[논문]알루미늄 기판에 스크린 인쇄한 AlN 후막의 두께 방향으로 열전도도 평가

김종구; 박홍석; 김현; 한병동; 조영래

doi:10.6117/kmeps.2015.22.4.065

알루미늄 기판에 스크린 인쇄한 AlN 후막의 두께 방향으로 열전도도 평가
Evaluation of Thermal Conductivity for Screen-Printed AlN Layer on Al Substrate in Thickness Direction 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.22 no.4, 2015년, pp.65 - 70

김종구 (부산대학교 재료공학부) , 박홍석 (부산대학교 재료공학부) , 김현 (부산대학교 재료공학부) , 한병동 (재료연구소) , 조영래 (부산대학교 재료공학부)

초록
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히트 싱크용 소재에 응용할 목적으로 단층금속과 2층 단면구조 복합재료에 대해 열전도 특성을 연구하였다. 단층금속으로는 알루미늄합금(Al6061)을 사용했으며, 2층 단면구조 복합재료로는 Al6061기판에 질화알루미늄(AlN)을 스크린 인쇄한 층상구조 복합재료를 선택하였다. 섬광법으로 측정한 열확산계수와 비열 및 밀도를 사용해서 열전도도를 측정하였다. 실험을 통해 얻은 열전도 특성 값을 참고문헌에 보고된 자료를 사용해 계산한 값과 비교하였다. Al6061 기판에 스크린인쇄법으로 AlN 후막을 형성시킨 2층 단면구조 복합재료 시편의 열전도도는 AlN 후막의 두께가 증가할수록 선형적으로 감소하였다. 측정한 복합재료의 열전도도는 두께가 $53{\mu}m$과 $163{\mu}m$일 때, 각각 $114.1W/m{\cdot}K$와 $72.3W/m{\cdot}K$로 나타났다. 또한, 스크린 인쇄한 AlN 후막의 열전도도를 열전도비저항에 대한 혼합법칙을 적용해서 평가하였다. AlN 후막의 두께가 $53{\mu}m$와 $163{\mu}m$인 경우, 스크린 인쇄한 AlN 후막의 열전도도는 각각 $9.35W/m{\cdot}K$와 $12.40W/m{\cdot}K$로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study on thermal properties for a single-layer metal and two-layer composites was investigated for the heat-sink application. For the single-layer metal, an aluminum alloy (Al6061) was selected. A screen printed aluminum nitride (AlN) layer on the Al6061 substrate was chosen for the two-layer composites. The thermal conductivity of the sample was determined from the thermal diffusivity measured by the light flash analysis (LFA), specific heat and density. Measured thermal property values were compared to calculated values using the data from the references. The thermal conductivity of composites with screen printed AlN layer on the Al6061 substrate decreased linearly with increasing the thickness of AlN layer. Measured values of the thermal conductivity for composites with $53{\mu}m$ and $163{\mu}m$ thick AlN layers were $114.1W/m{\cdot}K$ and $72.3W/m{\cdot}K$, respectively. In particular, the thermal conductivity of the screen-printed AlN layer was demonstrated by appling the rule of mixture in view point of thermal resistivity. Measured values of the thermal conductivity for AlN layers with the thickness of $53{\mu}m$ and $163{\mu}m$ showed $9.35W/m{\cdot}K$ and $12.40W/m{\cdot}K$, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다층구조 방열모듈에서 두께 방향으로 열전도 특성을 이해하기 위해 단층기판에 유전체 후막을 형성시킨 복합 재료의 열전도 특성을 연구하였다. Al6061 기판에 AlN 후막을 스크린 인쇄법으로 형성시킨 2층 단면구조 복합 재료의 열전도도를 섬광법을 사용해 구할 수 있었다.
스크린 인쇄한 AlN 후막은 AlN 분말과 에폭시수지 계통의 본딩 재료로 구성되기 때문에 열전도 특성의 예측은 더욱 복잡하고 어렵다. 따라서, 복합재료와 AlN 후막의 열전도도 변화를 AlN 후막의 미세구조와 관련시켜 고찰하고자 한다.
본 연구는 LED용 다층구조 방열모듈에서 두께 방향으로 열전도 특성을 이해하기 위한 기초 연구로, 중간에 계면을 갖는 층상 복합재료를 시편으로 선택하였다. 시편은 금속기판에 유전체 후막을 코팅시킨 2층 단면구조의 형상을 갖는다.
단층시편과 복합재료 시편에 대해 각각 섬광법 (LFA)으로 두께 방향으로 열확산계수를 측정한 후 열전도도를 계산하였다. 유전체 후막의 두께를 실험변수로 선택해서 제조한 복합재료의 열전도 특성을 연구함으로써, 유전체 후막 자체의 열전도특성을 도출하고 고찰하였다.

