KR20200121311A - 복합 재료, 및 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소계 물질을 포함하는 탄소계 입자와, 상기 탄소계 입자의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 구비하는 피복 입자와, 상기 피복 입자끼리를 결합하는 구리상(相)을 구비하고, 상기 탄화물층은, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물을 포함하며, 상기 탄소계 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것인 복합 재료를 제공한다.

Description

복합 재료, 및 복합 재료의 제조 방법
본 개시는 복합 재료, 및 복합 재료의 제조 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 02월 21일자의 일본국 출원의 특원 제2018-029077에 기초한 우선권을 주장하고, 상기 일본국 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.
특허문헌 1은, 반도체 소자의 히트 싱크(방열 부재)에 적합한 재료로서, 다이아몬드와 금속의 복합 재료를 개시한다. 이 복합 재료는, 다이아몬드 입자의 표면에 탄화물층을 구비한 피복 다이아몬드 입자가 은(Ag)과 구리(Cu)의 합금(Ag-Cu 합금) 중에 분산되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2004-197153호 공보
본 개시의 복합 재료는,
탄소계 물질을 포함하는 탄소계 입자와, 상기 탄소계 입자의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 구비하는 피복 입자와,
상기 피복 입자끼리를 결합하는 구리상(相)을 구비하고,
상기 탄화물층은, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물을 포함하며,
상기 탄소계 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하이다.
본 개시의 복합 재료의 제조 방법은,
제1 층과, 제2 층을 적층한 적층체를 형성하는 공정과,
상기 적층체를 가열하는 공정을 포함하고,
상기 제1 층은,
탄소계 물질을 포함하는 제1 분말과,
Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물 및 상기 원소 단체(單體) 중 적어도 한쪽을 포함하는 제2 분말을 포함하며,
상기 제2 층은,
Cu 및 불가피 불순물을 포함하는 구리 소재와,
상기 제2 분말을 포함하고,
상기 가열하는 공정에서는,
1 ㎩ 이하의 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기, 또한 무가압의 상태에서의 가열에 의해, 용융된 상기 구리 소재와, 상기 제1 분말을 복합한다.
도 1a는 실시형태의 복합 재료를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 파선원(B) 내를 확대하여 도시한 부분 단면도이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 파선원(C) 내를 확대하여 도시한 부분 단면도이다.
도 2a는 시험예 1에서 제작한 시료 No.45의 단면을 현미경으로 관찰한 현미경 사진의 일례이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 현미경 관찰상을 이용하여 탄화물층의 두께의 측정 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 시험예 1에서 제작한 시료 No.45의 단면을 현미경으로 관찰한 현미경 사진의 다른 예이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
전술한 반도체 소자의 방열 부재 등과 같은 방열 부재의 소재로서, 열특성이 우수하면서, 제조성도 우수한 복합 재료가 요망되고 있다. 특히, 방열 부재로서의 사용 초기에 높은 열전도율을 갖는 것에 더하여, 냉열 사이클을 받은 경우에도 열전도율의 저하가 적고, 높은 열전도율을 유지하기 쉬운 복합 재료가 요망된다.
특허문헌 1에 기재되는 Ag-Cu 합금에서의 Ag의 함유량은, 72 질량%이다. 이 Ag-Cu 합금의 융점은 낮다. 그 때문에, 용침(infiltration) 온도를 낮게 할 수 있다. 또한, 상기 Ag-Cu 합금에서는, Cu보다 높은 열전도율을 갖는 Ag가 많다. 이러한 Ag-Cu 합금을 포함하는 복합 재료는, 열전도율을 높일 수 있다. 그러나, 상기 Ag-Cu 합금은, Cu보다 무거운 Ag를 많이 포함하기 때문에, 중량의 증대를 초래한다. 또한, 상기 Ag-Cu 합금은, 고가의 Ag를 많이 포함하기 때문에, 원료 비용의 증대도 초래한다. 따라서, Ag를 이용하지 않아도 열특성이 우수한 데다가 제조성도 우수한 복합 재료가 요망된다.
그래서, 본 개시는 열특성이 우수한 데다가 제조성도 우수한 복합 재료를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다. 또한, 본 개시는 열특성이 우수한 복합 재료를 생산성 좋게 제조할 수 있는 복합 재료의 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적의 하나로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시의 복합 재료는, 열특성이 우수한 데다가 제조성도 우수하다. 본 개시의 복합 재료의 제조 방법은, 열특성이 우수한 복합 재료를 생산성 좋게 제조할 수 있다.
[본 개시의 실시형태의 설명]
최초로 본 개시의 실시양태를 열기하여 설명한다.
(1) 본 개시의 일 양태에 따른 복합 재료는,
탄소계 물질을 포함하는 탄소계 입자와, 상기 탄소계 입자의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 구비하는 피복 입자와,
상기 피복 입자끼리를 결합하는 구리상을 구비하고,
상기 탄화물층은, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물을 포함하며,
상기 탄소계 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하이다.
이하, 「Si(규소), Ti(티탄), Zr(지르코늄), 및 Hf(하프늄)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소」를 「특정 원소」라고 부르는 경우가 있다.
본 개시의 복합 재료는, 이하에 설명하는 바와 같이 열특성이 우수한 데다가, 제조성도 우수하다. 또한, 본 개시의 복합 재료는, 열특성이 우수한 데다가, 탄소계 물질과 Cu(구리)의 중간의 선팽창 계수를 갖는다. 대표적으로는 본 개시의 복합 재료의 선팽창 계수는, 반도체 소자의 선팽창 계수나 반도체 소자의 주변 부품(예, 절연 기판 등)의 선팽창 계수에 가깝다. 그 때문에, 본 개시의 복합 재료는, 이들과의 선팽창 계수의 정합성이 우수하다. 이러한 본 개시의 복합 재료는, 반도체 소자의 방열 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다.
(열특성)
본 개시의 복합 재료는, 이하의 이유 (a)~(c)에 의해, 열전도성이 우수하다.
(a) 본 개시의 복합 재료는, 다이아몬드 등으로 대표되는 고열전도율을 갖는 탄소계 입자와, 고열전도율을 갖는 Cu를 주체로 한다.
(b) 대표적으로는, 피복 입자는, 구리상 중에 분산된 상태로 존재한다. 또한, 탄소계 입자와 구리상이 탄화물층을 통해 밀착된다. 그 때문에, 탄소계 입자와 구리상 사이에 기공이 매우 적다. 따라서, 기공에 기인하여, 탄소계 입자와 구리상의 양자 사이에 있어서 열전달이 저하되는 것을 저감할 수 있다.
(c) 탄소계 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상이고, 탄소계 입자가 지나치게 작지 않다. 그 때문에, 복합 재료 중에서의 탄소계 입자의 분말 입계가 지나치게 많은 것에 기인하여 열전도율이 저하되는 것을 저감할 수 있다.
본 개시의 복합 재료는, 냉열 사이클을 받아도, 열전도율의 저하가 적고, 높은 열전도율을 갖는다, 즉 냉열 사이클 특성도 우수하다고 고려된다. 그 이유의 하나로서, 탄소계 입자의 평균 입경이 100 ㎛ 이하이고, 탄소계 입자가 지나치게 크지 않은 것을 들 수 있다. 상세한 이유는 후술한다.
(제조성)
(d) 본 개시의 복합 재료는, 예컨대 후술하는 (10)의 복합 재료의 제조 방법을 이용하여 제조하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 제조 과정에서는, 상기한 탄화물층은, 탄소계 입자의 외주에 적절히 형성된다. 이 탄화물층은 용융 상태의 구리(이하, 용융 구리라고 부르는 경우가 있다)에 젖기 쉽다. 그 때문에, 형성된 탄화물층을 통해, 탄소계 입자에 대해 용융 구리를 양호하게, 또한 자동적으로 용침할 수 있다.
(e) 본 개시의 복합 재료는, 절삭 등의 가공성이 우수하다. 전술한 바와 같이 탄소계 입자의 평균 입경이 지나치게 크지 않기 때문이다. 그 때문에, 제조 과정에서 연삭이나 연마 등에 의해 치수나 형상을 조정하는 것이 용이하다.
(f) 금속상이 Cu 및 불가피 불순물을 포함하고, Ag가 첨가되어 있지 않다. 그 때문에, 원료 비용을 저감할 수 있다.
(2) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 탄화물층의 최대 두께가 3 ㎛ 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태에서는, 탄소계 물질이나 Cu보다 열전도성이 뒤떨어지는 탄화물층이 얇다. 그 때문에, 상기 형태는, 탄화물층에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있고, 열전도성이 우수하다.
(3) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 피복 입자는, 상기 탄화물층의 일부에 구리 성분을 내포하는 입자를 포함하고,
단면에 있어서, 상기 피복 입자의 합계 단면적에 대해, 상기 구리 성분을 내포하는 상기 입자의 합계 단면적의 비율이 30% 이상이며,
상기 구리 성분을 내포하는 상기 입자에서의 상기 탄화물층 중의 상기 구리 성분의 합계 함유량이 1 체적% 이상 70 체적% 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 탄소계 물질이나 Cu보다 열전도성이 뒤떨어지는 탄화물층 중에, 열전도율이 높은 구리 성분을 포함하는 피복 입자가 많이 존재한다고 할 수 있다. 그 때문에, 상기 형태는, 탄화물층의 함유에 기인하는 열전도율의 대폭적인 저하를 저감할 수 있다. 특히, 상기 형태는, 탄화물층 중의 구리 성분의 함유량이 전술한 특정한 범위를 만족시키기 때문에, 특정 원소를 포함하는 탄화물과 구리 성분의 양방을 밸런스 좋게 포함한다고 할 수 있다. 따라서, 상기 형태는, 구리 성분의 함유에 의한 고열전도성의 효과와, 특정 원소를 포함하는 탄화물층에 의한 젖음성 개선의 효과를 밸런스 좋게 얻을 수 있어, 열특성이 우수한 데다가 제조성도 우수하다.
(4) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
단면에 있어서, 상기 탄소계 입자의 윤곽 길이를 이 탄소계 입자의 등가 면적 원의 원주 길이로 나눈 값을 요철도로 하고, 상기 요철도가 1.2 이상인 형태를 들 수 있다.
상기 요철도가 1.2 이상인 탄소계 입자는, 탄화물층과의 접촉 면적을 크게 확보할 수 있다. 이 탄소계 입자는, 탄화물층과 강고하게 결합할 수 있는 데다가, 이 탄화물층을 통해 구리상과 강고하게 접합된다. 그 결과, 탄소계 입자와 탄화물층과 구리상의 3자의 계면 강도가 높다. 이러한 상기 형태는, 냉열 사이클 특성이 보다 우수하다고 기대된다. 또한, 상기 형태는, 제조 과정에서 절삭 등을 행하는 경우에 탄소계 입자의 탈락 등을 저감하기 쉽기 때문에, 제조성도 우수하다.
(5) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 구리상에서의 상기 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태에서는, Cu보다 열전도율이 낮은 특정 원소가 구리상 중에 적다. 그 때문에, 상기 형태는, 구리상 중의 특정 원소의 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있고, 열전도성이 우수하다.
(6) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 탄소계 물질은, 다이아몬드, 그래파이트, 카본 나노튜브, 및 탄소 섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 재료인 형태를 들 수 있다.
상기에 열거되는 탄소계 물질에서는, 방향에 따라서도 달라지지만, 열전도율이 높다. 그 때문에, 상기 형태는 열전도성이 우수하다.
(7) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 탄소계 입자의 함유량이 40 체적% 이상 85 체적% 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 탄소계 입자를 적절히 포함함으로써 열전도성이 우수하다. 제조 과정에서는 탄소계 입자가 지나치게 많지 않음으로써, 용융 구리가 탄소계 입자 사이에 용침하기 쉽다. 그 때문에, 상기 형태는, 미용침 부분의 발생 등을 억제할 수 있어 제조성도 우수하다.
(8) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
열전도율이 200 W/m·K 이상인 형태를 들 수 있다. 여기서의 열전도율은 대기압하, 실온(5℃ 이상 25℃ 이하 정도)에서의 값으로 한다.
상기 형태는, 열전도율이 높기 때문에, 높은 방열성이 요구되는 반도체 소자의 방열 부재 등의 소재에 적합하게 이용할 수 있다.
(9) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
선팽창 계수가 4×10-6/K 이상 15×10-6/K 이하인 형태를 들 수 있다. 여기서의 선팽창 계수는 30℃ 내지 800℃의 범위에 대한 측정값으로 한다.
상기 형태는, 반도체 소자의 선팽창 계수나 반도체 소자의 주변 부품의 선팽창 계수와의 정합성이 우수하기 때문에, 반도체 소자의 방열 부재 등의 소재에 적합하게 이용할 수 있다.
(10) 본 개시의 일 양태에 따른 복합 재료의 제조 방법은,
제1 층과, 제2 층을 적층한 적층체를 형성하는 공정과,
상기 적층체를 가열하는 공정을 포함하고,
상기 제1 층은,
탄소계 물질을 포함하는 제1 분말과,
Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물 및 상기 원소 단체 중 적어도 한쪽을 포함하는 제2 분말을 포함하며,
상기 제2 층은,
Cu 및 불가피 불순물을 포함하는 구리 소재와,
상기 제2 분말을 포함하고,
상기 가열하는 공정에서는,
1 ㎩ 이하의 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기, 또한 무가압의 상태에서의 가열에 의해, 용융된 상기 구리 소재와, 상기 제1 분말을 복합한다.
본 개시의 복합 재료의 제조 방법은, 이하에 설명하는 바와 같이 열특성이 우수한 복합 재료를 생산성 좋게 제조할 수 있다.
(열특성)
본 개시의 복합 재료의 제조 방법은, 원료에, 다이아몬드 등으로 대표되는 고열전도율을 갖는 탄소계 물질과, 고열전도율을 갖는 Cu를 이용하여, 탄소계 물질과 Cu를 주체로 하는 복합 재료를 제조한다. 이러한 복합 재료는, 열전도성이 우수하다고 할 수 있다.
