DE69708362T2

DE69708362T2 - Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Verbundmaterial mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizient und hoher Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE69708362T2
Application number: DE69708362T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Fukui; Shigeyuki Hamayoshi; Masahiko Ohshima; Kenichiro Shimizu
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: EP0798393B1; EP0798393A3; US6077327A; DE69708362D1; EP0798393A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumverbundmaterials mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Das erhaltene Aluminiumverbundmaterial eignet sich als Wärmeableitungsplatte oder dergl. zur Verwendung in einem Halbleiterbauelement.

Stand der Technik

In letzter Zeit hat sich auf dem Halbleitergebiet das Leistungsvermögen von Transistoren wesentlich erhöht. Es wurden Konzeptionen mit hochgradiger Integration, hoher Geschwindigkeit und hohem Leistungsvermögen entwickelt, so dass sich das Verhalten von Halbleiterbauelementen deutlich verbessert hat. Dabei ist nunmehr von Bedeutung, die in den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärmeenergie so wirksam wie möglich zu einer Wärmeableitplatte abzuleiten. Als Materialien für herkömmliche Wärmeableitplatten für Halbleiterbauelemente wurden Kupfer (Cu) für Substrate (oder Grundplatten), Molybdän (Mo) für Substrate großer Abmessungen, Kunststoffmaterialien oder Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) für Packungen und Aluminiumnitrid (AlN) für Packungen hoher Kapazität verwendet.
Bei herkömmlichen Materialien für Wärmeableitplatten zeigt Kupfer, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 390 W/(m·K) bei normaler oder üblicher Temperatur aufweist, hervorragende Wärmestrahlungseigenschaften. Es besteht jedoch ein starker Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Kupfer und Silicium (Si), das als Halbleitermaterial zur Bildung eines Transistors und eines LSI-Chips verwendet wird (Silicium weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,2 · 10&supmin;&sup6;/K auf, während der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer 17 · 10&supmin;&sup6;/K beträgt). Daher besteht die Schwierigkeit, dass eine Lötmittel-Bindungsoberfläche von Pb-Sn oder dergl., die zwischen der Wärmeableitplatte und dem Halbleiterbauelement gebildet wird, durch thermische Spannungen, die beim Betrieb des betroffenen Schaltkreises wiederholt auftreten, getrennt wird. Im Gegensatz dazu weist Molybdän einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5,1 · 10&supmin;&sup6;/K auf, der nahe beim Wert des Halbleiterbauelements liegt, so dass dadurch eine hervorragende Zuverlässigkeit an der Lötmittelbindungsfläche gegeben ist. Es tritt jedoch eine weitere Schwierigkeit insofern auf, als Molybdän keine angemessenen Wärmestrahlungseigenschaften besitzt, da es eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 150 W/(m·K) aufweist. AlN erweist sich als wohl ausgewogenes Keramikmaterial, da es eine Wärmeleitfähigkeit von 170 W/(m·K) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4, 5 · 10&supmin;&sup6;/K aufweist. Jedoch tritt bei AlN die weitere Schwierigkeit auf, dass es teuer ist und sich somit unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als nachteilig erweist. Ferner besteht jedes dieser herkömmlichen Materialien aus einem einzigen Material, so dass es schwierig ist, eine beliebige Steuerung dieser beiden Eigenschaften, (nämlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit) zu erreichen.
Andererseits beschreibt JP-B-7-26174 ein Material für elektronische Hilfsbauelemente zur Verwendung als neuartiges Material für Wärmeableitplatten für Halbleiter, wobei das Material aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und grün gefärbtem Siliciumcarbid zusammengesetzt ist. JP-A-1-83634 beschreibt ein Aluminiumverbundmaterial mit geringer Wärmeausdehnung und starker Wärmestrahlung, das aus mindestens einem Bestandteil aus der Gruppe Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Bornitrid und Graphit sowie aus Aluminium besteht. Jedoch weisen diese Materialien für Wärmeableitplatten keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise besitzt das Aluminiumverbundmaterial (in 3P-A- 64--83634 beschrieben), das 60 Vol.