KR20230116263A - 방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 전기 저항이 낮고, 절연 내력 및 박리 강도(Peel Strength)가 우수하며, 방열 장치와 일체화 되어 우수한 방열 효율을 제공함과 동시에 생산성이 우수한, 방열 장치 일체형의 반도체용 방열 기판 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판은, 동일한 전극 금속판으로부터 형성된 것으로, 상기 전극 금속판의 두께 중 적어도 일부가 절삭되어 형성된 패턴 스페이스에 의해 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴; 상기 다수의 전극 패턴 바로 아래에 형성된 절연층, 및 상기 절연층과 일체로 형성되어 상기 패턴 스페이스를 상기 전극 패턴의 바닥면보다 높고 상면보다 낮은 높이까지 메우며 상기 다수의 전극 패턴 측면에 직접 접촉되어 이들을 지지하도록 형성된 절연재 충전부를 포함하는 절연체부; 상기 절연층 아래에 배치되어 상면은 상기 절연층과 직접 접촉하고, 저면에는 냉매가 소통되는 공간의 적어도 일부를 형성하며 상기 냉매와의 접촉면는 구성하는 구조가 일체로 형성되어 상기 전극 패턴으로부터 전도된 열을 상기 냉매에 전달하는 금속 베이스; 및, 상기 금속 베이스의 상기 저면 측에 배치되고, 냉매 입구 및 출구를 제외하고는 상기 냉매가 소통되는 공간이 외부로부터 밀봉되도록 상기 금속 베이스와 결합되는 하부 커버; 를 포함한다.

Description

방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판 및 그 제조 방법 {Substrate For Semiconductor Device Integrated With Heat Dissipating Apparatus}
본 발명은 방열 장치와 일체화된 반도체 소자 실장용 방열 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 반도체 소자 실장용 회로기판의 기능을 수행하는 방열 기판에 있어서, 고전력 반도체 소자 또는 고출력 LED 등의 실장에 적합하도록 두꺼운 전극 금속판을 구비하고, 전극 금속판 이면에 방열 장치가 일체화된 방열 기판의 구조적 특징 및 이를 구현하는 제조방법에 관한 것이다.
최근 전력 산업 분야에서는 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 신재생 에너지 연구 개발 및 전기 전자 기기의 효율 향상과 에너지 절감 문제에 대해서 적극적으로 연구하고 있다. 여기에 사용되는 핵심 부품은 파워 디바이스를 활용한 파워 모듈, 즉 전력 반도체 모듈이다. 조명 분야에서도 자동차 전조등, 가로등, 스마트팜용 식물 생장등과 같이 높은 출력이 필요한 광원에 대해서도 효율성과 수명이 우수한 LED 광원을 적용하는 추세다.
이들 디바이스에서 사용되는 전류는 수십~수백 암페어(Ampere)에 이르고, 또한 전압도 수백~수천 볼트(Volt)로 고전력(High-power)이기 때문에 디바이스 모듈에서 발생하는 열이 많고 그 열에 의한 디바이스의 오동작과 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다. 이러한 불량 또는 효율 저하를 방지하기 위해서 반도체 소자에서 발생한 열을 어떻게 신속히 방출시킬 것인가가 관건이다. 고출력 LED 광원 모듈의 경우에도 방열은 장치의 수명과 효율성을 판가름하는 결정적인 요소이다.
종래의 전력 반도체용 인쇄회로기판의 제조 방법은 열전도도가 높은 금속 기판과 동박 사이에 절연층을 삽입하고, 고온 고압으로 적층(Hot press) 한 후에 일반적인 인쇄회로기판 제조 공정을 거쳐서 제조한다. 일반적인 인쇄회로기판 제조 공정은 동박으로 이루어진 층에 회로 전극 패턴을 형성하기 위해 에칭 또는 도금 공정을 활용한다. 동박의 두께가 얇으면 전기 저항이 커서 고전력 반도체 디바이스에 적합하지 않고, 동박의 두께가 두꺼우면 에칭 또는 도금 공정의 한계에 부딪치게 된다. 더구나 에칭이나 도금 공정은 유독성 화학 물질이나 중금속 물질의 사용으로 인해 환경오염을 유발하는 큰 문제가 있다. 오염 물질의 배출을 최소화할 수 있는 친환경적 제조 방법의 개발이 요구된다.
