개요

신뢰성 있고 컴팩트한 전력 전자 설계에서는 열 전달을 반드시 고려해야 합니다. 반도체 스위칭 및 전도에서 발생하는 전력 손실은 추출되어 히트싱크로 전달되어야 하며, 히트싱크는 높은 열전도율을 가진 구리 또는 알루미늄으로 제작되는 경우가 많습니다. 반도체와 히트싱크의 접합면이 제대로 준비되지 않으면 열 전달 효과가 제한될 수 있습니다. 표면을 매끄럽게 가공하고 표면 사이의 공기 간극을 채우는 것은 생산 환경에서 열저항을 일관되게 낮추는 두 가지 간단한 기법입니다.

간극 충전 없이는 공기가 빈 공간을 채우게 되며, 열전도율이 낮은 공기(0.026 W/mK)가 열에너지 전달을 제한합니다. 금속 대 금속 접촉면과 부적절하게 관리된 간극 충전은 예측 불가능하게 높은 열저항을 초래하여 부품의 과열 및 손상을 유발할 수 있습니다. 부적절하게 배치된 온도 센서나 열 보호 장치의 부재와 결합될 경우, 불량한 방열은 화재로까지 이어질 수 있습니다.

열 계면 재료(TIM)는 공기를 열전도성 재료로 대체합니다. 0.6~6 W/mK에 이르는 다양한 열전도율 범위의 여러 물질로 제공되며, TIM은 장기적이고 반복 가능하며 효율적인 방열을 위해 권장됩니다.

2014년, Magna-Power는 고전력 밀도 10 kW 전원 공급 장치에 사용하기 위한 자체 열전도 컴파운드 및 표면 도포 절차를 개발하기 시작했습니다. 이 두 가지는 Magna-Power가 100% 전력 소산이 요구되는 까다로운 응용 분야인 전자 부하 장치를 개발하기 시작하면서 특히 중요해졌습니다. Magna-Power의 열전도 페이스트인 Pitel Paste는 도포 용이성, 비용 및 열저항의 균형을 갖추고 있습니다. Pitel Paste는 Magna-Power의 광범위한 프로그래머블 DC 전원 제품군을 위해 대량 생산이 가능합니다. 2000 V 전력 어셈블리에서 정기적으로 사용되는 Pitel Paste는 철저하게 관리된 페이스트 생산 및 흘림 없는 표면 도포를 통해 성공적으로 적용되고 있습니다.

375,000개 이상의 제품 구성을 보유한 제조업체로서, Magna-Power는 전력 반도체 냉각을 위한 열전도 페이스트가 필요한 광범위한 전력 전자 어셈블리를 생산합니다.

열전도 페이스트 표면 도포는 공기 간극을 채우는 데 매우 중요합니다. 방법을 확립할 때 고려해야 할 물리적 요인으로는 페이스트 점도, 방열 요구 사항, 표면 거칠기, 반도체 패키지 유형 등이 있습니다. 또한 대량 생산을 위한 자동화 기법 선택이나 신속한 전환을 수용하기 위한 수동 방법 등 제조 실용성도 고려해야 합니다.

본 논문은 극한의 전력 소산 요구 사항에 따라 일관된 열 성능이 요구되는 전력 전자 분야에 특화된 열전도 페이스트 표면 도포 방법에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 방법은 전력 전자 설계 및 생산 분야에서의 Magna-Power의 선도적 역할과 경험을 반영합니다. 열전도 페이스트 도포 방법은 엔지니어의 설계 및 생산 요구 사항에 따라 본 논문에서 설명하는 것과 다를 수 있습니다.

도포 방법

열전도 페이스트 도포는 생산 공정에서 페이스트가 적용되는 단계, 히트싱크의 유형 및 크기, 반도체 패키지(TO-220, TO-247, SOT-227B, DO-5 등)에 따라 달라집니다.

권장 열전도 페이스트 도포량은 접합면 치수와 조립 방법에 의해 결정됩니다. 열전도 페이스트로 채워졌을 때 열원과 히트싱크 사이의 거리를 본드라인 두께라 하며, 이상적으로는 25 µm 미만입니다. 그러나 제조 및 도포 요구 사항에 따라 본드라인 두께는 최대 100 µm까지 될 수 있습니다.

