도시한 것이다. 30㎛ 구리와는 달리, 알루미늄은 규소에 강력하게 결합하고, 테이프 시험을 통과한다. 또한, 1㎛ 구리의 물질 취급 단점이 존재하지 않으며, 또한, 추가적인 층들이 위로 구축될 수 있을 정도로 충분히 견고하다.
열적 구조체의 수 개의 실시예는 하기에 논의된다.
실시예 1
도 8은 규소의 상부 상에 3층 구조체를 도시한 것이다. 먼저, 도 8(a)에서, 베이스층은 30㎛(평균 입자 크기) 알루미늄을 저온 분사함으로써 형성된다. 이후에, 도 8(b)에서, 중간층은 30㎛ 구리를 저온 분사함으로써 형성된다. 마지막으로, 도 8(c)에서, 구리 다이아몬드 매트릭스 상부층은 30㎛ 구리와 80㎛ 다이아몬드 분말의 혼합물을 저온 분사함으로써 형성된다.
도 9(a) 내지 도 9(c)는 각각 도 8(a) 내지 도 8(c)의 3가지 샘플을 통한 SEM 현미경사진이다. 도 9(a)의 크기는 부수적으로 도 9(b) 및 도 9(c)의 크기의 2배이며, 즉, 각각의 하부 좌측에서의 길이 스케일 마커는 도 9(a)에서 0.250㎜의 길이를 지시하며, 상응하는 스케일 마커는 도 9(b) 및 도 9(c)에서 각각 0.504㎜ 및 0.506㎜의 길이를 지시한다.
도 10은 다이아몬드 입자 (i), Cu-Al 계면 (ii), 및 Al-Si 계면 (iii)의 확대된 세부사항과 함께, 최종 구조체를 통한 더욱 상세한 SEM 단면도를 제공한다.
세부도 (i)로부터, 다이아몬드가 주변 구리 매트릭스와 밀접한 접촉을 하고 있음을 알 수 있으며, 이는 도 2에 도시된 바와 같은 이론적 예측과 성능이 일치하는 지를 확인하는 데 중요하다. 상기에서 주지된 바와 같이, 구리 및 다이아몬드의 소결은 이러한 부류의 친밀한 접촉을 제공하지 못한다.
세부도 (ii) 및 (iii)으로부터, 층이 계면에서 서로 밀접하게 접촉하여, 열적 비효율성을 감소시킴을 알 수 있다.
벌크 구리-다이아몬드 층이 본질적으로, 다이아몬드 입자가 적절하게 임베딩된 연속 매트릭스이지만, 저온 분사를 이용하여 형성된 상부 표면은 현미경 수준에서 매끄럽지 않다.
도 11은 위에서 찍은 상부 표면의 SEM 현미경 사진이며, 이는 다수의 범프(bump), 중공(hollow) 및 표면 피처를 나타낸다. 표면 피처 분석에서는, 이러한 표면의 구역 거칠기 파라미터가 하기 값을 가짐을 나타낸다:
Sa(XY 평면에서 단위 표면에 대해 측정된 절대 프로파일 높이의 평균): 8.588㎛
Sq(평균 제곱근(root mean squared)): 10.767㎛
Ssk(사행도(Skewness): 평균에 대한 대칭: 0.363
Sku(첨도(kurtosis): 선명도의 측정치: 2.83
Sy(프로파일의 최대 높이): 69.625㎛
임의의 후-처리 없이도, 최종 표면이 매우 다공성이고 불규칙하여, 방열 표면에 상당한 이점이 있으며, 이러한 것이 특히 액체 냉각 기술을 이용하여, 고출력 전자기기 디바이스를 냉각시키기에 특히 적합한 구조체를 제조함을 알 수 있다. 실험에서는, 구리-다이아몬드 복합체에서 위킹(wicking)이 존재함을 나타내는데, 공극률이 존재함을 입증하는 것이다. 상부층의 상부 부분의 거칠기 및 공극률은 최종 분사 부분에서 혼합물의 증착을 "악화시키(disimprove)"도록 저온 분사 파라미터를 변화시킴으로써, 예를 들어, 분말의 이송속도를 감소시키거나, 워크피스(workpiece)를 입자의 스트림에 대해 더욱 빠르게 변형시키거나, 공정에서 다른 변수를 조정함으로써 더욱 증가될 수 있다.
