KR20020006666A - 히트 싱크재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

케이스(70) 내에 흑연을 넣고, 이 케이스를 로 내에 수용한다(단계 S301). 로(60) 안을 소성하여 흑연에 의한 다공질 소결체(12)를 제작한다(단계 S302). 그 후, 로(60)에서 다공질 소결체(12)를 케이스(70)마다 꺼내어 프레스기(62)의 오목부 내에 다공질 소결체(12)를 케이스(70)마다 수용한다(단계 S303). 다음에, 케이스(70) 내에 금속(14) 용탕(86)을 주탕한 후(단계 S304), 펀치(84)를 오목부 내에 관통 삽입하여 케이스(70) 내의 상기 용탕(86)을 밀어내려 압입한다(단계 S305). 이 펀치(84)의 압박 처리에 의해 금속(14)의 용탕(86)은 다공질 소결체(12)의 개기공부 중에 함침된다.

Description

히트 싱크재 및 그 제조 방법{HEAT SINK MATERIAL AND METHOD OF MANUFACTURING THE HEAT SINK MATERIAL}
일반적으로, IC 칩에 있어서 열은 무서운 적이며, 내부 온도가 최대 허용 접합 온도를 넘지 않도록 해야만 한다. 또, 파워 트랜지스터나 반도체 정류 소자 등의 반도체 장치에서는 동작 면적당 소비 전력이 크기 때문에, 반도체 장치의 케이스(패키지)나 리드로부터 방출되는 열량만으로는 발생 열량을 완전히 방출할 수 없어, 장치의 내부 온도가 상승하여 열 파괴를 야기할 우려가 있다.
이 현상은 CPU를 탑재한 IC 칩에서도 마찬가지이며, 클록 주파수의 향상에 따라 동작시의 발열량이 많아져, 방열을 고려한 열 설계가 중요한 사항이 되고 있다.
상기 열 파괴의 방지 등을 고려한 열 설계에 있어서는 IC 칩의 케이스(패키지)에 방열 면적이 큰 히트 싱크를 고착하는 것을 가미한 소자 설계나 실장 설계가 이루어지고 있다.
상기 히트 싱크용의 재료로서는, 일반적으로 열전도도가 양호한 구리나 알루미늄 등의 금속 재료가 사용되고 있다.
최근, CPU나 메모리 등의 IC 칩에서는 저소비 전력을 목적으로 한 저전력 구동을 도모하면서도, 소자의 고집적화와 소자 형성 면적의 확대화에 따라 IC 칩 자체가 대형화되는 경향에 있다. IC 칩이 대형화되면, 반도체 기체(실리콘 기판이나 GaAs 기판)와 히트 싱크의 열팽창 차에 의해 생기는 응력이 커져, IC 칩의 박리 현상이나 기계적 파괴가 생길 우려가 있다.
이것을 방지하기 위해서는 IC 칩의 저전력 구동의 실현과 히트 싱크재의 개선을 들 수 있다. IC 칩의 저전력 구동은, 현재 전원 전압으로서 종래부터 이용되어 온 TTL 레벨(5V)의 단계를 넘어 3.3 V 이하의 레벨이 실용화되어 있다.
한편, 히트 싱크의 구성 재료로서는 단순히 열전도도를 생각하는 것뿐만 아니라, 반도체 기체인 실리콘이나 GaAs와 열 팽창률이 거의 일치하고, 또한, 열전도도가 높은 재료의 선정이 필요하게 되고 있다.
히트 싱크재의 개선에 대해서는 다종다양한 보고가 있으며, 예컨대 질화알루미늄(AlN)을 사용한 예나 Cu(구리)-W(텅스텐)를 이용한 예 등이 있다. AlN은 열전도성과 열팽창성의 밸런스가 우수하고, 특히 Si의 열팽창률과 거의 일치하므로, 반도체 기체로서 실리콘 기판을 이용한 반도체 장치의 히트 싱크재로서 적합하다.
또, Cu-W는 W의 낮은 열팽창성과 Cu의 높은 열전도성을 겸비한 복합 재료이며, 더구나, 기계 가공이 용이하므로, 복잡한 형상을 갖는 히트 싱크의 구성 재료로서 적합하다.
또, 다른 예로서는 SiC을 주성분으로 하는 세라믹 기재에 금속 Cu를 20∼40체적%의 비율로 함유시킨 것(종래예 1: 일본국 특허 공개 평8-279569호 공보 참조)이나, 무기 물질로 이루어지는 분말 소결 다공질체에 Cu를 5∼30 중량% 함침시킨 것(종래예 2: 일본국 특허 공개 소59-228742호 공보 참조) 등이 제안되어 있다.
상기 종래예 1에 따른 히트 싱크재는 SiC과 금속 Cu의 압분체(壓粉體)를 성형하여 히트 싱크를 제작한다고 하는 분체 성형이기 때문에, 열팽창률과 열전도율은 어디까지나 이론적인 값이며, 실제의 전자 부품 등에서 요구되는 열팽창률과 열전도율의 밸런스를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
종래예 2는 무기 물질로 이루어지는 분말 소결 다공질체에 함침되는 Cu의 비율이 낮아, 열전도도를 높이는 데에 있어서 한계가 생길 우려가 있다.
한편, 카본과 금속을 조합시킨 복합 재료가 개발되어 실용화되어 있지만, 이 복합 재료는, 금속을 Cu로 한 경우는, 예컨대 방전 가공용의 전극으로서 사용되고, 금속을 Pb로 한 경우는, 예컨대 베어링 부재로서 사용되고 있으며, 히트 싱크재로서 용도예는 알려져 있지는 않다.
즉, 카본과 금속을 조합시킨 복합 재료에서 열전도율이 높은 것이라도 140 W/mK로, IC 칩의 히트 싱크재로서 필요한 160 W/mK 이상을 만족시킬 수 없는 것이 현재의 상황이다.
본 발명은 예컨대 IC 칩에서 발생하는 열을 효율적으로 방열시키는 히트 싱크(heat sink)를 구성하기 위한 히트 싱크재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 히트 싱크재의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2a는 제1 제조 방법에서 사용되는 고압 용기의 정면을 일부 파단하여 나타낸 도면이고, 도 2b는 상기 고압 용기의 측면을 일부 파단하여 도시한 도면이다.
도 3은 제1 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 4는 제1 제조 방법의 제1 변형예를 나타내는 공정 블럭도이다.
도 5는 제1 제조 방법의 제2 변형예를 나타내는 공정 블럭도이다.
도 6은 제2 제조 방법에서 사용되는 로(爐)를 나타내는 구성도이다.
도 7은 제2 제조 방법에서 사용되는 프레스기를 나타내는 구성도이다.
도 8은 제2 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 9는 제2 실시예에 따른 히트 싱크재의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 10은 제3 제조 방법에서 사용되는 예비 성형기를 나타내는 구성도이다.
도 11은 제3 제조 방법에서 사용되는 고온 프레스기를 나타내는 구성도이다.
도 12는 제3 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 13은 제4 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 14는 제4 제조 방법에서 사용되는 고온 프레스기를 나타내는 구성도이다.
도 15는 제3 실시예에 따른 히트 싱크재의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 16은 제5 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 17은 제5 제조 방법에 따른 히트 싱크재의 특성을 도시한 도표이다.
도 18은 제6 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 19는 카본 P에 있어서의 실험예의 결과를 도시한 도표이다.
도 20은 카본 M에 있어서의 실험예의 결과를 도시한 도표이다.
도 21은 카본 N에 있어서의 실험예의 결과를 도시한 도표이다.
도 22는 카본 P, M, N의 특성을 도시한 도표이다.
도 23은 실험 결과 중, 금형 프레스에 의한 경우와 가스 가압에 의한 경우의 각 대표예를 추출하여 도시한 도표이다.
도 24는 함침 압력에 대한 기공율 및 밀도의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 25는 각 로트의 측정 밀도와 밀도 평균의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 26은 함침 압력에 대한 열전도율의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 27은 함침 압력에 대한 압축 강도의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 28은 함침 압력에 대한 밀도의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 29는 함침 압력에 대한 열전도율의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 30은 SiC의 기공율, 기공 직경, Ni 도금의 유무, Si 함침의 유무, 함침 온도, 가압력, 가압 시간, 냉각 속도를 적절하게 바꾸었을 때의 SiC/Cu의 반응 상황과 Cu의 함침 상황의 차이를 나타내는 표이다.
도 31은 함침 압력에 대한 잔류 기공의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 32는 첨가 원소에 대한 잔류 기공의 변화를 나타내는 특성도이다.
도 33은 제7 제조 방법에 사용되는 고온 프레스기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 34는 제7 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
도 35a는 패킹 부재를 나타내는 평면도이고, 도 35b는 도 35a에서의 XXⅣB-XXⅣB선 상의 단면도이다.
도 36은 제7 제조 방법에 사용되는 고온 프레스기의 다른 예를 나타내는 개략 구성도이다.
도 37은 제7 제조 방법의 변형예에 사용되는 고온 프레스기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 38은 제7 제조 방법의 변형예를 나타내는 공정 블럭도이다.
도 39는 제8 제조 방법에 사용되는 고온 프레스기를 나타내는 개략 구성도이다.
도 40은 제8 제조 방법을 나타내는 공정 블럭도이다.
본 발명은 이러한 과제를 고려하여 이루어진 것으로, (반도체 장치를 포함하는) 실제의 전자 부품 등에서 요구되는 열팽창률과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 얻을 수 있는 히트 싱크재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명의 다른 목적은 (반도체 장치를 포함하는) 실제의 전자 부품 등에서 요구되는 열팽창률과 열전도율의 밸런스에 적합한 특성을 갖는 히트 싱크재를 용이하게 제조할 수 있어, 고품질의 히트 싱크의 생산성을 향상시킬 수 있는 히트 싱크재의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 히트 싱크재는 카본 또는 그 동소체와 금속을 포함하며, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 160 W/mK 이상인 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 세라믹 기판이나 반도체 기판(실리콘, GaAs) 등과 열팽창률이 거의 일치하여, 열전도성이 좋은 히트 싱크재를 얻을 수 있다.
또, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 180 W/mK 이상이며, 또한, 열팽창률이 1×10-6/℃∼10×10-6/℃인 히트 싱크재도 얻을 수 있다.
상기 동소체로서는 흑연이나 다이아몬드가 바람직하다. 또, 카본 또는 그 동소체로서, 열전도율이 100 W/mK 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 히트 싱크재는 상기 카본 또는 그 동소체를 소성하여 네트워크화함으로써 얻어지는 다공질 소결체에 상기 금속을 함침하여 구성할 수 있다.
이 경우, 상기 다공질 소결체의 기공율이 10 체적%∼50 체적%이며, 평균 기공 직경이 0.1 ㎛∼200 ㎛인 것이 바람직하고, 상기 카본 또는 그 동소체와 상기 금속의 체적율은 상기 카본 또는 그 동소체가 50 체적%∼80 체적%, 금속이 50 체적%∼20 체적%의 범위인 것이 바람직하다.
또, 상기 카본 또는 그 동소체에, 그 카본 또는 그 동소체를 소성했을 때의폐기공율을 저감시키는 첨가물을 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가물로서는 SiC 및/또는 Si를 들 수 있다.
히트 싱크재는 상기 카본 또는 그 동소체의 분체에 물 또는 결합재를 혼합하고 소정 압력 하에서 성형된 예비 성형체에 상기 금속이 함침되어 구성하여도 된다. 이 경우, 분체의 평균 분말 입도가 1 ㎛∼2000 ㎛이며, 상기 분체가 최소의 길이를 취하는 방향과 최대의 길이를 취하는 방향에서 그 길이의 비가 l:5 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 강한 네트워크는 없지만 임의의 형상을 만들 수 있다.
또, 상기 카본 또는 그 동소체와 상기 금속의 체적율이 상기 카본 또는 그 동소체가 20 체적%∼80 체적%, 금속이 80 체적%∼20 체적%의 범위인 것이 바람직하다.
또, 히트 싱크재는 상기 금속이 용해된 액체 상태 또는 고체/액체 공존 상태로 상기 카본 또는 그 동소체의 분체를 혼합하고 주조 성형하여 구성하여도 된다.
또한, 제작된 히트 싱크재의 폐기공율은 12 체적% 이하인 것이 바람직하다.
상기 금속에, 계면의 습윤성 개선을 위한 원소가 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는 Te, Bi, Pb, Sn, Se, Li, Sb, Tl, Ca, Cd, Ni에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다. 특히, Ni는 카본을 용해하기 쉽고 함침하기 쉽다는 효과가 있다.
상기 금속에, 상기 카본 또는 그 동소체와의 반응성을 향상시키기 위한 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는 Nb, Cr, Zr, Be, Ti, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다.
상기 금속에, 용융 시의 유동성을 향상시키기 위해서, 고상/액상의 온도 범위가 30℃ 이상, 바람직하게는 50℃ 이상인 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 함침시의 변동을 저감할 수 있는 동시에, 잔류 기공이 감소하여 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 함침 압력을 상승시키더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 첨가 원소로서는 Sn, P, Si, Mg에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다. 또, 상기 금속에 상기 융점을 저감시키기 위한 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는 예컨대 Zn 등이 있다.
