KR102576792B1 - 복합재료 및 방열부품 - Google Patents

복합재료 및 방열부품 Download PDF

Info

Publication number
KR102576792B1
KR102576792B1 KR1020210074429A KR20210074429A KR102576792B1 KR 102576792 B1 KR102576792 B1 KR 102576792B1 KR 1020210074429 A KR1020210074429 A KR 1020210074429A KR 20210074429 A KR20210074429 A KR 20210074429A KR 102576792 B1 KR102576792 B1 KR 102576792B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermally conductive
composite material
particles
particle
thermal conductivity
Prior art date
Application number
KR1020210074429A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220165595A (ko
Inventor
조명환
이석우
김영석
Original Assignee
주식회사 더굿시스템
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 더굿시스템 filed Critical 주식회사 더굿시스템
Priority to KR1020210074429A priority Critical patent/KR102576792B1/ko
Priority to US17/716,162 priority patent/US12120852B2/en
Priority to JP2022069318A priority patent/JP7440944B2/ja
Priority to DE102022113414.8A priority patent/DE102022113414A1/de
Publication of KR20220165595A publication Critical patent/KR20220165595A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102576792B1 publication Critical patent/KR102576792B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20436—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing
    • H05K7/20445—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing the coupling element being an additional piece, e.g. thermal standoff
    • H05K7/20472—Sheet interfaces
    • H05K7/20481—Sheet interfaces characterised by the material composition exhibiting specific thermal properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/10—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on titanium carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • C22C32/0063—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides based on SiC
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/057—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with copper as the next major constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3732—Diamonds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C22C2026/006—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes with additional metal compounds being carbides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

본 발명은 금속 기지 내에 다이아몬드나 탄화실리콘(SiC)과 같이 열전도성이 우수한 물질로 이루어진 입자를 복합화하여 우수한 열전도도를 구현하면서 동시에 열팽창계수를 목적하는 범위가 되도록 조절된 것에 관한 것으로, 특히 높은 열이 가해지더라도 열전도도의 저하가 거의 없는 복합재료와 이 복합재료로 이루어진 방열부품에 관한 것이다.

