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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat,
die z. B. für
Netzeinschübe
geeignet ist.
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Für Halbleitervorrichtungen,
die z. B. für
Netzeinschübe
geeignet sind, wurden üblicherweise
Schaltungen mit Substrat, die ein Keramiksubstrat aus z. B. Aluminiumoxid,
Berylliumoxid, Siliciumnitrid oder Aluminiumnitrid, aufweisen, und
eine Schaltung und eine Wärmestrahlungsplatte
aus z. B. Cu, Al oder einer Legierung einer solchen Metallkomponente,
an der Vorder- und der Rückseite
des Keramiksubstrats ausgebildet, entwickelt (
U.S.P. 5 354 415 ) und praktisch verwendet.
Diese Schaltungen mit Substrat weisen den Vorteil auf, dass im Vergleich
zu Harzsubstraten oder Verbundsubstraten aus einem Harzsubstrat
und einem Metallsubstrat hervorragende isolierende Eigenschaften
stabil erhalten werden können.
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Methoden
zum Verbinden der Schaltung und der Wärmestrahlungsplatte an das
Keramiksubstrat werden grob eingeteilt in Löten unter Verwendung eines
Bindungsmaterials (d. h., eines Lötmaterials) und eine Methode,
die kein Bindungsmaterial verwendet. Als repräsentative Methode für die letztere
war eine DBC-Methode
zum Binden von Aluminiumoxid an eine Garkupferplatte unter Verwenden
des Cu-O-eutektischen Punkts bekannt.
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In
dem Fall, in dem die Schaltung aus Kupfer hergestellt ist, ist jedoch
eine thermische Spannung, die durch Unterschiede in der thermischen
Ausdehnung zwischen der Schaltung und dem Keramiksubstrat oder dem
Lötmittel
verursacht wird, jedoch unvermeidlich, und deshalb besteht die Tendenz,
dass sich auf dem Keramiksubstrat oder dem Lötmittel aufgrund einer wiederholten
Wärmebeanspruchung
Risse ausbilden, und es wird keine zufriedenstellende hohe Verlässlichkeit
erhalten. Wenn Al als Material für
die Schaltung gewählt wird,
wird, obwohl es im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit
und die elektrische Leitfähigkeit
im Vergleich zu Cu etwas schlechter ist, die Al-Schaltung andererseits,
selbst wenn eine thermische Beanspruchung darauf appliziert wird,
leicht einer plastischen Deformation unterliegen, wodurch die an
das Keramiksubstrat oder das Lötmittel
angelegte Spannung vermindert wird, und sich die Verlässlichkeit
signifikant verbessert.
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Die
Al-Schaltung weist jedoch das Problem auf, dass sie teuer ist. Um
eine Al-Schaltung auszubilden, gibt es die folgenden Methoden: (1)
eine Schmelzmethode, in der geschmolzenes Aluminium mit einem Keramiksubstrat
in Kontakt gebracht wird, gefolgt von einem Abkühlen unter Bildung eines verbundenen
Produkts, und die Dicke der Al-Platte wird eingestellt durch maschinelles
Schleifen, gefolgt von Ätzen
(
JP-A-7-193358 ,
JP-A-7-27262 ),
und (2) eine Methode zum Verlöten
einer Al-Folie oder einer Al-Legierung-Folie, gefolgt von Ätzen (
JP-A-3-125463 ).
Beide Methoden kosten ca. zweimal bis ca. fünfmal so viel wie im Falle
der Ausbildung einer Cu-Schaltung, und es besteht deshalb nur eine
geringe Wahrscheinlichkeit, dass diese Methoden, außer für Spezialzwecke,
weit verbreitet angewendet werden.
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Abgesehen
von der Schmelzmethode, bei der die Produktionseffizienz schlecht
ist, ist der Hauptgrund, warum die Al-Schaltung durch Löten kostspieliger
ist als eine Cu-Schaltung, der, dass das Verbinden unter schwierigen
Bedingungen durchgeführt
wird. Die Schmelztemperatur von Al (660°C) und die Verbindungs temperatur
(von ca. 630 bis ca. 650°C
im Fall einer Al-Si-Materialart, das das üblichste Bindungsmaterial ist)
sind sehr nahe, wodurch Al wahrscheinlich lokal schmelzen kann,
wodurch Lötdefekte
(auf der Aluminiumschaltung ausgebildetes Mottenfraß-Phänomen) verursacht
werden, und deshalb beträchtliches
Geschick und Mühe
erforderlich sind, um die Al-Schaltung unter Vermeidung solcher
Defekte herzustellen.
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Der
Stand der Technik umfasst auch die Dokumente
GB-A-1259633 und
EP-A-0422558 ).
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Bei
dieser Sachlage haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung gefunden,
dass eine Al-Schaltung auf einem Keramiksubstrat durch Verbinden
unter spezifischen Bedingungen leicht ausgebildet werden kann, indem
man als Bindungsmaterial eine billige Al-Cu-Legierung verwendet,
die keine Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, und sie haben außerdem ausgedehnte
Untersuchungen durchgeführt,
um die vorliegende Erfindung zu erzielen.
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Eine
Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Schaltung mit Substrat, die ein Keramiksubstrat und eine Al-
oder Al-Legierung-Schaltung auf dem Keramiksubstrat ausgebildet
aufweist, mit geringen Kosten und mit einer hohen Verlässlichkeit.
Insbesondere besteht sie darin, eine sehr verlässliche Schaltung mit Substrat
bereitzustellen, worin nicht nur Risse an einem Lötmaterial
oder dem Keramiksubstrat, sondern auch ein Ablösen eines Verbindungsdrahtes
oder einer Platte signifikant verhindert werden.
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Eine
weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine
solche sehr zuverlässige
Schaltung mit Substrat leicht herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung besteht aus einer Schaltung mit Substrat,
wie in Anspruch 1 definiert, und einem Verfahren zur Herstellung
der Schaltung mit Substrat, wie in Anspruch 13 definiert. Bevorzugte
Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun detailliert unter Bezugnahme auf
die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben.
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In
der anliegenden Zeichnung bedeutet:
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1 eine
schematische Darstellung, die das Verfahren zur Herstellung einer
Schaltung-Substrat-Verbundes veranschaulicht.
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Die
vorliegende Erfindung ist im wesentlichen dadurch charakterisiert,
dass eine Al-Schaltung oder eine Al-Legierung-Schaltung (nachstehend werden
beide als Al-Schaltung bezeichnet) auf mindestens einer Seite eines
Keramiksubstrats über
eine Al und Cu umfassende Schicht ausgebildet wird. Mit anderen
Worten wird eine Al-Schaltung auf mindestens einer Seite eines Keramiksubstrats
unter Verwendung einer Al-Cu-Legierung
oder einer Al und Cu enthaltenden Mischung als Bindungsmaterial
gebunden. Die erfindungsgemäße Schaltung
mit Substrat kann eine solche Struktur aufweisen, dass eine Wärmestrahlungsplatte
auf dem Keramiksubstrat auf der Seite (Rückseite) gegenüber der
Seite, auf der die Al-Schaltung ausgebildet ist, ausgebildet wird.