상기 금속에, 열전도율을 향상시키기 위한 원소가 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 금속에, 상기 열전도율을 향상시키기 위한 원소를 첨가하여, 열처리, 가공 및 카본과의 반응 후, 편석(偏析) 등에 의해서 얻어지는 합금의 열전도율이 10 W/mK 이상이면 된다. 바람직하게는 20 W/mK 이상, 더욱 바람직하게는 40 W/mK 이상, 가장 바람직하게는 60 W/mK 이상인 것이 바람직하다.
열처리에 의한 효과는 첨가 원소의 시효나 소둔(燒鈍), 가공의 조합에 의해 열전도율이 향상되는 것이 알려져 있어 이 효과를 이용한 것이다. 또, 카본과의 반응에 의해 구리, 알루미늄, 은 중의 첨가 원소는 감소하고, 열전도율이 향상되는 것도 알려져 있다. 또한, 함침 금속이 응고할 때에 편석 등에 의해 첨가 원소가 표면 등으로 석출되어, 전체적인 열전도율이 향상하는 것도 알려져 있기 때문에, 이들 효과도 이용할 수 있다.
상기 히트 싱크재는 상기 카본 또는 그 동소체의 분체와 상기 금속 분체를 혼합하여 소정 압력 하에서 성형하는 것으로도 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 카본 또는 그 동소체의 분체와 상기 금속 분체의 평균 분말 입도가 1 ㎛∼500 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 히트 싱크재는 상기 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단재와 상기 금속 분체를 혼합하여 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하는 것으로도 구성할 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이 성형에 의해서 히트 싱크재를 구성하는 경우에 있어서는 상기 카본 또는 그 동소체와 상기 금속의 체적율이, 상기 카본 또는 그 동소체가 20 체적%∼60 체적%의 범위, 금속이 80 체적%∼40 체적%의 범위인 것이 바람직하다. 이에 따라, 열전도율이 200 W/mK 이상이고, 또한, 열팽창률이 3×10-6/℃∼14×10-6/℃인 히트 싱크재를 얻을 수 있다.
이 경우, 상기 카본 또는 그 동소체에, 성형후의 재소성(再燒成)을 가능하게 하는 첨가물을 첨가시키는 것이 바람직하다. 이 첨가물로서는 SiC 및/또는 Si를 들 수 있다.
상기 금속에, 계면의 습윤성 개선을 위한 저융점 금속이 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 이 저융점 금속으로서는 Te, Bi, Pb, Sn, Se, Li, Sb, Se, Tl, Ca, Cd, Ni에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다.
상기 금속에, 상기 카본 또는 그 동소체와의 반응성을 향상시키기 위한 원소가 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는 Nb, Cr, Zr, Be, Ti, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다.
상기 금속에, 용융 상태의 유동성을 향상시키기 위해서, 고상/액상의 온도범위가 30℃ 이상인 원소, 바람직하게는 50℃ 이상인 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 함침시의 변동을 저감할 수 있는 동시에, 잔류 기공이 감소되어 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또, 함침 압력을 상승시키더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 첨가 원소로서는 Sn, P, Si, Mg에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다. 또한, 상기 금속에, 상기 융점을 저감시키기 위한 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는, 예컨대 Zn 등이 있다.
그리고, 적어도 상기 카본 또는 그 동소체와 첨가 원소의 반응에 의해 상기 카본 또는 그 동소체의 표면에 카바이드 층이 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 상기 첨가 원소로서는 Ti, W, Mo, Nb, Cr, Zr, Be, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 채용할 수 있다.
또, 상기 카본 또는 그 동소체와 조합되는 상기 금속으로서는 도전율이 높은 금속인 Cu, Al, Ag에서 선택된 적어도 1종을 채용할 수 있다.
또, 본 발명은 최소의 열전도율을 취하는 방향과 최대의 열전도율을 취하는 방향에서 열전도율의 비가 1:5 이하이다. 이에 따라, 열전도율이 거의 등방성에 가까운 특성을 갖기 때문에, 열의 확산이 양호하여 히트 싱크로서 사용하는 경우에 적합하다. 또, 설치 방향을 일일이 고려할 필요가 없어, 실장면에서 유리하게 된다.
다음에, 본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 카본 또는 그 동소체를 소성하여 네트워크화함으로써 다공질 소결체를 제작하는 소성 공정과, 금속을 상기 다공질 소결체 내에 함침시키는 함침 공정과, 적어도 상기 금속이 함침된 상기 다공질 소결체를 냉각하는 냉각 공정을 갖추는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 세라믹 기판이나 반도체 기판(실리콘, GaAs) 등과 열팽창률이 거의 일치하고 열전도성이 좋은 히트 싱크재를 용이하게 제조할 수 있고, 고품질 히트 싱크의 생산성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 소성 공정은 용기 내에 상기 카본 또는 그 동소체를 넣고, 그 용기 속을 가열함으로써, 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체를 제작하도록 하여도 된다.
또, 상기 함침 공정은 용기 내에 넣은 상기 금속의 용탕(溶湯)에 상기 다공질 소결체를 침지하고, 상기 용기 내에 함침용 가스를 도입하여 상기 용기 내를 가압함으로써, 상기 용탕을 다공질 소결체 내에 함침시키도록 하여도 된다. 이 경우, 상기 가압력으로는 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체의 압축 강도의 4∼5배 이하인 것 혹은 1.01∼202 MPa(10∼2000 기압)인 것이 바람직하다. 이 경우의 냉각 공정으로서, 상기 용기 내의 상기 함침용 가스를 빼고, 신속하게 냉각용 가스를 도입하여 상기 용기 내부를 냉각하도록 하여도 된다.
다른 제조 방법으로는 다음의 방법을 들 수 있다. 즉, 상기 소성 공정으로서, 케이스 내에 상기 카본 또는 그 동소체를 수용하는 공정과, 상기 케이스 내를 예열하여, 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체를 제작하는 공정을 갖추고, 상기 함침 공정으로서, 프레스기의 금형에 상기 케이스를 수용하는 공정과, 상기 케이스 내에 상기 금속 용탕을 주탕(注湯)하는 공정과, 상기 프레스기의 펀치로 상기 용탕을 내리눌러 압입하여 상기 케이스 내의 상기 다공질 소결체 내에 상기 용탕을 함침시키는 공정을 갖추는 것이다.
이 경우, 상기 펀치에 의한 압입 시의 압력을, 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체의 압축 강도의 4∼5배 이하인 것, 혹은 1.01∼202 MPa(10∼2000 기압)으로 하는 것이 바람직하다. 또, 상기 금형으로서, 상기 다공질 소결체에 잔존하는 가스를 뽑기 위한 가스 배출 구멍, 또는 가스를 뽑아내기 위한 간극부가 형성된 금형을 이용하는 것이 바람직하다.
또, 상기 냉각 공정은 상기 다공질 소결체에 상기 금속이 함침된 상기 히트 싱크재를, 냉각 가스의 분무 혹은 냉각수가 공급되어 있는 냉각 영역 또는 냉각용 금형으로 냉각하도록 하여도 된다.
본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 카본 또는 그 동소체의 분체에, 물 또는 결합재를 혼합하는 공정과, 상기 혼합물을 소정 압력 하에 예비 성형체를 성형하는 공정과, 금속을 상기 예비 성형체 내에 함침시키는 함침 공정을 갖추는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 금속이 용해된 액체 상태 또는 고체/액체 공존 상태로 카본 또는 그 동소체의 분체를 혼합하는 공정과, 상기 혼합물을 주조 성형하는 공정을 갖추는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 카본 또는 그 동소체의 분체와 금속 분체를 혼합하는 혼합 공정과, 상기 혼합물을 고온 프레스기의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 카본 또는 그 동소체의 분체와 금속 분체를 혼합하는 혼합 공정과, 상기 혼합물을 예비 성형하여 예비 성형체로 하는 예비 성형 공정과, 상기 예비 성형체를 고온 프레스기의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단 재료와 금속 분체를 혼합하고 예비 성형하여 혼합물을 제작하는 혼합 공정과, 상기 혼합물을 고온 프레스기의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 히트 싱크재의 제조 방법은 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단 재료와 금속 분체를 혼합하는 혼합 공정과, 상기 혼합물을 예비 성형하여 예비 성형체로 만드는 예비 성형 공정과, 상기 예비 성형체를 고온 프레스기의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 한다.
이들 제조 방법에 있어서, 상기 소정 온도는 상기 금속에서의 융점인 -10℃∼-50℃가 바람직하고, 상기 소정 압력은 10.13∼101.32 MPa(100∼1000 기압)이 바람직하다.
또, 이들 제조 방법에 있어서, 가압 공정 후에, 상기 히트 싱크재를 상기 금속에서의 융점 이상까지 가열하도록 하여도 된다.
또한, 상기 금속은 Cu, Al, Ag에서 선택된 적어도 1종이어도 된다.
이하, 본 발명에 따른 히트 싱크재 및 그 제조 방법의 실시예를 도 1∼도 40을 참조하여 설명한다.
제1 실시예에 따른 히트 싱크재(10A)는, 도 1에 도시한 바와 같이 카본 또는 그 동소체를 소성하여 네트워크화함으로써 얻어지는 다공질 소결체(12)에 금속(14)이 함침되어 구성되어 있다.
이 경우, 상기 카본 또는 그 동소체로서, 열전도율이 100 W/mK 이상, 바람직하게는 150 W/mK 이상(기공이 없는 상태에서의 추정치), 더욱 바람직하게는 200 W/mK 이상(기공이 없는 상태에서의 추정치)인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 열전도율이 100 W/mK 이상인 `로 구성된 다공질 소결체(12)의 개기공부에 구리를 함침시킨 히트 싱크재를 나타낸다. 함침하는 금속(14)으로서는 구리 외에 알루미늄이나 은을 사용할 수 있다.
또, 다공질 소결체(12)와 금속(14)의 체적율은 다공질 소결체(12)가 50 체적%∼80 체적%, 금속(14)이 50 체적%∼20 체적%의 범위로 되어 있다. 이에 따라, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 180∼220 W/mK 이상이고, 또한, 열팽창률이 1×10-6/℃∼10×10-6/℃인 히트 싱크재를 얻을 수 있다.
상기 다공질 소결체(12)의 기공율로서는 10 체적%∼50 체적%인 것이 바람직하다. 기공율이 10 체적% 이하이면, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 180 W/mK(실온)의 열전도율을 얻을 수 없고, 50 체적%를 넘으면 다공질 소결체(12)의 강도가 저하하여, 열팽창률을 15.0×10-6/℃ 이하로 억제할 수 없기 때문이다.
상기 다공질 소결체(12)의 평균 개기공 직경(기공 직경)의 값으로서는 0.1∼200 ㎛가 바람직하다. 상기 기공 직경이 0.1 ㎛ 미만이면, 개기공 내에 금속(14)을 함침하는 것이 곤란하게 되어 열전도율이 저하한다. 한편, 상기 기공 직경이 200 ㎛을 넘으면, 다공질 소결체(12)의 강도가 저하하고 열팽창률을 낮게 억제할 수 없다.
상기 다공질 소결체(12)의 평균 개기공에 관한 분포(기공 분포)로서는 0.5∼50 ㎛에 90 체적% 이상 분포하는 것이 바람직하다. 0.5∼50 ㎛의 기공이 90 체적% 이상 분포하지 않는 경우는 금속(14)이 함침되어 있지 않은 개기공이 증가하여, 열전도율이 저하할 가능성이 있다.
또, 다공질 소결체(12)에 금속(14)을 함침하여 얻은 히트 싱크재(10A)의 폐기공율로서는 12 체적% 이하인 것이 바람직하다. 5 체적%를 넘으면 열전도율이 저하할 가능성이 있기 때문이다.
또한, 상기 기공율, 기공 직경 및 기공 분포의 측정에는 주식회사 시마즈세이사쿠쇼에서 제조하는 자동 포로시미터(porosimeter)(상품명 「오토포어 9200」)를 사용하였다.
이 제1 실시예에 따른 히트 싱크재(10A)에 있어서, 상기 흑연에, 이 흑연을 소성했을 때 폐기공율을 저감시키는 첨가물을 첨가시키는 것이 바람직하다. 이 첨가물로서는 SiC 및/또는 Si를 들 수 있다. 이에 따라, 소성시의 폐기공(closed pore)을 감소시킬 수 있어, 다공질 소결체(12)에 대한 금속(14)의 함침율을 향상시킬 수 있다.
또, 흑연 중에는 이 흑연과 반응하는 원소를 첨가하도록 하여도 좋다. 이 첨가 원소로서는 Ti, W, Mo, Nb, Cr, Zr, Be, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 이에 따라, 흑연의 소성 시에, (개기공의 표면을 포함하는) 그 흑연의 표면에 반응층(카바이드층)이 형성되고, 흑연의 개기공에 함침되는 금속(14)과의 습윤성이 개선되며, 저압에서의 함침이 가능하게 되고, 더구나, 미세 개기공에의 함침도 가능하게 된다.
한편, 다공질 소결체(12)에 함침되는 금속(14)에, Te, Bi, Pb, Sn, Se, Li, Sb, Tl, Ca, Cd, Ni에서 선택된 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라,다공질 소결체(12)와 금속(14)의 계면의 습윤성이 개선되어, 다공질 소결체(12)의 개기공 내에 금속(14)이 들어가기 쉽게 된다. 특히, Ni는 카본을 용해하기 쉽고 함침하기 쉽다는 효과가 있다.