Description

복합재료 및 방열부품 {Composite and heat dissipation parts}
본 발명은 금속과 비금속의 복합재료와 이 복합재료로 구성된 방열부품에 관한 것이다. 보다 상세하게는 금속 기지 내에 다이아몬드나 탄화실리콘(SiC)과 같이 열전도성이 우수한 물질로 이루어진 입자를 균일하게 분산시킨 것으로, 특히 가열과 냉각에 의한 열 사이클이 반복적으로 가해지더라도 열전도도의 저하를 막을 수 있는 복합재료와 이 복합재료로 이루어진 방열부품에 관한 것이다.
전자기기의 고출력화에 따르고, 전자기기에 갖추는 반도체 소자의 작동 시의 발열량이 점점 증가하는 경향에 있다. 이에 따라 반도체 소자에는 방열부품을 설치하여 반도체 소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하고 있다. 이러한 방열부품은 높은 열전도도와 함께 열팽창계수에 있어서 반도체 소자와의 차이가 작은 것이 요구된다.
열전도도를 높이고 반도체 소자와의 열팽창계수를 낮게 유지하기 위하여, 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg)과 같은 금속 기지에 다이아몬드나 탄화실리콘(SiC)과 같은 열전도성이 우수한 입자를 분산시켜 복합화한 복합재료로 만들어진 방열부품이 널리 사용되고 있다. 이러한 복합재료로는 Cu-다이아몬드 복합재료, Ag-다이아몬드 복합재료, Al-다이아몬드 복합재료, Mg-SiC 복합재료, Al-SiC 복합재료 등 다양한 조합이 알려져 있다.
한편, 방열부품에 요구되는 열전도도와 열팽창계수는 적용되는 제품에 따라 다양하기 때문에 상기 복합재료를 구성하는 금속과 열전도성 입자의 조합 또는 열전도성 입자의 부피비 조절이 필요하다.
그런데 상기 복합재료의 경우 높은 온도로 가열한 후에는 가열하기 전에 비해 열전도도의 열화가 일어나기 때문에 실제 사용 시에 최초 설계한대로의 열전도도가 구현되지 않는 문제점이 있다.
이와 관련하여 하기 특허문헌에는 복합재료에 포함되는 산소 함유량을 적게 하고 치밀화함으로써 800℃로 가열한 후의 열전도도가 열화를 5% 이내로 억제하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 특허문헌 1의 기술을 적용하더라도 2회, 3회 이상 열 사이클이 반복될 경우에는 열전도도의 급격한 열화가 발생할 수 있다.
일본 공개특허공보 제2018-111883호
본 발명의 일 목적은 열 사이클이 가해지더라도 열전도도의 열화가 급격하게 일어나지 않으면서, 반도체 소자에 요구되는 우수한 열전도도와 제어된 열팽창계수를 가지는 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 복합재료를 사용한 방열부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 열전도성 입자가 분산된 조직을 가지는 복합재료로, 상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 또는 SiC를 포함하고, 상기 열전도성 입자를 부피비로 15% ~ 80% 포함하고, 상기 복합재료의 미세조직에 있어서, 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상이고, 상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 대한 저하율이 5% 이하인, 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 열전도성 입자가 분산된 조직을 가지는 복합재료로, 상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 또는 SiC를 포함하고, 상기 열전도성 입자를 부피비로 15% ~ 80% 포함하고, 상기 복합재료의 미세조직에 있어서, 상기 열전도성 입자는 입자크기의 차이가 150㎛ 이상인 큰 입자와 작은 입자를 포함하고, 상기 큰 입자를 제 1 입자라고 하고 상대적으로 작은 입자를 제 2 입자라고 할 때, 상기 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상이고, 상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 대한 저하율이 5% 이하인, 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상기 본 발명의 일 측면 또는 다른 측면에 따른 복합재료로 구성된 방열부품을 제공한다.
본 발명에 따른 복합재료는 다양한 열전도도와 함께 반도체 소자 등 사용목적에 맞는 열팽창계수의 구현이 가능하고, 특히 가열과 냉각에 의한 열 사이클이 반복적으로 가해지더라도 열전도도의 저하를 억제할 수 있어, 신뢰성이 높은 방열특성을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합재료의 단면에 있어서, 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리를 구하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 복합재료의 단면에 있어서, 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리를 구하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 판 형상으로 이루어진 복합재료의 두께 방향의 단면 조직을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 복합재료의 평면도와 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 복합재료로 방열부품에서 세라믹 접합부분과 칩 실장 부분을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 복합재료의 단면 구조와, 이 구조에 따라 제조된 복합재료로 이루어진 판재의 단면에 대한 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 복합재료 판재의 평면에 대한 현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예의 범위에 속하는 3개의 예(실시예 1-1 ~ 1-3)와, 실시예의 범위에 속하지 않는 1개의 예(비교예 1)의 단면조직을 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1-1 ~ 1-3과 비교예 1에 따라 제조된 복합재료에 대하여 850℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 것이다.
도 10은 실시예 1-4와 비교예 2에 따라 제조된 복합재료를 평단면에서 관찰한 이미지이다.
도 11은 실시예 1-4와 비교예 2에 따라 제조된 복합재료를 평단면에서 관찰한 다이아몬드 입자 중심 사이의 거리의 분포를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 1-4와 비교예 2에 따라 제조된 복합재료에 대하여 상온에서 850℃까지 가열하는 열을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 복합판재의 두께 방향의 단면 사진이다.
도 14는 동일한 크기의 다이아몬드 입자를 규칙적으로 배열한 것과, 실시예 2에 따라 다이아몬드 경사 조직으로 배열한 것의 다이아몬드 부피비에 따른 열전도도의 차이를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 다이아몬드 입자가 두께 중심을 기준으로 대칭적으로 배열된 복합판재와 다이아몬드 입자가 무작위로 분산된 복합판재의 가열 후 휨 상태를 비교한 것이다.
도 16은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 적층판재의 내부에 구리-다이아몬드 복합재료가 매립된 구조의 적층판재의 단면 이미지이다.
도 17은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 구리-다이아몬드 복합재료가 매립된 적층판재와, Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 적층판재와, 구리-다이아몬드 복합재료의 온도에 따른 열팽창계수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 실시예 4 ~ 10에 따라 제조된 복합재료 판재의 단면 이미지이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합재료는, 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 열전도성 입자가 균일하게 분산된 조직을 가지고, 상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 또는 SiC를 포함하고, 상기 열전도성 입자를 부피비로 15% ~ 80% 포함하고, 상기 복합재료의 미세조직에 있어서 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상이고, 상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 대한 저하율이 5% 이하이다.
상기 '이들의 합금'은 Cu 합금, Ag 합금, Al 합금, Mg 합금을 의미하며, 각각의 합금은 주 원소인 Cu, Ag, Al 또는 Mg를 80중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상, 보다 바람직하게는 95중량% 이상 포함하고, 합금 성분으로는 상기 주 원소에 합금 가능한 공지의 모든 원소를 포함할 수 있으며, 열전도도의 저하를 최소화할 수 있는 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 입자를 부피비로 15% 미만으로 포함하게 되면 열전도성이 떨어지고 열팽창계수를 맞추기 어렵고, 80% 초과하여 포함하게 되면 열전도성은 우수하나 열전도성 입자들을 결합시키기 용이하지 않고 열팽창계수가 지나치게 낮기 때문에 바람직하지 않다. 생산성과 특성의 측면에서 열전도성 입자의 부피비가 15 ~ 60%인 것이 더 바람직하고, 30 ~ 50%인 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 '열전도성 입자의 중심'이란 입자의 형상이 원형인 경우 그 중심이고 단면상 불규칙한 형상을 가진 입자의 경우 입자 내부에 그릴 수 있는 최대 직경을 가지는 내접원의 중심을 의미한다. 또한, 상기 '단면'은 판상이 아닌 임의의 형상인 경우 임의의 단면으로 하고, 판상으로 이루어진 복합재료의 경우 면에 평행한 방향의 단면 또는 두께에 평행한 단면을 기준으로 한다.
또한, '열전도도 저하율'은 하기 [식 1]로 계산한다.
[식 1]
열전도도 저하율(%) = (가열 전 열전도도 - 가열 후 열전도도)/(가열 전 열전도도)×100
도 1에 도시된 것과 같이, 열전도성 입자의 부피분율이 15% 이상이면서 동시에 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리(D1)이 200㎛ 이상을 유지하게 되면, 상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 비해 열전도도 저하율이 5% 이하로 유지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 복합재료로 구성된 방열부품의 제조과정 또는 방열부품의 실장과정 또는 방열부품의 사용 시에 가해지는 열 사이클에 의해 열전도도가 급격하게 저하되는 것을 막을 수 있다.
어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리(D1)는 300㎛ 이상이 바람직하고, 400㎛ 이상이 더 바람직하며, 500㎛ 이상이 가장 바람직하다. 즉, 입자 중심 사이의 거리가 멀어질수록 열 사이클에 대한 열전도도 저하에 대한 저항성이 커지지만, 열전도성 입자 사이의 거리를 크게 할 경우, 반도체 소자 등에 요구되는 열전도도를 구현할 수 없기 때문에 열전도성 입자의 부피분율은 15% 이상이 되어야 한다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료는 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열하고 상온으로 냉각하는 과정을 3회 실시한 후 측정한 열전도도가 최초로 가열하기 전의 열전도도에 비해 열전도도 저하율이 5% 이하일 수 있다.
