DE60017304T2

DE60017304T2 - Metallmatrix-Verbundmaterial, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE60017304T2
Application number: DE60017304T
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Chiyoda-ku Okamoto; Yasuo Chiyoda-ku Kondo; Teruyoshi Chiyoda-ku Abe; Yasuhisa Chiyoda-ku Aono; Junya Chiyoda-ku Kaneda; Ryuichi Chiyoda-ku Saito; Yoshihiko Chiyoda-ku Koike
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-03-04
Also published as: US6646344B1; KR20010049226A; DE60017304D1; US6630734B2; EP1036849A2; EP1036849B1; RU2198949C2; US6611056B2; US20020145195A1; US20040031545A1; JP2000265227A; JP3690171B2; EP1036849A3; US20020135061A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein neues Kompositmaterial und insbesondere ein Kupfer-Kompositmaterial, das geringe thermische Ausdehnung und hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, sowie verschiedene Arten von Verwendungen, wie Halbleitereinrichtungen, bei denen dieses Kompositmaterial eingesetzt wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Techniken, die sich auf die Umwandlung und Kontrolle von elektrischer Leistung und elektrischer Energie durch elektrische Vorrichtungen beziehen, und insbesondere Leistungselektronikvorrichtungen, die im Ein/Aus-Modus eingesetzt werden, und Leistungswandlersysteme als angewandte Techniken dieser Leistungselektronikvorrichtungen werden als Leistungselektronik bezeichnet.
Leistungshalbleitervorrichtungen mit verschiedenen Arten von Ein/Aus-Funktionen werden zur Leistungswandlung verwendet. Als derartige Halbleitervorrichtungen werden nicht nur Gleichrichterdioden, die pn-Übergänge enthalten und nur in einer Richtung Leitfähigkeit besitzen, sondern auch Thyristoren, MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), etc., die sich voneinander hinsichtlich verschiedener Kombinationen von pn-Übergängen unterscheiden, in der Praxis eingesetzt. Darüber hinaus wurden bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (insulated gate type bipolar transistors, IGBTs) und Gate-Abschaltthyristoren (gate turnoff thyristors, GTOs) entwickelt, die eine Abschaltfunktion durch Gatesignale besitzen.
Diese Leistungshalbleitervorrichtungen führen in eingeschaltetem Zustand zur Erzeugung von Wärme, wobei wegen der Hochleistungsauslegung und Hochgeschwindigkeitsauslegung von Leistungshalbleitervorrichtungen die Tendenz besteht, dass die Menge an erzeugter Wärme zunimmt. Zur Verhinderung der Verschlechterung der Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung und der Verkürzung ihrer Betriebslebensdauer aufgrund der Wärmeerzeugung ist es erforderlich, einen Wärmeabfuhrbereich vorzusehen, um dadurch einen Temperaturanstieg in der Halbleitervorrichtung und in ihrer Nähe zu unterdrücken. Da Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 393 W/m·K aufweist und billig ist, wird dieses Metall allgemein für Wärmeableitelemente verwendet. Da jedoch ein Wärmeabfuhrelement einer Halbleitereinrichtung, die mit einer Leistungshalbleitervorrichtung versehen ist, mit Si verbunden wird, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,2·10^–6/°C aufweist, ist ein Wärmeabfuhrelement erwünscht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in der Nähe dieses Wertes liegt. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer den hohen Wert von 17·10^–6/°C aufweist, ist die Verlötbarkeit von Kupfer mit der Halbleitervorrichtung nicht gut. Daher werden Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Si liegt, wie Mo und W, für Wärmeabfuhrelemente verwendet oder zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Wärmeabfuhrelement eingeschaltet.
Auf der anderen Seite werden durch Integration von elektronischen Schaltkreisen auf einem Halbleiterchip erzeugte integrierte Schaltungen (ICs) je nach ihren Funktionen in Speicher, Logikschaltungen, Mikroprozessoren, etc., unterteilt. Sie werden im Gegensatz zu den Leistungshalbleitervorrichtungen als elektronische Halbleitervorrichtungen bezeichnet. Der Integrationsgrad und die Arbeitsgeschwindigkeit dieser Halbleitervorrichtungen wurden von Jahr zu Jahr gesteigert, wobei die Menge an erzeugter Wärme ebenfalls entsprechend anstieg. Auf der anderen Seite ist eine elektronische Halbleitervorrichtung allgemein in einem Gehäuse untergebracht, um Störungen und eine Verschlechterung durch Abschließen gegenüber der umgebenden Atmosphäre zu vermeiden. Die meisten derartigen Gehäuse sind entweder Keramikgehäuse oder Kunststoffgehäuse; in Keramikgehäusen ist eine Halbleitervorrichtung als Chip auf ein Keramiksubstrat aufgeklebt und dicht verschlossen; bei Kunststoffgehäusen ist eine Halbleitervorrichtung mit Kunstharzen verkapselt. Um den Anforderungen nach höherer Betriebszuverlässigkeit und höherer Geschwindigkeit zu entsprechen, werden Multichipmodule (MCMs), in denen mehrere Halbleitervorrichtungen auf einem Substrat montiert sind, ebenfalls hergestellt.
In einem Kunststoffgehäuse sind ein Leadframe und die Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung mit Bonddrähten verbunden und mit Kunststoff verkapselt. In den letzten Jahren wurden auch mit der Erhöhung der von Halbleitervorrichtungen erzeugten Wärmemenge Gehäuse, bei denen das Leadframe Wärmeableitungseigenschaften aufweist, sowie andere Gehäuse in Betracht gezogen, bei denen eine Wärmeabfuhrplatte zur Wärmeableitung montiert ist. Obgleich Leadframes auf Kupferbasis und Wärmeabfuhrplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit häufig zur Wärmeableitung herangezogen werden, besteht dabei das Risiko, dass aufgrund einer Wärmeausdehnung, die von der von Si verschieden ist, Probleme auftreten.
In einem Keramikgehäuse ist andererseits eine Halbleitervorrichtung auf einem keramischen Substrat montiert, auf das die Verdrahtungsbereiche aufgedruckt sind, und die Halbleitervorrichtung wird mit einer Metallkappe oder einer Keramikkappe dicht verschlossen. Ferner wird ein Kompositmaterial aus Cu-Mo oder Cu-W oder einer Kovar-Legierung mit dem Keramiksubstrat verkittet und als Wärmeabfuhrplatte verwendet, wobei für jedes dieser Materialien eine verbesserte Verarbeitbarkeit und niedere Kosten wie auch eine Auslegung mit geringer Wärmeausdehnung und höherer Wärmeleitfähigkeit gefordert sind.
Bei einem MCM (multi-chip module) sind mehrere Halbleitervorrichtungen als nackte Chips auf der Dünnschichtverdrahtung montiert, die auf einem Substrat aus Si, einem Metall oder Keramik ausgebildet ist, worauf die Chips dann in einem Keramikgehäuse untergebracht und mit einem Deckel verkapselt werden. Wenn Wärmeabfuhreigenschaften gefordert sind, werden eine Wärmeabfuhrplatte und ein Kühlkörper im Gehäuse installiert. Kupfer und Aluminium werden als Materialien für Metallsubstrate verwendet. Obgleich Kupfer und Aluminium den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit besitzen, weisen diese Metalle einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten und schlechtere Verträglichkeit mit Halbleitervorrichtungen auf. Aus diesem Grund werden Si und Aluminiumnitrid (AlN) als Substrate für MCMs mit hoher Betriebszuverlässigkeit eingesetzt. Darüber hinaus wird wegen der Verkittung der Wärmeabfuhrplatte mit dem Keramikgehäuse ein Material mit guter Verträglichkeit mit dem Gehäusematerial hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten und mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebraucht.
Wie oben erwähnt erzeugen sämtliche Halbleitereinrichtungen, die mit einer Halbleitervorrichtung versehen sind, im Betrieb Wärme, und die Funktion der Halbleitervorrichtung kann beeinträchtigt werden, wenn die Wärme aufgestaut wird. Aus diesem Grund ist eine Wärmeabfuhrplatte mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeableitung nach außen erforderlich. Da eine Wärmeabfuhrplatte direkt oder über eine Isolierschicht mit der Halbleitervorrichtung verkittet ist, ist Verträglichkeit mit der Halbleitervorrichtung nicht nur hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit, sondern auch hinsichtlich der Wärmeausdehnung gefordert.
Die gegenwärtig für Halbleitervorrichtungen verwendeten Materialien sind hauptsächlich Si (Silicium) und GaAs (Galliumarsenid). Die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser beiden Materialien sind 2,6·10^–6/°C bis 3,6·10^–6/°C beziehungsweise 5,7·10^–6/°C bis 6,9·10^–6/°C. Als Materialien für Wärmeabfuhrplatten mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe an diesen Werten sind AlN, SiC, Mo, W, Cu-W, etc., bekannt. Da es sich bei diesen Materialien jedoch um Einzelmaterialien handelt, ist es schwierig, den Wärmeübertragungskoeffizienten (oder den Wärmeausdehnungskoeffizienten) und den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten auf einen beliebigen Wert zu bringen oder einzustellen, wobei zugleich das Problem vorliegt, dass diese Materialien nur schlechte Verarbeitbarkeit besitzen und hohe Kosten verursachen.
