KR102047435B1 - 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 - Google Patents

고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 히트 스프레더로, 알루미나와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일하거나 유사한 열팽창계수를 가지면서, 동시에 고출력 소자에서 발생하는 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더에 관한 것이다.
본 발명의 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더는, 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축한 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하고, 커팅된 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하며, 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 형성한 다수의 격자체를 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합되는 특징으로 한다.

Description

고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더{Metal Matrix Composite Heat Spreader with High Thermal Conduction Efficiency}
본 발명은 방열판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 히트 스프레더로, 알루미나와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일하거나 유사한 열팽창계수를 가지면서, 동시에 고출력 소자에서 발생하는 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더에 관한 것이다.
최근 정보통신 및 국방분야의 핵심기술로서 GaN형 화합물 반도체를 이용한 고출력 증폭소자가 주목을 받고 있다.
이러한 고출력 전자소자나 광소자에서는 일반 소자에 비해 많은 열이 발생하고 이와 같이 발생한 다량의 열을 효율적으로 배출할 수 있는 패키징 기술이 필요하다.
현재, GaN형 화합물 반도체를 활용한 고출력 반도체 소자에는, W/Cu의 2층 복합소재, Cu와 Mo의 2상(phase) 복합소재, Cu/Mo/Cu의 3층 복합소재, Cu/Cu-Mo 합금/Cu의 3층 복합소재와 같이 비교적 양호한 열전도도와 낮은 열팽창계수를 갖는 금속기 복합재료가 사용되고 있다.
그런데, 이들 복합재료의 열전도도는 최대 300W/mK 정도로, 수백 와트급 파워 트랜지스터에서 요구되는 400W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현하지 못하므로, 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 소자에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 반도체 소자를 제조하는 공정에는 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 소재와의 브레이징 접합 공정이 필수적이며, 이와 같은 브레이징 접합 공정은 약 800℃ 이상의 고온에서 이루어지기 때문에, 상기 금속 복합체 기판과 세라믹 소재 간의 열팽창계수의 차이에 의해, 브레이징 접합 과정에서 휨이나 파손이 발생하며, 이와 같은 휨이나 파손이 발생하여 소자의 불량을 유발하는 문제점도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 8×10-6/K 이하의 낮은 열팽창계수를 가져 세라믹재료(특히 알루미나)와의 접합시 휨이나 파손이 발생하지 않을 뿐 아니라 400W/mK 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있어 수백 와트급 파워 트랜지스터와 같은 고출력 소자에 적합하게 사용될 수 있는 방열판재를 제공하는 한국등록특허 제10-1691724호(발명의 명칭: 고출력 소자용 방열판재)가 개시된 바 있다.
상기 방열판재는, 코어층과, 상기 코어층의 상,하면에 적층하여 형성된 2개의 커버층을 포함하여 이루어지는 방열판재로, 상기 코어층은 Cu 기지(matrix)에 탄소상이 복합화된 복합재료로 이루어지고, 상기 커버층은 Mo-Cu 합금으로 이루어지며, 상기 코어층에 있어서, Cu 기지(matrix)와 탄소상 간의 계면의 적어도 일부에는 Cu-C의 확산영역이 1~30nm 두께로 형성되어 있고, 상기 방열판재의 두께 방향 열전도도는 400W/mK 이상이고, 그 수직한 방향의 열팽창계수는 8×10-6/K 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 방열판재는 열팽창계수도 8×10-6/K 이하로 낮게 유지할 수 있어 반도체소자를 제조하는 공정에 필수적인 세라믹 소재와의 접합 공정에서 휨이나 파손이 발생하는 것을 막을 수 있어 알루미나와 같이 세라믹 재료와의 접합이 요구되는 고출력 반도체 소자의 방열기판으로서 적합하게 사용될 수 있는 효과가 있다.
하지만, 반도체 소자의 크기가 큰 경우에는 상기 방열판재도 반도체 소자에 상응하여 넓이가 확대되어야 한다.
방열판재는 반도체 소자의 장기간 사용에 따라 열팽창으로 인한 인장 및 압축이 반복되게 되는데, 열팽창으로 인하여 변형이 발생되게 된다. 이와 같은 반복적인 열팽창으로 인한 변형에 의해, 특히, 반도체 소자와 접합된 가운데 부위에서 갭이 발생되게 되며, 이러한 갭에 의해 열전달율이 급격하게 저하되므로 방열판재로서의 역할을 제대로 수행하지 못하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 넓은 방열판재의 경우에 반복적인 열팽창으로 인한 변형을 억제하도록 하며 우수한 기계적인 강도를 구현할 수 있도록 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더는, 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 고온조건에서 압축한 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하고, 커팅된 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하며, 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 형성한 다수의 격자체를 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합되는 특징으로 한다.
