DE3426916A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstoffes - Google Patents
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Description
Vacuumschmelze GmbH VP 84 P 9557 DE
Hanau
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundwerkstoffes aus Kupfer und mindestens einem der Metalle Molybdän und Wolfram insbesondere als Substratmaterial
für Leistungshalbleiter.
Beim Inkontaktbringen von Halbleitern, z.B. Silizium, mit wärmeleitfabigen Körpern, z.B. Kupfer, werden häufig Hart-
oder Weichlotgrenzflächen zwischen den verschiedenen Elementen verwendet, die wiederholter Temperaturwechselbeanspruchung
widerstehen sollen. Bei Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann hierbei
während der wechselnden Temperaturbeanspruchung leicht ein Bruch eintreten, insbesondere wenn eine hohe Stromtragfähigkeit
der Halbleiteranordnung gefordert wird.
Es besteht daher ein erheblicher Bedarf an Werkstoffen, die in ihrem Wärmeausdehnungsverhalten dem des Halbleitermaterials
angepaßt sind gleichzeitig aber eine elektrische Verbindung mit geringem Widerstand ermöglichen. Es ist
bereits bekannt, bei Verbindungen von wärmeableitenden Elementen mit Halbleitermaterial, z.B. einer Halbleiterscheibe,
Zwischenschichten aus Materialien mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, wie z.B. Molybdän oder Wolfram,
vorzusehen. Diese Materialien sind aber bezüglich einer optimalen Wärmeableitung weniger geeignet, besitzen einen
zu hohen elektrischen Widerstand und sind zudem verhältnismäßig teuer.
20.7.1984 Ge/Bz
.4·
- VP 84 P 9557 DE
Es ist weiterhin versucht worden, einen Verbundwerkstoff aus einer gesinterten Kombination von Pulvern zur Bildung
eines Ausgleichselementes herzustellen (US-PS 3 097 329). Hierbei besteht "beispielsweise die dem HaIbleiterelement
zugewandte Oberfläche aus Molybdän, während die gegenüberliegende in Kontakt mit dem wärmeableitenden
Körper stehende Oberfläche hauptsächlich aus Kupfer besteht. Dazwischen sind Pulver mit einem allmählich
in den jeweiligen Oberflächenbereich übergehenden Mischungsverhältnis angeordnet. Dieses Element hat auf
der einen Seite den niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von Molybdän, so daß diese Seite nahezu ohne Wärmespannungen
mit einem Halbleiterkörper zusammengebracht werden kann und auf der anderen Seite den hohen warmeausdehnungskoeffizienten
und die bessere elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Die Herstellung dieser einzelnen Elemente mit
graduell abgestuftem Molybdängehalt ist jedoch sehr aufwendig und läßt aufgrund des Preßverfahrens nur eine beschränkte
Formgebung des Preßkörpers zu. Ferner weist der gesinterte Körper nachteiligerweise eine hohe Restporosität
auf, die die Leitfähigkeit herabsetzt und dazu führt, daß das kompakte Formteil keiner weiteren Verformung zur
Erhöhung der Dichte und zur Festigkeitssteigerung unterzogen
werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines gegenüber reinem Molybdän oder
Wolfram preisgünstigeren Substratmaterials für Leistungshalbleiter anzugeben, das eine geeignete Wärmeanpassung
zwischen dem Halbleiterkörper und einem Stütz- bzw. Kühl, körper ermöglicht und insbesondere eine bessere elektrische
und thermische Leitfähigkeit besitzt.
VP 84 P 9557 DE
Bei der vorliegenden Erfindung wird dies bei einem Verbundwerkstoff
aus Kupfer und mindestens einem der Metalle Molybdän und Wolfram durch folgende Verfahrensschritte
erreicht:
a) Mischen von Kupferpulver mit Molybdän- und/oder Wolframpulver
b) Verdichten des Pulvergemisches
10
10
c) Sintern des Pulvergemisches "bei einer Temperatur oberhalb
des Schmelzpunktes von Kupfer
d) Verformen des gesinterten Körpers um insgesamt mindestens 50 %.
Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Patentanspruch 1.
Im Gegensatz zu dem aus der US-PS 3 097 329 bekannten aus
einem massiven Schichtverbund bestehenden Sinterkörper weist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Verbundwerkstoff bzw· ein aus diesem Material bestehender
Körper keinen Ausdennungsgradienten zwischen gegenüberliegenden
Kontaktflächen auf. Dies rührt insbesondere daher, daß die nach dem kennzeichnenden Verfahrensschritt
d) vorgesehene Verformung des gesinterten Körpers zu einer homogenen Verteilung der jeweiligen
Pulverteilchen und zu einer ausgeprägten Faserstruktur mit gestreckten Kupferteilchen in der Matrix des hochschmelzenden Metalls führt. Der Verformungsschritt zur
Erzielung der Faserstruktur kann dabei vorzugsweise
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durch Walzen oder Strangpressen des verdichteten Körpers im Temperaturbereich von 500 bis 100O0C erfolgen. Es ist
von besonderem Vorteil, daß das erfindungsgemäß Verfahren die Herstellung beliebiger Halbzeugformen, wie beispielsweise
Band und Draht, ermöglicht.
Anhand von einigen Ausführungsbeispielen und einer Figur soll die Erfindung nachstehend noch näher erläutert
werden.
10
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Die Figur zeigt einen Längsschliff des Gefüges eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kupfer-Molybdän-Pulververbundwerkstoffes
in 250-facher Vergrößerung.
Die Legierungssysteme Ou-Mo, Ou-W und Ou-(Mo,W) besitzen
bei Raumtemperatur keine bzw. nur geringe gegenseitige Löslichkeit. In einem Pulververbund der Komponenten Kupfer
mit Molybdän und/oder Wolfram bleiben daher die jeweiligen
Eigenschaften im wesentlichen erhalten. So besitzt Molybdän einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
Λ im Temperaturbereich von 20 bis 4O0°C von 5» 5· 10 K"'1,
eine Wärmeleitfähigkeit λ bei Raumtemperatur von 137 W (K*m) und einen spezifischen elektrischen Widerstand <j
von 5»4 μAcm bei 200C. Kupfer besitzt einen thermischen
—6 —1 Längenausdehnungskoeffizienten λ von etwa 16-10 K ,
eine Wärmeleitfähigkeit λ von 380 W/(K»m) und einen spezifischen
elektrischen Widerstand ^ von 1,7 μΑαη. Je
nach Anteil der jeweiligen Komponenten im Pulververbund ist es möglich, die gewünschten Eigenschaften einzustellen.
-JgC- VP 84 P 9557 DE
Geeignete Substrat- bzw. Elektrodenwerkstoffe, die in
engem Kontakt zu dem Halbleitermaterial stehen, sollen insbesondere folgende Eigenschaften aufweisen:
- einen über einen größeren Temperaturbereich nahezu konstanten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
Λ < 12Ί0""6 Κ"1,
- eine Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als die von Reinmolybdän oder Reinwolfram
- eine Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als die von Reinmolybdän oder Reinwolfram
- sowie einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht größer als 5
Besonders bevorzugt sind Werkstoffe mit einem thermischen
Längenausdehnungskoeffizienten von etwa 8 bis 10 »10*" ET
und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2 bis 4 μ Λ cm.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden sehr feine Pulver mit einer im Bereich von 1,5 bis 6 paa
liegenden mittleren Teilchengröße verwendet und die Sinterung mit flüssiger Kupferphase in einer reduzierenden
SinteratmoSphäre durchgeführt. Mit diesen 'Verfahrensbedingungen
genügt bereits ein einziger Sinterschritt, um eine sehr hohe Dichte mit einer geringen, geschlossenen
Restporosität zu erhalten.
Die anschließende weitere Verdichtung zu einem nahezu porenfreien Körper kann entweder durch heiß-isostatisches
Pressen oder - gleichzeitig mit einer Verformung - durch Strangpressen und/oder Walzen erfolgen.
TP 84 P 9557 DB
Zur Herstellung eines 40 Gew.-% Molybdän, Rest Kupfer enthaltenden
Pulvergemisches wurden 180 g Kupferpulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 4 μια und 120 g
Molybdänpulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 3 um miteinander in einem Üharbula-Schüttelmischer gemischt.
Diese Pulvermischung wurde anschließend in einem elastischen Schlauch isostatisch zu einem Rundstab von etwa
17 mm Durchmesser gepreßt, wobei der Preßdruck 2500 bar betrug. Der Preßkörper wurde dann einer 1-stündigen Sinterung
bei 10500O in reinem Wasserstoff unterzogen. Nach der Sinterung betrug die Dichte des Sinterkörpers 8,41
g/cm , entsprechend etwa 89,5 % der theoretischen Packungsdi cht e.
Der Sinterkörper konnte weder warm- noch kaltverformt werden, da er noch eine offene Porosität aufwies.
Mit den im Beispiel 1 genannten Verfahrensbedingungen
wurde ein weiterer Preßkörper aus 40 Gew.-% Molybdän, Rest Kupfer hergestellt. In Abänderung des Verfahrens
nach Beispiel 1 wurde der Rundstab jedoch bei 11800O,
also oberhalb der Schmelztemperatur der Kupferkomponente, eine halbe Stunde lang gesintert. Nach der Sinterung betrug
die Dichte des Sinterkörpers 9»15 g/cm , entsprechend
einer Porosität unterhalb von etwa 3 %· 3Ja ersten
Verformungsschritt wurde der Rundstab bei 8000O vom Ausgangsdurchmesser
17 mm auf 6,5 ππα heißgewalzt. Zur weiteren
Querschnittsverminderung wurde der Rundstab anschließend durch Kaltwalzen und Hämmern auf 3 mm redu-
- y - VP 84 P 9557 DE
ziert. Untersuchungen an dem hochdichten CuMo4O-Verbundwerkstoff
ergaben folgende Eigenschaften (jeweils in Faserrichtung gemessen):
spezifischer elektrischer Widerstand: 2,4 μΛοπι
thermischer Längenausdehnungskoeffizient: 9»9* 10 K
im Bereich von 20 bis 1000O bzw. 9,6·10~6 K~1
im Bereich von 20 bis 4000C.
Eine Aufnahme des Gefüges des entsprechenden Werkstoffs in 250-facher Vergrößerung ist in der Figur dargestellt.
Deutlich ist die durch starke Verformung eingestellte Faserstruktur zu erkennen, wobei es sich um in der Molybdänmatrix
gestreckte Kupferteilchen handelt. Eine ergänzende metallograpMsche Analyse des Gefüges ergab eine
gleichmäßige Verteilung der Komponenten Kupfer und Molybdän.
Für die folgenden Beispiele wurden zunächst Kupfer-Molybdän-Preßkörper
aus Feinpulvermischungen (mittlere Teilchengröße etwa 4 ^m) mit unterscMedlichen Kupferanteilen
hergestellt und diese dann oberhalb einer Temperatur von 11500O einer Sinterung unter Wasserstoffatmosphäre
unterworfen. Die genauen Sinterbedingungen sowie die jeweiligen Dichten des gesinterten und anschließend
verformten Körpers lassen sich der Tabelle
1 entnehmen.
VP 84 P 9557 DE
B-Hr. | Cu-Anteil | Sinterbed: Temp.(0O) |
Lngungen Zeit (min) |
Dichte gesint. |
( e/cm5 ) verformt |
3 | 46 | 1250 | 120 | 8,55 | 9,24 |
4 | 57 | 1150 | 60 | 8,99 | 9,19 |
5 | 37 | 1150 I 1350 J |
60 1 300 J |
9,38 | 9,41 |
6 | 46 | 1250 | 120 | 8,27 | 9,49 |
Vor der querschnittsverringernden Bearbeitung vairden die
Sinterkörper, die einen Durchmesser von 72 mm aufwiesen, zunächst in ein 800 mm langes Rohr aus einer niedriglegierten
Stahllegierung, z.B. Stahl der Gütegruppe St37, eingekapselt. Die Wandstärke des Hüllrohres betrug 15 mm.
Die Rohrenden wurden mit Verschlußstücken vakuumdicht zugeschweißt, t)ber ein in einem der Verschlußstücke angebrachtes
Abpumpröhrchen wurde der Innenraum evakuiert und dann verschlossen. Anschließend wurden die gekapselten
Sinterbolzen bei einer Temperatur von 830 bis 10000C
zu Brammen heißgewalzt und dann mit einem Gesamtverformungsgrad von mindestens 50 % zu Band mit einer Dicke von
2 bis 9 mm kaltgewalzt. Teilweise wurde zwischen den
Kaltverformungsschritten eine Zwischenglühung bei 8000O
eingeschoben.