목표 본드라인 두께는 스패튤러(흙손 또는 빗 형태라고도 함) 도포, 공압 디스펜싱, 정량 토출 디스펜싱, 스텐실링, 롤러 증착 등 다양한 열전도 페이스트 도포 방법을 사용하여 달성할 수 있습니다. 여러 열전도 페이스트 도포 방법을 다음 기준에 따라 상대적으로 평가합니다:

• 자동화: 수작업 대비 기계 의존도, 이는 투입 노동량 및 반복성과 관련됨
• 체적 정밀도: 도포되는 페이스트 양에 대한 제어 수준
• 배치 정밀도: 표면에 페이스트가 배치되는 위치의 정밀도
• 설치 비용: 필요한 장비의 비용

디스펜싱

디스펜스 패턴

직접 디스펜싱은 열전도 페이스트를 열 계면에 도포한 후 펴 바르지 않고 그대로 두는 방법입니다. 소량 다품종 제조에서는 일반적으로 수동으로, 대량 소품종 제조에서는 자동으로 수행됩니다. 수동 디스펜싱은 배치 정밀도와 정확도가 낮습니다.

일반적인 디스펜스 패턴 중 하나는 그 형태에서 유래하여 구어적으로 "Hershey Kiss"로 알려져 있습니다. 최대 20 x 20 mm 크기의 소형 소자에 대한 단일 점 패턴은 더 복잡한 패턴에 비해 더 간단하고 빠르게 도포할 수 있으며, 압력을 가한 후 거의 동일한 커버리지를 달성합니다. 단일 점 패턴이 적용된 소자를 압축하면 페이스트가 균일하게 퍼지면서 소자와 히트싱크 사이의 공기 간극을 채웁니다. 이 패턴은 정사각형 표면적에 적합합니다. 표면적이 직사각형인 경우에는 커버리지 향상을 위해 단일 선형 패턴의 열전도 페이스트가 권장됩니다.

도포량

소자의 전체 표면적에 걸쳐 접합층 두께가 일정하게 유지되는 것이 매우 중요합니다. 일정한 접합층 두께를 달성하기 위해서는 정량 도포, 특정 패턴 적용, 소자 클램핑을 위한 정밀 토크 관리가 필요합니다. 반도체의 금속 케이스 전체에 균일한 클램핑 압력을 가하여 페이스트를 고르게 펴야 합니다.

열전도 페이스트의 적정 도포량은 간단한 계산으로 추정할 수 있습니다. 이 계산에서는 소자의 설치 면적과 목표 접합층 두께를 고려하며, 소자 장착 후 네 변을 따라 발생하는 열전도 페이스트의 압출량도 반영해야 합니다. 압출은 페이스트 도포 상태를 육안으로 검사할 수 있는 수단을 제공합니다. Figure 8에 나타난 바와 같이, 네 변 모두에서 열전도 페이스트가 보이되 과도하지 않을 때 장착된 소자가 검사를 통과합니다. 동일한 육안 검사 방법은 스텐실 설계(본 논문의 후반부에서 논의)에도 적용할 수 있으며, 스텐실 개구부 크기 및/또는 두께를 확대하여 적용합니다. 스텐실 인쇄 공정은 본질적으로 일관된 도포량과 배치를 제공합니다. 조립 전 스텐실 도포 표면의 육안 검사만으로 충분합니다.

기본 열전도 페이스트 도포량은 전력 소자의 표면적에 최대 접합층 두께(예: 25 µm)를 곱하는 간단한 계산으로 산출할 수 있습니다(Equation 1). Table 1에 나타난 바와 같이, 일반적인 압출량은 패키지 둘레를 따라 1-2 mm이며, 이로 인해 필요한 TIM 양이 거의 10배까지 증가할 수 있습니다. 압출량을 추정하기 위해 단순화된 원통형 모델이 적용됩니다(Equation 2). 소자의 전체 둘레에 직경 1 mm의 원형 단면적을 곱합니다. 이 값을 총 필요 도포량(µL)에 추가해야 합니다.

여기서 `L`은 소자 길이, `W`는 소자 폭, `t`는 접합층 두께, `d`는 압출 직경입니다.

도포 장비

가장 기본적인 도포 방식은 수동 배럴 및 피스톤 도구, 즉 주사기와 코킹건입니다. 보다 진보된 디스펜서는 전동식이며, 자동화되어 있고 용량 제어 기능을 갖추고 있습니다. 도포에는 쉽게 펴질 수 있도록 전단 감점 특성을 가진 페이스트가 필요합니다. 또한 도포 정밀도를 위해 낮은 틱소트로피 지수가 필요하며, 특히 소량 도포 시 더욱 중요합니다. 높은 틱소트로피 지수는 정밀하고 반복 가능한 페이스트 도포에 어려움을 초래할 수 있습니다.

