DE19859119B4 - Leiterplatte mit sehr guter Wärmeabstrahlung, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung - Google Patents

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Abstract

Leiterplatte, gekennzeichnet durch eine Isolierplatte aus einem Siliciumnitridsinterprodukt, das eine Siliciumnitridkristallphase enthält, und durch einen auf der Isolierplatte ausgebildeten Metallschaltkreis, wobei das Siliciumnitridsinterprodukt ein Seltenerdelement (RE) und Magnesium in einer Gesamtmenge von 4 bis 30 Mol-%, berechnet als Oxide, und in einem Molverhältnis RE2O3/MgO von 0,1 bis 15, berechnet als Oxide, enthält sowie eine relative Dichte von mindestens 90% und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m·K hat, und durch das Vorliegen einer Kristallphase aus MgSiO3 oder MgSiN2 in der Korngrenzenphase der Siliciumnitridkristallphase.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte, die eine Isolierplatte aufweist, welche aus einem Sinterprodukt aus Siliciumnitrid mit hervorragender Wärmeabstrahlung hergestellt ist, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.
  • Mit dem Trend zur hochdichten Integrierung von Halbleiterelementen in den letzten Jahren werden bei Vorrichtungen mit Halbleiterelementen große Wärmemengen frei, und es wurde dadurch nötig, die Wärme aus der Vorrichtung hinaus abzustrahlen, so daß diese nicht fehlerhaft arbeitet. Beispielsweise wurde ein Leistungsmodul, das mit einer sogenannten Energieeinrichtung, zum Beispiel einem MOSFET oder IGBT, ausgerüstet war, als Schaltbrett für elektrisch betriebene Fahrzeuge, wie elektrische Eisenbahnen und Elektroautos, benutzt. Ein solches Schaltbrett steuert einen elektrischen Strom von mehreren zig bis mehreren hundert Ampere und eine Spannung von mehreren hundert Volt, um eine sehr hohe elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Deshalb erzeugt die Energieeinrichtung große Wärmemengen, die zu einem schwierigen Problem führt, nämlich im Hinblick auf die Abstrahlung der erzeugten Wärme aus dem System hinaus, um eine Fehlfunktion der Einrichtung zu verhindern.
  • Bisher wurde eine Isolierplatte, die aus einem Sinterprodukt aus Aluminiumoxid hergestellt worden ist, für eine Platte zur Aufnahme von Halbleiterelementen oder für eine in einer Halbleitervorrichtung eingesetzte Leiterplatte benutzt. Jedoch hat das Sinterprodukt aus Aluminiumoxid eine nur kleine Wärmeleitfähigkeit von etwa 20 W/m·K und reicht hinsichtlich der Wärmeabstrahlung nicht aus. Deshalb wandte man sich einem Sinterprodukt aus Aluminiumnitrid zu, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um damit das Sinterprodukt aus Aluminiumoxid zu ersetzen. Jedoch hat das gesinterte Aluminiumnitridprodukt den Nachteil einer geringen Festigkeit und einer geringen Bruchzähigkeit. Das heißt, die Halbleitervorrichtung, die mit einer Isolierplatte aus einem Aluminiumnitridsinterprodukt ausgerüstet ist, kann nicht für ein Teil verwendet werden, das einer großen Belastung ausgesetzt wird und für das auch unter harten Gebrauchsbedingungen eine große Zuverlässigkeit erforderlich ist, wie es z. B. bei dem vorgenannten Schaltbrett der Fall ist, das an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen montiert ist.
  • In den letzten Jahren hat das Siliciumnitridsinterprodukt als Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Festigkeit die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Es wurden gründliche Untersuchungen bezüglich dieses Sinterprodukts als strukturelles Hochtemperaturmaterial (z. B. für Gasturbinen) durchgeführt, das bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit haben muß. Ein Teil der Untersuchungen ist bereits im Bereich der praktischen Anwendung angelangt. Das heißt, das Siliciumnitridsinterprodukt, das als strukturelles Hochtemperaturmaterial eingesetzt wird, weist eine hervorragende Festigkeit bei hohen Temperaturen und eine beachtlich hohe Wärmeleitfähigkeit auf, was auf seine Kristallstruktur zurückzuführen ist.
  • Um jedoch das Siliciumnitridsinterprodukt für die Anwendung als ein solches strukturelles Hochtemperaturmaterial zu erhalten, ist es nötig, ein Oxid eines Seltenerdelements als Sinterhilfsmittel einzusetzen und das Brennen bei einer Temperatur durchzuführen, die mit 1800 bis 2000°C sehr hoch liegt, um eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Um die Zersetzungsreaktion des Siliciumnitrids bei hohen Temperaturen zu unterdrücken, muß ferner das Brennen in einer Stickstoffatmosphäre und einem Druck von mehreren zig Atmosphären bis 100 Atmosphären erfolgen. Dementsprechend führte man die Untersuchungen bezüglich der Wärmeabstrahlung des gesinterten Siliciumnitridprodukts hauptsächlich in Verbindung mit den Untersuchungen durch, die hinsichtlich des Brennens bei hohen Temperaturen unter erhöhtem Druck durchgeführt wurden. Eigenschaften der Wärmeabstrahlung von gesinterten Siliciumnitridprodukten, die durch Brennen bei Temperaturen von nicht über 1800°C erhalten worden sind, wurden bisher kaum beschrieben. In anderen Worten, es war nur bekannt, daß ein Siliciumnitridprodukt durch Brennen bei einer relativ niedrigen Temperatur von beispielsweise 1700 bis 1800°C unter Einsatz eines Sinterhilfsmittels in Form eines Oxids eines Seltenerdelements und Aluminiumoxid erhalten werden kann. Jedoch waren die Eigenschaften dieses Sinterprodukts fast unbekannt.
  • Beispielsweise berichten die japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen (Kokai) Nr. 135771/1994 und Nr. 149588/1995 über gesinterte Siliciumnitridprodukte mit Wärmeleitfähigkeiten von nicht unter 60 W/m·K und hervorragenden Wärmeabstrahlungseigenschaften. Hierfür wird mindestens ein Oxid eines Seltenerdelements als Sinterhilfsmittel verwendet, und das Brennen erfolgt unter Stickstoff bei erhöhtem Druck und 1800 bis 2000°C. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 219731/1992 beschreibt ein Sinterprodukt, das nicht weniger als 90 Gew.-% Siliciumnitrid enthält und einen Gehalt an Aluminium und Sauerstoff in Mengen von jeweils nicht über 3,5 Gew.-% aufweist, wobei die Dichte nicht unter 3,15 g/cm3 liegt und die Wärmeleitfähigkeit nicht unter 40 W/m·K beträgt.
  • Wie oben erwähnt, werden die Siliciumnitridprodukte der vorgenannten bekannten Art durch ein spezielles Brennverfahren erhalten, das heißt durch Brennen unter Stickstoff und einem erhöhten Druck bei einer Temperatur von nicht unter 1800°C.
  • Dies führt zu dem Nachteil hoher Brennkosten. Auch ist es trotz des Brennens unter Stickstoff und unter erhöhtem Druck schwierig, die Zersetzung des Siliciumnitrids vollständig zu unterdrücken. Deshalb ist die gebrannte Oberfläche des Produkts sehr grob und erfordert nach dem Brennen eine mühsame maschinelle Bearbeitung, z. B. ein Polieren. Dies erhöht die Herstellungskosten zusätzlich.