In jüngster Zeit wurde Al-SiC als Material für Wärmeabfuhrplatten angegeben. Dabei handelt es sich um ein Kompositmaterial aus Al und SiC, und der Wärmeübertragungskoeffizient (oder der Wärmeausdehnungskoeffizient) und die Wärmeleitfähigkeit können in einem weiten Bereich durch Änderung der Mengenverhältnisse der beiden Komponenten kontrolliert werden. Dieses Material hat allerdings den Nachteil einer sehr schlechten Verarbeitbarkeit und hoher Kosten. In JP-A-8-78578 ist eine gesinterte Cu-Mo-Legierung angegeben; eine gesinterte Cu-W-Ni-Legierung ist in JP-A-9-181220 angegeben; eine gesinterte Cu-SiC-Legierung ist in JP-A-9-209058 vorgeschlagen, und ein Al-SiC-Material ist ein Gegenstand von JP-A-9-15773. WO-A-9-209711 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer veredelten und verstärkten eutektischen Al-Legierung, die Partikel aus Aluminiumoxid enthält. Bei diesen vorbekannten Kompositmaterialien, die durch pulvermetallurgische Prozesse erhalten werden, können der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit in weiten Bereichen durch Änderung des Verhältnisses der beiden Komponenten kontrolliert werden. Die Festigkeit und die plastische Umformbarkeit dieser Materialien sind allerdings nur gering, und die Herstellung von Flachmaterialien ist schwierig. Hinzu kommt, dass Probleme hinsichtlich der mit der Pulvererzeugung verbundenen hohen Kosten und hinsichtlich der erhöhten Anzahl von Schritten beim Herstellungsprozess, etc., vorliegen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kompositmaterial mit ausgezeichneter plastischer Umformbarkeit, ein Verfahren zur Herstellung des Kompositmaterials sowie Halbleitereinrichtungen, in denen das Kompositmaterial eingesetzt ist, Wärmeabfuhrplatten von Halbleitereinrichtungen, elektrostatische Befestigungs- oder Adhäsionsvorrichtungen und Dielektrikumplatten von elektrostatischen Adsorptionsvorrichtungen anzugeben.
Die obige Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Als Ergebnis vielfältiger Untersuchungen wurde von den vorliegenden Erfindern festgestellt, dass die obigen Probleme durch ein Kompositmaterial gelöst werden können, das durch die Schritte des Schmelzens eines Metalls mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bevorzugt Cu, und einer anorganischen Verbindung mit geringerer Wärmeausdehnung als Cu, bevorzugt Cu₂O, und Dispergieren dieser Materialien hergestellt wird.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kompositmaterial angegeben, das ein Metall und eine anorganische Verbindung enthält, die vorzugsweise einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Metall aufweist, wobei der Hauptmengenanteil der Verbindung aus granulären Körnern einer Korngröße von vorzugsweise höchstens 50 μm und Dendriten besteht.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung enthält die Verbindung Dendriten, die einen stabartigen Stamm und granuläre Äste aufweisen.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kompositmaterial angegeben, das ein Metall und eine anorganische Verbindung enthält, wobei der Hauptmengenanteil der Verbindung aus granulären Körnern einer Korngröße von 5 bis 50 μm und Dendriten besteht und 1 bis 10 % der Gesamtmenge der Verbindung aus feinen Körnern mit einer Korngröße von höchstens 1 μm bestehen.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Kompositmaterial angegeben, das ein Metall und eine anorganische Verbindung enthält, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient oder die Wärmeleitfähigkeit in der Verfestigungsrichtung größer ist als in einer Richtung senkrecht zur Verfestigungsrichtung.
Am meisten bevorzugt enthält das Kompositmaterial der Erfindung Kupfer und Kupferoxid.
Nach dem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Kompositmaterial angegeben, das ein Metall und eine anorganische Verbindung enthält, die in Form von Stäben mit einem Durchmesser von 5 bis 30 μm vorliegt, wobei vorzugsweise nicht weniger als 90 % der Gesamtmenge der anorganischen Verbindung, ausgedrückt als Prozentanteil der Querschnittsfläche, in Form von Stäben mit einem Durchmesser von 5 bis 30 μm vorliegen.
Das Kompositmaterial der Erfindung kann Kupfer und Kupferoxid enthalten und kann plastisch umgeformt werden.
Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Kompositmaterial angegeben, das Kupfer, Kupferoxid und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei der Gehalt an Kupferoxid 10 bis 55 Vol.-% beträgt, das Kupferoxid in Dendrite umgewandelt ist, der lineare Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C 5·10^–6/°C bis 17·10^–6/°C beträgt und die Wärmeleitfähigkeit des Kupferoxids bei Raumtemperatur 100 bis 380 W/m·K beträgt. Dieses Kompositmaterial besitzt Anisotropie.
Gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung wird ein Kompositmaterial angegeben, das Kupfer, Kupferoxid, bevorzugt Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) und unvermeidliche Verunreinigungen enthält, wobei der Gehalt an Kupferoxid bevorzugt 10 bis 55 Vol.-% beträgt, das Kupferoxid in die Form von Stäben gebracht ist, die jeweils in einer Richtung orientiert sind, der lineare Ausdehnungskoeffizient des Kupferoxids im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C 5·10^–6/°C bis 17·10^–6/°C beträgt und seine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur 100 bis 380 W/m·K beträgt. Bei diesem Kompositmaterial ist die Wärmeleitfähigkeit in der Orientierungsrichtung größer als in der Richtung senkrecht zur Orientierungsrichtung, und die Differenz dieser beiden Wärmeleitfähigkeiten beträgt vorzugsweise 5 bis 100 W/m·K.
Gemäß dem achten Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren angegeben, bei dem ein Metall und eine anorganische Verbindung, die mit diesem Metall eine eutektische Struktur bildet, zusammengeschmolzen und verfestigt werden, und insbesondere ein Herstellungsverfahren für ein Kompositmaterial, das Kupfer und Kupferoxid enthält. Dieses Herstellungsverfahren umfasst vorzugsweise folgende Schritte: Herstellung eines Ausgangsmaterials aus Kupfer oder Kupfer und Kupferoxid, Schmelzen des Ausgangsmaterials in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10^–2 bis 10³ Pa und anschließendes Gießen und Durchführung einer Wärmebehandlung bei 800 bis 1050 °C sowie vorzugsweise Durchführung einer plastischen Kaltumformung oder plastischen Warmumformung.
Gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung wird eine Wärmeabfuhrplatte für eine Halbleitereinrichtung angegeben, wobei die Wärmeabfuhrplatte aus dem obigen Kompositmaterial besteht. Die Wärmeabfuhrplatte für die Halbleitereinrichtung kann eine Nickelplattierschicht auf seiner Oberfläche aufweisen.
Gemäß dem zehnten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die ein isolierendes Substrat, das auf einer Wärmeabfuhrplatte angebracht ist, und eine Halbleitervorrichtung, die auf dem isolierenden Substrat angebracht ist, aufweist, wobei die Wärmeabfuhrplatte die gleiche Platte ist, die zum neunten Aspekt der Erfindung angeführt wurde.
Gemäß dem elften Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die eine Halbleitervorrichtung, die auf einer Wärmeabfuhrplatte angebracht ist, ein Leadframe, das an der Wärmeabfuhrplatte angeklebt ist, sowie Metalldrähte zum elektrischen Anschluss des Leadframes an die Halbleitervorrichtung aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung in einem Harz eingekapselt ist und die Wärmeabfuhrplatte die gleiche Platte ist, die zum neunten Aspekt der Erfindung angeführt wurde.
Gemäß dem zwölften Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die eine auf einer Wärmeabfuhrplatte angebrachte Halbleitervorrichtung, ein Leadframe, das mit der Wärmeabfuhrplatte verklebt ist, und Metalldrähte zum elektrischen Anschluss des Leadframes an die Halbleitervorrichtung aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung mit Harz verkapselt ist, die Wärmeabfuhrplatte zumindest an der Seite, die der Montageseite der Halbleitervorrichtung gegenüberliegt, offen ist, und die Wärmeabfuhrplatte die gleiche ist, wie sie zum neunten Aspekt der Erfindung angegeben wurde.
Gemäß dem dreizehnten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die eine auf einer Wärmeabfuhrplatte angebrachte Halbleitervorrichtung, ein keramisches Mehrschichtsubstrat, das mit Stiften zur Verbindung mit einer äußeren Verdrahtung und in der Mitte mit einem offenen Raum zur Aufnahme der Halbleitervorrichtung versehen ist, und Metalldrähte zur elektrischen Verbindung der Halbleitervorrichtung mit Anschlüssen des Substrats aufweist, wobei die Wärmeabfuhrplatte und das Substrat so miteinander verklebt sind, dass sich die Halbleitervorrichtung in dem offenen Raum befindet, und das Substrat so mit einem Deckel verklebt ist, dass die Halbleitervorrichtung von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist, und wobei die Wärmeabfuhrplatte die gleiche Wärmeabfuhrplatte ist, wie sie zum neunten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Gemäß dem vierzehnten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die eine auf einer Wärmeabfuhrplatte angebrachte Halbleitervorrichtung, ein keramisches Mehrschichtsubstrat, das einen Anschluss zur Verbindung mit einer äußeren Verdrahtung sowie in der Mitte einen konkaven Bereich zur Aufnahme der Halbleitervorrichtung besitzt, sowie Metalldrähte zur elektrischen Verbindung der Halbleitervorrichtung mit den Anschlüssen des Substrats aufweist, wobei die Wärmeabfuhrplatte und das Substrat so miteinander verklebt sind, dass sich die Halbleitervorrichtung im konkaven Bereich des Substrats befindet, und das Substrat so mit einem Deckel verklebt ist, dass die Halbleitervorrichtung von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist, und wobei die Wärmeabfuhrplatte die gleiche Wärmeabfuhrplatte ist, wie sie zum neunten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Gemäß dem fünfzehnten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die eine mit einer Wärmeabfuhrplatte mit einem wärmeleitenden Harz verklebte Halbleitervorrichtung, ein Leadframe, das mit einem keramischen isolierenden Substrat verklebt ist, eine Lasche zur elektrischen Verbindung der Halbleitervorrichtung mit dem Leadframe, wobei die Wärmeabfuhrplatte und das isolierende Substrat so miteinander verklebt sind, dass die Halbleitervorrichtung von dem umgebenden Atmosphäre isoliert ist, sowie einen elastischen Körper aus wärmeleitendem Harz aufweist, der zwischen der Halbleitervorrichtung und dem isolierenden Substrat eingeschaltet ist, wobei die Wärmeabfuhrplatte die gleiche Wärmeabfuhrplatte ist, wie sie zum neunten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Gemäß dem sechzehnten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die eine mit einer ersten Wärmeabfuhrplatte unter Verwendung eines Metalls verbundene Halbleitervorrichtung, eine zweite Wärmeabfuhrplatte, an der eine Masseplatte angeklebt ist, wobei die erste Wärmeabfuhrplatte auf der Masseplatte angebracht ist, sowie eine Lasche aufweist, die elektrisch mit Anschlüssen der Halbleitervorrichtung verbunden ist, wobei die Halbleitervorrichtung mit Harz eingekapselt ist und die Wärmeabfuhrplatte die gleiche Wärmeabfuhrplatte ist, wie sie zum neunten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Gemäß dem siebzehnten Aspekt der Erfindung wird eine Dielektrikumplatte für elektrostatische Befestigungsvorrichtungen ('Adhäsionsvorrichtung')angegeben, wobei die Platte aus dem oben erläuterten Kompositmaterial besteht.
