DE10320838B4

DE10320838B4 - Faserverstärktes Metall-Keramik/Glas-Verbundmaterial als Substrat für elektrische Anwendungen, Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verbundmaterials sowie Verwendung dieses Verbundmaterials

Info

Publication number: DE10320838B4
Application number: DE2003120838
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schulz-Haarder; Dr. Hammel Ernst
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: WO2004102659A2; DE10320838A1; JP2007500450A; US20060263584A1; CN100454525C; CN1784784A; WO2004102659A3; EP1620892A2

Abstract

Metall-Keramik/Glas-Verbundmaterial als Substrat für elektronische Anwendungen zum thermischen Management, bestehend aus einem faserverstärkten Trägersubstrat auf Basis von Keramik- und/oder Glasmaterialien und mindestens einer einseitig aufgebrachten faserverstärkten Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in der Metallschicht aus Carbon-Nanotubes bestehen, die eine Dicke von 1,3 nm–300 nm sowie ein Längen-Dicken-Verhältnis von > 10 aufweisen, und dass 10–70 Volumen% Nanofasern in der Metallmatrix der Metallschicht enthalten sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faserverstärktes Keramik/Glas-Verbundmaterial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Keramik/Glas-Verbundmaterials gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
Ein „Verbundmaterial” im Sinne der Erfindung ist generell ein Werkstoff, der mehrere Materialkomponenten aufweist, beispielsweise in einer gemeinsamen Matrix oder aber auch zumindest teilweise in wenigstens zwei aneinander angrenzenden und miteinander verbundenen Materialabschnitten.
„Bauteile zur Wärmeableitung” oder „Wärmesenken” im Sinne der Erfindung sind generell Bauteile, die insbesondere in der Elektronik und dabei speziell auch in der Leistungselektronik Verwendung finden und hier zur Ableitung von Verlustwärme bzw. zum Kühlen von elektrischen oder elektronischen Komponenten dienen, wie z. B. Boden- und/oder Wärmeableitplatten bei elektrischen Schaltkreisen oder Modulen, Träger für elektrische bzw. elektronische Bauelemente, Gehäuse oder Gehäuseelemente von elektrischen Bauelementen oder Modulen, aber auch beispielsweise von einem Kühlmedium z. B. Wasser durchströmte Kühler, Heatpipe (Wärmerohr) oder Elemente solcher aktiver Wärmesenken.
In vielen Bereichen der Technik werden Verbundmaterialien als Material für Konstruktionen, Bauteile usw. verwendet, und zwar insbesondere auch dann, wenn Materialeigenschaften gefordert werden, die sich mit einer einzigen Materialkomponente nicht verwirklichen lassen. Durch gezielte Auswahl der einzelnen Komponenten und der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dieser Komponenten, beispielsweise der thermischen Eigenschaften, können die für das Verbundmaterial gewünschten Eigenschaften optimal eingestellt werden.
„Materials for Thermal Conduction”, Chung et al., Appl. Therm. Eng., 21, (2001) 1593–1605, gibt einen generellen Überblick über Wärmeleitungs- bzw. Wäremeableitungsmaterialien. Der Artikel skizziert die Eigenschaften möglicher Einzelkomponenten und relevante Beispiele für Verbundmaterialien.
Ting et al. berichtet in J. Mater. Res., 10 (6), 1995, 1478–1484 über die Herstellung von Aluminium VGCF(Vapor Grown Carbon Fiber)-Verbundmaterialen und deren Wärmeleiteigenschaften. Die US 5,814,408 A Ting et al. ist die daraus folgende Patentschrift zum Al-VGCF MMC.
Verbundmaterialien mit Carbon Fibrils^TM, einer definierten CVD-Kohlenstofffaser, in sowohl Metall- als auch Polymer-Matrix sind in der US 5,578,543 A Hoch et al. erwähnt.
Ushijima et al. beschreibt in der US 6,406,790 B1 die Herstellung eines Verbundmaterials mit einer speziellen Ausführung von CVD gewachsenen Kohlenstofffasern als Füllstoff mittels Druckinfiltration des Matrix-Metalles.
Houle et al. berichtet in der US 6,469,381 B1 von einem Halbleiterelement, welches die im Betrieb entstehende Wärme durch den Einbau von Carbon Fasern in die Trägerplatte ableitet.
Die Verwendung von beschichteten Carbon-Fasern in Verbundmaterialen mit metallischer Matrix wird von Bieler et al. in der US 5,660,923 A dargelegt.
Al₂O₃ Fasern in einer Al Matrix und die Herstellung des entsprechenden faserverstärkten Verbundmaterials beschreibt die US 6,460,497 B1 , McCullough et al.
Speziell für elektrische Leistungsmodule, die in zunehmenden Maß bei elektrischen Antrieben unter anderem auch in der Verkehrs- und Automatisierungstechnik eingesetzt werden, ist es bekannt, als Leiterplatten Metall-Keramik-Substrate zu verwenden, beispielsweise solche aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder zunehmend auch solche aus Aluminiumnitrid (AlN) wegen der verbesserten elektrischen Eigenschaften. Als Träger- oder Übergangsschicht zu einer Wärmesenke, über die eine unter Umständen nicht unerhebliche Verlustleistung eines solchen Leistungsmoduls abgeführt werden muss, werden bisher Schichten oder Bodenplatten aus Kupfer verwendet, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und daher zur Ableitung der Verlustleistung bzw. -wärme sowie zur Wärmespreizung gut geeignet sind.
