DE3844264A1 - Traegerkoerper fuer elektronische schaltungsstrukturen und verfahren zur herstellung eines solchen traegerkoerpers - Google Patents

Traegerkoerper fuer elektronische schaltungsstrukturen und verfahren zur herstellung eines solchen traegerkoerpers

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Description

Die Erfindung betrifft einen Trägerkörper aus Aluminiumnitrit für elektronische Schaltungsstrukturen, der an mindestens einem Teilbereich seiner Oberfläche zur festhaftenden Befestigung des Materials für die elektronische Schaltungsstruktur mit einer Oxidschicht versehen ist, sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Trägerkörpers.
Als Trägerkörper für elektronische Schaltungsstrukturen kommen insbes. Aluminiumoxid, Berilliumoxid oder Aluminiumnitrit zur Anwendung. Berilliumoxid weist bei einer relativ guten Wärmeleitfähigkeit den erheblichen Mangel auf, daß es zu gesundheitlichen Schädigungen führen kann. Aluminiumnitrit weist eine etwas schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf als Berilliumoxid, gesundheitliche Beeinträchtigungen sind jedoch bei Verwendung von Aluminiumnitrit für Trägerkörper elektronische Schaltungsstrukturen nicht bekannt. Aluminiumnitrit weist jedoch im Vergleich zu Aluminiumoxid den Nachteil auf, daß die Ausbildung einer Oxidschicht auf einem Aluminiumnitritträgerkörper, die zur festhaftenden Befestigung des Materials für die elektronische Schaltungsstruktur in jedem Fall erforderlich ist, nur mit einem relativ großen Aufwand herstellbar ist. Dieser Aufwand besteht insbes. darin, daß zur Oxidation eines Aluminiumnitritträgerkörpers hohe Temperaturen im Bereich zwischen 1200 und 1300°C und daß insbes. bei diesen hohen Temperaturen eine oxidierende Atmosphäre erforderlich ist. Die oxidierende Atmosphäre bei diesen hohen Temperaturen führt jedoch nicht nur zur gewünschten Oxidation des Aluminiumnitritträgerkörpers, sondern gleichzeitig auch zu einem unerwünschten Angriff des Ofens, in welchem die Oxidation durchgeführt wird. Entweder müssen also qualitativ sehr hochwertige Öfen wie z. B. Quarzmuffeln angewandt werden, oder es ergibt sich nur eine relativ kurze Verwendungsdauer des Ofens und ein erheblicher Reparaturaufwand. Das alles wirkt sich auf die Verwendung von Aluminiumnitrit für Trägerkörper elektronischer Schaltungsstrukturen nachteilig aus, weshalb derartige Trägerkörper aus Aluminiumnitrit trotz ihrer im Vergleich zu Aluminiumoxid wesentlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit bislang nur sehr begrenzt zur Anwendung kommen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Trägerkörper aus Aluminiumnitrit und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägerkörpers zu schaffen, wobei die Herstellung des Trägerkörpers einfach und kostengünstig möglich ist und wobei gleichzeitig eine gute Haftfestigkeit zwischen dem Material für die elektronische Schaltungsstruktur und dem Trägerkörper aus Aluminiumnitrit gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oxidschicht Aluminiumoxid (Al2O3) aufweist. Die Aluminiumoxidschicht weist im Verhältnis zur Dicke des Aluminiumnitritträgerkörpers nur eine kleine Dicke auf, so daß sich die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiumnitrits und des Aluminiumoxids nicht schädlich beeinträchtigen.
