KR20230016833A - 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 세라믹 기재의 상하면에 금속층이 구비된 세라믹 기판과, 금속층의 일면에 접합된 히트싱크를 포함하고, 히트싱크는, 금속층에 일면이 접하는 평면부와, 평면부의 타면에 서로 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 방열핀을 구비할 수 있다.
Description
본 발명은 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수냉식 방열을 위한 복수의 방열핀을 구비한 히트싱크와 세라믹 기판의 접합 구조를 갖는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기차는 고전압 배터리에서 제공되는 직류 전압을, 모터를 구동하기 위한 교류 3상 전압으로 변환시키는 인버터가 필요하다.
이러한 인버터는 구동용 배터리의 높은 전압을 모터에 적합한 상태로 조절하여 공급하기 위한 파워모듈이 조립된다. 파워모듈은 전력의 변환을 위한 반도체 칩을 포함하는데, 이러한 반도체 칩은 고전압 고전류 동작으로 인해 고온의 열이 발생한다. 이러한 열이 지속되면 반도체 칩이 열화되고, 파워모듈의 성능이 저하되는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 세라믹 또는 금속 기판의 적어도 일면에 히트싱크를 구비하여, 히트싱크의 방열 기능을 통해 열에 의한 반도체 칩의 열화 현상을 방지하고 있다.
히트싱크는 구리, 알루미늄 등의 열전도도가 높은 금속재로 제조되는데, 이러한 금속의 히트 싱크의 경우에도 방열에 한계가 있어 한계 이상의 열이 발생할 경우 냉각 효율이 급격히 떨어져 고장의 원인이 되고 있다.
아울러, 반도체 칩이 실장되는 기판의 경우에도 열로 인한 휨 등이 발생하여 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 반도체 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있도록 한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판은, 세라믹 기재의 상하면에 금속층이 구비된 세라믹 기판과, 금속층의 일면에 접합된 히트싱크를 포함하고, 히트싱크는, 금속층에 일면이 접하는 평면부와, 평면부의 타면에 서로 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 방열핀을 구비할 수 있다. 히트싱크의 재질은 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나일 수 있다.
복수의 방열핀의 전체 부피를 평면부의 전체 부피로 나눈 부피비는 0.9 내지 1.1일 수 있다. 여기서, 복수의 방열핀의 두께는 평면부의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
복수의 방열핀은 외부의 냉매 순환부에 배치되고, 냉매 순환부를 통해 순환하는 액체형 냉매는 복수의 방열핀과 열교환할 수 있다. 이러한 복수의 방열핀은 사각기둥, 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 중 적어도 하나의 형상으로 구비될 수 있다.
세라믹 기판의 금속층과 히트싱크의 평면부 사이에 배치된 접합층을 더 포함하고, 접합층은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조 방법은, 세라믹 기재의 상하면에 금속층이 구비된 세라믹 기판을 준비하는 단계와, 평면부와 복수의 방열핀이 구비된 히트싱크를 준비하는 단계와, 금속층의 일면과 평면부의 일면을 접합하는 단계를 포함하고, 히트싱크를 준비하는 단계에서, 복수의 방열핀은 평면부의 타면에 서로 간격을 두고 돌출 형성되며, 액체형 냉매와 접촉하도록 구비될 수 있다.
히트싱크를 준비하는 단계에서, 복수의 방열핀의 전체 부피를 평면부의 전체 부피로 나눈 부피비는 0.9 내지 1.1일 수 있다.
접합하는 단계는, 금속층의 일면과 평면부의 일면 사이에 접합층을 배치하는 단계와, 접합층을 용융시켜 금속층의 일면과 평면부의 일면을 브레이징 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
접합층을 배치하는 단계는, 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 0.005mm 이상 1.0mm 이하의 두께를 갖는 접합층을 배치할 수 있다. 또한, 접합층을 배치하는 단계에서, 접합층은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명은 평면부와 복수의 방열핀을 구비하고 열전도도가 높은 히트싱크를 세라믹 기판의 금속층에 일체형으로 브레이징 접합함으로써, 세라믹 기판의 상하부 금속층의 부피 차이에 의해 발생하는 휨 현상을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 히트싱크에서 평면부와 복수의 방열핀의 부피비를 특정 범위 내에 있도록 제어하여 브레이징 접합으로 인한 휨 현상을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 방열핀이 연속해서 순환하는 액체형 냉매에 의해 직접적으로 접촉하여 냉각되는 수냉식 방열 구조이므로, 액체형 냉매의 유속을 조절하여 신속하게 열을 흡수하고 방열시킬 수 있고, 기존의 공냉식 방열 구조에 비해 방열 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 칩 등으로부터 고온의 열이 발생하더라도 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 강제 냉각되어 세라믹 기판의 과열을 방지할 수 있고, 반도체 칩이 열화하지 않도록 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 액체형 냉매가 복수의 방열핀 사이를 이동하도록 구비되기 때문에, 복수의 방열핀의 형상, 개수 및 배치 형태를 변경함에 따라 액체형 냉매의 유속, 냉각 효율 등을 용이하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 배면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 배면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 측면도이다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판(1)은 세라믹 기판(10) 및 히트싱크(100)를 포함한 일체형으로 구비될 수 있다.
