JP7585384B2 - Graphene metal composite material, target and electromagnetic wave prevention package parts - Google Patents
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Description
本発明は、グラフェン金属複合材料に関し、特にグラフェン金属複合材料並びにそれで構成されたターゲット及び電磁波防止パッケージ部品に関する。 The present invention relates to a graphene metal composite material, and in particular to a graphene metal composite material and a target and an electromagnetic wave protection package part made therefrom.
電子部品が小型化と共に高出力、高周波及び低消費電力が要求されているので、従来の材料ではそれを満足できない状況が徐々に多くなる。 As electronic components become smaller and require higher output, higher frequency, and lower power consumption, there are an increasing number of situations where conventional materials are unable to meet these demands.
常用の導電材料、例えば、銅、金、銀は、小型化の要求において、ワイヤとして使用される場合、径長をより小さくすることが要求されるが、径長が小さいほど電気抵抗が高くなるので、電気伝導率及び物性に影響しない範囲内での径長の縮小は、すでに限界に近い。 When commonly used conductive materials such as copper, gold, and silver are used as wires to meet the demands of miniaturization, their diameters must be made smaller. However, the smaller the diameter, the higher the electrical resistance, so there is already a limit to how much the diameter can be reduced without affecting electrical conductivity and physical properties.
そして、グラフェン(graphene)は、優れた機械的性質、熱伝導率及び電気伝導率を有するので、強度の強化、導電または導熱の複合材料における強化材料として多く使用されている。 And because graphene has excellent mechanical properties, thermal conductivity and electrical conductivity, it is widely used as a reinforcing material in composite materials for strength enhancement, electrical conductivity or thermal conductivity.
しかし、グラフェンはその構造上、グラフェンの層の間でファンデルワールス力(van der Walls force)によって上下に結び付き、且つ、グラフェンは金属との親和性(compatibility)が悪いので、強化材料であるグラフェンを金属に分散することが難しい。従って、グラフェンの分散は、グラフェン金属複合材料の課題の一つである。 However, due to its structure, the layers of graphene are bound together vertically by van der Waals forces, and graphene has poor compatibility with metals, making it difficult to disperse the reinforcing material, graphene, in metal. Therefore, dispersing graphene is one of the challenges in graphene-metal composite materials.
例えば、特許文献1には、グラフェンを銅に分散する方法が開示され、特許文献2には、グラフェンをアルミニウムに分散する方法が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a method for dispersing graphene in copper, and Patent Document 2 discloses a method for dispersing graphene in aluminum.
本発明は、優れた分散性を有するグラフェン金属複合材料を提供する。 The present invention provides a graphene metal composite material with excellent dispersibility.
上記目的を達成すべく、本発明は、複数枚のグラフェン及び金属を主成分として構成されており、
前記複数枚のグラフェンは、前記金属の結晶格子の間に分散して配列されており、且つ、少なくとも一部の前記グラフェンの間が共有結合でボンディングされており、
全体において、
酸素含有量は、10ppm以下にあり、また、
総重量を100wt%として、前記グラフェンの含有量は、3wt%以下にあることを特徴とするグラフェン金属複合材料を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
the plurality of graphene sheets are dispersed and arranged among the crystal lattice of the metal, and at least some of the graphene sheets are bonded together by covalent bonds;
Overall,
The oxygen content is less than 10 ppm.
The present invention provides a graphene metal composite material, characterized in that the graphene content is 3 wt % or less, with the total weight being 100 wt %.
また、本発明は、上記のグラフェン金属複合材料により構成されていることを特徴とするターゲットを提供する。 The present invention also provides a target that is characterized by being composed of the above-mentioned graphene metal composite material.
また、本発明は、電気回路を有する基板と、
前記基板と電気的に接続されるように前記基板に設置されている電子部品と、
前記電子部品を包んでいる封止剤層と、
上記のグラフェン金属複合材料により構成されている電磁波防止層と、
ステンレス鋼により構成されている保護層と、を備えることを特徴とする電磁波防止パッケージ部品を提供する。
The present invention also provides a semiconductor device comprising: a substrate having an electric circuit;
an electronic component disposed on the substrate so as to be electrically connected to the substrate;
an encapsulant layer encapsulating the electronic component;
an electromagnetic wave prevention layer made of the graphene metal composite material;
and a protective layer made of stainless steel.
上記の構成により、本発明のグラフェン金属複合材料は、複数枚のグラフェン及び金属を主成分として構成されており、前記複数枚のグラフェンは、前記金属の結晶格子の間に分散して配列されており、且つ、少なくとも一部の前記グラフェンの間が共有結合でボンディングされており、全体において、酸素含有量は、10ppm以下にあるので、本発明のグラフェン金属複合材料は、構造の欠陥が少なく、安定性が優れ、それで優れた電気伝導率、優れた酸化防止性及び優れた電磁波防止効果を有する。 With the above configuration, the graphene metal composite material of the present invention is composed mainly of multiple graphene sheets and metal, the multiple graphene sheets are dispersed and arranged among the crystal lattice of the metal, and at least some of the graphene sheets are bonded together by covalent bonds. The oxygen content in the entire material is 10 ppm or less, so the graphene metal composite material of the present invention has few structural defects and excellent stability, and therefore has excellent electrical conductivity, excellent oxidation resistance, and excellent electromagnetic wave prevention effect.
