DE3204231A1 - Laminataufbau aus matrix-faser-verbundschichten und einer metallschicht - Google Patents

Laminataufbau aus matrix-faser-verbundschichten und einer metallschicht

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DE3204231A1 DE19823204231 DE3204231A DE3204231A1 DE 3204231 A1 DE3204231 A1 DE 3204231A1 DE 19823204231 DE19823204231 DE 19823204231 DE 3204231 A DE3204231 A DE 3204231A DE 3204231 A1 DE3204231 A1 DE 3204231A1
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metal matrix
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Keiichi Kuniya
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Seiki Shimizu
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Description

32042:
HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Laminataufbau aus Matrix-Faser-Verbundschichten und
einer Metallschicht
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei einem Verbun dnaterialaufbau mit einer Metallmatrix und in der Matrix eingebetteten Fasern. Dieser Verbundmaterialaufbau, insbesondere derjenige, in welchem die Fasern so gewählt sind, daß sie einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als den der Metallmatrix und vorzugsweise einen dem eines Halbleitermaterials gleichen oder unterlegenen Wärmeausdehnungskoeffizient haben, wird befriedigend als die Elektrodenplatte einer Halbleiteranordnung verwendet.
Der Verbundmaterialaufbau mit einer Metallmatrix und in dieser eingebetteten Fasern (der in der weiteren Beschreibung einfach als Matrix-Faser-Verbundschicht bezeichnet wird) ist im einzelnen beispielsweise
in der US-PS 3 969 754, der US-PS 4 083 719 und der US-PS 4 196 442 der Anmelderin beschrieben. Unter Hinweis auf diese US-Patentschriften sind den Fachleuten die allgemeinen Aufbaumerkmale, Materialien, Herstellungsweisen, Anwendungsarten, Vorteile usw. der Matrix-Faser-Verbundschicht geläufig.
Bezüglich des Matrix-Faser-Verbundschichtkörpers zum Einfügen zwischen zwei Bauteilen mit stark voneinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten oC , z. B. zwei Platten, die aus Kupfer (oC:16,5 χ 10 /0C) und Silizium (cO3,5 χ 10 /C) bestehen, war nach dem Stand der Technik eine Anordnung bekannt, in der aie Verteilung der Fasern in der Matrix-Faser-Verbundschicht nicht homogen ist, sondern die Fasern mehr in der Nähe der Siliziumplatte als in der Nähe eier Kupferplatte verteilt sind (US-PS 3 969 754, Spalte 3, Zeilen 11-17 und Spalte 4, Zeilen 34-44). Durch die erwähnte Anordnung wird der Wärmeausdehnungskoeffizient oC zur Verringerung der Wärmedeformation graduell variiert.
Es ist jedoch schwierig, die Matrix-Faser-Verbundschicht so zu fertigen,daß die Verteilunglder Fasern graduell variiert wird. Außerdem ist, falls diese Fertigung möglich sein sollte, das Ergebnis so, daß aer Wärmeausdehnungskoeffizient oC zwischen den Teilen in der Nähe des Paares der Hauptoberflächen der Matrix-Faser-Verbundschicht hochgradig verschieden ist. Es wurde
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nun gefunden, daß ein Problem auftritt, indem eine Verwerfung oder Deformation in der Matrix-Faser-Verbundschicht selbst auftritt. Diese Deformation breitet sich bis zu einem Halbleiterplättchen aus, das mit der Matrix-Faser-Verbundschicht zu verbinden und auf diesem anzubringen ist, wodurch die Gefahr auftritt, daß sich die elektrischen Eigenschaften der Halbleiteranordnung verschlechtern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Matrix-Faser-Verbundschichtaufbau zu entwickeln, der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten <·-<• in der Dickenrichtung bei verringerter Deformation aufweist, und eine hochgradig verläßliche Halbleiteranordnung zur Verfugung zu stellen, in der der erwähnte Matrix-Faser-Verbundschichtaufbau eingesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst ein Laminataufbau mit einer Verbundschicht aus einer Metallmatrix und darin eingebetteten Fasern mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der Metallmatrix, mit dem Kennzeichen, daß er eine erste Verbundschicht aus einer ersten Metallmatrix und darin eingebetteten ersten Fasern mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der ersten Metallmatrix derart, daß die erste Verbundschicht insgesamt einen ersten niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als den der ersten Metallmatrix hat, eine zweite Verbundschicht aus einer zweiten
Metallmatrix und darin eingebetteten zweiten Fasern mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der zweiten Metallmatrix derart, daß die zweite Verbundschicht insgesamt einen zweiten niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als den der zweiten Metallmatrix hat, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten Verbundschicht verschieden ist, und eine Metallschicht aufweist, die zwischen der ersten Verbundschicht und der zweiten Verbundschicht angeordnet und damit direkt und starr verbunden ist.
