CN114761588A - 石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、和石墨-铜复合材料的制造方法 - Google Patents

石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、和石墨-铜复合材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种石墨‑铜复合材料，该石墨‑铜复合材料包含平均厚度为15μm以下的铜层和藉由上述铜层而层积的鳞片状石墨颗粒，铜的体积分数为3％～20％，该石墨‑铜复合材料的特征在于，具备下述(A)或(B)。(A)上述铜层含有平均粒径为2.8μm以下的铜晶粒，Al的质量分数小于0.02％，Si的质量分数小于0.04％。(B)上述铜层与上述鳞片状石墨颗粒的界面的间隙为150nm以下。

Description

石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、 和石墨-铜复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、和石墨-铜复合材料的制造方法。
背景技术
对于半导体设备的散热部件用的材料，要求导热系数高。铜虽然具有高导热系数，但热膨胀率也高。作为不损害铜的高导热系数而降低热膨胀率、并以低成本获得的复合材料，提出了金属-石墨复合材料(例如参见专利文献1)。并公开了专利文献1的金属-石墨复合材料具有高的冷却可靠性与低的线膨胀系数。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-128802号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，近年来，随着IOT(物联网)、AI(人工智能)、电动汽车等新技术的飞跃性发展，对散热的需求进一步增加。具体而言，认为现行的600W/(m·K)以上的700W/(m·K)左右、进而800W/(m·K)左右的散热性高、具备稳定的导热系数的石墨-铜复合材料是有用的。
因此，本发明的目的在于提供一种具备更高且稳定的导热系数的石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、和石墨-铜复合材料的制造方法。
用于解决课题的手段
本发明人为了解决上述课题进行了研究，结果发现，通过使用实施了预处理的规定的石墨颗粒和中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒作为原料，可得到具备更高且稳定的导热系数的石墨-铜复合材料。
即，本发明涉及一种石墨-铜复合材料，该石墨-铜复合材料包含平均厚度为15μm以下的铜层和藉由上述铜层而层积的鳞片状石墨颗粒，铜的体积分数为3％～20％，该石墨-铜复合材料的特征在于，具备下述(A)或(B)。
(A)上述铜层含有平均粒径为2.8μm以下的铜晶粒，Al的质量分数小于0.02％，Si的质量分数小于0.04％。
(B)上述铜层与上述鳞片状石墨颗粒的界面的间隙为150nm以下。
另外，本发明涉及一种散热器构件，其使用了上述的石墨-铜复合材料。
此外，本发明涉及一种制造方法，其为上述的石墨-铜复合材料的制造方法，其特征在于，具备下述工序：对石墨颗粒实施预处理，得到厚度为50μm以下的鳞片状石墨颗粒的工序；混合上述鳞片状石墨颗粒和中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒，得到成型原料的工序；和通过多轴通电烧结法，对将上述成型原料成型而得到的成型体进行烧结的工序。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种具备更高且稳定的导热系数的石墨-铜复合材料、使用了该石墨-铜复合材料的散热器构件、和石墨-铜复合材料的制造方法。
附图说明
图1是说明石墨颗粒与铜层的界面的间隙的评价方法的图。
图2是说明石墨颗粒的薄层方法的一例的图。
图3是说明石墨颗粒的薄层方法的另一例的图。
图4是说明多轴通电烧结装置的示意图。
图5是说明冷却基板的示意图。
具体实施方式
下面，详细说明本发明的实施方式。
<石墨-铜复合材料>
