KR101037884B1

KR101037884B1 - Ｃｒ-Ｃｕ 합금, 그 제조 방법, 반도체용 방열판 및 반도체용 방열 부품

Info

Publication number: KR101037884B1
Application number: KR1020087020079A
Authority: KR
Inventors: 호시아키 데라오; 히로키 오타; 히데아키 고비키; 사토시 우에노소노
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 제이에프이 세이미츠 가부시키가이샤
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2011-05-30
Also published as: EP2439295A3; EP1985718A1; US20090034203A1; WO2007094507A1; CN101384739B; CN101384739A; EP1985718A4; US8557015B2; EP2439295B1; KR20080087889A; EP2439295A2

Abstract

Cu 매트릭스와 편평한 Cr 상으로 이루어지는 분말 야금에서 얻어진 Cr-Cu 합금에 있어서, Cr-Cu 합금 중의 Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 하고, 편평한 Cr 상의 평균 애스펙트비를 1.0 초과 100 미만으로 함으로써, 면내 방향의 열팽창률이 작고, 또한 열전도율이 크고, 게다가 가공성이 우수한 Cr-Cu 합금과 그 제조 방법을 제공하고, 또한, 그 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열판과 반도체용 방열 부품을 제공한다.

Cr-Cu 합금

Description

Ｃｒ-Ｃｕ 합금, 그 제조 방법, 반도체용 방열판 및 반도체용 방열 부품{Cr-Cu ALLOY, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, HEAT SINK FOR SEMICONDUCTOR, AND HEAT DISSIPATING COMPONENT FOR SEMICONDUCTOR}

본 발명은, 전자 기기에 탑재된 반도체 소자 등의 발열체로부터 발생되는 열을 신속하게 방산시키기 위해 이용되고, 낮은 열팽창률과 높은 열전도율이 요구되는 반도체용 방열판 (즉 히트 싱크재 (heat sink materials)) 또는 히트 스프레더재 (heat spreader materials) 나 반도체용 방열 부품 (heat release/liberation components (or thermal management parts) for semiconductors, or dissipation devices), 그리고 그 소재가 되는 Cr-Cu 합금 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 여기에서는 반도체용 방열판과 반도체용 방열 부품을 총칭하여 방열용 재료로 기재한다.

반도체 소자 등의 전자 부품을 탑재한 전자 기기를 작동시킬 때에는, 전자 회로로의 통전에 수반되어 전자 부품이 발열된다. 전자 기기의 고출력화에 수반되어, 작동시의 발열량은 점점 증가되는 경향이 있는데, 온도가 너무 상승하면 반도체 소자의 특성이 변화되어, 전자 기기의 동작이 불안정해지는 문제가 생긴다. 또 장시간에 걸쳐 사용함으로써 과잉한 고온에 노출되면, 전자 부품의 접합재 (예를 들어 핸더 등) 나 절연재 (예를 들어 합성 수지 등) 가 변질되어, 전자 기기 고장의 원인이 된다. 그 때문에, 전자 부품으로부터 발열되는 열을 신속하게 방산시킬 필요가 있다. 그래서, 방열용 재료를 통하여 열을 방산시키는 기술이 여러 가지 검토되고 있다.

반도체 소자는, 방열용 재료에 직접, 혹은 예를 들어 질화 알루미늄 (AlN) 에 Al 전극을 다이렉트 본딩한 기판 (이른바 DBA 기판) 상에 납땜 (soldering) 혹은 경납땜 (brazing) 된 후, 방열용 재료 상에 동일한 방법에 의해 고정된다. 그 때, DBA 기판의 열팽창률은 5 ∼ 7×10^-6K^- ¹ 이기 때문에, 접합되는 방열용 재료로서는 이것에 가까운 열팽창률을 갖는 것이 요구된다. 현재 사용되고 있는 방열용 재료로서는, W-Cu 계 복합 재료의 열팽창률이 6 ∼ 9×10^-6K^- ¹ 이고, Mo-Cu 계 복합 재료의 열팽창률이 7 ∼ 14×10^-6K^- ¹ 이다. 이와 같이 접합되는 상대재에 가까운 열팽창률을 가짐으로써, 반도체 소자의 발열에 의해 발생되는 열응력의 영향을 작게 억제할 수 있다.

또한, DBA 기판이 고정된 접착 방열용 재료는 통상, 또한 방열용 핀 (Al, Cu 등으로 구성된다) 에 땜납·경납, 혹은 도전성 그리스 등을 통하여 접합되어 있다.

방열용 재료는, 열팽창이 적은 것에 더하여 열전도율이 큰 것이 요구되는데, 양자를 동시에 달성하는 것은 어렵다. 그 때문에, 열팽창률이 작은 재료와 열전도율이 큰 재료를 조합시킨 복합 재료가 많이 이용되고 있다.

이와 같은 예로써, 예를 들어 일본 특허 공고 공보 평5-38457호에는, W-Cu, Mo-Cu 등의 금속 - 금속계 복합 재료가 제안되어 있다. W, Mo 는 열팽창률이 낮고, 한편, Cu 는 열전도율이 높다는 특성을 이용하는 기술이다.

또한 일본 공개 특허 공보 2002-212651호에는, SiC-Al, Cu₂O-Cu 등의 세라믹-금속계의 복합 재료가 개시되어 있다.

이들의 기술은, 일반적으로 열팽창률이 복합칙 (law of mixture, or, rule of mixtures) (후술) 즉 각 재료의 열팽창률의 체적 평균 정도로 그친다. 또, W-Cu 재, Mo-Cu 재의 경우 W, Mo 는 희소 금속으로 투기 대상으로도 되기 때문에 원료가 고가이고 안정 공급성에 문제가 있어, 재료의 성질상 기본적으로 열간 가공이 필요하다. SiC-Al 재는 기계 가공, 압하가 곤란하고, Cu₂O-Cu 재도 열간 가공이 필요하다. 그 때문에 저렴한 방법으로 박판상의 소재를 얻는 것이 곤란하여, 새로운 개선이 요구되고 있다.

일본 공개 특허 공보 2000-239762호 및 비특허문헌 1 에는 Cr-Cu, Nb-Cu 등의 금속 - 금속계 복합 재료에 있어서, 저열팽창률과 고열전도율을 함께 달성하기 위한 기술이 개시되어 있다. 상기 문헌에는, 2 ∼ 50 질량% 의 Cr 을 함유하는 Cu 합금을 용제·주조한 (용해 주조법 (melting and casting method) 이라고 한다) 후, 열간 가공하여, 주괴 조직의 초정(初晶) Cr 에 기초하는 대략 구상의 Cr 상을 얻고, 또한 냉간 가공을 실시하여 (예를 들어 일본 공개 특허 공보 2000-239762호 [0014] 단락), 상기 Cr 상의 애스펙트비를 10 이상으로 하는 기술이 개시되어 있다. 그리고, 이 기술에 의하면, 복합칙으로부터 예상되는 것보다도 낮은 열팽 창률을 얻는 것이 가능해진다고 되어 있다.

그러나, 이 방법에서는 애스펙트비를 100 이상으로 해야 겨우 복합칙보다 10% 정도의 열팽창률 저하가 얻어지는 정도이다 (상기 [0014]). 응고시의 1 차 석출상인 Cr 상 (대략 구상) 의 애스펙트비를 100 이상으로 하는 것만으로도, 예를 들어 냉간 압연에서 약 90% 이상의 압하를 필요로 한다.

한편, 용해 주조법에서는 Cr 함유량이 증가하면 융점이 높아지는 데다가, 응고 편석에 의해 균질한 합금 제조가 곤란하다. 따라서 실제로는, 30 질량% 를 초과하는 Cr 을 함유하는 소재를 용해 주조하고, 냉간 가공시켜 충분한 열팽창률 저하를 얻을 정도의 애스펙트비를 달성하는 것은 비현실적이다. 실제, 비특허문헌 1 이나 일본 공개 특허 공보 2000-239762호의 실시예에는, 30 질량% 를 초과하는 Cr 을 함유하는 예는 개시되어 있지 않다.

또한 용해 주조된 합금을 균질화시키기 위해서는, 고온 장시간의 균질화 열처리에 더하여, 열간 주조나 열간 압연 공정이 필요해진다. 그 결과, 제조 비용의 상승을 초래하고, 게다가 제품으로서 제공할 수 있는 방열용 재료의 치수가 제한된다는 문제가 있다.

