KR20220075852A - 유-무기 복합체를 포함하는 전력전자모듈용 기판 - Google Patents

유-무기 복합체를 포함하는 전력전자모듈용 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경화형 수지에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러가 분산되어 있는 유-무기 복합체를 포함하는 전력 전자 모듈용 기판 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체 기판은 경화형 수지에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러가 고밀도 분산 상태로 열적 경로(thermal path)를 형성하여 열전도도 및 절연성을 향상시킬 수 있고, 상기 경화형 수지의 높은 기계적 강도로 인해서 외부 충격에 대한 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 유-무기의 복합 성분으로 인해 전자 모듈에 사용시 다른 구성요소와의 열팽창 계수 차이를 줄임으로써 사용수명을 극대화할 수 있다.

Description

유-무기 복합체를 포함하는 전력전자모듈용 기판{SUBSTRATE FOR POWER ELECTRONIC MODULE COMPRISING ORGANIC-INORGANIC COMPOSITE}
본 발명은 유-무기 복합체를 포함하는 전력전자모듈용 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경화형 수지 및 2종 이상의 세라믹 필러를 포함하는 유-무기 복합체로부터 제조되어 열적 특성 및 내구성이 향상된 전력전자모듈용 기판에 관한 것이다.
전기 자동차는 배터리의 출력 전압을 높이거나 이의 모터 구동을 위해서 DC를 AC 전력으로 변환하는 장치인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 필요로 한다. 상기 IGBT는 전기 에너지를 열 에너지로 변환하여 빠르게 신호를 전달하는 스위칭 소자로서, 신호의 고속 처리 과정에서 상당한 열이 발생한다. 따라서, 전기 자동차의 전력 전자 모듈은 IGBT와 같은 소자를 장착할 때 이로부터 발생하는 열을 효과적으로 방출시키고 방전 및 폭발사고를 방지하기 위해서 전기절연성 및 높은 열전도도를 갖춘 세라믹 기판을 사용한다. 예컨대, 전력 전자 모듈에 장착된 IGBT 등의 소자로부터 발생된 열은 세라믹 기판을 거쳐 금속 재질의 베이스 플레이트를 통해 방열시킬 수 있다(도 1 참조).
그러나, 기존의 세라믹 기판은 진동이 가해지는 외부 충격 또는 다른 구성 요소와의 열팽창 계수 차이로 인해 쉽게 깨질 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전력 전자 모듈에서 방열 목적으로 사용되는 절연성의 세라믹 기판을 대체할 수 있는 열적 특성 및 내구성이 우수한 소재의 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 경화형 수지에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러가 분산되어 있는 유-무기 복합체를 포함하는 전력 전자 모듈용 기판이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체 기판의 제조방법으로서, (S1) 경화형 수지와 경화제를 혼합하는 단계, (S2) 상기 혼합물에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러를 분산시켜 유-무기 복합체를 수득하는 단계; 및 (S3) 상기 유-무기 복합체를 이형 필름 상에 도포하여 가압한 후 상기 이형 필름을 분리하는 단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체 기판은 경화형 수지에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러가 고밀도 분산 상태로 열적 경로(thermal path)를 형성하여 열전도도 및 절연성을 향상시킬 수 있고, 상기 경화형 수지의 높은 기계적 강도로 인해서 외부 충격에 대한 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 유-무기의 복합 성분으로 인해 전자 모듈에 사용시 다른 구성요소와의 열팽창 계수 차이를 줄임으로써 사용수명을 극대화할 수 있다.
도 1은 통상적인 전력 전자 모듈의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체의 열적 경로(thermal path)를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 3에서 제조된 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체의 단면 사진을 보여주는 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 경화형 수지에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러가 분산되어 있는 세라믹 필러로 구성된 유-무기 복합체를 포함하는 전력 전자 모듈용 기판에 관한 것이다.
본 발명에서, 상기 세라믹 필러는 경화형 수지에 분산되어 열적 경로(thermal path)를 형성하고 전기적 절연 특성을 부여하는 성분으로, 열전도도, 절연성, 내열성, 내화학성을 상호 보완할 수 있는 2종 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화 규소(Si3N4) 및 질화 붕소(BN) 중에서 선택되는 2 이상을 세라믹 필러로 사용할 수 있다.