本发明的石墨-铜复合材料(下文中也简称为复合材料)是以鳞片状石墨颗粒和铜颗粒为原料得到的烧结体。鳞片状石墨颗粒藉由平均厚度为15μm以下的铜层被层积。此处，“藉由铜层”是指，鳞片状石墨颗粒(下文中也简称为石墨颗粒)通过相邻的铜层而连接。即，复合材料内的鳞片状石墨颗粒进行了电连续。
通过使铜层的平均厚度为15μm以下，局部存在于鳞片状石墨颗粒间的铜的粗大层减少。铜的导热系数低于石墨，因此，通过减少铜的粗大层，可得到高导热系数的复合材料。另外，通过减少复合材料的铜的体积分数，铜层的厚度减少。为了稳定地获得750W/(m·K)以上的高导热系数，铜层的平均厚度优选为11μm以下。
复合材料中的铜的体积分数为3％～20％。由于导热系数高的石墨的含量高达80％～97％，因此本发明的复合材料的导热系数非常高。铜作为复合材料中的粘结剂发挥作用。若考虑避免加工时复合材料的断裂，则复合材料中的石墨与铜的体积比(石墨：铜)优选为80：20～97：3。为了确保750W/(m·K)以上的高导热系数和良好的加工性，体积比(石墨：铜)更优选为84：16～95：5。复合材料中的铜的体积分数可以通过制造时的原料的混配比例来调整。
此外，本发明的复合材料具备下述(A)或(B)。
(A)铜层含有平均粒径为2.8μm以下的铜晶粒，Al的质量分数小于0.02％，Si的质量分数小于0.04％。
(B)铜层与鳞片状石墨颗粒的界面的间隙为150nm以下。
下面，分别进行说明。
铜层中的铜晶粒的平均粒径例如可以通过由电子背散射衍射(Electron BackScattrer Diffraction：EBSD)分析的晶体取向映射数据得到的结晶粒径分布算出。为了得到导热系数、加工性稳定的复合材料，铜晶粒的平均粒径优选为2.5μm以下、进而更优选为2.1μm以下。如后所述，本发明的复合材料的制造中使用中值粒径、即粒径小的铜颗粒。由此，能够减小烧结后的复合材料中的铜晶粒的粒径。
复合材料中的杂质可以由复合材料中与鳞片状石墨颗粒的层积方向垂直的截面(层积截面)的倍率150倍的扫描型电子显微镜图像中的EDS(能量色散X射线光谱)组成映射数据进行确认。由映射数据算出的Al的质量分数小于0.02％，Si的质量分数小于0.04％。为了得到导热系数更高、加工性良好的复合材料，Al的质量分数优选小于0.01％，Si的质量分数优选小于0.02％。
Si和Al是导热系数低的杂质。由于这种杂质的含量受到限制，在本发明的复合材料中，铜层与石墨颗粒的界面处的导热不会受到阻碍。另外，还可避免因Si、Al的块而在加工时产生裂纹。即，本发明的复合材料的特征之一在于，含有规定的平均粒径的铜晶粒，杂质的含量受到限制。
或者，本发明的复合材料中，铜层与石墨颗粒的界面的间隙为150nm以下。本发明的复合材料的制造中使用的铜颗粒由于中值粒径、即粒径小，因此能够使烧结后的复合材料中的石墨颗粒与铜层的界面的间隙为150nm以下。为了形成具备更稳定的导热系数和良好的加工性的复合材料，石墨颗粒与铜层的界面的间隙优选为100nm以下。通过使石墨颗粒和铜层紧密接触，在界面处产生的热损耗减少，各个层相互支撑，从而能够抑制加工时的裂纹。
关于石墨颗粒与铜层的界面，在测定视野中以长度为6.0+0.1μm的界面为对象。关于石墨颗粒与铜层的界面的间隙，在任意5个视野中以等间隔5个点进行计算，为所算出的层间距离的平均值。例如，石墨颗粒与铜层的界面的间隙可以通过以下记载的图像分析算出。
利用扫描型电子显微镜以20000倍的倍率观察复合材料中与鳞片状石墨颗粒的层积方向垂直的截面(层积截面)，得到长4.5μm、宽6.0μm的显微镜图像。任意选择长度为6.0+0.1μm的界面，调整成该界面位于图像左右的中央。如图1所示，从界面16中测定等间隔5个点处的石墨颗粒12与铜层14的视野纵向距离(X1、X2、X3、X4、X5)，计算出其平均值(Xav)。
在随机选择的5个视野中同样地计算出层间距离的平均值，可以将其平均值作为复合材料中的石墨颗粒与铜层的界面的间隙。
在上述(A)和(B)的任一情况下，本发明的复合材料的导热系数均优选为700W/(m·K)以上。为了用于高输出的电子部件等，导热系数更优选为750W/(m·K)以上。导热系数是如下求出的值：从烧结体中央部切割出规定尺寸的外径10mm×厚度2.5mm的试样，依照激光闪光法(JIS H 7801：2005)使用NETZSCH公司制造的LFA447进行测定，求出从5个烧结体切割出的试样的导热系数的平均值。