それにより、本発明のグラフェン金属複合材料により構成されたターゲットは、酸化しにくく且つ電気伝導率が高いコーティング膜の形成に使用でき、また、本発明のグラフェン金属複合材料により構成された電磁波防止パッケージ部品は、製造プロセスが簡単の上、優れた電磁波防止効果を有する。 As a result, a target made of the graphene metal composite material of the present invention can be used to form a coating film that is resistant to oxidation and has high electrical conductivity, and an electromagnetic wave protection package part made of the graphene metal composite material of the present invention has a simple manufacturing process and excellent electromagnetic wave protection effect.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳しく説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
本発明のグラフェン金属複合材料は、複数枚のグラフェン及び金属により実質的に、即ち複数枚のグラフェン及び金属を主成分として構成されている。 The graphene metal composite material of the present invention is essentially composed of multiple graphene sheets and metal, i.e., is composed mainly of multiple graphene sheets and metal.
前記複数枚のグラフェンは、前記金属の結晶格子の間に分散して配列されており、且つ、少なくとも一部の前記グラフェンの間が共有結合でボンディングされており、少なくとも一部の前記グラフェンと前記金属との間にボンディングがある。 The graphene sheets are arranged in a dispersed manner among the crystal lattice of the metal, and at least some of the graphene sheets are bonded together by covalent bonds, and at least some of the graphene sheets are bonded to the metal.
前記グラフェン金属複合材料は、酸素含有量が10ppm以下にあり、総重量を100wt%として、前記グラフェンの含有量は、3wt%以下にある。 The graphene metal composite material has an oxygen content of 10 ppm or less, and the graphene content is 3 wt% or less, with the total weight being 100 wt%.
前記金属は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)、または錫(Sn)である。 The metal is copper (Cu), aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), or tin (Sn).
グラフェンの比重は非常に小さいので、グラフェン金属複合材料において、グラフェンの含有量が3wt%を超えると、グラフェンが集合して分散しにくくなり、また、グラフェンの含有量が低すぎると、複合材料を強化する効果が現れにくくなる。 Since the specific gravity of graphene is very small, if the graphene content in a graphene metal composite exceeds 3 wt%, the graphene aggregates and becomes difficult to disperse, and if the graphene content is too low, the effect of strengthening the composite material is not easily achieved.
好ましくは、グラフェン金属複合材料の総重量を100wt%として、グラフェンの含有量は、0.02wt%~0.5wt%の範囲にあり、より好ましくは、グラフェン金属複合材料の総重量を100wt%として、グラフェンの含有量は、0.02wt%~0.3wt%の範囲にある。 Preferably, the graphene content is in the range of 0.02 wt% to 0.5 wt% when the total weight of the graphene metal composite material is 100 wt%, and more preferably, the graphene content is in the range of 0.02 wt% to 0.3 wt% when the total weight of the graphene metal composite material is 100 wt%.
前記グラフェン金属複合材料の熱伝導率は、460W/mK以上にある。 The thermal conductivity of the graphene metal composite material is 460 W/mK or more.
以下、本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法を説明する。 The method for producing the graphene metal composite material of the present invention is described below.
先ず、ステップAを行う。ステップAにおいて、金属粉末と、改質グラフェン粉末と、接着剤(binder)とを混合して複合粉末原料を得る。 First, step A is performed. In step A, a metal powder, a modified graphene powder, and a binder are mixed to obtain a composite powder raw material.
該金属粉末は、銅、アルミニウム、金、銀、プラチナ、パラジウム、または錫などの金属の粉末であり得る。 The metal powder can be a powder of a metal such as copper, aluminum, gold, silver, platinum, palladium, or tin.
該改質グラフェン粉末は、表面改質された複数枚のグラフェンを含む。 The modified graphene powder contains multiple graphene sheets that have been surface-modified.
該改質グラフェン粉末の添加量は、添加される該金属粉末の重量の0.02%~3%の範囲である。 The amount of modified graphene powder added is in the range of 0.02% to 3% of the weight of the metal powder added.
グラフェンの表面改質に使用する基は、酸素、窒素などの官能基を含有する基であり得る。 The groups used to modify the surface of graphene can be groups containing functional groups such as oxygen, nitrogen, etc.
一部の実施形態において、該基は、脂肪酸から選ばれたものであり、例えばステアリン酸が挙げられる。 In some embodiments, the group is selected from fatty acids, such as stearic acid.
該接着剤の添加量は、添加される該改質グラフェン粉末の重量の0.1%~10%の範囲である。 The amount of adhesive added ranges from 0.1% to 10% of the weight of the modified graphene powder added.
該接着剤は、自身の総重量を100wt%として、5wt%~20wt%の範囲にある分散剤と、0.5wt%~2wt%の範囲にあるカップリング剤(coupling agent)と、残余である蝋または低分子量熱可塑性重合物とを含む。 The adhesive contains, with its total weight being 100 wt%, 5 wt% to 20 wt% of dispersant, 0.5 wt% to 2 wt% of coupling agent, and the remainder being wax or low molecular weight thermoplastic polymer.
