KR20210079288A - 복합 부재 - Google Patents

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KR20210079288A
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료타 마츠기
이사오 이와야마
치에코 다나카
히데아키 모리가미
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
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Abstract

본 발명은, 내열성이 우수한 복합 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 비금속상과 금속상을 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 상기 기판 표면의 적어도 일부를 덮는 금속층을 구비하는 복합 부재로서, 상기 금속상 및 상기 금속층을 구성하는 금속은, Ag을 주체로 하고, 상기 금속층 중, 상기 기판과의 경계 영역 내에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이, 20 원자% 이하인 것인, 복합 부재.

Description

복합 부재
본 개시는, 복합 부재에 관한 것이다. 본 출원은, 2018년 10월 25일에 출원한 일본 특허 출원인 특원 제2018-201235호에 기초한 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
특허문헌 1은, 은과 다이아몬드를 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 기판의 표면을 덮는 은층을 구비하는 방열 부재를 개시한다.
특허문헌 1 : 국제 공개 제2016/035795호
본 개시의 복합 부재는, 비금속상과 금속상을 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 상기 기판 표면의 적어도 일부를 덮는 금속층을 구비하는 복합 부재로서, 상기 금속상 및 상기 금속층을 구성하는 금속은, Ag를 주체로 하고, 상기 금속층 중, 상기 기판과의 경계 영역 내에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이, 20 원자% 이하이다.
도 1은 실시형태의 복합 부재를 모식적으로 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 실시형태의 복합 부재에 있어서, 금속층의 경계 영역을 설명한 설명도이다.
도 3은 시험예 1에 있어서, 시료의 제조 방법을 설명한 설명도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
비금속상과 금속상을 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 이 기판의 표면을 덮는 금속층을 구비하는 복합 부재에 대해서, 내열성이 우수한 것이 요구되고 있다. 상기 복합 부재는 800℃ 정도, 나아가서는 830℃ 정도와 같은 고온에 노출되는 경우가 있다. 이러한 고온에 노출되더라도 상기 금속층에 팽창이 생기거나, 상기 금속층이 상기 기판으로부터 박리되거나, 나아가서는 상기 금속층이 용융되어 소실되는 등의 현상이 일어나지 않는 내열성을 갖는 복합 부재가 요구된다.
그래서, 본 개시는, 내열성이 우수한 복합 부재를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시의 복합 부재는, 내열성이 우수하다.
[본 개시의 실시형태의 설명]
처음에 본 개시의 실시형태의 내용을 열기하여 설명한다.
(1) 본 개시의 일 양태에 따른 복합 부재는,
비금속상과 금속상을 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 상기 기판 표면의 적어도 일부를 덮는 금속층을 구비하는 복합 부재로서,
상기 금속상 및 상기 금속층을 구성하는 금속은, Ag를 주체로 하고,
상기 금속층 중, 상기 기판과의 경계 영역 내에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이, 20 원자% 이하이다.
「Ag를 주체로 한다」라고 하는 것은, Ag의 함유량이 80 원자% 이상을 충족시키는 것을 말한다.
「금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역」의 상세한 내용은 후술한다.
본 개시의 복합 부재는, 이하에 설명하는 바와 같이, 내열성이 우수하다. 특히, 본 개시의 복합 부재는, 800℃ 정도, 나아가서는 830℃ 정도와 같은 고온에 노출되더라도, 금속층을 적절하게 유지할 수 있다.
금속층은, 기판과의 경계 영역을 포함하여 Ag(은)를 주체로 한다. 특히, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역에서는, Cu(구리)의 함유 비율이 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대하여 20 원자% 이하로 적다. 이러한 금속층은, 예컨대, 이하와 같이 하여 제조할 수 있다. Ag를 주체로 하는 금속상을 포함하는 복합 재료의 기판과, Ag를 주체로 하는 금속층의 원료가 되는, Ag를 주체로 하는 금속 부재(예, 금속박)를, Ag 및 Cu를 포함하는 납재로 접합한다. 또한, 이 납재 중의 Cu를 상기 금속상 및 금속 부재 중으로 확산시킨다. 여기서, Ag 및 Cu를 포함하는 납재의 대표예로서, Ag의 함유량이 약 72 질량%이고, Cu의 함유량이 약 28 질량%인 공정 합금(eutectic alloy)을 베이스로 하는 것을 들 수 있다. 상기 공정 합금에 있어서의 Cu의 함유량은, 원자 비율에서는, Ag와 Cu의 합계 함유량을 100 원자%로 하여, 약 40 원자%이다. 이러한 납재 중의 Cu를 상기 금속상 및 금속 부재 중으로 확산시켜, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유량이 20 원자% 이하가 될 때까지 저감시킨다. 이렇게 함으로써, 상기 경계 영역을 형성할 수 있다.
Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유량이 20 원자% 이하라고 하는 상기한 경계 영역은, Ag와 Cu의 공정 합금, 또는 상기 공정 합금을 베이스로 하는 합금(이하, 이들을 통합하여 공정 합금 등이라고 부르는 경우가 있음)이 실질적으로 존재하지 않는다고 할 수 있다. 그 때문에, 본 개시의 복합 부재는, 공정 합금 등의 용융 온도(예, 780℃)를 초과하는 온도에 노출되더라도, 공정 합금 등의 용융이 발생하기 어려우며, 바람직하게는 실질적으로 발생하지 않는다. 따라서, 본 개시의 복합 부재는, 공정 합금 등의 용융에 기인하여 금속층에 팽창이 생기거나, 금속층이 기판으로부터 박리되거나, 나아가서는 금속층 전체가 용융되어 소실되거나 하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 본 개시의 복합 부재는, 내열 온도가 800℃ 초과, 예컨대 830℃라고 말할 수 있어, 내열성이 우수하다.
한편, 전술한 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율이 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대하여 20 원자% 초과이면, 특히 40 원자%에 가까울수록, 상기 경계 영역에 전술한 공정 합금 등을 포함한다고 말할 수 있다. 상기 경계 영역에 공정 합금 등을 포함하는 경우에는, 전술한 바와 같은 고온에 노출되면, 공정 합금 등이 용융된다. 이 공정 합금 등의 용융에 따라, 전술한 금속층의 팽창, 박리, 소실 등의 현상이 발생한다고 생각된다.
또한, 본 개시의 복합 부재는, 이하의 이유 (a), (b)에 의해, 열전도성이 우수하다. 열전도성이 우수한 본 개시의 복합 부재는, 반도체 소자의 방열 부재 등에 적합하게 이용할 수 있다.
(a) 기판의 금속상 및 금속층 양쪽이 Ag를 주체로 한다.
Ag의 열전도율은, 예컨대 Cu, Al(알루미늄), Mg(마그네슘)보다 높다. 그 때문에, Ag를 주체로 하면, 열전도성이 우수하다. 전술한 경계 영역 내의 Cu의 함유량이 적기 때문에, Cu의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있다.
(b) 전술한 바와 같은 고온에 노출되더라도 기판 상에 금속층이 적절하게 존재한다.
그 때문에, 금속층의 팽창, 박리, 소실 등에 기인하는 열전도율의 저하를 쉽게 초래하지 않는다.
(2) 본 개시의 복합 부재의 일례로서,
상기 경계 영역은, Ti, Cr, V, Nb, Zr, Ta로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하고,
상기 경계 영역에서의 상기 원소의 함유량은, 상기 경계 영역의 조성을 100 원자%로 하여, 0.1 원자% 이상 2.0 원자% 이하인 형태를 들 수 있다.
기판과의 경계 영역에 전술한 특정 원소를 상기한 범위에서 포함하는 금속층은, 예컨대, 전술한 납재에 상기 특정 원소를 더 포함하는 것을 이용함으로써 제조할 수 있다. 상기 특정 원소는, 용융 상태의 금속에 대한 비금속상의 습윤성을 향상시킬 수 있다. 납재 중의 상기 특정 원소에 의해, 용융 상태의 납재와 기판 중의 비금속상이 양호하게 젖음으로써, 기판과 금속층이 밀착할 수 있다. 기판과 금속층의 밀착성이 우수함으로써, 전술한 바와 같은 고온에 노출되더라도, 금속층의 팽창, 박리, 소실 등의 현상이 보다 발생하기 어렵다. 따라서, 상기 형태는, 내열성이 보다 우수하다. 또한, 납재 중의 상기 특정 원소는, 상기 경계 영역에 잔존한다. 상기 경계 영역 내의 상기 특정 원소의 함유량이 2.0 원자% 이하이면, 상기 특정 원소의 과잉 함유에 기인하는 열전도성의 저하를 저감할 수 있다. 이 점에서, 상기 형태는, 열전도성도 우수하다.
(3) 본 개시의 복합 부재의 일례로서,
상기 금속층의 두께는, 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 형태를 들 수 있다.
금속층의 두께가 20 ㎛ 이상이면, 금속층은 평활한 표면을 갖기 쉽다. 그 때문에, 상기 형태는, 반도체 소자의 방열 부재 등에 이용되는 경우에, 복합 부재와 패키지 부재 등과의 사이에 보이드가 개재되기 어렵다. 또한, 금속층의 두께가 200 ㎛ 이하이면, 두꺼운 금속층에 기인하는 열전도성의 저하를 저감할 수 있다. 이들의 점에서, 상기 형태는, 열전도성이 우수하다. 또한, 금속층이 200 ㎛ 이하이면, 박형화도 도모할 수 있다.
(4) 본 개시의 복합 부재의 일례로서,
상기 금속층의 표면 조도(Ra)는, 2.0 ㎛ 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태에 있어서의 금속층의 표면은 평활하다. 그 때문에, 상기 형태는, 반도체 소자의 방열 부재 등에 이용되는 경우에, 복합 부재와 패키지 부재 사이에 보이드가 개재되기 어렵다. 이 점에서, 상기 형태는, 열전도성이 우수하다.
(5) 본 개시의 복합 부재의 일례로서,
상기 금속층의 표면에 있어서의 Cu의 함유량은, 상기 표면의 조성을 100 원자%로 하여, 1.0 원자% 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태에서는, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역에 Cu를 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대하여 20 원자% 이하의 범위에서 포함하고 있어도, 금속층의 표면에서는 Cu의 함유량이 매우 적다. 바람직하게는, 금속층의 표면은, Cu를 실질적으로 포함하지 않는다. 이러한 형태는, 금속층이 Cu를 과잉으로 함유하고 있지 않아, Cu의 과잉 함유에 따른 열전도율의 저하를 저감하기 쉽다. 따라서, 상기 형태는 열전도성이 우수하다.