이와 같은 기술적 과제의 해결을 위해, 출원인은 등록특허 제10-2055587호, 제10-2283906호, 제10-2120785호를 통해 전극 금속층의 두께 중 전부 또는 일부를 절삭 가공하여 반도체용 방열기판의 성능, 내구성 및 생산성을 향상시키고, 오염 물질 배출을 감소시킬 수 있는 구성 및 제조방법을 제시해 오고 있다.
한편, 인쇄회로기판에서 고전력 반도체 디바이스 등에 충분한 방열 효과를 얻기 위해서는 히트싱크, 워터자켓, 히트파이프 또는 열교환기 등의 방열 장치를 별도로 부착할 것이 요구되는 경우가 많다. 문제는 인쇄회로기판에 이들 방열 장치를 부착하기 위한 접합면의 열전도 저항이 크다는 점과, 브레이징 등의 접합 과정에서 회로에 불량이 야기될 수 있다는 점이다. 그리고 인쇄회로기판의 베이스가 세라믹 기판인 경우는 이들 방열 장치와의 접합을 위해 세라믹 기판의 메탈라이징을 선행해야 하는 등 접합이 어렵고 많은 비용이 소요된다.
등록특허 제10-2055587호 등록특허 제10-2120785호 등록특허 제10-2283906호
본 발명은 전기 저항이 낮고, 절연 내력 및 박리 강도(Peel Strength)가 우수하며, 방열 장치와 일체화 되어 우수한 방열 효율을 제공함과 동시에 생산성이 우수한, 방열 장치 일체형의 반도체용 인쇄회로기판 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판은, 동일한 전극 금속판으로부터 형성된 것으로, 상기 전극 금속판의 두께 중 적어도 일부가 절삭되어 형성된 패턴 스페이스에 의해 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴; 상기 다수의 전극 패턴 바로 아래에 형성된 절연층, 및 상기 절연층과 일체로 형성되어 상기 패턴 스페이스를 상기 전극 패턴의 바닥면보다 높고 상면보다 낮은 높이까지 메우며 상기 다수의 전극 패턴 측면에 직접 접촉되어 이들을 지지하도록 형성된 절연재 충전부를 포함하는 절연체부; 상기 절연층 아래에 배치되어 상면은 상기 절연층과 직접 접촉하고, 저면에는 냉매가 소통되는 공간의 적어도 일부를 형성하며 상기 냉매와의 접촉면는 구성하는 구조가 일체로 형성되어 상기 전극 패턴으로부터 전도된 열을 상기 냉매에 전달하는 금속 베이스; 및, 상기 금속 베이스의 상기 저면 측에 배치되고, 냉매 입구 및 출구를 제외하고는 상기 냉매가 소통되는 공간이 외부로부터 밀봉되도록 상기 금속 베이스와 결합되는 하부 커버; 를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전기 저항이 낮고, 절연 내력 및 박리 강도(Peel Strength)가 우수하며, 방열 장치와 일체화 되어 우수한 방열 효율을 제공함과 동시에 생산성이 우수한, 방열 장치 일체형의 반도체용 인쇄회로기판 및 그 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판이 적용된 반도체 모듈을 보인다.
도 2는 상기 도 1 실시예의 한 실시 형태에 따른 II-II' 단면을 보인다.
도 3은 상기 도 1 실시예의 다른 실시 형태에 따른 단면을 보인다.
도 4는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
도 5는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
도 6은 상기 도 3의 실시 형태에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판의 제조 과정을 보인다.
도 7은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 평판형 열교환기 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
도 8은 상기 도 8의 실시예에서 금속 베이스 저면에 형성된 유로 패턴의 예를 보인다.
도 9는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 히트 파이프 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속한 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 위, 아래, 상면, 저면 등의 방향은 반대되는 언급이 있는 경우를 제외하고는 참조된 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형의 반도체용 방열 기판이 적용된 반도체 모듈을 보인다.