-%.Siliciumcarbid enthält, eine Wärmeleitfähigkeit von 119 W/(m·K) (vergleiche Tabelle 3) Daher besitzt es keine ausreichenden Wärmstrahlungseigenschaften. Ein Verbundmaterial (in JP-B-7- 26174 beschrieben), das 50 Vol.-% grün gefärbtes Siliciumcarbid enthält, weist eine Wärmeleitfähigkeit von 170 W/(m·K) auf (vergleiche Tabelle 1). Wenn es erwünscht ist, eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 150 W/(m·K) zu erreichen, ist es nicht möglich, den Gehalt an Siliciumcarbid auf über 60 Vol.-% zu erhöhen. Bei herkömmlichen Materialien für Ableitplatten bestehen nämlich für die Wahl des Gehalts an Siliciumcarbid enge Grenzen. Es reicht somit nicht aus, eine Anpassung an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Halbleitermaterialen vorzunehmen.
Es gibt ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumverbundmaterials mit einem Gehalt an Siliciumcarbid, wobei bei dem Verfahren eine poröse Vorform von Siliciumcarbid unter Druck einer Zwangsimprägnierung mit geschmolzenem Aluminium unterzogen wird. Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch große Abmessungen der Apparatur und somit hohe Herstellungskosten, wobei die Produktivität auf Grund der Notwendigkeit eines Steigers gering ist und ein hoher Zeit- und Arbeitsaufwand erforderlich ist, um eine Leckage des geschmolzenen Materials zu verhindern. Insbesondere ist es bei der Herstellung von Produkten mit geringen Abmessungen schwierig, eine netzförmige Verdichtung herbeizuführen. Daher kommt es leicht dazu, dass sich in der Vorform aufgrund der Anwendung eines hohen Drucks Risse bilden.
D. J. Lloyd, "Particle reinforced aluminum and magnesium matrix composites", International Materials Reviews, Bd. 39, Nr.. 1, (1994), S. 1-23 beschreibt die Herstellung eines Al/SiC-Verbundstoffes durch Pulvermetallurgie, wobei SiC- und Al--Pulver vermischt werden, unter Druck zu einem rohen Pressteil (green compact) verdichtet werden, das rohe Pressteil in eine Form gegeben und erwärmt und. gepresst wird. Diese Druckschrift beschreibt die Möglichkeit der Durchführung der Verdichtungsstufe bei einer Temperatur, die nicht unter dem Schmelzpunkt von Al liegt, d. h. die Durchführung einer Sinterung in flüssiger Phase. Jedoch beschreibt diese Druckschrift keinen einfachen Weg zur Bildung einer Plattierung auf der Oberfläche des Verbundmaterials.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Schwierigkeiten besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumverbundmaterials bereitzustellen, bei dem der Anteil an Siliciumcarbid im Vergleich zu herkömmlichen Materialien erhöht werden kann, sich geringe Herstellungskosten ergeben und eine einfache Durchführbarkeit gewährleistet ist.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann das Pulvergemisch aus 80 bis 10 Vol.-% Pulver aus Aluminiummetall oder einer Legierung davon und 20 bis 90 Vol.-% zugesetztem Siliciumcarbidpulver bestehen.
Vorzugsweise beträgt im Pulvergemisch das Verhältnis (X/Y) der Teilchengröße X des Siliciumcarbidpulvers zur Teilchengröße Y des Pulvers aus Aluminiummetall oder der Legierung davon mehr als 1.
Die Teilchen des Siliciumcarbidpulvers können eine pseudosphärische Gestalt aufweisen, die einer kugelförmigen Gestalt nahe kommt. Vorzugsweise beträgt das Seitenverhältnis des Siliciumcarbidpulvers 1 bis 5.
Beim Siliciumcarbidpulver handelt es sich um ein Gemisch aus einem groben Pulver und einem feinen Pulver, die sich in bezug auf die Teilchengröße voneinander unterscheiden. Das Verhältnis (Xa/Xb) der Teilchengröße Xa des groben Pulvers des Siliciumcarbidpulvers zur Teilchengröße Xb des feinen Pulvers ist nicht kleiner als 2.
Beim Siliciumcarbidpulver handelt es sich um ein Granulationspulver. Das Siliciumcarbidpulver ist ein Gemisch aus Granulationspulver und einfachem Pulver (was bedeutet, das die Teilchen nicht granuliert sind, d. h. das einfache Pulver ist als ein Pulver definiert, das nur eine einzige Teilchengrößenverteilung aufweist und nicht eine Verteilung in grobes und feines Pulver zeigt). In diesem Fall liegt die Teilchengröße des Granulationspulvers des Siliciumcarbids nicht unter 10 um. Der kürzeste Abstand zwischen benachbarten Teilchen des Granulationspulvers beträgt nicht mehr als 1/2 der Teilchengröße des Granulationspulvers.
