KR20200088404A

KR20200088404A - 방열판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20200088404A
Application number: KR1020207017096A
Authority: KR
Inventors: 호시아키 데라오; 고우이치 하시모토
Original assignee: 제이에프이 세이미츠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-11-18
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-07-22
Also published as: CN111357100A; EP3712935A4; EP3712935A1; US11646243B2; CN111357100B; JP6455896B1; US20200395268A1; KR102347859B1; WO2019098350A1; JP2019096654A

Abstract

Cu-Mo 복합재와 Cu 재의 클래드 구조를 갖는 저열팽창률, 고열전도율의 방열판을 제공한다. 판 두께 방향에 있어서, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층이 교대로 적층됨으로써 3 층 이상의 Cu 층과 2 층 이상의 Cu-Mo 복합체층으로 구성됨과 함께, 양면의 최외층이 Cu 층으로 이루어지는 방열판으로서, Cu-Mo 복합체층은, Cu 매트릭스 중에 편평한 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는다. 판 두께와 밀도가 동일한 3 층 클래드 구조의 방열판과 비교하여, 저열팽창률이고, 또한 최외층인 Cu 층의 두께가 얇아지기 때문에 판 두께 방향의 열전도율이 높아진다.

Description

방열판 및 그 제조 방법

본 발명은, 반도체 소자 등의 발열체로부터 발생하는 열을 효율적으로 방산시키기 위해서 사용하는 방열판과 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 소자로부터 발생하는 열을 반도체 기기로부터 효율적으로 방산시키기 위해서, 방열판 (히트 싱크) 이 사용되고 있다. 이 방열판은, 그 기능상 높은 열전도율이 요구됨과 함께, 반도체나 세라믹 회로 기판, 금속 패키지 부재 등에 납땜이나 경납땜으로 접합되기 때문에, 접합되는 부재에 가까운 열팽창률 (저열팽창률) 인 것이 요구된다.

종래, 고열전도율, 저열팽창률의 방열판으로서, Mo-Cu 복합재가 사용되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1). 일반적으로, 방열판에 사용하는 Mo-Cu 복합재는, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하고, 이 압분체에 필요에 따라 환원 소결을 실시한 후, Cu 용침 혹은 치밀화 처리를 실시함으로써 Mo-Cu 복합재로 하고, 이 Mo-Cu 복합재를 압연함으로써 제조된다. Mo 는 Cu 와는 거의 고용되지 않는 점에서, 이 Mo-Cu 복합재는 Mo 와 Cu 의 2 상 조직이 되어, 저열팽창률인 Mo 와 고열전도율인 Cu 의 특성을 살린 방열판으로 할 수 있다.

특허문헌 2 에는, 상기와 같은 Mo-Cu 복합재를 베이스로 한 방열판으로서, 특정한 압연 공정을 거쳐 얻어진 Mo-Cu 복합재의 양면에 Cu 판을 압착한 것이 나타나 있고, 이 방열판은, [Cu/Mo/Cu] 클래드재보다 높은 열전도율을 갖고, 프레스 타발성 (打拔性) 도 우수하다고 하고 있다.

또, Mo-Cu 복합재는, 압연함으로써 열팽창률이 저하되는 것이 정성적으로 알려져 있고, 이 때문에 상기와 같이 압연 공정을 거쳐 제조된다. 종래, Mo 입자는 단단하고 1 차 입자가 작은 점에서, 압연에 의해 변형되기 어렵다고 생각되고 있고, 이 때문에 Mo-Cu 복합재의 압연은, 200 ∼ 400 ℃ 정도의 온간 압연으로 실시되고 있다 (특허문헌 1). 또, 특허문헌 2 에는, 1 차 압연으로 온간 압연을 실시하고, 2 차 압연으로 냉간 압연을 실시하는 제조 방법이 나타나 있지만, 이 제조 방법에 있어서도, Mo 입자는 변형되기 어렵다는 것을 전제로, 온간 압연 (1 차 압연) 을 필수의 공정으로 하고 있다.

최근, 반도체의 고출력화에 의해 방열판의 방열성이 보다 중요해져 있다. 한편, 반도체 모듈의 소형화에 대한 요구도 높고, 방열판도 보다 작은 면적으로부터의 방열이 요구되고 있다. 그 때문에, 판면 방향에서의 방열보다, 두께 방향에서의 방열성이 보다 중요해지고 있다.

일본 공개특허공보 평11-307701호 일본 공개특허공보 2001-358266호

그러나, 본 발명자가 검토한 바에 따르면, 특허문헌 2 에 기재된 방열판은, 확실히, 특허문헌 1 에 기재된 Mo-Cu 복합재 단체 (單體) 등과 비교하여 우수한 열특성 (저열팽창성) 을 갖고 있지만, Mo-Cu 복합재와 Cu 재를 적층시킨 클래드 구조에 있어서, 특허문헌 2 에 기재된 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조보다 우수한 열특성 (특히 판 두께 방향에서의 열전도율) 이 얻어지는 최적의 클래드 구조가 있는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은, Mo-Cu 복합재와 Cu 재의 클래드 구조를 갖는 저열팽창률, 고열전도율의 방열판을 제공하는 것에 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 그러한 우수한 열특성을 갖는 방열판을 안정적으로 또한 저비용으로 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

특허문헌 2 에 기재된 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조를 갖는 클래드재에 대하여, 본 발명자들은, Mo-Cu 복합재와 Cu 재의 적층수를 다층화함으로써, Mo-Cu 복합체층에 의한 Cu 층의 구속성을 높여, 열팽창률을 저감시킨다는 착상하에 5 층 이상의 클래드재에 대해 검토를 실시하는 것으로 했지만, 열전도성에 대해서는 특별히 개선된다고는 생각하지 않았었다. 그러나, 검토를 진행시킨 결과, 그러한 당초의 예상에 반하여, Mo-Cu 복합재와 Cu 재의 적층수를 5 층 이상으로 하는 것, 즉, Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조 (5 층 클래드 구조) 나 Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조 (7 층 클래드 구조) 로 함으로써, 동일한 판 두께와 밀도를 갖는 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조 (3 층 클래드 구조) 와 비교하여, 판면 내 열팽창률이 낮아질 뿐만 아니라, 판 두께 방향의 열전도율이 상당 정도 높아지는 것을 알아냈다. 또, 특히 최외층인 Cu 층의 두께를 중간층인 Cu 층의 두께보다 작게 함으로써, 열전도율이 특별히 현저하게 개선되는 것을 알 수 있었다. 또, 이상과 같은 클래드재를 제조할 때에, 재료를 고압하율 (총 압하율) 로 냉간 압연 혹은 표면이 현저하게 산화되지 않는 250 ℃ 정도 이하의 온도에서 온간 압연함으로써, 열팽창률이 보다 효과적으로 저하되는 것을 알 수 있었다.

본 발명은, 이상과 같은 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 이하를 요지로 하는 것이다.

[1] 판 두께 방향에 있어서, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층이 교대로 적층됨으로써 3 층 이상의 Cu 층과 2 층 이상의 Cu-Mo 복합체층으로 구성됨과 함께, 양면의 최외층이 Cu 층으로 이루어지는 방열판으로서,

Cu-Mo 복합체층은, Cu 매트릭스 중에 편평한 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 방열판.

[2] 상기 [1] 의 방열판에 있어서, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ≤ t₂ 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 방열판.

[3] 상기 [2] 의 방열판에 있어서, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 판 두께 T 가 t₁/T ≤ 0.2 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 방열판.

[4] 상기 [2] 또는 [3] 의 방열판에 있어서, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ＜ t₂ 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 방열판.

[5] 상기 [4] 의 방열판에 있어서, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층의 전체 층수가 9 층 이상인 방열판으로서, 중간층인 복수의 Cu 층 (1b) 은, 판 두께 중심에 가까운 Cu 층 (1b) 일수록 두께 t₂ 가 두꺼운 것을 특징으로 하는 방열판.

[6] 상기 [1] ∼ [5] 중 어느 하나의 방열판에 있어서, Cu-Mo 복합체층은, 복수의 단위 Cu-Mo 복합체층이 두께 75 ㎛ 이하인 접합용의 Cu 층을 개재하여 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 방열판.

[7] 상기 [1] ∼ [6] 중 어느 하나의 방열판에 있어서, Cu-Mo 복합체층은 Cu 함유량이 10 ∼ 50 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판.

[8] 상기 [1] ∼ [6] 중 어느 하나의 방열판에 있어서, Cu-Mo 복합체층은 Cu 함유량이 20 ∼ 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판.

[9] 상기 [1] ∼ [8] 중 어느 하나의 방열판에 있어서, 판 두께 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률이 8.0 ppm/K 이하인 것을 특징으로 하는 방열판.

[10] 상기 [1] ∼ [9] 중 어느 하나의 방열판에 있어서, 적층된 Cu 층과 Cu-Mo 복합체층으로 이루어지는 방열판 본체의 편면 또는 양면에 도금 피막이 형성된 것을 특징으로 하는 방열판.