본 발명의 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M)이 적용된 반도체 모듈은 전력 반도체 소자(301)를 포함하는 전력 반도체 모듈일 수 있다. 상기 전력 반도체 소자(301)는 상기 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M) 상면에 배치된 다수의 전극 패턴(31) 중 적어도 하나의 전극 패턴 상에 실장되고, 와이어 본딩(302)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 다른 형태의 예로서 전력 반도체 소자는 다수의 입출력 단자 또는 패드 전극을 구비하고, 이들이 다수의 전극 패턴(31) 상에 표면실장(SMT) 될 수도 있다. 상기 다수의 전극 패턴(31)은 이들과 상기 워터자켓(101)의 상부 금속 베이스(12) 사이의 절연층 위에 떠 있고, 상기 다수의 전극 패턴(31) 중 서로 인접한 패턴과 패턴 사이의 패턴 스페이스(32) 및 상기 다수의 전극 패턴으로 구성된 전극 패턴 그룹의 주변부의 절연재 충전부를 포함하는 절연체부(20)에 의해 둘러싸인 아일랜드 형태로 형성된다.
전극 금속판(30)은 구리, 구리-망간 합금, 알루미늄, 니켈 등 비저항 낮고, 열전도성 및 가공성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 전극 패턴(31)은 상기 전극 금속판(30)의 일부분이 바닥까지 삭제되어 상기 절연층(20)을 노출시키는 절연 스페이스(32)에 의해 구획된다.
여기서 상기 다수의 전극 패턴(31)을 형성하는 전극 금속판의 두께는 0.2mm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 전술한 주변부 및 절연 스페이스(32)에 절연체가 충전된 절연재 충전부의 높이는 상기 전극 패턴(31)의 저면보다 높고, 상기 전극 패턴(31)의 상면보다 낮거나 같도록 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구조는 상기 다수의 전극 패턴(31)들 사이의 절연 내력은 물론, 반도체용 방열기판(M)과 외부 회로 사이의 절연 내력도 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 절연재 충전부에 상기 전극 패턴(31)의 적어도 일부가 매립되어 있는 구조여서 상기 다수의 전극 패턴(31)에 대한 박리 강도를 향상시킨다.
상기 워터자켓(101)은 인쇄회로기판의 베이스 기판 역할을 하는 상기 상부 금속 베이스(12)와 하부 하우징(13)으로 구성될 수 있다. 상기 하부 하우징(13)은 상기 상부 금속 베이스(12)와의 사이에 냉각수 유통 공간을 형성한다. 상기 하부 하우징(13)의 적어도 일측에는 상기 각각 냉각수 유통 공간과 연결된 냉각수 입구(Win) 및 냉각수 출구(Wout)가 마련된다. 상기 상부 금속 베이스(12)와 상기 하부 하우징(13) 각각의 테두리 부분은 서로 접합 또는 체결되어, 상기 냉각수가 외부로 누출되지 않도록 구성된다.
본 실시예에 따르면, 상기 전력 반도체 소자(301)에서 발생한 열이 상기 전극 패턴(31)과 상기 절연층(21)을 통해 상기 상부 금속 베이스(12)로 전달되고, 상기 상부 금속 베이스(12)는 상기 워터자켓(101) 내부에서 상기 냉각수 유통 공간에 유통되는 냉각수와 직접 접촉하므로, 상기 열이 냉각수를 매개로 외부로 빠르게 배출된다.
도 2는 상기 도 1 실시예의 한 실시 형태에 따른 II-II' 단면을 보인다. 도시된 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M1)은 상기 도 1을 참조하여 설명된 실시예의 한 실시 형태로서, 그 내부 구성을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 절연체부(20)는 상기 다수의 전극 패턴(31)과 상기 상부 금속 베이스(12) 사이의 절연층(21)과 상기 패턴 스페이스(32) 및 다수 패턴 전극(31)의 주변부에 절연체가 충전된 절연재 충전부(22)를 포함하여 구성된다. 상기 절연층(21)은 전기 절연성의 합성수지, 산화물 또는 질화물을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 절연층(21)은 전기 절연성 외에도 열전도성 및 내열성이 우수한 소재로 이루어진 것이 바람직하며, 점착 혹은 접착성을 가져 상기 상부 금속 베이스(12)와 상기 전극 패턴(31)을 이루는 전극 금속판을 접합시키는 역할을 겸할 수도 있다. 상기 절연재 충전부(22)는 전술한 절연층(21)과 동일한 소재로 이루어져 상기 절연체부(20)가 일체로 형성될 수 있다. 상기 절연체부(20) 형성에 적합한 소재의 예로서, 위와 같이 전기 절연성과 열전도성, 접착력과 내열성 등의 조건을 충족하는 에폭시 계열의 합성 수지를 들 수 있다.