Die relative Dichte des rohen Pressteils nach dem Erwärmen und Verdichten liegt nicht unter 50%. Nach dem · Einführen des rohen Pressteils, das durch Unterdruck setzen und Verdichten des Pulvergemisches erhalten worden ist, in eine Form, wird das rohe Pressteil in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erwärmt und verdichtet. Alternativ kann das durch Druckausübung und Verdichten des Pulvergemisches erhaltene rohe Pressteil nach dem Einführen in die Form durch Heißpressen oder durch hydrostatisches Pressen erwärmt und verdichtet werden. Ein auf diese Weise erhaltenes verdichtetes Produkt wird einer Warmformgebung unterzogen.
Das nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Aluminiumverbundmaterial mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4 · 10&supmin;&sup6;/K bis 20 · 10&supmin;&sup6;/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 150 bis 280 W/(m·K) auf. Dieses Verbundmaterial besitzt eine Porosität von nicht mehr als 10%.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Vorzugsweise weist das Pulver aus Aluminiummetall oder einer Legierung davon (nachstehend häufig als "Aluminiumpulver" bezeichnet) eine Teilchengröße von 10 bis 300 um, vorzugsweise von 20 bis 100 um und insbesondere von 30 bis 50 um auf. Der Anteil des Aluminiumpulvers, bezogen auf das Gesamtvolumen des rohen Pulvermaterials, beträgt 80 bis 10 Vol.-%. Liegt der Anteil des Aluminiumpulvers über 80 Vol.-%, so ergibt sich ein zu hoher Wärmeausdehnungskoeffizient. Liegt der Anteil hingegen unter 10 Vol.-%, so ergibt sich eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit, was somit nicht erwünscht ist. Zu Beispielen für ein derartiges Aluminiumpulver gehören Al-Se-Legierungen, Al-Se- Mg-Legierungen und Al-Co-Legierungen.
Der Anteil des Siliciumcarbidpulvers, bezogen auf das Gesamtvolumen des rohen Pulvermaterials, beträgt 20 bis 90 Vol.-%. Beträgt der Anteil des Siliciumcarbidpulvers mehr als 90 Vol.-%, so ergibt sich eine zu niedrige Wärmeleitfähigkeit. Übersteigt dagegen dieser Anteil den Wert von 20 Vol.-%, so ergibt sich ein zu hoher Wärmeausdehnungskoeffizient. Somit sind diese Werte unerwünscht.
Das Aluminiumpulver und das Siliciumcarbidpulver werden im vorstehenden Verhältnis vermischt. Der Mischvorgang kann nach beliebigen geeigneten herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Mischen unter. Verwendung einer Kugelmühle vorgenommen werden. Vorzugsweise liegt die Mischzeit nicht unter 3 Stunden. Anschließend wird das Pulvergemisch unter Druck gesetzt und verdichtet, wodurch ein rohes Pressteil mit einer gewünschten Gestalt entsteht. Zu Beispielen für Verfahren zur Druckausübung und Verdichtung gehören ein Metallform-Pressverfahren und ein CIP-Verfahren.
Das auf diese Weise erhaltene rohe Pressteil wird in eine Form gegeben, auf eine Temperatur erwärmt, die nicht unter dem Schmelzpunkt des Aluminiumpulvers liegt und zu einer gewünschten Gestalt verdichtet. Der Schmelzpunkt von Aluminiummetall beträgt etwa 660ºC. Vorzugsweise wird beim Verdichtungsverfahren das Material in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erwärmt und einer hydrostatischen Druckausübung oder einer Warmformgebung unterzogen.
Im Fall eines rohen Pressteils mit einer geringen Pressdichte (die insbesondere dann leicht auftreten kann, wenn der Gehalt an Siliciumcarbid hoch ist) fließt das geschmolzene Aluminium während des Erwärmungs- und Verdichtungsvorgangs in die Zwischenräume zwischen den Teilchen des Siliciumpulvers, so dass das gesamte Pressteil sich zusammenzieht oder schrumpft. Dabei muss der Zwischenraum zwischen den Teilchen des Siliciumcarbidpulvers nicht verringert werden; je höher jedoch der Gehalt an Siliciumcarbid ist, desto mehr besteht eine Tendenz zur Ausbildung eines Überbrückungszustands mit dem Ergebnis, dass ein Schrumpfen der Abstände erschwert wird. Daher wird bei der Herstellung des rohen Pressteils die Menge des Aluminiumpulvers verringert und die Verdichtung des Pulvergemisches unter Bildung des rohen Pressteils so durchgeführt, dass der Abstand der Teilchen des Siliciumcarbidpulvers verringert wird und beim Erwärmen und Verdichten des rohen Formteils eine erforderliche Aluminiummenge zum Fließen in das Material veranlasst wird, so dass das Aluminium ergänzt wird. Dieses Verfahren erweist sich insbesondere bei der Herstellung eines Verbundmaterials, bei dem der Gehalt an Siliciumcarbid hoch ist, als wirksam.