Der erfindungsgemäße Laminataufbau ist starr integriert, indem man eine Metallschicht zwischen einer ersten Matrix-Faser-Verbundschicht mit insgesamt einem Wärmeausdehnungskoeffizient --Ό und einer zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht mit insgesamt einem anderen Wärmeausdehnungskoeffizient «*6 als dem der ersten Matrix-Faser-Verbundschicht einfügt. Die zwischengefügte Metallschicht wirkt als Puffer für die erste und die zweite Matrix-Faser-Verbundschicht.
Es wurde besttätigt, daß eine Deformation, wenn auch unterschiedlich in Abhängigkeit von den Abweichungen der Wärmeausdehnungskoeffizienten '^C ., auftritt, wenn diese Metallschicht ausgelassen wird und man die erste Matrix-Faser-Verbundschicht mit der zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht direkt verbindet. Im Gegensatz dazu tritt beim Aufbau gemäß der
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Erfindung im wesentlichen keine Formänderung sogar in dem Fall auf, wo die Metallschicht von erheblich geringerer Dicke als den Dicken der ersten und zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht gemacht ist.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Laminataufbau von geschichteter Form für ein elektrisch leitendes Bauteil zur Anbringung in einer Halbleiteranordnung, in der der Laminataufbau zwischen wenigstens einem Halbleiterplättchen und einem Trägerkörper eingefügt wird, mit dem Kennzeichen, daß der Laminataufbau eine erste Verbundschicht aus einer ersten Metallmatrix und darin eingebetteten ersten Fasern mit gleichem oder niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient wie bzw. als dem des Halbleiters derart, daß die erste Verbundschicht insgesamt einen dem des Halbleiters nahen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, eine
zweite Verbundschicht aus einer zweiten Metallmatrix und darin eingebetteten zweiten Fasern mit gleichem oder niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient wie bzw. als dem der zweiten Metallmatrix derart, daß die zweite Verbundschicht insgesamt einen dem des Trägerkörpers nahen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, und eine Metallschicht aufweist, die zwischen der ersten Verbundschicht und der zweiten Verbundschicht angeordnet und damit direkt und starr verbunden ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 10 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der Werte des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundschichtaufbaus aus einer Kupfermatrix und Kohlenstoffasern, der im Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, in Abhängigkeit vom Volumen der im Verbundschichtaufbau enthaltenen Kohlenstoffasern;
Fig. 2 einen· Schnitt zur schematischen Veranschaulichung eines Laminataufbaus nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt zur schematischen Veranschaulichung sowohl eines Verfahrens zur Herstellung des Laminataufbaus nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung als auch einer für das Herstellungsverfahren verwendeten Vorrichtung;
Fig. 4 einen Schnitt zur Veranschaulichung des wesentlichen Teils einer Halbleiteranordnung des Isoliertyps nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 5A bis 5C die in einer Metallkapselung eingekapselte Halbleiteranordnung nach einem wei~ teren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
* « a ■*
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und zwar
Fig. 5A eine Aufsicht bei von der Kapselung entfernter Kappe;
Fig. 5B einen Schnitt nach der Linie VB-VB1 nach Fig. 5A; und
Fig. 5C eine vergrößerte Darstellung des wesentlichen Teils der Fig. 5B.
Im übrigen sind alle diese Figuren nicht genau maßstäblich gezeichnet.
Es war bekannt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient':-.'^ der Matrix-Faser-Verbundschicht insgesamt durch Einstellen des Gehalts der Fasern variiert wird. Diese Tatsache ist mit einem Beispiel in Fig. 1 veranschaulicht ,|das den Daten bezüglich der Matrix-Faser-Verbundschicht der Art en tspricht, bei der die Matrix und die Fasern aus Kupfer bzw. Kohlenstoff bestehen und Faserbündel in der Matrix so eingebettet sind, daß sie in der Form von Gewebe gewirkt sind. Die Daten dieses Diagramms wurden in den Ausführungsbeispielen, die noch erläutert werden, verwendet.
