KR101632727B1 - 알루미늄-다이아몬드계 복합체 및 그 제조 방법 - Google Patents

알루미늄-다이아몬드계 복합체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

높은 열전도율과 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 겸비하고, 나아가서는 반도체 소자의 히트 싱크 등으로 사용하는데 적합하도록 표면의 도금성 및 표면의 면 거칠기를 개선시킨 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제공한다. 다이아몬드 입자와 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체로서, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 복합화부 및 상기 복합화부의 양면에 마련된 표면층으로 이루어지고, 상기 표면층이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 재료로 이루어지며, 상기 다이아몬드 입자의 함유량이 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체 전체의 40부피%~70부피%인 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제공한다.

Description

알루미늄-다이아몬드계 복합체 및 그 제조 방법{ALUMINUM-DIAMOND COMPOSITE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 알루미늄-다이아몬드계 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광통신 등에 이용되는 반도체 레이저 소자나 고기능 MPU(마이크로 프로세싱 유니트) 등의 반도체 소자에서는 상기 소자로부터 발생하는 열을 어떻게 효율적으로 놓아줄지가 동작 불량 등을 방지하기 위해 매우 중요하다.
최근 반도체 소자 기술의 진보에 따라 소자의 고출력화, 고속화, 고집적화가 진행되어, 더욱더 그 방열에 대한 요구는 엄격해지고 있다. 이 때문에, 일반적으로는 히트 싱크 등의 방열 부품에 대해서도 높은 열전도율이 요구되어 열전도율이 390W/mK로 높은 구리(Cu)가 이용되고 있다.
한편, 개개의 반도체 소자는 고출력화에 따라 그 치수가 커지고 있어 반도체 소자와 방열에 이용하는 히트 싱크의 열팽창의 미스매치 문제가 표면화해 왔다. 이들 문제를 해결하기 위해서는 고열전도라는 특성과 반도체 소자의 열팽창률의 매칭을 양립하는 히트 싱크 재료의 개발이 요구되고 있다. 이와 같은 재료로서 금속과 세라믹스의 복합체, 예를 들면 알루미늄(Al)과 탄화규소(SiC)의 복합체가 제안되고 있다(특허문헌 1).
그렇지만, Al-SiC계 복합 재료에 있어서는 어떤 방법으로 조건을 적정화해도 열전도율은 300W/mK 이하로, 구리의 열전도율 이상의 더욱 높은 열전도율을 가지는 히트 싱크 재료의 개발이 요구되고 있다. 이와 같은 재료로서 다이아몬드가 가지는 높은 열전도율과 금속이 가지는 큰 열팽창률을 조합하여 고열전도율인 한편 열팽창 계수가 반도체 소자 재료에 가까운 금속-다이아몬드 복합 재료가 제안되고 있다(특허문헌 2).
또, 특허문헌 3에서는 다이아몬드 입자의 표면에 β형의 SiC층을 형성함으로써 복합화시에 형성되는 저열전도율의 금속 탄화물 생성을 억제하는 동시에 용융 금속과의 습윤성을 개선하여 얻어지는 금속-다이아몬드 복합 재료의 열전도율을 개선하고 있다.
나아가, 다이아몬드는 매우 딱딱한 재료이기 때문에 금속과 복합화하여 얻어지는 금속-다이아몬드 복합 재료도 마찬가지로 매우 딱딱해서 난가공성 재료이다. 이 때문에, 금속-다이아몬드 복합 재료는 통상의 다이아몬드 공구로는 대부분 가공하지 못하여, 소형이고 여러 가지 형상이 존재하는 히트 싱크로서 금속-다이아몬드 복합 재료를 사용하려면 어떻게 저비용으로 형상 가공을 실시할지가 과제이다. 이와 같은 과제에 대해서 금속-세라믹스 복합 재료는 통전이 가능하여 방전 가공 등에 의한 가공 방법도 검토되고 있다.
일본 특개 평9-157773호 공보 일본 특개 2000-303126호 공보 일본 특표 2007-518875호 공보
그렇지만, 상기와 같은 히트 싱크용 재료의 사용 형태로는 통상 반도체 소자의 발열을 효율적으로 방열하기 위해 반도체 소자에 대해서 히트 싱크가 납땜 등으로 접합되는 형태로 접촉 배치되어 있다. 이 때문에, 상기 용도로 이용되는 히트 싱크는 납땜 등으로 접합하는 면에 도금 처리 등을 실시할 필요가 있고, 종래의 금속-다이아몬드 복합 재료의 경우 접합면에 다이아몬드 입자가 노출되어 있으면 도금층의 형성이 어려워 그 결과 접촉 계면의 열저항이 증대한다. 나아가, 접합면의 면 거칠기가 거칠면 접합시에 납땜층의 두께가 불균일하게 되어 버려 방열성이 저하해 바람직하지 않다. 이 때문에, 히트 싱크용 재료에 요구되는 특성으로서 도금성 및 표면의 면 거칠기를 어떻게 작게 하는가 하는 과제가 있다.
따라서, 높은 열전도율과 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 겸비하면서도 표면의 도금성 및 표면의 면 거칠기를 개선시킨 복합 재료가 요구되고 있다.
즉, 본 발명의 목적은 높은 열전도율과 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 겸비하고, 나아가서는 반도체 소자의 히트 싱크 등으로 사용하는데 바람직하도록 표면의 도금성 및 표면의 면 거칠기를 개선한 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 다이아몬드 입자와 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체로서, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 복합화부 및 상기 복합화부의 양면에 마련된 표면층으로 이루어지고, 상기 표면층이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 재료로 이루어지며, 상기 다이아몬드 입자의 함유량이 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체 전체의 40부피%~70부피%인 것을 특징으로 한다.
상기 구성으로 이루어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 고열전도이면서 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 갖고, 또 표면의 도금성이 향상되어 표면의 면 거칠기가 작다.
본 발명에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 고열전도이면서 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 갖고, 나아가서는 표면의 도금성이 향상되어 표면의 면 거칠기가 작기 때문에, 반도체 소자의 방열용 히트 싱크 등으로 바람직하게 이용된다.
도 1은 실시형태 1에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 구조도이다.
도 2는 실시형태 1에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 복합화전 구조층체의 단면도이다.
도 3은 실시형태 1에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 사시도이다.
도 4는 실시형태 2에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 복합화전 구조체의 단면도이다.
[용어의 설명]
본 명세서에 있어서, 「~」라는 기호는 「이상」 및 「이하」를 의미한다. 예를 들면, 「A~B」라는 것은 A 이상이고 B 이하라는 의미이다.