Eine Möglichkeit der Ausbildung der Aluminiumoxidschicht auf dem Aluminiumnitritträgerkörper besteht darin, daß die Aluminiumoxidschicht als Dickschicht ausgebildet ist, die mit dem Aluminiumnitritträgerkörper fest verbunden ist. Eine andere Möglichkeit der Ausbildung der Aluminiumoxidschicht auf dem Trägerkörper aus Aluminiumnitrit besteht darin, daß die Aluminiumoxidschicht als Folie oder als Platte ausgebildet ist, die mit dem Aluminiumnitritträgerkörper fest verbunden ist. Hierbei kommt demnach für die Ausbildung der Aluminiumoxidschicht ein selbstträgender Gegenstand zur Anwendung, der folien- oder plattenförmig ausgebildet sein kann. Der selbsttragende Gegenstand aus Aluminiumoxid wird vom Aluminiumnitritträgerkörper unabhängig hergestellt und mit dem Aluminiumnitritträgerkörper anschließend zusammengebracht. Dann erfolgt eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem folien- bzw. plattenförmigen Aluminiumoxidgegenstand und dem Aluminiumnitritträgerkörper.
Bei Trägerkörpern der oben beschriebenen Art, d. h. bei Trägerkörpern aus Aluminiumnitrit, die eine Aluminiumoxidschicht aufweisen, die als Dickschicht oder als Folie bzw. Platte auf dem Aluminiumnitritträgerkörper vorgesehen ist, ergibt sich ein scharfer Grenzübergang zwischen der Aluminiumoxidschicht und dem Aluminiumnitritträgerkörper.
Eine weitere Möglichkeit des erfindungsgemäßen Trägerkörpers ist dadurch gegeben, daß die Aluminiumoxidschicht und der Aluminiumnitritträgerkörper einstückig ausgebildet sind, wobei der Grenzübergang zwischen dem Aluminiumoxid und dem Aluminiumnitrit im Trägerkörper selbst ausgebildet ist. Dabei kann der Grenzübergang zwischen dem Aluminiumoxid und dem Aluminiumnitrit kontinuierlich sein. Eine solche Ausbildung des Trägerkörpers ist dadurch realisierbar, daß ein Aluminiumnitritpulver bzw. -granulat und ein Aluminiumoxidpulver bzw. -granulat nacheinander in eine passende Form eingefüllt und anschließend gemeinsam verpreßt werden, wie auch weiter unten noch detailliert beschrieben wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers als Aluminiumnitrit für elektronische Schaltungsstrukturen, wobei an mindestens einem Teilbereich der Oberfläche des Aluminiumnitritträgerkörpers eine Oxidschicht hergestellt wird, auf der das Material für die elektronische Schaltungsstruktur festhaftend befestigt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt wird. Dabei ist es möglich, die Oxidschicht durch Flammspritzen eines Aluminiumoxidpulvers herzustellen. Das Flammspritzen ist an sich bekannt, so daß es sich erübrigt, hierauf näher einzugehen. Durch einen solchen Flammspritzvorgang ist es möglich, auf einem Aluminiumnitritträgerkörper festhaftend eine Schicht bestimmter Schichtdicke aus Aluminiumoxid anzubringen. Mittels Flammspritzens ist es bspw. möglich, eine Aluminiumoxidschicht in Form einer Dickschicht auf dem Aluminiumnitritträgerkörper aufzubringen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Oxidschicht durch Siebdrucken einer Aluminiumoxid enthaltenden Siebdruckpaste hergestellt wird. Eine solche Siebdruckpaste enthält außer einem pulverförmigen Aluminiumoxid üblicherweise zur Einstellung ihrer Viskosität Binde- bzw. Lösungsmittel. Diese Siebdruck-Hilfsmittel werden nach dem Siebdrucken der Paste in einem Brennvorgang ausgetrieben, der zu diesem Zweck ein bestimmtes Temperatur/Zeit-Profil aufweist.
Nachdem Aluminiumoxid ein anderes Ausdehnungs- und Sinterverhalten aufweist als Aluminiumnitrit, kann es vorteilhaft sein, wenn eine Siebdruckpaste verwendet wird, die außer Aluminiumoxid auch einen Anteil an Aluminiumnitrit enthält. Durch passende Wahl des Aluminiumnitritanteiles ist es möglich, das Sinterverhalten und das Ausdehnungsverhalten der Aluminiumoxidschicht an den Aluminiumnitritträgerkörper verbessert anzupassen, ohne daß darunter die Haftfestigkeit des Materials für die elektronische Schaltungsstruktur auf dem Aluminiumnitritträgerkörper bzw. auf der Aluminiumoxidschicht beeinträchtigt wird.
