WO2022250382A1 - 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2022250382A1
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Definitions

  • the present invention relates to a heat sink-integrated ceramic substrate and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a heat sink-integrated ceramic substrate having a bonding structure between a heat sink and a ceramic substrate having a multi-layer structure through which a refrigerant enters and exits, and a method for manufacturing the same (CERAMIC SUBSTRATE WITH HEAT SINK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).
  • a power module is a semiconductor module optimized for power conversion or control by modularizing a semiconductor chip such as SiC (Silicon Carbide) or GaN (Gallium Nitride) into a package.
  • SiC Silicon Carbide
  • GaN GaN
  • Such a power module generates high-temperature heat due to high-voltage and high-current operation of a semiconductor chip according to a use environment.
  • a lot of heat is generated in the substrate on which the semiconductor chip is mounted, when the temperature of the substrate rises above a certain level, the semiconductor chip deteriorates and does not work properly.
  • a heat sink is provided on one surface of a ceramic or metal substrate to prevent deterioration of a semiconductor chip due to heat through a heat dissipation function of the heat sink.
  • Heat sinks are made of metal materials with high thermal conductivity, such as copper and aluminum. Even heat sinks made of these metals have limitations in heat dissipation, and when heat exceeding the limit occurs, cooling efficiency rapidly decreases, causing malfunctions.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a heat sink-integrated ceramic substrate and a manufacturing method thereof capable of effectively dissipating heat generated from a semiconductor chip.
  • a heat sink integrated ceramic substrate for achieving the above object is a ceramic substrate including a metal layer on at least one surface of a ceramic substrate, and a multilayer bonded to one surface of the ceramic substrate through which refrigerant enters and exits.
  • a structure may include a heat sink.
  • the heat sink at least two adjacent layers of the multi-layer structure may be formed of different metal materials.
  • the heat sink includes a base layer having inlet holes and discharge holes formed thereon, a flow path layer disposed above the base layer and having a plurality of flow paths arranged in rows, and disposed between the base layer and the flow path layer, and at least one of the plurality of flow paths. It may include at least one intermediate layer in which an inflow passage connecting one end and the inlet hole is formed, and a discharge passage connecting the other end of at least one of the plurality of passages and the discharge hole.
  • the base layer and the passage layer may be formed of the same metal material, and at least one intermediate layer may be formed of a different metal material from those of the base layer and the passage layer.
  • the thermal expansion coefficient of the at least one intermediate layer may be lower than that of the base layer and the flow path layer.
  • the material of at least one intermediate layer may be any one of CuMo and Mo
  • the materials of the base layer and the passage layer may be any one of Cu, Al, stainless steel (STS), and Cu alloy.
  • a total thickness of the at least one intermediate layer may be greater than a thickness of each of the base layer and the passage layer.
  • the refrigerant introduced through the inlet hole may pass through at least one intermediate layer and the passage layer and be discharged through the discharge hole.
  • the inlet hole and the discharge hole are configured to be connected to an external refrigerant circulation driver, and the refrigerant can be continuously circulated by the refrigerant circulation driver.
  • Each of the plurality of passages is provided in a space surrounded by a side wall and a bottom surface, and includes a plurality of pins disposed at intervals from each other, and an inlet hole and an exit hole formed through one end and the other end of the bottom surface with the plurality of pins interposed therebetween, ,
  • the refrigerant introduced into the space through the inlet hole may pass between a plurality of fins and be discharged through the outlet hole.
  • the at least one intermediate layer includes a first intermediate layer having a first inlet passage elongated toward one end of at least one of a plurality of flow passages and a first discharge passage elongated toward the other end of at least one of the plurality of flow passages. And, the first inlet passage may face the inlet hole, and the first discharge passage may face the discharge hole.
  • At least one intermediate layer is disposed between the first intermediate layer and the passage layer, and a second inlet passage formed corresponding to one end of at least one of a plurality of passages and a second discharge passage formed corresponding to the other end of at least one of the plurality of passages
  • a second intermediate layer having a passage may be further included.
  • the second inlet passage may face the first inlet passage
  • the second discharge passage may face the first discharge passage.
  • Each of the plurality of passages is provided with a zigzag-shaped through hole in which a bent shape is repeated, and an inner surface of the through hole and an upper surface of the second intermediate layer form a passage groove, and the refrigerant introduced into the passage groove through the second inflow passage passes through the passage. It can move along the groove and be discharged through the second discharge passage.
  • each of the plurality of passages is provided with a zigzag-shaped passage groove in which a curved shape is repeated, and the passage groove has an inlet hole formed at one end and an exit hole formed at the other end, and the refrigerant introduced into the passage groove through the inlet hole. may move along the passage groove and be discharged through the exit hole.
  • the heat sink may further include a bonding layer bonding the base layer, at least one intermediate layer, and the flow path layer, and the bonding layer may be made of a material including at least one of Ag and AgCu.
  • a heat sink-integrated ceramic substrate manufacturing method includes preparing a ceramic substrate including a metal layer on at least one surface of a ceramic substrate, preparing a heat sink having a multi-layer structure through which a refrigerant enters and exits, and A step of bonding one surface of the substrate and one surface of the heat sink may be included.
  • a heat sink in which at least two adjacent layers of the multilayer structure are made of different metal materials may be prepared.
  • the preparing of the heat sink includes preparing a base layer in which inlet holes and discharge holes are formed, preparing a passage layer in which a plurality of passages are arranged in rows, and including at least one end of the plurality of passages and an inlet hole. preparing at least one intermediate layer in which an inflow passage connecting the passage is formed and a discharge passage connecting the other end of at least one of the plurality of passages and the discharge hole is formed; and forming a bonding layer on at least one surface of the at least one intermediate layer. and laminating a base layer, at least one intermediate layer, and a flow path layer.
  • the preparing of the heat sink may further include brazing-bonding the base layer, the at least one intermediate layer, and the flow path layer by melting the bonding layer.
  • Bonding one surface of the ceramic substrate and one surface of the heat sink includes forming a bonding base material on one surface of the ceramic substrate or one surface of the flow path layer, arranging the one surface of the ceramic substrate and one surface of the flow path layer to face each other, Brazing bonding of the base layer, at least one intermediate layer, the channel layer, and the ceramic substrate at the same time by melting the bonding base material and the bonding layer may be included.
  • the thermal expansion coefficient of the heat sink is lowered to prevent warping at high temperatures, It has excellent thermal conductivity and can maximize the heat dissipation effect.
  • the ceramic substrate can be prevented from overheating by circulating the refrigerant through the heat sink.
  • heat generated from a semiconductor chip is forcibly cooled using a refrigerant to maximize a heat dissipation effect, and the semiconductor chip can be maintained at a constant temperature so as not to deteriorate.
  • the passage groove through which the refrigerant passes has a zigzag shape in which bent shapes are repeated, it is easy to enlarge the heat dissipation area by extending the path through which the refrigerant moves.
  • the present invention can easily control the movement of the refrigerant by changing the number and arrangement of the plurality of fins by forming a passage so that the refrigerant moves between the plurality of fins.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a configuration in which an external refrigerant circulation driving unit is connected to a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a heat sink according to a first modified example in which an intermediate layer and a base layer are different from the embodiment of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating a heat sink according to a second modified example in which an intermediate layer is different from the embodiment of FIG. 3 .
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view illustrating a heat sink having a different flow path layer in the embodiment of FIG. 8 .
  • FIG. 11 is a plan view illustrating the heat sink of FIG. 10 .
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating steps of preparing a heat sink in the heat sink integrated ceramic substrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a step of bonding one surface of a ceramic substrate and one surface of a heat sink in a method of manufacturing a heat sink integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a configuration in which an external refrigerant circulation driving unit is connected to a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • a heat sink-integrated ceramic substrate 1 may be integrally provided including a ceramic substrate 10 and a heat sink 100 .
  • a semiconductor chip 200 may be mounted on an upper surface of the ceramic substrate 10 .
  • the semiconductor chip 200 may be a semiconductor chip such as SiC, GaN, Si, LED, or VCSEL.
  • the semiconductor chip 200 may be bonded to the upper surface of the ceramic substrate 10 in a flip chip form by the bonding layer 300 including solder or silver paste. In this way, when the semiconductor chip 200 is bonded in the form of a flip chip, wire bonding may be omitted so that an inductance value may be reduced as much as possible and heat dissipation performance may be improved.
  • the ceramic substrate 10 may be any one of an active metal brazing (AMB) substrate, a direct bonded copper (DBC) substrate, and a thick printing copper (TPC) substrate.
  • the ceramic substrate 10 may include a ceramic substrate 11 and a metal layer 12 on at least one surface of the ceramic substrate 11 to increase heat dissipation efficiency of the semiconductor chip. have.
  • the ceramic substrate 11 may be an example of any one of alumina (Al 2 O 3 ), AlN, SiN, and Si 3 N 4 , and the metal layer 12 may be one of Cu, a Cu alloy, OFC, EPT Cu, and Al.
  • OFC is oxygen-free copper.
  • the metal layer 12 may be formed as an electrode pattern for mounting a semiconductor chip and an electrode pattern for mounting a driving element by brazing a metal foil on the ceramic substrate 11 .
  • the metal layer 12 may be formed as an electrode pattern in a region where a semiconductor chip or a peripheral component is to be mounted.
  • An example of the metal foil is an aluminum foil or a copper foil. As an example, the metal foil is fired at 780° C. to 1100° C.
  • AMB active metal brazing
  • DBC Direct Bonding Copper
  • TPC Thick Printing Copper
  • DBA Direct Brazed Aluminum
  • the AMB substrate is most suitable in terms of durability and heat dissipation efficiency.
  • the heat sink 100 may be bonded to one surface of the ceramic substrate 10 and may have a multilayer structure through which a refrigerant flows in and out.
  • the multi-layer structure of the heat sink 100 can be designed from 2 to 12 layers, and in this embodiment, the heat sink 100 includes at least one intermediate layer 130 and a flow path layer 120 on the base layer 110. This layered structure will be described.
  • the base layer 110 of the heat sink 100 has an inlet hole 111 and an outlet hole 112 (see FIG. 3) formed, and the refrigerant introduced through the inlet hole 111 is at least on the base layer 110. It may be discharged through the discharge hole 112 via one intermediate layer 130 and the passage layer 120 .
  • the inflow hole 111 of the heat sink 100 may be connected to the external refrigerant circulation driving unit 20 through the first circulation line L1, and the discharge hole 112 of the heat sink 100 is the second circulation line. It may be connected to the refrigerant circulation driving unit 20 through (L2).
  • the refrigerant circulation driver 20 may circulate the refrigerant by using the driving force of a pump (not shown). That is, the refrigerant circulation driver 20 may continuously circulate the refrigerant along the refrigerant circulation path including the first circulation line L1, the heat sink 100, and the second circulation line L2.
  • the refrigerant may be deionized water, but is not limited thereto, and liquid nitrogen, alcohol, or other solvents may be used as necessary.
  • the refrigerant supplied from the refrigerant circulation drive unit 20 flows into the inlet hole 111 through the first circulation line L1 and passes through at least one intermediate layer 130 on the base layer 110 and the passage layer 120. After moving toward the discharge hole 112, the refrigerant is discharged from the discharge hole 112 and may move to the refrigerant circulation drive unit 20 again through the second circulation line L2.
