WO2023113287A1 - 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 및 이의 제조 방법 - Google Patents

수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2023113287A1
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metal
layer
heat
heat dissipation
dissipation substrate
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PCT/KR2022/018822
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고태헌
강원실
남동우
허홍
정진영
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알에프머트리얼즈 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon

Definitions

  • the present invention relates to a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure and a manufacturing method thereof.
  • a heat sink refers to a component attached to quickly dissipate heat generated from a semiconductor package to the outside.
  • the heat dissipation board was made of a single metal component such as aluminum (Al) or copper (Cu), but these days, a clad in which dissimilar metals are bonded at high temperature and high pressure to improve thermal conductivity and minimize deformation even when used for a long time
  • a heat dissipation substrate in the form of an alloy clad metal, clad alloy
  • Korean Patent Registration No. 10-2228431 describes a clad clad heat sink based on aluminum, and the present inventors also disclose Korean Patent Registrations Nos. 10-1535438, 10-1612346, and 10-1890396. developed and published a heat dissipation substrate that minimizes deformation through
  • the present invention is a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure formed by stacking a plurality of heat conductive layers, any one metal arrangement direction selected from a plurality of heat conductive layers, and the plurality of heat conduction layers.
  • An object of the present invention is to provide a heat dissipation substrate in which thermal deformation is minimized by stacking different metal arrangement directions selected from layers in different directions.
  • an object of the present invention is to provide a heat dissipation substrate capable of controlling thermal conductivity and thermal expansion coefficient by adjusting the metal arrangement direction of the heat conductive layer.
  • One embodiment of the present invention for achieving the above object is a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure in which a plurality of heat conduction layers are stacked, wherein at least two heat conduction layers of the plurality of heat conduction layers are a first metal and a second heat conduction layer of a different kind. metals are arranged alternately,
  • the metal arrangement direction in which the first metal and the second metal of any one heat conducting layer of the plurality of heat conducting layers are formed and the first metal and the second metal of the other one of the plurality of heat conducting layers are It relates to a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure in which metal arrangement directions are different from each other.
  • each heat conductive layer of the plurality of heat conductive layers may have a vertical mesh structure formed by alternately arranging first and second metals of different types.
  • one heat conductive layer among the plurality of heat conductive layers and another heat conductive layer among the plurality of heat conductive layers may be stacked adjacent to each other.
  • one heat conductive layer and another heat conductive layer stacked adjacent to each other may be stacked with metal arrangement directions forming the same angle.
  • the first metal may be copper (Cu) or a copper alloy
  • the second metal may be a metal or an alloy having a smaller coefficient of thermal expansion than copper (Cu).
  • the second metal is molybdenum (Mo), molybdenum (Mo) alloy, tungsten (W), tungsten (W) alloy, Kovar (Kovar), Invar (Invar) and alloy 42 (Alloy 42) Any one selected may be included.
  • the first metal and the second metal may be diffusion bonded.
  • At least two heat conductive layers among the plurality of heat conductive layers may be formed in an adjacent region from a joint surface of the first metal and the second metal.
  • the nickel diffusion layer may be formed by diffusion of nickel into the first and second metals, respectively.
  • the nickel diffusion layer may be formed by diffusion of nickel coated on the second metal into the first metal and the second metal, respectively, in a diffusion bonding process.
  • the thermal expansion coefficient of the clad heat dissipation substrate having the vertical mesh structure may be controlled by adjusting the metal arrangement direction.
  • the heat conductive layer may be formed by alternately stacking and diffusion bonding first and second metals, and then cutting along a direction in which the first and second metals are stacked.
  • an upper electrical conductive layer and a lower electrical conductive layer respectively formed on and below the plurality of heat conductive layers may be further included.
  • the electrical conductive layer may be a copper layer or a copper alloy layer.
  • Another embodiment of the present invention for achieving the above object is to prepare a plurality of heat conductive layers formed by alternately arranging a first metal and a second metal of different types, an upper conductive layer and a lower conductive layer.
  • the preparing of the plurality of thermally conductive layers may include preparing at least one first metal layer including a first metal or an alloy thereof, and a second metal having a smaller thermal expansion coefficient than the first metal or its alloy. Preparing at least one second metal layer including an alloy, and alternately stacking the first metal layer and the second metal layer by applying temperature and pressure to the first metal layer and the second metal layer to obtain the first metal layer and the second metal layer. It may include manufacturing a heat conducting structure by bonding metal layers, and manufacturing a heat conducting layer in the form of a plate by cutting along a direction in which the first metal and the second metal are stacked.
  • the step of preparing the at least one second metal layer includes at least one second metal layer including a second metal or an alloy having a smaller thermal expansion coefficient than the first metal and having a nickel coating layer formed on a surface thereof.
  • the present invention increases the thermal conductivity by 20% or more based on room temperature and reduces the thermal expansion coefficient from room temperature to 800 ° C.
  • the tensile strength of the clad heat dissipation substrate can be increased to about 50 MPa or more.
  • the present invention can improve the bonding strength of the heat dissipation substrate and minimize thermal deformation.
  • FIG. 1 is a view for explaining a front view of a heat dissipation substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a heat dissipation substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining a heat dissipation substrate in which a plurality of heat conduction layers are arranged to form a predetermined angle.
  • FIG. 4 is a view for explaining a heat dissipation substrate in which a plurality of heat conductive layers cross each other in a state of orthogonal to each other.
  • FIG. 5 is a view for explaining a heat conduction layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a nickel diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a plurality of heat conductive layers according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a step of bonding a first metal layer and at least one second metal layer having a nickel coating layer formed thereon according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining how a heat conductive layer is manufactured by cutting a heat conductive structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining how a heat dissipation substrate is manufactured by stacking a plurality of heat conductive layers between electrical conductive layers in a vertical mesh structure.
  • FIG. 11 is a photograph of a thermal conductive layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view for explaining a front view of a heat dissipation substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a heat dissipation substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a plurality of heat conductive layers arranged at a predetermined angle.
  • FIG. 4 is a view for explaining a heat dissipation substrate in which a plurality of heat conductive layers cross each other in a state of orthogonal to each other.
  • the clad heat dissipation substrate 1000 having a vertical mesh structure may include a plurality of heat conductive layers 100 stacked in one direction.
  • a clad heat dissipation substrate 1000 has a pair of electrical conductive layers 200 formed of an upper electrical conductive layer and a lower electrical conductive layer disposed on upper and lower portions, and the electrical conductive layer 200 is disposed thereon. At least one heat conductive layer 100 formed by alternately arranging different metals side by side may be interposed between the conductive layers.
  • a direction in which the first metal 110 and the second metal 130 extend may be defined as a metal arrangement direction.
  • the thermal conductive layer 100 will be described in more detail with reference to FIGS. 5 and 6 .
  • the clad heat dissipation substrate 1000 having the vertical mesh structure has a plurality of heat conductive layers 100a, 100b...100 between the upper conductive layer 200 and the lower conductive layer 200.
  • the first metal and the second metal of different types may be alternately arranged in at least two heat conductive layers among the plurality of heat conductive layers.
  • the plurality of heat conductive layers 100 are stacked in a vertical direction with respect to the ground, and at least two heat conductive layers 100a and 100b of the plurality of heat conductive layers 100 are in a horizontal direction with respect to the ground
  • the first metal 110 and the second metal 130 of different types may be alternately arranged.
  • Metal arrangement directions formed by the first metal 110b and the second metal 130b of the other heat conductive layer 100b may be stacked differently from each other.
  • Mesh structure Defined as a vertical mesh structure.
  • one heat conductive layer 100a and another heat conductive layer 100b selected from the plurality of heat conductive layers 100 may be stacked such that dissimilar metal arrangement directions have a predetermined angle with each other.
  • three or more heat conductive layers 100a, 100b, and 100c may be stacked in different directions.
  • any one heat conduction layer and another heat conduction layer of the plurality of heat conduction layers 100 may be stacked adjacent to each other, and any one heat conduction layer and the other heat conduction layer stacked adjacent to each other may conduct heat transfer.
  • the layers may be stacked with metal array directions forming the same angle.
  • the first heat conducting layer 100a and the second heat conducting layer 100b may be stacked adjacent to each other, and the second heat conducting layer 100b and the third heat conducting layer 100c are The third heat-conducting layer 100c and the fourth heat-conducting layer 100d may be stacked adjacent to each other.
  • the first heat conducting layer 100a and the second heat conducting layer 100b, the second heat conducting layer 100b and the third heat conducting layer 100c, and the third heat conducting layer 100c and the fourth heat conducting layer ( 100d) may be stacked at the same angle as each other, for example, 90°.
  • the heat dissipation substrate 1000 has a metal arrangement direction of any one heat conductive layer 100a selected from the plurality of heat conductive layers 100, and the Any other heat conductive layer 100b selected from among the plurality of heat conductive layers may be stacked in a state in which metal arrangement directions are different from each other.
  • thermal stress is generated and expanded in the same direction. This may cause thermal stress to concentrate in the same direction, so that the thermal conductive layer 100 may be deformed, and a space between the thermal conductive layers 100 may be weakened and a space may be formed. As a result, the thermal conductivity of the heat dissipation substrate may be greatly reduced.
  • the present invention forms the heat conductive layer 100 as a vertical mesh structure in which metal arrangement directions are stacked in different states, and any one metal arrangement direction selected from a plurality of heat conduction layers and a plurality of heat conduction layers are selected.
  • the deformation direction of each heat conductive layer can be dispersed, and the thermal expansion coefficient of the heat dissipation substrate 1000 can be adjusted.