Bei den oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung der auf dem Aluminiumnitritträgerkörper vorgesehenen Aluminiumoxidschicht (Siebdruck, Flammspritzen) werden dichtgesinterte Aluminiumnitritträgerkörper verwendet. Es ist jedoch auch möglich, zur Durchführung des Verfahrens einen grünen Aluminiumnitritträgerkörper und einen grünen folien- oder plattenförmigen Aluminiumoxidkörper miteinander großflächig zusammenzufügen, wonach zu ihrer festen Verbindung ein Sinterbrand durchgeführt wird. Der grüne Aluminiumnitritträgerkörper kann bspw. durch Gießen, Extrudieren, Kalandrieren, Pressen o. dgl. hergestellt werden. Auf die gleiche Weise kann der folien- bzw. plattenförmige Aluminiumoxidkörper hergestellt werden. Der lederharte grüne Aluminiumnitritträgerkörper und der lederharte grüne Aluminiumoxidkörper können mit Hilfe eines geeigneten Klebers miteinander großflächig verbunden werden, bevor der Sinterbrand durchgeführt wird. Der Sinterbrand wird dabei selbstverständlich temperatur- und zeitmäßig derart geführt, daß die unterschiedlichen Sinterschwindungen des Aluminiumnitrits und des Aluminiumoxids berücksichtigt sind.
Bei dem Verfahren der zuletzt beschriebenen Art wird vorzugsweise während des Sinterbrandes gegen den Aluminiumnitritträgerkörper und gegen den Aluminiumoxidkörper ein Druck ausgeübt. Dadurch wird eine ungewollte Verwölbung bzw. Loslösung zwischen den miteinander verbundenen Teilen vermieden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, in eine Form übereinander Aluminiumnitritpulver und Aluminiumoxidpulver einzubringen, anschließend gegen die Pulver einen Druck auszuüben, bei dem sich ein selbsttragender Körper ergibt, und den selbsttragenden Körper anschließend einem Sinterbrand zu unterziehen. Dabei werden vorzugsweise Aluminiumnitritpulver und Aluminiumoxidpulver verwendet, die mit Preß- oder Sinterhilfsmitteln versehen sind. Die Preß- bzw. Sinterhilfsmittel und das Temperatur/Zeit-Profil des Sinterbrandes werden dabei derartig ausgewählt, daß die ungleichen Sinterparameter der Aluminiumnitrit- bzw. Aluminiumoxidpulver berücksichtigt sind.
Mit den oben beschriebenen Verfahren sind erfindungsgemäße Trägerkörper herstellbar, die entweder auf einer ihrer Hauptflächen, oder auf ihren beiden voneinander abgewandten Hauptflächen mit je einer Aluminiumoxidschicht haftfest bedeckt sind.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch in einem vergrößerten Maßstab dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Trägerkörpers. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des Trägerkörpers, auf dem eine elektronische Schaltungsstruktur festhaftend angeordnet ist,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen abschnittsweise gezeichneten Trägerkörper, der auf seinen beiden voneinander abgewandten Hauptflächen je eine Aluminiumoxidschicht aufweist,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein Preßwerkzeug zur Herstellung eines eine Aluminiumoxidschicht aufweisenden Trägerkörpers aus Aluminiumnitrit,
Fig. 4 das Zusammensetzungsprofil des Trägerkörpers in Richtung x seiner Wanddicke, und
Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung eines anderen Profilverlaufes der Zusammensetzung des Trägerkörpers in Richtung x seiner Wanddicke.
Fig. 1 zeigt einen Trägerkörper 10 aus Aluminiumnitrit, der an einer seiner beiden gegenüberliegenden Hauptflächen 12 mit einer Aluminiumoxidschicht 14 bedeckt ist. Die Aluminiumoxidschicht 14 wird bspw. in einem Siebdruckvorgang, in einem Stempelvorgang, in einem Walz- bzw. Streichvorgang oder durch Flammspritzen auf die Hauptfläche 12 des gesinterten Aluminiumnitritträgerkörpers 10 aufgebracht. Eine in einem Flammspritzvorgang aufgebrachte Aluminiumoxidschicht 14 bedarf keiner besonderen Weiterbehandlung. Demgegenüber ist es erforderlich, eine in einem Siebdruckvorgang o. dgl. auf den dichtgesinterten Aluminiumnitritträgerkörper 10 aufgebrachte Aluminiumoxidschicht 14 in einem Trocknungs- und Brennvorgang nachzubehandeln, um die Binde- bzw. Lösungsmittel aus der Schicht 14 auszutreiben.