Gemäß dem achtzehnten Aspekt der Erfindung wird eine elektrostatische Befestigungsvorrichtung ('Adhäsionsvorrichtung') angegeben, bei der beim Anlegen einer Spannung an eine Elektrodenschicht eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen einer Dielektrikumplatte, die mit der Elektrodenschicht verklebt ist, und einem Werkstück erzeugt wird, sodass das Werkstück an der Oberfläche der Dielektrikumplatte fixiert wird, wobei die Dielektrikumplatte die gleiche Dielektrikumplatte ist, die zum siebzehnten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Kompositmaterial werden als Metalle vorzugsweise Au, Ag, Cu und Al, die hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, verwendet, und insbesondere Cu, das aufgrund seines hohen Schmelzpunktes und seiner hohen Festigkeit am besten geeignet ist. Es ist nicht günstig, als anorganische Verbindung des Kompositmaterials herkömmliche Verbindungen mit einer Härte zu verwenden, die von der des Grundmetalls sehr verschieden ist, wie zum Beispiel Si und Al₂O₃, wie oben erwähnt. Es ist günstig, eine Verbindung in Kornform zu verwenden, die eine relativ geringe Härte und einen mittleren linearen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C von höchstens 10·10^–6/°C und noch bevorzugter höchstens 7·10^–6/°C aufweist. Als derartige anorganische Verbindungen sind Kupferoxid, Zinnoxid, Bleioxid und Nickeloxid verfügbar. Kupferoxid, das gute Duktilität aufweist, ist wegen seiner hohen plastischen Umformbarkeit besonders bevorzugt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials gemäß der Erfindung umfasst die Schritte des Schmelzens und Gießens eines Ausgangsmaterials, das Kupfer und Kupferoxid enthält, die Durchführung einer Wärmebehandlung bei 800 bis 1050 °C und die Vornahme einer plastischen Kaltumformung oder Warmumformung.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kompositmaterials umfasst ferner die Schritte des Schmelzens und Gießens eines Ausgangsmaterials, das Kupfer oder Kupfer und Kupferoxid umfasst, unter einem Sauerstoffpartialdruck von 10^–2 bis 10³ Pa, die Durchführung einer Wärmebehandlung bei 800 bis 1050 °C und die Vornahme einer plastischen Kaltumformung oder Warmumformung.
Als Ausgangsmaterial kann entweder Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) oder Kupfer(II)-oxid (CuO) verwendet werden. Der Sauerstoffpartialdruck während des Schmelzens und Gießens beträgt vorzugsweise 10^–2 bis 10³ Pa und noch bevorzugter 10^–1 bis 10² Pa. Durch Änderung des Mischungsverhältnisses der Ausgangsmaterialien, des Sauerstoffpartialdrucks und der Abkühlgeschwindigkeit während der Verfestigung, etc., ist es möglich, das Verhältnis von Cu-Phase zu Cu₂O-Phase sowie die Größe und Form der Cu₂O-Phase des Kompositmaterials zu kontrollieren. Der Mengenanteil der Cu₂O-Phase liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 55 Vol.-%. Insbesondere dann, wenn die Cu₂O-Phase mehr als 55 Vol.-% ausmacht, nimmt die Wärmeleitfähigkeit ab, und es tritt eine Änderung der Eigenschaften eines Kompositmaterials, auf, wodurch sich da Kompositmaterial zur Verwendung in einer Warmeabfuhrplatte einer Halbleitereinrichtung nicht eignet. Was die Form der Cu₂O-Phase anlangt, ist die Form von Dendriten, die während der Verfestigung gebildet werden, bevorzugt. Dies liegt daran, dass in den Dendriten komplizierte Zweige vorliegen mit dem Ergebnis, dass die Ausdehnung der Cu-Phase, die eine hohe Wärmeausdehnung besitzt, durch die Cu₂O-Phase mit ihrer kleinen Wärmeausdehnung begrenzt wird. Die Zweige der Dendriten, die während der Verfestigung gebildet werden, können durch Änderung des Mischungsverhältnisses des Ausgangsmaterials oder des Sauerstoffpartialdrucks so kontrolliert werden, dass eine Cu-Phase, eine Cu₂O-Phase oder eine CuO-Phase entsteht. Es ist ferner auch möglich, die Festigkeit durch Dispergieren der kornförmigen, feinen Cu₂O-Phase in der Cu-Phase mit Hilfe einer eutektischen Reaktion zu erhöhen. Die Größe und Form der Cu₂O-Phase kann durch Vornahme der Wärmebehandlung bei 800 bis 1 050 °C nach dem Gießen kontrolliert werden. Es ist ferner auch möglich, CuO (das während der Verfestigung gebildet wurde) durch Anwendung eines inneren Oxidationsprozesses bei der obigen Wärmebehandlung in Cu₂O umzuwandeln. Anders ausgedrückt beruht diese Operation auf der Tatsache, dass, wenn CuO zusammen mit Cu vorliegt, das durch Umwandlung von CuO nach der nachstehenden Formel (1) gebildete Cu₂O bei hohen Temperaturen thermisch stabiler ist: 2Cu + CuO → Cu + Cu₂O (1).
Es ist eine vorgegebene Zeitdauer erforderlich, bis die Reaktion nach Gleichung (1) das Gleichgewicht erreicht. Wenn beispielsweise die Wärmebehandlungstemperatur 900 °C beträgt, sind etwa 3 Stunden ausreichend. Die Größe und die Form der in der Cu-Phase durch eine eutektische Umsetzung gebildeten feinen Cu₂O-Phase können durch die Wärmebehandlung kontrolliert werden.