另外，导热系数的标准偏差优选为50W/(m·K)以下，为了更稳定地生产复合材料，更优选为33W/(m·K)以下。对利用一台装置制造的5个烧结体所测定的导热系数的标准偏差示出导热系数的稳定性。本发明的复合材料具备高且稳定的导热系数。
本发明的复合材料的弯曲强度优选为25MPa以上，为了用于进一步需要机械强度的产品，更优选为30MPa以上。弯曲强度的标准偏差优选为10MPa以下，为了更稳定地生产复合材料，更优选为5MPa以下。本说明书中的弯曲强度是参考三点弯曲测定(JIS R 1601：2008)对与上述同样的5个烧结体进行测定并求出平均的值。5个试样中的弯曲强度的标准偏差示出弯曲强度的稳定性。这样，本发明的复合材料还具备更高且稳定的弯曲强度。
除此以外，本发明的复合材料的热膨胀系数优选为10×10-6/℃以下。此处，热膨胀系数是100℃的值。由于其具有比现有产品的铜更低的热膨胀系数，因此，本发明的复合材料能够在高温下处理。由于能够用于在汽车等中使用的要求高温耐久性的产品，因此，本发明的复合材料的热膨胀系数更优选为4.5～7.0×10-6/℃左右。这样，本发明的复合材料除了更高且稳定的导热系数、更高且稳定的弯曲强度以外，还具备更低的热膨胀率。
需要说明的是，复合材料的热膨胀系数可以利用依照JIS Z 2285：2003的光扫描式测定的方法进行测定。作为线性热膨胀率测定装置，可以使用品川白炼瓦株式会社制造的型号SL-2000M。
<制造方法>
本发明的复合材料可以如下制造：对石墨颗粒实施预处理而得到所期望的鳞片状石墨颗粒，与规定的铜颗粒混合而制成成型原料，将其成型并以规定条件进行烧结，由此可以制造。下面，对各工序进行说明。
(石墨预处理)
石墨颗粒的预处理(下文中有时称为薄层化)通过对石墨颗粒赋予剪切力并降低厚度来进行。所使用的石墨颗粒没有特别限定，通常，长边为2000μm～10μm左右、厚度为200μm～20μm左右。作为可使用的石墨，可以举出例如+3299(Ito Graphite Co.,Ltd.制造)等。
在预处理时，例如，如图2所示，可以使用载置石墨颗粒23的筛21、和与石墨颗粒23抵接并能够在水平方向上往返移动的磨石22。可以根据所使用的筛21的网孔来选择所得到的鳞片状石墨颗粒的长边的长度。筛21的网孔例如能够为53μm左右。作为磨石22，优选粗磨石～中等磨石，优选使用了刚玉或天然金刚石的物质作为磨粒。将石墨颗粒23配置于筛21上，使磨石22在水平方向上往返移动，赋予剪切力，由此降低石墨颗粒23的厚度。
内部因剪切力而产生了空洞的物质、脆而易碎的物质利用筛21除去。其结果，可减薄所得到的鳞片状石墨颗粒的厚度，提高密度。此外，石墨颗粒中的杂质被除去，这还导致纯度的提高。需要说明的是，通过变更处理中使用的磨粒的尺寸或筛的网孔，能够得到各种尺寸的鳞片状石墨颗粒。
如图3所示，石墨颗粒的预处理也可以使用两个旋转磨石30a、30b。旋转磨石30a、30b分别具有金属板31a、31b，在相向的面设有金刚石等磨粒33a、33b。磨粒33a、33b通过镀覆等接合金属构件32a、32b而固定，作为处理对象的石墨颗粒23配置在磨粒33a、33b之间。使用旋转磨石30a、30b对石墨颗粒23实施了预处理的情况下，能够高效地获得比较小且薄的鳞片状石墨颗粒。
通过上述预处理，得到厚度为50μm以下的鳞片状石墨颗粒。此处所示的厚度为预处理后的50个鳞片状石墨颗粒的厚度的平均值。鳞片状石墨颗粒具有多个石墨片重叠的结构。鳞片状石墨颗粒的厚度越小，则石墨颗粒内的石墨片间的间隙越低，导热系数和机械特性越良好。鳞片状石墨颗粒的厚度可以根据所使用的石墨颗粒和预处理的条件等进行调整。
为了获得具有更高的导热系数和良好的加工性的复合材料，鳞片状石墨颗粒的厚度优选为30μm以下。通过如此实施预处理，鳞片状石墨颗粒的形状被固定。例如，在使用网孔为53μm的筛21的情况下，得到长边为60μm以上的鳞片状石墨颗粒。
(铜颗粒的准备)
作为铜颗粒，使用体积基准的中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒。铜颗粒的中值粒径优选为1.0μm以下。本发明人发现，通过使用中值粒径为1.5μm以下的小铜颗粒，得到具有稳定的导热系数及加工性的复合材料。中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒可以利用任意方法来制造。例如，通过化学还原法、物理制法得到所期望的铜颗粒。