특히, 이하의 이유 (A), (B)로부터, 본 개시의 복합 재료의 제조 방법은, 열전도성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다.
(A) 용침 시의 분위기가 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기이기 때문에, 구리 소재나 용융 상태의 구리 소재(용융 구리)에 포함되는 Cu의 산화, 및 제2 분말에 포함되는 특정 원소의 산화를 저감할 수 있다. 진공 분위기나 환원 분위기는, Cu나 특정 원소를 환원할 수 있다. 그 때문에, Cu의 산화나 특정 원소의 산화가 보다 저감되기 쉽다. 그 결과, Cu나 특정 원소의 산화물의 개재에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있다.
(B) 제1 층과, 제2 층의 양방이 제2 분말을 포함한다. 제2 분말이 비교적 많기 때문에, 탄화물층이 형성되기 쉽다. 또한, 탄화물층이 적절한 두께로 형성되기 쉽다[전술한 (2)도 참조]. 전술한 바와 같이 특정 원소의 산화를 저감할 수 있는 점에서도, 탄화물층이 적절한 두께로 형성되기 쉽다. 탄화물층을 통해, 제1 분말을 이루는 탄소계 물질을 포함하는 입자와 용융 구리가 양호하게 용침되기 때문에, 복합 재료를 치밀화하기 쉽다. 치밀한 복합 재료는 열전도성이 우수하다.
또한, 본 개시의 복합 재료의 제조 방법은, 탄화물층을 적절히 형성할 수 있음으로써, 냉열 사이클 특성도 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다. 탄화물층에 의해, 상기 탄소계 입자에 용융 구리가 젖기 쉽기 때문에, 탄화물층을 통해 탄소계 입자와 구리상이 밀착될 수 있다. 이 밀착은, 냉열 사이클 특성의 향상에 기여한다.
(생산성)
용침에 제공하는 소재는, 제1 분말과 구리 소재의 각각에 제2 분말을 포함하는 층을 적층시킨다고 하는 단순한 공정에 의해 제조할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 특정 원소 등의 산화를 방지하여, 탄화물층이 적절히 형성되기 때문에, 탄소계 입자와 용융 구리를 양호하게 용침할 수 있다. 또한, 무가압으로 용침하기 때문에, ㎫ 레벨, 나아가서는 ㎬ 레벨의 압력을 가하여 소결하는 경우와 비교하여, 고압 인가 가능한 전용 설비 등이 불필요하다.
(11) 본 개시의 복합 재료의 제조 방법의 일례로서,
상기 적층체를 형성하는 공정에서는,
상기 제1 분말에 대한 상기 제2 분말의 첨가량을, C와 상기 원소의 합계량에 대한 상기 원소의 질량 비율이 0.1 질량% 이상 15 질량% 이하를 만족시키는 범위로 하고,
상기 구리 소재에 대한 상기 제2 분말의 첨가량을, Cu와 상기 원소의 합계량에 대한 상기 원소의 질량 비율이 0.1 질량% 이상 1 질량% 이하를 만족시키는 범위로 하는 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 제2 분말의 첨가량이 전술한 특정한 범위를 만족시키기 때문에, 탄화물층을 적절한 두께로 형성할 수 있다[전술한 (2)도 참조]. 따라서, 상기 형태는, 전술한 바와 같이 양호한 용침에 의해 치밀화할 수 있고, 열전도성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다. 또한, 상기 형태는, 전술한 바와 같이 양호한 용침에 의해, 탄화물층을 통해 탄소계 입자와 구리상이 밀착될 수 있고, 냉열 사이클 특성도 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다.
(12) 본 개시의 복합 재료의 제조 방법의 일례로서,
상기 구리 소재는, 산소 농도가 10 질량 ppm 이하의 무산소 구리를 포함하는 소절편(小切片)을 포함하는 형태를 들 수 있다.
상기한 소절편에서는, 산소 농도가 적은 데다가, 비표면적이 작다. 이러한 구리 소재는, 고온 상태에서의 Cu의 산화를 저감하기 쉽고, 나아가서는 특정 원소의 산화를 저감하기 쉽다. 특정 원소의 산화가 저감됨으로써, 전술한 바와 같이 탄화물층이 적절히 형성된다. 그 때문에, 양호한 용침에 의한 치밀화, 및 탄화물층을 통한 탄소계 입자와 구리상의 밀착이 이루어진다. 또한, 산화물의 개재에 의한 열전도율의 저하도 저감된다. 또한, 무산소 구리 자체의 열전도율이 높다. 이러한 점들에서, 상기 형태는, 열특성이 보다 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다.
[본 개시의 실시형태의 상세]
이하, 적절히 도면을 참조하여, 본 개시의 실시형태에 따른 복합 재료, 및 복합 재료의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 탄화물층(3)을 알기 쉽도록 탄화물층(3)을 두껍게 도시한다.
도 2, 도 3은 후술하는 시험예 1에서 제작한 복합 재료(시료 No.45)를 절단한 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 관찰상이다.
[복합 재료]
실시형태의 복합 재료(1)는, 비금속과 금속이 복합된 것이다. 복합 재료(1)는, 주된 비금속으로서 피복 입자(4)를 포함하고, 주된 금속으로서 구리상(5)을 포함한다. 구체적으로는, 실시형태의 복합 재료(1)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 피복 입자(4)와, 피복 입자(4)끼리를 결합하는 구리상(5)을 구비한다. 피복 입자(4)는, 탄소계 물질을 포함하는 탄소계 입자(2)와, 탄소계 입자(2)의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층(3)을 구비한다. 탄화물층(3)은, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(특정 원소)를 포함하는 탄화물을 포함한다. 대표적으로는, 구리상(5) 중에 복수의 피복 입자(4)가 분산된 상태로 존재한다(도 2, 도 3의 현미경 사진도 참조). 그 때문에, 복합 재료(1)는, 인접하는 피복 입자(4, 4) 사이에 약간의 간극을 갖는다. 이 간극에 개재되는 구리상(5)에 의해 각 피복 입자(4)는 일체로 유지된다. 복합 재료(1)는, 예컨대 평면도에서 보아 직사각형의 평판 등으로 성형되고, 반도체 소자의 방열 부재 등에 이용된다.
특히, 실시형태의 복합 재료(1)에서는, 탄소계 입자(2)의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하이다. 이하, 보다 상세히 설명한다. 상기 평균 입경 등의 각 파라미터의 측정 방법은, 이후에 정리하여 설명한다.
한편, 도 2, 도 3에 있어서, 흑색의 입자는 탄소계 입자(2)를 나타낸다. 탄소계 입자(2)를 덮는 짙은 회색의 막형의 것은 탄화물층(3)을 나타낸다. 탄화물층(3) 중의 옅은 회색의 입자형의 것은 구리 성분(50)(후술)을 나타낸다. 탄소계 입자(2)의 주위를 덮는 옅은 회색의 영역은 구리상(5)을 나타낸다.
(피복 입자)
<탄소계 입자>
실시형태의 복합 재료(1)는, 복수의 탄소계 입자(2)를 주요한 구성요소의 하나로 한다.
≪조성≫
탄소계 입자(2)를 이루는 탄소계 물질로서는, 다이아몬드, 그래파이트, 카본 나노튜브, 및 탄소 섬유에서 선택되는 1종 이상의 재료를 들 수 있다. 다이아몬드는, 열전도에 관한 이방성을 실질적으로 갖고 있지 않고, 대표적으로는 1000 W/m·K 이상이라고 하는 높은 열전도율을 갖는다. 또한, 여러 가지 입경의 다이아몬드 분말이 시판되어 있고, 원료 분말을 입수하기 쉽다. 이러한 점들에서, 다이아몬드를 포함하는 복합 재료(1)는, 방열 부재 등의 소재에 이용하기 쉬운 데다가, 제조성도 우수하다.
그래파이트는 절삭 등의 가공을 행하기 쉽다. 그 때문에, 그래파이트를 포함하는 복합 재료(1)는, 가공성이 우수하다. 카본 나노튜브에서의 축 방향을 따른 열전도율은, 다이아몬드에서의 축 방향을 따른 열전도율보다 높은 경우가 있다. 그 때문에, 카본 나노튜브를 포함하는 복합 재료(1)는, 열전도성이 보다 우수하다고 기대된다. 탄소 섬유는 기계적 강도가 우수하다. 그 때문에, 탄소 섬유를 포함하는 복합 재료(1)는, 기계적 강도가 우수하다.
상기에 열거하는 2종 또는 3종 이상의 탄소계 물질을 포함하는 복합 재료(1)는, 전술한 효과를 겸비한다. 예컨대, 탄소계 물질로서, 주로 다이아몬드를 포함하고, 일부에 그래파이트를 포함하는 복합 재료(1)는, 열전도성이 우수한 데다가, 절삭 등의 가공도 행하기 쉽다고 기대된다.
≪크기≫
복합 재료(1) 중의 탄소계 입자(2)의 평균 입경은 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하이다. 상기 평균 입경이 1 ㎛ 이상이면, 복합 재료(1) 중의 탄소계 입자(2)의 분말 입계를 저감할 수 있고, 열전도성이 우수하다. 예컨대, 열전도율이 200 W/m·K 이상을 만족시키는 복합 재료(1)로 할 수 있다.
특히, 상기 평균 입경이 100 ㎛ 이하이면, 냉열 사이클을 받아도 열전도율의 저하가 적고, 냉열 사이클 후에도 높은 열전도율을 갖기 쉽다. 즉, 냉열 사이클 전후에 있어서 열전도율의 변화가 작고, 냉열 사이클 특성이 우수한 복합 재료(1)로 할 수 있다. 상기 평균 입경이 100 ㎛ 이하이면, 예컨대 300 ㎛ 이상과 같은 조립(粗粒)인 경우와 비교하여, 냉열 사이클에 기인하는 응력이 발생해도, 이 응력이 탄소계 입자(2)와 구리상(5)의 계면에 집중되는 것을 억제할 수 있다고 고려되기 때문이다. 또한, 복합 재료(1) 중의 각 탄소계 입자(2)는, 그 표면의 적어도 일부가 탄화물층(3)에 덮여져 있다. 그러나, 대표적으로는, 인접하는 탄소계 입자(2)끼리는, 탄화물층(3)을 이루는 탄화물에 의해 결합된 일체화물이 아니다. 각 탄소계 입자(2)는 구리상(5) 중에 독립적으로 존재한다. 그 때문에, 각 탄소계 입자(2)는, 구리상(5) 중에서의 위치를 어느 정도 변동 가능하다. 이 점에서도, 상기한 계면의 응력 집중이 억제되기 쉽다고 고려된다. 상기 계면의 응력 집중이 억제되면, 냉열 사이클에 따르는 열팽창 및 열신축에 기인하는 탄소계 입자(2)[피복 입자(4)]와 구리상(5)의 계면 박리가 저감된다. 그 결과, 복합 재료(1)는, 냉열 사이클 후에 있어서도, 냉열 사이클 전의 높은 열전도율을 유지하기 쉽다고 고려된다.
또한, 상기 평균 입경이 100 ㎛ 이하이면, 제조 과정에서 절삭 등의 가공을 행하기 쉽고, 복합 재료(1)는 가공성이 우수하다. 그 때문에, 제조 과정에서 연삭이나 연마 등을 행함으로써, 복합 재료(1)를 포함하는 판재 등을 소정의 형상이나 소정의 치수로 조정하는 것이 용이하다. 또한, 연마 등으로 만일 피복 입자(4)가 탈락한 경우에도, 연마 후의 표면의 요철이 작아지기 쉽다. 그 때문에, 예컨대 연마면에 금속 도금층을 균일적인 두께로 형성하기 쉽고, 땜납 등에 의해 절연 기판을 접합하기 쉽다고 하는 효과도 기대할 수 있다. 그 외에, 상기 평균 입경이 100 ㎛ 이하이면, 복합 재료(1)를 얇은 판재 등으로 형성하기 쉽다. 얇은 판형의 복합 재료(1)는, 얇은 방열 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다.
전술한 열전도성의 향상 등을 요망하는 경우에는, 상기 평균 입경은 5 ㎛ 이상, 나아가 10 ㎛ 이상, 15 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상이어도 좋다. 전술한 냉열 사이클 특성의 향상, 가공성의 향상, 박형화 등을 요망하는 경우에는, 상기 평균 입경은 90 ㎛ 이하, 나아가 80 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이하여도 좋다.
복합 재료(1)는, 상기 평균 입경이 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하를 만족시키는 범위에서, 상대적으로 미세한 입자와 상대적으로 조대한 입자를 포함해도 좋다. 미세한 입자와 조대한 입자를 포함하는 형태는, 치밀해지기 쉬워, 상대 밀도가 높은 복합 재료(1)로 하기 쉽다.
≪함유량≫
복합 재료(1) 중의 탄소계 입자(2)의 함유량은 예컨대 40 체적% 이상 85 체적% 이하인 것을 들 수 있다. 상기 함유량이 40 체적% 이상이면, 전술한 바와 같이 열전도성이 우수한 탄소계 입자(2)를 많이 포함하기 때문에, 열전도성이 우수한 데다가, 복합 재료(1)의 선팽창 계수가 Cu보다 작아지기 쉽다. 상기 함유량이 85 체적% 이하이면, 탄소계 입자(2)가 지나치게 많지 않고, 구리상(5)을 어느 정도 포함하기 때문에, 복합 재료(1)의 선팽창 계수가 지나치게 작아지는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 열전도율이 200 W/m·K 이상, 또한 선팽창 계수가 4×10-6/K 이상 15×10-6/K 이하인 복합 재료(1)로 할 수 있다. 이 복합 재료(1)는, 열전도율이 높은 데다가, 반도체 소자[예, GaN(질화갈륨): 5.5×10-6/K 정도]나 그 주변 부품(예, 절연 기판이나 패키지 부품 등)의 선팽창 계수에 가깝기 때문에, 반도체 소자의 방열 부재에 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 상기 함유량이 85 체적% 이하이면, 제조 과정에서는 탄소계 입자(2) 사이에 용융 구리가 용침하기 쉽다. 그 때문에, 미용침 부분의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 치밀화, 복합화를 양호하게 행할 수 있다. 이러한 점들에서, 복합 재료(1)는 제조성도 우수하다.