본 명세서에 있어서, 「양면」이란 평판 모양으로 형성된 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 상하 양쪽의 면을 의미한다. 또 본 명세서에 있어서, 「측면부」란 평판 모양으로 형성된 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 측면, 즉 상기 양면과는 대략 수직인 부분을 의미한다.
또 본 명세서에 있어서, 「구멍 부분」이란 본 발명의 부품을 다른 방열 부재에 나사 고정하기 위해서 마련되는 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 상하면을 꿰뚫도록 가공되는 관통 구멍을 의미한다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체 및 그 제조 방법의 실시형태를 설명한다.
〈실시형태 1〉
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체(도 1의 1)는 다이아몬드 입자와 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체로서, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)는 복합화부(도 1의 2) 및 상기 복합화부(2)의 양면에 마련된 표면층(도 1의 3)으로 이루어지고, 상기 표면층(3)이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 재료로 이루어지며, 상기 다이아몬드 입자의 함유량이 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1) 전체의 40부피%~70부피%인 것을 특징으로 한다.
상기 구성으로 이루어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 고열전도이면서 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 갖고, 나아가서는 표면의 도금성이 향상되어 표면의 면 거칠기가 작다.
이하, 본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체에 대해서 용탕 단조법(溶湯鍛造法, liquid metal forging)에 따르는 제조 방법을 설명한다.
여기서, 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 제법은 크게 나누면 함침법과 분말 야금법(powder metallurgy method)의 2종이 있다. 이 중, 열전도율 등의 특성 면으로부터 실제로 상품화되고 있는 것은 함침법에 따르는 것이 많다. 함침법에도 여러 가지의 제법이 있어 상압(常壓)에서 실시하는 방법과 고압 하에서 실시하는 고압 단조법이 있다. 고압 단조법에는 용탕 단조법과 다이캐스트법이 있다.
본 발명에 적합한 방법은 고압 하에서 함침을 실시하는 고압 단조법이며, 열전도율 등의 특성이 뛰어난 치밀한 복합체를 얻으려면 용탕 단조법이 바람직하다. 용탕 단조법이란 일반적으로 고압 용기 내에 다이아몬드 등의 분말 또는 성형체를 장전하고, 이것에 알루미늄 합금 등의 용탕을 고온, 고압 하에서 함침시켜 복합 재료를 얻는 방법이다.
[다이아몬드 분말]
원료인 다이아몬드 분말은 천연 다이아몬드 분말 혹은 인조 다이아몬드 분말 모두 사용할 수 있다. 또, 이 다이아몬드 분말에는 필요에 따라 예를 들면, 실리카 등의 결합재를 첨가해도 된다. 결합재를 첨가함으로써 성형체를 형성할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
상기 다이아몬드 분말의 입도에 관해서는 열전도율의 점으로부터 평균 입자 지름이 50㎛ 이상인 분말이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평균 입자 지름이 100㎛ 이상이다. 다이아몬드 입자의 입자 지름의 상한에 관해서는 얻어지는 복합체의 두께 이하이면 특성상의 제한은 없지만, 500㎛ 이하이면 안정된 비용으로 복합체를 얻을 수 있으므로 바람직하다.
그리고, 알루미늄-다이아몬드계 복합체 중의 다이아몬드 입자의 함유량은 40부피% 이상 70부피% 이하가 바람직하다. 다이아몬드 입자의 함유량이 40부피% 이상이면 얻어지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 열전도율을 충분히 확보할 수 있다. 또, 충전성의 면으로부터 다이아몬드 입자의 함유량이 70부피% 이하인 것이 바람직하다. 70부피% 이하이면 다이아몬드 입자의 형상을 구형 등으로 가공할 필요가 없어 안정된 비용으로 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
용탕 단조법에 의해 얻어지는 복합체는 적절한 조건이면 용탕이 분말끼리의 공극 사이에 널리 퍼지므로 충전 부피에 대한 분말의 부피 비율이 얻어지는 복합체 전체의 부피에 대한 분말 재료의 부피(입자의 함유량)과 거의 같아진다.
또한, 상기 다이아몬드 입자의 표면에 β형 탄화규소의 층을 형성한 다이아몬드 분말을 사용함으로써, 복합화시에 형성되는 저열전도율의 금속 탄화물(Al4C3) 생성을 억제할 수 있고, 또한 용탕 알루미늄과의 습윤성을 개선할 수 있다. 그 결과, 얻어지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 열전도율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
용탕 단조의 준비로서 알루미늄 합금이 함침할 수 있는 다공질체로 이루어진 형재(도 2의 4), 이형제를 도포한 치밀한 이형판(도 2의 6) 및 상기 다이아몬드 분말(도 2의 7)을 도 2에 나타내는 바와 같이 배치함으로써, 형재(4), 이형판(6) 및 충전된 다이아몬드 분말(7)로 이루어진 용탕 단조를 위한 구조체로 한다.
여기서, 도 2는 용탕 단조를 위한 구조체의 단면도이며, 상기 다이아몬드 분말이 충전된 부분에 대해서의 단면도이다. 또한, 용탕 단조법으로 알루미늄 합금과 다이아몬드 분말을 복합화할 때에는 알루미늄 합금은 상기 다공질체로 이루어진 형재를 통해 다이아몬드 분말이 충전되는 부분에 도달한다.
[다공질체로 이루어진 형재]
여기서, 용탕 단조법으로 알루미늄 합금이 함침할 수 있는 다공질체로 이루어진 형재(4)의 재료로는 용탕 단조법으로 알루미늄 합금을 함침할 수 있는 다공질체이면 특별히 제약은 없다. 그러나, 이 다공질체로는 내열성이 뛰어나며 안정된 용탕의 공급을 실시할 수 있는 흑연, 질화붕소, 알루미나 섬유 등의 다공질체 등이 바람직하게 이용된다.
[이형판]
또, 치밀한 이형판(6)으로는 스테인레스판이나 세라믹스판을 사용할 수 있고, 용탕 단조법으로 알루미늄 합금이 함침되지 않는 치밀체이면 특별히 제한은 없다. 또, 이형판에 도포하는 이형제에 대해서는 내열성이 뛰어난 흑연, 질화붕소, 알루미나 등의 이형제를 바람직하게 사용할 수 있다. 나아가서는 이형판의 표면을 알루미나 졸 등에 의해 코팅한 후 상기 이형제를 도포함으로써, 보다 안정된 이형을 실시할 수 있는 이형판을 얻을 수 있다.