상기 상부 금속 베이스(12)는 그 상면(121)이 평면을 이루며 상기 절연층(21)과 접하고, 그 하면측에 배치된 다수의 냉각핀(123)은 상기 냉각수 유통 공간(131)의 냉각수와 넓은 접촉 면적을 갖도록 형성된다. 상기 다수의 냉각핀(123)은, 일 예로, 본 도면에 도시된 단면에 수직인 방향으로 연장되어 소정의 구간에서 냉각수의 흐름을 한 방향으로 안내하도록 형성될 수 있다.
하부 커버의 역할을 하는 상기 하부 하우징(13)은 평판 형태의 바닥판(134)과 상기 바닥판(134) 둘레의 테두리 부분으로부터 위쪽으로 연장된 다수의 측벽부(135)에 의해 위쪽으로 열린 오목한 용기 형태로 형성될 수 있다. 상기 바닥판(134)이 직사각형인 경우 네 개의 측벽부(135)를 가지게 된다. 상기 바닥판(134)에는 전술한 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133)가 배치될 수 있다. 상기 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133)는 상기 다수의 측벽부(135) 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 각각 배치될 수도 있다. 상기 바닥판(134)은 도시된 예와 같이, 상기 다수의 냉각핀(123)의 말단부와 약간의 간격을 갖도록 배치될 수 있으나, 상기 냉각수 입구(132) 및 냉각수 출구(133)의 배치에 따라서는 이와 다르게 배치될 수도 있다.
상기 다수의 측벽부(135)의 상단부와 상기 상부 금속 베이스(12)의 테두리 부분은 브레이징 접합부(141)에 의해 서로 접합될 수 있다. 또한, 상기 다수의 냉각핀(123) 중 외곽에 배치된 것 또는 상기 다수의 냉각핀(123)이 배치된 영역의 바깥쪽에서 상기 측벽부(135)와 평행하게 연장된 수직 구조물은 상기 측벽부(135)의 내측면과 소정의 높이 구간에서 서로 맞닿게 중첩되어, 브레이징 과정에서 용융된 접합재가 이들 사이의 미세한 간극을 적시고 다시 응고되어 접합 면적을 넓히도록 구성될 수도 있다.
상기 상부 방열 구조물(12)과 상기 하부 하우징(13)은 구리, 알루미늄 등의 열전도성이 우수한 금속으로 형성될 수 있다. 상기 상부 방열 구조물(12)과 상기 하부 하우징(13)은 동일한 금속으로 이루어진 것일 수 있으나, 서로 다른 금속으로 형성된 것이어도 무방하다.
도 3은 상기 도 1 실시예의 다른 실시 형태에 따른 단면을 보인다.
본 도면에 도시된 실시 형태에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M2)은 전술한 도 2의 실시 형태와 비교하여, 전술한 절연층(21)과 상기 전극 패턴(31)의 저면 사이, 그리고 상기 절연층(21)과 상기 상부 금속 베이스(12)의 상면(121) 사이의 결합력을 향상시키는 다수의 결합 돌기(26)가 형성된 점에 차이가 있다. 상기 다수의 결합 돌기(26)는 상기 전극 패턴(31)의 저면으로부터 오목하게 형성된 결합 돌기용 홈(36)과, 상기 상부 금속 베이스(12)의 상면(121)으로부터 오목하게 형성된 결합 돌기용 홈(126)에 전술한 절연재가 충전되어 경화됨으로써 형성된다. 상기 다수의 결합 돌기(26)는 상기 절연층(21)과 상기 전극 패턴(31) 사이, 상기 절연층(21)과 상기 상부 금속 베이스(12) 사이 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 배치될 수 있다. 한편, 상기 다수의 결합 돌기(26)는 그 단면의 형상이, 상기 절연층(21)과 연결된 뿌리 부분의 폭보다 상기 절연층(21)에서 먼 머리 부분의 폭이 더 넓은, 이른바 도브 테일(dove tail) 형상으로 형성될 수 있다.
