KR20060090824A - 열전도율이 높은 금속기질 복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전도율이 높은 금속기질 복합체에 관한 것으로, 구체적으로는 CVR(chemical vapor reaction) 과정으로 얇은 β-SiC 표면변환층이 형성된 다이아몬드 입자들을 함유한 복합체에 관한 것이다. 이들 입자들의 SiC 코팅은 확산변환 경계면 없이 축적되는 SiC/코팅과는 반대로 반응층이나 등급층으로 존재하고, 다이아몬드 표면에 대한 SiC의 화학증착과 같은 코팅공정으로 얻어진다. 본 발명은 다이아몬드 입자들이 금속기질내에 분산되어 있는 복합체를 제공하되, 이들 다이아몬드 입자 표면에는 베타-SiC가 화학적으로 결합되어 있으며, SiC의 카본은 이것이 결합된 다이아몬드 입자내의 다이아몬드에서 생긴다.

Description

열전도율이 높은 금속기질 복합체{High Thermal Conductivity Metal Matrix Composites}
본 발명은 열전도율이 높은 금속기질 복합체에 관한 것으로, 구체적으로는 CVR(chemical vapor reaction) 과정으로 얇은 β-SiC 표면변환층이 형성된 다이아몬드 입자들을 함유한 복합체에 관한 것이다. 이들 입자들의 SiC 코팅은 확산변환 경계면 없이 축적되는 SiC/코팅과는 반대로 반응층이나 등급층으로 존재하고, 다이아몬드 표면에 대한 SiC의 화학증착과 같은 코팅공정으로 얻어진다.
고전력 전자패키징이나 기타 열관리 용도의 열전도율이 아주 높은 복합체를 생산하는 방법을 소개하는 많은 문헌들이 보고되었다. 이들 문헌은 MMC(metal matrix composite; 금속기질 복합체)를 형성하는 금속기질에 입자를 충전하는 방식을 소개한다. 열전도유이 높은 입자를 금속에 추가하여 금속기질 복합체를 형성하는 경우의 장점은 널리 알려져 있다. MMC의 성질은 금속기질과 입자충전제의 성질을 적절히 선택하여 특수한 용도에 맞출 수 있다. 그 예로는 알루미늄에 SiC 입자를 첨가한 것이 있다. SiC는 충전입자와 접촉할 때 용융알루미늄과 알루미늄 합금에 의해 쉽게 습윤된다. Al/SiC 복합체의 강도는 충전제의 용량이 40vol% 이상일 때 400MPa임이 보고되었고, 이 값은 SiC 입자와 Al 사이의 결합력이 양호함을 보여 준다. 알루미늄 기질과 SiC 입자로 구성된 MMC는 열팽창계수(CTE; coefficient of thermal expansion), 강성 및 내마모성에 있어서 순수한 Al보다 유리하다.
그러나, Al/SiC MMC의 열전도율은 기대치를 만족하지 못하는 것이 일반적이다. 순수 알루미늄의 열전도율은 200W/m-k이고, 순수 SiC 입자의 열전도율은 320W/m-k이다. Al/SiC MMC의 열전도율은 일반적으로 200W/m-k 이하이고, 보통은 180W/m-k 이하이다(문헌 1-5 참조). 이런 Al/SiC MMC는 교반단조, 분말야금 또는 저압이나 무압의 용융침투법으로 응고되었다. 이들 방법은 비교적 느리고, 알루미늄이 용융상태일 때 잔류시간이 길어, SiC가 용융 Al과 반응하면서 알루미늄 카바이드를 형성한다. 그 반응식의 예가 아래와 같다:
Al + 3SiC = Al4C3 + 3Si (1)
이런 이유로, 이들 과정에서는 Al-Si 합금을 사용해 용융알루미늄과의 장기간의 접촉시간 동안 Si의 활성을 낮추고 카바이드 반응의 활동을 줄여야만 했다. 이런 Al-Si 합금은 열전도율이 일반적으로 순수 알루미늄보다 낮아서, SiC/Al MMC의 열전도율을 낮춘다. 한편, 급속고압 금속침투법(이하, 용탕단조라 함)을 이용해 입자보강 알루미늄 복합체를 응고시키면 그 속도가 훨씬 빠르다. 용융알루미늄에 대한 입자의 노출시간은 전술한 무압과정에서의 수시간에 비해 훨씬 짧아 겨우 수초이다. 용탕단조에서의 이런 급속 응고의 결과, 순수알루미늄을 사용할 수 있고, 이에 따라 복합체내의 SiC의 체적을 최대 55%로 할 경우 열전도율을 225W/m-k까지 높일 수 있었다.
다이아몬드의 어떤 성질은 열전도율이 높은 MMC의 충전제로서 아주 매력적이다. 다이아몬드의 열전도율은 결정에 따라 700-2000W/m-k이면서 CTE는 1 ppm/℃ 정도로 낮다. 그러나, 용융 알루미늄과 다이아몬드 접촉시간을 길게 한 경우 다이아몬드/알루미늄 MMC의 응고과정을 이용한 연구에서는 열전도율을 높일 수 없었다. 산업용 다이아몬드 입자 50vol%가 알루미늄 기질내에 들어있는 복합체의 열전도율은 200W/m-k 미만임이 보고되었다(문헌 3 참조). 복합체내의 다이아몬드의 마세구조를 조사했더니 다이아몬드 입자에 알루미늄 카바이드(Al4C3)가 두꺼운 표면층으로 존재하였다. 이런 표면층은 아래 방정식 (2)와 같은 반응에 의해 형성된다.
3C + 4Al = Al4C3 (2)
알루미늄 카바이드는 열전도율이 낮고 흡습성을 갖는다. 표면에 알루미늄 카바이드층이 두껍게 형성된 다이아몬드 입자는 다이아몬드입자라기 보다는 알루미늄 카바이드 입자처럼 기능하므로, 복합체의 열전도율이 낮다.
다이아몬드 입자를 용융알루미늄과 접촉시켜 알루미늄 복합체를 형성하기 전에 다이아몬드 입자에 보호층을 코팅하면 Al4C3를 형성하는 반응을 방지할 수 있다. 다이아몬드 입자에 뚜렷한 SiC 코팅을 한 다음 Al로 복합체를 형성하는 것에 대해 문헌 6에 소개되었다. 입자사이즈 40-50㎛의 성긴 다이아몬드 분말층(베타 다이아몬드 프러덕츠)을 다이아몬드 입자 어레이의 CVD 과정을 이용해 SiC로 덮었는데, 이런 과정을 CVI(chemical vapor infiltration)라 한다. CVI 과정에서, 다이아몬드 입자 표면에 SiC 코팅을 붙이거나 증착한다. (CVI 과정에 의한 SiC 증착은 대략 1000℃에서 일어난다고 알려졌다.) Johnson과 Sonuparlac는 SiC 코팅의 두께가 공정조건에 따라 0.41~1.6㎛ 사이에서 변한다고 추정했다. 또, 코팅된 다이아몬드 입자중의 전체 SiC 함량이 체적기준으로 3% 내지 11%라고 추정했다. 프리폼 입자 어레이는 CVI SiC 코팅에 의해 강성을 가짐이 관찰되었다. SiC로 코팅된 다이아몬드 프리폼은 압력이 없는 금속침투과정에 의해 Al-15Si-5Mg wt% 합금을 이용해 침투되었다. 프리폼의 완전힌 침투가 보장되도록 공정조건을 최적화하였다. 관련 MMC의 성질은 표 I과 같다.
참고문헌 6에 소개된 50vol% 다이아몬드/Al MMC 복합체의 물성
코팅두께 (㎛) Al4C3 (wt%) 밀도 (gm/cc) 열전도율 (W/m-K) CTE (ppm/K) 영율 (MPa)
0.41 0.078 3.168 239 6.8 368
0.53 0.071 3.161 242 6.5 385
0.97 0.053 3.13 259 5.2 407
1.21 0.047 3.125 131 5.9 408
1.23 0.073 3.22 240 4.6 398
1.42 0.12 3.213 225 5.0 413
1.6 0.093 3.16 234 4.5 427
모든 레벨의 SiC 코팅 두께에서, 다이아몬드 입자에 Al4C3이 아주 낮은 레벨이되 0 이상으로 형성되었다. 보고된 밀도는 알루미늄 합금 기질내의 SiC로 코팅된 다이아몬드 프리폼이 완전히 침투되기까지 내내 일정했다. 복합체의 열전도율은 131-259 W/m-k로서 복합체내의 다이아몬드의 비교적 높은 함량(40-50 vol%)과 다이아몬드의 열전도율을 고려할 때 아주 낮은 값이다. 다이아몬드 입자의 SiC 코팅두께와 복합체의 열전도율 사이에는 아무 관계가 없는 것 같다. 다이아몬드 입자의 SiC 코팅두께가 증가할수록 강성(영율)이 커지는 것은 다이아몬드 입자들 사이에 SiC 브리지가 형성되기 때문이라고 본다. 이로부터 알 수 있는 것은, SiC 코팅두께가 지나치면 다이아몬드 입자들 사이에 가교결합이 일어난다는 것이다. 그러나, CVI 과정에서는, 다이아몬드 입자의 SiC 코팅을 얇고 일정하게 하기가, 즉 다이아몬드 표면 전체를 100% 덮는 것이 어렵다.