본 실시형태에 있어서는 복합화 후에 양면에 배치한 이형판(6)을 벗기는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 특유의 구성에 의해, 매우 평활한 표면을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
[알루미늄 합금]
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체 중의 알루미늄 합금(알루미늄을 주성분으로 하는 금속)은 함침시에 다이아몬드 분말의 공극 중(다이아몬드 입자간)에 충분히 침투시키기 위해서 가능한 한 융점이 낮은 것이 바람직하다.
이와 같은 알루미늄 합금으로서 예를 들면 실리콘을 5~25중량% 함유한 알루미늄 합금을 들 수 있다. 실리콘을 5~25중량% 함유한 알루미늄 합금을 이용함으로써, 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 치밀화가 촉진된다는 효과를 얻을 수 있다.
나아가, 상기 알루미늄 합금에 마그네슘을 함유시킴으로써 다이아몬드 입자와 금속 부분의 결합이 보다 강고하게 되므로 바람직하다. 알루미늄 합금 중의 알루미늄, 실리콘, 마그네슘 이외의 금속 성분에 관해서는 알루미늄 합금의 특성이 극단적으로 변화하지 않는 범위이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 구리 등이 포함되어 있어도 된다.
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 복합화시의 다이아몬드 분말의 충전량에 의해 두께를 조정할 수 있고, 그 두께는 0.4~6㎜가 바람직하다. 이 두께가 0.4㎜ 이상이면 히트 싱크 등으로 이용하는데 충분한 강도를 얻을 수 있다. 또, 이 두께가 6㎜ 이하이면 재료 자체의 비용을 억제할 수 있어 충분한 열전도성을 얻을 수 있다.
얻어진 구조체는 복수매를 추가로 적층해 블록으로 하여 이 블록을 600~750℃ 정도에서 가열한다. 그리고, 이 블록을 고압 용기 내에 1개 또는 2개 이상 배치하고 블록의 온도 저하를 막기 위해서 가능한 한 신속하게 융점 이상으로 가열한 알루미늄 합금의 용탕을 급탕하여 20MPa 이상의 압력에서 가압한다.
여기서, 도 2에 나타내는 바와 같이 상기 구조체의 양면에 금속판(5)을 배치해도 된다. 또, 앞서 설명한 바와 같이, 복수매의 구조체를 적층하여 블록으로 하는 경우에는 구조체의 사이에 이 금속판(5)을 통해 적층해도 된다. 이와 같은 이형판을 배치함으로써 용탕을 균일하게 함침시킬 수 있고, 또 함침 처리 후의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 취출 등의 조작을 용이하게 실시할 수 있게 된다.
상기 조작에 의해, 알루미늄 합금을 다이아몬드 분말의 공극 중에 함침시킴으로써, 알루미늄을 주성분으로 하는 표면층으로 피복된 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 성형체를 얻을 수 있다.
여기서, 블록의 가열 온도는 600℃ 이상이면 알루미늄 합금의 복합화가 안정되어 충분한 열전도율을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다. 또, 가열 온도가 750℃ 이하이면 알루미늄 합금과의 복합화시에 다이아몬드 분말 표면의 알루미늄카바이드(Al4C3) 생성을 억제할 수 있어 충분한 열전도율을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
또, 함침시의 압력에 관해서는 20MPa 이상이면 알루미늄 합금의 복합화가 안정되어 충분한 열전도율을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다. 더욱 바람직하게는 함침 압력은 50MPa 이상이다. 50MPa 이상이면, 보다 안정된 열전도율 특성을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
[어닐 처리]
또한, 상기 조작에 의해 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체에는 어닐 처리를 실시해도 된다. 어닐 처리를 실시함으로써, 상기 알루미늄-다이아몬드계 성형체 내의 변형(strain)이 제거되어 보다 안정된 열전도율 특성을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체의 표면에 영향을 주지 않고 성형체 내의 변형만을 제거하려면 상기 어닐 처리는 온도 400℃~550℃의 조건에서 10분간 이상 실시하는 것이 바람직하다.
[가공 방법]
다음에, 본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 성형체의 가공 방법의 예를 설명한다. 상기 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 매우 딱딱한 난가공성 재료이지만, 워터 제트 가공기에 의해 외주부(측면부)(도 3의 8) 및 구멍 부분(도 3의 9)의 가공을 실시해 알루미늄-다이아몬드계 복합체로 가공할 수 있다. 그 결과, 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 도 1 혹은 도 3과 같은 외주부(8) 및 구멍 부분(9)에 복합화부(2)가 노출되는 구조가 된다.
여기서, 상기 구멍 부분(9)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 다른 방열 부품에 나사 고정할 수 있도록 상하면을 꿰뚫도록 마련되어 있으면 된다. 예를 들면, 외주부와 연결된 U자형 모양과 같은 형상으로 가공함으로써 가공 비용을 삭감할 수도 있다.
또, 본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 도전성 재료이므로, 방전 가공기를 이용해도 외주부(8) 및 구멍 부분(9)의 가공을 실시할 수 있다. 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 외주부(8) 및 구멍 부분(9)에 복합화부(2)가 노출되는 구조가 된다.
또한, 본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 통상의 다이아몬드 공구 등을 이용한 가공도 가능하기는 하지만 매우 딱딱한 난가공성 재료이기 때문에, 공구의 내구성이나 가공 비용의 면으로부터 워터 제트 가공기 또는 방전 가공기에 의한 가공이 바람직하다.
[표면층]
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체에서는 복합화부(도 1의 2)의 양면이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속(알루미늄 합금)을 포함하는 재료로 이루어진 표면층(도 1의 3)으로 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 표면층(3)은 주로 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 재료로 이루어지나 알루미늄을 주성분으로 하는 금속 이외의 물질이 포함되어 있어도 된다. 즉, 상기 다이아몬드 입자나 다른 불순물 등이 포함되어 있어도 된다.
그러나, 다이아몬드 입자는 표면층(3)의 표면으로부터 0.02㎜의 부분에는 존재하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에 의해, 통상의 금속 가공에서 채용되는 가공 방법을 채용할 수 있어 연마 흔적을 남기는 일 없이 표면층(3)을 평활하게 할 수 있다.
