KR20000035298A

KR20000035298A - 탄화규소질 복합체 및 그 제조 방법과 이를 사용한 방열부품

Info

Publication number: KR20000035298A
Application number: KR1019990049209A
Authority: KR
Inventors: 히로쓰루히데끼; 노무라겐지; 데라사끼류이찌; 사이또미쓰아끼; 히루따가즈유끼; 미야이아끼라
Original assignee: 야노 쓰네오; 덴끼 가가꾸 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2000-06-26
Also published as: DE69912564T2; US6447894B1; EP1000915A3; KR100637635B1; ATE253537T1; EP1000915A2; JP2000281468A; EP1000915B1; DE69912564D1; JP3468358B2

Abstract

(과제)

고열전도성을 가짐과 동시에, 비중이 작고, 또한 열팽창 계수가 세라믹스 기판에 가까우며, 게다가, 휨을 갖고 있어 방열 부품 등에 좋은 밀착성으로 접합할 수 있는 방열 부품을 저렴하게 제공한다.

(해결수단)

다공질 탄화규소 성형체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어지는 판형상 복합체로, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 이하의 휨을 갖는 탄화규소질 복합체와, 이를 사용하여 이루어지는 방열 부품.

Description

탄화규소질 복합체 및 그 제조 방법과 이를 사용한 방열 부품{SILICON CARBIDE COMPOSITE, METHOD FOR PRODUCING IT AND HEAT DISSIPATION DEVICE EMPLOYING IT}

본 발명은 열전도 특성이 우수하고, 또한 경량으로, 세라믹스 기판이나 IC 패키지 등의 반도체 부품의 히트싱크 등의 방열 부재로서 적합한 고열전도성의 탄화규소질 복합 재료와 그 제조 방법 및 이를 사용한 방열 부품에 관한 것이다.

근년, 반도체 분야에서의 반도체 소자의 대용량화, 반도체 소자의 고집적화가 진행됨에 따라, 반도체 소자로부터 발생한 열에너지를 어떻게 효율적으로 외부로 방산시키는가가 중요한 과제로 되고 있다. 반도체 소자는, 통상, 세라믹스 기판 등의 절연성기판에 탑재되어 사용된다. 이 경우, 반도체 소자로부터의 발열은 기판 이면(裏面) 등에 설치되는 히트싱크라 불리는 방열 부품을 통하여 외부로 발산시켜, 반도체 소자의 동작 특성을 확보하고 있다.

종래, 이 히트싱크 재료로서는 주로 구리 (Cu) 가 사용된다. 구리는 실온부근의 열전도율이 390 W/mK 로 높지만, 열팽창 계수가 17 ×10^-6/K 로 커서, 세라믹스 기판 (열팽창 계수 : 7 ∼ 8 × 10^-6/K) 과 히트싱크의 열팽창차에 기인하여, 가열 접합시나 열사이클의 부가 등에 의해 세라믹스 기판에 크랙이나 균열 등이 발생하는 일이 있다. 종래, 세라믹스 기판을 신뢰성이 요구되는 분야에 방열 부품으로서 사용하는 경우에는, 세라믹스 기판과 열팽창 계수의 차가 작은 Mo/W 등을 히트싱크로 사용하였다.

상술한 바와 같은 Mo/W 제의 히트싱크는 신뢰성이 우수한 반면, 열전도율이 150 W/mK 로 낮아, 방열 특성의 면에서 문제가 있으며, 또한, 이와 같은 히트싱크는 고가이다. 이와 같은 사정으로부터, 근년, 구리나 알루미늄합금을 무기질섬유 또는 입자로 강화시킨 MMC (Metal Matrix Composite) 라 약칭되는 금속-세라믹스 복합체가 주목되고 있다. 이와 같은 복합체는 일반적으로는, 강화재인 무기질섬유 또는 입자를, 미리 성형함으로써 프리폼을 형성하고, 그 프리폼의 섬유간 또는 입자간에 기재 (매트릭스) 인 금속을 용침시킨 복합체이다. 강화재로서는, 알루미나, 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 실리카, 탄소 등의 세라믹스가 사용되고 있다. 그러나, 강화재인 세라믹스와 매트릭스인 합금의 습성이나 계면의 반응층 등도 열전도율에 크게 기여한다.

상기의 복합체에 있어서, 열전도율을 올리려고 하는 경우, 강화재 및 합금으로서 열전도율이 높은 물질을 선택할 필요가 있고, 열팽창 계수를 낮추기 위해서는, 열팽창율이 낮은 강화재를 선택할 필요가 있다. 이 때문에, 탄화규소-알루미늄합금의 복합체가 주로 연구되고 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 종래의 세라믹스 기판과 히트싱크와의 접합 구조를 갖는 방열 부품에 있어서, Mo 나 W 등의 중금속 재료를 히트싱크에 사용한 경우, 방열 부품의 중량이 무거워짐과 동시에, 방열성에 관해서도 반드시 충분하다고는 할 수 없는 문제가 있다. 또한, 비교적 경량이고 방열성이 우수한 Cu 나 Al 등을 히트싱크로서 사용하는 경우, 세라믹스 기판과의 열팽창차가 커서, 신뢰성이 높은 구조를 얻기 위해서는, 접합 구조 자체가 매우 복잡해져, 제조비용의 증가나 방열 부품으로서의 열저항의 증가 등을 초래한다는 문제가 있었다. 이와 같은 것으로부터, 종래의 세라믹스 기판과 히트싱크의 접합 구조를 갖는 방열 부품에 있어서는, 접합 구조의 간략화를 도모하고, 또한 신뢰성이나 방열성의 향상을 도모하는 것이 과제로 되고 있다.

또한, 상기의 과제를 해결하기 위해, 금속-세라믹스 복합체가 검토되고 있지만, 세라믹스 기판에 가까운 열팽창율을 얻으려고 하면, 열팽창율이 낮은 강화재인 세라믹스의 비율을 올릴 필요가 있다. 세라믹스 성분의 비율을 올리기 위해서는, 높은 성형압으로 프리폼을 성형할 필요가 있어, 비용상승으로 이어짐과 동시에, 그 후의 합금의 충분한 함침이 어려워진다는 문제가 있다. 따라서, 열팽창율이 세라믹스 기판에 가깝고, 높은 열전도율을 갖는 금속-세라믹스 복합체를 저렴하게 제공할 수 있는 기술의 개발이 과제로 되고 있다.

또한, 이와 같은 복합체는 방열 부품으로서 사용하는 경우, 회로기판과 납땜하여 사용되기 때문에, 복합체의 휨량이 너무 크면 납땜이 어려워진다. 이 때문에, 이와 같은 복합체를 방열 부품으로 사용하는 경우, 소정량 이하의 휨량으로 제어할 필요가 있다. 또한, 이와 같은 방열 부품을 형성한 파워 모듈 등의 부품은, 일반적으로 방열핀 등에 나사 고정되어 사용된다. 이와 같은 경우, 파워 모듈 등의 부품과 방열핀의 접합면에 응력이 작용하기 위해, 접합면이 볼록형으로 되어 있는 것이, 나사 고정후의 조임력이 커 방열면에서 바람직하다. 그러나, 종래의 금속-세라믹스 복합체에서는, 이와 같이, 임의로 휨 등의 형상을 부가하려고 하는 경우, 후가공에 의해 조정하는 것밖에 방법이 없었다. 이 경우, 금속-세라믹스 복합체는 매우 단단하고, 가공비용이 비싸, 부품자체가 매우 고가로 되어 버린다는 과제가 있었다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 고열전도성을 가짐과 동시에, 비중이 작고, 또한 열팽창 계수가 세라믹스 기판에 가까운, 휨을 갖고 있어 방열 부품 등에 잘 밀착되어 접합되는 복합체 및 이를 사용한 방열 부품을 저렴하게 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 사용한 금형으로, 평면도와 측면도이다.