Ein Laminataufbau JK) nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, in gestapelter Form hergestellt, indem man eine erste Matrix-Faser-Verbundschicht 100, eine Metallschicht 120 und eine zweite Matrix-Faser-verbundschicht
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in der genannten Reihenfolge starr und direkt miteinander vereinigt oder verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Matrix aus Kupfer, die Fasern bestehen aus Kohlenstoff, und die Metallschicht 120 besteht aus Kupfer. Die Dicken der ersten und zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht 1OO und 200 sind üblich etwa 0,5 mm, und die Dicke der Metallschicht 120 ist etwa 0,02 mm (d. h. 20 ,um) und enthält keine Fasern.
Die erste Matrix-Faser-Verbundschicht 100 ist aus einer Kupfermatrix 110 und Bündeln von Kohlenstoff asern 130 aufgebaut, die in der Kupfermatrix eingebettet sind. Jedes der Faserbündel 130 besteht aus etwa 3000 Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von etwa 7 ,um, deren jede an der Oberfläche mit einer Kupferschicht einer Dicke von 1 bis 3 ,um überzogen ist. Bündel 131 und 132 sind in der Form von Gewebe gewirkt, das den in Fig. 2 erscheinenden Querschnitt hat. Der Kohlenstoffgehalt in der Verbundschicht 100 ist auf etwa 55 Vol. % des Kupfers eingestellt. Diese Einstellung wird durch Justieren üer Menge des auf die Oberflächen der Kohlenstoffasern aufzubringenden Kupfers erzielt. Wenn das Überzugskupfer allein zu gering für die erforderliche Menge des Kupfers ist, können dem erwähnten gewebeförmigen Aufbau beim Herstellungsverfahren, das noch beschrieben wird, Kupferpulver zugesetzt werden.
Die zweite Matrix-Faser-Verbundschicht 200 hat den gleichen Aufbau wie den der ersten Matrix-Faser-Verbundschicht 100 mit der Ausnahme, daß ihr Kohlenstoffgehalt auf 45 Vol. % eingestellt ist. In der zweiten Verbundschicht 200 sind die Kohlenstoffaserbündel 231 und 232 gröber als in der ersten Verbundschicht 100 gewirkt, so daß ihr Kohlenstoffgehalt geringer als der der ersten Verbundschicht 100 sein kann. Im übrigen bezeichnet die Bezugsziffer 210 eine der Kupfermatrix 110 gleiche Kupfermatrix, und die Bezugsziffer 230 entspricht der Bezugsziffer 130.
Aus- den Daten der Fig. 1 entnimmt man, daß die erste Matrix-Faser-Verbundschicht 100 einen Wärmeausuehnungskoeff izient >>O von etwa 4 χ 10 / C aufweist, da sie 55 Vol. % Kohlenstoff enthält, während die zweite Matrix-Faser-Verbundschicht 200 einen Wärmeausüehungskoeffizient "5^ von etwa 6,2 χ 10" / C aufweist, da sie 45 Vol. % Kohlenstoff enthält. Da die Metallschicht 120 eine weit geringere Dicke als die der ersten und zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht 100 und 200 hat, übt sie, obwohl ihr Material, d. h. das Kupfer, einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizient oC von 16,5 χ 10 /°C hat, keinen wesentlichen Einfluß auf den scheinbaren oder Gesamtkoeffizient du des Laminataufbaus 10 als ganzen aus. Als Ergebnis weist der scheinbare Koeffizient °C des Laminataufbaus 1X> einen Zwischenwert zwischen denen der ersten und der zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht 100 bzw.