종래의 방열부품에 사용된 복합재료의 경우 1회의 열 사이클에는 열전도도 저하가 많지 않지만 반복되는 열 사이클에는 열전도도의 저하가 급격하게 이루어지는 경우(특히, 구리-다이아몬드 복합재료의 경우)가 많은데, 본 발명에 따른 복합재료는 이러한 점을 막을 수 있어서 방열부품의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 열전도성 입자의 크기는 열전도성의 개선 및 열 사이클에 대한 열전도도 열화에 대한 저항성 향상을 고려할 때, 300㎛ 이상인 것이 바람직하고, 400㎛ 이상인 것이 더 바람직하고, 500㎛ 이상인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 열전도성 입자는 입자크기가 300㎛ 이상이고, 상기 판의 평면에서 볼 때, 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리는, 상기 판이 평면에서 관찰되는 모든 열전도성 입자들의 중심과 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 간의 거리의 중앙값에서 ±20% 이내(더 바람직하게는 ±20% 이내)의 수치를 가질 수 있다. 상기한 크기의 다이아몬드 입자가 단층으로 배치된 경우, 상기 판의 평면에서 볼 때, 상기와 같은 구조로 다이아몬드 입자가 배치될 때, 열 사이클이 반복적으로 가해지더라도 열전도도 열화에 대한 저항성이 향상될 수 있기 때문이다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 제 2 실시형태에 따른 복합재료는, 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 열전도성 입자가 분산된 조직을 가지고, 상기 금속 기지는 Cu, Ag, Al, Mg 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 또는 SiC를 포함하고, 상기 열전도성 입자를 부피비로 15% ~ 80% 포함하고, 상기 복합재료의 미세조직에 있어서 상기 열전도성 입자는 입자크기의 차이가 150㎛ 이상인 큰 입자와 작은 입자를 포함하고, 상기 큰 입자를 제 1 입자라고 하고 상대적으로 작은 입자를 제 2 입자라고 할 때, 상기 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상이고, 상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 비해 열전도도 저하율이 5% 이하이다.
또한, 상기 열전도성 입자는 다양한 크기의 것이 혼합되어 사용될 수 있는데, 열전도성의 개선 및 열 사이클에 대한 열전도도 열화에 대한 저항성 향상을 고려할 때 상기 제 1 입자의 바람직한 크기는 300㎛ 이상, 400㎛ 이상이 더 바람직하고, 500㎛ 이상이 가장 바람직하다. 또한 상기 제 1 입자가 전체 열전도성 입자에서 차지하는 부피분율은 30% 이상이 바람직하고, 40% 이상이 더 바람직하며, 50% 이상인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 제 2 입자는 입도 분포가 하나인 것으로 이루어질 수도 있고, 평균 입도가 상이한 것이 혼합된 것일 수도 있다. 이에 따라, 상기 제 2 실시형태에 복합재료에 포함되는 열전도성 입자의 크기 분포는 쌍봉 분포(bimodal distribution) 또는 다봉 분포(multimodal distribution)을 이룰 수 있다.
도 2에 도시된 상기 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리(D1)가 200㎛ 이상이 되지 않을 경우, 열 사이클에 따른 열전도도 저하를 5% 이하로 낮게 유지할 수 없으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리는 250㎛ 이상이 바람직하고, 300㎛ 이상이 더 바람직하다.
본 발명의 제 2 실시형태에 있어서, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 두께 방향의 단면에 있어서, 상기 제 1 입자는 상기 판의 두께의 중심영역에 배치되고, 상기 제 2 입자는 상기 판의 표면영역에 가깝게 배치되어, 두께의 중심영역에서 표면으로 갈수록 상기 열전도성 입자의 크기가 작아지는 형상으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, '두께 방향'이란 복합재료가 판 형상으로 만들어졌을 때, 판의 두께에 평행한 방향이고, '면 방향'이란 판의 면에 평행한 방향을 의미한다.
이때, 상기 제 1 입자는 상기 판의 두께의 중심영역에서 두께에 수직하는 방향을 따라 소정 간격을 두고 배열된 형상일 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 크기가 가장 큰 제 1 입자(D1)가 두께 방향의 단면의 중심을 따라 도면상 수평 방향으로 층을 이루며 배열되어 있고, 이 제 1 입자(D1)의 층을 중심으로 제 2 입자(D2)가 배치되고, 입자 크기가 가장 작은 제 3 입자(D3)가 표면에 가장 근접하게 배치되는 대칭구조를 이루게 할 경우, 금속 기지 내에 열전도성 입자의 부피분율을 높일 수 있어 열전도도 향상에 유리하다.
더욱이, 상기한 대칭 구조는 열전도성 입자가 무작위로 배열되거나 크기의 차이가 150㎛ 이상으로 큰 입자들이 일정한 간격을 가지고 규칙적으로 배열되더라도 상기한 대칭구조를 이루지 않는 경우에 비해 판 상의 두께 방향의 열전도성이 향상되고, 판의 휨을 방지하는 등의 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 제 1 실시형태에서 설명된 것 중에서 제 2 실시형태에서 설명되지 않은 것은 제 1 실시형태와 동일하게 해석되어야 하며, 이하의 실시형태들도 동일하다.
[제 3 실시형태]
본 발명의 제 3 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태에 따른 복합재료의 금속 기지가 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지고, 상기 복합재료가 적층 판재의 내부에 매립되어 있는 것으로, 상기 적층 판재는 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제2층과, 상기 제2층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제3층과, 상기 제3층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제4층과, 상기 제4층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제5층을 포함한다.
상기 제1층, 제3층 및 제5층은 구리(Cu) 99.9중량% 이상의 순 구리(Cu)는 물론, 다양한 합금원소를 0.1중량% 이상 포함하는 구리(Cu) 합금으로 이루어질 수 있고, 구리(Cu) 합금의 경우 방열특성을 고려할 때, 구리(Cu)를 80중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상, 보다 바람직하게는 95중량% 이상 포함할 수 있다.
상기 제2층과 제4층은 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는데, 이 합금은 구리(Cu): 5 ~ 40중량%, 몰리브덴(Mo): 60 ~ 95중량% 포함하는 것이 바람직한데, 이는 구리(Cu) 함량이 5중량% 미만이면 구리(Cu)층과의 결합력을 양호하게 유지하기 어렵고 두께방향으로의 열전도도가 감소하며, 40중량% 초과이면 면방향의 열팽창계수를 낮게 유지하기 어렵기 때문이다.
상기 제1층, 제3층 및 제5층의 두께는 10 ~ 1000㎛ 범위를 유지할 경우, 방열판재의 면방향의 열팽창계수를 세라믹 소재와 유사한 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하고, 두께방향의 열전도도를 300W/mK 이상으로 구현할 수 있기 때문에 상기 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 제2층과 제4층의 두께는 10㎛ 미만일 경우, 면방향의 열팽창계수를 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하기가 어렵고, 60㎛ 초과일 경우, 두께방향의 열전도도를 300W/mK 이상으로 유지하기 어려우므로, 10 ~ 60㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 제2층과 제4층의 두께는 10㎛ 미만일 경우, 면방향의 열팽창계수를 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하기가 어렵고, 60㎛ 초과일 경우, 두께방향의 열전도도를 300W/mK 이상으로 유지하기 어려우므로, 10 ~ 60㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 것과 같이 제 3 실시형태에 따른 복합재료는 Cu 또는 Cu 합금 기지에 다이아몬드 입자가 복합화된 복합재료(중심에 사선으로 빗금친 부분)를 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu로 이루어진 적층판재의 내부에 삽입한 구조이다. 이때 상기 도 4에 도시된 것과 같이 반도체 칩이 실장되는 부분은 Cu-다이아몬드 복합재료의 상,하면에 Cu층만 존재하고 복합재료를 제외한 나머지 부분은 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 구조는 도 5에 도시된 것과 같이 세라믹이 접합되는 부분은 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu의 적층구조로 이루어져 있어 세라믹과의 열팽창계수를 맞추기 용이하고, 반도체 칩과 접하는 부분은 열전도도를 높일 수 있는 구조이다.
또한, 제 3 실시형태에 따른 복합재료는 가열 온도에 변화(예를 들어, 0℃에서 800℃까지 가열하는 동안)에도 열팽창계수의 차이가 거의 없기 때문에, 온도에 따른 열팽창계수의 차이가 현저한 소재에 비해 다양한 공정 온도에 대응할 수 있는 이점이 있다.
[제 4 실시형태]
본 발명의 제 4 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태에 따른 복합재료가 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 금속 기지가 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지고, 상기 판 형상의 복합재료의 상,하면에는 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제1층이 각각 형성되고, 상기 제1층의 외측에는 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제2층이 각각 형성되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같은 적층구조를 갖는 제 4 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 제1층은 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는데, 이 합금은 구리(Cu): 5 ~ 40중량%, 몰리브덴(Mo): 60 ~ 95중량% 포함하는 것이 바람직한데, 이는 구리(Cu) 함량이 5중량% 미만이면 구리(Cu)층과의 결합력을 양호하게 유지하기 어렵고 두께방향으로의 열전도도가 감소하며, 40중량% 초과이면 면방향의 열팽창계수를 낮게 유지하기 어렵기 때문이다.
