KR20240038268A - 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20240038268A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법은, 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계와, 세라믹 히트싱크의 상면에 전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계와, 전도성 물질을 소성하여 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 전도성 물질의 패턴은 세라믹 히트싱크의 상면에 스크린 인쇄로 형성될 수 있다.

Description

히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법{POWER MODULE SUBSTRATE WITH HEAT SINK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 히트싱크에 전극 패턴이 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기차는 고전압 배터리에서 제공되는 직류 전압을, 모터를 구동하기 위한 교류 3상 전압으로 변환시키는 인버터가 필요하다.
이러한 인버터는 구동용 배터리의 높은 전압을 모터에 적합한 상태로 조절하여 공급하기 위한 파워모듈이 조립된다. 파워모듈은 전력의 변환을 위한 반도체 칩을 포함하는데, 이러한 반도체 칩은 고전압 고전류 동작으로 인해 고온의 열이 발생한다. 이러한 열이 지속되면 반도체 칩이 열화되고, 파워모듈의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 세라믹 또는 금속 기판의 적어도 일면에 히트싱크를 접합하여 열에 의한 반도체 칩의 열화 현상을 방지하고 있다.
일반적으로 히트싱크는 구리, 알루미늄 등의 열전도도가 높은 금속재로 제조되는데, 이러한 금속의 히트 싱크의 경우에도 방열에 한계가 있어 한계 이상의 열이 발생할 경우 냉각 효율이 급격히 떨어지고, 휨이 발생하여 고장의 원인이 되고 있다. 아울러, 반도체 칩이 실장되는 기판의 경우에도 열로 인한 휨 등이 발생하여 특성이 저하되는 문제점이 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 공개된　종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
등록특허공보 제10-1896569호(2018.09.03 등록)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 반도체 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있도록 구성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법은, 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계와, 세라믹 히트싱크의 상면에 전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계와, 전도성 물질을 소성하여 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계는, 세라믹 히트싱크의 상면 상에 스크린 마스크를 배치하는 단계와, 스크린 마스크를 통하여 세라믹 히트싱크의 상면에 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계에서, 전도성 물질은 Ag, Cu, Ag 합금, Cu 합금, W, Mo, MoW 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 페이스트일 수 있다.
전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계는, 스크린 마스크 위에 전도성 페이스트를 얹고, 스퀴지를 스크린 마스크 위에 접촉 및 이동시키는 단계를 포함하고, 이동시키는 단계에서, 전도성 페이스트는 스크린 마스크의 오픈된 패턴 영역을 통과하여 세라믹 히트싱크의 상면에 도포될 수 있다. 여기서, 스크린 마스크는, 패턴 영역이 메쉬 형태로 오픈되고, 나머지 영역이 막힌 구조일 수 있다.
전극 패턴을 형성하는 단계는, 전도성 물질을 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성하여 전극 패턴을 형성할 수 있다.
세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서, 세라믹 히트싱크는 인젝션 몰딩(injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다.
세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서, 세라믹 히트싱크는 상면에 전극 패턴이 형성되는 평면부와, 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되어 액체형 냉매와 접촉하도록 구비된 복수의 돌출부를 포함할 수 있다.
세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서, 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 평면부와, 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크와, 평면부의 상면에 형성된 전극 패턴을 포함하고, 전극 패턴은 평면부의 상면에 전도성 물질의 패턴이 형성된 후 소성된 것일 수 있다. 여기서, 복수의 돌출부는 외부의 냉매 순환부에 배치되고, 냉매 순환부를 통해 순환하는 액체형 냉매는 복수의 돌출부와 열교환할 수 있다.
전도성 물질의 패턴은 평면부의 상면에 스크린 인쇄법으로 형성될 수 있다. 또한, 전도성 물질은 Ag, Cu, Ag 합금, Cu 합금, W, Mo, MoW 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 페이스트일 수 있다.