該分散剤は、メチルペンタノール(methylpentanol)、ポリアクリルアミド(polyacrylamide)、またはポリエチレングリコール脂肪酸(polyethylene glycol fatty acid)であり得る。 The dispersant can be methylpentanol, polyacrylamide, or polyethylene glycol fatty acid.
該カップリング剤は、チタン酸エステル(titanic acid ester)または有機クロム化合物(organic chromium compound)から選ばれる。 The coupling agent is selected from a titanic acid ester or an organic chromium compound.
該蝋は、パラフィン、マイクロクリスタリンワックス(microcrystalline wax)であり得る。 The wax may be paraffin or microcrystalline wax.
該低分子量熱可塑性重合物は、アクリルなどであり得る。 The low molecular weight thermoplastic polymer may be acrylic, etc.
チタン酸エステル及び有機クロム化合物は、周辺電子に対する結合力(bonding force)が強い上、チタン酸エステルは、軽いという利点があり、有機クロム化合物(有機クロム配位化合物)は、側鎖を有するのでボンディングをより多く形成できる。 Titanate esters and organic chromium compounds have strong bonding force with surrounding electrons, and titanate esters have the advantage of being lightweight, while organic chromium compounds (organic chromium coordination compounds) have side chains, allowing more bonding to be formed.
従って、必要に応じて適切なカップリング剤(チタン酸エステルまたは有機クロム化合物)を選択でき、改質グラフェン粉末と、金属粉末との間のボンディング強度を強化できて、少なくとも一部の前記グラフェンと前記金属との間にボンディングが生じることができる。 Therefore, an appropriate coupling agent (titanate ester or organic chromium compound) can be selected as needed, and the bonding strength between the modified graphene powder and the metal powder can be enhanced, and bonding can occur between at least a portion of the graphene and the metal.
分散剤及び蝋は、改質されたグラフェンの分散及び分散後の改質されたグラフェンの安定化を向上させることができる。 Dispersants and waxes can improve the dispersion of the modified graphene and the stabilization of the modified graphene after dispersion.
詳しく説明すると、ステップAでは、金属粉末と、改質グラフェン粉末と、接着剤とを、混練(kneading)、遊星式攪拌(planetary stirrer)または遊星ボールミル(planetary ball mill)などの方法で混合すると共に、混合中にグラフェンとグラフェンの表面改質に使用する基との間のボンディングを切断できる熱が生じるように制御し、それにより、混合中に、該表面改質に使用する基とグラフェンとの間のボンディングが熱を吸収した後ボンディングが切断されて、該表面改質に使用する基がグラフェンから離脱する。 To explain in more detail, in step A, the metal powder, the modified graphene powder, and the adhesive are mixed by a method such as kneading, a planetary stirrer, or a planetary ball mill, and heat capable of breaking the bond between the graphene and the group used for surface modification of the graphene is generated during mixing, so that the bond between the group used for surface modification and the graphene absorbs heat during mixing, and then the bond is broken, and the group used for surface modification is detached from the graphene.
また、グラフェン中のボンディングが切断された炭素原子は、他のグラフェン中のボンディングが切断された炭素原子とボンディングすることができると共に、カップリング剤により、ボンディングが切断されたグラフェンと金属粉末との間でのボンディングが促進され、それにより、少なくとも一部のグラフェンが、互いに平面状に接続され且つ金属粉末を幾重にも包んで、複合粉末原料を構成する。 In addition, carbon atoms in graphene where bonds have been broken can bond with carbon atoms in other graphene where bonds have been broken, and the coupling agent promotes bonding between the graphene where bonds have been broken and the metal powder, so that at least some of the graphene are connected to each other in a planar manner and wrap the metal powder in multiple layers to form a composite powder raw material.
そして、ステップBを行う。ステップBでは、該複合粉末原料を型に置き、真空ホットプレス焼結(vacuum hot pressing sintering)方法で、該複合粉末原料中の金属粉末を溶融し互いに合わさって1つの金属体にすると共に、少なくとも一部のグラフェンが共有結合により立体網状になって該金属体内でボンディングされるようになる。同時に、焼結の高温で接着剤、離脱した表面改質に使用する基などの有機物を気化して除去することにより、グラフェン金属複合材料の半製品が得られる。 Then, step B is carried out. In step B, the composite powder raw material is placed in a mold, and the metal powders in the composite powder raw material are melted and combined into a single metal body by a vacuum hot pressing sintering method, and at least a part of the graphene is bonded within the metal body in a three-dimensional network shape by covalent bonds. At the same time, the adhesive, the detached organic substances such as the groups used for surface modification are vaporized and removed at the high temperature of sintering, and a semi-finished graphene metal composite material is obtained.
真空ホットプレス焼結の温度は、金属粉末の種類に応じて変えることができ、加圧且つ真空の状況で焼結するので、より低い温度で焼結することができる。 The temperature for vacuum hot press sintering can be varied depending on the type of metal powder, and since sintering is performed under pressure and vacuum conditions, sintering can be performed at a lower temperature.
金属粉末が銅粉末である例において、ステップBでは、700℃で真空ホットプレス焼結を行うことができる。 In an example where the metal powder is copper powder, step B can involve vacuum hot press sintering at 700°C.
グラフェンは、溶融せずまた沸点が該金属及び該有機物の沸点より遥かに高いので、焼結中に破壊されない一方、有機不純物(例えばグラフェンの表面改質に使用する基、接着剤など)の大半が気化されて除去される。 Graphene does not melt and has a boiling point much higher than the boiling points of the metals and organics, so it is not destroyed during sintering, while most of the organic impurities (e.g., groups used to modify the graphene surface, adhesives, etc.) are vaporized and removed.
従って、ステップBで得られたグラフェン金属複合材料の半製品は、実質的にグラフェン及び金属のみを含む。且つ、グラフェンは、金属体に均一に分散されている。 The graphene metal composite semi-finished product obtained in step B therefore contains substantially only graphene and metal. Moreover, the graphene is uniformly dispersed in the metal body.
グラフェンの各炭素原子は、自身のsp2結合により蜂の巣のような六角形格子構造を構成してシート状になるので、焼結後、グラフェンは、金属の結晶格子の原子の間に分散して配列されるようになり、且つ、少なくとも一部のグラフェンの間が共有結合でボンディングされるので、安定性が高いグラフェン金属複合材料の半製品を得られる。 Each carbon atom of graphene forms a honeycomb-like hexagonal lattice structure through its own sp2 bond to form a sheet. After sintering, the graphene is dispersed and arranged among the atoms of the metal crystal lattice, and at least some of the graphene is bonded together by covalent bonds, resulting in a semi-finished graphene metal composite material with high stability.
そして、ステップCを行う。ステップCでは、該グラフェン金属複合材料の半製品を真空製錬(smelting)してグラフェン金属複合材料を得る。 Then, step C is performed. In step C, the graphene metal composite semi-finished product is vacuum smelted to obtain the graphene metal composite.
ステップA及びステップBを行った後の時点では、他のグラフェンとボンディングしていないまたは金属とボンディングしていないグラフェンのグラフェン金属複合材料の半製品における分散は乱雑であるので、真空製錬でグラフェン金属複合材料の半製品を溶融して液状にすることにより、分散が乱雑なグラフェンを金属に均一に分散させることができる。 After steps A and B have been performed, the graphene that is not bonded to other graphene or to the metal is randomly dispersed in the semi-finished graphene metal composite material. Therefore, by melting the semi-finished graphene metal composite material by vacuum smelting to make it liquid, the randomly dispersed graphene can be uniformly dispersed in the metal.
また、金属粉末内に不純物として存在する金属酸化物は、真空製錬により金属に還元できるので、最終的に得られたグラフェン金属複合材料の酸素含有量が10ppm以下となり得る。 In addition, metal oxides present as impurities in the metal powder can be reduced to metal by vacuum smelting, so the oxygen content of the final graphene metal composite material can be 10 ppm or less.
従って、本発明の製造方法により製造されたグラフェン金属複合材料は、複数枚のグラフェン及び金属を主成分として構成され、そして元の金属材料より優れた熱伝導率及び電気伝導率を有する上、特に優れた酸化防止性を更に有する。 The graphene metal composite material produced by the manufacturing method of the present invention is composed mainly of multiple graphene sheets and metal, and has superior thermal conductivity and electrical conductivity to the original metal material, and also has particularly excellent oxidation resistance.
この実施形態において、真空製錬は、窒素雰囲気において1300℃に加熱する条件で行う。 In this embodiment, vacuum smelting is performed under conditions of heating to 1300°C in a nitrogen atmosphere.
また、真空製錬中に金属粉末内の該金属酸化物が更に還元されるので、本発明に使用する金属の原料は、高純度の無酸素金属(例えば無酸素銅)を使用する必要がなく、一般の金属を原料として使用して、本発明のグラフェン金属複合材料を得られる。 In addition, since the metal oxides in the metal powder are further reduced during vacuum smelting, the metal raw material used in the present invention does not need to be a high-purity oxygen-free metal (e.g., oxygen-free copper), and the graphene metal composite material of the present invention can be obtained using ordinary metals as raw materials.
更に、本発明のグラフェン金属複合材料の製造方法において、ステップBの前に、ステップB’を行うことができる。ステップB’では、低温で蝋を除去して脱蝋半製品を得る。該脱蝋半製品がステップB及びステップCを経ることによっても、同じく本発明のグラフェン金属複合材料を得られる。 Furthermore, in the method for producing a graphene metal composite material of the present invention, step B' can be carried out before step B. In step B', wax is removed at a low temperature to obtain a dewaxed semi-finished product. The graphene metal composite material of the present invention can also be obtained by subjecting the dewaxed semi-finished product to steps B and C.
