KR100413547B1 - 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 기지조직에 실리콘 카바이드 입자, 또는 실리콘 카바이드 및 실리콘 입자가 형성된 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 평균입도 20㎛의 SiC 분말과 평균입도 70㎛의 Al 분말, 또는 평균입도 20㎛의 SiC 분말과 평균입도 45㎛의 Al-20Si 합금분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하여 혼련한 후, 건조하여 타겟(Target)재에 플라즈마 용사함으로써 알루미늄 기지조직에 SiC 입자가 40∼60 부피%와, SiC 입자 사이에 미세한 Si 입자가 10∼20 부피%를 차지하는 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법을 제공한다.
이와 같이, 본 발명은 높은 열전도와 낮은 열팽창계수를 갖는 소재를 얻을 수 있으며, 강도 및 인성이 좋은 저밀도의 부품소재가 제조 가능하며, 특히 부품을 아주 짧은 시간에 제조할 수 있으며 기지소재 또는 몰드의 연속이동에 의한 생산성 향상에 의해 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법{ALUMINUM MATRIX COMPOSITE MATERIALS WITH HIGH THERMAL CONDUCTIVITY AND LOW THERMAL EXPANSIVITY FOR ELECTRONIC PACKAGING, AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 알루미늄 기지조직에 실리콘 카바이드 입자, 또는 실리콘 카바이드 및 실리콘 입자가 형성된 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 전자패키징용 히트 싱크(Heat Sink)소재는 구리(Cu)나 알루미늄(Al)계 금속이며, 이들 금속은 열발산 능력은 크지만 열팽창계수가 실리콘(Si)이나 갈륨-비소(Ga-As) 계열의 반도체 소자에 비해 3∼6배정도 높아 소자에 직접 접합시키지 못하는 단점이 있다.
또한 전자패키징용 소재로는 Kovar나 Invar계 저열팽창합금을 주로 사용하고 있으나, 열팽창계수는 반도체 소자와 유사한 반면 열발산 능력이 매우 낮은 단점이 있다. 따라서 현재의 전자패키징용 소재는 고집적 반도체용으로서는 한계를 지니고 있기 때문에 새로운 소재의 개발이 요구된다. 저열팽창계수-고열전도도-저밀도-저생산비의 특성을 지니는 재료의 개발을 목적으로, 폴리머 기지 복합재료(Polymer Matrix Composites), 금속기지 복합재료(Metal Matrix Composites), 세라믹기지 복합재료(Ceramic Matrix Composites), 탄소-탄소 복합재료(Carbon-Carbon Composites) 등에 관한 연구가 진행되고 있다. 이중에서도 금속기지 복합재료는 금속기지상에 강화재가 섬유, 휘스커 또는 입자형태로 분산되어 있는 재료로 기지상과 강화재의 부피분율에 따라 특성의 조절이 용이하여 최근 전자패키징용 소재로 응용하려는 연구가 활발히 진행중이다. 미국의 Lanxide Electronic Component 사는 액상함침법을 적용하여 50∼70vol% SiCp/Al 금속기지 복합재료(SiCp;SiC Particle을 의미함)를 제조하여 160∼180W/mK의 열전도도 및 6∼7ppm/mK의 열팽창계수의 특성을 갖는 소재를 개발하였으며 GM Ev-1 자동차의 전자기기의 열발산재외에 Microprocessor Lids, Package Base 및 Clip Carrier등의 0.5mm급 판재형 열관리 소재로도 응용되고 있다.