또한, 상기 소결체의 분말조성은 구리분말 60 내지 80vol%, 흑연분말 20 내지 40vol%이며, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 1차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되며, 구리와 몰리브덴 합금 시트의 조성은 구리 60 내지 80wt%, 몰리브덴 20 내지 40wt%인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 2차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바를 적층하여 판재가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법은, 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축하여 소결체를 형성하는 단계; 형성된 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하여 소결체 슬라이스 판재를 형성하는 단계; 형성된 소결체 슬라이스 판재의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하는 단계; 1차 접합한 판재를 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 다수의 격자체를 형성하는 단계; 격자체의 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 소결체의 분말조성은 구리분말 60 내지 80wt%, 흑연분말 20 내지 40wt%이며, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 1차 접합은, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되며, 구리와 몰리브덴 합금 시트의 조성은 구리 60 내지 80wt%, 몰리브덴 20 내지 40wt%인 것을 특징으로 하는 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되며, 구리와 몰리브덴 합금 시트의 조성은 구리 60 내지 80wt%, 몰리브덴 20 내지 40wt%인 것을 특징으로 한다.
아울러, 2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바를 적층하여 판재가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더는, 화합물 반도체를 이용한 고출력 반도체 소자의 패키징용에 적합하게 사용될 수 있는 히트 스프레더로, 알루미나와 같은 세라믹 소재와 접합하더라도 양호한 접합이 가능하도록 세라믹 소재와 동일하거나 유사한 열팽창계수를 가지면서, 동시에 고출력 소자에서 발생하는 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 반도체 소자의 장기간 사용에 따라 열팽창으로 인한 인장 및 압축이 반복되게 되는데, 열팽창으로 인하여 흑연분말의 취성특성에 따른 변형이 발생되게 되는 문제점을 개선하여 격자체를 접합하여 형성하게 됨으로써, 반복적인 열팽창으로 인한 변형이 적어 반도체 소자와 접합된 가운데 부위에서 갭이 발생되지 않으며, 열전달율이 급격한 저하가 발생되지 않아 방열판재로서의 역할을 충분히 수행할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 구리 및 몰리브덴 합금 시트 및 구리 시트에 의해 흑연분말의 취성특성에 따른 변형을 줄일 수 있어 스프레더의 변형을 방지하게 됨으로써 강도를 개선할 수 있다. 또, 반도체 소자가 대형인 경우에도 열적 변형이 적게 됨에 따라 고효율로 다량의 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더의 개념도이다.
도 2는 무전해 구리도금의 온도와 반응시간에 따른 용액 내의 구리이온의 농도변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 제조된 복합분말을 주사전자현미경을 사용하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 파이버 형상의 흑연 위에 무전해 구리도금이 형성된 분말의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 구리-70 vol% 흑연 복합분말의 열분석(DSC/TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 구리-70 vol% 흑연 복합분말의 구리-흑연 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 플레이크, 파이버 형상의 구리-60 vol% 흑연 및 구리-70 vol.% 흑연 복합재료의 미세조직을 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 구리-70 vol% 흑연 복합분말의 소결온도에 따른 상대밀도와 수축율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)에 의한 구리-흑연 복합재료의 계면관찰 결과를 나타낸 사진이다.
도 10은 균일한 두께의 흑연 산화물 층을 가지는 구리-흑연 복합재료의 구리-흑연 계면을 고분해능 투과전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 11은 흑연-구리 계면의 TEM-EDS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 소결과정에서 구리-흑연 복합재료의 화학적 구조 변화를 라만 스펙트럼 분석을 통하여 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 상업용으로 많이 사용되는 열전달재료의 열적특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 소결품 가압방향의 수직되는 방향과 가압방향과 동일한 방향으로 시제품을 가공하는 모식도이다.
도 16은 흑연함량 60, 70vol% 별 동일한 상온성형과 SPS 소결조건에서 제조한 시편을 대상으로 가압방향의 수평 (in-plane), 수직 (through-plane)으로 가공된 샘플을 대상으로 열전도도와 열확산 계수값을 나타낸 그래프이다.
도 17은 수직, 수평방향으로 가공된 샘플의 열확산계수와 열전도도를 나타낸 그래프이다.
도 18은 소결품의 열전도도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 30 vol% 흑연 함량에 따른 상온에서 300℃ 까지 열팽창계수를 나타낸 그래프이다.
도 20은 흑연함량별 열팽창계수를 나타낸 그래프이다.
도 21은 2차 소결 가압력에 따른 열전도도와 열팽창 수치를 나타낸 그래프이다.
도 22는 흑연함량(50 ∼ 70 vol%)에 따른 굽힘강도를 나타낸 그래프이다.
도 23은 구리-흑연 복합재료와 Cu-Mo 합금, 구리 플레이트의 각각의 마찰계수를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 및 이의 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더의 개념도이다.
본 발명에 따른 방열판재의 제조공정을 나타낸 개념도이다.
본 발명에 의한 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더는, 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축한 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하고, 커팅된 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합(1st bonding)한 판재를 형성하며, 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 형성한 다수의 격자체를 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합(2nd bonding)되도록 한다.
구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축한 소결체를 형성하게 되면 흑연은 소결압축한 일축방향과 수직되는 방향으로 길게 배열되는 층상구조를 가지게 된다.
이때, 상기 흑연상은, 완전히 판상으로 형성된 입자는 물론, 플레이크(Flake)와 파이버 형상을 가진다.
아울러, 흑연과 구리의 계면에는 구리와 흑연이 확산되어 형성된 흑연과 구리의 확산영역이 존재하며, 이 확산영역은 흑연 표면의 C-C결합이 산화구리 표면부터 카본과 반응하여 부분적으로 환원된 흑연산화물이 형성되어 열전도도 향상에 기여하게 된다.