Gemäß diesem Verfahren wird zunächst Aluminiumpulver, das von der gleichen Art ist wie das Aluminium im Pulvergemisch, in die Form zur Druckausübung und Verdichtung gegeben. Anschließend wird das Pulvergemisch auf die Schicht dieses Aluminiumpulvers aufgetragen. Sodann wird Aluminiumpulver derselben Art auf dieses Pulvergemisch aufgetragen. Diese Pulver werden einer Druckausübung und Verdichtung unterzogen, wodurch ein rohes Pressteil mit einer dreilagigen Bauweise entsteht. Dieses rohe Pressteil wird zur Erwärmung und Verdichtung in die Form gegeben und unter Erwärmen und Verdichten in die vorbestimmte Gestalt gebracht. Bei diesem Verfahren wird aufgrund der ergänzenden Zugabe von Aluminium auf der Oberfläche des Pressteils gleichzeitig mit dem Erwärmen und Verdichten eine Deckschicht mit einem hohen Aluminiumgehalt gebildet. Diese Deckschicht erleichtert die Bildung einer Plattierung auf der Oberfläche des Verbundmaterials und verstärkt daneben die Bearbeitbarkeit.
Das auf diese Weise erhaltene Verbundmaterial weist einen, Wärmausdehnungskoeffizienten von 4 · 10&supmin;&sup6;/K bis 20 · 10&supmin;&sup6;/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 150 bis 280 W/(m·K) auf. Beträgt die Porosität dieses Verbundmaterials mehr als 10%, so ergibt sich eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit. Daher beträgt die Porosität vorzugsweise nicht mehr als 10% und insbesondere nicht mehr als 8%.
Erfindungsgemäß wird insbesondere bei der. Herstellung eines Aluminiumverbundmaterials mit einem hohen Gehalt an Siliciumcarbid der Morphologie des Siliciumcarbidpulvers und des Aluminiumpulvers, der Fülldichte des Pulvers, der Beibehaltung der Gestalt des rohen Pressteils und der Benetzbarkeit des rohen Pressteils Beachtung geschenkt.
Wenn das Aluminiumpulver und das Siliciumcarbidpulver vermischt werden und dieses Pulvergemisch mit einer Metallformpresse, durch ein CIP-Verfahren oder ein anderes Verfahren unter Druck gesetzt und verdichtet wird, wird das Aluminium, das weicher als Siliciumcarbid ist, plastisch verformt und dient als Bindemittel, so dass sich ein rohes Pressteil mit guter Formbeständigkeit herstellen lässt. Daher variiert je nach dem Verhältnis der Teilchengröße des Aluminiumpulvers zur Teilchengröße des Siliciumcarbidpulvers der Dispersionszustand des als Bindemittel dienenden Aluminiumpulvers. Macht man die Teilchengröße des Siliciumcarbidpulvers größer als die Teilchengröße des Aluminiumpulvers, so lassen sich die Festigkeit und die Dichte des rohen Pressteils erhöhen. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis (X/Y) der Teilchengröße X des Siliciumcarbidpulvers zur Teilchengröße Y des Aluminiumpulvers mehr als 1, insbesondere 2 bis 10 und ganz besonders 5 bis 10.
Beträgt das vorstehende Verhältnis X/Y nicht mehr als 1 (d. h. die Teilchengröße des Siliciumcarbidpulvers ist nicht größer als die Teilchengröße des Aluminiumpulvers), so dringt das Siliciumcarbidpulver in netzwerkartiger Weise in Zwischenräume zwischen den Aluminiumpulverteilchen ein, was die Bildung eines Überbrückungszustands bewirkt, mit dem Ergebnis, dass das Aluminium während der Drückausübung und Verdichtung weniger leicht deformiert wird, so dass die Dichte des rohen Pressteils nicht in ausreichendem Maße erhöht werde kann. Beträgt dagegen das Verhältnis X/Y mehr als 1 (d. h. die Teilchengröße des Siliciumcarbidpulvers ist größer als die Teilchengröße des Aluminiumpulvers), so dringt das Aluminiumpulver in netzwerkartiger Weise in Zwischenräume zwischen den Siliciumcarbidteilchen ein und das Aluminium unterliegt während des Erwärmens und Verdichtens einer ausreichenden Kontraktion, so dass sich die Dichte des Verdichtungsprodukts erhöhen lässt.