  • the refrigerant circulation driver 20 may include a heat exchanger (not shown).
  • the heat exchanger of the refrigerant circulation drive unit 20 can lower the temperature of the refrigerant whose temperature has risen while passing through the heat sink 100, and the refrigerant circulation drive unit 20 uses the driving force of the pump to transfer the refrigerant whose temperature has been lowered by the heat exchanger. It can be supplied again to the first circulation line (L1).
  • the heat sink 100 Since the heat sink 100 is in contact with the lower portion of the ceramic substrate 10, the refrigerant flows through the inlet hole 111 of the heat sink 100, at least one intermediate layer 130, the flow path layer 120, and the outlet hole ( 112), heat exchange with the ceramic substrate 10 can be easily performed. That is, the heat sink 100 may prevent the ceramic substrate 10 from being overheated by the semiconductor chip 200 . In addition, the heat sink 100 may forcibly cool heat generated from the semiconductor chip 200 through a refrigerant to maximize a heat dissipation effect and maintain a constant temperature so that the semiconductor chip 200 does not deteriorate.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • illustration of the ceramic substrate 10 is omitted for convenience, and will be similarly omitted below.
  • the heat sink integrated ceramic substrate 1 is provided to implement heat dissipation characteristics required as a semiconductor chip generating heat is provided, and as shown in FIG. 2, the heat sink 100 At least one intermediate layer 130 and the flow path layer 120 may be stacked on the base layer 110 to increase the cooling effect.
  • each layer of the heat sink 100 may be designed with various grooves, holes, etc. for increasing the circulation and cooling effect of the refrigerant, and the shapes of these grooves and holes are formed by etching, mold processing, and other processing. can be implemented
  • the heat sink 100 may be made of a material having excellent thermal conductivity so as to increase a heat dissipation effect.
  • the heat sink 100 may be formed of at least one of Cu, Al, and Cu alloy.
  • the heat sink 100 may be formed of a non-metallic material having high thermal conductivity.
  • the heat sink 100 includes a base layer 110 and a flow path layer 120 made of Cu having a relatively high coefficient of thermal expansion but high thermal conductivity, above and below the middle layer 130 made of CuMo or Mo having a relatively low coefficient of thermal expansion. ) can be formed in a laminated structure, and through this, warpage at high temperatures can be reduced.
  • the heat sink 100 forms a plurality of flow paths (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8) that are micro channels, and cools by flowing a refrigerant into these flow paths (C1 to C8). method can be applied. That is, the heat sink 100 is a method of cooling by forcibly circulating a refrigerant, and the refrigerant can quickly absorb and dissipate heat while passing through several layers of the heat sink 100 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a plan view illustrating a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the heat sink 100 may include a base layer 110 , a flow path layer 120 and at least one intermediate layer 130 .
  • An inlet hole 111 and an outlet hole 112 may be formed through the base layer 110 .
  • the inlet hole 111 is connected to the refrigerant circulation driving unit 20 through the first circulation line L1 (see FIG. 1), and the discharge hole 112 is connected to the second circulation line L2 (see FIG. 1). It may be connected to the refrigerant circulation driving unit 20 . Therefore, although not shown, the end of the first circulation line (L1) may be connected to the inlet hole 111, and the end of the second circulation line (L2) may be connected to the discharge hole (112).
  • first and second circulation lines (L1, L2) may be provided with hoses, etc., and the ends of these first and second circulation lines (L1, L2) are attached to various fastening means (not shown) such as bolts. It can be connected to the inlet hole 111 and the outlet hole 112 by the.
  • a plurality of inlet holes 111 and outlet holes 112 may be formed as needed, and ends of each of the first and second circulation lines L1 and L2 are branched to form a plurality of inlet holes 111 and It may be provided to be connected to the discharge hole 112.
  • the flow path layer 120 is disposed above the base layer 110 , and a plurality of flow paths C1 , C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , C7 , and C8 may be arranged in a matrix on the upper surface.
  • a plurality of flow paths C1 , C2 , C3 , C4 , C5 , C6 , C7 , and C8 may be arranged in a matrix on the upper surface.
  • the present embodiment shows an example in which the first to eighth flow passages C1 to C8 are provided, the present embodiment is not limited thereto, and the number of flow passages may be variously changed according to a desired cooling temperature, water pressure, and the like.
  • Each of the plurality of flow channels C1 to C8 of the flow layer 120 may include a plurality of fins p.
  • the plurality of pins p may be provided in the space s surrounded by the side wall f1 and the bottom surface f2.
  • a plurality of pins (p) may be disposed at intervals from each other, and may protrude in a vertical direction.
  • a plurality of pins (p) may be formed in a cylindrical shape. Since the sides of the plurality of fins p are in contact with each other while the refrigerant moves, when the side surfaces of the plurality of fins p are curved, the refrigerant can move smoothly between the plurality of fins p without clogging.
  • the inlet hole h1 and the outlet hole h2 provided in each of the plurality of passages C1 to C8 may be formed through one end and the other end of the bottom surface f2 with a plurality of pins p interposed therebetween.
  • At least one intermediate layer 130 may be disposed between the base layer 110 and the flow path layer 120 .
  • an inflow passage connecting at least one end of the plurality of passages C1 to C8 and the inflow hole 111 may be formed.
  • the middle layer 130 may have a discharge passage connecting the discharge hole 112 and the other end of at least one of the plurality of passages C1 to C8.
  • At least one intermediate layer 130 may include a first intermediate layer 131 .
  • the first intermediate layer 131 has a first inflow passage 131a extending long toward one end of at least one of the plurality of flow passages C1 to C8 and long toward the other end of at least one of the plurality of flow passages C1 to C8.
  • An extended first discharge passage 131b may be provided.
  • the first inflow passage 131a of the first intermediate layer 131 may extend long toward the inlet hole h1 provided in the plurality of passages C1 to C8, and the first inlet passage 131a of the first intermediate layer 131
  • One discharge passage 131b may extend long toward the exit holes h2 provided in the plurality of passages C1 to C8.
  • the first inlet passage 131a may face the inlet hole 111
  • the first discharge passage 131b may face the discharge hole 112 .
  • the refrigerant introduced through the inflow hole 111 of the base layer 110 passes through the first inflow passage 131a to a plurality of It moves to at least one entrance hole (h1) of the passages (C1 to C8), flows into the space (s) surrounded by the side wall (f1) and the bottom surface (f2) through the entrance hole (h1), and is introduced into the space (s).
  • the introduced refrigerant may pass between the plurality of fins p and be discharged through the outlet hole h2. Thereafter, the refrigerant may pass through the first discharge passage 130b connected to the outlet hole h2 and be discharged through the discharge hole 112 of the base layer 110 .
  • the movement of the refrigerant can be easily controlled by changing the number and arrangement of the plurality of fins p. Since the temperature of the refrigerant circulating in the heat sink 100 is about 25° C., and the semiconductor chip 200 generates high-temperature heat of about 100° C. or more, the refrigerant continues to circulate along the circulation path of the heat sink 100 while Heat can be quickly cooled.
  • the heat sink 100 has a multi-layered structure through which refrigerant flows in and out. At this time, at least two adjacent layers of the multi-layered structure may be formed of different metal materials.
  • the heat sink 100 has a multilayer structure including a base layer 110, a flow path layer 120, and at least one intermediate layer 130, and at least two adjacent layers of these may be formed of different metal materials.
  • the base layer 110 and the passage layer 120 are formed of the same metal material, and at least one intermediate layer 130 may be formed of a different metal material from the base layer 110 and the passage layer 120. .
  • the material of the at least one intermediate layer 130 may be any one of CuMo and Mo, and the materials of the base layer 110 and the flow layer 120 may be selected from among Cu, Al, stainless steel (STS), and Cu alloy.
  • STS stainless steel
  • Cu alloy can be either
  • the base layer 110 is made of a metal layer made of Cu
  • at least one intermediate layer 130 is made of a metal layer made of CuMo
  • the flow path layer 120 is made of a CPC material made of a metal layer made of Cu
  • CuMo is for preventing warpage with a low coefficient of thermal expansion
  • Cu is for securing thermal conductivity for heat dissipation.
  • CuMo has a relatively low coefficient of thermal expansion compared to Cu.
  • Cu has a thermal expansion coefficient of 17ppm/°C and thermal conductivity of 393W/m°C, and CuMo has a thermal expansion coefficient of 7.0ppm/°C and thermal conductivity of 160W/m°C.
  • the base layer 110 and the flow layer 120 made of Cu having a relatively high thermal expansion coefficient but high thermal conductivity are bonded to the upper and lower portions of the at least one intermediate layer 130 made of CuMo having a relatively low thermal expansion coefficient.
  • a warpage phenomenon at a high temperature may be reduced by lowering a thermal expansion coefficient.
  • the heat sink 100 is manufactured using only Cu material, since the coefficient of thermal expansion of Cu is 17 ppm/° C., when high-temperature heat is generated in the semiconductor chip 200 mounted on the ceramic substrate 10, thermal deformation occurs to dissipate heat. Performance can be significantly degraded.
  • the heat sink 100 is formed in a multi-layer structure in order to realize light weight and miniaturization and increase heat dissipation performance.
  • the multi-layer structure heat sink 100 is not deformed when high-temperature heat is generated due to a plurality of air gaps therein. more can happen. That is, when deformation such as bending or twisting occurs in at least one layer of the multilayer structure, circulation of the refrigerant is not performed, and thus heat dissipation performance may be greatly deteriorated.
  • the heat sink 100 having a three-layer structure of Cu/CuMo/Cu has a thermal expansion coefficient in the range of 6.8 to 7.8 ppm/°C and a thermal conductivity of 240 W/m ⁇ °C. As described above, the heat sink 100 having a three-layer structure of Cu/CuMo/Cu has a low coefficient of thermal expansion to prevent bending at high temperatures, and has excellent thermal conductivity to satisfy high heat dissipation conditions required by a power module.
  • the heat sink 100 having a three-layer structure of Cu/CuMo/Cu may be firmly bonded to the ceramic substrate 10 . Since the heat sink 100 is bonded to one surface of the ceramic substrate 10, thermal stress may occur between the heat sink 100 and the ceramic substrate 10 if a difference in coefficient of thermal expansion between them is large. When such thermal stress occurs, a junction between the heat sink 100 and the ceramic substrate 10 may be damaged. Therefore, according to the present invention, the thermal expansion coefficient and Similarly, the coefficient of thermal expansion of the heat sink 100 may be controlled. As a result, thermal stress generated by a difference in coefficient of thermal expansion between the heat sink 100 and the ceramic substrate 10 may be relieved, and bonding strength may be increased.
  • the thickness of at least one intermediate layer 130 made of CuMo may be 0.6T, and the thicknesses of the base layer 110 and the passage layer 120 made of Cu may be 0.3T.
  • the thickness of the heat sink 100 having a three-layer structure of Cu/CuMo/Cu may be 1.2T (mm).