또, 다공질 소결체(12)에 함침되는 금속(14)에, Nb, Cr, Zr, Be, Ti, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 흑연과 금속의 반응성이 향상되어, 개기공 내에서 흑연과 금속이 밀착하기 쉽게 되어 폐기공의 발생을 억제할 수 있다.
또, 다공질 소결체(12)에 함침되는 금속(14)에, 용융시의 유동성을 향상시키는 동시에 잔류 기공이 감소하기 위해서, 고상/액상의 온도 범위가 30℃ 이상, 바람직하게는 50℃ 이상인 원소, 예컨대 Sn, P, Si, Mg에서 선택된 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 함침시의 변동을 저감할 수 있는 동시에, 잔류 기공이 감소하여 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또, 함침 압력을 상승시키더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 상기 금속(14)에, 융점을 저감시키기 위한 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는 예컨대 Zn 등이 있다.
다음에, 이 제1 실시예에 따른 히트 싱크재(10A)를 제조하기 위한 몇 가지 방법을 도 2a ∼ 도 8을 참조하여 설명한다.
제1 실시예에 따른 히트 싱크재(10A)를 제조하기 위한 제1 및 제2 제조 방법은 공히 흑연을 소성하여 네트워크화함으로써 다공질 소결체(12)를 제작하는 소성 공정과, 금속(14)을 상기 다공질 소결체(12) 중에 함침시키는 함침 공정을 갖춘다.
그리고, 제1 제조 방법은, 구체적으로는 도 2a 및 도 2b에 그 일례를 도시한바와 같이, 고압 용기(30)를 사용함으로써 행해진다. 이 고압 용기(30)는 각이진 통형의 하우징(32)에 있어서의 양측판(34 및 36)의 거의 중앙 부분에 각각 회전축(38)이 설치되고, 이 회전축(38)을 중심으로 하여 하우징(32) 자체가 회전할 수 있게 되어 있다.
하우징(32) 내에는 내화 용기(40)와 이 내화 용기(40)를 가열하기 위한 히터(42)가 설치되어 있다. 내화 용기(40)는 중공부(44)를 갖는 각이진 통형의 형상을 지니고, 일 측면에서의 높이 방향 중앙 부분에 중공부(44)에 연통하는 개구(46)가 설치되어 있다. 중공부(44) 중, 개구(46)를 중심으로 하여 한쪽의 중공부[이하, 제1 챔버(44a)라 표기한다]에는 함침 재료인 금속(14) 잉곳 또는 금속(14)의 용융 금속이 수용되도록 되어 있다.
다른 쪽의 중공부[이하, 제2 챔버(44b)라 표기한다]는 피함침 시료인 다공질 소결체(12)가 복수 부착되도록 되어 있고, 제2 챔버(44b)가 상측에 위치하더라도, 다공질 소결체(12)가 낙하하지 않도록 다공질 소결체(12)의 지지 기구가 설치되어 있다. 또, 히터(42)는 300 MPa의 고압력 하에서도 파괴되지 않는 구조로 되어 있다.
또, 상기 고압 용기(30)에는 진공 흡인을 위한 흡기관(48)과, 고압력 부여를 위한 가스 및 냉각용 가스의 도입관(50) 및 도출관(52)이 설치되어 있다.
다음에, 상기 고압 용기(30)를 이용한 제1 제조 방법에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
우선, 단계 S1에서 흑연을 막대 형상으로 성형하는 공정, 피치(콜타르의 일종)를 함침시키는 공정 및 가열 소성하는 공정을 거쳐서 흑연에 의한 다공질 소결체(12)를 제작한다.
흑연을 막대 형상으로 성형하기 위해서는 흑연 분체에 피치를 혼합하여, 150℃ 정도의 분위기 속에서 밀어내어 성형을 하여 막대 형상(φ100∼ φ600, 길이 3000 mm 정도)의 흑연을 얻는다. 이 상태대로의 흑연은 기공이 많고 더구나 열전도율이 낮다.
다음에, 흑연의 기공을 감소시키기 위해서 진공 탈기를 하여, 그 진공 속에서 피치를 함침시킨다. 그리고, 1000℃ 정도에서 소성하고 또 피치를 함침하는 공정을 3회 정도 반복한다.
그리고, 열전도율을 향상시키기 위해서 3000℃ 정도의 로 중에서 흑연을 가열 소성한다. 이 때, 흑연이 연소하는 것을 방지하기 위해서 로를 카본 분말로 커버하는 동시에, 흑연 자체도 카본 분말로 커버해 둔다. 또한, 이 흑연을 가열하는 공정은 흑연에 직접 통전함으로써 가열 소성하여도 된다.
이와 같이 함으로써 다공질 소결체(12)를 얻을 수 있지만, 최종 제품의 형상에 따라서는 더 예비 가공을 해 두는 것이 바람직하다.
그 후, 단계 S2에 있어서, 고압 용기(30)를 초기 상태로 하고, 고압 용기(30) 내에 설치되어 있는 내화 용기(40)의 제1실(44a)을 하측에 위치시킨다.
그 후, 다공질 소결체(12)와 금속(14) 덩어리를 고압 용기(30)의 내화 용기(40) 내에 넣어, 금속(14) 덩어리를 내화 용기(40)의 제1 챔버(44a) 내에 배치하고, 다공질 소결체(12)를 제2 챔버(44b)에 세트한다(단계 S3). 이 때 미리 다공질 소결체(12)를 예열해 두는 것이 바람직하다. 예열을 하기 위해서는 다공질 소결체(12)를 카본 케이스에 수납하거나 또는 단열재로 덮은 상태에서 예열을 하여, 소정의 온도에 달하면 케이스에 수납하거나 또는 단열재로 덮은 상태 그대로 상기한 바와 같이 제2 챔버(44b)에 세트한다.
그 후, 고압 용기(30)(및 내화 용기(40))를 밀봉한 후, 흡기관(48)을 통하여 고압 용기(30) 내의 진공 흡인을 실행하여 상기 고압 용기(30) 내를 부압 상태로 한다(단계 S4).
그 후, 히터(42)에 통전하여 제1 챔버(44a)의 금속(14)을 가열 용해한다(단계 S5). 이하의 설명에서는 가열 용해된 금속(14)을 편의상 「용융 금속(14)」이라고도 기재한다.
그 후, 제1 챔버(44a) 내의 용융 금속(14)이 소정 온도에 달한 단계에서, 고압 용기(30)를 180도 회전시킨다(단계 S6). 이 회전 동작에 의해서, 제1 챔버(44a)가 상측에 위치함으로써, 제1 챔버(44a) 내의 용융 금속(14)은 자중에 의해서 하측에 위치하는 제2 챔버(44b) 내부로 낙하하고, 이 단계에서, 용융 금속(14)에 다공질 소결체(12)가 침지된 상태가 된다.
그 후, 가스 도입관(50)을 통하여 고압 용기(30) 내에 함침용 가스를 도입하여 그 고압 용기(30) 내부를 가압한다(단계 S7). 이 가압 처리에 의해서, 상기 용융 금속(14)은 다공질 소결체(12)의 개기공부 중에 함침하게 된다.
이 함침 공정이 종료된 시점에서 즉시 냉각 공정으로 이행한다. 이 냉각 공정은 우선, 상기 고압 용기(30)를 다시 180도 회전시킨다(단계 S8). 이 회전 동작에 의해서, 제1 챔버(44a)가 하측에 위치함으로써, 제2 챔버(44b) 내의 용융 금속(14)은 다시 제1 챔버(44a) 내로 낙하하게 된다.
상기 단계 S7에서의 가압 처리(함침 처리)에 의해서, 용융 금속(14)의 일부가 다공질 소결체(12)의 개기공 중에 함침되어 있으므로, 하측에 위치하는 제1 챔버(44a)에 낙하하는 용융 금속(14)은 다공질 소결체(12)에 함침되지 않은 잔존 용융 금속이다. 잔존 용융 금속이 제1 챔버(44a) 내에 낙하한 단계에서, 제2 챔버(44b)에는 용융 금속(14)이 함침된 다공질 소결체(12)가 남게 된다.
그 후, 가스 도출관(52)을 통하여 고압 용기(30) 내의 함침용 가스를 배기하는 것과 동시에, 가스 도입관(50)을 통하여 냉각용 가스를 고압 용기(30) 내로 도입한다(단계 S9). 이 함침용 가스의 배기와 냉각용 가스의 도입에 의해서, 냉각용 가스가 고압 용기(30) 속을 구석구석까지 순환하여, 고압 용기(30)는 급속히 냉각된다. 이 신속한 냉각에 의해서, 상기 다공질 소결체(12)에 함침된 용융 금속(14)이, 급속히 금속(14) 덩어리로 고화(固化)하여 체적이 팽창함으로써, 함침된 금속(14)은 다공질 소결체(12)에 강고하게 유지된다.
다른 냉각 공정으로서는, 도 3에서 일점 쇄선 테두리 안에 도시한 바와 같이, 상기 단계 S8에서의 처리가 종료된 단계에서, 고압 용기(30) 또는 용융 금속(14)이 함침된 다공질 소결체(12)를 냉각 영역으로 반송하여 냉각 영역에 설치되어 있는 냉경 블록(chilled block)에 접촉시키는 방법이 있다(단계 S10 참조).
이 냉경 블록에의 접촉에 의해서 다공질 소결체(12)는 급속히 냉각된다. 이 냉각 과정에서는 다공질 소결체(12)에 냉각 가스를 분무하거나, 냉경 블록을 수냉하면서 행하도록 하여도 좋고, 특히, 압탕(押湯) 효과를 고려하여 냉각하는 편이 바람직하다.
이와 같이, 제1 제조 방법의 각 공정을 밟음으로써, 흑연에 의한 다공질 소결체(12)에의 금속(14)의 함침 처리를 용이하게 할 수 있고, 더구나, 다공질 소결체(12)에의 금속(14)의 함침율을 향상시킬 수 있어, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 180∼220 W/mK 이상이고, 또한, 열팽창률이 1×10-6/℃∼10×10-6/℃인 히트 싱크재(10A)를 용이하게 얻을 수 있다.
다만, 후술하는 다공질 소결체에 SiC를 채용하는 경우는, 실온으로부터 200℃까지의 평균 열팽창률이 4.0×10-6/℃∼9.0×10-6/℃이고, 또한 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 160 W/mK (실온) 이상, 바람직하게는 180 W/mK 이상인 히트 싱크재를 얻을 수 있다.
상기 단계 S5에서, 히터(42)에 통전하여 제1 챔버(44a)의 금속(14)을 가열 용해하는 경우에, 단계 S6으로 이행하는 소정 온도(가열 온도)는 금속(14)의 융점보다 30℃∼250℃ 높은 온도가 좋고, 바람직하게는 상기 융점보다 50℃∼200℃ 높은 온도가 바람직하다. 이 경우, 고압 용기(30) 내부를 1×10-3Torr 이하의 진공으로 해 두는 것이 바람직하다.
또, 상기 단계 S7에서, 고압 용기(30) 내에 함침용 가스를 도입함으로써 고압 용기(30)에 부여하는 압력으로서는 0.98 MPa 이상, 202 MPa 이하로 한다. 이 경우, 4.9 MPa 이상, 202 MPa 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 9.8 MPa 이상,202 MP 이하이면 된다.
이 압력은 고압인 쪽이 함침율의 향상, 냉각 능력의 향상의 관점에서 바람직하다. 그러나, 압력이 너무 높으면 흑연 파손을 일으키기 쉽게 되고, 또, 고압에 견딜 수 있는 설비 비용이 비싸지므로, 이들 요소를 감안하여 압력을 선택한다.
또, 고압 용기(30)에의 압력의 부여 시간은 1초 이상, 60초 이하가 좋고, 바람직하게는 1초 이상, 30초 이하가 바람직하다.
또한, 다공질 소결체(20)의 기공으로서는, 전술한 바와 같이, 평균 직경이 0.5 ㎛∼50 ㎛인 것이 90 체적% 이상 존재하고, 또, 기공율이 10 체적%∼50 체적%인 것이 바람직하다.
다만, 후술하는 다공질 소결체에 SiC를 채용하는 경우는 평균 직경이 5 ㎛∼50 ㎛인 것이 90% 이상 존재하고 또, 기공율이 20 체적%∼70 체적%인 것이 바람직하다.
한편, 냉각 공정에서의 냉각 속도는 함침시의 온도로부터 800℃까지의 기간에 있어서, -400℃/시간 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 -800℃/시간 이상이 바람직하다.
상기 단계 S7에서 고압 용기(30)에 부여하는 압력은 다공질 소결체(12)의 개기공부에 금속(14)을 완전히 함침시키기 위해서 필요한 압력이다. 이 경우, 다공질 소결체(12)에 금속(14)이 함침되어 있지 않는 개기공이 잔존하면, 열전도성을 현저히 저해하기 때문에, 높은 압력을 부여하는 것이 필요하게 된다.