Vorzugsweise weist das Siliciumcarbidpulver eine pseudosphärische Gestalt, die einer kugelförmigen Gestalt nahe kommt, auf und besitzt weniger scharfe Kanten. Bei einer derartigen kugelförmigen Gestalt kann das Pulver in höherer Dichte gefüllt werden. Außerdem fließt das geschmolzene Aluminium während des Erwärmungs- und Verdichtungsvorgangs leichter in die Zwischenräume zwischen den Teilchen des Siliciumcarbidpulvers. Es wird nämlich die Benetzbarkeit für das Aluminium verstärkt, so dass das Auftreten von Poren unterdrückt werden kann. Eine kugelförmige Ausbildung der Teilchen des Siliciumcarbidpulvers kann erreicht werden, indem man die Siliciumcarbidteilchen granuliert oder indem man unter Verwendung einer Kugelmühle oder einer Planetenkugelmühle die Ecken des durch Pulverisierung von Siliciumcarbid erhaltenen Pulvers unter Bildung einer kugelförmigen Gestalt allmählich abschleift. Die Planetenkugelmühle ist zwar teuer, kann jedoch die Pulverteilchen innerhalb kürzerer Zeit in eine kugelförmige Gestalt bringen.
Vorzugsweise liegt das Seitenverhältnis des Siliciumcarbidpulvers im Bereich von 1 bis 5. Bei einem Seitenverhältnis von mehr als 5 ist es schwierig, das Siliciumcarbidpulver in der Aluminiummatrix in einem hohen prozentualen Volumenanteil zu verteilen. Insbesondere liegt das Seitenverhältnis im Bereich von 1 bis 3. Vorzugsweise handelt es sich beim Siliciumcarbidpulver um ein Gemisch aus grobem Pulver und feinem Pulver, die sich voneinander in bezug auf die Teilchengröße unterscheiden, da ein derartiges Gemisch des Siliciumcarbidpulvers mit höherer Dichte gefüllt werden kann. In diesem Fall beträgt das Verhältnis (Xa/Xb) der Teilchengröße Xa des groben Pulvers des Siliciumcarbidpulvers zur Teilchengröße Xb des feinen Pulvers » nicht weniger als 2 und vorzugsweise 5 bis 10.
Vorzugsweise wird als Siliciumcarbidpulver ein durch Granulation erhaltenes Pulver (Granulierungspulver) verwendet. Bei Verwendung eines Granulierungspulvers lassen sich poröse Siliciumcarbidteilchen, deren Gestalt einer kugelförmigen Gestalt nahe kommt, erhalten. Bei Kontakt mit geschmolzenem Aluminium ziehen diese porösen Teilchen das Aluminium aufgrund einer Kapillarwirkung ein. Unter Ausnützung dieser Kraft kann das geschmolzene Aluminium ohne Druckausübung in das Siliciumcarbid eindringen. Obgleich das Aluminiumpulver während der Druckausübung und Verdichtung plastisch verformt wird, dringt es nicht in das durch Granulierung erhaltene Siliciumcarbidpulver ein, vielmehr verbleiben Poren zwischen den Pulverteilchen. Wenn das rohe Pressteil in diesem Zustand erwärmt und verdichtet wird, fließt das geschmolzene Aluminium nicht nur in den Poren zwischen den Pulverteilchen, sondern auch in das Siliciumcarbid-Granulierungspulver. Wenn das Siliciumcarbid in einem hohen prozentualen Volumenanteil verteilt ist, unterliegen der Strom des geschmolzenen Aluminiums und die Abstände zwischen den Siliciumcarbidteilchen leicht einer Variation, sofern es sich beim Siliciumcarbid nicht um ein Granulierungspulver handelt. Handelt es sich jedoch beim Siliciumcarbid um ein Granulierungspulver, so unterliegen die Abstände zwischen benachbarten Siliciumcarbidteilchen kaum Variationen. Wenn nämlich das Granulierungspulver verteilt wird, unterscheidet sich der Verteilungszustand des Siliciumcarbids nach dem Erwärmungs- und Verdichtungsvorgang kaum vom Verteilungszustand des Siliciumcarbids im rohen Pressteil. Somit ist in diesem Fall die Kontrolle einfacher.
Sofern ein Granulierungspulver als Siliciumcarbidpulver verwendet wird, liegt dessen Teilchengröße vorzugsweise nicht unter 10 um. Bei Kontakt mit dem geschmolzenen Aluminium zieht das Granulierungspulver aufgrund einer Kapillarwirkung das Aluminium ein. Wenn daher die Abstände zwischen benachbarten Teilchen des Granulierungspulvers groß sind, bilden sich Poren in den Bereichen, wo ursprünglich das Aluminiumpulver vorlag. Um die Bildung derartiger Poren zu unterdrücken, ist es erforderlich, die Füllrate des Aluminiumpulvers zu erhöhen und den Abstand zwischen benachbarten Granulierungspulverteilchen soweit wie möglich zu verringern. Daher wird das Granulierungspulver vorzugsweise so verteilt, das der kürzeste Abstand zwischen benachbarten Granulierungspulverteilchen nicht mehr als 1/2 der Teilchengröße der Granulierungspulverteilchen beträgt.
Wenn die relative Dichte des rohen Pressteils nach Druckausübung und Verdichtung weniger als 50% beträgt, so lässt sich eine zufriedenstellende Formbeständigkeit nicht aufrechterhalten und die Verdichtung wird schwierig. Daher ist eine relative Dichte des rohen Pressteils von nicht unter 50% erforderlich.