전자기기의 경박 단소화, 고집적화 및 고성능화로 발전되면서 소요되는 전력량이 증가함에 따라 발생되는 열 역시 증가하게 되었다. 전자패키징용 소재에 요구되는 특성으로 열의 원활한 방출을 위한 높은 열전도와 소자의 파단 또는 솔더의 파괴원인이 되는 열응력의 최소화를 위한 성질 외에 고강도 및 인성, 저밀도, 저비용, 실형상(Near-Net Shape)에 근접한 제조 공정 등이 요구되고 있으며, 전자패키징용 재료로 주목을 받고 있는 Al/SiCp금속복합재료는 액상함침법으로 제조하고 있으나, 기계가공 및 용접이 어려워 다른 패키징재와의 접합이 어려운 문제점을 지니고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 본 발명은 플라즈마(Plasma) 용사 기술을 이용하여 금속모재 표면에 금속복합재료를 용착시켜 적층 및 충진하는 기술을 확립하거나, 복잡한 면을 갖는 경우 Graphite나 BN 몰드를 이용함으로써 이들 고상 표면에 금속복합재료를 용착시켜 적층 및 충전함으로써 실형상 성형이 가능한 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법의 공정흐름도;
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법의 플라즈마 용사를 위한 장치의 개략도;
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 의해서 제조된 Al-SiCp금속복합재료의 미세조직도;
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 의해서 제조된 Al-Si-SiCp금속복합재료의 미세조직도이다.
♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣
1:핫플레이트 2:플라즈마가스 3:활성가스 4:제어기 5:분배기
6:플라즈마건 8:플라즈마건 조절컴퓨터 9:냉각기 10:이동대
11:타겟재 12:몰드 13:기지소재 14:알루미늄복합재료
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 알루미늄을 기지조직으로 하면서 실리콘 카바이드(SiC) 입자가 40∼60 부피%를 차지하는 알루미늄기지 복합재료 및 알루미늄을 기지조직으로 하면서 실리콘 카바이드(SiC) 입자가 40∼60 부피%를 차지하면서 상기 실리콘 카바이드(SiC) 입자 사이에 미세한 실리콘(Si) 입자가 10∼20 부피%를 차지하는 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 알루미늄기지 복합재료를 제공하며,
이를 위하여 본 발명은 평균입도 20㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 분말과 평균입도 70㎛의 알루미늄(Al) 분말, 또는 평균입도 20㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 분말과 평균입도 45㎛의 알루미늄-20실리콘(Al-20Si) 합금분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하여 기계적인 방법으로 혼련한 후, 건조하여 타겟재에 플라즈마 용사하여 냉각하는 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 건조된 혼합분말을 타겟재에 플라즈마 용사하는 단계에서는 소정형상을 가지는 탄소(Graphite)몰드 또는 보론 나이트라이드(Boron Nitride;BN)몰드에 상기 혼합분말을 플라즈마 용사하여 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료를 제조하는 단계와, 기지소재에 직접 혼합분말을 플라즈마 용사하여 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료를 제조하는 단계를 포함하여 구성되는 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료의 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명은 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법의 공정흐름도이며, 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법의 플라즈마 용사를 위한 장치의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 평균입도 20㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 분말과 평균입도 70㎛의 알루미늄(Al) 분말, 또는 평균입도 20㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 분말과 평균입도 45㎛의 알루미늄-20실리콘(Al-20Si) 합금분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하여 기계적인 방법인 볼밀을 이용하여 3시간동안 혼련한 후, 상기 혼련된 혼합분말에 함유된 수분을 건조하여 타겟재인 Graphite / BN 몰드 또는 기지금속에 상기 건조 혼합분말을 플라즈마 용사한 후, 냉각하여 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료를 제조한다.
본 발명에서는 알루미늄-20실리콘(Al-20Si) 합금분말과 실리콘 카바이드(SiC)의 체적비를 40∼60:60∼40으로 한정하였는데, 알루미늄 기지조직에 형성될 수 있는 실리콘 카바이드(SiC)와 실리콘 입자상의 총 체적분율은 50∼80%로 제어하여 기지조직과의 결합력을 유지하면서 형성된 실리콘 카바이드(SiC) 사이에 수 ㎛급 실리콘(Si) 입자상이 형성될 수 있도록 하여 전자패키징 재료의 고열전도 특성 및 저열팽창 특성을 향상시키고자 하였다.그러나 알루미늄 기지조직에 체적분율 80% 이상 실리콘 카바이드(SiC)와 실리콘 입자가 형성되는 경우는 알루미늄기지 복합재료에 있어서 기지조직과 입자상과의 결합력이 현저히 감소하고 또한 제조상의 어려움으로 실용화하기가 힘들다.