또한, 상기 소결체의 분말조성은 구리분말 60 내지 80vol%, 흑연분말 20 내지 40vol%이며, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것이 바람직하다.
구리분말의 함량이 60vol% 초과하면 열전도값이 낮아지며, 알루미나와 같은 세라믹 재료와의 접합시 열팽창계수의 차이로 접착계면 특성이 저하되게 된다.
흑연분말의 함량이 40vol%이상 초과시 열전전도값은 올라가나, 방열 복합소재의 취성이 증가하여 스프레더의 기계적물성이 전반적으로 취약해진다.
흑연분말의 부피비가 너무 낮으면 방열판재의 열팽창계수가 너무 낮게 되어 큰 방열효과를 기대하기가 어렵고, 흑연분말의 부피비가 너무 높으면 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 이를 접합하는 1차 접합시 시트와 접합할 때 접착력이 낮아지게 되어 박리되는 문제점이 있다.
따라서, 금속기지복합소재의 방전플라즈마 소결시 가압력은 30 내지 50 MPa의 가압력이 필요하며, 30 MPa 이하의 가압력은 복합소재 미소결을 야기시키며, 가압력이 70Mpa이상의 경우는 소결시 몰드파손 및 복합소재 밀도제어의 공정 재현의 어려움이 있다.
소결된 소결체를 압축방향과 동일한 방향(도 1에서 in-plane 방향)으로 슬라이스 커팅하고, 커팅된 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하고 이를 적층하여 1차 접합한 판재를 형성한다.
소결된 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하게 되면 흑연이 슬라이스 커팅된 판재의 두께 방향으로 층상구조를 가지게 되며, 흑연 표면의 C-C결합이 산화구리 표면부터 카본과 반응하여 부분적으로 환원된 흑연산화물도 층상구조를 가지게 되어 판재의 두께방향으로의 열전도도가 향상되게 된다.
아울러, 상기 1차 접합은, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되며, 구리와 몰리브덴 합금 시트의 조성은 구리 60 내지 80wt%, 몰리브덴 20 내지 40wt%인 것이 바람직하다.
커팅된 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하고 이를 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하는 것은, 방열판재에 반복적인 열이 가해지게 되면 소결체에 포함된 흑연이 반복적인 열팽창으로 인해 변형을 일으키게 되므로 이를 방지하기 위해 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하고 이를 접합하여 판재를 형성하도록 한다. 이러한 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트는 소결체에 포함된 흑연이 반복적인 열팽창으로 인한 변형을 방지하게 된다.
구리와 몰리브덴 합금 시트는 Co(코발트)를 아르곤 분위기 내에서 PVD공정으로 50 내지 100 마이크론(um)의 두께로 코팅되도록 하는 전처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
Co(코발트)로 PVD 코팅하는 이유는 소결체에 함유된 구리와 구리시트와의 접착력을 향상시키기 위함이다. Co(코발트)는 격자상수가 구리의 격자상수와 몰리브덴의 격자상수의 중간크기를 갖는 것으로 PVD 코팅하게 되면 구리와 몰리브덴 및 코발트가 금속간 화합물을 형성하게 되는데, 금속간 화합물을 형성할 때 구리와 거의 동일한 격자상수를 갖는 금속간 화합물을 형성하게 되므로 소결체에 함유된 구리와 구리시트와의 접합될 때 이들 사이에서 안정적인 화합결합을 형성하게 되어 결국 접착력을 향상시키게 된다.
Co(코발트)의 두께가 너무 크게 되면 접착력은 강화되나 열전도도를 저하시키게 되며, Co(코발트)의 두께가 너무 얇으면 접착력이 저하되게 되어 소결체와 구리시트의 박리가 발생되는 문제점이 있다.
고순도 구리 시트의 두께는 150 내지 250 마이크론(um) 두께로 되는 것이 바람직하다.
고순도 구리 시트의 두께가 너무 두꺼우면 방열판재의 전체적인 열팽창 계수가 너무 크게 되어 알루미나와의 브레이징시 변형을 일으키게 되며, 고순도 구리 시트의 두께가 너무 얇으면 방열판재의 폭방향으로의 열방열이 적게 이루어져 고온의 방열이 효율적으로 수행하기가 어렵게 된다.
1차 접합한 판재를 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 형성한 다수의 격자체를 형성하고, 격자체의 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합되도록 한다.
또, 상기 2차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것이 바람직하다.
이와 같이 1차 접합한 판재를 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 형성한 다수의 격자체를 형성하고, 형성된 다수의 격자체를 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합하게 되면, 넓은 방열판재의 경우에 반복적인 열팽창으로 인한 변형을 억제하도록 하며 반도체 소자와 접합되는 부위에서의 갭이 발생되지 않게 되어 방열판재로서의 역할을 제대로 수행할 수 있게 된다.