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Bis
jetzt war als Bindungsmaterial für
die Al-Schaltung eine Al-Si-Legierung besonders bekannt, und einige
Untersuchungen wurden z. B. an einem Al-Si-Mg-Typ, einem Al-Ge-Typ
und einem Al-Si-Ge-Typ durchgeführt.
Es wurde jedoch kein Stand der Technik festgestellt, worin eine
Legierung vom Al-Cu-Typ als Bindungsmaterial verwendet wird. Es
wird angenommen, dass die Legierung vom Al-Cu-Typ keine Aufmerk samkeit
auf sich gezogen hat, da sie relativ hart und zerbrechlich ist,
was Anwender zu der Annahme verleitete, dass sie für eine plastische
Deformation, die eine thermische Spannung der Schaltung mit Substrat
auflöst, nicht
vorteilhaft ist.
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Vom
Standpunkt der Leichtigkeit des Bindens der Al-Schaltung ist jedoch
die Legierung vom Al-Cu-Typ im Vergleich zu einem Al-Si-Typ, einem
Al-Ge-Typ oder einem Typ, dem Magnesium zugesetzt wurde, absolut
günstiger,
weil Cu wahrscheinlich im Vergleich zu Si oder Ge gleichmäßig in Al
diffundiert, und so wahrscheinlich kein lokales Schmelzen oder Austreiben
von überflüssigem Bindungsmaterial
erfolgt, und das Binden deshalb stabil in einer relativ kurzen Zeit
durchgeführt
werden.
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Als
hochfeste Al-Legierung oder als hitzebeständige Al-Legierung wird außerdem eine
Legierung der AA-Serie
2000 weit verbreitet verwendet, und sie wird leicht zu einer Folie
geformt, was im Hinblick auf die Kosten ebenfalls vorteilhaft ist.
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In
der erfindungsgemäßen Schaltung
mit Substrat wird eine Al-Schaltung an ein Keramiksubstrat über eine
Schicht gebunden, die Al und Cu umfasst. Eine solche Schicht besteht
aus einer Schicht, die mindestens die zwei Komponenten Al und Cu
enthält,
und die ferner eine dritte Komponente enthalten kann. Als dritte
Komponente können
z. B. Mg, Zn, In, Mn, Cr, Ti oder Bi in einer Gesamtmenge von höchstens
5 Gew.-% enthalten sein. Unter ihnen ist Mg bevorzugt.
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Die
Al und Cu umfassende Schicht ist auf dem Keramiksubstrat vorzugsweise
innerhalb von 100 μm von
der Oberfläche
des Keramiksubstrats lokalisiert. Zwischen der Al-Schaltung und
der Al und Cu umfassenden Schicht kann eine dritte Schicht vorhanden
oder nicht vorhanden sein.
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Die
Al und Cu umfassende Schicht wird in einer solchen Weise ausgebildet,
dass auf einem Keramiksubstrat ein(e) Al- oder Al-Legierung-Platte,
Leitermuster oder beide mittels eines Bindungsmaterials vom Al-Cu-Typ vorgesehen
wird, gefolgt von einem Verbinden unter Erhitzen während darauf
ein Druck appliziert wird.
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Als
Bindungsmaterial wird eine Al-Cu-Legierung oder eine Mischung, die
Al und Cu enthält,
umfassend 1 bis 6 Gew.-% Cu, verwendet. Unter ihnen ist eine Al-Cu-Legierung-Folie
bevorzugt, insbesondere eine Legierungsfolie mit einer Dicke von
1/10 bis 1/50 der Dicke der Al-Schaltung. Wenn die Dicke geringer
als 1/50 ist, wird kein zufriedenstellendes Binden erhalten, und
wenn sie 1/10 übersteigt,
weist die Al-Schaltung die Tendenz auf, hart zu sein, was für den Verlauf
Hitzebeanspruchung der Schaltung mit Substrat ungünstig ist.
Die Dicke beträgt
insbesondere vorzugsweise höchstens
100 μm,
und 1/12 bis 1/40 der Dicke der Al-Schaltung. Weil üblicherweise eine Al-Schaltung
mit einer Dicke von 0,4 bis 0,6 mm verwendet wird, beträgt die Dicke
des Bindungsmaterials 10 bis 50 μm,
insbesondere ca. 15 bis ca. 30 μm.
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Das
Bindungsmaterial umfasst vorzugsweise mindestens 86 Gew.-% Al, 1
bis 6 Gew.-% Cu und höchstens
3 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 2,0 Gew.-%, aber nicht 0, Mg.
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Um
eine sehr verlässliche
Schaltung mit Substrat zu erhalten, umfasst die Legierung vom Al-Cu-Typ vorzugsweise
mindestens 86 Gew.-% Al und höchstens
3 Gew.-%, aber nicht 0, Mg. Wenn der Gehalt an Cu geringer als 1
Gew.-% ist, tendiert die Bindungstemperatur dazu, hoch und nahe
am Schmelzpunkt von Al zu sein, und wenn sie 6% übersteigt, weist Cu die Tendenz
auf, nach dem Verbinden in die Al-Schaltung zu diffundieren, was
für den
Verlauf der Hitzebeanspruchung der Schaltung mit Substrat ungünstig ist.
Der Gehalt an Kupfer beträgt
vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-%.
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Der
Gehalt an Cu in der Al und Cu umfassenden Schicht bestimmt sich
im wesentlichen durch den Gehalt an Cu in dem zum Verbinden verwendeten
Bindungsmaterial.
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Wenn
Mg zugegeben wird, werden die Eigenschaften der Al-Cu-Legierung
ausgeschöpft,
und die Adhäsion
der Al-Schaltung auf dem Keramiksubstrat wird verbessert.
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Der
Mechanismus, wie die Effekte durch die Mg-Zugabe zustande kommen,
wird im einzelnen nicht klar verstanden. Es wird jedoch angenommen,
dass Mg mit einer Oxidschicht an der Oberfläche von Al unter Bildung von
MgO reagiert und die Oxidschicht entfernt, und MgN2 an
der Oberfläche
des Keramiksubstrats ausgebildet wird, wodurch sich die Benetzbarkeit
verbessert.