  • the present invention can minimize thermal deformation of the heat dissipation substrate 1000 and increase the thermal conductivity of the heat dissipation substrate 1000 .
  • the pair of electrically conductive layers 200 may be made of copper (Cu) or a copper (Cu) alloy layer.
  • FIG. 5 is a view for explaining a heat conduction layer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a view for explaining a nickel diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
  • first metal 110 and the second metal 130 extend in one direction.
  • the metal 110 and the second metal 130 may be formed by bonding.
  • the first metal 110 is provided as a metal having relatively excellent thermal conductivity compared to the second metal 130, and may play a role of dissipating heat transferred to the one heat conducting layer 100a.
  • the second metal 130 may serve to prevent thermal deformation of the first metal 110 and maintain its shape. To this end, the second metal 130 may be inserted between the first metals 110 and then bonded by applying temperature and pressure.
  • one heat conductive layer 100a may be formed of a clad alloy or a clad plate material in which the first metal 110 and the second metal 130 are alternately bonded to each other.
  • the second metal 130 may be made of a metal or an alloy having a smaller coefficient of thermal expansion than the first metal 110 .
  • the first metal may be made of copper (Cu) or a copper alloy
  • the second metal may be made of molybdenum (Mo), a molybdenum (Mo) alloy, or tungsten having a smaller coefficient of thermal expansion than copper (Cu).
  • W tungsten
  • W tungsten
  • Kovar Kovar
  • Kovar Kovar
  • Invar Invar
  • alloy 42 Alloy 42
  • the first metal 110 and the second metal 130 may be bonded through diffusion bonding.
  • diffusion bonding may be performed while heating the first metal 110 and the second metal 130 below the melting points.
  • the first metal 110 and the second metal 130 can be directly bonded in a solid state without melting.
  • the second metal 130 may include a portion of the first metal.
  • the second metal 130 is a molybdenum-copper alloy (Mo-Cu), more preferably 30 to 50% by weight of copper. It can be made of a molybdenum-copper alloy (Mo-Cu) consisting of (Cu) and the balance of molybdenum (Mo).
  • the first metal 110 and the second metal are formed in a state in which a nickel coating layer is formed on the second metal 130. (130) can be bonded.
  • a nickel diffusion layer may be formed in a region adjacent to the bonding surface of the first metal 110 and the second metal 130 .
  • the nickel coating layer may be formed by plating nickel (Ni) on the outer surface of the second metal 130, but is not limited thereto and may be manufactured by various methods such as spraying and supporting.
  • first metal 110 and the second metal 130 may be bonded by diffusion bonding while heating to a melting point or less of the first metal 110 and the second metal 130, and in the process By forming a nickel coating layer on the second metal 130 , the nickel diffuses in a solid state to bond the first metal 110 and the second metal 130 .
  • the present invention controls the thickness of the nickel coating layer to an appropriate level so that no nickel interface layer is formed between the first metal 110 and the second metal 130, and all nickel (Ni) is removed.
  • the first metal 110 or the second metal 130 may be diffused into any one of the metals.
  • nickel (Ni) has a thermal conductivity of 90 to 92 W/mK and belongs to a metal with relatively low thermal conductivity.
  • the first metal 110 and the second metal 130 may be provided as metals having higher thermal conductivity than nickel (Ni).
  • the thermal conductivity of the copper (Cu) is 386 to 398 W/mK
  • the molybdenum alloy is 142 to 143 Since the thermal conductivity of W/mK and tungsten alloy is 166 to 178 W/mK, the thermal conductivity may be higher than that of nickel (Ni). For this reason, when the nickel (Ni) is not diffused and remains as an interface layer, thermal conductivity of the heat dissipation substrate 1000 may rapidly decrease.
  • the present invention adjusts the thickness of the nickel coating layer to 10 to 40 nm to prevent the formation of a nickel interface layer between the first metal and the second metal, and all nickel (Ni) to the first metal ( 110) or the second metal 130 to form a nickel diffusion layer.
  • Ni nickel
  • the nickel diffusion layer 150 means a region formed by diffusion of nickel (Ni) into the first metal 110 and the second metal 130 , respectively.
  • the nickel (Ni) coated on the second metal 130 is diffused into the first metal 110 and the second metal 130 during a diffusion bonding process, thereby forming the first metal diffusion layer 150. It may be formed in one area inside the metal 110 and the second metal 130 .
  • the nickel diffusion layer 150 may be formed in an area adjacent to a junction surface with the second metal 130 within the first metal 110, and at the same time, within the second metal 130, the first metal 110 ) can be formed in the adjacent area from the joint surface with.
  • the nickel diffusion layer 150 formed in the region adjacent to the junction surface with the second metal 130 within the first metal 110 is defined as the first nickel diffusion layer 150a
  • the second metal ( 130), the nickel diffusion layer 150 formed in a region adjacent to the junction surface with the first metal 110 is defined as a second nickel diffusion layer 150b.
  • the nickel (Ni) is described as concentrated in a partial region of the first metal 110 and concentrated in the second metal 130, but is not limited thereto, and the second metal within the first metal 110 It can diffuse to the entire area around the adjacent area from the junction surface with (130), and can diffuse around the adjacent area from the junction surface with the first metal 110 within the second metal 130.
  • the first metal 110 may form a solid solution with the nickel (Ni).
  • the first metal 110 is copper (cu)
  • the crystal structure of the copper (Cu) and the nickel (Ni) is the same as a face centered cubic structure (FCC), and the atomic Their radii and electronegativities are similar so they can be fully employed with each other.
  • FCC face centered cubic structure
  • the copper (Cu) and the nickel (Ni) can be distributed in the form of a full solid solution.
  • the second metal 130 may also diffuse the nickel (Ni) to form a second nickel diffusion layer 150b.
  • the nickel (Ni) may diffuse into the molybdenum (Mo) layer to form a Ni-Mo-based diffusion layer
  • the nickel (Ni) may diffuse into the tungsten (W) layer to form a Ni—W-based diffusion layer.
  • the present invention can improve the tensile strength of the heat dissipation substrate 100 to 300 MPa or more, and the heat dissipation substrate made of the same material without the nickel diffusion layer 130.
  • the tensile strength (MPa) can be increased by about 180 MPa or more.
  • the present invention prevents delamination at the interface where the first metal 110 and the second metal 130 come into contact, thereby increasing the thermal conductivity of the heat dissipation substrate 1000 compared to a conventional clad heat dissipation substrate.
  • the T 1 and the T 2 represent the following relational expression 1 can be satisfied
  • T 1 is the thickness of the first metal
  • T 2 is the thickness of the second metal
  • the first metal 110 has a relatively high coefficient of thermal expansion due to thermal deformation of the first metal 110 .
  • the second metal 130 a delamination phenomenon may occur. This causes the thermal conductivity of the thermal conductive layer 100 to decrease and the thermal expansion coefficient to increase.
  • the thickness of the first metal (T 1 ) and the thickness of the second metal (T 2 ) are preferably formed within a range that satisfies the relational expression 1 above.
  • the T 1 and the T 2 may satisfy the following relational expression 2.
  • T 1 is the thickness of the first metal
  • T 2 is the thickness of the second metal
  • the heat dissipation substrate according to the embodiment of the present invention has been described above.
  • a method of manufacturing a heat dissipation substrate according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 10 .
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a plurality of heat conductive layers according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a first and second metal layer having a nickel coating layer formed on a surface according to an embodiment of the present invention.
  • a view for explaining a step of bonding metal layers FIG. 9 is a view for explaining how a heat conductive layer is manufactured by cutting a heat conductive structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a view for explaining a plurality of electrically conductive layers between It is a view for explaining how to manufacture a heat dissipation board by stacking the heat conduction layer in a vertical mesh structure.
  • a method of manufacturing a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure includes preparing a plurality of heat conductive layers formed by alternately arranging a first metal and a second metal of different types, an upper electrical conductive layer and a lower electrical conductive layer.
  • Preparing a conductive layer stacking a plurality of heat conductive layers between the upper and lower electrical conductive layers, wherein the metal arrangement formed by the first metal and the second metal of any one heat conductive layer among the plurality of heat conductive layers Laminating such that the direction and the arrangement direction of the metals formed by the first metal and the second metal of the other one of the heat conductive layers of the plurality of heat conductive layers are different from each other, and applying temperature and pressure to the electrical conductive layer and the heat conductive layer to A step of bonding the electrical conductive layer and the heat conductive layer may be included.
  • the preparing of a plurality of thermally conductive layers may include preparing at least one first metal layer including a first metal or an alloy thereof, and a second metal having a smaller coefficient of thermal expansion than the first metal. or preparing at least one second metal layer containing the alloy, alternately stacking the first metal layer and the second metal layer, applying temperature and pressure to the first metal layer and the second metal layer to obtain the first metal layer It may include manufacturing a heat conducting structure by bonding the first metal layer and the second metal layer, and manufacturing a heat conducting layer in the form of a plate material by cutting along a direction in which the first metal and the second metal are stacked.
  • a first metal layer containing a first metal or an alloy thereof and a second metal layer containing a second metal or an alloy having a smaller thermal expansion coefficient than the first metal can be prepared. Since the first metal and the second metal have been specifically described above, they will be omitted.
  • a nickel coating layer may be formed on the surface of the second metal layer, and more preferably, a nickel coating layer of 10 to 40 nm may be formed.
  • the thickness of the nickel coating layer is less than 10 nm, the effect of increasing the bonding force cannot be expected due to insufficient nickel (Ni) diffusion in the first metal layer and the second metal layer.