아울러, 격자체의 커팅면이 서로 인접하도록 배열되어 접합된 방열판재는 다수의 소결체와 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트가 적층되어 부착된 상태이므로 방열판재의 일측면으로부터 타측면으로 열을 방출하게 될 때 방열판재의 두께 방향으로의 방열은 흑연과 구리의 혼합분말을 소결한 소결체에 의해 이루어지고, 흑연이 슬라이스 커팅된 판재의 두께 방향으로 층상구조를 가지게 되므로 흑연 표면의 C-C결합이 산화구리 표면부터 카본과 반응하여 부분적으로 환원된 흑연산화물에 의한 판재의 두께방향으로의 방열이 대부분 이루어지게 된다. 또한, 방열판재의 폭방향으로의 방열은 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트에 의해 이루어지게 된다. 이와 같이, 판재의 두께방향으로의 방열 및 판재의 폭방향으로의 방열이 원활하게 이루어지게 됨으로써 고온의 방열을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
아울러, 2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바를 적층하여 판재가 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 합금바(bar)의 높이는 격자체의 높이와 동일하도록 하여 격자체의 양측면에 접합되도록 한다.
2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바는 방열판재의 폭방향으로의 방열시 최외곽에 위치하게 되어 방열면적을 넓힘으로써 폭방향으로의 방열을 원활하게 수행할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성으로 된 본 발명의 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더는 다음과 같이 제조되게 된다.
먼저, 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축하여 소결체를 형성한다.
이때, 상기 소결체는, 분말조성은 구리분말 60 내지 80vol%, 흑연분말 20 내지 40vol%이며, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것이 바람직하다.
형성된 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하여 소결체 슬라이스 판재를 형성한다.
형성된 소결체 슬라이스 판재의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성한다.
이때, 상기 1차 접합은, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되어 접합된다. 또한, 구리와 몰리브덴 합금 시트의 조성은 구리 60 내지 80wt%, 몰리브덴 20 내지 40wt%인 것이 바람직하다.
구리와 몰리브덴 합금 시트는 소결체와 구리시트 사이에서 접착력 강화를 위해 Co(코발트)를 아르곤 분위기 내에서 PVD공정으로 50 내지 100 마이크론(um)의 두께로 코팅되도록 하는 전처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
1차 접합한 판재를 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 다수의 격자체를 형성한다.
격자체의 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합한다.
상기 2차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되어 격자체가 접합되는 것이 바람직하다.
아울러, 판재의 폭방향으로의 방열면적을 넓히기 위해 2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바를 적층하여 판재가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
[실시예]
1. 구리-흑연 복합분말의 제조
구리-흑연 복합분말 제조는 흑연표면에 무전해 구리도금을 통하여 균일한 두께의 구리도금층을 형성시켰다. 본 실시예에서 사용된 흑연분말은 [표 1]과 같은 물성을 갖는 Flake (99.5%, Gk-Graphite, MGF-4, England)형상과 Fiber(99.5%, Gk-Graphite, KGF-200, England)형상 2종류를 사용하였다. 무전해 구리 도금을 실시하기 전에 표면의 불순물을 제거하고 도금층의 접합력을 향상시키기 위해 380℃에서 15분간 가열한 후, 10 vol.%의 아세트산 용액에서 초음파 처리를 실시하였다. 무전해 동도금은 흑연분말을 40℃, 0.1 g/L PdCl2 용액에 1분간 침지한 후, [표 2]의 조성을 가지는 무전해 구리도금 용액에 침지하였다. 도금 시간을 조절하여 무전해 구리도금 두께를 제어하였으며, 흑연함량 약 60 vol.%와 약 70 vol.%가 함유된 구리-흑연 복합분말을 제조하였다.
흑연 분말의 특성
Type Density
(g/㎤)		 Comperssive strength (MPa) CTE (ppm/K) Particle size (㎛) Specific
surface area (㎡/g)
Flake 1.76 5.6 3.8 Diameter:10~100㎛
Thickness:3~5㎛		 2
Fiber 1.8 6.2 3.9 Length:40~50㎛
Diameter:7~10㎛		 -
구리분말의 제조 조건
Bath composition Molecular formula Amount of addition
Copper sulfate CuSO4·5H2O 0.12 M
Complex agent KNaC4H4O6·4H2O 0.18 M
pH adjuster 0.63 M NaOH 25 mL
Reducing agent 37 vol.% HCHO 15 mL
Temp. - 25℃
도 2에 무전해 구리도금의 온도와 반응시간에 따른 용액 내의 구리이온의 농도변화를 나타내었다. 무전해 도금 온도가 증가할수록 무전해 도금 속도가 증가하여 용액 내의 구리이온이 더 빨리 감소하는 것을 알 수 있다. 무전해 구리도금 시간이 5분 이상 경과하면, 용액 내의 구리이온의 농도가 거의 0.01 M로 감소하였다. 따라서, 무전해 구리도금 용액 내에 투입하는 흑연의 양을 조절하여, 원하는 함량의 구리-흑연 복합분말을 제조할 수 있었다.
무전해 도금법을 이용하여 플레이크와 파이버 형상을 가지는 구리-70 vol%흑연 복합분말을 제조하였다. 제조된 복합분말을 주사전자현미경을 사용하여 관찰한 결과를 도 3에 나타내었다. 플레이크, 파이버 형상 모두 흑연 표면에 무전해 도금에 의해서 구리가 비교적 균일하게 코팅되어 있는 것을 알 수 있었으며, 파이버 형상 흑연의 경우, 완전히 구리로 피복되어 있지 않는 파이버 분말도 관찰되었다. 이는 흑연 표면에 무전해 구리도금을 위한 팔라듐 핵이 형성되지 않았기 때문이라고 판단된다.
