KR20200093035A - 클래드재 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
프레스 가공에 의해 펀칭해도(열충격보다 높은 전단력을 가해도), 크랙이나 박리의 발생을 방지할 수 있는, 클래드재 및 그 제조 방법을 제공한다. 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어진 Cu-그라파이트층(12)의 각각의 면에, 적어도 한쪽 면에 Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막(10a)이 형성된 Mo-Cu층(10)을, 그 금속막(10a)이 맞닿도록 배치한 후, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이에 압력을 가하면서 가열한다.
Description
본 발명은, 클래드재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 전자 부품 탑재 기판용 방열판의 재료에 적합한 클래드재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전자 부품 탑재 기판용 방열판은, 파워 모듈이나 무선 주파수(RF) 모듈 등에 사용되는 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터 발생하는 열을 효율적으로 방산시킬 필요가 있기 때문에, 열전도성이 우수한 것이 요구되고 있다.
이와 같은 방열판의 재료로서, 흑연, 탄소 섬유, 카본 나노 튜브 등의 결정성 카본재층과, Cu, Al, Ag, Mg, W, Mo, Si, Zn 등의 금속층을 적층하여 복합화한 복합체(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 탄소를 주성분으로 하는 치밀질의 기재 위에 구리 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 전열층이 형성된 탄소-금속 복합체(예를 들어, 특허문헌 2 참조), 2개의 금속 기판의 사이에 고온 열분해 그라파이트층이 배치된 열전도 복합재(예를 들어, 특허문헌 3 참조), 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판(예를 들어, 특허문헌 4 참조) 등이 제안되어 있다.
그러나, 이들 종래의 방열판의 재료는, 열전도율이 최대 300W/mK 정도이고, 더 높은 열전도율이 요구되는 파워 트랜지스터를 탑재하는 기판용 방열판의 재료로서 사용하기에는 불충분하다.
이와 같은 문제를 해소하기 위해서, Cu 매트릭스에 탄소 상(相)이 복합화한 복합 재료(Cu-C)로 이루어지는 코어층의 양면에, Mo, Mo-Cu 합금, W, W-Cu 합금, Cr 및 Cr-Cu 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 커버층이 적층된 방열판재가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 5 참조).
그러나, 특허문헌 5의 방열판재는, 방열판을 제작하기 위해서 프레스 가공에 의해 펀칭했을 때의 전단력이나, 방열판에 대한 열충격 등에 의해, 코어층과 커버층의 계면에서 박리하는 경우가 있었다.
따라서, 본 발명은, 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여, 프레스 가공에 의해 펀칭해도(열충격보다 높은 전단력을 가해도), 크랙이나 박리의 발생을 방지할 수 있는, 클래드재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어진 Cu-그라파이트층의 각각의 면에, 적어도 한쪽 면에 Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막이 형성된 Mo-Cu층을, 그 금속막이 맞닿도록 배치한 후, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층 사이에 압력을 가하면서 가열함으로써, 프레스 가공에 의해 펀칭해도(열충격보다 높은 전단력을 가해도), 크랙이나 박리의 발생을 방지할 수 있는, 클래드재를 제조할 수 있다는 사실을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법은, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어진 Cu-그라파이트층의 각각의 면에, 적어도 한쪽 면에 Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막이 형성된 Mo-Cu층을, 그 금속막이 맞닿도록 배치한 후, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 사이에 압력을 가하면서 가열하는 것을 특징으로 한다.