  • Andererseits ist das Siliciumnitridsinterprodukt, welches durch Brennen bei einer niedrigen Temperatur von nicht über 1800°C erhalten worden ist, von dem Nachteil der Zersetzung während des Brennens frei. Deshalb wird dieses Sinterprodukt durch Brennen in einer nichtoxidierenden Atmosphäre unter Normaldruck (atmosphärischem Druck) hergestellt und bietet den Vorteil, daß die Brennkosten niedrig sind und die gebrannte Oberfläche kaum grob ist. Jedoch weist das durch Brennen bei einer derart niedrigen Temperatur erhaltene Siliciumnitridsinterprodukt eine Wärmeleitfähigkeit von 20 bis 30 W/m·K auf und strahlt Wärme in beträchtlich kleineren Mengen ab als Sinterprodukte, die durch Brennen bei einer hohen Temperatur hergestellt worden sind. Dies ist ein erheblicher Nachteil. Das heißt, wenn das Siliciumnitridsinterprodukt durch Brennen bei einer niedrigen Temperatur hergestellt wird, benutzt man ein Oxid eines Seltenerdelements und Aluminiumoxid als Sinterhilfsmittel. Dadurch lösen sich Aluminiumatome in Form einer festen Lösung in den Kristallteilchen des Siliciumnitrids und bilden Sialon. Das Ergebnis ist, daß die Siliciumnitridkristalle eine verminderte Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 766 307 A1 ist eine Leiterplatte mit einem Siliziumnitridsubstrat bekannt, welches ein Seltenerdelement enthält.
  • Aus der Druckschrift US 4,608,354 ist bekannt, einem Siliziumnitrid-Sintermaterial Magnesiumoxid hinzuzufügen.
  • Aus der Druckschrift DE 689 05 323 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid-Sinterkörpern hoher Dichte bekannt, bei dem ein Seltenerdelement, Magnesium, Zirkonium sowie Siliziumcarbid zugesetzt werden.
  • Aus der Druckschrift DE 697 03 999 T2 ist ein Gleitwerkstoff aus Siliziumnitridkeramik bekannt, zu dessen Herstellung dem Sintern eine Wärmebehandlung des Formstücks in Stickstoffatmosphäre bei vermindertem Druck vorangeht.
  • Aus diesen Gründen ist eine Leiterplatte, die mit einer Isolierplatte aus einem Siliciumnitridsinterprodukt besteht, das durch Brennen bei einer niedrigen Temperatur hergestellt worden ist, von einem Einsatz in der Praxis weit entfernt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, die mit einer Isolierplatte ausgerüstet ist, welche aus einem Siliciumnitridsinterprodukt besteht, das durch Brennen unter normalem Druck bei einer Temperatur von nicht über 1800°C erhalten worden ist, wobei die Isolierplatte eine hervorragende Wärmeabstrahlungseigenschaft und eine sehr gute Festigkeit aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Leiterplatte für eine Vorrichtung, die unter harten Bedingungen eingesetzt wird und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen muß, beispielsweise für ein in Fahrzeugen montiertes Schaltbrett.
  • Gemäß einer weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren zum Herstellen einer Isolierplatte angegeben werden, die eine hervorragende Wärmeabstrahlungseigenschaft und eine sehr gute Festigkeit aufweist, wobei in dem Verfahren ein Siliciumnitridpulver eingesetzt wird und ein Brennen bei einer relativ niedrigen Temperatur von nicht über 1800°C stattfindet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Leiterplatte zur Verfügung gestellt, die mit einer Isolierplatte ausgerüstet ist, welche aus einem Siliciumnitridsinterprodukt besteht, das eine Siliciumnitridkristallphase enthält, wobei auf der Isolierplatte ein Metallschaltkreis ausgebildet ist, und wobei das Siliciumnitridsinterprodukt ein Seltenerdelement (RE) und Magnesium in einer Gesamtmenge von 4 bis 30 Mol-%, berechnet als Oxide, und in einem Molverhältnis RE2O3/MgO von 0,1 bis 15, berechnet als Oxide, enthält sowie eine relative Dichte von nicht unter 90% und eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 50 W/m·K aufweist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Isolierplatte gemäß Anspruch 8, sowie deren Verwendung gemäß Anspruch 11 bereitgestellt.
  • Die Erfindung wird anhand der in der Anlage beigefügten Zeichnung erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 schematisch einen seitlichen Querschnitt, aus dem der Aufbau einer Leiterplatte für ein Leistungsmodul ersichtlich ist; und
  • 2 eine graphische Darstellung, die das Messen des Ausmaßes der Durchbiegung einer Isolierplatte erläutert.
  • Isolierplatte
  • Es ist wichtig, daß die Leiterplatte der vorliegenden Erfindung mit einer Isolierplatte ausgerüstet ist, die aus einem besonderen Siliciumnitridsinterprodukt gebildet ist. Dies Isolierplatte hat eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 50 W/m·K, strahlt Wärme sehr gut ab und hat eine hohe Festigkeit, beispielsweise eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit (JIS-R-1601) bei Raumtemperatur von nicht unter 700 MPa, vorzugsweise von nicht unter 705 MPa.
  • Das Siliciumnitridsinterprodukt, aus dem die Isolierplatte besteht, enthält als Hauptkristallphase säulenartige Kristalle von Siliciumnitrid, das beim Brennen einen Übergang von α-Si3N4 in β-Si3N4 durchläuft und insbesondere ein Seltenerdelement (RE) und Magnesium in vorgegebenen Mengen enthält. Das heißt, die Gesamtmenge des Seltenerdelements und des Magnesiums beträgt 4 bis 30 Mol-% vorzugsweise 5 bis 25 Mol-%, jeweils berechnet als Oxide, und das Molverhältnis RE2O3/MgO liegt bei 0,1 bis 15, vorzugsweise bei 0,5 bis 13, jeweils berechnet als Oxide. Deshalb weist die Isolierplatte nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine große Festigkeit auf, sondern kann auch durch Brennen bei einer niedrigen Temperatur von nicht über 1800°C hergestellt werden. Hinsichtlich der Kosten bedeutet dies einen großen Vorteil.
  • Das Seltenerdelement und das Magnesium stammen aus einer Seltenerdelementverbindung und einer Magnesiumverbindung, die als Sinterhilfsmittel eingesetzt werden. Während des Brennens reagieren die Verbindungen dieser Elemente mit Sauerstoff, der als Verunreinigung in dem Siliciumnitrid-Ausgangsmaterial enthalten ist, und bilden eine flüssige Phase, welche das Sintern fördert. Als Ergebnis hiervon kann das Siliciumnitrid bei einer Temperatur von nicht über 1800°C gesintert werden. Ferner unterstützt das in der flüssigen Phase vorliegende Seltenerdelement die Kristallisation der Korngrenzenphase. Das heißt, in der Korngrenzenphase wird eine Glasphase mit einer kleinen Wärmeleitfähigkeit nur in geringem Maß gebildet, und das Sinterprodukt weist eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit (eine verbesserte Wärmeabstrahlungseigenschaft) auf. Daneben verbessert das Seltenerdelement das Längenverhältnis der säulenartigen Kristalle, die aufgrund des α-β-Übergangs des Siliciumnitrids gebildet werden, so daß das erhaltene Sinterprodukt eine verbesserte Bruchzähigkeit hat. Aufgrund des Gehalts an einem Seltenerdelement und an Magnesium, die aus den Sinterhilfsmitteln stammen, wobei die vorgenannten Mengen eingehalten werden, wird das Siliciumnitridsinterprodukt, aus dem die Isolierplatte besteht, durch Brennen bei normalem Druck und einer niedrigen Temperatur, die 1800°C nicht überschreitet, erhalten. Das Sinterprodukt hat eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 50 W/m·K und zeigt hervorragende mechanische Eigenschaften, z. B. hinsichtlich der Festigkeit. Wenn die Gesamtmenge des Seltenerdelements und des Magnesiums kleiner als beispielsweise 4 Mol-%, berechnet als Oxide, ist, wird es schwierig, ein genügend dichtes gesintertes Produkt durch Brennen bei einer Temperatur von höchstens 1800°C zu erhalten. Wenn andererseits die Gesamtmenge dieser Komponenten 30 Mol-% überschreitet, steigt die absolute Menge der Korngrenzenphase in dem gesinterten Produkt, was zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit (der Wärmeabstrahlungseigenschaft) führt. Wenn das Mol-Verhältnis RE2O3/MgO des Seltenerdelements und des Magnesiums, berechnet als Oxide, den Wert 15 überschreitet oder kleiner als 0,1 ist, jeweils berechnet als Oxide, wird es außerdem schwierig, die Dichte beim Brennen bei einer niedrigen Temperatur von höchstens 1800°C zu erhöhen. Außerdem nimmt auch die Wärmeleitfähigkeit ab.
  • Die Isolierplatte kann durch Brennen unter Einsatz der vorgenannten Seltenerdelementverbindung und der Magnesiumverbindung in Kombination mit einer Aluminiumverbindung, wie Alu miniumoxid, als Sinterhilfsmittel hergestellt werden. In diesem Fall soll aber der Gehalt an Aluminium, berechnet als Oxid, in dem Sinterprodukt nicht größer als 1,0 Mol-%, vorzugsweise nicht größer als 0,5 Mol-%, insbesondere nicht größer als 0,1 Mol-%, und ganz besonders bevorzugt nicht größer als 0,01 Mol-%, sein. Das heißt, die Aluminiumverbindung fördert die Bildung einer flüssigen Phase bei niedrigen Temperaturen und ist unter dem Gesichtspunkt des Brennens bei niedriger Temperatur vorteilhaft. Wenn aber die Aluminiumverbindung in großen Mengen verwendet wird, lösen sich Aluminiumatome in Form einer festen Lösung in der Kristallphase des Siliciumnitrids unter Bildung von Sialon. Dieses unterbricht die Diffusion von Phononen und führt dazu, daß das Sinterprodukt eine stark verminderte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Deshalb ist es unter dem Gesichtspunkt der Herstellung einer Isolierplatte mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit erwünscht, daß der Aluminiumgehalt so klein wie möglich ist.
  • Bei dem gesinterten Produkt, welches die vorgenannte Isolierplatte bildet, ist es bevorzugt, daß die säulenartigen Kristalle des β-Siliciumnitrids, welches die Hauptkristallphase bildet, eine durchschnittliche Länge der Längsachse (Durchmesser) von 0,5 bis 3 μm, insbesondere von 0,5 bis 2,0 μm aufweist, und zwar unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Wärmeabstrahlungseigenschaft und der Festigkeit. Wenn die Größe der Längsachse bei über 3 μm liegt, nimmt der Gehalt an groben Teilchen, die eine Quelle für den Abbau sind, zu, was einen Festigkeitsverlust des Sinterprodukts zur Folge hat. Wenn andererseits die Größe der Längsachse unter 0,5 μm beträgt, neigt die Wärmeleitfähigkeit dazu abzunehmen, und es ist schwierig, ein Sinterprodukt mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise nicht unter 50 W/m·K zu erhalten. Ferner ist es erwünscht, daß das durchschnittliche Längenverhältnis der säulenartigen Kristalle des β-Siliciumnitrids im Hinblick auf eine Verbesserung der Festigkeit und gleichzeitig der Wärme leitfähigkeit des Sinterprodukts bei 1,2 bis 4, vorzugsweise bei 1,5 bis 3,5, liegt.
  • Die Größe der Längsachse und das durchschnittliche Längenverhältnis der säulenartigen Kristalle kann innerhalb eines Bereichs bis zu einem gewissen Grad eingestellt werden, und zwar durch Einsatz einer Verbindung eines Seltenerdelements als Sinterhilfsmittel und durch Steuern der Brennzeit. Um die Größe der Längsachse innerhalb des oben genannten Bereichs einzustellen, ist es bevorzugt, die relative Dichte des Formkörpers zur Herstellung des Sinterprodukts innerhalb eines vorgegebenen Bereichs einzustellen. Dies wird unten beschrieben.
  • Bei der vorliegenden Erfindung können das Seltenerdelement und das Magnesium, die aus den vorgenannten Sinterhilfsmitteln stammen, sich teilweise in einer festen Lösung in der Hauptkristallphase lösen, existieren aber meistens in der Korngrenzenphase.
  • Während des Brennens liegt beispielsweise das Seltenerdelement (RE) in der flüssigen Phase vor, wird aber schließlich in der Korngrenzenphase als Kristallphase, wie RE2Si3O3N4, RE2SiO5 und RE2Si2O7 abgeschieden. Das heißt, daß wegen des Abscheidens des Seltenerdelements in der Korngrenze als Kristallphase die Ausbildung der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Glasphase in der Korngrenze nur in geringem Umfang stattfindet und das Sinterprodukt eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit hat. Beispiele für das Seltenerdelement (RE) sind Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu. Bei der vorliegenden Erfindung kann irgendeines dieser Elemente benutzt werden. Unter dem Gesichtspunkt der Kosten und der Eigenschaften werden aber vorzugsweise Y, Ce, Sm, Dy, Er, Yb oder Lu, insbesondere Y oder Er, eingesetzt.
  • Das Magnesium ist hauptsächlich in der Glasphase enthalten, die in der Korngrenze verbleibt. Bei der vorliegenden Erfindung kristallisiert das Magnesium in der Glasphase als MgSiO3 oder MgSiN2, um die Glasphase weiter zu vermindern, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit in der Korngrenze aufweist, und um die Wärmeleitfähigkeit des Sinterprodukts zu verbessern. Wie unten beschrieben wird, wird das Magnesium dadurch leicht auskristallisiert, daß das Sinterprodukt während eines vorgegebenen Zeitraums innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs unterhalb der Brenntemperatur gehalten wird.
  • Das Sinterprodukt kann noch andere Komponenten enthalten, z. B. färbende Komponenten, bei denen es sich um mindestens ein Metall der Gruppe IVa, Va oder VIa des Periodensystems handeln kann, z. B. um Ti, Hf, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo oder W. Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß die färbenden Komponenten in Mengen von 0,05 bis 1 Gew.-% vorliegen, um eine erwünschte Färbungswirkung zu erzielen, ohne die Eigenschaften des Sinterprodukts, z. B. die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit, zu verschlechtern.
  • Das Sinterprodukt mit der vorgenannten Zusammensetzung muß eine relative Dichte von nicht unter 90%, vorzugsweise von nicht unter 95%, aufweisen. Wenn die relative Dichte kleiner als 90% ist, wird es schwierig, die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, und es ist dann nicht mehr möglich, ein Sinterprodukt mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise nicht unter 50 W/m·K zu erhalten. Eine höhere relative Dichte ist zwar hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit von Vorteil, führt aber zu einer Zunahme des Elastizitätsmoduls. Wenn die relative Dichte nicht kleiner als beispielsweise 99% ist, ist der Elastizitätsmodul des Sinterprodukts bei Raumtemperatur nicht kleiner als 350 GPa. Wenn das Sinterprodukt mit einem so hohen Elastizitätsmodul einer hohen Belastung ausgesetzt wird, bildet es Risse und bricht leicht. Beispielsweise muß die Isolierplatte in der Leiter platte für ein Leistungsmodul eine sehr geringe Dicke aufweisen (z. B. von unter 1 mm, vorzugsweise von unter 0,8 mm), um den Wärmewiderstand der Platte herabzusetzen. Außerdem entsteht eine hohe Belastung, wenn an der Isolierplatte ein Leistungselement oder ähnliches befestigt wird. Beim Einsatz des Sinterprodukts mit einem hohen Elastizitätsmodul als Isolierplatte kann daher diese Platte durch die Belastung beim Befestigen des Leistungselements leicht beschädigt werden. Unter diesem Gesichtspunkt ist es erwünscht, daß das Sinterprodukt, welches die Isolierplatte in der Leiterplatte für ein Leistungsmodul bildet, eine relative Dichte von 90 bis 98,5%, vorzugsweise von 95 bis 98%, aufweist. Wenn die relative Dichte innerhalb des vorgenannten Bereichs eingestellt wird, ist es zulässig, daß der Elastizitätsmodul des Sinterprodukts (bei Raumtemperatur) bei nicht mehr als 300 GPa, vorzugsweise bei 250 bis 300 GPa liegt, ohne die hohe Wärmeleitfähigkeit und die große Festigkeit zu beeinträchtigen. Das heißt, die Isolierplatte aus einem Sinterprodukt mit einem niedrigen Elastizitätsmodul wird in hohem Maße durchgebogen, wenn darauf eine hohe Belastung ausgeübt wird, und die Beanspruchung darin nimmt ab. Dies macht es möglich, die Bildung von Rissen in der Isolierplatte oder deren Beschädigung zum Zeitpunkt der Befestigung eines Leistungselements darauf zu verhindern.