Hinsichtlich des Schmelzverfahrens können neben dem gewöhnlichen Gießen auch ein unidirektionaler Gießprozess, ein kontinuierlicher Dünnschicht-Gießprozess, etc., angewandt werden. Beim gewöhnlichen Gießen werden isotrop Dendriten erzeugt, weshalb das Kompositmaterial isotrop erhalten wird. Beim unidirektionalen Gießen werden die Cu-Phase und die Cu₂O-Phase in einer Richtung orientiert, wodurch dem Kompositmaterial Anisotropie verliehen werden kann. Beim kontinuierlichen Dünnschicht-Gießprozess werden die Dendriten wegen der hohen Verfestigungsgeschwindigkeit fein, wodurch die Dendriten in Richtung der Schichtdicke orientiert sind. Aus diesem Grund kann dem Dünnschicht-Kompositmaterial Anisotropie verliehen werden, wobei es zugleich möglich ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Da die Cu-Phase und die Cu₂O-Phase, aus denen ein Kompositmaterial der Erfindung aufgebaut ist, geringe Härte und ausreichende Duktilität besitzen, ist ferner eine Kaltumformung oder Warmumformung des Kompositmaterials wie etwa durch Walzen oder Schmieden, möglich, wobei dies erforderlichenfalls nach dem Gießen oder der Wärmebehandlung durchgeführt wird. Durch Umformen des Kompositmaterials tritt Anisotropie darin auf, wobei zugleich die Festigkeit erhöht werden kann. Bei der Durchführung einer Kaltumformung oder Warmumformung wird insbesondere die Cu₂O-Phase gedehnt und in der Bearbeitungsrichtung orientiert, und es tritt Anisotropie in den thermischen und mechanischen Eigenschaften in einer Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung auf. Hierbei ist die Wärmeleitfähigkeit in der Dehnungsrichtung und Orientierungsrichtung höher als die Wärmeleitfähigkeit rechtwinklig zur Orientierungsrichtung, wobei dieser Unterschied 5 bis 100 W/m·K beträgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein lichtmikroskopisches Bild der Mikrostruktur einer Probe von Beispiel 1 der Erfindung;
2 ein lichtmikroskopisches Bild der Mikrostruktur einer Probe von Beispiel 2 der Erfindung;
3 ein lichtmikroskopisches Bild einer anderen Mikrostruktur einer Probe von Beispiel 2 der Erfindung;
4 ein lichtmikroskopisches Bild der Mikrostruktur einer Probe von Beispiel 3 der Erfindung;
5 ein lichtmikroskopisches Bild der Mikrostruktur der Probe von Beispiel 4 der Erfindung;
6 eine Draufsicht auf einen IGBT-Modul nach Beispiel 5 der Erfindung;
7 eine Querschnittsansicht eines IGBT-Moduls gemäß Beispiel 5 der Erfindung;
8A bis 8D schematische Darstellungen, die das Herstellungsverfahren eines IGBT-Moduls gemäß Beispiel 5 der Erfindung zeigen;
9 ein Diagramm, das das Ausmaß des Verziehens des Grundmaterials bei jedem Schritt des Herstellungsprozesses eines IGBT-Moduls gemäß Beispiel 5 der Erfindung zeigt;
10A, 10B und 10C eine Draufsicht, eine Querschnittsansicht beziehungsweise eine Ersatzschaltung einer Leistungswandlervorrichtung, in der ein IGBT-Modul gemäß Beispiel 5 der Erfindung montiert ist;
11 ein Diagramm, welches das Ausmaß des Verziehens vor der Montage einer Leistungswandlereinrichtung zeigt, in der ein IGBT-Modul gemäß Beispiel 5 der Erfindung montiert ist;
12 ein Diagramm, welches das Ausmaß des Verziehens nach der Montage einer Leistungswandlereinrichtung zeigt, in der ein IGBT-Modul gemäß Beispiel 5 der Erfindung montiert ist;
13 eine Querschnittsansicht eines Kunststoffgehäuses mit einer eingebauten Wärmeabfuhrplatte gemäß Beispiel 6 der Erfindung;
14 eine Querschnittsansicht eines Kunststoffgehäuses mit einer freiliegenden Wärmeabfuhrplatte gemäß Beispiel 6 der Erfindung;
15 eine Querschnittsansicht eines Keramikgehäuses gemäß Beispiel 7 der Erfindung;
16 eine Querschnittsansicht eines Keramikgehäuses, das mit einem Kühlkörper versehen ist, gemäß Beispiel 7 der Erfindung;
17 eine Querschnittsansicht einer Halbleitereinrichtung gemäß Beispiel 8 der Erfindung;
18 eine Querschnittsansicht einer Halbleitereinrichtung gemäß Beispiel 8 der Erfindung;
19 eine Querschnittsansicht eines MCM's gemäß Beispiel 9 der Erfindung;
20 eine Querschnittsansicht einer elektrostatischen Befestigungsvorrichtung gemäß Beispiel 10 der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Beispiel 1: Tabelle 1
Es wurden Kompositmaterialien durch Gießen eines Ausgangsmaterials hergestellt, das durch Mischen von Kupfer und Cu₂O mit einer Reinheit von 2N in den in Tabelle 1 aufgeführten Mengenverhältnissen nach Schmelzen unter Atmosphärendruck erhalten worden war. Der lineare Ausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und die Härte dieser Kompositmaterialien wurden gemessen. Der lineare Ausdehnungskoeffizient wurde im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C unter Verwendung einer Standardprobe von SiO₂ mit Hilfe einer Messvorrichtung vom Druckstangentyp gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit wurde nach dem Laserblitzverfahren gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sine in Tabelle 1 aufgeführt. Die Mikrostruktur der erhaltenen Probe Nr. 3 ist in 1 dargestellt (Vergrößerung 100 X). Das Sichtfeld beträgt 720 × 950 μm. Wie in der Figur zu sehen, ist Kupferoxid in Form von Dendriten ausgebildet, wobei daneben granuläre Körner zumeist mit Korngrößen von 10 bis 50 μm zu sehen sind mit Ausnahme des einen großen Korns, das einen Durchmesser von 100 μm aufweist. Ferner liegen stabartige Strukturen von höchstens 30 μm Durchmesser und nicht weniger als 50 μm Länge sowie dendritische Strukturen vor. Die Anzahl dieser Stäbe und Dendriten beträgt etwa 10. Darüber hinaus enthält die Matrix granuläre Körner, die jeweils eine Korngröße von höchstens 0,2 μm aufweisen und die jeweils etwa 0,5 μm von jedem Dendriten beabstandet sind, was bedeutet, dass es unausgebildete Bereiche von 0,5 μm Breite zwischen den granulären Strukturen und den dendritischen Strukturen gibt. Ferner gibt es auch granuläre Strukturen von höchstens 0,2 μm Korngröße, die in einer fadenartigen Struktur angeordnet liegen.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, variieren die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit aufgrund der Einstellung der Mengenverhältnisse von Cu und Cu₂O in einem weiten Bereich, und es ist zu ersehen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit so kontrolliert werden können, dass die für eine Wärmeabfuhrplatte geforderten Eigenschaften vorliegen.
Auf der anderen Seite wird Cu₂O, wie aus der in 1 gezeigten Mikrostruktur hervorgeht, dendritisch, und das Kompositmaterial besitzt eine Feinstruktur, in der die Cu-Phase und die Cu₂O-Phase im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert sind. Im vorliegenden Fall stellen die weißen und schwarzen Bereiche in der Photographie die Cu-Phase bzw. die Cu₂O-Phase dar.
Die Ergebnisse der Härtemessung zeigen, dass die Härte der Cu-Phase Hv 75 bis 80 und die Härte der Cu-₂O-Phase Hv 210 bis 230 betragen. Als Ergebnis einer Ermittlung der Bearbeitbarkeit durch Drehen und Bohren ergab sich, dass die Bearbeitbarkeit so ausgezeichnet ist, dass es leicht ist, beliebige geforderte Formen aus dem Kompositmaterial herzustellen.
Beispiel 2: Tabelle 2
Es wurden Kompositmaterialien durch einen unidirektionalen Verfestigungsprozess durch Gießen eines Ausgangsmaterials hergestellt, das durch Mischen von Kupfer und Cu₂O mit einer Reinheit von 3N in den in Tabelle 2 aufgeführten Mengenverhältnissen nach Schmelzen unter verschiedenen Sauerstoffpartialdrucken erhalten worden war. Die Mikrostruktur der Probe Nr. 7, die nach Schmelzen in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10^–2 Pa gegossen worden war, ist in 2 dargestellt (Vergrößerung 100 X). Wie aus der Photographie hervorgeht, wurde ein Teil der Cu₂O-Phase in Dendrite umgewandelt; daneben werden granuläre Körner beobachtet, die zumeist Korngrößen von 5 bis 50 μm besitzen. In der Struktur liegen ferner linear angeordnete stabartige Strukturen und dendritische Strukturen vor, wobei die stabartigen und die dendritischen Strukturen einen Durchmesser von höchstens 30 μm und eine Länge von höchstens 50 μm besitzen. Die Anzahl dieser Strukturen beträgt etwa 16. Es ist ferner ein großes Korn mit einem Durchmesser von höchstens 100 μm zu sehen. In der Matrix ist der Hauptanteil der Cu₂O-Phase kornförmig mit einer Korngröße von höchstens 0,2 μm, wobei fadenartige Strukturen vorliegen, die ein Netzwerk bilden. Hinsichtlich der feinen Cu₂O-Körner in der Matrix ist festzustellen, dass ähnlich dem Fall von 1 nichtausgebildete Zonen vorliegen.
Die Mikrostruktur der Probe Nr. 8, die durch Gießen nach Schmelzen in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10³ Pa erhalten worden war, ist in 3 dargestellt (Vergrößerung 100 X). Wie aus der Photographie ersichtlich ist, bildet die Cu₂O-Phase Dendriten, und die Struktur ist in einer Richtung orientiert. Es wird ebenfalls ersichtlich, dass die Form und die Dichte der Cu₂O-Phase durch Änderung des Ausgangsmaterials und des Sauerstoffpartialdrucks kontrolliert werden kann. Wie in der Figur zu sehen ist, gibt es granuläre Strukturen mit einer Korngröße von 5 bis 30 μm, dendritische Strukturen und stabförmige Strukturen mit einem Durchmesser von höchstens 30 μm und einer Länge von höchstens 50 μm. Die Anzahl dieser dendritischen Strukturen und der stabförmigen Strukturen beträgt etwa 33, wobei die längste stabförmige Struktur eine Länge von etwa 200 μm besitzt. In ähnlicher Weise wie in den Fällen der in den 1 und 2 dargestellten Kompositmaterialien enthält die Matrix Körner, die jeweils eine Korngröße von höchstens 0,2 μm aufweisen, wobei es zwischen den granulären Körnern, den stabförmigen Strukturen und den dendritischen Strukturen nichtausgebildete Zonen gibt; im vorliegenden Beispiel sind diese Strukturen dicht über die gesamte Matrix ausgebildet, sodass der Bereich, in dem feine Körner gebildet werden, klein wird.
In Tabelle 2 sind die Messergebnisse des linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit der obigen beiden Arten von Kompositmaterialien aufgeführt. Aus den Ergebnissen ist festzustellen, dass bei jedem der Kompositmaterialien Anisotropie bezüglich des linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit auftritt. Die Längsrichtung ist die Verfestigungsrichtung der Gießlinge, und die Querrichtung ist eine Richtung senkrecht zur Verfestigungsrichtung. Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist etwas größer in der Längsrichtung als in der Querrichtung, wenn der Cu₂O-Gehalt mindestens 30 Vol.-% beträgt; die Wärmeleitfähigkeit ist mindestens 1,1fach höher in der Längsrichtung als in der Querrichtung.
Außerdem wurde sogar durch Einblasen von gasförmigem Sauerstoff in die Schmelze des Ausgangsmaterials das gleiche Ergebnis wie in dem Fall erzielt, in dem Sauerstoff als Gasatmosphäre verwendet wurde.