이 클래드재의 제조 방법에 있어서, Mo-Cu층을 배치할 때, Mo-Cu층의 다른 쪽 면에 Cu로 이루어지는 Cu층을 배치하고, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층 사이에 압력을 가하면서 가열할 때 Mo-Cu층과 Cu층 사이에 압력을 가하면서 가열해도 된다. 이 Cu층은, 압연 구리박으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, Cu-그라파이트층은, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말에 압력을 가하면서 가열해서 소결시킴으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 한쪽 면에 금속막이 형성된 Mo-Cu층은, Mo-Cu 합금으로 이루어지는 Mo-Cu층의 적어도 한쪽 면에, 스퍼터링, 증착 또는 도금에 의해 금속막을 형성함으로써 얻어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 클래드재는, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말의 소결체로 이루어지는 Cu-그라파이트층의 양면에, Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막을 개재하여, Mo-Cu층이 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 클래드재에 있어서, Mo-Cu층의 금속막과 반대측 면에, Cu로 이루어지는 Cu층을 적층해도 된다. 또한, 금속막의 두께는, 10 내지 500㎚인 것이 바람직하고, 금속막은, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층 사이에 단속적으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 프레스 가공에 의해 펀칭해도(열충격보다 높은 전단력을 가해도), 크랙이나 박리의 발생을 방지할 수 있는, 클래드재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 실시 형태를 설명하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제2 실시 형태를 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에 장입한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에서 진동시킨 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에서 가압하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 의해 제조된 벌크재(표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말의 소결체)를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제2 실시 형태를 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에 장입한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에서 진동시킨 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에서 가압하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 의해 제조된 벌크재(표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말의 소결체)를 나타내는 사시도이다.
[제1 실시 형태]
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제1 실시 형태에서는, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어진 Cu-그라파이트층(12)의 각각의 면에, 적어도 한쪽 면에 Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막(10a)이 형성된 Mo-Cu층(10)을, 그 금속막(10a)이 맞닿도록 배치한 후, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이에 압력을 가하면서 가열하여, 이들 층을 접합한다. 또한, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이의 밀착성이나 비용 등의 면에서, 금속막(10a)의 금속은, Co 또는 Ti인 것이 바람직하고, Co인 것이 더욱 바람직하다.
표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말은, 예를 들어 (시판 중인 그라파이트 분말을 체 등으로 분급하여 얻어진) 평균 입경(입자의 길이 방향의 길이(긴 직경)의 평균값)이 100 내지 150㎛(바람직하게는 110 내지 140㎛)인 그라파이트 분말(바람직하게는 비늘형 그라파이트 분말)을 300 내지 400℃에서 30 내지 90분 정도 가열하여 그라파이트 분말의 활성화 처리를 행한 후, (이 활성화 처리한 그라파이트 분말의 표면에 Cu 피막을 양호하게 형성할 수 있도록) 그라파이트 분말 10 내지 20중량부에, 응집제로서 빙초산 1 내지 5중량부(바람직하게는 2 내지 4중량부)와, 황산구리5수화물 50 내지 60중량부와, 순수 5 내지 15중량부와, 치환 용제로서 (Cu 염수 용액의 금속보다 전기 음성도가 큰 0.5 내지 1.0㎜ 크기의) Zn, Fe, Al 등의 과립물 10 내지 20중량부를 첨가해서 슬러리를 제작한 후, 상온에 있어서 교반하면서, 무전해 도금에 의해 (황산구리가 용해되고 남은 슬러리로부터) Cu를 치환 석출시킴으로써 제조할 수 있다. 이와 같이 하여 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을, (대기 중에 있어서의 부식을 방지하기 위해서) 증류수와 황산과 인산과 타르타르산을 (바람직하게는 중량비 75:10:10:5로) 혼합한 용액 중에 15 내지 25분간 침지한 후, (표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말의 표면에 잔존하는 산을 제거하기 위해) 수세하고, 대기 중에 있어서 50 내지 60℃에서 가열하여 건조시킴으로써, 그라파이트 분말의 표면에 두께 0.3 내지 3㎛의 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 얻는 것이 바람직하다.
