KR20070088487A

KR20070088487A - 방열 부재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20070088487A
Application number: KR1020077004066A
Authority: KR
Inventors: 신이치로 요코하마; 기미노리 사토
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤; 시마네켄
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-29
Also published as: CN101103458A; JPWO2006088065A1; US20080118742A1; WO2006088065A1; CN100483696C; KR100883661B1

Abstract

본 발명은, 실질적으로 일 방향으로 정렬된 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재로서, 상기 방열 부재 중의 상기 구리의 금속 조직이 재결정 조직인 것을 특징으로 하는 방열 부재이다. 본 발명에 의하면, 탄소 섬유와 금속 재료의 복합 재료로 이루어지는 높은 열전도율의 방열 부재를 제공할 수 있다.

방열, 탄소, 구리, 복합, 열전도, 재결정화

Description

방열 부재 및 그 제조 방법{HEAT DISSIPATING MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은, 반도체 장치나 화상 표시 장치, 광 디바이스 등의 전자 기기로부터 발생하는 열을 주위로 확산시키는 역할을 담당하는 방열 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

노트북 컴퓨터로 대표되는 반도체 장치의 고속화·고집적화, 액정 텔레비전이나 플라스마 디스플레이로 대표되는 화상 표시 장치의 고휘도화, 또한 발광 다이오드(LED)로 대표되는 광 디바이스의 출력이 커짐에 따라, 이들 전자 기기의 구성 부품으로부터 발생하는 열량이 증대되고 있다. 전자 기기 내에서의 부품의 발열은, 장치의 오작동이나 고장의 원인이 되므로, 종래부터 열 대책이 중요한 기술로 인식되고 있다.

이들 분야에서는, 금속 재료 중에서도 열전도율이 높은 구리나 알루미늄을 섀시(기본틀)나 방열판으로서 이용함으로써, 발생한 열을 주위로 확산시킨다. 그러나, 금속 재료 중에서는 열 전도성이 양호한 구리도, 그 열전도율은 400W/(m·K) 정도이며, 게다가 밀도가 8.9(Mg/m³)로 상당히 무겁다는 결점이 있다.

따라서, 최근에는 이러한 금속 재료를 변경하여, 경량이며 열전도율이 높은 탄소 섬유를 사용하여, 금속 재료와 복합화시킨 복합 재료를 방열 부재로서 이용하는 제안도 있다.

예를 들면, 특개 2003-46038호(특허 문헌 1)에는, 탄소 섬유와 금속 재료의 복합 재료를 제조하기 위해서, 탄소 섬유에 니켈, 구리 등의 금속 도금을 행하고, 이어서 금속 재료의 용탕을 함침시켜서 용탕 단조하는 방법, 또는 금속 도금 후에 탄소 섬유를 핫 프레스에 의해 소결해서 고화 성형하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 핫 프레스에 의한 방법에서는, 탄소 섬유의 표면에 행해진 금속 도금은, 핫 프레스시의 완충 재료가 되며, 각 탄소 섬유 사이를 채우는 접합제로서의 역할을 한다.

이와 같이 탄소 섬유에 도금을 행하는 방법은, 탄소 섬유와 금속 재료를 복합화시키는 기술로서 효과적인 수단인 것으로 생각된다.

특허 문헌 1: 특개 2003-46038호 공보

[발명이 해결하려고 하는 과제]

상술한 특허 문헌 1에 개시된 방법은, 탄소 섬유와 금속 재료의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재를 제조하는 방법으로서 효과적이다.

하지만, 탄소 섬유의 열전도율은 500W/(m·K) 이상, 전형적으로는 800W/(m·K)∼1000W/(m·K) 정도이지만, 탄소 섬유보다 열전도율이 낮은 금속 재료와 복합 재료가 되면, 열전도율이 저하되므로, 복합 재료로 한 경우에도 열전도율의 저하를 억제할 수 있는 방열 부재가 요구되고 있다.

본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결하기 위하여, 탄소 섬유와 금속 재료의 복합 재료로 이루어진 높은 열전도율의 방열 부재와 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명자는, 탄소 섬유와 복합시킬 수 있는 금속 재료로서, 금속 중에서는 열전도율이 높은 동시에 가격이 저렴한 구리에 착안하여, 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재에서의 구리 부분의 조직 형태와 방열 부재의 열전도율 사이에 밀접한 관계가 있음을 발견함으로써, 본 발명에 도달하게 되었다.

즉, 본 발명은, 실질적으로 일 방향으로 정렬된 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재로서, 상기 방열 부재 중의 상기 구리의 금속 조직이 재결정 조직인 방열 부재이다.

본 발명에 있어서, 상기 재결정 조직의 평균 결정 입경이 0.1㎛∼20㎛인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 방열 부재중에서 차지하는 탄소 섬유 부분의 부피율 V_CF가 30%∼90%인 방열 부재이며, 바람직하게는, V_CF가 30%∼60%인 방열 부재이다. 또한, 본 발명은, 탄소 섬유 방향과 수직인 단면에 있어서, 임의의 50㎛² 시야 중에 적어도 1개 이상의 탄소 섬유가 존재하는 방열 부재이며, 또한 바람직하게는, 탄소 섬유 방향과 수직인 단면이 1mm² 이상의 크기인 방열 부재이다.

또한, 본 발명은, 방열 부재의 밀도 ρ(Mg/m³), 탄소 섬유의 밀도ρ_CF (Mg/m³), 탄소 섬유의 부피율 V_CF(%), 구리의 밀도 ρ_CU(Mg/m³), 구리의 겉보기 부피율 V_CU(%)=(100-V_CF)의 사이에, ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}≥0.9의 관계가 성립하는 방열 부재이다.