비특허문헌 2 에는, 30 질량% 이상의 Cr 을 함유하는 Cr-Cu 합금을 용해와 냉간 가공에 의해 균일하게 제조하는 기술이 개시되어 있다. 즉, Cr 과 Cu 의 혼합 분말을 소결시킨 것을 소모 전극 (consumable electrode) 으로서 이용하고, 고가의 아크 용해법 (아크 방전을 사용한 용해 주조법) 으로 주조하여, 추가로 실온에서의 연성이 불충분한 Cr 이 변형되기 쉽도록 압출법에 의해 환봉을 제조하는 방법이다. 압출법은, Cr 에 대해 Cu 매트릭스로부터의 정수압이 작용되기 때문에 가공이 용이해지는 것을 이용한 것이다. 이 기술에서는 경제성에 문제가 있고, 또한 방열 재료와 같은 얇은 판상 재료의 제조에는 적합하지 않다.

또 발명자들은, Cr-Cu 재를 방열용 재료에 적용하는 기술로서, 일본 공개 특허 공보 2005-330583호에, 시효 열처리에 의해 Cu 매트릭스 중으로부터 장경 100㎚ 이하의 미세한 입자상의 Cr 상을 석출시켜 열팽창률을 개선하는 기술을 개시하고 있다. 그 중에서도 분말 야금법에서는, Cr 분말을 사용하고, Cu 와 소결 혹은 용침을 실시하여 합금화·복합화시켜, 동일하게 시효 열처리를 실시하여 Cu 매트릭스 중으로부터 입자상의 Cr 상의 석출을 도모하고 있다.

[비특허문헌 1] Cu-Cr 복상 합금의 개발 (후루카와 전기 공업 시보, 107호 (2001년 1월), p53 ∼ 57)

[비특허문헌 2] Siemens Forsch. -Ber. Bd, 17 (1988) No 3

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

이상 서술한 바와 같이, 종래의 기술은 얇은 판상으로 또한 저열팽창률 그리고 고열전도율을 얻는다는 과제를 충분히 해결하고 있지 않다. 예를 들어 일본 공개 특허 공보 2000-239762호 및 비특허문헌 1 에 기재된 기술은 가공성 및 고 Cr 화에 한계가 있고, 비특허문헌 2 의 방법은 가공할 수 있어도 매우 비용이 든다.

또, 일본 공개 특허 공보 2005-330583호 방법은 비교적 우수하지만, 박판상으로의 가공성에 과제를 남긴다. 또한 이 기술에서는 Cr 상의 석출은 3 차원에서 랜덤이고, 어느 방향에 대해서도 팽창율은 일정하다. 한편, 반도체용 방열 재료에서는, 일반적으로 박판 형상이 많고, 반도체와 접합했을 경우에 양자의 열팽창률의 차를 줄일 필요가 있는 방향은 판의 면방향이므로, 발명자들의 견해에 의하면 더욱 개선의 여지가 있다.

또, 미세 석출물의 석출 상태를 제어하는 것만으로 저열팽창률을 실현하고 있는 이 기술에서는, 방열용 재료와 DBA 기판 등 사이의 납땜·경납땜 작업의 조건에 따라서는, 예를 들어 시효 온도 이상의 고온 하에서 장시간 놓여지는 경우에는, 석출물이 변화되어 버릴 우려가 있어, 방열용 재료의 특성이 변화되고, 낮은 열팽창률을 안정적으로 얻지 못할 가능성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하고, 납땜 등의 후에도 특히 면내 방향 (in-plane directions) 에 열팽창률이 작고, 또한 열전도율이 크고, 게다가 가공성이 우수한 Cr-Cu 합금과 그 제조 방법을 제공하고, 또한, 그 Cr-Cu 합금을 이용한 반도체용 방열판과 반도체용 방열 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉 본 발명은, 방열용 재료 (즉 반도체용 방열판, 반도체용 방열 부품) 에 요구되는 여러 가지의 형상, 특히 판상의 제품 혹은 프레스 성형용 소재를 제공하는 것이고, Cr 의 원료로서 분말을 사용함으로써, 종래의 용해법에서는 균질한 재료의 제조가 용이하지 않은 조성의 방열용 재료에 대해 경제적으로 방열용 재료를 제조하는 것이다. 또한 본 발명에서는, Cr 분말의 소결체 (sintered compact) 에 Cu 를 용침 (infiltration) 시킨 용침체 (infiltrated compact) 에 냉간 압연을 실시한다는 신규 공정을 채용함으로써, 열팽창률을 더욱 저감시킨 재료를 제조하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

Cr-Cu 합금의 열팽창률은, 하기의 (1) 식으로 나타내는 복합칙에 따르는 것이 알려져 있다 (일본 공개 특허 공보 2000-239762호 참조).

α_alloy=α_Cr×V_Cr+α_Cu×(1-V_Cr)···(1)

α_alloy : Cr-Cu 합금의 열팽창률

α_Cr : Cr 의 열팽창률

α_Cu : Cu 의 열팽창률

V_Cr : Cr 의 체적분률

단, 실제로는 (1) 식과 같은 단순한 상가 평균에는 따르지 않고, (1) 식으로부터 예측되는 것보다 큰 값이 된다는 모델이 많이 제안되어 있다. 예를 들어 German 등의 모델이 알려져 있다 (R. M. German et al. : Int. J. Powder Metall., vol 30 (1994), p205). 공표되어 있는 순 Cr 의 열팽창률의 데이터는 편차가 커서, Cr-Cu 합금의 열팽창률을 정확하게 예측하는 것은 어렵지만, (1) 식에 따른다고 가정한 경우, 방열용 재료로서 바람직한 저열팽창률 (예를 들어 13×10^-6K^-1) 을 얻기 위해서는, Cr 을 대체로 30 질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 이와 같은 다량의 Cr 을 함유하는 Cr-Cu 합금을 제조할 때에, 종래의 용해법에서는 아크 용해 등의 특수한 방법을 채용할 필요가 있어, 제조 비용의 상승은 피할 수 없다.

이것에 대해 발명자들은, Cr 의 함유량을 광범위에 걸쳐 조정할 수 있는 분말 야금법 (powder metallurgy) 을 채용하여, Cr 단독 혹은 Cr 과 Cu 의 분말을 혼합하여 소결시킨 후, Cu 를 용침시키는 기술을 개발하였다. 또한, Cr 과 Cu 의 분말을 혼합하여, 실질적으로 Cu 가 용융하는 바와 같은 고온에서 소결시킨 경우에는, 용침과 동일한 상태가 되므로, 별도 Cu 를 용침시키는 공정은 반드시 필요하지는 않다. Cr 분말을 소결시키고 Cu 를 용침시킴으로써, 30 질량% 초과 80 질량% 이하의 Cr 을 균일하게 분산시킨 Cr-Cu 합금을 용이하게 제조하는 것이 가능해진다.

종래, 이와 같은 용침체는 냉간 압연 가공이 곤란하지만, 발명자들은 이것에 주의 깊게 냉간 압연 가공을 실시하는 것을 시도하고, 그 결과, 냉간에서 10% 이상의 압하를 부여하여, 일본 공개 특허 공보 2000-239762호 등이 효과적이라는 범위보다 매우 낮은 애스펙트비의 Cr 상을 형성함으로써, 복합칙으로부터 예상되는 것보다도 현저하게 작은 열팽창률이 얻어지는 것을 발견하였다.

발명자들은 또, 이와 같은 용침체에 열처리를 실시함으로써, 더욱 안정적으로 작은 열팽창률을 얻는 것이 가능하다는 견지를 얻었다. 즉, Cr 소결체에 Cu 를 용침하여 얻어지는 용침체에 필요에 따라 균질화 및 시효를 위한 열처리 (이하, 균질화 시효 열처리 (heat treatment for homogenization and aging) 라고 한다) 를 300 ∼ 1050℃ 에서 실시한 후, 냉간에서 10% 이상의 압하를 부여하고, 또한 연질화 및 시효를 위한 열처리 (이하, 연질화 시효 열처리 (heat treatment for annealing and aging) 라고 한다) 를 300 ∼ 900℃ 에서 실시함으로써, 열팽창률의 더욱 대폭적인 저감을 달성할 수 있는 것을 발견하였다.