가설 설정

4 W/m·K로 계산된다.¹⁷⁾ 178.4 W/m·K 로 계산된 복합재료의 열전도도는 에폭시가 무게비로 35% 첨가되어 AlN로 후막이 형성된 시편에 대한 것이다.
2층 단면구조를 갖는 복합재료의 열전도도는 복합재료를 구성하는 각각 재료의 열전도도와 두께 비율에 의해 결정된다고 가정하면, 스크린 인쇄한 AlN 후막의 열전도도를 얻을 수 있다. 즉, 후막과 기판으로 이루어진 복합 재료에서 기판과 복합재료의 열전도도와 두께 비율을 알면 후막의 열전도도를 도출할 수 있다.

제안 방법

Al6061 기판에 AlN 후막이 형성된 2층 단면구조를 갖는 복합재료를 구성하는 Al6061 기판과 AlN 후막 각각에 대해 우선적으로 특성 평가하였다. Table 1은 2층 단면구조를 갖는 복합재료 시편의 열전도 특성 평가에 필요한 Al6061 기판과 AlN 후막에 대한 밀도, 비열 및 열 확산계수를 요약한 것인데, 참고문헌에 발표된(reported)값과 실험으로 측정한(measured) 값을 함께 나타냈다.
1은 본 연구에서 섬광법으로 AlN 후막의 열전도도를 도출하기 위해 수행한 실험의 주요공정을 도식적으로 나타낸 것이다. Al6061기판에 스크린 인쇄법으로 AlN 후막(AlN layer)을 형성시킨 복합재료 시편과 Al6061시편에 대해 각각 섬광법으로 열확산계수를 측정하였다. 복합재료 시편과 Al6061기판에 대한 열확산계수와 밀도 및 비열을 사용해서 AlN 후막의 열전도도를 도출하였다.
AlN 후막의 두께는 163 μm까지 변화시켰는데, 스크린인쇄의 횟수를 변화시켜 AlN 후막의 두께를 조절하였다.
단층금속으로는 열전도 특성이 우수한 알루미늄이 선택되었으며, 유전체 후막으로는 전기적 부도체로 열전도 특성이 뛰어난 질화알루미늄(AlN)을 사용하였다. 단층시편과 복합재료 시편에 대해 각각 섬광법 (LFA)으로 두께 방향으로 열확산계수를 측정한 후 열전도도를 계산하였다. 유전체 후막의 두께를 실험변수로 선택해서 제조한 복합재료의 열전도 특성을 연구함으로써, 유전체 후막 자체의 열전도특성을 도출하고 고찰하였다.
또한, 광학현미경(optical microscopy, OM)과 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 사용해서 AlN 후막과 A6061 기판으로 이루어진 복합재료의 경계 면과 미세조직을 관찰하였다.
Al6061기판에 스크린 인쇄법으로 AlN 후막(AlN layer)을 형성시킨 복합재료 시편과 Al6061시편에 대해 각각 섬광법으로 열확산계수를 측정하였다. 복합재료 시편과 Al6061기판에 대한 열확산계수와 밀도 및 비열을 사용해서 AlN 후막의 열전도도를 도출하였다.
스크린 인쇄법으로 형성한 AlN 후막의 열전도도를 구할 수 있는 방법을 열전도비저항 개념을 사용해서 제시하고 검증하였다. 본 연구에서는 두께가 53 μm와 163 μm인 AlN 후막에서 열전도도가 9.
열확산계수의 측정시 표면레이저 펄스의 흡수도를 높이기 위해, 콜로이드 상태의 흑연입자를 시편의 양쪽면에 분사 코팅했다. 열주입은 시편의 아랫면에 파장이 0.4 ms이고 pulse당 3 Joule의 열량을 갖는 Xenonflash lamp를 조사해 수행했으며, 시편의 윗면에 비접촉식 적외선 온도센서를 사용해 시간에 따른 온도증가 모드의 그래프를 통해 열확산계수를 구했다. 시편의 열전도도는 아래의 식을 사용해서 계산하였다.
시편의 열확산계수는 Netzsch사의 light flash analysis(모델명: LFA 447 NanoFlash)를 사용해 상온에서 측정하였다. 열확산계수의 측정시 표면레이저 펄스의 흡수도를 높이기 위해, 콜로이드 상태의 흑연입자를 시편의 양쪽면에 분사 코팅했다. 열주입은 시편의 아랫면에 파장이 0.