도 4에 파이버 형상의 흑연 위에 무전해 구리도금이 형성된 분말의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진을 나타내었다. 무전해 도금에 의해서 두께가 균일한 구리 도금층을 얻을 수 있었다. 무전해 도금에서는 환원제의 자발적인 산화반응과 금속이온의 환원반응이 피도금 소재 표면에서 비교적 균일하게 일어나므로, 두께가 일정한 도금층을 얻을 수 있다. 구리와 흑연은 상온에서의 고용도가 거의 0에 가까우므로, 서로 상호 확산에 의한 화학적 결합이 거의 존재하지 않는다. 따라서, 형성된 무전해 구리 도금층과 흑연과의 밀착력이 저하된다고 판단된다. 하지만, 흑연 표면에 균일한 두께로 구리가 도금되어 있기 때문에, SPS 소결시 구리 기지 주위로 흑연이 균일하게 분산된 소결체를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
도 5에 구리-70 vol% 흑연 복합분말의 열분석(DSC/TGA) 결과를 나타내었다. TGA 결과로부터, 플레이크, 파이버 형상의 복합분말 모두 약 600~650 ℃의 온도 범위에서 질량 증가가 관찰되었으며, 이는 구리 도금층의 산화에 의한 것으로 판단된다. 또한, 약 300~350 ℃의 온도 범위에서 발열 피크가 관찰되었으며, 이는 구리 산화에 의한 발열반응이 일어났음을 나타낸다. 한편, 약 650~700 ℃의 온도범위에서 급격한 질량감소가 나타났으며, 이는 흑연의 산화에 의해서 질량감소가 일어난 것으로 판단된다.
도 6에 구리-70 vol% 흑연 복합분말의 구리-흑연 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 결과를 나타내었다. 구리-흑연 계면 사이에는 높은 농도의 산소가 검출되었으며, 구리/흑연산화층(graphite oxide layer)/흑연의 구조로 되어 있는 것을 알 수 있다. 구리 도금층과 흑연사이의 계면에서 산화층이 존재하는 것은 무전해 구리도금의 전처리로 실시하는 아세트산 초음파 침적 처리에 의해서 형성된 것으로 판단된다.
2. 방전 플라즈마 소결에 의한 구리-흑연 복합재료의 제조
구리-흑연 복합분말은 소결전 분말 예비 성형체 제작을 위해 흑연몰드내 복합분말을 삽입하여 상온에서 가압하여 1차 성형을 진행하였다. 일반적으로 금속분말의 예비 성형체 제작시 야기되는 문제점으로 프레스 가압시 분말과 몰드간 압력편차로 인해 최종 분말 예비 성형체의 밀도구배가 형성된다. 따라서 복합분말은 최종 소결품의 높이대비 직경과 너비를 1 : 0.7 범위 내에서 1차 성형품을 제조하였다.
성형된 구리-흑연 복합재료의 고밀도 고압성형을 위해, 소결장치의 챔버 내 분위기 조절, 진공도 및 수축율 제어가 가능한 방전플라즈마소결 (spark plasma sintering, SPS)장치를 사용하였다. 이때, 소결 온도 제어는 흑연 몰드의 벽에 삽입한 K-type 열전대를 사용하여 시편과 흑연 몰드간의 온도편차를 최소화하여 측정하였으며, 소결 온도는 흑연 몰드의 온도를 의미한다. 방전플라즈마 소결시 ON-OFF DC pulse 통전법을 이용하여 가압소결을 실시하였으며, 전기에너지(DC pulse energy)와 압력을 동시에 가하여 불활성 분위기에서 시제품 소결체를 제작하였다. 구리-흑연 복합재료를 제조하기 위한 최적의 소결온도 및 압력은 30℃/min의 승온 속도로 가열하여, 920℃에서 50 MPa의 압력에서 10분간 유지한 후, 냉각시 350℃ 부근에서 50 MPa의 압력에서 10분간 유지하는 소결조건을 도출하였다.
무전해 도금 공정제어를 통해 구리가 균일하게 분산된 구리-흑연 복합분말을 제조하여 SPS법을 사용하여 구리-흑연 복합재료 소결시편을 제조하였다.
또한, 소결된 시편을 소결 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하여 소결체 슬라이스 판재를 형성하고, 형성된 소결체 슬라이스 판재의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하며, 1차 접합한 판재를 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 다수의 격자체를 형성하고, 격자체의 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합하여 시편 제조를 완료하였다.
도 7에 플레이크, 파이버 형상의 구리-60 vol% 흑연 및 구리-70 vol.% 흑연 복합재료의 미세조직을 관찰한 결과를 나타내었다. 파이버 형상 흑연 복합재료의 경우, SPS 가압 소결시 압력방향과 무관하게 균일한 복합상 분포를 나타내었다. 한편, 플레이크 형상을 가지는 복합재료의 경우, 약 100∼120 ㎛의 크기를 가지는 흑연이 층상구조로 형성되어 있었으며, 파이버 형상의 복합재료는 약 20∼50 ㎛의 크기로 균일하게 분포하고 있었다.