또한, 본 발명은, 상기 방열 부재의 제조 방법으로서, 직경 d_CF의 탄소 섬유의 표면에 (0.05∼0.60)×d_CF의 두께의 구리 도금을 행한 후, 상기 구리 도금 후의 탄소 섬유를 실질적으로 일 방향으로 정렬시킨 상태에서, 최고 도달 온도 600℃∼1050℃, 최고 압력 5Mpa∼100MPa, 최고 도달 온도 ±5℃에 있어서의 온도 유지 시간 0.1ks∼1.8ks의 조건으로 방전 플라즈마 소결함으로써, 구리의 금속 조직을 재결정화시키는 방열 부재의 제조 방법이다.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 방열 부재의 열전도율을 현저하게 향상시킬 수 있으므로, 각종 반도체 장치나 화상 표시 장치, 광 디바이스 등, 열 대책이 필요한 장치에 필수적인 기술을 제공할 수 있다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

상기한 바와 같이, 본 발명의 중요한 특징은, 실질적으로 일 방향으로 정렬된 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재에 있어서, 높은 열전도율을 얻기 위해, 방열 부재 중에서의 구리 부분의 금속 조직을 재결정 조직으로 한 것이다. 이는, 구리의 재결정 조직이 방열 부재에서의 구리 부분의 열전도율, 나아가서는 방열 부재의 열전도율을 높이기 위해서 필요한 조직이기 때문이다.

전술한 바와 같이, 구리의 열전도율은 약 400(W/(m·K))으로 알려져 있지만, 구리 결정 중에 소성 가공에 의해 생기는 전위나 구멍 등의 격자 결함이 존재할 경우에는, 이들 격자 결함이 열의 전도를 방해하기 때문에, 열전도율은 400(W/(m·K))보다 낮아진다. 따라서, 구리가 원래 가지는 약 400(W/(m·K))의 열전도율을 발현시키고, 나아가서는 방열 부재의 열전도율을 높이기 위해서는, 방열 부재에서의 구리 부분을, 격자 결함이 없는 재결정 조직으로 할 필요가 있다.

이렇게 함으로써, 복합 재료의 모재(기지)인 구리의 열전도율이 크게 개선되고, 높은 열전도율을 가지는 방열 부재로 할 수 있다.

그리고, 본 발명의 재결정 조직은, 재결정이 완전히 종료된 조직으로 관찰되는 금속 조직을 의미하며, 재결정이 완전히 종료되지 않고, 미재결정부가 잔존하는 조직에서 관찰되는 금속 조직은 포함하지 않는다. 그 이유는, 미재결정부에는 상술한 격자 결함이 잔존하여, 열전도율을 저하시키기 때문이다.

또한, 본 발명에서는, 방열 부재를 구성하는 구리의 종류를 특별히 규정하지 않지만, 높은 열전도율의 방열 부재를 얻기 위해서는, 순도 99질량% 이상의 순수 구리인 것이 바람직하다. 그 이유는, 구리에 1질량%를 초과하는 합금 원소가 포함되어 있으면, 열전도율이 현저하게 저하되기 때문이다. 구리의 순도가 3N(99.9질량%) 이상인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 여기에서 설명하는 구리의 순도는, 방열 부재의 단면을 거울면 연마한 후, 구리 부분을 주사 전자 현미경에 부착된 에너지 분산형 X선 분석 장치, 또는 일렉트론 프로브 마이크로 분석기에 부착된 파장 분산형 X선 분석 장치에 의해 분석했을 때의 구리의 농도(질량%)를 의미한다.

바람직한 범위로서, 구리 부분의 평균 결정 입경을 규정한 이유를 설명한다.

평균 결정 입경의 하한을 O.1㎛로 한 것은, 재결정 조직인 모재(구리 부분)에 존재하는 결정 입계의 양을 줄여서 열을 쉽게 전달하기 위해서이다. 결정 입계는 열 전도에 방해가 되므로, 재결정 조직 내에 다량의 결정 입계가 존재할 경우에는 방열 부재의 열전도율이 저하되는 경우가 있다. 재결정 조직의 평균 결정 입경을 O.1㎛ 이상으로 함으로써, 방열 부재에 있어서의 모재(구리 부분)를 구리 본래인 약 400W/(m·K)의 열전도율로 확실히 할 수 있으므로, 바람직한 하한으로서 규정하였다.

한편, 방열 부재에 있어서의 탄소 섬유의 부피율을 높이면, 모재(구리 부분)의 부피율은 감소되고, 재결정 조직으로 한 모재의 결정 입자의 성장이 탄소 섬유에 의해 방해될 수 있다. 따라서, 재결정 조직의 평균 결정 입경의 상한은 탄소 섬유의 부피율에 많은 영향을 받으며, 후술하는 탄소 섬유의 바람직한 부피율을 고려하면, 재결정 입경의 바람직한 상한은 20㎛가 된다. 0.5㎛∼10㎛가 더욱 바람직하다.

이어서, 본 발명에 있어서 방열 부재 중에서 차지하는 탄소 섬유 부분의 부피율 V_CF를 30%∼90%로 한 것은, 30% 미만이면 열전도율을 향상시키는 효과가 작고, 반대로 90%를 초과하면, 탄소 섬유 사이를 채우는 접합제로서의 구리의 양이, 탄소 섬유에 비하여 현저하게 적기 때문에, 탄소 섬유와 구리를 균일하게 복합화한 방열 부재를 얻기 어려워지기 때문이다.