200 auf. Außerdem hat der Koeffizient uC- des Laminataufbaus _U) Werte nahe dem der ersten Verbundschicht 100 selbst an der Seite der Hauptoberfläche der ersten Verbundschicht 100 und nahe dem der zweiten Verbundschicht 200 selbst an der Seite der Hauptoberfläche 201 der zweiten Verbundschicht 200. Als Ergebnis kann, allgemein gesprochen/ falls Bauteile aus Materialien mit voneinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten °C mit den gegenüberliegenden Hauptoberflächen 101 und 201 verbunden werden, der Lamina tauf bau K). die Wirkung zeigen, die Wärmedeformation zu verringern, die auf dem Unterschied des Koeffizienten cC zwischen diesen beiden Bauteilen . basiert. Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist, wie im einzelnen noch erläutert wird, im Fall brauchbar, wo ein Siliziumhalbleiterplättchen ( oO:3,5 χ 1O~6/°C) mit der riauptoberflache 101 verbunden wird, während die Hauptoberfläche 201 ihrerseits mit einer gesinterten Aluminiumoxidplatte ( σθ: 6,3 χ 10~ /0C ) verbunden wird.
Ein bevorzugtes Beispiel zur Herstellung des in Fig. 2 gezeigten Laminataufbaus soll nun anhand von Fig. 3 beschrieben werden. Zunächst wurden die erwähnten Kohlenstoffaserbündel 130 und 230 hergestellt. Die Oberflächen der einzelnen Fasern wurden mit dem erwähnten Material oder Kupfer durch ein galvanisches Verfahren beschichtet. Die so beschichteten Kohlenstof faserbündel wurden zur Herstellung zweier Arten von
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Geweben gewirkt. Eine Art derselben enthielt die Kohlenstoffasern in einem Anteil von 55 Vol. % der Gesamtmenge des Kohlenstoffs und des Kupfers, während die andere Art 45 Vol. % der Kohlenstoffasern enthielt. Eine Kupferfolie mit einer Dicke von 20 ,um wurde getrennt hergestellt. Diese Kupferfolie wurde zwischen den erwähnten beiden Gewebearten eingefügt, um dadurch den gewünschten Laminataufbau herzustellen, der sich aus dem (55 Vol. % Kohlenstoff enthaltenden) Gewebe - der Kupferfolie - und dem£45 Vol. % Kohlenstoff enthaltenden) Gewebe zusammensetzte.
Dann wurden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die so hergestellten Laminateinheiten in einem Behälter 30_ aus Graphit angeordnet. Dieser Behälter 3_0 besteht aus einer Wandung 31 und einem Paar von Endkappenplatten 32 und 35, die am oberen bzw. unteren Ende der Wandung 31 innerhalb dieser angeordnet sind. So wird die Laminateinheit zwischen dem Paar von Endkappenplatten 32 und 35 eingefügt. Falls eine Mehrzahl solcher Laminateinheiten gleichzeitig gefertigt werden soll, wie Fig. 3 zeigt, werden außerdem Trennplatten 33, 34 usw. zwischen den einzelnen Laminateinheiten eingefügt..
Die so angeordneten Laminateinheiten werden zusammen mit dem Behälter 30 erhitzt. Gleichzeitig damit werden Drücke in den bei Pfeilen A und A1 in Fig. angedeuteten Richtungen ausgeübt. Die benachbarten
Laminateinheiten werden miteinander starr und direkt verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, nachdem sie in dem erwähnten Zustand für eine bestimmte Zeitdauer gehalten wurden. Während dieser Zwischenzeit nimmt der Kupferübetzug der Fasern die Form einer Matrix ein. Die Erhitzungstemperatur wird niedriger als der Schmelzpunkt des die Matrix und die Metallschicht 120 bildenden Kupfers und höher als das Niveau eingestellt, das mindestens zur starren Verbindung der Laminateinheiten erforderlich ist. Im einzelnen liegt das Temperaturniveau vorzugsweise bei 6OO bis 1050 °C und insbesondere im Bereich von 800 bis 1050 0C unter dem Gesichtspunkt, daß der Verbindungseffekt in einer kurzen Zeitdauer erzielt wird. Das' bevorzugte Druckniveau ist 200 bis 400 bar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde das Verbindungsverfahren bei einer Temperatur von 1000 0C und einem Druck von 250 bar für 30 min durchgeführt. Übrigens wurden die bisher beschriebenen Behandlungsschritte in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Diese reduzierende Atmosphäre ist zur Beseitigung einer Anzahl von Oxiden in der oder den Laminateinheiten wirksam, die häufig die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Festigkeit des Laminataufbaus beeinträchtigen.