또, 상기 표면층(3)은 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 80부피% 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다. 알루미늄을 주성분으로 하는 금속의 함유량이 80부피% 이상이면 통상의 금속 가공에서 채용되는 가공 방법을 채용할 수 있어 표면층(3)의 연마를 실시할 수 있다. 나아가서는 알루미늄을 주성분으로 하는 금속의 함유량이 90부피% 이상인 것이 바람직하다. 알루미늄을 주성분으로 하는 금속의 함유량이 90부피% 이상이면 표면 연마시에 내부의 불순물 등이 이탈해 연마 흔적을 남기는 일이 없다.
또, 상기 표면층(3)의 두께는 평균 두께로 0.03㎜ 이상 0.3㎜ 이하가 바람직하다. 상기 표면층(3)의 평균 두께가 0.03㎜ 이상이면, 그 후의 처리에 있어서 다이아몬드 입자가 노출해 버리는 일이 없어 목표로 하는 면 정밀도 및 도금성을 얻는 것이 용이해진다. 또, 표면층(3)의 평균 두께가 0.3㎜ 이하이면 얻어지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)에서 차지하는 복합화부(2)의 충분한 두께를 얻을 수 있어 충분한 열전도율을 확보할 수 있다.
또, 양면의 표면층(3)의 평균 두께의 합계가 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1) 두께의 20% 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10% 이하이다. 양면 표면의 표면층(3)의 평균 두께의 합계가 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1) 두께의 20% 이하이면 면 정밀도 및 도금성에 더해 충분한 열전도율을 얻을 수 있다.
상기 표면층(3)의 두께에 관해서는 후술하는 바와 같이 다이아몬드 분말 충전시에 다이아몬드 분말과 이형제를 도포한 치밀한 이형판의 사이에 알루미나 섬유 등의 세라믹스 섬유를 배치하여 알루미늄 합금을 복합화함으로써 조정해도 된다. 또, 세라믹스 섬유 대신에 알루미늄박을 이용함으로써도 조정할 수 있다.
[표면층의 가공]
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 양면이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 재료로 이루어진 표면층(3)으로 피복된 구조를 가지고 있기 때문에 이 표면층(3)을 가공(연마)함으로써 표면 정밀도(표면 거칠기：Ra)를 조정할 수 있다. 이 표면층(3)의 가공은 통상의 금속 가공에서 채용되는 가공 방법을 채용할 수 있고, 예를 들면 버프 연마기 등을 이용하여 연마를 실시해 표면 거칠기(Ra)를 1㎛ 이하로 할 수 있다.
나아가, 이 표면층(3)을 가공함으로써 표면층의 평균 두께를 조정할 수도 있다. 본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 히트 싱크 등의 방열 부품으로 사용하는 경우 접합면의 열저항을 고려하면 표면 거칠기가 작은 평활한 면인 것이 바람직하고, 그 표면 거칠기(Ra)는 1㎛ 이하가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. 표면 거칠기가 1㎛ 이하임으로 인해 납땜층의 두께를 균일하게 할 수 있어, 보다 높은 방열성을 얻을 수 있다.
또, 상기 표면층(3)의 평면도(平面度)에 대해서도 50㎜×50㎜ 크기로 환산하여 30㎛ 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이하이다. 이 평면도가 30㎛ 이하임으로 인해, 납땜층의 두께를 균일하게 할 수 있어 보다 높은 방열성을 얻을 수 있다.
[복합화부]
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체에서는 상기 다이아몬드 입자와 알루미늄 합금의 복합화부(도 1의 2)를 가진다.
상기 표면층(3)과 복합화부(2)의 경계는 현미경 등으로 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 단면을 관찰했을 때에 분명히 볼 수 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조의 알루미늄-다이아몬드계 복합체에서는 연마시에 표면층(3)으로부터 다이아몬드 입자가 돌출되는 일이 없기 때문에 다이아몬드 입자가 이탈해 연마 흔적을 남기는 일이 없다.
상기 표면층(3)과 복합화부(2)란 육안으로 볼 수 있는 경계를 경계를 갖지 않아도 된다. 이와 같은 구조의 알루미늄-다이아몬드계 복합체에서는 상기 표면층(3)과 복합화부(2) 사이에 응력이 생기기 어려워 연마 등으로 힘이 가해졌을 때에 표면층(3)이 파손되는 일이 없다.
[도금 처리]
본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 반도체 소자의 히트 싱크로 이용하는 경우, 반도체 소자와 납땜에 의해 접합해서 이용되는 일이 많다. 따라서, 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 접합 표면에는 도금을 실시해도 된다.
도금 처리의 방법은 특별히 한정되지 않고, 무전해 도금 처리, 전기 도금 처리법 중 어느 것이어도 된다. 알루미늄에 대한 도금 처리의 경우, Ni 도금 또는 납땜 습윤성을 고려해 Ni 도금과 Au 도금의 2층 도금을 실시한다. 이 경우의 도금의 두께는 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다.
도금 두께가 0.5㎛ 이상이면 도금 핀홀이나 납땜시의 납땜 보이드(공극)의 발생을 막을 수 있어 반도체 소자로부터의 방열 특성을 확보할 수 있다. 또, 도금의 두께가 10㎛ 이하이면 저열전도율의 Ni 도금막의 영향을 받지 않아 반도체 소자로부터의 방열 특성을 확보할 수 있다. Ni 도금막의 순도에 관해서는 납땜 습윤성에 지장을 초래하지 않는 것이면 특별히 제약은 없고, 인, 붕소 등을 함유하고 있어도 된다.
또, 본 실시형태에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 온도가 25℃일 때의 열전도율이 400W/mK 이상이고, 25℃에서 150℃에서의 열팽창 계수가 5~10×10-6/K인 것이 바람직하다.
25℃에서의 열전도율이 400W/mK 이상이고, 25℃에서 150℃의 열팽창 계수가 5~10×10-6/K이면, 고열전도율이면서 반도체 소자와 동등한 수준의 저팽창률이 된다. 이 때문에, 히트 싱크 등의 방열 부품으로 이용했을 경우, 방열 특성이 뛰어나고, 또 온도 변화를 받아도 반도체 소자와 방열 부품의 열팽창률의 차이가 작기 때문에 반도체 소자의 파괴를 억제할 수 있다. 그 결과, 고신뢰성의 방열 부품으로서 바람직하게 이용된다.
〈실시형태 2〉
다음에, 실시형태 2에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체에 대해서 설명한다. 실시형태 2에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 도 4에 나타내는 바와 같이 충전된 다이아몬드 분말(7)과 이형제를 도포한 치밀한 이형판(6) 사이에 세라믹스 섬유(10)를 배치해 알루미늄 합금을 복합함으로써 얻을 수 있다.
상기 제조 방법에 의해 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 양면에 알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어진 표면층이 형성된다.