Auf der Aluminiumoxidschicht 14 kann in an sich bekannter Weise das Material für die elektronische Schaltungsstruktur 16 haftfest angeordnet werden.
In Fig. 1 ist ein Trägerkörper 10 gezeichnet, der nur auf einer Hauptfläche 12 mit einer Aluminiumoxidschicht 14 bedeckt ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Aluminiumnitritträgerkörper 10 an seinen beiden gegenüberliegenden Hauptflächen 12 mit je einer Aluminiumoxidschicht 14 zu versehen, um auf den beiden Seiten des Trägerkörpers 10 je eine elektronische Schaltungsstruktur 16 haftfest anordnen zu können.
Fig. 2 zeigt einen Trägerkörper 10 aus Aluminiumnitrit, der an seinen beiden gegenüberliegenden Hauptflächen 12 mit je einer Aluminiumoxidschicht 14 versehen ist. Dabei liegen die beiden Aluminiumoxidschichten 14 als grüne lederharte Folien oder Platten vor, zwischen denen ein grüner lederharter Aluminiumnitritträgerkörper 10 angeordnet wird. Nach der Ausbildung dieses Schichtenaufbaus aus grünen Körpern 10 und 14 wird gegen das Laminatgebilde ein Druck ausgeübt, was durch die beiden einander zugewandten Teile 18 angedeutet ist. Gleichzeitig oder anschließend erfolgt ein Sinterbrand, bei dem der Aluminiumnitritkörper 10 und bei dem die beiden Aluminiumoxidschichten 14 zusammensintern. Auf jeder der beiden Aluminiumoxidschichten 14 kann nach Durchführung dieses Sintervorgangs in an sich bekannter Weise ein Material für eine elektronische Schaltungsstruktur haftfest angeordnet werden.
In Fig. 3 ist abschnittsweise ein Preßwerkzeug 20 dargestellt, das einen Preßstempel 22 und eine einen Formhohlraum 24 aufweisende Preßmatrize 26 aufweist. In den Formhohlraum 24 wird Aluminiumnitritpulver 28, ein Aluminiumoxidpulver 30 in einer Lage eingefüllt, welche die Höhe h 2 besitzt. Danach wird der Preßstempel 22 in den Formhohlraum 24 der Preßmatrize 26 hineinbewegt und gegen die Preßmatrize 26 und den Preßstempel 22 ein Druck ausgeübt, der durch die Pfeile 32 angedeutet ist. Durch diese Druckausübung entsteht aus den Pulvern 28 und 30 ein selbsttragender Körper, der nachfolgend einem Sinterbrand unterworfen werden kann. Bei diesem Sinterbrand entsteht ein Trägerkörper, wie er bspw. in Fig. 1 gezeichnet ist, der also auf einer Seite mit einer Aluminiumoxidschicht ausgebildet ist.