Auch wenn der so hergestellte Laminataufbau, wie in Fig. 2 gezeigt, mehreren Wärmezyklen zwischen -50 und + 150 0C mehrere Zehntausend. Male unterworfen war, konnte kein Abschälen zwischen der ersten und zweiten Matrix-Faser-Verbundschicht 100 bzw. 200 und der Metallschicht 120 festgestellt werden. Es wurde auch keine wesentliche Deformation beobachtet, auch wenn der Laminataufbau auf 400 0C erhitzt wurde.
Anwendungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Fig. 4 und Fig. 5A, 5B und 5C beschrieben.
Fig.4 zeigt eine Halbleiteranordnung des Isoliertyps., in der der in Fig. 2 gezeigte Laminataufbau als eine elektrisch leitende und wärmeabführende Platte eingesetzt ist. Bei der Anordnung dieser Art sind das Haibleiterplättchen und der äußere Trägerkörper voneinander isoliert, und es kann sich beispielsweise um eine hybrideantegrierte Schaltung oder eine Modulanordnung handeln. Mit der Oberfläche einer äußeren Trägerplatte 4 mit einer Dicke von 3 mm aus Kupfer ist, wie Fig.4 zeigt, mittels eines Lots 51 eine Isolierplatte 3 verbunden, die aus gesintertem Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0,25 mm hergestellt ist und deren beiden Hauptoberflächen einer Metallisierbehandlung unterworfen wurden. Mit der Isolierplatte 3 ist außerdem mittels eines Lots 52 eine Wärmeabführplatte 2 verbunden, mit der mit Hilfe von Löten 53 bzw. 54 sowohl ein Haibleiterplättchen 1 aus Silizium als auch ein Anschlußdraht 15 verbunden sind. Das hier angenommene Haibleiterplättchen 1 ist eine Drei-Anschluß-Anordnung, wie z. B. ein Thyristor, dessen drei Elektroden 6,11 und 13 mit der Platte bzw. einem Anschlußdaraht 12 bzw. einem Anschlußdraht verbunden sind. Die Lote 52 und 54 sind solche mit einer Dicke von 50 ,um aus einer Pb-Sn-Legierung, und das Lötverfahren wurde 10 min bei einer Temperatur
von 350 0C durchgeführt.
Die verwendete Wärmeabführplatte 2 wurde durch starres und direktes Verbinden von Kupferschichten und 122 mit den Hauptoberflächen 101 und 201 des in Fig. 2 gezeigten Laminataufbaus hergestellt. Das Herstellungsverfahren ist das gleiche wie das vorerwähnte mit der Ausnahme, daß der Laminataufbau Kupferschichten (die beispielsweise eine Dicke von etwa 20 ,um haben) zusätzlich auf den beiden Außen_,-oberflachen der beiden Verbundschichten 100, 200 aufweist. Diese Kupferschichten 121 und 122 wirken zur Verbesserung der Benetzbarkeiten der Lote an den Hauptoberflächen des Laminataufbaus. Die so hergestellte Wärmeabführplatte 2 wird zur Leitung der Wärme, die am Plättchen 1 erzeugt wird^dadurch zur Trägerplatte 4 . verwendet. Hierzu muß die Platte 2 eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Gleichzeitig muß die Platte 2 auch den Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten ■ zwischen dieser und dem Halbleiterplättchen 1 verringern. Für dieses letztere Erfordernis muß die Platte 2 außerdem einen Wärmeausüehnungskoeffizient aufweisen, der sowohl dem des Siliziums, als auch dem des Aluminiumoxids nahekommt.. Andererseits muß, falls die Platte 2 als elektrisch leitendes Bauteil wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, die elektrische Leitfähigkeit (zwischen der Elektrode 16 und dem Anschlußdraht 15
+) möglichst befriedigenden
des Plättchens 1) außerdem ausreichend hoch sein. Weiter sollte die Deformation verhindert werden. Nichtsdestoweniger kann die Wärmeabführplatte 2, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem in Fig. 2 gezeigten Laminataufbau verwendet wird, alle vorstehend erwähnten Anforderungen erfüllen, und man fand weder eine Deformation noch Rißbildung in den einzelnen Teilen, nachdem der Laminataufbau fertiggestellt war.