이 압력은 그 개략을 워시번(Washburn)의 식에 의해서 추정할 수 있는데, 기공 직경이 작을수록 큰 힘을 필요로 한다. 이 식에 따르면, 0.1 ㎛ φ일 때 39. 2 MPa, 1.0 ㎛ φ일 때 3.92 MPa, 10 ㎛ φ일 때 0. 392 MPa의 압력이 적당하다. 그러나, 실제는 평균 기공 직경이 0. ㎛ φ인 재료는 0. 01 ㎛ φ이하인 기공도 존재하기 때문에(도 31 및 도 32 참조), 보다 큰 압력이 필요하게 된다. 구체적으로는 0.01 ㎛ φ에는 392 MPa가 필요하다.
또한, 흑연에의 첨가 원소나 금속에의 첨가 원소의 바람직한 예에 대해서는 이미 설명하였으므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
이어서, 제1 제조 방법의 몇 가지 변형예를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
제1 변형예는, 도 4에 도시한 바와 같이 우선, 흑연을 소성하여, 흑연에 의한 다공질 소결체(12)를 제작한다(단계 S101). 고압 용기(30)를 초기 상태로 하여, 고압 용기(30) 내에 설치되어 있는 내화 용기(40)의 제1 챔버(44a)를 하측에 위치시킨다(단계 S102).
그 후, 다공질 소결체(12)를 제2 챔버(44b)에 세트하고, 미리 용융된 금속(용융 금속)(14)을 제1 챔버(44a) 내에 붓는다(단계 S103).
그 후, 제1 챔버(44a) 내의 용융 금속(14)이 소정 온도에 달한 단계에서, 고압 용기(30)를 180도 회전시킨다(단계 S104). 이 회전 동작에 의해서, 제1 챔버(44a) 내의 용융 금속(14)이 하측에 위치하는 제2 챔버(44b)로 낙하하고, 이 단계에서, 용융 금속(14)에 다공질 소결체(12)가 함침된 상태가 된다.
그 후, 가스 도입관(50)을 통하여 고압 용기(30) 내에 함침용 가스를 도입하고, 이 고압 용기(30) 내부를 가압한다(단계 S105). 이 가압 처리에 의해서, 상기 용융 금속(14)은 다공질 소결체(12)의 개기공부 중에 함침하게 된다.
다음에, 제2 변형예에 대해서 도 5를 참조하여 설명한다. 이 제2 변형예에 따른 함침 공정은 고압 용기(30) 내에 설치되어 있는 내화 용기(40)의 내부 중앙 부분에, 다공질 세라믹재로 이루어지는 칸막이 판(도시하지 않음)이 설치된 고압 용기(30)를 이용한다. 내화 용기(40) 내부는 상기 칸막이 판에 의해서 제1 챔버(44a)와 제2 챔버(44b)로 구획된다.
상기 칸막이 판으로서는 기공율이 40 체적%∼90 체적%이고 또한 기공 직경이 0.5 mm∼3.0 mm인 다공질 세라믹재를 이용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 기공율이 70 체적%∼85 체적%이며, 또한 기공 직경이 1.0 mm∼2.0 mm인 다공질 세라믹재를 이용하는 것이 바람직하다.
그리고, 이 제2 변형예에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 우선, 흑연을 소성하여, 흑연에 의한 다공질 소결체(12)를 제작한다(단계 S201). 고압 용기(30)를 초기 상태로 하고, 고압 용기(30) 내에 설치되어 있는 내화 용기(40)의 제1 챔버(44a)를 하측에, 제2 챔버(44b)를 상측에 위치시킨다(단계 S202).
그 후, 다공질 소결체(12)와 금속(14) 덩어리를 고압 용기(30)의 내화 용기(40)내에 넣어, 금속(14) 덩어리를 상측에 위치하는 제2 챔버(44b) 내에 배치하고, 다공질 소결체(12)를 하측에 위치하는 제1 챔버(44a)에 세트한다(단계 S203).
그 후, 고압 용기(30)[및 내화 용기(40)]를 밀봉한 후, 흡기관(48)을 통하여고압 용기(30) 내의 진공 흡인을 행하여 그 고압 용기(30) 속을 부압 상태로 한다(단계 S204).
그 후, 히터(42)에 통전하여 제2 챔버(44b)의 금속(14)을 가열 용해한다(단계 S205). 상기 용융 금속(14)이 소정 온도에 달한 단계에서, 가스 도입관(50)을 통하여 고압 용기(30) 내에 함침용 가스를 도입하고, 이 고압 용기(30) 내를 가압한다(단계 S206). 이 가압 처리에 의해서, 상측에 위치하는 제2 챔버(44b) 내의 용융 금속(14)은 칸막이 판을 통과하여 하측에 위치하는 제1 챔버(44a) 내의 다공질 소결체(12)의 개기공부 중에 함침되게 된다.
다음에, 제2 제조 방법에 대하여 도 6∼도 8을 참조하여 설명한다. 이 제2 제조 방법에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 흑연을 소성하여 다공질 소결체(12)를 제작하기 위한 로(60)와, 도 7에 도시한 바와 같이, 다공질 소결체(12)에 금속(14)을 함침시키기 위한 프레스기(62)가 사용된다.
로(60)는, 도 6에 도시한 바와 같이 일반적으로는 흑연 소재를 흑연 형태화하기 위해서 이용되는 것으로, 그 내부에 케이스(70)가 수용 가능한 공간(72)과, 이 공간(72) 내에 수용된 케이스(70)를 가열하기 위한 히터(74)가 설치되어 있다. 케이스(70)는 흑연, 세라믹스, 세라페이퍼(cerapater, 알루미나 등의 세라믹스로 구성되는 단열재) 등의 재료로 구성된다. 그리고, 이 케이스(70)에는 흑연이 수용된다.
프레스기(62)는, 도 7에 도시한 바와 같이 상부 개구의 오목부(80)를 갖춘 금형(82)과, 오목부(80) 내에 삽입 관통 가능하게 되고 또, 오목부(80) 내의 내용물을 밀어내려 압입하는 펀치(84)를 갖춘다.
다음에, 상기 로(60)와 프레스기(62)를 이용한 제2 제조 방법에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다.
우선, 케이스(70) 내에 흑연을 넣고, 이 케이스(70)를 로(60) 내에 수용한다(단계 S301). 로(60) 내의 분위기를 가열하여, 흑연을 소성하여 다공질 소결체(12)를 제작한다(단계 S302).
또, 이 공정에서, 흑연에 대하여 전류를 통전함으로써 3000℃ 정도까지 가열하여, 다공질 소결체(12)를 제작하도록 하여도 된다.
그 후, 로(60)로부터 다공질 소결체(12)를 케이스(70)마다 꺼내, 프레스기(62)의 오목부(80) 내에 다공질 소결체(12)를 케이스(70)마다 수용한다(단계 S303).
다음에, 케이스(70) 내에 금속(14)의 용탕(86)을 주탕한 후(단계 S304), 펀치(84)를 오목부(80) 내에 관통삽입하고, 케이스(70) 내의 상기 용탕(86)을 밀어내려 압입한다(단계 S305). 이 펀치(84)의 압박 처리에 의해서, 금속(14)의 용탕(86)은 다공질 소결체(12)의 개기공부 속에 함침하게 된다.
전술한 제2 제조 방법에 있어서, 상기 펀치(84)에 의한 압입시의 압력을 1.01∼202 MPa(10∼2000 기압)으로 하는 것이 바람직하다. 또, 도 7에 도시한 바와 같이, 케이스(70)의 밑바닥이나 금형(82)의 밑바닥에, 다공질 소결체(12)에 잔존하는 가스를 뽑아내기 위한 가스 배출 구멍(88 및 90)이나 가스를 뽑아내기 위한 간극부를 형성하도록 하여도 된다. 이 경우, 펀치(84)의 압입 시에, 다공질소결체(12)에 잔존하는 가스가 가스 배출 구멍(88 및 90)을 통해서 빠지기 때문에, 개기공에의 용탕(86)의 함침이 원활하게 행해지게 된다.
이와 같이, 제2 제조 방법의 각 공정을 밟음으로써, 흑연에 의한 다공질 소결체(12)에의 금속(14)의 함침 처리를 용이하게 할 수 있고, 또한, 다공질 소결체(12)에의 금속(14)의 함침율을 향상시킬 수 있어, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 180∼220 W/mK 이상이고, 또, 열팽창률이 1×10-6/℃∼10×10-6/℃인 히트 싱크재(10A)를 용이하게 얻을 수 있다.
전술한 로(60) 대신에, 예열을 이용하는 로를 사용하여도 된다. 이 경우, 미리 압분한 재료 또는 흑연에 의한 다공질 소결체(12)를 예열한다. 이 처리에 의해서 네트워크화되어 있는 흑연(또는 후술하는 SiC)에 대하여 금속(14)이 함침하기 쉽게 된다. 예열의 온도는 용탕(86)과 같은 정도의 온도까지 예열하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 용탕(86)이 1200℃ 정도이라면, 흑연의 예열 온도는 1000℃∼1400℃가 바람직하다.
다음에, 제2 실시예에 따른 히트 싱크재(10B)에 대해 도 9를 참조하여 설명한다.
제2 실시예에 따른 히트 싱크재(10B)는, 도 9에 도시한 바와 같이 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 금속(14) 분체(14a)를 혼합하여, 소정 온도, 소정 압력 하에 성형되어 구성되어 있다.
상기 카본 또는 그 동소체로서는 열전도율이 100 W/mK 이상, 바람직하게는 150 W/mK 이상(기공이 없는 상태에서의 추정치), 더욱 바람직하게는 200 W/mK이상(기공이 없는 상태에서의 추정치)인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 이 제2 실시예에서는 흑연 이외에, 다이아몬드를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 열전도율이 100 W/mK 이상인 흑연의 분체와 구리 분체를 혼합하고 성형하여 구성된 히트 싱크재(10B)를 나타낸다. 상기 금속(14)으로서는 구리 이외에, 알루미늄이나 은을 사용할 수 있다.
또, 이 제2 실시예에 따른 히트 싱크재(10B)는 상기 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단재(예컨대 탄소 섬유의 분쇄 재단재)와 상기 금속(14)의 분체(14a)를 혼합하여, 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 구성할 수도 있다.
그리고, 상기 소정 온도로서는 프레스형 내에서의 성형을 고려하면, 상기 금속(14)에서의 융점인 -10℃∼-50℃가 바람직하고, 상기 소정 압력으로서는 10.13∼101.32 MPa (100∼1000 기압)이 바람직하다.
또, 상기 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와, 금속(14)의 분체(14a)의 평균 분말 입도는 1 ㎛∼500 ㎛인 것이 바람직하다. 카본 또는 그 동소체와 금속(14)과의 체적율은 카본 또는 그 동소체가 20 체적%∼60 체적%, 금속(14)이 80 체적%∼40 체적%의 범위로 하고 있다. 이에 따라, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 200∼350 W/mK 이상이고, 또, 열팽창률이 3×10-6/℃∼14×10-6/℃인 히트 싱크재(10B)를 얻을 수 있다.
이 제2 실시예에 따른 히트 싱크재(10B)에 있어서, 카본 또는 그 동소체에, 성형후의 재소성을 가능하게 하는 첨가물을 첨가시키는 것이 바람직하다. 이 첨가물로서는 SiC 및/또는 Si를 들 수 있다. 이에 따라, 성형 후에 있어서, 상기금속(14)의 융점 이상의 온도에서의 재소성이 가능해진다. 이 경우, 성형 후에 생긴 알맹이끼리가 상기 재소성에 의해서 결합하게 되기 때문에, 열전도를 저해하는 입계를 거의 없앨 수 있어, 히트 싱크재(10B)의 열전도율의 향상을 도모할 수 있다.
또, 카본 또는 그 동소체 중에, 이 카본 또는 그 동소체와 반응하는 원소를 첨가하도록 하여도 된다. 이 첨가 원소로서는 Ti, W, Mo, Nb, Cr, Zr, Be, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 이에 따라, 성형 시나 재소성시에, 카본 또는 그 동소체의 표면에 반응층(카바이드층)이 형성되어, 히트 싱크재(10B)의 표면에서의 알맹이끼리의 결합을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 금속(14)에는 저융점 금속, 예컨대 Te, Bi, Pb, Sn, Se, Li, Sb, Tl, Ca, Cd, Ni에서 선택된 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 카본 또는 그 동소체와 금속(14) 계면의 습윤성이 개선되어, 열전도를 저해하는 입계의 발생을 억제할 수 있다. 또, 열전도의 관점에서, 상기 저융점 금속은 상기 금속(14)에 고용(固溶)되지 않는 것이 바람직하다.
또, 상기 금속(14)에, Nb, Cr, Zr, Be, Ti, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 카본 또는 그 동소체와 금속(14)의 반응성이 향상하고, 이 경우도, 성형 시에 있어서의 입계의 발생을 억제할 수 있다.
또, 상기 금속(14)에, 용융시의 유동성을 향상시키는 동시에 잔류 기공을 감소시키기 위해 고상/액상의 온도 범위가 30℃ 이상, 바람직하게는 50℃ 이상인 원소, 예컨대 Sn, P, Si, Mg에서 선택된 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 이에따라, 함침시의 변동을 저감할 수 있는 동시에, 잔류 기공이 감소하여 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 함침 압력을 상승시키더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 금속(14)에, 융점을 저감시키기 위한 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소로서는, 예컨대 Zn 등이 있다.