  • the entire thickness of the at least one intermediate layer 130 may be formed to be thicker than the respective thicknesses of the base layer 110 and the passage layer 120 . Since the at least one intermediate layer 130 is formed of a material having a low coefficient of thermal expansion, such as CuMo, when it is thicker than the thickness of each of the base layer 110 and the flow layer 120 made of Cu, the advantage of being able to more strongly suppress warpage there is
  • the heat sink 100 can be formed in a three-layer structure or a multi-layer bonding structure by bonding a metal layer made of Cu to the upper and lower surfaces of a metal layer made of CuMo, it can be manufactured to a desired thickness without a critical point for thickness, , it has the advantage of maximizing the heat dissipation effect.
  • the total thickness of the heat sink 100 may be in the range of 1.0 mm to 15.0 mm.
  • the thickness of the heat sink 100 is formed to be 2.0 mm or more, which is advantageous for heat dissipation and minimizes bending.
  • the base layer 110, at least one intermediate layer 130 and the passage layer 120 may be bonded to each other by a bonding layer (not shown).
  • the bonding layer is Ag and AgCu It may be made of a material containing at least one of Ag and AgCu have high thermal conductivity, so they can increase bonding strength and facilitate heat transfer, thereby increasing heat dissipation efficiency.
  • the bonding layer may be formed by any one of plating, paste application, and foil attachment, and may have a thickness of about 0.3 ⁇ m to about 3.0 ⁇ m.
  • the bonding layer may be disposed between the upper surface of the base layer 110 and the lower surface of the at least one intermediate layer 130, between the upper surface of the at least one intermediate layer 130 and the lower surface of the flow path layer 120, and at a brazing temperature, the base The layer 110, at least one intermediate layer 130, and the flow path layer 120 may be integrally bonded.
  • the brazing temperature may be 800°C to 950°C. Brazing bonding melts only the bonding layer at a temperature below the melting point of the parent material, and then infiltrates and diffuses the bond between the parent materials to be joined using wetting and capillarity. Bonding reliability is excellent.
  • the base layer 110, the intermediate layer 130, and the flow path layer 120 may be bonded by diffusion bonding.
  • Diffusion bonding uses diffusion of atoms generated on the bonding surface by applying heat and pressure, and is bonded in a solid state, and is characterized by low thermal stress or deformation after bonding.
  • the base layer 110, the at least one intermediate layer 130, and the flow path layer 120 can be airtightly bonded to each other through brazing bonding or diffusion bonding, and have high bonding strength that can withstand water pressure, hydraulic pressure, and the like. can be joined.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a heat sink according to a first modified example in which an intermediate layer and a base layer are different from the embodiment of FIG. 3 .
  • the first inflow passage 131a formed in the first intermediate layer 131 is the inlet of the first to eighth flow paths C1 to C8.
  • the first discharge passages 131b extending toward the hole h1 and disposed on both sides of the first inlet passage 131a are directed toward the outlet holes h2 of the first to eighth flow passages C1 to C8. It can be formed elongated.
  • the refrigerant passes through the inlet holes h1 of the first to eighth flow passages C1 to C8. It may be introduced into the space (s) of the through eighth passages (C1 to C8), pass between a plurality of pins (p) in the space (s), and then be discharged through the outlet hole (h2).
  • the base layer 110 includes an inlet hole 111 facing the first inflow passage 131a and a pair of discharge holes 112 facing the first discharge passage 131b. can be formed.
  • the refrigerant introduced through the inlet hole 111 of the base layer 110 passes through the first inlet passage 131a and moves to the inlet hole h1 of the first to eighth flow paths C1 to C8,
  • the refrigerant introduced into the space s is introduced into the space s surrounded by the side wall f1 and the bottom surface f2 through the inlet hole h1, and the refrigerant introduced into the space s passes between the plurality of fins p and exits the outlet hole h2. It may be discharged through, pass through the pair of first discharge passages 131b connected to the outlet hole h2, and be discharged through the pair of discharge holes 112.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating a heat sink according to a second modified example in which an intermediate layer is different from the embodiment of FIG. 3 .
  • the first inflow passage 131a formed in the first intermediate layer 131 has a second flow path C2 and a third flow path C3 ,
  • the fourth flow path C4, the sixth flow path C6, the seventh flow path C7, and the eighth flow path C8 may be formed to extend to face the inlet holes h1.
  • the number of first inflow passages 131a and first discharge passages 131b of the middle layer 130 and inlet holes 111 and discharge holes 112 of the base layer 110 depend on the required heat dissipation characteristics, The shape and the like may be changed and provided.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a heat sink integrated ceramic substrate according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing a heat sink integrated ceramic substrate according to another embodiment of the present invention
  • FIG. This is a plan view showing a heat sink-integrated ceramic substrate according to another embodiment.
  • the heat sink 100' includes a base layer 110', a flow path layer 120', and at least one intermediate layer 130', and the at least one intermediate layer 130' includes It may be configured to further include a second intermediate layer (132 ').
  • each of the plurality of passages C1', C2', C3', and C4' of the passage layer 120' may be provided as a through hole 121'.
  • the through hole 121' may have a zigzag shape in which a bent shape is repeated, and such a zigzag shape makes it easy to expand the heat dissipation area because the path through which the refrigerant moves is long.
  • the second intermediate layer 132' is disposed between the first intermediate layer 131' and the passage layer 120', and corresponds to one end of at least one of the plurality of passages C1', C2', C3', and C4'. and a second inflow passage 132a' formed by the above process, and a second discharge passage 132b' formed corresponding to the other end of at least one of the plurality of passages C1', C2', C3', and C4'. .
  • the second inlet passage 132a' of the second intermediate layer 132' is formed to correspond to one end of the through hole 121' of each of the plurality of flow channels C1', C2', C3', and C4'.
  • the second discharge passage 132b' of the second intermediate layer 132' may be formed to correspond to the other end of the through hole 121' of each of the plurality of passages C1', C2', C3', and C4'.
  • the second inflow passage 132a' may face the first inflow passage 131a'
  • the second discharge passage 132b' may face the first discharge passage 131b'.
  • the second intermediate layer 132' is provided in a flat plate shape, when bonded to the lower portion of the flow path layer 120', the inner surface of the through hole 121' and the second intermediate layer 132' ) may form a flow path groove h3'. That is, when the flow path layer 120' and the second intermediate layer 132' are joined, the open lower part of the through hole 121' is closed by the upper surface of the second intermediate layer 132' so that the refrigerant can move.
  • a flow path h3' may be formed.
  • the refrigerant introduced through the inlet hole 111' of the base layer 110' is It passes through the first inflow passage 131a' and moves to the second inflow passage 132a' of the second intermediate layer 132', and passes through the second inflow passage 132a' to the inner surface of the through hole 121'. and into the passage groove h3', which is a space surrounded by the upper surface of the second intermediate layer 132', and then the refrigerant moves along the zigzag passage groove h3' to form the second intermediate layer 132'. 2 can be discharged through the discharge passage (132b'). Thereafter, the refrigerant may pass through the first discharge passage 131b' connected to the second discharge passage 132b' and be discharged through the discharge hole 112' of the base layer 110'.
  • the heat sink 100' according to another embodiment of the present invention has a larger number of layers constituting the heat sink 100' compared to the embodiment shown in FIGS. 2 to 4 . If the number of layers constituting the heat sink 100' increases, the flow rate of the refrigerant can be increased. Accordingly, the number of layers of the heat sink 100' may be variously designed according to the required flow rate of the refrigerant according to the preliminary simulation results.
  • the uppermost flow path layer 120' and the lowermost base layer 110' are any one of Cu, Al, STS (Stainless steel), and Cu alloy. may be the material of
  • the material of the first intermediate layer 131' and the second intermediate layer 132' disposed between the flow path layer 120' and the base layer 110' may be any one of CuMo and Mo.
  • the base layer 110' and the passage layer 120' are made of a metal layer made of Cu
  • the first intermediate layer 131' and the second middle layer 132' are made of a metal layer made of CuMo
  • thermal expansion Warping can be prevented at high temperatures due to the metal layer made of CuMo, which has a relatively low coefficient
  • high heat dissipation conditions required by the power module can be satisfied due to the metal layer made of Cu, which has high thermal conductivity.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view illustrating a heat sink having a different flow path layer in the embodiment of FIG. 8
  • FIG. 11 is a plan view illustrating the heat sink of FIG. 10 .
  • a plurality of flow channels C1", C2", C3", and C4" are arranged in series on the upper surface of the flow layer 120", and a plurality of Each of the passages C1", C2", C3", and C4" may be provided with a zigzag-shaped passage groove h3" in which a curved shape is repeated.
  • the passage groove h3" has an entrance hole h1" at one end. ) is formed, and an exit hole (h2 ") may be formed at the other end. That is, the refrigerant introduced into the passage groove h3" through the inlet hole h1" may move along the passage groove h3" and be discharged through the outlet hole h2".
  • the refrigerant introduced through the inflow hole 111" of the base layer 110 sequentially passes through the first inflow passage 131a" and the second inflow passage 132a” to a plurality of passages C1" and C2. It moves to at least one inlet hole (h1") among “, C3", C4"), moves along the flow path groove (h3") connected to the inlet hole (h1"), and is discharged through the outlet hole (h2").
  • the refrigerant may sequentially pass through the second discharge passage 132b" and the first discharge passage 131b" and be discharged through the discharge hole 112" of the base layer 110".
  • the position of the inlet hole (h1") and the outlet hole (h2"), the position of the inlet hole (111") and the discharge hole (112"), the first inlet passage (131a") and the first discharge passage (131b") ), the positions of the second inflow passage 132a" and the second discharge passage 132b" may be reversed. That is, when the refrigerant circulation driver 20 is connected, the refrigerant may flow in through the discharge hole 112" and the refrigerant may be discharged through the inlet hole 111".
  • the refrigerant introduced through the discharge hole 112" of the base layer 110" passes through the first discharge passage 131b" and the second discharge passage 132b" sequentially, thereby passing through a plurality of passages C1", It moves to at least one exit hole (h2") among C2", C3", and C4", and is discharged through the inlet hole (h1") by moving along the passage groove (h3") connected to the exit hole (h2").
  • the refrigerant may pass through the second inlet passage 132a" and the first inlet passage 131a" in order and be discharged through the inlet hole 111" of the base layer 110".
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a heat sink-integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a heat sink-integrated ceramic substrate includes preparing a ceramic substrate 10 including a metal layer 12 on at least one surface of a ceramic substrate 11 ( (S10), preparing a heat sink 100 having a multi-layer structure through which refrigerant enters and exits (S20), and bonding one surface of the ceramic substrate 10 and one surface of the heat sink 100 (S30).
  • the ceramic substrate 10 may be an active metal brazing (AMB) substrate including a metal layer 12 on at least one surface of the ceramic substrate 11 .
  • AMB active metal brazing
  • the thickness of the heat sink 100 may be in the range of 1.0 mm to 15.0 mm.
  • the thickness of the heat sink 100 is formed to be 2.0 mm or more, which is advantageous for heat dissipation and minimizes bending.
  • the heat sink 100 in which at least two adjacent layers of the multilayer structure are made of different metal materials may be prepared. That is, the heat sink 100 has a multilayer structure including a base layer 110, a flow path layer 120, and at least one intermediate layer 130, and at least two adjacent layers of these may be formed of different metal materials.