상기 제2층은 구리(Cu) 99.9중량% 이상의 순 구리(Cu)는 물론, 다양한 합금원소를 0.1중량% 이상 포함하는 구리(Cu) 합금으로 이루어질 수 있고, 구리(Cu) 합금의 경우 방열특성을 고려할 때, 구리(Cu)를 80중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상, 보다 바람직하게는 95중량% 이상 포함할 수 있다.
상기 제1층의 두께는 10㎛ 미만일 경우, 면방향의 열팽창계수를 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하기가 어렵고, 60㎛ 초과일 경우, 두께방향의 열전도도를 300W/mK 이상으로 유지하기 어려우므로, 10 ~ 60㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 제2층과 제4층의 두께는 10㎛ 미만일 경우, 면방향의 열팽창계수를 7 ~ 12×10-6/K 범위로 유지하기가 어렵고, 60㎛ 초과일 경우, 두께방향의 열전도도를 300W/mK 이상으로 유지하기 어려우므로, 10 ~ 60㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제2층의 두께는 10 ~ 1000㎛ 범위를 유지할 경우, 방열판재의 면방향의 열팽창계수를 12×10-6/K 범위로 유지하고, 두께방향의 열전도도를 300W/mK 이상으로 구현할 수 있기 때문에 상기 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
제 4 실시형태에 따른 복합재료는 제 3 실시형태와 유사하게 가열 온도에 변화(예를 들어, 0℃에서 800℃까지 가열하는 동안)에도 열팽창계수의 차이가 거의 없기 때문에, 온도에 따른 열팽창계수의 차이가 현저한 것에 비해 다양한 공정 온도에 대응할 수 있어 바람직하다.
[제 5 실시형태]
본 발명의 제 5 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 4 실시형태에 따른 복합재료에 있어서 상기 복합재료가 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 판 형상의 면에 있어서 상기 열전도성 입자들이 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열된 형상을 이룬 것이다.
도 7에 나타낸 것과 같이, 판재의 면에 대해 가로 세로로 소정 간격을 두고 배열되는 것과 같은 패턴(도 7에서 회색 입자들이 다이아몬드 입자)을 형성할 수 있게 되면, 복합재료로 이루어진 판 중에서 선택적인 열팽창계수의 조절과 열전도도의 조절이 가능해진다. 또한, 열전도성 입자를 규칙적으로 배열하게 되면 무작위로 배열하는 것에 비해 다이아몬드와 같은 고가의 열전도성 입자의 사용량을 줄이면서도 무작위로 배열한 것에 비해 동등 이상의 특성 구현이 가능하게 된다.
열전도성 입자를 규칙적으로 배열하는 조직의 경우, 열전도성 입자의 크기가 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 입자 크기의 차이가 중심값을 기준으로 ±20% 이내일 수 있고, ±10% 이내인 것이 바람직하다.
[제 6 실시형태]
본 발명의 제 6 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 5 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자이고, 상기 금속 기지와 다이아몬드 입자의 사이의 계면에는 금속 탄화물층이 형성되어 있는 것이다.
금속과 다이아몬드 입자는 젖음성이 낮아 계면에 기공이나 균열과 같은 결함이 생길 수 있으며, 이러한 기공이나 균열은 열전도성을 현저하게 저하시킬 수 있으므로 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 금속 기지와 다이아몬드 입자 사이에 젖음성을 향상시킬 수 있는 금속 탄화물층을 형성하는 것이 바람직하다. 금속 탄화물층은 예를 들어 다이아몬드의 표면에 금속을 코팅한 후 열처리 또는 복합화 과정에 가해지는 열을 통해 금속의 일부를 탄화시키는 방법으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 금속 탄화물층을 형성할 수 있는 공지의 방법이 있다면 적용할 수 있다.
상기 금속 탄화물층은 바람직하게 주기율표상 4족 금속인 Ti, Zr 및 Hf 중에서 선택된 1종 이상의 탄화물일 수 있으며, 보다 바람직하게 TiC일 수 있으며, 이때 Ti가 일부 잔존하여 금속기지/Ti/TiC/다이아몬드 형태의 계면 구조를 형성할 수도 있다.
[제 7 실시형태]
본 발명의 제 7 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 6 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 금속 기지는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지고 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자이고, 상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 450W/mK 이상이고, 상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K인 것이다.
[제 8 실시형태]
본 발명의 제 8 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 6 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 금속 기지는 은 또는 은 합금으로 이루어지고 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자이고, 상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 600W/mK 이상이고, 상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K인 것이다.
[제 9 실시형태]
본 발명의 제 9 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 6 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 금속 기지는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지고 상기 열전도성 입자는 SiC 입자이고, 상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 300W/mK 이상이고, 상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K인 것이다.
[제 10 실시형태]
본 발명의 제 10 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 6 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 금속 기지는 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 이루어지고 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자 및/또는 SiC 입자이고, 상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 200W/mK 이상이고, 상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 5×10-6/K ~ 15×10-6/K인 것이다.
[제 11 실시형태]
본 발명의 제 11 실시형태에 따른 복합재료는, 제 1 실시형태 내지 제 6 실시형태에 따른 복합재료에 있어서, 상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 금속 기지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고 상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자 및/또는 SiC 입자이고, 상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 150W/mK 이상이고, 상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 5×10-6/K ~ 15×10-6/K인 것이다.
제 1 실시형태 내지 제 11 실시형태에 따른 복합재료는 다음과 같은 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 열전도성 입자의 표면에 전기화학적 방법인 무전해도금이나, 스퍼터링법이나 볼밀링과 같은 물리적인 방법과 같은 공지의 코팅법을 사용하여 소정 두께의 금속 코팅층을 형성함으로써 금속-열전도성 복합입자를 제조한다. 이어서 제조된 복합입자를 입자 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하여, 두께 방향으로 2개 이상의 입자가 쌓이지 않게 단층으로 만든 후, SPS 소결법을 사용하여 열전도성 입자가 단층으로 배열된 복합 시트(sheet)를 제작한다. 이와 같이 열전도성 입자가 단층으로 배열된 복합시트를 다수 개 적층하여 소결함으로써 두께 방향으로도 열전도성 입자가 배열된 복합구조를 형성한다.
또한, 다른 방법으로 소정의 패턴 또는 구멍(hole)이 형성된 금속 시트(sheet)에 샌드 블라스팅, 프레스, 정전기, 진공 등의 수단을 사용하여 시트의 패턴 또는 구멍을 활용하여 소정 위치에 열전도성 입자를 균일하게 분산 배치한 후, 소결법을 통해 금속 시트와 열전도성 입자를 결합시켜 열전도성 입자가 단층으로 이루어진 복합 시트를 만든다. 이때 상기 금속 시트의 두께는 바람직하게 열전도성 입자 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배가 되도록 한다. 이와 같이 제작된 복합시트를 적층하여 두께 방향으로도 입자가 배열된 구조를 형성한다.
<실시예 1>
실시예 1에서는 구리(Cu) 기지(matrix)에 다이아몬드 입자가 균일하게 분산되어 복합화된 복합재료를 제조하였다.
먼저, 입자 크기가 50㎛, 150㎛, 200㎛, 700㎛, 800㎛인 다이아몬드 분말을 준비하였다. 분말을 구성하는 입자들의 크기는 상기 대표값(평균)의 ±20% 이내(더 바람직하게는 ±10% 이내)의 크기를 가지는 균일한 크기의 다이아몬드 입자를 사용하였다.
다이아몬드 입자의 표면에, PVD (Physical vapor deposition)법을 사용하여 타이타늄(Ti)을 코팅하였고, 이때 다이아몬드와 타이타늄(Ti)의 계면에는 다이아몬드를 구성하는 탄소(C)와 타이타늄(Ti)의 일부가 반응하여 탄화타이타늄(TiC)이 형성되었다. 상기 타이타늄(Ti) 층은 일종의 결합층(bonding layer)으로 젖음성이 좋지 않은 다이아몬드와 구리(Cu) 사이의 젖음성을 향상시켜 복합화하였을 때 양호한 결합력을 가지게 하기 위한 것이다.
다음으로 타이타늄(Ti)이 코팅된 다이아몬드 입자의 표면에 무전해도금법을 사용하여 구리(Cu) 코팅층을 형성하였다. 이때, 구리(Cu) 코팅층의 두께는 약 50 ~ 100㎛가 되도록 하였다.
이어서, 다이아몬드 입자가 깨지지 않는 압력 범위 내에서 다이아몬드 입자의 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하였다. 이때 프레스의 성형압은 200MPa로 설정하였다.
이러한 프레스 성형을 통해 다이아몬드 입자가 단층을 형성한 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체를 방전플라즈마소결(spark plasma sintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, Cu-다이아몬드 복합시트를 제작하였다. 이와 같이 제작한 복합시트를 2층, 3층, 4층, 5층 등 다양한 숫자로 적층한 후 다시 소결하여 접합시키는 방법을 통해, 소정의 두께를 가지고 다이아몬드 입자의 부피비를 15% ~ 80% 정도로 포함하면서, 동시에 어느 하나의 다이아몬드 입자의 중심과 이 다이아몬드 입자와 가장 인접하는 다이아몬드 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상으로 떨어지게 함과 동시에 다이아몬드 입자와 입자 사이에는 반드시 금속기지인 구리(Cu)가 배치된 조직을 갖는 복합시트(방열기판)를 제작할 수 있었다.