Beispiel 3: Tabelle 3
Die obige Probe Nr. 8 wurde bei 900 °C bis zu einem Umformungsverhältnis von 90 % warmumgeformt. Im Ergebnis ist ersichtlich, dass die Verarbeitbarkeit gut ist, sowie, dass die Kompositmaterialien der Erfindung ausgezeichnet plastisch umformbar sind. 4 zeigt die Mikrostruktur (Vergrößerung 100 X) der in Tabelle 3 aufgeführten Probe Nr. 9. Im Vergleich mit einem Kompositmaterial im Zustand wie gegossen wurde hier eine Struktur erhalten, bei der die Eigenschaft der Orientierung auffällig ist und bei der die Cu₂O-Phase in der Richtung der plastischen Umformung gedehnt ist, sodass sie in einer Richtung länger ausgebildet ist, wodurch die Struktur dieser Probe ein Längenverhältnis im Bereich von 1 bis 20 aufweist. Der Durchmesser der stabförmigen Strukturen beträgt höchstens 20 μm und zumeist 1 bis 10 μm. Die Anzahl der Cu₂O-Strukturen mit stabförmiger Form einer Länge von mindestens 100 μm beträgt etwa 15. Feine Körner von höchstens 0,2 μm Korngröße im Zustand wie gegossen vergrößerten sich zu Körnern mit einem Durchmesser von etwa 2 bis 5 μm. Ferner wird bei der in Tabelle 3 aufgeführten Probe Nr. 9 hinsichtlich des linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit eine noch ausgeprägtere Anisotropie festgestellt. So ist insbesondere die Wärmeleitfähigkeit in der Längsrichtung längs der stabförmigen Strukturen 1,22fach höher als die Wärmeleitfähigkeit in der Querrichtung. Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist etwas größer in der Längsrichtung als in der Querrichtung.
Beispiel 4: Tabelle 4
5 zeigt die Mikrostruktur (Vergrößerung 100 X) der in Tabelle 4 aufgeführten Probe Nr. 10, die dadurch erhalten wurde, dass die obige Probe Nr. 9 während 3 Stunden einer Wärmebehandlung bei 900 °C unterzogen wurde. Durch die Wärmebehandlung wurde die Cu₂O-Phase in der Richtung der plastischen Umformung gedehnt, und nahezu alle Körner wurden vergröbert, sodass Stabdurchmesser von 5 bis 30 μm vorlagen, während ihre Orientierungseigenschaft erhalten blieb. Als Ergebnis wird die Anzahl der stabförmigen Strukturen von mindestens 100 μm Länge etwa gleich 50, wobei die Längen größer sind als vor der Wärmebehandlung. Darüber hinaus wuchsen feine Körner zu einer Korngröße von 2 bis 5 μm an, sodass solche feinen Körner verschwanden. Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, nahmen die Anisotropie des linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit dieser Probe im Vergleich zu Probe Nr. 9 ab, und die Wärmeleitfähigkeit erhöhte sich in jeder Richtung unter Kompensation der Abnahme der Anisotropie. Daher konnte die Anisotropie des linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit durch Kontrolle der Struktur durch Umformung oder Wärmebehandlung nach der Umformung kontrolliert werden. Die Wärmeleitfähigkeit in der Längsrichtung war 1,11fach höher als die Wärmeleitfähigkeit in der Querrichtung.
Beispiel 5:
Bei diesem Beispiel wurde ein Kupfer-Kompositmaterial der Erfindung auf eine Wärmeabfuhrplatte (Grundplatte) eines bipolaren Isolierschichttransistormoduls (im Folgenden als IGBT-Modul abgekürzt) aufgebracht, der eine der Leistungshalbleitervorrichtungen darstellt.
6 ist eine Draufsicht auf das Innere des Moduls; 7 stellt eine Querschnittsansicht eines Teils des Moduls dar.
Die IGBT-Elemente zu 1014 Stück und die Diodenelemente zu 1022 Stück sind unter Verwendung eines Lots 201 mit einem AlN-Substrat 103 verbunden. Dieses AlN-Substrat 103 wird durch Befestigen einer Kupferfolie 202 und 203 an einer AlN-Platte 204 mit einem Silber-Lotmaterial, das in der Figur nicht dargestellt ist, erzeugt. Auf dem AlN-Substrat 103 werden Bereiche für einen Emitter 104, einen Kollektor 105 und ein Gate 106 erzeugt. Ein IGBT-Eelement 101 und ein Diodenelement 102 werden an den Bereich für den Kollektor 105 gelötet. Jedes Element wird über einen Metalldraht 107 mit dem Emitter 104 verbunden. Ferner ist ein Widerstandselement 108 in dem Bereich für das Gate 106 angeordnet, und ein Gatepad des IGBT-Elements 101 wird mit dem Widerstandselement 108 über einen Metalldraht 107 verbunden. Sechs AlN-Substrate 103, auf denen jeweils eine Halbleitervorrichtung montiert ist, werden unter Verwendung eines Lots 205 mit einem Grundmaterial 109 verbunden, das eine erfindungsgemäße Cu-Cu₂O-Legierung ist. Zwischen den isolierenden Substraten wird durch ein Lot 209, das einen Anschluss 206 eines Gehäuseblocks 208, in dem der Anschluss 206 und ein Harzgehäuse 207 integriert sind, verbindet, eine Verbindung zum AlN-Substrat 103 hergestellt. Ferner sind das Gehäuse 207 und das Grundmaterial 109 über einen Kleber 210 auf Siliconkautschukbasis miteinander verbunden. Was die Anschlussverbindungen des Gehäuseblocks 208 anlangt, so werden die Hauptanschlüsse auf jedem AlN-Substrat 103 in Bezug auf die Verbindungsposition 110 der Emitteranschlüsse, die Verbindungsposition 111 der Emitteranschlüsse sowie die Verbindungsposition 112 der Kollektoranschlüsse mit zwei Punkten und in Bezug auf die Verbindungsposition 113 der Gateanschlüsse mit einem Punkt verbunden. Als nächstes wird ein Silicongel 212 aus einem Gehäusedeckel 211, der mit einer Harzgießöffnung versehen ist, eingegossen, sodass die gesamte Anschlussoberfläche beschichtet wird, worauf ein warmhärtendes Epoxyharz 213 über die gesamte Oberfläche gegossen wird, wodurch der Modul vervollständigt wird.
Tabelle 5
In Tabelle 5 sind der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit von üblicherweise verwendeten Grundmaterialien sowie von Cu mit 30 Vol.-% Cu₂O, das eines der in den Beispielen 1 bis 5 erhaltenen Cu-Cu₂O-Legierungsmaterialien darstellt, aufgeführt. In Halbleitervorrichtungen, bei denen das Grundmaterial Cu-Cu₂O verwendet ist, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich mit den üblicherweise verwendeten Modulen auf der Basis von Cu klein, wodurch die Betriebszuverlässigkeit des Lots 209, mit dem das AlN-Substrat 103 mit dem Grundmaterial 109 verbunden ist, verbessert werden kann. Auf der anderen Seite ist bei Halbleitervorrichtungen auf der Basis von Mo oder Al-SiC, die zur Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit des Lots unter scharfen Betriebsbedingungen verwendet werden, die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls klein, obgleich der Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich mit Halbleitervorrichtungen, bei denen Cu-Cu₂O als Grundmaterial verwendet wird, klein ist. Bei einem Modul, bei dem das Grundmaterial Cu-Cu₂O des vorliegenden Beispiels verwendet wird, ist es möglich, sicherzustellen, dass die Zuverlässigkeit (Lebensdauer im thermischen Ermüdungstest) mindestens 5mal größer ist als die eines Moduls, bei dem Cu als Basismaterial verwendet wird, sowie, dass der thermische Widerstand höchstens 0,8fach kleiner ist als der eines Moduls, bei dem als Grundmaterial Mo verwendet wird, wenn die Dicke der Grundmaterialien gleich ist.
Diese Effekte erlauben eine Vergrößerung der Bereiche, innerhalb deren die Struktur eines Moduls und anderer Elemente gewählt werden können. So kann beispielsweise bei dem in 6 dargestellten Beispiel, da ein Grundmaterial aus Cu-Cu₂O-Legierung eine höhere Wärmeleitfähigkeit als ein Grundmaterial aus Mo aufweist, da es also, anders ausgedrückt, eine verbesserte Wärmedissipation ermöglicht, die Temperaturdifferenz zwischen den Enden und der Mitte einer Halbleitervorrichtung während des Betriebs auf einen kleinen Wert verringert werden, wodurch die Größe der Halbleitervorrichtung im Vergleich mit der eines herkömmlichen Moduls etwa 1,2fach größer gemacht werden kann. Dies erlaubt ein Moduldesign mit 24 IGBT-Elementen im Vergleich mit der Verwendung von 30 IGBT-Elementen bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung, um die gleiche Strommenge zu gewährleisten, und eine Verkleinerung der Modulgröße. Es ist ferner möglich, als isolierendes Substrat ein Aluminiumoxid-Substrat Zu verwenden, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die etwa 20 % kleiner ist als die von AlN. Aluminiumoxid besitzt eine höhere Zähigkeit als AlN, und die Größe des Substrats kann größer gemacht werden. Darüber hinaus besitzt das Aluminiumoxid-Substrat einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein AlN-Substrat, und die Differenz in der Wärmeausdehnung beim Grundmaterial kann kleiner gemacht werden; daher kann das Ausmaß des Verziehens des Moduls selbst ebenfalls verringert werden. Da die Verwendung eines Aluminiumoxid-Substrats eine Vergrößerung der zulässigen Substratgröße erlaubt, kann die Anzahl von Halbleitervorrichtungen, die auf einem Substrat untergebracht werden können, vergrößert werden. Anders ausgedrückt ist es möglich, die zur Sicherstellung der Isolierung für jedes isolierende Substrat erforderliche Fläche und die Fläche zwischen den Substraten zu verringern, wodurch die Modulgröße kleiner gemacht werden kann.