열전도성의 향상 등을 요망하는 경우에는, 상기 함유량은 예컨대 45 체적% 이상, 나아가 50 체적% 이상, 55 체적% 이상, 60 체적% 이상이어도 좋다. 제조성 등을 요망하는 경우에는, 상기 함유량은 예컨대 80 체적% 이하, 나아가 75 체적% 이하여도 좋다. 한편, 복합 재료(1)의 잔부(15 체적% 초과 60 체적% 미만)는 주로 구리상(5)이고, 탄화물층(3)은 얼마 안 된다(예, 4 체적% 이하).
≪형상≫
탄소계 입자(2)의 형상은, 특별히 문제 삼지 않는다. 도 1에 도시된 탄소계 입자(2)의 형상은, 모식적으로 다각형 형상이지만, 도 2, 도 3에 예시하는 바와 같이, 부정형의 단면 형상을 취할 수 있다.
탄소계 입자(2)의 표면은 어느 정도 거칠고, 요철을 갖는 것을 들 수 있다(도 1b, 도 2, 도 3). 정량적으로는, 예컨대 복합 재료(1)의 단면에 있어서, 이하의 요철도가 1.2 이상인 것을 들 수 있다. 요철도는, 탄소계 입자(2)의 윤곽 길이(L2)를 이 탄소계 입자(2)의 등가 면적 원의 원주(L0)로 나눈 값(L2/L0)으로 한다. 도 1b는 요철 정도를 알기 쉽도록 요철을 강조해서 도시한다.
요철도가 1.2 이상이면, 탄소계 입자(2)의 표면이 어느 정도 거칠다고 할 수 있다. 이러한 탄소계 입자(2)는, 탄화물층(3)과의 접촉 면적을 크게 확보하여, 탄화물층(3)과 강고하게 결합할 수 있다. 탄소계 입자(2)는 이 탄화물층(3)을 통해 구리상(5)과도 강고하게 접합된다. 이러한 복합 재료(1)는, 탄소계 입자(2)와 탄화물층(3)과 구리상(5)의 3자의 계면 강도가 우수하다. 그 때문에, 냉열 사이클을 받아도 계면 상태가 변화하기 어렵다. 따라서, 이 복합 재료(1)는 냉열 사이클 특성이 우수하다고 기대된다. 또한, 상기 3자가 강고하게 일체화됨으로써, 복합 재료(1)는 기계적 강도도 우수하다. 또한, 구리상(5)이 탄소계 입자(2)를 강고하게 유지할 수 있다. 그 때문에, 제조 과정에서 절삭 등을 행하는 경우에 탄소계 입자(2)[피복 입자(4)]의 탈락 등이 저감되기 쉽다. 이 점에서, 복합 재료(1)는 제조성도 우수하다.
계면 강도의 향상, 가공성의 향상 등을 요망하는 경우에는, 요철도는 1.3 이상, 나아가 1.4 이상, 1.5 이상이어도 좋다. 요철도의 상한은 특별히 마련하지 않으나, 예컨대 3 이하 정도를 들 수 있다. 요철도가 1.2 이상을 만족시키는 복합 재료(1)는, 예컨대, 후술하는 실시형태의 복합 재료의 제조 방법에 의해 제조하는 것을 들 수 있다.
<탄화물층>
≪조성≫
복합 재료(1) 중의 각 탄소계 입자(2)는, 대표적으로는, 피복 입자(4)로서 존재한다. 피복 입자(4)를 이루는 탄소계 입자(2)의 표면의 적어도 일부, 대표적으로는 실질적으로 전부가 탄화물층(3)에 의해 덮여진다. 탄화물층(3)을 이루는 탄화물은, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(특정 원소)를 포함한다. 1종의 특정 원소를 포함하는 탄화물로서, SiC(탄화규소), TiC(탄화티탄), ZrC(탄화지르코늄), HfC(탄화하프늄)를 들 수 있다. 탄화물층(3)을 이루는 탄화물은, 복수 종의 특정 원소를 포함해도 좋다. 상기 탄화물을 이루는 C(탄소)는, 대표적으로는 탄소계 입자(2)에서 유래한다. 이러한 탄화물층(3)은 탄소계 입자(2)에 밀착된다. 또한, 탄화물층(3)은, 제조 과정에서 용융 구리에 젖기 쉽고, 구리상(5)과도 밀착된다. 탄화물층(3)이 탄소계 입자(2) 및 구리상(5)의 양방에 밀착됨으로써, 기공이 적고, 치밀한 복합 재료(1)로 할 수 있다. 이러한 복합 재료(1)는 기공에 기인하는 열전도율의 저하가 적고, 열전도성이 우수하다. 또한, 탄화물층(3)의 개재에 의한 탄소계 입자(2)와 구리상(5)의 밀착에 의해, 탄화물층(3)을 갖지 않는 복합 재료와 비교하여, 복합 재료(1)는 냉열 사이클 특성이 우수하다. 전술한 밀착에 의해, 냉열 사이클을 받아도, 탄소계 입자(2)와 탄화물층(3)과 구리상(5)의 3자의 계면 상태가 변화하기 어렵기 때문이다.
복합 재료(1)는, 탄화물층(3)의 일부에 구리 성분(50)을 내포하는 피복 입자(4)(이하, 구리 내포 입자라고 부름)를 포함해도 좋다(도 2, 도 3도 참조). 구리 내포 입자를 포함하는 복합 재료(1)는, 이하에 설명하는 바와 같이 열전도성이 우수하여 바람직하다. 탄화물층(3)을 이루는 탄화물의 열전도율은, 탄소계 입자(2)를 이루는 다이아몬드 등의 탄소계 물질의 열전도율이나, 구리상(5)을 이루는 Cu의 열전도율보다 낮다. 이러한 탄화물층(3)에, 열전도율이 높은 Cu를 주체로 하는 구리 성분(50)을 내포하면, 탄소계 입자(2)와 구리상(5)의 양자 사이에 탄화물층(3)만이 존재하는 복합 재료와 비교하여, 양자 사이의 열전달이 양호하게 행해진다. 그 때문에, 탄화물층(3)의 함유에 기인하는 열전도율의 대폭적인 저하가 저감되기 때문이다. 또한, 상대적으로 취약한 탄화물에 상대적으로 부드러운 Cu를 포함함으로써, 탄화물층(3)은 강도나 인성을 높일 수 있다. 이 점에서, 복합 재료(1)는 계면 강도의 향상도 기대할 수 있다.
복합 재료(1) 중의 피복 입자(4) 중, 전술한 구리 내포 입자가 많을수록, 열전도성이 우수하여 바람직하다. 정량적으로는, 예컨대 복합 재료(1)의 단면에 있어서, 피복 입자(4)의 합계 단면적에 대해, 구리 내포 입자의 합계 단면적의 비율이 30% 이상인 것을 들 수 있다. 복합 재료(1)의 단면에 존재하는 피복 입자(4)의 합계 단면적을 100%로 하여, 구리 내포 입자의 면적 비율이 30% 이상이면, 구리 내포 입자가 많다고 할 수 있다. 이러한 복합 재료(1)는, 전술한 열전도율의 저하를 저감하는 효과를 양호하게 얻을 수 있고, 열전도성이 우수하다. 이 효과는 상기 면적 비율이 클수록 얻기 쉽다. 열전도성의 관점에서는, 상기 면적 비율은 35% 이상, 나아가 40% 이상, 50% 이상이 바람직하다. 또한, 상기 면적 비율은 60% 이상, 나아가 70% 이상, 80% 이상이 보다 바람직하다. 피복 입자(4)의 실질적으로 전부가 구리 내포 입자인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 전술한 구리 내포 입자에 주목하면, 하나의 구리 내포 입자에서의 구리 성분(50)의 함유량이 많을수록 열전도성이 우수하다. 구리 성분(50)의 함유량이 지나치게 많지 않음으로써, 특정 원소를 포함하는 탄화물이 적절히 존재하여, 제조 과정에서 젖음성을 개선하기 쉽다. 정량적으로는, 예컨대 구리 내포 입자에서의 탄화물층(3) 중의 구리 성분(50)의 합계 함유량이 1 체적% 이상 70 체적% 이하인 것을 들 수 있다.
전술한 탄화물층(3) 중의 구리 성분(50)의 합계 함유량이 1 체적% 이상이면, 구리 성분(50)의 함유량이 보다 적은 구리 내포 입자와 비교하여, 구리 성분(50)의 내포에 의한 열전달의 개선 효과가 적절히 얻어진다. 이 효과는 상기 합계 함유량이 많을수록 얻기 쉽다. 열전도성의 관점에서는, 상기 합계 함유량은 5 체적% 이상, 나아가 10 체적% 이상, 15 체적% 이상, 20 체적% 이상이 바람직하다. 또한, 상기 합계 함유량은 30 체적% 이상, 40 체적% 이상이 보다 바람직하다.
전술한 탄화물층(3) 중의 구리 성분(50)의 합계 함유량이 70 체적% 이하이면, 제조 과정에서, 구리 성분(50)의 개재에 기인하는 젖음성의 저하를 저감하여 용융 구리를 양호하게 용침하기 쉽고, 제조성이 우수하다. 또한, 탄화물층(3)에서의 구리 성분(50)의 내포 개소(40)가 두꺼워지는 것을 저감하기 쉽다. 여기서, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 탄화물층(3)에 있어서 구리 성분(50)의 내포 개소(40)의 두께이며, 구리 성분(50)을 포함한 두께는, 국소적으로 두꺼운 경향이 보여진다. 특히 도 3에 도시된 바와 같이 구리 성분(50)이 많을수록, 내포 개소(40)의 두께가 국소적으로 두꺼워지기 쉽다. 전술한 합계 함유량이 70 체적% 이하이면, 이러한 후막화를 저감할 수 있고, 탄화물층(3)의 최대 두께가 얇아지기 쉽다(예, 3 ㎛ 이하. 후술 참조). 후막화의 저감의 관점에서는, 탄화물층(3)은, Cu 입자를 약간 포함하면서, 그 두께가 수십 ㎚~수백 ㎚ 오더 정도인 것이 바람직하다고 고려된다. 전술한 젖음성의 개선이나 후막화의 저감 등의 관점에서는, 상기 합계 함유량은 65 체적% 이하, 나아가 60 체적% 이하, 55 체적% 이하가 바람직하다.
하나의 구리 내포 입자의 탄화물층(3)에 있어서, 구리 성분(50)의 내포 개소(40)가 국소적으로 두껍고, 이 후막 개소가 탄화물층(3)의 둘레 방향으로 이격되어 복수 존재하는 경우가 있다(도 2, 도 3 참조). 이 경우에, 각 내포 개소(40)에서의 1 ㎛ 이상의 두께를 갖는 개소에 대해, 특정 원소를 포함하는 탄화물과 구리 성분(50)을 포함한 합계 면적이 30 ㎛2 이하이면, 탄화물층(3)의 최대 두께가 얇아지기 쉬워 바람직하다(예, 3 ㎛ 이하. 후술 참조). 또한, 상기 1 ㎛ 이상의 두께를 갖는 개소에서의 탄소계 입자(2)의 둘레 방향을 따른 길이가 비교적 짧으면, 탄화물층(3)에서의 후막 개소가 작다. 이러한 복합 재료(1)는 열전도성이 보다 우수하다.
상기 구리 내포 입자의 면적 비율이 30% 이상인 것, 및 탄화물층(3) 중의 구리 성분(50)의 합계 함유량이 1 체적% 이상 70 체적% 이하인 것의 양방을 만족시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 특정 원소를 포함하는 탄화물과 구리 성분(50)의 양방을 밸런스 좋게 포함할 수 있다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, 구리 성분(50)의 함유에 의한 고열전도성의 효과와, 상기 탄화물을 포함하는 탄화물층(3)에 의한 젖음성 개선의 효과를 밸런스 좋게 얻을 수 있다. 구리 내포 입자를 포함하는 복합 재료(1)는, 예컨대 후술하는 실시형태의 복합 재료의 제조 방법에 의해 제조하는 것을 들 수 있다.
≪두께≫
전술한 바와 같이 탄화물층(3)은 전술한 젖음성 개선의 효과를 얻을 수 있는 범위에서 얇은 것이 바람직하다. 정량적으로는, 예컨대 탄화물층(3)의 최대 두께가 3 ㎛ 이하인 것을 들 수 있다. 상기 최대 두께가 3 ㎛ 이하이면, 탄화물층(3)에 국소적으로 두꺼운 개소가 있어도, 전체적으로는 탄화물층(3)은 얇다고 할 수 있다. 그 때문에, 탄화물층(3)에 기인하는 열전도율의 저하가 저감되고, 복합 재료(1)는 열전도성이 우수하다. 상기 최대 두께가 얇을수록, 탄화물층(3)에 의한 열전도율의 저하가 저감되기 쉽다. 상기 최대 두께는 1.8 ㎛ 이하, 나아가 1.5 ㎛ 이하, 1.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 한편, 탄화물층(3)에 있어서 최대 두께를 갖는 개소의 일례로서, 전술한 구리 성분(50)의 내포 개소(40)를 들 수 있다.