본 명세서에 개시된 구조체의 중요한 장점은, 이러한 것이 반도체 기판 상에 다양한 CS 층을 구축하기 위해 단일 연속 저온 분사 공정으로 생성될 수 있어서, 이러한 것이 고성능 방열 구조체를 제작하는 빠르고 저렴한 방법을 만들 수 있다는 것이다.
도 12는 도 1의 통상적인 설계(도 12에서 좌측 컬럼) 및 규소 상에 직접적으로 증착된 구리-다이아몬드 저온-분사된 층으로 형성된 통합 히트 스프레더를 포함하는 열적 구조체(우측 컬럼)에 대한 열 저항 예산(thermal resistance budget)의 비교이다.
알 수 있는 바와 같이, 통상적인 설계에 대한 열 저항 예산은 0.68 K/W인데, 이는 TIM 1 층(0.111)의 연속 성분(규소 표면으로부터 시작), 구리의 통합 히트 스프레더(IHS)(0.124), TIM 2 층(0.025) 및 팬-핀 히트 싱크(0.42)로부터 생성된다. 비교하면, 신규한 설계는 0.496의 열 저항을 갖는데, 이는 저온 분사된 구리-다이아몬드의 IHS(0.051), TIM 2 층 및 히트 싱크에 대한 동일한 값으로 구성된다. IHS에 대한 감소된 값 및 TIM 1 층의 제거로 인하여, 열 저항은 거의 30% 감소된다. 이는 열 설계 전력(thermal design power)에서 15℃ 접합 온도 강하로 해석된다.
상기 도면은 15㎜×15㎜의 치수를 갖는 칩을 기초로 한 것이며, 이 위에 Al 층이 30㎛의 입자를 이용하여 75㎛의 두께까지 저온 분사되며, 그 후에, 30㎛ 구리 및 30㎛ 다이아몬드의 40:60 분말 혼합물은 2.5㎜의 두께까지 저온 분사된다.
상기 실시형태에서 도시되고 기술된 베이스층은 알루미늄일 필요는 없으며, 하기 일부 추가의 실시예는 대안적인 베이스층을 제공한다. 구리 중간층은 선택적이다.
실시예 2
이러한 실시예에서, 알루미늄 베이스층이 전착에 의해 형성되는 것을 제외하고, 동일한 구조체는 실시예 1에서와 같이 제공된다. 이는 물리적 또는 화학적 증기 증착(PVD 또는 CVD)를 이용하거나 일부 다른 기술을 이용함으로써 추가로 변경될 수 있다. 그러나, 증착 또는 형성 방법이 이용되더라도, 베이스층이 기판과 친밀하게 접촉하고, 효율적인 열 전달이 베이스층을 통해 기판으로부터 상부층으로 제공되도록 높은 정도의 연속성을 갖는 것을 보장하는 것이 중요하다.
실시예 3
실시예 1의 알루미늄 베이스층에 대해 구리 베이스층이 대체된다. 구리 베이스층을 1㎛ 구리 입자를 사용하여 저온 분사하였다.
도 13은 1㎛ 구리 분말(60)의 트랙이 규소 웨이퍼(62) 상에 저온 분사된 실험적 시험의 사진을 도시한 것이다. 접착 강도를 테이프 시험으로 측정하였는데, 여기서, 구리가 테이프와 함께 떨어지거나 규소 상에서 고정된 채 잔류하는 지를 관찰하기 위해, Scotch Klebeband 감압 테이프를 증착된 구리층에 도포하고 이후에 테이프를 떼어내었다(Scotch Klebeband는 3M Corporation의 상표임). 구리가 강력하게 결합하고 떨어지지 않는다는 것이 확인되었다.
사용된 입자 크기는 더 작거나 더 클 수 있다. 1 내지 10㎛ 범위의 평균 크기를 갖는 구리 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 입자가 클수록, 조작하기 더욱 용이하지만, 충돌 시에 기판에 더 많은 에너지가 제공된다. 저온 분사 파라미터는 또한, 충돌 에너지에 영향을 미칠 것이며, 상이한 기판은 파단 또는 손상을 피하기 위해 충돌 에너지에 대한 상이한 한계를 가질 것이다.
열적 구조체를 구성함에 있어서, 구리 베이스층이 30㎛까지 증착되고, 이후에, 구리의 (선택적) 중간층 및 구리-다이아몬드의 상부층이 저온 분사된다. 구리 베이스층 상에 저온 분사된 입자의 충돌을 견디기 위해 최소 20㎛가 바람직하다.