한편, 본 발명의 실시예 1에서는 복합시트를 방열기판으로 사용되는 예를 제시하였으나, 상기 복합시트의 사이에 구리(Cu) 시트나 구리-몰리브덴(Cu-Mo) 합금 시트를 적층하여 3층, 5층, 7층 등 다양한 적층구조를 가지는 방열기판으로도 제작될 수 있다.
실시예 1에 따라 제작한 기판 중에서, 다이아몬드 부피비가 약 35%이고, 두께 약 1,600㎛ 로 제작된 방열기판의 경우, XY 방향(기판의 면 방향)과 Z 방향(두께 방향)의 열전도도는 약 600W/mK 이고, 200℃에서 XY 방향(기판의 면 방향) 열팽창계수는 10×10-6/K의 값을 나타내었다.
도 8은 실시예 1의 방법으로 제조된 것으로 본 발명에서 청구하는 미세조직의 범위에 속하는 3개의 예(실시예 1-1 ~ 1-3)와, 본 발명에서 청구한 미세조직의 범위에 속하지 않는 1개의 예(비교예 1)의 단면조직을 나타낸 것이다. 도 8의 단면조직에 있어서, 어느 하나의 다이아몬드 입자의 중심과 이 다이아몬드 입자와 가장 인접하는 다이아몬드 입자의 중심 사이의 거리(D1)에 대해 측정한 결과는 도 8에 나타낸 수치와 같았다. 즉, 본 발명의 실시예 1-1 ~ 1-3의 경우, 부피비가 17.5% ~ 40%로 다이아몬드 입자를 상당량 포함하면서 동시에 어느 하나의 다이아몬드 입자와 가장 인접하는 다이아몬드 입자의 중심 사이의 거리(D1)를 200㎛ 이상이 되도록 유지되어 있는 반면에, 비교예 1의 경우 다이아몬드 입자의 부피비는 40% 인데, 어느 하나의 다이아몬드 입자의 중심과 이 다이아몬드 입자와 가장 인접하는 다이아몬드 입자의 중심 사이의 거리(D1)는 약 150㎛ 수준으로 본 발명의 실시예들에 비해 가깝게 형성되어 있다.
도 9는 실시예 1-1 ~ 1-3과 비교예 1에 따라 제조된 복합재료에 대하여 850℃까지 가열하는 열을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 것이다. 도 9에 나타난 것과 같이, 2회 내지 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 실시예 1-3의 경우 약간의 열전도도(TC)의 저하가 있었으나, 실시예 1-1과 1-2는 실질적으로 차이가 없었다.
이에 비해, 비교예 1의 경우 다이아몬드의 부피비가 40%가 상당히 포함되어 1회 열 사이클이 가해졌을 때는 열전도도가 600W/mK 정도로 높게 유지되었으나, 2회 및 3회 열 사이클이 반복된 후에는 열전도도가 약 300W/mK 수준으로 열화되어 Cu-다이아몬드 복합재에 요구되는 높은 방열특성이 열 사이클이 가해질수록 유지되지 않는 경향을 나타내었다.
도 10은 실시예 1-4와 비교예 2에 따라 제조된 복합재료를 평단면에서 관찰한 이미지이다.
실시예 1-4와 비교예 2는 다이아몬드 입자의 부피비를 동일하게 70%로 하여 제조되었다. 도 10에서 나타난 것과 같이 실시예 1-4는 입자들이 평면에서 서로 접하지 않은 상태에서 균일하게 분산된 상태를 나타내나, 비교예 2는 서로 접하는 입자가 존재하면서 실시예 1-4에 비해 균일성이 떨어지는 조직을 가진다.
도 11은 실시예 1-4와 비교예 2에 따라 제조된 복합재료를 평단면에서 관찰한 다이아몬드 입자 중심 사이의 거리의 분포를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 11에서 정량적으로 확인되는 바와 같이, 실시예 1-4의 경우, 어느 다이아몬드 입자와 이 입자와 가장 인접한 입자의 중심 간의 거리는 중심값인 900㎛를 기준으로 ±10% 이내에 존재하는 반면, 비교예 2의 경우 어느 다이아몬드 입자와 이 입자와 가장 인접한 입자의 중심 간의 거리는 넓은 분포를 나타낸다.
도 12는 실시예 1-4와 비교예 2에 따라 제조된 복합재료에 대하여 상온에서 850℃까지 가열하는 열을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 것이다. 도 12에 나타난 것과 같이, 실시예 1-4의 경우, 2회 내지 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도(TC)의 저하가 거의 없었으나, 비교예 2의 경우 열전도도에 현저한 차이가 발생하였다. 이로부터, 본 발명의 실시예 1-4에 따른 조직으로 이루어진 복합재료가 복수 회의 열 사이클이 가해지더라도 열전도도 특성의 저하를 막는데 유리함을 알 수 있다.
<실시예 2>
실시예 2에서는 구리(Cu) 기지에 크기가 다른 3종류의 다이아몬드 입자를 복합화한 판상 복합재료를 제조하였다.
3종류의 다이아몬드 입자는 500㎛ 입자, 200㎛ 입자, 100㎛ 입자를 각각 사용하였으며, 복합재료 판재의 두께 방향의 단면조직에 있어서, 중심을 따라서는 500㎛ 입자가 대략 수평으로 배열되도록 하고, 중심에서 약간 벗어난 영역에는 200㎛ 입자가 대략 수평으로 배열되고, 표면 근방에는 100㎛ 입자가 대략 수평으로 배열되도록 하였다.
실시예 2에 따른 판상 복합재료는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 먼저 500㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트와, 200㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트와, 100㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트를 제조한다.
다음으로, 500㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트를 가운데 배치하고, 이 양측에 200㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트 2개를 적층 배치하고, 200㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트의 외측에 100㎛ 입자의 단층으로 이루어진 Cu-다이아몬드 복합시트를 적층 배치한다.
마지막으로, 적층체를 방전플라즈마소결(spark plasmaintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, 실시예 2에 따른 Cu-다이아몬드 복합시트를 제작하였다.
실시예 2에 따라 제작한 기판 중에서, 다이아몬드 부피비가 약 55%이고, 두께 약 1,600㎛ 로 제작된 방열기판의 경우, XY 방향(기판의 면 방향)과 Z 방향(두께 방향)의 열전도도는 약 750W/mK 이고, 200℃에서 XY 방향(기판의 면 방향) 열팽창계수는 8×10-6/K의 값을 나타내었다.
도 13은 실시예 2에 따른 방법으로 제조한 복합판재의 두께 방향의 단면 사진이다. 도 130에서 확인되는 것과 같이, 실시예 2에 따라 제조된 복합판재는 두께 방향의 단면에 있어서 중심에는 가장 큰 입자가 배치되고 표면으로 갈수록 입자의 크기가 작아지는 다이아몬드 입자 크기에 차이가 있는 경사 조직을 가진다.
도 14는 동일한 크기의 다이아몬드 입자를 규칙적으로 배열한 것과, 실시예 2에 따라 다이아몬드 경사 조직으로 배열한 것의 다이아몬드 부피비에 따른 두께방향의 열전도도의 차이를 나타낸 것이다.
도 14에서 확인되는 것과 같이, 다이아몬드 입자의 부피비가 동일하더라도 입자의 크기가 큰 것이 열전도도의 측면에서 현저한 차이를 나타냄을 알 수 있다. 따라서 열전도성 입자로 사용되는 다이아몬드 입자의 적어도 50% 이상은 크기가 300㎛ 이상인 것이 바람직하고, 400㎛ 이상인 것이 더 바람직하고, 500㎛ 이상인 것이 가장 바람직하다.
특히, 300㎛ 이상의 큰 입자와 200㎛ 이하의 작은 입자를 실시예 2와 같은 경사조직을 이루는 것이 다이아몬드의 부피비를 높여 열전도도를 향상시킬 수 있어 더욱 바람직하다. 또한, 실시예 1과 동일하게 실시예 2에 따른 복합소재도 2회 내지 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도(TC)의 저하가 거의 없었다.
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따라 다이아몬드 입자가 대칭적으로 배열된 복합판재와 다이아몬드 입자가 무작위로 분산된 복합판재의 가열 후 휨 상태를 비교한 것이다. 도 15에서 확인되는 것과 같이, 다이아몬드 입자가 대칭적(또는 규칙적)으로 배열될 경우, 가열 후에 휨이 거의 발생하지 않지만, 무작위로 분산된 복합판재의 경우 판재에 휨이 발생하는 경우가 많았다.
<실시예 3>
실시예 3에서는 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 적층판재의 내부에 구리-다이아몬드 복합재료가 매립된 구조의 복합판재를 제조하였다.
먼저, 구리(Cu) 판재와 구리-몰리브덴(Cu-Mo) 판재를 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 순으로 적층한 후, 방전플라즈마소결(spark plasmaintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, 두께 900㎛의 Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 적층판재를 제작하였다. 상기 적층판재를 구성하는 각층의 두께는 외곽 Cu층 200㎛, Cu-Mo층 200㎛, 중앙 Cu층 100㎛로 하였다.
상기 적층판재의 중심 부분을 방전와이어가공, 밀링, 워터젯, 레이져 가공과 같은 공지의 가공법을 사용하여 따 내는 방식을 통해 중심부에 윈도우(window)부를 형성한다.
실시예 1의 방법을 통해 Cu-다이아몬드 복합판재를 제작한 후, 상기 윈도우부에 삽입될 수 있을 정도의 공차를 가지도록 코인(coin) 형상으로 절단 가공한다.
코인(coin) 형상의 Cu-다이아몬드 복합판재를 상기 적층판재의 윈도우(window)부에 삽입한 후, 외곽 Cu층을 위한 두께 200㎛의 Cu 판을 양쪽에 위치시키고, 방전플라즈마소결(spark plasmaintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, 실시예 3에 따른 복합판재를 제작하였다.
실시예 3에 따라 제작된 다이아몬드 부피비 35% Cu-Diamond 코인 구조의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 600W/mk로 높게 나타났다. 또한, 도 16에서 확인되는 바와 같이, 200℃에서 열팽창계수는 8.6×10-6/K의 값을 보이고 있고, 800℃에서 열팽창계수도 세라믹의 7.7×10-6/K와 매우 유사한 7.6×10-6/K의 값을 보이고 있다. 이러한 특성은 반도체 패키지 제작시 800℃에서 세라믹과 접합할 때 유사한 열팽창 특성으로 휨이 없고 접착 특성이 우수한 안정된 특성을 구현할 수 있게 한다.
이러한 구조의 복합판재는 반도체 칩이 실장되는 중심부는 열전도도가 현저하게 우수한 Cu-다이아몬드의 복합재료와 접하게 되고, 주변부는 세라믹 소재와의 열팽창계수의 차이가 거의 없는 Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 적층구조와 접하게 되어, 고가의 재료인 다이아몬드의 사용량을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 세라믹 소재와의 열팽창계수의 차이도 현저하게 줄일 수 있기 때문에 접합 시 불량을 방지하면서 동시에 반도체 칩에서 발생하는 열을 신속하게 제거할 수 있는 이점이 있다.
뿐만 아니라, 도 17에 나타난 것과 같이 이 구조의 적층판재는 Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu 적층판재가 가열되는 온도에 따른 열팽창계수의 차이가 현저한 것에 비해, 0℃에서 800℃ 범위까지 열팽창계수의 차이가 거의 없어, 다양한 온도 영역에 적용할 수도 있는 이점이 있다.
<실시예 4>