세라믹 히트싱크는 인젝션 몰딩(injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다. 또한, 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
본 발명은 세라믹 히트싱크의 상면에 전도성 물질을 직접 인쇄하여 파워모듈용 기판을 형성하기 때문에 공정을 최소화할 수 있고, 경량화 및 소형화를 구현하면서도 방열 효과를 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 스크린 인쇄법으로 전극 패턴을 형성하기 때문에 정밀하게 전극 패턴을 형성할 수 있으며, 다양한 패턴을 자유롭게 구현할 수 있고, 두께가 얇더라도 안정적으로 접합 상태가 유지되며, 와이어 연결 시 와이어 본딩성이 우수하다.
또한, 본 발명은 세라믹 히트싱크가 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성되기 때문에 열팽창 계수가 낮아 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않고 방열 성능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 칩으로부터 고온의 열이 발생하더라도 연속 순환하는 액체형 냉매가 세라믹 히트싱크와 직접적으로 접촉하여 냉각시키기 때문에 방열 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 평면측 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 저면측 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판에서 복수의 돌출부의 변형예를 도시한 저면측 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 전극 패턴을 형성하기 위한 스크린 인쇄 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드　또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는　"직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위　또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 하는 것을 원칙으로 한다.
도면은 본 발명의 사상을 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 도면에 의해서 본 발명의 범위가 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한 도면에서 상대적인 두께, 길이나 상대적인 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 평면측 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판을 도시한 저면측 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판에서 복수의 돌출부의 변형예를 도시한 저면측 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판(1)은 세라믹 히트싱크(100) 및 전극 패턴(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
세라믹 히트싱크(100)는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 만약, 세라믹 히트싱크(100)가 Cu 등의 금속 재료로 형성될 경우 Cu의 열팽창 계수가 17ppm/K이므로, 200℃ 이상의 열이 발생하는 파워모듈에 적용했을 때 열팽창으로 인한 휨이 발생하여 방열 기능이 저하될 수 있고, 리드 프레임 등과 와이어로 연결 시 단락이 발생할 수 있다.
반면, 세라믹 히트싱크(100)가 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 경우, 600℃ 이상의 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않기 때문에 방열 성능이 향상될 수 있다. 또한, AlN는 열전도도가 150W/m·K 이상이고, Si3N4는 열전도도가 80W/m·K 이상이므로 히트싱크로 사용될 경우 방열에 효과적이다.
세라믹 히트싱크(100)는 인젝션 몰딩(ceramic injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중의 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다. 인젝션 몰딩은 가열된 세라믹 재료를 닫혀진 금형의 공동부에 주입하고 금형 내에서 냉각시킴으로써 금형 공동부에 상당하는 성형품을 만드는 공법이다. 또한, 다이캐스팅 공법은 금형에 세라믹 재료를 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 것으로, 복잡한 형상의 성형품을 대량으로 생산할 수 있다. 인젝션 몰딩 또는 다이캐스팅 이후에는 열처리 단계를 거쳐 세라믹 히트싱크(100)가 제조될 수 있고, 이외에도 세라믹 히트싱크(100)는 압출, 절삭 가공, 프레스 가공 등의 공법으로 형성될 수도 있다.