Cu-그라파이트층(Cu-그라파이트판)(12)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말(100)을 금형(또는 용기)(102) 내에 장입한 후, 이 금형(또는 용기)(102)을 초음파 진동자 등의 진동 수단(104)에 의해 진동시켜, 금형(또는 용기)(102) 내의 (표면에 Cu 피막이 형성된) 그라파이트 분말이 (도 4에 도시한 바와 같이) 특정한 방향(대략 수평 방향)으로 연장되도록 배향시킨 후, (도 5에 있어서 화살표 A로 나타낸 바와 같이) (바람직하게는 배향 조직을 그대로 유지하기 위해서) 금형(또는 용기)(102) 내의 상부로부터의 단축(單軸)을 따른 가압력에 의해 1축 가압 성형하여 소결용 성형체를 제작하고, 이 성형체를 통전 소결 장치에 의해 (바람직하게는 10 내지 100MPa의) 압력을 가하면서 바람직하게는 860 내지 1030℃(Cu의 융점 1083℃보다 223 내지 53℃ 낮은) 온도에서 가열하여 소결시킴으로써 도 6에 도시한 바와 같이, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말이 특정한 방향(대략 수평 방향)으로 배향된 조직을 갖는 벌크재(표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말의 소결체)(106)를 얻은 후, 이 벌크재(106)를 다이아몬드 와이어 절단기나 레이저 등에 의해 (대략 수평 방향으로 배향된) 그라파이트 분말의 배향 방향에 대해서 수직 방향으로 절단하여 얻을 수 있다. 또한, Cu-그라파이트층(Cu-그라파이트판)(12)은, 두께 방향으로 절단한 단면(그라파이트 분말의 배향 방향에 대해서 수직인 단면)에 있어서, Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)이 바람직하게는 10 내지 60면적％(더욱 바람직하게는 20 내지 60면적％)가 되도록 Cu-그라파이트층을 형성한다. 이 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)은, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면(그라파이트 분말의 배향 방향에 대해서 수직인 단면)을 버프 연마한 후, 레이저 현미경에 의해 703㎛×527㎛의 영역을 1024픽셀×768픽셀로 관찰했을 때의 단면에 있어서의 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율로서 산출할 수 있다.
Mo-Cu층(10)은, Mo-Cu 합금으로 이루어지는 (압연) 판재인 것이 바람직하고, 두께 방향으로 절단한 단면을 전자 프로브 마이크로 애널라이저(EPMA)에 의해 분석하면, Cu상과 Mo상의 2상으로 나누어져 있으며, 단면에 있어서의 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율이, 20 내지 80면적％인 것이 바람직하고, 40 내지 60면적％인 것이 더욱 바람직하다. 또한, Mo-Cu층(10)은, 평균 입경 10 내지 50㎛(바람직하게는 20 내지 40㎛)의 Mo-Cu 2상 합금 분말을 금형 내에 장입한 후, 프레스에 의해 150 내지 250MPa(바람직하게는 180 내지 220MPa)의 압력을 가하여, Mo-Cu 분말로 이루어지는 층을 형성한 후에, 50 내지 110MPa(바람직하게는 70 내지 90MPa)의 압력을 가하면서 800 내지 1100℃(바람직하게는 900 내지 1000℃)에서 가열하여 가압 소결시켜(두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Mo-Cu층(10)의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)이 20 내지 80면적％(바람직하게는 40 내지 60면적％)가 되도록) 제작한 Mo-Cu판이어도 된다. 또한, 두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Mo-Cu층(10)의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)은, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면을 버프 연마한 후, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 10200㎛2의 영역을 600배로 관찰하고, 이 단면의 반사 전자 조성(COMPO) 상(像)으로부터, 단면에 있어서의 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율로서 산출할 수 있다.
적어도 한쪽 면에 금속막(10a)이 형성된 Mo-Cu층(10)은, 스퍼터링, 증착 또는 도금에 의해 Mo-Cu층(10)의 적어도 한쪽 면에 두께 10 내지 500㎚(바람직하게는 50 내지 100㎚) 금속막(10a)을 형성함으로써 얻을 수 있다. 이 금속막(10a)의 두께가 10㎚ 미만이면, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10)의 접합 강도가 너무 작아서, 클래드재를 프레스 가공에 의해 펀칭할 때 크랙이나 박리가 발생하는 경우가 있고, 두께가 500㎚를 초과하면, 클래드재의 열전도율이 300W/mK 이하로 되는 경우가 있다.