다음에, 이 제2 실시예에 따른 히트 싱크재(10B)를 제조하기 위한 몇 가지 방법(제3 및 제4 제조 방법)을 도 10∼도 14를 참조하여 설명한다.
우선, 제3 제조 방법은, 구체적으로는 도 10 및 도 11에 그 일례를 도시한 바와 같이, 예비 성형기(100)(도 10 참조)와 고온 프레스기(102)(도 11 참조)를 사용함으로써 행해진다.
예비 성형기(100)는, 도 10에 도시한 바와 같이, 상부 개구의 오목부(110)를 갖는 금형(112)과, 오목부(110) 내에 관통 삽입 가능하게 되고, 또, 오목부(110) 내의 내용물을 밀어내려 압입하는 펀치(114)를 갖춘다. 케이스(70)에는 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 금속(14)의 분체(14a)를 혼합한 것, 즉, 혼합물(104)이 수용된다.
고온 프레스기(102)는, 도 11에 도시한 바와 같이, 통형의 케이스(120) 내에, 베이스를 겸하는 하부 펀치(122)와, 이 하부 펀치(122) 상에 고정된 상면 개구의 흑연으로 만든 내화 용기(124)와, 이 내화 용기(124) 내에 상측에서부터 자유롭게 진퇴하게 되어 있는 상부 펀치(126)와, 상기 내화 용기(124)를 가열하기 위한 히터(128)가 설치되어 있다. 내화 용기(124)에는 상기 예비 성형기(100)에서 성형된 혼합물(104)의 예비 성형체(106)가 수용된다. 또한, 이 고온 프레스기(102)에는 진공 흡인을 위한 흡기관(130)이 설치되어 있다.
하부 펀치(122)의 내부에는 내화 용기(124) 내부를 가열하기 위한 가열용 유체나 내화 용기(124) 내부를 냉각하기 위한 냉각용 유체를 유통시키는 통로(132)가 설치되어 있다.
그리고, 제3 제조 방법은 도 12에 도시하는 공정을 밟음으로써 행해진다. 우선, 케이스(70) 내에 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 금속(14)의 분체(14a)를 넣어 혼합하여 혼합물(104)을 얻은 후(단계 S401), 그 혼합물(104)이 들어 간 케이스(70)를 예비 성형기(100)에서의 금형(112)의 오목부(110)내에 수용한다(단계 S402). 그 후, 펀치(114)를 오목부(110) 내에 압입하고 혼합물(104)을 예비 성형하여 예비 성형체(106)를 성형한다(단계 S403).
다음에, 금형(112)으로부터 예비 성형체(106)를 꺼내, 이 예비 성형체(106)를 고온 프레스기(102)에 있어서의 내화 용기(124) 내에 수용한다(단계 S404). 내화 용기(124)를 밀봉한 후, 흡기관(130)을 통하여 내화 용기(124) 내부를 진공 흡인하여 그 내화 용기(124) 내부를 부압 상태로 한다(단계 S405). 그 후, 히터(128)에 통전하여, 내화 용기(124) 속의 온도를 금속(14)의 융점인 -10℃∼-50℃로 한다(단계 S406).
소정 온도에 달한 단계에서, 상부 펀치(126)를 하측으로 이동시키고, 예비 성형체(106)를 가압하여 히트 싱크재(10B)를 얻는다(단계 S407). 그 후, 가공 공정 등을 거침으로써 실제의 히트 싱크재(10B)로서 사용된다. 단, 카본 또는 그 동소체와 금속(14)의 결합력을 높이는 원소가 첨가되어 있는 경우에는, 상기 가압 후에 금속(14)의 융점 이상까지 가열하여도 된다.
또한, 카본 또는 그 동소체에의 첨가 원소나 금속(14)에의 첨가 원소의 바람직한 예에 관하여는 이미 설명했기 때문에 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이와 같이, 제3 제조 방법의 각 공정을 밟음으로써, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 200∼350 W/mK 이상이고, 또, 열팽창률이 3×10-6/℃∼14×10-6/℃인 히트 싱크재(10B)를 용이하게 얻을 수 있다.
다음에, 제4 제조 방법에 대하여 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다. 이 제4 제조 방법에서는 도 14에 도시한 바와 같이, 예비 성형기(100)는 사용하지 않고, 고온 프레스기(102)만을 사용하여 행해진다.
즉, 도 13에 도시한 바와 같이, 우선, 케이스(70) 내에 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 금속(14)의 분체(14a)를 넣어 혼합하여 혼합물(104)을 얻은 후(단계 S501), 케이스(70) 내의 혼합물(104)을 직접 고온 프레스기(102)에 있어서의 내화 용기(124) 내에 수용한다(단계 S502). 내화 용기(124)를 밀봉한 후, 흡기관(130)을 통하여 내화 용기(124) 내를 진공 흡인하여 그 내화 용기(124) 내부를 부압 상태로 한다(단계 S503). 그 후, 히터(128)에 통전하여 내화 용기(124) 내의 온도를 금속(14)의 융점의-10℃∼-50℃로 한다(단계 S504).
소정 온도에 달한 단계에서, 상부 펀치(126)를 하측으로 이동시켜, 혼합물(104)을 가압하여 히트 싱크재(10B)를 얻는다(단계 S505).
이 제4 제조 방법에 있어서도, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축방향의 열전도율이 200∼350 W/mK 이상이고, 또, 열팽창률이 3×10-6/℃∼14×10-6/℃인 히트 싱크재(10B)를 용이하게 얻을 수 있다.
이어서, 제3 실시예에 따른 히트 싱크재(10C)에 대하여 도 15를 참조하여 설명한다.
제3 실시예에 따른 히트 싱크재(10C)는, 도 15에 도시한 바와 같이 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)와 바인더(결합체) 등을 혼합한 혼합물을 가압하여 예비 성형체 및 블록(입방체, 직방체, 또는 임의 형상이라도 좋다)을 성형하고, 또한, 이 블록에 금속을 함침시켜 구성하고 있다. 분체(12b)는 제2 실시예에서 이용한 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 같은 것이라도 좋다. 이 히트 싱크재(10C)는 최종 형상에 가까운 임의의 형상으로 만들 수 있다.
상기 카본 또는 그 동소체로서는 흑연 이외에 다이아몬드를 사용할 수 있다. 또한, 금속(14)으로서는 구리 이외에 알루미늄이나 은을 사용할 수 있다.
또, 상기 카본 또는 그 동소체 분체(12b)의 평균 분말 입도는 1 ㎛∼2000 ㎛이며, 상기 분체(12b)가 최소의 길이를 취하는 방향과, 최대의 길이를 취하는 방향에서, 그 길이의 비가 1:5 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 강한 네트워크는 없지만, 최종 형상에 가까운 임의의 형상으로 만들 수 있다. 따라서, 후속 공정의 가공을 생략하는 것도 가능하다. 그리고, 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)와 금속(14)과의 체적율은 카본 또는 그 동소체가 20 체적%∼80 체적%, 금속(14)이 80 체적%∼20 체적%의 범위가 바람직하다.
또, 카본 또는 그 동소체의 분체(12b) 중에, 그 카본 또는 그 동소체와 반응하기 위한 첨가 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 첨가 원소는 제2 실시예와 같은 식으로 선택하면 된다.
상기 금속(14)에는 제1 실시예의 경우와 같이 각 첨가 원소를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 습윤성 개선을 위한 첨가 원소, 카본 또는 그 동소체와 금속(14)의 반응성을 향상시키기 위한 첨가 원소, 용융시의 유동성을 향상시키기 위한 첨가 원소, 융점을 저감시키기 위한 첨가 원소 등이다.
다음에, 제3 실시예의 제5 제조 방법에 대하여 도 16을 참조하여 설명한다. 이 제5 제조 방법에서는 우선, 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)에 물, 바인더(결합재)를 혼합시켜 혼합물을 준비한다(단계 S601).
그리고, 그 혼합물을 소정 압력으로 가압하여 예비 성형체를 성형한다(단계 S602). 가압 장치로서는 프레스기(62)(도 7 참조) 또는 예비 성형기(100)(도 10참조)를 이용하면 된다.
다음에, 얻어진 예비 성형체에 용융 금속(14)을 함침하기 쉽게 하기 위해서 예열 처리를 한다(단계 S603). 이 예열 온도는, 예컨대 용융 금속(14)이 1200℃ 정도이면, 흑연의 예열 온도는 1000℃∼1400℃가 바람직하다. 이 예열 처리를 함으로써 단계 S601에서 이용한 바인더를 제거할 수도 있다.
또한, 단계 S604에 있어서, 예비 성형체를 소성하여 블록을 성형한다. 소성하는 방법은 제1 실시예와 같은 식으로 행한다.
그리고, 예비 성형체에 용융 금속(14)을 함침시킨다(단계 S605). 이 함침 공정은 제1 실시예에서 도시한 각 함침 공정과 동일한 처리를 하면 된다. 예컨대,고압 용기(30)(도 2참조)를 사용하여, 제1 제조 방법(도 3참조)에서의 단계 S2으로부터 단계 S9의 공정을 행함으로써 히트 싱크재(10C)를 얻을 수 있다.
이 제5 제조 방법에 따르면, 단계 S602에서 행하는 가압 처리에 있어서, 분체의 압분 상태에 따라 열팽창률과 열전도율을 원하는 값으로 제어할 수 있다.
또, 얻어진 히트 싱크재(10C)는 열전도율이 보다 등방성이 되고, 습윤성, 재료 수율도 향상된다는 특징을 갖는다.
또한, 금속(14) 쪽이 네트워크가 되기 때문에 강도를 올릴 수 있고, 잔류 기공도 감소시킬 수 있다.
더욱이, 히트 싱크재(10C)를 저렴하게 제조할 수 있다. 즉, 함침 전의 블록은 무르기 때문에 그대로는 가공할 수 없다. 그러나, 분말 예비 성형품은 그 자체의 형상으로 성형해 두고 나서 함침할 수 있고, 또, 그 후 다소의 소성 변형에도 견딜 수 있기 때문에, 복잡 형상의 히트 싱크재(10C)를 저렴하게 얻을 수 있다.
이 제5 제조 방법에 있어서도, 전술한 각 제조 방법의 경우와 같이 함침시키는 금속(14)에 탄화물을 형성하는 원소를 첨가함으로써 열팽창을 낮출 수 있다. 또, 습윤성 등의 개량 원소를 첨가함으로써 함침율을 향상시킬 수 있다.
또, 높은 함침 압력을 부여한 경우 쪽이 함침율이 높아져 강도, 열전도율도 향상된다.
여기서, 제5 제조 방법에 의한 함침 실시예를 도 17에 도시한다. 도 17의 충전 방법란에서 「가압하지 않음」이라고 표시되어 있는 것은 상기 가압 공정 단계 S602를 생략하여 분체를 깔아 채운 혼합물에 그대로 금속(14)을 함침시킨 것을 나타내고 있다. 또, 「가압」이라고 표시되어 있는 것은 분체 1000 ㎤에 물유리 10 ㎤와 물 100 ㎤을 첨가하여 압분하고, 그 후 예열시(1200℃)에 물과 물유리를 제거하여 성형한 것이다.
다음에, 제3 실시예에 따른 히트 싱크재(10)의 제6 제조 방법에 대하여 도 18을 참조하여 설명한다. 이 제6 제조 방법에서는, 우선 금속을 용해한 용융 금속(14) 또는 고체/액체 공존 상태의 금속(고체/액체 공존 금속)을 준비한다(단계 S701). 여기서, 고체/액체 공존 상태란 금속(일반적으로는 합금)을 반용융 상태로 한 것, 또는 금속 용탕을 냉각, 교반하여 반응고 상태로 한 것을 말하며, 금속을 가열하여 직접적으로 반용융 상태로 한 것과, 한번 완전히 용해한 후에 냉각하여 반응고 상태로 한 것의 양쪽을 가리킨다.
다음에, 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)를 상기 용융 금속(14) 또는 고체/액체 공존 상태의 금속으로 혼합한다(단계 S702).
그리고, 이 분체(12a)를 혼합한 용융 금속(14) 또는 고체/액체 공존 금속을 주조 가공하여 원하는 형상으로 성형함으로써 히트 싱크재(10C)를 얻을 수 있다(단계 S703).
제6 제조 방법에서 얻은 히트 싱크재(10C)는 제5 제조 방법에 의해 제작한 것으로 같은 특징을 갖는다.
다음에, 하나의 실험예(제1 실험예)를 나타낸다. 이 제1 실험예는 3종류의 카본(P, M, N)에 대하여 함침하는 금속(14)의 종류, 첨가 원소의 종류, 함침 방법을 바꿔, 2방향의 열전도율의 차이, 2방향의 열팽창률의 차이, 2방향의 굽힘 강도의 차이, 내수성, 첨가 원소의 효과를 각각 나타낸 것이다. 이 실험예의 결과를 도 19∼도 21에 도시한다. 또한, 3종류의 카본(P, M, N)의 각 특성을 도 22에 나타낸다.
또, 내수성은 데시케이터(deciccator) 내에 소량의 물과 시편을 넣고, 시편을 물에 침지하지 않고서 물 분위기에 노출시킨 상태로 하여 검사했다.