이상 소개한 종래의 기술과는 달리, 본 발명자들은 급속고압 용융침투법(용탕단조법)을 이용해 다이아몬드를 코팅하지 않은 복합체를 준비했다. 전술한 바와 같이, 이 과정은 용융알루미늄에 대한 다이아몬드의 노출시간을 아주 단기간(2초 미만)으로 줄였다. 복합체의 열전도율은 여전히 200W/m-k보다 작았으며, 심지어는 다이아몬드 입자 표면에 알루미늄 카바이드가 최소로 형성된다고 예상되었다.
발명의 요약, 발명의 목적
요컨대, 본 발명은 다이아몬드 입자들이 금속기질내에 분산되어 있는 복합체를 제공하되, 이들 다이아몬드 입자 표면에는 베타-SiC가 화학적으로 결합되어 있으며, SiC의 카본은 이것이 결합된 다이아몬드 입자내의 다이아몬드에서 생긴다.
복합체의 기질은 기본적으로 알루미늄, 구리, 마그네슘 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것이 좋다.
본 발명에서, 금속기질은 알루미늄이거나 구리이다.
본 발명은 또한 새로운 금속기질 복합체의 기본성분인 SiC가 화학적으로 결합되어 있는 다이아몬드 입자들의 제조에 관한 것이기도 하다.
본 발명은 또한 SiC로 코팅된 다이아몬드 입자들을 함유한 금속기질 복합체를 성형하되 그 열전도율을 아주 높이는 과정에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 주목적은 열전도율이 상당히 향상된 금속기질 복합체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전도율이 높은 MMC의 성형에 사용할 수 있는 필요한 성질을 갖는 SiC 코팅 다이아몬드 입자들을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 이상 설명한 SiC 코팅 다이아몬드 입자를 생산하는 새로운 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이상 설명한 SiC 코팅 다이아몬드 입자를 금속기질내에 섞어서 열전도율이 아주 높은 금속기질 복합체를 얻는 방법을 제공하는데 있다.
열전도율이 높은 금속기질 복합체의 생산방법에 있어서, 화학적으로 결합된 SiC층은 다이아몬드 입자상에 현장에서 형성되고, 이어서 다이아몬드 입자는 용탕단조법으로 알려진 급속고압 금속침투법에 의해 금속기질내에 담궈진다.
화학적으로 결합된 SiC층은 SiO 기체와 다이아몬드 입자를 접촉시켜 CVR 과정에 의해 각각의 다이아몬드 입자 표면에 형성되는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따라 다이아몬드 입자를 SiC로 코팅하는 CVR 과정을 실행하기에 적합한 장치의 개략도;
도 2는 본 발명에 따라 용탕단조법으로 다이아몬드 금속기질 복합체를 형성하기에 적합한 장치의 개략도.
도 1은 본 발명에 따라 다이아몬드 입자들이 분산되어 있는 금속재료를 포함한 복합구조의 성분으로 사용할 다이아몬드 입자를 제조하기에 적합한 장치의 개략도로서, 여기서 다이아몬드 입자들 위에 β-SiC의 변환표면층이 형성되어 있다.
도 1은 SiC로 이루어진 도가니(101)의 단면도서, 도가니는 Si로 된 하부링(104)과 SiC로 된 상부링(105)에 의해 하부챔부(102)와 상부챔버(103)로 나누어지며, 2개의 링 사이에 100% SiC로 된 직포(106)가 배치된다. 100% SiC 직포는 흑연직물을 기체 SiO와 반응시켜 형성되어, 기본적으로 흑연을 100% SiC로 변환시켜 형성된 것이다.
하부챔버(102)에는 SiO 발생기가 들어간다.
SiO 발생기는 실리콘(Si)과 실리카(SiO2)를 1:1로 혼합해 준비했다. 도가니(101)를 1200℃ 이상으로 가열하면, 아래 방정식과 같은 발생기내의 반응으로 SiO 기체가 생긴다:
Si + SiO2 = 2SiO(g) (3)
하부챔버(102)에 생긴 SiO 기체는 SiC 직포(106)를 통해 상부챔버(103)로 들어가 SiC 직포(106) 윗면에 분포된 다이아몬드 입자(107)와 반응하므로, 다이아몬드 입자표면을 입자 전체 표면에 걸쳐 SiC로 변환하기에 충분한 양의 SiO가 발생해야 한다.
도 2는 본 발명에 따라 형성된 금속 복합체의 고압 용탕단조(squeeze casting)에 적당한 다이조립체를 보여준다. 이 장치는 공구강으로 제작되엇고 다 이(110), 다이플러그(111) 및 게이트 역할을 하는 짧은 튜브(112)로 구성된다. 용탕단조부(113a)에 필요한 형상에 일치하는 공동(113)을 다이내에 가공한다. 다이플러그(111)와 다이공동(113) 사이에는 용융 알루미늄으로 충전될 때 단조물로부터 공기가 새어나올 수 있도록 0.005"의 틈새가 있다. 튜브(112)의 내경(ID)은 다이공동(113)을 완전히 커버할 정도로 크다. 알루미늄 및 입자분말과의 복합단조물을 만들기 위해, 분말을 다이공동(113)에 넣고 흔들어 균일하게 분포시킨다. 다이(110)에 채워진 분말을 덮는 세라믹종이(114)를 튜브(112) 안에 배치한다. 다이공동(113)을 넘어 튜브(112) 일부분도 채우기에 충분한 양의 용융 알루미늄을 튜브(112)에 붓는다. 플런저(115)를 통해 최대 15,000psi의 압력을 가하여 공동(113)내의 급속충전을 촉진하고 금속복합체의 밀도를 100%로 한다. 냉각을 한 뒤, 비스킷(116)이 들어있는 튜브(112)와 응고부(113a)를 다이조립체에서 떼어낸다. 밀링이나 톱질과 같은 금속제거기술로 비스킷(116)를 제거하여 원하는 복합체인 단조부(113a)를 생산한다.
고체상태 소자의 종류에 따라서는, 좀더 소형의 소자들을 좀더 고밀도로 취급하는 방향으로 전자패키징 트렌드가 진행된다. 많은 전자칩을 아주 고밀도로 관리하는 것은 쉽지 않은 문제이다. 열관리가 적절치 못하면 전자칩 작동중에 과열 온도까지 전자칩 온도가 상승하여 성능과 신뢰성 모두 떨어진다. 이런 열축적을 방지하는 바람직한 방법은 칩의 열을 대형 히트싱크로 전도함으로써 작동중에 칩의 온도를 제한할 수 있도록 열전도가 아주 높은 기판에 칩을 실장하는 것이다. 칩은 일반적으로 열전도가 높은 땜납이나 폴리머 접착제에 의해 기판에 부착된다. 땜납 의 열전도가 유기접착제보다 높으므로 땜납이 접착제를 덮는 것이 좋다.
칩을 파손시키면서 칩과 기판의 상대적 열팽창계수에 관련되는 추가적인 메커니즘이 있다. 땜납으로 칩을 기판에 부착할 때, 주변 소자들은 땜납 용융온도(180℃~425℃)까지 가열된다. 패키지를 뒤에 냉각할 때, 땜납이 응고하면서 칩과 기판 사이의 결합력을 부여한다. 패키지가 실온까지 더 냉각되면, 칩과 기판의 열팽창 차이로 인해 칩에 기계적 응력이 축적된다. 이와 같은 냉각과 더불어 계속되는 패키지의 열 사이클 때문에 기판이나 칩이나 그 경계면에 피로가 생겨, 칩의 수명과 성능에 영향을 준다. 이런 응력이 칩의 인장강도 한계를 넘으면, 균열(층간분열)이 생길 수 있다. 전자칩에 일반적으로 사용되는 재료로는 CTE ~3 ppm/℃의 Si나 CTE ~6 ppm/℃의 GaAs가 있다. 기판의 CTE도 칩에 아주 일치하도록 하는 것이 바람직하다. 또, 열전도율이 높은 열팽창 특성을 갖는 기판이 더 바람직하다.