세라믹 기판(10)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판, DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 기판들은 세라믹 기재에 금속이 직접적으로 본딩되어 있는 기판들이다. 본 발명의 실시예에서 세라믹 기판(10)은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹 기재(11)와 상기 세라믹 기재(11)의 상하면에 상부 금속층(12) 및 하부 금속층(13)이 구비될 수 있다.
세라믹 기재(11)는 산화물계 또는 질화물계 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 세라믹 기재(11)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 금속층(12) 및 하부 금속층(13)은 열전도도가 우수한 Cu, Al, Cu 합금 중 하나로 이루어진 것을 일 예로 할 수 있다. 세라믹 기재(11)의 상하면에 상부 금속층(12) 및 하부 금속층(13)을 형성시킴에 있어서, 설계 패턴에 따라 상부 금속층(12) 및 하부 금속층(13)의 면적, 두께의 차이가 발생할 수 있다. 이 차이가 일정 비율을 초과할 경우, 고온 환경에서 세라믹 기판(1)이 휘어지는 현상이 발생한다. 경험적 데이터에 의하면, 상부 금속층(12) 및 하부 금속층(13)의 부피비가 0.75 내지 0.85 범위일 경우, 휘어지는 정도가 0.4%를 초과하여 불량으로 폐기될 수밖에 없다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 세라믹 기판(10)의 하부 금속층(13)에 히트싱크(100)를 일체형으로 브레이징 접합하므로 상하부 금속층(12,13)의 부피 차이에 의해 발생하는 휨 현상을 억제할 수 있고, 이와 더불어 직접 냉각 구조이면서 수냉식 방열 구조이므로 방열 성능도 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
히트싱크(100)는 하부 금속층(13)의 일면과 접하는 평면부(110)와, 평면부(110)의 타면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성된 복수의 방열핀(120)을 구비할 수 있다. 후술하겠지만, 복수의 방열핀(120)은 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하도록 구비될 수 있다.
히트싱크(100)는 방열을 위해 열전도도가 높은 Cu, Al, Cu 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다. 열전도도가 높은 Cu의 경우 열팽창 계수가 17ppm/K이므로, 브레이징 접합과 같은 고온 환경에서 열팽창으로 인한 휨이 발생하여 방열 기능이 저하될 수 있다. 이러한 휨이 발생하면 세라믹 기판(10)과 히트싱크(100) 간의 열 전달이 제대로 이루어지지 않는다.