Beispiel

Die in den Beispielen verwendeten Aluminiummetall- und Aluminiumlegierungspulver lagen in Form eines Atomisierungspulvers vor. Das Aluminiumpulver lag in Form eines Pulvers mit einer Reinheit von nicht unter 99,9% und einer durchschnittlichen Teilchengröße von 30 pro vor. Ein weiteres Pulver wies eine Reinheit von nicht unter 99, 9% und eine durchschnittliche Teilchengröße von 1% um auf. In Beispiel 9 (vergl. die nachstehenden Tabellen 1 und 2) würde Al-12%Sn mit ei ner durchschnittlichen Teilchengröße von 30 um als Aluminiumlegierungspulver hergestellt.
Als Siliciumcarbidpulver wurden ein durch Pulverisieren eines Reaktionssinterungsprodukts erhaltenes Pulverisierungspulver, ein durch 6-stündiges Mahlen des Pulverisierungspulvers in einer rotierenden Planetenkugelmühle erhaltenes kugelförmiges Pulver und ein durch Granulieren von Siliciumcarbidpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 3 um erhaltenes Granulierungspulver verwendet. Als Pulverisierungspulver von Siliciumcarbidpulver wurden ein Pulver mit einer dürchschnittlichen Teilchengröße von 60 um und ein weiteres Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 300 um hergestellt. Als kugelförmige Siliciumcarbidpulver wurden ein Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 30 um und ein weiteres Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 300 um hergestellt. Als Granulierungspulver von Siliciumcarbid wurden ein Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 30 um, ein weiteres Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 35 um und. noch ein weiteres Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 300 um hergestellt.
Das Aluminiumpulver und das Siliciumcarbidpulver wurden miteinander in den in Tabelle 1 angegebenen Verhältnissen (Vol.-%) vermengt und 24 Stunden in einer Kugelmühle zur Herstellung eines Pulvergemisches trocken vermischt. In den Beispielen 7 bis 15 wurde ein Gemisch aus grobem Pulver und feinem Pulver, die sich bezüglich der Teilchengröße voneinander unterschieden, als Siliciumcarbidpulver verwendet. Das grobe Pulver und das feine Pulver wurden im Verhältnis von 70 Vol.-% und 30 Vol.-% vermischt.
Beispielsweise wurde das Siliciumcarbidpulver von Beispiel 7 durch Vermischen von Pulverisierungspulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 300 um und von Pulverisierungspulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 30 um hergestellt. Das Siliciumcarbidpulver von Beispiel 15 wurde durch Vermischen von kugelförmigem Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 300 um und Pulverisierungspulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 30 um hergestellt.
Anschließend wurde das Gemisch aus dem Aluminiumpulver und dem Siliciumcarbidpulver in eine Form gegeben und mit einer Formpresse bei einem Druck von 5 Tonnen/cm² gepresst und verdichtet, wobei ein rohes Pressteil mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Höhe von 6 mm geformt wurde. In den Proben der Beispiele 5 bis 15, die 75 Vol. % Siliciumcarbidpulver enthielten, wurde Aluminiumpulver, das in seiner Art dem Aluminium im Pulvergemisch entsprach, jeweils auf die Oberseite und Unterseite des Pulvergemisches, das eine so verringerte Menge an Aluminiumpulver aufwies, dass der Abstand zwischen aneinander angrenzenden Siliciumcarbidteilchen vermindert war, aufgebracht. In diesem Zustand wurde das Pulver unter Druck gesetzt und verdichtet.
Anschließend wurde das rohe Pressteil in eine Form aus Graphit gegeben und mit einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von etwa 100ºC/h erwärmt, etvaa 1 Stunde bei 700 bis 750ºC belassen und anschließend abgekühlt. Die Form soll aus einem mit Aluminium nicht reagierenden Material, zum Beispiel Graphit oder Keramik, bestehen. Tabelle 1