  • Die erfindungsgemäße eingesetzte Isolierplatte wird aus einem Siliciumnitridsinterprodukt hergestellt, das die vorgenannte Zusammensetzung aufweist und nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlungseigenschaft hat, sondern auch eine sehr hohe Festigkeit zeigt. Die Isolierplatte hat eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit (JIS-R-1601) bei Raumtemperatur von beispielsweise nicht unter 700 MPa, vorzugsweise von nicht unter 750 MPa, und behält trotz einer Dicke von unter 1 mm eine sehr hohe Festigkeit bei. Deshalb ist die erfindungsgemäße Leiter platte, die mit einer solchen Isolierplatte ausgerüstet ist, insbesondere für ein Leistungsmodul sehr wertvoll.
  • Ferner wird die Isolierplatte durch Brennen bei einer niedrigen Temperatur, die nicht über 1800°C liegt, erhalten, wobei sich während des Brennens fast kein Siliciumnitrid zersetzt und auch die gebrannte Oberfläche fast nicht grob wird. Beispielsweise ist die maximale Oberflächenrauheit (Rmax) der gebrannten Oberfläche nicht größer als 10 μm, vorzugsweise nicht größer als 7 μm. Deshalb muß die Oberfläche nach dem Brennen nicht poliert werden, was unter dem Gesichtspunkt der Produktionskosten sehr vorteilhaft ist.
  • Herstellung der Isolierplatte
  • Das zur Herstellung der vorgenannten Isolierplatte eingesetzte Siliciumnitridpulver enthält im allgemeinen α-Si3Ni4 in einer Menge von nicht weniger als 90%, vorzugsweise von nicht weniger als 95%, und hat einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,1 bis 1,5 μm. Diese Eigenschaften ergeben sich unter dem Gesichtspunkt der Sintereigenschaft. Es ist ferner bevorzugt, daß die Menge an Sauerstoff, der als Verunreinigung in dem Siliciumnitridpulver enthalten ist, im Bereich von 0,5 bis 3,0 Gew.-% liegt. Wenn die Menge der Sauerstoffverunreinigung mehr als 3,0 Gew.-% beträgt, wird die gebrannte Oberfläche des Sinterprodukts grob und oft nimmt die Festigkeit ab. Wenn die Menge der Sauerstoffverunreinigung unter 0,5 Gew.-% liegt, verschlechtern sich die Sintereigenschaften, und man erhält durch Brennen bei einer Temperatur von höchstens 1800°C kein Sinterprodukt mit einem ausreichenden Dichtegrad.
  • Das vorgenannte Siliciumnitridpulver wird mit einem Pulver einer Seltenerdelementverbindung und einem Pulver einer Magnesiumverbindung als Sinterhilfsmittel sowie bei Bedarf mit einem Pulver einer Aluminiumverbindung gemischt. Weiterhin wird bei Bedarf das Siliciumnitridpulver mit einer pulverförmigen Metallverbindung gemischt, die eine färbende Komponente darstellt, wie oben beschrieben wurde, sowie mit einem Füllstoff, wie SiO2-Pulver. Der Gehalt des Siliciumnitrids in dem gemischten Pulver liegt bei 70 bis 95 Mol-%. Die Gehalte des Seltenerdelements und des Magnesiums werden so gewählt, daß ihre Gesamtmenge, berechnet als Oxide, und ihr Molverhältnis, berechnet als Oxide, in die vorgenannten Bereiche fallen. Wenn die Aluminiumverbindung als Sinterhilfsmittel benutzt wird, wird der Aluminiumgehalt derart eingestellt, daß er sich innerhalb des vorgenannten Bereichs (nicht über 1,0 Mol-%) befindet. Die färbende Komponente und der Füllstoff werden in geeigneter Weise derart verwendet, daß die Mengen des Siliciumnitridpulvers und der Sinterhilfsmittel innerhalb der vorgenannten Bereiche liegen. Die Seltenerdelementverbindung, die Magnesiumverbindung und die Aluminiumverbindung, die als Sinterhilfsmittel eingesetzt werden, liegen im allgemeinen in Form von Oxiden vor, können aber auch Verbindungen sein, die in der Lage sind, beim Brennen Oxide zu bilden, wie Carbonate und Acetate. Es ist ferner bevorzugt, daß die als Sinterhilfsmittel eingesetzten Pulver und die als andere Komponenten verwendeten Pulver einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von höchstens 1 μm aufweisen und daß ihre Reinheiten 99% nicht unterschreiten.
  • Zu dem so erhaltenen Pulvergemisch werden ein gut bekanntes organisches Bindemittel, wie Paraffinwachs, Polyvinylalkohol oder Polyvinylbutyral, sowie ein gut bekanntes organisches Lösungsmittel, wie Isopropylalkohol, zugeführt, um eine Aufschlämmung herzustellen, aus der ein plattenartiger Formkörper (eine grüne Platte) geformt wird. Dabei bedient man sich eines gut bekannten Formungsverfahrens. Beispiele hierfür sind das Preßformen, das CIP-Formen, das Rakelverfahren, das Walzen, das Bandformungsverfahren, das Extrusionsformen und das Spritzgießen. In diesem Fall kann die Aufschlämmung durch ein Sieb hindurchgeführt und dann getrocknet werden, um Teilchen hiervon herzustellen, aus denen die grüne Platte gebildet wird.
  • In Abhängigkeit vom Aufbau der Isolierplatte in der Leiterplatte kann ferner die grüne Platte mit Durchgangslöchern versehen werden, die dann mit einer elektrisch leitenden Paste gefüllt werden, oder die Oberfläche der grünen Platte kann mit Hilfe des Siebdruckverfahrens mit einem Schaltkreismuster aus einer elektrisch leitenden Paste, z. B, mit Cu, W, Mo-Mn, Mo oder Pd-Ag, versehen werden. Ferner kann eine Mehrzahl von grünen Platten übereinanderlaminiert sein.
  • Der so erhaltene Formkörper (die grüne Platte) wird bei einer vorgegebenen Temperatur der Behandlung zum Entfernen des Bindemittels unterworfen und dann gebrannt. Wie aber oben beschrieben, ist es zum Einstellen der durchschnittlichen Größe der langen Achse der säulenartigen Kristalle des Siliciumnitrids in dem erhaltenen Sinterprodukt im Bereich von 0,5 bis 3,0 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2,0 μm, erwünscht, daß die relative Dichte des Formkörpers nach dem Entfernen des Bindemittels auf 48 bis 56%, vorzugsweise auf 49 bis 54%, eingestellt ist. Das heißt, je größer die relative Dichte ist, desto größer ist die Tendenz zur Unterdrückung des Wachstums der Siliciumnitridkristalle während des Brennens. Deshalb kann beim Einstellen der relativen Dichte innerhalb des oben genannten Bereichs dafür gesorgt werden, daß die durchschnittliche Größe der Längsachse der säulenartigen Kristalle des Siliciumnitrids innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt. Die relative Dichte kann entsprechend der nachfolgenden Formel aus der Gesamtdichte des Formkörpers nach dem Entfernen des Bindemittels berechnet werden. Dabei wird diese Gesamtdichte nach der Methode von Archimedes aus dem Gewicht und dem Volumen des Formkörpers, aus dem das Bindemittel entfernt worden ist, berechnet.
  • Figure 00160001
  • Die relative Dichte kann z. B. auf der Grundlage des Drucks beim Formen leicht eingestellt werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann durch das vorgenannte Steuern der relativen Dichte des Formkörpers die durchschnittliche Größe der Längsachse der säulenartigen Kristalle des Siliciumnitrids innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt werden. Als Ergebnis hiervon kann die Wärmeleitfähigkeit der Isolierplatte verbessert werden und liegt bei mindestens 50 W/m·K.
  • Das Brennen erfolgt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, wie Stickstoff oder Argon, bei einer Temperatur von 1500 bis 1800°C, vorzugsweise von 1600 bis 1750°C, insbesondere von 1650 bis 1750°C, um die gewünschte Isolierplatte zu erhalten. Wenn die Brenntemperatur 1500°C nicht überschreitet, ist es nicht möglich, ein Sinterprodukt mit einer relativen Dichte von nicht unter 90% zu erhalten. Wenn die Brenntemperatur mindestens 1800°C beträgt, wird das Siliciumnitrid zersetzt und bewirkt, daß die gebrannte Oberfläche des Sinterprodukts grob wird sowie die Festigkeit abnimmt. Wenn auf die Oberfläche der grünen Platte ein Schaltkreismuster aus einer elektrisch leitenden Paste aufgebracht wird, wird gleichzeitig auf der Oberfläche der Isolierplatte ein Schaltkreis ausgebildet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt das Brennen bei einer Temperatur von höchstens 1800°C, wobei während des Brennens kaum eine Zersetzung des Siliciumnitrids eintritt. Deshalb kann man das Brennen unter normalem Druck (atmosphärischem Druck) anstelle unter einem erhöhten Druck, durch führen. Außerdem wird die gebrannte Oberfläche der Isolierplatte nur in geringem Umfang grob, und die maximale Oberflächenrauheit (Rmax) liegt nicht über 10 μm, vorzugsweise nicht über 7 μm, wie oben erwähnt. Dies ermöglicht es, die Stufe des Polierens der Oberfläche der erhaltenen Isolierplatte wegzulassen. Deshalb werden durch die vorliegende Erfindung die Kosten des Brennens gesenkt, ein Teil des Herstellungsverfahrens entfällt und die Herstellungskosten sind stark vermindert. Dies bedeutet große Vorteile.
  • Das Brennen wird durchgeführt, bis die relative Dichte mindestens 90% beträgt. Es ist bevorzugt, daß die Brennzeit in Abhängigkeit von der Brenntemperatur eingestellt wird, so daß die relative Dichte 90 bis 98,5%, vorzugsweise 95 bis 98%, beträgt. Das heißt, das Siliciumnitridsinterprodukt mit einer relativen Dichte innerhalb des vorgenannten Bereichs weist einen Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur von höchstens 300 GPa, vorzugsweise im Bereich von 250 bis 300 GPa, auf. wie oben erwähnt, hat das Sinterprodukt mit einem niedrigen Elastizitätsmodul Eigenschaften, die für eine Isolierplatte zur Verwendung bei einer Leiterplatte für ein Leistungsmodul überaus günstig sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Sinterprodukt (die Isolierplatte) nach dem Brennen während mindestens einer Stunde, insbesondere während mindestens drei Stunden, auf einer Temperatur von 1100 bis 1600°C, gehalten, die unter der Brenntemperatur liegt, um die Wärmeleitfähigkeit der Isolierplatte derart zu verbessern, daß sie mindestens 50 W/m·K beträgt. Das heißt, durch die Wärmebehandlung nach dem Brennen kristallisiert das Magnesium in den Korngrenzen aus. Dementsprechend nimmt die Menge der Glasphase, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und in den Korngrenzen bleibt, ab, und die Wärmeleitfähigkeit des Sinterprodukts wird verbessert. Die Kristallisationstemperatur in der Korn grenzenphase beträgt etwa 1200°C. Deshalb wird die Kristallisation nicht erreicht, wenn die Temperatur der Wärmebehandlung unter 1100°C liegt. Beträgt die Behandlungszeit weniger als eine Stunde, erfolgt die Kristallisation nur unzureichend. In jedem Fall ist es dann schwierig, die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Außerdem kann die Wärmebehandlung in einer Kühlstufe durchgeführt werden, nachdem das Brennen beendet worden ist. Alternativ kann die erhaltene Isolierplatte auch auf Raumtemperatur abgekühlt und dann erhitzt sowie in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, kann durch Einstellen der relativen Dichte des Formkörpers, der dem Sintern unterworfen werden soll, oder durch Durchführen der Wärmebehandlung nach dem Brennen die Wärmeleitfähigkeit der Isolierplatte auf mindestens 50 W/m·K eingestellt werden.
  • Leiterplatte
  • Die vorgenannte Isolierplatte hat eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 50 W/m·K, zeigt eine hervorragende Wärmeabstrahlungseigenschaft und weist eine große Festigkeit, z. B. eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von beispielsweise mindestens 700 MPa, vorzugsweise von mindestens 750 MPa, auf. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Leiterplatte, die mit einer solchen Isolierplatte ausgerüstet ist, als Leiterplatte für eine Halbleiteranordnung, in der ein Halbleiterelement montiert werden soll, und als Leiterplatte für ein Leistungsmodul, an dem ein Leistungselement montiert werden soll, sehr wertvoll. Insbesondere liegt bei der Isolierplatte mit einem Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur von höchstens 300 GPa trotz ihrer geringen Dicke von höchstens 1 mm eine sehr hohe Festigkeit vor und sie widersteht einer Durchbiegung. Dadurch ist die Platte für einen Einsatz bei einer Leiterplatte für ein Leistungsmodul gut geeignet.
  • 1 erläutert den Aufbau einer für ein Leistungsmodul vorgesehenen Leiterplatte gemäß der Erfindung. Die Leiterplatte, die mit A bezeichnet ist, ist mit der Isolierplatte 1 versehen. Ein Metallschaltkreis 2 ist auf der vorderen Oberfläche (der oberen Oberfläche) auf einer Seite der Isolierplatte 1 ausgebildet. Ein Leistungselement 3, z. B. ein IGBT oder MOSFET, ist auf dem Metallschaltkreis 2 angeordnet und über Verbindungsdrähte 4, die beispielsweise aus Aluminium bestehen, mit dem Metallschaltkreis 2 elektrisch verbunden. Eine Wärmeabstrahlungsplatte 5 aus einem stark wärmeleitendem Material ist an der anderen Oberfläche (der unteren Oberfläche) der Isolierplatte 1 angebracht, um die beim Betrieb des Leistungselements 3 erzeugte Wärme wirksam abzustrahlen. Außerdem ist die Leiterplatte A auf einem Kühlblech 6 befestigt, damit die Wärme noch wirksamer abgestrahlt wird.
  • An der Leiterplatte A ist der Metallschaltkreis 2 aus einer Metallfolie oder einer Metallplatte aus einem Metall mit niedrigem Widerstand, z. B. aus Cu, Al oder Au, ausgebildet und hat vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0,1 mm, insbesondere von mindestens 0,2 mm. Wenn der Metallschaltkreis 2 unter Einsatz eines Metall mit hohem Widerstand, wie Wolfram oder Molybdän, hergestellt ist oder wenn der Metallschaltkreis 2 eine Dicke von unter 0,1 mm aufweist, erzeugt er Wärme, wenn ein starker Strom von mindestens 10 Ampere fließt, was oft zur Zerstörung des Schaltkreises führt. Der Metallschaltkreis 2 ist an der Isolierplatte 1 fest angebracht, und zwar durch Auflaminieren einer Metallfolie oder Metallplatte aus dem oben genannten Metall mit niedrigem Widerstand und mit einer vorgegebenen Dicke auf die Isolierplatte 1. Dazu wird ein Lötmaterial eingesetzt, das mindestens ein aktives Metall aus der Gruppe Ti, Zr und Hf enthält, beispielsweise eine Paste mit einem aktiven Metall, wie Cu-Ag-Ti oder Cu-Au-Ti. Der Metallschaltkreis 2 wird bei 800 bis 900°C unter Druckanwendung aufgedrückt. Nach dem Aufdrücken wird auf die Metallfolie oder die Metallplatte ein Schutzlack aufgebracht. Dann folgt ein Belichten, ein Entwickeln und ein Ätzen. Anschließend wird der Schutzlack abgeschält, so daß der Metallschaltkreis 2 mit einem gewünschten Muster auf der Isolierplatte 1 ausgebildet ist. Zum Zeitpunkt der Herstellung der Isolierplatte 1 kann der Metallschaltkreis gleichzeitig mit dem Formkörper (der grünen Platte) durch Brennen hergestellt werden.
  • Um das Leistungselement 3 auf den Metallschaltkreis 2 aufzubringen, wird eine Lötpaste auf ihn aufgetragen und unter Verwendung einer automatischen Aufbringvorrichtung auf 300 bis 400°C erhitzt, um das Leistungselement 3 auf den Metallschaltkreis aufzulöten.
  • Die wärmeabstrahlende Platte 5 wird aus einem hochwärmeleitfähigem Metall, wie Cu, Al oder Ag, hergestellt. Wie bei der Herstellung des Metallschaltkreises 2 wird die wärmeabstrahlende Platte 5 durch Laminieren einer Metallplatte, unter Einsatz einer Paste eines ein aktives Metall enthaltenden Lötmaterials auf die Isolierplatte 1 fest aufgebracht. Dabei wird die Metallplatte bei 800 bis 900°C unter Druck auf die Isolierplatte 1 aufgedruckt.
  • Um die Leiterplatte A mit der wärmeabstrahlenden Platte 5 auf dem Kühlblech 6 zu befestigen, kann auf die wärmeabstrahlende Platte 5 eine Lötpaste, z. B. ein eutektisches Pb-Sn-Lötmittel, aufgebracht werden, um bei 300 bis 400°C das Löten durchzuführen.
  • Die Isolierplatte 1 muß einen niedrigen Wärmewiderstand aufweisen, so daß die beim Betrieb des Leistungselements 3 erzeugte Wärme wirksam auf die wärmeabstrahlende Platte 5 und das Kühlblech 6 übertragen wird. Deshalb muß die Dicke der Isolierplatte 1 kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,8 mm, sein.
  • Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte für ein Leistungsmodul wird die Isolierplatte 1 aus dem vorgenannten Siliciumnitridsinterprodukt hergestellt, das eine hervorragende Wärmeabstrahlungseigenschaft aufweist, die durch eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m·K ausgedrückt wird. Deshalb kann Wärme, die durch den Betrieb des Leistungselements 3 erzeugt worden ist, wirksam zu der wärmeabstrahlenden Platte und dem Kühlblech 6 geleitet werden. Es ist ferner bevorzugt, die relative Dichte so einzustellen, daß die Isolierplatte 1 einen Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur von höchstens 300 GPa, insbesondere einen Elastizitätsmodul von 250 bis 300 GPa, aufweist.
  • Das heißt, es wird auf die Isolierplatte 1 eine hohe Belastung ausgeübt, wenn das Leistungselement 3 auf der Isolierplatte befestigt wird, wenn an der letzteren die wärmeabstrahlende Platte 5 angebracht wird oder wenn das Kühlblech 6 an die Leiterplatte A montiert wird. Wenn ferner die Leiterplatte A als Schaltbrett, das in einem Fahrzeug angebracht ist, benutzt wird, unterliegt die Platte harten Bedingungen, unter denen zu jeder Zeit eine starke Beanspruchung gegeben ist. Jedoch wurde hier die Isolierplatte 1 mit einer sehr geringen Dicke ausgebildet, um den Wärmewiderstand zu verringern. Wenn deshalb eine Belastung gegeben ist, neigt die Isolierplatte zur Bildung von Rissen und wird beschädigt oder führt zu einem Bruch des darauf ausgebildeten Schaltkreises.
  • Gemäß der Erfindung jedoch wird dieses Problem dadurch gelöst, daß das vorgenannte Sinterprodukt mit einem kleinen Elastizitätsmodul als Isolierplatte verwendet wird. Das heißt, die aus dem Siliciumnitridsinterprodukt hergestellte Isolierplatte 1 biegt sich leicht durch, wenn es einer Belastung ausgesetzt wird, wobei aufgrund der Durchbiegung die Beanspruchung geringer ist. Außerdem weist die Isolierplatte 1 eine Biegefestigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 700 MPa, vorzugsweise von mindestens 750 MPa auf, und behält trotz ihrer Dicke von höchstens 1 mm, vorzugsweise von höchstens 0,8 mm, eine ausreichende große Festigkeit gegenüber bei der Durchbiegung aufrecht. Deshalb entstehen bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte A, die mit der Isolierplatte 1 aus einem derartigen Sinterprodukt ausgerüstet ist, trotz einer darauf ausgeübten großen Belastung keine Risse. Somit wird wirksam verhindert, daß die Leiterplatte A beschädigt wird oder der Schaltkreis zerbricht, wenn das Leistungselement 3, die wärmeabstrahlende Platte 5 oder das Kühlblech 6 befestigt werden. Selbst beim Einsatz der Leiterplatte als Schaltbrett unter harten Bedingungen und beispielsweise bei einer Befestigung in einem Fahrzeug tritt keine Fehlfunktion auf, die von einem Bruch des Trägermaterials oder des Schaltkreises herrührt. Vielmehr ist eine sehr hohe Zuverlässigkeit gegeben.
  • Das vorgenannte Beispiel der 1 betrifft die Leiterplatte für ein Leistungsmodul. Jedoch ist die erfindungsgemäße Leiterplatte darauf nicht beschränkt, sondern kann in verschiedener Hinsicht als Leiterplatte eingesetzt werden, wo eine Wärmeabstrahlung erforderlich ist. Beispielsweise kann die Erfindung auch auf Leiterplatten angewandt werden, die eine Dicke von über 1 mm aufweisen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe experimenteller Beispiele erläutert.
  • In den folgenden Experimentierbeispielen wurde die Wärmeleitfähigkeit einer Probe des Sinterprodukts mit einer Dicke von über 1 mm in der unten beschriebenen Weise festgestellt. Eine Bezugsprobe mit einer Dicke von 3 mm wurde gesondert hergestellt und bezüglich ihrer Wärmeleitfähigkeit (Bezugswärmeleitfähigkeit) entsprechend der Methode JIS-R-1611 vermessen. Dann wurde die Bezugswärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Dicke einer gewünschten Probe aus einem Sinterprodukt korrigiert. Ferner wurde eine Probe aus einem Sinterprodukt mit einer Dicke von höchstens 1 mm aus der Wärmeleitzahl berechnet, die entsprechend den Ausführungen ”A Method of Measuring Two-Dimensional Thermal Diffusivity based an a Flash Method” von Tadahiko Azumi auf dem 9. Symposium der Japanese Association of Thermal Properties, 1988, Seiten 184 bis 186, gemessen wurde.
  • Beispiel 1
  • Oxide von Seltenerdelementen, MgCO3 und Al2O3 wurden zu einem Ausgangspulver aus Siliciumnitrid gegeben, das einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,2 μm, einen Sauerstoffgehalt von 1,3 Gew.-% und einen Gehalt an α-Si3Ni4 von 93% aufwies sowie nach der direkten Nitrierungsmethode hergestellt worden war. Es wurden Formkörperzusammensetzungen erhalten, die in den nachfolgenden Tabellen I und II angegeben sind. Den Pulvergemischen wurden Paraffinwachs als Bindemittel zum Formen und Isopropylalkohol als Lösungsmittel zugesetzt. Anschließend wurden sie geknetet und getrocknet. Dann wurden die Gemische durch ein Sieb geführt, um die Teilchen für das Formen zu erhalten. Die Teilchen wurden dann zu Scheiben mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 5 mm geformt, wobei eine Metallformpresse mit einem Formungsdruck von 1 t/cm2 benutzt wurde.
  • Von den so erhaltenen Formkörpern wurde das Bindemittel bei einer vorgegebenen Temperatur abgetrennt. Die Formkörper wurden dann in einer Stickstoffatmosphäre bei Normaldruck (atmosphärischem Druck) und den in den Tabellen I und II angegebenen Temperaturen während drei Stunden gebrannt und weiterhin unter den in den beiden Tabellen aufgeführten Bedingungen wärmebehandelt, um Siliciumnitridsinterprodukte herzustellen, die als Proben zur Bewertung verwendet werden sollten.
  • Die so erhaltenen Proben für die Beurteilung, also die Siliciumnitridsinterprodukte, wurden hinsichtlich ihrer Dichten gemäß der Methode von Archimedes vermessen, und die relativen Dichten (%), welche die Verhältnisse zur theoretischen Dichte darstellen, wurden berechnet. Dann wurden gemäß der oben beschriebenen Methode die Wärmeleitfähigkeiten bestimmt. Zusätzlich wurden Proben mit relativen Dichten von mindestens 90% durch Röntgenbeugung hinsichtlich ihrer Oberflächen vermessen, um die Korngrenzenkristallphasen zu identifizieren, und zwar unter der Annahme, daß an den Korngrenzen noch andere Kristallphasen existieren, die kein Siliciumnitrid sind. Die gebrannten Oberflächen wurden gemäß der Methode JIS-R-1601 bezüglich ihrer Drei-Punkt-Biegefestigkeiten bei Raumtemperatur (25°C) vermessen. Die gebrannten Oberflächen wurden außerdem hinsichtlich ihrer Oberflächenrauheit Rmax überprüft. Die Ergebnisse sind in den Tabellen I und II angegeben.
  • Figure 00250001
  • Figure 00260001
  • Aus den Ergebnissen der Tabellen I und II ist ersichtlich, daß die Proben Nr. 1, 7, 8 und 13, bei denen die Mengen des Siliciumnitrids, die Mengen der Komponente RE2O3 + MgO und das Verhältnis RE2O3/MgO außerhalb des Bereichs der Erfindung lagen, verminderte relative Dichten und verminderte Leitfähigkeiten unterhalb 50 W/m·K aufwiesen. Bei der Probe Nr. 18, die Aluminiumoxid in einer Menge von mehr als 1,0 Mol-%, einschließlich des als Verunreinigung im pulverförmigen Ausgangsmaterial vorliegenden Aluminiums enthielt, war die Dichte zwar hoch, die Wärmeleitfähigkeit aber sehr gering.
  • Beim Einsatz von Seltenerdelementen außer Y ergaben sich ein ähnliches Sinterverhalten und hohe Wärmeleitfähigkeiten.
  • Bei der Probe Nr. 27, die nicht ganz wärmebehandelt war, und bei der Probe Nr. 32, die eine halbe Stunde lang wärmebehandelt wurde, wurde die magnesiumhaltige Kristallphase nicht festgestellt und die Wärmeleitfähigkeit war vermindert. Im Fall der Proben, die mehr als eine Stunde wärmebehandelt worden sind, wurde die Korngrenzenkristallphase abgeschieden und die Wärmeleitfähigkeit wurde stark verbessert. Bei der Probe Nr. 34, die fünf Stunden lang wärmebehandelt worden war, zeigte sich keine Veränderung in der Wärmeleitfähigkeit.
  • Bei der Probe Nr. 28, die bei einer Temperatur von unter 1100°C wärmebehandelt worden war und bei der Probe Nr. 31, die bei einer Temperatur von über 1600°C wärmebehandelt worden war, wurde die magnesiumhaltige Kristallphase nicht festgestellt, und die Wärmeleitfähigkeit war die gleiche wie jene der Probe Nr. 27, die keiner Wärmebehandlung unterworfen worden war.
  • Bei der Probe Nr. 35, die bei einer Temperatur von unter 1650°C gebrannt worden war, nahm die relative Dichte ab. Bei der Probe Nr. 38, die bei einer Temperatur von über 1800°C gebrannt worden war, nahm die Oberflächenrauheit (Rmax) zu.
  • Andererseits waren bei den Proben Nr. 2 bis 6, 9 bis 12, 14 bis 17, 19 bis 26, 29, 30, 33, 34, 36 und 37 die relativen Dichten nicht kleiner als 90%, die Drei-Punkt-Biegefestigkeiten betrugen mindestens 700 MPa, die Oberflächenrauheiten lagen bei höchstens 10 μm und die Wärmeleitfähigkeiten betrugen mindestens 50 W/m·K.
  • Beispiel 2
  • Zu einem pulverförmigen Ausgangsmaterial aus Siliciumnitrid mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,2 μm, einem Sauerstoffgehalt von 1,0 Gew.-% und einem Gehalt an β-Si3N4 von 0 bis 15% (Rest α-Si3N4), hergestellt durch das Verfahren der direkten Nitrierung, wurden Sinterhilfsmittel gegeben, um die in den Tabellen III und IV angegebenen Zusammensetzungen zu erhalten. Den Pulvergemischen wurden ein Paraffinwachs als Bindemittel zum Formen und Isopropylalkohol als Lösungsmittel zugefügt. Anschließend wurde das jeweilige Gemisch geknetet und getrocknet. Dann wurde das Gemisch durch ein Sieb hindurchgeführt, um die Teilchen für das Formen zu erhalten. Diese wurden dann mittels einer Metallformpresse unter einem Formungsdruck von 0,2 bis 2 t/cm2 zu Scheiben mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 5 mm geformt. Ferner wurden zum Messen der Festigkeiten rechteckige Quader mit einer Größe von 60 mm × 6 mm × 4 mm geformt.
  • Aus den so erhaltenen Formkörpern wurde in einer schwach sauren Atmosphäre bei einer vorgegebenen Temperatur das Bindemittel entfernt. Die Formkörper wurden dann in einer Stickstoffatmosphäre bei Normaldruck und unter den in den Tabellen III und IV angegebenen Brennbedingungen gebrannt, um Siliciumnitridsinterprodukte herzustellen, die als Proben für die Bewertung vorgesehen waren. Die Formkörper, aus denen das Bindemittel entfernt worden war, wurden hinsichtlich ihrer Dichten nach der Methode von Archimedes untersucht, um ihre relativen Dichten zu berechnen.
  • Bei den so erhaltenen Proben wurden die relativen Dichten, die Wärmeleitfähigkeiten und die Drei-Punkt-Biegefestigkeiten in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 bestimmt. Ferner wurden die Proben in irgendeiner Richtung geschnitten, und die geschnittenen Oberflächen wurden behandelt, um sie spiegelartig zu machen. Dann wurden die Korngrenzenphasen mit einer gemischten Säure aus Hf + HNO3 angeätzt, und die geschnittenen Oberflächen wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops fotografiert. Anschließend wurden die Fotografien entsprechend dem Luzex-Verfahren bearbeitet, um die durchschnittliche Größe der Längsachse der Si3N4-Kristalle zu berechnen. die Ergebnisse sind in den Tabellen III und IV angegeben.
  • Figure 00300001
  • Figure 00310001
  • Wie in den Tabellen III und IV gezeigt wird, weisen die Proben Nr. 3 bis 7, 11 bis 16, 19 bis 22, 24 bis 36, 39 bis 41, 43 und 44 hervorragende Eigenschaften auf, z. B. Wärmeleitfähigkeiten von mindestens 50 W/m·K, insbesondere von mindestens 55 W/m·K, und Festigkeiten von mindestens 600 MPa, insbesondere von mindestens 700 MPa auf.
  • Gemäß den Ergebnissen der Proben Nr. 1 bis 8 waren dann, wenn die Gesamtmenge des Seltenerdelements und des Magnesiums kleiner als 4 Mol-% betrug, die relativen Dichten nicht auf mindestens 90% erhöht, und außerdem waren die Wärmeleitfähigkeiten geringer. Wenn andererseits die Gesamtmenge des Seltenerdelements und des Magnesiums 30 Mol-% überstieg, waren die Dichten erhöht, aber die Wärmeleitfähigkeiten lagen unter 50 W/m·K.
  • Gemäß den Ergebnissen der Proben Nr. 9 bis 18 wurden die Wärmeleitfähigkeiten kleiner als 50 W/m·K, wenn das Verhältnis (Mol-Verhältnis) RE2O3/MgO kleiner als 0,1 oder größer als 15 war.
  • Gemäß den Ergebnissen der Proben Nr. 19 bis 23 nahmen die Dichten zu und die Wärmeleitfähigkeiten stark ab, wenn der Gehalt an Aluminium 1 Mol-% überstieg.