세라믹 히트싱크(100)는 평면부(110) 및 복수의 돌출부(120)가 구비될 수 있다. 평면부(110)는 상면(111)에 전극 패턴(200)이 형성되어 전극 패턴(200)과 직접적으로 접하는 부분으로, 열전달을 용이하게 하기 위해 넓은 면적의 평판 형태로 구비될 수 있다. 복수의 돌출부(120)는 평면부(110)의 하면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100)는 복수의 돌출부(120)의 단면이 마름모인 핀 형태이거나 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 등의 다양한 핀 형태로 구비된 Pin Fin 타입일 수 있다. 또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 세라믹 히트싱크(100)는 막대 형상인 복수의 돌출부(120)가 서로 간격을 두고 수평으로 배치된 슬릿 타입일 수도 있다. 복수의 돌출부(120)의 형상, 개수 및 배치 형태는 설계 시 사전 시뮬레이션 결과에 따라 다양하게 변경 가능하다. 복수의 돌출부(120)는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하도록 구비될 수 있다. 액체형 냉매는 복수의 돌출부(120) 사이를 이동하므로, 복수의 돌출부(120)의 형상, 개수 및 배치 형태를 변경함에 따라 액체형 냉매의 유속, 냉각 효율 등이 용이하게 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판이 냉매 순환부에 장착되고, 냉매 순환부에 순환 구동부가 연결된 구성을 도시한 개념도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 돌출부(120)는 냉매 순환부(2)에 배치될 수 있다. 냉매 순환부(2)는 액체형 냉매가 유입되는 유입구(2a), 액체형 냉매가 배출되는 배출구(2b) 및 유입구(2a)에서 배출구(2b)까지의 내부 유로(미도시)가 구비될 수 있다. 이때, 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)를 통해 유입된 액체형 냉매는 상기 내부 유로를 거쳐 배출구(2b)를 통해 배출될 수 있다. 유입구(2a)와 배출구(2b) 사이에서 액체형 냉매가 이동하는 경로인 내부 유로의 형태와 크기는 다양하게 설계 변경될 수 있으므로, 냉매 순환부(2)의 내부 유로 자체에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
순환 구동부(3)는 냉매 순환부(2)와 연결되고, 펌프(미도시)의 구동력을 이용하여 액체형 냉매를 순환시킬 수 있다. 여기서, 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)는 제1 순환라인(L1)을 통해 순환 구동부(3)와 연결될 수 있고, 냉매 순환부(2)의 배출구(2b)는 제2 순환라인(L2)을 통해 순환 구동부(3)와 연결될 수 있다. 즉, 순환 구동부(3)는 제1 순환라인(L1), 냉매 순환부(2) 및 제2 순환라인(L2)을 포함한 순환 경로를 따라 액체형 냉매를 연속해서 순환시킬 수 있다. 여기서, 액체형 냉매는 탈이온수(Deionized Water)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 액체질소, 알코올, 기타 용매를 사용할 수도 있다.
순환 구동부(3)로부터 공급되는 액체형 냉매는 제1 순환라인(L1)을 통해 냉매 순환부(2)의 유입구(2a)로 유입되고, 냉매 순환부(2)에 형성된 내부 유로를 따라 이동하여 배출구(2b)를 통해 배출되며, 이후에 제2 순환라인(L2)을 통해 다시 순환 구동부(3)로 이동할 수 있다. 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 순환 구동부(3)는 열교환기(미도시)를 포함할 수 있다. 순환 구동부(3)의 열교환기는 냉매 순환부(2)의 내부 유로를 통과하면서 온도가 올라간 액체형 냉매의 온도를 낮출 수 있고, 순환 구동부(3)는 열교환기에 의해 온도가 낮춰진 액체형 냉매를 펌프의 구동력을 이용하여 다시 제1 순환라인(L1)으로 공급할 수 있다.
이와 같이, 냉매 순환부(2)는 순환 구동부(3)로부터 공급된 액체형 냉매가 연속해서 순환하도록 구비될 수 있다. 이때, 복수의 돌출부(120)는 냉매 순환부(2)의 내부 유로 내에 배치되고, 내부 유로를 따라 연속해서 순환하는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하여 열교환할 수 있다. 즉, 복수의 돌출부(120)는 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 직접 냉각될 수 있는 수냉식 방열 구조를 가진다.
