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KR20080111316A - 메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20080111316A
KR20080111316A KR1020070059556A KR20070059556A KR20080111316A KR 20080111316 A KR20080111316 A KR 20080111316A KR 1020070059556 A KR1020070059556 A KR 1020070059556A KR 20070059556 A KR20070059556 A KR 20070059556A KR 20080111316 A KR20080111316 A KR 20080111316A
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KR
South Korea
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metal core
metal
substrate
heat dissipation
manufacturing
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KR1020070059556A
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조승현
민병렬
조순진
최진원
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삼성전기주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 탄소나노튜브와 금속의 혼합분말을 이용하여 MIM(Metal Injection Molding) 공법에 의해 관통부를 갖는 메탈코어를 제작하고 이를 코어 기판의 제작에 사용함으로써, 별도의 홀 가공 없이 메탈코어를 그대로 코어 기판에 적용하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 관통부를 갖는 메탈코어 제작에 MIM 공법을 도입함으로써 탄소나노튜브와 금속을 혼합 적용하는 것이 용이하다. 또한, 고 강도의 메탈코어를 별도의 홀 가공 공정 없이 관통부가 기 형성된 상태로 제작하여 코어 기판으로 적용함으로써 방열 특성을 향상시키고 휨(warpage)을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 단축된 공정을 통해서 효율적으로 방열 기판을 제작할 수 있다.
메탈코어, 방열 기판, 탄소나노튜브, 금속, 금속사출성형, MIM

Description

메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법 {Radiant heat substrate having metal core and method for manufacturing the same}
도 1a 내지 도 1c는 탄소나노튜브의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라 MIM(Metal Injection Molding) 공법에 의해 메탈코어를 제작하는 공정흐름을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라 MIM 공법에 의해 제작된 메탈코어의 형태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제작공정흐름을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 메탈코어를 갖는 다층 방열 기판의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6a는 내지 도 6c는 통상적인 기판의 방열 방식을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7h는 종래기술의 일 실시형태에 따른 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제작공정흐름을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
101 : 상부 금형
102 : 혼합분말
103 : 주입구
104 : 하부 금형
105 : 홀 핀
106 : 메탈코어
107 : 관통부
108 : 절연 수지층
109 : 관통홀
110 : 금속 시드층
111 : 회로 패턴
112 : 비아
208, 308 : 절연 수지층
211, 311 : 회로 패턴
401 : 솔더레지스트층
본 발명은 메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는, 본 발명은 MIM 공법을 통해서 별도의 홀 가공 공정 없이 고 강도의 메탈코어를 관통부가 기 형성된 상태로 제작하여 이를 코어 기판에 적용함으로써 향상된 방열 특성 및 개선된 휨(warpage) 특성을 갖는 방열 기판을 효율적으로 제작할 수 있는 방열 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고속화, 고전력 소비와 동시에 고밀도, 소형화되는 휴대폰, 서버, 네트워크 등의 세트에서 제품의 신뢰성 향상과 오작동을 방지하기 위해 효율적인 방열은 매우 중요한 이슈가 되고 있다. 칩의 높은 발열온도는 세트의 오작동, 멈춤 등 오류의 중요한 원인이 된다.
이러한 칩의 온도를 낮추기 위해 지금까지 제품에 적용되는 기술은 고열을 발생하는 칩(chip) 위에 방열핀(Heat sink)을 설치하고 냉각팬(Cooling fan)을 구동하여 칩에서 발생하는 고열을 강제 배기하는 것이다.
패키지의 방열은 방열핀과 냉각팬의 결합에 의한 공랭식과 냉매나 물을 사용하는 수랭식이 대부분이다. 그러나 이러한 공랭식과 수랭식 냉각방식은 사이즈가 커지거나, 진동, 소음 등의 문제점이 있다.
특히, 제품이 고기능화 될수록 냉각팬의 방열성능 향상을 위해 크기를 증가시켜야 한다. 그러나, 내부공간의 제약과 고속의 냉각팬의 소음문제 등으로 인해 추가적인 방열대책이 요구되고 있다.