실시예 4
중간층 없이 베이스층 및 상부층으로 열적 구조체가 형성된다. 베이스층 및 상부층 둘 모두는 구리-다이아몬드 매트릭스로부터 형성된다. 상기와 마찬가지로, 상부층을 위해 30㎛ 구리 및 80㎛ 다이아몬드 혼합체가 사용된다. 베이스층을 위해, 3㎛ 구리 분말은 5㎛ 다이아몬드 그릿과 혼합되며, 이러한 것은 양호한 접착력, 우수한 열적 특징을 가지고 상부층이 더 높은 평균 입사 입자 에너지와 함께 분사될 때 기판을 보호하는 베이스층을 구축하기 위해 저온 분사된다.
이러한 기술의 변형에서, 작은 구리 분말/다이아몬드 그릿의 혼합체에 대해 작은(1 내지 10㎛) 구리-클래드 다이아몬드 입자가 대체될 수 있다.
실시예 5
베이스층은 상부층과 동종이며, 둘 모두는 5㎛ 다이아몬드 그릿과 혼합된 동일한 3㎛ 구리 분말을 사용하여 연속 저온 분사 공정으로 형성된다. 이러한 실시예는 별개의 베이스층을 사용하지 않고 베이스층 작용성 및 상부층 작용성 둘 모두를 갖는 단일층을 갖는다는 점에서 다른 것과는 상이하다.

Claims (30)

  1. 기판으로부터 방열시키기 위한 열적 구조체(thermal structure)로서,
    외부 표면을 갖는 반도체 기판(semiconductor substrate);
    상기 외부 표면의 상부 상에 형성된, 소성 변형(plastic deformation)을 나타낼 수 있는 연성 물질(ductile material)의 베이스층(base layer); 및
    금속 및 다이아몬드의 매트릭스를 포함하는 상부층(top layer)으로서,
    금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물 및
    금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말
    로부터 선택된 분말을 저온 분사(cold spraying)함으로써 상기 베이스층 위에 형성된, 상기 상부층을 포함하되,
    상기 상부층은 기저 표면(underlying surface)과의 충돌 시에 상기 분말의 금속 성분의 변형에 의해 형성된 금속의 매트릭스, 및 상기 매트릭스 내에 임베딩된(embedded) 상기 다이아몬드 입자를 포함하는 분산 상(dispersed phase)으로 형성된, 열적 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스층은 저온 분사 공정에 의해 상기 외부 표면의 상부 상에 형성되며, 상기 베이스층은 (i) 금속, (ii) 적어도 두 개의 금속을 포함하는 복합체(composite), 또는 (iii) 금속 및 비-금속을 포함하는 복합체로 형성된, 열적 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베이스층은 알루미늄, 또는 알루미늄과 1종 이상의 금속 또는 비-금속 성분의 복합체로 형성된, 열적 구조체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 베이스층은 5 내지 100㎛, 더욱 바람직하게는, 10 내지 60㎛의 평균 입자 크기를 갖는 알루미늄 분말을 저온 분사함으로써 형성된, 열적 구조체.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스층은 30 내지 500㎛, 더욱 바람직하게는, 50 내지 250㎛의 평균 두께를 갖는, 열적 구조체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베이스층은 구리, 구리와 1종 이상의 금속 또는 비-금속 성분의 복합체로 형성된, 열적 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 베이스층은 구리를 함유하고 0.5 내지 15㎛, 더욱 바람직하게는, 1 내지 10㎛의 평균 입자 크기를 갖는, 구리 분말 또는 복합체를 저온 분사함으로써 형성된, 열적 구조체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 베이스층은 금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물, 또는 금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말을 저온 분사함으로써 형성되며, 상기 분말 혼합물 또는 분말은 0.5 내지 15㎛, 더욱 바람직하게는, 1 내지 10㎛의 평균 입자 크기를 갖는, 열적 구조체.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스층은 5 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는, 10 내지 30㎛의 평균 두께를 갖는, 열적 구조체.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스층은 알루미늄 및 구리를 포함하고, 구리와 알루미늄 입자의 혼합물을 저온 분사함으로써 형성된, 열적 구조체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 베이스층은 30:70 내지 70:30, 더욱 바람직하게는, 40:60 내지 60:40의 비(w/w)의 알루미늄과 구리의 혼합체(mix)를 포함하는, 열적 구조체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 외부 표면이 상기 베이스층의 형성 전에, 화학적 에칭(chemical etching), 샌드 블라스팅(sand blasting) 및 레이저 에칭(laser etching)으로부터 선택된 공정에 의해 조면화된, 열적 구조체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 상기 외부 표면은 1 내지 25㎛, 더욱 바람직하게는, 3 내지 20㎛, 가장 바람직하게는, 7 내지 15㎛의 거칠기 평균(Ra) 값을 갖는, 열적 구조체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층에서의 상기 금속은 구리인, 열적 구조체.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층은 30:70 내지 90:10, 더욱 바람직하게는, 50:50 내지 90:10, 더욱더 바람직하게는, 75:25 내지 90:10, 가장 바람직하게는, 대략 80:20의 비(w/w)의 구리와 다이아몬드의 혼합체를 포함하는, 열적 구조체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말은 금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물이며, 상기 금속 입자는 10 내지 60㎛의 평균 크기를 갖는, 열적 구조체.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물 또는 상기 금속-클래드 다이아몬드 입자에서의 상기 다이아몬드 입자는 10 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는, 20 내지 100㎛의 평균 크기를 갖는, 열적 구조체.