도 2 는 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 일례를 나타내는 도면이다.

도 3 은 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 다른 일례를 나타내는 도면이다.

도 4 는 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 다른 일례를 나타내는 도면이다.

도 5 는 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 다른 일례를 나타내는 도면이다.

도 6 은 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 다른 일례를 나타내는 도면이다.

도 7 은 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 다른 일례를 나타내는 도면이다.

도 8 은 본 발명의 복합체에 사용하는 다공질 탄화규소 성형체의 다른 일례를 나타내는 도면이다.

도 9 는 본 발명에 관련되는 복합체를 예시하는 평면도이다.

도 10 은 본 발명의 실시예에 사용한 지그의 설명도이다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의연구한 결과, 복합체의 조성 및 그 구조를 조정함으로써, 열팽창 계수 등의 특성 및 복합체의 형상을 제어할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기게 이른 것이다.

즉, 본 발명은 다공질 탄화규소 성형체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어지는 판형상 복합체로, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 이하의 휨을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

또, 본 발명은 판형상 복합체의 면 내에 4 개 이상의 구멍부를 갖고, 구멍간 방향 (X 방향) 의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량 (Cx ; ㎛) 과, 그것에 수직인 방향 (Y 방향) 의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량 (Cy ; ㎛) 의 관계가 50≤Cx≤250, 또한 -50≤Cy≤200 인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

또한, 본 발명은 복합체의 표리 양면이 평균 두께 10 ∼ 150 ㎛ 의 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층으로 덮여 있고, 개다가 표리의 금속층의 평균 두께의 차가 140 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

또, 본 발명은 판형상 복합체가 복합체 부분 (A) 과 복합체의 적어도 편면에 형성된 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층 (B) 으로 이루어지고, 복합체 부분 (A) 의 두께의 평균값 (TA;㎛) 과 금속층 (B) 의 양면의 두께의 평균값의 합계 (TB;㎛) 의 비 (TA/TB) 가 5 ∼ 30 인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

또한, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ∼ 250 ㎛ 이고, 또한, 상기 금속층 (B) 의 표면측의 두께의 평균값 (TB1 ; ㎛) 과 이면측의 두께의 평균값 (TB2;㎛) 과의 차이의 절대값 (│TB1-TB2│) 과, 복합체의 최대 길이 (L ; ㎝) 와의 곱이 500 이상 2500 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

그리고 또, 본 발명은 다공질 탄화규소 성형체의 적어도 일주면에 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

그리고, 본 발명은 탄화규소질 복합체가 2 개의 판형상 복합체 (C, D) 와, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층 (E) 이 ECEDE 의 구조로 적층되어 이루어지는 복합체로, 판형상 복합체 (C), (D) 의 탄소함유량의 차가 0.5 ∼ 2.5 중량% 로, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ∼ 250 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

또, 본 발명은 탄화규소질 복합체를 온도 350 ℃ 이상에서 응력을 가하여 소성변형시킴으로써, 휨부가를 실시하는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체의 제조 방법이다.

또한, 본 발명은 실온 (25℃) 내지 150℃ 로 가열한 때의 평균 열팽창 계수가 9×10^-6/K 이하이고, 실온 (25℃) 의 열전도율이 150W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체이다.

그리고 또, 본 발명은 판형상 복합체에 반도체 탑재용 세라믹스 기판을 접합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 부품이다.

그리고, 본 발명은 세라믹스 기판이 질화알루미늄 및/또는 질화규소인 것을 특징으로 하는 방열 부품이다.

또한, 본 발명은 세라믹스 기판을 접합하고 있지않은 면을, 방열그리스를 통하여, 평면판 장착할 때에, 조임토크가 2N 이상인 조건에서, 상기 면의 90% 이상이 밀착하는 것을 특징으로 하는 상기의 방열 부품이다.

(발명의 실시형태)

금속-세라믹스 복합체의 열팽창율은, 통상, 강화재인 세라믹스와 기재인 금속의 열팽창율과 그 배합비로 결정된다. 세라믹스의 열팽창율은 금속의 열팽창율에 비하여 상당히 작아, 복합체의 열팽창율을 낮추기 위해서는, 세라믹스의 비율을 증가시키는 것이 효과가 있다. 또한, 금속-세라믹스 복합체의 열전도율도, 기본적으로는, 강화재인 세라믹스와 기재인 금속의 열전도율과 그 배합비로 결정되는데, 열전도율의 경우, 강화재와 기재와의 계면의 결합상태가 크게 기여한다. 세라믹스와 금속에서는, 일반적으로 금속의 것이 열전도율이 높지만, 탄화규소 (SiC), 질화알루미늄 (AlN). 질화붕소 (BN) 등은, 금속과 동등이상 (300W/mK 이상) 의 이론열전도율을 갖고 있어, 열전도율 향상의 점에서는, 강화재로서 매유 유망하다. 그러나, 실제로 복합체를 제조하는 경우, AlN 이나 BN 은 고가이어서, 얻어지는 복합체도 고가로 되어버린다. 또, AlN 이나 BN 은, 대기분위기속에서 산화되기쉬워, 복합체로 한 경우, 강화재인 세라믹스와 기재인 금속과의 사이에 열전도율이 매우 낮은 유리상을 형성하기 쉽고, 그 결과, 얻어지는 복합체의 열전도율이 저하되어 버린다.

본 발명자들은 강화재에 대하여 여러가지 검토한 결과, 탄화규소를 주성분으로 하는 세라믹스가, 고열전도율과 저열팽창율을 겸비한 금속-세라믹스 복합체를 제조하는데 적합한 것을 발견하였다.

또한, 이와 같은 복합체를 제조하는 경우, 강화재와 금속과의 습성이 치밀한 복합체를 얻기위해서는 중요하다. 함침하는 금속의 융점이 높으면, 함침시의 온도가 높아져, 세라믹스가 산화되기도 하고, 세라믹스와 금속이 반응하여 특성적으로 바람직하지 않은 화합물을 형성하는 일이 있다. 또한, 기재인 금속의 융점이 높으면, 함침온도가 높아짐으로써, 형재 등의 재질이 한정되어버림과 동시에, 주조비용 자체도 증가되어, 얻어지는 복합체가 고가로 된다.

본 발명자들은 기재인 금속에 대하여 여러가지 검토한 결과, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금을 사용함으로써, 양호한 복합체를 제조할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, 본 발명의 복합체는 탄화규소 분말 또는 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어지는 것이다.

금속-세라믹스 복합체의 열팽창율, 열전도율 등의 특성은, 강화재인 세라믹스와 기재인 금속의 특성과 그 배합비로 결정된다. 본 발명의 복합체 중의 탄화규소의 함유량은, 50 ∼ 80 체적% 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 60 ∼ 70 체적% 이다. 탄화규소의 함유량이 50 체적% 미만에서는, 복합체의 열팽찰율이 높아져, 본 발명이 목적으로 하는 신뢰성이 높은 방열 부품을 얻을 수 없게된다. 또, 탄화규소의 함유량을 높게 하는 것은, 복합체의 고열전도율, 저열팽창율이란 점에서는 유효하지만, 80 체적% 를 초과하여 충전하는 경우, 매우 높은 성형압력을 필요로 하는 등의 문제가 있어, 얻어지는 금속-세라믹스 복합체의 비용이 매우 상승되어버린다.