より詳しく説明すると、ステップB’では、ステップAで得られた複合粉末原料を加熱して、該複合粉末原料を液体混合材料に形成する。そして、該液体混合材料を型に置き、冷間成形(cold forming)で該液体混合材料を固化して素地(green body)とする。そして、該素地に対して脱バインダ工程(debinding process)を行って、該素地中の接着剤を除去して脱蝋半製品に形成する。 In more detail, in step B', the composite powder raw material obtained in step A is heated to form the composite powder raw material into a liquid mixed material. The liquid mixed material is then placed in a mold and solidified into a green body by cold forming. A debinding process is then performed on the green body to remove the adhesive in the green body and form it into a dewaxed semi-finished product.
より具体的に説明すると、脱バインダ工程は、140℃~170℃での熱脱蝋(thermal debinding)により該素地を熱処理する。該熱脱蝋の熱処理は、不活性ガスをフロー媒体(flow medium)として、加熱して該素地内の接着剤を熱分解(pyrolysis)して気化し、フロー媒体で該素地外に排出することにより、該素地中の接着剤が除去されて、脱蝋半製品が得られる。 More specifically, the debinding process involves heat-treating the base material by thermal dewaxing at 140°C to 170°C. In this thermal dewaxing process, an inert gas is used as a flow medium to heat the base material, causing the adhesive in the base material to undergo pyrolysis and vaporize, and the adhesive is then removed from the base material by the flow medium, resulting in the dewaxed semi-finished product.
また、熱脱蝋の熱処理の温度は、金属粉末の融点より低く、接着剤の融点または沸点より高い温度が好ましい。140℃~170℃に加熱すると、グラフェンは、溶融せず且つ沸点が該金属及び該接着剤の沸点より遥かに高いので、熱処理中に構造が破壊されない。 The temperature of the heat treatment for thermal dewaxing is preferably lower than the melting point of the metal powder and higher than the melting point or boiling point of the adhesive. When heated to 140°C to 170°C, graphene does not melt and its boiling point is much higher than the boiling points of the metal and the adhesive, so the structure is not destroyed during the heat treatment.
本発明のグラフェン金属複合材料は、ワイヤ、フィルムにすることができ、またはコーティング用のターゲットにすれば、酸化しにくく且つ電気伝導率が高い導電コーティング膜を形成することができるので、様々な分野に利用できる。 The graphene metal composite material of the present invention can be made into wires or films, or used as a coating target to form a conductive coating film that is resistant to oxidation and has high electrical conductivity, making it applicable to a variety of fields.
以下、各具体例及び比較例で、本発明のグラフェン金属複合材料の特性を説明する。
具体例
具体例では、100g(100wt%)の銅粉末(三井金属アクト株式会社、型番:MA-CC-S)と、3g(銅粉末の重量の3wt%)の改質グラフェン粉末(台湾EnerAge Inc.、型番:P-PG20)とを使用して、上記のグラフェン金属複合材料の製造方法によりグラフェン銅複合材料を製造した。
Hereinafter, the characteristics of the graphene metal composite material of the present invention will be described with reference to each specific example and comparative example.
In a specific example, a graphene copper composite was produced by the above-mentioned method for producing a graphene metal composite using 100 g (100 wt %) of copper powder (Mitsui Kinzoku Ato Co., Ltd., model number: MA-CC-S) and 3 g (3 wt % of the weight of the copper powder) of modified graphene powder (EnerAge Inc., Taiwan, model number: P-PG20).
具体例のグラフェン銅複合材料は、酸素・窒素・水素分析装置(型番:EMGA 930)でASTM E2575-19に基づいて測定された。その結果、該グラフェン銅複合材料の酸素含有量は、6.0ppmであり、無酸素銅(OFC)の酸素含有量(0.003%未満)より遥かに低い。
比較例
比較例では、100g(100wt%)の銅粉末(三井金属アクト株式会社、型番:MA-CC-S)と、3g(銅粉末の重量の3wt%)の改質グラフェン粉末(台湾EnerAge Inc.、型番:P-PG20)とを使用して、上記のグラフェン金属複合材料の製造方法のステップA及びステップBのみを行って、グラフェン銅複合材料を製造した。
The graphene copper composite of the specific example was measured using an oxygen, nitrogen and hydrogen analyzer (model: EMGA 930) according to ASTM E2575-19, and the oxygen content of the graphene copper composite was found to be 6.0 ppm, which is much lower than the oxygen content of oxygen-free copper (OFC) (less than 0.003%).
Comparative Example In the comparative example, a graphene copper composite material was produced by carrying out only steps A and B of the above-mentioned graphene metal composite material production method using 100 g (100 wt %) of copper powder (Mitsui Kinzoku Ato Co., Ltd., model number: MA-CC-S) and 3 g (3 wt % of the weight of the copper powder) of modified graphene powder (EnerAge Inc., Taiwan, model number: P-PG20).
具体例及び比較例のグラフェン銅複合材料を圧延(rolling)して100mm×60mm×0.2mm(長さ×幅×厚さ)のシートにして、該各シートの表面から5つの点(T1~T5)を取って電気伝導率(%IACS)の測定を行った。電気伝導率の測定結果は表1に示される。 The graphene copper composite materials of the specific examples and comparative examples were rolled into sheets of 100 mm x 60 mm x 0.2 mm (length x width x thickness), and the electrical conductivity (% IACS) was measured at five points (T1 to T5) on the surface of each sheet. The electrical conductivity measurement results are shown in Table 1.
電気伝導率(%IACS)は、国際的に採択された焼鈍標準軟銅の電気伝導率を、100%IACS(international annealed copper standard)として、公式(σ/58.0×100%)で算出された。σは、体積抵抗率である。 The electrical conductivity (%IACS) was calculated using the formula (σ/58.0 x 100%), with the electrical conductivity of the internationally adopted annealed standard soft copper set at 100% IACS (international annealed copper standard). σ is the volume resistivity.
表1の結果によれば、ステップBの焼結で得られた一般のグラフェン金属複合材料と比べて、ステップCの製錬を行った本発明のグラフェン金属複合材料は、より優れた電気伝導率を有するのみならず、より優れた導電の均一性を有する。 According to the results in Table 1, compared with the general graphene metal composite material obtained by sintering in step B, the graphene metal composite material of the present invention obtained by smelting in step C not only has a better electrical conductivity but also has a better uniformity of electrical conductivity.
表2において、市販の6N OFC(無酸素銅)及び具体例のグラフェン金属複合材料(表2ではG-Cuで示される)のそれぞれから作成した径長(diameter)1.2milのワイヤの電気伝導率(electrical conductivity)、破壊強さ(break strength、BS)、伸長強さ(elongation strength)、ヤング係数(Young’s module)、降伏強さ(yield strength)、最大抗張力(ultimate tensile strength、UTS)、靱性(toughness) 及び最大負荷(maximum load)の測定結果が示される。 Table 2 shows the electrical conductivity, break strength (BS), elongation strength, Young's modulus, yield strength, ultimate tensile strength (UTS), toughness, and maximum load of 1.2 mil diameter wires made from commercially available 6N OFC (oxygen-free copper) and the specific example graphene metal composite (represented as G-Cu in Table 2).
そして、具体例のグラフェン金属複合材料を、径長が異なるワイヤに作成して、各ワイヤの抵抗(resistance)、破壊荷重(break load)、伸長率(elongation)、引張強度(tensile strength)及び電気伝導率(electrical conductivity)を測定した。その測定結果は表3に示される。 The graphene metal composite material of the specific example was then made into wires of different diameters, and the resistance, break load, elongation, tensile strength, and electrical conductivity of each wire were measured. The measurement results are shown in Table 3.
表2に示されるように、同じ径長の条件において、具体例のグラフェン金属複合材料で作成されたワイヤの電気伝導率は、明らかに純銅(6N OFC)で作成されたワイヤの電気伝導率より優れた。 As shown in Table 2, under the same diameter length conditions, the electrical conductivity of the wire made from the specific example graphene metal composite material was clearly superior to the electrical conductivity of the wire made from pure copper (6N OFC).
表3に示されるように、具体例のグラフェン金属複合材料で作成されたワイヤは、径長が小さいほど電気伝導率が高く、且つ径長が0.05mm以下である時の電気伝導率が銀の電気伝導率(105%IACS)より高く、それは、本発明のグラフェン金属複合材料が優れた電気伝導率を有することを示す。 As shown in Table 3, the wire made from the graphene metal composite of the specific example has a higher electrical conductivity as the diameter length is smaller, and when the diameter length is 0.05 mm or less, the electrical conductivity is higher than that of silver (105% IACS), which indicates that the graphene metal composite of the present invention has excellent electrical conductivity.
また、以下の実施例で本発明のグラフェン金属複合材料を電磁波を防止できる電磁波防止パッケージ部品に適用することを説明する。 In addition, the following examples will explain how the graphene metal composite material of the present invention can be used to create electromagnetic wave protection packaging components that can block electromagnetic waves.
図1に示されるように、電磁波防止パッケージ部品は、基板31と、ワイヤ321により基板31と電気的に接続されるように基板31に設置されている電子部品32と、電子部品32を包んでいる封止剤層33と、封止剤層33を覆うように形成されている電磁波防止層34と、電磁波防止層34に被布している保護層35とを備える。 As shown in FIG. 1, the electromagnetic wave protection package component includes a substrate 31, an electronic component 32 mounted on the substrate 31 so as to be electrically connected to the substrate 31 by a wire 321, a sealant layer 33 encasing the electronic component 32, an electromagnetic wave protection layer 34 formed to cover the sealant layer 33, and a protective layer 35 covering the electromagnetic wave protection layer 34.
基板31は、電気回路を有する回路基板である。 Substrate 31 is a circuit board having an electrical circuit.
封止剤層33は、高分子材料、例えばエポキシ樹脂により構成されている。 The sealant layer 33 is made of a polymeric material, such as an epoxy resin.
電磁波防止層34は、本発明のグラフェン金属複合材料により構成されており、この実施例において、電磁波防止層34は、上記の具体例のグラフェン金属複合材料により構成されている。 The electromagnetic wave prevention layer 34 is made of the graphene metal composite material of the present invention, and in this embodiment, the electromagnetic wave prevention layer 34 is made of the graphene metal composite material of the specific example above.
保護層35は、ステンレス鋼により構成されている
図2は、電磁波防止パッケージ部品のそれぞれ異なる周波数に対する電磁波シールド効果(shielding effectiveness、SE)の測定結果を示すグラフである。
The protective layer 35 is made of stainless steel. FIG. 2 is a graph showing the results of measurements of the electromagnetic shielding effectiveness (SE) of an electromagnetic wave protection package component at different frequencies.
電磁波シールド効果(単位:db)は、以下のように定義される。 The electromagnetic shielding effectiveness (unit: dB) is defined as follows:
入射波(b)が材料により遮蔽された後一部が透過波(a)となるが、その際、該材料の電磁波シールド効果(SE)は、下式により算出される。
SE=10×log(Pb/Pa)
P:エネルギー場(energy field)強度(Watts/m)。
After an incident wave (b) is shielded by a material, a portion of it becomes a transmitted wave (a). In this case, the electromagnetic shielding effectiveness (SE) of the material is calculated by the following formula:
SE=10×log(Pb/Pa)
P: energy field strength (Watts/m).
図2に示されるように、実施例1は、グラフェン金属複合材料を使用して電磁波防止層34を構成したものであり、図1に示される電磁波防止パッケージ部品の構造(封止剤層33/電磁波防止層34(4μm)/ステンレス鋼保護層35(0.6μm))を有する。 As shown in FIG. 2, Example 1 uses a graphene metal composite material to form an electromagnetic wave prevention layer 34, and has the structure of the electromagnetic wave prevention package part shown in FIG. 1 (sealant layer 33/electromagnetic wave prevention layer 34 (4 μm)/stainless steel protective layer 35 (0.6 μm)).
実施例2は、封止剤層33と電磁波防止層34との間にステンレス鋼中間層(封止剤層33/ステンレス鋼中間層(0.6μm)/電磁波防止層34(4μm)/ステンレス鋼保護層35(0.6μm))を更に有する以外、実施例1と類似している。 Example 2 is similar to Example 1, except that it further has a stainless steel intermediate layer between the sealant layer 33 and the electromagnetic wave prevention layer 34 (sealant layer 33/stainless steel intermediate layer (0.6 μm)/electromagnetic wave prevention layer 34 (4 μm)/stainless steel protective layer 35 (0.6 μm)).
比較例1は、純銅を使用して電磁波防止層34を構成する以外、実施例2と類似している。 Comparative Example 1 is similar to Example 2, except that the electromagnetic wave prevention layer 34 is made of pure copper.
純銅と封止剤層33との密着性が悪いので、従来技術では、純銅を電磁波防止材料として使用する場合には、封止剤層33に純銅の電磁波防止層34を形成する前に、封止剤層33と純銅の電磁波防止層34との中間材料として封止剤層33にステンレス鋼中間層を形成する必要があり、その後、該ステンレス鋼中間層に純銅の電磁波防止層34を形成し、更に純銅の電磁波防止層34にステンレス鋼保護層35を形成する。比較例1の構造はこのようにして得られたものである。 Since the adhesion between pure copper and the sealant layer 33 is poor, in the prior art, when pure copper is used as an electromagnetic wave blocking material, it is necessary to form a stainless steel intermediate layer on the sealant layer 33 as an intermediate material between the sealant layer 33 and the pure copper electromagnetic wave blocking layer 34 before forming the pure copper electromagnetic wave blocking layer 34 on the sealant layer 33, and then form the pure copper electromagnetic wave blocking layer 34 on the stainless steel intermediate layer, and further form a stainless steel protective layer 35 on the pure copper electromagnetic wave blocking layer 34. The structure of Comparative Example 1 was obtained in this way.
それに対して、本発明のグラフェン金属複合材料を電磁波防止層34として使用する際には、グラフェンで高分子材料との親和性を上げることができて、電磁波防止層34と封止剤層33との密着性が向上するので、封止剤層33に直接に電磁波防止層34を形成することができ、従来技術のように該ステンレス鋼中間層を形成する必要がなくなり、製造プロセスを簡単化できる。 In contrast, when the graphene metal composite material of the present invention is used as the electromagnetic wave prevention layer 34, the graphene can increase the affinity with the polymer material, improving the adhesion between the electromagnetic wave prevention layer 34 and the sealant layer 33. This means that the electromagnetic wave prevention layer 34 can be formed directly on the sealant layer 33, eliminating the need to form the stainless steel intermediate layer as in the conventional technology, and simplifying the manufacturing process.
また、図2によれば、実施例1及び実施例2の電磁波防止効果は、比較例1の電磁波防止効果より優れ、且つ、実施例1は、6GHzにおける電磁波シールド効果が70dbを超えて比較例1の30dbより遥かに優れた。 Furthermore, according to FIG. 2, the electromagnetic wave blocking effect of Examples 1 and 2 is superior to that of Comparative Example 1, and the electromagnetic wave shielding effect of Example 1 at 6 GHz is greater than 70 db, far superior to the 30 db of Comparative Example 1.
即ち、本発明のグラフェン金属複合材料を電磁波防止層34として作成されたパッケージ構造は、従来の構造からステンレス鋼中間層を省略できてより薄く構成でき且つより優れた電磁波防止効果を有する。 In other words, a package structure made using the graphene metal composite material of the present invention as the electromagnetic wave blocking layer 34 can omit the stainless steel intermediate layer from the conventional structure, can be constructed thinner, and has a better electromagnetic wave blocking effect.