[11] 상기 [1] ∼ [10] 중 어느 하나의 방열판의 제조 방법으로서, Cu 매트릭스 중에 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는 Cu-Mo 복합재 (a) 와 Cu 재 (b) 를 적층시키고, 그 적층체를 확산 접합한 후, 냉간 압연 (x) 을 실시함으로써, Cu-Mo 복합재 (a) 에 의한 Cu-Mo 복합체층과 Cu 재 (b) 에 의한 Cu 층이 적층된 방열판을 얻는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[12] 상기 [11] 의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[13] 상기 [11] 의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[14] 상기 [11] 의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[15] 상기 [11] ∼ [14] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, 냉간 압연 (x) 의 압하율이 70 ∼ 99 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[16] 상기 [15] 의 제조 방법에 있어서, 냉간 압연 (x) 의 압하율이 90 ∼ 96 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[17] 상기 [11] ∼ [16] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, 냉간 압연 (x) 을 크로스 압연으로 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[18] 상기 [11] 의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정과, 상기 치밀화 처리된 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[19] 상기 [11] 의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정과, 상기 Cu 를 함침시킨 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[20] 상기 [18] 또는 [19] 의 제조 방법에 있어서, 냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 70 ∼ 99 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[21] 상기 [20] 의 제조 방법에 있어서, 냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 90 ∼ 96 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[22] 상기 [18] ∼ [21] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, 압연 (y) 을 크로스 압연으로 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[23] 상기 [18] ∼ [22] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, 압연 (y) 으로 Cu-Mo 복합재 (a) 를 1 방향 압연한 경우에, 냉간 압연 (x) 으로는, Cu-Mo 복합재를 압연 (y) 의 압연 방향과 직교하는 방향으로 압연하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[24] 상기 [11] ∼ [23] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, 복수의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 가 적층된 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[25] 상기 [11] ∼ [23] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는, 복수의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 가 접합용의 Cu 박판을 개재하여 적층된 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[26] 상기 [11] ∼ [25] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, Cu 재 (b) 는, 복수의 단위 Cu 재 (b_u) 가 적층된 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[27] 상기 [11] ∼ [26] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는 Cu 함유량이 10 ∼ 50 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[28] 상기 [11] ∼ [26] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 는 Cu 함유량이 20 ∼ 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[29] 상기 [27] 의 제조 방법에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 20 mass％ 미만이고, 냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 70 ％ 이상인 제조 방법 (단, Cu-Mo 복합재 (a) 의 압연 (y) 을 실시하지 않는 제조 방법을 포함한다) 으로서,

하기 (1) 또는/및 (2) 의 온간 압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

(1) 냉간 압연 (x) 대신에 온간 압연을 실시한다.

(2) 압연 (y) 을 온간 압연으로 실시한다.

[30] 상기 [28] 의 제조 방법에 있어서, 냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 96 ％ 이상인 제조 방법 (단, Cu-Mo 복합재 (a) 의 압연 (y) 을 실시하지 않는 제조 방법을 포함한다) 으로서,

(1) 냉간 압연 (x) 대신에 온간 압연을 실시한다.

(2) 압연 (y) 을 온간 압연으로 실시한다.

[31] 상기 [11] ∼ [30] 중 어느 하나의 제조 방법에 있어서, 적층된 Cu-Mo 복합체층과 Cu 층으로 이루어지는 방열판 본체의 편면 또는 양면에 도금 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.

[32] 상기 [1] ∼ [10] 중 어느 하나의 방열판을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.

[33] 상기 [32] 의 반도체 패키지를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.

본 발명의 방열판은, 저열팽창률, 고열전도율이 우수한 열특성을 갖는다. 또, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 그러한 우수한 열특성을 갖는 방열판을 안정적으로 또한 저비용으로 제조할 수 있다.

도 1a 는, 5 층 클래드 구조를 갖는 본 발명의 방열판의 판 두께 단면을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 1b 는, 7 층 클래드 구조를 갖는 본 발명의 방열판의 판 두께 단면을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2 는, 실시예의 방열판의 열특성 (판 두께 방향의 열전도율, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률) 을 나타내는 그래프이다.
도 3 은, 실시예의 방열판의 열특성 (판 두께 방향의 열전도율, 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률) 을 나타내는 그래프이다.
도 4 는, 실시예의 방열판의 열특성 (판 두께 방향의 열전도율, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률) 을 나타내는 그래프이다.
도 5 는, 실시예의 방열판의 열특성 (판 두께 방향의 열전도율, 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률) 을 나타내는 그래프이다.
도 6 은, 실시예의 방열판의 열특성 (판 두께 방향의 열전도율, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률) 을 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 실시예의 방열판의 열특성 (판 두께 방향의 열전도율, 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률) 을 나타내는 그래프이다.
도 8 은, 실시예의 방열판에 대하여, 최외층인 Cu 층의 두께 t₁ 과 판 두께 T 의 비율 t₁/T 와 판 두께 방향의 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 방열판은, 판 두께 방향에 있어서, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층이 교대로 적층됨으로써 3 층 이상의 Cu 층과 2 층 이상의 Cu-Mo 복합체층으로 구성됨과 함께, 양면의 최외층이 Cu 층으로 이루어지는 방열판으로서, Cu-Mo 복합체층은, Cu 매트릭스 중에 편평한 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는다. 도 1 은, 5 층 클래드 구조 (도 1a) 및 7 층 클래드 구조 (도 1b) 를 갖는 본 발명의 방열판의 판 두께 단면을 모식적으로 나타내고 있다. 도면에 있어서, 1a 가 양면의 최외층인 Cu 층, 1b 가 중간층인 Cu 층이다.

본 발명의 방열판의 Cu-Mo 복합체층과 Cu 층은, 적층시킨 Cu-Mo 복합재와 Cu 재를 확산 접합시킴으로써 구성되는 것이고, 양층 사이에는 확산 접합부를 갖는데, 양 부재의 Cu 끼리 (Cu-Mo 복합재의 Cu 와 Cu 재) 가 확산 접합된 것이기 때문에, 건전한 확산 접합부가 얻어진다. 예를 들어, Mo (Mo 재) 와 Cu (Cu 재) 를 클래드하는 경우를 생각하면, Mo 와 Cu 는 합금화되지 않기 때문에, 양 부재의 접합은 확산 접합이 아니라 기계적 접합이 되지만, 이와 같은 접합에서는, 접합 계면에 산화막이나 미세한 공극이 잔존하기 쉬워, 이들을 기점으로 하여 균열 등을 발생시키기 쉽다. 이에 반하여 본 발명과 같이 양 부재의 Cu 끼리 (Cu-Mo 복합재의 Cu 와 Cu 재) 가 확산 접합됨으로써, 접합 계면에 산화막이나 미세한 공극이 잔존하는 경우가 없어, 건전한 접합부가 얻어진다.

이상과 같은 5 층 이상의 클래드 구조이고 또한 양면의 최외층이 Cu 층으로 이루어지는 본 발명의 방열판 (예를 들어, Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 방열판) 은, 특허문헌 2 에 나타내는 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 방열판과 비교하여 높은 열전도율을 갖는데, 이것은, 이하와 같은 이유에 의한 것이라고 생각된다. 즉, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층을 교대로 적층시키고 또한 양면의 최외층이 Cu 층으로 이루어지는 클래드 구조의 경우, 열전도율이 외층 (Cu 층) ＞ 내층 (Cu-Mo 복합체층) 이기 때문에, 외층 (Cu 층) 에 들어간 열이 외층·내층 사이의 계면에서 반사·산란되어 열류가 흐트러지기 때문에, 열이 내층 (Cu-Mo 복합체층) 측으로 잘 전해지지 않아, 외층·내층 사이의 계면에 의한 높은 전열 저항이 발생하고, 그 만큼, 판 두께 방향의 열전도율은 낮아진다고 생각된다. 이와 같은 원인에 의한 판 두께 방향의 열전도성의 저하는, 최외층인 Cu 층의 두께에 의존하고, 최외층인 Cu 층이 얇아질수록 내층과의 계면에서 반사·산란되는 열의 양이 적어지기 때문에, 열전도성이 저하되는 정도는 작아진다. 따라서, 5 층 이상의 클래드 구조를 갖는 본 발명의 방열판과, 특허문헌 2 에 기재된 3 층 클래드 구조의 방열판을 비교한 경우, 판 두께와 밀도가 동일하면, 본 발명의 방열판 쪽이 최외층인 Cu 층의 두께가 얇아지기 때문에, 3 층 클래드 구조의 방열판과 비교하여 판 두께 방향의 열전도율이 높아지는 것이라고 생각된다. 또, 5 층 이상의 클래드 구조의 경우, 중간층인 Cu 층의 두께를 크게 함으로써 최외층인 Cu 층을 보다 얇게 할 수 있기 때문에, 최외층인 Cu 층의 두께를 중간층인 Cu 층의 두께보다 작게 함으로써, 판 두께 방향의 열전도율을 보다 높게 할 수 있다.

또, 본 발명의 방열판은, Mo-Cu 복합재와 Cu 재의 적층수를 다층화함으로써, Mo-Cu 복합체층에 의한 Cu 층의 구속성이 높아지기 때문에, 판 두께와 밀도가 동일하면, 3 층 클래드 구조의 방열판보다 열팽창률이 낮아진다.