Cu-그라파이트층(12)의 양면에 금속막(10a)을 개재하여 Mo-Cu층(10)을 배치한 후, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이에 50 내지 110MPa(바람직하게는 70 내지 90MPa)의 압력을 가하면서 800 내지 1100℃(바람직하게는 900 내지 1000℃)에서 1 내지 2시간 가열함으로써, Cu-그라파이트층(12)의 표면에 Mo-Cu층(10)이 적층되어 접합된 클래드재를 얻을 수 있다. 또한, Cu-그라파이트층(12)의 양면에 금속막(10a)을 개재하여 Mo-Cu층(10)을 배치할 때 Cu-그라파이트층(12)의 절단면에 Mo-Cu층(10)의 금속막(10a)이 맞닿도록 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 배치함으로써, 클래드재의 두께 방향의 열전도율을 충분히 높일 수 있다.
또한, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10)은, 금속막(10a)을 개재하여 접합되어 있지만, 이 금속막(10a)은, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이에서 연속적으로 배치되어 있을 필요는 없으며, (분단된 부분이 있는 것처럼) 단속적으로 배치되어 있어도 된다. 이와 같이 금속막(10a)이 분단된 부분이 있으면, 클래드재의 두께 방향에 대해서 열저항으로 되기 어려워, 연속적으로 배치되어 있는 경우에 비해 효율적인 열확산이 가능해지리라고 생각된다. 이와 같은 금속막(10a)이 분단된 부분은, 금속막(10a)의 금속 원소의 확산이 진행됨에 따른 영향이며, 이 부분에서는 Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10)이 강고하게 접합되어 있으리라고 생각된다.
[제2 실시 형태]
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 클래드재의 제조 방법의 제2 실시 형태에서는, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어진 Cu-그라파이트층(12)의 각각의 면에, 적어도 한쪽 면에 Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속(바람직하게는 Co 또는 Ti, 더욱 바람직하게는 Co)으로 이루어지는 금속막(10a)이 형성된 Mo-Cu층(10)을, 그 금속막(10a)이 맞닿도록 배치함과 함께, Mo-Cu층(10)의 다른 쪽 면에 Cu로 이루어지는 Cu층(14)을 배치한 후, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이 및 Cu층(14)과 Mo-Cu층(10) 사이에 압력을 가하면서 가열하여 이들 층을 접합한다. Cu층은, 압연 구리박으로 이루어지는 Cu판인 것이 바람직하고, Cu 분말에 프레스에 의해 150 내지 250MPa(바람직하게는 180 내지 220MPa)의 압력을 가하여 제작한 Cu판이어도 된다.
또한, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말 및 그 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어지는 Cu-그라파이트층(12)과, 적어도 한쪽 면에 금속막(10a)이 형성된 Mo-Cu층(10)은, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 방법에 의해 제작할 수 있다.
Cu-그라파이트층(12)의 양면에 금속막(10a)을 개재하여 Mo-Cu층(10)을 배치하고, Mo-Cu층(10)의 다른 쪽 면에 Cu로 이루어지는 Cu층(14)을 배치한 후, Cu-그라파이트층(12)과 Mo-Cu층(10) 사이 및 Cu층(14)과 Mo-Cu층(10) 사이에 50 내지 110MPa(바람직하게는 70 내지 90MPa)의 압력을 가하면서 800 내지 1100℃(바람직하게는 900 내지 1000℃)에서 1 내지 2시간 가열함으로써, Cu-그라파이트층(12)의 표면에 Mo-Cu층(10)이 적층되고, Mo-Cu층의 금속막과 반대측 면에 Cu로 이루어지는 Cu층이 적층되어 접합된 클래드재를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 클래드재의 표면에 수직이며 또한 그라파이트 분말의 배향 방향에 대해서 수직인 방향으로 절단하여 얻어진 단면에 있어서, Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)이 바람직하게는 10 내지 60면적％(더욱 바람직하게는 20 내지 60면적％)가 되도록 Cu-그라파이트층을 형성한다.
