붕소를 포함하는 다이아몬드-구리 복합 재료로 제조되는 히트 싱크 document_id A220623044098

히트 싱크는 전자 부품의 제조에 널리 사용된다. 히트 싱크에 더하여, 전자 패키지(electronic package)의 주 구성 요소는 반도체 부품(semiconductor)과 기계적으로 안정된 밀봉부(mechanically stable encapsulation)이다. 기판(substrate), 히트 스프레더(heat spreader) 또는 캐리어 플레이트(carrier plate)라는 용어도 히트 싱크를 지칭하는 것으로 자주 사용된다. 반도체 부품은 예를 들어 단결정 실리콘(single-crystal silicon) 또는 비소화갈륨(gallium arsenide)을 포함한다. 반도체 부품은 일반적으로 납땜(soldering)에 의하여 히트 싱크에 결합된다. 히트 싱크는 반도체 부품이 가동하는 때에 발생하는 열을 분산하는 역할을 한다. 특히 높은 수준의 열을 발생시키는 반도체 부품의 예로는, 횡확산 금속 산화물 반도체(LDMOS: laterally diffused metal oxide semiconductor), 레이저 다이오드(laser diode), 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 마이크로 처리 장치(MPU: microprocessor unit) 또는 고주파 증폭 장치(HFAD: high frequency amplifying device)가 있다. 히트 싱크는 특정 적용에 따라서 여러 가지의 다른 기하 형상을 갖는다. 간단한 형상은 평탄한 판을 포함한다. 하지만, 홈(recess)과 단차(step)를 구비한 정밀 기판들도 사용될 수 있다. 히트 싱크 자체는 기계적으로 안정된 밀봉부에 차례대로 결합된다. 사용된 반도체 재료의 열팽창률은 다른 재료들에 비해 낮으며, 문헌에 의하며 실리콘의 열팽창률은 2.1 x 10-6 K-1 내지 4.1 x 10-6 K-1로 제시되고 비소화갈륨의 열팽창률은 5.6 x 10-6 K-1 내지 5.8 x 10-6 K-1로 제시된다. 예를 들어 Ge, InP 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같이 아직 대량으로 널리 사용되지 않는 다른 반도체 재료 역시 비슷하게 낮은 열팽창률을 갖는다. 세라믹 재료, 재료 복합물(material composite) 또는 플라스틱은 일반적으로 밀봉부용으로 사용된다. 세라믹 재료의 예로는, 6.5 x 10-6 K-1 팽창률을 갖는 Al2O3, 또는 4.5 x 10-6 K-1 팽창률을 갖는 알루미늄 질화물(aluminum nitride)을 포함한다. 관련 부품들의 팽창 특성이 다른 경우에는 조립체(assembly)에 응력이 발생하고, 이는 부품의 비틀림, 분리 또는 파괴를 유발할 수 있다. 응력은 패키지의 제조 중에도 발생할 수 있으며, 특히 납땜 온도(soldering temperature)를 상온(room temperature)으로 냉각하는 단계 중에 발생할 수 있다. 하지만, 온도 변동은 패키지가 작동할 때에도 예를 들어 -50℃ 내지 200℃의 범위에서 발생하며, 이는 패키지에 열기계적 응력을 유발할 수 있다. 따라서, 히트 싱크용 재료에는 다음과 같은 사항이 요구된다. 첫째, 작동 중에 반도체 부품의 온도 상승을 최소화하기 위하여 재료의 열전도율이 가능한 한 높아야 한다. 둘째, 반도체 부품의 열팽창률과 밀봉부의 열팽창률이 가능한 한 비슷하게 조합되도록 하는 것이 요구된다. 