Insbesondere bei der' hybriden integrierten Schaltung oder der Modulanordnung, im Unterschied zu einer Halbleiteranordnung des gesonderten Typs·, wie sie weiter unten noch beschrieben wird, gibt es einen Fall, in dem eine Vielzahl von Schaltungsbauelementen auf der Wärmeabführplatte 2 angeordnet ist. Dann muß diese Platte 2 eine große Fläche und eine große Verbindungsfläche haben, an der sie mit der Isolierplatte 3 verbunden wird. Dabei neigen leicht die Wärmedeformation aufgrund des Unterschiedes im Koeffizient <,. und das Ausmaß der Deformation der Platte 2 und/oder der Isolierplatte 3, wie sie beschrieben wurden, leicht zur Vergrößerung. Daher kann die Erfindung ihre geeigneten Anwendungsfälle für solche Anordnungen finden. Aus dem gleichen Grund kann außerdem der Laminataufbau gemäß der Erfindung als Material für die äußere Trägerplatte 4 verwendet werden. . "
Um eine Verursachung der Deformation und Rißbildung
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aufgrund der Wärmedeformation· zu vermeiden, mußte nach dem ütand der Technik die Isolierplatte 3 dick gemacht werden, wodurch man die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigte. Erfindungsgemäß kann dagegen die Isolierplatte 3 so dünn gemacht werden, daß sich die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften verbessern lassen und gleichzeitig das Entstehen von Deformation und Rissen vermieden wird.
Die Halbleiteranordnung des gesonderten Typs nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Fig. 5A, 5B und 5C beschrieben. Wie die Fig. 5A und 5B zeigen, ist ein innerer Halter 42 aus Kupfer nach dem Wärmeeinsetzverfahren an einem äußeren Halter 51 aus Flußstahl befestigt. Mit der Oberseite des inneren Halters 42 ist mittels eines Lots 55 der Laminataufbau 10 verbunden, der in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel enthält jedoch die Matrix-Faser-Verbundschicht 200 an der Seite des inneren Halters 42 des Laminataufbaus 10 die Kohlenstoffasern in einem Anteil von etwa 35 Vol. %. Mit der Oberfläche des Laminatauf baus 10 ist das Halbleiterplättchen 1 mittels eines Lots 65 unter ähnlichen Verbindungsbedingungen wie denen der vorigen Ausführungsbeispiele verbunden. Das hier angenommene Halbleiterplättchen 1 ist das gleiche wie das nach Fig. 4. Der äußere Halter 41 ist mit einem Paar von Schraubenlöchern 410 ausgebildet.
Außerdem erstreckt sich ein Paar von Anschlußstiften 16 durch Isolierringe 161 unter Isolierung gegenüber dem äußeren Halter 41. Aus Klarheitsgründen ist der wesentliche Teil der Fig. 5B in vergrößertem Maßstab in Fig.5Cdargestellt, obwohl der Aufbau des Halbleiterplättbhens 1. nicht im einzelnen gezeigt ist.
Um die Wärme vom Halbleiterplättchen 1 nach außen durch die Halter wirksamer abzuführen, sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel sowohl der Laminataufbau 10 als auch das Halbleiterplättchen 1 auf dem inneren Halter 42 angeordnet, der aus Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Dieser innere Halter 42 ist an seinem Umfang starr mittels des äußeren Halters 41 aus Flußs tahl befestigt, so daß der Wärmeausdehnungskoeffizient c\, dem des Flußstahls stärker angenähert ist als der Eigenkoeffizient cC des Kupfers. Der Laminataufbau 10 dieses Ausführungsbeispiels ist zu einem solchen Quadrat mit Seitenlangen von etwa 7 mm ausgebildet, daß der Koeffizient cC dem des Siliziums an der Seite des Halbleiterplättchens 1 und dem des Flußstahls an der Seite des inneren Halters 42 angenähert ist. Als Ergebnis entstanden in den einzelnen Teilen weder eine Deformation und Rißbildung noch die Verschlechterungen der Eigenschaften durch die Hitze, die während der Herstellung oder des Betriebs der Halbleiteranordnung einwirkte.
Die Erfindung wurde bisher beispielsweise anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert, ist jedoch darauf nicht beschränkt. Die Erfindung kann weiter modifiziert werden, wie im folgenden erläutert wird.