클래드 구조에 있어서의 적층수 (Cu 층과 Cu-Mo 복합체층의 전체 층수) 는 특별히 제한은 없고, 적층수가 많은 편이 열팽창률이 낮아지고, 또, 경도가 높고 연성이 낮은 Cu-Mo 복합체층의 두께가 얇을수록 프레스 가공성도 좋아지므로 프레스 가공에는 유리해진다. 방열판에 열이 들어갈 때에, 최외층이 Cu 층인 경우에는 Cu 의 높은 열전도에 의해 열이 들어가지만, 상기 서술한 바와 같이, 다음의 열전도율이 낮은 Cu-Mo 복합체층과의 계면에서 열의 반사, 산란이 생기기 때문에, Cu-Mo 복합체층에 들어가는 열량은 제한된다. 또, 그것보다 하층측에서도, Cu 층으로부터 Cu-Mo 복합체층에 열이 전해질 때에는, 동일하게 계면에서 열의 반사, 산란이 생기지만, 이미 열량은 제한되어 있고, 그 제한된 열량이 전해지므로, 그 계면에서의 열전도율의 저하는 적다. 따라서, 적층수가 7 층 이상이라도, 최외층인 Cu 층의 두께의 비율이 작으면 (일반적으로 7 층 이상에서는 최외층인 Cu 층의 두께의 비율은 작다고 말할 수 있다), 적층수가 증가하면 두께 방향의 열전도율은 약간 저하 경향이 되지만 열팽창률의 저하나 프레스 가공성에 기여할 수 있는 것, Cu-Mo 복합체층의 각 층의 두께 비율이 작아져 그 층의 전열 저항도 저하되는 것 등을 감안하면, 특별한 문제는 없다고 말할 수 있다. 따라서, 적층수에 특별한 제한은 없고, 용도나 제품 두께에 따라 적층수를 결정하면 된다. 예를 들어, 후술하는 실시예의 발명예 1 (5 층) 과 발명예 11 (7 층), 발명예 2 (5 층) 와 발명예 12 (7 층) 를 각각 비교한 경우, 7 층 쪽이 열전도율이 높아져 있는 것은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 발명예 1 보다 발명예 11 쪽이, 또 발명예 2 보다 발명예 12 쪽이, 각각 최외층인 Cu 층의 두께 비율이 작기 때문이라고 생각된다.

Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량은 특별히 제한은 없지만, 일반적으로는 10 ∼ 50 질량％ 정도가 적당하다. Cu 함유량이 많은 편이 고압하율로 냉간 압연하는 경우에 냉간 압연성이 향상되고, 고압하율로 냉간 압연하는 것에 의한 열팽창률의 저하 효과가 얻어지기 쉽다. 한편, 중간층인 Cu 층의 열팽창을 구속하는 효과 (중간층인 Cu 층을 양측에서 사이에 두고 물리적으로 구속하는 효과) 를 높이는 점에서는, 압연의 압하율뿐만 아니라, Mo 함유량이 많은 편이 바람직하지만, 열전도율이 트레이드 오프의 관계에 있고, 또, Mo 함유량이 지나치게 많으면 냉간 압연이 어려워진다. 이 때문에 Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량은 10 ∼ 50 질량％ 정도가 바람직하다. 또, 방열판의 열특성의 관점에서는, Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량은 30 질량％ 이하가 바람직하고, 한편, Cu-Mo 복합체층 (Cu-Mo 복합재) 의 Cu 함유량이 20 질량％ 미만에서는 냉간 압연성에 문제를 일으킬 가능성도 있으므로, 방열판의 열특성과 냉간 압연성의 관점에서는, Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량은 20 ∼ 30 질량％ 정도로 하는 것이 보다 바람직하다.

Cu-Mo 복합체층은, 전체가 일체의 Cu-Mo 복합체로 구성되는 구조로 해도 되는데, 복수의 단위 Cu-Mo 복합체층이 극히 얇은 접합용의 Cu 층을 개재하여 적층된 구조로 해도 된다. 이 접합용의 Cu 층은 두께가 75 ㎛ 이하 정도이면 방열판의 열특성에 거의 영향을 주지 않기 때문에, 그 두께는 75 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 또한 25 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 이 접합용의 Cu 층은 Cu-Mo 복합체층의 일부를 구성하는 것이고, 따라서, 본 발명의 방열판에 있어서 Cu-Mo 복합체층과 교대로 적층되는 Cu 층과는 상이하고, 이 Cu 층에는 포함되지 않는다.

후술하는 바와 같이, 본 발명의 방열판은, Cu-Mo 복합재 (a) 와 Cu 재 (b) 를 교대로 적층시키고, 이 적층체를 확산 접합한 후, 압연함으로써 제조되지만, 이 제조에 있어서 사용하는 Cu-Mo 복합재 (a) 로는, 단체의 판재가 아니라, 적층한 복수 장의 얇은 Cu-Mo 복합재 (단위 Cu-Mo 복합재) 로 이루어지는 것이어도 된다. 이것은, Cu-Mo 복합재는 압연의 압하율을 크게 한 경우에 얇아질 가능성이 있기 때문이다. Cu-Mo 복합재 (a) 를 적층한 복수 장의 얇은 단위 Cu-Mo 복합재로 구성하는 경우, 특히 Cu-Mo 복합재의 Cu 함유량이 비교적 적은 경우에는, 단위 Cu-Mo 복합재끼리의 접합성을 높이기 위해서, 복수 장의 단위 Cu-Mo 복합재를 Cu 박판 (Cu 박의 경우를 포함한다) 을 개재하여 적층시키고 (즉, 각 단위 Cu-Mo 복합재 사이에 얇은 Cu 판을 개재 장착한다), 이 Cu 박판을 개재하여 확산 접합하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 방열판의 Cu-Mo 복합체층 중의 접합용의 Cu 층은, 그 Cu 박판이 압연에 의해 더욱 얇게 연신된 것이다. Cu-Mo 복합체층을 구성하는 이 접합용의 Cu 층은, 극히 얇은 중간층인 Cu 층이기 때문에, 전열 저항을 무시할 수 있을 만큼 작아, 방열판의 열특성에 거의 영향을 주지 않는다. 즉, Cu-Mo 복합체층 중에 접합용의 Cu 층을 갖는 방열판과 접합용의 Cu 층을 갖지 않는 방열판은, 열특성은 거의 변하지 않다.

도 2 및 도 3 은, 후술하는 실시예의 방열판의 일부에 대하여, 그들의 열특성을 정리하여 나타낸 것으로, 도 2 는 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 과 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을, 도 3 은 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 과 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을, 각각 나타내고 있다. 여기서, 판면 내 열팽창률은 압봉식 (押棒式) 변위 검출법으로 측정된 것으로, 예를 들어, 「50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률」은, 50 ℃ 와 400 ℃ 에서의 연신량의 차이를 구하고, 그 값을 온도차 350 ℃ (= 400 ℃ - 50 ℃) 로 나누어 구하였다. 동일하게 하여, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을 구하였다. 또, 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 은 플래시법으로 측정하였다. 이 열특성의 측정·산출 방법은, 후술하는 도 4 ∼ 도 8 의 열특성에 대해서도 동일하다.

도 2 및 도 3 에는, Cu-Mo 복합재 단체로 이루어지는 방열판 (비교예 7 ∼ 10, 13), 특허문헌 2 의 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 3 층 클래드재로 이루어지는 방열판 (비교예 1, 2), 본 발명의 5 층 및 7 층 클래드재로 이루어지는 방열판 (발명예 1, 2, 11, 12) 에 대하여, 그들의 열특성을 나타내고 있다. 도면 중, 동그라미로 둘러싸고, 화살표로 이은 것이, 거의 동등한 밀도를 갖는 방열판이다. 이것에 의하면, 거의 동등한 밀도를 갖는 방열판의 열특성을 비교한 경우, 특허문헌 2 의 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 방열판은, Cu-Mo 복합재 단체의 방열판과 비교하여 판 두께 방향의 열전도율이 약간 낮지만, 판면 내 열팽창률이 크게 저하되어 있다. 그리고, 이 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 방열판의 열특성에 대하여, 본 발명의 방열판은, 판면 내 열팽창률이 더욱 낮고, 게다가, 판 두께 방향의 열전도율이 높아져 있다.

도 4 및 도 5 는, 도 2 및 도 3 의 그래프에 Cu 함유량이 상이한 Cu-Mo 복합재 단체의 비교예를 더한 것으로, 도 4 는 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 과 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을, 도 5 는 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 과 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을, 각각 나타내고 있다. 도면 중의 파선은, Cu-Mo 복합재 단체는 Cu 함유량이 낮을수록 (Mo 함유량이 많을수록) 판 두께 방향의 열전도율이 낮고, 또한 판면 내 열팽창률은 낮아지는 경향을 나타내고 있다. 그리고, 도면 중의 화살표로 나타내는 바와 같이, 이와 같은 Cu-Mo 복합재 단체의 열특성의 경향에 대하여, 특허문헌 2 의 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 방열판 (비교예 1, 2) 의 열특성은, 고열전도율 (판 두께 방향의 열전도율)·저열팽창률 (판면 내 열팽창률) 측으로 시프트되어 있지만, 본 발명의 방열판의 열특성은, 더욱 고열전도율 (판 두께 방향의 열전도율)·저열팽창률 (판면 내 열팽창률) 측으로 시프트되어 있다.