대상 데이터

Al6061 기판에 AlN 후막이 형성된 2층 단면구조를 갖는 복합재료를 AlN 후막의 두께를 변수로 해서 스크린 인쇄법으로 제조하였다. Fig.
C에서 30분 동안 경화시켜 제조하였다. AlN 페이스트는 BPF (bisphenol f epoxy resin) 계통이며, 주요 성분은 무게비로 AlN filler가 65%, 에폭시 수지가 28% 및 경화제가 7%인 것을 사용하였다. AlN은 열전도 특성은 우수하지만, 전기적 부도체이기 때문에 전자소자용 부품에서 절연 및 열방출 소재로 적합하다.
AlN 후막의 두께가 0 μm인 시편은 기판에 AlN 후막을 형성시키지 않은 Al6061 기판을 의미한다.
기판의 형상은 두께가 2.02 mm이고, 면적이 8 × 8 mm2인 판상이다.
시편은 금속기판에 유전체 후막을 코팅시킨 2층 단면구조의 형상을 갖는다. 단층금속으로는 열전도 특성이 우수한 알루미늄이 선택되었으며, 유전체 후막으로는 전기적 부도체로 열전도 특성이 뛰어난 질화알루미늄(AlN)을 사용하였다. 단층시편과 복합재료 시편에 대해 각각 섬광법 (LFA)으로 두께 방향으로 열확산계수를 측정한 후 열전도도를 계산하였다.
본 연구는 LED용 다층구조 방열모듈에서 두께 방향으로 열전도 특성을 이해하기 위한 기초 연구로, 중간에 계면을 갖는 층상 복합재료를 시편으로 선택하였다. 시편은 금속기판에 유전체 후막을 코팅시킨 2층 단면구조의 형상을 갖는다. 단층금속으로는 열전도 특성이 우수한 알루미늄이 선택되었으며, 유전체 후막으로는 전기적 부도체로 열전도 특성이 뛰어난 질화알루미늄(AlN)을 사용하였다.
유전체 후막은 ㈜ IMD의 제품코드 AN-2501인 AlN 페이스트(paste)를 사용해 스크린 인쇄한 후 150^oC에서 30분 동안 경화시켜 제조하였다. AlN 페이스트는 BPF (bisphenol f epoxy resin) 계통이며, 주요 성분은 무게비로 AlN filler가 65%, 에폭시 수지가 28% 및 경화제가 7%인 것을 사용하였다.

이론/모형

02 mm인 Al6061의 열확산계수와 열전도도의 값을 사용했다. Table 2에서 2층 단면구조 복합재료에 대한 열확산계수는 섬광법으로 직접 측정하였다.
Table 2에 표시된, 계산된 열전도도와 측정된 열전도도에 대한 도출과정은 쉽게 이해되기 않기 때문에 자세하게 설명하면 다음과 같다. 본 연구의 2층 단면구조 복합 재료에서 열전도도의 계산은 열저항에 대한 혼합법칙을 사용해서 계산하였다. 즉, 두께가 2.
(J/kg·K)는 비열을 나타낸다. 비열은 시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)를 사용해 측정했으며, 밀도는 아르키메데스의 수중부유법을 사용해서 측정하였다.
2(b)는 열확산계수를 측정하는 원리를 도식적으로 나타낸다. 시편의 열확산계수는 Netzsch사의 light flash analysis(모델명: LFA 447 NanoFlash)를 사용해 상온에서 측정하였다. 열확산계수의 측정시 표면레이저 펄스의 흡수도를 높이기 위해, 콜로이드 상태의 흑연입자를 시편의 양쪽면에 분사 코팅했다.
식 (1)을 사용해서 측정한 열전도도의 타당성 검증을 위해 열전도비저항(thermal resistivity, R)에 대한 혼합법칙(rule of mixture)을 적용해서 Al 기판에 AlN 후막을 형성시킨 2층 단면구조 복합재료에 대해 아래의 식을 사용해 열전도도를 계산하였다.¹⁴⁾

