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Nikkei X-TECH_2023.8.31

나고야대학발 U-MAP, 상식을 뒤엎는 방열재 개발
파워반도체나 CPU의 냉각에 사용

상식을 뒤엎는 새로운 방열재료가 등장했다. 나고야 대학발 스타트업 기업 U-MAP(나고야시)이 개발한, 섬유 형태의 질화알루미늄(AlN)을 이용한 기판과 시트다. 용도는 기판이 파워반도체나 레이저 등을, 시트가 CPU 등을 냉각하는 것을 상정하고 있다.

기판은 지금까지 양립이 어려웠던 열전도율과 기계적 강도를 높은 레벨에서 겸비한다. 시트에서도 높은 기계적 강도를 달성해 기존 대비 절반 이하 두께를 구현했다. 이들 방열 재료로 인해 열설계가 크게 달라질 것으로 보인다. 기판을 사용하면 발열밀도가 높은 소형/고출력 파워반도체소자(파워소자)를 탑재한 모듈(파워모듈)의 열설계가 쉬워진다. 시트를 사용하면 노트북이나 스마트폰 같은 휴대기기의 소형/경량화에서 방열을 극복하기 쉬워진다.

AlN 기판은 파워모듈 내에서 파워소자를 구현하는 절연 기판에 이용한다. 이 밖에 반도체 레이저 소자를 구현하는 서브마운트나 LED 모듈의 세라믹 패키지에서도 이용되고 있다. 모두 높은 방열성이 필요한 용도이다.

방열성이 우수한 재료로서 AlN 외에 질화규소(Si3N4)가 있다. AlN의 열전도율은 Si3N4에 비해 높지만 기계적 강도를 높이기 어렵다. 그래서 U-MAP는 섬유 형태의 AlN 단결정 ‘Thermalnite’를 AlN에 첨가해 기판(백판)을 만들어 높은 열전도율을 유지한 채 기계적 강도를 높였다.

이로써 기계적 강도의 지표가 되는 '파괴인성'은 5.5MPa·√m, 열전도율은 200W/m·K 이상을 달성했다. 이 파괴인성은 일반적인 AlN 기판의 약 2배로, Si3N4에 가까운 값이다. 열전도율은 Si3N4의 약 2배다.

기계적 강도가 증가하는 것은 Thermalnite가 이방성을 갖고 있기 때문이다. 기존의 AlN 기판은 등방성 입자로만 구성되어 있었다.

-- 드릴 가공을 쉽게 --
파괴인성이 높으면 크게 3가지 이점이 있다. 첫째, 잘 깨지지 않으므로 얇게 만들어 열저항을 낮출 수 있다. 둘째, 기판의 가공성이 높아져 드릴 등의 가공이 쉬워진다. 수율 향상으로도 이어진다. 셋째, 신뢰성이 향상된다. 절연기판을 상정해, 개발한 AlN 기판에 금속층을 만든 ‘메탈라이징 기판’으로 냉열 사이클 시험을 실시해 신뢰성을 조사했다.

AlN 부분의 두께가 0.5mm인 것으로 섭씨 영하 40도에서 플러스 150도까지의 냉열 사이클 시험을 실시한 결과, 3000사이클을 넘어도 깨지는 현상이 발생하지 않았다. 기존의 AlN 기판을 이용한 메탈라이징 기판에서는 AlN 부분의 두께가 0.635mm인 것으로 같은 냉열 사이클 시험을 했는데 600사이클에서 깨지는 현상이 발생하였다.

-- 두께 절반 이하의 TIM 시트 --
개발한 방열시트는 CPU나 GPU 등의 냉각을 위한 TIM(Thermal Interface Material) 시트다. 기존 TIM 시트에 비해 얇은 것이 특징이다. 일반적인 TIM 시트의 두께가 0.5mm 정도인데 비해 개발품은 0.2mm로 얇게 만들 수 있다. 얇은 만큼 열저항을 낮출 수 있다.

얇게 만들 수 있는 것은 기계적 강도가 높기 때문이다. 강도가 낮으면 찢어지기 쉬워 다루기가 어려웠다.

TIM 시트에 첨가한 Thermalnite는 섬유 형태여서 기계적 강도가 증가한다. 기존에 비해 기계적 강도는 2배 가깝다고 한다. 열전도율도 Thermalnite에 의해 5W/m·K로 높아졌다.

U-MAP는 AlN 기판을 24년에 양산한다. 제휴처인 오카모토유리가 제조한다. TIM 시트의 제품화도 진행 중이며, 23년 내 샘플 출하 예정이다. 이르면 24년 하반기에 양산한다고 한다.

■ 키워드
질화알루미늄(AlN): 알루미늄과 질소의 화합물이다. 알루미늄만큼의 높은 열전도성을 가지면서 전기가 통하지 않는 특성(전기절연성)을 갖고 있다. 파워반도체를 구현하는 절연기판이나 레이저 소자를 구현하는 서브마운트 등에 이용된다. 불순물을 첨가하면 반도체로 이용할 수 있다.

밴드갭이 매우 넓기 때문에 파장이 짧은 자외선(원자외선)을 발하는 소자나 파워반도체에 이용한다. 실리콘 카바이드(SiC)보다도 밴드갭이 넓고, 절연 파괴 전계 강도가 높아 이론적으로는 SiC에 비해 저손실 파워반도체 소자를 실현할 수 있다고 한다.

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