上記の内容によれば、本発明のグラフェン金属複合材料は、更に真空製錬を行うことにより得られるので、グラフェンをより金属に均一に分散させることができて、グラフェン金属複合材料の特性が向上する。 According to the above, the graphene metal composite material of the present invention can be obtained by further performing vacuum smelting, so that the graphene can be more uniformly dispersed in the metal, and the properties of the graphene metal composite material are improved.
また、真空製錬の過程において、金属粉末内の金属酸化物は、金属に還元するので、本発明のグラフェン金属複合材料の酸素含有量が10ppm以下になり得、該グラフェン金属複合材料の構造の欠陥を減らすことができて、該グラフェン金属複合材料の電気伝導率、熱伝導率などの特性を上げると共に、より優れた酸化防止性を有する。 In addition, during the vacuum smelting process, the metal oxides in the metal powder are reduced to metal, so that the oxygen content of the graphene metal composite material of the present invention can be 10 ppm or less, which can reduce structural defects of the graphene metal composite material, improve the electrical conductivity, thermal conductivity and other properties of the graphene metal composite material, and provide better oxidation resistance.
本発明のグラフェン金属複合材料を伸ばしてワイヤまたはシートを作成すると、伸ばす過程においてグラフェンの方向性が増加し、金属の結晶格子の間にあるグラフェンと金属との相乗効果が更に向上するので、元の金属材料より優れた電気伝導率、熱伝導率、物理特性などを奏する。 When the graphene metal composite material of the present invention is stretched to produce a wire or sheet, the orientation of the graphene increases during the stretching process, and the synergistic effect between the graphene and the metal between the crystal lattices of the metal is further improved, resulting in superior electrical conductivity, thermal conductivity, and physical properties compared to the original metal material.
そして、本発明のグラフェン金属複合材料を電磁波防止として使用すると、電磁波防止パッケージ部品の製造プロセスを簡単化できる上、純銅より優れた電磁波防止効果を有する。 When the graphene metal composite material of the present invention is used as an electromagnetic wave shield, the manufacturing process for electromagnetic wave shielding package parts can be simplified and it has a better electromagnetic wave shielding effect than pure copper.
従って、本発明の目的を確実に達成できる。 Therefore, the objective of the present invention can be reliably achieved.
上記実施形態は例示的に本発明の原理及び効果を説明するものであり、本発明を制限するものではない。本技術を熟知する当業者であれば本発明の精神及び範囲から離れないという前提の下、上記の実施形態に対して若干の変更や修飾が可能で有る。従って、当業者が本発明の主旨から離れないという前提の下、行った全ての変更や修飾も本発明の保護範囲に含まれるものとされるべきである。 The above embodiment is illustrative and describes the principles and effects of the present invention, and is not intended to limit the present invention. A person skilled in the art who is familiar with this technology may make some changes or modifications to the above embodiment, provided that they do not deviate from the spirit and scope of the present invention. Therefore, all changes and modifications made by a person skilled in the art, provided that they do not deviate from the gist of the present invention, should be considered to be included in the scope of protection of the present invention.
本発明のグラフェン金属複合材料はターゲットや電磁波防止パッケージ部品に使用することに適する。 The graphene metal composite material of the present invention is suitable for use in targets and electromagnetic wave protection packaging parts.
31 基板
32 電子部品
321 ワイヤ
33 封止剤層
34 電磁波防止層
35 保護層
31: Substrate 32: Electronic component 321: Wire 33: Sealant layer 34: Electromagnetic wave prevention layer 35: Protective layer
Claims (2)
前記基板と電気的に接続されるように前記基板に設置されている電子部品と、
前記電子部品を包んでいる封止剤層と、
グラフェン金属複合材料により構成されている電磁波防止層と、
ステンレス鋼により構成されている保護層と、を備え、
前記グラフェン金属複合材料は、複数枚のグラフェン及び金属を主成分として構成されており、
前記複数枚のグラフェンは、前記金属の結晶格子の間に分散して配列されており、且つ、少なくとも一部の前記グラフェンの間が共有結合でボンディングされており、
前記グラフェン金属複合材料の全体において、
酸素含有量は、10ppm以下にあり、また、
総重量を100wt%として、前記グラフェンの含有量は、3wt%以下にある、ことを特徴とする電磁波防止パッケージ部品。 A substrate having an electrical circuit;
an electronic component disposed on the substrate so as to be electrically connected to the substrate;
an encapsulant layer encapsulating the electronic component;
An electromagnetic wave prevention layer made of a graphene metal composite material;
A protective layer made of stainless steel ;
The graphene metal composite material is composed mainly of a plurality of graphene sheets and a metal,
the plurality of graphene sheets are dispersed and arranged among the crystal lattice of the metal, and at least some of the graphene sheets are bonded together by covalent bonds;
In the entire graphene metal composite material,
The oxygen content is less than 10 ppm.
The electromagnetic wave protection package part has a graphene content of 3 wt % or less, with a total weight of the package part being 100 wt % .
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