또한, 탄소 섬유를 가로지르는 방향(이하, 수직 방향으로 기재함)으로도 높은 열전도율이 요구될 경우나, 고온 환경이나 온도 사이클에 대한 방열 부재의 신뢰성이 요구될 경우, 또한 방열 부재의 기계적 강도가 요구될 경우에는, V_CF의 범위는 30%∼60%인 것이 더욱 바람직하다.

탄소 섬유의 비율이 커지면, 탄소 섬유 방향의 열전도율을 높일 수 있는 한편, 수직 방향의 열전도율은 저하된다. 또한, 구리와 탄소 섬유의 습윤성이 우수하지 못하므로, 인접한 탄소 섬유 사이에 존재하는 구리의 양이 적으면, 방열 부재를 사용 중에 고온 환경에 방치했을 때, 구리가 소성 유동해서 탄소 섬유의 주위에 공극이 발생하는 경우가 있으며, 방열 특성을 열화시킬 수 있다. 또한, 인접한 탄소 섬유 사이에 존재하는 구리의 양이 적으면, 강도가 약한 탄소 섬유와 구리의 계면이 다수 존재하게 되어, 방열 부재로서의 강도가 저하된다. 따라서, 방열 부재에 온도 사이클이 반복될 경우의 열 응력이 크면 크랙이 발생할 수 있다. 상기 이유로, 탄소 섬유는 30%∼60%의 범위인 것이 바람직하다.

그리고, 본 명세서에 기재된 탄소 섬유의 부피율은, 방열 부재의 탄소 섬유 방향으로 수직인 단면을 거울면 연마 후에 광학 현미경으로 관찰했을 때, 시야 중에 차지하는 탄소 섬유의 면적비와 실질적으로 동일하므로, 단면으로부터 평가할 수 있다.

보다 구체적으로는, 방열 부재의 단면을 광학 현미경으로 관찰하면, 구리 부분은 희게 보이는 한편, 탄소 섬유 부분은 검게 보인다. 이 광학 현미경의 관찰 화상을 흑백으로 2개로 구분하고, 화상 중에서 차지하는 검은 부분의 면적 비율을 구함으로써, 시야 중에 차지하는 탄소 섬유의 면적비를 측정할 수 있다. 단, 탄소 섬유와 구리의 계면에 약간 존재하는 공극도, 광학 현미경 화상에서는 검게 보이므로, 이 측정 방법에 의해 얻어지는 탄소 섬유의 면적비의 값은, 실제 면적비보다 크다. 그러나, 본 발명의 방열 부재에서는, 공극 부분의 면적은, 탄소 섬유나 구리 부분의 면적에 비하여 지극히 적으므로, 공극 부분을 무시하고 탄소 섬유의 면적비를 측정해도 상관없다.

또한, 본 발명에서는 방열 부재를 구성하는 탄소 섬유의 종류(PAN계, 피치계)나 형상, 크기(직경, 길이)를 특별히 규정하지 않지만, 높은 열전도율의 방열 부재를 얻는 위해서는 그래파이트 구조를 가지는, 직경 5㎛∼20㎛ 범위의 탄소 섬유가 바람직하다. 또한, 탄소 섬유 방향과 수직인 단면에 있어서, 균일한 구조의 단면을 얻기 위해서는 직경이 1종류인 탄소 섬유를 이용하는 것이 바람직하지만, 탄소 섬유를 치밀하게 충전해서 방열 부재에서의 탄소 섬유의 부피율을 더욱 향상시키고자 할 경우에는, 5㎛∼20㎛의 범위에서 직경이 2종류인 탄소 섬유를 병용할 수도 있다. 또한, 후술하는 방열 부재의 제조 방법에 있어서, 탄소 섬유에 구리 도금을 행한 후, 실질적으로 일 방향으로 정렬시키기 위해서는, 탄소 섬유는, 적어도 1OOmm 이상의 길이를 가지는 장섬유인 것이 바람직하다.

이어서, 바람직한 범위로서, 방열 부재중의 탄소 섬유 방향과 수직인 단면에 있어서, 임의의 50㎛² 시야 중에 적어도 1개 이상의 탄소 섬유가 존재하는 이유는, 방열 부재 중의 탄소 섬유는, 가능한 한 균일하게 분포되어 있는 것이 바람직하기 때문이다. 탄소 섬유의 분포가 불균일하면, 탄소 섬유가 조밀한 부분은 신속하게 방열되는 반면, 탄소 섬유가 허술하게 존재하는 부분은 방열이 늦고, 결과적으로 열전도율이 저하될 우려가 있기 때문이다. 임의의 50㎛² 시야 중에 적어도 1개 이상의 탄소 섬유가 존재하면, 탄소 섬유의 분포는, 거의 균일한 것으로 생각해도 된다. 임의의 50㎛² 시야 중에 5개 이상의 탄소 섬유가 존재하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 바람직한 범위로서, 방열 부재 중의 탄소 섬유 방향과 수직인 단면을 1mm² 이상의 크기로 규정한 이유는, 이러한 크기가, 전자 기기 내에 이용할 수 있는 방열 부재로서 바람직한 크기이기 때문이다. 예를 들면, 출력이 큰 발광 다이오드(LED)의 칩(이하, LED 칩)을 수지로 밀봉한 발광 패키지 속에 본 발명의 방열 부재를 이용할 경우, 방열 부재에 있어서의 탄소 섬유 방향과 수직인 단면을 LED 칩의 바닥면과 접촉시킴에 따라, LED 칩에서 발생한 열을 발광 패키지의 내부에서 외부를 향해서 수송하게 된다. 효율적인 열을 수송하기 위해서는, 방열 부재의 접촉면의 면적은, LED 칩의 바닥면보다 큰 것이 바람직하다. 출력이 큰 LED 칩에 있어서의 바닥면의 크기는 1mm² 정도이므로, 바람직한 범위로서, 방열 부재 중의 탄소 섬유 방향과 수직인 단면이 1mm² 이상인 것으로 했다. 1.5mm² 이상인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 바람직한 범위로서 방열 부재의 밀도 ρ(Mg/m³), 탄소 섬유의 밀도 ρ_CF(Mg/m³), 탄소 섬유의 부피율 V_CF(%), 구리의 밀도 ρ_CU(Mg/m³), 구리의 겉보기 부피율 V_CU(%)=(100-V_CF)의 사이에, ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}≥0.9의 관계가 성립하는 것으로 한 이유도, 높은 열전도율의 방열 부재를 얻기 위해서이다.