  • the thickness of the nickel coating layer exceeds 40 nm, all of the nickel (Ni) in the nickel coating layer is not diffused and some of it remains to form a nickel (Ni) interface layer between the first metal layer and the second metal layer. can do.
  • the nickel (Ni) interfacial layer may reduce thermal conductivity of the heat dissipation substrate by hindering heat transfer of the heat dissipation substrate, and the thermal expansion coefficient may be increased. As a result, heat dissipation efficiency of the heat dissipation substrate may be reduced.
  • the thermal conductivity of the copper (Cu) is 386 to 398 W / mK
  • the molybdenum alloy is 142 to 143 W / mK
  • tungsten alloy Since the thermal conductivity of is 166 to 178 W / mK, the thermal conductivity may be higher than that of nickel (Ni).
  • the present invention adjusts the thickness of the nickel coating layer to 40 nm or less, so that the nickel interface layer is not formed and all nickel (Ni) can diffuse into the first metal layer or the second metal layer.
  • the thickness of the nickel coating layer is preferably 10 to 40 nm, more preferably 20 to 30 nm.
  • the first metal layer 110 and the second metal layer 130, or the first metal layer 110 and the second metal layer 130 formed with the nickel coating layer 170 are alternately laminated, and then The first metal layer 110 and the second metal layer 130 may be bonded by applying temperature and pressure. Through this, the heat conductive structure 10 may be manufactured by diffusion bonding the first metal layer 110 and the second metal layer 130 .
  • the nickel (Ni) element forming the nickel coating layer 170 is applied to the first metal layer 110 or the second metal layer 110.
  • the nickel diffusion layer 150 may be formed on each metal layer by being diffused into one of the two metal layers 130 . Through this, the present invention can further improve the bonding force between the first metal layer 110 and the second metal layer 130 .
  • the present invention may control the bonding temperature and pressure of the nickel coating layer 170 to an appropriate level in order to improve the bonding force.
  • the bonding temperature is preferably 800 to 900°C.
  • the bonding temperature is less than 800° C.
  • the nickel coating layer 170 may not be completely diffused, so that diffusion bonding may not be completely achieved.
  • the bonding temperature exceeds 900° C.
  • the first metal layer 110 or the second metal layer 130 may melt or thermal deformation may occur.
  • the bonding temperature is preferably 800 to 900 °C, more preferably 850 to 900 °C.
  • the bonding pressure is preferably 1 to 100 Ton/cm 2 .
  • the pressure at the time of bonding is preferably 1 to 100 Ton/cm 2 , more preferably 30 to 60 Ton/cm 2 .
  • the bonding temperature and pressure it is preferable to maintain the bonding temperature and pressure for 100 to 250 minutes.
  • the time for maintaining the bonding temperature and pressure is defined as a high-temperature pressing time.
  • the high-temperature pressing time is less than 100 minutes, the effect of diffusion bonding may be reduced because time for the nickel (Ni) to diffuse into the first metal layer 110 and the second metal layer 130 is insufficient.
  • the high-temperature pressing time exceeds 250 minutes, thermal deformation may occur in the first metal layer 110 and the second metal layer 130 due to excessive heating. This may cause delamination to occur at the interface where the first metal layer 110 and the second metal layer 130 come into contact, thereby reducing thermal conductivity and increasing the coefficient of thermal expansion.
  • the high-temperature pressing time is preferably 100 to 250 minutes, more preferably 150 to 200 minutes.
  • the bonding process may be performed in a nitrogen atmosphere by injecting nitrogen (N 2 ) after vacuuming the inside of the chamber to 1 ⁇ 10 -7 Torr to 1 ⁇ 10 -5 Torr.
  • nitrogen (N 2 ) When the degree of vacuum during the bonding process is less than 1 ⁇ 10 ⁇ 5 Torr, the heat dissipation substrate may react with oxygen in the chamber and be oxidized. This may reduce the thermal conductivity of the heat dissipation substrate.
  • the present invention is preferably performed in a nitrogen atmosphere by injecting nitrogen (N 2 ) after vacuuming the inside of the chamber to 1 ⁇ 10 -7 Torr to 1 ⁇ 10 -5 Torr.
  • the bonding conditions have been described with respect to the bonding conditions in a state in which the nickel coating layer is included, but it is not limited thereto, and bonding may be performed under the same conditions even in a state in which the nickel coating layer is not included.
  • the heat conductive layer 100 in the form of a plate material may be manufactured by cutting the heat conductive structure 10 along the direction in which the first metal layer 110 and the second metal layer 130 are stacked.
  • the heat conductive structure 10 is formed in the XZ plane along the Z direction.
  • the heat conductive layers 100a, 100b, 100c... in the form of a plate material can be manufactured.
  • the heat conductive layer can be manufactured by cutting the heat conductive structure 10 side by side in the YZ plane in the same process.
  • the first metal layer 110 and the second metal layer 130 in the heat conducting layer 100 may be formed to have the same thickness, or the first metal layer 110 may be formed to be thicker than the second metal layer. It can be.
  • a pair of electrically conductive layers 200 containing copper or copper alloy are prepared on the upper and lower portions, and a plurality of thermally conductive layers 100 are arranged with metal between the electrically conductive layers.
  • a pair of electrically conductive layers 200 containing copper or copper alloy are prepared on the upper and lower portions, and a plurality of thermally conductive layers 100 are arranged with metal between the electrically conductive layers.
  • the clad heat dissipation substrate 1000 may be manufactured.
  • the thickness of the first metal 110 (T 1 ) and the thickness of the second metal 130 (T 2 ) are prepared according to the following relational expressions 1 and 2 to control heat dissipation characteristics.
  • T 1 is the thickness of the first metal
  • T 2 is the thickness of the second metal
  • the thickness (T 1 ) of the first metal 110 having excellent thermal conductivity is equal to or increased than the thickness (T 2 ) of the second metal 130 to form the thermal conductive layer 100 or having a vertical mesh structure.
  • Thermal conductivity of the clad heat dissipation substrate 1000 may be improved.
  • the thickness (T 2 ) of the second metal 130 having a low coefficient of thermal expansion is equal to or increased than the thickness (T 1 ) of the first metal 110 to form the thermal conductive layer 100 or a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure. It is possible to prevent thermal deformation of (1000) and prevent delamination from occurring. Through this, durability and lifespan of the clad heat dissipation substrate 1000 may be improved.
  • the thickness of the first metal layer 110 and the second metal layer 130 in the heat conductive layer 100 have been described, but it is obvious that the same can be applied to the thickness of the heat conductive layer 100.
  • the thickness of each heat conductive layer is controlled by The thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the clad heat dissipation substrate 1000 having the vertical mesh structure may be controlled.
  • the heat dissipation characteristics can be controlled by adjusting the thickness of the pair of electrically conductive layers 200 located on the top and bottom of the clad heat dissipation substrate 1000 having a vertical mesh structure.
  • the clad heat dissipation substrate 1000 having a vertical mesh structure can stably conduct heat by preparing the thickness of the electrical conductive layer 200 to be 0.1 to 1 mm, or to have a thickness of 0.1 to 0.5 mm. It is possible to miniaturize the overall thickness of the clad heat dissipation substrate by manufacturing.
  • a plurality of copper (Cu) layers having a thickness of 0.1 mm and a plurality of molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layers (second metal layer) having a thickness of 0.1 mm are prepared.
  • the molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layer includes 30% by weight of copper (Cu) and the balance of molybdenum.
  • a heat conductive structure was prepared by high-temperature pressing at 50 Ton/cm 2 at °C.
  • the high-temperature pressing was performed in a nitrogen (N 2 ) atmosphere while maintaining a vacuum of 1 ⁇ 10 -5 Torr.
  • the heat conductive structure prepared according to Preparation Example 1 was cut side by side with respect to the plane including the direction in which the copper (Cu) layer and the molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layer were laminated to prepare a heat conductive layer as shown in FIG. .
  • the directions in which the copper (Cu) layer and the molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layer are stacked in the heat conductive layer are stacked so as to cross each other at 90°, and the upper and lower portions of the stacked heat conductive layer are formed.
  • a high-temperature press was performed at 970 ° C. at 50 Ton / cm 2 using a high-temperature press to prepare a clad heat dissipation substrate having a vertical mesh structure.
  • the high-temperature pressing was performed for 4 hours in a nitrogen (N 2 ) atmosphere while maintaining a vacuum of 1 ⁇ 10 -5 Torr.
  • Example 2 All processes were performed in the same manner as in Example 1 except that the second metal layer was made of a molybdenum (Mo) layer rather than a molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layer.
  • Mo molybdenum
  • Mo-Cu molybdenum-copper
  • Example 3 All processes were performed in the same manner as in Example 3 except that the second metal layer was made of a molybdenum (Mo) layer instead of a molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layer.
  • Mo molybdenum
  • Mo-Cu molybdenum-copper
  • a plurality of copper (Cu) layers (first metal layer) and a plurality of molybdenum-copper (Mo-Cu) alloy layers (second metal layer) having a thickness of 0.1 mm are formed. It was laminated alternately, and after disposing an electrically conductive layer provided with copper (Cu) having a thickness of 0.1 mm on the top and bottom, high temperature pressure was applied under the same conditions as in Example 1.
  • the tensile strength was measured to confirm the bonding strength of the clad heat dissipation substrate prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, and the thermal conductivity at room temperature to confirm the thermal conductivity of the clad heat dissipation substrate. And the thermal expansion coefficient at a temperature of 800 °C or less was measured. The results are disclosed in Table 1 below.