  • the base layer 110 and the passage layer 120 are formed of the same metal material, and at least one intermediate layer 130 may be formed of a metal material different from that of the base layer 110 and the passage layer 120. .
  • the base layer 110 and the flow layer 120 made of Cu having a relatively high coefficient of thermal expansion but high thermal conductivity are bonded to the upper and lower parts of the intermediate layer 130 made of CuMo having a relatively low coefficient of thermal expansion, By lowering the coefficient of thermal expansion, warping at high temperatures can be reduced.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating steps of preparing a heat sink in the heat sink integrated ceramic substrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the step of preparing the heat sink 100 includes the step of preparing the base layer 110 in which the inlet hole 111 and the outlet hole 112 are formed (S21), and a plurality of A step (S22) of preparing the passage layer 120 in which the flow passages C1 to C8 are arranged in a matrix (S22), and an inflow passage connecting at least one end of the plurality of passages C1 to C8 and the inflow hole 111.
  • preparing the base layer 110 (S21), preparing the flow path layer 120 (S22), and preparing at least one intermediate layer 130 (S23) are performed sequentially or sequentially. It may be performed by changing , or may be performed substantially simultaneously.
  • the inlet hole 111 and the outlet hole 112 are configured to be connected to the external refrigerant circulation driving unit 20, and may be formed through etching or the like.
  • a plurality of flow paths C1 to C8 may form various grooves, holes, etc. through which the refrigerant can move by etching a portion of the flow path layer 120 .
  • the first inflow passage 131a elongated toward one end of at least one of the plurality of passages C1 to C8, and the plurality of passages C1 to C8.
  • It may include preparing a first intermediate layer 131 having a first discharge passage (131b) extending toward the other end of at least one of them.
  • the number of layers constituting the middle layer 130, the shape and number of the inflow passage and the discharge passage may be variously designed and changed according to the required flow rate of the refrigerant according to the preliminary simulation results.
  • the bonding layer made of a material including at least one of Ag and AgCu is formed of at least one intermediate layer 130 by any one of plating, paste application, and foil attachment. It can be formed on at least one side. At this time, the bonding layer may be formed on the upper and lower surfaces of the first intermediate layer 131 . Further, in another embodiment of the present invention, when bonding layers are formed on the upper and lower surfaces of the first intermediate layer 131', the second intermediate layer 132' disposed on the upper side of the first intermediate layer 131' is formed on the flow path layer 120' ) and may form a bonding layer on the upper surface facing.
  • step S25 of laminating the base layer 110, at least one intermediate layer 130, and the passage layer 120 the base layer 110, at least one intermediate layer 130, and the passage layer 120 are sequentially laminated. can do.
  • a bonding layer formed on at least one surface of the intermediate layer 130 may be disposed between each layer. That is, the bonding layer may be disposed between the base layer 110 and the first intermediate layer 131 or between the first intermediate layer 131 and the passage layer 120 .
  • the base layer 110', the first intermediate layer 131', the second intermediate layer 132', and the flow path layer 120' may be sequentially stacked.
  • the bonding layer is between the base layer 110' and the first intermediate layer 131', between the first intermediate layer 131' and the second intermediate layer 132', and between the second intermediate layer 132' and the flow layer 120 ') can be placed between them.
  • the bonding layer is melted to form a base layer.
  • brazing bonding of at least one intermediate layer 130 and the flow path layer 120 may be further included.
  • the base layer 110, at least one intermediate layer 130, and the flow path layer 120 are laminated, and the bonding layer interposed between each layer is melted at 800 ° C to 950 ° C. Brazing may be performed, and at this time, an upper weight or pressure may be applied to increase the bonding strength.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a step of bonding one surface of a ceramic substrate and one surface of a heat sink in a method of manufacturing a heat sink integrated ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the base material bonded to one surface of the ceramic substrate 10 or one surface of the flow path layer 120.
  • the bonding base material made of a material including at least one of Ag and AgCu is applied to one surface of the ceramic substrate 10 or It may be formed on one surface of the flow path layer 120 .
  • the ceramic substrate 10 and the flow path layer 120 may be stacked with a bonding base material interposed therebetween.
  • the base layer 110 of the heat sink 100, at least one intermediate layer 130, and the flow path layer 120 may be stacked such that a bonding layer is interposed between each layer. That is, the base layer 110 of the heat sink 100, at least one intermediate layer 130, and the flow path layer 120 may be in a state before being brazed.
  • the step of brazing the base layer 110, at least one intermediate layer 130, the flow path layer 120, and the ceramic substrate 10 at the same time is between the base layer 110 and the first intermediate layer 131,
  • the base layer 110 and the first intermediate layer ( 131), the flow path layer 120, and the ceramic substrate 10 may be bonded by brazing at the same time.
  • the brazing temperature for melting the bonding layer and the bonding base material may be 800 ° C to 950 ° C, and an upper weight or pressure may be applied to increase bonding strength.
  • between the base layer 110 'and the first intermediate layer 131', between the first intermediate layer 131' and the second intermediate layer 132', between the second intermediate layer 132' and The base layer 110', the first intermediate layer 131', The second intermediate layer 132', the flow path layer 120', and the ceramic substrate 10 may be bonded by brazing at the same time.

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Abstract

본 발명은 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 세라믹 기재의 적어도 일면에 금속층을 포함하는 세라믹 기판과, 세라믹 기판의 일면에 접합되고, 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크를 포함한다. 본 발명은 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크가 세라믹 기판에 접합된 일체형 구조이므로 반도체 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있다.

Description

히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법
본 발명은 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크와 세라믹 기판의 접합 구조를 갖는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 및 그 제조방법(CERAMIC SUBSTRATE WITH HEAT SINK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF)에 관한 것이다.
파워모듈은 SiC(Silicon Carbide), GaN(Gallium Nitride)와 같은 반도체 칩을 패키지에 모듈화하여 전력의 변환이나 제어용으로 최적화한 반도체 모듈이다.
이러한 파워모듈은 사용환경에 따라 반도체 칩의 고전압 고전류 동작으로 인해 고온의 열이 발생한다. 또한, 반도체 칩이 실장되는 기판에서도 열이 많이 발생하기 때문에 기판이 일정 온도 이상으로 상승하면 반도체 칩이 열화하여 제대로 작동하지 않는다.
이를 해결하기 위해 세라믹 또는 금속 기판의 일면에 히트 싱크를 구비하여, 히트 싱크의 방열 기능을 통해 열에 의한 반도체 칩의 열화 현상을 방지하고 있다.
히트 싱크는 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 적어도 일면에 금속층을 포함하는 세라믹 기판과, 세라믹 기판의 일면에 접합되고, 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크를 포함할 수 있다. 여기서, 히트싱크는 다층 구조 중 인접하는 적어도 두 개의 층이 서로 다른 금속재질로 형성될 수 있다.
히트싱크는 유입홀과 배출홀이 형성된 베이스층과, 베이스층의 상측에 배치되고, 복수의 유로가 행렬 배치된 유로층과, 베이스층과 유로층 사이에 배치되고, 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단과 유입홀을 연결하는 유입통로가 형성되며, 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단과 배출홀을 연결하는 배출통로가 형성된 적어도 하나의 중간층을 포함할 수 있다.
베이스층과 유로층은 동일 금속재질로 형성되고, 적어도 하나의 중간층은 베이스층 및 유로층과 다른 금속재질로 형성될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 중간층의 열팽창 계수는 베이스층 및 유로층의 열팽창 계수에 비해 낮을 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 중간층의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나이고, 베이스층 및 유로층의 재질은 Cu, Al, STS(Stainless steel), Cu 합금 중 어느 하나일 수 있다.
적어도 하나의 중간층의 전체 두께는 베이스층 및 유로층 각각의 두께보다 두꺼울 수 있다.
유입홀을 통해 유입되는 냉매는 적어도 하나의 중간층 및 유로층을 경유하여 배출홀을 통해 배출될 수 있다. 이때, 유입홀 및 배출홀은 외부의 냉매 순환 구동부와 연결되도록 구성되고, 냉매 순환 구동부에 의해 냉매가 연속해서 순환할 수 있다.
복수의 유로 각각은, 측벽과 저면으로 둘러싸인 공간 내에 구비되고, 서로 간격을 두고 배치된 복수의 핀과, 복수의 핀을 사이에 두고 저면의 일단 및 타단에 관통 형성된 입구홀과 출구홀을 포함하고, 입구홀을 통해 공간 내에 유입된 냉매는 복수의 핀 사이를 통과하여 출구홀을 통해 배출될 수 있다.
적어도 하나의 중간층은, 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단을 향해 길게 연장된 제1 유입통로와, 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단을 향해 길게 연장된 제1 배출통로를 구비한 제1 중간층을 포함하고, 제1 유입통로는 유입홀과 마주하며, 제1 배출통로는 배출홀과 마주할 수 있다.
적어도 하나의 중간층은, 제1 중간층과 유로층 사이에 배치되고, 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단에 대응하여 형성된 제2 유입통로와, 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단에 대응하여 형성된 제2 배출통로를 구비한 제2 중간층을 더 포함할 수 있다. 이때, 제2 유입통로는 제1 유입통로와 마주하고, 제2 배출통로는 제1 배출통로와 마주할 수 있다.
복수의 유로 각각은, 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태의 관통홀로 구비되고, 관통홀의 내측면 및 제2 중간층의 상면은 유로홈을 형성하며, 제2 유입통로를 통해 유로홈 내에 유입된 냉매는 유로홈을 따라 이동하여 제2 배출통로를 통해 배출될 수 있다.
한편, 복수의 유로 각각은 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태의 유로홈으로 구비되고, 유로홈은 일단에 입구홀이 형성되고, 타단에 출구홀이 형성되며, 입구홀을 통해 유로홈 내에 유입된 냉매는 유로홈을 따라 이동하여 출구홀을 통해 배출될 수도 있다.
한편, 히트싱크는, 베이스층, 적어도 하나의 중간층 및 유로층을 접합하는 접합층을 더 포함하고, 접합층은 Ag 및 AgCu 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조 방법은, 세라믹 기재의 적어도 일면에 금속층을 포함하는 세라믹 기판을 준비하는 단계와, 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크를 준비하는 단계와, 세라믹 기판의 일면과 히트싱크의 일면을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
히트싱크를 준비하는 단계는, 다층 구조 중 인접하는 적어도 두 개의 층이 서로 다른 금속재질인 히트싱크를 준비할 수 있다.