Nachteilig hierbei sind aber die sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, nämlich der Keramik, des Kupfers sowie auch des Siliziums der aktiven elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente eines solchen Moduls. Nicht nur bei der Herstellung, sondern insbesondere auch während des Betriebes unterliegen nämlich Leistungsmodule bzw. deren Komponenten einem nicht unerheblichen Temperaturwechsel, beispielsweise beim Übergang von der Betriebsphase in die Ruhephase und umgekehrt, aber auch während des Betriebes beim Schalten des Moduls. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten führen diese Temperaturwechsel zu mechanischen Spannungen im Modul, d. h. zu mechanischen Spannungen zwischen der Keramik und den angrenzenden Metallisierungen oder Metallschichten (wie Bodenplatte auf einer Seite der Keramikschicht und Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. auf der anderen Seite der Keramikschicht) sowie auch zwischen Metallflächen und den auf diesen angeordneten elektrischen oder elektronischen Komponenten, insbesondere Halbleiterbauelementen. Häufige mechanische Spannungswechsel führen zu einer Materialermüdung und damit zu einem Versagen des Moduls oder der dortigen Komponenten.
Dieses Problem wird noch durch die zusätzliche Miniaturisierung und durch die damit einhergehende Erhöhung der Leistungsdichte von Leistungsmodulen verstärkt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α der Materialkomponenten eines Leistungsmoduls mit einem Kupfer-Keramik-Substrat liegen beispielsweise im Bereich zwischen α = 16,8 × 10^–6K^–1 für das Kupfer und α = 3 × 10^–6K^–1 für das Silizium.

Verwiesen wird hierzu auch auf die nachstehende Tabelle, in der die thermische Leitfähigkeit λ und der Wärmeausdehnungskoeffizient α für verschiedene Materialien angegeben ist.

	λ_th in W/mK	α in 10^–6/K
Ag	428	19,7
Cu	395	16,8
CuCo0,2	385	17,7
CuSn0,12	364	17,7
Au	312	14,3
Al	239	23,8
BeO	218	8,5
AlN	140–170	2,6
Si	152	2,6
SiC	90	2,6
Ni	81	12,8
Sn	65	27
AuSn20	57	15,9
Fe	50	13,2
Si₃N₄	10–40	3,1
Al₂O₃	18,8	6,5
FeNi42	15,1	5,1
Silberleitkleber	0,8–2	53
Epoxid Preßmasse	0,63–0,76	18–30
SiO₂	0,1	0,5
W	130	4,5
Mo	140	5,1
Cu/Mo/Cu	194	6,0
AlSiC	160–220	7–10

Da zur Ableitung der Verlustleistung auf eine hohe thermische Leitfähigkeit nicht verzichtet werden kann, sind speziell bei Halbleiterleistungsmodulen bzw. deren Substrate für die Metallisierungen, die Bodenplatten usw. nur Metalle verwendbar, die auch eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Speziell für Wärmesenken werden derzeit demnach bevorzugt Werkstoffe auf Kupfer- oder Aluminiumbasis verwendet, beispielsweise Cu-W, Cu-Mo oder Al-SiC.
Bekannt ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z. B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens” (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 37 44 120 A oder in der DE 23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so daß durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

• Oxidieren einer Kupferfolie derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.

Bekannt sind weiterhin Metall-Keramik-Verbundmaterialien ( US 5,707,715 A ), die in einem Keramikträgermaterial Sekundärphasen oder -teilchen enthalten, und zwar u. a. in Form von kugelförmigen Partikeln mit Abmessungen im Nanometerbereich (z. B. 0,05 μm).
Bekannt sind weiterhin faserverstärkte Keramik-Materialien ( JP 011 48 542 A ), und zwar mit aufgebrachten Metall- oder Kupferfolien.
Bekannt sind schließlich Metall-Keramik-Verbundmaterialien für die Anwendung in der Elektronik ( DE 26 49 704 C2 ), bei denen die Metallschichten aus einer Kupfermatrix mit eingearbeiteten Kohlenstofffasern bestehen, um hierdurch u. a. den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Leitfähigkeit zu beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbundmaterial zu schaffen, das unter Beibehaltung einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die größer oder zumindest gleich derjenigen von Kupfer oder Kupferlegierungen ist, einen gegenüber Kupfer deutlich reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verbundmaterial entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials ist Gegenstand des Patentanspruchs 11. Bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten des Verbundmaterials sind Gegenstand der Patentansprüche 12 bis 14.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial, das u. a. auch für Anwendungen in der Elektrotechnik und dabei für Anwendungen als Substrat oder als Bauteil zur Wärmeableitung bei elektrischen Leistungsmodulen geeignet ist, besteht somit im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten, nämlich aus wenigstens einem Metall oder wenigstens einer Metalllegierung, aus wenigstens einer Keramik sowie aus Nanofasern, die eine Dicke im Bereich etwa 1,3 nm bis 300 nm aufweisen, wobei das Längen/Dicken-Verhältnis bei einem Großteil der in dem Verbundstoff enthaltenen Nanofasern größer als 10 ist. Der Anteil an Keramik kann ganz oder teilweise durch Glas, beispielsweise durch Siliziumoxid ersetzt sein.
Die verwendeten Nanofasern bewirken die gewünschte Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, vorzugsweise in allen drei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen.
Bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials sind in Weiterbildung der Erfindung folgende Maßnahmen möglich:
Die Nanofasern sind beispielsweise zumindest teilweise Nanotubes, die sich durch eine besonders hohe Festigkeit in axialer Richtung auszeichnen und hierdurch besonders wirksam zu der angestrebten Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beitragen.
Die Nanofasern sind hinsichtlich ihrer Orientierung zumindest in den wenigstens zwei Raumachsen isotrop verteilt.
Bei der Erfindung besteht weiterhin die Möglichkeit, die Nanofasern auch in der Keramik und/oder im Glas vorzusehen. Sofern im Trägersubstrat Nanofasern enthalten sind, sind dies z. B. solche aus Bornitrid und/oder aus Wolframkarbid. Auch andere, für die Herstellung von Nanofasern geeignete Materialien oder Materialverbindungen sind grundsätzlich denkbar, so insbesondere auch mit Bornitrid und/oder aus Wolframkarbid beschichtete Nanofasern aus Kohlenstoff.
Als Keramik wird bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial bevorzugt eine Aluminiumoxid- oder eine Aluminiumnitrid-Keramik verwendet, wobei die Aluminiumnitrid-Keramik sich durch eine besonders hohe elektrische Spannungsfestigkeit sowie durch eine erhöhte thermische Leitfähigkeit auszeichnet.
Als Metallkomponente eignet sich bei der Erfindung bevorzugt Kupfer oder eine Kupferlegierung. Dies gilt insbesondere auch für den Fall, dass das Verbundmaterial für Substrate oder Leiterplatten oder als Bauteil zur Wärmeableitung für elektrische Schaltkreise oder Module verwendet werden soll. Kupfer, aber auch Kupferlegierungen sind relativ einfach zu bearbeiten, und zwar insbesondere auch dann, wenn diese Materialkomponente des Verbundmaterials die Nanofasern enthält.
Der Anteil an Nanofasern im Verbundmaterial liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 40 und 70 Volumen%, und zwar bezogen auf das Gesamtvolumen der diese Fasern enthaltenden Materialkomponente des Verbundmaterials.
Um die Nanofasern im Metall oder in der Metalllegierung des Verbundmaterials vorzusehen, stehen verschiedenste Verfahren zur Verfügung. So ist es z. B. möglich, zunächst aus den Nanofasern eine Vor- oder Preform zu bilden, beispielsweise in Form eines dreidimensionalen Gitterwerks, einer vliesartigen Struktur, einer hohlkörper- oder röhrchenartigen Struktur usw. aus den Nanofasern zu bilden, wobei in diese Preform dann das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metalllegierung eingebracht wird. Speziell hierfür sind wiederum unterschiedlichste Techniken denkbar, beispielsweise durch chemisches und/oder elektrolytisches Abscheiden, durch Schmelzinfiltration usw.
Weiterhin ist es möglich, das Metall und die Nanofasern auf einer Preform oder einem Träger aus Metall und/oder Keramik aufzubringen, und zwar beispielsweise durch chemisches und/oder elektrolytisches Abscheiden.
Auch andere Verfahren zur Herstellung der Matrix aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung mit den Nanofasern sind denkbar, beispielsweise die so genannte HIP-Technologie, bei der das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metalllegierung in Pulverform und mit den Nanofasern gemischt in eine Kapsel eingebracht und dies dann mit einem Deckel dicht verschlossen wird. Der Innenraum der Kapsel wird dann evakuiert und gasdicht verschlossen. Im Anschluss daran erfolgt ein allseitiger Druck (z. B. Gasdruck unter Verwendung von Inertgas, beispielsweise Argon oder hydrostatischer Druck) auf die Kapsel und damit auch auf das in der Kapsel vorhandene Material, und zwar bei gleichzeitiger Erhitzung auf eine Prozesstemperatur im Bereich zwischen 500 und 1000°C.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden nach einem Abkühlen die Kapsel und der hergestellte, die Nanofasern enthaltende Metallrohling getrennt, sodass dieser dann weiter verarbeitet werden kann, beispielsweise durch spanabhebende Verarbeitung oder durch Schneiden, Sägen und/oder Walzen zur Herstellung von Platten oder Folien, die dann beispielsweise zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats oder einer Leiterplatte mit einer Keramikschicht verbunden ist.
Speziell für die Anwendung im elektrischen und elektronischen Bereich ist das erfindungsgemäße Verbundmaterial als Laminat ausgebildet, und zwar mit wenigstens zwei miteinander verbundenen Materialabschnitten oder -schichten, wobei dann ein Materialabschnitt oder eine Schicht aus dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung besteht und der andere Materialabschnitt bzw. die andere Schicht aus Keramik. Die Nanofasern sind dann in dem wenigstens einen Materialabschnitt aus dem Metall oder der Metalllegierung enthalten. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Nanofasern ebenfalls in der Keramik enthalten sind, um beispielsweise die mechanische Festigkeit der Keramik zu erhöhen und/oder die thermische Leitfähigkeit der Keramik zu verbessern.
Der Materialabschnitt aus dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung und der Materialabschnitt aus Keramik sind z. B. durch Löten, bevorzugt auch durch Aktivlöten miteinander verbunden oder aber unter Verwendung der an sich bekannten Direkt-Bonding-Technik.
Speziell bei der möglichen Ausbildung des Verbundmaterials als Metall-Keramik-Substrat oder Leiterplatte ist auf wenigstens einer Oberflächenseite einer Keramikschicht eine Metallisierung vorgesehen, die von dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung gebildet ist und die die Nanofasern enthält. Diese Metallschicht ist dann beispielsweise die Bodenplatte eines derartigen Substrates oder aber mit einer solchen Bodenplatte verbunden, mit der das Substrat mit einer passiven Wärmesenke, beispielsweise in Form eines Kühlkörpers oder aber mit einer aktiven Wärmesenke, beispielsweise in Form eines von einem Kühlmedium durchströmten Kühlers, auch Mikrokühlers verbunden ist.
Auf der anderen Oberflächenseite der Keramikschicht sind dann z. B. Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen und/oder Fixier- bzw. Befestigungsflächen für Bauelemente eines elektrischen Schaltkreises oder eines Moduls vorgesehen. Auch das Metall oder die Metalllegierung, die diese Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. bilden, kann die Nanofasern enthalten, wobei die Strukturierung Metallisierung in die Leiterbahnen usw. beispielsweise in der üblichen Weise erfolgt, und zwar dadurch, dass nach dem Aufbringen einer Metallschicht diese in die strukturierte Metallisierung gebracht wird, und zwar beispielsweise auch durch ein Maskierungs- und Ätzverfahren.
Mit der Erfindung wird also ein Verbundmaterial geschaffen, bei dem durch die Einlagerung der Nanofasern in die Metallmatrix, beispielsweise Kupfermatrix, eine wesentlich höhere Leitfähigkeit (z. B. > 380 W(mK)^–1) erreicht wird, kombiniert mit einer reduzierten thermischen Ausdehnung. Weiterhin ist insbesondere bei Verwendung von Kupfer für die Metallmatrix eine leichte Bearbeitung des die Nanofasern enthaltenen Metalls gewährleistet, sodass alle üblichen Bearbeitungstechniken, wie Bohren, Fräsen, Stanzen, aber auch chemische Bearbeitungen möglich sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial sind Lösungen im Thermal-Management-Bereich möglich, die bisher große Probleme bereitet haben, z. B. auch in der Lasertechnik, wo speziell die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleitermaterial eines Laserbarrens und dem Metall einer Wärmesenke zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Lebensdauer von Laserdioden oder Laserdiodenanordnungen führen. Durch die verbesserte thermische Leitfähigkeit lassen sich weiterhin höhere Leistungsdichten als bisher bei elektrischen und elektronischen Leistungsmodulen realisieren, und zwar mit der Möglichkeit einer Miniaturisierung elektrischer und elektronischer Module und Baugruppen sowie mit der Möglichkeit zusätzliche Anwendungen speziell auch in solchen technischen Bereichen, in denen einen Miniaturisierung und eine damit einhergehende Reduzierung von Masse und Gewicht bedeutsam sind, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrttechnik.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial ist es gelungen, bisher schwer zu vereinbarende Eigenschaften in einem Werkstoff zu kombinieren. Die Nanofasern in der Metallmatrix dienen dort als Verstärkungskomponente, die mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit (größer als 1000 W(mK)^–1) und mit ihrem vernachlässigbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten den Ausdehnungskoeffizient des gesamten Verbundmaterials reduzieren und dessen Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessern.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung ein elektrisches Leistungsmodul mit einem Verbundmaterial gemäß der Erfindung;
2 in vereinfachter schematischer Darstellung die verschiedenen Verfahrensschritte (Positionen a–d) des HIP-Verfahrens zum Herstellen eines Metall-Nanofaser-Verbundmaterials;
3 in schematischer Darstellung ein Verfahren zum Weiterverarbeiten eines das wenigstens eine Metall bzw. die wenigstens eine Metalllegierung und die Nanofasern enthaltenden Ausgangsmaterials.
4 und 5 in schematischer Darstellung in Seitenansicht sowie in Draufsicht ein Bad zum elektrolytischen und/oder chemischen Co-Abscheiden von Metall und Nanofasern auf einer Metallfolie oder einer Preform;
6 und 7 in schematischer Seitenansicht sowie in Draufsicht ein Bad zum elektrolytischen und/oder chemischen Abscheiden von Metall auf einer von Nanofasern gebildeten Preform.
Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung und in Seitenansicht ein elektrisches Leistungsmodul 1, welches unter anderem aus einem Keramik-Kupfer-Substrat 2 mit verschiedenen elektronischen Halbleiterbauelementen 3, von denen der einfacherer Darstellung wegen nur ein Leistungsbauelement wieder gegeben ist, sowie aus einer Grundplatte 4 besteht. Das Kupfer-Keramik-Stubstrat 2 umfasst eine Keramikschicht 5 beispielsweise aus Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik, wobei auch bei einer mehrteiligen Ausbildung der Schicht 5 unterschiedliche Keramiken verwendet sein können, sowie eine obere Metallisierung 6 und eine untere Metallisierung 7. Die Metallisierungen 6 und 7 sind bei den dargestellten Ausführungsformen jeweils von einer Folie gebildet, die in einer Matrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung Nanofasern enthält, beispielsweise in dem Anteil von 10–70 Volumen%, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Folie bzw. Metallisierung, vorzugsweise in einem Anteil von 40–70 Volumen%.
Das Bauelement 3 ist dabei ein Leistungs-Halbleiterbauelement, z. B. ein Transistor zum Schalten hoher Ströme z. B. zum Ansteuern eines Elektromotors oder eines Fahrantriebs auch andere Leistungs-Halbleiterbauelemente sind denkbar, wie beispielsweise Laserdioden usw. Die Dicke, die die Grundplatte 4 in der Achsrichtung senkrecht zu den Ebenen der Metallisierungen 6 und 7 aufweist ist um ein Vielfaches größer als die Dicke der für die Metallisierungen 6 und 7 verwendeten Folien.
Die beiden Metallisierungen 6 und 7 sind unter Verwendung einer geeigneten Technik, beispielsweise der DCB-Technik oder mittels des Aktivlötverfahrens jeweils flächig mit einer Oberflächenseite der Keramikschicht 5 verbunden. Die Metallisierung 6 ist weiterhin zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Befestigungsflächen zum Befestigen oder zum Auflöten von Bauelementen 3, von Abschirmflächen oder Bahnen, von als Induktivitäten wirkende Bahnen usw. in der erforderlichen Weise strukturiert, und zwar vorzugsweise mit Hilfe der dem Fachmann bekannten Maskierungs- oder Ätztechnik. Auch andere Techniken sind denkbar, beispielsweise in der Form, dass die Strukturierung durch mechanische Bearbeitung der die Metallisierung 6 bildenden Folie erzeugt ist, und zwar beispielsweise nach dem oder aber vor Aufbringen der Metallisierung 6 auf die Keramikschicht 5. Die die Metallisierung 7 bildende Folie ist bei der dargestellten Ausführungsform nicht strukturiert. Diese Folie deckt bei der dargestellten Ausführungsform einen Großteil der Unterseite der Keramikschicht 5 ab, wobei allerdings unter anderem zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit der Randbereich der Keramikschicht 5 von der Metallisierung 7 freigehalten ist, d. h. der Rand der Metallisierung 7 mit Abstand vom Rand der Keramikschicht 5 endet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die weiterhin Grundplatte 4 so ausgebildet, dass sie mit ihrem Umfang deutlich über den Umfang des Kupfer-Keramik-Substrates 2 vorsteht. Die Grundplatte 4 ist beispielsweise die Bodenplatte eines ansonsten nicht näher dargestellten Gehäuses des Leistungsmoduls 1.
Die Metallisierung 7 ist mit ihrer der Keramikschicht 5 abgewandten Oberflächenseite flächig mit der Grundplatte 4 verbunden, und zwar mit einer geeigneten Technik, wie z. B. Löten, auch Hartlöten oder Aktivlöten, oder ebenfalls unter Verwendung des DCB-Verfahrens. Die Grundplatte 4 besteht bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls aus einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei das Metall oder die Metalllegierung der Grundplatte 4 wiederum die Nanofasern in dem Anteil von 10–70 Volumen% bezogen auf das gesamte Volumen der Grundplatte 4, vorzugsweise in dem Anteil von 40–70 Volumen% enthält. Die Nanofasern in den Metallisierungen 6 und 7 sowie in der Grundplatte 4 sind dabei zumindest in den beiden senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, die die Ebenen der Metallisierungen 6 und 7 sowie die Ebene der mit der Metallisierung 7 verbundenen Oberseite der Grundplatte 4 definieren, hinsichtlich ihrer Orientierung oder annähernd isotrop verteilt.
Die Nanofasern besitzt eine Dicke im Bereich zwischen 1,3 nm bis 300 nm, wobei der größere Anteil der in der Metallmatrix jeweils enthaltenen Nanofasern ein Längen/Dicken-Verhältnis > 10 besitzt. Die Nanofasern sind bei dieser Ausführungsform solche auf Karbon-Basis bzw. aus Kohlenstoff und zwar beispielsweise in Form von Nanotubes. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, diese Nanofasern aus Kohlenstoff ganz oder teilweise durch solche aus einem anderen, geeigneten Material zu ersetzen, beispielsweise aus Bohrnitrid und/oder Wolframkarbid. Grundsätzlich können die Nanofasern hinsichtlich ihrer Orientierung auch in allen drei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, d. h. in den beiden, die Ebenen der Metallisierungen 6 und 7 und der Oberseite der Grundplatte 4 definierenden Raumachsen sowie in der hierzu senkrecht verlaufenden Raumachse isotrop verteilt sein.
Durch die Verwendung der Nanofasern in der Matrix des Metalls bzw. der Metalllegierung wird eine wesentliche Reduzierung des thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallisierung 6 und 7 sowie insbesondere auch der Grundplatte 4 speziell in den Raumachsen erreicht, in denen die bevorzugte Orientierung der Nanofasern vorliegt, nämlich in den die Ebenen der Metallisierungen sowie die Ebenen der Oberseite der Grundplatte bestimmenden Raumachsen, und zwar auf einen Wert < 5 × 10^–6K^–1, speziell auch in dem für Substrate von Halbleiterleistungsmodulen interessierenden Temperaturbereiche zwischen Raumtemperatur (etwa 20°C) und 250°C. Die elektrische Leitfähigkeit insbesondere auch der von der Metallisierung 6 gebildeten Leiterbahnen entspricht der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung ohne die Nanofasern.
Die thermische Leitfähigkeit λ der Metallisierungen 6 und 7 sowie der Grundplatte 4 ist größer als diejenige von Kupfer und liegt beispielsweise in der Größenordnung von λ = 600 W(mK)^–1 oder größer. Durch die gegenüber reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung ohne Nanofasern extrem reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten α ist dieser deutlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums der Halbleiterbauelemente 3, aber auch deutlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik der Keramikschicht 5 angepasst. Die hierdurch werden thermische Spannungen zwischen der Metallisierung 6 und dem Siliziumkörper der Bauelemente 3 und der Keramik der Keramikschicht 5, insbesondere aber auch thermische Spannungen zwischen der durch die Grundplatte 4 verstärkten Metallisierung 7 und der Keramikschicht 5 stark reduziert, die (thermische Spannungen) bei Temperaturänderungen im Leistungsmodul 1 auftreten. Derartige Temperaturänderungen sind bedingt durch den ausgeschalteten und eingeschalteten Zustand des Leistungsmoduls 1, aber auch durch Leistungsänderungen während des Betriebes des Leistungsmoduls, beispielsweise durch entsprechende Steuerung dieses Moduls.
Durch die gegenüber Kupfer verbesserte Wärmeleitfähigkeit werden eine wesentlich verbesserte Wärmeableitung der von dem Halbleiterbauelement 3 erzeugten Verlustwärme sowie auch eine wesentliche verbesserte Wärmespreizung durch die Metallisierung 7 und eine verbesserte Übertragung der Verlustleistung an die Grundplatte 4 erreicht. Diese ist dann ihrerseits z. B. mit einer passiven Wärmesenke, beispielsweise mit einem Kühlelement oder Radiator verbunden, welches bzw. welcher in einer Strömung eines die Verlustwärme abführenden Mediums, im einfachsten Fall einem Luftstrom angeordnet ist, oder aber die Grundplatte 4 ist mit einer aktiven Wärmesenke verbunden, d. h. beispielsweise mit einem Mikrokühler, der von einem Kühlmedium durchströmt wird, beispielsweise von einem gas- und/oder dampfförmigen und/oder flüssigem Kühlmedium, beispielsweise von Wasser. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Grundplatte 4 auf einer sogenannten Heatpipe anzuordnen um die Verlustwärme von dieser Grundplatte 4 besonders wirksam über die Heatpipe an einen passiven oder aktiven Kühler abzuleiten.
Alternativ zu den vorgenannten Möglichkeiten besteht auch die Möglichkeit, die Grundplatte 4 direkt als Kühler und dabei insbesondere als aktiven Kühler, z. B. Mikrokühler, der von dem Kühlmedium durchströmt wird, oder aber als Wärmerohr oder Heatpipe auszuführen. Auch in diesen Fällen ist es dann sinnvoll, zumindest einen Teil des Kühlers oder der Heatpipe, der (Teil) mit der Metallisierung 7 verbunden ist, aus dem die Nanofasern enthaltene Metall oder der entsprechenden Metalllegierung zu fertigen.
Die 2 zeigt in verschiedenen Verfahrensschritten (Positionen a–d) eine Möglichkeit einer Herstellung eines Ausgangsmaterials bestehend aus der Metall-Matrix und den in dieser Matrix enthaltenen Nanofasern. Bei diesem Verfahren, welches auch als HIP-Verfahren oder Hippen bezeichnet wird, wird eine pulverförmige Mischung 8 aus Partikeln aus dem Metall oder der Metalllegierung beispielsweise aus Kupfer oder der Kupferlegierung und aus den Nanofasern in eine Kapsel 9 eingebracht, und zwar derart, dass diese Kapsel 9 etwa bis zu 60% ihres Fassungsvolumens mit der Mischung 8 gefüllt ist.