전술한 최대 두께가 얇은 것에 더하여, 탄화물층(3)의 평균 두께가 얇은 것이 보다 바람직하다. 상기 평균 두께는 0.50 ㎛ 미만, 나아가 0.40 ㎛ 이하, 0.30 ㎛ 이하, 0.20 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.15 ㎛ 이하가 보다 바람직하다. 단, 평균 두께가 지나치게 얇으면, 탄화물층(3)에 의한 젖음성 개선의 효과가 적절히 얻어지기 어렵다. 그 때문에, 상기 평균 두께는 0.01 ㎛ 이상, 나아가 0.03 ㎛ 이상, 0.05 ㎛ 이상인 것을 들 수 있다. 탄화물층(3)이 국소적으로 두꺼운 개소를 가져도, 전체적으로는 얇음으로써, 탄소계 입자(2)의 평균 입경이 100 ㎛ 이하여도, 높은 열전도율을 갖는 복합 재료(1)로 할 수 있다.
탄화물층(3)의 두께를 조정하기 위해서는, 예컨대 탄화물층(3)의 원료에 이용하는 분말(후술하는 제2 분말)의 첨가량, 용침 조건 등을 조정하는 것을 들 수 있다. 대략, 상기 첨가량이 적을수록, 또는 용침 온도가 낮을수록 탄화물층(3)의 두께가 얇은 경향이 있다.
≪그 외≫
복합 재료(1) 중의 탄소계 입자(2)는 모두, 탄화물층(3)을 구비한 피복 입자(4)인 것이 바람직하다. 각 피복 입자(4)는, 탄소계 입자(2)의 표면적의 90 면적% 이상, 나아가 95 면적% 이상, 특히 실질적으로 표면 전체가 탄화물층(3)으로 덮여져 있으면, 보다 치밀한 복합 재료(1)가 되어 바람직하다. 탄소계 입자(2)의 표면적에 대한 탄화물층(3)이 피복하는 면적 비율은, 간이적으로는 복합 재료(1)의 단면에 있어서, 탄소계 입자(2)의 둘레 길이에 대한 탄화물층(3)의 내주 길이의 비율이라고 간주하는 것을 들 수 있다. 또한, 복합 재료(1)가, 인접하는 피복 입자(4)끼리의 일부가 탄화물층(3)(탄화물)에 의해 결합되어 이루어지는 연결 개소를 포함하는 것을 허용한다. 단, 복합 재료(1)는, 상기 연결 개소를 실질적으로 갖지 않고, 어느 피복 입자(4)도 뿔뿔이 분산되어 구리상(5)에 존재하면, 냉열 사이클 특성이 우수하여 바람직하다. 피복 입자(4)가 구리상(5) 중에 분산되어 존재하는 복합 재료(1)는, 전술한 연결 개소가 많은 복합 재료와 비교하여 인성도 우수하고, 예컨대 휨 부여 가공 등도 실시하기 쉽다.
<금속상>
복합 재료(1)는, 구리상(5)을 주요 구성요소의 하나로 한다.
구리상(5)은 주로, 이른바 순동을 포함한다. 여기서의 순동은, 대표적으로는 Cu를 99.0 질량% 이상 포함하고, 잔부가 불가피 불순물을 포함한다. 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 고열전도율을 갖는 탄소계 입자(2)와, 약 400 W/m·K라고 하는 높은 열전도율을 갖는 Cu를 주체로 함으로써, 열전도성이 우수하다.
구리상(5)에서의 특정 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 제조 조건 등에 따라서는 구리상(5) 중에 특정 원소를 포함하는 경우가 있다. 그러나, 상기 특정 원소의 함유량이 1 질량% 이하이면, Cu보다 열전도율이 낮은 특정 원소가 구리상(5) 중에 적다고 할 수 있다. 이러한 복합 재료(1)는, 구리상(5) 중의 특정 원소의 함유에 기인하는 열전도율의 저하가 저감되고, 열전도성이 우수하다. 이 효과는 상기 특정 원소의 함유량이 적을수록 얻기 쉽다. 상기 특정 원소의 함유량은 0.9 질량% 이하, 나아가 0.8 질량% 이하, 0.7 질량% 이하가 바람직하고, 0.5 질량% 이하가 보다 바람직하다. 상기 특정 원소의 함유량을 저감하기 위해서는, 예컨대 탄화물층(3)의 원료에 이용하는 분말의 첨가량을 적게 하는 것, 용침 온도를 낮게 하는 것 등을 들 수 있다.
<측정 방법>
복합 재료(1) 중에서의 탄소계 입자(2)의 평균 입경의 측정은, 복합 재료(1)의 단면 관찰상을 이용하여 행하는 것을 들 수 있다. 단면 관찰상에 있어서, 각 탄소계 입자(2)의 면적에 상당하는 원(등가 면적 원)을 구한다. 이 등가 면적 원의 직경을 탄소계 입자(2)의 입경으로 한다. 10개 이상의 입경의 평균값을 탄소계 입자(2)의 평균 입경으로 한다.
복합 재료(1) 중에서의 탄소계 입자(2)의 함유량의 측정은, 복합 재료(1)의 단면 관찰상을 이용하여 행하는 것을 들 수 있다. 단면 관찰상에 있어서, 탄소계 입자(2)의 합계 단면적을 구한다. 복합 재료(1)의 단면적에 대한 탄소계 입자(2)의 합계 단면적의 비율을 체적 비율이라고 간주한다.
요철도의 측정은, 복합 재료(1)의 단면 관찰상을 이용하여 행하는 것을 들 수 있다. 단면 관찰상에 있어서, 각 탄소계 입자(2)의 윤곽 길이(L2) 및 등가 면적 원의 원주 길이(L0)를 구한다. 요철도(L2/L0)를 산출한다. 10개 이상의 피복 입자(4)에 대해 요철도를 구하여 평균을 취한다. 이 평균의 요철도를 탄소계 입자(2)의 요철도로 한다.
탄화물층(3)의 최대 두께의 측정은, 복합 재료(1)의 단면 관찰상을 이용하여 행하는 것을 들 수 있다. 구체적으로는, 이하와 같이 행한다. 도 2a에 도시된 바와 같이 단면 관찰상으로부터 피복 입자(4)를 추출한다. 도 2b에 도시된 바와 같이 하나의 피복 입자(4)에 대해 탄소계 입자(2)의 외접원을 취한다. 또한 이 외접원에 대해, 등간격(6°)으로 60개의 직경을 취한다. 도 2b는 상기 외접원 및 상기 직경을 백색으로 나타낸다. 각 직경을 따른 선, 또는 직경을 따른 연장선에 있어서, 탄화물층(3)을 분단하는 선분을 취한다. 각 선분의 길이(도 2b에 도시된 백색 화살표를 참조)를 측정한다. 측정한 60개의 선분의 길이 중, 긴 쪽으로부터 상위 5개의 선분에 대해 평균을 취한다. 이 평균값을 이 피복 입자(4)에서의 탄화물층(3)의 최대 두께로 한다. 전술한 측정 작업을 10개 이상의 피복 입자(4)에 대해 행한다. 10개 이상의 탄화물층(3)의 최대 두께의 평균을 취한다. 이 평균 두께를 탄화물층(3)의 최대 두께로 한다.
탄화물층(3)의 평균 두께의 측정은, 이하와 같이 행한다. 전술한 60개의 선분의 길이에 대해 평균을 취한다. 이 평균값을 하나의 피복 입자(4)에서의 탄화물층(3)의 평균 두께로 한다. 10개 이상의 탄화물층(3)의 평균 두께를 구하여 그 평균을 취한다. 이 평균값을 탄화물층(3)의 평균 두께로 한다.
구리 내포 입자의 면적 비율의 측정은, 복합 재료(1)의 단면 관찰상을 이용하여 행하는 것을 들 수 있다. 먼저, 복합 재료(1)의 단면을 취한다. 이 단면으로부터 소정의 크기의 측정 영역(예, 80 ㎛×120 ㎛)의 단면 관찰상을 취한다. 이 측정 영역으로부터 피복 입자 및 구리 내포 입자를 전부 추출한다. 추출한 피복 입자의 합계 면적, 추출한 구리 내포 입자의 합계 면적을 구한다. (추출한 구리 내포 입자의 합계 면적/추출한 피복 입자의 합계 면적)×100으로 나타나는 면적 비율을 산출한다. 이 면적 비율을 구리 내포 입자의 면적 비율로 한다. 하나의 단면 또는 복수의 단면으로부터 복수(예, 3 이상)의 측정 영역을 취하여, 복수의 면적 비율의 평균값을 취할 수 있다[이 점은 후술하는 구리 성분(50)의 합계 함유량에 대해서도 동일함]. 한편, 탄화물층(3) 중에 구리 성분(50)을 내포하는 것은, 도 2, 도 3의 SEM상에 나타내는 바와 같이, 색의 차이로 확인하는 것을 들 수 있다.
구리 내포 입자에 있어서, 탄화물층(3) 중의 구리 성분(50)의 합계 함유량의 측정은, 복합 재료(1)의 단면 관찰상을 이용하여 면적 비율을 구하고, 이 면적 비율을 체적 비율로 간주함으로써 행한다. 구체적으로는, 이하와 같이 행한다. 전술한 측정 영역으로부터 추출한 모든 구리 내포 입자에 대해, 구리 성분(50)의 합계 면적과, 탄화물층(3)의 면적[특정 원소를 포함하는 탄화물과 구리 성분(50)의 합계 면적]을 측정한다. 각 구리 내포 입자에 대해, (구리 성분(50)의 합계 면적/전술한 탄화물층(3)의 면적)×100으로 나타나는 구리 성분(50)의 면적 비율을 구한다. 추출한 모든 구리 내포 입자에 대해 구리 성분(50)의 면적 비율의 평균을 취한다. 이 평균값을 구리 성분(50)의 면적 비율로 하고, 체적 비율이라고 간주한다.
전술한 구리 성분(50)의 체적 비율이 1 체적% 이상 70 체적% 이하를 만족시키는 탄화물층을 갖는 구리 내포 입자의 면적 비율은, 이하와 같이 하여 구한다. 구리 내포 입자 중에서, 구리 성분(50)의 체적 비율이 전술한 범위를 만족시키는 구리 내포 입자를 추출한다. 추출한 구리 내포 입자의 합계 면적을 구한다. 또한, (추출한 구리 내포 입자의 합계 면적/추출한 피복 입자의 합계 면적)×100을 산출하면 된다.
구리상(5) 중에서의 특정 원소의 함유량의 측정은, 복합 재료(1)의 단면을 취하고, 이 단면에 있어서 에너지 분산형 X선 분광법(EDX) 등을 이용하여, 국소적인 성분 분석을 행하는 것을 들 수 있다. 이 성분 분석에는, SEM-EDX, 특히 EDX 장치로서 실리콘 드리프트 검출기(SDD) 등을 이용할 수 있다.
전술한 단면 관찰상을 이용하는 경우, 측정 대상의 추출, 전술한 각 파라미터의 측정은 시판의 화상 처리 장치를 이용하면 용이하게 행할 수 있다.
한편, 복합 재료(1) 중의 탄소계 입자(2)의 평균 입경, 함유량은, 원료에 이용한 탄소계 물질을 포함하는 분말(후술하는 제1 분말)의 입경, 첨가량에 의존한다. 원료에 이용한 분말의 입자의 일부가 탄화물층(3)의 형성에 이용되지만, 복합 재료(1) 중의 탄소계 입자(2)의 입경, 함유량은, 상기 원료의 분말의 입경, 첨가량과 대략 동일하다.
(특성)
<열특성>
실시형태의 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 열전도성이 우수하고, 예컨대 170 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 들 수 있다. 나아가서는, 복합 재료(1)의 열전도율은 200 W/m·K 이상인 것을 들 수 있다. 열전도율이 높을수록, 열전도성이 우수하기 때문에, 복합 재료(1)는 반도체 소자의 방열 부재 등에 적합하게 이용할 수 있다. 따라서, 복합 재료(1)의 열전도율은 220 W/m·K 이상, 나아가 240 W/m·K 이상, 250 W/m·K 이상이 바람직하고, 300 W/m·K 이상, 350 W/m·K 이상, 400 W/m·K 이상이 보다 바람직하다. 상기 열전도율은, 대표적으로는 탄소계 입자(2)의 평균 입경이 크거나, 탄소계 입자(2)의 함유량이 많거나 하면 높아지기 쉽다. 복합 재료(1)를 방열 부재의 소재로 하는 경우, 상기 열전도율은 높을수록 바람직하기 때문에 특별히 상한은 마련하지 않는다. 상기 열전도율이 800 W/m·K 이하 정도이면, 제조 과정에서 탄소계 물질을 포함하는 분말이 지나치게 많지 않고, 용침하기 쉬움으로써, 복합 재료(1)를 제조하기 쉬운 경우가 있다.
실시형태의 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 탄소계 물질과 Cu의 중간의 선팽창 계수를 갖는다. 정량적으로는, 복합 재료(1)의 선팽창 계수가 4×10-6/K 이상 15×10-6/K 이하인 것을 들 수 있다. 상기 선팽창 계수는, 대표적으로는 탄소계 입자(2)의 함유량이 많을수록 작아지기 쉽다. 탄소계 입자(2)의 함유량 등에 따라서도 달라지지만, 상기 선팽창 계수는 4.5×10-6/K 이상 13×10-6/K 이하, 4.5×10-6/K 이상 10×10-6/K 이하를 들 수 있다.
열전도율이 200 W/m·K 이상을 만족시키고, 또한 선팽창 계수가 4×10-6/K 이상 15×10-6/K 이하를 만족시키는 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 열전도성이 우수한 데다가, 반도체 소자나 그 주변 부품의 선팽창 계수와의 정합성이 우수하다. 그 때문에, 이 복합 재료(1)는, 반도체 소자의 방열 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다.