Die gemeinsame Verformung des Verbundwerkstoffes in einem Hüllrohr hat sich als fertigungstechnisch außerordentlich
günstiges Verfahren erwiesen. j?ür die weitere Bearbeitung kann das verbliebene Hüllmaterial dann abgefräst bzw. abgezogen
werden· Nach einer gegebenenfalls zusätzlich durchzuführenden Zwischenglühung läßt sich der Querschnitt
VP 84 P 9557 DE
des Bandes ohne Schwierigkeiten weiter reduzieren. Weitere
leinbearbeitungsschritte, wie Schleifen und , galvanische
Beschichtung, können sich in bekannter Weise anschließen.
In feingeschliffenen Ronden wurden die in der Tabelle 2
angegebenen Größen für die elektrische und thermische Leitfähigkeit und für den Längenausdehnungskoeffizienten
<<. im Temperaturbereich von 20 bis 4000G gemessen.
% | λ | (10"6 K"*1) | |
B-Nr. | (μ Λ cm) | (W/E«m) | 10,0 |
3 | 3,7 | 225 | 12,1 |
4 | 2,9 | 9,9 | |
5 | 3,3 | 10,6 | |
6 | - 3,0 | ||
Bei einem Vergleich der in Tabelle 2 zusammengefaßten Meßergebnisse
fällt insbesondere auf, daß sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit der untersuchten
Kupfer-Molybdän-Proben den geforderten Eigenschaftswerten für Substratwerkstoffe besonders gut entsprechen.
Obwohl die thermische Leitfähigkeit lediglich für das Beispiel 3 gemessen wurde, kann, man jedoch für alle untersuchten
Verbundwerkstoffe eine entsprechend gute thermische Leitfähigkeit erwarten, da die elektrische und thermische
Leitfähigkeit bei metallischen Leitern in enger Beziehung zueinander stehen.
Die nach, dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Verbundwerkstoffe verfügen nicht nur über eine außergewöhnliche Eigenschaftskombination, sondern weisen gegenüber
der Herstellung von reinem Molybdän oder Wolfram
Al-
- yd - vp 84 ρ 9557
auch "besondere verfahrenstechnische Vorteile auf. So erfordern
Molybdän bzw. Wolfram Sintertemperaturen nahe 20000C bzw. oberhalb von 250O0C, während für die Verbundwerkstoffe
gemäß der Erfindung vorzugsweise Temperaturen von etwa 1150 bis 12500C ausreichend sind. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil ist auch darin zu sehen, daß die Temperaturen für den erfindungsgemäßen Verformungsschritt
10000C nicht überschreiten müssen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe werden vorzugsweise als Substratmaterial
für Leistungshalbleiter verwendet, wobei sie in engem Kontakt zu dem Halbleiter- und dem wärmeableitenden Material
stehen. Diese Verbundwerkstoffe sind aber auch für alle anderen Anwendungsfälle geeignet, bei denen es auf eine
hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten ankommt, wie
z.B. für Elektroden bzw. Kontaktelemente von Vakuumschaltern.
Claims (1)
- Vacuumschmelze GmbH VP 84 P 9557 DEHanauPatentansprüche1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Kupfer und mindestens einem der Metalle Molybdän und WoIfram insbesondere als Substratmaterial für Leistungshalbleiter,gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:a) Mischen von Kupferpulver mit Molybdän- und/oder Wolframpulverb) Verdichten des Pulvergemischesc) Sintern des Pulvergemisches bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Kupferd) Verformen des gesinterten Körpers um insgesamt mindestens 50 %.2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulvermischung aus 30 bis 80 Gew.-% Molybdän und/oder Wolfram, Rest Kupfer, verwendet wird.3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulvermischung aus 40 bis 65 Gew.-% Molybdän, Rest Kupfer, verwendet wird.4·. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung etwa 53 Gew.-% Molybdän und als Rest Kupfer enthält.20.7.1984 Ge/Bz.fi. 3426316VP 84 P 9557 DE5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von Metallpulvern ausgegangen wird, deren mittlere Teilchengröße unter 10 pm beträgt.6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchengröße etwa 1,5 Ms 6 um beträgt.7· Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverkörper bei einer Temperatur von etwa 1085 bis 135O0C unter Schutzgasatmosphäre gesintert wird.8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverkörper bei einer zwischen 1150 und 12500C liegenden Temperatur gesintert wird, wobei die Sinterung wenigstens eine halbe Stunde dauert.9· Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Körper zunächst bei einer unterhalb 10000C liegenden Temperatur heißgewalzt und dann anschließend zur weiteren Querschnittsreduzierung wenigstens einem Kaltwal ζ schritt unterworfen wird.20.7.1984 Ge/Bz
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