또, 도 6 및 도 7 은, 도 4 및 도 5 의 그래프에 추가로, 최외층인 Cu 층의 두께나 Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량 등이 상이한 다른 발명예 등을 더한 것으로, 도 6 은 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 과 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을, 도 7 은 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 과 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을, 각각 나타내고 있다. 이것에 의하면, 본 발명의 방열판은, 최외층인 Cu 층의 두께나 Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량 등의 차이에 관계없이, 판 두께 및 밀도가 동등한 Cu-Mo 복합재 단체나 특허문헌 2 의 Cu/(Cu-Mo)/Cu 구조의 방열판 (비교예 1, 2) 의 열특성과 비교하여, 고열전도율 (판 두께 방향의 열전도율)·저열팽창률 (판면 내 열팽창률) 인 것을 알 수 있다.

본 발명의 방열판은, 먼저 설명한 원리로부터, 최외층인 Cu 층의 두께가 작을수록 판 두께 방향의 열전도율이 높아진다. 이 관점에서, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 판 두께 T 가 t₁/T ≤ 0.2 를 만족시키는 것이 바람직하다.

도 8 은, 실시예의 방열판에 대하여, 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 판 두께 T (도 1 참조) 의 비율 t₁/T 와 판 두께 방향의 열전도율의 관계를 정리한 것으로, 도면 중, 실선으로 이은 것이, 밀도가 거의 동등한 방열판이다. 이것에 의하면, 최외층인 Cu 층의 두께 t₁ 의 비율이 작을수록 판 두께 방향의 열전도율이 높아지고 있어, t₁/T ≤ 0.2 가 바람직한 것을 알 수 있다.

또, 상기와 동일한 관점에서, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ≤ t₂ 를 만족시키는 것이 바람직하다. 상기 서술한 바와 같이, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 은, 가능한 한 얇은 편이 열전도율을 높게 할 수 있으므로 바람직하다. t₁ ＞ t₂ 에서는 3 층 클래드 구조의 최외층인 Cu 층의 두께에 가까워지게 되어, 본 발명에 있어서의 열전도율의 개선 효과가 저하되어 버린다.

또, 더욱 바람직하는 조건으로는, 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ＜ t₂ 를 만족시키는 것이 바람직하다. 또, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층의 전체 층수 (적층수) 가 9 층 이상인 방열판 (중간층인 Cu 층 (1b) 을 3 층 이상 갖는 방열판) 의 경우에는, 판 두께 중심에 가까운 Cu 층 (1b) 일수록 두께 t₂ 가 두꺼운 것이 바람직하다. 이들의 이유는 이하와 같이 생각된다.

두께 L 의 재료에 있어서, 두께 방향으로 열이 흐를 때의 열류는 다음의 식으로 나타낸다.

열류 q (W) = CA(θ₁ - θ₂) [θ ; 온도, C ; 점 1 부터 점 2 까지의 열 컨덕턴스, A : 열류가 흐르는 재료의 단면적]

C = λ/L [λ: 열전도율 (W/m·K ), L : 재료의 두께 (m)]

열 컨덕턴스란, 재료 양면의 온도차가 1 ℃ 일 때, 일정 면적, 일정 시간당 흐르는 열량을 말하는 것으로, 열의 전달 용이성을 나타낸다. 여기서, 전열 저항 R 은 C 의 역수가 된다.

5 층 클래드재 전체의 전열 저항 R_CLAD 는 다음의 식으로 구해진다.

R_CLAD = (L₁/λ_Cu) ＋ (L₂/λ_Cu-Mo) ＋ (L₃/λ_Cu) ＋ (L₄/λ_Cu-Mo) ＋ (L₅/λ_Cu) ＋ R₁₂ ＋ R₂₃ ＋ R₃₄ ＋ R₄₅

= R₁ ＋ R₂ ＋ R₃ ＋ R₄ ＋ R₅ ＋ R₁₂ ＋ R₂₃ ＋ R₃₄ ＋ R₄₅

여기서, L₁ ∼ L₅ 는 1 층째 ∼ 5 층째까지의 각 층의 두께, λ_Cu 는 Cu 층의 열전도율, λ_Cu-Mo 는 Cu-Mo 복합체층의 열전도율, R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ 는 각 층의 전열 저항, R₁₂, R₂₃, R₃₄, R₄₅ 는 각 층 계면의 전열 저항, 12, 23, 23, 45 는 각각 위에서부터의 각 층간을 나타낸다.

여기서 R₁₂, R₂₃, R₃₄, R₄₅ 는, 재료가 아니라 계면에서의 열반사, 열산란에 의한 열류의 혼란의 정도, 즉 부하 (저항) 이다.

여기서, 5 층 클래드재의 1 층째부터 5 층째까지의 열류를 생각하면, 1 층째 (최외층) 의 낮은 R₁ 의 Cu 층으로부터, 2 층째의 높은 R₂ 의 Cu-Mo 복합체층에 들어갈 때에 열류는 좁혀지게 되어, 그 1 층째의 Cu 층에서는, 본래의 전열 저항 R₁ 뿐만 아니라, 계면의 R₁₂ 분의 전열 저항이 부가된다. 1 층째 (최외층) 의 Cu 층의 두께 L₁ 이 작으면 R₁ 도 작아지고, 열반사나 열산란에 의해 Cu 층 내에 부가되는 양도 적어져, 그에 따라 R₁₂ 도 작아진다. 두께가 제로에 가까워지면 R₁ 과 R₁₂ 도 제로에 가까워진다. 2 층째의 Cu-Mo 복합체층으로부터 3 층째의 Cu 층의 계면은, 전열 저항이 높은 층에서 낮은 층으로 열이 들어가는 점에서, 또, Cu-Mo 복합체층 중의 Cu 상과 Cu 층은 완전히 확산 접합되어 일체로 되어 있고, 그 Cu 의 연속성이 있는 점에서, R₂₃ 은 거의 제로로 생각해도 된다. R₄₅ 도 동일하게 제로로 생각해도 된다. 3 층째의 Cu 층의 전열 저항 R₃ 에는, 4 층째의 Cu-Mo 복합체층과의 계면의 R₃₄ 분의 전열 저항이 부가된다. 다만, 2 층째의 Cu-Mo 복합체층을 통과하여 좁혀진 후의 열류가 3 층째의 Cu 층에 흐르므로, 1 층째의 Cu 층의 두께 L₁ 이 3 층째의 Cu 층의 두께 L₃ 과 동일하다고 해도, R₃₄ 는 R₁₂ 보다 작아진다. 보다 구체적으로 설명하면 (단, 설명 중의 열류량은 임의의 값), 5 층 클래드재의 Cu-Mo 복합체층과 Cu 층이 각각 동일한 두께라고 한 경우, 최초로 100 의 열류가 1 층째의 Cu 층에 들어가면, 이 1 층째의 Cu 층에서 (L₁/λ_Cu) ＋ R₁₂ 의 전열 저항이 있어, 열류가 80 으로 좁혀진다고 한다. 그 후, 2 층째의 Cu-Mo 복합체층에서는 (L₂/λ_Cu-Mo) ＋ R₂₃ (R₂₃≒ 0) 의 전열 저항이 있어, 열류가 60 으로 좁혀져 3 층째의 Cu 층의 입구에 들어간다. 이 3 층째의 Cu 층부터 4 층째의 Cu-Mo 복합체층에 들어갈 때의 R₃₄ 는, 열류 100 부터의 전열 저항이 아니라, 열류 60 부터의 전열 저항이기 때문에 R₁₂ ＞ R₃₄ 가 된다. 이상으로부터, 최외층인 Cu 층을 내부 (중간층) 의 Cu 층 보다 얇게 함으로써, 클래드재 전체의 전열 저항 R_CLAD 는 작아진다.

또, 이상 설명한 바와 같은 이유로부터, 전체 층수가 9 층 이상인 방열판 (중간층인 Cu 층 (1b) 을 3 층 이상 갖는 방열판) 의 경우에는, Cu 층의 두께는 판 내부 (판 두께 중심) 로 감에 따라 두껍게 하는 것이 바람직하다. 또한, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층의 조합은, 외층측 (열의 입구측) 의 얇은 Cu 층과 얇은 Cu-Mo 복합체층의 조합으로부터, 판 내부 (판 두께 중심) 로 감에 따라 두꺼운 조합으로 함으로써, 열류의 계면에서의 반사, 산란이 적어진다고 생각되므로, Cu 층의 두께뿐만 아니라, Cu-Mo 복합체층의 두께에 대해서도, 판 내부 (판 두께 중심) 로 감에 따라 두껍게 하는 것이 바람직하다.

또한, 후술하는 실시예의 5 층 클래드재 (발명예) 는, 모두 양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ＜ t₂ 이지만, 그 t₁ ＜ t₂ 의 정도는, 발명예 3 ∼ 10, 13 ∼ 21 이 t₁/t₂ ≤ 0.4, 발명예 3 ∼ 8, 13 ∼ 17, 19 ∼ 21 이 t₁/t₂ ≤ 0.1, 발명예 3 ∼ 6, 13 ∼ 16, 19 ∼ 21 이 t₁/t₂ ≤ 0.06 으로 되어 있다.

Cu-Mo 복합체층과 Cu 층의 각 두께, Cu-Mo 복합체층과 Cu 층의 층 두께비, 방열판의 판 두께 등도 특별히 제한은 없지만, 열특성을 확보함과 함께, 압연시나 실용시에 휨이나 변형 등이 발생하지 않도록, 두께 방향 중앙의 Cu 층을 중심으로 하여 두께 방향에서 대칭형의 구조 (Cu 층과 Cu-Mo 복합체층의 두께가 대칭형의 구조) 가 바람직하다. 또, 방열판의 판 두께는 1 ㎜ 전후의 경우가 많지만, 특별히 제한은 없다.