반면, 기지조직에 체적 분율 50% 이하로 실리콘 카바이드(SiC)와 실리콘 입자가 형성되는 경우는 전자패키징 재료가 갖는 저열팽창 특성이 현저히 감소하게 되기 때문에 본 발명에서는 실리콘 카바이드(SiC)와 실리콘 입자의 총 체적분율을 50∼75%로 한정하였다.또한, 본 발명은 상기 기지조직과의 결합력을 유지하면서 형성된 실리콘카바이드(SiC) 사이에 수 ㎛급의 미세한 실리콘(Si) 입자상을 형성하게 되는데, 이는 종래의 알루미늄기지 복합재료 제조공정인 소결공정에서는 나타날 수 없는 본 발명만의 특유한 형태인 것으로서, 고온의 플라즈마 용사로 인하여 본 발명에 이용되는 실리콘카바이드(SiC)의 평균입도보다 작은 실리콘카바이드(SiC) 입자상이 고온의 플라즈마 열로 인하여 실리콘(Si)성분과 탄소(C)성분이 분해되어 10∼20부피%의 실리콘(Si) 입자가 상기 실리콘카바이드(SiC) 입자 주변에 수 ㎛급으로 형성하게 되거나, Al-20Si합금분말을 기지재료로 하여 실리콘카바이드(SiC)분말과 혼합하여 플라즈마 용사함으로써 상기한 실리콘카바이드 입자 주변에 실리콘 입자가 수 ㎛급으로 형성하게 되는 것이다.
이러한, 본 발명에 따른 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료의 제조방법에 있어서, 플라즈마 용사를 위한 장치 및 공정은 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용도에 따라 아르곤이나 질소 등의 불활성가스를 플라즈마 가스(2)로 사용한다. 플라즈마 가스(2)의 유량과 속도는 가스의 유량과 속도, 입력전류 및 입력전압을 동시에 모두 통제할 수 있는 제어기(4)를 통해 제어하며 플라즈마 아크가 발생되는 플라즈마 건(6)으로 공급하여 플라즈마 젯(Jet)을 발생시킨다. 그리고 공급되는 불활성 가스를 사용하여 초기 플라즈마 젯이 안정이 되면 혼련한 Al/SiCp또는 Al-Si/SiCp분말을 플라즈마 건(6)으로 동시에 투입하여 플라즈마 젯에 함께 실어 타겟재(11)인 기지소재(13) 또는 몰드(12)쪽으로 투입한다. 공급되는 불활성 가스(2)와 활성가스(3)는 제어기(4)를 통해 조절되고 분배기(5)를 거치면서 이온상태의 플라즈마 가스로 플라즈마 건(6)에 공급된다. 플라즈마 건(6)은 기판 또는 몰드 표면의 위쪽에 위치하며 전력공급장치(7)와 분배기(5)를 통해 전력이 공급된다.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 본 발명은 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
도 2에 도시된 상기 플라즈마 용사장치를 이용하여 보다 짧은 시간에 혼련한 Al/SiCp또는 Al-Si/SiCp분말을 타겟재(11)인 기지소재(13) 또는 Graphite, BN 재질의 몰드(13)상에 분무적층시켜 연속적으로 부품을 제조할 수 있도록 하였으며, 이동대(10)에 설치된 플라즈마건(6)은 컴퓨터프로그램(8)에 의해 위치이동 및 이동속도를 결정할 수 있도록 하였다. 타겟재(11)는 상온(20℃) 또는 핫플레이트(Hot plate)(1)에 의해 예열(250℃)이 가능하며, 혼련된 분말은 플라즈마 아크(Arc)로 주입시켜서 기지판재에 적층시킨다. 기지판재는 용사공정중 용사측의 반대면에서 압축공기(9)를 이용하여 냉각시켰다. 플라즈마 용사시 조업조건은 표 1과 같이 작업하였다.