실시예 1에 따라 제작한 Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자와 마그네슘(Mg) 입자를 교반기를 사용하여 혼합하였다. 이때, Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자의 다이아몬드 입자 크기는 500㎛를 사용하였고, 마그네슘(Mg) 입자는 평균크기가 100㎛ 인 것을 사용하였다. 상기 Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자 대신에 동일한 입자크기의 Ti/TiC/다이아몬드 복합입자를 사용할 수도 있다.
실시예 1과 동일하게 혼합한 입자를 다이아몬드 입자 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하여 다이아몬드 입자가 단층으로 배열된 성형체를 제작하였다. 마지막으로 실시예 1과 동일한 조건으로 성형체를 소결하여, Mg-Cu-다이아몬드 복합시트를 제작하였다.
Mg-Cu-다이아몬드 복합시트는 이 시트를 2층, 3층, 4층 등 다양하게 숫자로 적층하여 소정의 두께를 가지는 방열기판을 제작할 수 있다. 또한, 마그네슘 시트와 적층하여 3층, 5층, 7층 등 다양한 형태의 방열기판을 제작할 수 있다.
실시예 4에 따라 다이아몬드 단일층이 배열된 복합시트 2개와 복합시트의 사이와 복합시트의 외측에 각각 마그네슘 시트를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 다이아몬드 부피비 35%, 두께 1,500㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 4에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 500W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 13×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 4에 따라 제조된 복합재료에 대하여 500℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.
<실시예 5>
실시예 1에 따라 제작한 Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자와 은(Ag) 입자를 교반기를 사용하여 혼합하였다. 이때, Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자의 다이아몬드 입자 크기는 200㎛를 사용하였고, 은(Ag) 입자는 평균크기가 100㎛ 인 것을 사용하였다. 상기 Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자 대신에 동일한 입자크기의 Ti/TiC/다이아몬드 복합입자를 사용할 수도 있다.
실시예 1과 동일하게 혼합한 입자를 다이아몬드 입자 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하여 다이아몬드 입자가 단층으로 배열된 성형체를 제작하였다. 마지막으로 실시예 1과 동일한 조건으로 성형체를 소결하여, Ag-Cu-다이아몬드 복합시트를 제작하였다.
Ag-Cu-다이아몬드 복합시트는 실시예 4와 동일하게 이 시트를 2층, 3층, 4층 등 다양하게 숫자로 적층하여 소정의 두께를 가지는 방열기판을 제작할 수 있다. 또한, 은(Ag) 시트와 적층하여 3층, 5층, 7층 등 다양한 형태의 방열기판을 제작할 수 있다.
실시예 5에 따라 다이아몬드 단일층이 배열된 복합시트 6개를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 다이아몬드 부피비 35%, 두께 1,500㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 5에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 600W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 13×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 5에 따라 제조된 복합재료에 대하여 900℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.
<실시예 6>
실시예 1에 따라 제작한 Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자와 알루미늄(Al) 입자를 교반기를 사용하여 혼합하였다. 이때, Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자의 다이아몬드 입자 크기는 200㎛를 사용하였고, 알루미늄(Al) 입자는 평균크기가 100㎛ 인 것을 사용하였다. 상기 Cu/Ti/TiC/다이아몬드 복합입자 대신에 동일한 입자크기의 Ti/TiC/다이아몬드 복합입자를 사용할 수도 있다.
실시예 1과 동일하게 혼합한 입자를 다이아몬드 입자 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하여 다이아몬드 입자가 단층으로 배열된 성형체를 제작하였다. 마지막으로 실시예 1과 동일한 조건으로 성형체를 소결하여, Al-Cu-다이아몬드 복합시트를 제작하였다.
Al-Cu-다이아몬드 복합시트는 실시예 4와 동일하게 이 시트를 2층, 3층, 4층 등 다양하게 숫자로 적층하여 소정의 두께를 가지는 방열기판을 제작할 수 있다. 또한, 알루미늄(Al) 시트와 적층하여 3층, 5층, 7층 등 다양한 형태의 방열기판을 제작할 수 있다.
실시예 6에 따라 다이아몬드 단일층이 배열된 복합시트 6개를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 다이아몬드 부피비 35%, 두께 1,600㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 6에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 500W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 13×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 6에 따라 제조된 복합재료에 대하여 500℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.
<실시예 7>
실시예 7에서는 구리(Cu) 기지(matrix)에 SiC 입자가 균일하게 분산되어 복합화된 복합재료를 제조하였다.
먼저, 입자 크기가 500㎛인 SiC 분말을 준비하였다. 분말을 구성하는 입자들의 크기는 상기 대표값의 ±20% 이내(바람직하게는 ±10% 이내)의 크기를 가지는 균일한 크기의 SiC 입자를 사용하였다.
볼밀 법을 사용하여, 구리 입자와 SiC 입자를 강하게 혼합하여, SiC 입자의 표면에 구리 입자가 부착된 상태가 되도록 하였다.
이어서, SiC 입자가 깨지지 않는 압력 범위 내에서 SiC 입자의 최대 크기의 1.1 ~ 1.3배의 두께가 되도록 프레스 성형하였다. 성형압은 100MPa로 설정하였다.
이러한 프레스 성형을 통해 SiC 입자가 단층으로 배열된 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체를 방전플라즈마소결(spark plasma sintering)법을 사용하여 1,000℃에서 소결함으로써, Cu-SiC 복합시트를 제작하였다. 이와 같이 제작한 복합시트를 2층, 3층, 4층, 5층 등 다양한 숫자로 적층한 후 다시 소결하여 접합시키는 방법을 통해, 소정의 두께를 가지고 다이아몬드 입자의 부피비를 15% ~ 80% 정도로 포함하면서, 동시에 어느 하나의 SiC 입자의 중심과 이 SiC 입자와 가장 인접하는 SiC 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상으로 떨어지게 하는 조직을 갖는 복합시트(방열기판)를 제작하였다.
또한, SiC 입자가 단층으로 배열된 복합시트와 구리(Cu) 시트 또는 구리-몰리브덴(Cu-Mo) 시트와 적층하여 3층, 5층, 7층 등 다양한 적층구조를 가지는 방열기판을 제작할 수도 있다.
실시예 7에 따라 SiC 단일층이 배열된 복합시트 4개를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 SiC 부피비 45%, 두께 2,500㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 7에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 350W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 12×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 7에 따라 제조된 복합재료에 대하여 850℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.
<실시예 8>
실시예 7에 따른 방법과 동일한 방법으로 SiC 입자와 마그네슘(Mg) 입자의 복합시트를 제작하였다. 이때, 사용된 SiC 입자와 마그네슘(Mg) 입자의 크기와 부피비는 동일하게 하였다. 다만 프레스 성형압은 100MPa로 하였고, SPC 소결온도는 550℃로 하였다.
실시예 8에 따라 SiC 단일층이 배열된 복합시트 4개를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 SiC 부피비 45%, 두께 2,500㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 8에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 250W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 13×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 8에 따라 제조된 복합재료에 대하여 500℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.
<실시예 9>
실시예 7에 따른 방법과 동일한 방법으로 SiC 입자와 은(Ag) 입자의 복합시트를 제작하였다. 이때, 사용된 SiC 입자와 은(Ag) 입자의 크기와 부피비는 동일하게 하였다. 다만 프레스 성형압은 100MPa로 하였고, SPC 소결온도는 900℃로 하였다.
실시예 9에 따라 SiC 단일층이 배열된 복합시트 4개를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 SiC 부피비 45%, 두께 2,500㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 9에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 350W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 13×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 9에 따라 제조된 복합재료에 대하여 850℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.
<실시예 10>
실시예 7에 따른 방법과 동일한 방법으로 SiC 입자와 알루미늄(Al) 입자의 복합시트를 제작하였다. 이때, 사용된 SiC 입자와 알루미늄(Al) 입자의 크기와 부피비는 동일하게 하였다. 다만 프레스 성형압은 100MPa로 하였고, SPC 소결온도는 550℃로 하였다.
실시예 10에 따라 SiC 단일층이 배열된 복합시트 4개를 적층배열한 후 SPC 소결하여 최종적으로 SiC 부피비 45%, 두께 2,500㎛이며 도 18에 나타낸 조직을 갖는 방열기판을 제작하였다. 실시예 10에 따른 방열기판의 경우, Z 방향(두께 방향)과 XY 방향(면 방향)의 열전도도는 약 200W/mk 였고, 200℃에서 XY 방향(면 방향)의 열팽창계수는 13×10-6/K의 값을 나타내었다.
실시예 10에 따라 제조된 복합재료에 대하여 500℃까지 가열하는 열 사이클을 가한 후, 가열하기 전의 열전도도와 가열 후의 열전도도를 비교한 결과, 3회의 반복적인 열 사이클을 가한 후에도 열전도도 저하율이 5% 이하이었다.