상기 다수의 결합 돌기(26)는 상기 다수의 전극 패턴(31)과 상기 절연층(21), 그리고 상기 절연층(21)과 상기 상부 금속 베이스(12) 사이의 열팽창율 차이에 따른 박리 현상을 방지하는 데에 도움이 된다. 특히, 도브 테일 형상의 결합 돌기(26)는 박리 강도(Peel Strength)를 크게 향상시키는 역할을 한다. 한편, 전술한 다수의 결합 돌기(26)는 본 실시 형태에서 불연속적인 점 형태로 형성되어 분포된 것 달리, 부분적으로 연속된 그루브(Groove) 형태로 형성 및 분포될 수도 있다.
전술한 차이점 이외의 구성은 앞서 설명된 도 2의 실시 형태와 동일하므로 나머지 부분에 대한 설명은 여기서는 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
본 도면에 도시된 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M3)은 전술한 도 3의 실시예와 비교하여, 상부 금속 베이스(12S)와 하부 커버 역할 및 냉각수 수용 용기의 역할을 하는 하부 하우징(13S)의 테두리 부분을 서로 결합하는 구조에 차이가 있다. 워터자켓(101S)의 내부 구조 등 나머지 부분에 관한 사항은 도 3의 실시예(M2)와 동일하므로 여기서는 전술한 차이점에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M3)은 상기 상부 금속 베이스(12S)의 테두리 부분에 배치된 상부 플렌지부(127) 및 상기 하부 하우징(13S)의 측벽부 상단으로부터 바깥쪽으로 확장된 하부 플렌지부(137)를 구비하고, 상기 상부 및 하부 플렌지부(127, 137)가 서로 볼트(142)에 의해 체결된 결합 구조를 가질 수 있다. 도시된 것처럼 볼트와 너트의 결합도 가능하고, 상기 상부 플렌지부(127)에 탭 가공을 통해 암나사를 형성하는 것도 가능하다. 상기 상부 및 하부 플렌지부(127, 137) 사이에는 닫힌 루프(closed loop) 형태의 실링 부재(143)가 더 구비된다. 상기 실링 부재(143)는 예컨대 실리콘 오링(O-ring)일 수 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 플렌지부(127, 137) 중 적어도 어느 한쪽에는 오링 홈이 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M3)에서 상기 하부 하우징(13S)은 금속 재질의 상기 상부 금속 베이스(12S)와 달리 금속 뿐만 아니라 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱 소재로는 예컨대, 내열성, 내화학성 등의 요구조건을 충족하는 폴리프로필렌 또는 ABS 수지 등이 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M4) 역시 전술한 도 3의 실시예와 비교하여, 상부 금속 베이스(12B)와 하부 하우징(13B)의 테두리 부분을 서로 결합하는 구조에 차이가 있다. 워터자켓(101B)의 내부 구조 등 나머지 부분에 관한 사항은 도 3의 실시예(M2)와 동일하므로 여기서는 전술한 차이점에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열기판(M4)에서, 전술한 하부 하우징(13B)의 상기 다수의 측벽부(135)의 상단부와 상기 상부 금속 베이스(12B)의 테두리 부분은 구조용 접착제(144)에 의해 서로 접착될 수 있다. 또한 기밀성 향상을 위해 상기 상부 금속 베이스(12B)의 테두리 부분으로부터 돌출된 닫힌 루프 형태의 돌출 구조(128)와, 상기 하부 하우징(13B)의 측벽부(135) 상단부로부터 오목하게 형성된 닫힌 루프 형태의 홈 구조(138)를 더 포함할 수 있다. 상기 돌출 구조(128)와 상기 홈 구조(138)는 서로 대응되는 위치와 형상을 가지고, 이들 사이의 공간이 상기 구조용 접착제(144)로 채워지도록 형성될 수 있다. 한편, 상기 돌출 구조(128)와 상기 홈 구조(138)의 위치는 본 실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 실시예와 서로 반대의 위치에 배치될 수도 있다.
구조용 접착제(Structual Adhesive)(144)는 고도의 접착력과 밀봉력이 안정적으로 지속되어 내하중 및 기타 구조용 요건을 충족할 수 있는 접착제로서, 접착 대상인 모재의 종류와 사용 환경 등에 따라 선택될 수 있다. 본 실시예에서는 모재가 구리, 알루미늄 등의 금속인 점, 냉각수와의 접촉 가능성, 열팽창과 수축이 반복되는 점 등을 고려하여 유연성 에폭시계, 고인성 에폭시계, 또는 우레탄계의 구조용 접착제 중에서 선택될 수 있을 것이다.