이상 설명한 전자패키지에 사용되는 기판의 종류로 세라믹 기판이 있다. 비교적 낮은 칩 밀도에는 알루미늄 산화물 기판이 사용되는데, 그 열전도율은 20~40 W/m-k이고 CTE는 7p.p.m/℃이다. 고밀도 칩의 경우, 열전도율 150~2100 W/m-k CTE 4p.p.m/℃의 알루미늄 질화물 기판이 바람직하다. 알류미늄 질화물 세라믹 기판은 독성 BeO 이외의 다른 세라믹 기판중에서 최고의 열전도율을 보인다. 알루미늄 산화물과 알루미늄 질화물 세라믹기판은 절연성이 우수하여, 바이폴라칩을 기반으로 한 것을 포함해 많은 전자패키지에 바람직하다. 그러나, 바닥면이 소스접점인 LDMOS 칩에 대한 전자패키지에 대해서는, 정면과 배면 사이의 전기전도도가 우수한 기판이 필요하다. 이것은 세라믹 기판 안에 전기도전 비아를 형성하면 가능한데, 이들 비아를 통해 2개의 기판이 전기적으로 연결되므로, 기판 몸체 자체를 전기도전으로 하는 것이 더 간단하며, 그 외에도 높은 열전도율과 우수한 CTE를 가져 칩에 잘 어울린다. 이들 LDMOS 소자의 경우, MMC 기판이라면 CTE와 전기전도도는 만족할 수 있지만, 열전도율에는 제한이 있다. 앞에서 설명한 Al/SiC 입자강화 MMC는 열전도율 180~225 W/m-k, CTE 7 ppm/℃이고 전기전도도도 우수하다. LDMOS 칩을 아주 고밀도로 작동시키려면 열전도율을 훨씬 더 높이는 것이 좋다.
본 발명에 따라 준비된 입자 다이아몬드를 함유하고 알루미늄으로 제조된 금속복합체라면 이런 LDMOS 전자패키지의 필요조건을 충족할 수 있다. Al의 열전도율은 최대 200 W/m-k이다. 다이아몬드의 열전도율은 700~2000 W/m-k이다. 또, 다이아몬드의 CTE가 1 ppm/℃ 정도로 비교적 낮아 복합체의 CTE도 빈 금속보다 Si나 GaAs에 더 잘 어울린다. 그러나, 본 발명 이외에는, 논문에서 설명된 입자다이아몬드 보강 MMC가 시중에서 쉽게 구할 수 있는 Al/SiC MMC에 비해 열전도율이 약간만 증가됨을 보인다. 본 발명에서 소개한 MMC는 예외적으로 높은 열전도율을 가져 그 값이 최대 650 W/m-k로 나타났지만, 800 W/m-k 심지어는 그 이상의 높은 열전도율을 보일 가능성도 있다.
도 1의 설명
MMC의 열전도율을 높이기 위해 다이아몬드 입자로 충전한 Al 금속복합체를 만들기 위해, 얇고 균일한 표면변환 SiC 접착코팅을 복합체 형성 전에 다이아몬드에 해야만 한다. 코팅의 목적은 다이아몬드와 알루미늄 사이에 계면결합층을 만드는데, 이렇게 되면 알루미늄으로 쉽게 적셔지는 외에도 경계면의 음향 임피던 스(acoustic impedance)를 개선하여 양자전달을 쉽게 한다. 또, 본 발명에 의하면, SiC 코팅을 다이아몬드에 밀착해야만 다이아몬드와 코팅 사이에 분명한 계면변환층이 생겨 열전도를 방해할 수 있다. 이런 코팅과 그 과정에 대해 설명한다. 본 발명에서는, SiO와 같은 기체상태 실리콘종과 다이아몬드 입자 사이의 반응으로 얇은 SiC 변환코팅을 형성한다(아래 방정식 참조):
2C(다이아몬드-s) + 2SiO(g) = SiC(s) + CO(g) (4)
다이아몬드 표면의 CVR 변환으로 얇은 SiC 계면이 생긴다고 본다. (본 발명자들은 SiO와 흑연조각의 반응으로 얇은 SiC 계면이 형성됨을 관찰했다. 반응시간이나 온도가 증가하면서, 다이아몬드 입자의 외면에서부터 중심을 향해 코팅이 전개되어, 반응구역인 등급층이 생긴다. 한편, CVI나 CVD 과정으로 생긴 코팅의 경우 SiC 코팅과 기판 사이에 가파른 경계면이 생긴다고 예상된다. SiC의 CVI/CVD 증착온도는 다이아몬드 표면을 SiC로 바꾸는데 필요한 온도보다 낮고, 그 결과 다이아몬드와 CVI/CVD SiC 코팅 사이의 가파른 경계면과 어떠한 계면반응도 없는 코팅만 생긴다. 이런 CVI 경계면으로 인해 참조문헌 6에서 Johnson과 Sonuparlac이 소개한 종래의 다이아몬드/알루미늄 복합체와 같은 낮은 열전도율이 생긴다고 본다.
또, CVR(Chemical Vapor Reaction) 과정에 의해 변환코팅 두께가 아주 얇은 균일한 SiC 표면층을 얻을 수 있다. 전술한 것과 마찬가지로, SiC 코팅두께가 증가할수록, SiC의 열전도율(최대 320 W/m-k)은 높은 열전도율의 다이아몬드 입자와 금속재료 사이에 열 장벽 역할을 하여, MMC에서 얻을 수 있는 최대 열전도율을 제한한다.
본 발명의 얇은 SiC CVR 변환코팅의 유효성을 이해하기 위해, 혼합 계산법으로 복합체의 열전도율을 예측할 수 있다. 열전도율이 수송특성(transport property)을 갖고 혼합 계산법이 정확하지는 않다해도, Johnson과 Sonuparlac가 소개한 다이아몬드에 대한 CVI 코팅법을 본 발명의 CVR 변환코팅법을 비교하면 열전도율을 고려하는 것이 좋다. 간한한 혼합물에 대한 종래의 관계는 다음과 같다:
Figure 112006023158403-PCT00001
(5)
여기서 f는 입자의 체적 분율이고, Km, Kp, Kc는 각각 기본재료, 입자 및 복합체의 열전도율이다(참고문헌 7 참조). 위의 방정식은 입자와 기본재료 사이의 열전도가 완벽할 것을 요한다. 그러나, 서로 다른 성분들 사이의 계면에서의 양자의 분산에 의해 완벽한 열전도가 제한된다. 경계면의 열효과를 판단하기 위해 Kp를 대략 계산했다. CVR 과정으로 코팅된 다이아몬드 입자가 50%인 알루미늄 복합체의 경우, Km은 200 W/m-k이고 (본 발명의 CVR 코팅법을 이용해 생산된 복합체에 대해 얻은) Kc는 650 W/m-k였다. 이렇게 계산된 Kp 값은 최대 1938 W/m-k로서 다이아몬드의 열전도율로 보고된 최대값에 근사하다. 결과적으로 본 발명에 의한 CVR 코팅에서는 열경계효과가 거의 완벽하다고 본다. 다음에 참고문헌 6의 Johnson과 Sonuparlac가 소개한 복합체에 대해 계산을 하였는데, 이 복합체의 경우 다이아몬드 입자들에 대해 본 발명의 두툼한 CVI 코팅을 했다. 체적량이 45%인 다이아몬드, Km=200W/m-k 및 Kc=250을 이용해, Kp의 값을 최대 322 W/m-k로 계산했다. 따라서, 얇은 CVR 코팅은 CVI 코팅에 비해 훨씬 좋은 열경계면을 제공한다.
초음파결합에서의 SiC의 역할은 아래 설명을 보면 이해하기 쉬울 것이다. 파동이론에 맞게 양자를 처리하고 초음파가 수직으로 입사한다고 가정하면, 2가지 재료 사이의 경계면에서의 반사율은 아래와 같다:
Figure 112006023158403-PCT00002
(6)
여기서 Z는 밀도와 탄성율의 곱의 루트값으로서 음향임피던스이다 Z1=Z2일 때 반사율이 최소이고, 따라서 전도율은 최대이다. 반사율과 이로인한 양자분산율은 Z가 커질수록 증가한다. 열전도율의 경우, 코팅재료의 최적 음향임피던스는 아래와 같다:
Figure 112006023158403-PCT00003
(7)
표 II는 관련 재료의 음향임피던스값을 제시한다. SiC의 음향임피던스는 Al-다이아몬드 경계면에 대해 방정식 7에서 계산한 최적의 임피던스에 가깝다(SiC의 계산값 276x105 kg/m.s 대 310x105 kg/m.s). 이것으로부터, 알루미늄 재료내의 SiC 변환코팅 다이아몬드의 성능이 우수함을 예측할 수 있다.
여러 재료의 음향임피던스
Al 다이아몬드 SiC
Z(10v5 kg/m.s) 136 561 310
다이아몬드 분말을 코팅하는 과정이 도 1에 도시되었다. 다이아몬드 입자들을 그 밑의 SiC 직포에 뿌리고, 직포를 도가니에 넣은 다음 반응온도까지 가열한다. 도가니를 노에 넣으면, Si나 C와 같은 환원제와 SiO2 사이의 반응에 의해 노 안에 SiO 부분압이 생긴다. SiO-다이아몬드 변환반응이 일정 온도에서 일정 시간동안 진행된 뒤, 노를 냉각하고, 다이아몬드 코팅된 직포를 노에서 꺼낸다. SiC 변환코팅 다이아몬드 입자들을 직포에서 벗겨낸 다음, 기계적인 교반운동으로 모든 응집물을 분산시킨다.