Die 8A bis 8D stellen schematische Zeichnungen des Herstellungsverfahrens eines Moduls dieses Beispiel dar. In 8A wird das aus Cu-Cu₂O bestehende Grundmaterial so hergestellt, dass es im Wesentlichen flache Oberflächen aufweist, die mit Ni beschichtet sind. In 8B wird das AlN-Substrat 103, das mit dem IGBI-Element 101 (einer Halbleitervorrichtung) verlötet ist, mit Lot 205 am Grundmaterial 109 befestigt. In diesem Zeitpunkt wölbt sich die Rückfläche des Moduls während der Abkühlung des Lots zu einer konkaven Form, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundmaterials 109 größer ist als der des Kompositkörpers 301, der die Halbleitervorrichtung und das AlN-Substrat umfasst. In 8C wird im Schritt des Zusammenbauens des Gehäuseblocks 208 mittels eines warmhärtenden Klebers die Rückfläche des Moduls während des Abkühlens des Klebers nahezu flach, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses größer ist als der des Kompositkörpers 301, dessen Verlötung abgeschlossen wurde. In 8D, bei der das Innere des Moduls mit dem Silicongel 212 und dem warmhärtenden Epoxyharz 213 gefüllt wird, wölbt sich die Rückfläche des Moduls zu einer konvexen Form, da die Wärmeausdehnung des Harzes groß ist.
9 zeigt das Ergebnis der Messung des Ausmaßes der Wölbung der Rückfläche in jedem Schritt. Wenn das Cu-Cu₂O-Grundmaterial der Erfindung verwendet wird, kann das Ausmaß der Wölbung im Vergleich zu einem Modul, bei dem ein herkömmliches Grundmaterial aus Mo verwendet wird, auf etwa ein Drittel verringert werden. Darüber hinaus ist im Fall eines Grundmaterials aus Cu, dessen Ergebnis in der Figur nicht dargestellt ist, die Differenz im Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem AlN-Substrat groß, sodass sich die Rückfläche des Moduls während des Schritts von 8B zu einer konkaven Form wölbt und das Ausmaß der Wölbung groß ist, und die Rückfläche wird konkav mit einer Wölbung von nicht mehr als 100 μm sogar nach Vervollständigung eines Moduls. Bei dem Cu-Cu₂O-Grundmaterial der Erfindung kann das Ausmaß der Wölbung des Moduls verringert werden, wodurch es möglich ist, den Modul größer zu dimensionieren. Darüber hinaus ist, ähnlich wie das Ausmaß der Wölbung in den Zusammenbauschritten, das Ausmaß der Änderung der Wölbung aufgrund von Temperaturdifferenzen während des Betriebs des Moduls ebenfalls klein, sodass das Ausfließen der Wärmeleitpaste, die zwischen dem Modul und dem Kühlkörper vorgesehen wird, verhindert werden kann.
10 zeigt eine Ausführungsform einer Leistungswandlervorrichtung, bei der ein Modul der Erfindung verwendet ist. Bei diesem Beispiel wurde ein Modul 501 auf einem Kühlkörper 511 mit Verschlussbolzen 512 montiert, wobei eine Wärmeleitpaste 510 zwischen dem Modul und dem Kühlkörper vorgesehen wurde, wodurch ein zweistufiger Inverter erhalten wurde. Allgemein werden Module 501 einer Leistungshalbleitereinrichtung seitlich umgekehrt zueinander montiert, sodass der Mittelpunkt (Punkt B) an einer Mittelpunkt-Verbindung 503 angeschlossen werden kann. Die Phasen U, V und W werden mit der kollektorseitigen Verbindung 502 und der emitterseitigen Verbindung 504 verbunden, und Leistung wird von einer Quelle 509 geliefert. Ein Signalleiter wird aus einer Gateverbindung 505, einer Emitter-Hilfsverbindung 506 und einer Kollektor-Hilfsverbindung 507 des Moduls 501 von jedem IGBT erzeugt. Das Bezugszeichen 508 bezeichnet eine Last.
Die 11A und 11B sowie die 12A und 12B zeigen die Messungen der Größe des Verziehens der Rückseite des Moduls (Dicke der Wärmeleitpaste) vor bzw. nach dem Abdichten des Moduls bei der Modulmontage. Von diesen Figuren zeigen die 11A und 12A den Modul, bei dem die Cu-Cu₂O-Legierungen der Erfindung, die in den Beispielen 1 bis 4 dargestellt sind, verwendet sind, während sich die 11B und 12B auf den nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Modul beziehen. Im Fall des herkömmlichen, bekannten Moduls mit Al-SiC-Grundmaterial beträgt die Größe der konvexen Wölbung der Rückfläche etwa 100 μm. Wenn der Modul allerdings unter Aufbringen von Wärmeleitpaste abgedichtet wird, wird der Modul dabei verformt, da er durch die Wärmeleitpaste unter Druck gesetzt wird, sodass die Rückfläche des Moduls umgekehrt zu einer konkaven Form verformt wird, wobei die Dicke der Schicht der Wärmeleitpaste in der Mitte größer ist, was zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands führt. Im Gegensatz dazu beträgt die Größe der anfänglichen Wölbung der Rückfläche im Fall des Grundmaterials aus Cu-30 Vol.-% Cu₂O etwa 50 μm. Aufgrund der hohen Verformungsfestigkeit des Grundmaterials wurde allerdings die Dicke der Wärmeleitpaste in der Mitte des Moduls nach ihrem Aufbringen und dem Abdichten auf etwa 50 μm gedrückt, das heißt, auf die Hälfte der Dicke der Wärmeleitpaste beim herkömmlichen Al-SiC-Grundmaterial. Es ist ferner auch möglich, die Variationen in der Dicke der Wärmeleitpaste innerhalb des Moduls zu verringern. Das Problem einer Verformung eines Moduls, die während des Zusammenbaus eintritt, da der Modul durch die Wärmeleitpaste unter Beanspruchung gerät, tritt natürlich auch dann auf, wenn ein Modul mit Cu als Grundmaterial, das eine kleinere Verformungsfestigkeit als ein Modul mit einer Cu-Cu₂O-Legierung als Grundmaterial aufweist, montiert wird.
Wie in den Figuren dargestellt ist, kann das Cu-Cu₂O-Grundmaterial der Erfindung einen kleineren thermischen Widerstand und einen kleineren thermischen Kontaktwiderstand ergeben als Grundmaterialien aus Mo und Al-SiC, die bei herkömmlichen Modulen mit hoher Zuverlässigkeit verwendet werden. Im Ergebnis konnte der Modul dicht gepackt montiert werden, wie in 10 dargestellt ist. Darüber hinaus kann die Kühlwirksamkeit eines Kühlkörpers verringert werden, und die Montagefläche sowie das Volumen einer Leistungswandlervorrichtung können verkleinert werden. Da ferner die Dicke der Wärmeleitpaste verringert werden kann, ist es möglich, den niedrigen Bereich der Flachheit eines Kühlkörpers weit festzulegen, weshalb es möglich ist, eine Leistungswandlervorrichtung unter Verwendung eines großen Kühlkörpers zusammenzubauen. Darüber hinaus kann die zusätzliche Kühlfunktion etwa durch erzwungene Kühlung, etc., entfallen, so dass auch in dieser Hinsicht eine kleine Auslegung mit geringerem Rauschen realisiert werden kann.
Beispiel 6:
Wärmeabfuhrplatten aus jedem der in den Beispielen 1 bis 4 beschriebenen Kompositmaterialien der Erfindung, die aus einer Kupfer-Kupferoxid-Legierung bestanden, wurde bei Kunststoffgehäusen eingesetzt, in denen jeweils ein in 13 und 14 dargestellter IC montiert wurde. 13 zeigt ein Kunststoffgehäuse mit einer eingebauten Wärmeabfuhrplatte; 14 zeigt ein Kunststoffgehäuse mit einer exponierten Wärmeabfuhrplatte.
Die Wärmeabfuhrplatten wurden durch Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung im Bereich von Cu-20 bis 55 Gew.-% Cu₂O hergestellt, sodass der Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C 9·10^–6/°C bis 14·10⁶/°C betrug, wobei der Ausdehnungskoeffizient des Gießharzes in Betracht gezogen wurde; die Wärmeabfuhrplatten wurden nach Bearbeitung und Nickelplattierung verwendet.
Unter Bezug auf 13 wird der Aufbau des Gehäuses im Folgenden erläutert. Ein Leadframe 31 wird mit einem isolierenden Polyimidband 32 mit einer aus einem Kupfer-Kompositmaterial der Erfindung hergestellten nickelplattierten Wärmeabfuhrplatte 33 verbunden. Ein IC 34 wird unter Verwendung eines Lots mit der Wärmeabfuhrplatte 33 verbunden. Ferner werden Al-Elektroden am IC mit dem Leadframe durch Golddrähte 35 verbunden. Mit Ausnahme eines Teils des Leadframes wird alles mit einem Gießharz 36 verkapselt, dessen Hauptkomponenten ein Epoxyharz, ein Kieselsäure-Füllstoff sowie ein Härtungsmittel sind. Das Gehäuse mit einer exponierten Wärmeabfuhrplatte, das in 14 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem in 13 dargestellten Gehäuse darin, dass die Wärmeabfuhrplatte 33 außerhalb des Gießharzes exponiert liegt.
Die wie oben erwähnt zusammengebauten Gehäuse wurden dahingehend beobachtet, ob Verziehungen und Risse bei den Verbindungen zwischen der Wärmeabfuhrplatte und dem Gießharz vorliegen oder nicht. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass kein Problem vorliegt, wenn die Differenz in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Gießharz und der Wärmeabfuhrplatte nicht mehr als 0,5·10^–6/°C beträgt, sowie, dass hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung Cu-20 bis 35 Gew.-% Cu₂O mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m·K bevorzugt ist.