도 6은 상기 도 3의 실시 형태에 따른 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판의 제조 과정을 보인다.
먼저, (a)에 도시된 바와 같이, 전극 금속판(30)의 일면에 엔드밀 등의 절삭 툴을 이용한 절삭 가공(밀링)을 통해, 전술한 패턴 스페이스 및 주변부에 대응되는 일정한 깊이의 홈 패턴(330)을 형성한다. 상기 홈 패턴(330)의 깊이는 상기 전극 금속판(30)의 두께보다 얕게 하여, 상기 홈 패턴(330)의 바닥에 잔여부(320)를 남긴다. 상기 잔여부(320)는 평면적으로 볼 때, 상기 패턴 스페이스 및 상기 주변부에 대응되는 부분 전부에 대해 남길 수 있다. 또한, 상기 잔여부(320)의 두께는 0.2mm 미만인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 0.05mm 내지 0.1mm 두께로 형성될 수 있다. 한편, 상기 전극 금속판(30)의 일면에서 상기 홈 패턴(330)을 제외한 나머지 부분, 즉 전극 패턴의 저면이 될 부분에 다수의 결합 돌기용 홈(36)을 형성할 수 있다. 상기 홈 패턴(330) 및 상기 결합 돌기용 홈(36)을 형성하는 공정은 CNC 가공으로 진행될 수 있다.
또한, 이와 병행하여 전술한 구조의 상부 금속 베이스(12) 및 하부 하우징(13)을 마련한다. 상기 상부 금속 베이스(12)와 상기 하부 하우징(13) 역시 두꺼운 금속판 또는 금속 블록을 CNC 가공으로 절삭하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 상부 금속 베이스(12) 저면측에서 다수의 냉각핀(123)이 형성된 영역을 둘러싸는 돌출 구조물(122)은 상기 다수의 냉각핀(123)보다 두꺼운 두께로 형성될 수 있다.
다음으로, (b)에 도시된 바와 같이, 상기 상부 금속 베이스(12)의 테두리 부분과 상기 하부 하우징(13)의 측벽부 상단 사이를 브레이징 공정을 통해 접합한다. 그 결과 브레이징 필러가 용융 및 재응고된 브레이징 접합부(141)가 형성된다.
그런 다음, (c)에 도시된 바와 같이, 전술한 (a)에서 형성된 전극 금속판(30)을 뒤집어서, 상기 홈 패턴(330) 및 상기 결합 돌기용 홈(36)이 상기 상부 금속 베이스(12)의 상면과 마주보게 하고, 이들 사이를 절연성 접착제로 접착하여 전술한 절연체부(20)를 형성한다. 상기 절연성 접착제로는 예컨대 에폭시 수지가 적용될 수 있다. 상기 전극 금속판(30)과 상기 상부 금속 베이스(12)의 서로 마주보는 면에 각각 에폭시 수지를 도포하고, 이들을 맞대어 진공 핫프레스 공정을 진행함으로써 상기 홈 패턴(330) 및 상기 결합 돌기용 홈(36, 126)에 상기 에폭시 수지가 충전되도록 접합할 수 있다.
다음으로, (d)에 도시된 바와 같이, 전술한 잔여부(320), 즉 전술한 홈 패턴(330)에 의해 구획된 다수의 전극 패턴(31)이 상기 전극 금속판(30)의 잔여부(320)에 의해 얇은 두께로 서로 연결되어 있는 부분을 에칭(Etching) 또는 밀링(Milling)을 통해 제거하여 패턴 스페이스(32)를 형성한다.
위와 같은 과정을 통해 전술한 도 3의 실시예와 같은 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판을 제조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 평판형 열교환기 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 평판형 열교환기 일체형 반도체용 방열 기판은 전술한 도 1 내지 도 6의 실시예와 비교하여, 다수의 전극 패턴(31)과 절연체부(20)가 평판형 열교환기(102)와 일체화 된 점에서, 워터자켓(101, 101S, 101B)과 일체화 된 이전의 실시예들과 차이가 있다.