* fallt nicht unter die vorliegende Erfindung
Die Eigenschaften der jeweiligen rohen Pressteile und die Eigenschaften der einzelnen Pressteile würden untersucht. Die Dichte der rohen Pressteile wurde durch Bestimmen des Gewichts und der Abmessungen und anschließend durch Vergleich dieser Werte mit dem theoretischen Gewicht ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Die Dichte der Pressteile wurde an einem aus dem Pressteil herausgeschnittenen quadratischen Prüfkörper (Kartenlänge 10 mm, Höhe 2 mm) und durch anschließendes Messen der Dichte des Prüfkörpers nach dem Archimedes- Verfahren ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Die Wärmeleitfähigkeit der Pressteile wurde an einem aus dem Pressteil herausgeschnittenen Prüfkörper (Durchmesser 10 mm, Höhe 2 mm) und durch anschließendes Messen der Wärmeleitfähigkeit des Prüfkörpers unter Verwendung einer Thermokonstanz-Messvorrichtung (LF/TCM-FA8510B, Produkt der Firma Rigaku Denki K. K.) gemäß dem Laser-Flash-Verfahren (in Übereinstimmung mit JIS1606) ermittelt. Die Ergebnisse sind in. Tabelle 2 aufgeführt.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der einzelnen Pressteile wurde durch Ausschneiden eines quadratischen Prüfkörpers (Kantenlänge 3 mm, Länge 17 mm) und anschließendes Messen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Prüfkörpers im Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 100ºC unter Verwendung eines TMA-Geräts (Thermomechanisches Analysengerät, Produkt der Firma Seiko K. K.) ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2
# fallt nicht unter die vorliegende Erfindung
In Tabelle 2 bedeutet der Ausdruck "unmessbar", dass die Messung nicht durchgeführt werden konnte, da die Gestalt des Pressteils kollabierte oder im Pressteil zu viele Poren vorhanden waren, so dass keine Messung vorgenommen werden konnte.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Aluminiumverbundmaterials mit niedriger Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit kann der Anteil an Siliciumcarbid im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erhöht werden. Das Aluminiumpulver dient als Bindemittel, so dass eine gute Formbeständigkeit erreicht wird. Die Verteilung des Siliciumcarbids kann vom rohen Pressteil bis zum verdichteten Produkt kontrolliert werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Almniniumverbundmaterialien weisen die folgenden vorteilhaften Wirkungen auf. Durch geeignete Wahl des Anteils (Vol.-%) der Aluminiummetallteilchen oder der Teilchen aus Aluminiumlegierungen (die als Matrix dienen) und des Anteils der Siliciumcarbidteilchen lassen sich der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit entsprechend den angestrebten Eigenschaften steuern.
Das Aluminiumverbundmaterial kann einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Nähe des Werts des auf der Wärmeableitplatte angebrachten Halbleitermaterials aufweisen. Daher kann die Lötmittel-Bindungsfläche zwischen der Wärmableitplatte und dem Halbleitermaterial aufrechterhalten werden, ohne dass eine durch thermische Spannungen hervorgerufene Trennung erfolgt. Somit wird die Zuverlässigkeit der Lötmittelbindungsfläche verstärkt.
Da die Matrix aus Aluminiummetall oder einer Legierung davon besteht, lässt sich eine hohe Wärmeleitfähigkeit erhalten. Somit kann die im Halbleitermaterial auftretende Wärmeenergie in wirksamer Weise abgeleitet werden, wodurch Fehlfunktionen und thermische Beschädigungen von Transistorchips, LSI-Chips und dergl, verhindert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Alüminiumverbundmaterials mit niedriger thermischer Dehnung und hoher Wärme- Teitfähigkeit, welches die folgenden Stufen umfaßt:

Herstellen eines Pulvergemisches aus einem Pulver aus Aluminiummetall oder einer Legierung davon und einem Siliciumcarbidpulver,

Zuführen von Aluminiumpulver oder von Aluminiumlegierungspulver, welches von der gleichen Art ist wie das Aluminium oder die Aluminiumlegierung in dem Pulvergemisch, in eine Form, umes unter Druck zusetzen und zu verdichten,

Auftragen des Pulvergemisches auf die Schicht dieses Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulvers,

Auftragen des Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulvers derselben Art auf dieses Pulvergemisch,

Unter-Druck-Setzen und Verdichten der Pulver, um ein unreifes Preßteil zu erhalten,

anschließendes Überführen des unreifen Preßteiles in eine andere Form, um es zu erhitzen und zu verdichten,

Erhitzen und Verdichten des unreifen Preßteiles bei einer Temperatur, die nicht niedriger ist als der Schmelzpunkt des Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulvers, wobei unter Bildung einer Deckschicht, die aus dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung derselben Art besteht, ein Preßteil hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulvergemisch zu 80 bis 10 Vol.% aus dem Pulver aus Aluminiummetall oder der Legierung davon und zu 20 bis 90 Vol.% aus hinzugefügtem Siliciumcarbidpulver besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis (X/Y) der Teilchengröße X des Siliciumcarbidpulvers zu der Teilchengröße Y des Pulvers aus dem Aluminiummetall oder der Legierung davon mehr als 1 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Teilchen des Siliciumcarbidpulvers pseudosphärisch sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Länge-Durchmesser-Verhältnis des Siliciumcarbidpulvers 1 bis 5 ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Siliciumcarbidpulver eine Mischung aus grobem Pulver und feinem Pulver ist, die sich voneinander in der Teilchengröße unterscheiden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei das Verhältnis (Xa/Xb) der Teilchengröße Xa des groben Pulvers des Siliciumcarbidpulvers zur Teilchengröße Xb des feinen.

Pulvers nicht weniger als 2 ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Siliciumcarbidpulver ein Granulationspulver ist.

9. Verfähren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Siliciumcarbidpulver eine Mischung aus Granulationspulver und einfachem Pulver ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Teilchengröße des Granulationspulvers des Siliciumcarbids nicht weniger als 10 um ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der kürzeste. Abstand zwischen aneinandergrenzenden Granulationspulverteilchen nicht mehr als 1/2 der Teilchengröße der Granulationspu2verteilchen ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die relative Dichte des unreifen Preßteils nicht weniger als 50% ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Erhitzen und Verdichten in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

14. Verfähren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Erhitzen und Verdichten durch Heißpressen oder hydrostatisches Pressen durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei ein Preßteil, das nach dem Erhitzen und Verdichten erhalten wird, warm verarbeitet wird.