단상 금속 재료(single-phase metallic material)는 요구되는 프로파일 특성을 충분히 만족시키지 않는데, 이는 이 금속 재료가 높은 열전도율에 더하여 높은 열팽창률도 갖기 때문이다. 따라서, 요구 사항의 프로파일을 만족시키기 위하여, 복합 재료(composite material) 또는 재료 복합물(material composite)이 기판을 제조하는 데 사용된다. 표준 텅스텐-구리 복합 재료와 몰리브덴-구리 복합 재료, 또는 그 재료 복합물은 유럽 특허 공보 제EP 0 100 232호, 미국 특허 공보 제US 4,950,554호 및 미국 특허 공보 제US 5,493,153호에 개시된 바와 같이 상온에서 170 내지 250 W/(m.K)의 열전도율과 6.5 x 10-6 내지 9.0 x 10-6 K-1의 열팽창률을 가지며, 이는 여러 적용에 있어서 더 이상 적합하지 않다. 다이아몬드 또는 다이아몬드 함유 복합 재료 또는 재료 복합물은 히트 싱크의 열전도율에 가해지는 요구 사항이 점점 더 증가한다는 측면에서 관심이 증가하고 있다. 예를 들어 다이아몬드의 열전도율은 1400 내지 2400 W/(m.K)이며, 특히 격자위치(lattice site)에 있는 질소 원자 함량 및 붕소 원자 함량이 품질을 결정하는 데 결정적이다. 유럽 특허 공보 제EP 0 521 405호는 반도체 칩을 지향하는 면에 다결정 다이아몬드를 구비하는 히트 싱크에 대해 개시하고 있다. 화학 기상 증착(CVD)에 의해 제조되는 다이아몬드는 1000 내지 1500 W/(m.K)의 열전도율을 갖는다. 하지만, 코팅 온도(coating temperature)로부터의 냉각 중에 다이아몬드층에 균열이 발생할 수 있으며, 이는 다이아몬드층의 소성변형능(plastic deformability)이 부족하기 때문이다. 미국 특허 공보 제US 5 273 790호는 1700 W/(m.K)를 초과하는 열전도율을 갖는 다이아몬드 복합 재료에 대해 개시하고 있으며, 여기서 헐거운 형상의 다이아몬드 입자(loose, shaped diamond particles)들은 이어지는 다이아몬드의 기상 증착에 의하여 안정된 형체(stable shaped body)로 변환된다. 이러한 방식으로 제조되는 다이아몬드 복합재는 대량 생산 부품에 상업적으로 사용하기에는 너무 고가이다. 국제 공개 특허 공보 제WO 99/12866호는 다이아몬드/실리콘 카바이드 복합 재료를 제조하기 위한 방법에 대해 개시하고 있다. 이 복합 재료는 다이아몬드 골격(skeleton)에 실리콘 또는 실리콘 합금을 용침(infiltrating)시켜서 제조된다. 실리콘의 높은 용융점(melting point) 및 그로 인한 높은 용침 온도(infiltration temperature)로 인하여, 다이아몬드는 부분적으로 탄소로 변환되고, 및/또는 이어서 실리콘 카바이드로 변환된다. 높은 취성(brittleness)으로 인하여, 이러한 재료는 가공하기가 매우 어려우며 또한 고가이다. 미국 특허 공보 제US 4,902,652호는 다이아몬드 소결재료(sintered diamond material)를 제조하는 방법에 대해 개시하고 있다. 전이금속족(transition metal group)(4a, 5a 및 6a), 붕소 및 실리콘으로부터 선택되는 원소는 물리적 코팅 공정에 의하여 다이아몬드 분말에 증착된다. 이어서, 코팅된 다이아몬드 입자들은 고온에서 고상 소결 공정(solid-phase sintering process)에 의하여 서로 결합된다. 이러한 방법의 단점은 제조된 제품이 높은 다공률(porosity)을 갖는다는 점이다. 