(混合)
将实施预处理而得到的鳞片状石墨颗粒和铜颗粒按照规定的比例混配，通过有机溶剂进行湿式混合，得到成型原料。关于原料的混配比例，希望按照复合材料中的石墨与铜的体积比、石墨：铜为80：20～97：3的方式进行选择，从导热系数和加工性的方面出发，特别优选按照74：16～95：5的方式进行选择。作为适宜的有机溶剂，具体可以举出甲苯、二甲苯。
(烧结)
首先，将少量(40g以下左右)的成型原料填充到规定的成型模具中，例如利用液压手压机在3MPa～15MPa左右的压力下进行压粉。作为成型模具，可以使用例如直径30mm的SUS制模具。反复进行成型原料的填充和压粉，制作出所期望的尺寸的成型体。通过多轴通电烧结法将所得到的成型体烧结，由此得到成为本发明的复合材料的烧结体。
此处，参照图4对多轴通电烧结装置的概况进行说明。图4所示的多轴通电烧结装置40可以利用上下方向的加压轴45a、45b与水平方向的加热轴(A)47a、47b和加热轴(B)49a、49b将容纳有成型体的碳制模具44固定在真空容器42内。加热轴(A)47a、47b和加热轴(B)49a、49b被构成为能够交替通电。加热轴(A)沿箭头x1、x2的方向通电，加热轴(B)沿箭头y1、y2的方向通电。
在多轴通电烧结装置40中，加压轴45a、45b与加热轴47a、47b、49a、49b被分离。具体而言，加压轴45a、45b位于z轴方向，加热轴(A)47a、47b位于x轴方向，加热轴(B)49a、49b位于y轴方向。由此，能够独立地控制加压和加热，因而在烧结部分的径向得到均匀的温度分布。
在烧结时，将容纳有成型体的碳制模具44固定于真空容器42内后，将真空容器42内减压至100Pa以下，为了抑制装置内的部件的氧化劣化，优选减压至50Pa以下。接着，首先对加热轴(A)47a、47b通电，加热至650℃～750℃左右、优选670℃～730℃左右。
之后，切换到加热轴(B)49a、49b，加热至930℃～980℃左右、优选940℃～970℃左右。此外，通过上下方向的加压轴45a、45b沿箭头z1方向和箭头z2方向进行加压。此时的压力优选为10MPa～100MPa左右、更优选为30MPa～50MPa左右。
由于通过多轴通电烧结法以均匀的温度分布进行烧结，因此能够得到品质稳定的复合材料。而且，如上所述，由于使用了实施预处理而得到的规定的鳞片状石墨颗粒与中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒作为原料，因此可得到除了更高且稳定的导热系数、更高且稳定的弯曲强度以外还具备更低的热膨胀系数的复合材料。
在金属单质的烧结体的情况下，预测通过使用粒径(中值粒径)小的金属颗粒并减小烧结金属的结晶粒径，界面电阻增大，因此导热系数降低。但是，在本发明的复合材料的情况下，通过中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒进入鳞片状石墨颗粒之间，在石墨颗粒与铜层的界面产生的空孔减少，界面的间隙降低至150nm以下。其结果，认为能够抑制空孔或间隙引起的导热系数的阻碍及机械强度的劣化。
本发明的复合材料可以适合用作散热板(散热器构件)。散热器构件用于无线通信领域、电子控制领域和光通信领域等广泛的领域。作为用途，具体而言，可以举出功率半导体模块、光通信模块、投影仪、珀耳帖(Peltier)冷却器、水冷冷却器和LED散热风扇等。
图5中示出使用了散热板的冷却基板的一例。冷却基板55具备散热板50和冷却层54。散热板50具有依次层积在应力缓冲层53上的电绝缘层52和配线层51。在配线层51的上表面的搭载面51a搭载有半导体元件等发热性元件。本发明的复合材料能够用于应力缓冲层53和配线层51中的任一层。
在散热板50的搭载面51a所搭载的散热性元件中产生的热依次传导至配线层51、电绝缘层52、应力缓冲层53和冷却层54，从冷却层54发散出。本发明的复合材料由于具备高且稳定的导热系数，因此能够高效地冷却发热性元件，降低其温度。
实施例
接着，举出实施例来具体说明本发明，但本发明不限定于下述实施例。
(实施例1)