성능/효과

Xu 등은 에폭시 폴리머에 AlN 입자를 부피 비율로 60%첨가한 경우, 복합재료의 열전도도가 최대 11 W/m·K까지 증가함을 보고하였다.²¹⁾ 스크린인쇄 공정으로 제조한 본 연구의 AlN 후막에서 AlN 분말의 무게비가 65%인 점을 고려하면, 스크린 인쇄한 AlN 후막의 열전도도가 9.35 W/m·K에서 12.40 W/m·K로 평균 10.53 W/m·K의 값으로 나타난 것은 Nielson 공식의 예측과 일치한다. 따라서, 본 연구에서 측정한 AlN 후막의 열전도도 측정법은 타당성이 있다고 판단된다.
53 W/m·K의 값으로 나타난 것은 Nielson 공식의 예측과 일치한다. 따라서, 본 연구에서 측정한 AlN 후막의 열전도도 측정법은 타당성이 있다고 판단된다.
본 연구에서는 두께가 53 μm와 163 μm인 AlN 후막에서 열전도도가 9.35 W/m·K와 12.40 W/m·K로 나타났다.
본 연구의 결과, AlN 후막의 두께가 53 μm에서 163 μm의 범위로 스크린 인쇄한 AlN 후막의 열전도도는 9.35 W/m·K에서 12.40 W/m·K로 평균 10.53 W/m·K의 값으로 얻어졌다.
실험결과에서 스크린 인쇄한 AlN 후막의 열전도도는 9.35 W/m·K에서 12.40 W/m·K로 나타났다. Table 2에서 Al6061 기판에 AlN 후막을 두께를 변수로 형성시킨 2층단면구조 복합재료의 열전도도는 AlN 후막의 두께가 증가할수록 감소하였다.
동일한 방법으로 Table 2에 나타낸 서로 다른 AlN 후막 두께를 갖는 복합재료의 값들도 구할 수 있다. 이상의 결과로, Al6061 기판에 AlN 후막을 형성시킨 2층 단면구조 복합재료에서 열전도도는 AlN 후막의 두께가 증가할수록 감소함을 알았다.

후속연구

100 μm 이하의 두께로 얇게 스크린 인쇄한 후 막의 열전도도를 구하는 일반적인 방법은 찾기 어려운바, 본 연구에서 수행한 후막의 열전도도 측정 방법은 향후 고발열 방열모듈의 설계에 필요한 자료를 얻는데 사용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발광다이오드에서 발열량의 증가는 어떤 문제를 일으키는가?	전자소자의 고출력화와 고집적화 추세가 빠르게 진행됨에 따라 단위면적당 발생하는 발열량의 증가는 심각한 문제가 된다.1-3) 발광다이오드(LED)의 경우, 반도체소자의 접합부에서 발생하는 높은 발열로 인해 LED소자의 발광효율이 급격하게 감소한다. 컴퓨터의 중앙처리장치와 전력반도체 소자에서도 소형화와 고성능화 추세로 열을 효과적으로 방출시키는 기술 개발이 필수적이다.
	전자소자에서 생기는 발열의 원인은 무엇인가?	컴퓨터의 중앙처리장치와 전력반도체 소자에서도 소형화와 고성능화 추세로 열을 효과적으로 방출시키는 기술 개발이 필수적이다. 전자소자에서 생기는 발열의 원인은 작은 반도체 칩에 많은 양의 전류가 흐르기 때문이다. 칩에서 발생한 열을 효과적으로 방출시키는 방법의 하나로 리드프레임을 사용하기도 하지만, 발열문제가 심각한 경우 히트 싱크(heat sink)나 히트 파이프(heat pipe)를 추가로 사용한다.
	열계면소재의 역할 및 특징은 무엇인가?	절연기판은 열전도도가 높을수록 바람직하며, 탄소화합물 혹은 질소화합물이 첨가된 후막(thick film)의 복합재료(composites)에 대한 연구가 많다.4-6) 열계면소재는 절연기판과 방열판을 본딩시키는 역할을 하며, 열전도 특성이 우수한 무기질 입자와 본딩특성을 갖는 고분자 소재가 혼합된 복합소재가 사용된다. 방열판의 소재는 열전도도가 높으면서 기계가공이 용이한 알루미늄(Al) 합금이 주로 사용된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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