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Wenn
der Gehalt an Mg 3 Gew.-% übersteigt,
verdampft Mg in großen
Mengen während
des Bindungsvorgangs, wodurch z. B. die Al-Schaltung gebrochen werden
kann, oder Mg in großen
Mengen in die Al-Schaltung
diffundiert, wodurch Al einer signifikanten Nachbehandlung unterliegen
kann. Wenn der Gehalt an Mg zu gering ist, wird die Wirkung der
Verbesserung der Adhäsion
gering, und deshalb beträgt
der Gehalt an Mg vorzugsweise 0,2 bis 2,0 Gew.-%.
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Eine
vierte Komponente, wie z. B. Zn, In, Mn, Cr, Ti, Bi, B oder Fe,
kann außerdem
in einer Gesamtmenge von höchstens
ca. 5 Gew.-% eingebaut werden. Unter Verwendung eines Bindungsmaterials,
das eine solche Zusammensetzung aufweist, wird eine Schaltung mit
Substrat stabiler und mit geringeren Kosten bereitgestellt.
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Spezifische
Beispiele (im Handel erhältliche
Legierungen) des Bindungsmaterials umfassen Al-Cu-Legierung mit einem
Cu-Gehalt von 1 bis 6 Gew.-%, 2018-Legierung, die ca. 4 Gew.-% Cu
und ca. 0,5 Gew.-% Mg enthält,
2017-Legierung, die ca. 0,5 Gew.-% Mn enthält, und JIS-Legierungen 2001,
2003, 2005, 2007, 2011, 2014, 2024, 2025, 2030, 2034, 2036, 2048,
2090, 2117, 2124, 2218, 2224, 2324 und 7050.
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Es
wird nun die Al-Schaltung erläutert.
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Als
Material für
die Al-Schaltung können
zusätzlich
zu den 1000-Serien aus reinem Al, 4000-Serien aus Legierungen vom
Al-Si-Typ, mit denen das Binden leicht durchgeführt werden kann, und 6000-Serien
aus Legierungen vom Al-Mg-Si-Typ verwendet werden. Unter ihnen ist
hochreines Al (Reinheit: mindestens 99,85 Gew.-%), das eine geringe
Durchschlagsfestigkeit aufweist, bevorzugt. Eine solche Al-Platte
ist im Handel erhältlich
als 1085- oder 1N85-Material. Außerdem können ein Al mit einer Reinheit
von 99,9 Gew.-% (3N), ein Al mit einer Reinheit von 99,99 Gew.-%
(4N) und ein Al mit einer Reinheit von 99,999 Gew.-% (5N) verwendet werden,
da sie nicht so teuer sind.
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Die
Al-Schaltung kann eine einfache Substanz oder ein Laminat, wie z.
B. ein Schichtwerkstoff aus mindestens zwei Arten, sein. Beispiele
für das
Laminat umfassen Al-Ni, Al-Ni-Cu, Al-Mo, Al-W und Al-Cu. Sie können optional
nach dem Zweck der Verwendung und der Bindungsmethode ausgewählt werden.
Bevorzugt ist es jedoch, eine Walzplatte aus Al als Einfachsubstanz
mit einer Reinheit von mindestens 99,99 Gew.-% zu verwenden, insbesondere
eine Walzenplatte mit einem Reduktionsverhältnis von mindestens 10%. Der
Grund, warum eine Al-Walzenplatte bevorzugt ist, ist es, dass ein
gleichmäßiges Walzen
wieder holt durch eine Walze durchgeführt wird, wodurch sich wahrscheinlich,
im Vergleich zur obigen Aluminium-Schmelzmethode, eine gleichmäßige plastische
Deformation ergibt.
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Die
Dicke der Al-Schaltung beträgt üblicherweise
0,3 bis 0,5 mm. Wenn sie von diesem Bereich deutlich abweicht, ist
das vorstehend bevorzugte Verhältnis
zur Dicke des Bindungsmaterials weniger wahrscheinlich zu erhalten.
Wenn die Dicke der Al-Schaltung z. B. 3 mm beträgt, ist eine Dicke einer Legierungsfolie
von 200 μm,
die 1/15 der Dicke der Al-Schaltung beträgt, nicht zweckmäßig, und
es besteht die Tendenz, dass eine harte Schicht, die für den Hitzeverlauf
ungünstig
ist, gebildet wird.
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Die
Dicke der Al-Schaltung beträgt
ferner vorzugsweise mindestens 100 μm und die Vickers-Härte beträgt vorzugsweise
mindestens 15 kgf/mm2, um die Härte der
Al-Schaltung zu optimieren, um eine relativ gleichmäßige plastische
Deformation zu erreichen, um ein Ablösen eines Verbindungsdrahts
und einer Beschichtung zu verhindern, und um Schäden, wie z. B. Lötmittelrisse,
signifikant zu verringern.
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Die
Dicke der Al-Schaltung von mindestens 100 μm ist eine notwendige Bedingung,
um einen Diffusionsabstand des Bindungsmaterials von ca. einigen
10 μm zu
erhalten, und um die Vickers-Härte
der Al-Schaltung
auf höchstens
15 kgf/mm2 zu bringen. Wenn die Vickers-Härte 15 kgf/mm2 übersteigt,
weist die plastische Deformation die Tendenz auf, nicht gleichmäßig zu sein,
wenn die Al-Schaltung einer thermischen Spannung unterworfen wird,
wodurch die partielle Deformation signifikant werden kann, und eine
Beschichtung oder ein Verbindungsdraht die Tendenz aufweist, sich
abzulösen,
oder Schäden,
wie z. B. Lötmittelrisse,
signifikant werden können.
Die untere Grenze der Vickers-Härte
ist nicht besonders beschränkt,
und je geringer sie ist, umso besser ist es. Bevorzugt beträgt sie jedoch
10 bis 14 kgf/mm2, da die Al-Schaltung beschädigt werden kann,
wenn sie zu weich ist.
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Im
Hinblick auf ein Schaltungssubstrat, das eine Al-Schaltung darauf
ausgebildet aufweist, wurden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit
Vorschläge
gemacht, wie z. B. eine Beschichtungszusammensetzung (
JP-A-8-260187 ), eine Modifizierung
der Oberfläche
des Keramiksubstrats (
JP-A-8-260186 )
und eine Teilchengrößendefinition
der Al-Platte (
JP-A-8-156330 ).
Dies sind jedoch keine zufriedenstellenden Lösungen. Erfindungsgemäß können andererseits
die Probleme leicht überwunden
werden, indem man die Dicke und die Vickers-Härte der Al-Schaltung optimiert.
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Im
Hinblick auf eine Schaltung mit Substrat, die eine solche Struktur
aufweist, dass auf der gegenüberliegenden
Seite (Rückseite)
des Keramiksubstrats eine Wärmestrahlungsplatte
ausgebildet ist, ist es bevorzugt, das Volumenverhältnis der
Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte
(Volumen der Schaltung/Volumen der Wärmestrahlungsplatte) in der
Nachbarschaft von 1 auszubilden, um Verwerfungen und Schwellungen
aufgrund einer thermischen Spannung zu minimieren, und um Schäden, wie
z. B. Lötmittelrisse
und ein Ablösen
eines Verbindungsdrahts oder einer Beschichtung ausreichend zu verhindern.