通过参照图2说明的方法对市售的石墨颗粒实施预处理(薄层化)，得到厚度为50μm以下的鳞片状石墨颗粒。筛21的网孔为53μm左右，磨石22采用了使用刚玉或天然金刚石作为磨粒的磨石。所得到的鳞片状石墨颗粒利用干燥机进行干燥。另一方面，作为铜颗粒，准备了中值粒径为1.5μm的铜颗粒。
按照烧结后的铜的体积分数为20％的方式，将实施预处理并干燥后的鳞片状石墨颗粒15.33g与铜颗粒15.19g进行混配，得到成型原料。这些粉末与作为溶剂的甲苯50mL一起容纳在250mL的茄型烧瓶中，利用蒸发器进行脱溶剂、混合。
将3g的成型原料投入直径30mm的SUS模具中，利用液压手压机以5MPa的压力进行压粉。将成型原料的投入、压粉操作重复超过10次的程度以进行成型，将成型体从SUS模具中取出。
将取出的成型体收纳在圆筒型碳的模具中，利用多轴通电烧结法进行烧结。将碳制模具44配置在图4所示的多轴通电烧结装置40的真空容器42内，利用对角线上的2根加热轴(A)47a、47b和2根加压轴45a、45b进行固定。
利用旋转泵将真空容器42内减压至5Pa，提高装置电源的输出而进行升温。通过升温利用加热轴(A)47a、47b加热至700℃后，变更为加热轴(B)49a、49b加热至950℃。
达到950℃后，利用加压轴45a、45b加压至50MPa。加压所致的料筒的位移停止后，保持30秒，降低电源的输出，冷却装置。冷却后，将碳制模具44从装置中取出，从模具中得到圆筒型的烧结体。
进行5次同样的操作，制作出5个烧结体，得到实施例1的复合材料。
(实施例2)
按照烧结后的铜的体积分数为16％的方式变更成型原料，除此以外与实施例1同样地制造实施例2的复合材料。
(实施例3)
按照烧结后的铜的体积分数为10％的方式变更成型原料，除此以外与实施例1同样地制造实施例3的复合材料。
(实施例4)
按照烧结后的铜的体积分数为5％的方式变更成型原料，除此以外与实施例1同样地制造实施例4的复合材料。
(实施例5)
使用实施预处理而使厚度为30μm以下的鳞片状石墨颗粒，除此以外与实施例1同样地制造实施例5的复合材料。
(比较例1)
将铜颗粒变更为中值粒径为2.0μm的铜颗粒，除此以外与实施例1同样地制造比较例1的复合材料。
(比较例2)
按照烧结后的铜的体积分数为16％的方式变更成型原料，除此以外与比较例1同样地制造比较例2的复合材料。
(比较例3)
按照烧结后的铜的体积分数为10％的方式变更成型原料，除此以外与比较例1同样地制造比较例3的复合材料。
(比较例4)
烧结后的铜的体积分数变更为5％，除此以外与比较例1同样地尝试制造比较例4的烧结体。但是，加工时发生烧结体本身的破坏，未得到复合材料。
(比较例5)
未对市售的石墨颗粒进行预处理而使用，除此以外与比较例1同样地制造出比较例5的复合材料。
实施例1～5和比较例1～5中使用的成型原料归纳于下述表1中。
[表1]
Figure BDA0003678717770000101
对于实施例和比较例的复合材料，如下进行观察。均对5个复合材料进行测定并取平均。
由基于扫描型电子显微镜的组织结构的确认及其图像分析确认了石墨颗粒和铜层的平均厚度。在计算平均厚度时，首先，在与石墨颗粒的层积方向垂直的截面(层积截面)的倍率100倍的电子显微镜图像中，在图像纵向上画出10条线。从线与石墨和铜的界面的交点测定图像内可存在的全部石墨颗粒和铜层的宽度，将石墨颗粒的宽度的最大值作为石墨颗粒的最大厚度，将铜层的宽度的平均值作为铜层的平均厚度。其结果归纳于下述表2中。作为参考，体积分数记载了成型投料时的值。
[表2]
Figure BDA0003678717770000102
另外，由EDS分析确认了作为杂质的Al和Si的质量分数。此外，由EBSD分析确认了铜晶粒的平均粒径。其结果归纳于下述表3中。
[表3]
Figure BDA0003678717770000111
表3的结果表明，在使用未实施预处理的厚度大的石墨颗粒的情况下，无法降低杂质的含量(比较例5)。
此外，利用扫描型电子显微镜图像进行间隙分析，确认了石墨颗粒与铜层的界面的间隙量。其结果归纳于下述表4中。
[表4]
Figure BDA0003678717770000112
表2的结果表明，在使用未实施预处理的厚度大的石墨颗粒的情况下，石墨颗粒与铜层的界面的间隙大至225nm(比较例5)。