SiC 코팅 다이아몬드를 형성하기 위한 다이아몬드와 SiO 사이의 반응은 온도가 상승할수록 빨라진다. 그러나, 어떤 임계온도에서는 다이아몬드가 흑연으로 바뀔 수 있다. 도 1의 장치의 제한조건을 설정하기 위해 다음과 같은 실험을 하였다. (Oshmens사의 인조다이아몬드인) 다이아몬드 입자들을 도가니 안에 넣고 4시간 동안 1550℃와 1600℃까지 가열했다. 열처리한 분말의 X선 회절(XRD)은 다이아몬드 패턴을 보였고 흑연을 보이는 증거는 없었다. 다른 실험에서, SiO와 반응한 다이아몬드 분말으 3시간 동안 1660℃까지 가열했다(표 III, 실험 4 참조). XRD 패턴을 보면 다이아몬드가 흑연으로 변환된 흔적은 전혀 없었다. 그러나, 같은 분말을 8시간 동안 1800℃까지 가열한 다음, 이 샘플의 XRD 패턴을 검사했더니 SiC 변환반응으로부터 흑연 피크, 다이아몬드 피크 및 SiC 피크를 볼 수 있었다. 1800℃에서 8시간 가열한 뒤에는 상당량의 다이아몬드가 흑연으로 변환했으므로, 다이아몬드-SiO 반응 시간과 온도를 제한해야 함을 알 수 있다.
다음, 다이아몬드 입자와 SiO를 반응시켰다. 실리콘(Si)과 실리카(SiO2)를 1:1로 첨가하여 다이아몬드 입자 변환을 위한 SiO(g) 발생기를 만들었다. 사용된 실리카의 입자사이즈는 150~300㎛이다. 알루미나 밀링재료를 이용해 혼합물을 한시간 동안 밀링가공했다. 실리콘(Si)과 실리카(SiO2)의 반응은 SiO2의 입자크기가 작을수록 빨리 진행된다. 이런 영향을 최소화하기 위해, 입자사이즈가 150~300㎛로 균일한 실리카를 사용했고 밀링시간을 1시간으로 고정했다.
입자사이즈가 최소 0.5㎛에서 최대 120㎛인 다이아몬드 분말을 1-8시간동안 1450℃~1600℃의 온도에서 반응시켰다. 다음, 코팅된 다이아몬드 입자를 XRD로 검사했다. 이 실험을 표 III에 요약한다. 다이아몬드의 XRD 스펙트럼에 의하면 작은 농도의 SiC에 관여하는 변화를 볼 수 있었다.
SiO와의 반응으로 SiC 코팅 다이아몬드를 준비하는 실험
실험 # 다이아몬드 입자 사이즈(㎛) 최대온도 ℃ 최대온도의 시간(hr) XRD 피크높이 비(SiC/다이아몬드)
1 15-30 1450 1 0.026
2 15-30 1550 3 0.073
3 120-150 1550 3 0.017
4 100-120 1550 3 0.014
5 30-40 1550 3 0.064
6 40-50 1550 3 0.014
7 100-120 1550 3 0.023
8 100-120 1550 3 0.015
9 100-120 1600 4 0.035
10 100-120 1600 4 0.034
11 100-120 1450 8 0.032
12 100-120 1550 3 0.041
13 100-120 1550 3 0.033
14 0.5-2.0 1550 3 0.595
15 0.5-2.0 1450 3 0.138
16 0.5-2.0 1450 1 0.111
17 0.5-2.0 1420 3 0.103
표 III의 마지막 열은 2θ=44.0에서의 다이아몬드의 최대(피크) 높이에 대한 2θ=35.7에서 β-SiC의 최대높이의 비를 보여준다. XRD로 최대높이의 비를 검사하는 과정이 정량분석은 아니지만, 반응된 분말에서 다이아몬드에 대한 SiC의 개략적인 (절대값이 아닌) 상대값을 구할 수 있다. 표 III의 데이터는 SiC 형성에 최대의 영향을 주는 변수가 다이아몬드의 입자사이즈임을 보여준다. SiC와 다이아몬드의 최대높이 비는 대략 다이아몬드 입자사이즈가 100-120㎛일 경우 0.01-0.04, 15-30㎛이면 0.03-0.07, 0.5-2㎛이면 0.1-0.6이다. 따라서, 다이아몬드 입자가 최대일 경우 SiC 함량이 최소로 나타난다. 주어진 입자사이즈의 다이아몬드에 대해, 반응 온도와 시간을 높일 수록 SiC 최대높이와 다이아몬드 최대높이의 비도 커진다. 이런 정보로부터, SiC XRD 최대높이와 다이아몬드 XRD 최대높이의 비를 가장 적게 하는 다이아몬드를 사용하면 복합체의 열전도율을 최대로 얻을 수 있음을 예상할 수 있다. 이런 다이아몬드 분말을 실험 4로부터 입자사이즈 100-120㎛의 다이아몬드를 SiO와 1550℃에서 3시간 반응시킨 실험 4로부터 표 III과 같은 다이아몬드 분말을 구한다. 반대로, 입자사이즈 0.5-2.0㎛의 다이아몬드 분말로는 열전도율이 최저인 복합체를 만들 수 있다고 본다.
도 2의 설명
도 2는 다이아몬드-금속 복합체를 성형하는 용탕단조기의 개략도이다. 공구강 다이의 공동에 직접 다이아몬드 분말을 넣고 흔들어 충분히 다져진밀도(tap density)를 구한다. 이런 다이아몬드 분말층을 1/32" 두께의 알루미나 세라믹 종이로 덮고, 이 종이는 용융침투 과정중에 용융물에서 산화물 입자를 걸러내는 필터 기능을 한다. 다이 단조물 안에 기체가 갇히는 것을 피하기 위해, 다이내 하부 플러그 둘레에 0.005"의 간극을 두어 용융침투 과정중에 갇힌 공기가 빠져나갈 수 있도록 한다. 아르곤 분위기에서 알루미늄을 용융점(660℃) 이상으로 가열하여 산화를 방지한다. 그와 별도로 다이를 Al의 용융점보다 약간 낮은 온도까지 가열한다. 가열된 다이를 가열노에서 꺼내 단조기에 넣고 다이의 튜브를 통해 Al 용융물을 붓는다. 단조물을 단조기에서 빼내기 전에 다이를 자연냉각하는데, 이때 단조물은 단조부와 비스킷으로 구성된다.
기타 실시예
이상 본 발명에 대해 자세히 설명하였지만, 지금까지의 설명은 어디까지나 예를 든 것일 뿐이고 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 어디까지나 특허청구범위에 의해 한정되어야 한다.
실시예
실시예 1
다이아몬드 입자가 분산되어 있는 알루미늄 복합체를 다음과 같이 형성한다. 사이즈가 15-30㎛인 (Oshmens사의 인조다이아몬드인) 다이아몬드 분말을 (도 2에 도시한) 공구강 다이의 공동 안에 넣고 흔들어 50-55%의 충분히 다져진 밀도를 얻었다. 다이공동의 크기는 2"x"x0.25"였다. 용융침투 과정중에 용융물로부터 산화물 입자를 걸러내는 필터 역할을 하는 두께 1/32"의 알루미나 세라믹 종이로 다이아몬드 분말층을 덮었다. 단조물 안에 기체가 갇히지 않도록, 하부 플러그 둘레에 0.005"의 간극을 두어 공기가 빠져나갈 수 있도록 한다. 순도 99.8%의 알루미늄을 Ar 분위기에서 850℃까지 가열하여 산화를 방지했다. 그와 별도로 다이를 Al의 용융점(660℃)보다 약간 낮은 온도인 650℃까지 가열했다. 가열된 다이를 가열노에서 꺼내 2초내에 단조기에 넣고, 200℃로 유지된 튜브를 통해 Al 용융물을 부었다. 최대압력 15ksi의 가압상태에서 램속도 0.1 인치/초를 이용해 2초 안에 용융침투 과정을 끝냈다. 단조기에서 단조물을 제거하기 전에 다이를 단조기 안에서 300℃까지 자연냉각했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 여러개의 샘플들의 열전도율을 측정했더니 55-60 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 22ksi였다(평균 6회 측정).
실시예 2
실시예 1에서 설명한 다이아몬드 분말과 알루미늄 복합체의 성형과정을 100-120㎛의 다이아몬드 분말을 이용해 반복했다.
여러번의 단조과정에서 생산된 여러개의 샘플들의 열전도율을 측정했더니 150-200 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 17ksi였다(평균 6회 측정).
실시예 3
실시예 1에서 설명한 다이아몬드 분말과 알루미늄 복합체의 성형과정을 0.5-2㎛의 다이아몬드 분말을 이용해 반복했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 여러개의 샘플들의 열전도율을 측정했더니 105 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 22ksi였다.