우선, 함침 방법으로서 금형 프레스를 이용한 경우에 대해 보면, 열전도율에 대해서는 첨가 원소를 포함한 구리 합금을 함침시킨 쪽이 순수 구리를 함침시킨 것보다도 전체적으로 높아지고 있다. 원래, 순수 구리 쪽이 열전도율이 높지만, 카본과의 습윤성이 나빠, 함침하기 어려운 것, 함침후의 카본과 금속의 계면에서 열전도율이 저하되는 것 등이 원인이라고 생각된다.
또, 순수 알루미늄을 함침시킨 것은 카바이드를 생성하는 효과와 카본에 대한 습윤성이 높기 때문에, 순수 구리를 함침시킨 경우보다도 열전도율이 높은 것을 얻을 수 있지만, 첨가 원소를 포함하는 구리 합금을 함침시킨 쪽이 열전도율이 높아지고 있다.
그러나, 함침 방법으로서 가스 가압을 이용한 경우는, 금형 프레스에 의한 경우보다도 열전도율이 높아지고, 가스 가압에 의해서 순수 구리를 함침시킨 것의 열전도율은 첨가 원소를 포함한 구리 합금을 함침시킨 것과 거의 같게 되고 있다. 도 23에, 도 19∼도 21에 도시하는 실험 결과 중, 금형 프레스에 의한 경우와 가스 가압에 의한 경우의 각 대표예를 추출하여 도시한다.
이것은 가스 가압 쪽이 예열 온도 및 용탕 온도의 제어가 쉽기 때문이다. 물론, 금형 프레스에 있어서도, 설비상의 연구를 함으로써 같은 레벨의 함침 특성(열전도율이 높아짐)을 얻을 수 있다.
열팽창률에 대해서는, 모든 카본에 있어 순수 구리를 함침시킨 것, 구리 합금을 함침시킨 것, 순수 알루미늄을 함침시킨 것에서 차이가 없고, 함침 방법에 따라서도 차이가 없었다.
또, 습윤성을 향상시키는 첨가 원소를 포함하는 구리 합금을 함침시킨 것은 내수성이 양호하며, 카바이드의 생성이 용이하게 되는 첨가 원소를 포함하는 구리 합금을 함침시킨 것은 카본만일 때보다도 굽힘 강도가 향상하고 있음을 알 수 있다.
또, 이들 각 시편은 면 방향과 두께 방향의 열전도율의 비가 1:5 이하가 되고 있고, 거의 등방성에 가까운 특성을 갖기 때문에, 히트 싱크로서 사용하는 경우에 설치 방향을 일일이 고려할 필요가 없어 실장면에서 유리하게 된다.
또, 2개의 실험예(제2 및 제3 실험예)를 나타낸다. 이들 실험예는 제1 실시예에서의 카본에 금속을 함침시키는 함침 공정에서, 용기 내부를 함침 가압할 때의 함침 압력을 바꿔, 잔류 기공, 밀도, 균질화, 압축 강도 및 직교하는 2개의 면 방향에 있어서의 열전도율의 차이를 각각 본 것이다.
제2 실험예는 함침 압력을 26.7 MPa(272 kgf/㎠), 및 156.0 MPa(1592 kgf/㎠)로 실행했다. 이 실험예의 결과를 도 24에 나타낸다.
도 24는 종축에 기공율(□로 나타냄) 및 밀도(??로 나타냄)를 취하고, 횡축에 함침 압력을 취하여 선도를 작성한 것이다. 기공율의 선도를 □로 나타내고,밀도의 선도를 ??로 나타낸다. 이 실험 결과로부터 높은 함침 압력을 부여한 경우 쪽이, 밀도는 커지고, 더구나 기공율은 감소하고 있음을 알 수 있다.
또, 카본의 압축 강도(규격: JIS R 1608 파인 세라믹스의 압축 경도 시험 방법)는 면 방향에서 24.5∼34.3 MPa(250∼350 kgf/㎠), 두께 방향에서 34.3∼44.1 MPa(350∼450 kgf/㎠)이기 때문에, 이 실험으로부터, 상기 함침 공정에서는 카본의 압축 강도의 4∼5배의 함침 압력을 부여한 경우라도 제조상 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.
제3 실험예는 함침 압력을 26.7 MPa(272 kgf/㎠) 및 60.0 MPa (612 kgf/㎠)로 행했다. 이 실험예의 결과를 도 25∼도 29에 도시한다.
도 25는 종축에 측정 밀도를 잡고, 횡축에 각 로트의 밀도 평균을 취하여 선도를 작성한 것이다.
이 도 25로부터, 함침 압력을 높게 한 쪽이 로트마다의 밀도 평균의 변동이 작은 것을 알 수 있다.
도 26∼도 28은 횡축에 함침 압력을 취하고, 종축에는 각각 두께 방향의 열전도율, 압축 강도 및 밀도를 취하여 선도를 작성한 것이다. 이들 도 26∼도 28로부터, 높은 함침 압력을 부여한 경우 쪽이, 각 특성 모두 값이 향상하고 있음을 알 수 있다.
도 29는 직교하는 2개의 면 방향에서의 열전도율의 차이를 선도로 작성한 것이다. 한쪽을 X 방향으로서 횡축으로 잡고, 또 한 쪽을 Y 방향으로서 종축으로 잡았다. 이 도 29로부터, 높은 함침 압력을 부여한 경우 쪽이 면 방향에서의 변동이적은 것을 알 수 있다.
상기 제2 및 제3 실험예에서는 함침 압력을 높게 함으로써 금속(14)의 함침량이 증가하여 각 효과를 나타낸 것으로 생각된다.
또한, 다른 2개의 실험예(제4 및 제5 실험예)를 나타낸다. 이 제4 및 제5 실험예는, 제4 실시예에서 카본에 금속(14)을 함침시키는 함침 공정에서 함침 가압시의 함침 압력과 금속(14)에 첨가하는 원소를 바꿔 잔류 기공의 변화를 각각 본 것이다.
제4 실험예는 함침 금속에 Cu 0.1 Nb를 채용하여, 함침 압력을 가하지 않는 원소재와, 27 MPa, 48 MPa, 및 60 MPa를 가압한 경우에 행했다. 이 실험예의 결과를 도 31에 도시한다.
도 31은 횡축에 기공 직경, 종축에 잔류 기공 용적을 잡고, 각 함침 압력의 경우에 있어서의 차이를 본 것이다. 이 도 31로부터, 함침 압력을 올림으로써 함침후의 잔류 기공율이 감소하고 있음을 알 수 있다.
제5 실험예는 함침시키는 금속에 원소를 첨가하지 않은 원소재와, Cu5Si를 첨가한 경우 및 Cu 0.1 Nb를 첨가한 경우이며, 함침 압력에 대해서는 27 MPa인 경우와 43 MPa인 경우에 실험했다. 이 실험예의 결과를 도 32에 도시한다.
도 32에 있어서의 원소재는 도 31에 있어서의 원소재와 같은 조건이기 때문에, 각각의 파형은 거의 동일한 형상으로 되고 있다.
첨가한 원소인 Cu5Si는 고상/액상 온도 범위가 30℃ 이상이므로, Cu 0.1 Nb에 비해서 용융시의 유동성(습윤성)이 좋다. 그 결과, Cu5Si를 첨가한 쪽이 잔류기공이 감소하고 있음을 알 수 있다. 또, 함침 압력을 올린 쪽이 함침후의 잔류 기공이 감소하는 경향을 보이는데, 이것은 도 31과 동일한 경향이라고 할 수 있다. 또, 잔류 기공이 감소함으로써 강도의 향상을 도모할 수 있다.
다음에, 카본 또는 그 동소체 대신 SiC를 다공질 소결체로서 이용하는 경우에 대하여 설명한다.
SiC에 습윤성 개선을 위한 첨가제를 넣기 위해서는 금속의 성분에 5%까지의 범위에서, Be, Al, Si, Mg, Ti, Ni에서 선택된 1종 이상의 첨가 원소를 함유하는 것이 바람직하다. 이들 원소는 카본을 다공질 소결체로서 이용한 경우와는 다르기 때문에 주의한다.
그리고, SiC와 금속(14)과의 습윤성의 향상을 도모하여, SiC에 미리 1∼10 체적%, 바람직하게는 3∼5 체적%의 Ni 도금을 실시하는 것이 바람직하다. 이 경우, 저 압력에서의 함침을 실현시킬 수 있다. 여기서 말하는, Ni 도금으로는 예열시에 용융하지 않는 도금 처리가 바람직하고, 예컨대 Ni-P-W의 도금이나 Ni-B-W의 도금 등이 포함된다.
또, SiC과 금속(14)과의 습윤성의 향상을 도모하여, SiC에 미리 Si를 1∼10 체적%, 바람직하게는 3∼5 체적% 함침시키는 것이 바람직하다. 이 경우도 저 압력에서의 함침을 실현할 수 있다.
그리고, 상기 SiC에 미리 1∼10 체적%의 Ni 도금을 하거나, 또는 미리 Si를 1∼10 체적% 함침시키는 것과 관련하여, SiC에 미리 팔라듐 도금을 실시하도록 하여도 된다. 이 경우, 상기 팔라듐 도금에 더하여, Ni나 Si와의 복합 도금을 하는것도 가능하다.
또, SiC과 금속(14)은 고온에서 반응이 생겨, 이 SiC가 Si와 C로 분해되어 본래의 기능이 발휘되지 않게 된다. 이 때문에, SiC와 금속(14)이 고온에서 직접 접촉하는 시간을 단축할 필요가 있다. 제1 처리 조건[고압 용기(30)에 부여하는 압력=0.98 MPa(10 kgf/㎠) 이상, 98 MPa(1000 kgf/㎠) 이하], 제2 처리 조건(가열 온도=금속(14)의 융점보다 30℃∼250℃ 높은 온도) 또는 제3 처리 조건(SiC에 미리 1∼10 체적%의 Ni 도금을 실시함)을 만족시킴으로써, SiC와 금속(14)과의 접촉 시간을 짧게 할 수 있으므로, 상기한 것과 같은 SiC의 분해 반응을 사전에 피할 수 있다.
또, SiC과 금속(14)은 습윤성이 나쁘므로, 금속(14)을 충분히 함침시키기 위해서는 고압력을 걸 필요가 있다. 제3 처리 조건(SiC에 미리 1∼10 체적%의 Ni 도금을 실시함), 또는 제4 처리 조건(SiC에 미리 Si를 1∼10 체적% 함침시킴)을 실행함으로써 SiC의 기공 표면이 개질되어, SiC와 금속(14)과의 습윤성이 양호하게 되기 때문에, 보다 저 압력에서 보다 미세한 기공까지 금속(14)을 함침시킬 수 있다.
여기서, 또 다른 실험예(제6 실험예)를 도시한다. 이 제6 실험예는 SiC의 기공율, 기공 직경, Ni 도금의 유무, Si 함침의 유무, 함침 온도, 가압력, 가압 시간, 냉각 속도를 적절하게 바꿔, 그 때의 SiC/Cu의 반응 상황과 Cu의 함침 상황의 차이를 본 것이다. 그 실험 결과를 도 30의 표에 나타낸다. 이 도 30에 있어서, SiC/Cu의 반응 상황은 SiC과 Cu 사이에 형성된 반응층의 두께(평균치)에 의해서 결정하였다. 그 결정 조건은 다음과 같다. 또, 이 결정 조건의 근거는 SiC와 Cu 사이에 5 ㎛ 이상의 반응층이 생기면, SiC과 Cu 사이의 열 전달이 악화되어, 반도체 히트 싱크용 복합 재료로 한 경우의 열전도율이 저하하기 때문이다.
·반응층의 두께(평균)가 1 ㎛ 이하 → 「반응 없음」
·반응층의 두께(평균)가 1 ㎛를 넘고 5 ㎛ 이하 →「반응 적음」
·반응층의 두께(평균)가 5 ㎛을 넘는다 → 「반응 큼」
이 실험 결과로부터, SiC의 기공율, 기공 직경, 함침 온도, 가압력, 가압 시간 및 냉각 속도에 대하여 각각 소정 범위를 만족하는 것(시편 3, 7, 8, 11 및 12)에 대해서는 모두 SiC/Cu의 반응 상황이 「반응 없음」이고, 또한 Cu의 함침 상황이 양호하게 되고 있어, 양호한 결과를 얻을 수 있다.
이들 시편 중, 시편 3, 7, 11 및 12에 대해서는 Ni 도금 혹은 Si 함침을 하고 있기 때문에 Cu와의 습윤성이 양호하게 되어, 가압 시간을 짧게 하더라도 상기한 바와 같이 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 또, 시편 8에 대해서는 Ni 도금 및 Si 함침을 하고 있지 않지만, 가압력을 높게 함으로써, 가압 시간을 짧게 하는 것이 가능하게 되어, 상기한 바와 같이 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
한편, 가압력이 상기 소정 범위보다도 낮은 0.78 MPa(8 kgf/㎠)인 시편 1, 5 및 9에 대해서는 Cu의 함침 상황이 모두 불충분하게 되고 있고, 이들 시편 중, 가압 시간이 긴 것에 대해서는(시편 1 및 5), SiC/Cu의 반응 상황이 「반응 큼」으로 되어 있다.