<상대 밀도>
실시형태의 복합 재료(1)에서는, 전술한 바와 같이 대표적으로는 기공이 적고 치밀하기 때문에, 상대 밀도가 높다. 정량적으로는, 예컨대 복합 재료(1)의 상대 밀도는 80% 이상인 것을 들 수 있다. 상기 상대 밀도가 높을수록 치밀한 복합 재료(1)이며, 기공에 기인하는 열전도율의 저하가 발생하기 어렵고, 열전도성이 우수하다. 그 때문에, 상기 상대 밀도는 85% 이상, 나아가 90% 이상, 95% 이상, 96% 이상, 97% 이상, 특히 98% 이상이 바람직하다. 상기 상대 밀도는, 제조 과정에서 탄소계 물질을 포함하는 분말의 크기나 양, 탄화물층(3)의 원료에 이용하는 분말의 첨가량, 용침 조건 등을 조정함으로써 높이는 것을 들 수 있다.
<산소 농도>
실시형태의 복합 재료(1)는, 대표적으로는 후술하는 실시형태의 복합 재료의 제조 방법에 의해 제조됨으로써, 산소의 함유량이 적다. 이러한 복합 재료(1)는, 산화물의 개재에 기인하는 열전도율의 저하가 저감되고, 열전도성이 우수하다. 복합 재료(1) 중의 산소의 함유량이 적으면, 제조 과정에서는 Cu 및 특정 원소의 산화가 저감되었다고 고려된다. 그 때문에, 탄화물층(3)이 적절히 형성되기 쉽고, 제조성도 우수하다. 탄화물층(3)이 적절히 형성되면, 전술한 바와 같이 냉열 사이클 특성도 우수하다. 정량적으로는, 예컨대 복합 재료(1) 중의 산소의 함유량은 0.05 질량% 이하인 것을 들 수 있다. 상기 산소의 함유량이 적을수록, 산화물이 적고, 산화물에 의한 열전도율의 저하를 저감하기 쉽다. 그 때문에, 상기 산소의 함유량은 0.04 질량% 이하, 나아가 0.03 질량% 이하가 바람직하다. 상기 산소의 함유량은, 예컨대 제조 과정에서 용침 시의 분위기 중의 산소 농도를 저감하거나, 구리 소재로서 무산소 구리나 비표면적이 큰 것을 이용하거나 하면 저감하기 쉽다.
(용도)
실시형태의 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 열전도성이 우수하여 방열 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다. 특히, 반도체 소자나 그 주변 부품과의 선팽창 계수의 정합성이 우수한 복합 재료(1)는, 반도체 소자의 방열 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다. 실시형태의 복합 재료(1)를 포함하는 판형의 방열 부재를 구비하는 반도체 장치는, 예컨대 각종의 전자 기기, 특히 고주파 파워 디바이스[예, LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)], 반도체 레이저 장치, 발광 다이오드 장치, 그 외에, 각종의 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽스 프로세싱 유닛(GPU), 고전자 이동형 트랜지스터(HEMT), 칩 세트, 메모리 칩 등에 이용할 수 있다.
(주요한 효과)
실시형태의 복합 재료(1)는, 열전도율이 높아 열전도성이 우수하다. 이 효과를 후술하는 시험예 1에서 구체적으로 설명한다. 또한, 실시형태의 복합 재료(1)를 방열 부재의 소재로 한 경우에 이 방열 부재는 냉열 사이클을 받아도, 냉열 사이클 전후의 열전도율의 변화가 작고, 냉열 사이클 후에도 높은 열전도율을 갖는다고 기대된다. 이러한 실시형태의 복합 재료(1)는, 예컨대 후술하는 실시형태의 복합 재료의 제조 방법에 의해 제조할 수 있기 때문에, 제조성도 우수하다. 그 외에, 전술한 바와 같이 절삭 등의 가공성도 우수하기 때문에, 복합 재료(1)는 제조성이 우수하다.
[복합 재료의 제조 방법]
<개요>
실시형태의 복합 재료의 제조 방법은, 실시형태의 복합 재료(1)와 같은 탄소계 입자(2)와 탄화물층(3)과 구리상(5)을 구비하는 복합 재료의 제조에 이용되는 것이고, 이하의 공정을 포함한다.
(제1 공정) 제1 층과, 제2 층을 적층한 적층체를 형성한다.
제1 층은, 탄소계 물질을 포함하는 제1 분말과, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(특정 원소)를 포함하는 화합물 및 특정 원소 단체 중 적어도 한쪽을 포함하는 제2 분말을 포함한다.
제2 층은, Cu 및 불가피 불순물을 포함하는 구리 소재와, 제2 분말을 포함한다.
(제2 공정) 상기 적층체를 가열한다.
이 공정에서는, 1 ㎩ 이하의 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기, 또한 무가압의 상태에서, 적층체를 가열함으로써, 용융된 구리 소재와, 제1 분말을 복합한다.
실시형태의 복합 재료의 제조 방법은, 용침 시에 탄소계 입자의 표면의 C와 제2 분말의 특정 원소의 반응에 의해, 탄소계 입자의 표면에 특정 원소를 포함하는 탄화물을 포함하는 탄화물층을 자동적으로 형성하면서, 탄소계 입자와 용융 상태의 구리 소재(용융 구리)를 복합한다. 특히, 실시형태의 복합 재료의 제조 방법에서는, 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기로 함으로써, 구리 소재 중의 Cu 및 제2 분말 중의 특정 원소의 산화가 저감된다. 또한, 제1 분말과 구리 소재의 양방에 제2 분말을 포함함으로써, 제2 분말을 많게 하면서, 전술한 탄화물층이 적절히 형성된다.
여기서, 금속상을 이른바 순동으로 하는 경우, 전술한 Cu-Ag 합금과 비교하여 용침 온도(금속의 용융 온도)를 높게 할 필요가 있다. Cu는 Ag보다 고온 환경에서 산화되기 쉽다. 그 때문에, 용침 온도를 높게 하면, 소정의 용침 온도에 도달하기까지의 사이이며, 어느 정도의 고온 상태에서는, 분위기나 원료 등에서 유래하는 산소에 의해 Cu가 산화되기 쉽고, 용침 시에서는 산화구리 중의 산소에 의해 특정 원소가 산화된다고 고려된다. 이에 비해, 실시형태의 복합 재료의 제조 방법은, 용침 시의 분위기를 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기로 함으로써, Cu 및 특정 원소의 산화를 저감한다. 특히, 진공 분위기 또는 환원 분위기로 하면, Cu 및 특정 원소를 환원함으로써, 이들의 산화가 보다 저감된다.
전술한 바와 같이 특정 원소가 산화할 수 있는 것에 대해, 제2 분말을 많게 하는 것이 고려된다. 그러나, 특허문헌 1에 기재되는 바와 같이, 다량의 제2 분말을 제1 분말에만 혼합하면, 탄화물층이 지나치게 두꺼워진다. 전술한 바와 같이 용침 온도가 높은 경우에는, 탄화물층이 더욱 두꺼워지기 쉽다. 실시형태의 복합 재료의 제조 방법은, 제1 분말과 구리 소재의 양방에 제2 분말을 포함함으로써, 제2 분말을 많게 하면서, 전술한 탄화물층을 적절한 두께로 형성할 수 있다. 그 이유의 하나로서, 첨가하는 제2 분말의 전량 중, 일부만을 제1 분말에 혼합하여, 탄소계 입자 주위에 존재하는 특정 원소의 양을 어느 정도 적게 하고 있는 것이 고려된다. 이 결과, 소정의 용침 온도에 도달하기까지의 사이에 탄소계 입자의 C와, 특정 원소의 고상(固相) 소결에 의해 탄화물층이 형성되는 것을 저감할 수 있다고 고려된다. 다른 이유의 하나로서, 전술한 바와 같이 특정 원소의 산화를 저감하여, 탄소계 입자의 C와, 특정 원소가 양호하게 반응할 수 있기 때문이라고 고려된다.
이하, 공정마다 설명한다.
(제1 공정: 용침에 제공하는 소재를 준비하는 공정)
이 공정에서는, 원료에 이용하는 제1 분말, 제2 분말, 구리 소재를 준비하여, 상기한 적층체를 형성한다.
<원료>
제1 분말은, 전술한 탄소계 물질을 포함하는 분말이고, 소정의 입경의 분말을 이용하는 것을 들 수 있다. 시판의 다이아몬드 분말 등을 이용할 수 있다. 제1 분말의 입경은, 전술한 탄소계 입자의 평균 입경의 항을 참조하면 된다. 제1 분말의 입경의 측정에는, 예컨대 시판의 입자 화상 분석 장치나 입도 분포 측정 장치 등을 이용할 수 있다.
제2 분말은, 특정 원소 단체만의 형태, 특정 원소를 포함하는 화합물을 포함하는 화합물 분말만의 형태, 그 양방을 포함하는 형태의 어느 형태도 이용할 수 있다. 특히, 제2 분말은, 상기 화합물 분말을 포함하고, 이 화합물이 용침 시에 환원 작용 등의 산소 저감 작용이나 산소 제거 작용을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 화합물 분말은, 용침 전의 단계에서는 화합물임으로써 특정 원소의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 이 화합물 분말은, 용침 시에서는 환원 작용 등의 작용에 의해, 산화된 구리 표면 등으로부터 산소를 저감, 제거할 수 있다. 특정 원소를 포함하는 화합물로서, 황화물, 질화물, 수소화물, 붕화물 등을 들 수 있다. 복수 종의 화합물 분말을 이용할 수도 있다.
구리 소재는, 이른바 순동을 포함하는 것으로 한다. 특히, 구리 소재는, Cu를 99.8 질량% 이상 포함하고, 잔부가 불가피 불순물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 구리 소재는, 산소 농도가 낮은 것이 바람직하다. 구리 소재 자체의 열전도율이 높아, 열전도성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있기 때문이다. 또한, 용침 시, 구리 소재 중의 산소에 의해, 제2 분말의 특정 원소의 산화가 저감되는 점에서도 열전도성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있기 때문이다. 정량적으로는, 구리 소재의 산소 농도는, 예컨대 350 질량 ppm 이하인 것이 바람직하다. 상기 산소 농도가 낮을수록, 열전도율이 높고, 특정 원소의 산화를 저감하기 쉽다. 그 때문에, 상기 산소 농도는 300 질량 ppm 이하, 나아가 250 질량 ppm 이하가 바람직하고, 200 질량 ppm 이하, 150 질량 ppm 이하, 100 질량 ppm 이하가 보다 바람직하다.
산소 농도가 낮은 구리 소재로서, 산소 농도가 10 질량 ppm 이하의 무산소 구리를 포함하는 것을 들 수 있다. 무산소 구리는, Cu를 99.96 질량% 이상 포함함으로써 열전도율이 높은 데다가, 산소가 적어, 산화물의 개재에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있다. 그 때문에, 무산소 구리를 포함하는 구리 소재를 이용함으로써 열전도성이 보다 우수한 복합 재료가 제조된다.
그 외의 구리 소재로서, 터프 피치 구리 등을 포함하는 것을 들 수 있다.
구리 소재는, 여러 가지 형상, 크기의 것을 이용할 수 있다. 예컨대, 여러 가지 형상의 분말, 소절편, 판재 등을 들 수 있다. 소절편이란, 예컨대 최대 길이가 5 ㎜ 이상인 작은 덩어리 등을 들 수 있다. 소절편의 일례로서, 선직경 1 ㎜~10 ㎜ 정도의 선재를 길이 5 ㎜~120 ㎜ 정도로 짧게 절단한 것이나, 두께 1 ㎜~10 ㎜ 정도의 판재를 미세하게 분단한 것 등을 들 수 있다. 소절편이나 판재에서는, 분말 입자(대표적으로는 최대 입경이 300 ㎛ 이하 정도)와 비교하여 비표면적이 작다. 그 때문에, 고온 상태에서의 산화가 저감되기 쉽다. 결과로서, 전술한 특정 원소의 산화를 저감할 수 있어 바람직하다. 특히 소절편은, 판재와 비교하여 체적이 작다. 이 점에서, 소절편은, 성형형에 충전하기 쉬운 데다가 용융 상태가 되기 쉽기 때문에, 판재보다 용침성이 우수하여 바람직하다. 소절편의 최대 길이가 15 ㎜~60 ㎜ 정도이면, 전술한 특정 원소의 산화의 저감 효과, 충전 용이성이나 용융 용이성이 우수하다고 하는 효과가 얻어지기 쉽다. 소절편 자체도 준비하기 쉽다고 고려된다.
전술한 특정 원소의 산화를 저감하는 관점에서는, 구리 소재는, 무산소 구리를 포함하는 소절편을 포함하는 것이 바람직하다.
<적층체>
탄소계 입자의 원료가 되는 제1 분말의 양 및 구리상의 원료가 되는 구리 소재의 양은, 제작하는 복합 재료 중의 탄소계 입자의 함유량(전술 참조), 구리상의 함유량이 원하는 양이 되도록 조정한다. 탄화물층의 원료가 되는 제2 분말의 첨가량은, 주로 제1 분말의 양에 따라 조정한다. 여기서, 제2 분말의 특정 원소는, 용침을 행하는 제2 공정에서 탄소계 입자의 C(탄소)와 반응하여 탄화물을 형성하고, 복합 재료 중에서는 주로 탄화물층으로서 존재한다. 제2 분말의 첨가량이 지나치게 많으면 탄화물층이 두꺼워지기 쉽다. 그 때문에, 탄화물층이 적절히 형성되도록, 제2 분말의 첨가량을 조정한다. 또한, 탄화물층을 형성하기 쉽도록, 탄소계 입자 주위에 특정 원소가 존재하는 환경을 형성한다. 여기서는, 제2 분말을 제1 분말에 첨가한다. 탄소계 입자 주위에 특정 원소가 존재함으로써, 미반응의 특정 원소가 잔존하는 것도 방지하기 쉽다. 특히, 실시형태의 복합 재료의 제조 방법에서는, 제2 분말을 제1 분말에만 혼합하는 것이 아니라 둘로 나누어(등분이 아니어도 좋음), 구리 소재에도 첨가한다. 그리고, 제1 분말과 제2 분말을 포함하는 제1 원료와, 구리 소재와 제2 분말을 포함하는 제2 원료를 순서대로 성형형에 충전한다. 성형형 내에서 제1 원료에 의한 제1 층과, 제2 원료에 의한 제2 층을 적층한 적층체를 형성하는 것을 들 수 있다.