소결된 상태의 소재나 용침된 상태의 소재를 사용하는 방법은, 여러가지 형상이 요구되는 다품량 소량 생산에는 적합하지 않다. 이것에 대해 본 발명의 Cr-Cu 합금은, 여러가지 두께의 판형상의 가공이 용이하고, 프레스 가공에 의한 펀칭에도 적용할 수 있으므로, 다량의 생산뿐만 아니라 다품종 소량 생산에도 대응할 수 있다.

보충하면, 본 발명의 Cr-Cu 합금에서는, 용침체를 제조하는 단계에서 공극이 잔류할 우려가 있지만, 냉간 압연을 실시함으로써 공극이 압궤되어 밀착된다. 그 결과, 공극의 존재에서 기인되는 열전도율의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명은, 이상의 견지에 기초하여 완성된 것이다. 즉 본 발명은, 하기 와 같다.

(1) Cr 분말을 사용한 분말 야금에서 얻어진 Cr-Cu 합금으로서, Cr 함유량이 30 질량% 초과 80 질량% 이하이고, 또한, Cu 매트릭스와 편평한 Cr 상으로 이루어지고, 상기 편평한 Cr 상의 평균 애스펙트비가 1.0 초과 100 미만인 것을 특징으로 하는 Cr-Cu 합금.

(2) 상기 Cr 분말의 입도 (particle size) 가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인, 상기 (1) 에 기재된 Cr-Cu 합금.

(3) Cu 매트릭스 중에, 장경이 100㎚ 이하이고 애스펙트비가 10 미만인 입자상인, 미세한 제 2 Cr 상이 석출되고, 제 2 Cr 상의 밀도가 20 개/㎛²이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 Cr-Cu 합금.

또한, 상기 편평한 Cr 상이 두께 방향 1㎜ 당 200 개 이하 존재하는 것이 바람직하다.

(4) 상기 (1) ∼ (3) 중 어느 하나에 기재된 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열판 혹은 반도체용 방열 부품.

(5) Cr 함유량이 30 질량% 초과 80 질량% 이하이고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한, Cu 매트릭스와 Cr 상을 갖는 소재 Cr-Cu 합금에, 냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 가함으로써, 상기 Cr 상의 평균 애스펙트비를 1.0 초과 100 미만으로 하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

(6) Cr 분말을 원료로서 상기 소재 Cr-Cu 합금을 제조하는 단계를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는, 상기 (5) 의 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

(7) 상기 Cr 분말의 입도가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인, 상기 (6) 에 기재된 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

여기에서, 소재 Cr-Cu 합금으로서는, 예를 들어 하기 (8) ∼ (12) 의 발명에 있어서의 용침체를 들 수 있다.

(8) Cr 분말을 소결시켜 다공질체 (porous compact) 로 하고, 다공질체에 Cu 를 용침시켜, Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 한 용침체를 얻는 소결·용침 공정 (sintering and infiltrating process) 과, 상기 용침체에 냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 가해 압연재를 얻는 압연 공정을 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

(9) (i) Cr 분말과 Cu 분말을 혼합하고 성형하여 소결시키고, 또한 Cu 를 용침시켜, Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 한 용침체를 얻는 소결·용침 공정, 혹은, (ⅱ) Cr 분말과 Cu 분말을 혼합하고 성형하여 소결시키고, Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 한 용침체를 얻는 소결·용침 공정 중 어느 하나의 소결·용침 공정을 갖고, 또한 상기 용침체에 냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 가해 압연재를 얻는 압연 공정을 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

(10) 상기 압연재를 300 ∼ 900℃ 의 온도 범위에서 가열하는 열처리 공정을 추가로 갖는 상기 (8) 또는 (9) 에 기재된 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

(11) 상기 소결·용침 공정에서 얻은 용침체를 300 ∼ 1050℃ 의 온도 범위에서 가열하는 공정을, 상기 압연 공정 전에 갖는, 상기 (8) ∼ (10) 중 어느 하나에 기재된 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

(12) 상기 Cr 분말의 입도가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인, 상기 (8) ∼ (11) 중 어느 하나에 기재된 Cr-Cu 합금의 제조 방법.

또한 본 발명의 Cr-Cu 합금은, 편평한 Cr 상과 약간 Cr 을 함유하는 Cu 상(즉 Cu 매트릭스) 으로 이루어지는, 이른바 Cr-Cu 복합 재료이다.

도 1 은 본 발명의 Cr-Cu 합금의 단면 조직도의 일례이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

<Cr-Cu 합금>

(합금 조성)

먼저, 본 발명의 Cr-Cu 합금에 있어서의 Cr 함유량의 한정 이유를 설명한다.

Cr 은, 본 발명의 Cr-Cu 합금에 있어서, 열팽창률의 저감을 달성하기 위한 중요한 원소이다. Cr 함유량이 30 질량% 이하에서는, 방열용 재료 (즉 반도체용 방열판, 반도체용 방열 부품) 에 요구되는 저열팽창률 (약 13×10^-6K^-1 이하) 이 얻어지지 않는다. 한편, 80 질량% 를 초과하면, 열전도율이 저하되어, 방열용 재료로서도 충분한 방열 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Cr 은 30 질량% 초과, 80 질량% 이하로 한다. 바람직하게는 40 질량% 이상이고, 또 바람직하게는 70 질량% 이하이다. 더욱 바람직하게는 45 질량% 이상이고, 또 65 질량% 이하이다. 더욱 바람직하게는 50 질량% 초과이고, 또한 65 질량% 이하이다.

잔부는 Cu 및 불가피적 불순물로 하는 것이 바람직하다. 불가피적 불순물은 통상적인 범위 (예를 들어 합계 약 1% 이하) 로 문제없다. 주된 불순물로서는, 예를 들어 0.03 mass% 이하의 S, 0.02 mass% 이하의 P, 0.3 mass% 이하의 Fe 를 함유해도 문제없다. 단, 특히 가스 성분 (O, N 및 C) 에 대해서는 압연 전의 소재 Cr-Cu 합금 (용침체) 의 단계에서 하기의 범위로 한정하는 것이 바람직하기 때문에, 본 발명의 Cr-Cu 합금도 실질적으로 동일한 불순물 범위가 된다.

본 발명자들은 냉간 압연에 있어서의 가공성을 개선하기 위해 예의 검토를 실시한 결과, 소재 Cr-Cu 합금 (용침체) 중에 함유되는 불순물, 특히 O, N, 및 C 의 함유량을 낮게 억제함으로써, 냉간에서의 가공성이 현저하게 향상되는 것을 발견하였다. 즉, O 함유량을 0.08 mass% 이하, N 함유량을 0.05 mass% 이하, C 함유량을 0.05 mass% 이하로 함으로써, 소결인 상태, 혹은 용침인 상태에서 30% 이상의 큰 압하를 가해도 균열이 발생되지 않게 되는 것을 발견하였다. 또한 바람직하게는, O 함유량을 0.03 mass% 이하, N 함유량을 0.02 mass% 이하, C 함유량을 0.01 mass% 이하로 저감시킴으로써, 60% 이상과 같은, 보다 큰 압하를 가해도 균열이 없는 양호한 압연재를 얻을 수 있다. 이들 불순물의 저감은, 모상인 Cu 의 가공성을 개선할 뿐만 아니라, Cr 상의 가공성도 개선하고 있는 듯하지만, 상세한 기구에 대해서는 조사 중이다.

또한, 보다 낮은 열팽창률이 필요한 경우 등, Cr 의 일부 또는 전부를 Mo 및/또는 W 로 치환시키는 것도 가능하다.

본 발명의 Cr-Cu 합금의 구조 상의 특징에 대해서는, 먼저 원료의 설명을 실시한 후에 설명한다.

(원료)

본 발명에 있어서는, Cr 의 원료를 Cr 분말로서 분말 야금 기술을 적용하는 것이 바람직하다. 즉, Cr 분말을 단독으로 (혹은 Cu 분말과 혼합하여) 소결시키고, 또한 Cu 를 용침시킴으로써, 30 질량% 를 초과하는 Cr 을 균일하게 분포시킨 Cr-Cu 합금의 제조가 가능해진다.