여기에 나타내는 {ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}의 값은, 방열 부재의 이론 밀도, 즉, 이상적인 밀도에 상당하므로, ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}의 값은 상대 밀도에 상당하고, 이 값이 1에 가까울수록, 공극이 적은 복합 재료가 된다. 방열 부재 중에 공극이 존재하면, 그 공극이 열의 전도를 방해하므로, 방열 부재의 열전도율이 저하된다. 그 폐해는, ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}의 값이 0.9 보다 작을 때에 특히 현저하므로, ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}≥0.9로 규정했다. ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}≥0.93이 더욱 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서는, 탄소 섬유와 구리를 복합화시키는 전처리 방법으로서, 탄소 섬유에 구리 도금을 행하는 방법을 적용한다. 그 가장 중요한 특징은, 탄소 섬유와 구리를 균질하게 복합화함으로써, 즉 도금 두께를 조정함으로써, 접합되는 탄소 섬유끼리의 간격을 거의 균등하게 할 수 있다는 것이다. 따라서, 방열 부재의 품질로서 중요한 면내의 방열 특성의 편차를 줄일 수 있다. 또한, 이 방법은, 경제성, 재현성의 관점에서도 공업적인 대량 생산에 적합하다.

또한, 본 발명에서는, 상술한 방열 부재를 얻기 위한 바람직한 제조 방법으로서, 구리 도금의 두께를 규정하고, 또한, 구리 도금 후의 탄소 섬유를 고화 성형하는 조건을 규정한다. 이하, 본 발명에 있어서의 제조 방법의 규정 이유를 설명한다.

탄소 섬유의 직경 d_CF에 대하여, 탄소 섬유의 표면에 행하는 구리 도금의 두께를 (0.05∼0.60)×d_CF로 규정한 것은, 높은 열전도율과, 완충 재료로서의 역할을 양립시키기 위하여 필요하기 때문이다. 그리고, 이 범위 이내이면, 구리 도금 후의 탄소 섬유를 고화 성형해서 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재를 제조했을 경우, 상기 부재 중에서의 탄소 섬유 부분의 부피율을 30%∼90%의 범위로 조정할 수도 있기 때문이다.

구리 도금의 두께가 0.05×d_CF 보다 얇으면, 완충 재료로서의 효과가 불충분하고, 반대로 0.60×d_CF 보다 두꺼울 경우에는, 방열 부재 중에서의 탄소 섬유 부분의 부피율이 30% 미만이 되어, 원하는 높은 열전도율이 얻기 어려워지므로 이러한 범위로 규정했다. (0.15∼0.60)×d_CF이면 더욱 양호하고, 이 범위로 하면, 방열 부재 중의 V_CF를, 보다 바람직한 범위인 30%∼60%의 범위로 조정할 수 있다.

이어서, 상기 구리 도금 후의 탄소 섬유를 실질적으로 일 방향으로 정렬한다. 이는, 방열 부재에서의 탄소 섬유 방향의 열전도율을 높이기 위해서이다.

일 방향으로 정렬하는 방법으로서는, 예를 들면 일정한 길이로 가지런히 잘라서 동일 방향으로 정렬시키는 방법을 들 수 있고, 이 이외에도, 도금 후의 탄소 섬유를 구부려서 일정한 길이로 일치시키는 방법 등으로, 실질적으로 일 방향으로 정렬할 수 있다.

그리고, 실질적으로 일 방향으로 정렬시킨 상태에서 방전 플라즈마 소결을 적용하고, 구리 도금 후의 탄소 섬유를 고화 성형한다.

이러한 방전 플라즈마 소결법은 핫 프레스와 유사하지만, 소결의 초기 단계에 발생하는 방전 플라즈마와 방전 충격 압력에 의해 확산이 촉진되므로, 핫 프레스에 비하여 단시간에 소결을 완료시킬 수 있다. 여기에서 중요한 것은, 방열 부재에 있어서 높은 열전도율을 얻는 위해서는, 고밀도를 얻는 것만으로는 충분하지 않고, 구리 부분이 재결정 조직이 되도록 방전 플라즈마 소결의 조건을 조정하는 것이다.

본 발명에 있어서 방전 플라즈마 소결시의 최고 도달 온도를 규정한 것은, 방열 부재 중의 구리 부분을 재결정 조직으로 하는 동시에, ρ/(ρ_CF×V_CF+ρ_CU×V_CU)의 값을 높이기 위해서이다. 최고 도달 온도가 600℃ 미만에서는 구리 부분의 재결정과 소결이 진행되지 않고, 본 발명에서 규정하는 조직이나 밀도의 방열 부재를 얻기 어렵다. 반대로, 최고 도달 온도가 1050℃를 초과하는 범위에서는, 구리의 융점(1080℃) 바로 아래이기 때문에, 약간의 온도 변동에 의해도 구리가 용융할 우려가 있다. 이상으로부터, 최고 도달 온도를 600℃∼1050℃의 범위로 규정했다. 방전 플라즈마 소결시의 보다 바람직한 최고 도달 온도는 700℃∼100O℃이다.