실시예 4
각각의 다이아몬드 입자에 SiC 변환코팅이 되어있는 다이아몬드 입자 어레이를 만드는 과정은 다음과 같다. 입자사이즈가 15-30㎛인 (Oshmens사의 인조다이아몬드인) 다이아몬드 입자를 다음과 같은 CVR 과정으로 SiO와 반응시켰다. 이때 도 1에 도시된 도가니를 사용했다. 도가니에 30g의 다이아몬드 입자를 넣고, 고온 노안에 도가니를 넣었는데, 이곳에서 SiO는 다이아몬드 입자 어레이를 통과하면서 각각의 입자 표면과 접촉하고 이들 입자는 노 안에서 가열되었다. 노는 Ar 분위기를 이용한 비산화 분위기에서 1550℃까지 가열된 다음 이 온도를 3시간동안 유지하였다. 노를 실온까지 냉각한 뒤, SiC 변환코팅이 된 다이아몬드 입자들을 SiC 직포에서 벗겨냈다.
실시예 5
실시예 4의 변환코팅 다이아몬드 입자 어레이를 포함한 코팅된 다이아몬드 분말(입자사이즈 15-30㎛)을 (도 2에서 설명한) 공구강 다이의 공동 안에 바로 넣고 흔들어 다지기 밀도 50-55%를 얻었다. 다이공동의 크기는 2"x2"x0.25"이다. SiC 변환코팅 입자로 된 다이아몬드 분말층을 두께 1/32"의 알루미나 세라믹 종이로 덮었는데, 이 종이는 용융침투 과정중에 용융물에서 산화물입자를 걸러내는 필터 역할을 한다. 단조물 안에 기체가 갇히지 않도록, 하부 플러그 둘레에 0.005"의 간극을 두어 공기가 빠져나갈 수 있도록 한다. 순도 99.8%의 알루미늄을 비산화 Ar 분위기에서 850℃까지 가열하여 산화를 방지했다. 그와 별도로 다이를 Al의 용융점(660℃)보다 약간 낮은 온도인 650℃까지 가열했다. 가열된 다이를 가열노에서 꺼내 2초 안에 단조기에 넣고, 200℃로 유지된 튜브를 통해 Al 용융물을 부었다. 최대압력 15ksi의 가압상태에서 램속도 0.1 인치/초를 이용해 2초 안에 용융침투 과정을 끝냈다. 단조기에서 단조물을 제거하기 전에 다이를 단조기 안에서 300℃까지 자연냉각했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 여러개의 샘플들의 열전도율을 측정했더니 234-250 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 54ksi였다(평균 6회 측정).
실시예 6
실시예 4에서 설명한 CVR 과정을 반복하여 사이즈 100-120㎛의 다이아몬드 입자들을 SiO와 반응시켜, 실시예 4의 사이즈보다 큰 입자사이즈의 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자 어레이를 만들었다.
실시예 7
실시예 1에서 설명한 알루미늄 복합체를 성형하는 단조과정을 실시예 6에서 설명한 100-120㎛ CVR 처리된 다이아몬드 분말 어레이를 이용해 반복했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 알루미늄 기질내의 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자 복합체의 여러 샘플들의 열전도율을 측정했더니 575-620 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 51ksi였다(평균 6회 측정). 이 복합체의 열팽창계수는 7.1x10-6 in/in/℃였다.
실시예 8
실시예 4에서 설명한 CVR 과정을 이용해 사이즈 0.5-2㎛의 다이아몬드 입자들을 SiO와 반응시켜, 사이즈가 다른 변환코팅 다이아몬드 입자 어레이를 만들었다.
실시예 9
실시예 1에서 설명한 알루미늄 복합체를 성형하는 단조과정을 실시예 8에서 설명한 0.2-2㎛ CVR 처리된 다이아몬드 분말 어레이를 이용해 반복했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 알루미늄 기질내의 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자 복합체의 여러 샘플들의 열전도율을 측정했더니 평균 150 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 51ksi였다.
실시예 10
1g의 페놀수지를 1.2g의 Si 분말과 섞은 다음 밤새도록 볼로 밀링했다. 입자사이즈가 100-120㎛인 다이아몬드 분말 4g을 혼합물에 첨가한 다음 완전히 섞었다. 이 혼합물을 직경 0.5" 다이에서 5ksi로 가압한 다음 160℃로 가열하여 생강도(green strength)를 제공했다. 이렇게 생긴 소형 펠릿을 1시간 동안 1600℃에서 열분해하여 강도 15ksi 이상의 견고한 프리폼을 만들었다. 스틸다이 안에 펠릿을 넣고 실시예 1과 같은 조건을 이용해 Al에 침투시켰다. 여러번의 단조과정에서 생산된 알루미늄 기질내의 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자 복합체의 여러 샘플들의 열전도율을 측정했더니 300-320 W/m-k였다.
실시예 11
양이 줄은 페놀과 Si, 페놀수지 0.5g 및 Si 분말 0.6g을 이용해 실시예 10의 과정을 반복했다. 다이아몬드 분말의 중량은 실시예 10과 마찬가지로 4g이었다. 여러번의 단조과정에서 생산된 알루미늄 기질내의 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자 복합체의 여러 샘플들의 열전도율을 측정했더니 평균 475 W/m-k였다.
실시예 12
실시예 1에서 설명한 과정을 이용해 마그네슘 기질내에 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 복합체를 성형했다. 입자사이즈 100-120㎛의 다이아몬드 입자를 2"x2"x0.25" 크기의 공구강 다이의 공동 안에 직접 넣고 흔들어 다지기밀도 50-55%를 얻었다. 다이아몬드 분말층을 두께 1/32"의 알루미나 세라믹 종이로 덮었는데, 이 종이는 용융침투 과정중에 용융물에서 산화물입자를 걸러내는 필터 역할을 한다. 단조물 안에 기체가 갇히지 않도록, 하부 플러그 둘레에 0.005"의 간극을 두어 공기가 빠져나갈 수 있도록 한다. 순도 99.8%의 용융 Mg를 Ar-2.5% SF6 분위기에서 830℃까지 가열하여 산화를 방지했다. 그와 별도로 다이를 Mg의 용융점(647℃)보다 약간 낮은 온도인 620℃까지 가열했다. 다이아몬드 입자가 들어있는 가열된 다이를 가열노에서 꺼내 2초 안에 단조기에 넣고, 200℃로 유지된 튜브를 통해 순수한 Mg 용융물을 부었다. 최대압력 15ksi의 가압상태에서 램속도 0.1 인치/초를 이용해 2초 안에 용융침투 과정을 끝냈다. 단조기에서 단조물을 제거하기 전에 다이를 단조기 안에서 300℃까지 자연냉각했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 여러개의 샘플들의 열전도율을 측정했더니 120-250 W/m-k였다.
실시예 13
실시예 12에서 설명한 마그네슘 복합체를 성형하는 과정을 실시예 6에서 설명한 것처럼 SiC 변환코팅을 갖는 100-120㎛ CVR 처리된 다이아몬드 분말을 이용해 반복했다. 여러번의 단조과정에서 생산된 알루미늄 기질내의 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자 복합체의 여러 샘플들의 열전도율을 측정했더니 520-550 W/m-k였다. 이 복합체를 4점 굽힘파괴시험한 파괴강도의 평균값은 28ksi였다(평균 6회 측정).
실시예 14
사이즈 100-120㎛의 소정량의 다이아몬드 입자들을 아르곤 기체 안에 기둥 형태로 넣고 진동을 주어 다이아몬드 입자들을 흔들었다. 다이아몬드 입자 기둥을 1200℃로 가열하고 (메틸트리클로로 실란, 디메틸디클로로실란, 트리에틸실란 등의 SiC를 증착하기에 적당한) SiC 유기금속 기체를 다이아몬드 입자에 통과시켜, 다이아몬드 입자 표면에 SiC를 얇게 코팅했다. 코팅이 멈춘 뒤, SiC 코팅 다이아몬드 입자들을 1시간 동안 1600℃로 가열해 다이아몬드 표면에 SiC를 확산시키고 SiC 변환코팅을 입자에 입혔는데, 이런 다이아몬드 입자들은 실시예 13과 같이 마그네슘 금속기질에 분산되어 있기에 적합하다.
실시예 15
마그네슘 금속기질을 이용한 실시예 14와 비슷한 실험을 하되, 실리콘 테트라클로라이드와 하이드로젠을 이용해 1100℃에서 (사이즈 100-120㎛의)) 다이아몬드 입자 표면에 실리콘을 증착했다. 실리콘 박막을 코팅한 뒤, Si로 코팅된 다이아몬드를 1시간 동안 1600℃로 가열했는데, 여기서 Si는 다이아몬드 표면에 반응하여 다이아몬드 입자 표면에 SiC 변환층을 형성한다.
실시예 16
실시예 14, 15에서 설명한 SiC 변환코팅 다이아몬드 입자들을 실시예 1에서 설명한 대로 알루미늄과 함께 용탕단조하여 알루미늄 기질에 SiC로 코팅된 다이아몬드가 분산된 복합체를 만들었다. 열전도율은 550-620 W/m-k였다.