사용하는 Cr 분말은, 순도 99 질량% 이상인 것이 바람직하다. 또한, Cr 분말 중의 불순물은 용침체의 가공성 향상의 관점에서, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 특히 O, N, C 는 다대한 영향을 미쳐, 큰 가공을 실시하는 경우에는, O 함유량을 0.15 mass% 이하, N 함유량을 0.1 mass% 이하, C 함유량을 O.1 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 O 함유량을 0.08 mass% 이하, N 함유량을 0.03 mass% 이하, C 함유량을 0.03 mass% 이하이다.

Cr 분말의 입경은 얻어지는 합금의 균일성의 관점에서 입도 250㎛ 이하 (JIS 규격 Z2510 에 준거) 로 하는 것이 바람직하다. 단, 입도가 작아지면 Cr 분말의 표면적이 증대되어 쉽게 산화되고, 저장 하에서 열팽창률의 저감을 달성하는 것이 곤란해진다. 따라서, 보다 바람직한 입도는 10㎛ 이상이다.

여기에서, 입도 250㎛ 이하란, 상기 JIS 규정의 체를 사용한 체 분급에 의해, 눈금간격 (aperture, or, opening) 250㎛ 의 체를 통과하지 않는 입자를 제거한 것을 의미한다. 또 입도 10㎛ 이상이란, 동일하게 눈금간격 10㎛ 의 체를 통과한 입자를 제거한 것을 의미한다.

더욱 바람직한 입도 범위는 30 ∼ 200㎛ 이고, 가장 바람직한 범위는 50 ∼ 200㎛ 이다.

또한, 이상적인 Cr 분말의 애스펙트비는 1.0 에 가까운 것인데, 1.0 ∼ 2.0 의 범위 내이면, 문제없이 사용할 수 있다. 보다 바람직한 범위는 1.0 ∼ 1.5 이다. 더욱 바람직한 범위는 1.0 ∼ 1.2 이다. 여기에서 말하는 Cr 분말의 애스펙트비란, Cr 분말의 각각의 애스펙트비를 평균한 값이고, 구체적으로는, 예를 들어 지면 상에 뿌려진 Cr 분말을 위에서부터 관찰하여, 개개의 분말의 장경과 단경의 비를 구하고, 평균한 값으로서, (2) 식으로부터 구하는 용침체나 압연재의 애 스펙트비와는 상이하다.

Cr 분말을 소결시켜 얻은 소결체에 용침시키는 Cu 는, 공업적으로 제조되는 터프 피치 구리, 인탈산 구리, 무산소 구리 등의 금속 Cu 판, 혹은 전해 구리분, 애터마이즈 구리분 등의 Cu 분말을 사용하는 것이 바람직하다. Cu 중의 불순물이 Cr 에 확산되면 냉간 압연성이 저하되므로, Cu 의 불순물량은 낮게 억제할 필요가 있다.

(합금의 구조)

본 발명의 Cr-Cu 합금에 있어서는, 원료의 Cr 분말에서 유래하는, 편평한 Cr 상이 Cu 매트릭스 (용침된 Cu 에서 유래한다) 중에 존재한다.

상기 편평한 Cr 상의 평균 애스펙트비는, 1.0 초과 100 미만으로 한다. 발명자들이 검토한 결과, 평균 애스펙트비를 1.0 초과, 바람직하게는 1.4 이상으로 함으로써, 납땜 접합의 온도나 일본 공개 특허 공보 2005-330583호에 기재된 시효 열처리 온도 이상의 고온까지 가열시킨 후에도 낮은 열팽창률이 안정적으로 유지되게 되는 것을 알 수 있다. 그러나 압연에 의해 100 이상의 고애스펙트비를 얻는 것은 압연 횟수 등의 점에서 부담이 큰 데다가, 방열용 재료에 요구되는 양호한 박판 형상으로 하는 것이 곤란해지기 때문에, 100 미만으로 한다.

평균 애스펙트비는 2.0 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 상한측에 관하여 보다 바람직한 평균 애스펙트비는 30 이하이고, 더욱 바람직하게는 15 이하, 가장 바람직하게는 10 미만이다.

Cr 상의 애스펙트비는 용침체를 냉간 압연한 후의 단면 (압연 방향 및 압하 방향을 포함하는 단면. 용침체에서는 두께 방향을 포함하는 임의의 단면.) 을 광학 현미경으로 관찰하여 구해지고, 하기의 (2) 식으로 산출된다. 평균 애스펙트비는 산출된 애스펙트비의 평균치로써 구해진다. 구체적으로는, 예를 들어 50 ∼ 100 배의 광학 현미경으로 관찰한 임의의 시야로부터 구할 수 있고, 관찰한 시야에 전체가 들어 있는 Cr 상에 대해 측정함으로써 구해진다. 또한, 복수의 Cr 상이 합체되어 형성되어 있는 것과 같이 보이는 경우에는, 복수의 Cr 상으로 분해되고, 분해한 후의 각 Cr 상의 애스펙트비로부터 구한다.

애스펙트비 = L₁ / L₂···(2)

L₁ : 용침체를 냉간 압연시킨 후 (=압연재) 의 단면의 압연 방향의 최대 길이

L₂ : 용침체를 냉간 압연시킨 후 (=압연재) 의 단면의 압하 방향의 최대 길이

또한, 일반적인 정의로는 L₁=장경, L₂=단경인데, 압연 가공에 의해 변형되어 있는 경우, 상기 정의와 실질적으로 동일하다.

또한, 압연을 실시하지 않는 용침체에 대해서는, 두께 방향을 포함하는 임의의 단면에 있어서의 동일한 관찰 결과로부터 애스펙트비를 구하는 것으로 한다.

상기의 편평한 Cr 상의 두께 방향 (압하 방향) 의 수는 200개/㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께 방향의 Cr 상의 수가 200 개/㎜ 를 초과하면, 판두께 방향의 열전도율이 현저하게 저하되어, 방열 부품으로서의 충분한 방열 성능이 얻어지지 않는다. 바람직하게는 100 개/㎜ 이하이다. 또한, 합금의 균일성의 관점에서, 두께 방향의 Cr 상의 수는 10 개/㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 Cr-Cu 합금은, 상기 편평한 Cr 상 외에, Cu 매트릭스 중에 미세한 입자상 Cr 상이 석출되고 있어, 더욱 열팽창률 저하에 기여하고 있다.

석출시키는 입자상 Cr 상은 장경이 100㎚ 이하이고, 애스펙트비가 10 미만인 것의 밀도가 20 개/㎛² 이상인 것이 열팽창률 저감의 관점에서부터 바람직하다. 이들의 치수 및 애스펙트비가 상기 범위를 벗어난 미세 Cr 상은 열팽창률 저감에 거의 기여하지 않는다.

여기에서 말하는 입자상 Cr 상의 수는, 이하의 방법으로 결정된다. 즉 1 ∼ 5kV 의 저가속 전압에 의한 주사형 전자 현미경 (SEM) 관찰을 1 만배 ∼ 30 만배 정도로 실시하고, 시야 중에 보이는 Cr 상의 수로부터 밀도 (개/㎛²) 를 산출한다. 관찰에 사용하는 샘플은, 이하와 같은 방법으로 에칭을 실시하고 나서 관찰을 실시한다. 즉, 증류수 80㎖ 에 대해, 2 크롬산 칼륨 10g, 황산 (96%) 5㎖ ; 염산 (37%) 1 ∼ 2 방울을 용해 혼합시킨 용액 중에, 실온에서 3 ∼ 15 초 침지 후 수세 및 건조를 실시함으로써, 미세한 Cr 상의 관찰이 가능해진다.

상기 입자상 Cr 상은, 압연 전후의 열처리에 의해 Cu 매트릭스 중으로부터 Cr 을 석출시킴으로써 형성할 수 있다.

<제조 방법>

다음으로, 본 발명의 Cr-Cu 합금의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 Cr-Cu 합금의 제조 방법은,

(a) Cr 분말을 Cr 의 원료로서 사용하고, 이것을 소결시킨 후에 Cu 를 용침시킴 (혹은, Cr 과 Cu 의 분말을 혼합하여 성형, 소결시키고, 그것에 필요에 따라 Cu 를 용침시킴) 으로써 , 다량의 Cr 을 균일하게 분포시킨다,

(b) (a) 에 의해 얻어진 소재 Cr-Cu 합금 (용침체) 을 냉간 압연하고, 또한 필요에 따라 열처리와 조합시킴으로써, 용침인 상태에 비해 열팽창률을 저감시킨다는 점에 특징이 있다.