  • Bei den Proben Nr. 24 bis 31, bei denen Ce, Sm, Nd, Gd, Dy, Y, Yb und Lu als Seltenerdelemente zusätzlich zu Er eingesetzt wurden, ergaben sich die gleichen Sintereigenschaften und Wärmeleitfähigkeiten, unabhängig von der Art des Seltenerdelements, vorausgesetzt, daß hinsichtlich des Mol-Verhältnisses die gleichen Zusammensetzungen verwendet wurden.
  • Gemäß den Ergebnissen der Proben Nr. 32 bis 37 änderten sich die durchschnittlichen Größen der Längsachse der Si3N4-Kristalle an den geschnittenen Oberflächen und änderten sich die Wärmeleitfähigkeiten, wenn die Haltezeit der Brenntemperatur (die Brennzeit) geändert wurde. Außerdem nahm die Festigkeit stark ab, wenn die durchschnittliche Größe der Längsachse 3 μm überschritt.
  • Gemäß den Ergebnissen der Proben Nr. 38 bis 42 änderte sich das Wachstum der kristallinen Teilchen des Siliciumnitrids in Abhängigkeit von einer Veränderung der Dichte des Formkörpers. Wenn die Dichte des Formkörpers zu gering war, war das Sinterprodukt nicht dicht genug. Wenn die relative Dichte des Formkörpers mindestens 48% betrug, konnte die relative Dichte des Sinterprodukts auf mindestens 90% erhöht werden. Wenn der Formkörper eine niedrige Dichte aufweist, wachsen die Teilchen leicht und die Wärmeleitfähigkeit wird verbessert. Wenn die Dichte des Formkörpers 56% übersteigt, wird die genannte durchschnittliche Größe der Längsachse kleiner als 0,5 μm und die Wärmeleitfähigkeit fällt unter 50 W/m·K.
  • Gemäß den Ergebnissen der Proben 43 bis 45 wurde mit einer Zunahme der Menge an β-Siliciumnitrid in dem als Ausgangsstoff eingesetzten Siliciumnitrid das Wachstum der Teilchen gefördert, die durchschnittliche Größe der Längsachse der gesinterten Siliciumnitridteilchen erhöht und die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Wenn aber die Menge des β-Siliciumnitrids 10% überschreitet, nimmt die Dichte ab, die relative Dichte fällt unter 90% und die Wärmeleitfähigkeit nimmt gleichfalls ab.
  • Beispiel 3
  • In der gleichen Weise wie in den Beispielen 1 und 2 wurden Isolierplatten mit einer Dicke von 0,635 mm hergestellt. Jede Isolierplatte wurde an zwei Punkten durch Überbrückungsteile abgestützt, mit denen entsprechend der unter JIS-R-1601 angegebenen Methode zur Bestimmung der Drei-Punkt-Biege festigkeit ein Spalt von 30 mm, wie in 2 dargestellt ist, beibehalten wurde.
  • Auf jede Isolierplatte wurde im Mittelbereich auf der der unterstützten Oberfläche gegenüberliegenden Seite eine Belastung ausgeübt, und die Größe der Durchbiegung x wurde in dem Zeitpunkt gemessen, in dem die Platte brach. Ferner wurde jede Isolierplatte hinsichtlich ihres Elastizitätsmoduls (bei einer Raumtemperatur von 25°C) auf der Grundlage der Ultraschallimpulsmethode untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle V angegeben.
  • Ferner wurde eine Kupferplatte mit einer Dicke von 200 μm mit Hilfe eines Verfahrens unter Verwendung eines aktiven Metalls mit der Platte verbunden, und durch Ätzen wurde ein Metallschaltkreis aus Kupfer ausgebildet. Anschließend wurde durch Löten unter Verwendung einer automatischen Befestigungsvorrichtung ein Leistungselement auf dem Metallschaltkreis angebracht, wodurch eine Leiterplatte gebildet wurde.
  • Unmittelbar nach dem Befestigen des Leistungselements wurde die Leiterplatte auf die Anwesenheit von Rissen hin überprüft. Um das Befestigen zu bewerten, wurde die Anzahl der Leiterplatten, an denen Risse entstanden sind, innerhalb von 20 Leiterplatten gezählt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle V angegeben.
  • Die Tabelle V zeigt auch die Drei-Punkt-Biegefestigkeiten und die relativen Dichten der in den Beispielen 1 und 2 gemessenen Sinterprodukte.
  • Figure 00350001
  • Die Ergebnisse der Tabelle V zeigen, daß die Proben mit Drei-Punkt-Biegefestigkeiten von mindestens 700 MPa und mit Elastizitätsmoduli von höchstens 300 GPa stark durchgebogen werden können und damit Befestigungseigenschaften aufweisen, die als günstig zu bewerten sind.

Claims (11)

  1. Leiterplatte, gekennzeichnet durch eine Isolierplatte aus einem Siliciumnitridsinterprodukt, das eine Siliciumnitridkristallphase enthält, und durch einen auf der Isolierplatte ausgebildeten Metallschaltkreis, wobei das Siliciumnitridsinterprodukt ein Seltenerdelement (RE) und Magnesium in einer Gesamtmenge von 4 bis 30 Mol-%, berechnet als Oxide, und in einem Molverhältnis RE2O3/MgO von 0,1 bis 15, berechnet als Oxide, enthält sowie eine relative Dichte von mindestens 90% und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m·K hat, und durch das Vorliegen einer Kristallphase aus MgSiO3 oder MgSiN2 in der Korngrenzenphase der Siliciumnitridkristallphase.
  2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumnitridsinterprodukt Aluminium in einer Menge von höchstens 1,0 Mol-%, berechnet als Oxid, enthält.
  3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Siliciumnitridsinterprodukt enthaltenen Siliciumnitridkristalle säulenförmige Kristalle mit einer durchschnittlichen Größe der Längsachse von 0,5 bis 3 μm sind.
  4. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte einen Elastizitätsmodul von höchstens 300 GPa bei Raumtemperatur aufweist.
  5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte eine Dicke von höchstens 1 mm aufweist und ein Leistungselement, das mit dem Metallschaltkreis verbunden ist, an der Oberfläche der Isolierplatte befestigt ist.
  6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaltkreis eine Dicke von mindestens 0,1 mm aufweist.
  7. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaltkreis mittels eines aktiven Metalls mit der Oberfläche der Isolierplatte verbunden ist.
  8. Verfahren zum Herstellen der in Anspruch 1 definierten Isolierplatte, umfassend die folgenden Schritte: – Mischen von pulverförmigem Siliciumnitrid, einer pulverförmigen Verbindung eines Seltenerdelements und einer pulverförmigen Magnesiumverbindung derart, daß der Gehalt an Siliciumnitrid 70 bis 95 Mol-%, die Gesamtmenge des Seltenerdelements (RE) und des Magnesiums 4 bis 30 Mol-%, berechnet als Oxide, und das Molverhältnis RE2O3/MgO 0,1 bis 15, berechnet als Oxide, betragen, und damit ein Pulvergemisch hergestellt wird, – Einmischen eines organischen Bindemittels und eines Lösungsmittels in das genannte Pulvergemisch, um eine Aufschlämmung hiervon herzustellen, – Formen eines plattenartigen Gegenstands unter Einsatz der genannten Aufschlämmung; – Brennen des geformten Gegenstands, nach Entfernen des Bindemittels, in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1500 bis 1800°C, so daß sich eine relative Dichte von mindestens 90% ergibt; – Halten des gebrannten Produkts nach dem Brennen während mindestens einer Stunde auf einer Temperatur von 1100 bis 1600°C, die unter der Brenntemperatur liegt, so dass das Siliciumnitrid-Sinterprodukt eine Kristallphase aus MgSiO3 oder MgSiN2 in der Korngrenzenphase der Siliciumnitridkristallphase aufweist; und.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch mit einer pulverförmigen Aluminiumverbindung derart gemischt wird, daß das Aluminium in einer Menge von höchstens 1 Mol-%, berechnet als Oxid, in dem Gemisch vorliegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Gegenstand nach dem Entwachsen derart eingestellt wird, daß er eine relative Dichte von 48 bis 56% aufweist.
  11. Verwendung der Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Leistungseinheit.
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