  • the thermal conductivity was measured according to the method specified in the laser flash method (ASTM E1461), and the coefficient of thermal expansion was measured using TMA (Mettler Toredo) equipment according to the method specified in ASTM E831.
  • Example 1 O Mo-Cu X 323 to 382 342.76 8.8
  • Example 2 O Mo X 303 to 340 324.51 7.5
  • Example 3 O Mo-Cu O 380 to 450 372.17 7.92
  • Example 4 O Mo O 350 to 400 352.66 6.62
  • Comparative Example 1 X Mo-Cu X 280 to 370 265.72 10.73
  • Comparative Example 2 X Mo X 210 to 320 242.16 9.42
  • Comparative Example 4 X Mo O 330 to 380 287.07 9.12
  • Examples 1 to 4 having a vertical mesh structure in the manufacturing process have a tensile strength of 300 MPa or more, a thermal conductivity of 300 W/(m K) or more, and a thermal expansion coefficient of less than 9.0 ppm/K. It can be seen that they have both at the same time.
  • Examples 3 to 4 in which the nickel coating layer was included in the second metal layer had a tensile strength of 350 MPa or more, a thermal conductivity of 350 W/(m K) or more, and a thermal expansion coefficient of less than 8.0 ppm/K. This is because the nickel (Ni) coated on the second metal is diffused into the first metal and the second metal, respectively, and the nickel is diffused. As described above, the nickel (Ni) is diffused and diffused into the first and second metal layers. because bonding has occurred. Due to this, the present invention can prevent delamination between the first metal layer and the second metal layer.
  • Comparative Examples 1 to 4 have a thermal conductivity of less than 300, more preferably 240 to 290 W/(m ⁇ K), and at the same time a thermal expansion coefficient exceeding 9.0 ppm/K.
  • the thermal expansion coefficient of the entire heat dissipation substrate can be reduced by dispersing the directions in which the first metal and the second metal expand, and delamination caused by thermal deformation can be prevented. This is because the thermal conductivity is improved.
  • the thermal conductivity can be improved and the thermal expansion coefficient can be reduced.
  • Examples 1 and 2 of the vertical mesh structure increased the thermal conductivity by 25 to 35% based on room temperature compared to Comparative Examples 1 to 2 without the vertical mesh structure, and the thermal expansion coefficient from room temperature to 800 ° C. was reduced by 15 to 25%.
  • Example 3 to 4 including the nickel diffusion layer the thermal conductivity increased by 20 to 25%, and the thermal expansion coefficient from room temperature to 800 ° C. decreased by 20 to 30% compared to Comparative Examples 3 to 4, which did not have a vertical mesh structure. .

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Abstract

본 발명은 복수의 열전도층이 적층되어 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판에 있어서, 적어도 하나의 열전도층은 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 나란하게 교대로 배열되며, 복수의 열전도층에서 선택되는 어느 하나의 열전도층에서의 금속 배열 방향과, 상기 열전도층과 다른 열전도층에서의 금속 배열 방향이 서로 다른 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판에 관한 것이다.

Description

수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 및 이의 제조 방법
본 발명은 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
방열 기판(Heat Sink)이란 반도체 패키지에서 발생되는 열을 빠르게 밖으로 방출시키기 위해 부착된 부품을 의미한다. 종래에는 상기 방열 기판을 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)등 단일 금속성분으로 제조하였으나, 요즘은 열전도도를 향상시키고, 장시간 사용하여도 변형을 최소화하기 위해 이종의 금속을 고온 고압으로 접합한 클래드 합금(Clad metal, Clad alloy) 형태의 방열 기판이 사용되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-2228431호 에서는 알루미늄을 기반으로 한 클래드 클래드 방열판을 기재하고 있으며, 본 발명인 또한, 대한민국 등록특허 제10-1535438호, 제10-1612346호 및 제10-1890396호를 통하여 변형을 최소화하는 방열 기판를 개발하여 공개하였다.
하지만 클래드 합금으로 제조한 방열 기판은 접합 과정에서 결합력이 부족할 경우, 이종의 금속이 접합하는 방향으로 열 팽창이 발생하고, 그 결과 계면에서 층간 벌어짐(Delamination) 현상이 발생하여 열전도율이 감소한다는 문제점이 있다. 이는 방열 기판의 열전달 특성을 감소시켜 반도체 소자의 수명 및 성능이 저하되는 원인이 된다.
이를 방지하기 위하여, 클래드 판재의 열전달 특성을 유지하면서, 열변형을 최소화 할 수 있는 방열 기판이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 복수의 열전도층이 적층되어 형성되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판에 있어서, 복수의 열전도층에서 선택되는 어느 하나의 금속 배열 방향과, 상기 복수의 열전도층에서 선택되는 다른 어느 하나의 금속 배열 방향을 서로 다른 방향으로 적층하여 열변형을 최소화 시킨 방열 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 열전도층의 금속 배열 방향을 조절하여 열전도도 및 열팽창계수를 제어할 수 있는 방열 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 복수의 열전도층이 적층되어 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판에 있어서, 상기 복수의 열전도층 중 적어도 두 열전도층은 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열되고,
상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향이 서로 다른 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판에 관한 것이다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 복수의 열전도층의 각 열전도층은 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열되어 형성되는 수직 그물망 구조를 가질 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층은 서로 이웃하게 적층될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 서로 이웃하게 적층되는 어느 하나의 열전도층과 다른 하나의 열전도층은 금속 배열 방향이 같은 각도를 이루면서 적층될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속은 구리(Cu) 또는 구리합금이며, 상기 제2 금속은 상기 구리(Cu)보다 열팽창계수가 작은 금속 또는 그 합금일 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속은 몰리브덴(Mo), 몰리브덴(Mo) 합금, 텅스텐(W), 텅스텐(W) 합금, 코바(Kovar), 인바(Invar) 및 합금 42(Alloy 42)중 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 및 제2 금속은 확산접합될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 복수의 열전도층 중 적어도 두 열전도층은 상기 제1 금속 및 제2 금속의 접합면으로부터 인접한 영역에 형성될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 니켈확산층은 니켈이 상기 제1 및 제2 금속으로 각각 확산되어 형성될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 니켈확산층은 상기 제2 금속에 코팅되었던 니켈이 확산접합 과정에서 상기 제1 금속 및 제2 금속으로 각각 확산되어 형성될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 금속 배열 방향을 조절하여 상기 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판을 열팽창계수를 제어할 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 열전도층은 제1 금속과 제2 금속이 교대로 적층되어 확산접합된 후, 상기 제1 및 제2 금속이 적층되는 방향을 따라 절단하여 형성될 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 복수의 열전도층의 상하부에 각각 형성되는 상부 전기전도층 및 하부 전기전도층을 더 포함할 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 전기전도층은 구리층 또는 구리합금층일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는, 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열되어 형성되는 열전도층을 복수 개 준비하는 단계, 상부 전기전도층 및 하부 전기전도층을 준비하는 단계, 상기 상부 및 하부 전기전도층 사이에 복수의 열전도층을 적층하되, 상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향이 서로 다르도록 적층하는 단계 및 상기 전기전도층 및 열전도층에 온도와 압력을 가하여 상기 전기전도층과 상기 열전도층을 접합하는 단계를 포함하는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 제조 방법에 관한 것이다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 복수의 열전도층을 준비하는 단계는 제1 금속 또는 그 합금을 포함하는 적어도 하나의 제1 금속층을 준비하는 단계, 상기 제1 금속보다 열팽창계수가 작은 제2 금속 또는 그 합금을 포함하는 적어도 하나의 제2 금속층을 준비하는 단계, 상기 제1 금속층과 제2 금속층을 교대로 적층하는 단계 상기 제1 금속층 및 제2 금속층에 온도와 압력을 가하여 상기 제1 금속층과 제2 금속층을 접합하여 열전도 구조물을 제조하는 단계 및 상기 제1 금속 및 제2 금속이 적층되는 방향을 따라 절단하여 판재 형태의 열전도층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 실시 예에 따르면, 상기 적어도 하나의 제2 금속층을 준비하는 단계는, 상기 제1 금속보다 열팽창계수가 작은 제2 금속 또는 그 합금을 포함하며, 표면에 니켈 코팅층이 형성된 적어도 하나의 제2 금속층을 준비할 수 있다.
본 발명은 클래드 방열 기판을 수직 그물망 구조로 제조함으로써, 통상의 클래드 방열 기판에 비하여 열전도율을 상온 기준 20%이상 증가시키고, 실온에서 800℃까지의 열팽창계수를 15%이상 감소시켰다.
또한, 본 발명은 본 발명은 제1 금속과 제2 금속 사이에 니켈 확산영역을 형성함으로써, 클래드 방열 기판의 인장강도를 약 50㎫ 이상 증가시킬 수 있다.
이를 통해 본 발명은 상기 방열 기판의 결합력을 향상 시킬 수 있으며, 열변형을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판의 정면도을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판의 분해사시도이다.
도 3은 복수의 열전도층이 소정 각도를 이루도록 배열된 방열 기판을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 복수의 열전도층이 서로 직교한 상태로 교차된 방열 기판을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열전도층을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 니켈 확산층을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 열전도층을 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 표면에 니켈 코팅층이 형성된 적어도 하나의 제2 금속층과 제1 금속층을 접합하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 열전도 구조물을 절단하여 열전도층을 제조하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 전기전도층 사이에 복수의 열전도층을 수직 그물망 구조로 적층하여 방열 기판을 제조하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 열전도층을 촬영한 사진이다.