따라서, 본 발명은 세라믹 기판(10)과 히트싱크(100)의 브레이징 접합 시 휨을 최소화할 수 있도록 평면부(110)와 복수의 방열핀(120)의 부피비를 특정 범위 내로 조절하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 히트싱크(100)는 복수의 방열핀(120)의 전체 부피를 평면부(110)의 전체 부피로 나눈 부피비가 0.9 내지 1.1 범위 내에 있도록 설계되는 것이 바람직하고, 휨을 최소화하기 위해 부피비는 1.0에 가깝도록 설계되는 것이 더 바람직하다. 이때, 전체 부피는 전체 면적과 두께의 곱으로 계산되기 때문에 복수의 방열핀(120)의 전체 면적과 평면부(110)의 전체면적이 다른 경우, 두께를 조절하여 부피비가 0.9 내지 1.1 범위 내에 있도록 할 수 있다. 즉, 공간을 사이에 두고 서로 이격된 복수의 방열핀(120)의 전체 면적은 평면부(110)의 전체 면적보다 더 작으므로 두께가 동일할 경우 부피가 대략 4배 이상 차이가 있을 수 있다. 따라서, 복수의 방열핀(120)의 두께(높이)는 평면부(110)의 두께보다 더 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명은 세라믹 기판(10)과 일체형으로 접합되는 히트싱크(100)에서 상부에 배치된 평면부(110)와 하부에 배치된 복수의 방열핀(120)의 부피비가 특정 범위 내에 있도록 제조되기 때문에 브레이징 접합으로 인한 휨 현상을 억제할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 배면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바에 의하면, 상부 금속층(12)은 세라믹 기재(11)의 상면에 형성되고, 회로패턴 형상으로 구비될 수 있다. 예컨대, 상부 금속층(12)은 반도체 칩 또는 주변 부품이 실장될 영역에 전극패턴으로 형성될 수 있다. 여기서, 반도체 칩(c)(도 5 참조)은 SiC, GaN, Si, LED, VCSEL 등의 반도체 칩일 수 있다. 이러한 반도체 칩(c)은 솔더(Solder) 또는 은 페이스트(Ag Paste)를 포함하는 본딩층(b)에 의해 상부 금속층(12)의 상면에 플립칩(flip chip) 형태로 접합될 수 있다.
하부 금속층(13)은 세라믹 기재(11)의 하면에 형성되고, 열 전달이 용이하도록 평판으로 구비될 수 있다. 이러한 평판 형태의 하부 금속층(13)은 전극패턴으로 형성된 상부 금속층(12)의 전체 부피와 비교했을 때 부피 차이가 크기 때문에 고온 환경에서 세라믹 기판(10)이 휘어지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 평면부(110) 및 복수의 방열핀(120)을 구비한 히트싱크(100)를 세라믹 기판(10)과 일체형으로 브레이징 접합함으로써 상하부 금속층(12,13)의 부피 차이에 의해 발생하는 휨 현상을 억제할 수 있다.
평면부(110)는 일면(111)이 하부 금속층(13)의 일면과 직접적으로 접하며, 하부 금속층(13)과의 접합 면적을 최대한 크게 하여 접합력을 높일 수 있도록 평판 형태로 형성될 수 있다. 복수의 방열핀(120)은 평면부(110)의 타면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 복수의 방열핀(120)이 사각기둥 형상인 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 복수의 방열핀(120)은 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 등의 다양한 형상으로 구비될 수 있다. 이러한 방열핀의 형상은 금형 가공, 에칭 가공, 밀링 가공, 기타 가공에 의해 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 복수의 방열핀(120)은 냉매 순환부(2)에 배치될 수 있다. 냉매 순환부(2)는 액체형 냉매가 유입되는 유입구(2a), 액체형 냉매가 배출되는 배출구(2b) 및 유입구(2a)에서 배출구(2b)까지의 내부 유로(미도시)가 구비될 수 있다. 이때, 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)를 통해 유입된 액체형 냉매는 상기 내부 유로를 거쳐 배출구(2b)를 통해 배출될 수 있다. 유입구(2a)와 배출구(2b) 사이에서 액체형 냉매가 이동하는 경로인 내부 유로의 형태와 크기는 다양하게 설계 변경될 수 있으므로, 냉매 순환부(2)의 내부 유로 자체에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
순환 구동부(3)는 냉매 순환부(2)와 연결되고, 펌프(미도시)의 구동력을 이용하여 액체형 냉매를 순환시킬 수 있다. 여기서, 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)는 제1 순환라인(L1)을 통해 순환 구동부(3)와 연결될 수 있고, 냉매 순환부(2)의 배출구(2b)는 제2 순환라인(L2)을 통해 순환 구동부(3)와 연결될 수 있다. 즉, 순환 구동부(3)는 제1 순환라인(L1), 냉매 순환부(2) 및 제2 순환라인(L2)을 포함한 순환 경로를 따라 액체형 냉매를 연속해서 순환시킬 수 있다. 여기서, 액체형 냉매는 탈이온수(Deionized Water)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 액체질소, 알코올, 기타 용매를 사용할 수도 있다.