[본 개시의 실시형태의 상세]
이하, 도면을 적절하게 참조하여, 본 개시의 실시형태를 구체적으로 설명한다. 도면 중, 동일 부호는 동일 명칭물을 의미한다.
도 1, 도 2는, 복합 부재(1)에 있어서 금속층(3)의 근방을 모식적으로 나타낸 부분 단면도이다. 이 단면도는, 복합 부재(1)를 기판(2)의 두께 방향에 평행한 평면으로 절단한 도면이다. 기판(2)의 두께 방향은, 기판(2)과 금속층(3)의 적층 방향에 상당한다. 또한, 도 1, 도 2에서는, 기판(2)의 두께 방향은, 지면 상하 방향에 상당한다.
도 1, 도 2에서는, 이해하기 쉽도록, 피복 입자(21)[비금속상(20)의 일례]에 구비되는 피복층(23)을 두껍게 나타내었으나, 실제로는 매우 얇다. 또한, 도 1에서는, 기판(2)과 금속층(3)의 경계(3b)를 직선으로 나타내었으나, 실제의 경계는 명확한 직선은 아니다. 도 1의 경계(3b)는, 후술하는 방법에 의해 추출한 것을 모식적으로 나타낸다.
도 2에서는, 경계 영역(30)을 이해하기 쉽도록 금속상(25) 및 금속층(3)의 해칭을 생략하고 있다.
[복합 부재]
도 1을 주로 참조하여, 실시형태의 복합 부재(1)를 설명한다.
(개요)
실시형태의 복합 부재(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(2)과, 기판(2) 표면의 적어도 일부를 덮는 금속층(3)을 구비한다. 기판(2)은, 비금속상(20)과 금속상(25)을 포함하는 복합 재료(10)로 이루어진다.
특히, 실시형태의 복합 부재(1)에서는, 기판(2)의 금속상(25) 및 금속층(3)이 특정 금속으로 구성된다. 또한, 금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)에 특정 금속을 포함한다. 상세하게는, 금속상(25)을 구성하는 금속 및 금속층(3)을 구성하는 금속은 모두 Ag를 주체로 한다. 금속층(3) 중, 기판(2)과의 경계 영역(30) 내에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이, 20 원자% 이하이다.
도 2를 참조하여, 경계 영역(30)을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복합 부재(1)에 대해서, 기판(2)의 두께 방향을 따른 평면으로 절단한 단면을 취한다. 이 단면은, 도 2에 도시된 바와 같이 금속층(3)의 표면(3f)이 수평 방향으로 실질적으로 평행하게 취하는 것이 바람직하다.
상기 단면에 있어서, 기판(2)을 구성하는 복합 재료(10) 중의 비금속상(20) 중, 금속층(3)의 표면(3f)에 가장 가까운 지점[이하, 이 지점을 기준점(50)이라고 부름]을 취한다. 도 2에서는, 비금속상(20)의 기준점(50)에 흑색 동그라미표를 붙여서 나타낸다.
다음으로, 기준점(50)을 지나는 수평선(51)을 취한다.
다음으로, 기판(2)의 두께 방향을 따라, 기준점(50)보다 15 ㎛ 위쪽의 지점을 지나 수평선(51)에 평행한 직선(52)을 취한다. 또한, 기판(2)의 두께 방향에 따라, 기준점(50)보다 15 ㎛ 아래쪽 지점을 지나 수평선(51)에 평행한 직선(53)을 취한다.
수평선(51)보다 아래쪽 직선(53)을 기판(2)과 금속상(25)의 경계(3b)로 한다. 또한, 경계(3b)[아래쪽 직선(53)]로부터, 위쪽 직선(52)까지의 영역, 즉 두께 30 ㎛의 영역을 경계 영역(30)으로 한다.
또한, 기준점(50)보다 15 ㎛ 위쪽의 지점을 지나는 직선을 취할 수 없는 것을 생각할 수 있다. 예컨대, 기준점(50)에 대하여 금속층(3)의 두께가 얇고, 금속층(3)의 표면(3f)이 기준점(50)으로부터 15 ㎛ 미만의 지점에 위치하는 경우를 들 수 있다. 이 경우, 금속층(3)의 표면(3f)을 위쪽의 직선(52)으로 한다. 즉, 금속층(3)이 실질적으로 전체를 경계 영역(30)으로 간주한다.
이하, 구성 요소마다 상세히 설명한다.
(기판)
복합 부재(1)에 구비되는 기판(2)에는, 비금속상(20)과 금속상(25)을 주체로 하는 복합 재료(10)로 구성되는 것을 적절하게 이용할 수 있다.
〈비금속상〉
《조성》
비금속상(20)은, 비금속 무기 재료로 이루어진다. 비금속 무기 재료는, 예컨대, 각종 세라믹스, 다이아몬드와 같은 탄소 재료 등을 들 수 있다. 세라믹스는, 예컨대, 금속 또는 비금속의 산화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물, 염화물, 규소화물 등을 들 수 있다. 그 밖의 비금속 무기 재료로서, Si나 Si3N4 등의 규소계 재료를 들 수 있다.
산화물의 일례로서, Al2O3(산화알루미늄), MgO(산화마그네슘), CaO(산화칼슘), ZrO2(산화지르코늄), Y2O3(산화이트륨) 등을 들 수 있다.
탄화물의 일례로서, SiC(탄화규소), B4C(탄화붕소) 등을 들 수 있다.
붕소화물의 일례로서, MgB2(붕소화마그네슘) 등을 들 수 있다.
질화물의 일례로서, h-BN(육방정 질화붕소), c-BN(입방정 질화붕소), AlN(질화알루미늄), Mg3N2(질화마그네슘) 등을 들 수 있다.
염화물의 일례로서, MgCl2(염화마그네슘), CaCl2(염화칼슘) 등을 들 수 있다.
규소화물의 일례로서, Mg2Si(규소화마그네슘) 등을 들 수 있다.
탄소계 재료의 일례로서, 다이아몬드, 그래파이트, 카본나노튜브, 탄소섬유 등을 들 수 있다.
비금속상(20)은, 1종의 비금속 무기 재료를 포함하여도 좋고, 복수종의 비금속 무기 재료를 포함하여도 좋다.
특히, 비금속상(20)은 다이아몬드를 포함하면, 열전도성이 우수한 복합 부재(1)로 할 수 있다. 다이아몬드는 대표적으로는 1000 W/m·K 이상과 같은 높은 열전도율을 갖기 때문이다. 또한, 다이아몬드는 열전도에 관한 이방성이 실질적으로 없기 때문이다.
《존재 형태》
비금속상(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이 입자를 포함하는 것을 들 수 있다. 비금속상(20)이 전부 입자라도 좋다. 비금속상(20)을 이루는 복수의 입자는 금속상(25)에 분산되어 존재한다. 또는, 비금속상(20)은, 3차원의 메쉬 구조를 갖는 다공체(도시하지 않음)를 포함하는 것을 들 수 있다. 다공체는, 대표적으로는 소결체를 들 수 있다. 이 경우, 금속상(25)은, 탄화규소 등의 다공체의 기공 중에 충전된 상태로 존재한다.
비금속상(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이 피복 입자(21)를 포함하여도 좋다. 피복 입자(21)는, 비금속 무기 재료로 이루어진 코어 입자(22)와, 코어 입자(22) 표면의 적어도 일부, 바람직하게는 실질적으로 전부를 덮는 피복층(23)을 구비한다.
피복 입자(21)의 일례로서, 코어 입자(22)가 다이아몬드 입자이며, 피복층(23)이 탄화물로 이루어진 것을 들 수 있다. 다이아몬드 입자의 표면에 탄화물층을 구비하면, 제조 과정에서는, 용융 상태의 금속에 대한 피복 입자(21)의 습윤성을 높일 수 있다. 그 때문에, 미용침 부분의 발생을 억제할 수 있어, 치밀화, 복합화를 양호하게 행할 수 있다. 따라서, 다이아몬드 입자와 금속상(25)이 밀착된 치밀한 복합 재료(10)로 할 수 있다. 이러한 복합 재료(10)로 이루어진 기판(2)은 열전도성이 우수하여 바람직하다.
전술한 탄화물층의 구성 재료는, Si, Ti(티탄), Zr, Hf(하프늄), Ta(탄탈), Cr(크롬)으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물을 들 수 있다. 구체적으로는, SiC, TiC, ZrC, HfC, TaC, Cr3C2를 들 수 있다. 탄화물을 이루는 C(탄소)는, 대표적으로는 다이아몬드에서 유래된다. 그 때문에, 다이아몬드 입자와 탄화물층이 밀착된다. 이 점에서도, 열전도성이 우수하다.
그 밖의 피복 입자(21)로서, 코어 입자(22)가 SiC 등의 세라믹스로 이루어진 입자이며, 피복층(23)이 산화규소와 같은 산화물 등으로 이루어진 것을 들 수 있다. 코어 입자(22) 및 피복층(23) 중 적어도 한쪽의 조성이 다른 피복 입자(21)를 포함하여도 좋다. 비금속상(20)이 전술한 다공체를 포함하는 경우, 다공체 표면의 적어도 일부에 전술한 탄화물이나 산화물 등으로 이루어진 피복층을 구비하여도 좋다.
《크기》
비금속상(20)이 입자를 포함하는 경우, 입자[전술한 피복 입자(21)를 포함함]의 평균 입경은, 예컨대 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하를 들 수 있다.
상기 평균 입경이 1 ㎛ 이상이면, 복합 재료(10)에 있어서의 비금속상(20)의 입자의 분말 입계를 저감할 수 있다. 분말 입계가 적은 복합 재료(10)로 이루어진 기판(2)을 구비하는 복합 부재(1)는, 열전도성이 우수하다. 상기 평균 입경이 클수록, 상기 분말 입계를 저감할 수 있어, 열전도성이 우수하다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 평균 입경을 5 ㎛ 이상, 또한 10 ㎛ 이상, 15 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상으로 하여도 좋다.