또한, 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 의 하한은 특별히 없지만, 두께 t₁이 극단적으로 작으면 클래드재로서의 제조가 어려워지고, 또, 중간층인 Cu 층의 두께가 커져 열팽창률이 높아지므로, 0.01 ㎜ 정도가 사실상의 하한이 된다.

Cu-Mo 복합체층과 Cu 층의 층 두께비에 대해서는, Cu-Mo 복합체층에 대해 Cu 층의 층 두께비가 크면 열전도율은 높아지는데, Cu-Mo 복합체층에 의한 중간의 Cu 층의 구속이 약해지므로 열팽창률이 높아지고, 한편, Cu 층의 층 두께비가 작으면 열팽창률은 낮아지지만, 열전도율이 낮아진다. 따라서, 얻으려고 하는 열특성 (열전도율, 열팽창률) 에 따라, Cu-Mo 복합체층과 Cu 층의 층 두께비를 적절히 선택하면 되는데, 저온 (예를 들어, 200 ℃, 400 ℃) 에서의 열팽창률을 낮게 한다는 관점에서는, Cu-Mo 복합체층에 대해 Cu 층을 그다지 두껍게 하지 않는 편이 좋다.

또, Cu-Mo 복합체층의 Cu 함유량이나 Cu-Mo 복합체층과 Cu 층의 층 두께비는 방열판의 밀도에 링크하므로, 이 밀도는 9.25 ∼ 9.55 g/㎤ 정도인 것이 바람직하고, 9.30 ∼ 9.45 g/㎤ 정도인 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 방열판은, 사전에 제작된 Cu-Mo 복합재와 Cu 재를 확산 접합한 후, 압연함으로써 제조되고, 또, Cu-Mo 복합재의 제조 공정에서도 압연이 실시되는 경우가 있으므로, 전체가 압연 조직이고, 또, Cu-Mo 복합체층의 Cu 매트릭스 중에 분산되는 Mo 상은 편평하게 연신된 형태를 갖고, 통상적으로 판 두께 단면 조직 중에서의 Mo 상의 애스펙트비 (압연 방향에서의 애스펙트비) 는 2 초과가 된다. 여기서, 애스펙트비란, 압연 방향에 있어서의 판 두께 단면 조직 중에서의 Mo 상의 장축/단축 (길이비) 이고, 예를 들어, 압연 방향에서의 판 두께 단면 조직 (이온 밀링 마무리한 판 두께 단면 조직) 을 SEM 등으로 관찰하고, 임의의 1 시야에 포함되는 각 Mo 상의 장축/단축을 구하고, 그들의 평균값으로서 규정할 수 있다.

또한, Cu-Mo 복합체층의 Cu 매트릭스 중에 분산되는 Mo 상은, Cu-Mo 복합체층의 Mo 함유량이나 압연의 형태 (1 방향 압연, 크로스 압연) 등에 의해, 편평하게 연신된 형태가 상이하고, 예를 들어, Cu-Mo 복합체층의 Mo 함유량이 비교적 적은 경우에는, 편평하게 연신된 Mo 상은, 개개가 독립된 도상 (島狀) 에 가까운 형태를 갖는데, Mo 함유량이 많아지면, 편평하게 연신된 Mo 상끼리가 연결되고, 이와 같은 Mo 상과 Cu 매트릭스가 혼재된 호상 내지는 마블상과 같은 형태 (압연 조직) 가 된다. 따라서, 후자의 경우에는, 애스펙트비는 분명하게 2 초과가 되는데, 구체적으로 정량화할 수 없는 경우가 있다.

본 발명의 방열판이 주로 적용되는 반도체 패키지는, 반도체가 작동과 휴지를 반복하는 점에서, 상온 (한랭지의 경우에는 -50 ℃ 정도인 경우도 있다) 에서 반도체 작동시의 200 ℃ 정도까지의 승온을 반복한다. 이 때문에 방열판은 열피로 (熱疲勞) 대응을 위해서 열팽창률이 낮은 것이 필요하다. 또한, 경납땜 접합을 실시하는 용도에서는 800 ℃ 정도, 납땜 접합을 실시하는 용도에서는 400 ℃ 정도까지의 열팽창률이 낮은 것이 중요하다. 한편, 방열판은 높은 방열성을 얻기 위해서 높은 열전도율, 특히 판 두께 방향에서의 높은 열전도율을 가지는 것이 필요하다.

본 발명의 방열판은, 고열전도율과 저열팽창률을 겸비한 우수한 열특성을 갖는 것이지만, 구체적으로는, 판 두께 방향에서의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 이 200 W/m·K 이상인 것이 바람직하고, 250 W/m·K 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률이 10.0 ppm/K 이하인 것이 바람직하고, 8.0 ppm/K 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 방열판은, 방식 (防食) 목적이나 다른 부재와의 접합 (경납땜 접합이나 땜납 접합) 을 위해서, 그 표면에 Ni 도금 등의 도금을 실시해도 된다. 이 경우, 도금 피막은 방열판의 열특성에 크게 영향을 주지 않는 정도의 두께로 형성된다. 도금의 종류에 특별한 제한은 없고, 예를 들면, Ni 도금, Au 도금, Ag 도금 등을 적용할 수 있고, 이들 중에서 선택되는 도금을 단독으로 혹은 2 층 이상을 조합하여 실시할 수 있다. 도금 피막은, 방열판의 편면 (최외층인 양 Cu 층 중 일방의 표면) 에만 형성해도 되고, 방열판의 양면에 형성해도 된다.

또한, 방열판의 재질에 따라서는, 방열판 표면에 Ni 도금 등의 도금을 실시할 때의 도금성의 개선을 위해서, 그 하지로서 Cu 도금을 실시하는 경우가 있지만, 본 발명의 방열판은, 최외층이 Cu 층이기 때문에, 그러한 하지 도금을 실시할 필요는 없다.

다음으로, 이상 서술한 본 발명의 방열판의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 방열판의 제조 방법의 일 실시형태에서는, Cu 매트릭스 중에 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는 Cu-Mo 복합재 (a) 와 Cu 재 (b) 를 적층시키고, 이 적층체를 확산 접합한 후, 냉간 압연 (x) 을 실시함으로써, Cu-Mo 복합재 (a) 에 의한 Cu-Mo 복합체층과 Cu 재 (b) 에 의한 Cu 층이 적층된 방열판을 얻는다. 여기서, Cu-Mo 복합재 (a) 는 미리 제작된 것이지만, 이 Cu-Mo 복합재 (a) 는 압연을 실시하지 않는 방법 (예를 들어, 후술하는 (i) ∼ (iii) 의 방법) 으로 제작한 것이어도 되고, 압연 (y) 을 실시하는 방법 (예를 들어, 후술하는 (iv), (v) 의 방법) 으로 제작한 것이어도 된다.

또, 본 발명의 방열판의 제조 방법의 다른 실시형태에서는, Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 비교적 낮은 경우에, 냉간 압연에 의한 에지 균열 등을 방지하기 위해서 하기 (1) 또는/및 (2) 의 온간 압연을 실시한다. 또한, 이 제조 방법에 대해서는, 이후에 상세히 서술한다.

(1) 냉간 압연 (x) 대신에 온간 압연을 실시한다.

(2) 압연 (y) 을 온간 압연으로 실시한다.

Cu-Mo 복합재 (a) 와 Cu 재 (b) 의 두께는, 제조하고자 하는 방열판의 Cu-Mo 복합체층과 Cu 층의 두께에 따라 적절히 선택된다.

또한, Cu-Mo 복합재 (a) 와 Cu 재 (b) 는, 각각 단체의 판재로 구성해도 되지만, Cu-Mo 복합재 (a) 를 적층한 복수 장의 얇은 Cu-Mo 복합재 (단위 Cu-Mo 복합재 (a_u)) 로 구성해도 되고, Cu 재 (b) 를 적층한 복수 장의 얇은 Cu 재 (단위 Cu 재 (b_u)) 로 구성해도 된다. 이것은, Cu-Mo 복합재나 Cu 재는 압연의 압하율을 크게 한 경우에 얇아질 가능성이 있기 때문이다. 따라서, 그 경우에는, (1) 복수 장의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 로 이루어지는 Cu-Mo 복합재 (a) 와 단체의 Cu 재 (b) 를 적층시키는 것, (2) 단체의 Cu-Mo 복합재 (a) 와 복수 장의 단위 Cu 재 (b_u) 로 이루어지는 Cu 재 (b) 를 적층시키는 것, (3) 복수 장의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 로 이루어지는 Cu-Mo 복합재 (a) 와 복수 장의 단위 Cu 재 (b_u) 로 이루어지는 Cu 재 (b) 를 적층시키는 것 중 어느 것에 의한 적층체로 하여, 이 적층체를 확산 접합한다.