복수의 돌출부(120)는 전극 패턴(200)에 실장되는 반도체 칩(미도시) 등으로부터 고온의 열이 발생하더라도 연속 순환하는 액체형 냉매에 의해 강제 냉각되므로 반도체 칩이 열화하지 않도록 일정한 온도로 유지시킬 수 있다. 즉, 반도체 칩에 약 100℃ 이상의 고온의 열이 발생하더라도, 냉매 순환부(2)의 내부 유로를 따라 순환하는 액체형 냉매의 온도는 약 25℃이므로 복수의 돌출부(120)로 전달된 열을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
종래에는 파워모듈용 세라믹 기판과 방열을 위한 베이스 플레이트를 별도로 솔더링 접합하는데, 이때 사용되는 Soldering paste의 경우 열전도도가 낮아 냉각 효율이 떨어지고, 그라파이트(graphite)와 같은 TIM(Thermal Interface Materials) 물질을 코팅하는 공정 등이 추가로 수행되어야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
반면, 본 발명은 평면부(110)의 상면(111)에 전도성 물질을 스크린 인쇄하여 파워모듈용 기판(1)을 형성하기 때문에 공정을 최소화할 수 있고, 경량화 및 소형화를 구현하면서도 방열 효과를 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
전극 패턴(200)은 평면부(110)의 상면(111)에 전도성 물질의 패턴이 형성된 후 소성된 것일 수 있다. 여기서, 전도성 물질은 Ag, Cu, Ag 합금, Cu 합금, W, Mo, MoW 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 페이스트일 수 있다.
전도성 물질의 패턴은 평면부(110)의 상면(111)에 스크린 인쇄법으로 형성될 수 있다. 스크린 인쇄법은 반도체 칩인 Si, SiC, GaN 등과 전기적 회로 연결이 가능한 전극을 형성하기 위해 스크린 마스크(10)를 이용하여 평면부(110)의 상면(111)에 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 방식이다. 스크린 인쇄법은 인쇄 속도가 빠르고, 공정 비용이 적게 드는 장점이 있다. 전극층을 브레이징 등으로 접합한 후 에칭하여 전극 패턴을 형성하는 것은 전극층의 두께가 두꺼울 경우 에칭 시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 패턴의 정밀도도 좋지 않은 문제점이 있다. 반면, 본 발명은 스크린 인쇄법으로 전극 패턴(200)을 형성함으로써 패턴 형성을 위한 에칭 공정을 생략할 수 있어 공정을 최소화할 수 있고, 정밀하게 전극 패턴(200)을 형성할 수 있으며, 다양한 패턴을 자유롭게 구현할 수 있다. 또한 스크린 인쇄법으로 형성된 전극 패턴(200)은 접합력이 우수하므로 두께가 얇더라도 안정적으로 접합 상태가 유지되고, 리드 프레임 등과 와이어로 연결 시 와이어 본딩성도 우수하다는 장점이 있다.
전도성 물질의 패턴은 스크린 인쇄법으로 평면부(110)의 상면(111)에 형성된 이후에, 접합력 강화를 위해 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성될 수 있다. 여기서, 전도성 물질은 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성 가능한 중온 소결 페이스트인 것이 바람직하다. 중온 소결 페이스트는 금속 분말, 바인더 등이 배합된 것으로, 중온 소결을 가능하게 하는 바인더가 사용될 수 있다. 일 예로, 전도성 물질로서 Ag 소결 페이스트가 사용될 경우, Ag 소결 페이스트는 산화 분위기에서 AlN인 평면부(110)의 상면(111) 상에 소결될 수 있다. 이와 같이 산화 분위기에서 Ag 소결 페이스트의 소결이 이루어지면 AlN의 표면에 산화막인 Al2O3가 형성될 수 있기 때문에 소결층의 접합력이 높아질 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 세라믹 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S10)와, 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계(S20)와, 전도성 물질을 소성하여 전극 패턴(200)을 형성하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
세라믹 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S10)에서, 세라믹 히트싱크(100)는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100)가 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성될 경우, 600℃ 이상의 고온 환경에서도 휨이 거의 발생하지 않기 때문에 방열 성능이 향상될 수 있다. 또한, AlN는 열전도도가 150W/m·K 이상이고, Si3N4는 열전도도가 80W/m·K 이상이므로 히트싱크로 사용될 경우 방열에 효과적이다.