Dieses Verhältnis
beträgt
vorzugsweise 0,80 bis 1,2, insbesondere 0,85 bis 1,15 und in erster
Linie 0,90 bis 1,1. In einem solchen Fall ist die Dicke der Wärmestrahlungsplatte
vorzugsweise gleich oder geringer als die Dicke der Schaltung.
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Das
Volumen der Al-Schaltung und das Volumen der Wärmestrahlungsplatte werden
aus den Formeln (Schaltungsfläche) × (Schaltungsdicke)
bzw. (Fläche
der Wärmestrahlungsplatte) × (Dicke
der Wärmestrahlungsplatte)
berechnet.
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In
dem Fall, in dem das Volumenverhältnis
das vorstehend angegebene beträgt,
beträgt
die Vickers-Härte
der Al-Schaltung vorzugsweise höchstens
16 kgf/mm2, und die Vickers-Härte der
Wärmestrahlungsplatte
vorzugsweise 19 bis 30 kgf/mm2.
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Die
Vickers-Härte
ist die Härte
der Al-Schaltung oder der Wärmestrahlungsplatte
und verschieden von der Härte
einer Al-Platte vor dem Verbinden. Die Al-Platte wird an das Keramiksubstrat
unter Verwendung des Bindungsmaterials und durch Erhitzen bei einer
Temperatur von 500 bis 640°C
gebunden. Deshalb kann sich die Mikrostruktur aufgrund der Wärmebehandlung
verändern,
und das Bindungsmaterial kann diffundieren, um die Al-Reinheit zu
verringern. Die Hitzebehandlung kann außerdem nach dem Binden durchgeführt werden, wodurch
sich die Al-Eigenschaften ändern.
Es hat deshalb wenig Bedeutung, die Härte der Al-Platte vor dem Binden genau zu definieren.
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Die
Vickers-Härte
wird nach einer Methode bestimmt, bei der ein feiner Eindruck ausgebildet
wird, während
darauf eine Last appliziert wird, um die Härte zu messen, und wird als
Methode zur Messung der Härte
von Metallen und Keramiken weit verbreitet verwendet. Abhängig von
den Messbedingungen können
leicht unterschiedliche Werte erhalten werden. In der vorliegenden
Erfindung wird die Messung deshalb bei der Belastung von 1 kgf während einer
Haltezeit von 15 Sekunden durchgeführt.
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Es
wird nun das Keramiksubstrat erläutert.
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Im
Hinblick darauf, dass es für
Netzeinschübe
verwendet wird, die eine hohe Verlässlichkeit erfordern, wird
als Material für
das Keramiksubstrat zweckmäßigerweise
Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid mit einer thermischen Leitfähigkeit
von mindestens 70 W/mK verwendet. Siliciumcarbid, Berylliumoxid
oder dergleichen können
verwendet werden, sie weisen jedoch schlechte Isoliereigenschaften
und Sicherheit auf.
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Das
für die
vorliegende Erfindung geeignete Keramiksubstrat ist ein Aluminiumnitrid-Substrat
mit einer thermischen Leitfähigkeit
von mindestens 130 W/mK, und mit einem Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis an
der Oberfläche
mittels Cu/Kα-Strahlen,
dass 2 ≤ Y2O3·Al2O3 × 100/MN ≤ 17 und 2Y2O3·Al2O3 × 100/AIN ≤ 2 sind. Unter
Verwendung dieses Aluminiumnitrid-Substrats steigt die Bindungsfestigkeit
durch das vorstehende Bindungsmaterial vom Al-Cu-Typ, und außerdem wird
eine sehr zuverlässige
Schaltung mit Substrat erhalten.
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Ein
solches Aluminiumnitrid-Substrat kann ausgebildet werden durch Verwendung
(a) eines Aluminiumnitrid-Pulvermaterials, das 1 bis 10 Gew.-% grobe
Teilchen mit Größen von
nicht geringer als 100 μm
und 10 bis 50 Gew.-% feine Teilchen mit Größen von nicht mehr als 1 μm aufweist,
gemessen mittels Laserbeugungsstreuung, und durch Optimieren von
z. B. (b) des Zusammensetzungsverhältnisses von Al2O3-Gehalt und Y2O3-Gehalt im Aluminiumnitrid-Pulvermaterial,
(c) der Menge des nach dem Entfernen eines Bindemittels vor dem
Sintern erhöhten
Sauerstoffs und (d) der Sintertemperatur.
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In
dem Fall, in dem der 2Y2O3·Al2O3-Gehalt hoch ist,
muss der Al2O3-Gehalt
z. B. relativ erhöht
werden, und deshalb wird ein Aluminiumnitrid-Pulvermaterial mit
einem hohen Sauerstoffgehalt verwendet, oder ein Al2O3 zugegeben, um den Y2O3-Gehalt zu verringern. In dem Fall, in dem
der Y2O3·Al2O3-Gehalt hoch ist,
wird andererseits die zugegebene Menge von Y2O3 verringert oder die Sintertemperatur erniedrigt.
Der Al2O3-Gehalt
kann ferner erhöht
werden, indem man eine Entfernung eines Bindemittels an der Luft
durchführt.
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Als
Sinterhilfsmittel wird ein Pulver aus z. B. Yttriumoxid, Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid oder einem Seltenerdmetalloxid im Aluminiumnitrid-Pulvermaterial
in einer Menge von ca. 0,5 bis ca. 10 Gew.-%, bezogen auf das Pulvermaterial,
eingebaut. Das Ausformen wird unter Verwendung eines organischen
Bindemittels, wie z. B. Butyral oder Methylcellulose, durchgeführt, und
nach Entfernen des Bindemittels wird das Sintern durchgeführt, indem
man das geformte Produkt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre von z.
B. Stickstoff oder Argon bei einer Temperatur von 1700 bis 1900°C 1 bis 12
Stunden hält.
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Die
Dicke des Keramiksubstrats beträgt üblicherweise
0,635 mm, kann aber gemäß den geforderten Eigenschaften
verändert
werden. In einem Fall, in dem die Hitzebeständigkeit wichtig ist und die
Isoliereigenschaften bei hoher Spannung nicht so wichtig sind, kann
z. B. ein dünnes
Substrat von 0,5 bis 0,3 mm verwendet werden. Andererseits kann
in einem Fall, in dem die Isolierdruckwiderstände bei hoher Spannung oder
partielle Entladungseigenschaften wichtig sind, ein dickes Substrat
von 1 bis 3 mm verwendet werden. Nun wird das Verfahren zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Schaltung
mit Substrat erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
mit Substrat wird ausgebildet z. B. nach einem Verfahren des Bindens
einer Al-Platte oder einer Al-Legierungsplatte an ein Keramiksubstrat
unter Verwendung des vorstehenden Bindungsmaterials vom Al-Cu-Typ
unter Erhitzen, gefolgt von Ätzen,
oder einem Verfahren des Bindens eines in einer Al-Platte oder in
einer Al-Legierungsplatte ausgestanzten Leitungsmusters an ein Keramiksubstrat
unter Verwendung des obigen Bindungsmaterials vom Al-Cu-Typ.