최근 진동과 소음 문제가 해결된 새로운 냉각시스템이 개발되고 있으나 가격이 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 패키지 업계에서는 기판을 통한 방열 문제 해 결에 관심이 높아지고 있다. 기판은 0.01W/mK 이하의 열전도성이 매우 낮은 폴리머 계열의 수지가 사용되는 다층 구조로서 칩에서 발생하는 열의 흐름은 매우 취약하다.
일반적인 패키지에서 칩으로부터 기판으로 열이 신속하게 전달되는 경로는 도 6a에 통상적인 기판 구조를 나타낸 바와 같이 범프 조인트(Bump Joint)에서 Cu 소재인 회로층을 따라 메인보드와 연결되는 솔더 조인트(Solder Joint)로 연결되는 경로이다. 그러나, 이러한 열의 흐름은 열전도성이 매우 낮은 절연층에 의해 저항이 크게 발생하기 때문에 기판의 방열 특성을 강화하기 위해 도 6b 및 도 6c에 각각 나타낸 열 비아 기판과 메탈코어 삽입 기판에서와 같이 칩과 결합하는 부분에 방열을 위한 Cu로 된 열 비아(Thermal Via)를 형성하거나 기판 내부에 메탈코어(Metal Core)를 삽입하여 칩의 온도를 낮추는 제품이 출시되고 있다.
이와 같이 방열 특성이 강화된 기판은 도 6a의 기판보다는 방열 특성이 우수하지만 고사양에 따른 패키지의 방열 문제를 해결하기에는 한계가 있다.
한편, 도 7a 내지 도 7h에 종래기술의 일 실시형태에 따라 메탈코어를 갖는 방열 기판을 제조하는 공정흐름을 개략적으로 나타내었는 바, 이하 이를 참조하여 설명한다.
우선, 알루미늄과 같은 메탈코어(11)의 양면에 드라이필름(12)을 도포하고 통상의 노광/현상 및 에칭 공정을 통해서 약 0.5mm의 직경을 갖는 홀(13)을 형성한 후 드라이필름(12)을 제거한다(도 7a 내지 7d 참조).
다음, 프리프레그와 같은 통상의 절연 수지(14)를 그 양면에 적층하여 홀(13) 가공된 메탈코어(11)의 전면을 몰딩하고, CNC 드릴링 가공을 통해서 약 0.25∼0.3mm의 직경을 갖는 관통홀(15)을 형성한다(도 7e 및 도 7f 참조).
이어서, 통상의 무전해 동도금을 통해서 구리 시드층(16)을 형성한 후, 전해 패턴 도금 및 플러깅 공정 등을 포함하는 회로 형성 공정을 통해서 비아(18)를 포함하는 코어용 회로 패턴(17)을 형성한다(도 7g 및 도 7h 참조).
그러나, 상술한 종래기술의 메탈코어를 갖는 방열 기판 제조방법의 경우, 에칭에 의한 홀가공 시 과에칭에 의해 홀 사이즈가 불균일한 문제점이 있다. 또한, 탄소나노튜브와 같은 고 강도 소재를 사용하는 경우에는 홀 가공 자체가 어려워 메탈코어 소재에 제한이 따르는 단점이 있다.
이에 본 발명에서는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 칩의 고온을 기판으로 배출할 수 있도록 탄소나노튜브와 금속의 혼합분말을 이용하여 방열 특성을 강화한 구조를 제안하게 되었다.