방전 플라즈마 소결시의 최고 압력을 5MPa∼100MPa로 한 것은, 최고 압력이 5MPa 미만에서는 구리 부분의 재결정을 일으키기에 충분한 소성 변형을 행할 수 없으며, 또한, ρ/(ρ_CF×V_CF+ρ_CU×V_CU)의 값을 높이기에도 불충분하기 때문이다. 반대로 100MPa를 초과하는 범위에서는, 특히 대형의 부재를 제조할 경우에 큰 압축 하중이 필요하게 되어 공업적이지 않기 때문에, 전술한 범위로 규정했다. 보다 바람직한 압력의 범위는, 10MPa∼80MPa이다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서는 특히 규정하지는 않지만, 소결의 초기 과정에서 방전 플라즈마를 쉽게 발생시키기 위해서는, 가열 전에 미리 초기 압력을 가해 두는 것이 바람직하다. 이 초기 압력의 크기는, 2MPa∼15MPa의 범위인 것이 바람직하다. 그리고, 초기 압력으로부터 최고 압력까지 압력을 향상시킬 때의 온도는, 500℃∼800℃의 범위인 것이 바람직하다.

방전 플라즈마 소결시의 최고 도달 온도 ±5℃에 있어서의 온도 유지 시간을 0.1ks∼1.8ks로 한 것은, 방열 부재에 있어서의 구리 부분의 재결정과 결정 입자 성장을 촉진시키기에 필요한 시간이기 때문이다. 예를 들면, 0.1ks 보다 짧은 0.06ks 정도의 유지 시간일지라도, 고밀도를 얻을 수는 있다. 그러나, 이렇게 짧은 시간 동안 유지하면, 구리 부분의 재결정과 결정 입자 성장이 불충분하므로, 결과적으로 높은 열전도율을 얻기 어렵다. 따라서, 유지 시간의 하한을 0.1ks로 규정했다. 반대로, 1.8ks를 초과하는 범위에서는 시간이 오래 소요되어 공업적이지 않으므로, 유지 시간의 상한을 1.8ks로 규정했다. 보다 바람직한 유지 시간의 범위는, 0.2ks∼1.2ks이다.

한편, 본 발명의 제조 방법에서는 특히 규정하지는 않지만, 방전 플라즈마 소결 과정에 있어서 소결에 방해가 되는 구리의 산화를 방지하기 위해서, 방전 플라즈마 소결의 진공도는, 1OOPa보다 높은 진공인 것이 바람직하다. 50Pa보다 높은 진공인 것이 더욱 바람직하다.

도 1은 본 발명에서 이용한 탄소 섬유의 표면을 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 제조 방법에 있어서의 구리 도금 후의 탄소 섬유의 표면을 나타내는 주사 전자 현미경 사진이다.

도 3은 본 발명의 제조 방법에 있어서의 구리 도금 후의 탄소 섬유의 단면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.

도 4는 본 발명의 방열 부재에 있어서의 탄소 섬유에 수직인 방향의 단면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 방열 부재에 있어서의 구리 부분의 조직을 나타내는 광학 현미경 사진이다.

도 6은 비교예의 방열 부재에 있어서의 구리 부분의 조직을 나타내는 광학 현미경 사진이다.

도 7은 본 발명의 방열 부재의 열전도율에 미치는 탄소 섬유의 부피율의 영향을 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 방열 부재의 열전도율에 미치는 방치 온도의 영향을 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명의 방열 부재에 있어서의 고온 방치 시험 후의 조직을 나타내는 주사 전자 현미경 사진의 예이다.

도 10은 본 발명의 방열 부재에 있어서의 고온 방치 시험 후의 조직을 나타내는 주사형 전자 현미경 사진의 다른 예이다.

도 11은 본 발명의 방열 부재에 있어서의 굴곡 시험시의 하중-변위 곡선이다.

도 12는 본 발명의 방열 부재에 있어서의 온도 사이클 시험 후의 조직을 나타내는 광학 현미경 사진의 예이다.

도 13은 본 발명의 방열 부재에 있어서의 온도 사이클 시험 후의 조직을 나타내는 주사형 전자 현미경 사진의 예이다.

- 부호의 설명 -

1. 탄소 섬유 2. 구리 도금 3. 구리

실시예 1

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상술한다.

본 실시예에서는, 열전도성이 높은 탄소 섬유로서, 피치계의 탄소 섬유를 이용했다. 한편, 본 실시예에서는 직경이 1종류인 탄소 섬유를 이용했다. 탄소 섬유의 직경 d_CF는, 도 1의 주사 전자 현미경 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이 10㎛이다. 이 탄소 섬유는, 길이가 약 270m인 장섬유를 약 2000개 묶을 수 있으며, 보빈(bobbin)상으로 감긴 상태로 시판되고 있다.

이 탄소 섬유의 열전도율은 공칭 800(W/(m·K)), 밀도 ρ_CF는 2.2(Mg/m³)이다. 또한, 탄소 섬유의 구조를 X선 회절에 의해 확인한 결과, 그래파이트 구조였다.

이 탄소 섬유를 500mm 단위로 절단한 후, 0.8㎛(=0.08×d_CF)∼5.0㎛(=0.50×d_CF)의 범위에서, 목적 두께를 변화시킨 6종류 두께의 무전해 구리 도금을 행하였다. 이들 도금 두께는, 모두 본 발명의 제조 방법의 규정 범위 이내이다.

일례로서, 5㎛ 두께의 구리 도금을 행한 후의 표면의 주사 전자 현미경 사진을 도 2에 나타낸다. 도금 후의 표면 형태는, 도금 전(도 1)과 명확히 상이하며, 구리의 미립자가 탄소 섬유의 표면에 퇴적된 형태로 되어 있다. 또한, 구리 도금 후의 탄소 섬유를 수지에 매립하고, 광학 현미경을 이용해서 관찰한 단면의 사진을 도 3에 나타낸다. 탄소 섬유(1)의 표면에, 거의 균일한 두께의 구리 도금(2)이 행해져 있음을 알 수 있다.

목적 두께를 변화시킨 6종류 두께의 구리 도금 후의 탄소 섬유를 20mm, 또는 40mm 단위로 절단한 후, 실질적으로 일 방향으로 정렬시킨 상태에서 흑연형에 가득 채우고, 방전 플라즈마 소결기의 쳄버 내에서 약 1OPa까지 진공 상태로 했다.

그리고, 초기 압력으로서 12.5MPa의 압축 방향의 압력을 가한 후, 승온과 승압을 행하고, 표 1에 나타내는 7종류의 방법에 의해, 5mm×20mm×20mm, 또는 5mm×40mm×40mm 크기의 방열 부재 A∼G를 제조했다. 이중, A∼F는, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 방열 부재이다. 여기에서, 유지 시간은 최고 도달 온도 ±5℃ 범위의 유지 시간이다.

방열 부재 A는, 구리 도금의 목적 두께를 0.8㎛로 하고, 방전 플라즈마 소결시의 최고 도달 온도 900℃, 최고 압력 50MPa, 유지 0.90ks의 조건으로 제조한 것이다. 또한, 방열 부재 B∼F는, 각각 구리 도금의 목적 두께를 1.0㎛(B), 2.5㎛(C), 3.0㎛(D), 4.0㎛(E), 5.0㎛(F)로 하고, A와 동일한 조건으로 방전 플라즈마 소결을 행한 것이다.

한편, 방열 부재 G는 비교예의 방법에 의해 제조한 것이다. 5.0㎛ 두께의 구리 도금을 행한 후의 방전 플라즈마 소결시에 있어서, 최고 도달 온도 900℃와 최고 압력 50MPa는 A∼F와 동일하지만, 방열 부재 G는, 900℃에서의 유지 시간이 0.06ks로 짧아서, 본 발명의 제조 방법의 규정 범위가 아니다.

[표 1]

각 방열 부재로부터 5mm×5mm×5mm의 시료를 잘라내고, 탄소 섬유에 수직인 방향의 단면을 관찰할 수 있도록 수지에 매립한 후, 거울면 연마하고, 부식시키지 않은 상태로 광학 현미경으로 관찰했다. 본 발명의 방열 부재의 일례로서, 방열 부재 F의 단면의 광학 현미경 사진을 도 4에 나타낸다. 도 4의 화상을 흑백으로 2개로 구분하여, 화상 중에 차지하는 검은 부분의 면적비를 측정함으로써, 시야 중에 차지하는 탄소 섬유(1) 부분의 면적비를 측정했다. 면적비는 34.0%였다. 이 면적비는, 방열 부재 중에 차지하는 탄소 섬유 부분의 부피율 V_CF와 동일하며, 기타 방열 부재 A∼E 및 G도 동일한 방법에 의해 V_CF를 측정했다. 또한, 각 방열 부재에 있어서의 구리 부분을, 일렉트론 프로브 마이크로 분석기에 부착된 파장 분산형 분석 장치에 의해 분석한 결과, 구리 이외의 불순물은 전혀 검출되지 않았고, 모두 구리의 순도가 100%인 것을 확인했다.

도 4의 사진을 촬영한 방열 부재 F의 구리(3)의 부분을, 질산 1 : 황산 1 : 물 184의 비율로 혼합한 용액으로 부식시켜서 조직을 확인한 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이 구리(3) 부분은, 재결정 조직으로 구성되어 있었으며, 본 발명에서 규정하는 방열 부재인 것이 확인되었다. 도 5를 화상 해석함으로써, 구리 부분의 평균 결정 입경을 측정한 결과, 9.1㎛였다.

한편, 방열 부재 A∼E에 있어서도 마찬가지로, 구리 부분은 재결정 조직으로 구성되어 있었으며, 본 발명의 방열 부재로 확인되었다. 한편, 비교예의 방열 부재 G에 있어서의 구리 부분의 조직은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 재결정이 미완료이기 때문에, 재결정 조직이 명확하게 관찰되지 않는다.

본 발명의 방열 부재 A∼F와 비교예의 방열 부재 F에 있어서의 재결정 조직의 유무, 재결정 조직의 평균 결정 입경(㎛), 탄소 섬유의 부피율 V_CF(%), 임의의 50㎛² 시야 중에 존재하는 탄소 섬유의 개수를 표 2에 나타낸다. 재결정 조직의 평균 결정 입경은, 1.1㎛∼9.1㎛, V_CF는 77.0%∼34.0%로 모두 본 발명의 바람직한 범위 이내에 있다. 또한, V_CF 값이 높아질수록, 재결정 조직의 평균 결정 입경은 작아짐을 알 수 있다.

또한, 탄소 섬유 방향과 수직인 단면을 5mm² 크기로 한 방열 부재에 있어서, 임의의 50㎛² 시야 중에 존재하는 탄소 섬유의 개수는, V_CF 값과 함께 증가하고, V_CF 값이 34.0%인 방열 부재 F에서는 6개, V_CF 값이 77.0%인 방열 부재 A에서는 13개 존 재하고 있었다. 이와 같이, 본 발명의 방열 부재에서는, 바람직한 범위로 한 1mm² 이상의 크기의 단면에 있어서, 임의의 50㎛² 시야 중에 적어도 1개 이상, 또한 바람직한 범위인 5개 이상의 탄소 섬유가 존재하고 있으므로, 방열 부재 중의 탄소 섬유의 분포는, 거의 균일한 것으로 생각할 수 있다.

또한, 각 방열 부재의 잔부의 중량과 치수 측정으로부터, 밀도 ρ(Mg/m³)를 결정했다. 각 방열 부재의 밀도 ρ(Mg/m³)와 상대 밀도 ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}의 값을 표 2에 아울러 나타냈다. 한편, ρ_CF=2.2, ρ_CU=8.9로 하여 계산한다. 각 방열 부재의 밀도는, V_CF 값의 증가에 따라 작아지고, V_CF 값이 34.0%인 방열 부재 F에서는 6.63(Mg/m³), V_CF 값이 77.0%인 방열 부재 A에서는 3.50(Mg/m³)였다. 또한, 각 방열 부재의 상대 밀도는, 모두 바람직한 범위인 0.90 이상의 값이었다.

또한, 각 방열 부재로부터 5mm×10mm×5mm 정도의 시료를 2개씩 잘라내고, 이 2개를 접착제로 부착하여 10mm×10mm×5mm로 했다. 여기에서, 탄소 섬유 방향의 길이가 5mm가 되도록 했다. 레이저 플래시법에 의해, 각 방열 부재의 탄소 섬유 방향의 열전도율(W/(m·K))을 측정한 결과를 표 2에 아울러 나타내었다.

[표 2]

방열 부재	구리의 금속 조직	평균 결정 입경 (㎛)	탄소 섬유의 부피율 V_CF(%)	임의의 50㎛² 시야 중에 존재하는 탄소 섬유의 개수	단면의 크기	밀도 ρ (Mg/m³)	상대 밀도	탄소 섬유 방향의 열전도율 λ (W/(m·K))	비고
A	재결정	1.1	77.0	13	5mm²	3.50	0.94	675	본발명
B	재결정	1.5	73.2	13	5mm²	4.00	0.98	726	본발명
C	재결정	3.6	49.2	8	5mm²	5.35	0.95	644	본발명
D	재결정	4.2	45.2	7	5mm²	5.90	1.00	704	본발명
E	재결정	8.5	37.6	6	5mm²	5.96	0.93	593	본발명
F	재결정	9.1	34.0	6	5mm²	6.63	1.00	570	본발명
G	미재결정		33.2	6	5mm²	6.65	1.00	508	비교예

표 2로부터, 구리 부분을 재결정 조직으로 하고, 또한 재결정 조직의 평균 결정 입경, V_CF 값, 임의의 50㎛² 시야 중에 존재하는 탄소 섬유의 개수, 상대 밀도 ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}의 값을 본 발명의 바람직한 범위로 조정한 방열 부재 A∼F의 탄소 섬유 방향의 열전도율은, 570W/(m·K)∼726W/(m·K)으로서 높은 값을 나타내고 있다.

한편, 비교예의 방열 부재 G에서는, V_CF 값, 임의의 50㎛² 시야 중에 존재하는 탄소 섬유의 개수, 상대 밀도의 값은, 모두 본 발명의 방열 부재 F와 거의 동일하지만, 구리 부분의 재결정이 완료되지 않았으므로, 열전도율은 508W/(m·K)로서 방열 부재 F보다 낮다.

이상의 실시예 1로부터, 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재에 있어서, 높은 열전도율을 얻는 위해서는, 탄소 섬유의 부피율이나 방열 부 재의 밀도를 조정하는 것만으로는 불충분하고, 구리 부분을 본 발명에서 규정하는 재결정 조직으로 함으로써, 더욱 높은 열전도율을 가지는 방열 부재가 얻어지는 것을 알 수 있다.

이러한 방열 부재를 얻기 위해서는, 본 발명에서 규정하는 방법에 의해 방열 부재를 제조하는 것이 효과적이다. 본 발명의 방열 부재는, 구리의 400W/(m·K)를 초과하는 높은 열전도율을 가지므로, 반도체 장치나 화상 표시 장치, 광 디바이스 등의 전자 기기의 열 대책에 이용할 수 있는 방열 부재로서 바람직하다.

실시예 2

실시예 1에서 얻은 본 발명의 방열 부재에 대하여, 레이저 플래시법에 의해, 각 방열 부재의 수직 방향의 열전도율(W/(m·K))을 측정했다. 실시예 1에서 얻어진 탄소 섬유 방향의 열전도율을 포함시키고, 열전도율과 탄소 섬유의 부피율 V_CF의 관계를, 도 7에 나타낸다. 도 7에는, 비교를 위해서 순수 구리의 열전도율을 V_CF=0으로 기재되어 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, V_CF의 증가에 따라서 탄소 섬유 방향의 열전도율은 증가하지만, 탄소 섬유를 가로지르는 수직 방향의 열전도율의 저하가 현저하다. V_CF의 범위를, 본 발명의 더욱 바람직한 범위인 30%∼60%로 조정하면, 수직 방향에서도 80W/(m·K)∼200W/(m·K)의 열전도율이 얻어짐을 알 수 있다.

또한, 방열 부재 A, C, D의 신뢰성 평가를 위하여, 진공 중에서 고온 방치 후의 탄소 섬유 방향의 열전도율을 측정한 결과를 도 8에 나타낸다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 방치 온도가 높아지면, 모든 방열 부재에서 열전도율이 저하되지만, V_CF가 77.0%로서 탄소 섬유의 부피율이 큰 방열 부재 A에서는, 800℃에서 24h 방치하면, 열전도율의 저하가 특히 큰 것으로 확인되었다. 이러한 고온 방치 후의 방열 부재 A에 대해서, 조직 관찰을 행한 결과를 도 10에 나타낸다. 시험 전에는 관찰되지 않은 공극이 조직 중에 확인되어서, 고온에서의 구리의 소성 유동이 일어난 것으로 추측된다. 이는, 탄소 섬유와 구리의 습윤성이 나쁘기 때문이며, 탄소 섬유 사이에 존재하는 구리의 양이 적기 때문에 일어난 현상으로 고려된다. 한편, V_CF가 46.1%인 방열 부재 D를 800℃에서 24h 방치 후의 조직을 동일한 방법으로 관찰하면, 도 9에 나타낸 바와 같이 현저한 조직 변화는 확인되지 않았다. 이와 같이, 고온 방치에 대한 신뢰성의 면에서도, V_CF의 범위는, 30%∼60%의 범위로 조정하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 방열 부재 A와 D로부터, 5mm×5mm×40mm의 시험편을 잘라내고, 스팬 30mm, 변위 속도 0.5mm/분의 조건으로 3점 굴곡 시험을 행하여 하중-변위 곡선을 측정한 결과를 도 11에 나타낸다. 도면 중에 섬유 방향이라 기재된 것은, 시험편의 40mm의 방향이 탄소 섬유 방향이 되도록 잘라낸 시험편이며, 한편, 수직 방향이라 기재된 것은, 40mm의 방향이 탄소 섬유에 대하여 수직 방향이 되도록 잘라낸 시험편이다. 모든 방열 부재에 있어서, 수직 방향의 강도는, 섬유 방향에 비하여 낮지만, V_CF가 77.0%로서 탄소 섬유의 부피율이 큰 방열 부재 A에서는, 굴곡 하중의 저하가 특히 큰 것을 알 수 있다. 이는, 방열 부재 A에서는, 강도가 약한 탄소 섬유와 구리의 계면이 다수 존재하기 때문인 것으로 생각된다. 도 11에 나타내는 각 하중-변위 곡선의 최대 하중 값과 시험편의 치수로부터, 다음 식(1)을 이용해서 각 방열 부재의 굴곡력 σ(MPa)을 결정한 결과를 표 3에 나타낸다.

σ=(3×W×L)/인×b×t²) … (1)

(1) 식에서, W는 최대 하중(N), L은 스팬(=30mm), b는 시험편의 폭(=5mm), t는 시험편의 두께(=5mm)이다.

[표 3]

이들 방열 부재 A와 D에 대하여, (실온×10분)→(-40℃×10분)→(실온×10분)→(125℃×10분)을 1사이클로 하여, 200사이클까지 온도 사이클 시험을 행했다. 온도 사이클 시험 후의 방열 부재 A와 D의 조직을, 각각 도 12와 도 13에 나타낸다. V_CF가 77.0%로서 큰 방열 부재 A에서는, 시험 후에 크랙이 발생했지만(도 12), V_CF가 46.1%인 방열 부재 D에는 크랙이 관찰되지 않았다(도 13). 이와 같이, 기계적 강도나 온도 사이클 시험에 대한 신뢰성 면에서도, V_CF의 범위를 30%∼60%의 범위에 조정하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 실시예 2로부터, 탄소 섬유를 가로지르는 수직 방향으로도 높은 열전도율이 요구될 경우나, 고온 환경이나 온도 사이클에 대한 방열 부재의 신뢰성이 요 구될 경우, 또한 방열 부재의 기계적 강도가 요구될 경우에는, V_CF의 범위는 30%∼60%인 것이 더욱 바람직한 것을 알 수 있다.

Claims

실질적으로 일 방향으로 정렬된 탄소 섬유와 구리의 복합 재료로 이루어지는 방열 부재로서, 상기 방열 부재 중의 상기 구리의 금속 조직이 재결정 조직인 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항에 있어서,

상기 재결정 조직의 평균 결정 입경이 0.1㎛∼20㎛인 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 방열 부재 중에서 차지하는 상기 탄소 섬유 부분의 부피율 V_CF가 30%∼90%인 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방열 부재 중에서 차지하는 상기 탄소 섬유 부분의 부피율 V_CF가 30%∼60%인 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탄소 섬유의 방향과 수직인 단면에 있어서, 임의의 50㎛² 시야 중에 하나 이상의 탄소 섬유가 존재하는 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탄소 섬유 방향과 수직인 단면이 1mm² 이상의 크기인 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방열 부재의 밀도 ρ(Mg/m³), 상기 탄소 섬유의 밀도 ρ_CF(Mg/m³), 상기 탄소 섬유의 부피율 V_CF(%), 상기 구리의 밀도 ρ_CU(Mg/m³), 상기 구리의 겉보기 부피율 V_CU(%)=(100-V_CF)에 있어서, ρ/{ρ_CF×(V_CF/100)+ρ_CU×(V_CU/100)}≥0.9의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 방열 부재.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방열 부재의 제조 방법으로서,

직경 d_CF의 탄소 섬유의 표면에 (0.05∼0.60)×d_CF 두께의 구리 도금을 행한 후, 상기 구리 도금 후의 상기 탄소 섬유를 실질적으로 일 방향으로 정렬한 상태에서, 최고 도달 온도 600℃∼1050℃, 최고 압력 5Mpa∼100MPa, 최고 도달 온도 ±5 ℃에 있어서의 온도 유지 시간 0.1ks∼1.8ks의 조건으로 방전 플라즈마 소결하면서, 상기 구리의 금속 조직을 재결정화시키는 것을 특징으로 하는 방열 부재의 제조 방법.