히트싱크를 준비하는 단계는, 유입홀과 배출홀이 형성된 베이스층을 준비하는 단계와, 복수의 유로가 행렬 배치된 유로층을 준비하는 단계와, 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단과 유입홀을 연결하는 유입통로가 형성되고, 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단과 배출홀을 연결하는 배출통로가 형성된 적어도 하나의 중간층을 준비하는 단계와, 적어도 하나의 중간층의 적어도 일면에 접합층을 형성하는 단계와, 베이스층, 적어도 하나의 중간층 및 유로층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
히트싱크를 준비하는 단계는, 접합층을 용융시켜 베이스층, 적어도 하나의 중간층 및 유로층을 브레이징 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
세라믹 기판의 일면과 히트싱크의 일면을 접합하는 단계는, 세라믹 기판의 일면 또는 유로층의 일면에 접합기재를 형성하는 단계와, 세라믹 기판의 일면과 유로층의 일면이 마주하도록 배치하는 단계와, 접합기재 및 접합층을 용융시켜 베이스층, 적어도 하나의 중간층, 유로층 및 세라믹 기판을 동시에 브레이징 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 열전도도가 높은 재질의 베이스층과 유로층 사이에 열팽창 계수가 낮은 재질의 중간층을 배치한 히트싱크를 형성함으로써, 히트싱크의 열팽창 계수를 낮춰 고온에서의 휨 현상을 방지할 수 있으며, 우수한 열전도도를 가져 열 방출 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크가 세라믹 기판에 일체로 접합됨으로써, 히트싱크를 통해 냉매를 순환시켜 세라믹 기판이 과열되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 칩 등으로부터 발생한 열을 냉매를 통해 강제적으로 냉각시켜 방열 효과를 극대화하고, 반도체 칩이 열화하지 않도록 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 냉매가 히트싱크의 여러 층을 경유하면서 순환하기 때문에 신속하게 열을 흡수하여 방열시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 냉매가 지나가는 유로홈이 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태이므로, 냉매가 이동하는 경로가 길어져 방열 면적을 확대시키는 것이 용이하다.
또한, 본 발명은 냉매가 복수의 핀 사이를 이동하도록 유로를 형성함으로써, 복수의 핀의 개수 및 배치를 변경함에 따라 냉매의 이동을 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판에 외부의 냉매 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3의 실시예에서 중간층 및 베이스층이 다른 제1 변형예에 의한 히트싱크를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 3의 실시예에서 중간층이 다른 제2 변형예에 의한 히트싱크를 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 평면도이다.
도 10은 도 8의 실시예에서 유로층이 다른 변형예에 의한 히트싱크를 도시한 분해 사시도이다.
도 11은 도 10의 히트싱크를 도시한 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법에서 히트싱크를 준비하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법에서 세라믹 기판의 일면과 히트싱크의 일면을 접합하는 단계를 도시한 흐름도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판에 외부의 냉매 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판(1)은 세라믹 기판(10) 및 히트싱크(100)를 포함한 일체형으로 구비될 수 있다.
세라믹 기판(10)은 상면에 반도체 칩(200)이 실장될 수 있다. 반도체 칩(200)은 SiC, GaN, Si, LED, VCSEL 등의 반도체 칩일 수 있다. 이러한 반도체 칩(200)은 솔더(Solder) 또는 은 페이스트(Ag Paste)를 포함하는 본딩층(300)에 의해 세라믹 기판(10)의 상면에 플립칩(flip chip) 형태로 접합될 수 있다. 이와 같이, 반도체 칩(200)이 플립칩 형태로 접합될 경우, 와이어 본딩이 생략되어 인덕턴스 값을 최대한 낮출 수 있고, 방열 성능도 개선될 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. 여기서, 세라믹 기판(10)은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹 기재(11)와 상기 세라믹 기재(11)의 적어도 일면에 금속층(12)을 포함하는 세라믹 기판으로 구비될 수 있다.
세라믹 기재(11)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있고, 금속층(12)은 Cu, Cu합금, OFC, EPT Cu, Al 중 하나로 이루어지는 것을 일 예로 할 수 있다. OFC는 무산소동이다. 금속층(12)은 세라믹 기재(11) 상에 금속박이 브레이징 접합되어 반도체 칩을 실장하는 전극패턴 및 구동소자를 실장하는 전극패턴으로 형성될 수 있다. 예컨데, 금속층(12)은 반도체 칩 또는 주변 부품이 실장될 영역에 전극패턴으로 형성될 수 있다. 금속박은 알루미늄박 또는 동박인 것을 일 예로 한다. 금속박은 세라믹 기재(11) 상에 780℃~1100℃로 소성되어 세라믹 기재(11)와 브레이징 접합되는 것을 일 예로 한다. 이러한 기판을 AMB(Active Metal Brazing) 기판이라 한다. 실시예는 AMB 기판을 예로 들어 설명하나 DBC(Direct Bonding Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판(Direct Brazed Aluminum)을 적용할 수도 있다. 여기서, AMB 기판은 내구성 및 방열 효율면에서 가장 적합하다.
히트싱크(100)는 세라믹 기판(10)의 일면에 접합되고, 냉매가 출입하는 다층 구조일 수 있다. 히트싱크(100)의 다층 구조는 2층에서 12층까지 설계가 가능하며, 본 실시예에서 히트싱크(100)는 베이스층(110) 상에 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)이 적층된 구조를 설명하기로 한다.
히트싱크(100)의 베이스층(110)은 유입홀(111)과 배출홀(112)(도 3 참조)이 형성되고, 유입홀(111)을 통해 유입된 냉매는 베이스층(110) 상의 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 경유하여 배출홀(112)을 통해 배출될 수 있다.
히트싱크(100)의 유입홀(111)은 제1 순환라인(L1)을 통해 외부의 냉매 순환 구동부(20)와 연결될 수 있고, 히트싱크(100)의 배출홀(112)은 제2 순환라인(L2)을 통해 냉매 순환 구동부(20)와 연결될 수 있다. 이때, 냉매 순환 구동부(20)는 펌프(미도시)의 구동력을 이용하여 냉매를 순환시킬 수 있다. 즉, 냉매 순환 구동부(20)는 제1 순환라인(L1), 히트싱크(100) 및 제2 순환라인(L2)을 포함한 냉매의 순환 경로를 따라 냉매를 연속해서 순환시킬 수 있다. 여기서, 냉매는 탈이온수(Deionized Water)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 액체질소, 알코올, 기타 용매를 사용할 수도 있다.
냉매 순환 구동부(20)로부터 공급되는 냉매는 제1 순환라인(L1)을 통해 유입홀(111)로 유입되고, 베이스층(110) 상의 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 경유한 후 배출홀(112)을 향해 이동하며, 이후에 냉매는 배출홀(112)로부터 배출되어 제2 순환라인(L2)을 통해 다시 냉매 순환 구동부(20)로 이동할 수 있다. 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 냉매 순환 구동부(20)는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 냉매 순환 구동부(20)의 열교환기는 히트싱크(100)를 통과하면서 온도가 올라간 냉매의 온도를 낮출 수 있고, 냉매 순환 구동부(20)는 열교환기에 의해 온도가 낮춰진 냉매를 펌프의 구동력을 이용하여 제1 순환라인(L1)으로 다시 공급할 수 있다.
히트싱크(100)는 세라믹 기판(10)의 하부에 접하는 상태이기 때문에, 냉매는 히트싱크(100)의 유입홀(111), 적어도 하나의 중간층(130), 유로층(120) 및 배출홀(112)을 따라 순환하면서 세라믹 기판(10)과의 열교환을 용이하게 수행할 수 있다. 즉, 히트싱크(100)는 반도체 칩(200)에 의해 세라믹 기판(10)이 과열되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 히트싱크(100)는 반도체 칩(200) 등으로부터 발생한 열을 냉매를 통해 강제적으로 냉각시켜 방열 효과를 극대화하고, 반도체 칩(200)이 열화하지 않도록 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이다. 도 2에서는 편의상 세라믹 기판(10)의 도시를 생략하였고, 이하에서도 마찬가지로 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 세라믹 기판(1)은 열이 발생하는 반도체 칩이 구비됨에 따라 요구되는 방열 특성을 구현할 수 있도록 구비된 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 히트싱크(100)는 냉각 효과를 높일 수 있도록 베이스층(110) 상에 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)이 적층되어 구비될 수 있다. 이때, 히트싱크(100)의 각 층은 냉매의 순환 및 냉각 효과를 높이기 위한 홈, 홀 등이 다양하게 설계될 수 있고, 이러한 홈, 홀 등의 형상은 에칭 가공, 금형 가공, 기타 가공에 의해 구현될 수 있다. 또한, 히트싱크(100)는 방열 효과를 높일 수 있도록 열전도성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 히트싱크(100)는 Cu, Al, Cu 합금 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 또한, 히트싱크(100)는 열전도도가 높은 비금속 재료로 형성될 수도 있다. 후술하겠지만, 히트싱크(100)는 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 또는 Mo 재질인 중간층(130) 상하부에, 열팽창 계수가 상대적으로 높으나 열전도도가 높은 Cu 재질의 베이스층(110) 및 유로층(120)이 적층된 구조로 형성될 수 있고, 이를 통해 고온에서의 휨 현상을 줄일 수 있다.
히트싱크(100)는 마이크로 채널(Micro Channel)인 복수의 유로(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8)를 형성하고, 이들 유로(C1~C8) 속으로 냉매를 흘려 냉각하는 방식이 적용될 수 있다. 즉, 히트싱크(100)는 냉매를 강제 순환시켜 냉각하는 방식이 적용된 것으로, 냉매는 히트싱크(100)의 여러 층을 경유하면서 신속하게 열을 흡수하여 방열시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 평면도이다.
도 3에 도시된 바에 의하면, 히트싱크(100)는 베이스층(110), 유로층(120) 및 적어도 하나의 중간층(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
베이스층(110)은 유입홀(111)과 배출홀(112)이 관통 형성될 수 있다. 유입홀(111)은 제1 순환라인(L1)(도 1 참조)을 통해 냉매 순환 구동부(20)와 연결되고, 배출홀(112)은 제2 순환라인(L2)(도 1 참조)을 통해 냉매 순환 구동부(20)와 연결될 수 있다. 따라서, 비록 도시되지는 않았으나, 제1 순환라인(L1)의 끝단은 유입홀(111)에 연결되고, 제2 순환라인(L2)의 끝단은 배출홀(112)에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 순환라인(L1,L2)은 호스 등으로 구비될 수 있으며, 이러한 제1 및 제2 순환라인(L1,L2)의 끝단은 볼트 등의 다양한 체결수단(미도시)에 의해 유입홀(111), 배출홀(112)에 연결될 수 있다. 또한, 유입홀(111) 및 배출홀(112)은 필요에 따라 복수 개가 형성될 수 있고, 제1 및 제2 순환라인(L1,L2) 각각의 끝단은 분기되어 복수 개의 유입홀(111) 및 배출홀(112)에 연결되도록 구비될 수도 있다.
유로층(120)은 베이스층(110)의 상측에 배치되고, 상면에 복수의 유로(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8)가 행렬 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 내지 제8 유로(C1~C8)가 구비된 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 유로의 개수는 원하는 냉각 온도, 수압 등에 따라 다양하게 변경이 가능하다.
유로층(120)의 복수의 유로(C1~C8) 각각은 복수의 핀(p)이 구비될 수 있다. 이러한 복수의 핀(p)은 측벽(f1)과 저면(f2)으로 둘러싸인 공간(s) 내에 구비될 수 있다. 복수의 핀(p)은 서로 간격을 두고 배치될 수 있고, 수직 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 복수의 핀(p)은 원통형으로 형성될 수 있다. 복수의 핀(p)의 측면은 냉매가 이동하면서 접하는 부분이므로, 복수의 핀(p)의 측면이 곡면으로 형성될 경우, 냉매가 복수의 핀(p) 사이에서 막힘없이 원활하게 이동할 수 있다.