또한, 본 발명의 탄화규소질 복합체 중의 금속은, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금으로, 바람직하게는 실리콘을 20 중량% 이하, 마그네슘을 5 중량% 이하 함유한다. 합금 중의 알루미늄, 실리콘, 마그네슘 이외의 금속성분에 관해서는, 매우 합금의 특성이 변화하지 않는 범위이면 구리 등도 함유할 수 있다. 합금중의 알루미늄 이외의 성분을 조정함으로써, 합금자체의 열전도율이나 열팽창율을 변경할 수 있어, 얻어지는 복합체의 열팽창율이나 열전도율도 조정할 수 있다. 또, 알루미늄금속에 실리콘이나 마그네슘이 합금화됨으로써 합금의 융점저하나 고온에서의 용융 금속의 점성저하가 있고, 고온주조법 등으로 치밀한 복합체가 얻어지기 쉬워진다. 또한, 알루미늄금속을 합금화함으로써, 금속자체의 경도증가가 있고, 그 결과, 얻어지는 복합체의 강도 등의 기계적 특성이 향상된다.

또 본 발명은 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 이하인 휨을 갖는 것을 본질적으로 한다. 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 를 초과하면, 본 발명의 복합체를 방열 부품으로 사용하는 경우, 회로기판 등과의 접합불량이 발생해 버리는 문제나, 방열핀 등에 나사 고정할 때에, 과대한 구부림 응력이 가해져, 복합체가 파손되어 버리는 문제가 발생한다. 또한, 이와 같은 복합체로 이루어지는 방열 부품이 형성된 파워 모듈 등의 부품은, 방열핀 등에 나사 고정되어 사용된다. 이 경우, 파워 모듈 등의 부품과 방열핀의 접합면에 응력이 작용하기 위해, 접합면이 볼록형으로 되어 있는 것이, 나사 고정후의 조임력이 커 방열면에서 바람직하다.

본 발명의 제 2 발명은 판형상 복합체의 주면내에 다른 방열 부품에 나사 고정할 수 있도록, 4 개 이상의 구멍부를 갖고 있는 것이다. 상기 구멍의 형상에 대해서는, 방열 부품 등의 크기에 의해 적당히 선택하면 되지만, 일반적으로는 M6 ∼ M10 의 나사를 관통할 수 있는 크기이면 된다. 구멍부의 개수에 대해서는, 방열판의 크기에 따라 4 개 이상의 다수개를 설치할 수 있는데, 3 개 이하일 때에는 방열판의 전면을 다른 방열 부품에 꼭 밀착시킬 수 없다.

본 발명에 있어서는, 구멍간 방향 (X 방향) 의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량 (Cx ; ㎛) 과 상기 X 방향으로 수직인 방향 (Y 방향) 의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량 (Cy ; ㎛) 에 대하여, 50 ≤Cx≤250 이고, 또한 -50≤Cy≤200 인 것이 본질적이다. 일반적으로 여기에서, 상기 구멍간방향 (X 방향) 이란, 도 1a ∼ 1d 에 예시한, 방열판표면의 일방향을 나타내고, Y 방향은, 상기 표면내의 X 방향과 수직인 방향을 나타내고 있다.

본 발명자들은 종래기술에서의 상기 과재의 해결을 도모하고, 여러가지 실험적으로 검토한 결과, 휨량 (Cx ; ㎛, 및 Cy;㎛) 이 상기 특정의 범위에 있을 때에, 복합체로 이루어지는 방열판을 다른 방열 부품에 잘 밀착시켜 나사로 고정할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이른 것이다. 본 발명의 복합체로 이루어지는 방열판을 다른 방열 부품에 잘 밀착시켜 나사로 고정하는 경우, 일반적으로는, 방열판과 방열 부품과의 사이에 방열그리스 등을 통하여 고정된다. 따라서, Y 방향의 휨량 (Cy) 에 관해서는, 그 절대값이 방열 그리스두께보다 작은 것이 바람직하다. 또, 조임시의 방열판의 변형을 고려한 경우, Y 방향의 휨량 (Cy) 은 X 방량의 휨량 (Cx) 보다 작은 것이 바람직하다. 상기의 휨량이 상기 특정범위를 만족할 수 없을 때에는, 잘 밀착시켜 방열판을 다른 방열 부품에 나사 고정할 수 없는 일이 있다.

또, 본 발명의 제 3 발명은 판형상 복합체 (A) 의 양면에 알루미늄을 주성분으로 하는 함금층 (B) 이 접합되어 이루어지는 판형상의 복합체이다. 표면부가 알루미늄을 주성분으로 하는 합금층으로 덮여 있음으로써, 표면부를 가공할 때에는, 이 금속 부분의 가공으로 끝나, 가공시의 부하를 대폭적으로 억제할 수 있다. 표면부에 금속-세라믹스 복합체가 있으면, 그 부분만이 단단하여, 가공이 불균일해지거나, 다이아몬드 등의 고가인 가공지그를 사용할 필요가 있기 때문이다. 또, 표면부가 금속층임으로써, 도금처리를 실시할 경우의 균일성이 향상된다. 상기 이유로부터, 금속층의 평균 두께는 10 ㎛ 이상이 선택된다.

또한, 상기 금속층은, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지므로, 금속-세라믹스 복합체 부분에 비하여, 열팽창 계수가 크다. 따라서, 금속층의 두께가 증가하면 복합체 전체의 열팽창 계수가 커져버리므로, 금속층의 평균 두께는 150 ㎛ 이하로 선택된다.

또, 표리의 금속층의 평균 두께에 차가 있으면, 금속층과 금속-세라믹스 복합체의 열팽창 계수의 차이에 의해, 복합체 자체의 표리면의 열팽창차가 발생하고, 그 결과, 복합체에 휨이 발생한다. 이와 같은, 휨은, 이것이 제어되어 있지 않은 경우에는, 방열 부품 등으로 복합체를 사용할 때에, 회로기판 등과의 접합불량의 원인이 된다. 이 휨량과 표리의 금속층의 두께차에는, 밀접한 관계가 있어, 두께차가 140 ㎛ 를 초과하면, 복합체의 휨량이 너무 커져, 방열 부품 등으로 사용하는데 적당하지 않게된다. 또, 판형상 복합체의 주면내에 다른 방열 부품에 나사 고정할 수 있도록, 구멍부를 갖고 있는 경우, 그 구멍간거리가 10 ㎝ 이하의 소형형상에서는, 좋은 밀착성으로 방열판을 다른 방열 부품에 나사 고정하기 위해서는, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제 5 발명은 판형상 복합체 (A) 의 두께의 평균값 (TA) 과, 표리의 합금량의 두께의 평균값의 합계 (TB) 와의 비 (TA/TB) 가 5 ∼ 30 인 복합체이다. TA/TB 가 5 미만에서는, 표면의 상기 합금층의 두께가 너무 두꺼워져, 열팽창율이나 열전도율 등의 특성이 저하된다. 또한, TA/TB 가 30 을 초과하면, 표면의 합금층이 너무 얇아져, 표면부를 기계가공 등을 실시하는 경우에, 부분적으로 판형상 복합체가 노출되어, 가공지그를 파손한다는 문제나, 도금 특성이 저하된다는 문제가 발생한다. 또, 표면의 합금층의 두께를 조정하여, 복합체의 형상, 구체적으로 휨량을 조정할 때에도 어느 정도의 합금층두께를 필요로 하기 때문에, TA/TB 는 30 이하일 필요가 있다.

또, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ∼ 250 ㎛ 이고, 합금층 (B) 의 표면측의 두께의 평균값 (TB1 ; ㎛) 과 이면측의 두께의 평균값 (TB2 ; ㎛) 의 차와 복합체의 최대 길이 (L ; ㎝) 가 500 〈(TB1-TB2)×L〈2500 이다. 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 를 초과하면, 본 발명의 복합체를 방열 부품으로 사용하는 경우, 회로기판 등의 접합불량이 발생한다는 문제나, 방열핀 등에 나사 고정할 때에, 과대한 구부림응력이 가해져, 복합체가 파손된다는 문제가 발생하기 쉽다. 또한, 이와 같은 복합체로 이루어지는 방열 부품이 형성된 파워 모듈 등의 부품은, 방열핀 등에 나사 고정되어 사용된다. 그 경우, 파워 모듈 등의 부품과 방열핀의 접합면에 응력이 작용하기 위해, 접합면이 볼록형으로 되어 있는 것이, 나사 고정후의 조임력이 커 방열면에서 바람직하다. 이 때문에, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ㎛ 미만에서는, 방열 부품 등으로 사용하는 경우의 휨량이 부족하여, 방열 특성에 문제가 발생하는 일이 있다.

이와 같은 구조의 복합체에 있어서는, 합금층과 판형상 복합체 (금속-세라믹스 복합체) 의 열팽창 계수의 차이로부터, 표리의 합금층의 두께차가 있으면, 복합체 자체의 표리의 열팽창차가 발생하고, 그 결과, 복합체에 휨이 발생한다. 이와 같은 휨은, 표리의 합금층의 두께차와 판형상 복합체의 크기에 밀접한 관계가 있어, 표리의 합금층의 두께차가 커지면, 또, 판형상 복합체의 크기가 커지면 커진다. (TB1-TB2) ×L 이 2500 을 초과하면, 복합체의 휨량이 너무 커지고, 또, (TB1-TB2)×L 이 500 미만에서는, 복합체의 휨량이 너무 작아져, 방열 부품으로 사용할 경우, 상술한 바와 같은 문제가 있어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명은 다공질 탄화규소 성형체의 적어도 일주면에 단차를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상술한 바와 같이, 이와 같은 구조의 복합체에 있어서는, 표리의 합금층의 두께차에 의해 복합체에 휨이 발생한다. 단차의 형상에 관해서는, 홈 등의 측면과 연결된 구조나, 요부 등의 측면과 연결되어 있지않은 구조가 있어, 이들의 조합도 가능하다. 단차부의 깊이에 관해서는, 단차부의 면적에 의해 다르다. 단차부의 면적이 큰 경우, 단차부의 평균깊이가 얇고, 단차부의 면적이 작은 경우, 단차부의 평균깊이는 깊게 할 필요가 있다. 이 때문에, 원하는 표리의 합금층의 평균 두께차를 형성하기 위해 필요한 표리의 단차부의 체적차가 있다. 표리의 단차부의 체적차에 대해서는, 복합체의 체적의 3 ∼ 15% 인 것이 바람직하다. 3% 미만에서는, 표리의 합금층의 두께차가 적어, 원하는 휨량을 얻을 수 없다. 또, 15% 를 초과하면, 표리의 합금층의 두께차가 커져, 복합체의 휨량이 너무 커져, 방열 부품으로 사용하는 경우에 회로기판 등과의 접합불량 등이 일어나 바람직하지 않다. 또, 단차부의 면적에 관해서는, 주면의 20 ∼ 80% 인 것이 바람직하다. 20% 미만에서는, 단차부의 평균깊이를 매우 깊게할 필요가 있어, 복합체 강도 등의 면에서 바람직하지 않다. 또한, 80% 를 초과하면, 복합체표면의 합금층의 두께 편차가 커져 바람직하지 않다. 이 단차부는, 다공질 탄화규소 성형체의 일주면에만 형성하여도, 양면에 형성하여도, 표리의 단차부에 체적차가 있으면 문제는 없다.

또한, 본 발명은 탄화규소질 복합체가 판형상 복합체 (C, D) 와, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층 (E) 이 ECEDE 의 구조로 적층되어 이루어지는 복합체로서, 판형상 복합체 (C), (D) 의 탄소함유량의 차가 0.5 ∼ 2.5 중량% 이다. 복합체를 5 층 구조로 함으로써, 판형상 복합체 (C, D) 의 조성을 조정할 수 있고, 그 결과, 복합체에 휨을 부가할 수 있다. 구체적으로는, 판형상 복합체 (C, D) 의 탄화규소함유량에 상당하는 탄소함유량의 차를 0.5 ∼ 2.5 중량% 로 한다. 복합체 중의 탄화규소 함유량이 증가함에 따라, 그 열팽창율은 작아지고, 판형상 복합체 (C) 와 판형상 복합체 (D) 의 탄소함유량의 차가 열팽창차로 되어, 휨이 발생한다. 탄소함유량의 차가 0.5 중량% 미만에서는, 판형상 복합체 (A) 와 판형상 복합체 (B) 의 열팽창차가 너무 작아, 충분한 휨량을 얻을 수 없다. 또, 탄소함유량의 차가 2.5 중량% 를 초과하면, 판형상 복합체 (C) 와 판형상 복합체 (D) 의 열팽창차가 너무 커져, 방열 부품 등으로서 사용하는데 적합치 않게된다.

복합체의 휨량으로서는, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ∼ 250 ㎛ 인 것이 바람직하다. 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 를 초과하면, 본 발명의 복합체를 방열 부품으로 사용하는 경우, 회로기판 등과의 접합불량이 발행한다는 문제나, 방열핀 등에 나사 고정할 때에, 과대한 구부림응력이 가해져, 복합체가 파손되어버리는 문제가 발생한다. 또한, 이와 같은 복합체로 이루어지는 방열 부품이 형성된 파워 모듈 등의 부품은, 방열핀 등에 나사 고정되어 사용된다. 그 경우, 파워 모듈 등의 부품과 방열핀의 접합면에 응력이 작용하기 위해, 접합면이 볼록형으로 되어 있는 것이, 나사 고정후의 조임력이 커 방열의 면에서 바람직하다. 이 때문에, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ㎛ 미만에서는, 방열 부품 등으로 사용하는 경우의 휨량이 부족하여, 본 발명이 목적을 달성할 수 없는 일이 있다.

또, 본 발명은 상기의 판형상의 복합체를 350 ℃ 이상의 온도에서 주면과 수직인 응력을 가하여 소성변형시킴으로써, 휨부여를 실시하는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체의 제조 방법이다. 상기 조작에 의해, 상기 원하는 휨량을 갖는 판형상의 복합체를 용이하게 얻을 수 있다. 이 경우, 미리 원하는 형상의 내면을 갖는 형에, 복합체를 밀어붙이는 방법이 재현성이 높아 바람직하다. 또한, 350 ℃ 미만의 온도에서는, 복합체 중의 알루미늄을 주성분으로 하는 금속이, 실질적으로 소성변형하지 않으므로, 발명의 목적을 달성하기 어렵다. 상기 온도의 상한에 대해서는, 600 ℃ 를 초과하면 알루미늄합금의 일부가 액상을 형성하여, 유동을 발생시키는 일이 있는데, 유동을 발생시키는 온도까지 가열하면, 그 냉각시에 응고에 따른 변형이 발생하는 일이 있어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명의 복합체의 실온 (25℃) 의 열전도율은 150 W/mK 이상이다. 열전도율이 150W/mK 미만에서는, 가열부품 등으로 사용하는 경우에 충분한 방열 특성이 얻어지지 않고, 그 용도가 한정되어 버린다는 문제가 있다.