제1 원료(제1 층)에 있어서, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량은, 예컨대 C(탄소)와 특정 원소의 합계량에 대한 특정 원소의 질량 비율이 0.1 질량% 이상 15 질량% 이하를 만족시키는 범위로 하는 것을 들 수 있다. 상기 질량 비율은, (특정 원소의 질량/(C의 질량+특정 원소의 질량))×100이다. 상기한 질량 비율이 0.1 질량% 이상이면, 용침 시, 전술한 바와 같이 탄화물층을 적절히 형성할 수 있다. 상기 질량 비율이 클수록, 탄화물층을 보다 확실히 형성할 수 있고, 젖음성의 개선을 양호하게 행할 수 있다. 그 때문에, 상기 질량 비율은 0.2 질량% 이상, 나아가 0.5 질량% 이상, 1.0 질량% 이상이어도 좋다. 용침 조건 등에 따라서는, 상기 질량 비율은 5.0 질량% 이상, 나아가 5.5 질량% 이상, 6.0 질량% 이상이어도 좋다. 상기한 질량 비율이 15 질량% 이하이면, 특정 원소의 증대에 기인하는 탄화물층의 후막화를 저감할 수 있다. 그 때문에, 탄화물층에 기인하는 열전도율의 저하를 저감하면서, 탄화물층이 적절한 두께로 형성된다. 상기 질량 비율이 작을수록, 탄화물층의 후막화, 특히 전술한 고상 반응에 기인하는 후막화를 저감하기 쉽다고 고려된다. 그 때문에, 상기 질량 비율은 14 질량% 이하, 나아가 13 질량% 이하, 12 질량% 이하, 10 질량% 이하여도 좋다.
제2 원료(제2 층)에 있어서, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량은, 예컨대 Cu와 특정 원소의 합계량에 대한 특정 원소의 질량 비율이 0.1 질량% 이상 1 질량% 이하를 만족시키는 범위로 하는 것을 들 수 있다. 상기 질량 비율은, (특정 원소의 질량/(Cu의 질량+특정 원소의 질량))×100이다. 상기한 질량 비율이 0.1 질량% 이상이면, 용침 시, 용융 구리가 특정 원소를 받아들이고, 특정 원소를 포함하는 상태에서 탄소계 입자에 접촉함으로써 특정 원소를 포함하는 탄화물을 형성하며, 이후, 상기 탄화물을 형성하기 쉽게 하는 경향이 있다. 상기 질량 비율이 클수록, 용융 구리가 특정 원소를 받아들이기 쉬워, 상기 탄화물을 형성하기 쉽다. 그 때문에, 상기 질량 비율은 0.15 질량% 이상, 나아가 0.20 질량% 이상이어도 좋다. 상기한 질량 비율이 1 질량% 이하이면, 특정 원소의 증대에 기인하는 탄화물층의 후막화가 저감되고, 탄화물층에 기인하는 열전도율의 저하가 저감되기 쉽다. 또한, 구리 소재 중의 제2 분말은, 전술한 바와 같이 용침 초기에 상기 탄화물을 형성할 수 있을 정도로 포함하면 된다고 할 수 있다. 상기 질량 비율이 작을수록, 탄화물층의 후막화를 저감하기 쉽다고 고려된다. 그 때문에, 상기 질량 비율은 0.95 질량% 이하, 나아가 0.90 질량% 이하, 0.85 질량% 이하여도 좋다.
적층체는, 예컨대 제1 층을 중력 방향 하방, 제2 층을 중력 방향 상방에 배치한 2층 구조로 하는 것을 들 수 있다. 비중이 큰 구리의 자중에 의해, 용융 구리가 제1 분말측으로 자동적으로, 또한 용이하게 용침할 수 있다. 적층체를 수납하는 성형형은, 카본제의 것을 들 수 있다. 이 성형형은, 환원성이 높고, 용융 구리나 특정 원소의 산화를 저감하기 쉽다.
제1 원료는, 적절한 혼합 장치를 이용하여 혼합하고 나서 성형형에 충전하는 것을 들 수 있다. 혼합에 의해, 탄소계 입자 주위에 제2 분말의 입자가 균일적으로 존재하여 바람직하다. 한편, 구리 소재와 제2 분말은 비중차가 비교적 크기 때문에 혼합하기 어렵다. 그 때문에, 제2 원료에 대해서는, 예컨대 구리 소재를 성형형에 충전 후, 구리 소재의 간극에 제2 분말을 충전하거나, 구리 소재의 충전 중에 제2 분말을 적절히 충전하거나 하는 것을 들 수 있다. 성형형에 원료를 충전 후, 적절히, 프레스하거나(핸드 프레스 정도의 작은 압력이면 됨), 태핑하거나 할 수 있다.
(제2 공정: 용침 공정)
이 공정은, 성형형에 충전한 적층체를 가열하여 구리 소재를 용융하고, 이 용융 구리와 제1 분말을 복합한다.
용침 온도(여기서는 적층체의 가열 온도)는, 구리 소재가 용융 가능한 온도인 Cu의 융점(1083℃) 이상으로 한다. 용침 온도는 1100℃ 이상, 나아가 1150℃ 이상으로 할 수 있다. 특히 용침 온도가 1200℃ 이상으로 비교적 높으면, 탄소계 입자의 C와 제2 분말의 특정 원소의 반응성을 높일 수 있다. 또한, 용침 온도가 높으면, 구리 소재가 소절편과 같은 비교적 큰 것이어도 양호하게 용융 구리를 형성할 수 있어 바람직하다. 단, 용침 온도가 지나치게 높으면, 용침 온도에 도달하기까지의 승온 과정에서 구리 소재에 포함되는 Cu가 산화되기 쉽다. 나아가서는 전술한 바와 같이 특정 원소가 산화되기 쉬워진다. 그 때문에, 용침 온도는 1300℃ 이하가 바람직하다. 유지 시간은, 복합 재료의 크기 등에 따라서도 달라지지만, 예컨대 10분 이상 3시간 이하 정도를 들 수 있다.
특히, 용침 공정의 분위기는, 1 ㎩ 이하의 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기로 한다. 상기 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기로 함으로써, 전술한 Cu 및 특정 원소의 산화가 저감된다. 진공 분위기에서는, 분위기 압력이 낮을수록, 환원성이 높아, 상기 산화를 보다 확실히 저감할 수 있다. 그 때문에, 상기 압력은 0.1 ㎩ 이하, 나아가 0.01 ㎩ 이하를 들 수 있다. 환원성 분위기는, 수소 분위기, 또는 수소와 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스와의 혼합 분위기 등을 들 수 있다. 불활성 분위기는, 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스 분위기를 들 수 있다. 어느 분위기에 있어서도, 산소 농도가 낮은 것이 바람직하다.
용침 공정에서는, 전술한 바와 같이 용융 구리가 제2 분말 중의 특정 원소를 받아들이고, 이 상태에서 탄소계 입자에 접촉함으로써 특정 원소를 포함하는 탄화물을 형성하면, 이후, 탄화물층이 자동적으로 형성되고, 탄소계 입자와 용융 구리의 복합이 자동적으로 진행된다. 그 때문에, 용침 공정은, 별도로, 가압할 필요가 없고, 무가압으로 한다.
전술한 용침 후, 가열을 멈추고, 냉각함으로써, 구리상 중에, 탄소계 입자의 외주가 탄화물층으로 덮여져 이루어지는 피복 입자가 분산된 복합 재료[대표적으로는 실시형태의 복합 재료(1)]가 얻어진다. 또한, 전술한 제2 원료를 이용함으로써, 피복 입자 중, 적어도 일부가, 탄화물층 중에 구리 성분을 포함하는 구리 내포 입자인 전술한 복합 재료(1)(도 1 내지 도 3)가 얻어진다.
(그 외의 공정)
그 외에, 실시형태의 복합 재료의 제조 방법은, 복합 재료의 표면에 연삭 등의 절삭 가공을 실시하는 가공 공정이나, 가공 후의 표면에 금속 도금층을 형성하는 피복 공정 등을 구비할 수 있다.
(주요한 효과)
실시형태의 복합 재료의 제조 방법은, 이하의 이유 (A)~(C)에 의해 열특성이 우수한 복합 재료가 얻어지고, 또한 이하의 이유 (a)~(d)에 의해, 열특성이 우수한 복합 재료를 생산성 좋게 제조할 수 있다.
(A) 제조되는 복합 재료가 탄소계 입자와 Cu를 주체로 한다.
(B) 특히 특정 원소의 산화를 저감함으로써, 용침 시, 탄소계 입자의 표면에 특정 원소를 포함하는 탄화물층이 적절히 형성되고, 탄소계 입자에 대한 용융 구리의 젖음성이 높아진다. 젖음성의 개선에 의해, 탄소계 입자에 대해 용융 구리가 양호하게 용침된다. 그 때문에, 탄소계 입자와 구리상이 탄화물층을 통해 밀착된다. 그 때문에, 탄소계 입자와 구리상 사이에 기공이 매우 적고, 치밀한 복합 재료가 제조된다. 이러한 복합 재료는, 기공에 기인하는 열전도율의 저하가 적고, 열전도성이 우수하다고 할 수 있다.
(C) Cu 및 특정 원소의 산화를 저감함으로써, Cu나 특정 원소의 산화물의 함유량이 매우 적은 복합 재료가 제조된다. 이러한 복합 재료는, 상기 산화물의 함유에 의한 열전도율의 저하가 적고, 열전도성이 우수하다고 할 수 있다.
(a) 제1 분말과 구리 소재의 각각에 제2 분말을 포함하는 원료를 성형형에 충전함으로써, 용침에 제공하는 소재가 제작된다. 그 때문에, 혼합 분말의 분말 성형체나, 특정 원소를 포함하는 탄화물을 포함하는 피복층을 구비하는 성형체 등을 별도로 제작할 필요가 없다.
(b) 제1 분말과 구리 소재의 각각에 제2 분말을 첨가하고, 용침 공정의 분위기를 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기로 함으로써, 특별한 조제 등이 불필요하면서, 적절히 탄화물층이 형성된다.
(c) 무가압으로 용침함으로써, 고압 인가 가능한 전용 설비 등이 불필요하다.
(d) 고가의 Ag를 이용하지 않음으로써, 원료 비용을 저감할 수 있다.
[시험예 1]
탄소계 물질을 포함하는 제1 분말과, 특정 원소를 포함하는 여러 가지 제2 분말과, 구리 소재를 이용하여, 여러 가지 용침 조건으로 복합 재료를 제작하고, 열특성, 및 구조를 조사하였다.
원료로서, 이하를 준비하였다.
제1 분말은, 평균 입경이 20 ㎛인 다이아몬드 분말이다.
구리 소재는 구리 분말과, 소절편을 준비하였다. 구리 분말은, Cu를 99.8 질량% 이상 함유하고, 잔부가 불가피 불순물을 포함한다. 구리 분말의 평균 입경이 100 ㎛ 이하이다. 구리 분말의 산소 농도는 240 질량 ppm이다. 소절편은 무산소 구리(OFC)를 포함한다. 소절편은, 선직경 8 ㎜의 선재를 길이 15 ㎜ 정도로 절단한 것이다. 무산소 구리의 소절편의 산소 농도는 10 질량 ppm 이하이다.
제2 분말은, Si, Ti, Zr, 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 원소(특정 원소)의 황화물, 질화물, 수소화물, 붕화물, 또는 특정 원소 단체를 포함한다. 제2 분말의 평균 입경은 50 ㎛ 이하이다.
다이아몬드 분말 및 구리 분말의 평균 입경은, 시판의 입자 화상 분석 장치, 모폴로기(Morphologi) G3(Malvern Instruments 제조)를 이용하여 측정한 메디안 입경이다.
준비한 원료를 성형형(여기서는 카본제)에 충전하여, 적층체를 형성하고, 적층체를 가열하여 용침을 행하였다. 적층체는, 제1 분말(여기서는 다이아몬드 분말)과 제2 분말이 혼합된 제1 층과, 구리 소재(여기서는 구리 분말 또는 무산소 구리의 소절편)와 제2 분말을 포함하는 제2 층을 구비한다. 여기서는, 얻어지는 복합 재료에서의 탄소계 입자의 함유량이 60 체적% 정도, 구리상의 함유량이 38 체적% 정도, 탄화물층의 함유량이 2 체적% 정도가 되도록, 제1 분말, 제2 분말, 구리 소재의 체적 비율을 조정하였다. 또한, 적층체는, 제1 층이 중력 방향 하층이 되고, 제2 층이 중력 방향 상층이 되도록 적층하여 형성하였다.
제1 층에 있어서, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량을 상이하게 하고, 제2 층에 있어서, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량을 상이하게 하였다.
여기서는, C(탄소)와 특정 원소의 합계량에 대한 특정 원소의 질량 비율을 7 질량% 이상 15 질량% 이하의 범위에서 선택한다. 선택한 특정 원소의 질량 비율을 만족시키도록, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량을 조정하였다.
또한, Cu와 특정 원소의 합계량에 대한 특정 원소의 질량 비율을 0.2 질량% 이상 1 질량% 이하의 범위에서 선택한다. 선택한 특정 원소의 질량 비율을 만족시키도록, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량을 조정하였다.
각 시료에 있어서, 제2 분말의 재질, 제1 분말 및 구리 소재에 대한 특정 원소의 질량 비율(질량%), 구리 소재의 형태를 표 1~표 3에 나타낸다. 여기서는, 특정 원소가 Ti인 경우를 표 1, 표 2에 상세히 나타낸다. 특정 원소가 Si, Zr, Hf인 경우에 대해서는, Ti의 경우와 동일하게 행하고, 그 결과를 일부만 발췌하여 표 3에 나타낸다. 표 1~표 3에서는, 제2 분말을 피복 형성 분말이라고 나타낸다. 또한, 표 1~표 3에서는, 특정 원소를 피복 형성 원소라고 나타낸다.