게다가, 제조 방법도 매우 복잡하다. 미국 특허 공보 제US 5,045,972호는 복합 재료에 대해 개시하고 있으며, 복합 재료에는 1 내지 50㎛ 크기의 다이아몬드 입자뿐만 아니라 알루미늄, 마그네슘, 구리, 은 또는 이들 합금들을 포함하는 금속 매트릭스(metallic matrix)도 있다. 이러한 재료의 한 가지 단점은 금속 매트릭스가 다이아몬드 입자에 부적합하게 결합되어서, 그로 인해 열전도율과 기계적 일체성(mechanical integrity)이 부족하게 된다는 점이다. 미국 특허 공보 제US 5,008,737호에 개시되는 바와 같이, 예를 들어 3㎛ 미만의 결정 입도를 갖는 미세한 다이아몬드 분말을 사용하는 것은 다이아몬드 금속 간의 접착을 향상시키지 못하며, 보다 넓어진 다이아몬드 금속 경계면으로 인하여 열전도율이 상당히 저하된다. 미국 특허 공보 제US 5,783,316호는 다이아몬드 입자가 W, Zr, Re, Cr 또는 티타늄으로 코팅되고, 이어서 코팅된 다이아몬드 입자가 압축되며 다공체는 예를 들어 Cu, Ag, 또는 Cu-Ag 용융물에 의해 용침되는 방법에 대해 개시하고 있다. 고가의 코팅 비용으로 인하여, 이러한 방식으로 제조되는 복합 재료의 적용 분야는 제한된다. 유럽 특허 공보 제EP 0 859 408호는 히트 싱크용 재료에 대해 개시하고 있으며, 이 재료의 매트릭스는 다이아몬드 입자 또는 금속 카바이드로부터 형성되고, 매트릭스 공간은 금속으로 충전된다. 금속 카바이드로 지칭되는 것은 주기계(periodic system)의 4a 내지 6a 족들의 금속의 카바이드다. 유럽 특허 공보 제EP 0 859 408호는 TiC, ZrC 및 HfC에 대해 특히 강조하고 있다. Ag, Cu, Au 및 Al은 특히 바람직한 충전 금속으로서 나열된다. 4a 내지 6a족의 전이 금속은 모두 강력한 카바이드-형성 원소(carbide-forming element)이다. 결과적으로, 형성된 카바이드 층들은 상대적으로 두껍다. 낮은 열전도율(10 내지 65 W/mK)을 갖는 이들 카바이드와 혼합됨으로써, 다이아몬드 상의 열전도율 부스팅 효과(boosting effect)를 상당히 감소시킨다. 다이아몬드 골격이 강력한 카바이드 형성 원소를 포함하는 합금에 의해 용침되는 경우에는, 잉여 카바이드가 표면에 근접한 영역에 형성되고, 그로 인해 용침 재료가 카바이드 형성 원소가 감손되고 이어서 내부에서 다이아몬드에 대한 금속의 결합이 부적합하게 된다. 이는 먼저 비균질 재료를 유발하며, 이어서 개방 기공에 낙하함으로써 유발되는 용침 공정이 저하된다. 전술한 감손은 카바이드 형성 원소의 농도를 증가시켜서 완화될 수 있지만, 이로 인해 내부의 결합이 향상되며, 이는 고용체에 잔류하는 잔류물의 위험을 일으키며, 이는 금속상(metal phase)의 열전도율에 매우 유해한 효과를 낳는다. 유럽 특허 공보 제0 898 310호에는 다이아몬드 입자를 포함하는 히트 싱크에 대해 개시하고 있으며, 높은 열전도율을 갖는 금속 또는 금속 합금은 Cu, Ag, Au, Al, Mg 및 Zn을 포함하는 족으로부터 선택되며, 4a, 5a족 및 크롬으로부터 선택되는 금속의 금속 카바이드는 다이아몬드 입자의 표면의 적어도 25%를 덮는 금속 카바이드다. 이러한 경우에도, 주기계의 4a, 5a족 및 크롬의 카바이드의 열전도율 낮으며, 탄소를 위한 이들 원소의 높은 무한대(infinity)와 Cu, Ag, Au, Al 및 Mg에서의 중요한 용해도가 역효과(adverse effect)를 가져온다.