도 8은 구리-70 vol% 흑연 복합분말의 소결온도에 따른 상대밀도와 수축율 변화를 나타낸다. 파이버 형상의 복합재료가 플레이크 형상의 복합재료보다 더 높은 상대밀도와 수축율을 나타내었다. 또한, 파이버 형상의 복합재료가 플레이크 형성의 재료보다 더 낮은 소결온도에서 수축이 발생하였다. 도 8에서 알 수 있듯이, 구리와 흑연의 배열에서 이방성을 가지는 플레이크 흑연-구리 복합재료는 파이버 복합재료보다 상대적으로 큰 입자 크기를 가지기 때문에, 소결과정에서 체적수축이 거의 일어나지 않았다. 한편, 플레이크, 파이버 형상 복합재료 모두 상대밀도 95~98 % 이상의 소결시료를 제작할 수 있었다. 이는 구리로 도금된 구리-흑연 복합분말을 사용하여 거의 이론밀도에 가까운 구리-흑연 복합재료를 제작할 수 있다는 것을 나타낸다.
도 9에 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)에 의한 구리-흑연 복합재료의 계면관찰 결과를 나타내었다. 구리와 흑연 사이의 계면에는 약 4 ~ 10 nm의 두께를 가지는 비정질과 결정질이 혼재되어 있는 층이 관찰되었다. 이 층은 그림 3.7의 구리-흑연 복합 분말의 계면에서 검출된 산소에 의해서, SPS 소결 과정에서 흑연 표면에서 산화되어 형성된 흑연 산화물층(graphite oxide layer)로 추정된다.
도 10에 균일한 두께의 흑연 산화물 층을 가지는 구리-흑연 복합재료의 구리-흑연 계면을 고분해능 투과전자현미경으로 관찰한 결과를 나타내었다. 그림 3.10의 TEM 사진과는 달리, 흑연의 층상구조를 명확히 알 수 계면을 관찰할 수 있었다. 구리와 흑연의 계면사이에는 약 4nm 두께를 가지는 흑연의 층상구조가 나타나지 않는 층이 존재하였다. 이는 소결전의 구리-흑연 복합분말의 계면에 존재하는 산소에 의해서 산화된 흑연 산화물 층인 것으로 판단된다.
도 11에 흑연-구리 계면의 TEM-EDS 분석 결과를 나타내었다. 흑연-구리 계면에 존재하는 흑연 산화물의 존재를 확인하기 위해서 TEM image(a)의 왼쪽(구리)에서 오른쪽(흑연) 방향으로 등간격으로 EDS 점분석(b)을 실시하였다. 구리 방향에서 흑연 방향으로 이동할수록 산소농도가 증가하다가 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 구리와 흑연층의 계면에 상대적으로 산소농도가 높은 층이 형성되어 있음을 나타내며, 이 층이 흑연 산화물이라는 것을 뒷받침한다.
구리-흑연 복합재료의 투과전자현미경에 의한 미세조직 분석을 통하여 소결 복합재료의 구리와 흑연 계면에 흑연 산화물 (graphite oxide)이 존재하는 것을 확인하였다. 소결과정에서 구리-흑연 복합재료의 화학적 구조 변화를 라만 스펙트럼 분석을 통하여 확인한 결과를 도 12에 나타내었다. 구리-흑연 복합분말(raw powder)의 라만 스펙트럼은 흑연의 1차 산란에 해당하는 1581 cm-1의 G 대역 강도값이 D 대역보다 큰 값을 나타내었다. 소결후의 구리-흑연 복합재료 계면(interface Gr. & Cu)의 라만 스펙트럼은 1581 cm-1의 G 대역의 피크 외에 1594 cm-1의 약한 강도의 피크가 관찰되었다. 또한, 1363 cm-1에서의 D 대역의 강도 또한 크게 증가하였다. 이는 흑연 산화물과 흑연이 혼재되어 있음을 나타내며, 구리-흑연 복합분말의 도금과정과 SPS 소결 공정에서 흑연 표면이 산화되었기 때문이라고 판단된다. 라만 스펙트럼의 G 및 D 대역 (각각 1594 및 1352 cm-1)에서의 강도 증가 또한 흑연 산화물의 형성에 의한 것으로 사료된다.
흑연 산화물은 흑연과 유사한 층상의 구조를 가지고 있지만, 흑연 산화물의 탄소 원자면은 산소 함유기와 결합되어 탄소-탄소간의 층간 거리를 증가시킨다. 따라서, 소결후의 구리-흑연 복합재료 계면의 라만 스펙트럼에서 1594 cm-1의 약한 강도의 피크가 관찰된 것으로 판단된다.
도 13에 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 분석을 통하여 1340, 1052cm-1 파수(wavenumber)에서의 구리-흑연 복합재료 표면의
Figure 112019078849077-pat00001
결합 피크를 나타내었다. 구리-흑연 복합분말보다 소결된 복합재료의 1340, 1052cm-1에서의 강도가 감소하였다. 이는 SPS 소결에 의해서 흑연 산화물층의 두께가 감소하였기 때문이라고 판단된다.
3. 구리-흑연 복합재료의 열적특성
금속기지 복합소재는 열전도성이 우수한 세라믹 소재를 필러로 활용하여 금속기지 재료와 복합 소재화하는 연구가 많이 진행되고 있다. 열전도성 세라믹 필러가 적용된 금속기지 복합소재는 경량화에 장점은 있지만, 많은 양의 세라믹 필러가 포함되어 금속기지와 효율적으로 열전도를 위한 체인 형성에 관한 연구가 필요하다.