여기서는, 1 ㎩ 이하의 진공 분위기에서, 무가압의 상태에서 성형형을 가열하여 용침을 행하였다. 용침 온도(여기서는 성형형의 가열 온도)를 1200℃ 또는 1300℃로 하고, 유지 시간을 모두 2시간으로 하였다. 각 시료의 용침 온도(℃)를 표 1~표 3에 나타낸다. 유지 시간이 경과 후, 가열을 멈추고 냉각하여 용침재를 얻었다. 성형형은, 직경 10 ㎜φ, 두께 10 ㎜의 원기둥체를 성형 가능한 것을 이용하였다.
얻어진 용침재의 열전도율(W/m·K)을 측정하였다. 열전도율은, 시판의 측정기를 이용하여, 실온(여기서는 20℃ 정도)에서 측정하였다. 그 결과를 표 1~표 3에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
표 1~표 3에 나타내는 바와 같이, Ag를 이용하지 않고 순동을 이용해도, 열전도율이 170 W/m·K 이상, 특히 200 W/m·K 이상이라고 하는 열전도성이 우수한 복합 재료[시료 No.1, 4, 8~11, 14, 15, 23, 24, 26, 29~31, 34, 35, 38~41, 44~46, 49, 50, 53~56, 59, 60, 69, 71, 74~78(이하, 통합하여 시료군 No.1 등이라고 부르는 경우가 있음)]가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이 시험에서는, 열전도율이 220 W/m·K 이상의 복합 재료가 많이 얻어지고 있고, 400 W/m·K 정도의 복합 재료(시료 No.45, 60)도 얻어지고 있다. 또한, 이 시험으로부터, 이러한 고열전도율의 복합 재료(시료군 No.1 등)는, 제1 분말과 구리 소재의 각각에 제2 분말을 첨가하고, 진공 분위기에서 용침을 행함으로써 제조할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이 시험으로부터, 제1 분말의 크기, 함유량, 구리 소재의 형태, 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율), 용침 온도 등을 조정함으로써, 열전도율을 더욱 향상시킬 수 있는 조건이 존재할 수 있다고 고려된다. 예컨대, 제1 분말의 크기를 보다 크게 하거나, 함유량을 보다 많게 하거나 함으로써, 열전도율이 보다 한층 높은 복합 재료가 얻어진다고 기대된다.
이하, 열전도율이 200 W/m·K 이상인 시료군 No.1 등의 용침재에 주목한다.
시료군 No.1 등의 용침재의 선팽창 계수(×10-6/K)를 측정한 결과, 어느 시료도 선팽창 계수는 5×10-6/K~13×10-6/K이다. 이와 같이 고열전도율이고, 선팽창 계수가 반도체 소자 및 그 주변 부품에 가까움으로써, 시료군 No.1 등의 용침재는, 반도체 소자의 방열 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다고 기대된다. 선팽창 계수는, 시판의 측정기를 이용하여, 30℃~800℃의 범위에서 측정하였다.
시료군 No.1 등의 용침재에 대해, 열전도성이 우수한 이유를 고찰한다. 그 이유의 하나로서, 열전도율이 높은 다이아몬드와, 순동을 포함하는 것이 고려된다. 여기서는, 원료에 무산소 구리의 소절편을 이용한 시료 No.14, 15, 29, 30, 44, 45, 59, 60, 74, 75는 특히 열전도율이 높고, 250 W/m·K 정도 또는 그 이상이며, 대부분의 시료는 300 W/m·K 이상이다. 이 점에서, 원료에, 무산소 구리와 같은 산소 농도가 낮은 순동을 포함하는 구리 소재나, 소절편과 같은 비표면적이 큰 형태의 구리 소재를 이용하면 열전도성이 우수한 복합 재료를 얻기 쉽다고 할 수 있다.
다른 이유의 하나로서, 치밀한 것이 고려된다. 시료군 No.1 등의 용침재의 단면을 취하고, SEM으로 관찰한 결과, 도 2, 도 3에 예시하는 바와 같이, 어느 시료도, 탄소계 입자(2)의 표면의 적어도 일부(여기서는 실질적으로 전부)가 탄화물층(3)으로 덮여진 피복 입자(4)가 구리상(5) 중에 분산되어 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 어느 시료도, 탄소계 입자(2)와 구리상(5)이 탄화물층(3)을 통해, 간극없이 밀착되어 있어, 기공이 적은 것을 알 수 있다. 도 2, 도 3은 시료 No.45의 용침재를 도시한다. 한편, 시료군 No.1 등의 상대 밀도는 모두 80% 이상이다.
시료군 No.1 등의 용침재에 있어서, 탄소계 입자의 평균 입경을 구한 결과, 어느 시료도 평균 입경이 17 ㎛이고, 원료에 이용한 제1 분말의 평균 입경과 대략 동일하다. 이 점에서, 상기 평균 입경이 지나치게 작지 않고, 분말 입계가 적은 점에서도 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다. 상기 평균 입경은, 전술한 단면 SEM상을 이용하여 측정하였다. 단면 SEM상에 있어서, 10개 이상의 탄소계 입자에 대해, 등가 면적 원의 직경을 구한다. 이 직경의 평균값을 평균 입경으로 한다. 이 측정에는, 공지의 화상 소프트웨어(Image J)를 이용하였다.
시료군 No.1 등의 용침재에 있어서, 탄소계 입자의 함유량을 구한 결과, 어느 시료도 함유량이 55 체적% 정도이고, 원료에 이용한 제1 분말의 양과 대략 동일하다. 열전도율이 높은 탄소계 입자를 적량 포함하는 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다. 상기 함유량은, 전술한 단면 SEM상을 이용하여 측정하였다. 단면 SEM상에 있어서, 80 ㎛×120 ㎛의 측정 영역에 존재하는 탄소계 입자를 전부 추출하여 합계 면적을 구한다. 상기 측정 영역의 면적에 대한 탄소계 입자의 합계 면적의 비율을 구한다. 이 면적 비율을 체적 비율이라고 간주하였다. 이 측정에는, 공지의 화상 소프트웨어(Image J)를 이용하였다.
시료군 No.1 등의 용침재 중, 시료 No.45에 대해 탄화물층의 최대 두께 및 평균 두께를 구하였다. 여기서는, 10개 이상의 피복 입자에 대해, 각 피복 입자의 탄화물층의 최대 두께를 이하와 같이 측정하였다. 전술한 바와 같이 단면 SEM상을 이용하여, 각 탄소계 입자의 외접원 및 60개의 직경을 취한다(도 2b도 참조). 상기 직경을 따른 직선 또는 상기 직경을 따른 연장선에 있어서 탄화물층이 분단하는 선분의 길이를 구한다. 구한 선분 중, 긴 쪽으로부터 상위 5개의 선분의 길이를 구하고, 평균을 취한다. 상기한 상위 5개의 선분의 길이를 평균한 값을 각 피복 입자의 최대 두께로 한다. 각 피복 입자의 최대 두께에 대해, 최소값이 0.19 ㎛이고, 최대값이 1.46 ㎛이다. 10개 이상의 피복 입자에서의 상기한 평균값(최대 두께)을 또한 평균한 값을 시료 No.45의 최대 두께로 하면, 최대 두께는 3 ㎛ 이하이고, 이 시험에서는 나아가 2 ㎛ 이하이다.
또한, 10개 이상의 피복 입자에 대해, 각 피복 입자의 탄화물층의 평균 두께를 구하였다. 각 피복 입자에 대해, 전술과 동일하게 하여 60개의 선분의 길이를 구하여 평균을 취한다. 이 평균값을 각 피복 입자의 평균 두께로 한다. 각 피복 입자의 평균 두께에 대해, 최소값이 0.04 ㎛이고, 최대값이 0.23 ㎛이다. 10개 이상의 피복 입자에서의 상기한 평균 두께를 또한 평균한 값을 시료 No.45의 평균 두께로 하면, 평균 두께는 0.50 ㎛ 미만이고, 이 시험에서는 나아가 0.30 ㎛ 이하이다.
시료군 No.1 등의 용침재 중, 시료 No.45 이외의 시료에서의 탄화물층의 최대 두께 및 평균 두께는, 시료 No.45와 동등 정도라고 고려된다. 이와 같이 탄소계 입자나 구리상과 비교하여 열전도성이 뒤떨어지는 탄화물층이 지나치게 두껍지 않은 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다. 또한, 탄화물층이 적절한 두께로 존재하여, 제조 과정에서 탄소계 입자에 대한 용융 구리의 젖음성을 높일 수 있어 치밀화할 수 있었던 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다.
도 2a, 도 3에 예시하는 바와 같이, 시료군 No.1 등의 용침재에서는, 탄화물층 중에 구리 성분을 내포한 개소를 포함하는 탄화물층을 구비하는 피복 입자(구리 내포 입자)가 다수 존재하였다. 전술한 바와 같이 열전도성이 뒤떨어지는 탄화물층이 구리 성분을 포함하는 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다. 또한, 도 2a, 도 3에 예시하는 바와 같이 구리 성분(50)의 내포 개소(40)의 두께는, 국소적으로 두꺼운 경우가 보여지지만, 이 내포 개소(40)를 포함한 탄화물층(3)의 최대 두께가 전술한 바와 같이 3 ㎛ 이하로 얇은 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다.
또한, 이 시험에서는, 구리 내포 입자의 탄화물층(3)은, 그 둘레 방향으로 이격되어 복수의 내포 개소(40)를 갖고, 국소적으로 두꺼운 개소를 포함한다. 그러나, 전술한 탄화물층(3)의 두께의 측정에 이용한 60개의 선분 중, 내포 개소(40)를 분단하는 선분에 주목하면, 각 내포 개소(40)에 대해, 1 ㎛ 이상의 길이의 선분이 인접하여 늘어서는 수는 5개 이하이다. 그 때문에, 이 탄화물층(3)은, 1 ㎛ 이상이라고 하는 국소적으로 두꺼운 개소를 갖지만, 각 후막 개소에서의 탄소계 입자의 둘레 방향을 따른 길이는 비교적 짧다고 할 수 있다. 또한, 각 내포 개소(40)에 대해, 상기 인접하여 늘어서는 5개 이하의 선분 중, 구리 내포 입자의 둘레 방향으로 가장 떨어진 위치에 있는 2개의 선분에 끼워지는 영역을 후막 개소로 한다. 각 후막 개소의 단면적[특정 원소를 포함하는 탄화물과 구리 성분(50)을 포함한 합계 단면적]을 구하고, 이들의 합계를 구한 결과, 합계 단면적은 30 ㎛2 이하이다. 그 때문에, 이 탄화물층(3)은, 후막 개소를 국소적으로 갖지만, 그 합계 단면적이 작다고 할 수 있다. 이러한 점들에서도, 열전도성이 높아졌다고 고려된다. 또한, 구리 성분(50)을 포함하면서도, 특정 원소를 포함하는 탄화물이 존재함으로써, 전술한 젖음성을 높일 수 있어 치밀화할 수 있고, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다.
시료군 No.1 등의 용침재 중, 시료 No.45에 대해, 구리 내포 입자에서의 탄화물층 중의 구리 성분의 합계 함유량을 조사한 결과, 상기 합계 함유량은 1 체적%~20 체적%이다. 또한, 시료 No.45에 대해, 피복 입자의 합계 단면적에 대한 구리 내포 입자의 합계 단면적의 비율을 조사하였다. 그 결과, 상기 비율은 50% 이상이다. 시료군 No.1 등의 용침재 중, 시료 No.45 이외의 시료에서의 구리 내포 입자의 단면적 비율은, 시료 No.45와 동등 정도라고 고려된다. 이 점에서, 구리 피복 입자[구리 성분(50)의 내포 개소(40)]를 적량 포함함으로써, 열전도성이 보다 높아지기 쉬워졌다고 고려된다.
상기 구리 성분의 합계 함유량은, 전술한 단면 SEM상을 이용하여 측정하였다. 단면 SEM상에 있어서 30 ㎛×40 ㎛의 측정 영역에 존재하는 구리 내포 입자를 전부 추출한다. 추출한 각 구리 내포 입자에 대해, 구리 성분의 면적 비율=(구리 성분의 합계 면적/구리 내포 입자의 탄화물층의 면적)×100을 구한다. 탄화물층의 면적은 특정 원소를 포함하는 화합물과 구리 성분의 합계 면적으로 한다. 추출한 모든 구리 내포 입자에 대해, 상기 구리 성분의 면적 비율을 구하고, 또한 평균을 취한다. 이 평균값을 구리 성분의 면적 비율로 하고, 체적 비율이라고 간주한다. 또한, 여기서는, 구리 내포 입자의 단면적 비율은, 구리 내포 입자 중, 전술한 구리 성분의 합계 함유량이 1 체적% 이상 70 체적% 이하를 만족시키는 것을 추출하고, (추출한 구리 내포 입자의 합계 면적/피복 입자의 합계 면적)×100을 구하였다. 이들의 측정에는, 공지의 화상 소프트웨어(Image J)를 이용하였다.
시료군 No.1 등의 용침재에 있어서, 구리상 중의 특정 원소의 함유량을 조사하였다. 여기서는, 전술한 단면 SEM상에 대해, 시판의 실리콘 드리프트 검출기(OCTANE SUPERE, EDAX 제조)를 이용하여 측정한 결과, 어느 시료도 특정 원소가 검출되지 않았다. 이 점에서, 구리상 중의 특정 원소의 함유량은, 상기 검출기의 정량 한계값인 1 질량% 이하라고 할 수 있다. 구리상 중에, Cu보다 열전도율이 낮은 특정 원소가 실질적으로 포함되어 있지 않은 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다. 또한, 이 점에서, 원료의 구리 소재에 첨가한 제2 분말의 특정 원소는, 탄화물층에 이용되었다고 고려된다.