복수의 유로(C1~C8) 각각에 구비된 입구홀(h1) 및 출구홀(h2)은 복수의 핀(p)을 사이에 두고 저면(f2)의 일단과 타단에 관통 형성될 수 있다.
적어도 하나의 중간층(130)은 베이스층(110)과 유로층(120) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 중간층(130)은 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 일단과 유입홀(111)을 연결하는 유입통로가 형성될 수 있다. 또한, 중간층(130)은 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 타단과 배출홀(112)을 연결하는 배출통로가 형성될 수 있다.
구체적으로, 적어도 하나의 중간층(130)은 제1 중간층(131)을 포함할 수 있다.
제1 중간층(131)은 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 일단을 향해 길게 연장된 제1 유입통로(131a)와, 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 타단을 향해 길게 연장된 제1 배출통로(131b)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 제1 중간층(131)의 제1 유입통로(131a)는 복수의 유로(C1~C8)에 구비된 입구홀(h1)을 향해 길게 연장될 수 있고, 제1 중간층(131)의 제1 배출통로(131b)는 복수의 유로(C1~C8)에 구비된 출구홀(h2)을 향해 길게 연장될 수 있다. 또한, 제1 유입통로(131a)는 유입홀(111)과 마주하며, 제1 배출통로(131b)는 배출홀(112)과 마주할 수 있다.
이와 같이, 제1 유입통로(131a) 및 제1 배출통로(131b)가 길게 연장 형성됨에 따라, 유입홀(111)과 입구홀(h1) 간의 거리, 출구홀(h2)과 배출홀(112) 간의 거리가 길더라도 냉매의 이동이 원활하게 이루어질 수 있다.
도 3 및 4를 참조하여 히트싱크(100)에서의 냉매 순환 경로를 설명하면, 베이스층(110)의 유입홀(111)을 통해 유입되는 냉매는 제1 유입통로(131a)를 통과하여 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 입구홀(h1)로 이동하고, 입구홀(h1)을 통해 측벽(f1)과 저면(f2)으로 둘러싸인 공간(s) 내에 유입되며, 공간(s) 내에 유입된 냉매는 복수의 핀(p) 사이를 통과하여 출구홀(h2)을 통해 배출될 수 있다. 이후에, 냉매는 출구홀(h2)에 연결된 제1 배출통로(130b)를 통과하여 베이스층(110)의 배출홀(112)을 통해 배출될 수 있다. 이와 같이, 냉매는 복수의 핀(p) 사이를 이동하므로 복수의 핀(p)의 개수 및 배치를 변경함에 따라 냉매의 이동을 용이하게 조절할 수 있다. 히트싱크(100)에서 순환하는 냉매의 온도는 약 25℃이고, 반도체 칩(200)은 약 100℃ 이상의 고온의 열이 발생하므로, 냉매는 히트싱크(100)의 순환 경로를 따라 계속해서 순환하면서 열을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 히트싱크(100)는 냉매가 출입하는 다층 구조이며, 이때, 다층 구조 중 인접하는 적어도 두 개의 층은 서로 다른 금속재질로 형성될 수 있다.
즉, 히트싱크(100)는 베이스층(110), 유로층(120) 및 적어도 하나의 중간층(130)을 포함하는 다층 구조이며, 이들 중 인접하는 적어도 두 개의 층은 서로 다른 금속재질로 형성될 수 있다.
구체적으로, 베이스층(110)과 유로층(120)은 동일 금속재질로 형성되며, 적어도 하나의 중간층(130)은 베이스층(110) 및 유로층(120)과 다른 금속재질로 형성될 수 있다.
일 예로, 적어도 하나의 중간층(130)의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나일 수 있고, 베이스층(110) 및 유로층(120)의 재질은 Cu, Al, STS(Stainless steel), Cu 합금 중 어느 하나일 수 있다.
여기서, 베이스층(110)이 Cu 재질의 금속층으로 이루어지고, 적어도 하나의 중간층(130)이 CuMo 재질의 금속층으로 이루어지며, 유로층(120)이 Cu 재질의 금속층으로 이루어지는 CPC 소재일 경우, CuMo는 낮은 열팽창 계수로 휨 발생 방지를 위한 것이고, Cu는 방열을 위한 열전도도 확보를 위한 것이다.
CuMo는 Cu에 비해 상대적으로 열팽창 계수가 낮다. Cu는 열팽창 계수가 17ppm/℃, 열전도도가 393W/m·℃이고, CuMo는 열팽창 계수가 7.0ppm/℃, 열전도도가 160W/m·℃이다.
이와 같이, 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 재질인 적어도 하나의 중간층(130)의 상하부에, 열팽창 계수가 상대적으로 높으나 열전도도가 높은 Cu 재질의 베이스층(110) 및 유로층(120)을 접합한 3층 구조의 히트싱크(100)가 구비될 경우, 열팽창 계수를 낮춤으로써 고온에서의 휨 현상을 줄일 수 있다.
만약, Cu 재질만으로 히트싱크(100)를 제조하는 경우 Cu의 열팽창 계수가 17ppm/℃이므로, 세라믹 기판(10)에 실장되는 반도체 칩(200)에 고온의 열이 발생할 경우 열변형이 발생하여 방열 성능이 크게 저하될 수 있다. 히트싱크(100)는 경량화 및 소형화를 구현하고 방열 성능을 높이기 위해 다층 구조로 형성되는데, 이러한 다층 구조의 히트싱크(100)는 내부에 다수 존재하는 공극으로 인해 고온의 열이 발생했을 때 변형이 더 많이 발생할 수 있다. 즉, 다층 구조 중 적어도 하나의 층에 휨, 뒤틀림 등의 변형이 발생함으로써 냉매 순환이 이루어지지 않아 방열 성능이 크게 저하될 수 있다.
Cu/CuMo/Cu의 3층 구조의 히트싱크(100)는 열팽창 계수가 6.8~7.8ppm/℃ 범위이고, 열전도도가 240W/m·℃인 열적 특성을 갖는다. 이와 같이, Cu/CuMo/Cu의 3층 구조의 히트싱크(100)는 열팽창 계수가 낮아 고온에서 휨을 방지할 수 있으며, 우수한 열전도도를 가져 파워모듈에서 요구하는 고방열 조건을 만족할 수 있다.
또한, Cu/CuMo/Cu의 3층 구조의 히트싱크(100)는 세라믹 기판(10)에 견고하게 접합될 수 있다. 히트싱크(100)는 세라믹 기판(10)의 일면에 접합되어 있으므로, 히트싱크(100)와 세라믹 기판(10) 간의 열팽창 계수 차이가 크면 이들 사이에 열응력이 발생할 수 있다. 이러한 열응력이 발생하면, 히트싱크(100)와 세라믹 기판(10)의 접합 부위가 손상될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상대적으로 열팽창 계수가 낮은 CuMo 재질인 적어도 하나의 중간층(130)을 Cu 재질의 베이스층(110) 및 유로층(120) 사이에 형성함으로써, 세라믹 기판(10)의 열팽창 계수와 유사하도록 히트싱크(100)의 열팽창 계수를 제어할 수 있다. 이로 인해, 히트싱크(100)와 세라믹 기판(10) 간의 열팽창 계수 차이에 의해 발생되는 열응력이 완화되어 접합력이 높아질 수 있다.
CuMo 재질인 적어도 하나의 중간층(130)의 두께는 0.6T이고, Cu 재질인 베이스층(110) 및 유로층(120)의 두께는 0.3T일 수 있다. 이 경우, Cu/CuMo/Cu의 3층 구조인 히트싱크(100)의 두께는 1.2T(mm)일 수 있다. 이와 같이, 적어도 하나의 중간층(130)의 전체 두께는 베이스층(110) 및 유로층(120) 각각의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 적어도 하나의 중간층(130)은 CuMo과 같이 열팽창 계수가 낮은 재질로 형성되므로, Cu 재질의 베이스층(110) 및 유로층(120) 각각의 두께보다 더 두꺼울 경우 휨을 좀 더 강하게 억제할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 히트싱크(100)는 CuMo 재질인 금속층의 상면과 하면에 Cu 재질인 금속층을 접합하여 3층 구조 또는 다층 접합 구조로 형성하는 것이 가능하므로 두께에 대한 임계점이 없어 원하는 두께로 제작이 가능하며, 열 방출 효과를 극대화할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 히트싱크(100)의 전체 두께는 1.0mm~15.0mm 범위일 수 있다. 바람직하게는 히트싱크(100)의 두께는 2.0mm 이상으로 형성되어 방열에 유리하고 휨 발생이 최소화될 수 있다.
한편, 비록 도시되지는 않았으나, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)은 접합층(미도시)에 의해 서로 접합될 수 있다, 이때, 접합층은 Ag 및 AgCu 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다. Ag, AgCu는 열전도도가 높아 접합력을 높이는 역할과 동시에 열 전달을 용이하게 하여 방열 효율을 높일 수 있다. 접합층은 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있고, 두께는 약 0.3㎛ 내지 3.0㎛일 수 있다.
접합층은 베이스층(110)의 상면과 적어도 하나의 중간층(130)의 하면 사이, 적어도 하나의 중간층(130)의 상면과 유로층(120)의 하면 사이에 배치될 수 있고, 브레이징 온도에서 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 일체로 접합시킬 수 있다. 브레이징 온도는 800℃ 내지 950℃일 수 있다. 브레이징 접합은 모재의 용융점 이하의 온도에서 접합층만 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, 베이스층(110), 중간층(130) 및 유로층(120)은 확산 접합에 의해 접합될 수도 있다. 확산 접합은 열과 압력을 인가하여 접합면에 발생하는 원자의 확산을 이용하는 것으로, 고상 상태로 접합하며, 접합 후의 열응력이나 변형이 적은 특징이 있다.
이와 같이, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)은 브레이징 접합 또는 확산 접합을 통하여 서로 기밀하게 접합될 수 있고, 수압, 유압 등에 견딜 수 있는 높은 접합 강도를 갖도록 접합될 수 있다.
도 5는 도 3의 실시예에서 중간층 및 베이스층이 다른 제1 변형예에 의한 히트싱크를 도시한 분해 사시도이다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 제1 변형예에 따른 히트싱크(100A)는, 제1 중간층(131)에 형성된 제1 유입통로(131a)가 제1 내지 제8 유로(C1~C8)의 입구홀(h1)을 향해 길게 연장 형성되고, 제1 유입통로(131a)의 양측에 배치된 제1 배출통로(131b)가 제1 내지 제8 유로(C1~C8)의 출구홀(h2)을 향해 길게 연장 형성될 수 있다. 이와 같이, 서로 평행하게 형성된 제1 유입통로(131a)와 제1 배출통로(131b)가 형성될 경우, 냉매는 제1 내지 제8 유로(C1~C8)의 입구홀(h1)을 통해 제1 내지 제8 유로(C1~C8)의 공간(s) 내에 유입되고, 공간(s) 내에서 복수의 핀(p) 사이를 통과한 후 출구홀(h2)을 통해 배출될 수 있다.