실시예 17
필요한 형상에 일치하는 형상과 두께를 갖고 흑연덮개가 달린 흑연괴를 이용해 단조다이용 흑연틀을 준비했다. 평면과 원형부에 대해 가공오차를 ±0.005"로 유지했다. 완성된 흑연틀과 덮개에 1/16"의 구멍을 뚫어, 단조도중에 다이아몬드 충전제로부터 공기가 빠져나가도록 하였다. 열분산 다이아몬드/Al 부품의 관통공과 일치하는 위치에 스터드가 달리거나 히트싱크의 깃과 일치하는 홈을 갖도록 흑연틀을 형성할 수도 있다. 다이에 다이아몬드 분말을 채우기 위해 흑연틀을 세라믹종이로 감았고, 세라믹종이를 흑연섬유로 감아서 고정하여 모든 관통공을 가리도록 하였다. 틀 안으로 다이아몬드 분말을 부은 다음 다져서 45-55%의 다지기밀도를 얻었다. 흑연틀을 단조다이 안에 넣고 3-10ksi의 압력에서 용융알루미늄에 침투시켰다. 단조가 끝난 뒤 흑연틀을 빼내기 위해, 상부의 Al 금속을 떼어내고, 완전히 침투된 복합체를 둘러싼 흑연틀을 325 메시의 유리알의 블라스트 가공으로 완전히 침투된 복합체를 제거했다. Al 유동을 촉진하기 위해 원래의 틀에 뚫린 구멍에 대응하는 나머지 1/16" 금속피더나 게이트를 수공구를 사용해 떼어내, 원하는 형상의 복합 다이아몬드-알루미늄 단조품만을 남긴다. 실시예 6에서 설명한 다이아몬드 분말을 이용해 흑연틀에서 단조된 원하는 형상의 복합 다이아몬드-알루미늄 구조체의 열전달율 측정값은 520-600 W/m-k였고, 이때 다이아몬드 입자사이즈는 100-120㎛이고 분말은 CVR SiC 변환코팅이 되어있었다. 4점 굽힘강도는 46-51 ksi였다. 히트 스프레더의 경우, 게이트 탭을 좌측에 붙이면, 탭 위로 공기가 지나가면서 열전달을 상당히 높이는 큰 표면적을 제공할 수 있다.
실시예 18
실시예 17에서 설명한 흑연틀을 이용해 크기 2"x2"x0.1"의 다이아몬드/Al 복합체판을 만들어 550℃ 온도에서 최종 두께 0.05"로 압연하였는데, 이때 압연롤 하나를 통과할 때마다 두께가 0.010"씩 줄어들도록 하여 평탄성을 유지하였다. 압연을 한 뒤에 약간의 사소한 모서리 균열이 보였다. 이런 모서리는 잘라내어 제거했다. 압연 전후의 열전도율은 그대로 520 W/m-k였다. 4점 굽힘강도로 측정한 강도는 51ksi였다.
실시예 19
실시예 18에서 설명한 압연법을 이용해 두께 0.05"의 다이아몬드/Al 복합체판을 만들었다. 이 판을 550℃ 온도에서 닫힌 다이에서 단조가공하여 테두리가 0.05" 돌출한 0.125"x0.25"x0.03"의 판을 만들었다. 단조가공 뒤의 열전도율은 그대로 520 W/m-k였다.
실시예 20
실시예 7에서 설명한 용탕단조법으로 이용해 크기 1"x1"x0.2"의 다이아몬드/Al 복합체판을 만들었다. 이 복합체판을 변형율 0.0001/sec에서 15ksi 압력을 가하면서 550℃ 온도에서 개방다이로 열간단조했다. 단조가 끝난 뒤 판의 두께는 0.25"에서 0.05"로 줄어들었는데, 이 두께는 150%의 변형율에 해당한다. 단조가공 후의 열전도율을 측정했더니 처음과 마찬가지로 단조가공 전의 585 W/m-k 값을 유지했다.
실시예 21
실시예 6에서 설명한 것처럼, 100-120 메시사이즈(100㎛)의 코팅된 다이아몬드 분말을 세라믹볼로 밀링하여 사이즈 45㎛ 순도 99.8%의 Al 분말과 완전히 혼합했다. 2가지 분말의 중량비가 다이아몬드/Al이 40% 되도록 선택했다. 이 혼합물을 직경 1"의 단조 흑연다이에 넣고 6ksi의 압력에서 640℃의 온도로 1시간 동안 Al 용융점에 가까운 온도로 열간압착했다. 이렇게 생긴 다이아몬드-알루미늄 샘플을 절당하여 강도와 열전도율을 측정했다. 열전도율은 400-430 W/m-k, 4점 강도는 46-52ksi였다.
실시예 22
SiC 변환코팅이 된 다이아몬드 입자들이 구리에 분산되어 있는 복합체를 다음과 같이 성형했다. 실시예 6에서 준비한 사이즈 100-120㎛의 SiC 변환코팅 다이아몬드 분말을 순도 99.9%의 Cu 분말과 혼합하여 Vf=35-40%의 다이아몬드 분말을 만들었다. 이 분말을 2시간 동안 흔들어 완전히 혼합한 다음, 1025℃ 온도에서 2시간 동안 15ksi의 압력으로 속이 빈 Mo 튜브에 눌러채웠다. 응고된 샘플을 꺼낸 다음 단조하여 두께를 75% 줄였다. 이 복합재료를 절단하여 열전도율을 측정했더니 그 값이 550 W/m-k였다.
실시예 23
실시예 22에서 설명한 것과 비슷하게 다이아몬드 입자들이 구리에 분산되어 있는 복합체를 다음과 같이 성형했다. 기존의 환원법과 전해질 방법을 이용해 사이즈 100-120㎛의 SiC 변환코팅 다이아몬드 분말을 Cu로 코팅했다. 코팅두께는 완전히 응고된 상태에서 Vf=35-40%의 다이아몬드 입자상태를 보이기에 충분했다. 코팅된 분말은 당업계에서 PAS(plasma activated sintering)로 알려진 FAST(field activated sintering techniques)를ld용해 응고되었는데, PAS는 에너지의 펄스방전중에 (SiC 표면변환을 갖는 구리코팅 다이아몬드) 분말에 압력을 가하는 단계이다. 열전도율은 566 W/m-k였다.
참고문헌
1) "Packaged for the Road" Mechanical Engineering, 2001.05
2) Lanxide Corporation published data sheets of composites fabricated by LANXIDE TM, PRIMEX TM and PRIMEX CAST TM, USA, 1997.
3) Duralcan Corp. published data sheets of composites fabricated by stir casting, USA
4) A.L. Geiger, D.P.H. Hasselman, and P.Welch, Acta Mater., Vol 45, No.9 pp3911-3914, (1997).
5) "A new substrate for Electronic packaging: AlSiC Composites", M. Occhinero, R. Adams, and K. Fennessey, Procedings fo the 4th Annual Portable by Design Conference, Electronics Design, March 24-27, pp 398-403.
6) "Diamond/Al metal matric composites formed by the pressureless metal infiltration process", W. Johnson and B Sonuparalak, J. Materials Research, V8, No.5, pp1169-1173, 1993.
7) "The effect of particle size on the thermal conductivity of ZnS/diamond composites" A. Every, Y. Tzou, D. Hasselman, R. Raj, Acta Mater., V40, No.1, pp.123-129, 1992.

Claims (139)

  1. 금속기질에 다이아몬드 입자들이 분산되어 있는 복합체에 있어서:
    상기 다이아몬드 입자의 표면에 β-SiC 층이 화학적으로 결합한 것을 특징으로 하는 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속기질이 알루미늄, 구리, 마그네슘 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속기질이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속기질이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  5. 표면에 β-SiC 층이 화학적으로 결합되어 있는 다이아몬드 입자들이 금속기질에 분산되어 있는 복합체를 형성하는 방법에 있어서:
    다이아몬드 입자 표면을 Si에 접촉시키되, 다이아몬드 입자 표면을 포함한 C와 Si를 화학적으로 반응시키는 조건하에 접촉시켜 다이아몬드 입자에 결합된 상기 β-SiC 표면층을 형성하고, 이때 다수의 다이아몬드 입자들을 어레이 형태로 결합하여 상기 복합체를 형성하는 단계;
    상기 어레이의 다이아몬드 입자들을 용융상태의 상기 금속으로 감싸서, 용융 금속이 냉각에 의해 고체상태로 응고될 때 상기 β-SiC 표면층을 띤 입자들을 금속 기질내에 분산시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들을 어레이 형태로 결합하기 전에 이들 입자를 Si와 접촉시켜 상기 β-SiC 표면층을 다이아몬드 입자에 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항에 이어서, 상기 다이아몬드 입자들을 어레이 형태로 결합 한 다음 이들 입자를 Si와 접촉시켜 상기 β-SiC 표면층을 다이아몬드 입자에 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자 어레이를 용탕단조 과정중에 용융금속에 담궈 상기 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자 어레이를 용탕단조 과정중에 용융금속에 담궈 상기 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자 어레이를 용탕단조 과정중에 용융금속에 담궈 상기 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제6항에 있어서, 다이아몬드 입자와 접촉하는 Si가 이들 입자와 접촉하는 SiO 기체에서 생기는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 다이아몬드 입자와 접촉하는 Si가 이들 입자와 접촉하는 SiO 기체에서 생기는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제6항에 있어서, 다이아몬드 입자와 접촉하는 Si가 Si 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제7항에 있어서, 다이아몬드 입자와 접촉하는 Si가 Si 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제6항에 있어서, Si 분말을 페놀수지와 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제7항에 있어서, Si 분말을 페놀수지와 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 SiC의 탄소를 이것이 결합된 다이아몬드 입자로부터 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자의 사이즈가 100-120㎛인 것을 특징으 로 하는 방법.