(용침체의 제조)

Cr-Cu 합금을 제조할 때에, 원료가 되는 Cr 분말을 단독으로, 혹은 Cu 분말과 혼합시킨 후, 틀에 충전시켜 필요에 따라 가압 성형하고, 그 충전재 또는 성형체를 소결시켜 얻어진 소결체 (다공질체라고 총칭한다) 에 Cu 를 용침시킨다. 편의상, 가압 성형하지 않은 자연 충전 (gravity filling) 도, 본 발명에서는 성형이라고 부르는 것으로 한다. 또한, 소결과 용침을 1 공정으로 실시할 수도 있다. 단, 혼합분을 이용하고, 또한 충분한 가압을 실시하여 Cu 를 용침시킬 필요가 없는 것에 대해서는, 실제로는 다공질체는 아니다. 즉, 본 발명에 있어서 「다공질체」라는 단어는, 용침 기술의 분야에 있어서의 통상적인 용법에 따라, 용침이 가능한 정도의 공극을 갖는 물체를 가리킨다. 바람직한 공극률로서는 수은압입법 (JIS R 1655 준거) 에 의해 얻어지는 값으로 15 ∼ 65 체적% 정도이다.

가압 성형을 실시하는 성형 공정에서는, 사용하는 원료의 조성, 충전성이나 밀도의 목표치에 따라 압력을 조정하면서 성형한다. Cr 분말을 단독으로 사용 하는 경우에는, 별도 Cu 의 용침 처리를 실시하는 것이 불가결하다. Cr 분말과 Cu 분말을 혼합하여 사용하고, 또한 고온 (Cu 가 충분히 연질화 또는 용융되는 온도) 에서 소결을 실시한 경우에는, 다시 용침 공정을 실시할 필요는 없는 경우도 있다. 또한, 소결과 용침을 동시에 실시하는 것도 가능하다.

소결 및 용침을 개별로 혹은 동시에 실시하는 공정을 소결·용침 공정이라고 총칭한다.

소결의 조건은, 1000 ∼ 1600℃ 의 범위 내 (바람직하게는 1050 ∼ 1450℃ 의 범위 내) 의 온도에서 30 ∼ 300 분 유지하는 것이 바람직하다. 분위기는 수소 분위기 또는 진공이 바람직하다.

용침은 종래부터 알려져 있는 기술을 사용하면 된다. 예를 들어 다공질체의 상면 및/또는 하면에 순 Cu 의 판이나 분말을 배치시키고, 1100 ∼ 1300℃ 의 범위 내 (바람직하게는 1150 ∼ 1250℃ 의 범위 내) 의 온도에서 20 ∼ 120 분 유지한다. 분위기는 수소 분위기 또는 진공이 바람직하다. 단, 용침된 후의 가공성 향상의 관점에서 진공 중에서 용침시키는 것이 바람직하다.

또한 본 발명자들의 연구에 의하면, Cr 과 Cu 의 혼합분을 이용하여 소결과 동시에 용침시킨 후의 냉각 속도, 혹은 Cr 분말을 소결시킨 다공질체 또는 Cr 과 Cu 의 혼합분을 소결시킨 소결체에 Cu 를 용침시킨 후의 냉각 속도는, 용침체의 열팽창률에 영향을 미치는 것으로 판명되었다. 구체적으로는, 냉각 속도가 600℃/분 이하인 것이, 보다 큰 열팽창률의 저감을 달성할 수 있으므로 바람직하다. 현상황에서는, 냉각 속도에 따라 열팽창률이 변화되는 원인은 명백하지 않지만, 소 결 중 혹은 용침 중에 Cu 매트릭스에 고용된 Cr 이 열처리에 의해 석출될 때에, 냉각 속도에 따라 형태가 변화되기 때문이라고 생각된다.

(균질화 시효 열처리)

용침체에 냉간 압연을 실시하기 전에, 필요에 따라 균질화 시효 열처리를 실시한다. 그 온도는 300 ∼ 1050℃ 의 범위 내가 바람직하다. 균질화 시효 열처리의 온도가 300℃ 미만에서는, 균질화나 시효의 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 1050℃ 를 초과하면, 용침된 Cu 가 용해되어 흘러나올 우려가 있다. 유지 시간은 30 분 이상이 바람직하다. 보다 바람직한 온도는, 400 ∼ 900℃ 이다.

또한, 여기에서 말하는 시효란, 입자상 Cr 의 석출을 가리킨다. 즉, Cr 의 소결체에 Cu 를 용침시키면 (Cr 분말과 Cu 분말의 고온 소결의 경우도 포함한다), Cr 가 Cu 중에 0.1 ∼ 2.0 질량% 고용된다. 그 Cu 매트릭스에 고용된 Cr 을, 열처리에 의해 Cu 중에 장경 100㎚ (나노미터) 이하, 애스펙트비 10 미만의 입자상인 Cr 을 석출시킨다. 이 Cr 상의 석출에 의해 열팽창률을 더욱 저감시키는 것이 가능해진다. 분위기는 진공이 바람직하다.

(냉간 압연)

용침시킨 후, 혹은 추가로 열처리를 실시한 후에, Cr-Cu 합금에 기계 가공 (예를 들어 프라이스반에 의한 절삭 가공, 지석에 의한 연삭 가공 등) 을 실시하고, 용침체의 산화층이나 표면에 잔류하는 Cu 를 제거하여 냉간 압연을 실시한다. 냉간에서 압하를 부여함으로써, 열팽창률을 저감시킬 수 있다. 특히, 10 ∼ 90% 라는 비교적 압하율이 작은 통상적인 압하여도 열팽창률을 저감시킬 수 있다.

종래, Cr 과 Cu 의 분말 야금 제품은 가공성이 나빠, 냉간 압연을 실시하면 용이하게 균열이 발생되는 것이 알려져 있다. 본 발명의 Cr-Cu 용침체에 있어서 냉간 압연이 이루어지도록 가공성이 개선된 이유는, 현재까지 분명하지 않지만, 최적의 소결, 용침 조건을 선택함으로써 용침체 중의 가스 성분을 저감시킬 수 있었던 것 등이 원인이라고 생각된다.

즉, 발명자들은, O, N, C 의 함유량을 저감시키면, 냉간에서의 가공성이 현저하게 향상된다는 견지를 얻었다. 즉, 용침체 중의 O 함유량을 0.08 질량% 이하, N 함유량을 0.05 질량% 이하, C 함유량을 0.05 질량% 이하로 함으로써, 30%

이상의 압하를 가했을 때의 Cr-Cu 용침체의 균열이 대폭 감소하는 것을 발견하였다. 또한, 용침체 중의 O 함유량을 0.03 질량% 이하, N 함유량을 0.02 질량% 이하, C 함유량을 0.01 질량% 이하로 함으로써, 60% 이상의 압하를 가한 때의 Cr-Cu 용침체의 균열을 억제할 수 있는 것을 발견하였다.

본 발명에서는, 상기한 바와 같이 용침체 혹은 용침 후에 균질화 시효 열처리를 실시한 후, 용이하게 냉간 압연이 가능해진다. 용침체에 추가로 냉간 압연을 실시하고 Cr 상의 방향성을 부여하여 Cr 상의 애스펙트비를 조정함으로써, 열팽창률을 더욱 저감시키는 것이 가능해진다. 단, 그 효과를 얻기 위해서는, 냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 부여할 필요가 있다. 그 결과, 1.0 을 초과하는 평균 애스펙트비를 갖는 Cr 상이 생성된다. 또한, 원료인 Cr 분말의 애스펙트비가 1.0 이 아닌 경우에는, 평균 애스펙트비가 대체로 분말의 애스펙트비 +0.1 이상이 되는 것이라고 생각된다. 또한, 압하를 부여하는 것은, Cu 매트릭스 중의 입자상인 미세 Cr 석출물에 방향성을 갖게 하는 효과도 갖고 있다고 생각된다. 이것도, 압연면 내에서의 열팽창률을 저하시키는 것에 기여하고 있는 것이라고 생각된다.