또, 본 발명의 복합체는 실온 (25℃) 내지 150℃ 로 가열한 때의 평균 열팽창 계수가 9 ×10^-6/K 이하이다. 실온 (25℃) 내지 150℃ 로 가열한 때의 평균 열팽창 계수가 9 × 10^-6/K 를 초과하면, 파워 모듈 등의 방열 부품으로서 사용하는 경우에, 세라믹스 기판과의 열팽창 계수의 차가 너무 커져, 가열 접합시나 열사이클 불가 등에 의해, 세라믹스 기판에 크랙이나 균열 등이 발생하는 일이 있어, 신뢰성이 요구되는 방열 부품으로 사용하는 경우의 용도가 한정된다는 문제가 있다.

또, 본 발명의 복합체는 밀도가 3g/㎤ 정도로 구리 등의 금속에 비하여 가벼워, 방열 부품으로 사용하는 경우, 부품의 경량화에 유효하다. 또한, 본 발명의 복합체는 구부림 강도가 300 MPa 이상으로 높아, 방열 부품 등으로 사용하는데 충분한 기계적 특성을 갖고 있다.

그리고 또, 본 발명은 상술한 복합체를 사용하는 것을 특징으로 하는 방열 부품이다. 본 발명의 방열 부품은, 열전도 특성이 우수하고 또한 충분한 기계적 특성을 갖고 있어, 히트싱크 등으로 사용하는데 적합하다. 또, 본 발명의 방열 부품은 밀도가 3g/㎤ 정도로 경량이어서, 이동용기기에 사용하는 방열 부품으로서 적합하다. 본 발명의 방열 부품은 열전도 특성이 우수하고, 평균 열팽창 계수가 9 × 10^-6/K 이하로 낮기 때문에 히트싱크 등의 방열 부품으로 사용하는 경우, 종래의 구리 등을 사용한 경우에 비하여, 방열 부품과 접합되는 세라믹스 기판과의 열팽창 계수가 작아, 기판상의 반도체 소자의 작동시에 발생하는 열사이클 등에 의한 세라믹스 기판의 크랙이나 균열 등을 억제할 수 있다. 이로써, 높은 신뢰성이 요구되는 전기자동차 등의 이동용 기기에 사용하는 방열 부품으로 적합하다.

또, 반도체 소자의 집적화나 대형화에 따라, 이것을 탑재하는 세라믹스 기판에는, 높은 방열 특성이 요구되고 있다. 질화알루미늄 및 질화규소기판은, 절연특성이 우수하고, 방열 특성이 우수하여, 본 발명의 방열 부품과 접합하여 사용함으로써, 열사이클 등의 부가에 의한 크랙이나 균열 등이 매우 적은 고신뢰성을 얻을 수 있다.

또, 본 발명의 가열판은, 세라믹스 기판을 접합하고 있지 않은 면을, 방열 그리스를 통하여, 평면판 장착할 때에, 조임토크가 2N 이상의 조건에서, 상기 면의 90% 이상이 밀착하는 특징을 갖고, 세라믹스 기판상의 반도체 소자의 작동시에 발생하는 열을 신속하게 방산할 수 있어, 고신뢰성의 모듈을 형성할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 복합재의 제조 방법은, 탄화규소 분말에 결합제로서 실리카겔 및/또는 알루미나졸 등을 소정량 첨가혼합하여, 원하는 형상으로 성형한다. 성형방법은, 건식프레스성형, 습식프레스성형, 압출성형, 주입성형 등을 사용할 수 있고, 필요에 따라 보형용 바인더를 첨가하여도 된다. 또, 탄화규소 분말에 관해서는, 1 종류의 분말을 사용하여도 되지만, 복수의 분말을 적당한 입도로 배합하여 고밀도의 성형체를 용이하게 얻을 수 있으므로 더욱 바람직하다. 다음으로, 얻어진 성형체를, 대기중 또는 질소 등의 불활성가스분위기중, 온도 700 ∼ 1600 ℃ 로 가소하여 탄화규소질 다공체를 제공한다. 또한, 탄화규소 분말에 결합재로서 실리콘 분말을 첨가혼합하여, 동일한 방법으로 제조할 수도 있다. 또한, 탄화규소질 다공체의 제조 방법에 관해서는, 탄화규소 분말이나 실리콘 분말과 탄소분말의 혼합분말을, 불활성가스분위기중, 온도 1600 ∼ 2200 ℃로 소성하여 제조할 수도 있다.

얻어진 탄화규소질 다공체는 소정형상으로 가공한 후, 열충격에 의한 균열 등을 방지하기 위해 미리 가열하고, 융점 이상의 온도로 가열한 알루미늄을 주성분으로 하는 용융 금속을 고압으로 함침시켜 복합체로 한다. 복합체 표면의 금속층의 두께조정은, 탄화규소질 다공체를 가공할 때에, 표면부에 홈 등을 부가함으로써, 함침하여 얻어지는 복합체의 표면의 합금층의 두께를 조정할 수 있다. 또, A1 합금의 얇은판을 탄화규소질 다공체의 표면에 적층하여 함침함으로써도 조정할 수 있다. 이 경우, 다공체뿐만 아니라 탄화규소 분말을 사용할 수도 있다. 또한, 복합체의 표면의 금속층을 기계가공함으로써도 복합체의 표면의 금속층의 두께를 조정할 수 있다. 또한, 금형 등을 이용하여, 상기 금형의 공극치수보다도 약간 작은 치수의 프리폼을 상기 공극 내에 배치하고, 상기 금형내의 상기 공극 내에 용융 금속을 주입하는 방법에 의해서도 제작할 수 있다. 금속성분의 함침방법에 관해서는, 특별히 한정은 없고, 고압주조법, 다이캐스트법 등을 이용할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예, 비교예를 들어, 본 발명을 더욱 상세히 설명하는데, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 10, 비교예 1

탄화규소 분말 A (타이헤이요우 랜덤사 제조 :NG-220, 평균입경 : 60 ㎛), 탄화규소 분말 B (오꾸시마덴꼬우샤 제조 : GC-1000F, 평균입경 : 10 ㎛) 및 실리카졸 (닛산가가꾸샤 제조 : 스노우텍스) 을 표 1 에 나타낸 조성으로 배합하여, 교반혼합기로 30 분간 혼합한 후, 100 ㎜×100㎜×5㎜ 의 형상으로 10 MPa 의 압력으로 성형하였다.

얻어진 성형체는 대기중, 온도 850℃ 에서 2 시간 가열하여, 탄화규소질 다공체로 하였다. 얻어진 탄화규소질 다공체는 20 ㎜ Φ×5㎜ 의 형상으로 가공하여, 그 치수와 질량으로부터 상대밀도 (벌크밀도) 를 산출하였다. 얻어진 결과를 표 1 에 나타낸다.