이하 본 발명에 따른 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1 내지 4는 본 발명의 방열 기판에 대한 다양한 실시 예를 설명하고 있다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판의 정면도을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판의 분해사시도이고, 도 3은 복수의 열전도층이 소정 각도를 이루도록 배열된 방열 기판을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 복수의 열전도층이 서로 직교한 상태로 교차된 방열 기판을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)은 일 방향으로 적층된 복수의 열전도층(100)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 클래드 방열 기판(1000)은 상부 및 하부에 상부 전기전도층 및 하부 전기전도층으로 이루어지는 한 쌍의 전기전도층(200)이 배치되고, 상기 전기전도층 사이에 이종의 금속이 나란하게 교대로 배열되어 형성되는 적어도 하나의 열전도층(100)이 개재될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)이 연장되는 방향을 금속 배열 방향으로 정의할 수 있다. 상기 열전도층(100)에 대해서는 도 5 및 도 6을 통해 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 상기 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)은 상부 전기전도층(200) 및 하부 전기전도층(200) 사이에 복수의 열전도층(100a, 100b...100)이 적층되며, 상기 복수의 열전도층 중 적어도 두 열전도층은 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열될 수 있다.
더욱 바람직하게 상기 복수의 열전도층(100)은 지면을 기준으로 수직하는 방향을 따라 적층되며, 상기 복수의 열전도층(100) 중 적어도 두 열전도층(100a, 100b)은 지면을 기준으로 수평 방향으로 이종의 제1 금속(110) 및 제2 금속(130)이 교대로 배열될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는 상기 복수의 열전도층(100) 중 어느 하나의 열전도층(100a)의 상기 제1 금속(110a) 및 상기 제2 금속(130a)이 형성하는 금속 배열 방향과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층(100b)의 상기 제1 금속(110b) 및 상기 제2 금속(130b)이 형성하는 금속 배열 방향이 서로 다르게 적층될 수 있다. 이하, 상기 복수의 열전도층(100) 중 어느 하나의 열전도층(100a)의 금속 배열 방향과 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층(100b)의 금속 배열 방향이 서로 다른 방향으로 적층된 구조를 그물망 구조수직 그물망 형태(Vertical mesh structure)로 정의한다.
다시 말해, 복수의 열전도층(100)에서 선택되는 어느 하나의 열전도층(100a)와 다른 하나의 열전도층(100b)는 이종 금속의 배열 방향이 서로 소정 각도를 가지도록 적층될 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이 셋 이상의 열전도층(100a, 100b, 100c)이 서로 다른 방향으로 적층될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 복수의 열전도층(100) 중 어느 하나의 열전도층과 다른 하나의 열전도층은 서로 이웃하게 적층될 수 있으며, 상기 서로 이웃하게 적층되는 어느 하나의 열전도층과 다른 하나의 열전도층은 금속 배열 방향이 같은 각도를 이루면서 적층될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 제1 열전도층(100a)과 제2 열전도층(100b)이 서로 이웃하게 적층될 수 있으며, 상기 제2 열전도층(100b)과 제3 열전도층(100c)이, 상기 제3 열전도층(100c)과 제4 열전도층(100d)이 이웃하게 적층될 수 있다. 이 때, 제1 열전도층(100a)과 제2 열전도층(100b), 상기 제2 열전도층(100b)과 제3 열전도층(100c) 및 상기 제3 열전도층(100c)과 제4 열전도층(100d)은 서로 동일한 각도, 예를 들어 90°로 적층될 수 있다.
이상 도 1 내지 4를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판(1000)은 상기 복수의 열전도층(100)에서 선택되는 어느 하나의 열전도층(100a)의 금속 배열 방향과, 상기 복수의 열전도층에서 선택되는 다른 어느 하나의 열전도층(100b)의 금속 배열 방향이 서로 다른 상태로 적층될 수 있다.
통상적으로, 하나 또는 복수의 열전도층(100)이 단일 방향의 클래드 소재로 제공되는 경우, 상기 방열 기판(1000)에 열이 전달되면, 상기 동일한 방향으로 열 응력이 발생하여 팽창하게된다. 이는 동일한 방향으로 열 응력이 집중되어 열전도층(100)이 변형될 수 있으며, 열전도층(100) 사이에 결합이 약해저 공간이 형성될 수 있다. 그 결과 상기 방열 기판의 열전도율을 크게 감소시킬 수 있다.
이를 방지하기 위해 본 발명은 상기 열전도층(100)을 금속 배열 방향이 다른 상태로 적층한 수직 그물망 구조로 형성하고, 복수의 열전도층에서 선택되는 어느 하나의 금속 배열 방향과 복수의 열전도층에서 선택되는 다른 어느 하나의 금속 배열 방향을 소정 각도를 갖도록 제어하여 각 열전도층의 변형 방향을 분산화하고, 방열 기판(1000)의 열팽창계수를 조절할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 상기 방열 기판(1000)의 열변형을 최소화 시킬 수 있으며, 방열 기판(1000)의 열전도율을 증가시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 한 쌍의 전기전도층(200)은 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금층으로 제조될 수 있다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판(1000)의 적층 구조에 대해 설명하였다. 이하 도 5 및 도 6을 통해 본 발명의 실시 예에 따른 열전도층을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열전도층을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 니켈 확산층을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 하나의 열전도층(100a)은 일 방향으로 연장되는 제1 금속(110)과 제2 금속(130)이 소정의 금속 배열 방향으로 나란하게 교대로 배열된 후, 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)이 접합되어 형성될 수 있다.
상기 제1 금속(110)은 상기 제2 금속(130)에 비해 상대적으로 열전도율이 우수한 금속으로 제공되며, 상기 하나의 열전도층(100a)에 전달된 열을 방출하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 제2 금속(130)은 상기 제1 금속(110)의 열변형을 방지하고 형상을 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해 상기 제2 금속(130)은 상기 제1 금속(110)사이에 삽입된 후 온도와 압력을 가하여 접합될 수 있다.
즉, 하나의 열전도층(100a)은 제1 금속(110)과 제2 금속(130)이 서로 교번하여 접합된 클래드 합금 또는 클래드 판재로 형성될 수 있다.
이러한 이유로, 상기 제2 금속(130)은 상기 제1 금속(110)보다 열팽창계수가 작은 금속 또는 그 합금으로 제조될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속은 구리(Cu) 또는 구리합금으로 제조될 수 있으며, 상기 제2 금속은 상기 구리(Cu)보다 열팽창계수가 작은 몰리브덴(Mo), 몰리브덴(Mo)합금, 텅스텐(W), 텅스텐(W) 합금, 코바(Kovar), 인바(Invar) 및 합금 42(Alloy 42)중 선택되는 어느 하나로 제조될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)은 확산 접합(Diffusion bonding)을 통해 접합할 수 있다. 이 과정에서 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)의 융점 이하로 가열하면서 확산 접합할 수 있다. 그 결과 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)은 용융되지 않고 고체 상태에서 직접 접합할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130) 사이에 결합력을 향상하기 위하여 상기 제2 금속(130)에 제1 금속을 일부 포함시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 금속(110)을 구리(Cu)로 제조하는 경우, 상기 제2 금속(130)을 몰리브덴-구리 합금(Mo-Cu), 더욱 바람직하게는 30 내지 50 중량%의 구리(Cu) 및 잔부의 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 몰리브덴-구리 합금(Mo-Cu)으로 제조할 수 있다. 이를 통해, 상기 제2 금속(130)내에도 제1 금속(110)의 성분을 포함시켜 확산 결합 효과를 향상할 수 있으며, 결합력을 강화할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)을 확산접합 하기 전에, 상기 제2 금속(130)에 니켈 코팅층을 형성시킨 상태로 제1 금속(110)과 제2 금속(130)을 접합할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 금속(110) 및 제2 금속(130)의 접합면으로부터 인접한 영역에 니켈 확산층을 형성시킬 수 있다. 이 때, 상기 니켈 코팅층은 상기 제2 금속(130) 외면에 니켈(Ni)을 도금하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 분사, 담지 등 다양한 방법으로 제조할 수 있다.
즉 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)은 제1 금속(110)과 제2 금속(130)의 융점 이하로 가열하면서 확산 접합(Diffusion bonding)하여 접합할 수 있으며, 그 과정에서 상기 제2 금속(130)에 니켈 코팅층을 형성시켜 니켈이 고체 상태로 확산하여 제1 금속(110)과 제2 금속(130)을 접합할 수 있다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 상기 니켈 코팅층의 두께를 적정 수준으로 조절하여 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130) 사이에 니켈 계면층이 형성되지 않고, 모든 니켈(Ni)을 제1 금속(110) 또는 제2 금속(130) 중 어느 하나의 금속으로 확산시킬 수 있다.
통상적으로 니켈(Ni)은 열전도율이 90 내지 92 W/mK로 상대적으로 열전도율이 낮은 금속에 속한다. 반면에 제1 금속(110) 및 제2 금속(130)은 상기 니켈(Ni)보다 열전도율이 높은 금속으로 제공될 수 있다. 예를들어, 상기 제1 금속(110)이 구리(Cu) 상기 제2 금속이 몰리브덴 합금 또는 텅스텐 합금인 경우, 상기 구리(Cu)의 열전도율은 386 내지 398 W/mK, 몰리브덴 합금은 142 내지 143 W/mK, 텅스텐 합금의 열전도율은 166 내지 178 W/mK이므로, 상기 니켈(Ni)보다 열전도율이 높을 수 있다. 이러한 이유로, 상기 니켈(Ni)이 확산되지 않아 계면층으로 남을 경우, 상기 방열 기판(1000)의 열전도성이 급격히 감소할 수 있다.