세라믹 히트싱크(100)는 인젝션 몰딩(ceramic injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중의 어느 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다. 인젝션 몰딩 또는 다이캐스팅 이후에는 열처리 단계를 거쳐 세라믹 히트싱크(100)가 제조될 수 있고, 이외에도 세라믹 히트싱크(100)는 압출, 절삭 가공, 프레스 가공 등의 공법으로 형성될 수도 있다.
세라믹 히트싱크(100)를 준비하는 단계(S10)에서, 세라믹 히트싱크(100)는 평면부(110) 및 복수의 돌출부(120)가 구비될 수 있다. 평면부(110)는 상면(111)이 전극 패턴(200)과 직접적으로 접하는 부분으로 열전달을 용이하게 하기 위해 넓은 면적의 평판 형태로 구비될 수 있다. 복수의 돌출부(120)는 평면부(110)의 하면(112)에 서로 간격을 두고 돌출 형성될 수 있다. 이러한 복수의 돌출부(120)는 외부의 냉매 순환부(2)에 배치되어 냉매 순환부(2)를 통해 순환하는 액체형 냉매와 직접적으로 접촉하도록 구비될 수 있다. 세라믹 히트싱크(100)는 복수의 돌출부(120)의 단면이 마름모인 핀 형태이거나 원기둥, 다각기둥, 눈물방울 형상, 다이아몬드 형상 등의 다양한 핀 형태로 구비된 Pin Fin 타입일 수 있다. 또는, 세라믹 히트싱크(100)는 막대 형상인 복수의 돌출부(120)가 서로 간격을 두고 수평으로 배치된 슬릿 타입일 수도 있다.
세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계(S20)는, 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111) 상에 스크린 마스크(10)를 배치하는 단계와, 스크린 마스크(10)를 통하여 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계에서, 전도성 물질은 Ag, Cu, Ag 합금, Cu 합금, W, Mo, MoW 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 페이스트일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법은 세라믹 히트싱크(100)의 평면부(110)에 전극 패턴(200)을 형성하기 위한 방법으로 스크린 인쇄법을 사용한다. 스크린 인쇄법은 반도체 칩인 Si, SiC, GaN 등과 전기적 회로 연결이 가능한 전극을 형성하기 위해 스크린 마스크(10)를 이용하여 세라믹 히트싱크(100)의 평면부(110)에 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 방식이다. 스크린 인쇄법은 인쇄 속도가 빠르고, 공정 비용이 적게 드는 장점이 있다. 전극층을 브레이징 등으로 접합한 후 에칭하여 전극 패턴을 형성하는 것은 전극층의 두께가 두꺼울 경우 에칭 시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 패턴의 정밀도도 좋지 않은 문제점이 있다. 반면, 본 발명은 스크린 인쇄법으로 전극 패턴(200)을 형성함으로써 패턴 형성을 위한 에칭 공정을 생략할 수 있어 공정을 최소화할 수 있고, 정밀하게 전극 패턴(200)을 형성할 수 있으며, 다양한 패턴을 자유롭게 구현할 수 있다. 또한 스크린 인쇄법으로 형성된 전극 패턴(200)은 접합력이 우수하므로 두께가 얇더라도 안정적으로 접합 상태가 유지되고, 리드 프레임 등과 와이어로 연결 시 와이어 본딩성도 우수하다는 장점이 있다.
도 6은 전극 패턴을 형성하기 위한 스크린 인쇄 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계는, 스크린 마스크(10) 위에 전도성 페이스트(200')를 얹고, 스퀴지(20)를 스크린 마스크(10) 위에 접촉 및 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 전도성 페이스트(200')는 스크린 마스크(10)의 오픈된 패턴 영역(11)을 통과하여 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 도포될 수 있다.
본 발명의 스크린 인쇄 공정에서는 특정 영역, 즉 전극 패턴(200)을 형성하기 위한 패턴 영역(11)이 메쉬 형태로 오픈되고, 나머지 영역(12)이 막힌 구조인 스크린 마스크를 사용할 수 있다. 스크린 마스크(10)는 금속 재료로 형성될 수 있다.