  19. β-SiC 층이 각각의 다이아몬드 입자 표면에 결합되어 있고, SiC가 결합된 다이아몬드 입자로부터 SiC의 탄소를 얻는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 입자 어레이.
  20. 다이아몬드 입자를 포함한 분말로 이루어지는 복합체에 있어서:
    각각의 입자 표면이 SiC 표면변환 코팅으로 변환되는데, 이 코팅은 기체 Si를 다이아몬드 입자와 반응시켜 형성되고, 상기 SiC로 코팅된 다이아몬드 분말이 금속기질에 적절히 결합되어 열전도율이 금속기질보다 높은 복합체를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  21. SiC로 다이아몬드 표면을 얇게 코팅하는 방법에 있어서:
    다이아몬드 분말을 포함한 다이아몬드 입자들을 Si 기체와 접촉시키되, Si 기체와 고체입자 사이에 CVR(chemical vapor reaction)을 일으키는 조건하에서 접촉시키고, 상기 SiC로 코팅된 다이아몬드 분말을 금속기질에 담궈 열전도율이 아주 높은 금속 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, SiO2를 환원시켜 SiO 기체를 생성했을 때 상기 Si 기체가 생기는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 다이아몬드 표면을 SiC로 변환시키기에는 적당히 높은 온도로 가열하되 다이아몬드 표면을 흑연으로 변환하기에는 불충분한 시간 동안 가열하여 SiC로 변환될 수 있는 다이아몬드 입자 표면에 Si를 함유한 프리세라믹 폴리머 층을 결합하여 얻어진 얇은 SiC로 다이아몬드 분말을 포함한 입자들을 코팅하고, 상기 SiC 코팅된 다이아몬드 분말은 열전도율이 아주 높은 금속 복합체를 형성하기에 적합한 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 변환이 1500℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 변환이 1600℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 변환이 1800℃ 정도의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제23항에 있어서, 최대온도에서의 반응시간이 약 1시간 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제23항에 있어서, 최대온도에서의 반응시간이 약 0.5시간 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제23항에 있어서, 최대온도에서의 반응시간이 약 1/8시간 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제23항에 있어서, 최대온도에서의 반응시간이 약 1/10시간 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 다이아몬드 분말을 포함한 입자 표면을 SiC로 얇게 코팅하는 방법에 있어서:
    실리콘과 다이아몬드 사이에서는 반응을 일으키는 온도이되 다이아몬드의 구조를 흑연 구조로 바꾸기에는 불충분한 시간과 온도에서 반응기체에서 실리콘을 생성하도록 다이아몬드 입자들 사이로 반응기체 혼합물을 통과시켜 코팅을 하는데, 이때 상기 SiC 분말은 열전도율이 아주 높은 복합체를 형성하기에 적합한 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 반응이 1100℃ 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제31항에 있어서, 상기 반응이 1500℃ 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제31항에 있어서, 상기 반응이 1800℃ 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제31항에 있어서, 최대온도에서의 상기 반응시간이 최대 1시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제31항에 있어서, 최대온도에서의 상기 반응시간이 최대 1/2시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제31항에 있어서, 최대온도에서의 상기 반응시간이 최대 1/8시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제31항에 있어서, 최대온도에서의 상기 반응시간이 최대 1/10시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 다이아몬드 입자를 포함한 복합체에 있어서:
    다이아몬드 입자 표면을 얇은 SiC 표면코팅으로 바꾸는데 있어서, 이런 코팅 을 페놀수지 등의 결합제와 함께 Si 분말과 다이아몬드 분말의 프리폼을 가열하여 형성되며, 상기 결합제의 목적은 Si를 다이아몬드 표면에 접촉시켜 두는 데 있고, 상기 프리폼은 표면변환반응을 일으키기에 충분한 온도로 가열되며, 상기 SiC로 코팅된 다이아몬드 분말은 금속기질과 적절히 결합하여 금속기질보다 높은 열전도율을 갖는 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  40. 다이아몬드 분말을 포함한 입자 표면을 얇은 SiC로 코팅하는 방법에 있어서:
    페놀수지, Si 분말 및 다이아몬드 분말로 된 프리폼을 표면변환반응을 일으키기에 충분한 온도로 가열하고, 상기 SiC로 코팅된 다이아몬드 분말은 열전도율이 아주 높은 금속기질 복합체를 형성하기에 적합한 것을 특징으로 하는 복합체.
  41. 제39항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1300℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제39항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1400℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제39항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1500℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제39항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1600℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제39항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1700℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제40항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1300℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제40항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1400℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제40항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1500℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제40항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1600℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제40항에 있어서, 상기 프리폼을 가열하는 온도가 1700℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 다이아몬드 분말을 함유한 기질을 포함하는 금속기질 복합체에 있어서:
    상기 분말을 포함한 다이아몬드 입자 각각에 얇은 SiC 표면층이 있고, 이런 SiC 표면층은 각각의 다이아몬드 입자와 SiO의 CVR에 의해 형성된 변환코팅이며, 열전도율이 300 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  52. 제51항에 있어서, 열전도율이 400 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  53. 제51항에 있어서, 열전도율이 500 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  54. 제51항에 있어서, 열전도율이 600 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  55. 제51항에 있어서, 사용된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  56. 제52항에 있어서, 사용된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  57. 제53항에 있어서, 사용된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  58. 제54항에 있어서, 사용된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  59. 제51항에 있어서, 사용된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  60. 제52항에 있어서, 사용된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  61. 제53항에 있어서, 사용된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  62. 제54항에 있어서, 사용된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  63. 제51항에 있어서, 사용된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  64. 제52항에 있어서, 사용된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  65. 제53항에 있어서, 사용된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  66. 제54항에 있어서, 사용된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  67. 제51항에 있어서, CVR SiC 코팅된 다이아몬드 분말의 복합체내 합량이 10-60 vol%인 것을 특징으로 하는 복합체.
  68. 제51항에 있어서, CVR SiC 코팅된 다이아몬드 분말의 복합체내 합량이 70 vol%인 것을 특징으로 하는 복합체.
  69. 제51항에 있어서, CVR SiC 코팅된 다이아몬드 분말의 복합체내 합량이 80 vol%인 것을 특징으로 하는 복합체.
  70. 제51항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 50-150㎛, 더 바람직하게는 100-120㎛인 것을 특징으로 하는 복합체.
  71. 제51항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 150㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  72. 제51항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 200㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  73. 제51항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 300㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  74. 다이아몬드 분말을 포함한 금속기질 복합체에 있어서:
    상기 다이아몬드 분말이 SiC 표면변환층이 얇게 형성되어 있는 다이아몬드 입자들을 포함하고, 상기 표면변환층은 페놀수지 등의 결합제와 함께 Si 분말과 다 이아몬드 분말의 프리폼을 가열하여 형성되며, 상기 결합제의 목적은 Si를 다이아몬드 입자 표면에 접촉시켜 두는 데 있고, 상기 프리폼은 표면변환반응을 일으키기에 충분한 온도로 가열되며, 열전도율이 300 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  75. 제74항에 있어서, 열전도율이 400 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  76. 제74항에 있어서, 열전도율이 500 W/m-k 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  77. 제74항에 있어서, 열전도율이 600 W/m-km-k상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  78. 제74항에 있어서, 기질 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  79. 제75항에 있어서, 기질 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  80. 제76항에 있어서, 기질 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  81. 제77항에 있어서, 기질 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 복합체.
  82. 제74항에 있어서, 기질 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  83. 제75항에 있어서, 기질 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  84. 제76항에 있어서, 기질 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 복합체.
  85. 제72항에 있어서, 기질 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  86. 제74항에 있어서, 기질 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  87. 제75항에 있어서, 기질 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  88. 제76항에 있어서, 기질 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  89. 제77항에 있어서, 기질 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 복합체.
  90. 제74항에 있어서, CVR SiC 코팅된 다이아몬드 분말의 복합체내 함량이 10-60 vol%인 것을 특징으로 하는 복합체.