종별	배합비(체적%)	성형체두께 (㎜)	상대밀도 (%)	합금종류
종별	SiC(A)	성형체두께 (㎜)	상대밀도 (%)	합금종류	SiC(B)	실리카졸
실시예1	25	75	3	2.93	63	ADC12
실시예2	50	50	3	2.93	63	ADC12
실시예3	75	25	3	2.93	63	ADC12
실시예4	50	50	1	2.93	62	ADC12
실시예5	50	50	7	2.93	64	ADC12
실시예6	50	50	3	2.93	63	AC4C
실시예7	50	50	3	2.93	63	AC9B
실시예8	50	50	3	2.93	63	순Al
실시예9	50	50	3	2.90	63	ADC12
실시예10	50	50	3	2.98	63	ADC12
비교예1	50	50	3	2.60	63	ADC12
*실리카졸은 고형분량 합금종류는 JIS 구격품을 사용

다음으로, 얻어진 탄화규소질 다공체를 다이아몬드 가공지그로 표 1 에 나타낸 두께로 가공하고, 각 시료 10 장을 이형제를 도포한 도 1 의 프레임 (재질 : 탄소강) 에 세트한 후, 각 시료 간을 이형제를 도포한 0.7 ㎜ 두께의 철판으로 구분하여, 양단에 12 ㎜ 두께의 철판을 배치한 후, 10 ㎜Φ 의 볼트, 너트로 고정하여, 하나의 블록을 형성하였다.

다음으로, 상기 블록을 전기로에서, 온도 700℃ 로 예비가열하고, 미리 가열해둔 내부치수 250 ㎜Φ×300㎜ 의 공극을 갖는 프레스형내에 얹은 후, 온도 850 ℃ 로 가열하고 있는, 표 1 에 나타낸 알루미늄금속의 용탕을 흘려보내, 100 MPa 의 압력으로 10 분간 프레스하여, 탄화규소질 다공체에 알루미늄금속을 함침시켰다. 얻어진 복합체를 포함하는 금속덩어리는, 실온까지 냉각한 후, 습식 밴드소우(band saw) 로 절단하여 형틀을 꺼내, 다시 형틀 내로부터 탄화규소질 복합체를 이형하였다. 얻어진 복합체는 다이아몬드 가공지그를 사용하여, 열팽창율 측정용 시험체 (3×4×10㎜), 실온의 열전도율 측정용 시험체 (10 ㎜Φ×3㎜), 3점 구부림 강도 평가용 시험체 (3㎜×4㎜×40㎜) 에 연삭가공하였다. 또, 3 점 구부림 강도 평가용 시험체의 일부를 사용하여, 그 단면을 현미경으로 관찰하여, 복합체의 표리의 금속층의 두께를 9 개소에 대하여 측정하여, 평균 두께를 산출하였다. 얻어진 결과를 표 2 에 나타낸다.

종별	금속층의 평균 두께(㎜)
종별	표면	이면	두께차
실시예1	50	40	10
실시예2	60	30	30
실시예3	40	50	10
실시예4	30	60	30
실시예5	50	40	10
실시예6	40	50	10
실시예7	50	40	10
실시예8	60	30	30
실시예9	90	30	60
실시예10	20	20	0
비교예1	350	50	300

다음으로, 각각의 시험체를 사용하여, 열팽창계로 실온내지 250 ℃ 의 열팽창율, 레이저 플래시법에 의한 실온의 열전도율 및 구부림 시험기에 의한 3 점 구부림 강도를 측정하였다. 또, 3차원 변위계로 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량을 측정하였다. 또한, 열전도율 측정용 시험체의 치수와 중량으로부터, 복합체의 밀도를 산출하였다. 얻어진 결과를 표 3 에 나타낸다.

종별	열팽창율 (10^-6/K)	열전도율 (W/mK)	3점 구부림 강도(㎫)	밀도 (g/㎤)	휨량 (㎛)
실시예1	7.4	210	420	2.99	40
실시예2	7.2	220	400	2.98	70
실시예3	6.9	225	380	2.98	30
실시예4	7.7	225	410	2.98	60
실시예5	6.7	180	390	2.97	40
실시예6	7.4	230	400	2.98	40
실시예7	6.4	190	410	2.98	30
실시예8	7.5	230	360	2.98	60
실시예9	7.3	205	400	2.97	90
실시예10	7.1	225	430	2.99	30
비교예1	9.2	180	320	2.88	400
*1:샘플길이 10㎝에 대한 휨량

상기 실시예 1 ∼ 10, 비교예 1 에서 얻어진 복합체의 외주치수는 모두 102×102 ㎜ 이고, 시료 간의 치수 편차는 0.1 ㎜ 이하이었다. 또, 복합체의 두께는, 각 시료 모두 3.02 ㎜ 이고, 비교예 1 이외의 시료에 관해서는, 면내의 두께 편차도 0.05 ㎜ 이하이었다.

실시예 11

실시예 2 의 프레임 대신에 질화규소제의 프레임을 사용하여, 성형체의 일부에 10 ㎜Φ의 구멍을 4 개소 형성하였다. 그 외에는, 실시예 2 와 동일한 조작으로 복합체를 제작하여, 얻어진 복합체의 특성 평가를 실시하였다. 함침후의 프레임과 복합체의 이형은 매우 좋고, 프레임의 변형 등은 볼 수 없었다. 복합체의 밀도는 2.98 g/㎤ 이고, 표리의 금속층의 평균 두께는 모두 30 ㎛ 이었다. 또, 열전도율은 210 W/mK, 열팽창 계수는 7.1×10^-6/K, 구부림 강도는 400 MPa, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량은 40 ㎛ 이었다. 복합체의 치수는, 101×101㎜×3.01㎜ 로 시료 간의 편차는 매우 작았다. 또, 성형체에 형성한 구멍부는 모두, 금속층으로 채워져 있고, 하이스강의 드릴로 용이하게 구멍가공을 실시할 수 있었다.

실시예 12 ∼ 17, 비교예 2

탄화규소 분말A (타이헤이요우 랜덤사 제조 :NG-220, 평균입경 : 60 ㎛), 탄화규소 분말 B (오꾸시마덴꼬우샤 제조 : GC-1000F, 평균입경 : 10 ㎛) 및 실리카졸 (닛산가가꾸샤 제조 : 스노우텍스) 을 표 1 의 조성으로 배합하여, 교반혼합기로 30 분간 혼합한 후, 180 ㎜×120㎜×5㎜ 의 형상으로 10 MPa 의 면압으로 성형하였다. 얻어진 성형체는 대기중, 온도 850℃ 에서 2 시간 가열하여, 탄화규소질 다공체를 제작하였다. 얻어진 탄화규소질 다공체는 20 ㎜ Φ×5㎜ 의 형상으로 가공하여, 그 치수와 질량으로부터 상대밀도를 산출하였다. 얻어진 결과를 표 4 에 나타낸다.

종별	배합비(체적%)	상대밀도(%)	합금종류
종별	SiC(A)	상대밀도(%)	합금종류	SiC(B)	실리카졸
실시예12	50	50	3	63	ADC12
실시예13	100	-	3	62	ADC12
실시예14	-	100	3	65	ADC12
실시예15	50	50	3	63	ADC12
실시예16	50	50	3	63	ADC12
실시예17	50	50	3	63	ADC12
비교예2	50	50	3	63	ADC12
*실리카졸은 고형분량 합금종류는 JIS 규격품을 사용

다음으로, 얻어진 탄화규소질 다공체를 다이아몬드 가공지그를 사용하여 표 5 에 나타낸 두께의 평판으로 가공하고, 이형제를 도포한 철제의 두께 3 ㎜ 의 프레임내에 프리폼을 표 5 에 나타낸 알루미늄판과 함께 세트하고, 양단에 12 ㎜ 두께의 철판을 배치한 후 10 ㎜Φ 의 볼트, 너트로 고정하여 블록을 형성하였다. 다음으로, 이 블록을 전기로에서, 온도 700℃ 로 예비가열하여, 미리 가열해 둔 250 ㎜Φ×300 ㎜H 의 프레스형에 얹은 후, 온도 850 ℃ 로 가열한 표 1 에 나타낸 합금의 용탕을 흘려보내, 100 MPa 의 압력으로 10 분간 프레스하여, 탄화규소질 다공체에 합금을 함침시켰다. 얻어진 탄화규소질 다공체를 포함하는 함금덩어리는, 실온까지 냉각한 후, 다이아몬드 가공지그로 탄화규소질 복합체를 깍아냈다. 얻어진 틴화규소질 복합체는 다이아몬드 가공지그를 사용하여, 열팽창율 측정용 시험체 (3×4×10㎜) , 실온의 열전도율 측정용 시험체 (10 ㎜ Φ×3㎜), 3점 구부림 강도 평가용 시험체 (3㎜×4㎜×40㎜) 에 연삭가공하였다. 또, 3 점 구부림 강도 평가용 시험체의 일부를 사용하여, 그 단면을 현미경으로 관찰하여, 복합체의 표리의 합금층의 두께를 9 개소 측정하여, 평균값을 산출하였다.