순환 구동부(3)로부터 공급되는 액체형 냉매는 제1 순환라인(L1)을 통해 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)로 유입되고, 냉매 순환부(2)에 형성된 내부 유로를 따라 이동하여 배출구(2b)를 통해 배출되며, 이후에 제2 순환라인(L2)을 통해 다시 순환 구동부(3)로 이동할 수 있다. 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 순환 구동부(3)는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 순환 구동부(3)의 열교환기는 냉매 순환부(2)의 내부 유로를 통과하면서 온도가 올라간 액체형 냉매의 온도를 낮출 수 있고, 순환 구동부(3)는 열교환기에 의해 온도가 낮춰진 액체형 냉매를 펌프의 구동력을 이용하여 다시 제1 순환라인(L1)으로 공급할 수 있다.
이와 같이, 냉매 순환부(2)는 순환 구동부(3)로부터 공급된 액체형 냉매가 연속해서 순환하도록 구비될 수 있다. 이때, 복수의 방열핀(120)은 냉매 순환부(2)의 내부 유로 내에 배치되고, 내부 유로를 따라 연속해서 순환하는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하여 열교환할 수 있다. 즉, 복수의 방열핀(120)은 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 직접 냉각될 수 있는 수냉식 방열 구조를 가진다.
복수의 방열핀(120)은 반도체 칩(c) 등으로부터 고온의 열이 발생하더라도 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 강제 냉각되어 세라믹 기판(10)의 과열을 방지할 수 있고, 반도체 칩(c)이 열화하지 않도록 일정한 온도로 유지시킬 수 있다. 즉, 반도체 칩(c)에 약 100℃ 이상의 고온의 열이 발생하더라도, 냉매 순환부(2)의 내부 유로를 따라 순환하는 액체형 냉매의 온도는 약 25℃이므로 복수의 방열핀(120)으로 전달된 열을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
종래에는 세라믹 기판에 방열을 위한 베이스 플레이트를 솔더링 접합하거나 Ag sintering 접합하는데, 이때 사용되는 Ag 에폭시 등의 Soldering paste나 Ag sintering Film의 경우 열전도도가 약 110W/mK 정도로 낮아 냉각 효율이 떨어지고, 그라파이트(graphite)와 같은 TIM(Thermal Interface Materials) 물질을 코팅하는 공정 등이 추가로 수행되어야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
반면, 본 발명은 평면부(110) 및 복수의 방열핀(120)을 구비한 히트싱크(100)를 세라믹 기판(10)에 브레이징 접합하며, 브레이징 접합 시 사용되는 Ag, AgCu, AgCuTi와 같은 재료는 열전도도가 약 350W/mK 이상이므로 종래에 비해 열전도도가 약 4배 이상 높아 방열 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 종래에 비해 공정을 단순화할 수 있고 에너지와 비용을 절감할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판(1)은 핀휜(pin-fin) 구조의 히트싱크(100)와 세라믹 기판(10)이 일체화된 구성으로서, 반도체 칩(C)으로부터 발생한 열을 직접 냉각할 수 있는 구조이기 문에 경량화 및 소형화를 구현하면서도 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판(1)은 수냉식 방열 구조이므로 액체형 냉매의 유속을 가변시켜 신속하게 열을 흡수하고 방열시킬 수 있고, 이로 인해 기존의 공냉식 방열 구조에 비해 방열 효과를 극대화할 수 있다.
복수의 방열핀(120)의 형상, 개수 및 배치 형태는 설계 시 사전 시뮬레이션 결과에 따라 다양하게 변경 가능하다. 액체형 냉매는 복수의 방열핀(120) 사이를 이동하므로, 복수의 방열핀(120)의 형상, 개수 및 배치 형태를 변경함에 따라 액체형 냉매의 유속, 냉각 효율 등이 용이하게 제어될 수 있다.
한편, 비록 도시되지는 않았으나, 세라믹 기판(10) 및 히트싱크(100)는 접합층(200)에 의해 서로 접합될 수 있다, 이때, 접합층(200)은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다. Ag, AgCu 및 AgCuTi는 열전도도가 높아 접합력을 높이는 역할과 동시에 열 전달을 용이하게 하여 방열 효율을 높일 수 있다. 접합층(200)은 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있고, 두께는 약 0.005mm 내지 1.0mm일 수 있다.
접합층(200)은 세라믹 기판(10)의 하부 금속층(13)과 히트싱크(100)의 평면부(110) 사이에 배치될 수 있고, 브레이징 온도에서 세라믹 기판(10)과 히트싱크(100)를 일체로 접합시킬 수 있다. 브레이징 온도는 800℃ 내지 950℃일 수 있다. 브레이징 접합은 모재의 용융점 이하의 온도에서 접합층(200)만 용융시킨 뒤 접합하고자 하는 모재들 사이에 젖음 현상과 모세관 현상 등을 이용하여 침투, 확산시켜 접합하는 것으로, 접합 강도가 우수하므로 일반 용접 접합 등에 비해 접합 신뢰성이 우수하다.
