집적 회로의 발달로 반도체 소자의 집적 수준과 전력 밀도가 크게 높아졌습니다. 이에 따라 해당 작업에서 발생하는 열도 급격히 증가했습니다. 통계에 따르면 고전력 장치 고장의 55%가 열로 인해 발생한다고 합니다. 회로의 열 방출 문제를 해결하려면 먼저 전자 패키징 시스템 내에서 열 방출에 영향을 미치는 구성 요소를 식별하는 것이 필수적입니다. 집적 회로 칩의 캐리어인 기판은 회로와 직접 접촉하므로 회로에서 발생하는 열은 기판을 통해 외부로 방출되어야 합니다. 회로의 열 방출을 원활하게 하려면 기판 소재는 열전도율이 높아야 합니다.
또한 새로운 에너지 차량이나 최신 철도 운송과 같은 분야에서는 고출력 장치를 사용하는 동안 충돌 및 진동과 같은 복잡한 적용 조건을 고려해야 합니다. 따라서 기판 소재의 기계적 특성과 신뢰성에 대한 요구 사항이 더 높아집니다.
그렇다면 누가 이런 막중한 책임을 맡을 수 있을까요?
01 방열 기판의 '최고급' 소재, 질화규소
세라믹 기판은 다른 소재에 비해 우수한 성능을 보여주기 때문에 세라믹 소재를 기판으로 선택하면 더 넓은 전망을 가질 수 있습니다.
기판으로 사용할 수 있는 세라믹 소재는 주로 다음과 같습니다: AlN, Al2O3, SiC, BeO, Si3N4 등이 있습니다. BeO 세라믹 기판은 열전도율이 높고 유전율이 낮지만 분말이 유독하고 건강에 해롭기 때문에 요즘에는 거의 사용되지 않습니다. SiC는 본질적으로 안정적이지만 유전체 손실이 높고 항복 전압이 낮아 고전압 작업 환경에는 적합하지 않습니다. Al2O3 세라믹 기판은 적용 역사가 가장 길고 가장 성숙했지만, Al2O3의 이론적 및 실제 열전도율이 낮기 때문에 대형 회로의 방열 요구 사항을 충족할 수 없으며 소형 회로에만 사용할 수 있습니다. 이에 비해 AlN 세라믹은 높은 열전도율, 우수한 절연성, 낮은 유전율을 결합한 제품입니다. 그러나 AlN은 가수분해에 대한 취약성, 불충분한 강도와 인성, 취성 등 무시할 수 없는 중요한 단점도 있습니다. 따라서 AlN의 한계를 보완할 수 있는 보다 안정적인 세라믹 소재가 절실히 요구되고 있습니다.
여러 기판 재료의 성능 비교
| 기판 소재 | Si3N4 | AIN | Al2O3 |
| 열전도율/W/(m-k) | 80-100 | 170 | 20-30 |
| 골절 인성/M패드-m1/2 | 6.0-8.0 | 2.7 | 3.0 |
| 강도/Mpa | 600-800 | 350 | 400 |
| 현재 수용 용량/A | ≥300 | 100-300 | ≤100 |
| 안정성/시간 | ≥5000 | 200 | 300 |
| 비용 | 상대적으로 높음 | 높음 | 낮음 |
질화규소 세라믹은 다른 소재에 비해 높은 열전도율(결정의 열전도율이 320W-m-1-K-1에 달할 수 있음), 낮은 유전율, 무독성, 단결정 Si와 비슷한 열팽창 계수로 인해 고열전도성 세라믹 기판의 선호 소재로 인정받고 있습니다.
2017년에 설립된 저장성 정톈 신소재 기술 유한공사(Zhejiang Zhengtian New Materials Technology Co., Ltd. (이하 "정톈 신소재")는 독자적인 혁신을 통해 고성능 실리콘 질화물 세라믹 기판 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 주조, 절단, 펀칭, 소결은 물론 후가공 CNC, 연삭, 연마, 레이저 절단 등 전체 공정 체인에 걸쳐 핵심 기술을 마스터함으로써 높은 열전도율과 고성능 실리콘 질화물 세라믹 기판 제품을 개발했습니다.
02 Si3N4 기판의 안정적인 성능과 대량 생산이라는 업계 과제 해결
질화규소 세라믹 기판은 종합적인 성능 면에서 최고의 방열 기판으로 인정받고 있지만, 실제 생산에서는 "높은 열 전도성"과 "안정적인 대규모 생산 지속"이라는 두 가지 어려운 문제를 해결해야 합니다.
정천 신소재 Si3N4
'높은 열전도율'을 달성하려면 고품질 질화규소 분말과 과학적인 첨단 준비 공정이 필수적입니다. 원료 측면에서 Zhengtian New Materials는 전 세계적으로 고품질의 질화규소 분말을 선택하여 질화규소 기판의 '우수한 유전자'를 원천부터 보장합니다.
실리콘 질화물 기판의 경우 지속적이고 안정적인 대규모 생산을 달성하는 것이 업계의 과제입니다. 기판의 뒤틀림이나 균열과 같은 현상을 방지하는 안정적인 공정뿐만 아니라 효율적인 연속 작업의 실현도 필요합니다.
정천 신소재 주조 워크샵
정톈신소재는 첨단 공정과 장비를 통해 이미 높은 열전도율과 고성능 실리콘 질화물 기판을 선도적으로 개발해 왔습니다. 현재 최대 85W/(m-K)의 열전도율과 2.7×10-6/℃의 열팽창 계수로 안정적인 대량 생산에 성공했습니다. 또한 이 제품은 질화규소 세라믹 기판으로 우수한 기계적 강도, 우수한 화학적 안정성, 내열성, 대형 사이즈(138mm*190.5mm)와 낮은 휨(≤200μm)이 특징입니다.
질화규소 세라믹 기판 제품의 치수
| 주요 프로젝트 | 사양 | 색인 |
| 기판 크기(mm) | 100*100, 114.3*114.3, 138*190.5 | ±0.1mm |
| 두께 | 0.2, 0.25, 0.32, 0.635, 1.0 | ±10% NLT:±0.04mm 10% NLT:±0.04mm |
03 끝없는 바다에서 물고기가 뛰어오르고, 드넓은 하늘에서 새가 날아오른다.
신에너지 차량과 5G 기술에서 SiC 기반 3세대 반도체 칩이 빠르게 확산되면서 질화규소 세라믹 기판에 대한 수요도 급속히 발전하는 단계에 접어들었습니다.
전망에 따르면 2025년까지 전 세계 전기 자동차의 연간 판매량은 2,500만 대를 넘어설 것으로 예상됩니다. 여러 투자 기관에서 추정한 데이터를 바탕으로 SiC 전력 소자의 비중을 37%로 가정하고, 현재 전기차용 Si3N4 세라믹 기판의 사용량을 차량 1대당 표준 1개(7.5×5.5인치), 버스 등 대형 차량은 차량당 표준 2개로 간주하면 2025년 고열 전도성 실리콘 질화물 기판의 글로벌 연간 추가 수요는 약 60만 평방미터로 추산됩니다.
이는 신에너지 자동차 분야의 시장 전망일 뿐입니다. 또한 충전 시스템 및 LED 애플리케이션과 같은 다른 분야에서도 고성능 질화규소 세라믹 기판에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다.
정톈신소재는 독자적인 혁신을 통해 고성능, 대형 질화규소 세라믹 기판의 대량 생산에 성공했습니다. 자체 경쟁력을 종합적으로 강화하는 동시에 업계를 독립적이고 통제 가능한 고품질 개발의 길로 이끌었습니다.