또한, 상술한 클래드재의 제조 방법의 제1 및 제2 실시 형태에 의해 제조된 클래드재에 있어서, 클래드재의 두께는, 용도에 따라 다르지만, 예를 들어 고주파 모듈용 베이스판에 사용하는 경우에는, 0.5 내지 2㎜ 정도인 것이 바람직하고, 파워 모듈용 베이스판에 사용하는 경우에는, 2 내지 5㎜ 정도인 것이 바람직하다. 또한, 클래드재의 두께에 대해서, Cu-Mo층(10)은 2 내지 10％, Cu-그라파이트층(12)은 40 내지 96％, Cu층(14)은 0 내지 20％의 두께인 것이 바람직하다.
실시예
이하, 본 발명에 의한 클래드재 및 그 제조 방법의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
[실시예 1]
우선, 시판 중인 비늘형의 그라파이트(흑연) 분말을 체로 분급하여 평균 입경 130㎛의 비늘형 그라파이트 분말을 얻었다. 또한, 이 그라파이트 분말이 평균 입경 130㎛의 비늘형 그라파이트 분말인 것은, 현미경으로 관찰한 화상으로부터 형상 및 평균 입경(긴 직경)을 산출하였다. 얻어진 그라파이트 분말을 350℃에서 60분간 가열하여 그라파이트 분말의 활성화 처리를 행한 후, 그라파이트 분말 15중량부에, 빙초산 3중량부와, 황산구리 5수화물 57중량부와, 순수 10중량부와, (입경 0.7㎜의) Zn 입자 15중량부를 이 순으로 혼합하여 슬러리를 제작한 후, 상온에 있어서 25rpm의 회전수로 교반하면서, 무전해 도금에 의해 (황산구리가 용해되고 남은 슬러리로부터) Cu를 치환 석출시켜, 그라파이트 분말의 표면에 Cu 도금 피막을 형성하였다. 이와 같이 하여 표면에 Cu 도금 피막이 형성된 그라파이트 분말을, 증류수와 황산과 인산과 타르타르산을 중량비 75:10:10:5로 혼합한 용액 중에 20분간 침지한 후, 수세하고, 대기 중에 있어서 55℃에서 가열하여 건조시킴으로써, 표면에 두께 1㎛의 Cu 도금 피막이 형성된 그라파이트 분말을 얻었다.
이 표면에 Cu 도금 피막이 형성된 그라파이트 분말을 금형 내에 장입한 후, 초음파 진동자에 의해 10분간 진동시켜, 금형 내의 (표면에 Cu 도금 피막이 형성된) 그라파이트 분말이 대략 수평 방향으로 연장되도록 배향시킨 후, 금형 내의 상부로부터의 단축을 따른 가압력에 의해 1축 가압 성형하여 소결용 성형체를 제작하고, 이 성형체를 통전 소결 장치에 의해 80MPa의 압력을 가하면서 930℃에서 20분간 가열하여 소결시킴으로써 표면에 Cu 도금 피막이 형성된 그라파이트 분말이 대략 수평 방향으로 배향된 조직을 갖는 벌크재(표면에 Cu 도금 피막이 형성된 그라파이트 분말의 소결체)를 얻었다. 이 벌크재를 다이아몬드 와이어 절단기에 의해 (수평 방향으로 배향된) 그라파이트 분말의 배향 방향에 대해서 수직 방향으로 절단하여, 두께 790㎛의 Cu-그라파이트판(Cu-그라파이트층)을 얻었다.
