KR100615469B1 - Manufacturing method for tungsten-copper sintering alloy - Google Patents
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Abstract
텅스텐-구리 소결합금 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 방법은, 텅스텐 분말과 액상 파라핀 또는 파라로이드를 혼합하여 가열하고 채걸름하여 혼합물을 마련하는 단계와; 혼합물을 성형 프레스로 가압하여 성형체를 마련하는 단계와; 성형체를 진공상태에서 가열하여 파라핀 또는 파라로이드를 제거하는 단계와; 파라핀 또는 파라로이드가 제거된 성형체를 소결하고 구리를 용침하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 균일하게 텅스텐이 포함되게 되어 전기전도도는 40%IACS 이상이고, 경도는 HRB95 이상이며, 밀도가 15.3∼15.9g/㎤이고, 열팽창계수는 6.2x0-6/℃와 유사한 반도체장치의 히트싱크용 텅스텐-구리 소결합금을 용이하게 제조할 수 있으며, 제조 공정이 용이하고 단순하여 생산성 향상이 기대된다.A method for producing tungsten-copper base alloy is disclosed. The method comprises the steps of mixing and heating tungsten powder and liquid paraffin or pararoid to prepare a mixture; Pressing the mixture with a molding press to prepare a molded body; Heating the molded body under vacuum to remove paraffin or pararoids; And sintering the molded article from which the paraffin or pararoid has been removed and infiltrating copper. According to the present invention, tungsten is uniformly contained, the electrical conductivity is 40% IACS or more, the hardness is HRB95 or more, the density is 15.3-15.9 g / cm 3, The coefficient of thermal expansion can easily produce tungsten-copper sintered alloy for heat sinking of semiconductor devices similar to 6.2x0 -6 / ° C. The production process is easy and simple, and productivity is expected to be improved.
텅스텐, 구리, 파라핀, 파라로이드, 소결합금, 용침, 히트씽크Tungsten, Copper, Paraffin, Pararoid, Sintered Alloy, Infiltration, Heat Sink
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 텅스텐-구리 소결합금 제조방법을 설명하기 위한 순서도; 1 is a flow chart illustrating a tungsten-copper bond alloy manufacturing method according to an embodiment of the present invention;
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 따른 텅스텐-구리 소결합금 제조방법을 이용하여 제조하되, 성형체를 마련하는 단계에서의 프레스 가압력을 각각 달리하면서 제조한 텅스텐-구리 소결합금을 촬영한 SEM 사진들;Figures 2a to 2c are prepared by using the tungsten-copper sintered alloy manufacturing method according to Figure 1, SEM pictures of the tungsten-copper sintered alloy prepared while varying the pressing force in the step of preparing a molded body;
도 3a는 도 2a 내지 도 2c의 조직을 갖는 텅스텐-구리 소결합금들에 대하여 프레스 가압력별 전기전도도를 측정한 비교 그래프들;Figure 3a is a comparison graph measuring the electrical conductivity according to the pressing force for the tungsten-copper small alloys having the structure of Figures 2a to 2c;
도 3b는 도 2a 내지 도 2c의 조직을 갖는 텅스텐-구리 소결합금들에 대하여 프레스 가압력별 밀도를 측정한 비교 그래프들; 및Figure 3b is a comparative graph measuring the density according to the pressing force for the tungsten-copper small alloys having the structure of Figures 2a to 2c; And
도 3c는 프레스 가압력별 경도를 측정한 비교 그래프들이다.Figure 3c is a comparison graph measuring the hardness of each pressing force.
본 발명은 텅스텐-구리 소결합금 제조방법에 관한 것으로서, 특히 반도체장치의 히트싱크용 텅스텐-구리 소결합금 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tungsten-copper bond alloy manufacturing method, and more particularly, to a tungsten-copper bond alloy manufacturing method for heat sinking semiconductor devices.
최근 반도체 장치의 고속연산 고집적화에 대한 시장의 요구는 급속히 높아지고 있다. 그와 동시에 이 장치의 반도체 탑재용 방열기판에는 이 소자로부터 발생되는 열을 보다 더 효율적으로 제거하기 위해 열전도율의 향상이 요구되어 왔다. 또한, 반도체 소자 및 방열 기판에 인접배치된 반도체 장치내의 다른 부재와의 열에 의한 비틀림을 한층 더 작게 하기 위해서 그 다른 부재와 유사한 열팽창 계수를 갖는 것이 요구된다. Recently, the market demand for high speed and high integration of semiconductor devices is increasing rapidly. At the same time, heat dissipation substrates for semiconductor mounting of this apparatus have been required to improve thermal conductivity in order to more efficiently remove heat generated from these devices. In addition, it is required to have a coefficient of thermal expansion similar to that of other members in order to further reduce the torsion caused by heat with the other elements in the semiconductor device and the semiconductor device disposed adjacent to the heat dissipation substrate.