[알루미늄-세라믹스 복합 재료]
상기 알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어진 표면층은 도금성 및 면 정밀도의 관계로부터 알루미늄 합금 이외의 함유량은 20부피% 미만이 바람직하다. 알루미늄 합금 이외의 함유량이 20부피% 미만이면 표면층을 용이하게 가공할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또, 세라믹스 섬유로는 특별히 한정되지 않지만, 내열성의 면으로부터 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 무라이트 섬유 등의 세라믹스 섬유를 바람직하게 사용할 수 있다. 그리고, 세라믹스 섬유의 함유량(Vf)은 상기 알루미늄-세라믹스 복합 재료의 특성면에서 10부피% 이하가 바람직하고, 적층하여 압축했을 때에 Vf가 20부피% 미만이 되는 것이 바람직하다.
또, 상기 세라믹스 섬유의 두께는 0.5㎜ 이하가 바람직하다. 0.5㎜ 이하이면 상기 표면층의 두께를 적절히 할 수 있어 충분한 열전도율을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
또한, 실시형태 2에 대해서는 상기 알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어진 표면층을 마련하는 것 이외에는 실시형태 1과 동일하다.
〈작용 효과〉
이하, 상기 실시형태 1 및 2에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 작용 효과에 대해서 설명한다.
상기 실시형태 1에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체(도 1의 1)는 다이아몬드 입자와 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체로서, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)는 복합화부(도 1의 2) 및 상기 복합화부(2)의 양면에 마련된 표면층(도 1의 3)으로 이루어지고, 상기 표면층(3)이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 포함하는 재료로 이루어지며, 상기 다이아몬드 입자의 함유량이 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1) 전체의 40부피%~70부피%인 것을 특징으로 한다.
상기 구성으로 이루어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)는 고열전도이면서 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 갖고, 또 표면의 도금성이 향상되어 표면의 면 거칠기가 작기 때문에 반도체 소자의 방열용 히트 싱크 등으로 바람직하게 이용된다.
또, 실시형태 2에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 상기 표면층(3)이 알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어지고, 상기 표면층(3)의 두께를 조정할 수 있어 충분한 열전도율을 가지는 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)를 얻을 수 있다.
또, 상기 표면층(3)이 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 80부피% 이상 함유하고 있기 때문에 통상의 금속 가공에서 채용되는 가공 방법에 의해 표면층(3)의 연마를 실시할 수 있다.
또한, 상기 표면층(3)의 두께가 0.03㎜ 이상 0.3㎜ 이하이기 때문에 목표로 하는 면 정밀도 및 도금성을 얻는 것이 용이해지고, 또 충분한 열전도율을 확보할 수 있다.
또, 상기 표면층(3)의 표면 거칠기(Ra)가 1㎛ 이하이기 때문에 납땜층의 두께를 균일하게 할 수 있어 보다 높은 방열성을 얻을 수 있다.
또, 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)의 두께가 0.4~6㎜이기 때문에 히트 싱크 등의 방열 부품으로서 이용하는데 충분한 강도 및 방열 특성을 가진다는 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)의 온도가 25℃일 때의 열전도율이 400W/mK 이상이고, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)의 온도가 25℃에서 150℃에서의 열팽창 계수가 5~10×10-6/K여도 된다. 이와 같이 하면, 히트 싱크 등의 방열 부품으로 이용했을 경우, 방열 특성이 뛰어나고, 또 온도 변화를 받아도 반도체 소자와 방열 부품의 열팽창률의 차이가 작기 때문에 반도체 소자의 파괴를 억제할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)의 표면에 Ni 도금층 또는 Ni 도금과 Au 도금의 2층의 도금층을 두께가 0.5~10㎛가 되도록 마련해도 된다. 이와 같이 하면 방열 부품 등으로 사용할 때에 높은 방열 특성을 확보할 수 있다.
또, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)는 용탕 단조법에 의해 제조되어도 된다. 이와 같이 하면, 열전도율 등의 특성이 뛰어난 치밀한 복합체를 얻을 수 있다.
또, 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)가 구멍 부분(9)을 갖고, 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체(1)의 측면부(8) 및 상기 구멍 부분(9)이 상기 복합화부(2)가 노출해서 이루어진 구조여도 된다. 이와 같이 하면, 방열 부품 등으로 사용할 때에 나사 등으로 고정하는 것이 가능해진다.
상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 다공질체로 이루어진 형재에 이형제가 도포된 이형판 사이에 낀 구조로 다이아몬드 입자를 충전하여 상기 형재, 상기 이형판 및 상기 충전된 다이아몬드 분말로 이루어진 구조체로 형성하는 공정과, 상기 구조체를 600~750℃에서 가열하는 공정과, 알루미늄 합금의 융점 이상으로 가열한 알루미늄 합금을 압력 20MPa 이상에서 상기 충전된 다이아몬드 입자에 함침시켜 양면이 알루미늄을 주성분으로 하는 표면층으로 피복된 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제작하는 공정을 포함하는 제조 방법으로부터 얻어지는 것이어도 된다.
이와 같은 제조 방법에 의해, 고열전도이면서 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 갖고, 또 표면의 도금성이 향상되어 표면의 면 거칠기가 작기 때문에 반도체 소자의 방열용 히트 싱크 등으로 바람직하게 이용되는 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 있다.
또, 상기 제조 방법에서는 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제작하는 공정 후, 워터 제트 가공 또는 방전 가공에 의해 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 성형체의 측면부 및 구멍 부분의 가공을 실시해 알루미늄-다이아몬드계 복합체로 하는 공정을 추가로 포함해도 된다. 이와 같은 공정에 의해, 방열 부품 등으로 사용할 때에 나사 등으로 고정하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체 및 그 제조 방법에 대해서 실시형태를 들어 설명했지만, 본 발명은 이것들로 제한되는 것은 아니다.
실시예
이하에, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1~7]
시판되고 있는 고순도의 다이아몬드 분말 A(평균 입자 지름：190㎛), 고순도의 다이아몬드 분말 B(평균 입자 지름：100㎛), 고순도의 다이아몬드 분말 C(평균 입자 지름：50㎛) 및 알루미늄 분말(평균 입자 지름：50㎛)를 표 1에 나타내는 배합비로 혼합했다.