시료군 No.1 등의 용침재에 있어서, 탄소계 입자의 표면 형상을 조사한 결과, 도 2의 상측의 SEM상에 나타내는 바와 같이, 탄소계 입자의 표면이 거칠어진 피복 입자가 다수 보여졌다. 그래서, 전술한 단면 SEM상을 이용하여, 탄소계 입자의 윤곽 길이(L2) 및 등가 면적 원의 원주 길이(L0)를 구하고, 요철도=L2/L0을 산출하였다. 여기서는, 10개 이상의 탄소계 입자의 요철도를 구하고, 그 평균값을 구하였다. 그 결과, 상기 평균값은 1.35~1.59이다. 어느 시료에 있어서도, 요철도가 1.2 이상을 만족시킨다. 이러한 시료군 No.1 등의 용침재는, 탄소계 입자와 탄화물층과 구리상의 3자의 계면 강도가 높고, 냉열 사이클 특성이 우수하다고 기대된다. 한편, 상기한 측정에는, 공지의 화상 소프트웨어(Image J)를 이용하였다.
시료군 No.1 등의 용침재 중, 시료 No.45에 대해, 산소의 함유량을 조사한 결과, 산소의 함유량은 0.03 질량%이고, 매우 적었다. 시료군 No.1 등의 용침재 중, 시료 No.45 이외의 시료에서의 산소의 함유량은, 시료 No.45와 동등 정도라고 고려된다. 이 점에서, 이들 용침재는 산화물이 적다고 할 수 있고, 산화물에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있었던 점에서도, 열전도성을 높일 수 있었다고 고려된다. 산소의 함유량은 시판의 산소 분석 장치를 이용할 수 있다. 여기서는 ON836(LECO 제조)을 이용하여 산소의 함유량을 측정하였다.
다음으로, 시료군 No.1 등의 용침재와 같은, 열전도성이 우수한 복합 재료가 얻어지는 제조 조건을 고찰한다.
진공 분위기를 대신하여 아르곤 분위기로 하고, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)을 2 질량%로 하며, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량(동(同))을 0.1 질량%로 하고, 용침 조건을 1100℃×2시간으로 하여 용침을 행한 결과, 실질적으로 용침하지 않았다. 그 이유의 하나로서, 제2 분말의 첨가량이 적었던 것이 고려된다. 이 점에서, 분위기에 대응하여, 제2 분말의 첨가량이나 용침 온도를 조정하는 것이 바람직하다고 고려된다.
표 1~표 3에 나타내는 바와 같이, 용침 온도가 동일해도, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량과, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량이 상이함으로써 열전도율이 상이하다. 예컨대, 구리 분말과 같은 산소의 함유량이 비교적 많은 구리 소재를 이용하고, 용침 온도를 1300℃로 하는 경우에, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)이 15 질량%이면, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량(동)은 0.4 질량% 초과 1 질량% 미만인 것이 바람직하다고 할 수 있다(예컨대, 시료 No.34, 35와 시료 No.32, 33, 36을 비교 참조). 또한, 용침 온도를 1300℃로 하는 경우에, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)이 12 질량%이면, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량(동)이 0.2 질량%이면 열전도율이 170 W/m·K 이상이다(시료 No.1, 16, 31, 46, 61 참조). 이 점에서, 제2 분말의 첨가량을 보다 적게 할 수 있을 가능성이 있다.
또는, 예컨대, 구리 분말과 같은 산소의 함유량이 비교적 많은 구리 소재를 이용하고, 용침 온도를 1200℃로 하는 경우에, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)을 10 질량% 이상으로 하고, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량(동)을 0.2 질량% 이상 0.4 질량% 이하 정도로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다(열전도율이 170 W/m·K 이상인 시료 No.8~11, 23~26, 38~41, 53~56, 68, 69, 71, 76~78 참조).
또는, 예컨대, OFC의 소절편과 같은 산소의 함유량이 비교적 적은 구리 소재를 이용하고, 용침 온도를 1200℃로 하는 경우에, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)을 10 질량% 미만, 여기서는 7 질량%로 하고, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량(동)을 0.2 질량% 이상 0.4 질량% 이하 정도로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다(시료 No.14, 15, 29, 30, 44, 45, 59, 60, 74, 75 참조). 이 경우에 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량을 보다 많게 하면, 상대 밀도를 향상시킬 수 있고, 복합 재료가 치밀화되기 쉽다고 할 수 있다. 예컨대, 시료 No.44, 45를 비교하면, 열전도율이 높은 시료 No.45 쪽이 치밀하다고 고려된다.
이들에 입각하면, 탄소계 입자의 크기, 용침 온도, 제2 분말의 재질 등에 따라서도 달라지지만, 제1 분말에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)이 0.1 질량% 이상 15 질량% 이하를 만족시키는 범위, 구리 소재에 대한 제2 분말의 첨가량(특정 원소의 질량 비율)이 0.1 질량% 이상 1 질량% 이하를 만족시키는 범위에서 상기 첨가량을 조정하면, 열전도성이 우수한 복합 재료를 얻기 쉽다고 고려된다. 또한, OFC의 소절편과 같은 산소의 함유량이 비교적 적고, 비표면적이 큰 구리 소재를 이용하면, 열전도성이 우수한 복합 재료를 얻기 쉽다고 고려된다.
본 발명은 이들의 예시에 한정되는 것은 아니며, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
예컨대, 전술한 시험예 1에 있어서, 이하의 적어도 하나의 항목에 대해, 적어도 하나의 요건을 변경하는 것을 들 수 있다.
(1) 탄소계 물질의 종류
(2) 제1 분말의 평균 입경·함유량 등
(3) 구리 소재의 형태·크기·산소 농도 등
(4) 탄화물층의 형성에 이용하는 제2 분말의 재질·형태·첨가량 등
(5) 용침 조건(용침 온도, 유지 시간, 분위기 등)
(6) 용침재의 형상·크기 등
1: 복합 재료 2: 탄소계 입자
3: 탄화물층 4: 피복 입자
40: 구리 성분의 내포 개소 5: 구리상
50: 구리 성분

Claims (12)

  1. 탄소계 물질을 포함하는 탄소계 입자와, 상기 탄소계 입자의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 구비하는 피복 입자와,
    상기 피복 입자끼리를 결합하는 구리상(相)을 구비하고,
    상기 탄화물층은, Si, Ti, Zr 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물을 포함하며,
    상기 탄소계 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것인 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄화물층의 최대 두께가 3 ㎛ 이하인 것인 복합 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복 입자는, 상기 탄화물층의 일부에 구리 성분을 내포하는 입자를 포함하고,
    단면에 있어서, 상기 피복 입자의 합계 단면적에 대해, 상기 구리 성분을 내포하는 상기 입자의 합계 단면적의 비율이 30% 이상이며,
    상기 구리 성분을 내포하는 상기 입자에서의 상기 탄화물층 중의 상기 구리 성분의 합계 함유량이 1 체적% 이상 70 체적% 이하인 것인 복합 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단면에 있어서, 상기 탄소계 입자의 윤곽 길이를 이 탄소계 입자의 등가 면적 원의 원주 길이로 나눈 값을 요철도(凹凸度)로 하고, 상기 요철도가 1.2 이상인 것인 복합 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리상에서의 상기 원소의 함유량이 1 질량% 이하인 것인 복합 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소계 물질은, 다이아몬드, 그래파이트, 카본 나노튜브 및 탄소 섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 재료인 것인 복합 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소계 입자의 함유량이 40 체적% 이상 85 체적% 이하인 것인 복합 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 열전도율이 200 W/m·K 이상인 것인 복합 재료.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 선팽창 계수가 4×10-6/K 이상 15×10-6/K 이하인 것인 복합 재료.
  10. 제1 층과, 제2 층을 적층한 적층체를 형성하는 공정과,
    상기 적층체를 가열하는 공정을 포함하고,
    상기 제1 층은,
    탄소계 물질을 포함하는 제1 분말과,
    Si, Ti, Zr 및 Hf로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물 및 상기 원소 단체(單體) 중 적어도 한쪽을 포함하는 제2 분말을 포함하며,
    상기 제2 층은,
    Cu 및 불가피 불순물을 포함하는 구리 소재와,
    상기 제2 분말을 포함하고,
    상기 가열하는 공정에서는,
    1 ㎩ 이하의 진공 분위기, 환원 분위기 또는 불활성 분위기, 또한 무가압의 상태에서의 가열에 의해, 용융된 상기 구리 소재와, 상기 제1 분말을 복합하는 것인 복합 재료의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적층체를 형성하는 공정에서는,
    상기 제1 분말에 대한 상기 제2 분말의 첨가량을, C와 상기 원소의 합계량에 대한 상기 원소의 질량 비율이 0.1 질량% 이상 15 질량% 이하를 만족시키는 범위로 하고,
    상기 구리 소재에 대한 상기 제2 분말의 첨가량을, Cu와 상기 원소의 합계량에 대한 상기 원소의 질량 비율이 0.1 질량% 이상 1 질량% 이하를 만족시키는 범위로 하는 것인 복합 재료의 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 구리 소재는, 산소 농도가 10 질량 ppm 이하의 무산소 구리를 포함하는 소절편(小切片)을 포함하는 것인 복합 재료의 제조 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020203185A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 住友電気工業株式会社 複合材料
US20230167528A1 (en) * 2020-04-09 2023-06-01 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Composite material, heat sink and semiconductor device
JP7497621B2 (ja) 2020-06-04 2024-06-11 セイコーエプソン株式会社 積層放熱体、電子機器、および積層放熱体の製造方法
KR102576792B1 (ko) * 2021-06-08 2023-09-11 주식회사 더굿시스템 복합재료 및 방열부품

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004197153A (ja) 2002-12-18 2004-07-15 Allied Material Corp ダイヤモンド−金属複合材料およびその製造方法
US20100319900A1 (en) * 2009-10-21 2010-12-23 Andrey Mikhailovich Abyzov Composite material having high thermal conductivity nd process of fabricating same
JP2013115096A (ja) * 2011-11-25 2013-06-10 Tomei Diamond Co Ltd ダイヤモンド含有ヒートシンク材及びその製法
WO2016035795A1 (ja) * 2014-09-02 2016-03-10 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンド複合材料、及び放熱部材

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6264882B1 (en) * 1994-05-20 2001-07-24 The Regents Of The University Of California Process for fabricating composite material having high thermal conductivity
JP3617232B2 (ja) * 1997-02-06 2005-02-02 住友電気工業株式会社 半導体用ヒートシンクおよびその製造方法ならびにそれを用いた半導体パッケージ
JP3893681B2 (ja) * 1997-08-19 2007-03-14 住友電気工業株式会社 半導体用ヒートシンクおよびその製造方法
JP2002080280A (ja) * 2000-06-23 2002-03-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 高熱伝導性複合材料及びその製造方法
JP2004200346A (ja) * 2002-12-18 2004-07-15 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体素子収納用パッケージ、その製造方法及び半導体装置
AT7522U1 (de) * 2004-04-29 2005-04-25 Plansee Ag Wärmesenke aus borhaltigem diamant-kupfer-verbundwerkstoff
AT7492U1 (de) * 2004-06-01 2005-04-25 Ceratizit Austria Gmbh Verschleissteil aus einem diamanthaltigen verbundwerkstoff
TWI403576B (zh) * 2008-12-31 2013-08-01 Ind Tech Res Inst 含碳金屬複合材料及其製作方法
BR112012012525A2 (pt) * 2009-12-01 2019-09-24 Applied Nanostructured Sols materiais compósitos de matriz elétrica contendo materiais de fibra infundidos com nanotubos de carbono e métodos para produção dos mesmos
CN102383014B (zh) * 2011-11-11 2013-02-13 华中科技大学 高温共混表面金属化制备金刚石-铜复合材料的方法
TW201335350A (zh) * 2012-02-29 2013-09-01 Ritedia Corp 熱傳導膏
US20160168440A1 (en) * 2014-09-15 2016-06-16 Energy Bank Inc. Synthetic polymerization heat sink and shield enclosure
US20160186031A1 (en) * 2014-12-08 2016-06-30 Baker Hughes Incorporated Carbon composites having high thermal conductivity, articles thereof, and methods of manufacture
JP6812984B2 (ja) * 2015-11-02 2021-01-13 住友電気工業株式会社 硬質合金および切削工具
EP3451376A1 (en) * 2017-09-04 2019-03-06 The Provost, Fellows, Foundation Scholars, and The Other Members of Board, of The College of The Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth Thermal structures for dissipating heat and methods for manufacture thereof
CN108179302B (zh) * 2018-01-30 2019-12-10 哈尔滨工业大学 一种高导热金刚石/铜复合材料的制备方法
KR20210079288A (ko) * 2018-10-25 2021-06-29 스미토모덴키고교가부시키가이샤 복합 부재
WO2020203185A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 住友電気工業株式会社 複合材料
CN112625657B (zh) * 2019-09-24 2022-01-14 华为技术有限公司 导热体、导热材料和半导体器件的封装结构
CN115427599A (zh) * 2020-03-24 2022-12-02 住友电气工业株式会社 复合材料以及散热构件
KR20230089447A (ko) * 2021-12-13 2023-06-20 주식회사 더굿시스템 복합재료 및 이 복합재료를 포함하는 방열부품

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004197153A (ja) 2002-12-18 2004-07-15 Allied Material Corp ダイヤモンド−金属複合材料およびその製造方法
US20100319900A1 (en) * 2009-10-21 2010-12-23 Andrey Mikhailovich Abyzov Composite material having high thermal conductivity nd process of fabricating same
JP2013115096A (ja) * 2011-11-25 2013-06-10 Tomei Diamond Co Ltd ダイヤモンド含有ヒートシンク材及びその製法
WO2016035795A1 (ja) * 2014-09-02 2016-03-10 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンド複合材料、及び放熱部材
US20170145280A1 (en) * 2014-09-02 2017-05-25 A.L.M.T. Corp. Diamond composite material and heat radiating member

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