KR20240019052A - 방열기판 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
개시되는 방열기판 및 이의 제조방법은, 탄소복합체를 제조한 후, 탄소복합체를 소결시켜 탄소복합체층을 형성하는 공정(S1); 및 탄소복합체층의 하부에 금속층을 적층시키는 공정(S2);을 포함한다.
Description
본 발명(Disclosure)은, 전기자동차 및 무선통신용 반도체에 사용되는, 열전도도가 우수한 방열기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
방열소재 및 방열기판 시장과 밀접한 관련이 있는 전기자동차용 전력반도체 및 무선통신용 반도체 시장은 지속적으로 성장하고 있다.
전술한 전기자동용 전력반도체의 경우 전기자동차의 장거리 주행 가능 여부가 이슈화 됨에 따란 고출력 IGBT(절연게이트 양극성 트랜지스터)의 적용이 증가하고 있으며, 이에 의해 반도체로부터 발생되는 발열의 온도도 높아지고 있다.
이에, 차세대 전력반도체는 고출력화와 고주파수화의 방향으로 진행되기 때문에 고효율의 방열 특성을 나타내는 기판의 적용이 절대적으로 필요한 실정이다.
또한, 4차 산업의 성장세에 따라 5세대 무선통신의 중요성이 커지고 있으며, 기존 4세대와 비교 시 최소 30배 이상 데이터 전송속도가 빨라짐에 따라 파워TR에서 발생하는 고열로 인해 제품의 효율 및 수명 저하의 문제가 야기되기 때문에 발열문제의 해결 및 고전력을 버틸 수 있는 방열기판이 필요한 실정이다.
본 발명(Disclosure)은, 집열 및 방열 기능을 동시에 발휘할 수 있는, 열전도도가 우수한 방열기판 및 이의 제조방법의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명을 기술하는 여러 관점들 중 어느 일 관점(aspect)에 따른 방열기판의 제조방법은, 탄소복합체를 제조한 후, 탄소복합체를 소결시켜 탄소복합체층을 형성하는 공정(S1); 및 탄소복합체층의 하부에 금속층을 적층시키는 공정(S2);을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 방열기판 제조방법에서, 공정(S1)에서의 탄소복합체는, 그래파이트 분말의 표면에 구리가 도금되어 제조되되, 그래파이트 분말은 50㎛~350㎛의 입도를 가지며, 구리는 2.5㎛~6,5㎛의 두께로 도금될 수 있다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 방열기판 제조방법에서, 공정(S1)에서의 소결은, 탄소복합체를 몰드 내부에 투입한 후 몰드를 핫 프레스 소결장치의 챔버 내부로 장입하고, 챔버의 내부를 진공 상태로 만든 후 940~950℃로 유지시킨 상태 하에서 몰드 내부에 투입된 탄소복합체의 상부 측 및 하부 측을 동시에 20~50㎫의 압력으로 50~70분 동안 가압할 수 있다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 방열기판 제조방법에서, 공정(S2)에서의 금속층은, 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 형성되며, 금속층을 형성하는 금속은 분말로 제공되어 탄소복합체층에 저온분사되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방열 기판은, 발열부품의 열을 집열하는 금속층과, 금속층에 집열된 열을 방열하는 탄소복합체층으로 이루어지기 때문에 뛰어난 방열 효과를 얻을 수 있게 한다.
이하, 본 발명에 따른 방열기판 및 이의 제조방법을 구현한 실시형태를 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상에 기초하여 통상의 기술자에 의해 이하에서 설명되는 실시형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안될 수 있는 범위를 포섭함을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 방열기판은 발열부품의 열을 집열하는 금속층과, 금속층에 집열된 열을 방열하는 탄소복합체층을 포함한다.
여기서, 금속층은 탄소복합체층의 하부에 적층되어 제공된다.
하기에는 전술한 바와 같이 형성되는 본 발명에 따른 방열기판의 제조방법을 설명한다.
본 발명에 따른 방열기판은 탄소복합체층을 형성하는 단계(S1) 및 탄소복합체층의 하부에 금속층을 적층시키는 단계(S2)를 포함한다.
제 1 공정 : 탄소복합체층 형성 단계(S1)
제 1 공정(S1)은 탄소복합체를 제조한 후, 탄소복합체를 통상의 핫 프레스(Hot Press) 소결장치를 이용하여 고온 고압으로 소결시켜 탄소복합체층을 형성하는 공정이다.
(1) 탄소복합체의 제조
탄소복합체는 그래파이트(graphite) 분말의 표면에 구리(Cu)를 얇게 입혀 제조되며, 이때 구리(Cu)는 통상의 무전해 도금 공법을 이용해 그래파이트 분말의 표면에 도포된다.