Figure 112011010335110-pct00001
다음에, 40×40×2㎜t의 스테인레스판(SUS430재)에 알루미나 졸을 코팅하고 350℃에서 30분간 달구워 붙임 처리를 실시한 후, 흑연계 이형제를 표면에 도포해 이형판(도 2의 6)을 제작했다. 그리고, 60×60×8㎜t의 외형으로 중앙부에 40㎜×40㎜×8㎜의 구멍을 가지는 기공율 20%의 등방성 흑연 치구(도 2의 4)에 표 1의 각 다이아몬드 분말을 양면이 이형판(6) 사이에 끼우도록 충전해 구조체를 형성했다.
상기 구조체를 60㎜×60㎜×1㎜의 흑연계 이형제가 도포된 스테인레스판(도 2의 5) 사이에 끼워 복수개 적층하고, 양측에 두께 12㎜의 철판을 배치해 M10의 볼트 6개로 연결하고 면 방향의 조임 토크(clamping torque)가 10Nm가 되도록 토크렌치로 단단히 조여 하나의 블록으로 했다.
다음에, 얻어진 블록을 전기로에서 온도 650℃로 예비 가열한 후 미리 가열해 둔 내경 300㎜의 프레스형 내에 넣고, 실리콘을 12중량%, 마그네슘을 1중량% 함유하는 온도 800℃의 알루미늄 합금의 용탕을 붓고 100MPa의 압력에서 20분간 가압해 다이아몬드 분말에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 그리고, 실온까지 냉각한 후, 습식 밴드소(bandsaw)로 이형판의 형상을 따라서 절단하고 스테인레스판을 벗겼다. 그 후, 함침시의 변형 제거를 위해서 530℃의 온도에서 3시간 어닐 처리를 실시해 알루미늄-다이아몬드계 성형체를 얻었다.
얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 양면을 ＃600의 연마지로 연마한 후, 버프 연마를 실시했다. 또한, 실시예 7은 양면을 ＃600의 연마지로 연마만 하고 버프 연마는 실시하지 않았다.
계속해서, 워터 제트 가공기(스기노머신제 어브레이시브·제트 컷터 NC)에 의해 압력 250MPa, 가공 속도 50㎜/분의 조건으로 연마 지립(polishing abrasive grain)으로서 입도 100㎛의 가넷(garnet)을 사용하여 25㎜×25㎜×2㎜의 형상으로 가공해 알루미늄-다이아몬드계 복합체로 했다.
얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 단면을 공장 현미경으로 관찰해 양면의 표면층(도 1의 3)의 평균 두께를 측정했다. 또, 표면 거칠기계에 의한 표면 거칠기(Ra) 및 3차원 윤곽 형상 측정에 의한 평면도를 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
또, 워터 제트 가공에 의해 열팽창 계수 측정용 시험체(3㎜×2㎜×10㎜), 열전도율 측정용 시험체(25㎜×25㎜×2㎜)를 제작했다. 각각의 시험편을 이용하여 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수를 열팽창계(세이코 전자공업사제；TMA300)로 25℃에서의 열전도율을 레이저 플래쉬법(리가쿠 전기사제；LF/TCM-8510B)로 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
또, 실시예 1의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 밀도를 아르키메데스법에 의해 측정한 결과, 3.10g/㎤였다. 또한, 실시예 1에 대해서 굴곡 강도 시험체(3㎜×2㎜×40㎜)를 제작해 굴곡 강도 시험기로 3점 굴곡 강도를 측정한 결과 330MPa였다.
Figure 112011010335110-pct00002
또, 상기의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 초음파 세정한 후 무전해 Ni-P 및 Ni-B도금을 실시해 실시예 1~7에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 표면에 8㎛ 두께(Ni-P：6㎛ ＋ Ni-B：2㎛)의 도금층을 형성했다. 얻어진 도금품에 대해서 JIS Z3197(대응 국제 규격은 ISO 9455이다.)에 준해 납땜 젖음 확산률(solder flux) 측정을 실시한 결과, 모든 도금품에서 납땜 젖음 확산률은 80% 이상이었다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~7에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 표면 거칠기가 0.20~0.90㎛로 매우 평활하고, 고열전도율 및 반도체 소자에 가까운 열팽창 계수를 가지고 있다.
[실시예 8~17, 비교예 1~3]
40㎜×40㎜×2㎜의 표 3에 나타내는 이형판에 알루미나 졸을 코팅하고 온도 350℃에서 30분간 달구워 붙임 처리를 실시한 후 흑연계 이형제를 표면에 도포해 이형판(도 2의 6)을 제작했다. 그리고, 60㎜×60㎜의 외형으로 중앙부에 40㎜×40㎜의 내경의 구멍을 가지는 표 3에 나타내는 형재(충전 치구)(도 2의 4)에 다이아몬드 분말 A(평균 입자 지름：190㎛)가 부피/충전부피=60부피%가 되도록 양면이 이형판(6) 사이에 끼도록 충전해 적층체를 형성했다.
상기 적층체를 60㎜×60㎜×1㎜의 흑연계 이형제가 도포된 스테인레스판(도 2의 5) 사이에 끼워 복수개를 적층하고, 양면에 12㎜ 두께의 철판을 배치해 M10의 볼트 6개로 연결하고 면 방향의 조임 토크가 10Nm가 되도록 토크렌치로 단단히 조여 하나의 블록으로 했다.
다음에, 얻어진 블록을 표 3에 나타내는 온도에서 전기로에 의해 예비 가열한 후 미리 가열해 둔 내경 300㎜의 프레스형 내에 넣고, 실리콘을 12중량%, 마그네슘을 1중량% 함유하는 온도 800℃의 알루미늄 합금의 용탕을 붓고 표 3에 나타내는 압력으로 20분간 가압해 다이아몬드 분말에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 그리고, 실온까지 냉각한 후, 습식 밴드소로 이형판의 형상을 따라서 절단하고 스테인레스판을 벗겼다. 그 후, 함침시의 변형 제거를 위해서 530℃의 온도에서 3시간 어닐 처리를 실시해 알루미늄-다이아몬드계 성형체를 얻었다.