구체적으로는 반도체 소자로서 통상 사용되는 Si, GaAs의 열팽창 계수는 각각 4.2x10-6/℃, 6.2x10-6/℃ 이며, 반도체 장치의 엔벨로프재로서 통상 사용되는 알루미나 세라믹의 열팽창계수는 6.2x10-6/℃정도이므로, 방열기판의 열팽창 계수는 이들의 값에 가까워야 한다. 또한, 최근 전자기기의 응용 범위가 현저히 확장되고 있고, 반도체 장치의 실용 범위나 성능은 한층 다양화되고 있다. 그 중에서도 고출력의 교류 변환 기기, 주파수변환 기기 등의 소위 반도체 파워 디바이스의 수요가 증가하고 있다. 이들 디바이스로서는 반도체 소자로부터의 발열이 반도체 메모리나 LSI와 비교하여 수배에서 수십배 정도이다. 이 때문에 이들 기기에 사용되는 방열 기판은 그 열전도율 및 전기전도도를 40%IACS 이상으로 향상시키고, 텅스텐 및 구리입자를 고르게 분포시켜 모든 영역에서 균일한 전기, 기계적 특성과 95HRB 이상 의 경도 및 15.3∼15.9g/㎤ 정도의 높은 밀도를 가져야 하며, 그 열팽창계수가 주변 부재의 열팽창계수, 즉 6.2x10-6/℃와 유사해야 한다.Specifically, the conventional Si, thermal expansion coefficient of GaAs are each 4.2x10 -6 / ℃, 6.2x10 -6 / ℃, as an envelope material of a semiconductor device, typically a thermal expansion coefficient of the alumina ceramic is used which is to be used as the semiconductor element is 6.2x10 - Since it is about 6 / ° C, the coefficient of thermal expansion of the heat radiating substrate should be close to these values. In addition, in recent years, the application range of electronic devices has been remarkably expanded, and the practical range and performance of semiconductor devices have been further diversified. Among them, the demand for so-called semiconductor power devices such as high-output AC converters and frequency converters is increasing. As these devices, heat generation from semiconductor elements is several to tens of times higher than that of semiconductor memory and LSI. For this reason, the heat dissipation boards used in these devices improve their thermal conductivity and electrical conductivity to 40% IACS or more, and evenly distribute tungsten and copper particles, so that the uniform electrical and mechanical properties in all areas, hardness of 95HRB or more, and 15.3-15.9 It should have a high density, such as g / cm 3, and its thermal expansion coefficient should be similar to that of the peripheral member, that is, 6.2 × 10 −6 / ° C.
하지만, 현재의 기술로는 완성된 히트싱크용 W-Cu소결합금에서 텅스텐 함량이 많으면서도 균일한 조직에 의해 높은 밀도값, 열전도도 및 전기전도도와 고른 열팽창계수를 갖도록 하기 어렵고, 이를 통제하기 위해 초기 텅스텐 성형 시 기본 텅스텐의 미세 입자를 제어하여 성형체 내에 보다 작은 기공을 형성하여 텅스텐 함량을 높이는 방법을 시도하고 있으나 고함량의 텅스텐 소결합금을 얻지 못하고 있다.However, current technology is difficult to have high density value, thermal conductivity and electrical conductivity and even coefficient of thermal expansion due to high tungsten content and uniform structure in the finished heat sink W-Cu alloy. In the initial tungsten molding, attempts have been made to increase the tungsten content by forming smaller pores in the molded body by controlling the fine particles of the basic tungsten, but have not obtained a high content of tungsten small alloy.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전기전도도가 40%IACS 이상이고, 열팽창계수가 6.2x10-6/℃와 유사하며, 경도는 95HRB 이상이고, 밀도는 15.3~15.9g/㎤이면서 텅스텐 함량이 높은 텅스텐-구리 소결합금 제조방법을 제공하는 데 있다.
Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention, the electrical conductivity is 40% IACS or more, the thermal expansion coefficient is similar to 6.2x10 -6 / ℃, the hardness is 95HRB or more, the density is 15.3 ~ 15.9g / ㎠ and tungsten content It is to provide a method for producing a high tungsten-copper bond.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 텅스텐-구리 소결합금 제조방법은: 98.5∼99.9wt%의 텅스텐 분말과 0.1∼1.5wt%의 액상 파라핀 또는 파라로이드를 혼합하여 가열하고 채걸름하여 혼합물을 마련하는 단계와; 상기 혼합물을 성형 프레스로 가압하여 성형체를 마련하는 단계와; 상기 성형체를 진공상태에서 가열하여 상기 파라핀 또는 파라로이드를 제거하는 단계와; 상기 파라핀 또는 파라로이드가 제거된 상기 성형체를 소결하고 구리를 용침하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Tungsten-copper sintered alloy manufacturing method according to the present invention for achieving the above technical problem: a mixture of 98.5 to 99.9 wt% of tungsten powder and 0.1 to 1.5wt% of liquid paraffin or pararoid, heated and sieved Arranging; Pressing the mixture with a molding press to prepare a molded body; Heating the molded body in a vacuum to remove the paraffin or pararoid; And sintering the molded body from which the paraffin or pararoid is removed and infiltrating copper.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 텅스텐-구리 소결합금 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flow chart illustrating a tungsten-copper bond alloy manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저, 평균입도가 0.5~10㎛인 텅스텐 분말과 액상(液狀) 파라핀 또는 파라로이드를 혼합하고, 40∼80℃의 온도로 가열한 후 상온에서 채걸름함으로써 고상(固狀)의 파라핀 또는 파라로이드과 텅스텐분말이 혼합된 혼합물을 마련한다. 이 때, 텅스텐 분말의 양이 98.5∼99.9wt%이고, 파라핀 또는 파라로이드의 양이 0.1∼1.5wt%되도록 투입된다.Referring to FIG. 1, first, a tungsten powder having an average particle size of 0.5 to 10 µm and a liquid paraffin or pararoid are mixed, heated to a temperature of 40 to 80 ° C., and then sieved at room temperature to obtain a solid phase. (Iii) Prepare a mixture of paraffin or pararoid and tungsten powder. At this time, the amount of tungsten powder is 98.5 to 99.9 wt%, and the amount of paraffin or pararoid is added to 0.1 to 1.5 wt%.
다음에, 이와 같이 마련된 혼합물을 성형 프레스(press)로 가압하여 성형체를 마련한다. 이 때, 프레스의 가압력은 1~20ton/㎠으로서, 프레스의 가압력이 클수록 성형체에 포함되어 있는 파라핀 또는 파라로이드의 성상이 보다 미세해지고 성형체에 존재하는 기공의 크기가 작아져서 공극률이 작아지게 되므로 구리 용침 후의 텅스텐 함량이 많아지게 된다.Next, the mixture thus prepared is pressed with a molding press to prepare a molded body. At this time, the pressing force of the press is 1 to 20 ton / cm 2, and the larger the pressing force of the press, the finer the properties of paraffin or pararoid contained in the molded body, the smaller the size of the pores present in the molded body and the smaller the porosity. Tungsten content after infiltration becomes large.
그 다음에, 성형체를 진공상태에서 90~350℃의 온도로 가열함으로써 파라핀 또는 파라로이드를 제거한다. 따라서, 성형체에 있어서 파라핀 또는 파라로이드이 차지하는 위치는 기공으로 존재하게 된다.Then, the paraffin or pararoid is removed by heating the molded body in a vacuum at a temperature of 90 to 350 ° C. Therefore, the position occupied by paraffin or pararoid in the molded body is present as pores.
이어서, 파란핀이 제거된 성형체를 1100∼1400의 온도에서 2~9시간 동안 소결하고, 1100∼1300℃의 온도에서 순도 99.5%~99.7%의 구리를 7~15시간 동안 용침함으로써 텅스텐-구리 소결합금을 제조한다.Subsequently, the green fin-free molded body was sintered at a temperature of 1100 to 1400 for 2 to 9 hours, and tungsten-copper sintered by infiltrating copper having a purity of 99.5% to 99.7% for 7 to 15 hours at a temperature of 1100 to 1300 ° C. Manufacture an alloy.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 따른 텅스텐-구리 소결합금 제조방법을 이용하여 제조하되, 성형체를 마련하는 단계에서의 프레스 가압력을 각각 달리하면서 제조한 텅스텐-구리 소결합금을 촬영한 SEM 사진들이다.Figures 2a to 2c are prepared by using the tungsten-copper sintered alloy manufacturing method according to Figure 1, SEM pictures of the tungsten-copper sintered alloy prepared while varying the pressing force in the step of preparing a molded body.