여기서, 무전해 도금 공법은 공지의 기술이므로 본 발명에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
그리고 탄소복합체를 구성하는 그래파이트 분말은 50㎛~350㎛의 입도를 가지도록 제공되며, 구리(Cu)는 2.5㎛~6.5㎛의 두께로 도금된다.
여기서, 그래파이트 분말의 입도가 50㎛ 미만일 경우, 분말이 미세하여 도금 시 교반과정에서 부유되거나 불균일한 도금이 진행될 수 있고, 350㎛를 초과하면 흑연 분말의 거대 조직이 판상에 그대로 남아 소결 시 공극의 크기가 커짐으로서 최종 제품의 강도에 나쁜 영향을 미치며, 밀도편차가 생길 수 있다.
그리고 구리(Cu)의 도금 두께가 2.5㎛ 미만이면 그라파이트 분말의 부피비가 높게 되어 열전도도는 우수하지만 소결체의 취성이 증가하여 세라믹 기판과의 접합 시 문제가 생길 수 있고, 구리(Cu)의 도금 두께가 6.5㎛를 초과하면 그라파이트의 부피비가 너무 낮게 되어 열전도도 값이 낮아지며, 세라믹 기판과의 접합 시 열팽창계수의 차이로 접착계면 특성이 저하된다.
(2) 탄소복합체의 소결
전술한 바와 같이 탄소복합체가 제조되면, 탄소복합체를 통상의 핫 프레스 소결장치의 몰드(mold) 내부에 투입시키고, 탄소복합체가 투입된 몰드를 핫 프레스 소결장치의 챔버 내부로 장입시킨 후 챔버 내부를 진공 상태로 만든다.
그리고 챔버 내부 온도를 940~950℃로 유지시킨 상태 하에서 몰드 내부에 투입된 탄소복합체의 상부 측 및 하부 측을 동시에 20~50㎫의 압력으로 50~70분 동안 가압하여 탄소복합체층을 제조한다.
여기서, 챔버 내부의 온도, 압력 및 시간이 전술한 하한 임계값 미만이면 탄소복합체가 소결되지 않으며, 챔버 내부의 온도, 압력 및 시간이 전술한 상한 임계값을 초과하여도 무방하나 탄소복합체층의 생산성이 떨어진다.
제 2 공정 : 금속층 형성 단계(S2)
제 2 공정(S2)은 제 1 공정(S1)에서 제조된 탄소복합체층의 하부에 금속층을 적층시키는 공정이다.
금속층을 형성하는 금속으로는, 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 어느 하나를 분말화하여 준비한다.
그리고 준비된 금속분말은 탄소복합층을 형성하는 구리(Cu)의 변형 및 변질을 막을 수 있도록 탄소복합체층의 하부에 저온분사되어 형성된다.
즉, 금속분말은 저온분사 코팅기의 작동에 의해서 분사노즐을 통해 비활성가스와 함께 초음속으로 분사되어 탄소복합체층의 하부에 충돌하게 되고, 그 결과 금속분말은 소성변형을 일으키면서 탄소복합체층의 하부에 코팅된다.
여기서, 금속층 형성을 위한 저온분사 공정 조건은 하기 표 1과 같다.
| 공정조건 | |
| 금속분말 입도 | 5~100㎛ |
| 사용가스 | 질소 |
| 메인가스 온도 | 200~800℃ |
| 금속분말의 예열온도 | |
| 금속분말 송급양 | 3~4㎏/hr |
| 메인가스 압력 | |
| 분사노즐과 탄소복합체층과의 거리 | 10~60㎜ |
| 분사노즐의 이동속도 | 10㎜/sec |
표 1. 저온분사 공정 조건
한편, 금속층은 탄소복합층과의 결합력을 높이기 위해서 열처리 공정을 더 거칠 수 있다.
여기서, 열처리는 통상의 레이저 열처리 또는 고주파 열처리 일 수 있다.
이와 같이 형성된 본 발명에 따른 방열기판은 발열부품의 열을 집열하는 금속층과, 금속층에 집열된 열을 방열하는 탄소복합체층으로 이루어지기 때문에 뛰어난 방열 효과를 얻을 수 있게 한다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
Claims (1)
- 탄소복합체를 제조한 후, 상기 탄소복합체를 소결시켜 탄소복합체층을 형성하는 공정(S1); 및
상기 탄소복합체층의 하부에 금속층을 적층시키는 공정(S2);을 포함하는 방열기판의 제조방법.
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