따라서, 본 발명의 일 측면은 고방열, 고강도의 메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 별도의 홀 가공 공정 없이 단축된 공정을 통해서 고신뢰성을 갖도록 제작된 방열 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 방열 기판의 제조방법은:
(a) 탄소나노튜브와 금속이 혼합된 혼합분말을 금형에서 사출성형하여 관통부를 갖는 메탈코어를 제작하는 단계;
(b) 상기 관통부를 포함하여 메탈코어 전체를 절연 수지로 몰딩하여 코어용 기판을 제작하는 단계;
(c) 상기 관통부에 충전된 절연 수지를 가공하여 관통홀을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 관통홀이 형성된 코어용 기판 상에 회로 패턴을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조방법에서, 상기 금속은 바람직하게는 Al, Cu, Fe, Ni 및 이들의 합금, 및 스테인레스강으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 혼합분말 중 탄소나노튜브 분말의 함량은 20중량% 이하인 것이 바람직하다.
상기 절연 수지는 바람직하게는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 기재 보강된 열경화성 수지, 기재 보강된 열가소성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 방법은 또한 빌드업 공법을 통해서 적어도 하나의 외층 회로층을 형성하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 방열 기판은:
(a) 탄소나노튜브와 금속이 혼합된 혼합분말을 금형에서 사출성형하여 된 관 통부를 갖는 메탈코어;
(b) 상기 관통부를 포함하여 메탈코어 전체에 몰딩된 절연 수지층;
(c) 상기 관통부에 충전된 절연 수지를 가공하여 형성된 관통홀; 및
(d) 상기 관통홀이 형성된 절연 수지층 상에 형성된 회로 패턴;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 탄소나노튜브를 기존의 고열전도성 금속 재료와 배합하여 메탈코어로 기판에 삽입하고자 한다.
탄소나노튜브는 도 1a 내지 도 1c에 나타낸 바와 같이, 단일벽 나노튜브 구조(도 1a 참조), 다중벽 나노튜브 구조(도 1b 참조) 및 나노튜브 로프(도 1c 참조)와 같은 탄소원자의 체인으로 이루어진 소재로서 약 3000∼6000W/mK의 열전도를 갖는데, 통상 열전도성이 우수한 소재로서 사용되는 구리와 알루미늄의 열전도가 각각 350, 210W/mK임을 감안하면 매우 높은 방열성능을 갖는 것이다. 특히, 탄소나노튜브는 체인 구조에 따라 열이 전달되는 방향성을 가지고 있기 때문에 칩과 같이 좁은 지역에서 발생하는 열의 배출이 매우 유리하다.
그러나, 상기 탄소나노튜브를 기타 메탈코어와 배합하여 사용하는 경우, 기타 다른 고열전도성 금속 재료와의 균일한 혼합이 어렵고, 탄소나노튜브 자체의 강성도가 매우 높기 때문에 통상의 드릴링에 의한 홀 가공 시 드릴 비트의 마모가 심 해지거나 부러지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 메탈코어를 MIM(Metal Injection Molding) 공법, 즉 금속사출성형법에 의해 가공하는 것을 제안한다.
이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라 MIM 공법에 의해 메탈코어를 제작하는 방법을 설명한다.
우선, 상부 금형(101)과 하부 금형(104)으로 구성된 금형 세트를 준비한다(도 2a 참조). 상세하게는, 상기 상부 금형(101)에 탄소나노튜브와 고열전도성 금속이 혼합된 혼합분말(102)을 주입하기 위한 원료 주입구(103)를 설치하고, 상기 하부 금형(104)에는 홀 크기의 홀 핀(Hole pin)(105)을 설치한다.
이때, 상기 주입구(103)는 필요에 따라 하나 또는 그 이상 설치할 수 있다. 한편, 홀 크기의 홀 핀(105)을 갖도록 하부 금형(104)을 제작함으로써 층간 전기적 도통을 위한 드릴링 등의 별도의 홀 가공공정 없이 홀 크기에 대응하는 관통부가 기 형성된 상태로 메탈코어를 제작할 수 있다.