  91. 제74항에 있어서, CVR SiC 코팅된 다이아몬드 분말의 복합체내 함량이 70 vol% 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  92. 제74항에 있어서, CVR SiC 코팅된 다이아몬드 분말의 복합체내 함량이 80 vol% 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  93. 제74항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 50-150 ㎛인 것을 특징으로 하는 복합체.
  94. 제74항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 150 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  95. 제74항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  96. 제74항에 있어서, 사용된 다이아몬드 분말의 입자사이즈가 300 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  97. 다이아몬드 입자로 이루어진 분말이 금속기질내에 분산되어 있고 열전도율이 아주 높은 금속기질 복합체의 제조방법에 있어서:
    (a) 다이아몬드 입자 표면의 탄소성분과 Si 기체를 반응시키기에 충분한 온도로 다이아몬드 입자들을 가열하면서 Si 기체와 접촉시켜 입자표면을 얇은 SiC 층 으로 변환하여 표면에 SiC 박막층이 형성된 다이아몬드 입자를 제공하는 단계;
    (b) 다이아몬드 분말로 이루어진 SiC로 코팅된 입자들을 용탕단조기의 다이공동에 넣는 단계;
    (c) 알루미늄 세라믹 종이로 다이아몬드 분말을 덮는 단계; 및
    (d) 금속기질을 형성하도록 선택된 용융금속에 다이아몬드 분말을 침투시키기에 적당한 압력조건하에, 용탕단조하는 압력으로 다이아몬드 분말이 들어있는 다이 안으로 상기 용융금속을 넣은 다음, 다이를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  98. 제97항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 방법.
  99. 제97항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 방법.
  100. 제97항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 방법.
  101. 다이아몬드 입자로 이루어진 분말이 금속기질내에 분산되어 있고 열전도율이 아주 높은 금속기질 복합체의 제조방법에 있어서:
    (a) 페놀수지, Si 분말 및 다이아몬드 분말의 혼합물을 준비한 다음 이 혼합물을 가압하여 프리폼을 형성하고, 다이아몬드 입자 표면의 탄소성분과 Si 분말 사이에 화학반응을 일으켜 다이아몬드 입자 표면에 SiC 층을 형성하기에 충분한 온도로 상기 프리폼을 가열함으로써 얇은 SiC 표면층이 형성된 다이아몬드 분말을 포함한 다이아몬드 입자를 제공하는 단계;
    (b) SiC로 코팅된 다이아몬드 입자들을 용탕단조기의 다이공동에 넣는 단계;
    (c) 알루미늄 세라믹 종이로 다이아몬드 분말을 덮는 단계; 및
    (d) 금속기질을 형성하도록 선택된 용융금속에 다이아몬드 분말을 침투시키기에 적당한 압력조건하에, 다이아몬드 분말이 들어있는 다이 안으로 상기 용융금속을 넣은 다음, 다이를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  102. 제101항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 방법.
  103. 제101항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 방법.
  104. 제101항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 방법.
  105. 다이아몬드 입자로 이루어진 분말이 금속기질내에 분산되어 있고 열전도율이 아주 높은 금속기질 복합체의 제조방법에 있어서:
    (a) SiC를 형성하기에 충분한 온도로 Si 기체에 다이아몬드 입자의 탄소표면을 반응시켜 표면에 얇은 SiC 층이 형성된 다이아몬드 분말을 포함한 다이아몬드 입자를 제공하는 단계;
    (b) 금속기질을 형성하도록 선택된 금속분말과 SiC로 코팅된 다이아몬드 입자들의 균질 혼합물을 형성하는 단계; 및
    (c) 복합체를 압착하기에 충분한 온도, 압력 및 시간으로 상기 다이아몬드 입자와 금속분말의 혼합물을 가압하여 치밀한 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  106. 다이아몬드 입자로 이루어진 분말이 금속기질내에 분산되어 있고 열전도율이 아주 높은 금속기질 복합체의 제조방법에 있어서:
    (a) SiC를 형성하기에 충분한 온도로 Si 기체에 다이아몬드 입자를 반응시켜 표면에 얇은 SiC 층이 형성된 다이아몬드 분말을 포함한 다이아몬드 입자를 제공하는 단계;
    (b) 금속분말과 SiC로 코팅된 분말의 균질 혼합물을 형성하는 단계; 및
    (c) 복합체를 압착하기에 충분한 온도, 압력 및 시간으로 상기 다이아몬드 입자와 금속분말의 혼합물을 열간가압하여 치밀한 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  107. LDMOS 전자패키지용의 열전도율이 높은 기판에 있어서:
    얇은 SiC층으로 표면이 코팅된 다이아몬드 입자들이 금속중에 분산되어 있는 금속기질 복합체로 이루어지고, 상기 코팅이 SiO 기체와 다이아몬드 입자 사이의 CVR 과정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 기판.
  108. 제107항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 기판.
  109. 제107항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 기판.
  110. 제107항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 기판.
  111. 제107항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 기판.
  112. 제107항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 기판.
  113. 제107항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 기판.
  114. 제107항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 기판.
  115. 열전도율이 아주 높은 기판에 LDMOS 칩이 결합되어 있는 전자패키지에 있어서:
    상기 기판이 입자 다이아몬드를 포함한 금속기질 복합체이고, 상기 입자 다이아몬드는 SiO 기체와 다이아몬드 사이의 CVR 과정에 의해 각각의 표면이 SiC로 얇게 코팅된 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  116. 제115항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  117. 제115항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  118. 제115항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  119. 제115항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  120. 제96항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  121. LDMOS 전자패키지용의 열전도율이 높은 기판에 있어서:
    얇은 SiC 변환층으로 표면이 코팅된 다이아몬드 입자들이 금속중에 분산되어 있는 금속기질 복합체로 이루어지고, 상기 코팅이 Si 분말과 다이아몬드 분말 및 페놀수지와 같은 결합제의 프리폼을 가열하여 이루어지고, 상기 결합제의 목적은 다이아몬드 표면에 Si를 접촉시켜두는데 있으며, 상기 프리폼은 표면 변환반응을 일으키기에 충분한 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판.
  122. 제121항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 기판.
  123. 제121항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 기판.
  124. 제121항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 기판.
  125. 제121항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 기판.
  126. 제121항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 기판.
  127. 제121항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 마그네슘인 것을 특징으로 하는 기판.
  128. 제121항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 기판.
  129. 열전도율이 아주 높은 기판에 LDMOS 칩이 결합되어 있는 전자패키지에 있어서:
    상기 기판이 얇은 SiC 변환층으로 표면이 코팅된 다이아몬드 입자들이 금속중에 분산되어 있는 금속기질 복합체이며, 상기 코팅은 Si 분말과 다이아몬드 분말 및 페놀수지와 같은 결합제의 프리폼을 가열하여 이루어지고, 상기 결합제의 목적은 다이아몬드 표면에 Si를 접촉시켜두는데 있으며, 상기 프리폼은 표면 변환반응을 일으키기에 충분한 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  130. 제129항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  131. 제129항에 있어서, 금속기질로 채택된 금속이 구리인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  132. 제129항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  133. 제129항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  134. 제129항에 있어서, 금속기질 복합체를 응고시키는 과정이 가압 용탕단조인 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  135. 매우 높은 열분산 성능을 필요로 하고, 제1항에서 설명한 것과 같은 열전도 율이 높은 복합체를 포함하는 고전력용 전자패키지에 있어서:
    복합체 표면에 알루미늄 질화물 층이 증착되고, 이 알루미늄 질화물은 절연층이면서 열전도율이 높아 전자칩을 절연 알루미늄 질화물층에 결합할 수 있으며, 도한 알루미늄 질화물상에 전기회로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전자패키지.
  136. 기본적으로 다이아몬드 입자들이 분산되어 있는 금속기질로 이루어지고, 이들 다이아몬드 입자 표면에는 β-SiC층이 화학적으로 결합되어 있는 복합체를 형성하는 방법에 있어서:
    SiC와 다이아몬드입자 표면을 접촉시켜 SiC를 다이아몬드입자 표면에 붙이는 단계;
    이렇게 붙은 SiC를 다이아몬드 입자중으로 확산시키되, 이런 확산을 일으키기에 적당한 시간동안 적당한 온도로 가열시켜 확산을 일으키는 단계;
    상기 다이아몬드 입자에 결합된 상기 β-SiC층을 형성하는 단계; 및
    용융상태의 금속중에 다이아몬드입자들을 담궈, 용융금속이 냉각에 의해 응고되었을 때 이들 입자들이 금속기질내에 분산되도록 하여 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  137. 제136항에 있어서, 상기 SiC가 SiC 유기금속기체인 것을 특징으로 하는 방법.
  138. 제137항에 있어서, 상기 SiC 유기금속기체가 메틸트리클로로 실란, 디메틸디클로로실란 또는 트리에틸실란인 것을 특징으로 하는 방법.
  139. 제138항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들을 SiC 유기금속기체에 접촉시키기 전에 비산화 분위기 안에 유지하고, 이들 다이아몬드 입자들을 1시간 동안 1600℃로 가열하여 SiC를 확산시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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