또, 시편 6에 대하여, SiC/Cu의 반응 상황이 「반응 적음」에도 불구하고 함침 상황이 불충분하게 되고 있는 것은 기공율 및 기공 직경이 각각 소정 범위를 만족하지 않고 있기 때문이라고 생각되며, 시편 14에 대하여, 함침 상황이 양호함에도 불구하고 SiC/Cu의 반응 상황이 「반응 큼」으로 되고 있는 것은 기공 직경이 소정 범위보다도 크고, 가압 시간이 비교적 길기 때문이라고 생각된다.
다음에, 다공질 소결체에 SiC를 이용한 실시예에 대하여 설명한다. 우선, 상기 제1 실시예(제1 제조 방법, 제1 변형예, 제2 변형예, 및 제2 제조 방법)에 있어서, SiC를 이용하는 경우는, 흑연을 소성하여 다공질 소결체를 제작하는 공정(단계 S1, 단계 S101, 단계 S201, 단계 S301 및 단계 S302)은 불필요하며, 그 후의 단계에서는 동일한 공정으로 제조할 수 있다.
또한, 다공질 소결체에 SiC를 이용한 실시예로서 제4 실시예에 따른 제조 방법(제7 제조 방법)에 대하여 도 33∼도 36을 참조하여 설명한다.
이 제7 제조 방법은, 구체적으로는 도 33에 그 일례를 도시한 바와 같이, 고온 프레스기(1060)를 사용함으로써 행해진다. 이 고온 프레스기(1060)는 상기 제2 실시예에서 설명한 고온 프레스기(102)와 거의 동일한 구조이지만, 편의상 도면을 구분하여 설명한다.
이 고온 프레스기(1060)는 통형의 하우징(1062) 내에, 베이스를 겸하는 하부 펀치(1064)와, 이 하부 펀치(1064) 상에 고정된 상면 개구의 내화 용기(1066)와, 이 내화 용기(1066) 내에서 상측으로부터 자유롭게 진퇴하게 되어 있는 상부 펀치(1068)와, 상기 내화 용기(1066)를 가열하기 위한 히터(1070)가 설치되어 있다. 또한, 이 고온 프레스기(1060)에는 진공 흡인을 위한 흡기관(1072)이 설치되어 있다.
상기 내화 용기(1066)는 중공부(1074)를 갖춘 통형의 형상을 갖추고 있다. 상부 펀치(1068)는 그 측면에, 이 상부 펀치(1068)의 행정(스트로크)을 결정하는 플랜지부(1076)가 설치되고, 이 플랜지부(1076)의 하면에는 상기 내화 용기(1066)의 상측 둘레면과 접촉하여 내화 용기(1066)를 밀폐 상태로 하기 위한 패킹(1078)이 부착되어 있다. 한편, 하부 펀치(1064)의 내부에는 내화 용기(1066) 내를 가열하기 위한 가열용 유체나 내화 용기(1066) 내를 냉각하기 위한 냉각용 유체를 유통시키는 통로(1080)가 설치되어 있다.
그리고, 제7 제조 방법은 도 34에 도시하는 공정을 밟음으로써 행해진다.
우선, 내화 용기(1066)의 중공부(1074) 내에, 아래에서 SiC(1020), 다공질 세라믹으로 만든 필터(1054), 금속(14) 잉곳의 순으로 투입한다(단계 S1301). 필터(1054)로서는 기공율이 40%∼90%이고, 또 기공 직경이 0.5 mm∼3.0 mm인 다공질 세라믹재를 이용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 기공율이 70%∼85%이고 또한 기공 직경이 1.0 mm∼2.0 mm인 다공질 세라믹재를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 필터(1054)는 SiC(1020)과 금속(14) 잉곳을 구획하여 양자를 비접촉 상태로 두는 칸막이 판으로서의 기능을 하고, 중공부(1074) 중, 필터(1054) 상의 금속(14) 잉곳이 세트된 부분을 상부 챔버(1074a), 필터(1054) 아래의 SiC(1020)가 세트된 부분을 하부 챔버(1074b)로 정의할 수 있다.
다음에, 내화 용기(1066)를 밀봉한 후, 흡기관(1072)을 통하여 내화 용기(1066) 내부를 진공 흡인하여 그 내화 용기(1066)의 양 챔버(1074a 및 1074b)내부를 부압 상태로 한다(단계 S1302).
그 후, 히터(1070)에 통전하여 상부 챔버(1074a) 내의 금속(14)을 가열 용해한다(단계 S1303). 이 때, 상기 히터(1070)에의 통전과 더불어 하부 펀치(1064)의 통로(1080) 내에 가열용 유체를 흘려 내화 용기(1066)의 내부를 가열하도록 하여도 된다.
상부 챔버(1074a) 내의 금속(14) 용해물(용융 금속)이 소정 온도에 달한 단계에서, 상부 펀치(1068)를 하측으로 이동시켜 상부 챔버(1074a) 내부를 소정 압력까지 가압한다(단계 S1304). 이 때, 상부 펀치(1068)의 플랜지부(1076)에 부착된 패킹(1078)과 내화 용기(1066)의 상측 둘레면과의 접촉 및 서로의 압박에 의해 내화 용기(1066)가 밀봉되어 내부의 용융 금속이 내화 용기(1066)의 밖으로 누설된다는 문제점이 유효하게 방지된다.
소정 압력이 된 상부 챔버(1074a) 내의 금속(14) 용해물(용융 금속)은 상부 챔버(1074a) 내의 압력에 의해서 필터(1054)를 통해서 하부 챔버(1074b) 측으로 밀려나와 이 하부 챔버(1074b) 내에 도입되는 동시에, 상기 하부 챔버(1074b) 내에 마련된 SiC(1020)에 함침된다.
시간 관리에 의해 미리 설정되어 있는 종점[SiC(1020) 속으로의 용융 금속(14)의 함침이 포화 상태가 된 시점]이 된 단계에서, 이번에는 하부 펀치(1064) 내의 통로(1080)에 냉각용 유체를 흘려 내화 용기(1066)를 하측에서 상측을 향하여 냉각시킴으로써(단계 S1305), SiC(1020)에 함침된 용융 금속(14)을 응고시킨다. 응고가 완료될 때까지 상부 펀치(1068)와 하부 펀치(1064)에 의한 내화용기(1066) 내의 가압 상태는 유지된다.
응고가 완료된 시점에서, 금속(14)이 함침된 SiC(1020)를 내화 용기(1066)로부터 꺼낸다(단계 S1306).
이 제조 방법에서는 SiC(1020)과 금속(14)을 충분히 탈기하면서 가열하여, 금속(14)을 용융한 후, 신속하게 SiC(1020)에 접촉시키고, 또한, 이들을 가압 상태로 하고, 또 그 가압 상태를 냉각 조작 완료 시까지 유지하도록 했기 때문에, SiC(1020)에 금속(14)을 효율적으로 함침할 수 있다. 상기 예에서는 함침 처리를 부압 하에서 행하도록 했지만, 상압하에서 행하여도 된다.
이와 같이, 용융 금속(14)과 SiC(1020)를 함께 가압 하에 둔 후에 서로 접촉시켜 함침 처리를 하도록 했기 때문에, 양자를 접촉시킬 때의 압력 저하를 최소한으로 할 수 있어, 함침 처리 시에 있어서의 가압 상태를 양호하게 유지시킬 수 있다.
상기 예에서는 용융 금속(14)의 누설을 방지하기 위해서, 상부 펀치(1068)에 서의 플랜지부(1076)의 하면에 패킹(1078)을 설치하도록 했지만, 도 33에서 이점 쇄선으로 도시한 바와 같이, 내화 용기(1066)의 상측 둘레면에 패킹(1078)을 설치하도록 하여도 된다. 또, 도 35a에 도시한 바와 같이, 링형의 분할형 패킹(1100)을 2장 겹친 패킹 부재(1102)를, 도 36에 도시한 바와 같이 상부 펀치(1068)의 하부에 설치하도록 하여도 된다. 이 경우, 패킹 부재(1102)의 중공부(1104)에 용융 금속이 들어감으로써 각 분할형 패킹(1100)의 직경이 확대되어, 결과적으로 상부 챔버(1074a)가 밀봉되어 용융 금속(14)의 누설이 방지되게 된다.
다음에, 제7 제조 방법의 변형예에 대하여 도 37 및 도 38을 참조하여 설명한다. 또, 도 33과 대응하는 구성 요소에 대해서는 같은 부호를 붙여 그 중복 설명을 생략한다.
이 변형예에 따른 제조 방법에 있어서는 고온 프레스기(1060)로서, 도 37에 도시한 바와 같이, 내화 용기(1066)에 있어서의 중공부(1074)의 높이 방향 중앙부에 다공질 세라믹스로 구성된 필터 부재(1110)가 고착되고, 하부 챔버(1074b)의 측면에 도어(1112)가 개폐 가능하게 부착된 것이 사용된다. 따라서, 내화 용기(1066)의 중공부(1074) 중, 필터 부재(1110)보다도 위쪽 부분이 상부 챔버(1074a)가 되고, 필터 부재(1110)보다도 아래 부분이 하부 챔버(1074b)가 된다. 특히, 하부 챔버(1074b)에 부착된 도어(1112)에 대해서는 그 도어(1112)를 폐쇄했을 때에 하부 챔버(1074b)가 밀봉되는 식의 구조가 채용된다.
그리고, 이 변형예에 따른 제조 방법은 도 38에 도시하는 공정을 밟음으로써 행해진다.
우선, 내화 용기(1066)의 상부 챔버(1074a) 내에 금속(14) 잉곳을 투입하고, 하부 챔버(1074b)의 도어(1112)를 개방하여 이 하부 챔버(1074b) 내에 SiC(1020)를 투입한다(단계 S1401).
다음에, 도어(1112)를 폐쇄하여 하부 챔버(1074b)를 밀봉하고, 또한 고온 프레스기(1060)를 밀봉한 후, 흡기관(1072)을 통하여 내화 용기(1066) 내부를 진공 흡인하여 그 내화 용기(1066)의 양 챔버(1074a 및 1074b) 내부를 부압 상태로 한다(단계 S1402).
그 후, 히터(1070)에 통전하여 상부 챔버(1074a) 내의 금속(14)을 가열 용해한다(단계 S1403). 이 경우도 상기 히터(1070)로의 통전과 더불어 하부 펀치(1064)의 통로(1080) 내에 가열용 유체를 흘려 내화 용기(1066)의 내부를 가열하도록 하여도 된다.
상부 챔버(1074a) 내의 금속(14)의 용해물(용융 금속)이 소정 온도에 달한 단계에서, 상부 펀치(1068)를 하측으로 이동시켜 상부 챔버(1074a) 내부를 소정 압력까지 가압한다(단계 S1404).
소정 압력으로 된 상부 챔버(1074a) 내의 금속(14)의 용해물(용융 금속)은 상부 챔버(1074a) 내의 압력에 의해서 필터 부재(1110)를 통해서 하부 챔버(1074b) 측으로 밀려 내려와 이 하부 챔버(1074b) 내부로 도입되는 것과 동시에, 상기 하부 챔버(1074b) 내에 설치된 SiC(1020)에 함침된다.
시간 관리에 의해 미리 설정되어 있는 종점으로 된 단계에서, 이번에는 하부 펀치(1064) 내의 통로(1080)에 냉각용 유체를 흘려 내화 용기(1066)를 하측에서 상측을 향하여 냉각시킴으로써(단계 S1405), SiC(1020)에 함침된 용융 금속(14)을 응고시킨다.
응고가 완료된 시점에서, 금속(14)이 함침된 SiC(1020)를 내화 용기(1066)로부터 꺼낸다(단계 S1406).
이 변형예에 따른 제조 방법에서도, 제7 제조 방법과 같이 SiC(1020)에 금속(14)을 효율적으로 함침할 수 있다. 또한, 이 변형예에서도, 용융 금속(14)과 SiC(1020)를 함께 가압 하에 둔 후에 서로 접촉시켜 함침 처리를 하도록 하고 있기때문에, 양자를 접촉시킬 때의 압력 저하를 최소한으로 할 수 있어, 함침 처리 시에서의 가압 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 또, 이 변형예에서는 부압 하에서 함침 처리를 하도록 했지만, 상압하에서 행하여도 된다.
또한, 다공질 소결체에 SiC를 이용한 실시예로서, 제5 실시예에 따른 제조 방법(제8 제조 방법)에 대하여 도 39 및 도 40을 참조하여 설명한다. 또, 도 33과 대응하는 구성 요소에는 같은 부호를 기재하고 그 중복 설명을 생략한다.
이 제8 제조 방법은 상기 제4 실시예에 따른 제조 방법과 원리적으로는 거의 동일하지만, 함침 공정에서 SiC(1020)와 금속(14)을 부압 하에 또는 상압 하에 접촉시켜 가열 처리하여 상기 금속(14)을 용융하는 점에서 다르다.
구체적으로는, 도 33에 도시한 제3 실시예에 따른 제조 방법에서 사용되는 고온 프레스기(1060)의 내화 용기(1066) 내에 필터(1054)를 투입하지 않고, 아래서부터 SiC(1020), 금속(14)의 순으로 투입하는 점에서 다르다.
그리고, 제5 실시예에 따른 제조 방법은 도 40에 도시하는 공정을 밟음으로써 행해진다.