여기서, 상기와 같이 Cu-Mo 복합재 (a) 를 적층한 복수 장의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 로 구성하는 경우, 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 끼리의 접합성을 높이기 위해서, 복수 장의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 를 Cu 박판 (Cu 박의 경우를 포함한다) 을 개재하여 적층시키고 (즉, 각 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 사이에 얇은 Cu 판을 개재 장착한다), 이 Cu 박판을 개재하여 확산 접합하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 방열판의 Cu-Mo 복합체층 중의 접합용의 Cu 층은, 그 Cu 박판이 압연에 의해 더욱 얇게 연신된 것이다. 따라서, 이 Cu 박판은, 방열판의 Cu-Mo 복합체층 중의 접합용의 Cu 층의 두께가 75 ㎛ 이하 (보다 바람직하게는 25 ㎛ 이하) 가 되는 두께의 것이 바람직하다.

적층체의 확산 접합을 실시하는 방법에 특별히 제한은 없지만, 방전 플라즈마 소결 (SPS), 핫 프레스에 의한 확산 접합이 바람직하다.

Cu-Mo 복합재 (a) 는, 하기와 같은 것을 사용할 수 있다. 또, Cu 재 (b) 로는, 통상적으로 순 Cu 판 (순 Cu 박을 포함한다) 을 사용한다.

먼저 서술한 바와 같이, Cu-Mo 복합재는, 압연함으로써 열팽창률이 저하되는 것이 정성적으로 알려져 있고, 종래 기술에서도 Cu-Mo 복합재의 압연이 실시되고 있지만, Mo 입자는 단단하고 1 차 입자가 작은 점에서, 압연에 의해 변형되기 어렵다고 생각되고 있고, 이 때문에 Cu-Mo 복합재의 압연은, 오로지 200 ∼ 400 ℃ 정도의 온간 압연으로 실시되고 있다. 또, 65 mass％ Mo - 35 mass％ Cu 복합재에 대해 2 차 압연으로 냉간 압연을 실시하는 방법도 제안되고 있지만, 1 차 압연에서는 온간 압연을 실시하고 있다.

그러나, 이상과 같은 종래의 인식과 이것에 기초하는 제조 방법에 대하여, Cu-Mo 복합재 (특히 Cu 함유량이 그만큼 낮지 않은 Cu-Mo 복합재) 의 압연을 온간 압연으로 실시하면, Mo 입자의 변형이 적절히 진행되지 않기 때문에 열팽창률을 저하시키는 효과가 부족한 것, 이에 반하여, 압연을 냉간 압연으로 실시하면, Mo 입자의 변형이 적절히 진행되어 열팽창률이 효과적으로 저하되는 것을 알 수 있다. 또, Cu-Mo 복합재의 Cu 함유량이 비교적 낮은 (예를 들어, 20 질량％ 미만) 경우에는, 냉간 압연을 실시하면 압하율에 따라서는 에지 균열 등을 일으킬 우려가 있기 때문에, 일부 또는 전부의 압연을 온간 압연으로 하는 편이 좋은 경우가 있지만, Cu 함유량이 20 질량％ 이상이고 또한 압하율이 극단적으로 높지 않은 경우에는, Cu-Mo 복합재의 압연을 냉간 압연만으로 실시해도, 큰 에지 균열이 생기지도 않고, 양호한 압연판이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 온간 압연과 냉간 압연에서 Mo 입자의 소성 변형 형태가 크게 상이한 것은, 다음과 같은 이유에 의한 것이라고 생각된다.

Cu-Mo 복합재를 압연한 경우, Mo 와 Cu 의 항복 응력의 차이로부터, 압연 초기에는 Mo 입자는 변형되기 보다도 Cu 매트릭스 내에서의 상대 위치를 변화시키고, 압연이 진행되면서 판 두께 방향에서 Mo 입자끼리 접촉해 가면 변형을 일으키는 경향이 있다. 냉간 압연에서는, Cu 의 가공 경화가 발생하는 점에서, 압연의 진행에 수반하여 Mo 입자를 Cu 상에 의해 변형시킬 수 있게 되고, 이 때문에 Mo 입자의 변형이 적절히 진행되는 것이라 생각된다. 이에 반하여, 온간 압연에서는 Mo 입자의 Cu 매트릭스 내에서의 상대 위치 변화가 보다 용이해져, Cu 의 가공 경화도 생기기 어렵기 때문에, 냉간 압연에 비하여 Mo 입자를 Cu 상에 의해 변형시키는 작용이 충분히 얻어지지 못하고, 이 때문에 Mo 입자의 변형이 적절히 진행되지 않는 것이라 생각된다.

이와 같은 Cu-Mo 복합재에서의 Mo 입자의 소성 변형 형태의 차이는, Cu-Mo 복합재의 Cu 함유량이 많아질수록 현저해진다. 이것은, 온간 압연에서는 Cu 의 가공 경화를 이용할 수 없는 것에 더하여, Cu 가 많은 만큼, Mo 입자가 Cu 매트릭스 내에서 상대 위치를 변화시키기 쉬워지는 것에 비하여, 냉간 압연에서는 Cu 가 많은 만큼, Cu 의 가공 경화의 영향을 보다 많이 받기 때문인 것으로 생각된다. Cu 는 열전도율이 높지만 열팽창률도 높기 때문에, Cu-Mo 복합재의 Cu 함유량이 많아지면 열팽창률의 면에서 문제를 일으키기 쉽지만, 소정의 고압하율로 냉간 압연을 실시함으로써, Cu-Mo 복합재의 열팽창률을 효과적으로 저하시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 후술하는 바와 같이, 압연의 일부에 온간 압연을 도입하여, 냉간 압연과 온간 압연을 병용하는 경우에도 그 냉간 압연에 의해 열팽창률의 저하 효과를 기대할 수 있다.

또한, Cu-Mo 복합재의 Cu 함유량이 비교적 적은 경우 (예를 들면, Cu 함유량 30 ％ 질량 이하) 에서도, 그 정도는 상대적으로 작아지지만, 상기와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 한편, Cu-Mo 복합재의 Cu 함유량이 비교적 적은 경우에는, 상기 서술한 바와 같이 Mo 에 의한 구속이 강화되므로, 이러한 면으로부터의 열팽창률의 저하 효과를 기대할 수 있다.

Cu-Mo 복합재 (a) 는 사전에 제작되는 것이지만, Cu-Mo 복합재 (a) 로는 예를 들면, 하기 (i) ∼ (iii) 중 어느 방법으로 얻어진 것을 사용할 수 있다.

(i) Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정을 거쳐 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a)

(ii) Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정을 거쳐 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a)

(iii) Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정을 거쳐 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a)

이상의 (i) ∼ (iii) 중 어느 방법으로 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a) 는 냉간 압연이 실시되지 않기 때문에, 클래드재의 냉간 압연 (x) 에서는 압하율 70 ∼ 99 ％, 보다 바람직하게는 80 ∼ 99 ％, 특히 바람직하게는 90 ∼ 96 ％ 로 압연하는 것이 바람직하다. 이 압하율은 Cu-Mo 복합재 (a) 의 압하율이기도 하다. 이와 같이 고압하율로 냉간 압연함으로써 열팽창률을 저하시키는 효과가 얻어지고, 또한, 압하율이 과잉으로 높으면 열전도율이 저하되는 경향이 있기 때문에, 압하율의 상한을 99 ％, 바람직하게는 96 ％ 로 함으로써 열전도율의 저하를 억제하면서 열팽창률을 효과적으로 저하시킬 수 있다. 냉간 압연 (x) 은 복수 패스로 실시된다.

냉간 압연 (x) 은 1 방향 압연으로 해도 되지만, 판면 내에서 직교하는 2 방향 (X 축 방향, Y 축 방향) 사이의 열팽창률의 차를 작게 하여 면 내 이방성을 줄이기 위해서, 직교하는 2 방향에서 압연을 실시하는 크로스 압연을 실시해도 된다. 여기서, 직교하는 2 방향에서의 압연은 상이한 압하율로 해도 되지만, X 축 방향과 Y 축 방향에서 열팽창률 차가 없는 균일한 열특성을 가지는 압연판을 얻고자 하는 경우에는 동일한 압하율로 압연하는 것이 바람직하다.

또한, Cu-Mo 복합재 (a) 로는 하기 (iv) 또는 (v) 의 방법으로 얻어진 것을 사용해도 된다.

(iv) Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정과, 상기 치밀화 처리된 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 거쳐 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a)

(v) Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정과, 상기 Cu 를 함침시킨 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 거쳐 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a)

압연 (y) 은 냉간 압연으로 실시할 수 있다. Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 30 질량％ 이하인 경우에도 압연 (y) 을 냉간 압연으로 실시할 수 있지만, 경우에 따라서는 온간 압연으로 실시해도 된다. 또, 압연 (y) 은, 1 방향 압연으로 해도 되는데, 판면 내에서 직교하는 2 방향 (X 축 방향, Y 축 방향) 사이의 열팽창률의 차를 작게 하여 면 내 이방성을 줄이기 위해서, 직교하는 2 방향에서 압연을 실시하는 크로스 압연을 실시해도 된다. 여기서, 직교하는 2 방향에서의 압연은, 상이한 압하율로 실시해도 되는데, X 축 방향과 Y 축 방향에서 열팽창률차가 없는 균일한 열특성을 갖는 Cu-Mo 복합재 (a) 를 얻고자 하는 경우에는, 동일한 압하율로 압연하는 것이 바람직하다.