상기 평판형 열교환기(102) 부분의 구성 위주로 살펴보면, 상면(151)이 상기 절연체부(20)와 접하는 상부 금속 베이스(15)는, 그 저면(152)에 음각으로 형성된 유로 패턴(157)을 구비한다. 상기 상부 금속 베이스(15)의 저면(152)은 하부 커버 역할을 하는 평판 형태의 하부 금속판(16)과 브레이징 접합부(141)에 의해 밀봉 접합되어, 상기 유로 패턴(157)과 상기 하부 금속판(16) 사이에 냉매가 유통될 수 있는 냉매 유로(155)가 형성된다.
도 8은 상기 도 8의 실시예에서 금속 베이스 저면에 형성된 유로 패턴의 예를 보인다.
본 도면은 전술한 상부 금속 베이스(15)를 음각 형태로 형성된 상기 유로 패턴(157)이 도면의 위쪽에 보이도록 상기 도 7에 도시된 것과 반대로 뒤집어 도시한 것이다. 상기 유로 패턴(157)은 평판 형태의 상기 상부 금속 베이스(15)의 일면에 CNC 가공을 통해 형성될 수 있다.
전술한 도 7 내지 도 8의 실시예에서도 상기 상부 금속 베이스(15) 및 상기 하부 금속판(16)은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어질 수 있고, 서로 동일한 소재가 적용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 9는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 히트 파이프 일체형 반도체용 방열 기판의 단면을 보인다.
본 실시예에 따른 평판형 열교환기 일체형 반도체용 방열 기판은 전술한 도 7의 실시예와 비교하여, 다수의 전극 패턴(31)과 절연체부(20)가 히트 파이프부(103)와 일체화 된 점에서, 평판형 열교환기(102)와 일체화 된 상기의 실시예와 차이가 있다.
본 실시예에서 금속 베이스(17)는 내부에 히트 파이프(172)가 매립된 것일 수 있다. 상기 히트 파이프(172)는 기체 상태의 냉매가 이동할 수 있는 통로와 상기 통로 주변으로 액체 상태의 냉매가 모세관력에 의해 이동할 수 있는 윅(wick) 구조를 포함하는 것으로, 별도로 제작되어 상기 금속 베이스(17) 내부에 결합될 수 있다. 다만, 상기 히트 파이프(172)가 상기 금속 베이스(17)에 일체로 형성된 것도 배제되지 않는다.
M: 방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판
M1, M2, M3, M4: 워터자켓 일체형 반도체용 방열 기판
12, 12S, 12B, 15, 17: 금속 베이스
13, 13S, 13B: 하부 하우징 16: 하부 금속판
20: 절연체부 21: 절연층
22: 절연재 충전부 26: 결합 돌기
30: 전극 금속층 31: 전극 패턴
32: 패턴 스페이스 36, 126: 결합 돌기용 홈
123: 냉각핀 141: 브레이징 접합재
157: 유로 패턴 172: 히트 파이프

Claims (1)

  1. 동일한 전극 금속판으로부터 형성된 것으로, 상기 전극 금속판의 두께 중 적어도 일부가 절삭되어 형성된 패턴 스페이스에 의해 서로 전기적으로 절연된 다수의 전극 패턴;
    상기 다수의 전극 패턴 바로 아래에 형성된 절연층, 및 상기 절연층과 일체로 형성되어 상기 패턴 스페이스를 상기 전극 패턴의 바닥면보다 높고 상면보다 낮은 높이까지 메우며 상기 다수의 전극 패턴 측면에 직접 접촉되어 이들을 지지하도록 형성된 절연재 충전부를 포함하는 절연체부;
    상기 절연층 아래에 배치되어 상면은 상기 절연층과 직접 접촉하고, 저면에는 냉매가 소통되는 공간의 적어도 일부를 형성하며 상기 냉매와의 접촉면는 구성하는 구조가 일체로 형성되어 상기 전극 패턴으로부터 전도된 열을 상기 냉매에 전달하는 금속 베이스; 및,
    상기 금속 베이스의 상기 저면 측에 배치되고, 냉매 입구 및 출구를 제외하고는 상기 냉매가 소통되는 공간이 외부로부터 밀봉되도록 상기 금속 베이스와 결합되는 하부 커버; 를 포함하는,
    방열 장치 일체형 반도체용 방열 기판.
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