  18. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말은 금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말이며, 상기 금속은 구리인, 열적 구조체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 입자는 20 내지 100㎛ 범위의 평균 크기를 가지고 2 내지 8㎛ 두께의 구리층으로 코팅된 다이아몬드 그릿(diamond grit)을 포함하는, 열적 구조체.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 입자는 구리 증착을 돕기 위해 상기 다이아몬드에 도포된 1 내지 3㎛ 층 두께의 니켈을 더 포함하되, 상기 구리층은 니켈층 위에 도포된, 열적 구조체.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 각 그레인(grain)에서, 다이아몬드와 금속 간의 바람직한 중량비가 70-30 내지 30-70, 더욱 바람직하게는, 대략 50-50인, 열적 구조체.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층은 0.3㎜ 내지 5㎜의 평균 두께를 갖는, 열적 구조체.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 저온 분사 공정에 의해 상기 베이스층의 상부 상에 형성된 구리의 중간층을 더 포함하며, 상기 상부층은 상기 중간층 상에 저온 분사된, 열적 구조체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 중간층이 10 내지 60㎛의 평균 입자 크기를 갖는 구리 분말을 저온 분사함으로써 형성된, 열적 구조체.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 중간층은 0.1㎜ 내지 1㎜의 평균 두께를 갖는, 열적 구조체.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부층에는, 상기 기판으로부터 원위의 외부 표면에, 상기 상부층의 대부분에 대해 멀티-스케일 피처(multi-scale feature)가 제공되며, 바람직한 피처 크기(feature size)는 0.5㎛ 내지 120㎛인, 열적 구조체.
  27. 제26항에 있어서, 상기 증가된 공극률(porosity)이 상기 상부층의 최외측 부분(outermost part)의 적용 동안 노즐 유입구 압력, 스탠드오프 거리(standoff distance), 입자 이송속도, 및 기판과 노즐 간의 상대적 운동의 변화 중 하나 이상에 의한 저온 분사 파라미터의 변화로부터 형성되는, 열적 구조체.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 반도체인, 열적 구조체.
  29. 제28항에 있어서, 상기 반도체는 규소, 게르마늄, 갈륨 아르세나이드, 규소 카바이드, 갈륨 나이트라이드, 갈륨 포스파이드 또는 카드뮴 설파이드 중 하나인, 열적 구조체.
  30. 기판으로부터 방열시키기 위한 열적 구조체를 제작하기 위한 방법으로서,
    외부 표면을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 외부 표면의 상부 상에, 소성 변형을 나타낼 수 있는 연성 물질의 베이스층을 형성하는 단계; 및
    금속과 다이아몬드 입자의 분말 혼합물 및 금속-클래드 다이아몬드 입자의 분말로부터 선택된 분말을 저온 분사함으로써 상기 베이스층 위에 상부층을 형성하는 단계를 포함하되,
    기저 표면과의 충돌 시에 상기 금속 입자의 변형에 의해 금속의 매트릭스가 형성되며, 상기 다이아몬드 입자를 포함하는 분산 상은 상기 금속 매트릭스 내에 임베딩된, 방법.
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