상기 평균 입경이 300 ㎛ 이하이면, 기판(2)의 표면의 요철이 작아지기 쉽다. 제조 과정에서 연마 등을 행하여도, 비금속상(20)의 입자의 탈락에 기인하는 오목부를 작게 하기 쉽다. 그 때문에, 표면 성상이 우수한 기판(2)으로 할 수 있다. 또한, 연마 등의 가공성도 우수하다. 또한, 기판(2)을 얇게 하기 쉽다. 상기 평균 입경이 작을수록, 기판(2)의 표면의 요철을 작게 하기 쉽다. 또한, 기판(2)의 가공성이 우수하다. 또한, 기판(2)을 얇게 하기 쉽다. 표면 성상의 향상, 가공성의 향상, 박형화 등을 바라는 경우에는, 상기 평균 입경을 290 ㎛ 이하, 또한 280 ㎛ 이하, 270 ㎛ 이하, 260 ㎛ 이하로 하여도 좋다. 또한, 상기 평균 입경을 100 ㎛ 이하로 하여도 좋다.
상기 평균 입경이 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하를 충족시키는 범위에서, 상대적으로 미세한 입자와 상대적으로 조대한 입자를 포함하는 미조 혼합 형태로 하여도 좋다. 이 경우, 제조 과정에서, 치밀화하기 쉬워 상대 밀도가 높은 기판(2)을 얻기 쉽다. 치밀한 기판(2)을 구비하는 복합 부재(1)는, 열전도성이 우수하다.
상기 평균 입경의 측정은, 예컨대, 기판(2)으로부터 비금속상(20)의 입자를 추출하고, 이 입자에 대해서 시판되고 있는 분석 장치로 메디안 직경을 측정하는 것을 들 수 있다. 비금속상(20)의 추출은, 예컨대, 금속상(25)을 산 등에 의해 선택적으로 용해하여 제거하는 것을 들 수 있다.
《함유량》
비금속상(20)의 함유량(복수종의 비금속 무기 재료를 포함하는 경우에는 합계 함유량)은, 예컨대 40 체적% 이상 90 체적% 이하를 들 수 있다.
상기 함유량이 40 체적% 이상이면, 열전도성이 우수한 복합 재료(10)로 할 수 있다. 또한, 복합 재료(10)의 선팽창계수를 금속상(25)보다 작게 하기 쉽다. 이러한 복합 재료(10)로 이루어진 기판(2)을 구비하는 복합 부재(1)는, 열전도성이 우수한 데다가, 반도체 소자 및 그 주변 기기의 선팽창계수와의 정합성이 우수하다. 따라서, 이 복합 부재(1)는, 반도체 소자의 방열 부재에 적합하게 이용할 수 있다. 상기 함유량이 많을수록, 열전도성이 우수하다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량을 45 체적% 이상, 또한 50 체적% 이상, 55 체적% 이상, 60 체적% 이상으로 하여도 좋다.
상기 함유량이 90 체적% 이하이면, 복합 재료(10)는 금속상(25)을 어느 정도포함한다. 그 때문에, 비금속상(20)이 너무 많아, 복합 재료(10)의 선팽창계수가 지나치게 작아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 비금속상(20)이 입자를 포함하는 경우, 입자끼리를 금속상(25)에 의해 확실하게 결합할 수 있다. 또한, 상기 함유량이 90 체적% 이하이면, 제조 과정에서는 원료의 비금속상(20)에 대하여 용융 상태의 금속을 용침하기 쉽다. 그 때문에, 미용침 부분의 발생을 억제할 수 있어, 치밀화, 복합화를 양호하게 행할 수 있다. 금속상(25)의 확보, 치밀화, 양호한 복합화 등을 바라는 경우, 상기 함유량을 85 체적% 이하, 또한 80 체적% 이하로 하여도 좋다.
비금속상(20)을 이루는 입자[피복 입자(21)를 포함함]나 다공체의 형상, 크기, 함유량 등의 사양은 적절하게 선택할 수 있다. 상기 입자의 사양은, 대표적으로는 원료 분말의 사양을 실질적으로 유지한다. 상기 다공체의 사양은, 대표적으로는 원료로 이용한 소결체의 사양을 실질적으로 유지한다. 복합 재료(10) 중의 비금속상(20)이 소정의 사양이 되도록, 원료의 사양을 선택하면 좋다.
〈금속상〉
금속상(25)에 대해서는, 후술하는 금속층(3)의 조성 항에서 통합하여 행한다.
(금속층)
복합 부재(1)에 구비되는 금속층(3)은, 기판(2) 표면의 적어도 일부를 덮는다. 대표적으로는, 기판(2) 표면의 실질적으로 전체, 또는 기판(2) 표리면의 실질적으로 전체를 덮는다. 금속층(3)에 의해 기판(2)의 표면이 덮임으로써, 기판(2)의 표면의 요철이 시정된다. 그 결과, 복합 부재(1)는, 평활한 표면[여기서는 금속층(3)의 표면(3f)]을 가질 수 있다. 금속층(3)은, 복합 부재(1)의 표면의 평활화와 같은 기능 이외에, 이하의 기능을 갖는다.
(A) 복합 부재(1)가 반도체 소자의 방열 부재 등에 이용되는 경우에, 패키지 부재(예, 절연 기판) 등을 접합할 때의 하지층으로서 이용할 수 있다.
(B) 기판(2)에 대하여 기계적 보호나 주위 환경으로부터의 보호를 도모한다.
(C) 외관을 향상시킨다.
〈조성〉
기판(2)을 구성하는 복합 재료(10) 중의 금속상(25)의 구성 금속, 및 기판(2)의 표면을 덮는 금속층(3)의 구성 금속은 모두, Ag를 주체로 한다. 여기서의 Ag를 주체로 하는 금속이란, Ag의 함유량이 80 원자% 이상을 충족시키는 은기 합금, 또는 소위 순은이다.
여기서의 순은이란, Ag를 99.9 원자% 이상 함유하고, 잔부가 불가피 불순물로 이루어진 것이다.
여기서의 은기 합금은, 첨가 원소를 합계로 20 원자% 이하 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 이루어진 것이다. 은기 합금은, Ag와 Cu의 2원의 공정 합금(Cu의 함유량: 약 40 원자%) 또는 상기 공정 합금을 베이스로 하는 합금을 포함하지 않는다.
은기 합금의 첨가 원소는, 예컨대, Si, Ti, Zr, Hf, Ta, Cr 등을 들 수 있다. 이들의 첨가 원소를 포함하는 은기 합금은 모두, 용융 온도가 830℃ 이상이다.
금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)은, Ag를 주체로 하고, Cu의 함유량을 소정의 범위로 한다. 구체적으로는, 경계 영역(30) 내의 Ag와 Cu의 합계 함유량을 100 원자%로 하여, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이, 20 원자% 이하이다. 이러한 경계 영역(30)은, Cu의 함유 비율이 충분히 작기 때문에, 상기 공정 합금 등을 실질적으로 포함하지 않는다. 바람직하게는 금속층(3)은, 기판(2)과의 경계(3b)로부터 표면(3f)의 전역에 도달하고, 상기 공정 합금 등을 실질적으로 포함하지 않는다. 그 때문에, 복합 부재(1)는, 상기 공정 합금 등의 용융 온도(예, 780℃)를 초과하는 온도, 예컨대 800℃, 나아가서는 830℃와 같은 고온에 노출되더라도, 상기 공정 합금 등의 용융에 기인하는 금속층(3)의 팽창, 박리, 소실 등과 같은 현상의 발생을 방지할 수 있다.
여기서의 「공정 합금 등을 실질적으로 포함하지 않는다」라고 하는 것은, Cu의 함유량이 전술한 20 원자% 이하를 총족시키는 경우 외에, 이하의 미량의 함유를 허용한다. 예컨대 800℃, 나아가서는 830℃로 가열한 경우에 공정 합금 등이 용융되더라도, 이 용융에 기인하는 금속층(3)의 팽창, 박리, 소실 등의 현상이 실질적으로 발생하지 않는 정도의 양이면, 공정 합금 등을 포함하는 것을 허용한다.
기판(2)과의 경계 영역(30)에서의 Cu의 함유 비율이 전술한 범위인 금속층(3)은, 예컨대, 이하와 같이 하여 제조할 수 있다. 금속층(3)의 원료로서, Ag를 주체로 하는 금속 부재를 준비한다. 금속 부재는, 금속박, 금속판, 금속띠 등을 들 수 있다. 또한, 금속 부재와, 기판(2)을 접합하는 납재를 준비한다. 납재는, Ag와 Cu의 공정 합금을 포함하는 은기 합금을 들 수 있다. 상기 납재로 기판(2)과 금속 부재를 접합한다. 이 접합 조건을, 납재 중의 Cu의 확산을 촉진하는 조건으로 하는 것을 들 수 있다. 또는, 기판(2)과 금속 부재의 접합 후에, 별도, Cu를 확산시키는 열처리를 행하여도 좋다. 접합 조건이나 열처리 조건은, 상기 Cu의 함유 비율이 상기 범위를 충족시키도록 조정하면 좋다. 조건의 상세한 내용은 후술한다.
《Ag》
금속상(25) 및 금속층(3)의 구성 금속은, Ag의 함유량이 많을수록, 제조 과정에서 납재 중의 Cu가, 금속상(25) 중, 및 금속층(3)의 원료인 금속 부재 중으로 확산되기 쉽다. 특히, 금속상(25)의 구성 금속 및 금속층(3)의 구성 금속에 있어서의 Ag의 함유량이 90 원자% 이상이면, Ag가 많아, Cu가 보다 확산되기 쉽다. 그 결과, 금속층(3)의 경계 영역(30)에서의 Cu의 함유 비율이 적어지기 쉽다. 이러한 복합 부재(1)는, 상기 공정 합금 등의 용융 온도를 초과하는 온도에 노출되더라도, 공정 합금 등의 용융에 기인하는 금속층(3)의 팽창, 용융, 박리 등의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 따라서, 내열성이 우수한 복합 부재(1)로 할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같은 고온에 노출되더라도, 금속층(3)이 적절히 존재함으로써, 열전도성도 우수하다. Ag가 많기 때문에, 열전도성이 우수하다. Ag의 함유량이 많을수록, 내열성, 열전도성이 우수하다. 양호한 내열성, 열전도성의 향상 등을 바라는 경우, 상기 Ag의 함유량을 92 원자% 이상, 또한 95 원자% 이상으로 하여도 좋다.