도 2a 내지 도 2c의 조직을 갖는 텅스텐-구리 소결합금들에 대하여 도 3a는 프레스 가압력별 전기전도도를 측정한 비교 그래프들이고, 도 3b는 프레스 가압력별 밀도를 측정한 비교 그래프들이며, 도 3c는 프레스 가압력별 경도를 측정한 비교 그래프들이다.For the tungsten-copper sintered alloys having the structure of FIGS. 2A to 2C, FIG. 3A is a comparison graph measuring electrical conductivity according to press force, FIG. 3B is a comparison graph measuring density by press force, and FIG. 3C is a press Comparison graphs measuring hardness by pressing force.
도 2a 내지 도 2c와 결부하여 도 3a를 참조하면, 프레스 가압력이 5∼9ton/㎠인 경우에 모두 전기전도도가 40%IACS 이상이었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3A in conjunction with FIGS. 2A to 2C, it can be seen that the electrical conductivity was 40% IACS or more when the press pressing force was 5 to 9ton / cm 2.
도 2a 내지 도 2c와 결부하여 도 3b를 참조하면, 프레스 가압력이 5ton/㎠인 경우에는 밀도가 15.3g/㎤ 보다 작게 나왔지만 프레스 가압력이 7∼9ton/㎠인 경우에는 밀도가 15.3~15.9g/㎤의 범위이며 그 조직이 더욱 치밀해졌음을 알 수 있다. 이것은, 프레스의 가압력이 높아짐에 따라 텅스텐-구리 소결합금 내의 기공이 파괴되어 결과적으로는 단위 부피당 텅스텐 함량이 증가하였기 때문이다.Referring to FIG. 3B in conjunction with FIGS. 2A to 2C, when the press force is 5 ton / cm 2, the density is smaller than 15.3 g / cm 3, but when the press force is 7 to 9 ton / cm 2, the density is 15.3 to 15.9 g / cm 2. It can be seen that it is in the range of cm 3 and the structure is more dense. This is because as the pressing force of the press increases, the pores in the tungsten-copper sintered alloy break down, and consequently the tungsten content per unit volume increases.
도 2a 내지 도 2c와 결부하여 도 3c를 참조하면, 프레스 가압력이 5∼9ton/㎠인 경우에 모두 경도가 95HRB 이상임을 알 수 있다. Referring to FIG. 3C in conjunction with FIGS. 2A to 2C, it can be seen that the hardness is more than 95 HRB when the press pressing force is 5 to 9 ton / cm 2.
또한, 도 2a 내지 도 2c와 같이 제조된 텅스텐-구리 소결합금은 열팽창계수가 6.2x10-6/℃와 유사하게 나타났다.In addition, the tungsten-copper sintered alloy prepared as in FIGS. 2A to 2C showed a thermal expansion coefficient similar to that of 6.2 × 10 −6 / ° C. FIG.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고함량의 텅스텐이 포함되고 혼합과정 및 성형 가압과정에 의해 균일한 조직 분포를 얻을 수 있으므로 40%IACS 이상의 높은 전기전도도와 95HRB 이상의 경도 및 15.3g/㎤ 이상의 밀도와 열팽창계수가 6.2x10-6/℃와 유사한 반도체장치의 히트싱크용 텅스텐-구리 소결합금을 용이하게 제조할 수 있다.As described above, according to the present invention, since a high content of tungsten is included and a uniform structure distribution can be obtained by mixing and molding pressing, high electrical conductivity of 40% IACS or higher, hardness of 95HRB or higher and density of 15.3g / cm 3 or higher Tungsten-copper small alloys for heat sinks in semiconductor devices having a thermal expansion coefficient of about 6.2x10 -6 / ° C can be easily produced.
또한, 제조 공정이 용이하고 단순하여 생산성 향상이 기대된다.In addition, the manufacturing process is easy and simple, productivity improvement is expected.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
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