스크린 인쇄 시, 세라믹 히트싱크의 상면(111) 상에 스크린 마스크(10)를 배치한 상태에서 스크린 마스크(10) 위에 전도성 페이스트(200')를 얹는다. 이 상태에서 스퀴지(20)를 스크린 마스크(10)에 접촉시켜 이동하면, 전도성 페이스트(200')는 스크린 마스크(10)의 패턴 영역(11)을 통과하고, 나머지 영역(12)으로는 통과하지 않기 때문에 소정의 패턴으로 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 도포될 수 있다.
스크린 인쇄법은 스크린 마스크(10)의 메쉬 종류와 인쇄 조건(간격, 각도, 압력, 속도)을 적절히 조절하면 다양한 전극 패턴(200)의 두께를 구현할 수 있다. 일 예로, 스크린 마스크(10)는 스테인레스 스틸로 형성된 350 메쉬 또는 600 메쉬가 사용될 수 있고, 전극 패턴(200)의 두께는 0.01mm 이상 0.035mm 이하로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 전극 패턴(200)을 형성하는 또 다른 방법은, 박막 공정(Thin Film Process), 도금으로 형성할 수도 있으나, 스크린 인쇄로 형성하는 것이 가장 바람직하다. 즉, 스크린 인쇄로 전극 패턴(200)을 형성하는 것은 전극 패턴(200)을 형성할 수 있는 두께 범위가 다른 공정들에 비해 상대적으로 더 넓고, 패턴 형성하기 위한 에칭 공정을 생략할 수 있어 공정을 최소화할 수 있으며, 정밀한 패턴의 전극을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
전도성 물질을 소성하여 전극 패턴(200)을 형성하는 단계(S30)는, 스크린 인쇄 공정으로 세라믹 히트싱크(100)의 상면(111)에 도포된 전도성 페이스트(200')의 접합력 강화를 위해 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성하여 전극 패턴(200)을 형성할 수 있다. 여기서, 전도성 물질은 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성 가능한 중온 소결 페이스트인 것이 바람직하다. 중온 소결 페이스트는 금속 분말, 바인더 등이 배합된 것으로, 중온 소결을 가능하게 하는 바인더가 사용될 수 있다. 만약, 전도성 물질이 저온 소결 페이스트일 경우, 전도성 물질의 소성 온도는 상기 범위보다 미만인 120℃ 내지 200℃이다. 따라서, 저온 소결 페이스트는 반도체 칩으로부터 200℃ 이상의 열이 발생하는 파워모듈에 적용했을 때 쉽게 휘발될 수 있어 적용하기가 어렵고, 비용면에서도 중온 소결 페이스트 및 고온 소결 페이스트와 비교했을 때 매우 고가이기 때문에 생산 효율성이 떨어진다. 또한, 전도성 물질이 고온 소결 페이스트일 경우, 전도성 물질의 소성 온도는 900℃ 이상의 온도에서 이루어지기 때문에 소결 페이스트의 산화가 쉽게 발생하고 접합력이 약하다는 단점이 있다. 따라서, 전도성 물질은 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성 가능한 중온 소결 페이스트인 것이 바람직하다. 상기 중온 소결 페이스트의 열처리 온도가 350℃ 미만인 경우 인쇄된 금속 입자들의 소결이 제대로 이뤄지지 않아 완성된 전극 패턴의 저항이 커질 수 있고, 열처리 온도가 450℃를 초과하는 경우 과소성으로 인한 션트(shunt)가 일어나 전기적 특성이 하락할 수 있다.