Claims (19)

  1. 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 열전도성 입자가 분산된 조직을 가지는 복합재료로,
    상기 금속 기지는 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지고,
    상기 열전도성 입자는 다이아몬드 또는 SiC를 포함하고,
    상기 열전도성 입자를 부피비로 15% ~ 80% 포함하고,
    상기 복합재료의 미세조직에 있어서, 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상이고,
    상기 어느 하나의 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자는 서로 접하지 않고 그 사이에는 금속 기지가 개재되어 있으며,
    상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 상기 판 형상의 면을 따라, 상기 열전도성 입자는 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열된 형상을 이루고,
    상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 비해 열전도도 저하율이 5% 이하인, 복합재료.
  2. 금속 기지와, 상기 금속 기지의 내부에 열전도성 입자가 분산된 조직을 가지는 복합재료로,
    상기 금속 기지는 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지고,
    상기 열전도성 입자는 다이아몬드 또는 SiC를 포함하고,
    상기 열전도성 입자를 부피비로 15% ~ 80% 포함하고,
    상기 복합재료의 미세조직에 있어서, 상기 열전도성 입자는 입자크기의 차이가 150㎛ 이상인 큰 입자와 작은 입자를 포함하고,
    상기 큰 입자를 제 1 입자라고 하고 상대적으로 작은 입자를 제 2 입자라고 할 때, 상기 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리가 200㎛ 이상이고,
    상기 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자는 서로 접하지 않고 그 사이에는 금속 기지가 개재되어 있으며,
    상기 복합재료는 판(plate) 형상으로 이루어지고, 두께 방향의 단면에 있어서, 상기 제 1 입자는 상기 판의 두께의 중심영역에 배치되고, 상기 제 2 입자는 상기 판의 표면영역에 가깝게 배치되어, 두께의 중심영역에서 표면으로 갈수록 상기 열전도성 입자의 크기가 작아지는 형상으로 이루어고, 상기 제 1 입자는 상기 판의 두께의 중심영역에서 두께의 수직 방향을 따라 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열된 형상으로 이루어지며,
    상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열한 후 측정한 열전도도가 가열하기 전의 열전도도에 비해 열전도도 저하율이 5% 이하인, 복합재료.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자는 입자크기가 300㎛ 이상이고,
    상기 판 형상의 평면에서 볼 때, 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리는, 상기 판이 평면에서 관찰되는 모든 열전도성 입자들의 중심과 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 간의 거리의 중앙값에서 ±20% 이내의 수치를 가지는, 복합재료.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합재료는 적층 판재의 내부에 매립되어 있고,
    상기 적층 판재는 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제1층과, 상기 제1층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제2층과, 상기 제2층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제3층과, 상기 제3층 상에 형성되며, 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제4층과, 상기 제4층 상에 형성되며, 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제5층을 포함하는, 복합재료.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 판 형상의 복합재료의 상,하면에는 구리(Cu)와 몰리브덴(Mo)을 포함하는 합금으로 이루어지는 제1층이 각각 형성되고, 상기 제1층의 외면에는 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금으로 이루어지는 제2층이 각각 형성되는, 복합재료.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자이고,
    상기 금속 기지와 다이아몬드 입자의 사이의 계면에는 금속 탄화물층이 형성되어 있는, 복합재료.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 탄화물은 TiC인, 복합재료.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자를 부피비로 20% ~ 80% 포함하고,
    상기 어느 하나의 열전도성 입자의 중심과 이 열전도성 입자와 가장 인접하는 열전도성 입자의 중심 사이의 거리가 400㎛ 이상인, 복합재료.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자를 부피비로 20% ~ 80% 포함하고,
    상기 제 1 입자의 중심과 이 제 1 입자와 가장 인접한 제 1 입자 또는 제 2 입자의 중심 사이의 거리가 250㎛ 이상인, 복합재료.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합재료를 상기 금속 기지의 융점보다 20 ~ 30% 낮은 온도로 가열하고 상온으로 냉각하는 과정을 3회 실시한 후 측정한 열전도도가 최초로 가열하기 전의 열전도도에 비해 열전도도 저하율이 5% 이하인, 복합재료.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자는 다이아몬드 입자이고,
    상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 400W/mK 이상이고,
    상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K인, 복합재료.
  15. 삭제
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도성 입자는 SiC 입자이고,
    상기 판 형상의 두께 방향으로의 열전도도는 400W/mK 이상이고,
    상기 판 형상의 면 방향으로의 열팽창계수는 25℃ ~ 200℃에 있어서 3×10-6/K ~ 13×10-6/K인, 복합재료.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 복합재료를 포함하는 방열부품.
KR1020210074429A 2021-06-08 2021-06-08 복합재료 및 방열부품 KR102576792B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210074429A KR102576792B1 (ko) 2021-06-08 2021-06-08 복합재료 및 방열부품
US17/716,162 US12120852B2 (en) 2021-06-08 2022-04-08 Composite material and heat dissipation part
JP2022069318A JP7440944B2 (ja) 2021-06-08 2022-04-20 複合材料および放熱部品
DE102022113414.8A DE102022113414A1 (de) 2021-06-08 2022-05-27 Verbundmaterial und Wärmeableitungsteil hieraus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210074429A KR102576792B1 (ko) 2021-06-08 2021-06-08 복합재료 및 방열부품