또한, 2종 이상의 세라믹 필러는 입자 구조를 고려하여 입자간의 접촉 면적을 최대화할 수 있는 종류, 크기 및 형태를 선택하는 것이 바람직하다. 예컨대, 구형 또는 다각형이면서 평균 입경이 25 내지 40 ㎛인 질화알루미늄(AlN) 및 육각형 판상 구조이면서 평균 입경이 5 내지 20 ㎛인 질화 붕소(BN)를 혼합하는 경우, 두 입자간에 크기 차이로 인해 고밀도 패킹 및 배향 컨트롤이 유리하다(도 2 참조). 즉, 입자 크기가 상이한 세라믹 필러들 간의 고밀도 패킹은 단일 필러 적용시 입자 사이의 공간에 의해 열전도도가 낮아지는 단점을 극복함으로써 높은 열전도도를 구현할 수 있다. 특히, 상기 질화알루미늄(AlN)이 약 200W/mK 정도의 다소 낮은 열전도도를 나타내는 한계를 열전도도가 약 400W/mK인 질화 붕소(BN)의 사용으로 극복할 수 있다. 이러한 질화알루미늄(AlN) 및 질화 붕소(BN)는 1:1 내지 2:1, 바람직하게는 1:1의 중량비로 사용될 수 있다.
추가로, 상기 세라믹 필러는 실란 커플링제로 표면처리될 수 있다. 상기 표면처리는 서로 다른 표면 특성을 갖는 세라믹 필러와 경화형 수지 간의 상용성을 높여 물성 저하를 방지할 수 있다. 예컨대, 소수성인 세라믹 필러와 친수성의 경화형 수지가 배합되는 경우 두 성분의 다른 표면 특성으로 이들 성분들의 경계면에는 공기층이 형성되어 열적 절연성 및 기타 물성의 저하를 초래할 수 있는데, 이러한 문제점을 실란 커플링제의 표면처리로 해결할 수 있다.
상기 표면처리는 세라믹 필러를 수화시킨 후 실란 커플링제와 반응시?k 수행될 수 있다. 상기 실란 커플링제로는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxysilane, APTES), 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란(3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilane, GPTMS) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 세라믹 필러는 상기 유-무기 복합체의 전체 중량을 기준으로 60 내지 80 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명에서, 상기 경화형 수지는 상기 세라믹 필러가 분산되어 유지될 수 있는 매트릭스 역할을 하며, 기계적 강도가 우수하여 전력 전자 모듈용 기판에 외부 충격이 가해질 때 내구성을 부여하여 기판이 쉽게 깨지는 단점을 극복할 수 있다.
상기 경화형 수지로는 분자 구조 내에 2개 이상의 벤젠 고리를 구비한 에폭시 화합물, 예컨대 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(DGEBA), 페놀포름알데히드 노볼락의 폴리글리시딜 에테르 등을 포함할 수 있다. 특히, 상기 DGEBA는 상온에서 액상을 띠며 2개의 벤젠 고리를 포함하는 구조이기에 기계적 강도가 우수하다. 이러한 경화형 수지는 80℃ 정도의 온도에서 경화가 이루어지므로 상기 기판 제조시 공정 온도를 낮출 수 있어 가공성 면에서 유리하다.
이러한 유-무기 복합체 기판은 하기 단계들을 포함하는 과정으로 제조될 수 있다:
(S1) 경화형 수지와 경화제를 혼합하는 단계,
(S2) 상기 혼합물에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러를 분산시켜 유-무기 복합체를 수득하는 단계; 및
(S3) 상기 유-무기 복합체를 이형 필름 상에 도포하여 가압한 후 상기 이형 필름을 분리하는 단계.
상기 단계 (S1)에서, 경화형 수지 및 경화제의 혼합은 아세톤과 같은 용매 중에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 경화제로는 디아미노디페닐설폰(4,4'-Diaminodiphenylsulfone), 디에틸렌트리아민(Diethylenetriamine), 메틸렌디아닐린(4,4'-Methylenedianiline) 등이 사용될 수 있다.
상기 단계 (S2)에서 2종 이상의 세라믹 필러는 미리 혼합한 후에 상기 경화형 수지 및 경화제의 혼합물에 분산될 수 있다.
상기 단계 (S3)에서, 상기 유-무기 복합체의 가압은 10 내지 30 MPa의 압력 및 150 내지 250℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 과정으로 제조된 본 발명의 유-무기 복합체 기판은 높은 열전도도 및 전기 절연성과 함께 외부 충격 및 열에 대해 최적의 내구성을 구현하여, 기존의 세라믹 기판을 대체하여 전력 전자 모듈에 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 유-무기의 복합 성분으로 인해 전자 모듈에 사용시 다른 구성요소와의 열팽창 계수 차이를 줄임으로써 사용수명을 극대화할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 구체적인 실시예로 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1 내지 3:
아세톤에 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(DGEBA)의 에폭시 수지 및 4.4'-디아미노디페닐 설폰(DDS) 경화제를 첨가하여 혼합하였다. 한편, 세라믹 필러로서 평균 입경이 25 내지 40 ㎛인 질화알루미늄(AlN) 및 평균 입경이 5 내지 20 ㎛인 질화 붕소(BN)을 공자전 믹서에 넣고 1000rpm에서 3분간 혼합하였다.