한편, 세라믹 기판(10)과 히트싱크(100)는 열화학적 접합을 통해 가접착된 후 브레이징 접합될 수도 있다. 이때, 열화학적 접합은 열융착, 접착제, 점착제 등을 이용한 접합일 수 있다. 이와 같이, 세라믹 기판(10)과 히트싱크(100)는 브레이징 접합, 열화학적 접합과 같은 접합 방식에 의해 서로 기밀하게 접합될 수 있고, 수압, 유압 등에 견딜 수 있는 높은 접합 강도를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 세라믹 기재(11)의 상하면에 금속층(12,13)이 구비된 세라믹 기판(10)을 준비하는 단계(S10)와, 평면부(110)와 복수의 방열핀(120)이 구비된 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)와, 금속층(13)의 일면과 평면부(110)의 일면(111)을 접합하는 단계(S30)를 포함할 수 있다. 여기서, 세라믹 기판(10)을 준비하는 단계(S10), 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)는 순차적으로 수행되거나, 서로 순서를 바꾸어 수행될 수 있고, 실질적으로 동시에 수행될 수도 있다.
세라믹 기판(10)을 준비하는 단계(S10)에서, 세라믹 기판(10)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판, DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 세라믹 기판(10)은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹 기재(11)와 상기 세라믹 기재(11)의 상하면에 상부 금속층(12) 및 하부 금속층(13)이 구비될 수 있다.
히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)에서, 히트싱크(100)는 방열을 위해 열전도도가 높은 Cu, Al, Cu 합금 등의 재질로 이루어질 수 있고, 평면부(110) 및 복수의 방열핀(120)이 구비될 수 있다. 평면부(110)는 일면(111)이 하부 금속층(13)과 접하는 부분으로 접합 면적을 최대한 크게 할 수 있도록 평판 형태로 구비될 수 있다. 복수의 방열핀(120)은 평면부(110)의 타면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성될 수 있다. 이러한 복수의 방열핀(120)은 외부의 냉매 순환부(2)(도 5 참조)에 배치되어 냉매 순환부(2)를 통해 순환하는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하도록 구비될 수 있다.
복수의 방열핀(120)은 사각기둥, 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 중 적어도 하나의 형상으로 구비될 수 있고, 이러한 다양한 형상은 금형 가공, 에칭 가공, 밀링 가공, 기타 가공에 의해 구현될 수 있다. 본 실시예에서 복수의 방열핀(120)은 히트싱크(100)를 준비하는 단계에서 형성된 예를 설명하고 있으나, 복수의 방열핀(120)은 접합하는 단계(S30) 이후에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 두꺼운 평판 형태의 히트싱크(100)를 준비하여 세라믹 기판(10)의 하부 금속층(13)에 접합한 후, 에칭 가공, 밀링 가공 등에 의해 일부분을 제거하여 복수의 방열핀(120)을 형성할 수도 있다.
또한, 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)에서, 복수의 방열핀(120)의 전체 부피를 평면부(110)의 전체 부피로 나눈 부피비는 0.9 내지 1.1일 수 있다. 복수의 방열핀(120)은 공간을 사이에 두고 서로 이격되게 배치되기 때문에, 평판으로 형성된 평면부(110)와의 부피 차이가 클 경우 고온 환경에서 휘어지는 현상이 발생한다. 따라서, 본 발명은 복수의 방열핀(120)의 두께를 평면부(110)의 두께보다 두껍게 형성하여 복수의 방열핀(120) 및 평면부(110)의 부피비를 0.9 내지 1.1 범위 내에 있도록 제어하고, 이를 통해 부피 차이에 의해 발생하는 휨 현상을 억제할 수 있다.
금속층(13)의 일면과 평면부(110)의 일면(111)을 접합하는 단계(S30)는, 접합층(200)을 배치하는 단계(S31)와, 브레이징 접합하는 단계(S32)를 포함할 수 있다.