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In
jedem Fall liegt die Bindungstemperatur im Bereich von 540 bis 640°C. Der geeignete
Bereich ist jedoch abhängig
von der Zusammensetzung des Bindungsmaterials verschieden. In einem
Fall, in dem eine Komponente mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt,
wie z. B. Zn oder In, eingebaut ist, oder der Gehalt von z. B. Cu
oder Mg relativ hoch ist, wird das Binden zufriedenstellend bei
einer Temperatur von höchstens
600°C durchgeführt. Wenn
die Bindungstemperatur 640°C übersteigt,
können
andererseits wahrscheinlich Lötdefekte (auf
der Al-Schaltung ausgebildetes Mottenfraß-Phänomen) resultieren. Ferner
ist es bevorzugt, einen Druck von 1 bis 100 kgf/cm2 in
einer Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat während des Verbindens zu applizieren.
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Bei
der üblichen
Herstellung der Schaltung mit Substrat wird, wenn die Metallplatte
an das Keramiksubstrat gebunden wird, darauf ein Druck appliziert,
indem man ein Gewicht darauf stellt. Der Druck beträgt jedoch
höchstens
ca. 0,1 kgf/cm2, und mit einem Druck dieses
Niveaus folgt die Metallplatte nur relativ geringen Verwindungen
und Wellungen. Andererseits wird erfindungsgemäß ein hoher Druck von 1 bis
100 kgf/cm2 (1 kgf/cm2 =
98070 Pa), was im Stand der Technik äußerst hoch ist, appliziert.
Deshalb wird ein Standard-Keramiksubstrat
direkt ohne Erfordernis einer strikten Glätte und Flachheit verwendet,
wodurch sich die Produktivität
verbessert. Da das Keramiksubstrat eine hohe Druckfestigkeit aufweist,
wird es durch den Druck bei diesem Niveau kaum beschädigt. Da
ein Keramiksubstrat üblicherweise
jedoch einige Verwerfungen und Wellungen aufweist, besteht das Risiko,
dass, wenn ein Druck, der 50 kgf/cm2, und
insbesondere ein Druck, der 100 kgf/cm2, übersteigt,
daran appliziert wird, eine Spaltung auftritt, und deshalb muss
das Verfahren sorgfältig ausgeführt werden.
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Al
oder eine Al-Legierung selbst ist bei einer Temperatur von mindestens
500°C ein
sehr weiches Material, wie dies aus der Tatsache ersichtlich ist,
dass es bei einer Temperatur von 300 bis 350°C getempert wird. Selbst wenn
beim Verbinden Lötdefekte
ausgebildet werden, werden sie deshalb durch Applizieren eines Drucks
von 1 bis 100 kgf/cm2 zerdrückt und
verschwinden. Wenn es wichtig ist, die Lötdefekte zu minimieren, wird
deshalb das verbundene Produkt bei einer Temperatur von mindestens
400°C wieder
erhitzt, während darauf
nach dem Verbinden ein Druck appliziert wird, oder ein Druck wird
darauf bei einer Temperatur von mindestens 400°C in einer Kühlstufe nach dem Verbinden
appliziert.
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Der
Druck wird in einer Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat appliziert,
und die Methode oder dergleichen ist nicht besonders beschränkt. Eine
Methode des darauf Stellens eines Gewichts oder eine Methode einer
mechanischen sandwichartigen Anbringung des Substrats unter Verwendung
einer Einspannvorrichtung kann z. B. verwendet werden.
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Das
Bindematerial ist eine Legierung vom Al-Cu-Typ oder eine Mischung,
die Al und Cu enthält,
mit 1 bis 6 Gew.-% Kupfer, vorzugsweise eine Al-Cu-Legierung-Folie
und insbesondere eine Al-Cu-Mg-Legierung-Folie, die mindestens 86 Gew.-% Al umfasst,
und mit höchstens
3 Gew.-% (insbesondere 0,2 bis 2,0 Gew.-%), aber nicht mit 0, Mg.
Außerdem
kann eine Paste, die ein Pulver dieser Legierung oder eine Metallpulvermischung,
die diese Legierungszusammensetzung aufweist, und ein organisches
Bindemittel und ein Lösungsmittel
umfasst, verwendet werden. In diesem Fall muss das Verfahren sorgfältig durchgeführt werden, damit
das Metall nicht oxidiert wird, und die Menge an Sauerstoff im Metallpulver
wird auf höchstens
1 Gew.-%, insbesondere höchstens
0,8 Gew.-%, eingestellt. Um das vorstehend erwähnte Verhältnis in der Dicke zur Al-Schaltung
aufrechtzuerhalten, wird die Dicke des Bindungsmaterials als Dicke
der Legierungsfolie kalkuliert. Eine Dicke von 100 μm einer Pastenschicht
mit einer Rohdichte von 50% entspricht nämlich einer Dicke von 50 μm einer Legierungsfolie.
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Das
Bindungsmaterial kann entweder auf dem Keramiksubstrat oder an der
Metallplatte oder dem Leitermuster vorgesehen werden. Die Metallplatte
oder das Leitermuster können
außerdem
vorher mit der Legierungsfolie beschichtet werden.
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Dann
wird das verbundene Produkt, wie erforderlich, geätzt. Wenn
ein Muster einer Schaltung oder eine Wärmestrahlungsplatte gebunden
wird, ist das Ätzen
nicht besonders erforderlich. Das Ätzen kann nach einem üblichen
Resist-Ätzverfahren
durchgeführt
werden. Wie erforderlich, kann außerdem eine Oberflächenbehandlung,
wie z. B. ein Beschichten, durchgeführt werden.
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Die
bevorzugten Bedingungen für
das Verbinden sind in der vorliegenden Erfindung solche, dass eine Al-Cu-Legierung-Folie
mit einer Dicke von 15 bis 35 μm
als Bindungsmaterial verwendet wird, ein Druck von 8 bis 50 kgf/cm2 appliziert wird, die Bindungstemperatur
mindestens 590°C
beträgt,
und die Haltezeit mindestens 20 Minuten unter diesem Druck bei dieser
Bindungstemperatur beträgt,
wodurch eine Vickers-Härte
der Al-Schaltung mit höchstens
16 kgf/cm2 leicht hergestellt werden kann.