다음, 상기 상부 금형(101)과 하부 금형(104)을 맞추어 닫은 후(도 2b 참조), 원료 주입구(103)를 통해서 탄소나노튜브와 고열전도성 금속의 혼합분말(102)을 주입하고(도 2c 참조), 소정의 온도 및 압력 하에서 사출성형한 후 상부 금형(101)을 열고(도 2d 참조) 하부 금형(104)으로부터 메탈코어(106)를 분리한다(도 2e 참조). 이와 같이 제작된 관통부(107)를 갖는 메탈코어(106)의 형상을 도 3에 나타내었다.
상기 고열전도성 금속으로는 Al, Cu, Fe, Ni 및 이들의 합금, 및 스테인레스 강 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합물을 사용할 수 있으나, 특별히 이에 한정되지 않고 통상 당업계에서 방열 기판의 금속 재료로서 사용되는 것이라면 무엇이든 사용 가능하다. 시판되는 상품으로는 인바(Invar) 등을 들 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합분말 중 탄소나노튜브 분말의 함량은 메탈코어의 실제 적용 목적에 따라 적절히 선택 가능하나, 통상 약 20중량% 이하인 것이 바람직하다.
상기 혼합분말에는 상술한 탄소난노튜브와 고열전도성 금속의 분말 외에도 필요에 따라 바인더 등이 포함될 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 메탈코어를 이용한 방열 기판의 제조방법을 설명한다.
우선, 상기 도 2b 내지 도 2e를 참조하여 설명한 방법에 따라 제작된 관통부(107)를 갖는 메탈코어(106)를 준비하고, 상기 관통부(107)를 포함하여 메탈코어(106) 전체를 절연 수지(108)로 몰딩하여 코어용 기판을 제작한다(도 4a 및 도 4b 참조).
상기 몰딩방법으로는 절연 수지를 이용하여 관통부를 포함하여 메탈코어 전체를 코팅하거나, 또는 메탈코어의 양면에 일반적인 절연 수지층을 적층하여 형성하는 방법 등을 들 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 절연 수지로는 당업계에 공지된 것이라면 모두 사용 가능하나, 열경화성 수지, 열가소성 수지, 기재 보강된 열경화성 수지, 기재 보강된 열가소성 수지 중 어느 하나, 또는 2 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
이어서, 상기 관통부(107)에 충전된 절연 수지(108)를 통상의 방법에 따라 가공하여 관통홀(109)을 형성한다(도 4c 참조).
다음, 통상의 회로층 형성방법에 따라 관통홀(109)이 형성된 기판 상에, 예를 들어 무전해 금속 도금 등을 통해서 금속 시드층(110)을 형성하고(도 4d 참조), 전해 패턴 금속 도금 등을 통해서 두께 도금층을 형성하고 플레시 에칭하여 비아(112)를 포함하는 회로 패턴(111)을 형성한다(도 4e 참조). 이때, 상기 관통홀(109)은 전해 금속 도금 또는 전도성 페이스트를 이용하여 충전될 수 있으며, 당업계에 공지된 방법이라면 특별히 한정되지 않고 모두 적용 가능하다.
본 발명에 따르면, 상기 회로층이 형성된 코어 기판 상에 통상의 빌드업 공법을 통해서 절연 수지층(208, 308)을 적층하고 회로 형성방법에 따라 회로 패턴(211, 311)을 형성하여 적어도 하나의 외층 회로층을 더욱 형성할 수 있다. 나아가, 최외층에 솔더레지스트층(401)을 형성하고(도 5 참조), 통상의 솔더레지스트 오프닝 공정 및 니켈/금 도금 등을 통해서 표면처리할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따라, 탄소나노튜브가 기판에 적용되면 기판이 발열체인 칩에 비해 대면적이므로 칩의 온도를 획기적으로 낮추어 패키지 시스템에서 냉각시스템(냉각팬 + 방열핀)의 크기나 용량을 줄이거나 또는 이러한 냉각시스템을 생략하여 제작비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 탄소나노튜브를 이용한 메탈코어는 열전도성이 기존의 Al, Cu 등에 비해 월등히 높아서 칩에서 전달되는 열을 신속하게 확산시킬 수 있어 방열 특성이 획기적으로 향상된다.