발명자들이 검토한 결과, 압하율의 증가와 함께 낮은 열팽창률이 고온까지 안정적으로 유지되게 되는 것을 알았다. 이 때문에, 특히 800℃ 를 초과하는 고온까지 가열되는 경납땜 접합을 실시하는 경우에는, 압하율을 많게 설정하는 것이 바람직하다. 고온에서의 열팽창률의 안정성이라는 관점에서 압하율은 30% 이상이 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 50% 이상이다. 압하율로부터 예측할 수 있는 Cr 상의 평균 애스펙트비는, 압하율 30% 일 때가 1.4, 압하율 50% 일 때가 2.0 이 된다. 단, 압연 후의 평균 애스펙트비를 실측하면, 이 값대로 되지 않는 경우도 많고, 자주 예측치보다 큰 값이 된다. 발명자들이 많은 실험 결과로부터 실측되는 평균의 애스펙트비를 구한 결과, 압하율 80% 의 경우에 10 ∼ 24 였다. 이 값은, 상기에 따르는 예측치 (5.0) 보다 크고, 예측치의 2 승 (25) 보다 작은 범위였다. 이 때문에 실제로는, 예를 들어 압하율 30% 일 때에 1.4 의 2 승 정도, 압하율 50% 일 때에 2.0 의 2 승 정도의 평균 애스펙트비를 상한으로 하는 범위에서 편차를 갖는다고 생각된다.

한편, 99% 를 초과하는 압하를 부여하기 위해서는, 냉간 압연의 패스 수가 현저하게 증대되고, 냉간 압연에 장시간을 필요로 하므로, 방열용 재료의 생산 효율이 현저하게 저하된다. 나아가서는, 압연재의 형상이 나빠져, 판 두께 정밀 도가 저하된다. 따라서, 99% 이하의 압하를 부여하는 것이 바람직하다. 또한 90% 이상의 압하를 부여하면 용침체의 단부에 균열이 생기기 쉬워져, 수율의 저하를 초래한다. 따라서, 90% 미만의 압하를 부여하는 것이 더욱 바람직하다. 보다 바람직한 압하율의 상한은 80% 이다.

용침체에 10% 의 압하를 부여하는 냉간 압연을 실시한 경우에는, Cr 상의 평균 애스펙트비는 1.1 의 2 승 정도가 되고, 90% 의 압하에서는 평균 애스펙트비는 10 의 2 승 정도, 99% 의 압하에서는 평균 애스펙트비는 100 의 2 승 정도가 되는 것으로 추측된다.

용침체에 냉간 압연을 실시함으로써 면내 방향의 열팽창률이 종래의 견지 이상으로 현저하게 저감되는 원인은, 현상황에서는 명백하지 않지만,

·냉간 압연이라는 종래 고 Cr 의 Cu 합금에 적용되지 않은 가공 형태에 의한, 3 차원적인 Cr 상의 형상의 영향

·적정한 입도 분포를 갖는 분말을 사용한 분말 야금법에 의해서만 가능한 Cr 상의 치수·개수 밀도 혹은 균질성

등이 관여하는 가능성을 생각할 수 있다.

또, 용침체에 압하를 부여함으로써, 잔류하는 공극이 밀착되어 열전도율의 저하를 방지하는 효과도 기여하고 있는 것으로 생각할 수 있다.

또한, 냉간 압연재의 면내 이방성을 줄이기 위해서는, 수직인 2 방향에 대한 압연 (이른바 크로스 압연) 을 실시하는 것도 유효한 것으로 생각할 수 있다.

또한, 위에서 말하는 냉간 압연은, 롤의 원통 몸통부에서 소재를 판상으로 압연하는 판 압연을 가리킨다.

(연질화 시효 열처리)

냉간 압연 후의 Cr-Cu 합금에 대해, 추가로 연질화 시효 열처리를 실시함으로써, 연질화 외에 시효 (입자상 Cu 석출) 를 촉진하여, 열팽창률을 더욱 저감시켜 열전도율을 향상시킬 수 있다.

연질화 시효 열처리의 분위기는, 진공이 바람직하다. 연질화 시효 열처리의 온도는 300 ∼ 900℃ 의 범위 내가 바람직하다. 연질화 시효 열처리의 온도가 300℃ 미만에서는, 연질화나 시효의 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 900℃ 를 초과하면, 용침된 Cu 가 용해되어 흘러나올 우려가 있다. 유지 시간은 30 분 이상이 바람직하다. 보다 바람직한 온도는 400 ∼ 800℃ 이다.

또한, 예를 들어 높은 강도나 강성이 필요한 부재로서 사용하는 경우에는, 냉간 압연 후의 열처리를 생략하는 것도 가능하다. 또, 예를 들어 경납땜 접합에 의해 조립을 실시하는 경우에서는, 접합시의 가열에 의해 냉간 압연 후의 열처리와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 분위기는 진공이 바람직하다.

상기의 균질화 시효 열처리 혹은 연질화 시효 열처리에 의해 석출된 미세한 입자상 Cr 이 Cr-Cu 합금의 열팽창률을 저하시키는 것은 일본 공개 특허 공보 2005-330583호에도 개시되어 있는데, 본 발명에 있어서는 냉간 압연에 의한 열팽창률 저감 효과에 더욱 상승시켜, 더욱 열팽창률을 저하시킨다. 이와 같이 냉간 압연과 석출을 위한 열처리를 조합시킴으로써 상승적인 효과가 발생되는 이유는 현상황에서는 명백하지 않지만, 소결 중 혹은 용침 중에 Cu 매트릭스에 고용된 Cr 이 열처리에 의해 석출될 때, 석출 전 또는 석출 후에 실시되는 냉간 압연에 의해 그 석출물이 유리한 방향으로 배향되어, 면내 방향의 열팽창률을 특히 효과적으로 저감시키고 있는 것을 하나의 가능성으로서 생각할 수 있다.

이 상승 효과를 얻기 위해서는 10% 이상의 압하가 필요하다. 바람직하게는 30% 이상이다. 한편, 99% 를 초과하는 압하는 상기와 같이 생산성 등에 악영향을 미치므로, 99% 이하의 압하를 부여하는 것이 바람직하다. 또, 용침체 단부의 균열을 회피하는 관점에서는, 90% 미만의 압하를 부여하는 것이 더욱 바람직하다.

<용도>

또한, 본 발명의 Cr-Cu 합금을 반도체용 방열판 및 반도체용 방열 부품으로 하려면, 절삭 가공이나 펀칭 가공 등에 의해 원하는 형상으로 가공하면 된다. 또, 바람직한 특성을 얻기 위해, 하기의 처리를 실시해도 된다.

본 발명에 의한 Cr-Cu 방열판은, 냉간 압연 상태, 혹은 추가로 열처리를 실시한 상태에서 사용할 수 있다. 또한 필요에 따라 내식성 및 전해 부식에 대한 성능을 향상시키는 목적으로, 표면에 추가로 Ni 도금, Au 도금, Ag 도금 등을 단독 혹은 조합시켜 실시할 수도 있다. 각종의 Ni 도금이나 Au 도금을 실시함으로써, 각종의 땜납 접합이나 경납땜 접합의 적용이 가능해진다.

압연법을 적용한 본 발명재에서는, 낮은 열팽창률이 800℃ 를 초과하는 고온까지 유지되므로, 접합 온도가 750℃ 이상으로 높아지는 경납땜 접합을 실시하는 용도에 대해, 본 발명재는 매우 유리하게 적용할 수 있다.

(실시예 1)

Cr 분말 (입도 50 ∼ 200㎛) 을 자연 충전 혹은 가압 성형하고, 진공 중 혹은 수소 분위기 중에서 소결시켜, 기공률 25 ∼ 55 체적% (Cu 를 용침시킨 후의 Cr 에 함유량으로 환산시키면 70 ∼ 40 질량% 에 상당한다) 가 되는 소결체 (70㎜×70㎜×10㎜) 를 제조하였다. 소결 온도는 1200 ∼ 1500℃ 로 하였다. 얻어진 소결체의 상면에 Cu 판을 탑재하고, 진공 중에서 1200℃ 로 가열하여 Cu 를 용해시키고, 소결체에 용침시켜 용침체를 얻었다.

또, Cr 분말과 Cu 분말을 혼합시킨 후에 가압 성형한 성형체의 상면에 Cu 판을 탑재하고, 진공 중에서 1200℃ 로 가열하여 Cu 를 용해시키고, 소결과 용침을 동시에 실시하여, 용침체를 얻었다.