Insbesondere wird die Haltezeit bei einer Temperatur von 595 bis
635°C während 20
bis 90 Minuten durchgeführt.
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Der
Mechanismus, wie die Vickers-Härte
sich die in der vorliegenden Erfindung verringert, wird im einzelnen
nicht klar verstanden. Es wird angenommen, dass, da das Binden in
der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer konventionellen
Tempertemperatur von 300 bis 350°C
bei einer äußerst hohen
Temperatur durchgeführt
wird, Al in einem sehr weichen Zustand vorliegt, wodurch der Druck
wahrscheinlich gleichmäßig übertragen
wird, und so ein Teilchenwachstum unterdrückt wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun näher
unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Es ist jedoch darauf
hinzuweisen, dass die Erfindung keinesfalls auf solche spezifischen
Beispiele beschränkt
ist.
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BEISPIELE 1 bis 6 und VERGLEICHSBEISPIELE
1 bis 3
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Als
Aluminiumnitrid-Substrat wurde direkt ein gesintertes ohne Nachbehandlung,
wie z. B. Oberflächenpolieren
oder Nachbehandeln von Verwerfungen, verwendet, das eine Dicke von
0,635 mm, eine Größe von 2
Inch2, eine thermische Leitfähigkeit
von 170 W/mK und eine Biegefestigkeit von 400 MPa aufwies. Als Al-Platte zum Ausbilden
einer Al-Schaltung wurde JIS1090 (Dicke: 0,5 mm, Al-Reinheit: 99,9
Gew.-%) verwendet.
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Zunächst wurden
die Al-Platten auf die Vorderseite und die Rückseite des Aluminiumnitrid-Substrats mittels
eines Bindungsmaterials aufgelegt, und die resultierende Anordnung
wurde zwischen C-C-Verbundplatten
(Dicke: 2 mm) sandwichartig angebracht und bei einer Temperatur
von 550 bis 620°C
unter Vakuum oder in N2 unter Applikation
eines gleichmäßigen Druckes
in Richtung senkrecht zum Keramiksubstrat mittels einer Heißpressvorrichtung
erhitzt.
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Als
Bindematerial wurde (a) eine Al-9,6-Gew.-%-Si-1Gew.-%-Mg-Legierungsfolie,
(b) eine Al-15 Gew.-%-Ge-Legierungsfolie,
(c) eine Al-4,1 Gew.%-Cu-0,5 Gew.-%-Mn-Legierungsfolie, (d) eine
Al-2,8 Gew.-%-Cu-Legierungsfolie
und (e) eine Paste, die ein durch Zerstäuben der obigen Legierungsfolie
(c) in Stickstoff auf eine mittlere Teilchengröße von 10 μm und ein organisches Bindemittel
(PIBMA) und ein Lösungsmittel
(Terpineol) umfasst, verwendet.
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In
jedem Beispiel wurden 100 verbundene Produkte hergestellt, und die
Bindungsfehler und Lötdefekte
wurden unter dreifacher Vergrößerung unter
Verwendung von weicher Röntgenstrahlung
untersucht. Die untere Grenze der Bestimmung betrug ca. 0,3 mm im
Durchmesser. Außerdem
wurden 10 Produkte in jedem Beispiel ausgewählt, und ein Ätzen mit
einer FeCl3-Flüssigkeit innerhalb von 2 mm
von der Peripherie von jeder Al-Platte an jedem Produkt durchgeführt, ein
stromloses Ni-P-Plattieren daran mit einer Dicke von 3 μm auf jeder
Seite durchgeführt,
und dann wurden zwei Siliciumchips von 12,5 mm2 auf
dem Mittelteil auf der Frontseite mittels eines eutektischen Lötmittels
aufgelötet,
und die gegenüberliegende
Seite wurde auf eine Al/SiC-Wärmesenke
aufgelötet.
Die Lötmitteldicke
betrug an jeder Seite 150 μm.
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Dann
wurde ein Hitzeverlaufstest für
3000 und 5000 Zyklen durchgeführt,
wobei jeder Zyklus aus 30 Minuten bei –40°C, 10 Minuten bei Raumtemperatur,
30 Minuten bei 125°C
und 10 Minuten bei Raumtemperatur bestand, und Fehler im Aussehen,
wie z. B. Blasen und Ablösungen,
wurden überprüft, und
die Gegenwart oder Abwesenheit von Lötrissen wurde untersucht, indem
man Querschnitte von drei Schaltungen mit Substrat beobachtete.
Dann wurde der Schaltungsteil von jeder von sieben Schaltungen mit
Substrat gelöst, um
die Gegenwart oder Abwesenheit von Rissen durch Tintentestmethode
(rote Prüfung)
festzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
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BEISPIEL 7 und VERGLEICHSBEISPIEL 4
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Auf
gleiche Weise wie in Beispiel 2 oder Vergleichsbeispiel 2 wurden
Schaltungen mit Substrat hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein
Siliciumnitrid-Substrat (Dicke: 0,635 mm, Größe: 2 Inch2,
thermische Leitfä higkeit:
70 W/mK, Biegefestigkeit: 800 MPa) anstelle des Aluminiumnitrid-Substrats
verwendet wurde. Die erhaltenen Schaltungen mit Substrat wurden
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind
in Tabelle 1 angegeben.
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Aus
Tabelle 1 ist es ersichtlich, dass in den erfindungsgemäßen Beispielen
1 bis 7 der Verbindungszustand hervorragend war, und Schaltungen
mit Substrat sogar in N2 stabil hergestellt
wurden, während
in den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 viele Fehler auftraten, und
die Produktivität
schlecht war. Überraschenderweise waren
ferner die Eigenschaften in den erfindungsgemäßen Beispielen gleich zu denen
der Vergleichsbeispiele.
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Die
in den Vergleichsbeispielen verwendeten Legierungsfolien (a) und
(b) wiesen außerdem
eine wie in
JP-A-3-125463 beschriebene
Zusammensetzung auf, waren aber kundenspezifisch hergestellt und
nicht als Legierungsfolien im Handel, und deshalb schwer erhältlich.
Die in den Beispielen verwendete Legierungsfolie (c) ist andererseits
ein im Handel erhältliches
Produkt, hergestellt durch Formen von 2017-Legierung zu einer Folie,
und ist leicht mit geringen Kosten erhältlich.