In Fig. 4 ist eine Kurve 34 und eine Kurve 36 gezeichnet, wobei die Kurve 34 den Gehalt des Aluminiumnitrits entlang der Richtung x der Wanddicke des im Preßwerkzeug 20 hergestellten grünen Preßlings darstellt. Entsprechend stellt die Kurve 36 den Gehalt des Aluminiumoxids entlang der Richtung x dar. Die Kurven 34 und 36 ergänzen sich an jedem Punkt x zu 100%. Aus Fig. 4 ist ein Verlauf der Aluminiumnitrit- und Aluminiumoxidgehalte ersichtlich, der mehr oder weniger scharfkantig abgestuft ist. Das bedeutet, daß zwischen der Aluminiumoxidschicht 14 und dem Aluminiumnitritträgerkörper 10 (sh. bspw. Fig. 1) ein mehr oder weniger scharfer Grenzübergang gegeben ist. Demgegenüber ist in Fig. 5 ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem Aluminiumoxid (Kurve 36) und dem Aluminiumnitrit (Kurve 34) gegeben. Auch hier ergänzen sich selbstverständlich die Gehalte an Aluminiumoxid und Aluminiumnitrit in jedem Punkt x zu 100%. Durch einen solchen kontinuierlichen Übergang zwischen dem Aluminiumoxid und dem Aluminiumnitrit ergibt sich eine problemlosere Sinterung des die Oxidschicht 14 aufweisenden Trägerkörpers 10. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, den Aluminiumnitritträgerkörper 10 an seinen beiden voneinander abgewandten Seiten mit je einer Aluminiumoxidschicht 14 auszubilden. Zu diesem Zweck ist es nur erforderlich, zuerst in den Formhohlraum 24 eine Lage des Aluminiumoxidpulvers 30 einzubringen, auf dieser Aluminiumoxidpulverlage 30 eine Schicht aus dem Aluminiumnitritpulver 28 vorzusehen und anschließend auf der Aluminiumnitritpulverschicht 28 eine weitere Lage aus Aluminiumoxidpulver 30 anzuordnen. Nachfolgend wird eine Sinterung durchgeführt.

Claims (14)

1. Trägerkörper aus Aluminiumnitrit für elektronische Schaltungsstrukturen, der an mindestens einem Teilbereich seiner Oberfläche (12) zur festhaftenden Befestigung des Materials für die elektronische Schaltungsstruktur (16) mit einer Oxidschicht (14) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (14) Aluminiumoxid (Al2O3) aufweist.
2. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht (14) als Dickschicht ausgebildet ist, die mit dem Aluminiumnitritträgerkörper (10) fest verbunden ist.
3. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht (14) als Folie oder als Platte ausgebildet ist, die mit dem Aluminiumnitritträgerkörper (10) fest verbunden ist.
4. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht (14) und der Aluminiumnitritträgerkörper (10) einstückig ausgebildet sind, wobei der Grenzübergang zwischen dem Aluminiumoxid und dem Aluminiumnitrit im Trägerkörper selbst ausgebildet ist.
5. Trägerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzübergang zwischen dem Aluminiumoxid und dem Aluminiumnitrit kontinuierlich ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers (10) aus Aluminiumnitrit für elektronische Schaltungsstrukturen (16), wobei an mindestens einem Teilbereich der Oberfläche (12) des Aluminiumnitritträgerkörpers (10) eine Oxidschicht (14) hergestellt wird, auf der das Material für die elektronische Schaltungsstruktur (16) festhaftend befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (14) aus Aluminiumoxid hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (14) durch Flammspritzen eines Aluminiumoxidpulvers (30) hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (14) durch Siebdrucken einer Aluminiumoxid enthaltenden Siebdruckpaste hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siebdruckpaste verwendet wird, die außer Aluminiumoxid auch einen Anteil an Aluminiumnitrit enthält.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein dichtgesinterter Aluminiumnitritträgerkörper (10) verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein grüner Aluminiumnitritträgerkörper (10) und ein grüner folien- oder plattenförmiger Aluminiumoxidkörper (14) miteinander großflächig zusammengefügt werden, wonach zu ihrer Verbindung ein Sinterbrand durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß während des Sinterbrandes gegen den Aluminiumnitritträgerkörper (10) und gegen den Aluminiumoxidkörper (14) ein Druck ausgeübt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Form (24) übereinander Aluminiumnitritpulver (28) und Aluminiumoxidpulver (30) eingebracht wird, daß anschließend gegen die Pulver (28, 30) ein Druck ausgeübt wird, bei dem sich ein selbsttragender Körper ergibt, und daß der selbsttragende Körper anschließend einem Sinterbrand unterzogen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumnitritpulver (28) und Aluminiumoxidpulver (30) verwendet werden, die mit Preß- und/oder Sinterhilfsmitteln versehen sind.
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