이들의 용침체의 일부에는 열처리 (가열 온도 600℃, 유지 시간 1 시간) 를 실시하였다.

이어서 프라이스반을 이용하여, 이 Cr-Cu 합금의 표면에 잔류하는 Cu 를 제거하여 두께 9㎜ 의 Cr-Cu 합금판으로 하였다. 이 Cr-Cu 합금판의 냉간 압연을 실시하여, 두께 2.5㎜ 까지 압하시켰다. 압하율로부터 예상되는 Cr 상의 애스펙트비는 약 3.6 ∼ 13 의 범위이다.

이들의 Cr-Cu 합금판에, 열팽창률을 조정하기 위한 열처리 (가열 온도 450 ∼ 900℃, 유지 시간 1 시간) 를 실시하였다.

또한, 실온 ∼ 200℃ 의 범위에서 평균 열팽창률 (압연 방향) 을 측정하였 다. 열팽창률은 길이 20㎜ 의 시험편을 사용하여, 신쿠 이공 제조의 종형 열팽창계 DL-7000 형에 의해 측정하였다. 각 온도에서의 시험편의 길이의 변화로부터, 평균 열팽창률을 산출하였다. 또, 압연 방향 (T ∼ W 는 합금판 길이 방향) 단면의 샘플을 채취하여, 편평한 Cr 상의 애스펙트비를 조사하였다.

그 결과를 표 1 에 나타낸다.

냉간 압연을 실시하지 않은 용침 상태인 것 (T ∼ W : 예상되는 용침체 단면에서의 Cr 상의 평균 애스펙트비 1.0) 에서도, 열처리에 의해 Cu 매트릭스 중에 미세한 Cr 이 석출됨으로써, German 등의 복합칙으로부터 예상되는 것보다도 작은 열팽창률이 얻어진다. 본 발명의 방법으로 제조한 동일 조성재에서는, T ∼ W 보다 열팽창률이 더욱 낮은 값이 되고 있어, 방열용 재료로서 우수한 특성을 갖고 있다. 즉, 이미 알려진 기술에서는 열팽창률을 작게 하기 위해 Cr 함유량을 증가시키지 않으면 안되어, 필연적으로 열전도율의 저하를 초래하게 되지만, 본 발명에 의하면 낮은 열팽창률과 높은 열전도율을 동시에 달성하는 것이 가능하다.

또한, 주사형 전자 현미경 관찰을 사용한 상기 서술한 조사법에 의해, A ∼ W 중, U 를 제외한 전체 합금에서는, 장경이 100㎚ 이하에서 애스펙트비가 10 미만의 입자상인 미세 Cr 상이, Cu 매트릭스 중에 25 ∼ 100 개/㎛² 석출되어 있는 것을 확인하였다.

또, A ∼ Q 의 발명예 및 T, U 에 대해 레이저 플래시법으로 열전도율을 측정하였다. 레이저 플래시법을 채용할 때, A ∼ Q 및 T 와 동일 성분의 Cr-Cu 합금판을 제조하여, 냉간 압연을 실시하였다. 냉간 압연의 압하율은 표 1 의 각 합금판과 동일한 것으로 하였는데, 압연 전의 Cr-Cu 합금판의 두께를 바꿔, 냉간 압연 후에는 각각 2㎜ 두께 또는 0.8㎜ 두께가 되도록 하였다 (T, U 는 냉간 압연하지 않고 최종 판두께까지 절삭 및 연삭 가공에 의해 막두께를 감소시켰다). 이와 같이 하여 얻어진 2㎜ 두께의 Cr-Cu 합금판으로부터 시험편을 채취하고, 그 두께 방향의 열전도율을 레이저 플래시법으로 측정하여, 0.8㎜ 두께의 Cr-Cu 합금판으로부터 시험편을 채취하여, 그 면내 방향의 열전도율을 레이저 플래시에 의한 기판 측정법으로 측정하였다. 그 결과, 두께 방향의 열전도율은 약 150W/m·K, 면내 방향의 열전도율은 약 200W/m·K 로, 어느 방향도 양호한 열전도율을 갖는 것을 확인하였다. 또한, T 에서는 면내 방향, 두께 방향 모두 열전도율은 약 180W/m·K 였다. 또, 압연 전후에서의 열처리를 실시하지 않은 U 에서는, 면내 방향, 두께 방향 모두 열전도율은 약 140W/에·K 였다.

이들과는 별도로, 반도체용 방열체로서 반도체 소자에 납땜하여, 접합의 상황을 조사하였다. 발명예의 용침체를 5㎜ 두께까지 막두께 감소 가공시킨 후, 냉간 압연을 실시하여 제조한 Cr-Cu 합금판 (두께 0.8㎜) 을 10㎜×5㎜×0.8㎜ 의 크기로 프레스 가공하고, 또한 3㎛ 의 두께인 전해 니켈 도금을 실시한 후, Au 도금 2㎛ 를 실시하였다. 또한, 메탈라이즈하여 Ni+Au 도금 처리한 면을 갖는 5㎜×3㎜×1㎜ 의 크기인 알루미나판을 준비하여, Cr-Cu 합금판과 알루미나판을 납땜 (사용한 땜납 : Sn - 3 질량% Ag - 0.5 질량% Cu) 하였다. 그 결과, 접합 부분에 문제는 확인되지 않았다.

이로 인해 각종 업무 무선기, 아마추어 무선기를 비롯하여, GSM/AMP 방식 자동차 전화, 광대역 (broad band) 무선 인터넷 접속 모듈 등에 사용되는 실리콘 반도체, GaAs 반도체에 의한 고주파 디바이스용 대좌 (chip plate), 베이스, 플레이트용 혹은 고휘도 LED 용 대좌에 사용할 수 있는 것이 확인되었다.

다음으로, 발명예 E 의 Cr-Cu 합금판 (두께 2.5㎜) 을 50㎜×100㎜×2.5㎜ 의 크기로 가공하고, 두께 5㎛ 의 Ni 도금을 실시하였다. 이러한 Cr-Cu 합금판에 DBA 기판과 반도체 소자를, 도달 온도가 245℃ 가 되는 리플로우 처리 (reflow treatment) 에 의해 납땜 (사용한 땜납 : Sn - 3 질량% Ag - 0.5 질량% Cu) 하였다.

이 전자 부품 냉각체의 열충격 시험 (가열 온도 : -40℃, 120℃, 유지 시간 : 5 분) 을 실시하였다. 열충격 시험은 WINTEC LT20 형 액조식 열충격 시험기 (쿠스모토 화성 주식회사 제조) 를 사용하였다. 시험이 종료된 후, 초음파 탐상에 의해 크랙의 유무를 조사하였다.

발명예의 전자 부품 냉각체는 3000 사이클 종료 후, 접합 계면에 있어서의 박리나 크랙은 확인되지 않았다.

이로써 인버터 등의 파워 디바이스 반도체의 방열판으로서 사용할 수 있는 것이 확인되었다.

이상에서 설명한 대로, 본 발명의 Cr-Cu 합금은 저열팽창률과 고열전도율을 겸비하여, 반도체용 방열판이나 반도체용 방열 부품에 바람직한 재료이다.

(실시예 2)

실시예 1 과 동일한 Cr 분말을 자연 충전하고, 진공 중 혹은 수소 분위기 중에서 소결시켜, 기공률 45 체적% (Cu 를 용침시킨 후의 Cr 함유량으로 환산하면 50 질량% 에 상당한다) 가 되는 소결체 (70×70×10㎜) 를 제조하였다. 소결 온도는 1200 ∼ 1500℃ 로 하였다. 얻어진 소결체의 상면에 Cu 판을 탑재하여, 진공 중에서 1200℃ 로 가열하여 Cu 를 용해시키고, 소결체에 용침시켜 용침체를 얻었다.

또, Cr 분말과 Cu 분말을 혼합시킨 후에 가압 성형한 성형체의 상면에 Cu 판을 탑재하여, 진공 중에서 1200℃ 로 가열하여 Cu 를 용해시키고, 소결과 용침을 동시에 실시하여 용침체를 얻었다.