금속상(25) 및 금속층(3)[단, 경계 영역(30)을 제외함] 중 적어도 한쪽, 바람직하게는 양쪽 모두가 순은으로 이루어지면, Ag가 충분히 많다. 이러한 복합 부재(1)는, 전술한 이유에 의해, 내열성, 열전도성이 보다 우수하다.
《Cu》
금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)의 Cu의 함유량은, 전술한 바와 같이 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 원자 비율로 20% 이하이다.
상기 Cu의 함유 비율이 Ag와 Cu의 합계 함유량을 100 원자%로 하여 20 원자% 이하이면, 경계 영역(30)은, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이 충분히 작다. 이러한 경계 영역(30)은, 전술한 공정 합금 등을 실질적으로 포함하지 않는다고 할 수 있다. 그 때문에, 복합 부재(1)가 상기 공정 합금 등의 용융 온도를 초과하는 온도에 노출되더라도, 공정 합금 등의 용융에 기인하는 금속층(3)의 팽창, 용융, 박리 등을 저감할 수 있다. 금속층(3)을 적절하게 유지할 수 있음으로써, 내열성이 우수한 복합 부재(1)로 할 수 있다. 상기 Cu의 함유 비율이 적을수록, 전술한 공정 합금 등의 함유를 보다 확실하게 방지할 수 있다. 그 때문에, 양호한 내열성 등을 바라는 경우에는, Cu의 함유 비율을 18 원자% 이하, 또한 16 원자% 이하, 15 원자% 이하로 하여도 좋다.
제조 과정에서 Cu를 포함하는 납재를 이용하더라도, 원료의 조성이나 제조 조건 등을 조정하면, Cu를 확산시킬 수 있다. 그 결과, 전술한 경계 영역(30)의 Cu의 함유 비율을 저감할 수 있다. 예컨대, 상기 Cu의 함유 비율은 0 원자%에 가까워도 좋다. 단, 상기 Cu의 함유 비율이 2.0 원자% 미만이면, Cu를 확산시키기 위한 처리 시간이 길어지는 것과 같은 제조성의 저하를 초래한다. 제조성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 Cu의 함유 비율이 2.0 원자% 이상이어도 좋다. 또한, 상기 Cu의 함유 비율은 3.0 원자% 이상, 또한 4.0 원자% 이상, 5.0 원자% 이상이어도 좋다. 또한, 경계 영역(30) 내의 Cu는, 대표적으로는, 제조 과정에서 이용하는 납재에 기인한다고 생각된다.
금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30) 내의 Cu의 적어도 일부는, 경계 영역(30)에 석출되어 있어도 좋다. 즉, 경계 영역(30)은, Cu로 이루어진 석출물(35)을 포함하여도 좋다. 경계 영역(30)에 Cu가 단일체로 석출되어 있는 경우는, 전술한 바와 같이 고온에 노출되더라도, 경계 영역(30)이 용융되지 않는다. 결과적으로, Cu가 단일체로 석출되어 있는 것에 기인하는 금속층(3)의 팽창, 박리, 소실 등이 발생하지 않는다. Cu로 이루어진 석출물(35)은, 도 1에 도시된 바와 같이 비금속상(20)에 접하여 존재하는 것을 포함하여도 좋다.
금속층(3)의 표면(3f)에 있어서의 Cu의 함유량은 매우 적은 것이 바람직하다. 정량적으로는, 복합 부재(1)의 표면(3f)에 있어서의 Cu의 함유량은, 표면(3f)의 조성을 100 원자%로 하여, 1.0 원자% 이하인 것이 바람직하다. 표면(3f)에 있어서의 Cu의 함유량이 1.0 원자% 이하이면, 금속층(3) 전체적으로 Cu를 과잉으로 함유하지 않는다고 할 수 있다. 그 때문에, Cu의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 저감할 수 있어, 열전도성이 우수하다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 Cu의 함유량이 0.5 원자% 이하, 또한 0.1 원자% 이하여도 좋다. 상기 Cu의 함유량이 0 원자%인 것, 즉 표면(3f)은 Cu를 포함하지 않는 것이 보다 바람직하다. 전술한 바와 같이 원료의 조성이나 제조 조건 등을 조정하면, Cu를 확산시킬 수 있다. 예컨대, 금속층(3)의 표면(3f)에 있어서의 Cu의 함유량을 0 원자% 가까이로 할 수 있다.
《그 밖의 원소》
금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)은, Ti, Cr, V(바나듐), Nb(니오븀), Zr, Ta로부터 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 제1 원소라고 부름)를 포함하여도 좋다. 이 경우, 경계 영역(30)에서의 제1 원소의 함유량(복수종의 제1 원소를 포함하는 경우에는 합계 함유량)은, 경계 영역(30)의 조성을 100 원자%로 하여, 0.1 원자% 이상 2.0 원자% 이하를 들 수 있다. 경계 영역(30)에 제1 원소를 상기한 범위에서 포함하는 금속층(3)은, 예컨대 전술한 납재에 제1 원소를 더 포함하는 것을 이용함으로써 제조할 수 있다. 제1 원소는, 용융 상태의 금속, 예컨대 용융 상태의 납재에 대한 비금속상(20)의 습윤성을 향상시킬 수 있다. 납재 중의 제1 원소에 의해, 용융 상태의 납재와, 기판(2)을 구성하는 복합 재료(10) 중의 비금속상(20)이 양호하게 젖는다. 그 결과, 기판(2)과, 금속층(3)의 원료인 금속 부재를 밀착시킬 수 있다. 따라서, 기판(2)과 금속층(3)의 밀착성이 우수한 복합 부재(1)로 할 수 있다. 제1 원소 중, 특히 Ti, Cr은 전술한 습윤성 향상 효과를 얻기 쉽다. 또한, 제1 원소 중 Ti는 전술한 습윤성 향상 효과를 보다 얻기 쉬워 바람직하다.
제1 원소의 함유량이 0.1 원자% 이상이면, 제1 원소에 의한 비금속상(20)의 습윤성 향상 효과로 인해 기판(2)과 금속층(3)의 밀착성이 우수하다. 제1 원소의 함유량이 많을수록, 비금속상(20)의 습윤성을 보다 확실하게 높일 수 있다. 나아가서는, 기판(2)과 금속층(3)의 밀착성이 보다 우수하다. 양호한 밀착성 등을 바라는 경우에는, 제1 원소의 함유량을 0.3 원자% 이상, 또한 0.5 원자%로 하여도 좋다.
전술한 납재 중의 제1 원소는 경계 영역(30)에 잔존한다. 그러나, 경계 영역(30) 내의 제1 원소의 함유량이 2.0 원자% 이하이면, 제1 원소의 과잉 함유에 기인하는 열전도성의 저하를 저감할 수 있다. 제1 원소의 함유량이 적을수록, 제1 원소의 함유에 기인하는 열전도성의 저하를 저감하기 쉽다. 그 때문에, 열전도성이 우수하다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 제1 원소의 함유량을 1.8 원자% 이하, 또한 1.5 원자% 이하로 하여도 좋다. 제1 원소의 함유량이 1.0 원자% 이하이면, 열전도성이 더욱 우수하다.
또한, 경계 영역(30)에서의 제1 원소의 함유량은, 비금속상(20)에서 유래되는 원소를 포함하는 것을 허용한다. 여기서, 경계 영역(30)은, 전술한 기준점(50)을 포함한다. 이 기준점(50)을 갖는 비금속상(20)의 적어도 일부는, 경계 영역(30)에 포함된다. 기준점(50)을 갖는 비금속상(20) 근처에 존재하는 비금속상(20)의 적어도 일부도, 경계 영역(30)에 포함되기 쉽다. 이러한 비금속상(20)으로서, 예컨대, TiC, TaC, Cr3C2와 같은 탄화물로 이루어진 피복층(23)을 구비하는 피복 입자(21)를 포함하는 경우, 경계 영역(30)은, 비금속상(20)에서 유래되는 Ti 등의 제1 원소를 포함할 수 있다.
금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)은, Ag, Cu, 전술한 제1 원소 이외의 원소(이하, 제2 원소라고 부름)를 포함하여도 좋다. 예컨대, 제2 원소는, Sn(주석), Zn(아연), In(인듐) 등을 들 수 있다. 제2 원소의 합계 함유량은 예컨대 3.0 원자% 이하를 들 수 있다.
금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)에 포함되는 원소의 종류 및 함유량, 금속층(3)의 표면(3f)에 포함되는 Cu의 함유량은, 주로 제조 과정에서 이용하는 원료의 조성, 접합 조건이나 열처리 조건 등의 제조 조건에 의존한다. 상기 원료의 조성이란, 전술한 납재의 조성, 금속층(3)의 원료로 하는 금속 부재의 조성, 기판(2)을 구성하는 복합 재료(10)의 조성을 들 수 있다. Cu, 전술한 제1 원소 등의 함유량이 전술한 범위를 충족시키도록, 상기 원료의 조성이나 제조 조건을 조정하면 좋다.
〈표면 조도〉
금속층(3)은 평활한 표면(3f)을 갖는 것이 바람직하다. 표면(3f)이 평활하면, 복합 부재(1)가 반도체 소자의 방열 부재 등에 이용되는 경우에, 금속층(3)과 패키지 부재 등과의 사이에 보이드가 쉽게 개재되지 않는다. 그 때문에, 보이드에 기인하는 열전도성의 저하를 저감할 수 있다. 특히, 금속층(3)의 표면 조도(Ra)는, 2.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 금속층(3)의 표면 조도(Ra)가 2.0 ㎛ 이하이면, 금속층(3)의 표면(3f)이 평활하며, 전술한 보이드에 기인하는 열전도성의 저하를 쉽게 초래하지 않는다. 상기 표면 조도(Ra)가 작을수록, 전술한 보이드에 기인하는 열전도성의 저하를 쉽게 초래하지 않는다. 그 때문에, 열전도성이 우수하다. 또한, 표면(3f)이 평활하면, 금속층(3) 위에 도금을 더 행하는 경우에 도금을 행하기 쉽다. 특히, 균일한 두께의 도금층을 형성하기 쉽다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우, 상기 표면 조도(Ra)를 1.8 ㎛ 이하, 또한 1.5 ㎛ 이하로 하여도 좋다. 상기 표면 조도(Ra)가 1.0 ㎛ 이하, 또한 0.8 ㎛ 이하이면, 전술한 보이드를 한층 더 개재하기 어려워 바람직하다. 또한, 표면 조도(Ra)란, 산술 평균 조도이다.
상기 표면 조도(Ra)가 너무 작으면, 금속층(3)의 제조성의 저하, 연마 작업성의 저하를 초래한다. 제조성의 향상 등을 고려하면, 상기 표면 조도(Ra)는, 0.01 ㎛ 이상, 또한 0.02 ㎛ 이상을 이용하기 쉽다고 생각된다.
〈두께〉
금속층(3)의 두께는, 예컨대, 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하를 들 수 있다. 여기서의 금속층(3)의 두께는, 기판(2)과 금속층(3)의 경계(3b)에서부터, 기판(2)의 두께 방향을 따르는 크기로 한다.
금속층(3)의 두께는, 주로 제조 과정에서 이용하는 금속 부재의 두께에 의존한다. 그 때문에, 금속층(3)의 두께가 20 ㎛ 이상이라면, 제조 과정에서, 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는 금속 부재를 이용했다고 말할 수 있다. 금속 부재의 두께가 20 ㎛ 이상이면, 금속 부재의 표면을 평활한 것으로 하기 쉽다. 평활한 표면을 갖는 금속 부재를 이용하면, 금속층(3)도 평활한 표면(3f)을 갖기 쉽다. 따라서, 금속층(3)의 두께가 20 ㎛ 이상이면, 평활한 표면(3f)을 갖는 금속층(3)을 형성하기 쉽다. 이러한 복합 부재(1)는, 반도체 소자의 방열 부재 등에 이용되는 경우에, 금속층(3)과 패키지 부재 등과의 사이에 보이드가 쉽게 개재되지 않는다. 그 때문에, 보이드에 기인하는 열전도성의 저하를 저감할 수 있어, 열전도성이 우수하다. 금속층(3)이 보다 두꺼우면, 비금속상(20)이 커도 표면(3f)이 평활해지기 쉽고, 평활한 표면(3f)을 갖는 금속 부재를 제조하기 쉽다. 결과적으로 복합 부재(1)의 제조성이 우수하다. 표면(3f)의 평활성 향상 등을 바라는 경우에는, 금속층(3)의 두께를 25 ㎛ 이상, 또한 30 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상으로 하여도 좋다.
금속층(3)의 두께가 200 ㎛ 이하이면, 두꺼운 금속층(3)에 기인하는 열전도성의 저하를 저감할 수 있어, 열전도성이 우수하다. 또한, 금속층(3)의 두께가 200 ㎛ 이하이면, 복합 부재(1)의 박형화도 도모할 수 있다. 열전도성의 향상, 박형화 등을 바라는 경우에는, 금속층(3)의 두께를 180 ㎛ 이하, 또한 150 ㎛ 이하로 하여도 좋다.
기판(2)의 표리면 양쪽에 금속층(3)을 구비하는 경우에는, 금속층(3)의 합계 두께가 40 ㎛ 이상 400 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
금속층(3)의 두께가 소정의 두께가 되도록, 금속 부재의 두께를 조정하면 좋다.
〈그 밖의 층〉
복합 부재(1)는, Ag를 주체로 하는 금속층(3) 위에 다른 금속층(도시하지 않음)을 더 구비하여도 좋다. 즉, 복합 부재(1)는, 다층 구조의 금속층을 구비하고, 기판(2)의 바로 위를 상기 금속층(3)으로 하여도 좋다. 상기 금속층(3) 이외의 금속층의 구성 금속은, 예컨대, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금, 금, 금 합금 등을 들 수 있다. 여기서의 니켈, 구리, 금이란 소위 순금속이다. 상기 금속층(3) 이외의 금속층은, 예컨대, 금속층(3)에 의한 제공되는 도통(導通)을 동반하는 가운데, 전기 도금 등에 의해 형성하는 것을 들 수 있다. 전기 도금을 이용하면, 용이하게, 또한 저렴하게, 다층 구조의 금속층을 형성할 수 있다. 따라서, 제조성이 우수하다.
(외형, 크기)
복합 부재(1)의 평면 형상, 크기(두께, 평면적) 등은, 복합 부재(1)의 용도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 복합 부재(1)를 반도체 소자의 방열 부재에 이용하는 경우, 기판(2)의 평면 형상은 직사각 형상을 들 수 있다. 기판(2)의 평면 면적은, 반도체 소자 등의 탑재 부품을 배치할 수 있는 면적을 갖는 것을 들 수 있다. 또한, 이 용도에서는, 복합 부재(1)의 두께가 얇을수록, 반도체 소자의 열을 냉각 장치 등의 설치 대상에 전달하기 쉬워 바람직하다. 복합 부재(1)의 두께는, 기판(2)의 두께와, 금속층(3) 두께의 합계 두께이다. 금속층(3)의 두께는 전술한 바와 같다. 기판(2)의 두께가 10 mm 이하, 또한 5 mm 이하이면, 기판(2)이 박판이기 때문에, 열전도성이 우수하여 바람직하다. 기판(2)의 두께는 0.2 mm 이상이 이용하기 쉽다.
(용도)
실시형태의 복합 부재(1)를 방열 부재로서 구비하는 반도체 장치로서, 각종 전자 기기를 들 수 있다. 구체적으로는, 고주파 파워 디바이스(예, LDMOS), 반도체 레이저 장치, 발광 다이오드 장치 등을 들 수 있다. 그 밖에, 각종 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽스 프로세싱 유닛(GPU), 고전자 이동형 트랜지스터(HEMT), 칩 세트, 메모리 칩 등을 들 수 있다. 특히, 복합 부재(1)는, SiC 디바이스나 GaN 디바이스 등과 같은 발열이 큰 반도체 소자의 방열 부재에 적합하다.
[복합 부재의 제조 방법]
실시형태의 복합 부재(1)는, 예컨대, 이하의 준비 공정과, 이하의 접합 공정을 구비하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
(준비 공정) 비금속상(20)과 Ag를 주체로 하는 금속상(25)을 포함하는 복합 재료(10)로 이루어진 기판(2)과, Ag를 주체로 하는 금속 부재(도시하지 않음)를 준비하는 공정.
(접합 공정) Ag와 Cu를 포함하는 납재(도시하지 않음)에 의해, 상기 기판(2)과, 상기 금속 부재를 접합하는 공정.
또한, 상기 기판(2)과 상기 금속 부재를 접합한 후, 열처리를 행하는 공정(열처리 공정)을 구비하여도 좋다.
이하, 공정별로 설명한다.
(준비 공정)
준비 공정에서 준비하는 기판(2)은, 공지된 것을 이용할 수 있다. 또는, 기판(2)은, 공지된 제조 방법에 의해 제조하여도 좋다. 예컨대, 기판(2)으로서, 특허문헌 1에 기재된 다이아몬드와 은의 복합 재료로 이루어진 기판을 이용할 수 있다. 또는, 특허문헌 1에 기재된 상기 기판의 제조 방법을 이용할 수 있다.
준비 공정에서 준비하는 금속 부재는, Ag를 주체로 하는 금속박, 금속띠, 금속판 등을 들 수 있다. 즉, 순은으로 이루어진 금속 부재, 또는 전술한 은기 합금으로 이루어진 금속 부재를 준비한다. 금속박 등의 금속 부재의 두께는, 금속층(3)의 두께를 실질적으로 유지한다. 그 때문에, 금속층(3)의 두께가 소정의 두께가 되도록, 금속 부재의 두께를 조정한다. 또한, 기판(2)의 표면에 있어서의 소정의 영역을 덮을 수 있도록, 금속 부재의 폭이나 평면 면적 등을 조정한다.
(접합 공정)
접합 공정에서는, 우선, Ag와 Cu를 포함하는 납재를 준비한다. 특히, 이 납재는, 공정 합금계의 납재를 이용한다. 또한, 이 납재는, 전술한 Ti 등의 제1 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 용융 상태의 납재 등에 대하여, 비금속상(20)의 습윤성을 높일 수 있기 때문이다. 납재는, 상기 제1 원소 이외에, 전술한 제2 원소를 더 포함하여도 좋다. 납재의 조성의 일례로서, Cu를 25 질량% 이상 35 질량% 이하 포함하는 은기 합금을 들 수 있다(은기 합금을 100 질량%로 함, 이하 동일). 보다 구체적인 납재의 조성으로서, Cu를 25 질량% 이상 35 질량% 이하, Ti를 1.0 질량% 이상 3.0 질량% 이하, Ag를 62 질량% 이상 74 질량% 이하 포함하는 은기 합금을 들 수 있다. Cu를 상기 범위에서 포함하는 은기 합금은, Ag와 Cu의 공정 합금을 베이스로 하는 합금이라고 할 수 있다. 상기 공정 합금을 베이스로 하는 은기 합금으로 이루어진 납재는, 용융되기 쉽고, 금속상(25) 등에 용해되기 쉽다. 이러한 납재를 이용하면, Ag를 주체로 하는 금속상(25)을 포함하는 기판(2)과, Ag를 주체로 하는 금속 부재를 양호하게 접합할 수 있다.
전술한 납재 중의 Cu를 적극적으로 금속상(25) 및 금속 부재 중으로 확산시켜, 금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)에 대해서, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이 20 원자% 이하가 되도록, 조성과 제조 조건을 조정한다. 구체적으로는, 기판(2)의 금속상(25)과 금속층(3)의 원료가 되는 금속 부재 양족 모두에 대해서, Ag를 주체로 한다. 즉, 납재에 인접한 Cu가 매우 적고, Ag가 많이 존재하는 상태로 한다. 대표적으로는, 납재에 인접시키는 금속을, Cu의 함유량이 매우 작은 은기 합금 또는 순은으로 한다. 또한, 납재 중의 Cu를 금속상(25) 및 금속 부재의 Ag 중으로 확산시키기 위해, 접합 조건을 조정하거나, 접합 후에 열처리를 별도로 행하거나 한다. Cu의 확산에 의해, 기판(2)과 금속층(3) 사이에 전술한 공정 합금 등이 실질적으로 존재하지 않는 복합 부재(1)를 제조할 수 있다.