공압 시스템은 압력과 체류 시간을 입력으로 사용하는 제한된 프로그래밍 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 입력값은 주사기에서 배출되는 실제 도포량과의 상관관계만을 나타내므로, 정밀도와 재현성이 떨어집니다. 공압 시스템은 카트리지가 비기 시작하면 용량 도포 정확도가 저하되는 경향이 있습니다. 이 현상의 최종 결과로 카트리지가 소모됨에 따라 도포량이 감소할 가능성이 있습니다.

코킹건을 이용한 수동 도포량은 정밀하게 제어되지 않지만, 초기 설비 비용이 낮습니다. 이 유형의 디스펜서는 스텐실 도포 방식과 병행하여 사용하는 것이 가장 적합합니다.

용적식 시스템은 반복 가능한 체적 정밀도를 보장하도록 프로그래밍할 수 있으며, 이는 공압식 시스템에 비해 향상된 방식입니다. 이러한 시스템을 사용하면 장시간의 생산 공정에서도 정확한 양의 열전도 페이스트 도포가 보장됩니다.

스패출러 도포

스패출러는 소량 생산 환경에서 자주 사용됩니다. 이 방법에서는 먼저 열전도 페이스트를 소자 또는 방열판 위에 올려놓은 후, 수동 스패출러를 사용하여 표면 전체에 열전도 페이스트를 균일하게 펴 바릅니다. 균일하게 분포된 TIM 라인을 도포하기 위해 여러 번의 스트로크가 필요한 경우가 많습니다. 이 방법은 수작업으로 이루어지므로 인적 오류가 발생하기 쉬우며, 완전한 커버리지를 보장하기 위해 더 많은 양의 TIM이 필요하여 더 큰 압출이 발생합니다. 이러한 단점에도 불구하고, 낮은 설치 비용과 기본적인 장비 요구 사항으로 인해 스패출러 도포는 상업 생산에서 널리 사용됩니다.

수동 도포 톱니형 스패출러

동일한 설정에서 스패출러의 공격각을 변경하면 도포의 충실도와 질량 모두에 영향을 미칩니다.

수동 도포에서는 스패출러 각도, 스트로크 길이, 스트로크 경로 및 압력의 변동성이 발생하여 작업자마다 반복성이 저하됩니다. 그림 11은 동일한 면적에서 서로 다른 스패출러 각도(도포 표면 기준 각도로 표시)에 따른 서로 다른 페이스트 질량을 보여줍니다. 그림 10에 표시된 톱니형 스패출러는 Magna-Power 생산에서 사용되며, pitelpaste.com에서 3D 프린팅 파일로 공개 다운로드할 수 있습니다.

스텐실 도포

화학 에칭 스텐실(이후 레이저 커팅 방식)은 1980년대 초부터 전자 제조 분야에서 사용되어 왔습니다. 스텐실은 주로 인쇄회로기판에 솔더 페이스트를 신속하고 안정적으로 도포하기 위해 도입되었습니다. 이 기술은 방열판과 파워 모듈에 페이스트를 사전 도포하여 열전도 페이스트에도 활용할 수 있습니다.

스텐실은 일반적으로 두께가 0.075 mm에서 0.15 mm 범위인 스테인리스강 포일을 절단하여 제작합니다. 표면 실장 기술(SMT)에서 솔더 페이스트 스텐실은 널리 이해되고 있으며 다양한 스텐실 제조업체를 통해 쉽게 구할 수 있습니다. 이 동일한 기술을 TIM 스텐실 인쇄에 적용하는 것은 무한한 도포 형상을 가능하게 하는 용이한 전환입니다. Magna-Power에서는 페이스트 커버리지와 체적을 제어하기 위해 반복 육각형 개구부를 선택하였습니다.

고전력 전자 어셈블리에서 방열판은 길고, 높고, 비정형적인 형태일 수 있어 기존의 스텐실 프린터(솔더 페이스트 대상)는 적합하지 않습니다. Magna-Power의 다양한 방열판 설계는 광범위한 x-y 위치 및 z 높이를 포괄합니다. x-y 위치 결정을 위해 스텐실 하부에 맞춤형 서라운드 플레이트(그림 12)를 부착하였습니다. 서라운드는 과도한 스퀴지 압력으로 인한 손상인 "코이닝"으로부터 0.127 mm 두께의 스텐실 포일을 보호합니다. 방열판 높이 변동은 세트 스크류로 프레임 높이를 조정하거나 프린터 베이스에 스페이서를 추가하여 관리합니다.