이상의 (iv) 또는 (v) 의 방법으로 얻어진 Cu-Mo 복합재 (a) 는 압연 (y) 이 실시되고 있기 때문에, 클래드재의 냉간 압연 (x) 에서는, 냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 70 ∼ 99 ％, 보다 바람직하게는 80 ∼ 99 ％, 특히 바람직하게는 90 ∼ 96 ％ 가 되는 압하율로 압연하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기와 같다. 또한, 상기 서술한 크로스 압연과 마찬가지의 이유로부터, 압연 (y) 으로 Cu-Mo 복합재 (a) 를 1 방향 압연한 경우에는, 냉간 압연 (x) 에서는 Cu-Mo 복합재를 압연 (y) 의 압연 방향과 직교하는 방향으로 압연해도 된다.

또, 본 발명의 방열판의 제조에 있어서, Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 비교적 낮은 경우에는, 재료의 총 압하율에 따라 다르기도 하지만, 냉간 압연에 의한 에지 균열 등을 방지하기 위해서, 온간 압연을 도입한 제조 방법 (단, Cu-Mo 복합재 (a) 의 압연 (y) 을 실시하지 않는 제조 방법을 포함한다) 으로 하는 것이 바람직하고, 이 제조 방법에서는, 예를 들어, 다음과 같은 조건으로 온간 압연을 실시하는 것이 바람직하다.

즉, 재료의 총 압하율 (Cu-Mo 복합재 단체에서의 압하율과 클래드재 압연시의 Cu-Mo 복합재의 압하율을 합한 총 압하율) 이 70 ％ 이상이며, Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 20 mass％ 미만인 경우에는, 하기 (1) 또는/및 (2) 의 온간 압연을 실시하는 것이 바람직하고, 특히 Cu 함유량이 15 mass％ 이하인 경우에는, 하기 (1) 및 (2) 의 온간 압연을 실시하는 것이 바람직하다. 또, Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 20 ∼ 30 mass％ 이고, 재료의 총 압하율이 특별히 높은 경우 (예를 들어, 총 압하율 96 ％ 이상) 에도, 하기 (1) 또는/및 (2) 의 온간 압연을 실시하는 것이 바람직하다.

(1) 상기 냉간 압연 (x) 대신에 온간 압연을 실시한다.

(2) 상기 압연 (y) 을 온간 압연으로 실시한다.

앞서 서술한 바와 같이, 온간 압연에서는 Mo 입자의 Cu 매트릭스 내에서의 상대 위치 변화가 보다 용이해지고, Cu 의 가공 경화도 생기기 어렵기 때문에, 냉간 압연에 비하여 Mo 입자를 Cu 상에 따라 변형시키는 작용이 충분히 얻어지지 않아, 압연에 의한 열팽창률의 저하의 비율이 냉간 압연에 비하여 낮아지는 경향에 있지만, 저 Cu 함유량의 Cu-Mo 복합재인 경우에는, Mo 입자 사이 거리가 짧아지는 점에서 Cu 상과 Mo 입자의 상대 위치 변화가 생기기 어렵기 때문에, Mo 입자가 변형되기 쉽고, 이 때문에 상기와 같은 조건으로 온간 압연을 실시해도, 냉간 압연한 경우와 큰 차이 없는 열특성을 가지는 방열판이 얻어진다.

온간 압연은 200 ∼ 300 ℃ 정도의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 온간 압연의 온도가 300 ℃ 초과에서는, Mo 가 산화하여 표면 산화물이 생성되기 쉬워지고, 그것이 압연 중에 박리하여 제품의 품질에 악영향을 미치는 등의 문제를 일으키기 쉽다.

또, 상기 (1), (2) 중 어느 일방의 온간 압연을 실시하는 경우, Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이나 두께 등에 따라 압연성을 고려하여 어느 일방이 선택된다.

다음으로, Cu-Mo 복합재 (a) 를 얻기 위한 상기 (i) ∼ (v) 의 방법의 공정에 대해 설명한다.

이하의 설명에서, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정을 공정 (A), 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정을 공정 (B), 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정을 공정 (C1), 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정을 공정 (C2), Cu 용침 또는 치밀화 처리한 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 공정 (D) 라고 한다.

공정 (A) 에서는, 통상적인 방법에 따라 Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 한다. 상기 서술한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 제조 방법에서는, 압분체의 소결 후에 Cu 의 용침을 실시하는 경우 (공정 (C1)) 와, 압분체의 소결 후에 Cu 의 용침을 실시하지 않고 치밀화 처리를 실시하는 경우 (공정 (C1)) 가 있지만, 후자의 경우에는 Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량에 알맞은 양의 Cu 분말을 배합한다.

Mo 분말이나 Cu 분말의 순도나 입경은 특별히 한정하지 않지만, 통상적으로 Mo 분말로는 순도가 99.95 질량％ 이상, FSSS 평균 입경이 1 ∼ 8 ㎛ 정도인 것이 사용된다. 또한, Cu 분말로는 통상적으로 전해 구리 분말이나 아토마이즈 구리 분말 등의 순 Cu 이며, 평균 입경 D50 이 5 ∼ 50 ㎛ 정도인 것이 사용된다.

공정 (A) 에서는, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 틀에 충전하고, 사용하는 혼합 분말의 충전성이나 압분체의 성형 밀도의 목표값에 따라 압력을 조정하면서 가압 성형하여 압분체를 얻는다.

공정 (B) 에서는, 공정 (A) 에서 얻어진 압분체를 환원성 분위기 (수소 분위기 등) 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 한다. 이 소결도 통상의 조건으로 실시하면 되고, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말의 압분체인 경우에는 900 ∼ 1050 ℃ (바람직하게는 950 ∼ 1000 ℃) 정도의 온도에서 30 ∼ 1000 분 정도 유지하는 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, Mo 분말의 압분체인 경우에는 1100 ∼ 1400 ℃ (바람직하게는 1200 ∼ 1300 ℃) 정도의 온도에서 30 ∼ 1000 분 정도 유지하는 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.

공정 (C1) 에서는, 공정 (B) 에서 얻어진 소결체 (다공질체) 에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침 (Cu 의 용침) 시켜 Cu-Mo 복합재 (a) 를 얻는다. 이 공정 (C1) 을 실시하는 경우에는, Cu 용침에 의해 원하는 Cu 함유량이 된다.

Cu 의 용침도 통상의 조건으로 실시하면 된다. 예를 들면, 소결체의 상면 및/또는 하면에 Cu 판이나 Cu 분말을 배치하고, 1083 ∼ 1300 ℃ (바람직하게는 1150 ∼ 1250 ℃) 정도의 온도에서 20 ∼ 600 분 유지한다. 비산화성 분위기는 특별히 한정하지 않지만, 수소 분위기가 바람직하다. 또한, 용침한 후의 가공성 향상의 관점에서는, 진공 중에서 용침하는 것이 바람직하다.

여기서, 공정 (B) 와 공정 (C1) 을 차례로 진행하는 경우에, 공정 (A) 에서 얻어진 압분체에 Cu 용침용의 Cu 판이나 Cu 분말을 배치한 상태에서, 먼저 소결 온도로 가열하여 공정 (B) 를 실시하고, 그리고 나서 온도를 Cu 용침 온도까지 상승시켜 공정 (C1) 을 실시하도록 해도 된다.

또, 이 공정 (C1) 에서 얻어진 Cu-Mo 복합재 (용침체) 는 다음 공정에서의 냉간 압연에 앞서, 표면에 잔류한 잉여의 순 Cu 를 제거하기 위해 표면 연삭 (예를 들면, 프레이즈반이나 숫돌 등에 의한 표면 연삭 가공) 을 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 공정 (C1) 을 대신하여 실시하는 공정 (C2) 에서는, 공정 (B) 에서 얻어진 소결체를 치밀화 처리하여 Cu-Mo 복합재 (a) 를 얻는다. 이 경우, 공정 (B) 의 소결 후에, 더욱 온도를 높여 Cu 를 용해하는 처리 (1200 ∼ 1300 ℃ 정도에서 20 ∼ 120 분 정도 유지하는 처리) 를 실시한 후, 공정 (C2) 의 치밀화 처리를 실시해도 된다.

이 치밀화 처리에는 높은 온도와 압력이 필요하고, 핫 프레스, 방전 플라즈마 소결 (SPS), 가열 압연 등의 방법으로 실시할 수 있다. 이 치밀화 처리에 의해 소결체 중의 공극을 줄여 치밀화시키고, 상대 밀도를 높인다.

공정 (D) 에서는, Cu-Mo 복합재 (a) 의 열팽창률을 저하시키는 것을 목적으로 하여, 공정 (C1) 또는 (C2) 에서 얻어진 Cu-Mo 복합재에 소정의 압하율로 압연 (y) 을 실시한다.

또, 공정 (C1) 또는 (C2) 에서 얻어진 Cu-Mo 복합재를 압연하기 전에, 필요에 따라서 800 ∼ 1000 ℃ 정도의 온도에서 균질화 시효 열처리를 실시해도 된다.