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BEISPIELE 8 bis 12
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Al-Platten
(Reinheit: mindestens 99,99 Gew.-%, Dicke: in Tabelle 2 angegeben)
wurden auf die Vorder- und
Rückseite
eines Aluminiumnitrid-Substrats (Dicke: 0,635 mm, Größe 2 Inch2, thermische Leitfähigkeit: 175 W/mK, Dreipunkt-Biegefestigkeit:
420 MPa) mittels eines Bindungsmaterials aufgelegt, und darauf in
einer Richtung senkrecht zum Aluminiumnitrid-Substrat unter Verwendung
einer Einspannvorrichtung, worin Kohleplatten auf das Substrat geschraubt
und gepresst wurden, ein Druck appliziert. Die Bindungsbedingungen
sind in Tabelle 2 angegeben. Als Bindungsmaterial wurde verwendet
(f) eine Al-3,9-Gew.-%-Cu-Legierungsfolie oder
(g) eine auf solche Weise erhaltene Paste, bei der die Aluminiumfolie
(f) in N2 auf eine mittlere Teilchengröße von 9 μm zerstäubt wurde,
die erhaltenen Teilchen mit Größen von
45 μm oder
weniger gesammelt wurden, und ein organisches Bindemittel und ein
Lösungsmittel
dazugegeben wurden, um eine Paste zu erhalten.
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Nach
dem Binden wurden durch Siebdruck Ätz-Resists aufgedruckt, gefolgt
von einem Ätzen
mittels einer FeCl3-Flüssigkeit. Muster für eine Al-Schaltung
und eine Wärmestrahlungsplatte
waren Quadrate (Ecken R: 2 mm), die auf dem Mittelteil des Keramiksubstrats
ausgebildet wurden. Ihre Größen wurden
verschieden geändert,
um das Volumenverhältnis
der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte
wie in Tabelle 2 angegeben einzustellen. Dann wurden die Resists
abgenommen und ein stromloses Ni-P-Plattieren in einer Dicke von
3 μm auf
jeder Seite appliziert, und eine Schaltung mit Substrat erhalten.
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Die
Vickers-Härte
der erhaltenen Schaltung mit Substrat wurde gemessen. Dann wurde
ein Al-Draht von 300 μm
mittels Ultraschallwellen daran gebunden, und ein Si-Chip von 13
mm2 wurde auf den Mittelteil angelötet. Dann
wurden solche Proben hergestellt und einem Hitzezyklustest auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 unterworfen. Nach dem Test wurde
die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Ablösens des Bindungsdrahts oder
Schädigungen,
wie z. B. Lötrisse,
untersucht, und dann wurden die Schaltungen und die Wärmestrahlungsplatten
mit Chlorwasserstoffsäure
gelöst,
um die Gegenwart oder Abwesenheit von Rissen auf den Aluminiumnitrid-Substraten
festzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
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Aus
den Tabellen 2 und 3 ist es ersichtlich, dass der Bindungsdraht
und die Beschichtung sogar nach einem Hitzezyklustest für 5000 Zyklen
nicht beschädigt
waren, und die Risse im Lötmittel
und dem Aluminiumnitrid-Substrat minimiert werden konnten, indem
man die Dicke der Al-Schaltung mindestens 100 μm und die Vickers-Härte höchstens
15 kgf/mm2 machte. Wie aus einem Vergleich
zwischen den Beispielen 8, 10 und 11 und den Vergleichsbeispielen
9 und 12 ersichtlich ist, wurden die vorstehenden Effekte insbesondere
signifikant, wenn die Dicke der Al-Schaltung 150 bis 300 μm betrug,
und das Volumenverhältnis
der Al-Schaltung
zur Wärmestrahlungsplatte
(Schaltungsvolumen/Wärmestrahlungsplatten-Volumen)
0,80 bis 1,2 betrug.
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BEISPIELE 13 bis 18
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Unter
Verwendung des in Beispiel 1 verwendeten Aluminiumnitrid-Substrats
wurden Schaltungen mit Substrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel
1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Al-Platte (im Handel erhältliches
Produkt), das Bindungsmaterial und die Bindungsbedingungen die in
Tabelle 4 angegebenen waren, und die Bewertungen wurden auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle
5 angegeben.
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Aus
einem Vergleich zwischen Tabelle 1 und Tabellen 4 und 5 ist es ersichtlich,
dass bei Verwendung eines Bindungsmaterials, das mindestens 86 Gew.-%
Al, 1 bis 6 Gew.-% Cu und höchstens
3 Gew.-% (aber nicht 0) Mg umfasst, Schaltungen mit Substrat hergestellt
werden konnten, die einen hervorragenden Bindungszustand, ohne z.
B. Lunker, aufweisen, die im wesentlichen keine Lötmittelrisse
und Risse am Aluminiumnitrid-Substrat sogar nach einem Hitzezyklustest
für 5000
Zyklen aufwiesen, und im Hinblick auf den Hitzeverlauf eine hohe
Dauerhaftigkeit aufwiesen.
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Wie
aus einem Vergleich zwischen den Beispielen 13 und 18 und den Beispielen
14 bis 17 ersichtlich, weist die Zahl der Fehler aufgrund von Substratrissen
sogar nach dem Hitzezyklustest für
5000 Zyklen bei einem Ansteigen der Al-Platten-Reinheit eine abnehmende
Tendenz auf. Wie dies aus einem Vergleich zwischen Beispiel 14 und
Beispiel 15 ersichtlich ist, wurde der obige Effekt insbesondere
signifikant, wenn eine Walzen-Al-Platte mit einer Reinheit von mindestens
99,99 Gew.-% verwendet wurde.
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Der
Grund, warum der beste Effekt in Beispiel 15 erhalten wurde, ist
der, dass die Dicke des Bindungsmaterials optimiert war. Aus einem
Vergleich zwischen Beispiel 16 und Beispiel 17 war in Beispiel 17
das Bindematerial dick, was für
eine Vorbeugung von Substratrissen ungünstig ist, die Al-Platten-Reinheit
war jedoch hoch, wodurch die Zahl der Substratrisse kleiner war
als in Beispiel 16.
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BEISPIELE 19 bis 21
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Herstellung eines Aluminiumnitrid-Substrats
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Y2O3 wurde mit einem
im Handeln erhältlichen
Aluminiumnitrid-Pulver in einem wie in Tabelle 6 angegebenen Anteil
gemischt, ein organisches Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel
wurden dazugegeben, gefolgt von einem Kneten, die Mischung wurde
mittels einer Walzenverformungsvorrichtung in ein Blatt geformt.
Das Blatt wurde geschnitten, ein Trennmaterial (BN-Pulver) darauf
beschichtet, die geschnittenen Blätter wurden an einander laminiert,
das Bindemittel wurde bei 450°C
unter einem verringerten Druck von ca. 1 Pa entfernt, und außerdem wurde
an der Luft eine Decarbonisierung durchgeführt. Jede Probe wurde unter den
in Tabelle 6 angegebenen Bedingungen in N2-Atmosphäre erhitzt
und ein Aluminiumnitrid-Substrat 4 mit einer Größe von 40
mm × 40
mm und einer Dicke von 0,635 mm erhalten. Vom erhaltenen Aluminiumnitrid-Substrat
wurde das Intensitätspeak-Verhältnis an
der Oberfläche
mittels Röntgenbeugung
gemessen, und die thermische Leitfähigkeit wurde mittels Laserblitzlichtmethode
erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben.