Zunächst können die Matrix-Faser-Verbundschichten des Laminataufbaus gemäß der Erfindung und die dazwischen einzufügende Metallschicht aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Matrix aus Silber, Aluminium oder einer Legierung bestehen, die aus wenigstens einem der ersteren beiden Metalle und Kupfer zusanmengesetzt ist. Andererseits können die Fasern aus Wolfram, Molybdän oder einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehen. Die Anordnungen der Fasern in der Matrix können nicht nur derart gemacht werden, daß die Bündel der Fasern zu einer solchen Gewebe- oder Netzform gewirkt werden,\daß sie sich in einer Aufsicht unter rechten Winkeln schneiden, sondern es ist auch möglich,daß die Fasern in einer Richtung in der Matrix so angeordnet werden,daß eine Mehrzahl dieser Lagen in der einen Richtung in mehreren Schichten in verschiedenen Richtungen oder in einer Spiralform ubereinandergelegt werden, oder daß relativ kurz geschnittene Faserstücke in Zufallsverteilung enthalten sind. Die konkreten Beispiele und Herstellungsverfahren für Matrix-Faser-Verbundschichten sind den Beschreibungen der US-PS 3 969 754, 4 083 719 und 4 196 442 zu entnehmen, die bereits weiter oben erwähnt wurden. Übrigens
ändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient <J- der Matrix-Faser-Verbundschichten nicht nur mit dem Volumen der Fasern, sondern auch mit den verschiedenen Anordnungen der Fasern. Entsprechend diesen Anordnungen wird außerdem der Koeffizient ck.> in den Hauptoberflächen der Matrix-Faser-Verbundschicht gerichtet, doch wird die nichtgerichtete oder isotrope Anordnung je nach den Anwendungsfällen bevorzugt. Die Anordnungen der erwähnten Ausführungsbeispiele sind im wesentlichen nicht gerichtet.
Als das Material für die in der Zwischenlage des Laminataufbaus angeordnete Metallschicht wird das gleiche Metall wie das der Matrix vom Gesichtspunkt der gegenseitigen Haftung bevorzugt, doch kann auch ein anderes Metall als das der Matrix verwendet werden. Beispielsweise kann die Metallschicht aus einer Eisen-Nickel-, einer Eisen-Nickel-Kobaltoder einer sog. "Invar"-Legierung bestehen. Das Metall mit einer höheren Steifigkeit als die Matrix wird zur Verringerung der Deformation bevorzugt. Man stellt die Metallschicht mit einer Dicke von etwa 20 bis 100 ,um kleiner als die der Matrix-Faser-Verbundschicht im Fall her, daß diese Verbundschicht mit einer Dicke von etwa 0,4 bis 0,5 mm hergestellt wird. Falls die Dicke der Verbundschicht von dem oben erwähnten Wert abweichend gemacht wird, ändert man die Dicke der Metallschicht proportional. Insbesondere wird bevorzugt, daß die Dicke der Metallschicht 1/4 bis 1/25
der Dicke der Verbundschicht ist.
Das erläuterte Herstellungsverfahren des Laminataufbaus wird bevorzugt, da es ein befriedigendes Ergebnis relativ einfach gewährleistet. Außerdem können die Walz- und Druckschweißverfahren verwendet werden. Weiter kann auf ein Verfahren zurückgegriffen werden, nach dem die erste und die zweite.Matrix-Faser-Verbundschicht 100 und 200, die in Fig.2 gezeigt sind, getrennt hergestellt und dann unter Einfügen der Metallschicht 120 dazwischen miteinander verbunden werden. Welches Verfahren man auch verwendet, ist es zur Verbesserung der Verbindungsstärke wichtig, daß die die Matrix der Matrix-Faser-Verbundschicht bildenden Atome und die das Metall der Metallschicht bildenden Atome aurch diese Verbindungsbehandlung ineinander diffundieren. Diese Bedingung wird durch die Verfahren der vorstehenden Ausführungsbeispiele erfüllt.
Falls erwünscht, kann übrigens die Anordnung des Laminataufbaus derart gemacht werden,daß die erwähnten drei Schichten so enthalten sind,daß sie abwechselnd über einer anderen Matrix-Faser-Verbundschicht oder anderen Matrix-Faser-Verbundschichten auf einer anderen Metallschicht oder anderen Metallschichten liegen.