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220165595A KR20220165595A (ko) 2022-12-15
KR102576792B1 true KR102576792B1 (ko) 2023-09-11

Family

ID=84102067

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210074429A KR102576792B1 (ko) 2021-06-08 2021-06-08 복합재료 및 방열부품

Country Status (4)

Country Link
US (1) US12120852B2 (ko)
JP (1) JP7440944B2 (ko)
KR (1) KR102576792B1 (ko)
DE (1) DE102022113414A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240117781A (ko) 2023-01-26 2024-08-02 (주)스타시스 열전도율이 우수한 절연 입자를 포함하는 인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법
CN116516197B (zh) * 2023-03-23 2024-02-27 哈尔滨工业大学 一种高热导率金刚石/金属复合材料的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018111883A (ja) * 2014-09-02 2018-07-19 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンド複合材料、及び放熱部材

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0001118B1 (en) * 1977-09-08 1981-12-02 National Research Development Corporation Electric contact device
US5574377A (en) * 1994-08-10 1996-11-12 Marquez-Lucero; Alfredo Device for the detection and localization of organic solvent leakages and fabrication process
US5698081A (en) * 1995-12-07 1997-12-16 Materials Innovation, Inc. Coating particles in a centrifugal bed
JPH09312362A (ja) 1996-05-23 1997-12-02 Sumitomo Electric Ind Ltd ヒートシンク及びその製造方法ならびにそれを用いたパッケージ
JP3893681B2 (ja) * 1997-08-19 2007-03-14 住友電気工業株式会社 半導体用ヒートシンクおよびその製造方法
NO20014399L (no) * 2000-11-29 2002-05-30 Hewlett Packard Co En datastruktur og lagrings- og hentemetode som stötter ordinal-tallbasert datasöking og henting
JP4148123B2 (ja) 2003-12-08 2008-09-10 三菱マテリアル株式会社 放熱体及びパワーモジュール
JP6502950B2 (ja) 2014-09-02 2019-04-17 株式会社アライドマテリアル 放熱部材、及び放熱部材の製造方法
JP6257575B2 (ja) 2015-11-25 2018-01-10 株式会社アライドマテリアル 半導体パッケージ、及び半導体装置
WO2018047988A1 (ko) * 2016-09-06 2018-03-15 주식회사 더굿시스템 고출력 소자용 방열판재
US10616994B2 (en) * 2018-02-02 2020-04-07 Kuprion, Inc. Thermal management in circuit board assemblies
US20200370146A1 (en) 2018-02-21 2020-11-26 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Composite material and composite material manufacturing method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018111883A (ja) * 2014-09-02 2018-07-19 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンド複合材料、及び放熱部材

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022187981A (ja) 2022-12-20
US20220394882A1 (en) 2022-12-08
DE102022113414A1 (de) 2022-12-08
KR20220165595A (ko) 2022-12-15
US12120852B2 (en) 2024-10-15
JP7440944B2 (ja) 2024-02-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102576792B1 (ko) 복합재료 및 방열부품
EP1796164B1 (en) Aluminum-silicon carbide composite
EP3509100B1 (en) Heat sink and method for manufacturing same
JP7104620B2 (ja) アルミニウム－ダイヤモンド系複合体及び放熱部品
EP2012354A1 (en) Aluminum/silicon carbide composite and radiating part comprising the same
KR101679104B1 (ko) 전자 기기용 히트 싱크 및 그의 제조 프로세스
EP3147384B1 (en) Heat spreader and process for manufacturing the same
WO2019098350A1 (ja) 放熱板及びその製造方法
EP3104406B1 (en) Power module
KR101691724B1 (ko) 고출력 소자용 방열판재
WO2022181416A1 (ja) 成形体及びその製造方法
JP2019096860A (ja) 放熱板及びその製造方法
WO2015163395A1 (ja) アルミニウム－ダイヤモンド系複合体及びこれを用いた放熱部品
US20230086662A1 (en) Method of producing composite material
WO2021040030A1 (ja) 放熱板、半導体パッケージ及び半導体モジュール
KR102685109B1 (ko) 복합재료 및 이 복합재료를 포함하는 방열부품
JPH11307701A (ja) 放熱基板及びその製造方法
JP2004160549A (ja) セラミックス−金属複合体およびこれを用いた高熱伝導放熱用基板
KR102047435B1 (ko) 고열전도 성능을 갖는 금속 매트릭스 복합재 히트 스프레더
KR20230164796A (ko) 복합재료 및 이 복합재료를 포함하는 방열부품
JP2003078087A (ja) 半導体素子用フィン付き放熱性複合基板
WO2023013502A1 (ja) 放熱部材および電子装置
KR102257877B1 (ko) 방열판재
JP2019079978A (ja) 放熱板及びその製造方法
WO2023013579A1 (ja) 銅－ダイヤモンド複合体、放熱部材および電子装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant