KR101696945B1

KR101696945B1 - 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판, 그것을 이용한 방열 부품 및 ｌｅｄ 발광 부재

Info

Publication number: KR101696945B1
Application number: KR1020117020362A
Authority: KR
Inventors: 히데키 히로츠루; 사토시 히구마; 신야 나리타; 요시히코 츠지무라
Original assignee: 덴카 주식회사
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2017-01-16
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: KR20110117694A; TWI464114B; EP2397455A4; US20110316038A1; EP2397455A1; US8883564B2; WO2010092923A1; EP2397455B1; CN102317236B; JP5679557B2; TW201105577A; CN102317236A; JPWO2010092923A1

Abstract

알루미늄-흑연 복합체의 표면 거칠기(Ra)가 0.1~3㎛, 온도 25℃의 열전도율이 150~300W/mK, 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3, 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 4×10^-6~7.5×10^-6/K, 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3, 또한 3점 휨 강도가 50~150MPa인 알루미늄-흑연 복합체를 멀티 와이어 소를 이용하여 하기 (1)~(4)의 조건：(1) 접합하는 지립이 다이아몬드, C-BN, 탄화규소, 알루미나로부터 선택되는 1종 이상으로 평균 입자 지름이 10~100㎛, (2) 와이어 선 지름이 0.1~0.3㎜, (3) 와이어 이송 속도가 100~700m/분, (4) 절삭 속도가 0.1~2㎜/분 하에 두께 0.5~3㎜의 판 모양으로 가공하는 기판의 제조 방법.

Description

알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판, 그것을 이용한 방열 부품 및 ＬＥＤ 발광 부재{SUBSTRATE COMPRISING ALUMINUM/GRAPHITE COMPOSITE, HEAT DISSIPATION PART COMPRISING SAME, AND LED LUMINESCENT MEMBER}

본 발명은 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판, 그것을 이용한 방열 부품 및 LED 발광 부재에 관한 것이다.

최근 경량화, 박형화 및 전력 절약화가 가능한 조명, 발광 수단으로서 발광 다이오드(이하 LED라고 함)가 주목받고 있다. LED 소자는 반도체의 pn 접합에 순(順)방향 전류를 흘리면 발광하는 소자이며, GaAs, GaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 이용해 제조된다. 반도체의 에피택셜 성장 기술과 발광 소자 프로세스 기술의 진보에 의해, 변환 효율이 뛰어난 LED가 개발되어 여러 가지 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.

LED 소자는 단결정 성장 기판 상에 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 에피택셜 성장시킨 p형층과 n형층 및 양자에 끼워지는 광활성층으로 구성된다. 일반적으로는 단결정 사파이어 등의 성장 기판 상에 GaN 등의 Ⅲ-V족 반도체 결정을 에피택셜 성장시킨 후 전극 등을 형성해 LED 발광 소자를 형성한다(특허문헌 1).

최근 LED 소자의 발광 효율의 개선이 급속히 진행되어 LED의 고휘도화에 수반해 발열량이 증가하고 있다. 이 때문에, 충분한 방열 대책을 세우지 않으면 LED의 신뢰성이 저하된다. 구체적으로는 LED 소자 온도의 상승에 수반해 휘도의 저하 및 소자 수명의 저하라는 문제가 발생한다. 따라서, LED 패키지의 방열성을 높이기 위해서 LED를 실장하는 기판 부분에 구리나 알루미늄 등의 열전도율이 높은 금속 재료가 이용되고 있다. 기판만으로는 방열이 불충분한 경우에는 방열 대책으로서 추가로 금속제의 히트 싱크가 이용되는 경우가 있다.

LED 소자의 조명 용도로의 응용을 위해 LED의 고출력화, 대형화가 더욱 진행되고 있다. 일반적으로 LED 소자는 기판에 납땜 등에 의해 접합되어 이용되지만, LED 소자와 기판 재료의 열팽창율이 상이하면 접합층에 응력이 발생해, 최악의 경우 LED 소자의 파괴 등이 일어나 신뢰성이 현저하게 저하되는 경우가 있다.

LED의 고출력화, 대형화에 수반되는 발열량의 증가에 대응하기 위해, 열전도율이 높고, 열팽창 계수가 작은 재료로서 세라믹스 입자와 금속 알루미늄을 복합화한 금속기(metal matrix) 복합 재료가 알려져 있다(특허문헌 2). 예를 들면, 알루미늄에 탄화규소를 복합화한 금속기 복합 재료는 특성면에서는 상기한 특성을 만족시키지만 난가공성 재료이며, LED용 기판으로서 이용하는 경우 고가가 된다는 과제가 있다. 이 때문에, 비교적 가공성이 뛰어난 금속기 복합 재료로서 알루미늄에 흑연을 복합화한 금속기 복합 재료가 검토되고 있다(특허문헌 3).

알루미늄과 흑연으로 이루어진 금속기 복합 재료는 당초 접동 부재로서 개발되었다. 특성을 향상시키기 위해 고온·고압 하에서 알루미늄 합금을 흑연 재료에 함침시켜 특성을 개선하는 검토가 이루어지고 있다(특허문헌 4).

일본 공개특허 2005-117006호 공보 일본 특허 제3468358호 일본 특허 제3673436호 일본 공개특허 평5-337630호 공보

알루미늄-흑연 복합체의 열전도 특성을 향상시키려면 흑연 재료로서 결정성이 높은 코크스계 흑연 재료를 사용하는 것이 유효하다. 그러나, 코크스계 흑연 재료는 재료의 이방성이 강하고, 알루미늄과 복합화해 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체도 특성에 이방성이 발생한다. LED 발광 부재의 기판 재료는 열전도율이나 열팽창율이라는 특성에 더해 부재로서의 균일성이 중요하다. 극단적으로 이방성이 있는 이용했을 경우, 휨 등의 발생이나, 최악의 경우 LED 소자의 파괴가 일어난다는 과제가 있다.

열전도율 등의 특성이 뛰어난 알루미늄-흑연 복합체는 용탕 단조법(squeeze casting)으로 제조하는 것이 매우 적합하다. 그러나, 용탕 단조법에서 사용되는 재료가 고가라는 점으로부터, 용탕 단조법을 이용하여 통상대로 제조한 알루미늄-흑연 복합체를 LED 발광 부재용의 기판으로서 이용했을 경우 LED 발광 부재가 고가가 되어 버린다는 과제가 있다.

LED 발광 부재는 사용하는 기판 재료에 더해 발광 부재 전체에서의 방열 대책이 매우 중요하다. 이 때문에 방열 특성이 뛰어난 기판 재료를 이용하는 것에 더해, LED를 탑재하는 회로 부분에 이용되는 절연 재료의 특성 및 두께 등이 적절하지 않으면 LED 발광 부재로서 충분한 특성이 얻어지지 않는다는 과제가 있다.

본 발명은 상기 상황을 감안해 이루어진 것으로, 그 목적은 방열 특성 및 신뢰성이 뛰어난 LED 발광 부재 및 그것을 구성하는 방열 부품을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 열심히 검토한 결과, 직방체 형상의 등방성 흑연 재료를 용탕 단조법으로 알루미늄 합금과 복합화함으로써, 열전도율, 열팽창율, 강도 특성이 뛰어난 알루미늄-흑연 복합체를 효율적으로 제작하여, 멀티 와이어 소(multi-wire saw)로 가공 조건을 적정화함으로써 잘리는 부분(절삭폭)의 재료 손실을 저감시키고, 또한 효율적으로 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판을 얻을 수 있다는 지견을 얻었다. 또한, 기판 형상, 절연 재료 및 회로 구성을 적성화함으로써, 방열 특성 및 신뢰성이 뛰어난 LED 발광 부재를 얻을 수 있다는 지견을 얻어 본 발명을 완성했다. 또한, 본 명세서 중 「기판」이란 구리박이나 전자 부품을 부착하기 전의 모재를 가리킨다.

즉, 본 발명은 알루미늄-흑연 복합체의 표면 거칠기(Ra)가 0.1~3㎛, 온도 25℃의 열전도율이 150~300W/mK, 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3, 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 4×10^-6~7.5×10^-6/K, 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3, 또한 3점 휨 강도가 50~150MPa인 알루미늄-흑연 복합체를 멀티 와이어 소를 이용하여 하기 (1)~(4)의 조건：

(1) 접합하는 지립이 다이아몬드, C-BN, 탄화규소, 알루미나로부터 선택되는 1종 이상으로 평균 입자 지름이 10~100㎛,

(2) 와이어 선 지름이 0.1~0.3㎜,

(3) 와이어 이송 속도가 100~700m/분,

(4) 절삭 속도가 0.1~2㎜/분,

하에 두께 0.5~3㎜의 판 모양으로 가공하는 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 제조된 기판을 가지는 방열 부품에 관한 것이다. 방열 부품은 기판의 1주면이 핀 형상으로 가공되고 있어도 되고, 기판에 구멍 가공이 실시되어 있어도 되며, 기판의 표면에 도금층이 형성되고 있어도 되고, 기판의 1주면 및/또는 양주면에 절연층을 통해 금속 회로가 형성되고 있어도 되며, 기판의 1주면 및/또는 양주면에 활성 금속 접합제층을 통해 금속 회로가 형성되고 있어도 된다.

또, 본 발명은 방열 부품에서의 기판의 1주면 및/또는 양주면에 직접 및/또는 이들의 면 상에 형성된 절연층 및/또는 활성 금속 접합제층 및/또는 금속 회로 상에 LED 베어 칩 및/또는 LED 패키지를 탑재한 발광 부재에도 관한 것이다.

또, 본 발명은 알루미늄-흑연 복합체의 제조 방법도 포함하고, 상기 제조 방법은 온도 25℃의 열전도율이 100~200W/mK, 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3, 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 2×10^-6~5×10^-6/K, 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3, 기공율이 10~20부피％인 코크스계 흑연을 원료로 하는 각 변의 길이가 100~500㎜인 직방체 형상의 등방성 흑연 재료에 용탕 단조법에 의해 20MPa 이상의 압력으로 규소 3~20질량％를 함유하는 알루미늄 합금을 가압 함침하여, 등방성 흑연 재료의 기공의 70％ 이상을 알루미늄 합금으로 함침하는 것을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 LED 발광 부재의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 LED 발광 부재의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 LED 발광 부재의 구조도이다.

이하, 본 발명의 LED 발광 부재 및 거기에 이용되는 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판의 실시형태에 대해서 설명한다.

본 발명의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)을 구성하는 흑연 재료는 온도 25℃의 열전도율이 100~200W/mK이고, 또한 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3이며, 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 2×10^-6~5×10^-6/K이고, 또한 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3이고, 기공율이 10~20부피％인 코크스계 흑연을 원료로 하는 각 변의 길이가 100~500㎜인 직방체 형상의 등방성 흑연 재료이다. 본 명세서에 있어서, 「직교하는 3방향」이란, 직방체 형상의 등방성 흑연 재료의 각 주면에 대해서 수직인 3방향(세로 방향, 가로 방향, 높이 방향)이다.

등방성 흑연 재료에 알루미늄 합금을 가압 함침함으로써, 알루미늄-흑연 복합체를 제작한다. 상기 특성을 가지는 등방성 흑연 재료를 이용함으로써, LED 발광 부재의 기판 재료로서 요구되는 특성을 가지는 알루미늄-흑연 복합체를 얻을 수 있다. 등방성 흑연 재료와 알루미늄 합금을 복합화하는 수법으로는 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체의 특성을 고려하면 등방성 흑연 재료와 알루미늄 합금을 알루미늄 합금의 융점 이상으로 가열한 후에 가압 함침하는 용탕 단조법이 매우 적합하다.

등방성 흑연 재료의 온도 25℃의 열전도율은 100~200W/mK이며, 또한 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3이다. 등방성 흑연 재료의 열전도율이 100W/mK 미만에서는 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율이 낮아져 LED 발광 부재의 기판 재료로서 이용하는 경우 방열 특성이 부족해 바람직하지 않다. 상한에 관해서는 특성상의 제약은 없지만, 열전도율이 200W/mK를 넘으면 재료 자체가 고가가 되거나 특성의 이방성이 강해지기 때문에 바람직하지 않다. 또, 등방성 흑연 재료의 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1.3을 넘으면, 방열 특성의 이방성이 너무 커져서 LED 발광 부재의 기판 재료로서 이용하는 경우, 과도적으로 LED 소자의 온도가 상승하는 등의 문제가 발생해 바람직하지 않다.

등방성 흑연 재료의 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수는 2×10^-6~5×10^-6/K이고, 또한 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3이다. 등방성 흑연 재료의 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 2×10^-6/K 미만 또는 5×10^-6/K를 넘으면, 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체와 LED 소자의 열팽창 계수의 차이가 너무 커져서 LED 소자의 수명 저하, 경우에 따라서는 LED 소자가 파손되는 등의 문제가 발생해 바람직하지 않다. 또한, 등방성 흑연 재료의 온도 25℃~150℃의 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1.3을 넘으면 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체의 열팽창 계수의 이방성이 너무 커진다. LED 소자의 발광시에 LED 소자에 불균일한 응력이 가해져 LED 소자의 수명 저하, 경우에 따라서는 LED 소자가 파손되는 등의 문제가 발생해 바람직하지 않다.

또한, 등방성 흑연 재료는 기공율이 10~20부피％인 코크스계 흑연을 원료로 한다. 기공율이 10부피％ 미만에서는 알루미늄 합금을 가압 함침할 때에 기공 부분에 알루미늄 합금이 충분히 함침되지 않아 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율 특성이 저하되는 일이 있다. 또, 기공율이 20부피％를 넘으면 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체 중의 알루미늄 합금의 함유량이 많아져, 그 결과 알루미늄-흑연 복합체의 열팽창 계수가 커지는 경우가 있다. 등방성 흑연 재료의 원료로는 열전도율의 점으로부터 코크스계 흑연을 원료로 하여 정수압 성형(hydrostatic pressing)한 후 흑연화하여 얻어지는 등방성 흑연 재료가 매우 적합하다.

최종적으로 얻어지는 기판(1)을 저렴하게 제공하기 위해, 그 후의 가공 공정(구체적으로는 절단 가공 공정)도 시야에 넣어 가장 효율적으로 알루미늄-흑연 복합체를 제작할 필요가 있다. 특히, 가압 함침법에서는 어떻게 효율적으로 알루미늄-흑연 복합체를 제작할지가 중요하다. 절단 가공을 효율적으로 실시하기 위해서는 각 변의 길이가 100~500㎜인 직방체 형상이 가장 효율적이다. 각 변의 길이가 100㎜ 미만인 직방체 형상의 경우, 1회의 복합화로 얻어지는 알루미늄-흑연 복합체의 부피가 작고, 가공 후에 얻어지는 기판(1)의 단위 부피당 비용이 높아져 바람직하지 않다. 한편, 각 변의 길이가 500㎜를 넘으면 핸들링성이 저하하는 것에 더해 복합화에 사용되는 설비 및 절단 가공에 사용하는 설비가 매우 고가가 되어 최종적인 가공 후에 얻어지는 기판(1)의 단위 부피당 비용이 높아져 바람직하지 않다.

다음에, 이 직방체 형상의 등방성 흑연 재료를 철제의 치구 등으로 사이에 두어 적층체로 한 후, 온도 600~750℃에서 대기 분위기 또는 질소 분위기 하에서 가열 후, 고압 용기 내에 배치하고 적층체의 온도 저하를 막기 위해서 가능한 한 신속하게 융점 이상으로 가열한 알루미늄 합금의 용탕을 급탕하여 20MPa 이상의 압력으로 가압해 알루미늄 합금을 흑연 재료의 공극 중에 함침시킴으로써 알루미늄-흑연 복합체를 얻을 수 있다. 또한, 함침시의 일그러짐(strain) 제거를 목적으로 함침품에 어닐 처리를 실시하기도 한다. 적층시에 이용되는 치구는 이형성 면으로부터 흑연이나 알루미나 등의 이형제를 도포해 이용하는 경우가 있다.

적층체의 가열 온도가 온도 600℃ 미만에서는 알루미늄 합금의 복합화가 불충분하게 되어 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율 등의 특성이 저하해 바람직하지 않다. 한편, 가열 온도가 750℃를 넘으면 알루미늄 합금과의 복합화시에 저열전도율의 탄화 알루미늄이 생성되어 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율이 저하해 바람직하지 않다. 또한, 함침시의 압력이 20MPa 미만에서는 알루미늄 합금의 복합화가 불충분하게 되어 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율이 저하해 바람직하지 않다. 보다 바람직한 함침 압력은 50MPa 이상이다.

알루미늄-흑연 복합체의 제조에 이용되는 알루미늄 합금은 규소 3~20질량％를 함유하는 것이 바람직하다. 규소 함유량이 20질량％를 넘으면 알루미늄 합금의 열전도율이 저하해 바람직하지 않다. 한편, 규소 함유량이 3질량％ 미만에서는 용해된 알루미늄 합금의 탕류(湯流)가 나빠져 함침시에 등방성 흑연 재료의 공극 내에 알루미늄 합금이 충분히 침투할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 알루미늄 합금 중의 알루미늄, 규소 이외의 금속 성분에 관해서는 극단적으로 특성이 변화하지 않는 범위라면 특별히 제한은 없고, 마그네슘이라면 3질량％ 정도까지 함유할 수 있다.

직방체 형상의 알루미늄-흑연 복합체를 효율적으로 기판(1)으로 가공하는 방법으로서 멀티 와이어 소에 의한 절단을 실시한다. 알루미늄 합금을 흑연 재료의 공극 중에 함침시킨 알루미늄-흑연 복합체는 가공성이 뛰어난 재료이지만, 재료 자체는 구리나 알루미늄 등의 금속 재료에 비하면 고가이다. 이 때문에, 기판(1)을 보다 저렴하게 제작하려면 어떻게 효율적으로 알루미늄-흑연 복합체를 제작해 판 모양으로 가공할지가 중요해진다. 구체적으로는 멀티 와이어 소로 가공 조건을 적정화함으로써 잘리는 부분(절삭폭)의 재료 손실을 최대한 저감시켜 효율적으로 절단 가공을 실시하고, 또한 기판 재료로서 이용하기에 충분한 표면 정도를 확보할 수 있다는 것을 알아냈다. 또한, 본 명세서에서 「판 모양」이란, 평행 또는 대략 평행한 2주면을 가지는 형상을 총칭하는 것이며, 그 주면은 원판 형상, 타원 형상, 삼각형 등의 형상이어도 된다.

멀티 와이어 소로의 절단 가공에는 크게 나누어 유리(free) 지립 방식과 고정(fixed) 지립 방식이 있지만, 피가공물인 알루미늄-흑연 복합체의 경도가 높다는 점에서 효율적으로 절단 가공하려면 고정 지립 방식을 채용하는 것이 바람직하다. 직방체 형상의 알루미늄-흑연 복합체의 절단에 이용되는 멀티 와이어 소의 와이어는 지립으로서 평균 입자 지름이 10~100㎛인 다이아몬드, C-BN, 탄화규소, 알루미나로부터 선택되는 1종 이상의 지립을 접합해서 이루어지는 와이어이다. 가공 효율의 면에서는 다이아몬드 지립을 전착(電着)한 와이어를 이용하는 것이 가장 바람직하다. 지립의 평균 입자 지름이 10㎛ 미만에서는 가공성이 저하해 효율적으로 절단 가공을 실시하지 못하고, 또 가공시의 와이어의 어긋남에 의한 가공면의 요철이 발생해 바람직하지 않다. 한편, 지립의 평균 입자 지름이 100㎛를 넘으면 가공품의 면 정도가 저하되어 표면 거칠기가 너무 거칠어져서 바람직하지 않다. 또, 지립의 평균 입자 지름이 100㎛를 넘으면 와이어 지름이 커져 와이어의 가격이 고가가 되는 동시에 잘리는 부분의 재료 손실이 커져 바람직하지 않다.

멀티 와이어 소의 와이어 선 지름은 0.1~0.3㎜가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.15~0.25㎜이다. 와이어 선 지름이 0.1㎜ 미만에서는 접합할 수 있는 지립의 입도가 너무 가늘어져서 가공 속도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 와이어 선 지름이 0.3㎜를 넘으면 와이어의 가격이 고가가 되는 동시에 잘리는 부분의 재료 손실이 커져 바람직하지 않다.

멀티 와이어 소에 의한 가공 조건은 와이어 이송 속도가 100~700m/분이고, 또한 절삭 속도가 0.1~2㎜/분의 조건이다. 와이어의 이송 속도가 100m/분 미만에서는 충분한 가공 속도가 얻어지지 않아 가공 비용이 높아져 바람직하지 않다. 한편, 와이어의 이송 속도가 700m/분을 넘으면 충분한 가공 속도는 얻어지지만 고가의 와이어의 마모가 격렬하여 바람직하지 않다. 또, 와이어의 절삭 속도가 0.1㎜/분 미만에서는 충분한 가공 속도가 얻어지지 않아 가공 비용이 높아져 바람직하지 않고, 반대로 절삭 속도가 2㎜/분을 넘으면 절단 가공면의 요철의 발생이나 와이어의 단선이 일어나 바람직하지 않다.

멀티 와이어 소로 알루미늄-흑연 복합체를 절단 가공해 얻어지는 기판(1)의 두께는 0.5~3㎜가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~2㎜이다. 알루미늄-흑연 복합체(1)의 판 두께가 0.5㎜ 미만에서는 LED 소자를 탑재하는 기판 재료로서 이용되는 경우에 열 용량이 부족해 LED 소자의 온도가 순간적으로 상승하기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 판 두께가 3㎜를 넘으면 두께 방향의 열 저항이 증가해 LED 소자의 온도가 상승하기 때문에 바람직하지 않다.

알루미늄-흑연 복합체는 등방성 흑연 재료의 기공의 70％ 이상이 알루미늄 합금으로 함침된다. 알루미늄 합금으로 함침되지 않는 기공이 30％를 넘으면 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율이 저하해 바람직하지 않다.

알루미늄-흑연 복합체는 온도 25℃의 열전도율이 150~300W/mK이며, 또한 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3이다. 온도 25℃의 열전도율이 150W/mK 미만에서는 LED 발광 부재의 기판 재료로서 이용하는 경우 방열 특성이 부족해 바람직하지 않다. 상한에 관해서는 특성상의 제약은 없지만, 재료 자체가 고가가 되거나 특성의 이방성이 강해지기 때문에 바람직하지 않다. 또, 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1.3을 넘으면, 방열 특성의 이방성이 너무 커져서 LED 발광 부재의 기판 재료로서 이용하는 경우 과도적으로 LED 소자의 온도가 상승하는 등의 문제가 있어 바람직하지 않다.

알루미늄-흑연 복합체는 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 4×10^-6~7.5×10^-6/K이며, 또한 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3이다. 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 4×10^-6/K 미만, 또는 7.5×10^-6/K를 넘으면, 알루미늄-흑연 복합체와 LED 소자의 열팽창 계수의 차이가 너무 커져서 LED 소자의 수명 저하, 경우에 따라서는 LED 소자가 파손되는 등의 문제가 발생해 바람직하지 않다. 또한, 온도 25℃~150℃의 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1.3을 넘으면, 알루미늄-흑연 복합체의 열팽창 계수의 이방성이 너무 커져서 LED 소자 발광시에 LED 소자에 불균일한 응력이 가해져 LED 소자의 수명 저하, 경우에 따라서는 LED 소자가 파손되는 등의 문제가 발생해 바람직하지 않다.

알루미늄-흑연 복합체의 3점 휨 강도는 50~150MPa이다. 3점 휨 강도가 50MPa 미만에서는 취급시에 크랙 등이 발생하는 경우가 있다. 이 경우, 알루미늄-흑연 복합체는 도전성 재료이기 때문에 절연 불량 등의 원인이 되어 바람직하지 않다. 또, 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)을 히트 싱크나 광체(case)에 나사 고정해 이용하는 경우, 단단히 죌 때에 크랙 등이 발생하는 일이 있어 바람직하지 않다. 3점 휨 강도의 상한에 관해서는 특성상의 제약은 없지만, 알루미늄-흑연 복합체의 3점 휨 강도가 150MPa를 넘는 고강도로 하려면 다른 세라믹스 입자의 첨가나 열전도 특성이 나쁜 모자이크 흑연을 첨가할 필요가 있다. 이 경우, 알루미늄-흑연 복합체의 열전도율이 저하하는 일이 있어 바람직하지 않다. 또한, LED 발광 부재를 자동차 등의 이동 기기용 조명 용도에 이용하는 경우, 강도가 충분하지 않으면 진동 등에 의해 결함이나 균열 등이 발생해 바람직하지 않다.

알루미늄-흑연 복합체의 표면 거칠기(Ra)는 0.1~3㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1~2㎛이다. 표면 거칠기(Ra)가 3㎛를 넘으면, LED 발광 부재의 기판 재료로서 이용하는 경우에 절연층(4)이나 LED 소자와 접합할 때의 밀착 강도가 얻어지지 않고, 나아가 저열전도의 절연층(4)의 두께가 두꺼워져 방열 특성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 표면 거칠기(Ra)의 하한에 관해서는 특성면에서의 제약은 없지만, Ra를 0.1㎛ 미만으로 하려면 직방체 형상의 알루미늄-흑연 복합체의 절단 효율이 저하해 가공 비용이 고가가 되어 바람직하지 않다. 표면 거칠기는 절단 가공면에서 목표로 하는 표면 거칠기를 달성하지만, 필요에 따라서 연마 가공 등을 실시해 원하는 표면 거칠기로 조정하는 것도 가능하다.

LED 소자를 탑재한 기판(1)을 LED 발광 부재로서 이용하는 경우, 방열성의 면으로부터 금속제의 히트 싱크나 광체 등에 방열 그리스(grease)나 방열 시트 등을 통해 접합해 이용하는 경우가 많다. 이와 같은 사용 형태에서는 접합면의 밀착성을 확보하기 위해 LED 소자를 탑재한 기판(1)을 금속제의 히트 싱크나 광체 등에 나사 고정하는 방법이 채용된다. 기판(1)에 구멍을 형성하고 LED 소자를 탑재한 기판을 히트 싱크나 광체 등에 나사 고정함으로써 양자의 밀착성을 향상시키는 동시에 접합 부분의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 알루미늄-흑연 복합체는 가공성이 뛰어나기 때문에 통상의 드릴 등으로 구멍 가공을 실시할 수 있다. 또, 레이저 가공이나 워터 제트 가공, 나아가 프레스 가공에 의해 구멍을 형성할 수 있다. 구멍의 형상에 관해서는 나사 고정이 가능한 형상이면 되고, U자형 모양 등이어도 된다.

LED 발광 부재의 방열성을 향상시키기 위해서는 방열 그리스나 방열 시트 등을 개입시키는 일 없이, 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)에 직접 히트 싱크 기구(방열 핀)를 설치하는 것이 바람직하다. 알루미늄-흑연 복합체는 가공성이 뛰어나기 때문에 LED 소자의 비탑재면 측을 직접 핀 형상으로 가공함으로써 히트 싱크 기구를 설치할 수 있다. 기판(1)의 1주면을 핀 형상으로 가공함으로써 LED 발광 부재의 방열 특성을 개선하는 동시에, 다른 방열용 부재가 불필요해져 부품수의 저감 및 LED 발광 부재의 소형화가 가능해진다. 또, 알루미늄-흑연 복합체는 방사에 의한 방열 특성이 뛰어나기 때문에 방열 핀으로서 바람직한 재료이다.

LED 발광 부재는 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)에 LED 소자를 접합한 것이다. 접합 방법은 일반적으로 고열 전도성 접착제나 납땜 부착(solder) 등이 이용되고 있다. 열전도성의 면에서는 열전도율이 낮은 절연층(4)을 통하지 않고 기판(1)에 직접 납땜하여 부착하는 것이 바람직하다. 그러나, 알루미늄-흑연 복합체는 직접 납땜하여 부착할 수 없기 때문에, 알루미늄-흑연 복합체의 표면에 도금층을 형성한다. 도금층의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 전기 도금이나 무전해 도금에 의해 형성할 수 있다. 도금 재질은 니켈, 구리, 금, 주석 등을 채용할 수 있고, 이들의 복합 도금도 사용 가능하다. 도금 두께에 관해서는 기재인 알루미늄-흑연 복합체와 도금층의 밀착성 및 납땜 습윤성을 확보할 수 있는 범위이면, 열전도의 면에서는 최대한 얇은 것이 바람직하고, 일반적으로는 1~5㎛이다.

LED 발광 부재의 LED 소자는 베어 칩이어도 패키지화된 구조여도 된다. 또, 기판(1)의 1주면 또는 양주면에 금속 회로(3)를 형성한 방열 부품과 LED 소자가 접촉하는 부분은 전기적 절연 처치가 되어 있어도, 되어 있지 않아도 된다. 여기서, 본 명세서에 있어서 「방열 부품」이란, LED 소자로부터 발생한 열을 방열하는 부재의 총칭이며, 예를 들면 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)의 1주면 또는 양주면에 임의로 금속 회로(3)를 형성한 것을 가리킨다.

도 1 및 도 3에 LED 소자와 방열 부품의 접촉하는 부분이 전기적 절연 처치되어 있지 않은 경우의 일 실시형태를 나타낸다. 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)의 1주면 또는 양주면에 절연층(4) 또는 활성 금속 접합재층(7)을 통해 금속 회로(3)를 형성하고, 금속 회로(3) 표면 또는 기판(1)에 직접 납땜(brazing)법 등에 의해 LED 소자(LED 칩(2))를 배치하는 구조이다.

기판(1)의 1주면 또는 양주면에 형성되는 절연층(4)은 내열성 수지와 무기 필러를 주성분으로 하는 경화성 수지 조성물이며, 게다가 경화 후의 열전도율이 1W/mK 이상인 것이 바람직하다. 내열 수지로는 예를 들면, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리아미드 수지, 아크릴 수지 등을 사용할 수 있다. 내열 수지의 사용 비율은 10~40용량％이며, 10용량％ 미만에서는 절연층 조성물의 점도가 상승하여 작업성이 저하되고, 한편 40용량％를 넘으면 절연층(4)의 열전도성이 저하해 바람직하지 않다.

기판(1)과 LED 소자의 재질의 열팽창 계수의 차이가 큰 경우에는 열 사이클에 의한 접합 부분의 피로를 완화시키기 위해서, 경화 후의 수지 조성물의 저장 탄성률이 300K에서 15000MPa 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 경화성 수지 조성물은 (1) 에폭시 수지를 주체로 하는 수지, (2) 폴리에테르 골격을 갖고, 주쇄의 말단에 1급 아미노기를 가지는 경화제 및 (3) 무기 충전제를 조합함으로써, 응력 완화성, 전기 절연성, 방열성, 내열성, 내습성이 뛰어난 경화물을 제공할 수 있다. 에폭시 수지는 비스페놀 F형 에폭시 수지나 비스페놀 A형 에폭시 수지 등의 범용 에폭시 수지를 이용할 수 있지만, 디시클로펜타디엔 골격을 가지는 에폭시 수지, 나프탈렌 골격을 가지는 에폭시 수지, 비페닐 골격을 가지는 에폭시 수지 및 노볼락 골격을 가지는 에폭시 수지로부터 선택된 1종 이상을 전체 에폭시 수지 중 10질량％ 이상 포함하면, 응력 완화성과 내습성의 밸런스가 더욱 향상된다. 노볼락 골격을 가지는 대표적인 에폭시 수지에는 페놀 노볼락형 에폭시 수지나 크레졸 노볼락형 에폭시 수지가 있지만, 디시클로펜타디엔 골격, 나프탈렌 골격 또는 비페닐 골격과 노볼락 골격을 겸비하는 에폭시 수지를 이용할 수도 있다. 에폭시 수지로서 상기의 골격을 가지는 에폭시 수지를 단독으로 사용해도 상관없다. 또, 에폭시 수지를 주체로 다른 수지로서 페놀 수지, 폴리이미드 수지 등의 열경화성 수지나 페녹시 수지, 아크릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 등의 고분자량 수지를 배합해도 되지만, 응력 완화성, 전기 절연성, 내열성, 내습성의 밸런스를 고려하면, 상기 고분자량 수지의 배합량은 에폭시 수지와의 합계량에 대해서 30질량％ 이하인 것이 바람직하다.

경화제는 폴리에테르 골격을 갖고, 주쇄의 말단에 1급 아미노기를 가지는 경화제를 경화 후 수지 조성물의 저장 탄성률을 내리기 위해서 사용한다. 다른 경화제와 병용할 수도 있다. 방향족 아민계 경화제를 병용하면, 응력 완화성, 전기 절연성, 내습성 등의 밸런스를 더욱 바람직하게 할 수 있다. 방향족 아민계 경화제로는 디아미노디페닐메탄, 디아미노디페닐술폰, 메타페닐렌디아민 등을 사용할 수 있다. 페놀 노볼락 수지 등의 경화제를 추가로 병용할 수도 있다.

무기 필러로는, 예를 들면 산화 알루미늄(알루미나), 산화 규소, 산화 마그네슘 등의 산화물 세라믹스, 질화 알루미늄, 질화 규소, 질화 붕소 등의 질화물 세라믹스 및 탄화물 세라믹스 등을 들 수 있다. 경화성 수지 조성물 중의 무기 필러의 비율은 무기 필러 18~27용량％이다. 이 범위 이외에서는 수지 조성물 점도의 상승, 열전도율의 저하가 있어 바람직하지 않다. 무기 필러는 최대 입자 지름 100㎛ 이하, 최소 입자 지름 0.05㎛ 이상으로 구상 입자가 바람직하다. 또한, 입자 지름 5~50㎛의 입자를 50~75질량％, 입자 지름 0.2~1.5㎛의 입자를 25~50질량％ 포함하는 것이 보다 바람직하다.

절연층(4)을 구성하는 경화성 수지 조성물에는 필요에 따라 실란계 커플링제, 티타네이트계 커플링제, 안정제, 경화 촉진제 등도 이용할 수 있다.

금속 회로(3)의 재료로는 구리박, 알루미늄박, 구리-알루미늄 클래드박, 구리-니켈 알루미늄 클래드박 등을 들 수 있다.

알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1) 상에 절연층(4)을 통해 금속 회로(3)를 형성하는 수법으로는, 예를 들면 다음의 것을 들 수 있다. 절연층(4)을 구성하는 경화성 수지 조성물 슬러리를 기판(1)에 스크린 인쇄 등의 방법에 의해 패턴 인쇄하고, 가열하여 반경화 상태로 한 후, 이것에 금속박을 부착하고, 추가적인 가열에 의해 거의 완전한 경화 상태로 하는 방법이나, 미리 절연층(4)을 반경화 상태의 시트상으로 가공하고, 핫 프레스 장치에 의해 금속박과 함께 일체화시키는 방법이다. 회로의 패턴 형성 방법에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 미리 금속박 상의 소정 개소에 레지스트 잉크를 도포하고, 가열 혹은 UV 경화시킨 후, 염화 제2구리, 과산화수소수와 황산의 혼합물 등의 에천트(etchant)를 이용하여 에칭에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

도 2에 LED 소자와 방열 부품이 접촉하는 부분이 전기적 절연 처치되어 있는 경우의 일 실시형태를 나타낸다. 도 2는 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)의 1주면 또는 양주면에 절연층(4)을 통해 금속 회로(3)를 형성하고 LED 소자(LED 칩(2))의 하부에 층간 접속 돌기(6)를 통해 층간으로 접속한 구조를 나타낸다.

혹은 도 3에 나타낸 것처럼, 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)의 1주면 및/또는 양주면에 활성 금속 접합재층(7)을 통해 금속 회로(3)를 형성해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 바람직하다.

도 2에 있어서, 금속 회로(3)의 재료, 절연층(4)의 재료로는 도 1에 나타내는 경우와 마찬가지로 상관없다. 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1) 상에 층간 접속 돌기(6)를 형성하는 방법은 금속 회로(3)와 층간 접속 돌기(6)가 도전 접속 가능하도록 형성하는 것이면 어떠한 것이어도 되고, 예를 들면 금속의 도금에 의해 형성하는 방법, 도전성 페이스트에 의해 형성하는 방법 등을 들 수 있다. 이 층간 접속 돌기(6)를 가진 상태로 절연층(4)을 형성하는 수법으로는 절연층(4)을 구성하는 조성물을 슬러리상으로 한 것을 층간 접속 돌기(6)의 주위 및 상부에 스크린 인쇄 등의 방법에 의해 충전시키고 가열해 반경화 상태로 한 후, 이것에 금속박을 부착하고 추가적인 가열에 의해 거의 완전한 경화 상태로 한 후, 층간 접속 돌기(6)의 상부의 금속 회로를 에칭 등에 의해 제거하고, 절연층 조성물을 레이저 가공 등에 의해 제거하는 방법이나, 미리 절연층 조성물을 반경화 상태의 시트상으로 가공하고 핫 프레스 장치에 의해 금속박과 함께 일체화시켜 층간 접속 돌기(6)에 대응하는 위치에 볼록부를 갖고 표면에 금속층이 형성된 적층체로 하여, 이 적층체의 볼록부를 제거하여 층간 접속 돌기(6)를 노출시키는 등의 수법이 있다.

도 3에 있어서, 금속 회로(3)의 재료로는 단체 Al제, 또는 Al-Si 합금, Al-Si-Mg 합금, Al-Mg-Mn 등의 단체 Al 합금제가 이용된다.

활성 금속 접합재층(7)을 구성하는 재료로는 Al-Si계 또는 Al-Ge계의 합금이나 Al-Cu-Mg계 합금이 이용되지만, 특히 Al-Cu-Mg계 합금이 바람직하다. 우선, Al-Cu-Mg계 합금은 Al-Si계, Al-Ge계, Al-Si-Ge계 혹은 이것들에 Mg을 가한 계에 비해 세라믹계 소재와의 접합 조건의 허용폭이 넓고, 진공 중이 아니어도 접합할 수 있으므로, 생산성이 뛰어난 접합이 가능해지기 때문이다. 즉, Al-Si계나 Al-Ge계에서는 비교적 다량으로 Si나 Ge를 첨가하지 않으면 융점이 저하되지 않지만, 다량으로 첨가하면 딱딱하여 잘 부러지는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제를 일으키게 하지 않도록, 예를 들면 Al-Si계 합금에서 Si의 비율을 5％까지 내리면, 융점이 615℃가 되고 가압을 실시해도 620℃ 이하의 온도에서의 접합은 곤란해진다. 이것과는 대조적으로, Al-Cu-Mg계 합금에서는 Cu의 비율을 4％ 정도까지 내려도 적절히 가압 등의 수단을 강구함으로써 600℃ 정도에서의 접합도 가능해져 접합 조건의 허용 폭이 넓어진다.

다음에, Al-Cu-Mg계 합금은 Si나 Ge에 비해 Cu나 Mg가 Al 중에 균일하게 확산되기 쉽기 때문에, 국부적인 용융이 생기거나 여분의 접합재가 압출되어 비어져 나옴이 생기기 어려워, 비교적 단시간에 안정된 접합이 가능해지는 것에 따른다.

사용되는 Al-Cu-Mg계 합금은 Al, Cu, Mg의 3성분 합금은 물론 그것 이외의 성분을 포함하고 있어도 된다. 예를 들면, Al, Cu, Mg 이외에 Zn, In, Mn, Cr, Ti, Bi, B, Fe 등의 성분을 합계로 5중량％ 정도 이하를 포함하고 있어도 된다.

Al-Cu-Mg계 합금 중의 Cu의 비율은 2~6중량％인 것이 바람직하다. 2중량％ 미만에서는 접합 온도가 높아져 Al의 융점에 가깝게 되어 버리고, 또 6중량％ 초과에서는 접합 후의 접합재의 확산부가 특히 딱딱해져 회로 기판의 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 바람직하게는 1.5~5중량％이다. 한편, Mg에 대해서는 소량 첨가함으로써 접합 상태가 양호해진다. 이것은 Al 표면의 산화물층의 제거 효과나 질화 알루미늄 기판 표면과 접합재의 습윤성 개선 효과에 따르면 추찰된다. Mg의 비율은 0.1~2중량％가 바람직하다. 0.1중량％ 미만에서는 첨가 효과가 현저하지 않게 되고, 2중량％ 초과에서는 Al 또는 Al 합금의 경도에 악영향을 주는데다 접합시에 다량으로 휘발해 노조업(爐操業)에 지장을 초래하는 일이 있다. 특히, 바람직하게는 0.3~1.5중량％이다.

사용되는 접합재의 시판품의 일례를 들면, Al 중에 4중량％ 정도의 Cu와 0.5중량％ 정도의 Mg가 포함되는 2018 합금, 또한 0.5중량％ 정도의 Mn 등이 포함되는 2017 합금을 비롯해 2001, 2005, 2007, 2014, 2024, 2030, 2034, 2036, 2048, 2090, 2117, 2124, 2214, 2218, 2224, 2324, 7050 등이다.

접합 온도는 560~630℃로 상당히 광범위를 적용할 수 있지만, 접합재의 조성에 따라 적정 범위는 상이하다. Zn이나 In 등의 저융점 성분이 첨가되어 있거나, Cu나 Mg 등의 함유량이 비교적 많은 경우에는 600℃ 이하에서도 충분히 접합할 수 있다. 접합 온도가 630℃ 초과에서는 접합시에 납접 결함(회로에 발생하는 벌레 먹은 현상)이 생기기 쉬워지므로 바람직하지 않다.

가열 접합시에 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)의 판면에 대해서 수직 방향으로 10~100kgf/㎠, 특히 15~80kgf/㎠로 가압하는 것이 바람직하다. 가압 방법으로는 눌러 놓는 물건을 얹은 치구를 이용해 기계적으로 가함으로써 실시할 수 있다. 가압은 적어도 접합이 시작되는 온도, 예를 들면 95.7％ Al-4％ Cu-0.3％ Mg 합금박을 이용해 610℃에서 접합하는 경우에는 580℃까지는 이 압력 내로 유지되고 있는 것이 바람직하다.

방열 부품에 있어서는 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)의 1주면 및/또는 양주면에 금속 회로(3), 예를 들면 Al계 회로가 형성된다. Al-Cu-Mg계 합금의 접합재는 기판(1)과 금속 회로(3)를 구성하는 Al계 회로 패턴, Al계 회로 형성용 금속판 사이에 적층하여 개재시키지만, 미리 이것들과 클래드화해 두면 사용하기 쉽다.

활성 금속 접합재층(7)을 구성하는 접합제로서 Al-Cu-Mg계 합금을 이용함으로써 방열 부품의 생산성을 현저하게 높일 수 있다. 그 이유 중 하나는 접합이 진공로로 한정되지 않는다는 것이다. 진공로는 원래 고가인데다 연속화가 어렵고, 또 배치로(batch furnace)에서는 용적 효율이 나쁘다. 대형로로 하면 온도 분포가 생기기 쉬워 고수율로의 생산은 바랄 수 없다. 이것과는 대조적으로, 종래의 Al-Si계나 Al-Ge계 합금의 접합재 대신에 Al-Cu-Mg계 합금을 이용하면, 진공 하가 아니어도 N₂, H₂, 불활성 가스 및 이들 혼합 가스의 저산소 분위기 하에서 접합할 수 있으므로, 로 구조가 간단하게 되어 연속화도 용이해진다. 연속화에 의해서 온도 분포 등의 제품의 불균형(disparities) 요인을 저감시킬 수 있어 수율 좋고 품질이 안정된 제품을 제조할 수 있다.

금속 회로(3)를 구성하는 부재로서 Al계 회로 형성용 금속판을 이용해 방열 부품을 제조할 때, Al계 회로 형성용 금속판과 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1)끼리가 서로 이웃하도록 적층하여 가열하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, Al계 회로 형성용 금속판은 알루미늄-흑연 복합체보다도 열팽창 계수가 크기 때문에, 접합 후의 냉각에 의해 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판(1) 측이 볼록형이 되는 변형을 경감시키기 때문이다. 이것은 Al이 소성 변형이 용이한 재료라는 점을 이용한 것으로, Al재끼리의 접착을 피하기 위해 필요에 따라 스페이서재를 개재시켜도 된다.

실시예

( 실시예 1, 2)

실시예 1은 부피 밀도 1.83g/㎤의 등방성 흑연 재료(토카이 카본사제：G347), 실시예 2는 부피 밀도 1.89g/㎤의 등방성 흑연 재료(토카이 카본사제：G458)를 200㎜×200㎜×250㎜ 치수의 직방체 형상으로 가공한 후, 흑연 이형제를 도포한 판 두께 12㎜의 철판으로 사이에 두고, M10의 볼트·너트로 연결해 적층체로 했다. 얻어진 적층체는 전기로에서 질소 분위기 하, 온도 650℃에서 1시간 예비 가열한 후, 미리 가열해 둔 내경 400㎜ × 높이 300㎜의 프레스형 내에 넣고 규소를 12질량％ 함유하는 알루미늄 합금의 용탕을 부어 100MPa의 압력으로 20분간 가압하여 등방성 흑연 재료에 알루미늄 합금을 함침시켰다. 다음에, 실온까지 냉각한 후, 습식 밴드 소로 알루미늄 합금 및 철판 부분을 절단해 200㎜×200㎜×250㎜의 알루미늄-흑연 복합체를 얻었다. 얻어진 복합체는 함침시의 일그러짐 제거를 위해 온도 500℃에서 2시간의 어닐 처리를 실시했다.

한편, 각 등방성 흑연 재료를 연삭 가공하여 직교하는 3방향의 열팽창 계수 측정용 시험체(3×3×20㎜) 및 열전도율 측정용 시험체(25㎜×25㎜×1㎜)를 제작했다. 각각의 시험체를 이용하여 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수를 열팽창계(세이코 전자공업사제；TMA300)로 25℃에서의 열전도율을 레이저 플래시법(리가쿠 전기사제；LF/TCM-8510B)으로 측정했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 등방성 흑연 재료의 기공율은 흑연의 이론 밀도：2.2g/㎤를 이용하여 아르키메데스법으로 측정한 부피 밀도로부터 산출했다.

주 1：열전도율과 열팽창 계수의 평균값은 직교하는 3방향의 값의 평균값

주 2：열전도율과 열팽창 계수의 최대/최소는 직교하는 3방향의 최대값과 최소값의 비

다음에, 얻어진 알루미늄-흑연 복합체를 연삭 가공하여 직교하는 3방향의 열팽창 계수 측정용 시험체(3×3×20㎜), 열전도율 측정용 시험체(25㎜×25㎜×1㎜) 및 강도 시험체(3㎜×4㎜×40㎜)를 제작하고, 각각의 시험체를 이용하여 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수를 열팽창계(세이코 전자공업사제；TMA300), 25℃에서의 열전도율을 레이저 플래시법(리가쿠 전기사제；LF/TCM-8510B) 및 3점 휨 강도(JIS-R1601에 준거)를 측정했다. 또, 시험체의 부피 밀도를 아르키메데스법으로 측정해 등방성 흑연 재료의 기공의 함침율을 산출했다.

다음에, 얻어진 200㎜×200㎜×250㎜의 알루미늄-흑연 복합체를 고정하고, 멀티 와이어 소(타카토리사제；MWS-612SD)로 알루미늄-흑연 복합체의 200㎜×200㎜의 면과 평행한 절단면이 되도록, 표 3의 가공 조건으로 선지름：0.20㎜의 전착 타입의 와이어를 1.5㎜ 간격으로 배치하여 절단 가공을 실시했다. 잘리는 부분(절삭폭)은 모두 0.3㎜였다. 얻어진 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체의 판 두께를 노기스로, 절단 가공면의 표면 거칠기(Ra)를 표면 거칠기계로 측정했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

(LED 발광 부재의 제조예)

(1) 에폭시 수지로서 비스페놀 F형 에폭시 수지(에피코트 807：에폭시 당량=173, 유화 쉘 에폭시 주식회사제) 100질량부, 실란 커플링제, γ-글리시독시프로필메틸 디에톡시실란(AZ-6165：일본 유니카-주식회사제) 5질량부, 무기 필러로서 평균 입경 5㎛의 알루미나(AS-50：쇼와덴꼬 주식회사제) 500질량부를 만능 혼합 교반기로 혼합하고, 이것에 경화제로서 폴리옥시프로필렌아민(제파민 D-400：텍사코 케미컬사제) 25질량부, 폴리옥시프로필렌아민(제파민 D2000：텍사코 케미컬사제) 20질량부를 배합, 혼합했다.

(2) 상기 혼합물을 상기 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체 상에 경화 후의 절연 접착층의 두께가 100㎛가 되도록 도포해 B 스테이지 상태로 예비 경화시키고, 라미네이터로 두께 35㎛의 전해 구리박을 부착시키고, 그 후 80℃×2hrs ＋ 150℃×3hrs 애프터 큐어를 실시해 절연 접착층 부착 구리박 부착 복합체를 제작했다. 또한, 구리박을 에칭해 패드부를 가지는 원하는 회로를 형성하여 알루미늄-흑연 복합체 회로 기판으로 했다. 다음에, 특정 회로 상에 백색 솔더 레지스트(PSR4000-LEW1：타이요 잉크사제)를 스크린으로 도포 후 UV 경화시켰다. 또한, 전해 구리박 노출 부분 상에 절연되어 있지 않은 LED 칩(1㎟)을 Ag 페이스트로 접착시켜 도 1에 나타내는 LED 발광 부재를 얻었다. 또, 원하는 개소의 절연층 노출 부분을 CO₂ 레이저에 의해 제거하고, 그 부분 상에 절연되어 있는 LED 칩(1㎟)을 Ag 페이스트로 접착시켜 도 3에 나타내는 구조의 LED 발광 부재를 얻었다.

( 실시예 3)

(LED 발광 부재의 제조예)

(1) 실시예 1의 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체 상에 전해 도금에 의해 35㎛ 두께의 구리층을 복합체의 한면 전체에 형성시킨 후, 원하는 개소 이외의 구리층을 에칭으로 제거함으로써 구리 범프 부차 알루미늄-흑연 복합체를 작성했다. 또, 한편으로 에폭시 수지로서 비스페놀 F형 에폭시 수지(에피코트 807：에폭시 당량=173, 유화 쉘 에폭시 주식회사제) 100질량부, 실란 커플링제, γ-글리시독시프로필메틸 디에톡시실란(AZ-6165：일본 유니카-주식회사제) 5질량부, 무기 필러로서 평균 입경 5㎛의 알루미나(AS-50：쇼와덴꼬 주식회사제) 500질량부를 만능 혼합 교반기로 혼합하고, 이것에 경화제로서 폴리옥시프로필렌아민(제파민 D-400：텍사코 케미컬사제) 45질량부를 배합, 혼합했다. 이것을 35㎛ 두께의 구리박 상에 두께가 100㎛가 되도록 도포해 B 스테이지 상태로 하여 수지 부착 구리박을 작성했다.

(2) 전술한 구리 범프 부착 알루미늄-흑연 복합체와 수지 부착 구리박을 적층하고 180℃에서 가열 프레스를 실시해 일체화한 후에, 구리 범프 상에 볼록한 상태로 된 개소의 구리박을 에칭으로 제거하고, 그 후 절연층(B 스테이지 시트의 경화 부분)을 CO₂ 레이저에 의해 제거해 구조화된 구리 범프 부착 알루미늄-흑연 복합체 회로 기판으로 했다. 다음에, 특정 회로 상에 백색 솔더 레지스트(PSR4000-LEW1：타이요 잉크사제)를 스크린으로 도포 후 UV 경화시켰다. 상술한 구리 범프 상의 회로면을 ＃200의 연마지로 절연층의 잔류물을 제거하고, 그 후 ＃800의 연마지로 표면을 평활하게 마무리했다. 이 표면 상에 절연되어 있는 LED 칩(1㎟)을 Ag 페이스트로 접착시켜 도 2에 나타내는 구조의 LED 발광 부재를 얻었다.

( 실시예 4)

(LED 발광 부재의 제조예)

실시예 1에서 얻어진 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체와 95％ Al-4％ Cu-1％ Mg의 조성, 두께 0.3㎜의 합금으로 이루어진 접합재와 0.4㎜ 두께의 Al 회로를 이 순서대로 적층하여 1조로 하고, 스페이서를 통해 10조 포개어 적층했다. 이것을 로 외로부터 유압식의 1축 가압 장치로 카본제의 압봉(押棒)을 통해 알루미늄-흑연 복합체로 이루어진 기판면에 대해서 수직 방향으로 500MPa의 압력으로 가압하면서 4×10^-3Pa의 진공 중(배치로) 610℃에서 10분간 가열을 실시하고, 접합하여 알루미늄-흑연 복합체 회로 기판으로 했다. 다음에, 특정 회로 상에 백색 솔더 레지스트(PSR4000-LEW1：타이요 잉크사제)를 스크린으로 도포 후, UV 경화시켰다. 또한, 전해 구리박 노출 부분 상에 절연된 LED 칩(1㎟)을 Ag 페이스트로 접착시켜 도 1에 나타내는 LED 발광 부재를 얻었다.

( 실시예 5~19, 비교예 1~3)

실시예 1에서 제작한 200㎜×200㎜×250㎜ 형상의 알루미늄-흑연 복합체를 고정하고, 멀티 와이어 소(타카토리사제；MWS-612SD)로 알루미늄-흑연 복합체의 200㎜×200㎜의 면과 평행한 절단면이 되도록 표 4의 가공 조건으로 절단 가공을 실시했다. 얻어진 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체의 판 두께 및 표면 거칠기(Ra)를 표 5에 나타낸다. 또한, 비교예 1은 절단 가공시에 와이어 끊김이 빈발해 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체를 얻을 수 없었다.

( 실시예 20~26, 비교예 4)

표 6에 나타내는 각종 등방성 흑연 재료(실시예 20~26) 및 압출 흑연 재료(비교예 4)를 200㎜×250㎜×150㎜의 직방체 형상으로 가공하고, 실시예 1과 동일하게 하여 알루미늄-흑연 복합체를 제작했다. 얻어진 알루미늄-흑연 복합체는 실시예 1과 동일하게 하여 특성 평가를 실시했다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

( 실시예 27~33, 비교예 5)

실시예 1에서 이용한 200㎜×200㎜×250㎜ 형상의 등방성 흑연 재료를 흑연 이형제를 도포한 판 두께 12㎜의 철판으로 사이에 두고 M10의 볼트·너트로 연결해 적층체로 했다. 얻어진 적층체는 표 8에 나타내는 조건 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 등방성 흑연 재료에 알루미늄 합금을 함침시켜 알루미늄-흑연 복합체를 제작했다. 얻어진 복합체는 함침시의 일그러짐 제거를 위해 온도 500℃에서 2시간의 어닐 처리를 실시한 후, 실시예 1과 동일한 수법으로 평가를 실시했다. 그 결과를 표 9에 나타낸다.

( 실시예 34)

실시예 2의 재료를 와이어 간격을 6.3㎜로 한 것 이외에는 실시예 2와 동일하게 하여 멀티 와이어 소로 판 두께 6㎜의 판 모양의 알루미늄-흑연 복합체로 절단 가공했다. 얻어진 알루미늄-흑연 복합체는 머시닝 센터(machining center)에서 초강의 엔드 밀(hard metal end mill)을 이용하여 한면을 5㎜ 간격으로 폭 2㎜, 높이 5㎜의 핀 형상으로 가공했다.

실시예 1과 동일한 수법으로 핀 형상 비형성면에 절연되어 있지 않은 LED 칩을 접착해 도 1에 나타내는 구조의 LED 발광 부재를 얻었다. 또, 절연되어 있는 LED 칩(1㎟)을 Ag 페이스트로 접착시켜 도 3에 나타내는 구조의 LED 발광 부재를 얻었다.

( 실시예 35, 36)

실시예 1의 판 모양으로 가공한 알루미늄-흑연 복합체(200㎜×200㎜×1.2㎜)를 물로 초음파 세정한 후, 막 두께 3㎛의 무전해 Ni-P 도금 처리를 행했다. 실시에 35는 무전해 Ni-P 도금 후에, 막 두께 1㎛의 무전해 Ni-B 도금을 실시하고, 실시예 36은 무전해 Ni-P 도금 후에, 막 두께 1㎛의 무전해 Au 도금을 실시해 알루미늄 흑연 복합체의 표면에 도금층을 형성했다. 얻어진 도금품은 육안으로 확인되는 핀 홀은 없고 양호했다. 또, 도금면에 플럭스를 도포한 후, 납/주석의 공정은 납땜에 침지했다. 도금면은 99％ 이상이 납땜으로 젖어 있었다.

실시예 3과 동일한 수법으로, 절연되어 있는 LED 칩(㎟)을 Ag 페이스트로 접착시켜 도 2에 나타내는 구조의 LED 발광 부재를 얻었다.

1　기판
2　LED 칩
3　금속 회로
4　절연층
5　솔더 레지스트
6　층간 접속 돌기
7　활성 금속 접합제층

Claims

3 ~ 20 질량 %의 규소를 함유하는 알루미늄 합금을 기공율이 10 ~ 20 부피 %의 코크스계 흑연을 원료로 하는 등방성 흑연 재료 중에 용탕 단조에 의해 함침시키고, 알루미늄-흑연 복합체의 표면 거칠기(Ra)가 0.1~3㎛, 온도 25℃의 열전도율이 150~300W/mK, 직교하는 3방향의 열전도율의 최대값/최소값이 1~1.3, 온도 25℃~150℃의 열팽창 계수가 4×10^-6~7.5×10^-6/K, 직교하는 3방향의 열팽창 계수의 최대값/최소값이 1~1.3, 또한 3점 휨 강도가 50~150MPa인 알루미늄-흑연 복합체를 멀티 와이어 소(multi-wire saw)를 이용하여 하기 (1)~(4)의 조건：
(1) 접합하는 지립이 다이아몬드, C-BN, 탄화규소, 알루미나로부터 선택되는 1종 이상으로 평균 입자 지름이 10~100㎛,
(2) 와이어 선 지름이 0.1~0.3㎜,
(3) 와이어 이송 속도가 100~700m/분,
(4) 절삭 속도(cutting rate)가 0.1~2㎜/분,
하에 두께 0.5~3㎜의 판 모양으로 가공하는 기판의 제조 방법.
청구항 1에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 기판을 가지는 방열 부품.
청구항 2에 있어서,
기판의 1주면이 핀 형상으로 가공된 방열 부품.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
기판에 구멍 가공이 실시된 방열 부품.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
기판의 표면에 도금층이 형성된 방열 부품.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
기판의 1주면 및/또는 양주면에 절연층을 통해 금속 회로가 형성된 방열 부품.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
기판의 1주면 및/또는 양주면에 활성 금속 접합제층을 통해 금속 회로가 형성된 방열 부품.
청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 방열 부품에서의 기판의 1주면 및 양주면 중 적어도 어느 하나에 직접 LED 베어 칩 및 LED 패키지 중 적어도 어느 하나를 탑재한 발광 부재.
청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 방열 부품에서의 기판의 1주면 및 양주면 중 적어도 어느 하나의 면 상에 형성된 절연층, 활성 금속 접합제층 및 금속 회로 상 중 적어도 어느 하나에 LED 베어 칩 및 LED 패키지 중 적어도 어느 하나를 탑재한 발광 부재.