Figure 112011010335110-pct00003
얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 양면을 ＃600의 연마지로 연마한 후, 버프 연마를 실시했다. 계속해서, 방전 가공기에 의해 가공 속도 5㎜/분의 조건으로 25㎜×25㎜×2㎜의 형상으로 가공해 알루미늄-다이아몬드계 복합체로 했다. 그리고, 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 단면을 공장 현미경으로 관찰해 양면 표면층의 유무 및 평균 두께를 측정했다. 또, 표면 거칠기계에 의한 표면 거칠기(Ra) 및 3차원 형상 측정기에 의한 평면도를 측정했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
또, 방전 가공에 의해 열팽창 계수 측정용 시험체(3㎜×10㎜×판 두께), 열전도율 측정용 시험체(25 ㎜×25㎜×판 두께)를 제작했다. 그리고, 각각의 시험체를 이용하여 실시예 1~7과 마찬가지로 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수, 온도 25℃에서의 열전도율을 측정했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure 112011010335110-pct00004
또, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 초음파 세정한 후, 무전해 Ni-P 및 무전해 Au 도금을 실시해 복합체의 표면에 6.05㎛ 두께(Ni-P：6㎛ ＋ Au：0.05㎛)의 도금층을 형성했다. 얻어진 도금품에 대해서 JIS Z3197에 준해 납땜 젖음 확산률의 측정을 실시한 결과, 모든 도금품에서 납땜 젖음 확산률은 85% 이상이었다.
표 4에 나타내는 바와 같이, 실시예 8~17에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 표면 거칠기가 0.25~0.75㎛로 매우 평활하고, 고열전도율 및 반도체 소자에 가까운 열팽창 계수를 가지고 있다.
이와는 대조적으로, 비교예 1에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체에서는 본 발명의 특징인 표면층이 존재하지 않고, 연마를 실시했음에도 불구하고 표면이 거칠었다. 또, 원하는 열전도율이 얻어지지 않았다. 이것은 함침시의 압력이 20MPa 이하이기 때문이라고 생각된다.
또, 비교예 2에서는 알루미늄 합금의 다이아몬드 분말의 공극 중으로의 함침이 진행되지 않아 복합화가 불완전했다. 그리고, 얻어진 성형체는 밀도가 2.2g/㎤로 무르고, 원하는 평판 형상은 아니었다. 이것은 비교예 2에서는 예열 온도가 600℃ 이하이기 때문이라고 생각된다.
또, 비교예 3에서는 알루미늄 합금이 다이아몬드 분말의 공극 중에 거의 함침하지 않아 성형체를 얻을 수 없었다. 이 때문에, 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 얻을 수 없었다. 이것은 형재로서 다공질이 아닌 스테인레스를 이용했기 때문이라고 생각된다.
[실시예 18]
실시예 1과 동일한 방법에 의해, 고순도의 다이아몬드 분말 A(평균 입자 지름：190㎛)를 이용해 적층체를 제작하고, 60㎜×60㎜×1㎜의 흑연계 이형제가 도포된 스테인레스판(도 2의 5) 사이에 끼워 복수개를 적층하며, 양면에 12㎜ 두께의 철판을 배치해 M10의 볼트 6개로 연결하고 면 방향의 조임 토크가 10Nm가 되도록 토크렌치로 단단히 조여 하나의 블록으로 했다.
다음에, 얻어진 블록을 전기로에서 온도 700℃로 예비 가열한 후 미리 가열해 둔 내경 300㎜의 프레스형 내에 넣고, 온도 800℃의 순알루미늄의 용탕을 붓고 100MPa의 압력으로 20분간 가압해 다이아몬드 분말에 알루미늄을 함침시켰다. 그리고, 실온까지 냉각한 후, 습식 밴드소로 이형판의 형상을 따라서 절단하고 스테인레스판을 벗긴 후, 함침시의 변형 제거를 위해서 530℃의 온도에서 3시간 어닐 처리를 실시해 알루미늄-다이아몬드계 성형체를 얻었다. 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체의 다이아몬드 입자의 함유량은 60부피%이고, 아르키메데스법에 의해 측정한 밀도는 3.09g/㎤였다.
얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 실시예 1과 동일한 연마, 가공을 실시해 25㎜×25㎜×2㎜의 형상으로 가공하여 알루미늄-다이아몬드계 복합체로 했다. 그리고, 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 단면을 공장 현미경으로 관찰해 양면 표면층(도 1의 3)의 평균 두께를 측정한 결과, 표면층(3)의 평균 두께는 0.06㎜였다. 또, 표면 거칠기계로 측정한 표면 거칠기(Ra)는 0.26㎛, 3차원 형상 측정기로 측정한 평면도는 2㎛였다.
그리고, 실시예 1과 동일하게 시험체를 가공해 열전도율, 열팽창 계수, 굴곡 강도를 측정했다. 그 결과, 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수는 7.8×10-6/K, 온도 25℃에서의 열전도율은 520W/mK, 3점 굴곡 강도는 320MPa였다.
실시예 18에서는 순알루미늄을 이용하고 있다. 이에 의해, 표면 거칠기가 0.26㎛, 평면도가 2㎛로 매우 평활하고, 고열전도율 및 반도체 소자에 가까운 열팽창 계수를 가지고 있다.
[실시예 19~24]
40㎜×40㎜×2㎜의 스테인레스판(SUS430재)에 알루미나 졸을 코팅하고 온도 350℃에서 30분간 달구워 붙임 처리를 실시한 후, 흑연계 이형제를 표면에 도포해 이형판(도 4의 6)을 제작했다.
다음에, 60㎜×60㎜×8.4㎜의 외형으로 중앙부에 40㎜×40㎜×8.4㎜의 구멍을 가지는 기공율 20%의 등방성 흑연 치구(도 4의 4)에 다이아몬드 분말 A(평균 입자 지름：190㎛) 6.76g를 표 5에 나타내는 적층 부재(도 4의 10)로 양면을 끼우고, 추가로 양면이 이형판(도 4의 6) 사이에 끼도록 충전했다.
이들 적층체는 60㎜×60㎜×1㎜의 흑연계 이형제가 도포된 스테인레스판(도 4의 5) 사이에 끼워 복수개를 적층하고, 양면에 12㎜ 두께의 철판을 배치해 M10의 볼트 6개로 연결하고 면 방향의 조임 토크가 10Nm가 되도록 토크렌치로 단단히 조여 하나의 블록으로 했다. 이 단계에서, 세라믹스 섬유는 압축되어 양면에 배치된 합계 두께는 0.4㎜가 되어 있었다.
Figure 112011010335110-pct00005
다음에, 얻어진 블록을 실시예 1과 동일한 방법으로 다이아몬드 분말에 알루미늄 합금을 함침시켜 40㎜×40㎜×2.4㎜의 알루미늄-다이아몬드계 성형체를 얻었다. 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체의 다이아몬드 입자의 함유량은 50부피%였다.