상기와 같은 조건으로 플라즈마 용사를 실시하여 타겟재(11)인 Graphite 또는 BN 재질의 몰드(13)상에 건조분말을 분무적층시켜 냉각 후 몰드(12)와 분리시킴으로써 알루미늄기지 복합재료(14)를 제조할 수 있으며,건조분말을 플라즈마 용사하여 타겟재(11)인 기지소재(13)에 직접 분무 적층시킴으로써 패키징용인 기지소재(13)와 알루미늄 복합재료(14)의 접합성을 향상시킬 수 있었다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 의해서 제조된 Al-SiCp금속복합재료의 미세조직도이며, 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법에 의해서 제조된 Al-Si-SiCp금속복합재료의 미세조직도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 평균입도 20㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 분말과 평균입도 70㎛의 알루미늄(Al) 분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하여 혼련하고 건조한 후, 플라즈마 용사된 Al-SiCp금속복합재료는 Al 기지조직에 40∼60vol%의 SiCp입자가 형성된 것을 확인할 수 있으며,
도 4에 도시된 바와 같이, 평균입도 20㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 분말과 평균입도 45㎛의 알루미늄-20실리콘(Al-20Si) 분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하여 혼련하고 건조한 후, 플라즈마 용사된 Al-SiCp금속복합재료는 Al 기지조직에 40∼60vol%의 SiCp입자와, 10∼20vol%의 Si 입자가 형성된 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법은 알루미늄 기지조직에 SiCp함량 40∼60vol%, 또는 SiC 입자 사이에 미세한 Si 입자가 함량 10∼20vol% 범위에서 동시에 형성하는 Al-SiCp또는 Al-Si-SiCp금속복합재료를 플라즈마 용사법을 이용하여 제조함으로써 높은 열전도와 낮은 열팽창계수를 갖는 소재를 얻을 수 있으며, 강도 및 인성이 좋은 저밀도의 부품소재가 제조 가능하며, 특히 부품에 직접 알루미늄 복합재료를 형성할 수 있어 전자패킹재료와의 결합력이 우수하면서도 아주 짧은 시간에 제조할 수 있으며, 기지소재 또는 몰드의 연속이동에 의한 생산성 향상에 의해 제조 비용을 절감할 수 있다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 알루미늄을 기지조직으로 하여 형성된 40∼60 부피%의 실리콘 카바이드(SiC) 입자와, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 입자 사이에 형성된 10∼20 부피%의 수㎛급의 실리콘(Si) 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료.
  3. 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드(SiC) 분말과 평균입도 70㎛의 알루미늄(Al) 분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하거나, 또는 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드(SiC) 분말과 평균입도 45㎛의 알루미늄-20실리콘(Al-20Si) 합금분말을 체적비 40∼60:60∼40으로 혼합하는 단계와,
    상기 혼합된 분말을 기계적인 방법으로 혼련하는 단계와,
    상기 혼련된 혼합분말에 함유된 수분을 건조하는 단계와,
    상기 건조된 혼합분말을 타겟재에 플라즈마 용사하는 단계와,
    상기 용사된 타겟재를 냉각하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 건조된 혼합분말을 타겟재에 플라즈마 용사하는 단계에서 타겟재는 Graphite 및 BN 재질의 몰드, 또는 패키징 기지소재인 것을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료의 제조방법.
KR10-2001-0029576A 2001-05-29 2001-05-29 플라즈마 용사에 의한 고열전도도와 저열팽창계수를 가지는 전자패키징용 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법 KR100413547B1 (ko)

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