用于测定物性值的试样如下制作。首先，从实施例和比较例的复合材料的圆筒中央，沿纵向对板进行切割。加工该板，得到外径10mm×厚度2.5mm的导热系数测定用的试样。导热系数的测定方向为复合材料的层积方向的垂直方向(与加压方向垂直的方向)。
关于弯曲强度和热膨胀系数测定用的试样，与上述同样地从圆筒中央切割出，将所切割出的板加工成纵向5mm、横向25mm、厚度2mm，由此得到。关于弯曲强度测定，支点间距离设为16mm，除此以外的各测定方法如下所述。
导热系数：基于金属的激光闪光法的热扩散率的测定方法：JIS H 7801：2005
弯曲强度：精细陶瓷的室温弯曲强度试验方法：JIS R 1601：2008
热膨胀系数：金属材料的线膨胀系数的测定方法：JIS Z 2285：2003
对5个试样进行各测定，求出平均值和标准偏差。将所得到的结果归纳于下述表5中。
[表5]
Figure BDA0003678717770000121
如上述表5所示，实施例的复合材料的导热系数为788W/(m·K)以上，其标准偏差为33W/(m·K)以下。另外，实施例的复合材料的弯曲强度为30MPa以上，其标准偏差为5MPa以下，关于热膨胀系数，得到了6.5×10-6/℃以下的值。
实施例的复合材料是使用实施了预处理的规定的鳞片状石墨颗粒和中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒作为原料而制造的，因此能够具备所期望的全部特性。
与此相对，在使用了中值粒径为2.0μm的铜颗粒的比较例1～3中，导热系数中的标准偏差大至52W/(m·K)以上。使用按照烧结后的铜的体积分数为5％的方式混配了这种铜颗粒的成型原料时，如比较例4所示无法制造复合材料。
使用不满足规定条件的石墨颗粒时，导热系数的平均值得到700W/(m·K)以上，但其标准偏差达到55W/(m·K)(比较例5)。如比较例5所示，使用未实施预处理的石墨颗粒(厚度70μm)时，无法降低杂质(Al、Si)。而且，由比较例5可知，石墨颗粒与与铜层的界面的间隙增大，无法为150nm以下。
符号说明
12…石墨颗粒 14…铜层 16…界面
21…筛 22…磨石 23…石墨颗粒 30a、30b…磨石
31a、31b…金属板 32a、32b…接合用金属构件 33a、33b…磨粒
40…多轴通电烧结装置 42…真空容器 44…碳制模具
45a、45b…加压轴 47a、47b…加热轴 49a、49b…加热轴
50…散热板 51…配线层 52…电绝缘层 53…应力缓冲层 54…冷却层
55…冷却基板

Claims (7)

1.一种石墨-铜复合材料，该石墨-铜复合材料包含平均厚度为15μm以下的铜层和藉由所述铜层而层积的鳞片状石墨颗粒，铜的体积分数为3％～20％，该石墨-铜复合材料的特征在于，具备下述(A)或(B)，
(A)所述铜层含有平均粒径为2.8μm以下的铜晶粒，Al的质量分数小于0.02％，Si的质量分数小于0.04％；
(B)所述铜层与所述鳞片状石墨颗粒的界面的间隙为150nm以下。
2.如权利要求1所述的石墨-铜复合材料，其中，所述鳞片状石墨颗粒在与层积方向垂直的方向上的导热系数为700W/(m·K)以上，导热系数的标准偏差为50W/(m·K)以下。
3.如权利要求2所述的石墨-铜复合材料，其中，弯曲强度为25MPa以上，弯曲强度的标准偏差为5MPa以下。
4.如权利要求3所述的石墨-铜复合材料，其中，热膨胀系数为10×10-6/℃以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的石墨-铜复合材料，其中，所述鳞片状石墨颗粒的厚度为30μm以下。
6.一种散热器材料，其使用了权利要求1～5中任一项所述的石墨-铜复合材料。
7.一种制造方法，其为权利要求1所述的石墨-铜复合材料的制造方法，其特征在于，具备下述工序：
对石墨颗粒实施预处理，得到厚度为50μm以下的鳞片状石墨颗粒的工序；
混合所述鳞片状石墨颗粒和中值粒径为1.5μm以下的铜颗粒，得到成型原料的工序；和
通过多轴通电烧结法，对将所述成型原料成型而得到的成型体进行烧结的工序。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022157111A (ja) * 2021-03-31 2022-10-14 Ｕｂｅ株式会社 黒鉛－銅複合材料、それを用いたヒートシンク部材、および黒鉛－銅複合材料の製造方法
