KR20210144716A - 복합 재료 - Google Patents
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Abstract
복합 재료는 금속상과 비금속상을 포함한다. 복합 재료는 특정 원소를 더 포함한다. 금속상의 90 질량％ 이상은 Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어진다. 비금속상은 피복 코어재를 포함한다. 피복 코어재는, 코어재와, 상기 코어재의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 갖는다. 코어재는, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함한다. 탄화물층은, Ti, Cr, Ta, 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물을 포함한다. 특정 원소는, Y, Mg, Si, B, 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어진다. 특정 원소의 함유량은 합계로 0.0004 질량％ 이상 1.3 질량％ 이하이다.
Description
본 개시는 복합 재료에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 3월 29일 출원된 일본 출원 제2019-065969호에 기초한 우선권을 주장한다. 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 출원의 명세서에 원용된다.
특허문헌 1은, 반도체 소자의 방열 부재의 구성 재료로서, 은과 다이아몬드를 포함하는 복합 재료를 개시한다.
본 개시의 복합 재료는,
금속상과 비금속상을 포함하고,
특정 원소를 더 포함하고,
상기 금속상의 90 질량％ 이상은 Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지고,
상기 비금속상은 피복 코어재를 포함하고,
상기 피복 코어재는, 코어재와, 상기 코어재의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 갖고,
상기 코어재는, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함하고,
상기 탄화물층은, Ti, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물을 포함하고,
상기 특정 원소는, Y, Mg, Si, B 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고,
상기 특정 원소의 함유량은 합계로 0.0004 질량％ 이상 1.3 질량％ 이하이다.
도 1은 실시형태의 복합 재료를 모식적으로 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 실시형태의 복합 재료의 제조 과정을 설명하는 도면이다.
도 2는 실시형태의 복합 재료의 제조 과정을 설명하는 도면이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
특허문헌 1에 기재되는 은과 다이아몬드의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재는, 냉열 사이클이 반복해서 행해져도 높은 열전도율을 갖는다. 또한, 냉열 사이클이 반복해서 행해져도 높은 열전도율을 가지면서, 열전도율이 불균하지 않는 방열 부재, 즉 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 방열 부재가 바람직하다.
그래서, 본 개시는 반복된 냉열 사이클을 받아도, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 방열 부재를 구축할 수 있는 복합 재료를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[실시형태의 개요]
가장 먼저 본 개시의 실시형태의 내용을 열기하여 설명한다.
(1) 본 개시의 일양태에 따른 복합 재료는,
금속상과 비금속상을 포함하고,
특정 원소를 더 포함하고,
상기 금속상의 90 질량％ 이상은 Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지고,
상기 비금속상은 피복 코어재를 포함하고,
상기 피복 코어재는, 코어재와, 상기 코어재의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 갖고,
상기 코어재는, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함하고,
상기 탄화물층은, Ti, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물을 포함하고,
상기 특정 원소는, Y, Mg, Si, B 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고,
상기 특정 원소의 함유량은 합계로 0.0004 질량％ 이상 1.3 질량％ 이하이다.
본 개시의 복합 재료는, 이하의 이유에 의해, 높은 열전도율을 갖는 방열 부재를 구축할 수 있다.
(a) 금속상의 주체가 Ag 및 Cu 중 적어도 한쪽인 고열전도율을 갖는 금속 원소이다.
(b) 본 개시의 복합 재료는, 비금속상으로서 다이아몬드 등과 같은 고열전도율을 갖는 탄소 함유재를 포함한다.
(c) 상기 다이아몬드 등의 탄소 함유재의 표면에 Ti 등의 탄화물로 이루어지는 탄화물층이 존재한다. 이 탄화물층에 의해 금속상과 비금속상이 밀착한다. 그 때문에, 본 개시의 복합 재료는, 금속상과 비금속상의 양자간의 열전도성이 우수하다.
(d) Y 등과 같은 특정 원소를 포함하는데, 상기 특정 원소의 함유량은 전술한 특정 범위를 만족한다. 그 때문에, 본 개시의 복합 재료는, 상기 특정 원소의 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 초래하기 어렵다.
또한, 본 개시의 복합 재료는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 열전도율의 저하가 적어, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는다. 본 개시의 복합 재료는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 전술한 탄화물층에 의한 금속상과 비금속상의 밀착 상태를 양호하게 유지할 수 있기 때문이다. 상기 밀착 상태를 유지할 수 있는 이유의 하나로서, 이하의 것을 생각할 수 있다.
복합 재료의 제조 과정에서는, 전술의 탄화물층의 원료에 이용하는 Ti 등의 금속 원소의 표면에 산화막이 존재할 수 있다. 금속상의 주체인 Ag나 Cu, 탄소 함유재를 구성하는 탄소는 모두, 상기 산화막을 환원할 수 없다. 그 때문에, 원료에 이용하는 상기 금속 원소로 이루어지는 분말의 입자 등의 표면이 완전히 산화막에 의해 덮여 있던 경우, 상기 입자는, 상기 탄소와 반응할 수 없어, 탄화물층을 형성할 수 없다. 상기 금속 원소로 이루어지는 분말은, 이러한 완전히 산화막에 덮인 입자(이하, 산화 입자라고 부름)를 일정한 비율로 포함한다고 생각된다. 또한, 상기 분말에 있어서의 상기 산화 입자의 함유 비율은 불균일하다. 이러한 원료의 불균일은 복합 재료에 있어서의 특성의 불균일의 한가지 원인이 된다고 생각된다. 이에 대하여, 후술하는 바와 같이, Y 등의 특정 원소는 상기 산화막에 대하여 환원제로서 기능한다. 이 환원 작용에 의해, 상기 금속 원소와, 상기 탄소가 반응할 수 있어, 탄화물층을 적절하게 형성할 수 있다. 탄소 함유재의 표면에 탄화물층이 형성됨으로써, 탄소 함유재와 용융 상태의 금속(금속상의 원료가 되는 금속)이 양호하게 젖는다. 그 때문에, 금속상과 비금속상이 밀착한다. 이러한 밀착 개소가 많이 존재하는 복합 재료는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 밀착 상태를 유지하기 쉽다고 생각된다.
본 개시의 복합 재료는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 방열 부재를 구축할 수 있다. 또한, 전술한 탄소 함유재의 선팽창 계수는 Ag 및 Cu보다 충분히 작다. 그 때문에, 본 개시의 복합 재료는, 반도체 소자 등의 선팽창 계수와의 정합성이 우수하다. 이러한 본 개시의 복합 재료는, 반도체 소자의 방열 부재의 구성 재료로서 적합하게 이용할 수 있다.
(2) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 특정 원소 중 적어도 일부를 산화물로서 포함하는 형태를 들 수 있다.
상기 형태에서는, 전술한 Y 등의 특정 원소가 산화물로서 존재한다. 이것으로부터, 특정 원소는, 복합 재료의 제조 과정에서 Ti 등의 금속 원소를 환원할 수 있고, 상기 금속 원소는 탄화물층을 적절하게 형성할 수 있었다고 생각된다. 그 결과, 탄화물층에 의해 금속상과 비금속상이 보다 확실하게 밀착하고 있다고 할 수 있다. 또한, 상기 산화물의 함유량은, 특정 원소의 함유량에 의존한다. 그 때문에, 상기 형태는, 상기 산화물을 과잉으로 함유하지 않아, 상기 산화물의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 초래하기 어렵다. 따라서, 상기 형태는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 방열 부재를 보다 확실하게 구축할 수 있다.
(3) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 금속 원소의 함유량이 합계로 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하인 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, Ti 등의 금속 원소의 함유량이 상기 범위를 만족하기 때문에, 상기 금속 원소를 탄화물층으로서 적절하게 포함한다고 할 수 있다. 또한, 상기 형태는, 상기 금속 원소의 과잉된 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 초래하기 어렵다. 따라서, 상기 형태는, 보다 높은 열전도율을 갖는 방열 부재를 구축하기 쉽다.
(4) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상인 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 고열전도율을 갖는 탄소 함유재를 많이 포함한다고 할 수 있다. 따라서, 상기 형태는, 보다 높은 열전도율을 갖는 방열 부재를 구축하기 쉽다.
(5) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상 90 체적％ 이하인 형태를 들 수 있다.
비금속상의 함유량이 90 체적％ 이하이면, 복합 재료는 금속상을 어느 정도 포함한다(10 체적％ 이상). 금속상은, 비금속상을 구성하는 입자를 결합하거나, 비금속상을 구성하는 다공체의 공극을 매립하거나 할 수 있다. 또한, 금속상에 의해, 복합 재료의 선팽창 계수가 너무 작아지는 것을 방지할 수 있다. 또한 비금속상이 너무 많지 않기 때문에, 제조 과정에서는, 비금속상의 원료의 코어재와 용융 상태의 원료 금속이 용침(溶浸)하기 쉽다. 그 때문에, 미용침 부분의 발생이 억제되어, 복합 재료는 보다 확실하게 치밀해지기 쉽다.
(6) 본 개시의 복합 재료의 일례로서,
상기 특정 원소 중 적어도 일부를 산화물로서 포함하고,
상기 금속 원소의 함유량이 합계로 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하이고,
상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상 90 체적％ 이하인 형태도 들 수 있다.
[본 개시의 효과]
본 개시의 복합 재료는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 방열 부재를 구축할 수 있다.
[실시형태의 상세]
이하, 도면을 적절하게 참조하여, 본 개시의 실시형태를 구체적으로 설명한다. 도면 중, 동일 부호는 동일 명칭물을 의미한다.
[복합 재료]
도 1을 주로 참조하여, 실시형태의 복합 재료(1)를 설명한다.
(개요)
실시형태의 복합 재료(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이 금속상(3)과 비금속상(2)을 포함한다. 금속상(3)은, Ag(은), Cu(구리), 또는 Ag와 Cu의 쌍방을 주체로 한다. 비금속상(2)은 피복 코어재(20)를 포함한다. 피복 코어재(20)는, 코어재(22)와, 코어재(22)의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층(23)을 갖는다. 코어재(22)의 구성 재료는, 다이아몬드 등과 같은 탄소 함유재(상세는 후술)를 포함한다. 탄화물층(23)의 구성 재료는, Ti 등과 같은 금속 원소의 탄화물(상세는 후술)을 포함한다. 복합 재료(1)는, 대표적으로는 평판형으로 성형되어, 반도체 소자 등의 방열 부재에 이용된다.
실시형태의 복합 재료(1)는 특정 원소를 더 포함한다. 즉, 복합 재료(1)는, 복합 재료(1)를 100 질량％로 하여, Y(이트륨), Mg(마그네슘), Si(규소), B(붕소) 및 Zr(지르코늄)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(특정 원소)를 합계로 4 질량ppm 이상 1.3 질량％ 이하 포함한다. 상기 특정 원소는, 복합 재료(1)의 제조 과정에서 탄화물층(23)이 적절하게 형성되는 것에 기여한다. 복합 재료(1)는, 탄화물층(23)을 통해 비금속상(2)과 금속상(3)이 밀착하고 있어, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 상기 밀착 상태를 유지하기 쉽다.
이하, 구성 요소마다 상세하게 설명한다.
(비금속상)
〈주요한 구성 재료〉
실시형태의 복합 재료(1)는, 비금속상(2)으로서, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함한다. 즉, 코어재(22)는, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함한다. 상기 탄소 함유재는 모두, 높은 열전도율을 가지면서, 선팽창 계수가 Ag 및 Cu보다 충분히 작다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, 반도체 소자, 절연 기판, 패키지 등과 같은 반도체 장치의 구성 부품과의 선팽창 계수의 정합성이 우수하다. 이러한 복합 재료(1)는, 반도체 소자의 방열 부재의 구성 재료에 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 상기 탄소 함유재는 모두 내열성이 우수하다. 그 때문에, 복합 재료(1)는 내열성이 우수한 방열 부재를 구축할 수 있다.
다이아몬드는 대표적으로는 1000 W/m·K 이상인 높은 열전도율을 갖는다. 또한, 다이아몬드는 열전도에 관한 이방성이 실질적으로 없다. 그 때문에, 비금속상(2)으로서 다이아몬드를 포함하면, 복합 재료(1)는 열전도성이 매우 우수하다. 그래파이트는 기계적 가공성이 우수하다. 또한, 그래파이트는, 열전도에 관한 이방성을 갖지만, 다이아몬드와 비교하여 저렴하며, 제조 비용을 저감할 수 있기 때문에, 이용하기 쉽다. 탄소 섬유는, 그래파이트와 유사하지만 벽개하지 않는다. 그 때문에, 비금속상(2)으로서 탄소 섬유를 포함하는 복합 재료(1)는, 그래파이트를 포함하는 경우와 비교하여 강도가 우수하다. 섬유의 길이 방향으로 2000 W/mK 정도인 매우 높은 열전도율을 갖는 탄소 섬유를 포함하는 복합 재료(1)는 열전도성이 보다 우수하다. 탄화규소는, 다이아몬드보다 열전도율이 낮지만, 열전도에 관한 이방성이 없는 데다가, 다이아몬드와 비교하여 매우 저렴하다. 이들의 점으로부터, 탄화규소는 이용하기 쉽다.
실시형태의 복합 재료(1)는, 비금속상(2)으로서, 1종의 탄소 함유재를 포함하여도 좋고, 2종 이상의 탄소 함유재를 포함하여도 좋다. 특히, 비금속상(2)으로서, 다이아몬드를 포함하는 복합 재료(1)는, 높은 열전도율을 갖는 방열 부재를 구축할 수 있어 바람직하다. 비금속상(2)으로서, 다이아몬드에 더하여, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함하는 경우에는, 높은 열전도율을 갖는 방열 부재를 저비용으로 구축할 수 있다.
〈존재 형태〉
비금속상(2)은, 도 1에 나타내는 바와 같이 입자를 포함하는 것을 들 수 있다. 비금속상(2)을 구성하는 각 입자는 금속상(3)에 분산하여 존재한다. 비금속상(2)의 실질적으로 전부가 입자여도 좋다. 또는, 비금속상(2)은, 삼차원의 메쉬 구조를 갖는 다공체(도시하지 않음)를 포함하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 금속상(3)은, 상기 다공체의 기공 중에 충전된 상태로 존재한다. 예컨대 다공체로서, 탄화규소 등으로 이루어지는 소결체를 들 수 있다.
비금속상(2)은 피복 코어재(20)를 포함한다. 피복 코어재(20)는, 코어재(22)와, 탄화물층(23)을 갖는다. 탄화물층(23)은, 코어재(22)의 표면의 적어도 일부, 바람직하게는 실질적으로 전부를 덮는 박막이다. 도 1은 이해하기 쉽도록 탄화물층(23)을 두껍게 나타내지만, 실제로는 탄화물층(23)은 매우 얇다. 비금속상(2)이 실질적으로 전부가 피복 코어재(20)여도 좋다. 후술하는 바와 같이, 비금속상(2)과 금속상(3)의 밀착에 의해, 복합 재료(1)가 열전도성이 우수하기 때문이다.
피복 코어재(20)의 일례로서, 코어재(22)가 탄소 함유재로 구성되는 입자인 피복 입자를 들 수 있다. 도 1은 피복 코어재(20)로서 피복 입자를 예시한다. 또한, 도 1은 비금속상(2)이 피복 입자로 구성되는 경우를 예시한다. 피복 입자의 구체예로서, 코어재(22)가 다이아몬드로 구성되고, 탄화물층(23)이 TiC로 구성되는 것을 들 수 있다. 그 외의 피복 코어재(20)로서, 코어재(22)가 전술한 다공체인 피복 다공체를 들 수 있다. 복합 재료(1)는, 피복 코어재(20)로서, 전술한 피복 입자와, 피복 다공체의 쌍방을 포함하여도 좋다.
코어재(22)의 구성 재료는, 전술한 탄소 함유재와 같은 비금속 무기 재료를 들 수 있다. 탄화물층(23)의 구성 재료는, Ti(티탄), Cr(크롬), Ta(탄탈) 및 V(바나듐)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 탄화물을 들 수 있다. 즉, 탄화물층(23)은, Ti, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물을 포함한다.
〈탄화물〉
탄화물층(23)은, 복합 재료(1)의 제조 과정에서, 금속상(3)의 원료에 이용되는 금속(이하, 원료 금속(30)(도 2)이라고 부르는 경우가 있음)으로서 용융 상태의 금속에 대하여, 코어재(21)의 젖음성을 높이는 것에 기여한다. 젖음성이 높여짐으로써, 피복 코어재(20) 사이에 용융 상태의 금속이 용침되지 않은 부분(미용침 부분)의 발생을 억제할 수 있어, 복합 재료(1)는 치밀해지기 쉽다. 또한, 탄화물층(23)에 의해, 비금속상(2)을 구성하는 코어재(22)와 금속상(3)이 밀착한다. 또한, 상기 탄화물을 이루는 C(탄소)는, 대표적으로는 다이아몬드 등의 탄소 함유재에 유래한다. 그 때문에, 탄소 함유재로 이루어지는 코어재(22)와 탄화물층(23)이 밀착한다. 이와 같이 비금속상(2)과 금속상(3)의 밀착, 코어재(22)와 탄화물층(23)의 밀착에 의해, 치밀한 복합 재료(1)는, 비금속상(2)과 금속상(3) 간의 열전도성이 우수하여, 높은 열전도율을 갖는다.
특히, Ti 및 Cr 중 적어도 한쪽의 금속 원소를 포함하는 탄화물은 이하의 점에서 바람직하다.
(1) 상기 탄화물은, Ag나 Cu를 주체로 하는 금속상(3)과의 젖음성이 우수하다.
(2) Ti 및 Cr은, 금속상(3)을 구성하는 Cu 등에 고용하고 있어도, 적절한 열처리(시효)를 실시함으로써 Cu 등으로부터 석출된다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, Ti나 Cr을 어느 정도 많이 함유하여도, 열전도율을 저하시키기 어렵다.
(3) 복합 재료(1)가 Ti나 Cr을 어느 정도 많이 함유하면, 복합 재료(1)의 기계적 강도가 높아지는 경향이 있다.
상기 탄화물은, Ti, Cr, V 및 Ta로 이루어지는 군에서 선택되는 2종류 이상의 금속 원소를 포함하여도 좋다.
Ti 등의 금속 원소의 함유량은, 예컨대, 복합 재료(1)를 100 질량％로 하여, 합계로 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하인 것을 들 수 있다.
Ti 등의 금속 원소의 함유량이 0.1 질량％ 이상이면, 상기 금속 원소를 구성 재료로 하는 탄화물층(23)이 적절하게 존재한다고 할 수 있다. 또한, 코어재(22)의 표면에 있어서의 탄화물층(23)에 피복되는 영역이 크다고 할 수 있다. 바람직하게는 코어재(22)의 표면의 전체가 탄화물층(23)에 덮인다. 이러한 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 제조 과정에서 용융 상태의 원료 금속(30)과 원료의 코어재(21)(도 2)의 젖음성이 높여져, 양호하게 치밀화나 복합화가 이루어졌다고 생각된다. 그 때문에, 이 복합 재료(1)는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 탄화물층(23)을 통한 비금속상(2)과 금속상(3)의 밀착 상태를 유지하기 쉽다. 탄화물층(23)의 피복 영역의 증대 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 0.3 질량％ 이상, 더욱 0.5 질량％ 이상이어도 좋다.
Ti 등의 금속 원소의 함유량이 7.5 질량％ 이하이면, 상기 금속 원소를 구성 재료로 하는 탄화물층(23)이 너무 많아지거나, 너무 두꺼워지거나 하기 어렵다. 바람직하게는 탄화물층(23)이 매우 얇고, 균일적인 두께가 되기 쉽다(예, 두께가 0.5 ㎛ 이하, 더욱 0.3 ㎛ 이하). 그 때문에, 탄화물층(23)의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 방지할 수 있어, 복합 재료(1)가 높은 열전도율을 갖기 쉽다. 탄화물층(23)의 과잉 함유의 억제 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 5 질량％ 이하, 더욱 3.5 질량％ 이하, 2.5 질량％ 이하가 바람직하다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 2.0 질량％ 이하, 더욱 1.5 질량％ 이하, 1.0 질량％ 이하, 더욱 0.9 질량％ 이하, 0.8 질량％ 이하여도 좋다.
또한, 탄화물층(23)의 함유량이나 두께는, 제조 과정에 있어서, 전술한 Ti 등의 금속 원소의 함유량뿐만 아니라, 반응 시간이나 반응 온도 등에 의해서도 제어 가능하다. 그 때문에, 상기 금속 원소의 함유량의 상한값은 절대적인 것이 아니다. 예컨대, 반응 시간을 짧게, 또는 반응 온도를 낮게 하면, 원료로서 첨가한 상기 금속 원소의 화학량론으로부터 구해지는 탄화물층(23)의 두께보다 얇은 탄화물층(23)을 형성할 수 있다. 탄화물층(23)의 형성에 이용되지 않은 나머지 금속 원소는, 금속상(3)을 구성하는 Cu나 Ag에 고용하여 합금을 형성한다. 이 합금 중의 Ti나 Cr 등은, 전술한 바와 같이 적절한 열처리(시효)를 실시함으로써 석출 가능하다. Ti나 Cr 등이 석출 상태인 경우는, 고용 상태인 경우와 비교하여, 복합 재료(1)의 기계적 강도나 열전도성이 우수한 경향이 있다.
복합 재료(1)에 포함되는 Ti 등의 금속 원소가 실질적으로 전부가 탄화물층(23)으로서 존재하는 것이 바람직하다. 그 외에, 상기 금속 원소는, 후술하는 산화물(4)로서 존재하거나, 금속상(3) 중에 석출하여 존재하거나 하는 것을 허용한다.
〈크기〉
비금속상(2)이 전술한 탄소 함유재로 이루어지는 입자를 포함하는 경우, 입자(피복 입자를 포함함)의 평균 입경은, 예컨대 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하를 들 수 있다.
상기 평균 입경이 1 ㎛ 이상이면, 복합 재료(1)에 있어서의 비금속상(2)을 구성하는 입자에 의한 계면을 저감할 수 있다. 상기 계면은 열저항으로서 작용한다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, 상기 계면이 적을수록 열전도성이 우수하여, 높은 열전도율을 갖기 쉽다. 상기 평균 입경이 클수록, 상기 계면을 저감할 수 있어, 열전도성이 우수하다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 평균 입경은 5 ㎛ 이상, 더욱 10 ㎛ 이상, 15 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상이어도 좋다.
상기 평균 입경이 300 ㎛ 이하이면, 이하의 효과를 발휘한다.
(1) 복합 재료(1)로 이루어지는 성형체(예, 판재)의 표면의 요철이 작아지기 쉬워, 표면 성상이 우수하다.
(2) 제조 과정에서, 복합 재료(1)로 이루어지는 성형체에 연마나 절삭 등의 가공을 행하는 것이 용이하다.
(3) 제조 과정에서, 상기 연마 등을 행하였을 때에, 비금속상(2)을 구성하는 입자가 탈락하여도, 탈락에 기인하는 오목부를 작게 하기 쉽다. 그 때문에, 상기 연마 후의 성형체는, 표면 성상이 우수하다.
(4) 복합 재료(1)로 이루어지는 성형체로서, 얇은 성형체를 제조하는 것이 용이하다. 표면 성상의 향상, 가공성의 향상, 박형화 등을 바라는 경우에는, 상기 평균 입경은 250 ㎛ 이하, 더욱 150 ㎛ 이하, 100 ㎛ 이하여도 좋다.
상기 평균 입경이 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하를 만족하는 범위에서, 상대적으로 미세한 입자와 상대적으로 조대한 입자를 포함하여도 좋다. 이 경우, 제조 과정에서, 탄소 함유재의 분말을 성형형에 치밀하게 충전하는 것이 용이하다. 그 결과, 복합 재료(1)는, 열전도율을 높이기 쉽고, 또한 선팽창 계수를 저감하기 쉽다.
상기 평균 입경의 측정은, 예컨대, 복합 재료(1)로부터 비금속상(2)을 구성하는 입자를 추출하고, 이 입자에 대해서 시판의 분석 장치로 메디안 직경을 측정하는 것을 들 수 있다. 비금속상(2)의 추출은, 예컨대, 금속상(3), 후술하는 산화물(4)을 산 등으로 선택적으로 용해하여 제거하는 것을 들 수 있다.
〈함유량〉
비금속상(2)(피복 코어재(20)를 포함함)의 함유량은, 예컨대 복합 재료(1)를 100 체적％로 하여 50 체적％ 이상을 들 수 있다. 상기 함유량은, 비금속상(2)이 복수종의 탄소 함유재나 복수종의 피복 코어재(20)를 포함하는 경우에는 합계량으로 한다. 비금속상(2)의 함유량은, 이하의 순서로 구하는 것을 들 수 있다. 먼저, 복합 재료(1)의 단면을 SEM으로 관찰하여, 이차 전자상을 촬영한다. 상기 관찰에 있어서의 배율은, 예컨대 비금속상(2)이 입자를 포함하는 경우, 하나의 시야 중에, 비금속상(2)을 이루는 입자가 300개 이상 400개 이하 포함되도록 조정한다. 이러한 단면상을 10개 촬영한다(n=10). 촬영한 상에 대하여 각각, 시판의 화상 해석 소프트웨어에 의해 화상 처리를 실시한다. 화상 처리상을 이용하여, 단면상 중에 있어서의 비금속상(2)의 면적 비율을 구한다. 상기 면적 비율이란, 일시야의 면적에 대한 비금속상(2)의 면적의 비율이다. 전체 시야(n=10)의 면적 비율을 구하고, 또한 이들 면적 비율의 평균값을 산출한다. 이 면적 비율의 평균값을, 복합 재료(1)에 함유되는 비금속상(2)의 함유량(체적 비율)으로 간주할 수 있다.
상기 함유량이 50 체적％ 이상이면, 복합 재료(1)는 다이아몬드 등의 탄소 함유재를 많이 포함한다고 할 수 있다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, 높은 열전도율을 갖기 쉽다. 또한, 복합 재료(1)는, 금속상(3)만의 선팽창 계수보다 작은 선팽창 계수를 갖기 쉽다. 이러한 복합 재료(1)는, 전술한 반도체 장치의 구성 부품 등의 선팽창 계수와의 정합성이 우수하다. 따라서, 이 복합 재료(1)는, 반도체 소자의 방열 부재의 구성 재료에 적합하게 이용할 수 있다. 열전도성의 향상 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 55 체적％ 이상, 60 체적％ 이상, 70 체적％ 이상이어도 좋다.
또한, 비금속상(2)이 실질적으로 피복 코어재(20)로 구성되는 경우, 비금속상(2)의 함유량(체적％)은, 탄소 함유재의 함유량(체적％)과 탄화물층(23)의 함유량(체적％)을 포함한다. Ti 등의 금속 원소의 합계 함유량이 7.5 질량％ 이하를 만족하는 범위이면, 탄화물층(23)의 함유량(체적％)은 피복 코어재(20)의 함유량에 대하여 충분히 적다. 즉, 이 경우라도, 복합 재료(1)는, 탄소 함유재를 상대적으로 많이 포함한다.
비금속상(2)의 함유량은, 예컨대 90 체적％ 이하를 들 수 있다. 예컨대, 비금속상(2)의 함유량은, 50 체적％ 이상 90 체적％ 이하여도 좋다. 상기 함유량이 90 체적％ 이하이면, 복합 재료(1)는 금속상(3)을 어느 정도 포함한다(10 체적％ 이상). 금속상(3)은, 비금속상(2)을 구성하는 입자를 결합하거나, 비금속상(2)을 구성하는 다공체의 공극을 매립하거나 할 수 있다. 또한, 금속상(3)에 의해, 복합 재료(1)의 선팽창 계수가 너무 작아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 비금속상(2)이 너무 많지 않기 때문에, 제조 과정에서는, 비금속상(2)의 원료의 코어재(21)와 용융 상태의 원료 금속(30)이 용침하기 쉽다. 그 때문에, 미용침 부분의 발생이 억제되어, 복합 재료(1)는 보다 확실하게 치밀해지기 쉽다. 금속상(3)의 확보, 조밀화, 양호한 복합화 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 85 체적％ 이하, 더욱 80 체적％ 이하여도 좋다.
비금속상(2)을 구성하는 탄소 함유재의 입자나 다공체의 형상, 크기, 함유량 등의 사양은 적절하게 선택할 수 있다. 상기 입자의 사양은, 대표적으로는 원료 분말의 사양을 실질적으로 유지한다. 상기 다공체의 사양은, 대표적으로는 원료에 이용한 소결체의 사양을 실질적으로 유지한다. 복합 재료(1) 중의 비금속상(2)이 소정의 사양이 되도록, 원료의 사양을 선택하면 좋다.
(금속상)
금속상(3)의 구성 재료의 일례로서, 금속상(3)을 100 질량％로 하여, Ag(은) 또는 Cu(구리)를 90 질량％ 이상 함유하는 것을 들 수 있다. 금속상(3)의 구성 재료의 별도예로서, 금속상(3)을 100 질량％로 하여, Ag와 Cu를 합계로 90 질량％ 이상 함유하는 것을 들 수 있다. 즉, 금속상(3)의 90 질량％ 이상은, Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함한다. 예컨대, 금속상(3)의 실질적으로 100 질량％가, Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어져 있어도 좋다. 예컨대, 금속상(3)의 90 질량％ 이상 100 질량％ 이하가, Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어져 있어도 좋다. 구체적으로는, 금속상(3)의 구성 재료는, 순은, 은기 합금, 순구리, 구리기 합금 및 은과 구리의 이원 합금을 베이스로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 금속을 들 수 있다. 복합 재료(1)는, 금속 원소 중에서는 높은 열전도율을 갖는 Ag 및 Cu 중 적어도 한쪽을 금속상(3)의 주체로 한다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, 높은 열전도율을 갖는다.
순은은, 대표적으로는 Ag를 99.9 질량％ 이상 포함하는 것을 들 수 있다. 순은의 열전도율은, 은기 합금, 순구리, 구리기 합금보다 높다. 그 때문에, 금속상(3)의 구성 재료가 순은이면, 순구리인 경우와 비교하여, 복합 재료(1)는 높은 열전도율을 갖는다. 이 경우, 비금속상(2)으로서 다이아몬드를 포함하면, 복합 재료(1)는 더욱 높은 열전도율을 갖는다.
은기 합금은, 첨가 원소를 포함하며, Ag를 90 질량％ 이상 포함하는 것을 들 수 있다. 은기 합금은, 순은보다 강도 등의 기계적 특성이 우수하다. 그 때문에, 금속상(3)의 구성 재료가 은기 합금이면, 복합 재료(1)는 강도 등의 기계적 특성이 우수하다. 은기 합금의 첨가 원소는 적절하게 선택할 수 있다. 은기 합금은, 스터링 실버 925 등, 공지 조성의 은기 합금이어도 좋다.
순구리는, 대표적으로는 Cu를 99.9 질량％ 이상 포함하는 것을 들 수 있다. 순구리의 열전도율은, 구리기 합금보다 높다. 그 때문에, 금속상(3)의 구성 재료가 순구리이면, 구리기 합금인 경우와 비교하여, 복합 재료(1)는 높은 열전도율을 갖는다. 또한, 순구리는 순은보다 경량이기 때문에, 경량인 복합 재료(1)로 할 수 있다. 또한, 순구리는 순은보다 기계적 강도, 제조 비용의 면에서 우수하다.
구리기 합금은, 첨가 원소를 포함하며, Cu를 90 질량％ 이상 포함하는 것을 들 수 있다. 구리기 합금은, 순구리보다 강도 등의 기계적 특성이 우수하다. 그 때문에, 금속상(3)의 구성 재료가 구리기 합금이면, 복합 재료(1)는 강도 등의 기계적 특성이 우수하다. 구리기 합금의 첨가 원소는 적절하게 선택할 수 있다. 구리기 합금은, 공지 조성의 구리기 합금으로 하여도 좋다.
은과 구리의 이원 합금을 베이스로 하는 합금은, 은과 구리의 이원 합금(예, 공정 합금)이어도 좋고, 첨가 원소를 포함하며, 상기 이원 합금을 90 질량％ 이상 포함하는 것이어도 좋다. 은과 구리의 이원 합금의 융점은 낮다. 그 때문에, 제조 과정에서, 용침 온도를 동일하게 하는 경우, 은과 구리의 이원 합금은, 이원 합금 이외의 합금과 비교하여 유동성이 우수하다. 따라서, 금속상(3)의 구성 재료가 상기 이원 합금이면, 복합 재료(1)는 치밀해지기 쉽다. 또한, 융점이 낮은 이원계 합금의 구성 원소로서는, 은과 구리의 조합이 가장 높은 열전도율을 갖는다. 열전도성의 면에서도, 상기 이원 합금은, 금속상(3)의 구성 재료에 알맞다.
(환원 원소)
실시형태의 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 Y, Mg, Si, B, Zr과 같은 특정 원소를 4 질량ppm 이상 1.3 질량％ 이하의 범위에서 포함한다. 즉, 복합 재료(1)는 특정 원소를 더 포함한다. 특정 원소는, Y, Mg, Si, B, 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함한다. 특정 원소의 함유량은, 합계로 0.0004 질량％ 이상 1.3 질량％ 이하이다. 상기 특정 원소는, 복합 재료(1)를 제조하는 온도역에서, 수소보다 높은 환원력을 갖는다. 그 때문에, 상기 특정 원소는, 탄화물층(23)의 원료에 이용하는 Ti 등의 금속 원소의 표면에 존재하는 산화막을 환원할 수 있다. 이 환원 작용에 의해, 상기 금속 원소와 탄소 함유재를 구성하는 탄소가 반응하여, 탄화물층(23)을 적절하게 형성할 수 있다. 그 결과, 복합 재료(1)로서는, 탄화물층(23)을 통해 비금속상(2)과 금속상(3)이 밀착할 수 있다. 상기 특정 원소의 작용의 상세는, 제조 방법의 용침 공정의 항에서 설명한다.
특히 Y, Mg는, Ti보다 산소와 결합하기 쉽기 때문에, Ti에 대한 환원제로서 매우 양호하게 기능하기 쉽다. 특히 Mg는, 복합 재료(1)를 제조하는 온도역에서는 증기가 되어 확산하기 쉬워, 매우 양호한 환원성을 나타낸다.
Y, Si, Zr, B는, 탄소와 결합하기 쉽다. 그 때문에, 이들 원소는, Ti나 Cr 등 정도는 아니지만, 탄소 함유재와 용융 상태의 원료 금속(30)의 용침을 촉진하는 효과를 갖는다. 따라서, 이들 원소는, 제조 과정에서 환원제로서 어느 정도 많이 첨가한 경우라도, 용침성에 악영향을 끼치기 어렵다.
B는, Ti를 환원하여, B 자신이 산화되었을 때에 유리상의 물질을 형성한다. 이 유리상 물질은 다른 산화물을 용해시키는 성질을 갖는다. 그 때문에, B는, Ti나 Cr 등과 같은 금속 원소의 산화막의 파괴를 촉진한다.
Si는, 미분말을 입수하기 쉬운 데다가 취급하기 쉬워, 안전성이 높다. 그 때문에, Si는 미분말로 첨가하기 쉽고, Ti나 Cr 등의 금속 원소에 대하여 골고루 널리 퍼지기 쉽다. 이 점에서, Si는, 높은 환원 효과를 얻기 쉽다.
전술한 특정 원소의 함유량이 4 질량ppm(0.0004 질량％) 이상이면, 상기 특정 원소는 제조 과정에서 환원제로서 양호하게 기능하였다고 생각된다. 그 결과, 탄화물층(23)이 적절하게 형성되어, 양호하게 치밀화나 복합화가 이루어졌다고 생각된다. 상기 함유량이 많을수록, 환원 작용이 보다 확실하게 이루어져, 탄화물층(23)이 보다 확실하게 형성된다. 그 결과, 탄화물층(23)을 통해 비금속상(2)과 금속상(3)이 밀착된 복합 재료(1)로 할 수 있다. 환원 작용의 확보, 나아가서는 양호한 탄화물층(23)의 형성 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 10 질량ppm(0.0010 질량％) 이상, 더욱 12 질량ppm(0.0012 질량％) 이상, 20 질량ppm(0.0020 질량％) 이상이어도 좋다.
전술한 특정 원소의 함유량이 1.3 질량％ 이하이면, 상기 특정 원소의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 억제하기 쉽다. 그 결과, 복합 재료(1)는 높은 열전도율을 가질 수 있다. 상기 함유량이 적을수록, 전술한 열전도율의 저하를 억제하기 쉽다. 열전도율의 저하의 억제 등을 바라는 경우에는, 상기 함유량은 1.0 질량％ 이하, 더욱 0.8 질량％ 이하여도 좋다. 또한, 상기 함유량은, 0.68 질량％ 이하, 특히 0.65 질량％ 이하, 0.50 질량％ 이하, 0.20 질량％ 이하여도 좋다.
복합 재료(1)는 전술한 특정 원소 중 적어도 일부를, 대표적으로는 산화물(4)로서 포함하는 것을 들 수 있다. 상기 특정 원소가 산화물(4)로서 존재하면, 제조 과정에서 Ti 등의 금속 원소의 표면에 존재한 산화막이 환원되어, 상기 금속 원소는 탄화물층(23)을 양호하게 형성할 수 있었다고 생각된다. 또한, 상기 산화막으로부터 분리된 산소가 상기 특정 원소와 결합하여 산화물(4)을 형성하였다고 생각된다. 나아가서는, 탄화물층(23)이 적절하게 형성되어, 탄화물층(23)에 의해 비금속상(2)과 금속상(3)이 밀착된 복합 재료(1)로 할 수 있다. 또한, 상기 특정 원소를 포함하는 산화물(4)의 함유량은, 상기 특정 원소의 함유량에 의존한다. 상기 특정 원소의 함유량이 전술한 범위이면, 산화물(4)의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 초래하기 어렵다. 이러한 복합 재료(1)는 높은 열전도율을 갖기 쉽다.
이상으로부터, 전술한 특정 원소를 산화물(4)로서 포함하는 복합 재료(1)는, 반복된 냉열 사이클을 받아도 높은 열전도율을 안정적으로 갖기 쉽다. 또한, 이 점에서, 상기 특정 원소를 산화물(4)로서 포함하는 것이 바람직하다.
전술한 특정 원소를 포함하는 산화물(4)은, Ti 등의 금속 원소를 더 포함하는 것을 허용한다. 이 경우의 산화물(4)은, 상기 특정 원소와, 상기 금속 원소의 쌍방을 포함하는 복합 산화물이어도 좋다. 또는, 산화물(4)은, 상기 특정 원소를 포함하는 산화물과, 상기 금속 원소를 포함하는 산화물을 포함한다고 하는 복수종의 산화물을 포함하는 혼합물이어도 좋다.
(조성 등의 측정)
복합 재료(1) 중에 있어서의 Ti 등의 금속 원소의 함유량, 복합 재료(1) 중에 있어서의 Y 등의 특정 원소의 함유량, 금속상(3) 중의 Ag나 Cu의 함유량은, 예컨대, 이하와 같이 측정하는 것을 들 수 있다. 복합 재료(1)를 산으로 용해한다. 얻어진 용액 중의 금속 성분의 농도를 유도 결합 플라즈마(ICP)에 의해 분석한다. Ti 등의 금속 원소, Y 등의 특정 원소의 성분 농도는, 복합 재료(1)를 100 질량％로 한 질량 비율로 구한다. Ag나 Cu의 성분 농도는, 금속상(3)을 100 질량％로 한 질량 비율로 구한다.
Ti 등의 금속 원소가 탄화물로서 존재하는 것은, 예컨대, 이하와 같이 하여 확인하는 것을 들 수 있다. 복합 재료(1)의 단면을 취하여, SEM-EDX 장치 등에 의해 상기 단면을 성분 분석한다. 분석의 결과, 상기 금속 원소가 존재하는 영역과, 탄소가 존재하는 영역이 실질적으로 일치하는 경우, 상기 금속 원소는 탄화물로서 존재한다고 간주하는 것을 들 수 있다.
Y 등의 특정 원소가 산화물로서 존재하는 것은, 예컨대 이하와 같이 하여 확인하는 것을 들 수 있다. 복합 재료(1)의 단면을 취한다. 상기 단면을 SEM으로 관찰하여, 관찰상으로부터 Ag 등의 금속상(3)과, 피복 코어재(20) 등의 비금속상(2)을 제외한 물질(도 1에서는 산화물(4))을 추출한다. 추출한 물질을 EDX 등에 의해 성분 분석한다. 분석의 결과, 추출물이 상기 특정 원소와 산소를 포함하는 경우, 상기 특정 원소는 산화물로서 존재한다고 간주하는 것을 들 수 있다. 분석의 결과, 추출물이 Ti 등의 금속 원소를 더 포함하는 경우, 상기 특정 원소는, 전술한 복합 산화물로서 존재한다, 또는 전술한 산화물의 혼합물로서 존재한다고 간주하는 것을 들 수 있다.
(열 특성)
실시형태의 복합 재료(1)는, 전술한 바와 같이 높은 열전도율을 갖는다. 예컨대, 비금속상(2)이 다이아몬드를 주체로 하고, 금속상(3)이 순은인 경우, 열전도율은 600 W/m·K 이상을 들 수 있다. 또는, 예컨대, 비금속상(2)이 다이아몬드를 주체로 하고, 금속상(3)이 순구리인 경우, 열전도율은 500 W/m·K 이상을 들 수 있다.
(형상, 크기)
복합 재료(1)의 형상, 크기는, 복합 재료(1)의 용도에 따라 적절하게 선택하면 좋다. 예컨대, 복합 재료(1)를 반도체 소자의 방열 부재에 이용하는 경우, 복합 재료(1)는, 평면 형상이 직사각 형상인 평판재를 들 수 있다. 이 용도에서는, 상기 평판재의 평면적은, 반도체 소자 등의 탑재 부품보다 큰 면적을 갖는 것을 들 수 있다. 복합 재료(1)를 방열 부재에 이용하는 경우, 복합 재료(1)로 이루어지는 방열 부재의 두께가 얇을수록, 방열 부재의 주면(대표적으로는 반도체 소자와 같은 발열체(냉각 대상)가 배치되는 면)과 직교하는 방향의 열저항이 작아진다. 상기 방열 부재의 두께가 두꺼울수록, 상기 방열 부재의 강성이 증가한다. 또한, 상기 방열 부재의 두께가 두꺼울수록, 전술한 발열체의 열을 상기 방열 부재의 주면과 평행한 방향(예, 주면을 따른 방향)으로 확산시키기 쉬워진다. 복합 재료(1)로 이루어지는 방열 부재의 두께는, 전술한 주면에 직교하는 방향의 열저항, 주면에 평행한 방향의 열의 확산, 강성 등을 고려하여 적절하게 선택하면 좋다. 상기 두께는, 예컨대 0.2 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하, 더욱 0.2 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하, 0.2 ㎜ 이상 2 ㎜ 이하를 들 수 있다.
(용도)
실시형태의 복합 재료(1)는, 반도체 소자의 방열 부재의 구성 재료에 적합하게 이용할 수 있다. 방열 부재를 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 외에, 각종 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽스 프로세싱 유닛(GPU), 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT), 칩셋, 메모리 칩 등을 들 수 있다. 특히, 복합 재료(1)는, SiC 디바이스나 GaN 디바이스 등과 같은 발열이 큰 반도체 소자의 방열 부재의 구성 재료에 알맞다.
[복합 재료의 제조 방법]
이하, 도 2를 적절하게 참조하여, 복합 재료의 제조 방법을 설명한다.
실시형태의 복합 재료(1)는, 예컨대, 이하의 공정을 구비하는 제조 방법에 따라 제조할 수 있다.
(준비 공정) 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재로 이루어지는 코어재(21)와, Ag 또는 Cu를 90 질량％ 이상 함유하는 원료 금속(30), 또는 Ag와 Cu를 합계로 90 질량％ 이상 함유하는 원료 금속(30)과, Ti, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 용침 조제(9)와, Y, Mg, Si, B 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 환원제(8)를 준비한다.
(배치 공정) 코어재(21)와 용침 조제(9)와 환원제(8)를 성형형에 수납한다.
(용침 공정) 성형형 내의 수납물에 용융 상태의 원료 금속(30)을 용침한다.
상기 복합 재료의 제조 방법에 있어서, 용침 공정에서는, 용침 조제(9), 환원제(8)는 이하와 같은 작용을 갖는다고 생각된다.
용침 조제(9)를 구성하는 Ti 등의 금속 원소는, 탄화물층(23)의 원료에 이용되고, 코어재(21)와 용융 상태의 원료 금속(30)의 젖음성을 높인다. 단, 이 용침 조제(9)의 표면에는, 통상, 산화막(90)이 존재한다. 산화막(90)에 덮임으로써, 상기 금속 원소는, 코어재(21)를 구성하는 탄소와 반응할 수 없거나, 안정적으로 반응하기 어려워지거나 한다. 그 때문에, 탄화물층(23)의 두께가 불균일해지기 쉽다. 그 결과, 탄화물층(23)이 적절하게 형성되지 않아, 코어재(21)와 용융 상태의 원료 금속(30)이 젖기 어려워지는 것이 생각된다. 또는, 탄화물층(23)이 과잉으로 형성되어, 과잉의 탄화물층(23)이 열저항이 되어, 복합 재료(1)의 열전도율이 저하하는 것이 생각된다. 이에 대하여, 전술한 복합 재료의 제조 방법은, Y 등의 특정 원소를 포함하는 환원제(8)를 이용한다. 환원제(8)는, 산화막(90)을 환원한다. 이 환원에 의해, 산화막(90)에 손상이 부여된다. 여기서, 용침 조제(9)를 구성하는 Ti 등의 금속 원소는, 산화막(90)의 손상 부분으로부터 용융 상태의 원료 금속(30)을 통해 확산하여, 코어재(21)를 구성하는 탄소와 반응 가능하다. 그 때문에, 환원제(8)는, 산화막(90)의 일부를 손상시키는 정도의 환원 작용을 가지면, 코어재(21)와 상기 금속 원소가 확실하게 반응할 수 있어, 탄화물층(23)의 형성에 대하여 충분히 효과가 있다. 코어재(21)의 표면의 보다 많은 영역, 바람직하게는 실질적으로 표면 전체가 탄화물층(23)으로 덮인다. 그 결과, 탄화물층(23)을 통해, 코어재(21)가 용융 상태의 원료 금속(30)과 젖어, 양호하게 복합화, 치밀화할 수 있다고 생각된다.
이러한 복합 재료의 제조 방법에 따라 제조된 복합 재료(1)에서는, 탄화물층(23)을 통해, 비금속상(2)(코어재(22))과 금속상(3)이 밀착한다. 또한, 이 복합 재료(1)는, 비금속상(2)과 금속상(3)이 양호하게 복합되어, 치밀해지기 쉽다. 또한, 이 복합 재료(1)에서는, 비금속상(2)과 금속상(3)의 밀착 상태가 코어재(22)의 표면 전체에 걸쳐 균일적으로 되기 쉽다. 그 때문에, 복합 재료(1)는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 밀착 상태를 유지하기 쉬워, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는다. 특히, 상기 복합 재료의 제조 방법은, 제품(복합 재료(1))간의 불균일을 저감할 수 있다(후술하는 시험예 1 참조). 즉, 상기 복합 재료의 제조 방법은, 반복된 냉열 사이클을 받은 경우에 제품간에 있어서의 열전도율의 저하량의 불균일이 작아, 높은 열전도율을 가지며, 열전도율의 불균일이 작은 복합 재료(1)를 양산할 수 있다.
이하, 공정마다 설명한다.
(준비 공정)
비금속상(2)의 원료에 이용하는 코어재(21)는, 탄소 함유재로 이루어지는 입자(분말), 다공체를 들 수 있다. 코어재(21)의 크기, 함유량 등은, 전술한 비금속상의 〈크기〉, 〈함유량〉의 항을 참조하면 좋다.
금속상(3)의 원료에 이용하는 원료 금속(30)의 구체적인 조성은, 전술한 금속상의 항을 참조하면 좋다. 원료 금속(30)은, 금속 입자(금속 분말), 소편, 선재, 판재 등을 들 수 있다.
용침 조제(9)는, 용침 공정에서, 코어재(21)를 구성하는 탄소와 반응하여, 탄화물층(23)의 형성에 이용된다. 용침 조제(9)는, 전술한 Ti 등의 금속 원소 단체, 상기 금속 원소를 포함하는 화합물을 들 수 있다. 상기 화합물은, 용침 과정에서, 상기 금속 원소가 상기 화합물의 형성 원소(예, 수소)를 분리하기 쉽고, 탄소와 결합하기 쉬운 것을 이용할 수 있다. 상기 화합물의 일례로서, 수소화물, 붕화물, 질화물, 황화물 등을 들 수 있다. 용침 조제(9)가 상기 화합물이면, 용침 공정 전에 있어서, 용침 조제(9)의 표면에 산화막(90)이 두껍게 형성되는 것을 방지하거나, 상기 금속 원소가 산화되는 것을 방지하거나 하기 쉽다.
용침 조제(9)는, 입자(분말), 소편 등을 들 수 있다. 특히, 용침 조제(9)가 분말이면, 분말 또는 다공체인 코어재(21)의 주위에 골고루 배치되기 쉽다. 코어재(21) 및 용침 조제(9)의 양자가 분말이면 혼합하기 쉽고, 용침 조제(9)를 코어재(21)에 대하여 더욱 골고루 배치하기 쉽다. 용침 조제(9)가 골고루 배치됨으로써, 용침 공정에서는, 코어재(21)를 구성하는 탄소와, 용침 조제(9)를 구성하는 Ti 등의 금속 원소가 반응하기 쉽다. 그 결과, 탄화물층(23)이 양호하게 형성되기 쉽다. 또한, 상기 양자가 분말이면, 이들 분말을 성형형에 충전하거나, 분말 성형체를 제작하거나 하기 쉽다. 단, 용침 조제(9)가 분말이면, 분말 입자의 표면에 산화막(90)이 형성되기 쉽다. 그래서, 전술한 복합 재료의 제조 방법은, 환원제(8)를 이용하여, 산화막(90)을 환원한다.
환원제(8)는, 용침 공정에서, 용침 조제(9)의 표면에 존재할 수 있는 산화막(90)을 환원하는 기능을 갖는다. 환원제(8)에 의해 산화막(90)을 손상시킬 수 있기 때문에, 용침 조제(9)를 구성하는 Ti 등의 금속 원소와, 코어재(21)를 구성하는 탄소가 확실하게 반응할 수 있다. 그 때문에, 탄화물층(23)을 형성할 수 있다. 말하자면, 환원제(8)는, 탄화물층(23)의 형성 조제로서 기능한다.
환원제(8)는, Y 등의 특정 원소 단체, 상기 특정 원소를 포함하는 화합물을 들 수 있다. 상기 화합물은, 상기 특정 원소의 산화물에 있어서의 생성 에너지(이하, 산화물 생성 에너지라고 부름)가 큰 것이 바람직하다. 특히, 환원제(8)의 산화물 생성 에너지가 용침 조제(9)의 산화물 생성 에너지보다 크면, 환원제(8)는, 산화막(90)을 보다 확실하게 환원할 수 있어 바람직하다. 환원제(8)의 산화물 생성 에너지가 용침 조제(9)의 산화물 생성 에너지보다 작은 경우라도, 환원제(8)가 산화막(90)에 약간의 손상을 부여하여, 용침 조제(9)와, 코어재(21)를 구성하는 탄소와의 반응을 촉진하는 것은 충분히 가능하다.
환원제(8)는, 입자(분말), 소편 등을 들 수 있다. 특히, 환원제(8)가 분말이면, 용침 조제(9)의 주위에 골고루 배치되기 쉽다. 코어재(21), 용침 조제(9) 및 환원제(8)의 삼자가 분말이면 혼합하기 쉽고, 환원제(8)를 용침 조제(9)에 대하여 골고루 배치할 수 있는 데다가, 용침 조제(9)를 코어재(21)에 대하여 골고루 배치할 수 있다. 환원제(8)가 골고루 배치됨으로써, 용침 공정에서는, 환원제(8)는, 용침 조제(9)의 산화막(90)을 환원하여 보다 확실하게 손상시킬 수 있다. 그 결과, 탄화물층(23)을 양호하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 삼자가 분말이면, 이들 분말을 성형형에 충전하거나, 분말 성형체를 제작하거나 하기 쉽다.
〈크기〉
원료 금속(30)은, 용침과 동시에 용해되어 원형을 잃는다. 그 때문에, 원료 금속(30)의 형상, 크기 등은 이용하기 쉬운 범위에서 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 원료 금속(30)으로서, 평균 입경이 1 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하 정도인 분말을 이용하여도 좋다.
용침 조제(9), 환원제(8)의 크기는, 코어재(21)의 크기 등에 따라 선택하면 좋다. 예컨대, 용침 조제(9)로서, 평균 입경이 코어재(21)의 평균 입경의 1/2 이하인 분말을 이용하여도 좋다. 또는, 예컨대, 용침 조제(9)로서, 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 분말을 이용하여도 좋다. 환원제(8)로서, 예컨대, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하 정도인 분말을 이용하여도 좋다. 환원제(8)의 평균 입경이 용침 조제(9)의 평균 입경보다 작으면, 환원제(8)를 용침 조제(9)의 주위에 널리 퍼지게 하기 쉽다. 또한, 원료 금속(30), 용침 조제(9), 환원제(8)라고 하는 각 분말의 평균 입경은 전술한 메디안 직경을 들 수 있다.
(배치 공정)
코어재(21), 용침 조제(9), 환원제(8)를 소정의 형상의 성형형에 수납한다. 이들이 전술한 바와 같이 분말이면, 각각 별개로 성형형에 충전하여도 좋고, 미리 혼합 분말을 제작하고, 혼합 분말을 성형형에 충전하여도 좋다. 또는, 혼합 분말로 분말 성형체를 제작하고, 분말 성형체를 성형형에 수납하여도 좋다. 분말 성형체는, 예컨대, 프레스 성형 등에 의해 제조하는 것을 들 수 있다. 그 외에, 코어재(21)가 다공체이면, 상기 다공체를 성형형에 수납한 후, 용침 조제(9) 및 환원제(8)의 분말 등을 충전하여도 좋다.
용침 조제(9)의 첨가량, 환원제(8)의 첨가량은, 복합 재료(1)에 있어서의 Ti 등의 금속 원소의 함유량, 복합 재료(1)에 있어서의 Y 등의 특정 원소의 함유량이 각각, 전술한 특정 범위가 되도록 조정하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 상기 금속 원소나 상기 특정 원소의 과잉 함유에 기인하는 열전도율의 저하를 억제하기 쉬워 바람직하다. 특히, 환원제(8)를 이용함으로써, 이하에 설명하는 바와 같이 복합 재료(1)가 높은 열전도율을 갖기 쉽다.
여기서, 산화막(90)에 의한 반응 저해를 고려하여, 용침 조제(9)를 충분히 많이 첨가하면, 탄화물층(23)이 형성되기 쉽다. 그러나, 용침 조제(9)의 과잉 첨가는, 복합 재료(1) 중의 상기 금속 원소(산화막(90)을 갖는 경우가 있음)의 잔존이나, 탄화물층(23)의 후막화 등을 초래한다. 나아가서는 열전도율의 저하가 생길 수 있다. 이에 대하여, 환원제(8)를 이용하면, 첨가한 용침 조제(9)에 있어서, 실제로 반응하는 용침 조제(9)의 비율을 안정화할 수 있다. 그 때문에, 환원제(8)를 이용하면, 용침 조제(9)의 첨가량을 과다로 할 필요가 없다. 이와 같이 환원제(8)의 사용은, 탄화물층(23)을 과부족 없이 가지면서, 전술한 Ti 등의 금속 원소의 잔존이나 탄화물층(23)의 후막화 등에 의한 열전도율의 저하를 초래하기 어렵다.
(용침 공정)
이 공정에서는, 주로 코어재(21)와 원료 금속(30)을 복합한다. 구체적으로는, 전술한 성형형을 소정의 온도로 가열하여, 원료 금속(30)을 용융 상태로 한다. 전술한 성형형 내의 수납물(코어재(21), 용침 조제(9), 환원제(8))과 용융 상태의 원료 금속(30)을 접촉시켜, 용융 상태의 원료 금속(30)을 상기 수납물 중에 침투시킨다. 그리고, 코어재(21)에 용융 상태의 원료 금속(30)을 용침한다. 용침 공정에서의 상기 온도는, 원료 금속(30)의 조성 등에 따라 선택하면 좋다.
용침 공정의 분위기는, 진공 분위기나 불활성 분위기와 같은 저산화성 분위기로 하는 것이 바람직하다. 저산화성 분위기는, 원료, 특히 용침 조제(9)를 구성하는 Ti 등의 금속 원소의 산화를 저감하는 것에 기여한다. 진공 분위기는, 대기압 미만의 저압 분위기를 들 수 있다. 분위기 압력은, 예컨대 1 ㎩ 이하를 들 수 있다. 불활성 분위기는, 아르곤 분위기, 질소 분위기 등을 들 수 있다.
[주된 작용·효과]
실시형태의 복합 재료(1)는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 열전도율의 저하가 적어, 높은 열전도율을 안정적으로 갖는다. 이 효과를, 이하의 시험예에서 구체적으로 설명한다.
[시험예 1]
다이아몬드와 순은 또는 순구리를 포함하는 복합 재료로 이루어지는 평판재를 제작하고, 냉열 사이클 전후의 열전도율을 조사한다.
(시료의 제작)
여기서는 평면 형상이 직사각 형상이며, 두께가 1.0 ㎜인 평판재를 제작한다. 복합 재료의 원료로서, 이하를 준비한다.
비금속상의 원료: 다이아몬드 분말, 평균 입경: 20 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하에서 선택한다.
금속상의 원료(원료 금속): 순은 분말(표 1에서는 Ag로 표기), 또는 순구리 분말(표 1에서는 Cu로 표기), 순은 분말의 평균 입경 및 순구리 분말의 평균 입경: 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하에서 선택한다.
용침 조제: 표 1의 종류의 난에 나타내는 원소 또는 화합물의 분말, 평균 입경: 5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하에서 선택한다.
환원제: 표 1의 종류의 난에 나타내는 원소의 분말, 평균 입경: 3 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하에서 선택한다.
전술한 각 분말의 평균 입경은 메디안 직경이다. 메디안 직경은, 예컨대, 레이저 회절·산란식 입자 직경 분포 측정 장치를 이용하여 측정하는 것을 들 수 있다. 시판의 레이저 회절·산란식 입자 직경 분포 측정 장치는, 예컨대, MT3300EX II(마이크로트랙 제조)를 들 수 있다.
다이아몬드 분말의 함유량(체적％)을 표 1의 비금속, 「체적률」의 난에 나타낸다. 표 1에 나타내는 함유량(체적％)은, 복합 재료의 평판재를 100 체적％로 한 체적 비율이다. 이 체적률은, 복합 재료의 평판재에 있어서의 비금속상의 체적 비율과 실질적으로 같아진다.
용침 조제의 첨가량(질량％), 환원제의 첨가량(질량％)을 각각 표 1에 나타낸다. 표 1에 나타내는 첨가량(질량％)은, 다이아몬드 분말의 질량을 100 질량％로 하여, 다이아몬드 분말의 질량에 대한 질량 비율이다. 환원제의 첨가량이 0 질량％란 첨가하지 않은 것을 의미한다.
다이아몬드 분말과, 용침 조제의 분말과, 환원제의 분말과, 원료 금속인 순은 분말 또는 순구리 분말을 성형형에 충전한다. 이 성형형을 소정의 온도로 가열하여, 원료 금속을 용융 상태로 한다. 그리고, 1 기압의 아르곤 분위기에서, 상기 수납물에 용융 상태의 원료 금속을 용침한다. 이 공정에 의해, 복합 재료의 평판재가 얻어진다.
(열 특성)
〈냉열 사이클을 실시하지 않은 상태에서의 열전도율〉
제작한 각 시료의 복합 재료의 평판재에 대해서, 시료마다 100개의 평판재를 준비하고, 각각 열전도율(W/(m·K))을 측정한다. 각 시료의 100개의 평판재에 대해서, 열전도율의 평균값 및 표준 편차를 표 2의 열전도율의 난에 나타낸다. 또한, 이 측정에서는, 각 시료의 100개의 평판재에 후술하는 냉열 사이클 시험을 실시하지 않았다.
열전도율(W/m·K)은, 시판의 측정 장치(여기서는, NETZSCH LFA447)를 이용하여 플래시법에 따라 측정한다. 측정 조건은, ASTM E1461-13 「Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method」에 준거한 조건이다.
〈냉열 사이클 전후의 열전도율〉
제작한 각 시료의 복합 재료의 평판재에 대해서, 이하의 냉열 사이클을 실시하여, 냉열 사이클 전후의 열전도율의 변화를 조사한다. 이 측정 및 후술하는 성분 분석은, 전술한 각 시료의 100개의 평판재에 대해서 행한다.
《냉열 사이클의 조건》
각 시료의 평판재를, -60℃로 유지한 시험액에 10분 침지한 후, 150℃로 유지한 시험액에 10분 침지하는 조작을 1 사이클로 한다. 이 냉열 사이클을 1000 사이클 행한다. 상기 시험액에는, 불소계 불활성 액체(「갈덴(등록 상표)」이나 「플루오리너트(상품명)」 등을 사용할 수 있다.
전술한 냉열 사이클을 1000 사이클 행한 후, 열전도율을 측정한다. 시료마다 100개의 평판재에 있어서의 열전도율(W/m·K)을 구한다.
냉열 사이클을 실시하기 전, 즉 냉열 사이클을 전혀 실시하지 않은 각 시료의 평판재의 열전도율에 대하여, 냉열 사이클 후의 열전도율의 유지율(％)을 구한다. 열전도율의 유지율(％)은, (1000 사이클 후의 열전도율/냉열 사이클 전의 열전도율)×100으로 한다. 각 시료의 평판재에 있어서의 열전도율의 유지율(％)에 대해서 평균값 및 표준 편차를 구한다. 즉, 시료마다, 100개의 평판재에 대해서 열전도율의 유지율(％)을 구하고, 100개의 평판재의 값의 평균값 및 표준 편차를 구한다. 결과를 표 2의 냉열 사이클 내성의 난에 나타낸다.
(성분 분석)
각 시료의 복합 재료의 평판재에 대해서, 용침 조제를 구성하는 금속 원소의 함유량(질량％)과, 환원제를 구성하는 원소의 함유량(질량％)을 각각 측정하고, 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 여기서는 용침 조제를 구성하는 금속 원소로서, Ti, Cr, Ta, V의 함유량을 각각 측정한다. 또한, 여기서는 환원제를 구성하는 원소로서, Y, Mg, Zr, Si, B의 함유량을 각각 측정한다. 측정 방법을 이하에 설명한다.
각 시료의 복합 재료의 평판재에 대해서, 다이아몬드 지석을 이용하여, 상기 평판재의 표면을 깎아, 상기 평판재의 표면의 부착물을 제거한다. 여기서는, 상기 평판재의 표리면의 각각에 대해, 50 ㎛씩 깎는다. 다음에, 질산과 오토클레이브를 이용하여, 상기 평판재를 완전히 산용해한다. 얻어진 용액을, ICP 발광 분석 장치를 이용하여 분석한다. 각 시료의 복합 재료를 100 질량％로 하여, Ti 등의 금속 원소의 질량 비율(질량％), Y 등의 특정 원소의 질량 비율(질량％)을 조사하고, 결과를 표 2에 나타낸다.
시료 No.1∼No.33은, 금속상이 순은인 복합 재료의 시료이다.
시료 No.34∼No.47은, 금속상이 순구리인 복합 재료의 시료이다.
시료 No.2∼No.22, No.24, No.26, No.28, No.30∼No.33, No.35∼No.47은, Y, Mg, Zr, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 원소를 포함하는 시료이다.
시료 No.1, No.23, No.25, No.27, No.29, No.34는 Y 등의 특정 원소를 포함하지 않는 시료이다.
먼저, 표 2의 시료 No.1∼No.11에 주목한다. Y를 포함하는 시료 No.2∼No.11에서는 모두, Y를 포함하지 않는 시료 No.1과 비교하여, 열전도율의 표준 편차가 작다. 말하자면 열전도율의 불균일이 작다. 특히, 시료 No.2∼No.9에서는, 시료 No.1 및 No.10, No.11과 비교하여, 열전도율의 평균값이 높다(열전도율의 저하가 적다). 또한, 시료 No.2∼No.9에서는, 시료 No.1과 비교하여 냉열 사이클 내성의 평균값이 높고, 표준 편차가 작다. 이러한 시료 No.2∼No.9는, 반복 냉열 사이클을 받아도, 일정한 크기의 열전도율을 안정적으로 갖는다고 할 수 있다. 이 이유로서, 예컨대, 이하의 것이 생각된다.
Y가 제조 과정에서 용침 조제(여기서는 Ti)의 표면에 존재할 수 있는 산화막을 환원하여 산화막이 손상된다. 그 결과, 다이아몬드를 구성하는 탄소와 Ti가 확실하게 반응하여, 탄화물층(여기서는 TiC층)을 안정적으로 형성할 수 있게 된다. 이 탄화물층에 의해, 다이아몬드와 은이 양호하게 젖어, 미용침 부분의 발생을 저감할 수 있다. 상기 산화막이 손상되지 않으면, 국소적인 용침 조제의 결핍이 생겨, 탄화물층이 충분히 형성되지 않는다. 그 결과, 열전도율을 저해하는 미용침 부분(보이드)이 생기기 쉽다. 시료 No.2∼No.11에서는, 시료 No.1과 비교하여, 미용침 부분의 양이 낮은 값으로 안정되어 있었다고 생각된다. 그 결과, 시료 No.2∼No.11에서는 모두, 열전도율의 표준 편차가 시료 No.1보다 낮아졌다고 생각된다.
특히, 시료 No.2∼No.9에서는, Y의 첨가량이 최적이기 때문에, 냉열 사이클 내성뿐만 아니라, 열전도율의 평균값도 향상하였다고 생각된다. Y의 첨가량이 최적이기 때문에, 열전도의 저해 요소가 될 수 있는 Y의 잔사가 적어져, Y의 첨가에 의한 미용침 부분의 저감 효과가 Y의 잔사에 의한 열전도의 저해보다 우세해졌다고 생각된다.
이에 대하여, 시료 No.10에서는, Y의 첨가량이 비교적 많았기 때문에, 열전도율의 평균값이 개선되지 않고, 냉열 사이클 내성만이 개선되었다고 생각된다. Y의 첨가량이 비교적 많기 때문에, Y의 잔사에 의한 열전도의 저해와, Y의 첨가에 의한 미용침 부분의 저감 효과가 길항하였다고 생각된다. 시료 No.11에서는, Y의 첨가량이 너무 많았기 때문에, 냉열 사이클 내성이 개선되었지만, 열전도율의 평균값이 저하하였다고 생각된다. Y의 첨가량이 너무 많기 때문에, Y의 잔사에 의한 열전도의 저해가 Y의 첨가에 의한 미용침 부분의 저감 효과보다 우세해졌다고 생각된다.
제조 과정에 있어서, Y가 용침 조제(여기서는 Ti)의 표면에 존재할 수 있는 산화막을 환원하여 손상시킴으로써, 다이아몬드를 구성하는 탄소와 Ti가 확실하게 반응한다. 그 결과, 탄화물층(여기서는 TiC층)이 안정적으로 형성되게 된다. 탄화물층이 양호하게 형성됨으로써, 각 다이아몬드 입자와 은이 안정적으로 강고하게 밀착한다. 이 밀착에 의해, 냉열 사이클을 반복해서 받아도, 탄화물층에 덮인 다이아몬드 입자(비금속상)와 은(금속상)이 밀착 상태를 유지하기 쉽다. 한편, Y를 첨가하지 않은 시료 No.1에서는, 전술한 바와 같이 산화막에 기인하는 국소적인 용침 조제의 결핍이 생겨, 탄화물층이 충분히 형성되지 않은 장소가 생긴다. 탄화물층이 충분히 형성되지 않은 장소에서는, 상기 비금속상과 상기 금속상의 계면 강도가 약해진다. 그 때문에, 냉열 사이클을 반복해서 받으면, 상기 장소에서는, 상기 비금속 상과 상기 금속상이 박리되기 쉬워진다. 이 박리에 의해, 냉열 사이클 후의 열전도율의 평균값이 저하하였다고 생각된다. 또한, 열전도율의 불균일도 커졌다고 생각된다.
Mg 등을 포함하는 시료 No.12∼No.22에서는 모두, 시료 No.1과 비교하여, 열전도율의 평균값이 높고, 열전도율의 표준 편차도 작은 데다가, 냉열 사이클 내성의 평균값이 높고, 냉열 사이클 내성의 표준 편차도 작다. 이것으로부터, Y 대신에, Mg, Zr, Si, B라도 Y와 동일한 효과가 있다고 생각된다.
다음에, 표 2의 시료 No.34∼No.47에 주목한다. 금속상이 순구리이며, 또한 Y 등의 특정 원소를 포함하는 시료 No.35∼No.47에서는, 특정 원소를 포함하지 않는 시료 No.34와 비교하여, 열전도율의 표준 편차가 작고, 냉열 사이클 내성의 평균값이 높고, 냉열 사이클 내성의 표준 편차도 작다. 특히, 상기 특정 원소의 함유량이 최적인 시료 No.35∼No.38, No.41∼No.47은, 시료 No.39, No.40과 비교하여, 열전도율의 평균값이 높다. 이것으로부터, Y 등의 환원제를 첨가하는 것에 따른 특성의 향상 효과는, 금속상이 순구리여도, 전술한 금속상이 순은인 경우와 동일하게 얻어진다고 할 수 있다. 시료 No.39, No.40에 있어서 열전도율의 평균값이 낮아진 이유는, 전술한 시료 No.10, No.11과 동일하게 생각된다.
이들로부터, 반복된 냉열 사이클을 받아도 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 복합 재료는, Y 등의 특정 원소를 포함하고, 그 함유량은 4 질량ppm(0.0004 질량％) 이상 1.34 질량％ 미만, 특히 1.3 질량％ 이하가 바람직하다고 할 수 있다. 특정 원소의 함유량은 10 질량ppm 이상, 더욱 12 질량ppm 이상이면, 열전도율 및 냉열 사이클 내성이 보다 높아 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 이 경우, 열전도율의 표준 편차 및 냉열 사이클 내성의 표준 편차도 작아, 불균일이 적은 것으로부터도 바람직하다고 할 수 있다. 특정 원소의 함유량이 15 질량ppm 이상 0.5 질량％ 이하이면, 열전도율이 더욱 높아 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 특정 원소의 함유량은, 30 질량ppm 이상 0.2 질량％ 이하, 게다가 0.1 질량％ 이하, 0.08 질량％ 이하가 보다 바람직하다고 할 수 있다. 금속상이 순은인 경우, 특정 원소의 함유량이 0.010 질량％ 이상 0.020 질량％ 이하이면, 열전도율이 한층 더 높아 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 금속상이 순은인 경우, 금속상이 순구리인 경우보다 열전도율이 높고, 600 W/m·K 이상이라고 하는 높은 열전도율을 갖는 복합 재료인 것을 알 수 있다.
다음에, 시료 No.23, No.24에 주목한다. 시료 No.23, No.24는, 용침 조제로서, 표 1에 나타내는 바와 같이 TiH2를 이용한 시료이다.
먼저, 시료 No.1과 시료 No.23을 비교한다. 이 비교로부터, 용침 조제로서 TiH2를 이용한 경우는, 용침 조제로서 Ti를 이용한 경우와 비교하여, 열전도율, 열전도율의 표준 편차, 냉열 사이클 내성, 냉열 사이클 내성의 표준 편차의 모든 항목에 대해서 우수하다고 할 수 있다. 이러한 결과가 된 이유의 하나로서, TiH2에 포함되는 H2에 의한 환원 효과를 생각할 수 있다.
다음에, 시료 No.4와 시료 No.23을 비교한다. 이 비교로부터, 용침 조제로서 Ti를 이용하며, 환원제로서 Y와 같은 특정 원소를 첨가하는 경우는, 용침 조제로서 TiH2를 이용하며 상기 특정 원소를 첨가하지 않는 경우와 비교하여, 열전도율, 열전도율의 표준 편차, 냉열 사이클 내성, 냉열 사이클 내성의 표준 편차의 모든 항목에 대해서 우수하다고 할 수 있다. 이러한 결과가 얻어진 것은, Y에 의한 환원 효과가 TiH2에 포함되는 H2의 환원 효과보다 우수한 것을 시사한다.
또한, 시료 No.23과 시료 No.24를 비교한다. 이 비교로부터, 용침 조제로서 TiH2를 이용하며, 환원제로서 Y와 같은 특정 원소를 첨가하는 경우는, 상기 특정 원소를 첨가하지 않는 경우와 비교하여, 열전도율, 열전도율의 표준 편차, 냉열 사이클 내성, 냉열 사이클 내성의 표준 편차의 모든 항목에 대해서 개선되어 있다. 이러한 결과가 된 이유의 하나로서, TiH2에 포함되는 H2와, 환원제의 Y의 쌍방이, 특성을 개선하는 방향으로 작용한 것을 생각할 수 있다.
다음에, 시료 No.25∼No.30에 주목한다. 시료 No.25∼No.30은, 용침 조제로서, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종을 이용한 시료이다. Y를 포함하는 시료 No.26, No.28, No.30은, Y를 포함하지 않는 시료 No.25, No.27, No.29와 비교하여, 열전도율의 평균값이 높고, 열전도율의 표준 편차도 작은 데다가, 냉열 사이클 내성의 평균값이 높고, 냉열 사이클 내성의 표준 편차도 작다. 이것으로부터, 용침 조제로서 Ti 대신에, Cr, Ta, V를 이용하는 경우라도, Y 등의 특정 원소를 이용하면, Ti의 경우와 동일하게, 특정 원소에 의한 환원 및 환원에 따른 Cr 등을 포함하는 탄화물층의 양호한 형성이라고 하는 효과가 얻어진다고 생각된다. 또한, Cr 등의 경우와 전술한 Ti의 경우를 합하면, 복합 재료 중에 있어서의 Ti, Cr, Ta, V와 같은 금속 원소의 함유량은, 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하가 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 상기 금속 원소의 함유량은, 0.1 질량％ 이상 2.5 질량％ 이하, 더욱 0.3 질량％ 이상 1.0 질량％ 이하가 바람직하다고 할 수 있다.
다음에, 시료 No.31∼No.33에 주목한다. 이들 시료는, 시료 No.4에 대하여, 다이아몬드의 함유량을 다르게 한 시료이다. 시료 No.31, No.4, No.32, No.33의 순서로 열전도율이 높은 것을 알 수 있다. 이것으로부터, Y 등의 특정 원소에 따른 환원 효과는, 다이아몬드의 함유량에 관계없이 발현되어, 특성이 개선되는 방향으로 작용한다고 할 수 있다. 또한, 다이아몬드 등의 탄소 함유재의 함유량을 많게 함으로써, 열전도율이 보다 높은 복합 재료로 할 수 있다고 할 수 있다.
또한, 각 시료의 복합 재료의 평판재에 대해서, 단면을 SEM-EDX 장치에 의해 면분석을 행하여, Ti, Cr, Ta, V와 같은 금속 원소의 존재 영역과, C(탄소)의 존재 영역을 비교한다. 양 존재 영역이 중복하는 개소가 있는 경우, 이 중복 개소에 있어서의 상기 금속 원소는, 탄화물층을 형성한다고 간주할 수 있다. 또한, 전술한 단면 SEM상에 있어서, 비금속상(여기서는 다이아몬드 및 탄화물층) 및 금속상(여기서는 순은 또는 순구리) 이외의 물질을 추출하여, SEM-EDX 장치 등에 의해 성분 분석을 행한다. 성분 분석의 결과, Y, Mg, Zr, Si, B와 같은 원소와, 산소가 검출된 경우, Y 등의 원소는 산화물로서 존재한다고 간주할 수 있다. 상기 물질로부터, Ti 등의 금속 원소가 검출된 경우, 상기 금속 원소의 일부는 제조 과정에서 탄화물층의 형성에 이용되지 않고, 산화물로서 존재할 수 있다고 생각된다.
이상으로부터, 이하의 조건을 만족하는 복합 재료는, 반복된 냉열 사이클을 받아도, 특성의 변동이 적은 것 및 높은 열전도율을 안정적으로 갖는 것으로 나타났다.
(조건) 금속상이 Ag나 Cu를 주체로 한다. 비금속상이 다이아몬드 등의 탄소 함유재를 포함한다. 복합 재료는, 탄소 함유재의 표면에 Ti 등의 금속 원소를 포함하는 탄화물층을 구비한다. 복합 재료는, Y 등의 특정 원소를 특정한 범위에서 포함한다.
[부기]
(부기 1)
금속상과 비금속상을 포함하는 복합 재료로서,
상기 금속상은, 상기 금속상을 100 질량％로 하여, Ag 또는 Cu를 90 질량％ 이상 함유하고, 또는 Ag와 Cu를 합계로 90 질량％ 이상 함유하고,
상기 비금속상은, 코어재와, 상기 코어재의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 갖는 피복 코어재를 포함하고,
상기 코어재의 구성 재료는, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함하고,
상기 탄화물층의 구성 재료는, Ti, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물을 포함하고,
상기 복합 재료를 100 질량％로 하여, Y, Mg, Si, B 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 4 질량ppm 이상 1.3 질량％ 이하 포함하는, 복합 재료.
(부기 2)
상기 원소 중 적어도 일부를 산화물로서 포함하는 부기 1에 기재된 복합 재료.
(부기 3)
상기 복합 재료를 100 질량％로 하여, 상기 금속 원소를 합계로 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하 포함하는 부기 1 또는 부기 2에 기재된 복합 재료.
(부기 4)
상기 복합 재료를 100 체적％로 하여, 상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상인 부기 1 내지 부기 3 중 어느 1항에 기재된 복합 재료.
본 발명은, 이들 예시에 한정되는 것이 아니며, 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다. 예컨대, 시험예 1에 있어서, 복합 재료 중의 금속상의 조성, 비금속상의 조성·크기(입경)·함유량, 용침 조제의 조성·첨가량, 환원제의 조성·첨가량, 용침 조건 등을 적절하게 변경할 수 있다.
1 복합 재료, 2 비금속상, 3 금속상, 20 피복 코어재, 21, 22 코어재, 23 탄화물층, 30 원료 금속, 4 산화물, 8 환원제, 9 용침 조제, 90 산화막.
Claims (6)
- 금속상과 비금속상을 포함하고,
특정 원소를 더 포함하고,
상기 금속상의 90 질량％ 이상은 Ag 및 Cu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지고,
상기 비금속상은 피복 코어재를 포함하고,
상기 피복 코어재는, 코어재와, 상기 코어재의 표면의 적어도 일부를 덮는 탄화물층을 갖고,
상기 코어재는, 다이아몬드, 그래파이트, 탄소 섬유 및 탄화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 탄소 함유재를 포함하고,
상기 탄화물층은, Ti, Cr, Ta 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물을 포함하고,
상기 특정 원소는, Y, Mg, Si, B 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고,
상기 특정 원소의 함유량은 합계로 0.0004 질량％ 이상 1.3 질량％ 이하인 복합 재료. - 제1항에 있어서, 상기 특정 원소 중 적어도 일부를 산화물로서 포함하는 복합 재료.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 원소의 함유량이 합계로 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하인 복합 재료.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상인 복합 재료.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상 90 체적％ 이하인 복합 재료.
- 제1항에 있어서, 상기 특정 원소 중 적어도 일부를 산화물로서 포함하고,
상기 금속 원소의 함유량이 합계로 0.1 질량％ 이상 7.5 질량％ 이하이고,
상기 비금속상의 함유량이 50 체적％ 이상 90 체적％ 이하인 복합 재료.
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