상용 페이스트 인쇄 시스템은 클램쉘 리프팅 메커니즘이 있는 프레임 장착형 스텐실로 구성된 기본 수동 시스템부터, 프로그래밍 가능한 스트로크 속도, 압력 및 스텐실 분리 속도를 갖춘 내장 스퀴지로 구성된 반자동 시스템까지 다양합니다.

개구부 충전 및 페이스트 도포 공정

포일 스텐실을 통한 열전도 페이스트 인쇄에서 일관된 개구부 충전 및 도포 패턴 충실도를 보장하는 네 가지 요소가 있습니다(그림 14 참조):

1. 스퀴지 공격각(AoA)
2. 스퀴지 스트로크 속도
3. 스퀴지 하향 압력
4. 스텐실 분리

스퀴지의 공격 각도, 압력, 스트로크 속도를 조합하면 열 페이스트가 블레이드 앞에서 굴러가며, 반복 가능하고 완전한 개구부 충전을 제공합니다.

스텐실을 인쇄 표면에서 들어올릴 때, 페이스트가 개구부 측면에 달라붙어 Fig. 16에 표시된 것처럼 도포 패턴이 변형될 수 있습니다. 제어된 스텐실 분리는 느리고 일정한 리프트 속도를 적용하여 이 문제를 완화할 수 있습니다. 느린 속도는 페이스트가 스텐실 측벽에서 분리되는 데 더 많은 시간을 부여하고 포일 휘어짐을 줄여, 패턴 정밀도를 향상시키고 체적을 일관되게 유지합니다. 프로그래밍 가능한 속도는 인쇄 공정을 반복 가능하고 조정 가능하게 만듭니다.

롤러 도포 및 펼침

롤러는 빠르게 도포할 수 있고, 저렴하며, 간단하고 사용이 쉬운 표면 도포 솔루션입니다. 페이스트는 손잡이에 부착된 스퀴즈 보틀을 통해 롤러에 공급됩니다. 롤러는 히트싱크 및 대형 전력 모듈과 같은 넓은 면적을 빠르게 커버할 수 있습니다. 폼 롤러는 부드럽고, 페이스트를 잘 흡수하며, 불규칙한 표면에 맞게 변형됩니다. 롤러는 정밀한 방법이 아닙니다. 페이스트 체적은 폼 밀도(인치당 기공 수)와 대략적으로 상관되며, 흡수는 페이스트 점도에 따라 달라집니다. 페이스트/롤러 조합을 실험할 때 습식 필름 두께 게이지를 사용하여 레이어 두께를 검증할 수 있습니다.

낮은 비용과 사용 편의성이라는 장점에도 불구하고, 롤러는 Fig. 17에 표시된 것처럼 페이스트를 고르지 않게 도포하며 체적 정밀도가 낮습니다. 롤러 펼침은 저점도 열 페이스트를 사용할 때 가장 효과적입니다. 저점도 페이스트는 일반적으로 충전재가 적어 열전도율이 낮아지며(성능이 저하됨), 이 점을 고려해야 합니다.

결론

각 열 페이스트 도포 방법에는 장점과 단점이 있습니다. 예를 들어, 롤러 방법의 초기 비용은 비교적 낮지만, 자동화가 불가능하며 체적 및 배치 정밀도가 낮습니다. 특정 용도에 가장 적합한 방법을 선택하려면 열 페이스트 특성, 체적 및 배치 정밀도 요구 사항, 초기 비용 등 여러 요소를 고려해야 합니다. 열 페이스트를 생산에 통합하기 시작할 때, 스패출러 펼침, 수동 디스펜싱, 롤러 방법과 같은 간단한 방법이 낮은 초기 비용으로 진입할 수 있게 합니다. 넓은 표면적의 히트싱크를 포함하는 생산 공정은 자동화, 초기 비용, 체적 및 배치 정밀도 간의 균형을 제공하는 스텐실을 도입하면 이점을 얻을 수 있습니다. 대량, 고도 자동화 생산의 경우, 용적식 또는 공압식 디스펜싱이 추가적인 이점을 제공합니다.

거의 10년간 Magna-Power는 매우 까다로운 전력 전자 응용 분야에 Pitel Paste를 반복적으로 개선하고 성공적으로 적용해 왔습니다. Magna-Power가 연구하고 구현한 열 페이스트 도포 기술은 설계 및 생산 엔지니어가 어셈블리에서 일관되고 고성능의 열 전달을 달성하기 위한 참고 자료로 활용할 수 있습니다.