접합층(200)을 배치하는 단계(S31)는, 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 0.005mm 이상 1.0mm 이하의 두께를 갖는 접합층(200)을 배치할 수 있다. 이때, 접합층(200)은 하부 금속층(13)의 일면과 평면부(110)의 일면(111) 사이에 배치할 수 있다. 접합층(200)은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
접합층(200)을 배치하는 단계(S31) 이후에, 접합층(200)을 용융시켜 금속층(13)의 일면과 평면부(110)의 일면(111)을 브레이징 접합하는 단계(S32)를 수행할 수 있다. 브레이징 접합하는 단계(S32)는, 하부 금속층(13)의 일면과 평면부(110)의 일면(111) 사이에 개재된 접합층(200)을 800℃ 내지 950℃에서 용융시켜 브레이징 접합할 수 있고, 이때 접합력을 높이기 위해 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 세라믹 기판에 히트싱크를 브레이징 접합하며, Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 접합층으로 브레이징 접합하기 때문에 종래에 비해 열전도도가 약 4배 이상 높아 방열 효과를 극대화할 수 있다.
아울러, 본 발명은 핀휜(pin-fin) 구조의 히트싱크와 세라믹 기판이 일체화된 것으로, 반도체 칩으로부터 발생한 열을 직접 냉각할 수 있는 구조이기 문에 경량화 및 소형화를 구현하면서도 방열 성능을 높일 수 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 히트싱크 일체형 세라믹 기판
2: 냉매 순환부
2a: 유입구 2b: 배출구
3: 순환 구동부 L1: 제1 순환라인
L2: 제2 순환라인 10: 세라믹 기판
11: 세라믹 기재 12: 상부 금속층
13: 하부 금속층 100: 히트싱크
110: 평면부 111: 평면부의 일면
112: 평면부의 타면 120: 복수의 방열핀
200: 접합층
2a: 유입구 2b: 배출구
3: 순환 구동부 L1: 제1 순환라인
L2: 제2 순환라인 10: 세라믹 기판
11: 세라믹 기재 12: 상부 금속층
13: 하부 금속층 100: 히트싱크
110: 평면부 111: 평면부의 일면
112: 평면부의 타면 120: 복수의 방열핀
200: 접합층
Claims (12)
- 세라믹 기재의 상하면에 금속층이 구비된 세라믹 기판; 및
상기 금속층의 일면에 접합된 히트싱크를 포함하고,
상기 히트싱크는,
상기 금속층에 일면이 접하는 평면부; 및
상기 평면부의 타면에 서로 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 방열핀을 구비하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 방열핀의 전체 부피를 상기 평면부의 전체 부피로 나눈 부피비는 0.9 내지 1.1인 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 방열핀의 두께는 상기 평면부의 두께보다 두꺼운 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 방열핀은 외부의 냉매 순환부에 배치되고,
상기 냉매 순환부를 통해 순환하는 액체형 냉매는 상기 복수의 방열핀과 열교환하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 방열핀은 사각기둥, 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 중 적어도 하나의 형상으로 구비된 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 제1항에 있어서,
상기 히트싱크의 재질은 Cu, Al, Cu 합금 중 어느 하나인 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 제1항에 있어서,
상기 세라믹 기판의 금속층과 상기 히트싱크의 평면부 사이에 배치된 접합층을 더 포함하고,
상기 접합층은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어진 히트싱크 일체형 세라믹 기판. - 세라믹 기재의 상하면에 금속층이 구비된 세라믹 기판을 준비하는 단계;
평면부와 복수의 방열핀이 구비된 히트싱크를 준비하는 단계; 및
상기 금속층의 일면과 상기 평면부의 일면을 접합하는 단계를 포함하고,
상기 히트싱크를 준비하는 단계에서,
상기 복수의 방열핀은 상기 평면부의 타면에 서로 간격을 두고 돌출 형성되며, 액체형 냉매와 접촉하도록 구비된 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 히트싱크를 준비하는 단계에서,
상기 복수의 방열핀의 전체 부피를 상기 평면부의 전체 부피로 나눈 부피비는 0.9 내지 1.1인 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 접합하는 단계는,
상기 금속층의 일면과 상기 평면부의 일면 사이에 접합층을 배치하는 단계; 및
상기 접합층을 용융시켜 상기 금속층의 일면과 상기 평면부의 일면을 브레이징 접합하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 접합층을 배치하는 단계는,
도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 0.005mm 이상 1.0mm 이하의 두께를 갖는 접합층을 배치하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 접합층을 배치하는 단계에서,
상기 접합층은 Ag, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어진 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |