KR950012940B1 - 수동전자 소자용 재료 - Google Patents

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내용 없음.

Description

수동전자 소자용 재료

제 1 도는 전력 회로용 싱크 구조로 이루어진 전자소자의 종단면도.

제 2 도는제 1 도 소자의 평면도.

제 3 도는 접속부와 커버를 갖는 캡슐형 케이스의 구조로 이루어진 전자소자의 종단면도.

제 4 도는 커버를 제거시킨 제 3 도 소자의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 싱크 2,13 : 절연체

3,14 : 능동 회로 4,11 : 접속부

5 : 다이리스터 6,15 : 전도트랙

7 : 케이스 8 : 베이스

9 : 프레임 10 : 구멍

12 : 커버

본 발명은 높은 열전도율, 낮은 밀도 및 낮은 열팽창 계수를 갖는 수동전자 소자용 재료에 관한 것이다.

여기서 용어 "수동전자소자"는 전자활동을 직접 수반하지는 않는다. 특히 본 발명은 전력회로내의 싱크,지지물 및 자극편과, 하이브리드 초소형 전자 전력회로 및 매크로 웨이브 회로내의 레이저 다이오드 지지물, 히트 싱크 및 캡슐형 케이스(encapsulating case)와 같은 구조물을 제조하는 재료에 관한 것이다. 또한 용어"전자"는 광전자 분야를 포함한다.

당해 소자에서, 이들 재료들은 통상적으로 알루미나와 같은 절연 세라믹물질이나, 실리콘 또는 비소화 갈륨과 같은 반도체에 결합되는 것이 공지되어 있다.

만약 상기 소자들이 전력소자를 포함하면, 전력소자가 작동할 때 많은 양의 열이 방출된다. 이경우 과잉의 열에 의한 상기 소자의 손상을 피하기 위해 상기 과잉 열은 가능한 한 빠르게 소산되어야만 한다. 따라서 가능한 가장 높은 열전도성 재료가 사용되어야 한다.

온도가 상승함에도 불구하고, 만일 재료의 열팽창 계수가 세라믹 절연체 또는 반도체 기판의 팽창 계수와 너무 상이하면, 기판내에 형성되는 응력이 세라믹의 내성보다 매우 크게 되어, 세라믹은 깨지게 되고 전체 유닛의 효율에 손상을 주게 한다.

따라서 알루미나 또는 실리콘의 열팽창 계수와 일체하거나, 바람직하게는 30 내지 400℃온도 범위에서 16p.p.m./K 이하의 열팽창 계수를 갖는 재료가 필요하다.

또한, 이들 회로가 에너지원에 의해 구동되는 자동차에 사용될 수 있기 때문에 차량을 추진하는데 필요한 소비에너지를 최소화하도록 가능한한 가장 낮은 밀도, 바람직하게 3100kg/㎥ 이하의 밀도를 갖는 재료가 필요로 되고 있다.

또한, 상기 회로는 그들 환경에 영향을 받기 때문에, 재료는 외부 환경에 알맞는 비자성 특성과 양호한 불침투성을 구비해야 한다.

이러한 모든 특성들을 겸비한 재료를 갖기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔으며, 거기에서 얼마간 흥미있는 것을 발견했다.

즉, 강, 베릴륨 및 몇몇 알루미늄 합금같은 재료가 그들의 좋은 전도성 때문에 시도되어 왔으나, 이들의 비교적 높은 탄성 및 팽창율을 알루미나의 팽창율과의 차이를 조절하기 위해 접합제나 접착제를 사용하는 것이 필요하게 되었고, 이것은 전체 유닛의 열전도율을 감소시킨다.

코바르(철-니켈-코발트 합금)나 몰리브덴 또는 구리/인바르/구리의 형태의 다중금속 재료와 티타늄 및 그것이 합금 같은 낮은 팽창율을 갖는 재료로 전환되었다. 하지만 몰리브덴은 별 문제로 하고 이러한 모든 재료는 특히 기판의 평면에 수직방향으로 전도율이 낮다는 불리한 조전이 있다. 또한 이들 모두는 고밀도를 갖는데, 약 4500kg/㎥ 정도외 티타늄이 가장 낮은 밀도를 갖는다. 또한 몰리브덴은 고가이며, 산화에 대한저항성이 약하기 때문에 사용하기가 어렵다. 코발트인 경우, 이것은 내부 응력에 의한 비틀림으로 인하여 가공하기가 어렵고, 만약 그것을 정확하게 가공하려면 많은 어닐링 작업이 필요하다.

따라서, 출원인은 지금까지 사용된 재료에서 결함이 있는 것을 알게 되었으며, 다음에 열거하는 특성들간의 절충안을 충족시키는 새로운 재료 개발을 추구했다.

열팽창 계수는 400℃까지의 온도 변화에 대해 알루미나, 실리콘 또는 비소화 갈륨과 같은 세라믹의 열팽창 계수와 일치하거나 낮을것,

-열전도율은 가능한 한 높을것,

-밀도는 가능한 한 낮을것,

-환경에 대해 불침투성일것,

-침식에 대한 저항이 좋을것,

-적당한 가공성이 있을것,

-니켈, 은 또는 금 도금에 적합할 것,

-용접에 적합할 것,

-비자성 특성을 가질것,

이들의 연구는 30℃와 250℃ 사이에서 모든 방향으로 2p.p.m./K 내지 13p.p.m./K인 평균 열팽창 계수와, 3100kg/㎥ 이하의 밀도와, 100W/m.K 이상의 열전도율을 갖는 수동 전자 소자용 등방성 재료로 유도되었다. 그 구조는 복합물이고, 그 재료는 알루미늄 및 이들의 합금과 마그네슘 및 이들의 합금을 포함하는 군으로부터의 금속과, 그린탄화규소와 다결정 흑연의 입자들을 포함하는 군으로부터의 세라믹으로 형성되는데, 상기 세라믹은 50 내지 90체적%의 비율로 사용된다.

약 150W/m.K 이상의 높은 열전도율과, 7 내지 13p.p.m./K의 열팽창 계수와, 120GPa 보다 높은 영의 탄성률을 갖기 위해서는 50 내지 75% 비율의 그린탄화규소의 입자를 사용하는 것이 바람직하다.

만약 4 내지 10p.p.m./K의 낮은 열팽창 계수와, 2300kg/㎥ 이하의 저밀도와, 50GPa 이하의 영의 탄성률이 필요하면, 여전히 열전도율이 100W/m.K 보다 높은 경우 다결정 흑연은 65 내지 90체적%의 비율로 사용되어야 한다.

따라서 본 발명의 재료는 단지 샌드위치 배열을 이루는 하나 이상의 금속으로 구성되기 보다는 등방구조인 금속과 세라믹의 다상구조인 복합체라는 점이 종래의 것과 다르다.

상기 금속은 순수 알루미늄, 순수 마그네슘 및 이들의 합금이다. 이러한 금속들은 양호한 전도율, 저밀도및 저융점을 아울러 갖춘다.

상기 합금은 전도성이 추가의 요소의 성질 및 양에 따라 감소하며, 이러한 요소가 침전물의 형태에 있을때 보다 고용체로 있을때 더욱 감소한다는 점을 감안하여 그 전도성을 위해 선택된다.

알루미늄 합금의 경우에, 적은량의 추가의 요소가 사용된다. 아연, 구리, 마그네슘, 철과 니켈은 적은량은 허용되나, 망간, 티탄, 바나듐과 리튬은 반드시 피해야 한다.

알루미늄 화합들 1000, 5000 및 6000의 합금과 주조 합금을 사용하는 것은 바람직하다. 주형 합금들 중에서 A356, A357 및 A413.2의 합금과, 알루미늄 회합 표준에 의해 정의된 회합열 6000의 6061 및 6101의 합금과 같이 7,10 및 13%의 실리콘을 함유한 합금이 특히 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 재료는 등축형 입자 또는 다공성 다결정에 형태의 세라믹 요소를 함유한다.

모든 세라믹 요소가 동일한 효과를 갖지는 않지만, 낮은 열팽창 계수, 높은 열 전도율 및 낮은 밀도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

특히, 탄화규소 또는 다결정 흑연이 사용되면, 이상적인 절충안을 제공하는 특성을 갖는다.

탄화규소(SiC)입자를 사용하는 한, 이것은 0.5 내지 400μ, 특히 3 내지 50μ 크기이다.

만약 높은 열전도율을 갖는 복합물을 얻으려면, SiC의 입자는 매우 순수하고, SiC의 99중량% 이상을 함유해야 한다. 이러한 SiC 등급을 통상 "그린(green)SiC"라 한다. 1986년 Springer Verlag가 펴낸 "GMELIN Handbook of Inorganic Chemistry" 8판, 부록 통권 B3,60페이지에 따르면, 그 성분비는 다음과 같다.

중량%

SiC 99.0 내지 99.4

C(유리탄소) 0.05 내지 0.10

SiO₂0.40 내지 0.60

Fe₂O₃0.10 내지 0.20

Al₂O₃0.05 내지 0.10

종래에 사용된 표준의 "블랙(black)SiC"의 성분비는 다음과 같다 :

중량%

SiC 89.75 내지 99.2

C(유리탄소) 0.10 내지 0.15

SiO₂0.50내지 0.70

Fe₂O₃0.10 내지 0.20

Al₂O₃0.25 내지 0.35

흑연을 사용하는 한 다공성 다결정 파일은 사용되는 크기가 20μ 보다 작은 단독입자를 갖는다. 흑연 입자는 등축 형상을 가지며, 흑연 파일은 어떠한 우선 방향이 없어서 생산물의 등방성 특성을 유지한다. 특히 이것은 흑연 섬유를 제외한다. 상기 세라믹은 특히 탄화규소인 경우에는 응집 입자 행태이거나 흑연인 경우에는 다공성 파일 형태인 다공성 예비 형성품으로 공지된 여러가지 형태로 사용될 수도 있다.

본 발명에서 출원인은 세라믹상의 부분이 50체적% 이상 90체적% 이하인 다공성 예비 형성품을 사용하였다. 50체적% 이하의 부분은 실제로 13p.p.m./K 이상의 열팽창 계수의 복합물을 제공하는 반면, 90체적% 이상의 부분은 제작상 기술적 문제가 발생한다.

이때 대부분은 인가되는 압력 및/또는 예열을 사용하는 것을 수반하는 종래의 기술(예컨대, 1965년 A.G.KELLY 및 G.I. DAVIES에 의해 발간된 Metallurgical Reviews지의 통권 10, 제 37호 참조)에 공지된 공정에 의한 액체 금속에 의해 침투되지만, 다른 공지된 침투 또는 주형 수단이 사용될 수도 있다(예컨대, 미합중국 특허 제 43/6804호, 유럽 특허 제0105890호 및, 유럽 특허 제045510호 참조).

시리즈 6000 합금, 합금 AA356 또는 AA357 또는 구조적인 경화를 상승시키는 임의의 합금으로 만들어지는 금속의 경우에 그 재료는, 일단 주조된 경우에, 그 기계적 특성을 개선하기 위하여 어닐링 또는 탬퍼링 형태의 열처리를 받게된다.

따라서 얻어진 복합 재료는 이 분야에서 잘 알려진 부가적인 기계작업과 (니켈, 은 또는 금도금과 같은)표면 처리 작업을 필요로 한다.

상기 재료는 그 관련된 능동 및/또는 수동 소자 결합 기능(지지물의 경우), 결합과 열소산기능(싱크의 경우), 결합, 열소산 및 상호 접속기능(캡슐형 케이스의 경우), 또는 결합, 열소산, 상호 접속 기능 또는 그 환경으로부터 저지 기능(밀폐된 캡슐형 케이스의 경우)을 할 수 있다.

밀폐된 캡슐형 케이스가 필요한 특수한 경우에는 우선적으로 케이스가 형성되고, 반도체 소자 또는 절연체 및 능동 회로가 그 내측에 배치되며, 레이저 브레이즈 용접에 의해 고정되는 커버로 밀폐된다.

마지막으로, 히트 드레인 또는 지지물 형태의 구조물은 와니스 또는 수지에 의해 보호될 수 있다.

본 발명은 이하 첨부한 도면으로부터 더욱 명확히 이해될 수 있을 것이다.

제 1 도를 참조하면, 싱크(1)는 본 발명에 따른 재료로 이루어져 있고, 그 위에 알루미나의 층에 의해 형성된 절연체(2)이 놓이고, 능동 회로(3)가 상기 알루미나층 위에 배치되고 입력/출력 접속부(4)에 의해 그 주위가 연결된다.

제 2 도를 참조하면, 싱크(1), 절연체(2), 다이리스터(5)에 의해 형성되는 능동 회로(3), 전도트랙(6) 및 이들의 접속부(4)가 도시되어 있다.

제 3 도를 참조하면, 케이스(7)는 베이스(8)와, 그 위에 얹혀진 프레임(9)으로 형성된 본 발명에 따른 재료로 구성되어 있다. 프레임은 능동 회로의 접속부(11)가 통과하는 구멍(10)을 포함하며, 커버(12)는 프레임의 상부 내측에 고정된다.

제 4 도를 참조하면, 케이스(7)는 베이스(8), 프레임(9) 및 접속부(11)을 구비한다. 절연체(13)은 베이스위에 얹히고 전도 트랙(15)를 구비하는 능동회로(14)는 절연체 위에 배치된다. 접속부와 능동회로 사이의 결합은 도시하지 않았다.

상기 조립체가 열을 받게될때 상기 조립체의 상호 접속의 치수 안정도 및 완전성을 확보하기 위해서는 모든 방향에서 동일한 열팽창 계수를 갖는 복합 재료가 필연적이다. 따라서 등방성 복합 재료만이 본 발명에 사용된다.

본 발명은 다음에 따른 실시예에 의해 설명된다.

[실시예 1]

복합 재료는 합금 AA1070 및 A357에시 선택된 금속과, 다수의 격자 불순물을 가지며 순도 99% 미만의 블랙 SiC 입자의 격자 불순물이 거의 없는 순도 99% 이상의 그린 SiC의 형태의 세라믹에 의해 형성되며, 다음에 따른 방법에 의해 제조된다. 직경이 120mm의 예비 형성품은 평균 크기 44.5μ인 SiC 입자의 현탁액을 여과시키고 응집력을 주기 위하여 클로이드질 실리카를 함유함으로서 얻어진다. 이것은 건조되였을 때 입자의 55체적%와 실리카의 9.5체적%를 포함한다. 그 예비 형성품은 로스트왁스 주조 주형 방법에 의해 침투된다. 응고와 디모울딩 이후 얻어진 복합 재료는 이론값에 대응하는 2975kg/㎥의 밀도를 갖는다. 평균열팽창 계수는 30 내지 250℃ 사이에서 10.5p.p.m./K이고, 모든 방향으로 똑같다. 영의 탄성률은 125GPa이고, 휨강도는 307MPa이며, 전기 저항율은 11μΩ-cm이다. 복합 재료의 열전도율은 플레시 방법(flash method)에 의해 열확산도 및 체적열을 측정하여 계산될 수 있다. 실험치(W/m.K)는 입자의 형태와 합금의 특성으로 다음 표에 주어진다.

SiC 입자의 순도는, 합금의 선택보다, 복합 재료의 열전도율에 더 많은 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 그래서 격자 불순물의 제어 함량 및, 150W/m.K 이상의 전도율을 갖기 위하여 99중량%(그린 SiC) 이상의 SiC 함량을 갖는 SiC 입자를 선택하는 것이 필요하다.

[실시예 2]

복합 재료는 합금 AA1090과 2600℃에서 흑연화하는 P.A. N. 탄소성유(polyacrylonitrile)의 18체적%을 함유하여 제조되며, 2500kg/㎥의 밀도와 상기 탄소 섬유의 평면에 수직인 방향으로 164W/m.K의 열전도율과, 평면에서 측정하여 30℃에서 19p.p.m./K이고, 30 내지 250℃에서 6.4p.p.m./K이며, 30 내지 400℃에서 3p.p.m./K인 탄젠트 팽창 계수를 갖는다. 한편, 평면에 대해 수직 방향에서 측정할 때 팽창 계수는 30 내지 250℃에서 55.5p.p.m./K이다.

이예는 비등방성 팽창 특성을 나타내므로 섬유 형태의 세라믹 상을 이용하는 것은 바람직하지 못하다는 것을 보여준다.

이 경우에 평면에서의 팽창 계수와 평면에 대한 수직 팽창 계수의 사이에는 거의 10의 비율을 갖는다.

[실시예 3]

재료는 다결정 흑연(Carbone Lorraine reference S2457)과 각종 알루미늄과 마그네슘 합금으로 구성되어있다. 합금은 순도 99.7% 이상의 알루미늄(AA1070), 5% 마그네슘 함유 알루미늄(AG5), 5% 니켈 함유알루미늄(AN5), 7% 실리콘 및 0.6% 마그네슘 함유 알루미늄(A357)과 5% 아연과 약 1% 희토류 함유 마그네슘(RZ5) 이다.

상기 복합 재료가 응고되고 디모울드될 때, 이들의 팽창성, 열전도율, 밀도 및, 몇몇 경우에 또한 탄성, 강성 및 전기 저항도의 특성이 결정되며, 모든 특성은 등방성으로 된다.

이 결과는 표와 같다.

알루미늄과 마그네슘에 기초한 합금의 여러가지 복합물은 특성들 사이에서 상이한 절충물을 제공한다. 이것은 알루미나 또는 비소화 갈륨의 팽창 계수에 매우 근접한 팽창 계수를 얻을 수 있으며 여전히 매우 높은 열전도율을 유지할 수 있는 점에 주목할 필요가 있다.

[실시예 4]

복합 재료는 상이한 밀도를 갖는 여러가지 형태의 다결정 흑연(Carbone Lorraine references S2512-S2457-S2545)과 순도 99.7% 이상의 알루미늄으로 구성되어 있다. 복합물에서의 흑연의 비율은 50 내지 90체적%이다.

복합들은 주입과 디모울딩 후에 얻어지며, 이들의 팽창성, 열전도율, 밀도 및, 몇몇 경우에서 탄성, 강성 및 전기 저항도의 특성이 결정되며, 얻어진 모든 특성은 등방성이다.

상기 결과는 다음 표와 같다.

흑연의 여러 등급은 특성들 사이에서 상이한 절충물을 제공한다. 이것은 흑연 등급 S2512가 실리콘 또는 질소화 알루미늄과 같은 팽창 계수를 제공하는 것을 알 수 있다.

실시예 1 내지 4에서 설명된 재료로부터 얻어지는 모든 복합 재료와 복합 구조물은 30 내지 250℃에서 평균 열팽창 계수가 2p.p.m./K 이상 13p.p.m./K 이하이고, 모든 방향에서 열전도율이 100W/m.K 이상을 갖는다. 이러한 특성은 표 I에 주어진다.

[표 Ⅰ]

Claims (8)

13p.p.m./K 이하의 열팽창 계수와, 3100kg/㎥ 이하의 밀도와, 100W/m.K 이상의 열전도율을 가지며 ; 알루미늄 및 이것의 합금과 마그네슘 및 이것의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 매트릭스와, 그린 탄화규소와 다결정 흑연의 입자로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 금속 매트릭스가 용융된후 경화되기 전에 상기 금속 매트릭스에 분포되며, 50 내지 90체적%의 비율로 사용되는 세라믹으로 형성되며 ; 등방성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수동 전자 소자용 재료.

제 1 항에 있어서, 열팽창 계수가 7 내지 13p.p.m./K이며, 열전도율이 150W/m.K 보다 높고, 영의 탄성률이 120GPa 보다 높으며, 그린 탄화규소의 입자가 50 내지 75체적%의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 수동 전자 소자용 재료.

제 1 항에 있어서, 열팽창 계수가 4 내지 10p.p.m./K이며, 밀도가 2300kg/㎥ 이하이고, 열전도율이 100W/m.K보다 높으며, 영의 탄성률이 50GPa 이하이고, 다결정 흑연이 65 내지 86체적%의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 수동 전자 소자용 재료.

제 1 항에 있어서, 상기 금속이 알루미늄 합금 A356과 A357로 이루어진 군에 속하는 것을 특징으로하는 수동 전자 소자용 재료.

13p.p.m./K 이하의 열팽창 계수와, 3100kg/㎥ 이하의 밀도와, 100W/m.K 이상의 열전도율을 가지며 ; 알루미늄 및 이것의 합금과 마그네슘 및 이것의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 매트릭스와, 그린 탄화규소와 다결정 흑연의 입자로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 금속 매트릭스가 용융된후 경화되기 전에 상기 금속 매트릭스에 분포되며, 50 내지 90체적%의 비율로 사용되는 세라믹으로 형성되며 ; 등방성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수동 전자 소자.

제 5 항에 있어서, 열팽창 계수가 7 내지 13p.p.m./K이며, 열전도율이 150W/m.K 보다 높고, 영의 탄성률이 120GPa 보다 높으며, 그린 탄화규소의 입자가 50 내지 75체적%의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 수동 전자 소자.

제 5 항에 있어서, 열팽창 계수가 4 내지 10p.p.m./K이며, 밀도가 2300kg/㎥ 이하이고, 열전도율이 100W/m.K보다 높으며, 영의 탄성률이 50GPa 이하이고, 다결정 흑연이 65 내지 86체적%의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 수동 전자 소자.

제 5 항에 있어서, 상기 금속이 알루미늄 합금 A356과 A357로 이루어진 군에 속하는 것을 특징으로하는 수동 전자 소자.

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