Beispiel 7:
Die 15 und 16 zeigen Querschnitte durch Keramikgehäuse, bei denen eines der in den Beispielen 1 bis 4 beschriebenen Kupfer-Kompositmaterialien der Erfindung als Wärmeabfuhrplatte verwendet ist und in denen ein IC montiert ist. Zunächst wird das in 15 dargestellte Gehäuse erläutert. Ein IC 41 ist unter Verwendung eines Harzes auf Polyimidbasis mit einer nickelbeschichteten Wärmeabfuhrplatte 42 verbunden. Die Wärmeabfuhrplatte 42 ist ferner mit einem Lot mit einem Gehäuse 43 aus Al₂O₃ verbunden. In dem Gehäuse sind Cu-Verbindungsleitungen vorgesehen, die mit Stiften 44 zum Anschluss an ein zu verbindendes Substrat versehen sind. Al-Elektroden am IC und der Verbindung am Gehäuse werden mit Al-Drähten 45 angeschlossen. Zur Verkapselung wurde ein Verschweißungsring 46 aus Kovar mit einem Silberlot mit dem Gehäuse verbunden, und der Verschweißungsring und ein Deckel 47 aus Kovar wurden mit einer Walzenelektrode verschweißt. 16 zeigt eine durch Verbindung eines Kühlkörpers 48 mit dem in 15 dargestellten Keramikgehäuse erhaltenes Gehäuse.
Beispiel 8:
Die 17 und 18 zeigen Gehäuse, bei denen die TAB (tape automated bonding – automatisches Folienbonden)-Technologie angewandt ist und jedes der in den Beispielen 1 bis 4 beschriebenen Kupfer-Kompositmaterialien der Erfindung als Wärmeabfuhrplatte eingesetzt ist.
Zunächst wird das in 17 dargestellte Gehäuse erläutert. Ein IC 51 ist über ein wärmeleitendes Harz 52 mit einer erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrplatte 53 verbunden. In den Anschlüssen des ICs sind Au-Bumps 54 erzeugt, die mit TAB-Laschen 55 verbunden werden, die ihrerseits über eine Dünnschichtverbindung 56 mit einem Leadframe 57 verbunden werden. Der IC wird durch ein Keramiksubstrat 59 aus Al₂O₃, ein Gehäuse 60 und ein Abdichtglas 61 dicht verschlossen, wobei ein Siliconkautschuk 58 zwischengeschaltet wird.
18 zeigt ein harzverkapseltes Gehäuse. Ein IC 65 ist mit einer Au-Si-Legierung 66 mit einer nickelplattierten Wärmeabfuhrplatte 67 verbunden und ist ferner unter Verwendung eines wärmeleitenden Harzes 68 mit der Kupfer-Masseplatte 69 sowie einer nickelplattierten Wärmeabfuhrplatte 70 gemäß der Erfindung verbunden. Andererseits sind die Anschlüsse des ICs mit TAB-Laschen 72 mit Au-Bumps 71 verbunden und mit einem Harz 73 verkapselt. Bei diesem Gehäuse ist ein Teil des Leadframes und der Wärmeabfuhrplatte zur Außenseite des Einkapselungsharzes exponiert. Die TAB-Lasche wird unter Verwendung einer Ag-Paste 74 auf Epoxybasis an der Kupfer-Masseplatte befestigt.
Beispiel 9:
19 zeigt eine Ausführungsform eines MCMs (multi-chip-module), bei dem jedes der in den Beispielen 1 bis 4 beschriebenen Kupfer-Kompositmaterialien der Erfindung als Wärmeabfuhrplatte eingesetzt ist. Ein IC 81 ist durch Au-Drähte 82 mit einer Dünnschicht-Verbindung 84 verbunden, die auf einer nickelplattierten Wärmeabfuhrplatte 83 der Erfindung ausgebildet ist; der IC ist ferner durch Golddrähte mit Verbindungen verbunden, die auf einem Gehäuse 85 aus AlN ausgebildet sind; der IC weist einen äußeren Anschluss 86 auf. Der IC-Bereich ist durch einen Deckel 87 aus 42- Legierung dicht verschlossen, wobei eine Vorform 88 aus Au-Sn-Legierung zwischen dem Deckel 87 und der mit W metallisierten Schicht des Gehäuses zwischengeschaltet und befestigt ist.
Beispiel 10:
20 ist eine Querschnittsansicht einer elektrostatischen Befestigungsvorrichtung, bei der ein Kompositmaterial der Erfindung verwendet ist.
Wie in 20 dargestellt ist, kann diese elektrostatische Befestigungsvorrichtung als Halteeinrichtung für eine Sputtervorrichtung verwendet werden, bei der die Bearbeitung eines Werkstücks 90 aus einem Leiter oder Halbleiter unter einem verminderten Druck in einer Vakuumbehandlungskammer 95 vorgenommen wird. Wenn eine Spannung (etwa 500 V) an eine Elektrode 94 dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung von einer Gleichspannungs-Stromquelleneinheit 91 angelegt wird, kann das Werkstück 90 an der Oberfläche einer Dielektrikumplatte 92 fixiert werden. Die in diesem Beispiel verwendete Dielektrikumplatte wurde aus jedem der in den Beispielen 1 bis 4 beschriebenen Kompositmaterialien, die aus einer Kupfer-Kupferoxid-Legierung bestehen, hergestellt.
Bei der Durchführung des jeweiligen Sputterns wurde nach Montage des Werkstücks 90 auf dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung durch Betätigen einer mit einem Gasauslassanschluss 97 verbundenen Saugpumpe, die Vakuumbehandlungskammer 95 evakuiert, bis der Innendruck in der Kammer etwa 1·10^–3 Pa betrugt. Danach wurden durch Öffnen eines mit einem Gaseinlass 96 verbundenen Ventils etwa 10 Ncm³ Reaktionsgas (Argongas, etc.) in das Innere der Vakuumbehandlungskammer 95 eingeleitet. Der Innendruck in der Vakuumbehandlungskammer 95 betrug zu diesem Zeitpunkt etwa 2·10^–2 Pa.
Danach wurde durch Anlegen einer Hochfrequenzleistung (13,56 MHz) von etwa 4 kW an die Elektrode 94 dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung ein Plasma zwischen der Elektrode 94 dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung und einer weiteren (in der Figur nicht dargestellten) Elektrode erzeugt. In diesem Fall betrugen die angelegten Hochfrequenzspannungen V_DC und V_PP 2 kV beziehungsweise 4 kV. Im vorliegenden Fall wurde eine Anpassungsbox 98, die zwischen die Elektrode 94 dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung und einer Hochfrequenzleistungseinheit 93 geschaltet war, verwendet, um eine Impedanzanpassung an die Vakuumbehandlungskammer 95 sicherzustellen, sodass die Hochfrequenzleistung in wirksamer Weise an das Plasma geliefert wurde.
Als Ergebnis der vorliegenden Verwendung dieser Sputtervorrichtung wurden, obgleich die Temperatur des Werkstücks 90 während der Bearbeitung etwa 450 °C erreichte, keine Risse, etc., in der Dielektrikumplatte 92 dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung festgestellt, die zum Auftreten von Fremdmaterial hätten führen können. Dies bedeutet, dass die Verwendung dieser elektrostatischen Befestigungsvorrichtung für eine Verbesserung in der Zuverlässigkeit der Bearbeitung günstig ist.
Ferner ist klar, dass der gleiche Effekt einer Verbesserung bei der Bearbeitung, wie er bei der Halteeinrichtung für die Sputtervorrichtung festzustellen war, auch erzielt wird, wenn diese elektrostatische Befestigungsvorrichtung als Halteeinrichtung für eine Bearbeitungsvorrichtung verwendet wird, um ein Werkstück aus einem Leiter oder Halbleiter (zum Beispiel ein Siliciumsubstrat) in einer Atmosphäre unter einem vermindertem Druck zu bearbeiten (diese Bearbeitungsvorrichtung ist eine sogenannte Bearbeitungsvorrichtung unter vermindertem Druck und umfasst zum Beispiel eine Vorrichtung zur chemischen Dampfphasenabscheidung, eine Vorrichtung zur physikalischen Dampfabscheidung, eine Zerkleinerungsvorrichtung, eine Ätzvorrichtung und eine Ionenimplantationsvorrichtung).
Gemäß diesem Beispiel kann die Hitzebeständigkeit der Dielektrikumplatte einer elektrostatischen Befestigungsvorrichtung verbessert werden, ohne dass die dielektrische Durchbruchsfestigkeit der Dielektrikumplatte verschlechtert wird. Daher kann durch Verwendung einer elektrostatischen Befestigungsvorrichtung der Erfindung als Halteeinrichtung für eine Vorrichtung zur Durchführung einer Bearbeitung unter einem vermindertem Druck das durch Risse, etc. in der Dielektrikumplatte hervorgerufene Auftreten von Fremdmaterial verringert werden.
Die Kompositmaterialien der vorliegenden Erfindung besitzen ausgezeichnete plastische Umformbarkeit und weisen bevorzugt eine Cu-Phase mit hoher Wärmeleitfähigkeit und vorzugsweise eine Cu₂O-Phase mit geringer Wärmeausdehnung auf. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit durch Einstellung der Gehalte an Cu-Phase und Cu₂O-Phase eingestellt werden können, können die Kompositmaterialien in einem weiten Anwendungsbereich als Wärmeabfuhrplatten, die in Halbleitereinrichtungen, etc., montiert sind, Verwendung finden.