〈접합 조건〉
후술하는 열처리 공정을 행하지 않고, 접합 공정만을 행하는 경우에는, 금속층(3) 중, 기판(2)과의 경계 영역(30)에서, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이 20 원자% 이하가 되도록 접합 조건을 조정하면 좋다.
여기서, 전술한 공정 합금계의 납재에 대해서, 장려되는 접합 조건의 일례로서, 가열 온도가 800℃이며, 가열 시간이 5분인 것을 들 수 있다. 이것에 대하여, Cu를 확산시켜, 상기 경계 영역(30)에서, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율을 20 원자% 이하로 하는 접합 조건이란, 예컨대, 이하를 충족시키는 것을 들 수 있다.
(접합 조건)
가열 온도를 상기 장려 조건보다 높게 하는 것, 및 가열 시간을 상기 장려 조건보다 길게 하는 것 중 적어도 한쪽을 행한다.
상기 장려 조건보다 높은 가열 온도로서, 예컨대 855℃ 이상 885℃ 이하를 들 수 있다. 가열 온도가 높을수록, Cu를 확산시키기 쉬워 바람직하다. 납재의 두께가 비교적 두꺼운 경우(예, 100 ㎛ 초과)에는, 가열 온도를 상기 범위에서 높게 하거나 또는 상기 범위보다 높게 하여도 좋다. 접합 조건의 가열 온도를 이러한 고온으로 하는 경우, 가열 시간을 상기 장려 조건 정도로 할 수 있다. 즉, 가열 시간을 1분 이상 10분 이하, 특히 5분 정도로 짧게 할 수 있어, 제조성이 우수하다.
상기 장려 조건보다 긴 가열 시간은 특별히 한정하지 않지만, 예컨대 5분 초과, 특히 20분 이상, 30분 이상을 들 수 있다. 여기서의 유지 시간이란, 상기 가열온도로 유지하는 시간이며, 승온 과정 및 강온 과정을 포함하지 않는다. 금속 부재의 두께가 비교적 두꺼운 경우(예, 100 ㎛ 초과)에는, 유지 시간을 보다 길게 하여도 좋다.
전술한 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이 20 원자% 이하를 충족시키면, 접합 조건은, 전술한 장려 조건과 동등 이하의 낮은 가열 온도(예, 780℃∼800℃ 미만)이며, 전술한 장려 조건보다 긴 유지 시간(예, 20분 이상, 또한 30분 이상)으로 하여도 좋다. 그러나, 접합 시간의 가열 온도를 상기 장려 조건보다 높은 온도로 하면, 전술한 바와 같이 가열 시간을 장려 조건 정도로 비교적 짧게 할 수 있어, 제조성이 우수하여 바람직하다. 또한, 접합 조건을 상기 장려 조건보다 높은 가열 온도 및 상기 장려 조건 정도의 유지 시간으로 하고, 열처리를 별도 행하지 않는 경우에는, 제조 공정이 적어, 제조성이 보다 우수하여 바람직하다(후술하는 시험예 1 참조).
(열처리 공정)
열처리를 별도 행하는 경우에는, 접합 조건은 전술한 장려 조건으로 행하고, 상기 경계 영역(30)에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이 20 원자% 이하가 되도록 열처리 조건을 조정하면 좋다. 특히, 이 열처리에서는, 가열 온도를 Ag와 Cu의 공정 합금의 융점 미만으로 하는 것을 들 수 있다.
여기서, 전술한 장려 조건에 따른 접합 후에는, 기판과 접합된 금속 부재와의 경계 근처에 Ag와 Cu의 공정 합금이 잔존할 수 있다. Ag와 Cu의 공정 합금의 융점인 780℃보다 높은 온도에서 가열하면, 상기 공정 합금이 용융하여, 접합한 금속 부재에 팽창이 생기거나, 금속 부재가 박리되거나 하는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 이 열처리에서는, 상기 공정 합금의 융점보다 낮은 온도에서 가열한다. 이렇게 함으로써, Cu를 금속상이나 금속 부재로 확산시키면서, 금속층을 적절하게 형성할 수 있다. 구체적인 가열 온도로서, 750℃±20℃를 들 수 있다. 가열 시간은, 1시간 이상을 들 수 있다. 이러한 열처리를 행함으로써, Cu를 충분히 확산시켜, 경계 영역(30) 내의 Cu의 함유 비율을 저감할 수 있다.
(그 밖의 조건)
접합 조건, 열처리 조건은, 기판(2)의 조성이나 두께, 금속 부재의 조성이나 두께, 납재의 조성이나 두께 등에 따라 적절하게 조정할 수 있다. 그 밖에, 접합 공정에서의 가압 압력, 분위기는 예컨대 이하를 들 수 있다. 열처리 공정의 분위기는 이하를 들 수 있다. 열처리 공정에서는, 이하의 가압을 행하여도 좋고, 가압하지 않아도 좋다.
가압 압력은, 예컨대 접합 중의 분위기에서 1 kPa 이상 100 kPa 이하 정도를 들 수 있다. 특히, 금속 부재의 두께가 비교적 두꺼운 경우(예, 100 ㎛ 초과)에는, 가압 압력을 높게 하여도 좋다.
분위기는, 비산화성 분위기가 바람직하다. 기판(2), 금속 부재, 납재(특히 Ti)의 산화를 방지할 수 있기 때문이다. 비산화성 분위기는, 진공 분위기, 불활성 분위기, 환원 분위기 등을 들 수 있다.
진공 분위기는, 대기압 미만의 저압 분위기를 들 수 있다. 분위기 압력은, 예컨대 1 Pa 이하를 들 수 있다.
불활성 분위기는, 아르곤 분위기, 질소 분위기 등을 들 수 있다.
환원 분위기는, 수소 분위기, 수소 가스와 불활성 가스의 혼합 분위기, 일산화탄소 분위기 등을 들 수 있다.
또한, 납재 중의 Cu는, 대표적으로는, 일단, Ag에 고용(固溶)되고, 접합 공정 또는 열처리 공정의 냉각 과정에서 적어도 일부가 석출되는 경우가 있다. 이 경우, 금속층(3)에 있어서의 기판(2)과의 경계 영역(30)에 석출물(35)로서 존재한다(도 1).
[주요 작용·효과]
실시형태의 복합 부재(1)는, 내열성이 우수하다. 특히, 실시형태의 복합 부재(1)는, 예컨대, 800℃, 나아가서는 830℃와 같은 고온으로 가열된 경우에도, 금속층(3)의 팽창, 박리, 소실 등의 현상의 발생을 방지하여, 금속층(3)을 적절하게 유지할 수 있다. 기판(2)과 금속층(3) 사이에 전술한 고온에서 용융되는 저융점의 합금이 실질적으로 개재되지 않기 때문이다. 이 점을 이하의 시험예에서 구체적으로 설명한다.
[시험예 1]
다이아몬드상과 은상을 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 이 기판의 표면을 덮는 금속층을 구비하는 복합 부재를 제작하여, 금속층에 있어서의 기판과의 계면 근방의 조성을 조사하였다.
이 시험에서는, 금속층의 형성에 금속박과 납재를 이용하였다. 상세하게는 이하와 같다.
(기판)
복합 재료의 기판은, 특허문헌 1에 기초하여 제작한 것을 준비하였다. 비금속상인 다이아몬드상은, 다이아몬드 입자와, 다이아몬드 입자를 덮는 피복층을 구비하는 피복 입자이다. 피복층은, TiC로 이루어진다. 금속상인 은상은, 순은으로 이루어진다. 금속상에 있어서의 Ag의 함유량은 99.9 원자% 이상이다. 여기서의 기판은, 직사각형의 평판재이다. 기판의 두께는 1.2 mm이다.
시료 No. 3∼No. 5, No. 100, No. 101에서는, 비교적 미세한 다이아몬드 입자를 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판을 이용하였다. 구체적으로는, 다이아몬드 입자(여기서는 피복 입자, 이하 동일)의 평균 입경은 20 ㎛이다. 다이아몬드 입자의 함유량은, 60 체적%이다.
시료 No. 1에서는, 비교적 조대한 다이아몬드 입자를 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판을 이용하였다. 구체적으로는, 다이아몬드 입자의 평균 입경은 90 ㎛이다. 다이아몬드 입자의 함유량은, 60 체적%이다.
시료 No. 2에서는, 미조 혼합의 다이아몬드 입자를 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판을 이용하였다. 구체적으로는, 평균 입경이 45 ㎛의 다이아몬드 입자(조립)와, 평균 입경이 5 ㎛의 다이아몬드 입자(미립)를 포함한다. 조립과 미립의 혼합비는, 체적 비율로 7:3이다. 다이아몬드 입자의 합계 함유량은, 70 체적%이다.
또한, 다이아몬드 입자의 평균 입경은 모두 메디안 입경이다. 메디안 직경은, 시판되고 있는 입자 화상 분석 장치를 이용하여 측정하였다. 시판되고 있는 입자 화상 분석 장치는, 예컨대, 모폴로지 G3(Malvern Instruments 제조)를 들 수 있다.
(납재)
어느 시료에 대해서나 납재는 Ag와 Cu의 공정 합금을 베이스로 하는 시트재를 이용하였다. 납재의 구체적인 조성은, Cu를 30 질량%, Ti를 1.5 질량%, Sn을 3.0 질량% 함유하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물이다(Ag의 함유량: 65 질량% 이상). 납재의 용융 온도는, 780℃이다. 시트재의 두께는 25 ㎛∼50 ㎛의 범위에서 선택한다. 각 시료의 납재의 두께(㎛)를 표 1에 나타낸다.
(금속층)
시료 No. 1∼No. 5, No. 100에서는, 금속층의 제조에 금속박으로서 은박(표 1에서는 Ag)을 이용하였다. 은박의 두께는 20 ㎛∼100 ㎛의 범위에서 선택한다. 각 시료의 은박의 두께(㎛)를 표 1에 나타낸다. 은박에 있어서의 Ag 함유량은 99.9 원자% 이상이다. 은박의 표면 조도(Ra)는 2.0 ㎛ 이하이다.