본 발명의 방열판은, 냉간 압연 또는 온간 압연인 채로, 혹은 추가로 연질화 시효 열처리를 실시함으로써 제품으로 할 수 있다. 또, 필요에 따라, 반도체의 대좌 (台座) 로서의 사용을 상정한 내식성 및 전해 부식에 대한 성능을 향상시킬 목적으로, 표면에 추가로 Ni 도금 등의 도금을 실시해도 된다. 이 경우, 도금 피막은 방열판의 열특성에 크게 영향을 주지 않는 정도의 막두께로 형성된다. 도금의 종류에 특별한 제한은 없고, 예를 들어, Ni 도금, Au 도금, Ag 도금 등을 적용할 수 있고, 이들 중에서 선택되는 도금을 단독으로 혹은 2 층 이상을 조합하여 실시할 수 있다. 도금은, 방열판의 편면 (최외층인 양 Cu 층 중 일방의 표면) 에만 실시해도 되고, 방열판의 양면에 실시해도 된다.

본 발명의 방열판은, 각종 반도체 모듈이 구비하는 세라믹 패키지나 메탈 패키지 등의 반도체 패키지에 바람직하게 이용할 수 있고, 높은 방열성과 내용성이 얻어진다. 특히, 고열전도율이면서, 낮은 열팽창률이 800 ℃ 를 초과하는 고온에 노출된 후에도 유지되므로, 접합 온도가 750 ℃ 이상으로 높아지는 경납땜 접합을 실시하는 용도 등에 대해서도 문제없이 적용할 수 있다.

실시예

(1) Cu-Mo 복합재의 제조 조건

Mo 분말 (FSSS 평균 입경 : 6 ㎛) 와 순 Cu 분말 (평균 입경 D50 : 5 ㎛) 을 소정의 비율로 혼합한 혼합 분말을 틀 (50 ㎜ × 50 ㎜) 에 넣어 가압 성형하고, 후공정의 냉간 압연에서의 압하율에 따른 두께의 압분체로 하였다. 이 압분체를 수소 분위기 중에서 소결 (1000 ℃, 600 분) 하여 소결체를 얻었다. 이어서, 이 소결체의 상면에 순 Cu 판을 두고, 수소 분위기 중에서 1200 ℃ 로 가열 (유지 시간 180 분) 하여 순 Cu 판을 용해시키고, 이 용해시킨 Cu 를 소결체에 함침시킴으로써 소정의 Cu 함유량의 Cu-Mo 복합재를 얻었다. 이 Cu-Mo 복합재를, 표면에 잔류하는 Cu 를 프레이즈반을 사용하여 제거한 후, 소정의 압하율로 1 방향의 압연 (y) (냉간 압연) 을 실시하여 Cu-Mo 복합재를 제작하였다.

(2) 각 공시체의 제조 조건

(2.1) 본 발명예

상기와 같이 하여 얻어진 소정의 판 두께의 Cu-Mo 복합재와 순 Cu 판을, Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu 의 5 층 구조 또는 Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu/(Cu-Mo)/Cu 의 7 층 구조로 적층시키고, 이 적층체를 방전 플라즈마 소결 (SPS) 장치 (스미토모 석탄 광업 (주) 사 제조 「DR.SINTER SPS-1050」) 를 사용하여, 950 ℃, 18 분 유지, 가압력 20 ㎫ 의 조건으로 확산 접합시켰다. 이어서, 상기 Cu-Mo 복합재의 압연 (y) (냉간 압연) 과 동일한 압하율로, 압연 (y) 의 압연 방향과 직교하는 방향으로 압연 (냉간 압연) 하여, 본 발명예의 방열판 (판 두께 1 ㎜) 을 제조하였다.

(2.2) 비교예

Cu-Mo 복합재와 순 Cu 판을 Cu/(Cu-Mo)/Cu 의 3 층 구조로 한 것 이외에는, 본 발명예와 동일한 조건으로 비교예의 방열판 (판 두께 1 ㎜) 을 제조하였다 (비교예 1, 2, 11).

또, 상기 Cu-Mo 복합재 단체도 비교예의 방열판 (판 두께 1 ㎜) 으로 하였다 (비교예 3 ∼ 10, 12 ∼ 14).

(3) 열특성의 측정

각 공시체에 대하여, 판면 내 열팽창률을 압봉식 변위 검출법으로 측정하고, 50 ℃ - 400 ℃ 와 50 ℃ - 800 ℃ 에 있어서의 각 연신량의 차를 온도차로 나누어, 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률과 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률을 구하였다. 또, 판 두께 방향의 열전도율 (실온에서의 열전도율) 을 플래시법으로 측정하였다.

(4) 열특성의 평가

표 1 ∼ 표 6 에, 각 공시체의 열특성을 제조 조건과 함께 나타낸다. 이것에 의하면, 비교예에 비하여 본 발명예는 판 두께 방향의 열전도율이 대폭 증가한 것을 알 수 있다.

Claims

판 두께 방향에 있어서, Cu 층과 Cu-Mo 복합체층이 교대로 적층됨으로써 3 층 이상의 Cu 층과 2 층 이상의 Cu-Mo 복합체층으로 구성됨과 함께, 양면의 최외층이 Cu 층으로 이루어지는 방열판으로서,
Cu-Mo 복합체층은, Cu 매트릭스 중에 편평한 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항에 있어서,
양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ≤ t₂ 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 2 항에 있어서,
양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 판 두께 T 가 t₁/T ≤ 0.2 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
양면의 최외층인 Cu 층 (1a) 의 두께 t₁ 과 중간층인 Cu 층 (1b) 의 두께 t₂ 가 t₁ ＜ t₂ 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 4 항에 있어서,
Cu 층과 Cu-Mo 복합체층의 전체 층수가 9 층 이상인 방열판으로서, 중간층인 복수의 Cu 층 (1b) 은, 판 두께 중심에 가까운 Cu 층 (1b) 일수록 두께 t₂ 가 두꺼운 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합체층은, 복수의 단위 Cu-Mo 복합체층이 두께 75 ㎛ 이하인 접합용의 Cu 층을 개재하여 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합체층은 Cu 함유량이 10 ∼ 50 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합체층은 Cu 함유량이 20 ∼ 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
판 두께 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상, 50 ℃ 에서 800 ℃ 까지의 판면 내 평균 열팽창률이 10.0 ppm/K 이하인 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
적층된 Cu 층과 Cu-Mo 복합체층으로 이루어지는 방열판 본체의 편면 또는 양면에 도금 피막이 형성된 것을 특징으로 하는 방열판.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방열판의 제조 방법으로서,
Cu 매트릭스 중에 Mo 상이 분산된 판 두께 단면 조직을 갖는 Cu-Mo 복합재 (a) 와 Cu 재 (b) 를 적층시키고, 그 적층체를 확산 접합한 후, 냉간 압연 (x) 을 실시함으로써, Cu-Mo 복합재 (a) 에 의한 Cu-Mo 복합체층과 Cu 재 (b) 에 의한 Cu 층이 적층된 방열판을 얻는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
냉간 압연 (x) 의 압하율이 70 ∼ 99 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
냉간 압연 (x) 의 압하율이 90 ∼ 96 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
냉간 압연 (x) 을 크로스 압연으로 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체를 치밀화 처리하는 공정과, 상기 치밀화 처리된 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, Mo 분말 또는 Mo 분말과 Cu 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체로 하는 공정과, 상기 압분체를 환원성 분위기 중 또는 진공 중에서 소결하여 소결체로 하는 공정과, 상기 소결체에 비산화성 분위기 중 또는 진공 중에서 용융한 Cu 를 함침시키는 공정과, 상기 Cu 를 함침시킨 Cu-Mo 복합재에 압연 (y) 을 실시하는 공정을 거쳐 얻어진 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 70 ∼ 99 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 20 항에 있어서,
냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 90 ∼ 96 ％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
압연 (y) 을 크로스 압연으로 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
압연 (y) 으로 Cu-Mo 복합재 (a) 를 1 방향 압연한 경우에, 냉간 압연 (x) 으로는, Cu-Mo 복합재를 압연 (y) 의 압연 방향과 직교하는 방향으로 압연하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, 복수의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 가 적층된 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는, 복수의 단위 Cu-Mo 복합재 (a_u) 가 접합용의 Cu 박판을 개재하여 적층된 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu 재 (b) 는, 복수의 단위 Cu 재 (b_u) 가 적층된 것임을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는 Cu 함유량이 10 ∼ 50 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 11 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 는 Cu 함유량이 20 ∼ 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 27 항에 있어서,
Cu-Mo 복합재 (a) 의 Cu 함유량이 20 mass％ 미만이고, 냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 70 ％ 이상인 제조 방법 (단, Cu-Mo 복합재 (a) 의 압연 (y) 을 실시하지 않는 제조 방법을 포함한다) 으로서,
하기 (1) 또는/및 (2) 의 온간 압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
(1) 냉간 압연 (x) 대신에 온간 압연을 실시한다.
(2) 압연 (y) 을 온간 압연으로 실시한다.
제 28 항에 있어서,
냉간 압연 (x) 과 압연 (y) 을 합한 Cu-Mo 복합재 (a) 의 총 압하율이 96 ％ 이상인 제조 방법 (단, Cu-Mo 복합재 (a) 의 압연 (y) 을 실시하지 않는 제조 방법을 포함한다) 으로서,
하기 (1) 또는/및 (2) 의 온간 압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
(1) 냉간 압연 (x) 대신에 온간 압연을 실시한다.
(2) 압연 (y) 을 온간 압연으로 실시한다.
제 11 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
적층된 Cu-Mo 복합체층과 Cu 층으로 이루어지는 방열판 본체의 편면 또는 양면에 도금 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열판의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방열판을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
제 32 항에 기재된 반도체 패키지를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.