도 5의 제1 변형예에서, 베이스층(110)은 제1 유입통로(131a)와 마주하는 유입홀(111)과, 제1 배출통로(131b)와 마주하는 한 쌍의 배출홀(112)이 형성될 수 있다.
즉, 베이스층(110)의 유입홀(111)을 통해 유입된 냉매는 제1 유입통로(131a)를 통과하여 제1 내지 제8 유로(C1~C8)의 입구홀(h1)로 이동하고, 입구홀(h1)을 통해 측벽(f1)과 저면(f2)으로 둘러싸인 공간(s) 내에 유입되며, 공간(s) 내에 유입된 냉매는 복수의 핀(p) 사이를 통과하여 출구홀(h2)을 통해 배출되고, 출구홀(h2)에 연결된 한 쌍의 제1 배출통로(131b)를 통과하여 한 쌍의 배출홀(112)을 통해 배출될 수 있다.
도 6은 도 3의 실시예에서 중간층이 다른 제2 변형예에 의한 히트싱크를 도시한 분해 사시도이다.
도 6에 도시된 바에 의하면, 제2 변형예에 따른 히트싱크(100B)는, 제1 중간층(131)에 형성된 제1 유입통로(131a)가 제2 유로(C2), 제3 유로(C3), 제4 유로(C4), 제6 유로(C6), 제7 유로(C7), 제8 유로(C8)의 입구홀(h1)과 마주하도록 연장 형성될 수 있다. 이와 같이, 중간층(130)의 제1 유입통로(131a) 및 제1 배출통로(131b), 베이스층(110)의 유입홀(111) 및 배출홀(112)은 요구되는 방열 특성에 따라 개수, 형상 등이 변경되어 구비될 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판에 대해서 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 분해 사시도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판을 도시한 평면도이다.
도 7에 도시된 바에 의하면, 히트싱크(100')는 베이스층(110'), 유로층(120') 및 적어도 하나의 중간층(130')을 포함하고, 적어도 하나의 중간층(130')은 제2 중간층(132')을 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 8에 도시된 바에 의하면, 유로층(120')의 복수의 유로(C1',C2',C3',C4') 각각은 관통홀(121')로 구비될 수 있다. 이때, 관통홀(121')은 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태일 수 있고, 이러한 지그재그 형태는 냉매가 이동하는 경로가 길어져 방열 면적을 확대시키기 용이하다.
제2 중간층(132')은 제1 중간층(131')과 유로층(120') 사이에 배치되고, 복수의 유로(C1',C2',C3',C4') 중 적어도 하나의 일단에 대응하여 형성된 제2 유입통로(132a')와, 복수의 유로(C1',C2',C3',C4') 중 적어도 하나의 타단에 대응하여 형성된 제2 배출통로(132b')를 구비할 수 있다. 구체적으로, 제2 중간층(132')의 제2 유입통로(132a')는 복수의 유로(C1',C2',C3',C4') 각각의 관통홀(121') 일단에 대응하여 형성될 수 있고, 제2 중간층(132')의 제2 배출통로(132b')는 복수의 유로(C1',C2',C3',C4') 각각의 관통홀(121') 타단에 대응하여 형성될 수 있다. 여기서, 제2 유입통로(132a')는 제1 유입통로(131a')와 마주하며, 제2 배출통로(132b')는 제1 배출통로(131b')와 마주할 수 있다.
도 9에 도시된 바에 의하면, 제2 중간층(132')은 평판 형태로 구비되므로, 유로층(120')의 하부에 접합될 경우 관통홀(121')의 내측면 및 제2 중간층(132')의 상면은 유로홈(h3')을 형성할 수 있다. 즉, 유로층(120')과 제2 중간층(132')이 접합되면, 관통홀(121')의 개방된 하부는 제2 중간층(132')의 상면에 의해 폐쇄되어 냉매가 이동할 수 있는 공간인 유로홈(h3')이 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여 히트싱크(100')에서의 냉매 순환 경로를 설명하면, 베이스층(110')의 유입홀(111')을 통해 유입되는 냉매는 제1 중간층(131')의 제1 유입통로(131a')를 통과하여 제2 중간층(132')의 제2 유입통로(132a')로 이동하고, 제2 유입통로(132a')를 통해 관통홀(121')의 내측면 및 제2 중간층(132')의 상면으로 둘러싸인 공간인 유로홈(h3') 내에 유입되며, 이후에 냉매는 지그재그 형태인 유로홈(h3')을 따라 이동하여 제2 중간층(132')의 제2 배출통로(132b')를 통해 배출될 수 있다. 이후에, 냉매는 제2 배출통로(132b')에 연결된 제1 배출통로(131b')를 통과하여 베이스층(110')의 배출홀(112')을 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크(100')는 도 2 내지 도 4에 도시된 실시예와 비교하여 히트싱크(100')를 구성하는 층의 개수가 더 많다. 히트싱크(100')를 구성하는 층의 개수가 더 많아지면, 냉매의 유량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 히트싱크(100')의 층의 개수는 사전 시뮬레이션 결과에 따라 요구되는 냉매의 유량에 맞게 다양하게 설계 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크(100')에서 최상부에 위치한 유로층(120')과 최하부에 위치한 베이스층(110')은 Cu, Al, STS(Stainless steel), Cu 합금 중 어느 하나의 재질일 수 있다. 또한, 유로층(120')과 베이스층(110') 사이에 배치된 제1 중간층(131') 및 제2 중간층(132')의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나일 수 있다.
일 예로, 베이스층(110') 및 유로층(120')이 Cu 재질의 금속층으로 이루어지고, 제1 중간층(131') 및 제2 중간층(132')이 CuMo 재질의 금속층으로 이루어질 경우, 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 재질의 금속층으로 인해 고온에서 휨을 방지할 수 있으며, 열전도도가 높은 Cu 재질의 금속층으로 인해 파워모듈에서 요구하는 고방열 조건을 만족할 수 있다.
도 10은 도 8의 실시예에서 유로층이 다른 변형예에 의한 히트싱크를 도시한 분해 사시도이고, 도 11은 도 10의 히트싱크를 도시한 평면도이다.
도 10 및 도 11의 변형예에 따른 히트싱크(100")는, 유로층(120")의 상면에 복수의 유로(C1",C2",C3",C4")가 형렬 배치되고, 복수의 유로(C1",C2",C3",C4") 각각은 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태의 유로홈(h3")으로 구비될 수 있다. 유로홈(h3")은 일단에 입구홀(h1")이 형성되며, 타단에 출구홀(h2")이 형성될 수 있다. 즉, 입구홀(h1")을 통해 유로홈(h3") 내에 유입된 냉매는 유로홈(h3")을 따라 이동하여 출구홀(h2")을 통해 배출될 수 있다. 구체적으로, 베이스층(110)의 유입홀(111")을 통해 유입되는 냉매는 제1 유입통로(131a")와 제2 유입통로(132a")를 차례로 통과하여 복수의 유로(C1",C2",C3",C4") 중 적어도 하나의 입구홀(h1")로 이동하고, 입구홀(h1")에 연결된 유로홈(h3")을 따라 이동하여 출구홀(h2")을 통해 배출되는 냉매는 제2 배출통로(132b")와 제1 배출통로(131b")를 차례로 통과하여 베이스층(110")의 배출홀(112")을 통해 배출될 수 있다.
한편, 입구홀(h1")과 출구홀(h2")의 위치, 유입홀(111")과 배출홀(112")의 위치, 제1 유입통로(131a")와 제1 배출통로(131b")의 위치, 제2 유입통로(132a")와 제2 배출통로(132b")의 위치는 서로 뒤바뀔 수도 있다. 즉, 냉매 순환 구동부(20)의 연결 시, 배출홀(112")을 통해 냉매가 유입되어 유입홀(111")을 통해 냉매가 배출되도록 연결될 수도 있다. 구체적으로, 베이스층(110")의 배출홀(112")을 통해 유입되는 냉매는 제1 배출통로(131b")와 제2 배출통로(132b")를 차례로 통과하여 복수의 유로(C1",C2",C3",C4") 중 적어도 하나의 출구홀(h2")로 이동하고, 출구홀(h2")에 연결된 유로홈(h3")을 따라 이동하여 입구홀(h1")을 통해 배출되는 냉매는 제2 유입통로(132a")와 제1 유입통로(131a")를 차례로 통과하여 베이스층(110")의 유입홀(111")을 통해 배출될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법은 도 12에 도시된 바와 같이, 세라믹 기재(11)의 적어도 일면에 금속층(12)을 포함하는 세라믹 기판(10)을 준비하는 단계(S10)와, 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)와, 세라믹 기판(10)의 일면과 히트싱크(100)의 일면을 접합하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
세라믹 기판(10)을 준비하는 단계(S10)에서, 세라믹 기판(10)은 세라믹 기재(11)의 적어도 일면에 금속층(12)을 포함하는 AMB(Active Metal Brazing) 기판일 수 있다.
히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)에서, 히트싱크(100)의 두께는 1.0mm~15.0mm 범위일 수 있다. 바람직하게는 히트싱크(100)의 두께는 2.0mm 이상으로 형성되어 방열에 유리하고 휨 발생이 최소화될 수 있다.
또한, 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)는, 다층 구조 중 인접하는 적어도 두 개의 층이 서로 다른 금속재질인 히트싱크(100)를 준비할 수 있다. 즉, 히트싱크(100)는 베이스층(110), 유로층(120) 및 적어도 하나의 중간층(130)을 포함하는 다층 구조이며, 이들 중 인접하는 적어도 두 개의 층은 서로 다른 금속재질로 형성할 수 있다. 구체적으로, 베이스층(110)과 유로층(120)은 동일 금속재질로 형성하며, 적어도 하나의 중간층(130)은 베이스층(110) 및 유로층(120)과 다른 금속재질로 형성힐 수 있다. 예를 들어, 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 재질인 중간층(130)의 상하부에, 열팽창 계수가 상대적으로 높으나 열전도도가 높은 Cu 재질의 베이스층(110) 및 유로층(120)을 접합할 경우, 열팽창 계수를 낮춤으로써 고온에서의 휨 현상을 줄일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법에서 히트싱크를 준비하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)는, 유입홀(111)과 배출홀(112)이 형성된 베이스층(110)을 준비하는 단계(S21)와, 복수의 유로(C1~C8)가 행렬 배치된 유로층(120)을 준비하는 단계(S22)와, 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 일단과 유입홀(111)을 연결하는 유입통로가 형성되고, 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 타단과 배출홀(112)을 연결하는 배출통로가 형성된 적어도 하나의 중간층(130)을 준비하는 단계(S23)와, 적어도 하나의 중간층(130)의 적어도 일면에 접합층을 형성하는 단계(S24)와, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 적층하는 단계(S25)를 포함한다.
여기서, 베이스층(110)을 준비하는 단계(S21), 유로층(120)을 준비하는 단계(S22) 및 적어도 하나의 중간층(130)을 준비하는 단계(S23)는 순차적으로 수행되거나, 서로 순서를 바꾸어 수행될 수 있고, 실질적으로 동시에 수행될 수도 있다.