대표적인 금속기지 복합소재인 구리-흑연 복합재료는 흑연함량과 분말크기, 흑연의 형상에 따라 열전달 특성이 크게 변화되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이와 같은 인자를 최적화하여 열전도성이 우수한 복합소재를 설계하는 것이 중요하다.
도 14는 상업용으로 많이 사용되는 열전달재료의 열전도도(thermal conductivity), 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)와 밀도(density)를 나타내었다. 열전도 특성, 경량화 가능성, 제조 단가를 고려하여 금속 또는 세라믹계 복합소재가 적용된 재료의 개발이 필요한 실정이다.
이러한 문제점을 보완하여 제조된 열전도성 금속기지 복합재료는 전기 및 전자기기에서 전기절연성을 가지는 세라믹 부품과 대체 혹은 접착되어 사용된다. 열전도도와 열팽창계수를 고려하여 전기 절연성을 가지는 알루미나(Al2O3)에 적합한 금속기지 복합재료에 대해서 열적 특성을 평가하고자 한다.
본 실시예에서는 무전해 도금법으로 제조한 구리-흑연 복합분말을 사용하여 SPS 소결한 구리-흑연 복합재료의 열적특성과 굽힘강도를 평가하여, 흑연 함량 및 흑연 형상에 따른 특성 변화를 분석하였다.
열팽창계수는 봉재로 가공후 TMA에서 φ5mm×10mm길이의 장비를 사용하여 Al2O3 표준시편과 비교하였다. 이때 복합소재의 흑연배열방향에 따른 물성변화 검증이 필요하여 도 15와 같이 소결품 가압방향의 수직되는 방향과 가압방향과 동일한 방향으로 시제품을 가공하는 모식도를 나타낸다.
구리-흑연 복합 분말을 흑연함량과 이방성 가공방향에 따른 열전달에 미치는 영향을 살펴보았다. 전자기기 내에서 효과적인 열전달이 이루어지기 위해서는 열전도도가 높아 열이 방열판까지 빠르게 도달하고, 대기에 열을 잘 방출하여야 한다.
도 16은 흑연함량 60, 70vol% 별 동일한 상온성형과 SPS 소결조건에서 제조한 시편을 대상으로 가압방향의 수평 (in-plane), 수직 (through-plane)으로 가공된 샘플을 대상으로 열전도도와 열확산 계수값을 나타내었다. 이때 플레이크 형상을 갖으며 흑연함량이 70vol%의 복합소재를 수평방향으로 가공한 샘플이 가장 높은 열전도도 (250 W/m·K)값을 보였다. 이론적으로 400 W/m·K의 순수 구리와 190 W/m·K의 70 vol.% 흑연의 복합화 될 때 300 W/m·K 정도의 값을 보여야 되나 이에 미치지 못하는 결과를 보였다. 수평방향으로 파이버 형상을 갖는 흑연보다는 플레이크 형상을 갖는 흑연복합소재가 이방성 영향으로 4~8 W/m·K 높은 열전도도 값을 보였다.
도 17은 수직, 수평방향으로 가공된 샘플의 열확산계수와 열전도도를 나타낸다. 수평방향으로 가공된 샘플이 수직방향보다 4배정도 높은 열전도도 243 W/m·k값을 확인하였으며, 이는 고압의 소결공정시 구리 코팅층과 흑연표면층간 접촉계면 일부의 흑연산화물의 일부환원과 가압 방향의 수직면으로 이방성에 의해 열전달 효율이 향상된 것으로 판단되며, 복합기지내 열전달 매개체인 포논의 평균자유행로 영향으로 수직 계면보다는 열에너지 전도가 효과적으로 작용된 것으로 사료된다.
도 18은 흑연함량 60vol% 구리복합소재로 플레이크 형상의 흑연분말 직경은 80~120 um, 높이 5~6 um을 활용하였으며, 파이버 형상의 흑연분말은 직경 20∼30 um, 길이 60∼80 um 갖는 소결품의 열전도도 결과를 나타낸다. 플레이크 흑연이 복합화된 소결품의 경우, 상온에서 가장 높은 열전도도 값을 보였다. 구리-흑연 복합소재의 열전도도는 상온에서 480 W/m·K 값을 획득하였으며, 흑연함량과 크기 형상에 열전도도 체인 형성 열전달 매개체에 영향을 주는 것을 확인했다.
온도상승에 따른 플레이크, 파이버 형상을 갖는 복합 소결체 열팽창계수를 비교 분석하였다. 상온에서는 파이버 형상의 경우, 다소 낮은 열팽창계수 값을 가졌으나 180℃이상에서는 플레이크 형상보다 3~5 % 이상의 높은 열팽창계수 값을 확인했다.
도 19는 30 vol% 흑연 함량에 따른 상온에서 300℃ 까지 열팽창계수를 나타낸다. 본 실시예에서 목표로 했던 열팽창계수의 5∼12 ppm/K 범위에서 벗어나는 결과를 보였다.
따라서, 흑연함량을 50∼70 vol%를 조절하여 구리-흑연 복합소재의 열전도도 향상과 복합계면의 잔류응력 제거, 치밀화를 위해 소결된 샘플을 직경 20mm × 높이 15mm로 재가공하여 기존 소결조건 (Sintering condition : 920℃, 50MPa, 10분 유지) 냉각시 350℃ 10분 유지하여 2차 소결을 진행하였다.