시료 No. 101에서는, 금속층의 제조에 금속박으로서 동박(표 1에서는 Cu)을 이용하였다. 동박의 두께는 200 ㎛이다. 동박의 표면 조도(Ra)는 2.0 ㎛ 이하이다.
복합 재료로 이루어진 기판을 성형 몰드에서 꺼낸 후, 연마를 행하지 않은 기판에 금속층을 형성한다. 여기서는, 도 3에 도시된 바와 같이 기판(2)의 표리면에 각각 납재(61)를 배치한다. 납재(61), 기판(2), 납재(61)와 같은 중간 적층체를 사이에 두도록 금속박(62)을 각각 배치한다. 금속박(62), 납재(61), 기판(2), 납재(61), 금속박(62)과 같은 순서로 적층된 적층물(60)을 카본제의 주형(65)에 수납한다. 주형(65)은 바닥이 있는 통 형상이다. 주형(65)의 깊이 방향이 적층물(60)의 적층 방향에 평행하도록, 적층물(60)을 주형(65)에 수납한다. 이 수납 상태에서는, 한쪽(도 3에서는 아래쪽)의 금속박(62)이 주형(65)의 내면에 접한다. 다른쪽(도 3에서는 위쪽)의 금속박(62)에 카본제의 보호판(66)을 배치한다. 보호판(66) 위에, 추(67)를 배치한다. 또한, 도 3에서는 이해하기 쉽도록 적층물(60)의 각 구성 요소를 두껍게 나타낸다.
추(67)에 의한 가압 상태에서, 이하의 접합 조건으로 기판(2)과 금속박(62)을 납재(61)에 의해 접합한다. 각 시료의 접합 조건[가열 온도(℃), 유지 시간(분)]을 표 1에 나타낸다.
(접합 조건)
가열 온도: 870℃ 또는 800℃
유지 시간: 5분
분위기: 진공 분위기 또는 아르곤 분위기
가압 압력[추(67)의 하중]: 10 kPa 이상 100 kPa 이하의 범위에서 선택
금속박(62)의 두께가 100 ㎛ 이상인 시료의 하중은, 금속박(62)의 두께가 100 ㎛ 미만인 시료의 하중보다 크게 하였다.
Figure pct00001
시료 No. 1∼No. 5, No. 100, No. 101의 복합 부재에 대해서, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역의 조성을 분석하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
여기서는, 상기 경계 영역을 100 원자%로 하여, Ag의 함유량(원자%), Cu의 함유량(원자%), Ti의 함유량(원자%), Sn의 함유량(원자%)을 조사하였다. 또한, Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율[Cu/(Ag+Cu), 원자%]을 조사하였다.
상기 경계 영역의 조성의 분석은, 이하와 같이 경계 영역으로부터 측정 영역을 설정하고, 측정 영역에 대해서 행하였다(도 2 참조).
각 시료의 복합 부재에 대해서, 기판의 두께 방향을 따른 평면으로 절단하여, 단면을 취한다. 단면을 SEM으로 관찰한다. 상기 단면의 SEM 상에 있어서, 기판(2)을 구성하는 복합 재료(10) 중의 비금속상(20)[여기서는 피복 입자(21)] 중, 금속층(3)의 표면(3f)에 가장 가까운 지점[기준점(50)]을 취한다. 다음으로, 기준점(50)을 지나는 수평선(51)을 취한다. 기판(2)의 두께 방향을 따라, 기준점(50)보다 15 ㎛ 위쪽의 지점을 지나 수평선(51)에 평행한 직선[위쪽의 직선(52)]을 취한다. 또한, 기준점(50)보다 15 ㎛ 아래쪽의 지점을 지나 수평선(51)에 평행한 직선[아래쪽의 직선(53)]을 취한다.
위쪽의 직선(52)과 아래쪽의 직선(53) 사이에 있는 폭 30 ㎛의 영역을 경계 영역(30)으로 한다. 경계 영역(30)은, 도 2에 도시된 바와 같이 비금속상(20)의 함유를 허용한다. 경계 영역(30) 중, 길이 300 ㎛의 직사각형 영역을 측정 영역(5)으로 한다.
전술한 측정 영역에 있어서 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)에 의해, 측정 영역 내의 조성을 분석한다. 여기서는, SEM에 부속되는 EDX 장치를 이용하였다. EDX 장치에는, 예컨대, 공지된 실리콘 드리프트 검출기(SDD)를 이용할 수 있다.
여기서는, 각 시료에 대해서, 상이한 10 지점의 측정 영역을 취하여, 측정 영역마다, Ag의 함유량, Cu의 함유량, Ti의 함유량, Sn의 함유량 및 Cu의 함유 비율[Cu/(Ag+Cu)]을 구한다. 상이한 10 지점의 평균값을 표 2에 나타낸다.
그 밖에, 시료 No. 1∼No. 5, No. 100, No. 101의 복합 부재에 대해서, 이하를 조사하였다.
(1) 금속층의 표면의 Cu의 함유량(원자%).
(2) 금속층의 표면 조도(Ra)(㎛).
(3) 열전도율[W/(m·K)].
(4) 금속층의 두께(㎛).
(1) 금속층의 표면 분석은, EDX에 의해 행하였다. 그 결과, 시료 No. 1∼No. 5, No. 100은 모두 금속층의 표면에 있어서의 Cu의 함유량이, 금속층의 표면의 조성을 100 원자%로 하여, 1.0 원자% 이하, 여기서는 특히 0.1 원자% 이하이다. 즉, 시료 No. 1∼No. 5, No. 100은 모두 금속층의 표면은 Cu를 실질적으로 포함하지 않는다고 할 수 있다. 또한, 금속층의 표면에 Cu가 실질적으로 석출되지 않는다.
시료 No. 101에 대해서, 동일하게 하여, 금속층의 표면에 있어서의 Ag의 함유량을 측정하였다. 그 결과, Ag의 함유량은, 금속층의 표면의 조성을 100 원자%로 하여, 1.0원자% 이하이며, 실질적으로 구리층이라고 할 수 있다.
(2) 금속층의 표면 조도(Ra)(㎛)는, 시판되고 있는 표면 조도 측정 장치(여기서는, 가부시키가이샤 도쿄세이미츠 제조, 표면 조도·윤곽 형상 측정기 SURFCOM 130A)를 이용하여 측정하였다. 측정 조건은, 평가 길이 4 mm, 측정 속도 0.3 mm/s, 컷오프값 0.8 mm이다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 금속층의 형성 전의 기판에 대해서, 동일하게 표면 조도(Ra)를 측정한 결과, 표면 조도(Ra)는 1.80 ㎛였다.
(3) 열전도율(W/m·K)은, 시판되고 있는 측정 장치(여기서는, NETZSCH LFA447)를 이용하여 플래시법에 의해 측정하였다. 측정 조건은, ASTM E1461-13「플래시법에 의한 열 확산율에 대한 표준 시험법(standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method)」에 준거한 조건이다.
Figure pct00002
시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재는 모두 전술한 바와 같이 납재를 이용하여, 복합 재료로 이루어진 기판과, 금속층의 원료인 금속 부재를 접합하고 있다. 그 때문에, 기판의 표면이 요철이어도, 오목부를 메우도록 납재가 충전된다. 그 결과, 상기 기판과 상기 금속층이 강고하게 접합되어, 이하에 나타낸 바와 같이 높은 접합력을 갖는다. 기판과 금속층의 접합력은, 이하와 같이 조사하였다. 금속층의 표면과 구리제의 로드를 Pb(납) 프리 땜납으로 납땜한다. 기판을 고정시킨 상태에서 구리제의 로드를 시판되고 있는 인장 시험기(여기서는 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조, 오토그래프 AG-5000D)로 인장한다. 인장 속도는 20 mm/min이다. 로드를 인장함으로써 금속층이 파단될 때의 강도를 접합력으로서 평가한다. 그 결과, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재의 접합력은 모두 35 MPa 이상이다.
또한, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재는 모두 표 2에 나타낸 바와 같이 금속층의 표면이 평활하다. 구체적으로는, 금속층의 표면 조도(Ra)가 2.0 ㎛ 이하이다. 금속층의 표면 조도(Ra)가 2.0 ㎛ 이하로 작은 이유 중 하나로서, 금속층의 형성에 납재를 이용한 것을 들 수 있다. 전술한 바와 같이 기판의 표면의 오목부를 메우도록 납재가 충전됨으로써 은박의 두께가 20 ㎛로 비교적 얇은 경우(여기서는 시료 No. 4)를 포함하여 은박의 표면 조도(Ra)를 유지하기 쉬웠다고 생각된다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재는 모두, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율[Cu/(Ag+Cu)]이 20 원자% 이하이다. 즉, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재는 모두, 상기 경계 영역에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이 충분히 저감되고 있다. 이러한 경계 영역은, Ag와 Cu의 공정 합금 또는 상기 공정 합금을 베이스로 하는 합금을 실질적으로 포함하지 않는다고 할 수 있다.
시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재에 대해서, 830℃×20분의 열처리를 행하여, 내열성을 평가하였다. 이 열처리의 조건은, 복합 부재의 표면(여기서는 금속층의 표면)에 패키지 부재(예, 절연 기판)를 접합하는 경우를 모방한 조건이다. 그 결과, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재에서는, 금속층의 팽창, 박리, 소실 등의 현상이 실질적으로 발생하지 않고, 금속층이 적절히 유지되고 있었다. 이러한 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재의 내열 온도는, 전술한 공정 합금 등의 용융 온도(예, 780℃)를 초과하는 온도, 여기서는 830℃라고 할 수 있다.
한편, 시료 No. 100, No. 101의 복합 부재에서는, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율[Cu/(Ag+Cu)]은 각각 약 27 원자%, 약 33 원자%이며, 20 원자% 초과이다. 이러한 경계 영역은, Cu의 확산이 불충분하며, 상기 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율이 높기 때문에, 전술한 공정 합금 등을 포함한다고 할 수 있다. 시료 No. 100, No. 101의 복합 부재에 대하여, 전술한 830℃×20분의 열처리를 행하여, 내열성을 평가하였다. 그 결과, 시료 No. 100의 복합 부재에서는, 금속층의 팽창이 생기고, No. 101의 복합 부재에서는 금속층이 소실되었다.
동일한 조성의 납재를 이용하고 있는데도, 시료 No. 1∼No. 5와 시료 No. 100, No. 101에서 상이한 결과가 얻어진 이유 중 하나로서, 이하와 같이 생각할 수 있다.