종별	완성구성 (㎜)	복합체 및 합금층두께(㎜)
종별	다공체두께	표면Al판	이면Al판	복합체두께	표면합금층	이면합금층
실시예12	2.80	0.15	-	2.80	0.20	0.03
실시예13	2.80	0.15	-	2.80	0.19	0.04
실시예14	2.80	0.15	-	2.80	0.19	0.04
실시예15	2.85	0.12	-	2.85	0.15	0.03
실시예16	2.60	0.25	0.10	2.60	0.30	0.13
실시예17	2.70	0.20	0.05	2.70	0.23	0.10
비교예2	2.00	0.95	-	2.00	0.99	0.04

다음으로, 각각의 시험체를 사용하여, 열팽창계로 실온내지 250 ℃ 의 평균 열팽창 계수, 레이저 플래시법에 의한 실온의 열전도율 및 구부림시험기에 의한 3점 구부림 강도를 측정하였다. 또한, 열전도율 측정용 시험체의 치수와 중량으로부터, 복합체의 밀도를 산출하였다. 얻어진 결과를 표 6 에 나타냈다. 또, 복합체의 표면을 롤연마기로 연마하여 복합체 표면의 변질층을 제거한 후, 3 차원 변위계에 의해, 복합체의 주면의 휨량을 측정하였다. 얻어진 결과를 표 6 에 나타낸다.

종별	열팽창율 (10^-6/K)	열전도율 (W/mK)	3점 구부림 강도(㎫)	밀도 (g/㎤)	휨량 (㎛)
실시예12	7.0	200	400	2.98	150
실시예13	7.1	210	390	2.97	130
실시예14	6.8	190	420	2.99	140
실시예15	6.9	210	410	2.98	110
실시예16	8.5	180	370	2.94	160
실시예17	7.9	190	380	2.96	140
비교예2	10.3	140	390	2.85	800
*1:샘플길이 10㎝에 대한 휨량

실시예 18 ∼ 22

실시예 12 의 탄화규소 다공체를 다이아몬드공구를 사용하여 2.95 ㎜ 두께로 가공한 후, 다시 표면부를 도 2 에 나타낸 형상으로, 표 7 의 깊이 및 면적이 되도록 가공을 하였다. 얻어진 가공체를, 실시예 12 와 동일한 함칩조건으로 함침하여 복합체를 제작하였다. 얻어진 복합체는 실시예 12 와 동일한 방법으로 평가를 실시하였다. 그 결과를 표 8 에 나타낸다.

종별	가공깊이(㎜)	가공면적 (%)*2	복합체 및 합금층두께(㎜)
종별	가공깊이(㎜)	가공면적 (%)*2	복합체두께	표면합금층	이면합금층
실시예18	0.15	75	2.85	0.15	0.03
실시예19	0.25	40	2.87	0.13	0.03
실시예20	0.25	60	2.83	0.16	0.04
실시예21	0.25	80	2.78	0.21	0.04
실시예 22	0.35	50	2.78	0.22	0.03
* 2: 표면의 전면체에 대한 비율

종별	열팽창율 (10^-6/K)	열전도율 (W/mK)	3점 구부림 강도(㎫)	밀도 (g/㎤)	휨량 (㎛)
실시예18	7.1	200	400	2.98	130
실시예19	7.0	200	410	2.98	110
실시예20	7.0	190	390	2.97	130
실시예21	7.2	180	380	2.96	180
실시예22	7.3	180	380	2.96	190
*1:샘플길이 10㎝에 대한 휨량

실시예 23

실시예 12, 13 의 탄화규소 다공체를 다이아몬드 공구를 사용하여, 1.9 ㎜ 두께로 가공한 후, 이형제를 도포한 철제의 두께 4 ㎜ 의 프레임내에 실시예 12 와 13 의 프리폼을 세트하고, 양단에 12 ㎜ 두께의 철판을 배치한 후 10 ㎜Φ 의 볼트, 너트로 고정하여 블록을 형성하였다. 다음에, 이 블록을, 실시예 12 와 동일한 함침조건으로 함침하여 복합체를 제작하였다. 얻어진 복합체는 다이아몬드 커터로 절단하고, 그 절단면을 실태현미경으로 관찰한 결과, 합금층-복합체층-합금층-복합체층-합금층으로 이루어지는 5 층 구조로 되어 있었다. 다음에, 실시예 12 와 동일한 방법으로 평가를 실시하였다. 얻어진 복합체의 밀도는 2.98 g/㎤ 로, 열전도율은 200 W/mK, 열팽창 계수는 7.3 ×10^-6/K, 구부림 강도는 410 MPa, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량은 150 ㎛ 이었다.

실시예 24 ∼ 31, 비교예 3 ∼ 6

탄화규소 분말 C (타이헤이요우 랜덤사 제조 "NG-150" 평균입경 : 100 ㎛), 탄화규소 분말B (오꾸시마덴고우샤 제조 "GC-1000F" 평균입경 : 10 ㎛) 및 실리카겔졸 (닛산가가꾸샤 제조 "스노우텍스") 를 60:40:3 의 중량비율로 배합하여, 교반혼합기로 30 분간 혼합한 후, 105 ㎜×155㎜×6 ㎜ 의 형상으로 10 MPa 의 면압으로 성형하였다. 그 후, 상기의 성형체를, 대기중, 900 ℃ 로 2 시간 가열하여, 탄화규소질 다공체를 제작하였다. 얻어진 탄화규소질 다공체는 20 ㎜Φ×5㎜ 의 형상으로 가공하여, 그 치수와 질량으로부터 상대밀도를 산출한 결과 66% 이었다.

다음으로, 얻어진 탄화규소질 다공체를 다이아몬드 가공지그를 사용하여 두께 5 ㎜ 로 가공하여, 전기로에서, 온도 700 ℃ 로 예비가열하고, 미리 가열해둔 내경 250 ㎜ ×높이 300㎜ 의 프레스형내에 얹은 후, 온도 850 ℃ 로 가열한 알루미늄합금 (ADC-12) 의 용탕을 흘려보내, 100 MPa 의 압력으로 10 분간 프레스하여, 탄화규소질 다공체에 합금을 함침시켰다. 탄화규소질 복합체를 포함하는 함금덩어리를 실온까지 냉각한 후, 다이아몬드 가공지그를 사용하여 탄화규소질 복합체를 깍아냈다. 얻어진 탄화규소질 복합체는 100 ×150 ㎜ (코너부 : R3) 의 형상으로 외주가공, 및 6 개소에 7 ㎜Φ 의 구멍가공을 실시한 (도 9b 참조) 후, 다시, 3 차원 밀로 면가공하여, 소정의 형상, 두께, 휨량을 갖는 여러가지 복합체를 제작하였다.