다음으로, 두께 50㎛의 시판 중인 Mo-Cu 합금(50질량％의 Mo와 잔부로서의 Cu의 합금)으로 이루어지는 판재(Mo-Cu층)의 한쪽 면에, 스퍼터링에 의해 두께 75㎚의 Co막을 형성하고, 이 한쪽 면에 Co막이 형성된 Mo-Cu 합금으로 이루어지는 판재(Mo-Cu층)를 금형 내에 배치하고, 상기 Cu-그라파이트판(Cu-그라파이트층)을 그 절단면이 금형 내의 Mo-Cu층의 한쪽 면에 형성된 Co막에 맞닿도록 배치하고, 또한, 상기 한쪽 면에 Co막이 형성된 Mo-Cu 합금으로 이루어지는 판재(Mo-Cu층)와 마찬가지의 판재를, Co막이 Cu-그라파이트층의 반대측의 절단면에 맞닿도록 금형 내에 배치한 후, 80MPa의 압력을 가하면서 950℃에서 1.5시간 가열하여, 두께 790㎛의 Cu-그라파이트층의 양면에 두께 50㎛의 Mo-Cu층이 적층된 클래드재를 얻었다.
이 클래드재를 두께 방향으로 절단하여 단면을 전자 프로브 마이크로 애널라이저(EPMA)에 의해 분석한바, 얻어진 클래드재가, Cu-그라파이트층의 양면에 Co막을 개재하여 Mo-Cu층이 적층된 클래드재임이 확인되었다.
또한, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면(그라파이트 분말의 배향 방향에 대해서 수직인 단면)을 버프 연마한 후, 레이저 현미경에 의해 703㎛×527㎛의 영역을 1024픽셀×768픽셀로 관찰했을 때의 단면에 있어서의 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)을 산출한바, 30면적％였다.
또한, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면의 10200㎛2의 영역을 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 600배로 관찰하여, 이 단면의 반사 전자 조성(COMPO) 상으로부터, 이 단면에 있어서의 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)을 산출한바, 50면적％였다.
또한, 얻어진 클래드재를 금형에 의해 15㎜×25㎜의 직사각형에 펀칭한 후, 그 단면을 광학 현미경에 의해 100배로 관찰한바, 크랙의 발생은 보이지 않았다.
또한, 얻어진 클래드재의 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 가압 전압 15㎸, 배율 600배, 빔 직경 1㎛로 관찰하고, 그 관찰 영역(200㎛×200㎛의 영역)에 대하여 특성 X선에 의한 면 분석을 (249 픽셀×183 픽셀로) 행한바, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 계면에 Co막이 검출되고, 이 Co막은, 불연속으로 분단한 부분(면 분석에 있어서의 최대 검출 레벨의 1/5 이하의 부분)이 있었다.
또한, 얻어진 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면의 조직 사진을 관찰하여, 클래드재 중의 그라파이트 분말의 배향성을 평가하였다. 이 단면의 조직 사진에 있어서, 소결 시의 가압 방향을 Z축 방향, 이 Z축 방향과 직교하는 방향을 X축 방향이라 하고, 0.5㎜ 간격으로 이격해서 Z축 방향으로 연장되는 10개의 라인과, 0.5㎜ 간격으로 이격해서 X축 방향으로 연장되는 10개의 라인으로 이루어지는 그리드를 상정하고, 이 그리드 중의 라인의 100개의 교점에 존재하는 그라파이트 분말의 비늘형 면의 법선 벡터와 Z축이 이루는 각을 측정한바, 10° 이하인 법선 벡터의 수가 45％, 10°를 초과하고 20° 이하인 법선 벡터의 수가 23％, 20°를 초과하고 30° 이하인 법선 벡터의 수가 21％, 30°를 초과하는 법선 벡터의 수가 11％였다. 이와 같이, 그라파이트 분말의 비늘형 면을 대략 수평 방향(클래드재의 표면에 대략 평행한 방향)으로부터 조금 기울임으로써, 클래드재의 두께 방향의 높은 열전도율을 유지함과 함께, 두께 방향으로 수직인 방향으로의 열전도율을 크게 개선할 수 있다.