시료 No. 1∼No. 5의 제조 과정에서는, 기판을 구성하는 복합 재료 중의 금속상, 및 금속층의 원료인 금속 부재의 주체가 Ag이다. 그 때문에, Ag와 Cu의 공정 합금계 납재를 이용하였지만, 납재에 인접하여, Cu의 함유량이 매우 작은 금속상 중의 Ag 및 금속 부재 중의 Ag를 존재하게 할 수 있다. 또한, 여기서는 접합시의 조건을 비교적 고온으로 하여, Cu를 확산시키기 쉬운 조건으로 하고 있다. 그 때문에, 납재가 용융됨으로써 기판과 금속 부재의 접합에 기여한 후에, 납재 중의 Cu가 인접한 금속상의 Ag 및 금속 부재의 Ag로 확산될 수 있었다고 생각된다. 그 결과, 상기 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율이 크게 감소하여, 작아지고, 상기 경계 영역 내에 Ag와 Cu의 공정 합금을 형성하기 어려웠다고 생각할 수 있다.
한편, 시료 No. 100의 제조 과정에서는, 시료 No. 1∼No. 5와 마찬가지로, 전술한 공정 합금계의 납재에 인접하여, Cu의 함유량이 매우 작은 금속상 중의 Ag 및 금속 부재 중의 Ag가 존재한다. 그러나, 접합시의 가열 온도가 800℃로 낮음으로써, 납재 중의 Cu가 인접한 금속상 및 금속 부재로 충분히 확산되지 않고, 상기 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율이 크게 감소하지 않아, Ag와 Cu의 공정 합금이 형성되기 쉬웠다고 생각된다. 한편, 시료 No. 101의 제조 과정에서는, 기판 중의 금속상의 주체는 Ag이지만, 금속 부재의 주체는 Cu이다. 그 때문에, 전술한 공정 합금계의 납재 중의 Cu는, Cu의 함유량이 매우 작은 금속상 중의 Ag 중으로 확산되어 간다. 그러나, 이 납재에, Cu의 함유량이 매우 큰 금속 부재 중의 Cu가 확산되어 간다. 특히, 이 시험에서는, Cu가 확산되기 쉬운 조건에서 접합하기 때문에, 전술한 금속 부재 중의 Cu가 납재 중으로 확산되기 쉽다. 그 결과, 상기 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율에 대폭적인 저감이 발생하지 않아, Ag와 Cu의 공정 합금이 형성되기 쉬웠다고 생각된다.
이상으로부터, 이하의 (요건)을 충족시키는 복합 부재는, 800℃, 나아가서는 830℃라는 고온에 노출되더라도, 금속층의 팽창, 박리, 소실 등의 현상이 쉽게 발생하지 않아, 내열성이 우수한 것으로 나타났다.
(요건) 기판 중의 금속상 및 금속층이 Ag를 주체로 한다. 또한, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역 내의 Cu의 함유 비율[Cu/(Ag+Cu)]이, 20 원자% 이하이다.
그 밖에, 이 시험으로부터, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재에 대해서, 이하의 것을 알 수 있었다.
(a) 열전도율이 500 W/m·K 이상, 특히 530 W/m·K 이상이며, 높다. 이러한 복합 부재는, 열전도성이 우수하기 때문에, 반도체 소자의 방열 부재 등에 적합하게 이용할 수 있다.
(b) 열전도성이 우수한 이유의 하나로서, 복합 재료 중의 비금속상이 다이아몬드를 포함하는 것을 들 수 있다. 다이아몬드 입자의 평균 입경이 크면, 열전도성이 보다 우수한 경향이 있다(예, 시료 No. 1, No. 5 비교 참조). 또한, 큰 입자를 포함하는 데다, 다이아몬드 입자의 함유량이 많으면, 열전도성이 보다 우수한 경향이 있다(예, 시료 No. 2, No. 5 비교 참조). 다른 이유의 하나로서, 복합 재료 중의 금속상 및 금속층이 Ag를 주체로 하는 금속인 것을 들 수 있다.
(c) 열전도성이 우수한 또 다른 이유의 하나로서, 금속층에 있어서의 기판과의 경계 영역의 Ti의 함유량이, 0.1 원자% 이상 2.0 원자% 이하인 것을 들 수 있다. 상기 경계 영역에 포함되는 Ti는, 용융 상태의 납재에 반해, 복합 재료 중의 비금속상의 습윤성을 높이는 것에 기여했다고 생각된다. 이 점으로부터도, 기판과 금속층이 밀착되어, 열전도성을 높이기 쉽다. 또한, 상기 경계 영역에 Ti를 과잉으로 함유하지 않음으로써, Ti의 과잉 함유에 기인하는 열전도성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 기판과 금속층이 밀착되기 때문에, 전술한 높은 접합력을 가졌다고 생각된다.
(d) 전술한 바와 같이 금속층의 표면 조도(Ra)가 작고, 금속층의 표면이 평활하다. 그 때문에, 복합 부재의 금속층의 표면에 패키지 부재 등을 접합한 경우에 금속층과 패키지 부재 등과의 사이에 보이드가 쉽게 개재되지 않는다. 따라서, 보이드의 개재에 기인하는 열전도성의 저하를 방지할 수 있다.
(e) 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재에 대해서, 금속층의 두께를 측정하였다. 여기서는, 금속층의 두께는, 전술한 각 시료의 복합 부재에 있어서의 단면의 SEM상을 이용하여 측정하였다. 금속층의 경계 영역을 추출할 때에 설명한 아래쪽의 직선을 기판과 금속층의 경계로 한다. 이 기판과 금속층의 경계로부터, 기판의 두께 방향을 따라, 금속층의 표면까지의 길이를 금속층의 두께로 한다. 시료 No. 1∼No. 5의 금속층의 두께는, 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하를 충족한다. 또한, 시료 No. 1∼No. 5의 금속층의 두께는, 은박의 두께를 실질적으로 유지하고 있다. 금속층의 두께가 200 ㎛ 이하인 점에서도, 열전도성이 우수하다고 생각된다. 예컨대, 시료 No. 3, No. 4를 비교하면, 금속층이 얇은 시료 No. 4는, 시료 No. 3보다 열전도율이 높다. 또한, 시료 No. 1∼No. 5는, 금속층의 두께가 20 ㎛ 이상인 점에서도, 금속층의 표면이 평활해지기 쉽다고 생각된다. 시료 No. 1에 주목하면, 비교적 큰 비금속상의 입자를 포함하는 경우에도, 금속층이 어느 정도 두꺼움으로써, 금속층의 표면이 평활하다. 시료 No. 3, No. 5를 비교하면, 금속층이 두꺼운 시료 No. 5는 표면이 보다 평활하며, 금속층이 두꺼우면 평활성이 우수한 경향이 있다.
(f) 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재에 대해서, 열처리 전후의 열전도율의 변화를 조사하였다. 여기서는, 830℃에서 20분간 유지한 후, 실온(여기서는 20℃ 정도)까지 냉각시켜, 열전도율을 측정하였다. 그리고, 변화율={(가열 전의 열전도율-가열 후의 열전도율)/가열 전의 열전도율}×100을 구하였다. 그 결과, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재는 모두 열처리 전후의 열전도율의 변화율이 5% 이하였다. 이 것으로부터, 이들 복합 부재는, 830℃ 정도에 노출되더라도, 높은 열전도율을 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재에 대해서, 냉열 사이클에 따른 열전도율의 변화를 조사하였다. 각 시료의 복합 부재를, -60℃로 유지한 시험액에 10분간 침지한 후, 150℃로 유지한 시험액에 10분간 침지한다고 하는 조작을 1사이클로 한다. 이 냉열 사이클을 100 사이클 행한 후에 열전도율을 측정한다. 그리고, 변화율={(냉열 사이클 전의 열전도율-냉열 사이클 후의 열전도율)/냉열 사이클 전의 열전도율}×100을 구하였다. 그 결과, 시료 No. 1∼No. 5의 복합 부재는 모두 냉열 사이클에 따른 열전도율의 변화율이 5% 이하였다. 이것으로부터, 이들 복합 부재는, 냉열 사이클을 거쳐도 높은 열전도율을 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 시험액에는, 불소계 불활성 액체(「갈덴(등록상표)」나 「플루오리너트(상품명)」 등을 사용할 수 있다.
본 발명은, 이들 예시에 한정되지 않고, 특허청구범위에 의해 나타내어지며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
예컨대, 시험예 1에 있어서, 복합 재료 중의 금속상의 조성, 비금속상의 조성·입경·함유량, 기판의 두께, 납재의 조성 및 두께, 금속 부재의 조성 및 두께, 접합 조건 등을 적절하게 변경할 수 있다.
1: 복합 부재 2: 기판
10: 복합 재료 20: 비금속상
25: 금속상 21: 피복 입자
22: 코어 입자 23: 피복층
3: 금속층 3f: 표면
3b: 경계 30: 경계 영역
35: 석출물 5: 측정 영역
50: 기준점 51: 수평선
52, 53: 직선 60: 적층물
61: 납재 62: 금속박
65: 주형 66: 보호판
67: 추

Claims (5)

  1. 비금속상과 금속상을 포함하는 복합 재료로 이루어진 기판과, 상기 기판 표면의 적어도 일부를 덮는 금속층을 구비하는 복합 부재로서,
    상기 금속상 및 상기 금속층을 구성하는 금속은, Ag을 주체로 하고,
    상기 금속층 중, 상기 기판과의 경계 영역 내에서의 Ag와 Cu의 합계 함유량에 대한 Cu의 함유 비율이, 20 원자% 이하인 것인, 복합 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경계 영역은, Ti, Cr, V, Nb, Zr, Ta로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하고,
    상기 경계 영역에서의 상기 원소의 함유량은, 상기 경계 영역의 조성을 100 원자%로 하여, 0.1 원자% 이상 2.0 원자% 이하인 것인, 복합 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 것인, 복합 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층의 표면 조도(Ra)는, 2.0 ㎛ 이하인 것인, 복합 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층의 표면에 있어서의 Cu의 함유량은, 상기 표면의 조성을 100 원자%로 하여, 1.0 원자% 이하인 것인, 복합 부재.
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