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Herstellung eines Schaltung-Substrat-Verbundkörpers
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Eine
Wärmesenke 6 (im
Handel erhältlicher
Al/SiC-Verbundkörper
mit einer Größe von 50
mm × 500 mm
und einer Dicke von 3 mm) und eine Al-Schaltung 2 (aus
einem handelsüblich
erhältlichen
Al-Material (Reinheit: mindestens 99,99 Gew.-%) ausgestanztes Schaltungsmuster)
wurden auf jede Seite des erhaltenen Aluminiumnitrid-Substrats mittels
eines Bindungsmaterials 3, 5, wie in Tabelle 7
angegeben und wie in 1 veranschaulicht, laminiert.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen
Kohlenstoff-Abstandhalter. Das erhaltene Laminat wurde zum Binden
in einem Ofen erhitzt, während
in Richtung senkrecht zum Aluminiumnitrid-Substrat mittels eines
Kohlenstoff-Stoßstabes
unter Verwendung einer hydraulischen monoaxialen Druckvorrichtung
von der Außenseite
des Ofens ein Druck appliziert wurde. Das Binden wurde unter einem
Vakuum von 4 × 10–3 Pa
(diskontinuierlich arbeitender Ofen) oder in N2-Gas
(kontinuierlich arbeitender Ofen) unter den in Tabelle 8 angegebenen
Bedingungen durchgeführt.
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Vom
erhaltenen Schaltung-Substrat-Verbund wurde der Bindungszustand
mittels eines Ultraschall-Fehlerdetektors
(SAT) festgestellt, und ein solcher, in dem ein nicht gebundener
Anteil mit einem Durchmesser von 1 mm oder größer oder eine nicht gebundene
Anteilsfläche
von mindestens 1% gefunden wurde, wurde als Bindungsfehler bewertet.
Dann wurde jede Probe einem Hitzezyklustest für 3.000 und 5.000 Zyklen unterworfen,
wobei jeder Zyklus 30 Minuten bei –40°C, 10 Minuten bei Raumtemperatur,
30 Minuten bei 125°C und
10 Minuten bei Raumtemperatur umfasste, wonach das Aussehen festgestellt
wurde, um die Gegenwart oder Abwesenheit von Rissen zu bestätigen, und
dann wurde der Bindungszustand mittels SAT geprüft. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 9 angegeben.
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Aus
den Tabellen 6 bis 9 ist es ersichtlich, dass unter Verwendung des
Aluminiumnitrid-Substrats mit einer thermischen Leitfähigkeit
von mindestens 130 W/mK und einem solchen Röntgenbeugungs-Peakintensitätsverhältnis auf
der Substratoberfläche,
dass 2 ≤ Y2O3·Al2O3 × 100/AIN ≤ 17 und 2Y2O3·Al2O3 × 100/AIN ≤ 2 ist, wurden
Schaltung-Substrat-Verbundkörper
erhalten, die einen hervorragenden Bindungszustand zeigen und sogar
nach dem Hitzezyklustest für
5.000 Zyklen wenige Risse aufweisen. Insbesondere in den Beispielen 19
und 21 konnten Schaltung-Substrat-Verbundkörper hergestellt werden, die
sogar unter Verwendung des vereinfachten kontinuierlichen Ofens
nur wenige Bindungsfehler aufwiesen.
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BEISPIELE 22 bis 25
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Eine
Al-Platte für
eine Al-Schaltung und eine Al-Platte für eine Wärmestrahlungsplatte wurden
auf der Vorder- bzw. Rückseite
des in Beispiel 8 verwendeten Aluminiumnitrid-Substrats mittels
eines wie in Tabelle 10 angegebenen Bindungsmaterials aufgelegt,
und das Binden wurde unter den in Tabelle 11 angegebenen Bindungsbedingungen
durchgeführt.
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Nach
dem Binden wurden mittels Siebdruck Ätz-Resists aufgedruckt, gefolgt
von einem Ätzen
mittels einer FeCl3-Flüssigkeit. Muster für eine Al-Schaltung
und eine Wärmestrahlungsplatte
waren Quadrate (Ecke R: 2 mm), die auf dem Mittelteil des Keramiksubstrats
ausgebildet wurden. Ihre Größen wurden
variierend verändert,
um das Volumenverhältnis
der Al-Schaltung zu dem der Wärmestrahlungsplatte
wie in Tabelle 10 angegeben einzustellen. Dann wurden die Resists
abgelöst,
und eine stromlose Ni-P-Plattierung wurde in einer Dicke von 3 μm auf jeder
Seite appliziert, und eine Schaltung mit Substrat erhalten.
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Unter
Verwendung einiger der erhaltenen Schaltungen mit Substrat wurde
die Al-Schaltung und die Wärmestrahlungsplatte
abgelöst,
um ihre Vickers-Härten
zu messen. Außerdem
wurde ein Si-Chip von 13 mm2 auf den Mittelteil
von jeder einiger Schaltungen mit Substrat aufgelötet, und
ein Hitzezyklustest wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel
19 durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 12 angegeben.
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Aus
einem Vergleich zwischen den Beispielen 22 bis 24 und Beispiel 25
ist es ersichtlich, dass im Hinblick auf die Schaltungen mit Substrat,
die ein Volumenverhältnis
der Al-Schaltung zur Wärmestrahlungsplatte von
0,80 bis 1,2 aufweisen, durch Erzeugen einer Vickers-Härte der
Al-Schaltung von höchstens
16 kgf/mm2 und der Vickers-Härte der
Wärmestrahlungsplatte
von 19 bis 30 kgf/mm2, die Lötmittelrisse
und die Substratrisse sogar nach 5.000 Zyklen signifikant unterdrückt werden
konnten.
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In
den Beispielen 13 bis 25 wurde der Cu-Gehalt in der Al und Cu umfassenden
Schicht in jeder gebundenen Schicht durch Quantifizierung des Peakverhältnisses
in der Elementaranalyse durch Querschnittsbeobachtung als mit 1
bis 6 Gew.-% bestätigt.
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Nach
der vorliegenden Erfindung kann eine sehr zuverlässige Schaltung mit Substrat
stabil und mit niedrigen Kosten bereitgestellt werden, die für Netzeinschübe geeignet
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann außerdem
eine sehr zuverlässige
Schaltung mit Substrat mit wenigen Lötmittelrissen und Rissen am
Keramiksubstrat bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß kann ferner
ein sehr zuverlässiger
Schaltung-Substrat-Verbund (Schaltung mit Substrat mit Wärmesenke)
bereitgestellt werden, der ein geringes Gewicht und hervorragende
Wärmestrahlungseigenschaften
aufweist.