이들의 용침체에 열처리 (가열 온도 600℃, 유지 시간 1 시간) 를 실시하였다. 이어서 프라이스반을 이용하여, 이 Cr-Cu 합금의 표면에 잔류하는 Cu 를 제거하여 두께 9㎜ 의 Cr-Cu 합금판으로 하였다. 얻어진 Cr-Cu 합금판의 냉간 압연을 실시하여, 두께 5㎜ 혹은 2.5㎜ 까지 압하시켰다. 압하율은 각각 44%, 72% 에 상당한다. 냉간 압연 후에 Cr-Cu 합금판의 표면을 육안으로 관찰하여 균열의 유무를 조사하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 로부터 명백한 바와 같이, 발명예 a~d 에서는 균열이 확인되지 않았았던 것에 반해, 발명예 e, f 에서는 가장자리 균열이 발생되었다.

(실시예 3)

실시예 1 과 동일한 Cr 분말을 자연 충전하고 진공 중에서 소결시켜, 기공률 50 체적% (Cu 를 용침시킨 후의 Cr 함유량으로 환산하면 45 질량% 에 상당한다) 가 되는 소결체 (70×70×10㎜) 를 제조하였다. 소결 온도는 1200 ∼ 1500℃ 로 하였다. 얻어진 소결체의 상면에 Cu 판을 탑재하고, 진공 중에서 1200℃ 로 가열시켜 Cu 를 용해하고, 소결체에 용침시켜 용침체를 얻었다. 이 용침체를 No. 1 ∼ 5 의 5 개로 나누고, 그 일부에 열처리 (가열 온도 600℃ ; 유지 시간 1 시간) 를 실시하였다.

이어서 프라이스반을 이용하여, 이 Cr-Cu 합금의 표면에 잔류하는 Cu 를 제거하여 두께 1.6 ∼ 6㎜ 의 Cr-Cu 합금판으로 하였다. 일부에는 또한 냉간 압연을 실시하여, 두께 1.6㎜ 까지 압하시켰다. 그 후, 실시예 1 과 동일하게 실온 ∼ 200℃ 의 범위에서 평균 열팽창률 (압연 방향) 을 측정하였다.

각 샘플의 처리 조건은, 하기와 같다.

No. 열처리 절삭 후 두께 냉간 압연 열팽창률

1 있음 6㎜ 있음 9.7×10^-6K^-1

2 없음 6㎜ 있음 10.1×10^-6K^-1

3 있음 3.2㎜ 있음 9.8×10^-6K^-1

4 없음 3.2㎜ 있음 10.3×10^-6K^-1

5 없음 1.6 ㎜ 없음 12.5×10^-6K^-1

또한, No.1 과 2 의 냉간 압하율은 약 73%, 3 과 4 의 냉간 압하율은 50% 에 상당한다. 상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 열처리를 실시하지 않고도, 50% (No.4) 혹은 73% (No.2) 의 냉간 압연에 의해, 압연을 실시하지 않은 합금 (No.5) 에 비해, 열팽창률이 18 ∼ 19% 개선 (저감) 되어 있다. 또한 열처리를 실시하면, 개선량은 약 22% 에나 도달한다.

또한, 냉간 압연 후에 압연 방향 (No.5 는 합금판 길이 방향) 단면의 샘플을 채취하여, 광학 현미경으로 관찰함과 함께, 편평한 Cr 상의 애스펙트비 및 두께 방향의 개수를 조사하였다. 광학 현미경에 의한 관찰면의 일례를 도 1 에 나타냈다 (No.1 : 두께 방향 1/2 부, 에칭 처리 없음). Cu 매트릭스 중에 편평한 Cr 상이 존재하는 것을 알 수 있다 (입자상 Cu 상은 광학 현미경으로는 판별할 수 없다. 검은 부분은 잔류 연마제이다). 실측된 애스펙트비는 No.1 및 2 가 약 10, No.3 및 4 가 약 3.5, No.5 는 1.0 이었다. 50% 및 73% 압하에서 예상되는 애스펙트비는 2.0 ∼ 4.0 및 3.7 ∼ 13.7 이므로, 실측된 애스펙트비는 예상되는 범위 내였다. 편평한 Cr 상의 두께 방향의 개수는 No.1 및 2 가 약 30 개/㎜, No.3 및 4 가 약 20 개/㎜ 였다.

다음으로, 주사형 전자 현미경 관찰을 사용한 상기 서술한 조사법에 의해, No.1 및 3 에만, 장경이 100㎚ 이하이고 애스펙트비가 10 미만 (평균적으로 약 5) 의 입자상인 미세 Cr 상이, Cu 매트릭스 중에 약 30 ∼ 50 개/㎛² 석출되어 있는 것을 확인하였다.

본 발명에 의하면, 열팽창률이 작고, 또한 열전도율이 크고, 게다가 가공성이 우수한 Cr-Cu 합금을 제조할 수 있고, 또한 그 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열판과 반도체용 방열 부품을 제조할 수 있다.

Claims

Cr 분말을 사용한 분말 야금에서 얻어진 Cr-Cu 합금으로서,

Cr 함유량이 30 질량% 초과 80 질량% 이하이고, 또한,

Cu 매트릭스와 원료의 Cr 분말에서 유래하는 편평한 Cr 상으로 이루어지고,

상기 원료의 Cr 분말에서 유래하는 편평한 Cr 상의 평균 애스펙트비가 1.0 초과 100 미만인 Cr-Cu 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 Cr 분말의 입도가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인 Cr-Cu 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 Cu 매트릭스 중에, 장경이 100㎚ 이하이고 애스펙트비가 10 미만의 입자상인, 미세한 제 2 Cr 상이 석출되고, 상기 제 2 Cr 상의 밀도가 20 개/㎛²이상인 Cr-Cu 합금.
제 2 항에 있어서,

상기 Cu 매트릭스 중에, 장경이 100㎚ 이하이고 애스펙트비가 10 미만의 입자상인, 미세한 제 2 Cr 상이 석출되고, 상기 제 2 Cr 상의 밀도가 20 개/㎛²이상인 Cr-Cu 합금.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 편평한 Cr 상이 두께 방향 1㎜ 당 200 개 이하 존재하는 Cr-Cu 합금.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열판.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열 부품.
Cr 함유량이 30 질량% 초과 80 질량% 이하이고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한, Cu 매트릭스와 원료의 Cr 분말에서 유래하는 Cr 상을 갖는 소재 Cr-Cu 합금에,

냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 가함으로써, 상기 원료의 Cr 분말에서 유래하는 Cr 상의 평균 애스펙트비를 1.0 초과 100 미만으로 하는 단계를 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 8 항에 있어서,

Cr 분말을 원료로 하여 상기 소재 Cr-Cu 합금을 제조하는 단계를 추가로 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 Cr 분말의 입도가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
Cr 분말을 소결시켜 다공질체로 하고, 상기 다공질체에 Cu 를 용침시켜, Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 한 용침체를 얻는 소결·용침 공정과,

상기 용침체에 냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 가해 압연재를 얻는 압연 공정을 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 압연재를 300 ∼ 900℃ 의 온도 범위에서 가열하는 열처리 공정을 추가로 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 소결·용침 공정에서 얻은 용침체를 300 ∼ 1050℃ 의 온도 범위에서 가열하는 공정을, 상기 압연 공정 전에 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Cr 분말의 입도가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
(i) Cr 분말과 Cu 분말을 혼합하고 성형하여 소결시키고, 또한 Cu 를 용침시켜, Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 한 용침체를 얻는 소결·용침 공 정,

혹은,

(ⅱ) Cr 분말과 Cu 분말을 혼합하고 성형하여 소결시키고, Cr 함유량을 30 질량% 초과 80 질량% 이하로 한 용침체를 얻는 소결·용침 공정 중 어느 하나의 소결·용침 공정을 갖고, 또한,

상기 용침체에 냉간 압연에서 10% 이상의 압하를 가해 압연재를 얻는 압연 공정을 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 압연재를 300 ∼ 900℃ 의 온도 범위에서 가열하는 열처리 공정을 추가로 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 소결·용침 공정에서 얻은 용침체를 300 ∼ 1050℃ 의 온도 범위에서 가열하는 공정을 상기 압연 공정 전에 갖는 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Cr 분말의 입도가 10㎛ 이상, 250㎛ 이하인 Cr-Cu 합금의 제조 방법.
제 5 항에 기재된 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열판.
제 5 항에 기재된 Cr-Cu 합금을 사용한 반도체용 방열 부품.