Claims

Kompositmaterial, das enthält: (I) ein Metall, das mindestens ein Element ist, das unter Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag) und Aluminium (Al) ausgewählt ist, und (II) eine anorganische Verbindung, die mindestens eine unter Kupferoxiden, Zinnoxiden, Bleioxiden und Nickeloxiden ausgewählte Verbindung ist und deren Hauptmengenanteil – aus granulären Körnern einer Korngröße ≤ 50 μm und Dendriten besteht – und/oder die Form von Stäben eines Durchmessers von 5 bis 30 μm aufweist.
Kompositmaterial nach Anspruch 1, bei dem die Dendriten des anorganischen Materials einen stabartigen Stamm und in der Nähe des Stamms gebildete granuläre Äste aufweisen.
Kompositmaterial nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die granulären Körner der anorganischen Verbindung eine Korngröße von 5 bis 50 μm aufweisen und 1 bis 10 % der Gesamtmenge der anorganischen Verbindung aus feinen granulären Körnern mit einem Korndurchmesser ≤ 1 μm bestehen.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Phase der anorganischen Verbindung in der Metallphase dispergiert ist.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die anorganische Verbindung mit dem Metall eine eutektische Struktur bildet.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die anorganische Verbindung mindestens eine unter Cu₂O und CuO ausgewählte Verbindung ist.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die anorganische Verbindung in einem Mengenanteil von 10 bis 55 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen von Metall und anorganischer Verbindung, vorliegt.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder die Wärmeleitfähigkeit in der Verfestigungsrichtung größer ist als in einer Richtung senkrecht zur Verfestigungsrichtung.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C 5·10^–6 bis 17·10^–6/°C und die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur 100 bis 380 W/m·K betragen.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, das mit Anisotropie versehen ist.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die anorganische Verbindung, vorzugsweise Kupferoxid, in Form von Stäben vorliegt, die in einer Richtung orientiert sind, und die Wärmeleitfähigkeit in der Orientierungsrichtung größer ist als die Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung senkrecht zur Orientierungsrichtung, wobei die Differenz zwischen diesen beiden Wärmeleitfähigkeiten 5 bis 100 W/m·K beträgt.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die anorganische Verbindung die Form von Stäben aufweist, die in einer Richtung orientiert sind.
Kompositmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, das plastisch umgeformt ist.
Verfahren zur Herstellung des Kompositmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das enthält: (I) ein Metall, das mindestens ein Element ist, das unter Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag) und Aluminium (Al) ausgewählt ist, und (II) eine anorganische Verbindung, die mindestens eine unter Kupferoxiden, Zinnoxiden, Bleioxiden und Nickeloxiden ausgewählte Verbindung ist, das folgende Schritte umfasst: (A) Vorsehen des Metalls und einer anorganischen Verbindung, die vorzugsweise mit dem Metall eine eutektische Struktur bildet, (B) Zusammenschmelzen des Metalls und der anorganischen Verbindung und (C) Verfestigen des Metalls und der anorganischen Verbindung.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Metall und die anorganische Verbindung ineinander dispergiert werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das Metall Kupfer ist und die anorganische Verbindung Kupferoxid ist und der Schmelzschritt (B) in einer Atmosphäre mit einem Partialdruck an Sauerstoff von 10^–2 bis 10³ Pa durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Verfestigungsschritt (C) Gießen umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, bei dem in oder nach Schritt (C) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, vorzugsweise bei 800 bis 1 050 °C.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, bei dem das nach Schritt (C) oder nach einer Wärmebehandlung erhaltene Material einer plastischen Kaltumformung oder einer plastischen Warmumformung unterzogen wird.
Verwendung des Kompositmaterials nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung von oder in Wärmeübertragungsvorrichtungen, Wärmeableitungsvorrichtungen, Halbleitereinrichtungen, Wärmeabfuhrplatten, Dielektrikumplatten und elektrostatischen Befestigungsvorrichtungen.
Wärmeabfuhrplatte (33; 42; 53; 67, 70; 83; 109) für eine Halbleitereinrichtung, die aus einem Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13 besteht.
Wärmeabfuhrplatte (33; 42; 53; 67, 70; 83; 109) für eine Halbleitereinrichtung nach Anspruch 21, die über eine Nickelplattierschicht auf der Oberfläche der Halbleitereinrichtung vorgesehen ist.
Halbleitereinrichtung, die eine Wärmeabfuhrplatte (109), ein isolierendes Substrat (103), das auf der Wärmeabfuhrplatte (109) angebracht ist, sowie eine Halbleitervorrichtung (101), die auf dem isolierenden Substrat angebracht ist, aufweist, wobei die Wärmeabfuhrplatte gemäß Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung, die eine Wärmeabfuhrplatte (33), eine auf der Wärmeabfuhrplatte (33) angebrachte Halbleitervorrichtung (34), ein Leadframe (31), das an der Wärmeabfuhrplatte (33) angeklebt ist, sowie Metalldrähte (35) zum elektrischen Anschluss des Leadframes an die Halbleitervorrichtung (34) aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung (34) in einem Harz eingekapselt ist und die Wärmeabfuhrplatte (33) gemäß Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Halbleitereinrichtung, die eine Wärmeabfuhrplatte (33), eine auf einer Seite der Wärmeabfuhrplatte (33) angebrachte Halbleitervorrichtung (34), ein Leadframe (31), das mit der Wärmeabfuhrplatte (33) verklebt ist, und Metalldrähte (35) zum elektrischen Anschluss des Leadframes (31) an die Halbleitervorrichtung (34) aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung (34) mit Harz verkapselt ist und die Wärmeabfuhrplatte (33) an der Seite, die der Montageseite der Halbleitervorrichtung gegenüberliegt, eine offene Seite aufweist, wobei die Wärmeabfuhrplatte (33) nach Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung, die aufweist: eine Wärmeabfuhrplatte, eine auf der Wärmeabfuhrplatte (42) angebrachte Halbleitervorrichtung (41), Stifte (44) zur Verbindung mit einer äußeren Verdrahtung, ein keramisches Mehrschichtsubstrat, das in der Mitte mit einem offenen Raum zur Aufnahme der Halbleitervorrichtung (41) versehen ist, Metalldrähte (45) zur elektrischen Verbindung der Halbleitervorrichtung (41) mit Anschlüssen des Substrats, wobei die Wärmeabfuhrplatte (42) und das Substrat so miteinander verklebt sind, dass sich die Halbleitervorrichtung in dem offenen Raum befindet, sowie einen Deckel (47), der so mit dem Substrat verklebt ist, dass die Halbleitervorrichtung von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist, wobei die Wärmeabfuhrplatte (42) gemäß Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Halbleitereinrichtung, die aufweist: eine Wärmeabfuhrplatte (42), eine Halbleitervorrichtung (41), die an der Wärmeabfuhrplatte (42) angebracht ist, einen Anschluss zur Verbindung mit einer äußeren Verdrahtung, ein keramisches Mehrschichtsubstrat, das in der Mitte mit einem konkaven Bereich zur Aufnahme der Halbleitervorrichtung (41) versehen ist, Metalldrähte (45) zur elektrischen Verbindung der Halbleitervorrichtung (41) mit Anschlüssen des Substrats, wobei die Wärmeabfuhrplatte (42) und das Substrat so miteinander verklebt sind, dass sich die Halbleitervorrichtung im konkaven Bereich des Substrats befindet, sowie einen Deckel (47), der so mit dem Substrat verklebt ist, dass die Halbleitervorrichtung von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist, wobei die Wärmeabfuhrplatte (42) gemäß Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Halbleitereinrichtung, die aufweist: eine Wärmeabfuhrplatte (53), eine mit der Wärmeabfuhrplatte (53) mit einem wärmeleitenden Harz verklebte Halbleitervorrichtung (51), ein Leadframe (57), das mit einem keramischen isolierenden Substrat (59) verklebt ist, eine TAB-Lasche (55) zur elektrischen Verbindung der Halbleitervorrichtung (51) mit dem Leadframe (57), wobei die Wärmeabfuhrplatte (53) und das isolierende Substrat (59) so miteinander verklebt sind, dass die Halbleitervorrichtung (51) von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist, sowie einen elastischen Körper (58) aus wärmeleitendem Harz, der zwischen der Halbleitervorrichtung (51) und dem isolierenden Substrat (59) eingeschaltet ist, wobei die Wärmeabfuhrplatte gemäß Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Halbleitereinrichtung, die aufweist: eine erste Wärmeabfuhrplatte, eine mit der ersten Wärmeabfuhrplatte (67) über eine Metallverbindung verbundene Halbleitervorrichtung (65), eine zweite Wärmeabfuhrplatte (70), an der eine Masseplatte (69) angeklebt ist, wobei die erste Wärmeabfuhrplatte (67) auf der Masseplatte (69) angebracht ist, die mit der zweiten Wärmeabfuhrplatte (70) verklebt ist, sowie eine TAB-Lasche (72), die elektrisch mit Anschlüssen der Halbleitervorrichtung (65) verbunden ist, wobei die Halbleitervorrichtung (65) mit Harz eingekapselt ist, wobei die Wärmeabfuhrplatte gemäß Anspruch 21 oder 22 ausgebildet ist.
Dielektrikumplatte (92) für elektrostatische Befestigungsvorrichtungen, wobei die Platte aus dem Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13 besteht.
Elektrostatische Befestigungsvorrichtung, die eine Elektrodenschicht (94) und eine Dielektrikumplatte (92) aufweist, die mit der Elektrodenschicht (94) verklebt ist, wobei beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschicht eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der Dielektrikumplatte (92) und einem Werkstück (90) erzeugt wird, sodass das Werkstück an der Oberfläche der Dielektrikumplatte (92) fixiert wird, wobei die Dielektrikumplatte gemäß Anspruch 30 ausgebildet ist.