JP2023006510A (ja) * 2021-06-30 2023-01-18 日亜化学工業株式会社 発光モジュール、車両用灯具、及び、放熱部材
JP2023035695A (ja) * 2021-09-01 2023-03-13 Ｕｂｅ株式会社 黒鉛－銅複合材料、それを用いたヒートシンク部材、および黒鉛－銅複合材料の製造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10168502A (ja) * 1996-12-10 1998-06-23 Osaka Gas Co Ltd 高熱伝導率複合材
US20100207055A1 (en) * 2007-10-18 2010-08-19 Shimane Prefectural Government Metal-graphite composite material having high thermal conductivity and production method therefor
CN107502767A (zh) * 2016-06-14 2017-12-22 宁波晨鑫维克工业科技有限公司 一种定向超高导热、高强度石墨‑铜复合材料及其制备方法和应用
JP2019026884A (ja) * 2017-07-28 2019-02-21 昭和電工株式会社 金属−炭素粒子複合材
CN110184494A (zh) * 2019-06-20 2019-08-30 合肥工业大学 一种电子封装用石墨片/Cu基复合材料的制备方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62207832A (ja) * 1986-03-06 1987-09-12 Kobe Steel Ltd 半導体用銅−炭素複合材料およびその製造方法
JP5335339B2 (ja) * 2008-09-11 2013-11-06 株式会社エー・エム・テクノロジー 黒鉛一金属複合体とアルミニウム押出材の組合せからなる放熱体。
JP6026261B2 (ja) * 2012-12-19 2016-11-16 山陽特殊製鋼株式会社 Ｃｕ系磁気記録用合金およびスパッタリングターゲット材並びにそれを使用した垂直磁気記録媒体
JP2017128802A (ja) 2016-01-15 2017-07-27 昭和電工株式会社 金属−黒鉛複合材料及びその製造方法
JP6762732B2 (ja) * 2016-02-29 2020-09-30 株式会社アカネ 多軸通電焼結装置
KR101835385B1 (ko) * 2017-09-29 2018-03-09 인동전자(주) 인조 흑연 분말을 이용한 열전도성 박막의 제조방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10168502A (ja) * 1996-12-10 1998-06-23 Osaka Gas Co Ltd 高熱伝導率複合材
US20100207055A1 (en) * 2007-10-18 2010-08-19 Shimane Prefectural Government Metal-graphite composite material having high thermal conductivity and production method therefor
CN101821415A (zh) * 2007-10-18 2010-09-01 岛根县 具有高导热性的金属-石墨复合材料和其制造方法
CN107502767A (zh) * 2016-06-14 2017-12-22 宁波晨鑫维克工业科技有限公司 一种定向超高导热、高强度石墨‑铜复合材料及其制备方法和应用
JP2019026884A (ja) * 2017-07-28 2019-02-21 昭和電工株式会社 金属−炭素粒子複合材
CN110184494A (zh) * 2019-06-20 2019-08-30 合肥工业大学 一种电子封装用石墨片/Cu基复合材料的制备方法

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