이를 개선하기 위해 본 발명은 상기 니켈 코팅층의 두께를 10 내지 40㎚으로 조절하여 상기 제1 금속과 제2 금속 사이에 니켈 계면층이 형성되는 것을 방지하고, 모든 니켈(Ni)을 제1 금속(110) 또는 제2 금속(130)으로 확산시켜 니켈 확산층을 형성할 수 있다. 상기 니켈 코팅층의 두께에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
도 6을 참조하면, 상기 니켈 확산층(150)은 니켈(Ni)이 상기 제1 금속(110) 및 제2 금속(130)으로 각각 확산되어 형성되는 영역을 의미한다. 다시 말해, 상기 니켈 확산층(150)은 상기 제2 금속(130)에 코팅되었던 니켈(Ni)이 확산 접합 과정에서 상기 제1 금속(110) 및 제2 금속(130)으로 각각 확산되어 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130) 내부의 일 영역에 형성될 수 있다.
상기 니켈 확산층(150)은 상기 제1 금속(110)내에서 제2 금속(130)과의 접합면으로부터 인접한 영역에 형성될 수 있으며, 동시에 제2 금속(130) 내에서 상기 제1 금속(110)과의 접합면으로부터 인접한 영역에 형성될 수 있다. 설명의 편의상 상기 제1 금속(110)내에서 상기 제2 금속(130)과의 접합면으로부터 인접한 영역에 형성된 니켈 확산층(150)은 제1 니켈 확산층(150a)으로 정의하고, 상기 제2 금속(130) 내에서 상기 제1 금속(110)과의 접합면으로부터 인접한 영역에 형성된 니켈 확산층(150)은 제2 니켈 확산층(150b)로 정의한다. 도 3에서는 상기 니켈(Ni)이 제1 금속(110)의 일부 영역에 밀집되고, 제2 금속(130)의 밀집된 것으로 묘사되었으나, 이에 한정되지 않으며, 제1 금속(110)내에서 제2 금속(130)과의 접합면으로부터 인접한 영역을 중심으로 전 영역에 확산될 수 있으며, 제2 금속(130) 내에서 상기 제1 금속(110)과의 접합면으로부터 인접한 영역을 중심으로 확산될 수 있다,
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속(110)은 상기 니켈(Ni)과 고용체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속(110)이 구리(cu)인 경우, 상기 구리(Cu)와 상기 니켈(Ni)은 결정구조가 면심 입방 구조(Face centered cubic structure;FCC)로 동일하고, 원자 반지름 및 전기 음성도가 유사하여 서로 완전히 고용될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 제1 금속(110)내에서의 니켈 확산층(150)은 상기 구리(Cu)와 상기 니켈(Ni)이 전율고용체 형태로 분포할 수 있다.
상기 제2 금속(130) 또한, 상기 니켈(Ni)이 확산되어 제2 니켈 확산층(150b)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속(130)이 몰리브덴(Mo)으로 제공되는 경우, 상기 니켈(Ni)이 상기 몰리브덴(Mo)층에 확산되어 Ni-Mo계 확산층을 형성할 수 있고, 상기 제2 금속(130)이 텅스텐(W)층으로 제공되는 경우, 상기 니켈(Ni)이 상기 텅스텐(W)층에 확산되어 Ni-W계 확산층을 형성할 수 있다.
상기 니켈(Ni)의 확산 결합을 통하여, 본 발명은 상기 방열 기판(100)의 인장강도를 300㎫ 이상으로 향상할 수 있으며, 상기 니켈 확산층(130)이 포함되지 않은 동일한 소재로 제작된 방열 기판에 비해 인장강도(㎫)를 약 180㎫ 이상 증가시킬 수 있다.
이를 통해 본 발명은 상기 제1 금속(110)과 상기 제2 금속(130)이 접하는 계면에서 층간 벌어짐(Delamination) 현상을 방지하여 상기 방열 기판(1000)의 열전도율을 통상의 클래드 방열 기판에 비하여 열전도율을 약 20% 이상 향상시킬 수 있으며, 열팽창계수를 약 15% 이상 감소시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속(110)의 두께를 T1으로 정의하고, 상기 제2 금속(130)의 두께를 T2로 정의하는 경우, 상기 T1과 상기 T2는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
0.5T1 ≤ T2 ≤ 5T1
(상기 관계식 1에서 T1은 상기 제1 금속의 두께이며, 상기 T2는 제2 금속의 두께를 의미한다)
상기 제2 금속의 두께(T2)가 제1 금속의 두께(T1)에 비해 0.5배 미만이면, 상대적으로 열팽창계수가 높은 제1 금속(110)의 열변형으로 인하여 상기 제1 금속(110)과 제2 금속(130)사이에 층간 벌어짐(Delamination) 현상이 발생할 수 있다. 이는 상기 열전도층(100)의 열전도율을 감소시키고 열팽창계수를 증가시키는 원인이 된다.
반면에 제2 금속의 두께(T2)가 제1 금속의 두께(T1)에 비해 5배를 초과하면, 상기 열전도층(100)에서 상기 제1 금속(110)의 두께가 상대적으로 감소하여 열전도율이 감소할 수 있다.
이러한 이유로 상기 제1 금속의 두께(T1)와 상기 제2 금속의 두께(T2)는 상기 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
더욱 더 바람직하게 상기 T1과 상기 T2는 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
1.0T1 ≤ T2 ≤ 2T1
(상기 관계식 1에서 T1은 상기 제1 금속의 두께이며, 상기 T2는 제2 금속의 두께를 의미한다)
이상 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판에 대해 설명하였다. 이하 도 7 내지 도 10을 통해 본 발명의 실시 예에 따른 방열 기판의 제조방법에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 열전도층을 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 표면에 니켈 코팅층이 형성된 적어도 하나의 제2 금속층과 제1 금속층을 접합하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 열전도 구조물을 절단하여 열전도층을 제조하는 모습을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 전기전도층 사이에 복수의 열전도층을 수직 그물망 구조로 적층하여 방열 기판을 제조하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 제조 방법은 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열되어 형성되는 열전도층을 복수 개 준비하는 단계, 상부 전기전도층 및 하부 전기전도층을 준비하는 단계, 상기 상부 및 하부 전기전도층 사이에 복수의 열전도층을 적층하되, 상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향이 서로 다르도록 적층하는 단계 및 상기 전기전도층 및 열전도층에 온도와 압력을 가하여 상기 전기전도층과 상기 열전도층을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 상기 열전도층을 복수 개 준비하는 단계는 제1 금속 또는 그 합금을 포함하는 적어도 하나의 제1 금속층을 준비하는 단계, 상기 제1 금속보다 열팽창 계수가 작은 제2 금속 또는 그 합금을 포함하는 적어도 하나의 제2 금속층을 준비하는 단계, 상기 제1 금속층과 제2 금속층을 교대로 적층하는 단계, 상기 제1 금속층 및 제2 금속층에 온도와 압력을 가하여 상기 제1 금속층과 제2 금속층을 접합하여 열전도 구조물을 제조하는 단계 및 상기 제1 금속 및 제2 금속이 적층되는 방향을 따라 절단하여 판재 형태의 열전도층을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
우선, 제1 금속 또는 그 합금을 포함하는 제1 금속층 및 제1 금속보다 열팽창계수가 작은 제2 금속 또는 그 합금을 포함하는 제2 금속층을 준비할 수 있다. 상기 제1 금속, 제2 금속은 앞서 구체적으로 설명하였으니 생략하도록 한다.
실시 예에 따르면, 상기 제2 금속층은 표면에 니켈 코팅층이 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 내지 40㎚의 니켈 코팅층이 형성될 수 있다.
상기 니켈 코팅층의 두께가 10㎚미만이면, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층에 확산되는 니켈(Ni)이 부족하여 결합력 상승 효과를 거의 기대할 수 없다. 반면에, 상기 니켈 코팅층의 두께가 40㎚를 초과하면 상기 니켈 코팅층의 니켈(Ni)이 모두 확산되지 못하고 일부가 잔류하여 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 니켈(Ni) 계면층을 형성할 수 있다. 상기 니켈(Ni) 계면층은 방열 기판의 열 전달을 방해하여 상기 방열 기판의 열전도도를 감소시킬 수 있으며, 열팽창계수가 증가될 수 있다. 이로 인하여 상기 방열 기판의 열방출 효율이 감소될 수 있다.
특히 상기 제1 금속층이 구리(Cu), 제2 금속층이 몰리브덴 합금 또는 텅스텐 합금인 경우, 상기 구리(Cu)의 열전도율은 386 내지 398 W/mK, 몰리브덴 합금은 142 내지 143 W/mK, 텅스텐 합금의 열전도율은 166 내지 178 W/mK이므로, 상기 니켈(Ni)보다 열전도율이 높을 수 있다. 이러한 이유로, 상기 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 니켈 계면층이 형성되면, 방열 기판의 열전도성이 급격히 감소할 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명은 니켈 코팅층의 두께를 40㎚이하로 조절하여 니켈 계면층이 형성되지 않고 모든 니켈(Ni)이 제1 금속층 또는 제2 금속층으로 확산시킬 수 있다.
이러한 이유로 상기 니켈 코팅층의 두께는 10 내지 40㎚인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20 내지 30㎚일 수 있다.