[실시예 2]
시판 중인 두께 100㎛의 압연 구리박으로 이루어지는 Cu판(Cu층)을 금형 내에 배치하고, 이 Cu판(Cu층) 위에, 실시예 1과 마찬가지의 한쪽 면에 Co막이 형성된 Mo-Cu 합금으로 이루어지는 판재(Mo-Cu층)를 Co막을 위로 하여 배치하고, 이 Co막 위에, 실시예 1과 마찬가지의 Cu-그라파이트층을 배치하고, 이 Cu-그라파이트층의 위에 실시예 1과 마찬가지의 한쪽 면에 Co막이 형성된 Mo-Cu 합금으로 이루어지는 판재(Mo-Cu층)를 Co막을 아래로 하여 배치하고, 이 Mo-Cu층 위에 상기와 마찬가지의 Cu판(Cu층)을 배치한 후, 80MPa의 압력을 가하면서 950℃에서 1.5시간 가열하여, 두께 790㎛의 Cu-그라파이트층의 양면에 두께 50㎛의 Mo-Cu층이 적층되고, 이들 Mo-Cu층의 외측 면에 두께 100㎛의 Cu층이 적층된 클래드재를 얻었다.
이 클래드재를 두께 방향으로 절단하여 단면을 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 분석한바, 얻어진 클래드재가, Cu-그라파이트층의 양면에 Co막을 개재하여 Mo-Cu층이 적층되고, 이들 Mo-Cu층의 외측 면에 Cu층이 적층된 클래드재임이 확인되었다.
또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)과 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)을 산출한바, 각각 30면적％와 50면적％였다.
또한, 얻어진 클래드재를, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금형으로 펀칭한 후, 그 단면을 관찰한바, 크랙의 발생은 보이지 않았다.
또한, 클래드재의 단면 분석에 있어서, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 경계 부분의 직경 10㎛의 원의 범위에서 원소 분석을 행한바, Co가 0.4질량％, Cu가 72.5질량％이며, Cu에 대한 Co의 질량의 비율이 0.55질량％였다.
또한, 얻어진 클래드재의 두께 방향의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정한바, 458W/m·K였다.
[비교예 1]
Mo-Cu층의 한쪽 면에 Co막을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 얻었다.
이 클래드재를 두께 방향으로 절단하여 단면을 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 분석한바, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 계면에 Co는 존재하지 않고, 얻어진 클래드재가, Cu-그라파이트층의 양면에 Mo-Cu층이 적층된 클래드재임이 확인되었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)과 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)을 산출한바, 각각 30면적％와 50면적％였다. 또한, 얻어진 클래드재를, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금형으로 펀칭한 후, 그 단면을 관찰한바, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 계면 부근에 크랙이 발생해 있었다.
[비교예 2]
Mo-Cu층의 한쪽 면에 Co막을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 2와 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 얻었다.
이 클래드재를 두께 방향으로 절단하여 단면을 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 분석한바, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 계면에 Co는 존재하지 않고, 얻어진 클래드재가, Cu-그라파이트층의 양면에 Mo-Cu층이 적층되고, 이들 Mo-Cu층의 외측 면에 Cu층이 적층된 클래드재임이 확인되었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)과 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)을 산출한바, 각각 30면적％와 50면적％였다. 또한, 얻어진 클래드재를, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금형으로 펀칭한 후, 그 단면을 관찰한바, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 계면 부근에 크랙이 발생해 있었다.
[비교예 3]
Co막 대신에 Cr막을 Mo-Cu층의 한쪽 면에 형성한 것 이외에는, 실시예 2와 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 얻었다.