Zusätzlich zu den Ausführungsbeispielen sind die Pufferelektroden der Leistungshalbleiteranordnungen, die beispielsweise in der US-PS 3 969 547 offenbart sind, als Anwendungsfall der Erfindung brauchbar.
Leerseite

Claims (10)

  1. Ansprüche
    ( 1.) Laminataufbau mit einer Verbundschicht aus einer Metallmatrix und darin eingebetteten Fasern mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der Metallmatrix,
    dajdurch gekennzeichnet, daß er eine erste Verbundschicht (100) aus einer ersten Metallmatrix (110) und darin eingebetteten ersten Fasern (130) mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der ersten Metallmatrix (110) derart, daß die erste Verbundschicht (100) insgesamt einen ersten niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als den der ersten Metallmatrix (110) hat,
    eine zweite Verbundschicht (200) aus einer zweiten Metallmatrix (210) und darin eingebetteten zweiten Fasern (230) mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der zweiten Metallmatrix (210) derart, daß die zweite Verbundschicht (200) insgesamt einen zweiten niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als den der zweiten Metallmatrix (210) hat, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten Verbundschicht (100) verschieden ist, und
    eine Metallschicht (120) aufweist, die zwischen der
    680-(17 2TQ-H859D-TF
    ersten Verbundschicht (100) und der zweiten Verbundschicht (200) angeordnet und damit direkt und starr verbunden ist.
  2. 2. Laminataufbau von geschichteter Form für ein elektrisch leitendes Bauteil zur Anbringung in einer Halbleiteranordnung, in der der Laminataufbau zwischen wenigstens einem Halbleiterplättchen und einem Trägerkörper eingefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laminataufbau (2) eine erste Verbundschicht (100) aus einer ersten Metallmatrix (110) und darin eingebetteten ersten Fasern (130) mit gleichem oder niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffi .zient wie bzw. als dem des Halbleiters (1) derart, daß die erste Verbundschicht (100) insgesamt einen dem des Halbleiters (1) nahen Wärmeausdehnungskoeffizient hat,
    eine zweite Verbundschicht (200) aus einer zweiten Metallmatrix (210) und darin eingebetteten zweiten Fasern (230) mit gleichem oder niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizient wie bzw. als dem der zweiten Metallmatrix (210) derart, daß die zweite Verbundschicht (200) insgesamt einen dem des Trägerkörpers (3) nahen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, und
    eine Metallschicht (120) aufweist, die zwischen der ersten Verbundschicht (100)|und der zweiten Verbundschicht (200) angeordnet und damit direkt und starr verbunden ist.
    Λ ·. * ί
    320423
  3. 3. Laminataufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallmatrix (110), die zweite Metallmatrix (210) und die Metallschicht (120) aus dem gleichen Metall bestehen.
  4. 4. Laminataufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Fasern (130) und die zweiten Fasern (230) in der ersten Metallmatrix (110) und in der zweiten Metallmatrix (210) in einer Form von gewirktem Stoff (131, 132; 231, 232) eingebettet sind.
  5. 5. Laminataufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (120) aus einem Metall höherer Steifigkeit als denen der ersten Metallmatrix (110) und der zweiten Metallmatrix (210) besteht.
  6. 6. Laminataufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (120) dünner als die erste Verbundschicht (100) und die zweite Verbundschicht (200)
  7. 7. Laminataufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    ' t ψ
    -A-
    daß die Dicke der Metallschicht (120) 1/25 bis 1/4 derjenigen der ersten Verbundschicht (100) und der zweiten Verbundschicht (200) beträgt.
  8. 8. Laminataufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß er außerdem eine zusätzliche äußere Metallschicht (121, 122) aufweist, die dünner als die erste Verbundschicht (1O0) und die zweite Verbundschicht (200) gemacht und direkt und starr mit jeder der äußeren Hauptflächen (101, 201) gegenüber den der Metallschicht (120) zugewandten inneren Hauptflächen der ersten Verbundschicht (100) und der zweiten Verbundschicht (200) verbunden ist.
  9. 9. Laminataufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste Metallmatrix (110), die zweite Metallmatrix (210) und die Metallschicht (120) aus Kupfer bestehen und die ersten Fasern (130) und die zweiten Fasern (230) aus Kohlenstoff bestehen.
  10. 10. Laminataufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Trägerkörper (3) aus einem Isolierstoff besteht.
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