최종적으로 상대밀도 99.5%이상, 열팽창계수 6.5~7.0 ppm/K를 갖는 구리-흑연 복합소재 제조가 가능하였다. 도 20은 흑연함량별 열팽창계수를 나타낸다. 흑연함량 60 vol%의 경우 기판소재인 알루미나 (Al2O3)의 열팽창계수와 유사한 결과를 확인했다.
도 21은 2차 소결 가압력에 따른 열전도도와 열팽창 수치를 보여준다. 가압력 50 MPa일 때 복합소재 열전도도는 250 W/m·K 에서 270 W/m·K, 7.5 ∼ 25% 향상되었으며, 열팽창계수는 1차 소결제품과 유사한 평균 6.5 ppm/K 값을 확인하였으며, 절연 기판에 열응력이 최소화된 접합이 가능한 열전달 계면재료(Thermal interface materials, TIM) 소재의 활용 가능성을 확인했다.
또한, 열팽창계수 6.5 ~ 6.7 ppm/K 값을 갖는 구리-50vol% 흑연 복합소재을 대상으로 소결압력별 (30~50MPa) 열전도와 열팽창계수 비교수치를 도 21과 같이 비교하였다. 냉각시 350℃ 압력유지 없이 소결체를 제조하였으며, 소결이후 냉각과정에서 구리-흑연 복합소재의 열팽창 정도를 확인할 수 있는 자료이다. 소결압력 변화에 따른 열적물성 비교결과, 30 MPa압력 소결유지시 상대밀도가 40~50 MPa 압력시 보다 다소 떨어지는 결과를 보였다. 이는 복합계면에 흑연층 위주의 일부박리로 920 ℃, 50 MPa 소결시편의 경우, 365 W/m·K 의 높은 열전도도 값을 확인했으며, 이때 열팽창계수는 6.69 ppm/K 값을 확인하였다.
4. Cu-Graphite 복합재료의 굽힘강도와 마찰계수
구리-흑연 복합소재의 구리 체적함량에 따른 3중점 굽힘강도 실험을 통해 상업용 열전달 소재의 굽힘강도 55 N/mm2 이상의 결과를 확인하였다. 도 22는 흑연함량(50 ∼ 70 vol%)에 따른 굽힘강도를 나타낸다. 구리함량 증가에 따라 강도가 향상됨을 보여주며, 구리 체적함량에 따른 강도 의존도를 확인하였다.
Cu-20vol% Graphite 복합소재와 구리, 몰리브덴을 Plate에 알루미나 세라믹 본드를 활용하여 ASTM D1894 규격에 준하는 실험을 진행한 결과, 복합소재의 초기 마찰계수는 비교대상 소재보다 35% 이상의 값을 보였으나 180초 이후부터는 흑연의 표면박리로 인해 상대재간 마찰계수가 급격히 줄어드는 경향을 보였다.
도 23은 구리-흑연 복합재료와 Cu-Mo 합금, 구리 플레이트의 각각의 마찰계수를 보여준다. 본 복합재료는 비교소재 대비 200 sec 구간이후 구리상이 많은 부분부터 흑연이 주위를 복원하면서 자기윤활 영향으로 마찰계수가 초기보다 낮은 (0.25) 결과를 확인하였다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (12)

  1. 삭제
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  4. 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축한 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하고, 커팅된 각각의 소결체의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하며, 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 형성한 다수의 격자체를 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합되며,
    상기 구리와 몰리브덴 합금 시트는 Co(코발트)를 아르곤 분위기 내에서 PVD공정으로 50 내지 100 마이크론(um)의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바를 적층하여 판재가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더.
  7. 구리분말에 흑연분말이 혼합된 분말을 일축방향으로 소결압축하여 소결체를 형성하는 단계;
    형성된 소결체를 압축방향과 동일한 방향으로 슬라이스 커팅하여 소결체 슬라이스 판재를 형성하는 단계;
    형성된 소결체 슬라이스 판재의 상부면 및 하부면에 구리와 몰리브덴 합금 시트와 구리 시트를 차례로 적층하여 1차 접합한 판재를 형성하는 단계;
    1차 접합한 판재를 구리 시트와 수직되게 커팅하여 육면체 형태로 다수의 격자체를 형성하는 단계;
    격자체의 커팅면이 서로 인접되도록 배열하고, 배열된 격자체가 서로 접합되어 판재가 형성되도록 2차 접합하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소결체는, 분말조성은 구리분말 60 내지 80vol%, 흑연분말 20 내지 40vol%이며, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 1차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되어 접합되며,
    구리와 몰리브덴 합금 시트의 조성은 구리 60 내지 80wt%, 몰리브덴 20 내지 40wt%인 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    1차 접합한 판재를 형성하는 단계에서, 상기 구리와 몰리브덴 합금 시트는 Co(코발트)를 아르곤 분위기 내에서 PVD공정으로 50 내지 100 마이크론(um)의 두께로 코팅되도록 하는 전처리 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차 접합은, 가압력 30 내지 50 MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 890 내지 950℃온도로 방전 플라즈마 소결되어 접합되는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    2차 접합시 접합될 판재의 양측면과 접하는 구리와 몰리브덴 합금 바(bar)와 상기 합금 바(bar)와 접하는 구리 바를 적층하여 판재가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더 제조방법.
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