상기 DGEBA 및 DDS의 혼합물에 AlN 및 BN의 혼합물을 첨가한 후, 70℃에서 1000rpm으로 10분 동안 교반하였다.
상기 생성물을 PET 재질의 이형 필름 위의 금형 몰드 내에 붓고, 20MPa의 압력하에 200℃에서 30분 동안 가압한 후, 상기 이형 필름 및 금형 몰드를 제거하여 0.3 내지 0.5 mm 두께의 유-무기 복합체 기판을 제조하였다.
Figure pat00001
<비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(DGEBA)>
Figure pat00002
<4.4'-디아미노디페닐 설폰(DDS)>
도 3은 실시예 1 내지 3에서 제조된 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체의 단면 사진을 보여주는 것이다.
비교예 1:
세라믹 필러를 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1의 과정으로 유-무기 복합체 기판을 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 유-무기 복합체 기판의 조성 및 측정된 물성을 표 1에 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예 1
조성 에폭시 수지 20 30 40 100
AlN 40 35 30 0
BN 40 35 30 0
물성 열전도도(W/Mk)1) 14.4 9.05 4.12 0.2
열화상 카메라 측정온도(℃) 95.4 81.8 72.7 39.6
기공 함량(%)2) 4.025 3.079 4.227 -
내전압 테스트 (7.5kV)3) 적합 적합 적합 -
CTE(ppm/℃)4) 11.79 18.23 20.16 52.1
TDP(m/W)5) 0.82 2.01 4.9 260.5
1) 열전도도(thermal conductivity): 열확산도, 비열 및 밀도의 곱으로 산출되는 열 특성 지표(단위: W/mK)로서, ASTM E 1461의 규격에 따라 측정함. 측정된 열전도도가 5W/mK 이상일 때 방열 소재로서 적합함
2) 기공 함량(void content): 기판의 단면을 SEM으로 촬영하여 측정
3) 내전압: KS C IEC 60243-1에 따라, 1kV/s의 전압상승 속도로 7.5kV의 유지전압에서 1분간 유지하였을 때 파괴를 견디는 여부를 관찰
4) CTE(coefficient of thermal expansion): TMA(Thermomechanical Analysis)를 이용하여 -100℃ 내지 300℃의 측정온도 내에서 10℃/min의 승온 속도로 온도에 따른 치수 변화로서 열팽창계수를 측정
5) TDP(thermal distortion parameter): CTE(ppm/K)/K(W/mK)의 식으로 산출
표 1로부터, 실시예 1 내지 3의 기판은 에폭시 수지에 입자 크기가 상이한 AlN 및 BN의 세라믹 필러가 분산되어 있어 열적 특성 및 내구성 면에서 세라믹 필러가 사용되지 않은 비교예 1의 수지 기판에 비해 우수함을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 경화형 수지에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러가 분산되어 있는 유-무기 복합체를 포함하는 전력 전자 모듈용 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 필러는 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN), 질화 규소(Si3N4) 및 질화 붕소(BN) 중에서 선택되는 2 이상을 포함하는 전력 전자 모듈용 기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 필러는 평균 입경 25 내지 40 ㎛의 질화알루미늄(AlN) 및 평균 입경 5 내지 20 ㎛의 질화 붕소(BN)을 포함하는 전력 전자 모듈용 기판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 질화알루미늄(AlN) 및 질화 붕소(BN)는 1:1 내지 2:1의 중량비로 포함되는 전력 전자 모듈용 기판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 필러는 상기 유-무기 복합체의 전체 중량을 기준으로 60 내지 80 중량%로 포함되는 전력 전자 모듈용 기판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 필러는 실란 커플링제로 표면처리된 것인 전력 전자 모듈용 기판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 경화형 수지는 분자 구조 내에 2개 이상의 벤젠 고리를 구비한 에폭시 화합물을 포함하는 전력 전자 모듈용 기판.
  8. 제1항의 전력 전자 모듈용 유-무기 복합체 기판을 제조하는 방법으로서,
    (S1) 경화형 수지와 경화제를 혼합하는 단계,
    (S2) 상기 혼합물에 입자 크기가 상이한 2종 이상의 세라믹 필러를 분산시켜 유-무기 복합체를 수득하는 단계; 및
    (S3) 상기 유-무기 복합체를 이형 필름 상에 도포하여 가압한 후 상기 이형 필름을 분리하는 단계를 포함하는 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단계 (S3)에서 가압은 10 내지 30 MPa의 압력 및 150 내지 250℃의 온도에서 수행되는 제조방법.
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