또한, 전도성 물질을 소성하여 전극 패턴(200)을 형성하는 단계(S30)에서, 소성 공정은 산화 분위기에서 실시할 수 있다. 여기서, 산화 분위기는 일부 산소가 포함된 공기 분위기 또는 질소, 아르곤 등 비활성 기체와 산소가 혼합된 분위기를 의미할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 종래의 금속으로 이루어진 히트싱크와는 달리 세라믹 히트싱크의 상면에 형성된 전도성 물질을 소성하는 것이므로 산화 분위기에서 소성 공정을 진행하더라도 산화로 인한 문제가 발생하지 않는다. 일 예로, 전도성 물질로서 Ag 소결 페이스트가 사용될 경우, Ag 소결 페이스트는 산화 분위기에서 AlN인 세라믹 히트싱크의 상면에 소결될 수 있고, 이와 같이 산화 분위기에서 소결이 이루어지면 AlN의 표면에 산화막인 Al2O3가 형성될 수 있기 때문에 소결층의 접합력이 높아질 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 파워모듈에 적용하여 반도체 칩의 다중 다량 접속과 방열 효과를 모두 확보할 수 있고 소형화에도 기여하므로 파워모듈의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판은 파워모듈 외에도 고전력에 사용되는 다양한 모듈 부품에 적용 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 2: 냉매 순환부
2a: 유입구 2b: 배출구
3: 순환 구동부 L1: 제1 순환라인
L2: 제2 순환라인 10: 스크린 마스크
20: 스퀴지 100: 세라믹 히트싱크
110: 평면부 120: 돌출부
200': 전도성 페이스트 200: 전극 패턴

Claims (15)

  1. 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계;
    상기 세라믹 히트싱크의 상면에 전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 전도성 물질을 소성하여 전극 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질의 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 세라믹 히트싱크의 상면 상에 스크린 마스크를 배치하는 단계; 및
    상기 스크린 마스크를 통하여 상기 세라믹 히트싱크의 상면에 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계에서,
    상기 전도성 물질은 Ag, Cu, Ag 합금, Cu 합금, W, Mo, MoW 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 페이스트인 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 물질의 패턴을 인쇄하는 단계는,
    상기 스크린 마스크 위에 상기 전도성 페이스트를 얹고, 스퀴지를 상기 스크린 마스크 위에 접촉 및 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 이동시키는 단계에서,
    상기 전도성 페이스트는 상기 스크린 마스크의 오픈된 패턴 영역을 통과하여 상기 세라믹 히트싱크의 상면에 도포되는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스크린 마스크는,
    상기 패턴 영역이 메쉬 형태로 오픈되고, 나머지 영역이 막힌 구조인 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 전도성 물질을 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도에서 소성하여 전극 패턴을 형성하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서,
    상기 세라믹 히트싱크는 인젝션 몰딩(injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서,
    상기 세라믹 히트싱크는 상면에 상기 전극 패턴이 형성되는 평면부와, 상기 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되어 액체형 냉매와 접촉하도록 구비된 복수의 돌출부를 포함하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크를 준비하는 단계에서,
    상기 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판 제조방법.
  10. 평면부와, 상기 평면부의 하면에 간격을 두고 돌출 형성되고, 액체형 냉매와 접촉하는 복수의 돌출부를 구비한 세라믹 히트싱크; 및
    상기 평면부의 상면에 형성된 전극 패턴을 포함하고,
    상기 전극 패턴은 상기 평면부의 상면에 전도성 물질의 패턴이 형성된 후 소성된 것인 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부는 외부의 냉매 순환부에 배치되고,
    상기 냉매 순환부를 통해 순환하는 액체형 냉매는 상기 복수의 돌출부와 열교환하는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 물질의 패턴은 상기 평면부의 상면에 스크린 인쇄법으로 형성되는 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 Ag, Cu, Ag 합금, Cu 합금, W, Mo, MoW 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 페이스트인 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크는 인젝션 몰딩(injection molding), 다이캐스팅(die casting) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹 히트싱크는 AlN, Si3N4, ZTA(Zirconia Toughed Alumina), Al2O3, SiC 중 어느 하나의 재료로 형성된 히트싱크 일체형 파워모듈용 기판.
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