Der Mischung 8 können weiterhin auch Mischhilfsmittel beigegeben sein, insbesondere um einen möglichst hohen Anteil an Nanofasern zu ermöglichen und eine gleichmäßige Verteilung dieser Fasern zu erreichen und hierfür unter anderem auch die Adhäsion zwischen den Nanofasern zu reduzieren. Weiterhin kann es für eine Verbesserung der Verbindung zwischen dem Metall, beispielsweise Kupfer und dem Kohlenstoff der Nanofasern zweckmäßig sein, solche mit fischgrätartiger Oberflächenstruktur zu verwenden, die eine mechanische Anbindung verbessert. Auch Beschichtungen der Nanofasern mit Reaktivelementen, die eine chemische Anbindung bewirken, und/oder eine Beschichtung der Nanofasern mit dem Metall und/oder mit Keramik und/oder mit Bornitrid und/oder mit Wolframkarbid, beispielsweise durch Aufdampfen usw. kann zweckmäßig sein.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Position b) wird dann auf die obere Öffnung der Kapsel 9 ein Deckel 10 aufgesetzt und dieser dicht mit der Kapsel verbunden, beispielsweise verschweisst.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Innenraum der Kapsel 9 über einen am Deckel 10 vorgesehenen Anschluss 11 evakuiert und der Innenraum der Kapsel 9 dann gasdicht verschlossen.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Position d) erfolgt bei einer Prozesstemperatur im Bereich von beispielsweise etwa 500 bis 1000°C ein allseitiges Beaufschlagen der verformbaren, geschlossenen Kapsel 9 mit einem hohen Druck. Diese allseitige Druckbeaufschlagung der Kapsel 9 erfolgt in einer geschlossenen Kammer 12 durch einen hydrostatischen auf die Kapsel 9 einwirkenden Druck, wie dies in der Position d durch die dortigen Pfeile angedeutet ist. Durch diesen eigentlichen HIP-Vorgang tritt eine Volumenreduktion ein, die sich in einer Verformung der Kapsel 9 niederschlägt. In der Regel beträgt der bei dieser Verformung auftretende Volumenschwund etwa 5–10%, kann jedoch auch größer sein, beispielsweise bis zu 20%. Die Kapsel 9 und der zugehörige Deckel 10 sowie die Verbindung zwischen diesen beiden Elementen sind dabei so ausgeführt, dass die Kapsel nicht beschädigt wird. Um das Schwundverhalten berechnen zu können, weist die Kapsel 9 beispielsweise eine einfache Geometrie auf und ist dünnwandig ausgebildet.
Nach dem HIP-Vorgang werden dann die Kapsel 9 und das im HIP-Verfahren beispielsweise als Block hergestellte Ausgangsmaterial voneinander getrennt, sodass dieses dann in geeigneter Weise weiter verarbeitet werden kann.
Die Kapsel 9 und deren Deckel 10 erfüllen bei dem HIP-Verfahren mehrere Funktionen, und zwar als geschlossener Raum bei der Evakuierung zur Reduzierung der offenen Porosität im pulverförmigen Ausgangsmaterial, zur Übertragung des hydrostatischen Druckes während des eigentlichen HIP-Vorgangs sowie auch der Formgebung des mit dem Verfahren erhaltenden Endproduktes.
Die 3 zeigt in verschiedenen Positionen a–d eine Möglichkeit einer Weiterverarbeitung des mit dem HIP-Verfahrens erhaltenen Endproduktes 13. Dieses ist in der 3 als Block dargestellt (Position a). Mit einer geeigneten Walzvorrichtung 14 wird das Produkt 13 dann zu einer Folie 15 geformt (Position b), die dann anschließend für die weitere Verwendung aufgewickelt wird (Position c). In der Position d ist nochmals angedeutet, dass die Folie 15 bzw. entsprechende Zuschnitte dieser Folie mit Hilfe beispielsweise der DCB-Technik oder mit Hilfe eines anderen, geeigneten Verfahrens auf der Keramikschicht 5 zur Bildung der Metallisierungen 6 und 7 aufgebracht werden können, wobei die Metallisierung 6 in weiteren, in der 3 nicht angegebenen Verfahrensschritten strukturiert wird.
Die 4 und 5 zeigen eine weitere Möglichkeit für die Herstellung des Ausgangsmaterials, welches in der Metallmatrix die Nanofasern enthält. Bei diesem Verfahren werden Metall- oder Kupferfolien in einem geeigneten, die Nanofasern sowie auch das Metall, beispielsweise Kupfer enthaltenden Bad angeordnet ist, aus welchem dann elektrolytisch und/oder chemisch auf den Folienzuschnitten 16 Kupfer und Nanofasern abgeschieden werden.
Das mit diesem Verfahren erhaltene Ausgangsmaterial wird dann beispielsweise unmittelbar als eine das Metall oder die Metalllegierung zusammen mit den Nanofasern enthaltene Schicht bei einer laminatartigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials verwendet, beispielsweise für die Metallisierungen 6 und 7 oder die Grundplatte 4 des Leistungsmoduls 1 der 1, oder aber das mit diesem Verfahren erhaltene, z. B. plattenförmige Ausgangsmaterial wird vor seiner Verwendung als Materialkomponente im Verbundmaterial einer weiteren Bearbeitung, beispielsweise einem Walzvorgang unterzogen.
Abweichend von dem vorstehend Beschriebenen besteht bei dem Verfahren der 4 und 5 auch die Möglichkeit, in dem Bad 17 ein oder mehrere Preformen anzuordnen, die von einer dreidimensionalen Struktur, beispielsweise einem Netzwerk oder einer vliesartigen Struktur aus Nanofasern gebildet ist, sodass dann das Abscheiden von Kupfer und weiteren Nanofasern aus dem Bad 17 auf der jeweiligen Preform zur Bildung eines die Nanofasern und das Metall bzw. Kupfer enthaltenden Materials erfolgt. Die Nanofasern der Preform sind für ein besseres Verbinden mit dem Metall auch bei dieser Ausführungsform beispielsweise chemisch mit Reaktivelementen vorbehandelt, die die mechanische Anbindung zwischen der Nanofaser und dem Metall, beispielsweise Kupfer verbessern. Auch eine Beschichtung der Nanofasern mit dem Metall, beispielsweise durch Aufdampfen ist bei diesem Verfahren ebenfalls denkbar.
Als Prefrom kann bei dem Verfahren der 4 und 5 auch die Keramikschicht 5 selbst verwendet werden, auf der dann aus dem Bad 17 das Metall (Kupfer) und die Nanofasern elektrolytisch und/oder chemisch abgeschieden werden. Hierfür wird die Keramikschicht 5 vorher zumindest an ihren Oberflächenseiten, auf denen dieses Co-Abscheiden von Nanofasern und Metall erfolgen soll, vorbehandelt, beispielsweise elektrisch leitend ausgeführt, und zwar beispielsweise durch Aufbringen einer dünnen Metall- oder Kupferschicht.
Die 6 und 7 zeigen als weitere mögliche Ausführungsform ein Verfahren, bei dem an Preformen 18, die aus miteinander verhakten Fasern gebildet sind, aus einem Bad 19, welches Kupfer, bzw. Kupfersalze enthält, Kupfer elektrolytisch und/oder chemisch abgeschieden wird. Das erhaltene Produkt kann dann als Ausgangsmaterial einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Weiterhin besteht insbesondere bei dieser Ausführung auch die Möglichkeit Nanofasern oder mit Kupfer beschichtete Nanofasern aus dem erhaltenen Werkstoff herausstehen zu lassen, sodass sich ein Schmutz abweisender Lotuseffekt ergibt und/oder Benetzungseffekte des Materials steuerbar sind.
So ist es beispielsweise bei dem Leistungsmodul 1 der 1 auch möglich, nur die Grundplatte 4 und/oder nur eine der Metallisierungen 6 bzw. 7 aus dem die Nanofasern enthaltenen Material zu fertigen. Weiterhin ist es auch möglich, Nanofasern in der Keramikschicht 5 vorzusehen um so z. B. die thermische Leitfähigkeit dieser Keramikschicht zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsmodul
2: Kupfer-Keramik-Substrat
3: Leistungsbauelement
4: Grundplatte
5: Keramikschicht
6, 7: Metallisierung
8: Mischung
9: Kapsel
10: Deckel
11: Deckelanschluss
12: Kammer
13: Ausgangsprodukt aus Metall Matrix mit Nanofasern
14: Walzeinrichtung
15: Folie
16: Starterfolie
17: Bad zur Co-Abscheidung von Nanofasern und Kupfer
18: Preform
19: Bad zum Abscheiden von Kupfer

Claims

Metall-Keramik/Glas-Verbundmaterial als Substrat für elektronische Anwendungen zum thermischen Management, bestehend aus einem faserverstärkten Trägersubstrat auf Basis von Keramik- und/oder Glasmaterialien und mindestens einer einseitig aufgebrachten faserverstärkten Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in der Metallschicht aus Carbon-Nanotubes bestehen, die eine Dicke von 1,3 nm–300 nm sowie ein Längen-Dicken-Verhältnis von > 10 aufweisen, und dass 10–70 Volumen% Nanofasern in der Metallmatrix der Metallschicht enthalten sind.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht durch die Carbon-Nanotubes einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 5 × 10^–6K^–1 aufweist.
Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat ein durch Nanofasern aus Carbon und/oder Bornitrid und/oder Wolfram-Karbid faserverstärktes Trägersubstrat ist.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern hinsichtlich ihrer Orientierung zumindest in zwei Raumachsen isotrop oder annähernd isotrop verteilt sind.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine solche aus Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid ist.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer oder eine Kupferlegierung ist.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern mit einem Anteil von 40–70 Volumen% in der Metallmatrix aus dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung enthalten sind.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallschicht (6) Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen bildet.
Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metallschicht mit einem weiteren Element (4) aus Metall oder einer Metalllegierung verbunden ist, und dass das weitere Element ebenfalls die Nanofasern enthält.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Keramik-Glas-Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die die Carbon-Nanotubes enthaltende Metallschicht durch Schmelzinfiltration, Hippen, elektrolytische oder chemische Abscheidung hergestellt und durch Aktivlöten, DCB oder Kleben mit dem faserverstärkten Trägersubstrat verbunden wird.
Verwendung der faserverstärkten Keramik/Glas-Verbundmaterialien nach einem der Ansprüche 1–10, als Teil eines Gehäuses oder einer Wärmesenke.
Verwendung der faserverstärkten Keramik/Glas-Verbundmaterialien nach einem der Ansprüche 1–10 als Bestandteil von elektrischen Leiterplatten.
Verwendung der faserverstärkten Keramik/Glas-Verbundmaterialien nach einem der Ansprüche 1–10, als Bauteil zur Wärmeableitung.