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금속기판에 유전체 후막을 형성시켜 제조한 2층 층상재료에서 두께 방향의 열전도 특성
Thermal Properties of Two-Layered Materials Composed of Dielectric Layer on Metallic Substrate along the Thickness Direction 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.4, 2016년, pp.87 - 92  

김종구 (부산대학교 재료공학부) ,  정주영 (부산대학교 재료공학부) ,  주재훈 (부산대학교 수송기기하이테크소재부품전공) ,  박상희 (가야대학교 안경광학과) ,  조영래 (부산대학교 재료공학부)

초록
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전자소자의 방열모듈에서 두께 방향의 열방출 특성에 대한 중요성이 증가하고 있다. 금속과 금속의 본딩 및 유전체와 금속의 본딩 구조를 갖는 2가지 종류의 2층 층상재료를 제조한 후 두께 방향으로 열확산계수를 측정하였다. 금속(STS439)과 금속(Al6061)으로 이루어진 2층 층상재료에서는 섬광법(LFA)으로 열확산계수를 측정했을 때, 열흐름의 방향을 반대로 변화시켜도 열확산계수의 변화가 없었다. 그런데, 유전체(AlN-Polymer)와 금속(Al6061)의 2층 층상재료에서는 열흐름의 방향을 반대로 인가하였을 때 열확산계수는 17.5% 정도 다르게 나타났다. 유전체와 금속의 단면구조를 갖는 2층 층상재료에서, 금속에서 유전체 방향으로 측정한 열확산계수가 유전체에서 금속 방향으로 측정한 열확산계수에 비해 17.5% 작게 나타난 이유는, 금속내의 전자가 갖고 있던 에너지가 유전체 쪽으로 전달되기 위해서는 계면 주변에서 포논의 에너지 형태로 변환될 때 저항이 생기기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The importance of heat dissipation for the electric device modules along the thickness direction is increasing. Two types of two-layered materials, metal-metal bonding and dielectric-metal bonding, have been fabricated by roll bonding process and a thermal diffusivity of the specimens was measured a...

주제어

#thermal diffusivity   #layered material   #heat sink   #heat flow   #heat dissipation  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 다층구조 방열모듈의 두께 방향에 대한 열전도 거동에서, 특히 열흐름의 방향 변화가 열전도 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해, 2가지 종류의 2층 층상재료(금속/금속, 유전체/금속)를 제조하였다. 금속으로는 알루미늄 합금을 선택하였으며, 유전체로는 질화알루 미늄(AlN) 입자가 함유된 폴리머를 사용했다.

가설 설정

  • 컴퓨터의중앙처리장치(CPU)와 전력반도체소자에서도 소형화와 고성능화 추세로 인한 열을 효과적으로 제어하는 기술이 요구된다. 전자소자에서 생기는 발열의 원인은 작은 체적의 반도체 칩에 많은 양의 전류가 흐르기 때문이다. 칩에서 발생한 열을 효과적으로 방출시키기 위해서는 고효율 리드프레임을 사용하거나, 히트 싱크(heat sink)나 히트 파이프(heat pipe)를 사용하기도 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
발광다이오드의 발광효율은 무엇에 의하여 감소하는가? 전자소자의 고밀도화 추세가 빠르게 진행됨에 따라 단위면적당 발생하는 열의 증가는 전자소자의 성능을 저하시킨다.1-3) 발광다이오드(LED)의 경우, 반도체소자의 접합부에서 발생하는 과열로 인해 소자의 발광효율이 크게 감소한다. 컴퓨터의중앙처리장치(CPU)와전력반도체소자에서도 소형화와 고성능화 추세로 인한 열을 효과적으로 제어하는 기술이 요구된다.
단위면적당 발생하는 열의 증가는 무엇의 성능을 저하시키는가? 전자소자의 고밀도화 추세가 빠르게 진행됨에 따라 단위면적당 발생하는 열의 증가는 전자소자의 성능을 저하시킨다.1-3) 발광다이오드(LED)의 경우, 반도체소자의 접합부에서 발생하는 과열로 인해 소자의 발광효율이 크게 감소한다.
다층구조를 갖는 방열모듈에 대한 두께 방향의 열전도 특성대한 연구의 필요성이 증가하고 있는 이유는 무엇인가? 고출력 LED와 고발열 전자소자에 사용되는 방열모듈은 대부분 다층의 층상구조를 갖는다. 일반적으로 전자소자는 유전체기판에 탑재되며, 유전체기판은 열계면재료(thermal interface material, TIM)를 사용해서 열전도성이 우수한 방열판에 부착한다. 유전체기판은 열전도도가 높을수록 좋기 때문에, 탄소화합물 혹은 질소화합물이 첨가된 후막(thick film) 형태의 복합재료가 사용된다.3-6) 방열판으로는 열전도와 기계가공 특성이 우수한 알루미늄 (Al) 합금을 주로 사용한다. 방열모듈에서 방열은 두께 방향으로 대부분 일어나기 때문에 두께 방향에 대한 열전도 특성을 이해하는 것이 필수적이다. 따라서, 다층구조를 갖는 방열모듈에 대한 두께 방향의 열전도 특성에 대한 연구의 필요성이 증가하고 있다.
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참고문헌 (15)

  1. V. N. Popok, K. B. Pedersen, P. K. Kristensen and K. Pedersen, "Comprehensive Physical Analysis of Bond Wire Interfaces in Power Modules", Microelectron. Reliab., 58, 58 (2016). 

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  15. A. Majumdar and P. Reddy, "Role of Electron-Phonon Coupling in Thermal Conductance of Metal-Nonmetal Interfaces", Appl. Phys. Lett., 84, 4768 (2004). 

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