이 후, 도 8과 같이 상기 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130), 또는 상기 제1 금속층(110)과 니켈 코팅층(170)이 형성된 제2 금속층(130)을 교대로 적층한 후 온도와 압력을 가하여 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)을 접합시킬 수 있다. 이를 통해 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)을 확산접합하여 열전도 구조물(10)을 제조할 수 있다.
이 과정에서 상기 제2 금속층(130)에 10 내지 40㎚ 두께의 니켈 코팅층(170)이 형성된 경우, 상기 니켈 코팅층(170)을 형성하는 니켈(Ni) 원소가 상기 제1 금속층(110) 또는 제2 금속층(130) 중 어느 한 곳으로 확산되어 각각의 금속층에 니켈 확산층(150)을 형성할 수 있다. 이를 통해 본 발명은 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130) 사이의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다.
실시 예에 따르면 본 발명은 상기 결합력을 향상하기 위해, 상기 니켈 코팅층(170)의 접합 온도 및 압력을 적정 수준으로 제어할 수 있다.
접합 온도는 800 내지 900℃인 것이 바람직하다.
상기 접합 온도가 800℃ 미만이면, 상기 니켈 코팅층(170)이 완전히 확산되지 않아 완전한 확산 접합이 이루어지지 않을 수 있다. 반면에, 접합 온도가 900℃를 초과하면 상기 제1 금속층(110) 또는 제2 금속층(130)이 용융되거나 열 변형이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 상기 접합 온도는 800 내지 900℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 850 내지 900℃일 수 있다.
또한, 상기 접합 시 압력은 1 내지 100 Ton/㎠인 것이 바람직하다.
상기 압력이 1 Ton/㎠ 미만이면, 상기 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)이 확산 접합 시 가압력이 부족하여 상기 니켈(Ni)이 완전히 확산되지 못하고 니켈 계면층을 형성할 수 있다. 앞서 설명한대로 상기 니켈 계면층은 상기 방열 기판의 열 전달을 방해할 수 있다. 그 결과, 상기 방열 기판의 열전도율이 감소하고 열팽창계수가 증가된다. 반면에 상기 압력이 100 Ton/㎠를 초과하면, 지나친 압력으로 상기 제1 금속층(110) 및 제2 금속층(130)에 변형이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 접합 시 압력은 1 내지 100 Ton/㎠인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30 내지 60Ton/㎠로 제공될 수 있다.
또한, 상기 접합 온도 및 압력을 100 내지 250분 동안 유지하는 것이 바람직하다. 이하, 상기 접합 온도 및 압력을 유지하는 시간을 고온 가압 시간으로 정의한다.
상기 고온 가압 시간이 100분 미만이면, 상기 니켈(Ni)이 제1 금속층(110) 및 제2 금속층(130)에 확산되기 위한 시간이 부족하여 확산 접합에 의한 효과가 감소할 수 있다. 반면에, 상기 고온 가압 시간이 250분을 초과하면 과도한 가열로 인하여 상기 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)에 열 변형이 발생할 수 있다. 이는 상기 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)이 접하는 계면에서 층간 벌어짐(Delamination) 현상이 발생하여 열전도율을 감소시키고, 열팽창계수를 증가시킬 수 있다. 이러한 이유로 상기 고온 가압 시간은 100 내지 250분인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 150 내지 200분일 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 접합 과정은 챔버 내부를 1×10-7 Torr 내지 1×10-5 Torr로 진공한 후, 질소(N2)를 주입하여 질소 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 접합 과정에서 진공도가 1×10-5 Torr 미만이면, 상기 방열 기판이 챔버 내 산소와 반응하여 산화될 수 있다. 이는 방열 기판의 열전도율을 감소시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명은 챔버 내부를 1×10-7 Torr 내지 1×10-5 Torr로 진공한 후, 질소(N2)를 주입하여 질소 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.
다만, 상기 진공도가 1×10-7 Torr를 초과하여도 그 효과 상승 정도가 미비하기 때문에, 상기 접합 과정은 1×10-7 Torr 내지 1×10-5 Torr의 진공도에서 질소 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.
이상 본 명세서에서는 상기 접합 조건을 니켈 코팅층이 포함된 상태에서의 접합 조건에 대하여 기술하였으나, 이에 한정되지 않으며 니켈 코팅층을 포함하지 않은 상태에서도 동일한 조건으로 접합될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 열전도 구조물(10)을 상기 제1 금속층(110) 및 제2 금속층(130)이 적층되는 방향을 따라 절단하여 판재 형태의 열전도층(100)을 제조할 수 있다.
예를 들어, 도 9와 같이 상기 열전도 구조물(10)에서 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)이 Z방향으로 적층되면, 상기 열전도 구조물(10)을 Z방향을 따라 XZ 평면으로 상기 나란하게 절단하여 판재 형태의 열전도층(100a, 100b, 100c...)을 제조할 수 있다. 도면에는 개시하지 않았으나, 동일한 과정으로 상기 열전도 구조물(10)을 YZ 평면으로 나란하게 절단하여 열전도층을 제조할 수 있음은 물론이다.
실시 예에 따르면, 상기 열전도층(100)에서 상기 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)이 동일한 두께로 형성될 수 있으며, 또는 제1 금속층(110)이 제2 금속층보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
마지막으로 도 10에 도시한 바와 같이 상부 및 하부에 구리 또는 구리 합금을 포함하는 한 쌍의 전기전도층(200)을 준비하고, 상기 전기전도층 사이에 복수의 열전도층(100)을 서로 금속 배열 방향이 다르도록, 다시 말해 수직 그물망 구조로 적층한 후, 상기 전기전도층(200) 및 열전도층(100)에 온도와 압력을 가하여 상기 전기전도층과 상기 열전도층을 접합하여 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)을 제조할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 상기 제1 금속(110)의 두께(T1)와 제2 금속(130)의 두께(T2)를 하기 관계식 1 및 관계식 2에 따라 제조하여 방열 특성을 제어할 수 있다.
[관계식 1]
0.5T1 ≤ T2 ≤ 5T1
[관계식 2]
1.0T1 ≤ T2 ≤ 2T1
(상기 관계식 1에서 T1은 상기 제1 금속의 두께이며, 상기 T2는 제2 금속의 두께를 의미한다)
다시 말해, 본 발명은 열전도율이 우수한 제1 금속(110)의 두께(T1)를 제2 금속(130)의 두께(T2)보다 같거나 증가시켜 열전도층(100) 또는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)의 열전도성을 향상할 수 있다.
또는, 열팽창계수가 낮은 제2 금속(130)의 두께(T2)를 제1 금속(110)의 두께(T1)보다 같거나 증가시켜 열전도층(100) 또는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)의 열변형을 방지하고, 층간 벌어짐(Delamination) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해 클래드 방열 기판(1000)의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서는 열전도층(100)에서 제1 금속층(110)과 제2 금속층(130)의 두께에 대해서만 설명하였으나, 열전도층(100)의 두께에도 동일하게 적용할 수 있음은 자명하다. 다시 말해, 복수의 열전도층(100a, 100b, 100c....)이 서로 다른 금속 배열 방향으로 접합되어 형성된 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)에서도, 각각의 열전도층의 두께를 제어하여 상기 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)의 열전도율 및 열팽창계수를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)에 상부 및 하부에 위치하는 한 쌍의 전기전도층(200)을 두께를 조절하여 방열 특성을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 전기전도층(200)의 두께를 0.1 내지 1㎜로 제조하여 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판(1000)이 안정적으로 열을 전도할 수 있으며, 또는 두께를 0.1 내지 0.5㎜로 제조하여 상기 클래드 방열 기판의 전체 두께를 소형화 할 수 있다.
[제조예 1 - 니켈(Ni)확산층이 형성되지 않은 열전도 구조물 제조]
열전도 구조물을 제조하기 위하여 0.1㎜ 두께의 복수의 구리(Cu)층(제1 금속층)과 0.1㎜ 두께의 복수의 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층(제2 금속층)을 준비한다. 상기 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층은 30중량%의 구리(Cu)와 잔부의 몰리브덴을 포함한다.
이 후, 구리(Cu)층과 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층을 교대로 적층하였으며, 적층된 구리(Cu)층과 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층을 고온가압프레스을 이용하여 875℃에서 50 Ton/㎠로 고온 가압하여 열전도 구조물을 제조하였다. 상기 고온 가압은 1×10-5 Torr의 진공도를 유지하는 상태에서 질소(N2) 분위기에서 수행되었다.
[제조예 2 - 니켈(Ni)확산층이 형성된 열전도 구조물 제조]
제2 금속층 외면에 25㎚ 두께로 니켈(Ni)을 코팅한 것 외 모든 과정을 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 1]
상기 제조예 1에 따라 제조된 열전도 구조물을 구리(Cu)층과 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층이 적층되는 방향을 포함하는 면을 기준으로 나란히 절단하여 도 11과 같은 열전도층을 제조하였다.
이 후, 도 2와 같이 상기 열전도층에서 구리(Cu)층과 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층이 적층되는 방향을 서로 90°로 교차하도록 적층하고, 적층된 열전도층의 상부와 하부에 0.1㎜ 두께의 구리(Cu)로 제공되는 전기전도층을 배치한 후 고온가압프레스을 이용하여 970℃에서 50 Ton/㎠로 고온 가압하여 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판을 제조하였다. 상기 고온 가압은 1×10-5 Torr의 진공도를 유지하는 상태에서 질소(N2) 분위기에서 4시간 동안 수행되었다.
[실시예 2]
제2 금속층을 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층이 아닌, 몰리브덴(Mo)층으로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 3]
상기 제조예 2에 따라 제조된 열전도 구조물을 절단한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 4]
제2 금속층을 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층이 아닌, 몰리브덴(Mo)층으로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 3과 동일하게 수행하였다.