아울러, 기판이 박판화 될수록 휨(warpage)이 증가하기 때문에 그 동안 메탈코어를 삽입하는 아이디어가 많이 제안되었으나 홀을 가공하는 공정의 문제점을 해결하지 못하는 한계가 있었다. 그러나, 본 발명과 같이 홀 가공 공정을 생략하는 공법에 의해 메탈코어가 삽입되면 휨을 크게 감소시키는 동시에 박판화 할 수 있다. 특히, 탄소나노튜브는 매우 높은 강도(탄성계수>1,000GPa)를 가지고 있기 때문에 휨을 크게 줄일 수 있다.
뿐만 아니라, MIM 공법에 의해 제작한 메탈코어를 사용함으로써 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.
첫째, 방열 특성 향상을 위한 탄소나노튜브를 금속 재료에 배합할 때 균일하게 배합하는 것이 매우 중요한데, MIM 공법을 적용하여 혼합분말 상태로 주입하여 사출함으로써 균일한 배합이 용이해진다.
둘째, 메탈코어에 홀 가공이 된 상태로 기판을 제작하면 홀 가공 프로세스가 단축되기 때문에 기판의 제작 원가를 크게 줄일 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 메탈코어를 갖는 방열 기판 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 금속과 탄소나노튜브의 혼합분말을 MIM 공법을 통해서 제작함으로써 탄소나노튜브를 고르게 배합할 수 있어 고른 방열 특성을 얻을 수 있다.
또한, MIM 공법에 의해 홀 가공이 필요 없는 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제조가 가능하다. 메탈코어가 현재의 평판(Plate)이 아닌 다양한 형태로 변경되거나, 탄소나노튜브와 같이 방출을 위한 별도의 재료(material)가 추가되는 경우 출, 납땜, 브레이징 등과 같은 기존의 방식으로는 제작이 불가능하지만, 본 발명에 따라 MIM 공법을 적용함으로써 별도의 홀 가공 없이도 원하는 형상을 갖는 고강도의 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제작이 가능하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 탄소나노튜브와 금속이 혼합된 혼합분말을 금형에서 사출성형하여 관통부를 갖는 메탈코어를 제작하는 단계;
    (b) 상기 관통부를 포함하여 메탈코어 전체를 절연 수지로 몰딩하여 코어용 기판을 제작하는 단계;
    (c) 상기 관통부에 충전된 절연 수지를 가공하여 관통홀을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 관통홀이 형성된 코어용 기판 상에 회로 패턴을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속은 Al, Cu, Fe, Ni 및 이들의 합금, 및 스테인레스강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 혼합분말 중 탄소나노튜브 분말의 함량은 20중량% 이하인 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 절연 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 기재 보강된 열경화성 수지, 기재 보강된 열가소성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군 으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방법은 빌드업 공법을 통해서 적어도 하나의 외층 회로층을 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판의 제조방법.
  6. (a) 탄소나노튜브와 금속이 혼합된 혼합분말을 금형에서 사출성형하여 된 관통부를 갖는 메탈코어;
    (b) 상기 관통부를 포함하여 메탈코어 전체에 몰딩된 절연 수지층;
    (c) 상기 관통부에 충전된 절연 수지를 가공하여 형성된 관통홀; 및
    (d) 상기 관통홀이 형성된 절연 수지층 상에 형성된 회로 패턴;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속은 Al, Cu, Fe, Ni 및 이들의 합금, 및 스테인레스강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판.
  8. 제6항에 있어서, 상기 혼합분말 중 탄소나노튜브 분말의 함량은 20중량% 이하인 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판.
  9. 제6항에 있어서, 상기 절연 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 기재 보강된 열경화성 수지, 기재 보강된 열가소성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판.
  10. 제6항에 있어서, 상기 방열 기판은 빌드업 공법을 통해서 적층된 적어도 하나의 외층 회로층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈코어를 갖는 방열 기판.
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