베이스층(110)을 준비하는 단계(S21)에서, 유입홀(111)과 배출홀(112)은 외부의 냉매 순환 구동부(20)와 연결되도록 구성된 것으로, 에칭 가공 등에 의해 관통 형성될 수 있다.
유로층(120)을 준비하는 단계(S22)에서, 복수의 유로(C1~C8)는 유로층(120)의 일부를 식각하여 냉매가 이동할 수 있는 홈, 홀 등을 다양하게 형성할 수 있다.
적어도 하나의 중간층(130)을 준비하는 단계(S23)는, 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 일단을 향해 길게 연장된 제1 유입통로(131a)와, 복수의 유로(C1~C8) 중 적어도 하나의 타단을 향해 길게 연장된 제1 배출통로(131b)를 구비한 제1 중간층(131)을 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 중간층(130)을 구성하는 층의 개수, 유입통로 및 배출통로의 형상 및 개수는 사전 시뮬레이션 결과에 따라 요구되는 냉매의 유량에 맞게 다양하게 설계 변경될 수 있다.
접합층을 형성하는 단계(S24)는, 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 Ag 및 AgCu 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어진 접합층을 적어도 하나의 중간층(130)의 적어도 일면에 형성할 수 있다. 이때, 접합층은 제1 중간층(131)의 상하면에 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1 중간층(131')의 상하면에 접합층을 형성하면, 제1 중간층(131')의 상측에 배치되는 제2 중간층(132')은 유로층(120')과 마주하는 상면에 접합층을 형성할 수 있다.
베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 적층하는 단계(S25)는, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130), 유로층(120)을 차례로 적층할 수 있다. 중간층(130)의 적어도 일면에 형성한 접합층은 각 층 사이에 배치될 수 있다. 즉, 접합층은 베이스층(110)과 제1 중간층(131) 사이, 제1 중간층(131)과 유로층(120) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 베이스층(110'), 제1 중간층(131'), 제2 중간층(132') 및 유로층(120')을 차례로 적층할 수 있다. 이때, 접합층은 베이스층(110')과 제1 중간층(131') 사이, 제1 중간층(131')과 제2 중간층(132') 사이, 제2 중간층(132')과 유로층(120') 사이에 배치될 수 있다.
히트싱크(100)를 준비하는 단계(S20)는, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 적층하는 단계(S25) 이후에, 접합층을 용융시켜 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 브레이징 접합하는 단계(S26)를 더 포함할 수 있다.
브레이징 접합하는 단계(S26)는, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)을 적층한 상태에서 각 층 사이에 개재된 접합층을 800℃ 내지 950℃에서 용융시켜 브레이징 접합할 수 있고, 이때 접합력을 높이기 위해 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법에서 세라믹 기판의 일면과 히트싱크의 일면을 접합하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 세라믹 기판(10)의 일면과 히트싱크(100)의 일면을 접합하는 단계(S30)는, 세라믹 기판(10)의 일면 또는 유로층(120)의 일면에 접합기재(미도시)를 형성하는 단계(S31)와, 세라믹 기판(10)의 일면과 유로층(120)의 일면이 마주하도록 배치하는 단계(S32)와, 접합기재 및 접합층을 용융시켜 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130), 유로층(120) 및 세라믹 기판(10)을 동시에 브레이징 접합하는 단계(S33)를 포함한다.
접합기재를 형성하는 단계(S31)는, 도금, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착 중 어느 하나의 방법으로 Ag 및 AgCu 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어진 접합기재를 세라믹 기판(10)의 일면 또는 유로층(120)의 일면에 형성할 수 있다.
세라믹 기판(10)의 일면과 유로층(120)의 일면이 마주하도록 배치하는 단계(S32)는, 접합기재를 사이에 두고 세라믹 기판(10)과 유로층(120)이 적층되도록 배치할 수 있다. 여기서, 히트싱크(100)의 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)은 각 층 사이에 접합층이 개재되도록 적층된 상태일 수 있다. 즉, 히트싱크(100)의 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130) 및 유로층(120)은 아직 브레이징 접합되기 전의 상태일 수 있다.
베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130), 유로층(120) 및 세라믹 기판(10)을 동시에 브레이징 접합하는 단계(S33)는, 베이스층(110)과 제1 중간층(131) 사이, 제1 중간층(131)과 유로층(120) 사이에 배치된 접합층과, 유로층(120)과 세라믹 기판(10) 사이에 배치된 접합기재를 용융시켜 베이스층(110), 제1 중간층(131), 유로층(120) 및 세라믹 기판(10)을 동시에 브레이징 접합할 수 있다. 이때, 접합층 및 접합기재를 용융시키는 브레이징 온도는 800℃ 내지 950℃일 수 있고, 접합력을 높이기 위해 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
이와 같이, 베이스층(110), 적어도 하나의 중간층(130), 유로층(120) 및 세라믹 기판(10)을 동시에 브레이징 접합할 경우, 공정 단순화가 가능하며 공정비용 절감에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 베이스층(110')과 제1 중간층(131') 사이, 제1 중간층(131')과 제2 중간층(132') 사이, 제2 중간층(132')과 유로층(120') 사이에 배치된 접합층과, 유로층(120')과 세라믹 기판(10) 사이에 배치된 접합기재를 용융시켜 베이스층(110'), 제1 중간층(131'), 제2 중간층(132'), 유로층(120') 및 세라믹 기판(10)을 동시에 브레이징 접합할 수 있다.
한편, 본 발명은 일 실시예, 다른 실시예로 분리하여 설명하였으나 이들을 혼용하여 적용 가능하다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 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.

Claims (20)

  1. 세라믹 기재의 적어도 일면에 금속층을 포함하는 세라믹 기판; 및
    상기 세라믹 기판의 일면에 접합되고, 냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크를 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는,
    상기 다층 구조 중 인접하는 적어도 두 개의 층이 서로 다른 금속재질로 형성된 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는,
    유입홀과 배출홀이 형성된 베이스층;
    상기 베이스층의 상측에 배치되고, 복수의 유로가 행렬 배치된 유로층; 및
    상기 베이스층과 상기 유로층 사이에 배치되고, 상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단과 상기 유입홀을 연결하는 유입통로가 형성되며, 상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단과 상기 배출홀을 연결하는 배출통로가 형성된 적어도 하나의 중간층을 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스층과 상기 유로층은 동일 금속재질로 형성되고,
    상기 적어도 하나의 중간층은 상기 베이스층 및 상기 유로층과 다른 금속재질로 형성된 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층의 열팽창 계수는 상기 베이스층 및 상기 유로층의 열팽창 계수에 비해 낮은 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층의 전체 두께는 상기 베이스층 및 상기 유로층 각각의 두께보다 두꺼운 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층의 재질은 CuMo, Mo 중 어느 하나이고,
    상기 베이스층 및 상기 유로층의 재질은 Cu, Al, STS(Stainless steel), Cu 합금 중 어느 하나인 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 유입홀을 통해 유입되는 냉매는 상기 적어도 하나의 중간층 및 상기 유로층을 경유하여 상기 배출홀을 통해 배출되는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유입홀 및 상기 배출홀은 외부의 냉매 순환 구동부와 연결되도록 구성되고, 상기 냉매 순환 구동부에 의해 냉매가 연속해서 순환하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 유로 각각은,
    측벽과 저면으로 둘러싸인 공간 내에 구비되고, 서로 간격을 두고 배치된 복수의 핀; 및
    상기 복수의 핀을 사이에 두고 상기 저면의 일단 및 타단에 관통 형성된 입구홀과 출구홀을 포함하고,
    상기 입구홀을 통해 상기 공간 내에 유입된 냉매는 상기 복수의 핀 사이를 통과하여 상기 출구홀을 통해 배출되는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층은,
    상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단을 향해 길게 연장된 제1 유입통로와, 상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단을 향해 길게 연장된 제1 배출통로를 구비한 제1 중간층을 포함하고,
    상기 제1 유입통로는 상기 유입홀과 마주하며, 상기 제1 배출통로는 상기 배출홀과 마주하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간층은,
    상기 제1 중간층과 상기 유로층 사이에 배치되고, 상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단에 대응하여 형성된 제2 유입통로와, 상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단에 대응하여 형성된 제2 배출통로를 구비한 제2 중간층을 더 포함하며,
    상기 제2 유입통로는 상기 제1 유입통로와 마주하고, 상기 제2 배출통로는 상기 제1 배출통로와 마주하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 유로 각각은 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태의 관통홀로 구비되고,
    상기 관통홀의 내측면 및 상기 제2 중간층의 상면은 유로홈을 형성하며,
    상기 제2 유입통로를 통해 상기 유로홈 내에 유입된 냉매는 상기 유로홈을 따라 이동하여 상기 제2 배출통로를 통해 배출되는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 유로 각각은 굽은 형상이 반복되는 지그재그 형태의 유로홈으로 구비되고,
    상기 유로홈은 일단에 입구홀이 형성되고, 타단에 출구홀이 형성되며,
    상기 입구홀을 통해 상기 유로홈 내에 유입된 냉매는 상기 유로홈을 따라 이동하여 상기 출구홀을 통해 배출되는 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 히트싱크는,
    상기 베이스층, 상기 적어도 하나의 중간층 및 상기 유로층을 접합하는 접합층을 더 포함하고,
    상기 접합층은 Ag 및 AgCu 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어진 히트싱크 일체형 세라믹 기판.
  16. 세라믹 기재의 적어도 일면에 금속층을 포함하는 세라믹 기판을 준비하는 단계;
    냉매가 출입하는 다층 구조인 히트싱크를 준비하는 단계; 및
    상기 세라믹 기판의 일면과 상기 히트싱크의 일면을 접합하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 히트싱크를 준비하는 단계는,
    상기 다층 구조 중 인접하는 적어도 두 개의 층이 서로 다른 금속재질인 히트싱크를 준비하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 히트싱크를 준비하는 단계는,
    유입홀과 배출홀이 형성된 베이스층을 준비하는 단계;
    복수의 유로가 행렬 배치된 유로층을 준비하는 단계;
    상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 일단과 상기 유입홀을 연결하는 유입통로가 형성되고, 상기 복수의 유로 중 적어도 하나의 타단과 상기 배출홀을 연결하는 배출통로가 형성된 적어도 하나의 중간층을 준비하는 단계;
    상기 적어도 하나의 중간층의 적어도 일면에 접합층을 형성하는 단계; 및
    상기 베이스층, 상기 적어도 하나의 중간층 및 상기 유로층을 적층하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 히트싱크를 준비하는 단계는,
    상기 접합층을 용융시켜 상기 베이스층, 상기 적어도 하나의 중간층 및 상기 유로층을 브레이징 접합하는 단계를 더 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 세라믹 기판의 일면과 상기 히트싱크의 일면을 접합하는 단계는,
    상기 세라믹 기판의 일면 또는 상기 유로층의 일면에 접합기재를 형성하는 단계;
    상기 세라믹 기판의 일면과 상기 유로층의 일면이 마주하도록 배치하는 단계; 및
    상기 접합기재 및 상기 접합층을 용융시켜 상기 베이스층, 상기 적어도 하나의 중간층, 상기 유로층 및 상기 세라믹 기판을 동시에 브레이징 접합하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 세라믹 기판 제조방법.
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