[비교예 1]
열전도 구조물을 절단하여 열전도층을 제조하는 단계를 제외하고, 0.1㎜ 두께의 복수의 구리(Cu)층(제1 금속층)과 복수의 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층(제2 금속층)을 교대로 적층하였으며, 상부와 하부에 0.1㎜ 두께의 구리(Cu)로 제공되는 전기전도층을 배치한 후 실시예 1과 동일한 조건으로 고온가압하였다.
[비교예 2]
제2 금속층을 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층이 아닌, 몰리브덴(Mo)층으로 제조한 것 외 모든 과정을 비교예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 3]
제2 금속층 외면에 25㎚ 두께로 니켈(Ni)을 코팅한 것 외 모든 과정을 비교예 1과 동일한 조건으로 고온가압하였다.
[비교예 4]
제2 금속층을 몰리브덴-구리(Mo-Cu) 합금층이 아닌, 몰리브덴(Mo)층으로 제조한 것 외 모든 과정을 비교예 3과 동일하게 수행하였다.
이하, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조한 클래드 방열 기판의 접합력을 확인하기 위하여 인장강도를 측정하였으며, 또한 상기 클래드 방열 기판의 열 전도 특성을 확인하기 위하여 상온에서의 열전도율과 800℃이하 온도에서의 열팽창계수를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 개시한다.
상기 열전도율은 레이저 플레쉬법(ASTM E1461)에서 규정한 방법에 따라 측정하였으며, 상기 열팽창계수는 ASTM E831에서 규정한 방법에 따라 TMA(Mettler Toredo)장비를 이용하여 측정하였다.
수직 그물망 구조 제2 금속층 니켈 확산층 인장 강도
(㎫)		 열전도율
( W/(m·K))		 열팽창계수
(ppm/K)
실시예 1 O Mo-Cu X 323 ~ 382 342.76 8.8
실시예 2 O Mo X 303 ~ 340 324.51 7.5
실시예 3 O Mo-Cu O 380 ~ 450 372.17 7.92
실시예 4 O Mo O 350 ~ 400 352.66 6.62
비교예 1 X Mo-Cu X 280 ~ 370 265.72 10.73
비교예 2 X Mo X 210 ~ 320 242.16 9.42
비교예 3 X Mo-Cu O 360 ~ 430 289.45 10.12
비교예 4 X Mo O 330 ~ 380 287.07 9.12
상기 표 1을 참조하면, 제조 과정에서 수직 그물망 구조(Vertical mesh structure)를 갖는 실시예 1 내지 4는 300㎫ 이상의 인장강도, 300W/(m·K) 이상의 열전도율 및 9.0ppm/K 미만의 열팽창계수를 동시에 가지고 있음을 알 수 있다.
특히, 제2 금속층에 니켈 코팅층이 포함된 실시예 3 내지 4는 인장강도가 350㎫ 이상이며, 350W/(m·K)이상의 열전도율 및 8.0ppm/K 미만의 열팽창계수를 동시에 가질 수 있다. 이는, 상기 제2 금속에 코팅되었던 니켈(Ni)이 상기 제1 금속 및 제2 금속으로 각각 확산되어 니켈 확산앞서 설명한 바와 같이 상기 니켈(Ni)이 상기 제1 금속층 및 제2 금속층에 확산되어 확산 접합이 발생하였기 때문이다. 이로 인하여 본 발명은 상기 제1 금속층 및 제2 금속층사이에 층간 벌어짐(Delamination) 현상을 방지할 수 있다.
반면에, 비교예 1 내지 4는 열전도율이 300 미만, 더욱 바람직하게는 240 내지 290W/(m·K)의 열전도율을 갖고, 동시에 열팽창계수가 9.0ppm/K을 초과하는 것을 알 수 있다.
이는 상기 클래드 방열 기판이 수직 그물망 구조를 가지면 제1 금속 및 제2 금속이 팽창되는 방향을 분산시켜 방열 기판 전체의 열팽창계수를 감소시킬 수 있으며, 열변형으로 발생되는 층간 벌어짐(Delamination) 현상을 방지하여 열전도율이 향상되었기 때문이다. 다시 말해, 본 발명은 상기 클래드 방열 기판을 수직 그물말 구조로 형성함으로써, 열전도율을 향상시키고, 열팽창 계수를 감소시킬 수 있다.
그 결과 표 1에 개시된 바와 같이, 수직 그물망 구조의 실시예 1 내지 2는 수직 그물망 구조가 아닌 비교예 1 내지 2에 비해 열전도율이 상온 기준 25 내지 35% 증가되었으며, 실온에서 800℃까지의 열팽창계수가 15 내지 25% 감소되었다.
동일하게, 니켈 확산층을 포함하는 실시예 3 내지 4는 수직 그물망 구조가 아닌 비교예 3 내지 4에 비해 열전도율이 20 내지 25% 증가하였으며, 실온에서 800℃까지의 열팽창계수가 20 내지 30% 감소되었다.
다시 말해, 복수의 열전도층을 배열하는 방법에 있어서, 각 열전도층의 금속 배열 방향이 상이한 수직 그물망 구조(Vertical mesh structure)로 적층되었기 때문에 고온의 열로 인하여 각 열전도층이 팽창되는 방향이 서로 달라서 전체적으로 열팽창계수가 감소하였기 때문이다. 그 결과 열팽창계수가 통상의 클래드 방열 기판에 비하여 약 15% 이상 감소하였으며, 열전도율이 약 20% 이상 향상되었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 복수의 열전도층이 지면을 기준으로 수직 방향으로 적층되는 클래드 방열 기판에 있어서,
    상기 복수의 열전도층 중 적어도 두 열전도층은 상기 두 열전도층 각각에서 지면을 기준으로 수평 방향으로 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열되고,
    상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향이 서로 다른 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 열전도층의 각 열전도층은 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 교대로 배열되어 형성되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층은 서로 이웃하게 적층되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클래드 방열 기판은 적어도 세 개의 열전도층을 포함하고,
    상기 서로 이웃하게 적층되는 어느 하나의 열전도층과 다른 하나의 열전도층은 금속 배열 방향이 같은 각도를 이루면서 적층되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속은 구리(Cu) 또는 구리합금이며, 상기 제2 금속은 상기 구리(Cu)보다 열팽창계수가 작은 금속 또는 그 합금인 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 금속은 몰리브덴(Mo), 몰리브덴(Mo) 합금, 텅스텐(W), 텅스텐(W) 합금, 코바(Kovar), 인바(Invar) 및 합금 42(Alloy 42)중 선택되는 어느 하나를 포함하는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 및 제2 금속은 확산접합되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 열전도층 중 적어도 두 열전도층은 상기 제1 금속 및 제2 금속의 접합면으로부터 인접한 영역에 형성되는 니켈확산층을 갖는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 니켈확산층은 니켈이 상기 제1 및 제2 금속으로 각각 확산되어 형성되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 니켈확산층은 상기 제2 금속에 코팅되었던 니켈이 확산접합 과정에서 상기 제1 금속 및 제2 금속으로 각각 확산되어 형성되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속 배열 방향을 조절하여 상기 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판의 열팽창계수를 제어하는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열전도층은 제1 금속과 제2 금속이 교대로 적층되어 확산접합된 후, 상기 제1 및 제2 금속이 적층되는 방향을 따라 절단하여 형성되는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 열전도층의 상하부에 각각 형성되는 상부 전기전도층 및 하부 전기전도층을 더 포함하는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기전도층은 구리층 또는 구리합금층인 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판.
  15. 이종의 제1 금속 및 제2 금속이 지면을 기준으로 수평 방향으로 교대로 배열되어 형성되는 열전도층을 복수 개 준비하는 단계;
    상부 전기전도층 및 하부 전기전도층을 준비하는 단계;
    상기 상부 및 하부 전기전도층 사이에 지면을 기준으로 수직 방향으로 복수의 열전도층을 적층하되, 상기 복수의 열전도층 중 어느 하나의 열전도층의 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향과 상기 복수의 열전도층 중 다른 하나의 열전도층의 상기 제1금속 및 상기 제2 금속이 형성하는 금속 배열 방향이 서로 다르도록 적층하는단계; 및
    상기 전기전도층 및 열전도층에 온도와 압력을 가하여 상기 전기전도층과 상기 열전도층을 접합하는 단계;를 포함하는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 열전도층을 준비하는 단계는
    제1 금속 또는 그 합금을 포함하는 적어도 하나의 제1 금속층을 준비하는 단계;
    상기 제1 금속보다 열팽창계수가 작은 제2 금속 또는 그 합금을 포함하는 적어도 하나의 제2 금속층을 준비하는 단계;
    상기 제1 금속층과 제2 금속층을 교대로 적층하는 단계;
    상기 제1 금속층 및 제2 금속층에 온도와 압력을 가하여 상기 제1 금속층과 제2 금속층을 접합하여 열전도 구조물을 제조하는 단계; 및
    상기 열전도 구조물을 제1 금속 및 제2 금속이 적층되는 방향을 따라 절단하여 판재 형태의 열전도층을 제조하는 단계;를 포함하는 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 금속층을 준비하는 단계는,
    상기 제1 금속보다 열팽창계수가 작은 제2 금속 또는 그 합금을 포함하며, 표면에 니켈 코팅층이 형성된 적어도 하나의 제2 금속층을 준비하는 것인 수직 그물망 구조를 갖는 클래드 방열 기판 제조 방법.
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