얻어진 알루미늄-다이아몬드계 성형체는 실시예 1과 동일하게 연마를 실시한 후, 워터 제트 가공기에 의해 25㎜×25㎜×2.4㎜의 형상으로 가공해 알루미늄-다이아몬드계 복합체로 했다. 또, 실시예 20에서는 양면의 표면층을 평면 연삭반(grinding disc)으로 각 0.15㎜ 연삭 가공한 후 버프 연마했다. 그 결과, 실시예 20은 25㎜×25㎜×2.1㎜의 형상이 되고, 다이아몬드 입자의 함유량은 57부피%가 되었다.
그리고, 얻어진 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 단면을 공장 현미경으로 관찰해 양면 표면층(3)(알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어진 표면층)의 평균 두께를 측정했다. 또, 표면 거칠기계에 의한 표면 거칠기(Ra) 및 3차원 형상 측정기에 의한 평면도를 측정했다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.
또한, 방전 가공에 의해 열팽창 계수 측정용 시험체(3㎜×10㎜×판 두께), 열전도율 측정용 시험체(25㎜×25㎜×판 두께)를 제작했다. 각각의 시험체를 이용하여 실시예 1과 동일하게 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수, 온도 25℃에서의 열전도율을 측정했다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.
Figure 112011010335110-pct00006
다음에, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 초음파 세정한 후, 무전해Ni-P 및 무전해 Ni-B 도금을 실시해 복합체의 표면에 8㎛ 두께(Ni-P：6㎛ ＋ Ni-B：2㎛)의 도금층을 형성했다. 얻어진 도금품에 대해서, JIS Z3197에 준해 납땜 젖음 확산률의 측정을 실시한 결과, 모든 도금품에서 납땜 젖음 확산률은 80% 이상이었다.
표 6에 나타내는 바와 같이, 실시예 19~24에 관한 알루미늄-다이아몬드계 복합체는 표면 거칠기가 0.28~0.35㎛, 평면도가 1~2㎛로 매우 평활하고, 고열전도율 및 반도체 소자에 가까운 열팽창 계수를 가지고 있다.
또, 연삭 가공을 실시한 실시예 20을 제외하고 표면층의 평균 두께가 0.23~0.25㎜가 되고 있어, 세라믹스 섬유 등의 부재를 배치함으로써 거의 일정한 두께의 표면층을 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
[실시예 25~32]
실시예 1에서 워터 제트 가공 후의 25㎜×25㎜×2㎜ 형상의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 초음파 세정한 후, 표 7에 나타내는 각종 조건으로 무전해 도금 처리를 실시해 복합체의 표면에 도금층을 형성했다. 얻어진 도금품의 도금 두께를 측정한 결과를 표 7에 나타낸다.
Figure 112011010335110-pct00007
각 도금품에 대해서, JIS Z3197에 준해 납땜 젖음 확산률의 측정을 실시한 결과, 실시예 31에서는 표면이 평활하고, 높은 열전도율과 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 겸비하며, 납땜 젖음 확산률이 75%이지만, 납땜면에 보이드가 확인되었다. 이 납땜 보이드 부분을 현미경으로 확인한 결과, 보이드 중앙부에 도금층이 관찰되었다. 이것은 도금의 두께가 0.5㎛ 이하이기 때문이라고 생각된다.
또, 실시예 32에서는 표면이 평활하고, 높은 열전도율과 반도체 소자에 가까운 열팽창률을 겸비하고는 있지만, 납땜 젖음 확산률을 측정할 때의 가열시에 도금층에 크랙이 발생했다. 이것은 도금의 두께가 10㎛ 이상이기 때문이라고 생각된다.
이것에 대해, 실시예 25~30의 도금품에서는 납땜 젖음 확산률은 80% 이상이며, 히트 싱크로 이용했을 경우 보다 높은 열전도율을 얻을 수 있다. 이것은 도금의 두께가 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하이기 때문이라고 생각된다.
1 알루미늄-다이아몬드계 복합체
2 복합화부
3 표면층
4 다공질체로 이루어진 형재
5 금속판
6 이형재를 도포한 이형판
7 다이아몬드 분말
8 외주부
9 구멍 부분
10 세라믹스 섬유

Claims (12)

  1. 다이아몬드 입자와, 알루미늄을 함유하는 금속을 포함하는 복합화부; 및 세라믹스 섬유와 알루미늄을 함유하는 금속을 포함하는 알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어지는 표면층;을 포함하는 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체로서,
    상기 표면층은 상기 복합화부의 양면에 마련되고,
    상기 다이아몬드 입자의 함유량이 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체 전체의 40부피%~70부피%이며,
    상기 표면층의 표면 거칠기(Ra)가 1㎛ 이하이고,
    상기 표면층의 두께가 0.03㎜ 이상 0.3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면층이 알루미늄을 함유하는 금속을 80부피% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 두께가 0.4~6㎜인 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  7. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 온도가 25℃일 때의 열전도율이 400W/mK 이상이고, 상기 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 온도가 25℃에서 150℃에서의 열팽창 계수가 5~10×10-6/K인 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  8. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 표면층의 표면에 Ni 도금층 또는 Ni 도금과 Au 도금의 2층의 도금층을 두께가 0.5~10㎛가 되도록 마련해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  9. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    용탕 단조법(溶湯鍛造法, liquid metal forging)에 의해 제조되는 알루미늄-다이아몬드계 복합체인 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  10. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체가 구멍 부분을 갖고, 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 측면부 및 상기 구멍 부분이 상기 복합화부가 노출하여 이루어진 구조인 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체.
  11. 다공질체로 이루어진 형재에 이형제가 도포된 이형판 사이에 세라믹스 섬유와 다이아몬드 입자가 배치되고, 상기 세라믹스 섬유는 상기 이형판과 상기 다이아몬드 입자 사이에 낀 구조가 되도록 다이아몬드 입자를 충전하여 상기 형재, 상기 이형판, 상기 세라믹스 섬유 및 상기 충전된 다이아몬드 분말로 이루어진 구조체를 형성하는 공정과,
    상기 구조체를 600~750℃에서 가열하는 공정과,
    알루미늄 합금의 융점 이상으로 가열한 알루미늄 합금을 압력 20MPa 이상에서 상기 충전된 다이아몬드 입자에 함침시켜 양면이 세라믹스 섬유와 알루미늄을 함유하는 금속을 포함하는 알루미늄-세라믹스 복합 재료로 이루어지는 표면층으로 피복된 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 1의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체를 제작하는 공정 후, 워터 제트 가공(water-jet cutting) 또는 방전 가공에 의해 상기 평판 모양의 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 측면부 및 구멍 부분의 가공을 실시하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-다이아몬드계 복합체의 제조 방법.
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