우선, 내화 용기(1066)의 중공부(1074) 내에, 아래서부터 SiC(1020), 금속(14) 잉곳의 순으로 투입한다(단계 S1501).
다음에, 고온 프레스기(1060)를 밀봉한 후, 흡기관(1072)을 통하여 내화 용기(1066) 내의 진공 흡인을 행하여 이 내화 용기(1066) 내부를 부압 상태로 한다(단계 S1502).
그 후, 히터(1070)에 통전하여 내화 용기(1066) 내의 금속(14)을 가열 용해한다(단계 Sl503). 이 때, 상기 히터(1070)에의 통전과 더불어 하부 펀치(1064)의 통로(1080) 내에 가열용 유체를 흘려 내화 용기(1066)의 내부를 가열하도록 하여도 된다.
내화 용기(1066) 내의 금속(14)의 용해물(용융 금속)이 소정 온도에 달한 단계에서, 상부 펀치(1068)를 하측으로 이동시켜 내화 용기(1066) 내부를 소정 압력까지 가압한다(단계 S1504).
소정 압력으로 된 금속(14)의 용해물(용융 금속)은 내화 용기(1066) 내의 압력에 의해서 SiC(1020)에 함침된다.
시간 관리에 의해 미리 설정되어 있는 종점[SiC(1020) 내에의 용융 금속의 함침이 포화 상태가 된 시점]이 된 단계에서, 이번에는 하부 펀치(1064) 내의 통로(1080)에 냉각용 유체를 흘려 내화 용기(1066)를 하측에서 상측을 향하여 냉각함으로써(단계 S1505), SiC(1020)에 함침된 용융 금속을 응고시킨다. 응고가 완료될 때까지 상부 펀치(1068)와 하부 펀치(1064)에 의한 내화 용기(1066) 내의 가압 상태는 유지된다.
응고가 완료된 시점에서, 금속(14)이 함침된 SiC(1020)를 내화 용기(1066)로부터 꺼낸다(단계 S1506).
이 제8 제조 방법에 있어서도 SiC(1020)와 금속(14)을 충분히 탈기하면서 가열하여, 금속(14)과 SiC(1020)를 접촉시킨 상태에서 금속(14)을 용융한 후, 내화 용기(1066) 내부를 가압 상태로 하고, 또한 그 가압 상태를 냉각 조작 완료 시까지 유지하도록 했기 때문에, SiC(1020)에 금속(14)을 효율적으로 함침할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 히트 싱크재 및 그 제조 방법은 전술한 실시예에 한하지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고서, 여러 가지 구성을 채용할 수 있음은 물론이다.

Claims (65)

  1. 카본 또는 그 동소체와 금속(14)을 포함하고,
    직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 160 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  2. 제1항에 있어서, 직교하는 3축 방향의 평균 또는 어느 한 축 방향의 열전도율이 180 W/mK 이상이고,
    열팽창률이 1×10-6/℃∼10×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 동소체가 흑연인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동소체가 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체로서 열전도율이 100 W/mK 이상인 것이 사용되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  6. 제1항, 제3항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체를 소성하여 네트워크화함으로써 얻어지는 다공질 소결체(12)에 상기 금속(14)이함침되어 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다공질 소결체(12)의 기공율이 10 체적%∼50 체적%이고, 평균 기공 직경이 0.1 ㎛ ∼ 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체와 상기 금속(14)과의 체적율이, 상기 카본 또는 그 동소체가 50 체적% ∼ 80 체적%, 금속(14)이 50 체적% ∼ 20 체적% 범위인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  9. 제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체에 그 카본 또는 그 동소체를 소성했을 때의 폐기공율을 저감시키는 첨가물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  10. 제9항에 있어서, 상기 폐기공율을 저감시키는 첨가물이 SiC 및/또는 Si인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  11. 제1항, 제3항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)에 물 또는 결합재를 혼합하여 소정 압력 하에 성형된 예비 성형체에 상기 금속(14)이 함침되어 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  12. 제11항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)의 평균 분말 입도가 1 ㎛ ∼ 2000 ㎛이며,
    상기 분체(12b)가 최소의 길이를 취하는 방향과 최대의 길이를 취하는 방향에서 그 길이 비가 1:5 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체와 상기 금속(l4)과의 체적율이, 상기 카본 또는 그 동소체가 20 체적% ∼ 80 체적%, 금속(14)이 80 체적% ∼ 20 체적%의 범위인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  14. 제1항, 제3항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)이 용해된 액체 상태 또는 고체/액체 공존 상태로 상기 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)를 혼합하고 주조 성형하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  15. 제6항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 폐기공율이 12 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  16. 제6항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 계면의 습윤성 개선을 위한 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  17. 제16항에 있어서, 상기 계면의 습윤성 개선을 위한 첨가 원소가 Te, Bi, Pb,Sn, Se, Li, Sb, Tl, Ca, Cd, Ni에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  18. 제6항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 상기 카본 또는 그 동소체와의 반응성을 향상시키기 위한 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  19. 제18항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체와의 반응성을 향상시키기 위한 첨가 원소는 Nb, Cr, Zr, Be, Ti, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  20. 제6항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 용융시의 유동성을 향상시키기 위하여 고상/액상의 온도 범위가 30℃ 이상인 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  21. 제20항에 있어서, 상기 첨가 원소는 Sn, P, Si, Mg에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  22. 제6항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 융점을 저감시키기 위한 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  23. 제22항에 있어서, 상기 첨가 원소는 Zn 등인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  24. 제6항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 열전도율을 향상시키기 위한 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  25. 제24항에 있어서, 상기 금속(14)에 상기 열전도율을 향상시키기 위한 원소를 첨가하여, 열처리, 가공 및 카본과의 반응 후 편석 등에 의해서 얻어지는 합금의 열전도율이 10 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  26. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 상기 금속(14)의 분체(14a)를 혼합하고 소정 압력 하에 성형하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  27. 제26항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)와 상기 금속(14)의 분체(14a)의 평균 분말 입도가 1 ㎛ ∼ 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  28. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단재와 상기 금속(14)의 분체를 혼합하고 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  29. 제26항 내지 제28항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체와 상기 금속(14)과의 체적율이, 상기 카본 또는 그 동소체가 20 체적%∼60 체적%, 금속(14)이 80 체적%∼40 체적%의 범위인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  30. 제26항 내지 제29항 중의 어느 한 항에 있어서, 열전도율이 200 W/mK 이상이고, 열팽창률이 8×10-6/℃ ∼ 14×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  31. 제26항 내지 제30항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체에 성형 후의 재소성을 가능하게 하는 첨가물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  32. 제31항에 있어서, 상기 성형 후의 재소성을 가능하게 하는 첨가물은 SiC 및/또는 Si인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  33. 제26항 내지 제32항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 계면의 습윤성 개선을 위한 저융점 금속이 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  34. 제33항에 있어서, 상기 저융점 금속은 Te, Bi, Pb, Sn, Se, Li, Sb, Se, Tl,Ca, Cd, Ni에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  35. 제26항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 상기 카본 또는 그 동소체와의 반응성을 향상시키기 위한 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  36. 제35항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체와의 반응성을 향상시키기 위한 첨가 원소는 Nb, Cr, Zr, Be, Ti, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  37. 재26항 내지 제36항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 용융시의 유동성을 향상시키기 위하여 고상/액상의 온도 범위가 30℃ 이상인 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  38. 제37항에 있어서, 상기 첨가 원소는 Sn, P, Si, Mg에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  39. 제26항 내지 제38항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)에 융점을 저감시키기 위한 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  40. 제39항에 있어서, 상기 첨가 원소는 Zn 등인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  41. 제1항 내지 제40항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 카본 또는 그 동소체의 표면에 카바이드층이 형성되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  42. 제41항에 있어서, 상기 카바이드층의 형성은 적어도 상기 카본 또는 그 동소체와 첨가 원소의 반응에 기초하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  43. 제42항에 있어서, 상기 첨가 원소는 Ti, W, Mo, Nb, Cr, Zr, Be, Ta, V, B, Mn에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  44. 제1항 내지 제43항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)은 Cu, Al, Ag에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  45. 제1항 내지 제44항 중의 어느 한 항에 있어서, 최소의 열전도율을 취하는 방향과 최대의 열전도율을 취하는 방향에서 열전도율의 비가 1:5 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재.
  46. 카본 또는 그 동소체를 소성하여 네트워크화함으로써 다공질 소결체(12)를제작하는 소성 공정과,
    금속(14)을 상기 다공질 소결체(12) 중에 함침시키는 함침 공정과,
    적어도 상기 금속(14)이 함침된 상기 다공질 소결체(12)를 냉각하는 냉각 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 소성 공정은 용기 내에 상기 카본 또는 그 동소체를 넣고 그 용기 내부를 가열함으로써, 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체(12)를 제작하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  48. 제46항 또는 제47항에 있어서, 상기 함침 공정은 용기 내에 받아들인 상기 금속(14)의 용탕에 상기 다공질 소결체(12)를 침지하고, 상기 용기 내부에 함침용 가스를 도입하여 상기 용기 내부를 가압함으로써, 상기 용탕을 다공질 소결체(12) 중에 함침시키는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 가압력은 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체(12)의 압축 강도의 4∼5배 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  50. 제49항에 있어서, 상기 가압력은 1.01∼202 MPa(10∼2000 기압)인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  51. 제46항 내지 제50항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 공정은 상기 용기 내의 상기 함침용 가스를 빼고, 신속히 냉각용 가스를 도입하여 상기 용기 내부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  52. 제46항 내지 제51항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 소성 공정은 케이스(70) 내부에 상기 카본 또는 그 동소체를 수용하는 공정과, 상기 케이스(70) 내부를 예열하여 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체(12)를 제작하는 공정을 갖추고,
    상기 함침 공정은, 프레스기(62)의 금형(82)에 상기 케이스(70)를 수용하는 공정과, 상기 케이스 내에 상기 금속(14)의 용탕(86)을 주탕하는 공정과, 상기 프레스기(62)의 펀치(84)로 상기 용탕(86)을 밀어내려 압입하여 상기 케이스(70) 내의 상기 다공질 소결체(12) 중에 상기 용탕(86)을 함침시키는 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  53. 제52항에 있어서, 상기 펀치(84)에 의한 압입 시의 압력은 상기 카본 또는 그 동소체에 의한 다공질 소결체(12)의 압축 강도의 4∼5배 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  54. 제53항에 있어서, 상기 펀치(84)에 의한 압입 시의 압력은 1.01∼202 MPa(10∼2000 기압)인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  55. 제53항 또는 제54항에 있어서, 상기 금형(82)으로서, 상기 다공질 소결체(12)에 잔존하는 가스를 뽑아내기 위한 가스 배출 구멍, 또는, 가스를 뽑아내기 위한 간극부가 형성된 금형(82)을 이용하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  56. 제46항 내지 제55항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 공정은 상기 다공질 소결체(12)에 상기 금속(14)이 함침된 상기 히트 싱크재를 냉각 가스의 분무 또는 냉각수가 공급되는 냉각 영역 또는 냉각용 금형으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  57. 카본 또는 그 동소체의 분체(12b)에 물 또는 결합재를 혼합하는 공정과,
    상기 혼합물을 소정 압력 하에 예비 성형체를 성형하는 공정과,
    금속(14)을 상기 예비 성형체 내에 함침시키는 함침 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  58. 금속(14)이 용해된 액체 상태 또는 고체/액체 공존 상태로 카본 또는 그 동소체의 분체(12a)를 혼합하는 공정과,
    상기 혼합물을 주조 성형하는 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  59. 카본 또는 그 동소체의 분체와 금속(14) 분체(14a)를 혼합하는 혼합 공정과,
    상기 혼합물(104)을 고온 프레스기(102)의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  60. 카본 또는 그 동소체의 분체와 금속(14) 분체(14a)를 혼합하는 혼합 공정과,
    상기 혼합물(104)을 예비 성형하여 예비 성형체(106)로 하는 예비 성형 공정과,
    상기 예비 성형체(106)를 고온 프레스기(102)의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  61. 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단 재료와 금속(14) 분체(14a)를 혼합하고 예비 성형하여 혼합물(104)을 제작하는 혼합 공정과,
    상기 혼합물(104)을 고온 프레스기(102)의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  62. 카본 또는 그 동소체의 분쇄 재단 재료와 금속(14) 분체(14a)를 혼합하는 혼합 공정과,
    상기 혼합물(104)을 예비 성형하여 예비 성형체(106)로 하는 예비 성형 공정과,
    상기 예비 성형체(106)를 고온 프레스기(102)의 금형 내에 넣어 소정 온도, 소정 압력 하에 성형하여 히트 싱크재를 제작하는 가압 공정을 갖추는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  63. 제59항 내지 제62항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 소정 온도는 상기 금속(14)에서의 융점인 -10℃∼-50℃이고,
    상기 소정 압력은 10.13 ∼ 101.32 MPa(100∼1000 기압)인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  64. 제59항 내지 제63항 중의 어느 한 항에 있어서, 가압 공정 후에 상기 히트 싱크재를 상기 금속(14)에서의 융점 이상까지 가열하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
  65. 제46항 내지 제64항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속(14)은 Cu, Al, Ag에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 히트 싱크재의 제조 방법.
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