상기의 여러가지 탄화규소질 복합체에 대하여, 마이크로미터로 두께, 3 차원 변위계로 휨량을 측정하고, 원하는 치수로 가공되어 있는 것을 확인하였다. 얻어진 결과를 표 9 에 나타냈다.

	두께(㎜)	Cx(㎛)	Cy(㎛)	밀착율(%)
실시예24	3.0	120	50	99
실시예25	3.0	180	70	99
실시예26	3.0	180	-30	98
실시예27	3.0	180	0	98
실시예28	3.0	120	120	93
실시예29	3.0	70	0	97
실시예30	4.0	150	50	99
실시예31	5.0	120	50	99
비교예3	3.0	-100	0	55
비교예4	3.0	150	300	60
비교예5	3.0	100	-100	75
비교예6	3.0	-100	-100	45
주:Cx, Cy 에 관해서는, 그리스 도포면이 볼록면인 경우 ＋, 오목면인 경우 - 표시 또, 샘플길이 10 ㎝ 에 대한 휨량

또, 상기 조작으로 얻은 여러가지의 복합체에 대하여, 편면측에 실리콘 그리스 (신에쓰카가꾸고교샤 제조) 를 두께 50 ㎛ 가 되도록 칭량하여 도포한 후, 두께 30 ㎜ 의 아크릴판에 6M 의 나사를 사용하여 3N 의 조임토크로 부착하였다. 1 분간 방치후, 나사 고정을 풀어, 실리콘 그리스 도포면의 밀착율 (면적비율) 을 측정하였다. 그 결과를 표 9 에 나타낸다.

실시예 32 ∼ 34

비교예 29 에서 제작한 탄화규소질 복합체를, 도 10 에 나타낸 SUS-304 제의 지그에 세트하고, M10 의 나사로 각종 변위량을 부하한 후, 온도 500℃ 의 전기로에서 30분간 가열한 후, 실온까지 냉각하여 부하를 해방하였다. 얻어진 복합체의 휨량을 표 10 에 나타낸다. 다음으로, 얻어진 복합체를 실시예 24 와 동일한 방법으로 평가한 결과를 표 10 에 나타낸다.

	Cx(㎛)	Cy(㎛)	밀착율(%)
실시예32	120	50	99
실시예33	150	70	99
실시예34	180	90	99

실시예 35, 36, 비교예 7

실시예 24 에서 제작한, 탄화규소질 복합체에 무전해 Ni 도금처리를 실시하여, 복합체 표면에 10 ㎛ 두께의 도금층을 형성하였다. 도금처리한 복합체표면에 100 ㎛ 두께의 땜납 페이스트를 스크린인쇄하고, 실시예 35 에서는 그 위에 시판하는 질화알루미늄기판을, 실시예 36 에서는, 시판의 질화규소기판을 탑재하고, 온도 30 ℃ 의 리플로우로에서 5 분간 가열처리하여 세라믹스 기판을 접합시켰다. 또한, 비교예 7 은, 구리판을 사용하여 실시예 35 와 동일한 수법으로, 도금처리후, 질화알루미늄기판을 접합하였다.

다음으로, 이들의 세라믹스 기판을 접합한 복합체를 사용하여, -40℃ ∼ 150 ℃ 의 온도폭으로 3000 회의 히트사이클시험을 실시하였다. 실시예 35 및 실시예 36 은, 히트사이클 시험후도 세라믹스 기판의 회로간의 크랙의 발생이나 회로의 박리는 볼 수 없었다. 또한, 비교예 7 에 관해서는, 히트사이클 30 회에서 세라믹스 기판의 회로간에 크랙이 발생하였다.

본 발명의 복합체는 탄화규소질 다공체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어진 것으로부터, 복합체의 가공비용을 저감할 수 있고, 열전도율이 높아, 평균 열팽창 계수가 세라믹스 기판에 가깝고 경량이란 특징을 가지며, 반도체 탑재용 세라믹스 기판과 접합하여 사용하는 방열 부품으로서, 신뢰성이 우수하고 또한 전기자동차 등의 이동기기 등에 적합한 방열 부품을 저렴하게 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 복합체는 특정량의 휨을 갖고 있어, 예를 들면, 방열판으로 사용한 경우에, 세라믹스 기판을 방열핀 등의 방열 부품에 좋은 밀착성으로 나사 고정할 수 있고, 방열성이 안정된, 따라서 고신뢰성의 모듈을 형성할 수 있다는 효과가 있어, 산업상 매우 유용하다.

Claims

다공질 탄화규소 성형체에 알루미늄을 주성분으로 하는 금속을 함침하여 이루어지는 판형상 복합체로, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 250 ㎛ 이하의 휨을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
판형상 복합체의 면내에 4 개 이상의 구멍부를 갖고, 구멍간 방향 (X 방향) 의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량 (Cx ; ㎛) 과, 그것에 수직인 방향 (Y 방향) 의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량 (Cy ; ㎛) 의 관계가 50≤Cx≤250, 또한 -50≤Cy≤200 인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
제 1 항에 있어서, 복합체의 표리 양면이 평균 두께 10 ∼ 150 ㎛ 의 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층으로 덮여 있고, 게다가 표리의 금속층의 평균 두께의 차가 140 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
제 1 항에 있어서, 판형상 복합체가 복합체 부분 (A) 과 복합체의 적어도 편면에 형성된 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층 (B) 으로 이루어지고, 복합체 부분 (A) 의 두께의 평균값 (TA;㎛) 과 금속층 (B) 의 양면의 두께의 평균값의 합계 (TB;㎛) 의 비 (TA/TB) 가 5 ∼ 30 인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ∼ 250 ㎛ 이고, 또한, 상기 금속층 (B) 의 표면측의 두께의 평균값 (TB1 ; ㎛) 과 이면측의 두께의 평균값 (TB2;㎛) 과의 차이의 절대값 (│TB1-TB2│) 과, 복합체의 최대 길이 (L ; ㎝) 와의 곱이 500 이상 2500 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 다공질 탄화규소 성형체의 적어도 일주면에 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
제 1 항에 있어서, 탄화규소질 복합체가 2 개의 판형상 복합체 (C, D) 와, 알루미늄을 주성분으로 하는 금속층 (E) 이 ECEDE 의 구조로 적층되어 이루어지는 복합체로, 판형상 복합체 (C), (D) 의 탄소함유량의 차가 0.5 ∼ 2.5 중량% 이고, 복합체의 주면의 길이 10 ㎝ 에 대한 휨량이 50 ∼ 250 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
탄화규소질 복합체를 온도 350 ℃ 이상에서 응력을 가하여 소성변형시킴으로써, 휨부가를 실시하는 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 실온 (25℃) 내지 150℃ 로 가열한 때의 평균 열팽창 계수가 9×10^-6/K 이하이고, 실온 (25℃) 의 열전도율이 150W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 탄화규소질 복합체.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항 기재의 판형상 복합체에 반도체 탑재용 세라믹스 기판을 접합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 부품.
제 10 항에 있어서, 세라믹스 기판이 질화알루미늄 및/또는 질화규소인 것을 특징으로 하는 방열 부품.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 세라믹스 기판을 접합하고 있지 않은 면을, 방열그리스를 통하여 평면판 장착할 때에, 조임토크가 2N 이상인 조건에서 상기 면의 90% 이상이 밀착하는 것을 특징으로 하는 방열 부품.