이 클래드재를 두께 방향으로 절단하여 단면을 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 분석한바, 얻어진 클래드재가, Cu-그라파이트층의 양면에 Cr막을 통해 Mo-Cu층이 적층되고, 이들 Mo-Cu층의 외측 면에 Cu층이 적층된 클래드재임이 확인되었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 두께 방향으로 절단한 단면에 있어서의 Cu-그라파이트층의 면적에 대해서 Cu가 차지하는 면적의 비율(면적률)과 Mo-Cu층의 면적에 대해서 Cu상이 차지하는 면적의 비율(면적률)을 산출한바, 각각 30면적％와 50면적％였다. 또한, 얻어진 클래드재를, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금형으로 펀칭한 후, 그 단면을 관찰한바, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층의 계면 부근에 크랙이 발생해 있었다.
[실시예 3]
Co막 대신에 Ti막을 Mo-Cu층의 한쪽 면에 형성한 것 이외에는, 실시예 2와 마찬가지의 방법에 의해, 클래드재를 얻었다.
이 클래드재를 두께 방향으로 절단하여 단면을 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해 분석한바, 얻어진 클래드재가, Cu-그라파이트층의 양면에 Ti막을 통해 Mo-Cu층이 적층되고, 이들 Mo-Cu층의 외측 면에 Cu층이 적층된 클래드재임이 확인되었다. 또한, 얻어진 클래드재를, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금형으로 펀칭한 후, 그 단면을 관찰한바, 크랙의 발생은 보이지 않았다. 또한, 얻어진 클래드재의 두께 방향의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정한바, 420W/m·K였다.
본 발명에 의한 클래드재는, 전자 부품 탑재 기판용 방열판의 재료로서 이용할 수 있다.
10: Mo-Cu층
10a: 금속막
12: Cu-그라파이트층
14: Cu층
10a: 금속막
12: Cu-그라파이트층
14: Cu층
Claims (11)
- 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말을 소결시켜 얻어진 Cu-그라파이트층의 각각의 면에, 적어도 한쪽 면에 Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막이 형성된 Mo-Cu층을, 그 금속막이 맞닿도록 배치한 후, Cu-그라파이트층과 Mo-Cu층 사이에 압력을 가하면서 가열하는 것을 특징으로 하는, 클래드재의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 Mo-Cu층을 배치할 때, 상기 Mo-Cu층의 다른 쪽 면에 Cu로 이루어지는 Cu층을 배치하고, 상기 Cu-그라파이트층과 상기 Mo-Cu층 사이에 압력을 가하면서 가열할 때, 상기 Mo-Cu층과 Cu층 사이에 압력을 가하면서 가열하는 것을 특징으로 하는, 클래드재의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 Cu층이, 압연 구리박으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 클래드재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 Cu-그라파이트층이, 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말에 압력을 가하면서 가열하여 소결시킴으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 클래드재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 한쪽 면에 상기 금속막이 형성된 Mo-Cu층이, 상기 Mo-Cu층의 적어도 한쪽 면에, 스퍼터링, 증착 또는 도금에 의해 상기 금속막을 형성함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 클래드재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 Cu 피막이, Cu 도금 피막인 것을 특징으로 하는, 클래드재의 제조 방법. - 표면에 Cu 피막이 형성된 그라파이트 분말이 소결체로 이루어지는 Cu-그라파이트층의 양면에, Co, Ti, Pd, Pt 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속으로 이루어지는 금속막을 개재하여, Mo-Cu층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는, 클래드재.
- 제7항에 있어서,
상기 Mo-Cu층의 상기 금속막과 반대측 면에, Cu로 이루어지는 Cu층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는, 클래드재. - 제7항에 있어서,
상기 금속막의 두께가 10 내지 500㎚인 것을 특징으로 하는, 클래드재. - 제7항에 있어서,
상기 금속막이, 상기 Cu-그라파이트층과 상기 Mo-Cu층 사이에 단속적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 클래드재. - 제7항에 있어서,
상기 Cu 피막이, Cu 도금 피막인 것을 특징으로 하는, 클래드재.
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