DE3247985A1 - Keramischer traeger - Google Patents

Keramischer traeger

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Description

Hanau, 23. Dezember 1902 ZPL-Kk/ha
. ■ t W. C. He.raeus GmbH, Hanau
Patentanmeldung "Koramischer Träger"
Die Erfindung betrifft einen keramischen Träger mit hoher thermischer Leitfähigkeit für Halbleiterbauelemente oder elektronische Schaltungen..
Bei Trägern für elektronische Schaltungen treten Probleme bei der Wärmeableitung auf, die mit wachsender Integrationsdichte immer größer werden. Für Hochleistungsanwendungen werden bereits Träger aus Berylliumoxid eingesetzt, die eine fast achtfache bessere Wärmeleitfähigkeit gegenüber den herkömmlichen Aluminiumoxidträger aufweisen, aber wesentlich teurer sin.d als die herkömmlichen Träger aus reinem Aluminiumoxid. Als besonderes Problem wird die extreme Toxizität von Bery lliutiiox idstäuben empfunden, die eine Nachbearbeitung (z.B. Schleifen oder Polieren) des.Anwenders -ausschließt. Die Bearbeitung mui3 in überwachten SpezialWerkstätten erfolgen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Träger zu schaffen, der eine bessere Leitfähigkeit als Aluminium oxidträger aufweist, kostengünstiger herstellbar ist als ein Berylliumoxid träger und ungiftig ist.
G to löst wird dio Aufgabe für einen Träger der eingangs, c'harakteriüiorton Art erfindungsgomäß dadurch, daß er aus poly-' l< ristallinciri A 1 υ in in i umnit rid holier Dichte besteht. Vorteilhafterweise besteht dor Träger aus A Iumtniumnitird mit Born i t r i dzusätzon oder Oxidzusätzen nüs den Oxiden von Calziuui, Magnesium, Aluminium, Titan, Zirkonium und/oder Silizium und/ ü de r 'Sei t one rdiiio ta I lon , zweckütnäß ige ivre ine Y11 r iumox id .
si - 2 .
BAD ORIGINAL
-χ-Ζ.
Vorzugsweise betragen die Zusätze an Bornitrid 0,1 bis 3 Geu.-?i, zweckinäßigerweise 0,5 bis 2 Gew.-So, die der oxidischen Zusätze zwischen 0,1 und 5 Gew.-?o.
Die Vorteile des erfindungsgemäß ausgebildeten Trägers liegen darin, daß er aus einem Material besteht, das.gute dielektrische Eigenschaften und eine gute Tempo raturuechüe Ibes tätuliijkeit bei gleichzeitiger besserer Wärme loi t fäh igke Lt gegiMiiih-er Aluminiumoxid aufweist, und das kostengünstiger als Berylliumoxid herstellbar it. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Trägers ist die Ungiftigkeit. .
•An sich ist Aluminiumnitrid aufgrund seinen kovalenten Bindungscharakters nicht sinterfähig, so daß durch druckloses Sintern keine hohe Dichte und keine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden kann. Bei einer niedrigen Dichte, d.h. bei einem Material mit einer hohe Porosität, kann bekannterweise auch nicht der theoretische Wert für die Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, der für AlN mit 320 W/mk--weit über dem theoretischen Wärmeleitfähigkeitswert des Aluminiumoxid (28 W/mk) liegt.
Der erfindungsgemäße Träger mit Aluminiumnitrid als Grundmateria] wird durch Heißpressen oder Hejßisostatisches Pressen von zusatzfreiem Material oder kostengünstiger durch Sintern in Sticks toffatmosphäre unter Verwendung von Bornitridzusätzen oder oxidischen Zusätzen hergestellt. Durch den Zusatz von Bornitrid oder oxidisehen Zusätzen ist es nun ge Jungeη eine hohe Dichte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, die je nach Art und Menge des Zusatzes-" teilweise über der Wärmeleitfähigkeit von hande !^üblichem Berylliumoxid liegt. Der theoretische Wärmeleitfähigkeitswert von I3e ry IJ iumox id (porenfreies, hochreines Material) liegt bei 210 W/mk. Aufgrund der hohen Verdichtung, w i t'd zusätzlich eine hohe nie.clian ische I e;;l u|keil erreicht. I) ι e . ü\ i d/u:;ä t / e sind vom S L aiulpunk L
BAD ORIGINAL
der guten Verdiehtbarkoit des Aiuminiumnitrids ebenso gut geeignet u'ie das Bornitrid. Mit Oxidzusätzen wurde die höchste Wärmeleitfähigkeit realisiert.
Beispiel 1:
100 .g einer Pulvermischung aus 99 Ge\u.-% Aluminiumnitrid und einem Gew.-% Bornitrid, wurden 25 Stunden in einem Keramikgefäß mit 100 g Keramikmahlkörpern aufgemahlen. Diese Mischung wurde durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 200· μπι durchgesiebt. Das so aufbereitete Pulver wurde in einer Matrize zu Plättchen gepreßt.'. ■
Nach Einbringen der Plättchen in eine graphitbeheizte Sinteranlage wurde diese auf 10~ mbar abgepump-t und anschließend ■ ein Stickstoffdruck von 5mbar eingeregelt. Innerhalb von 3 Stunden wurde auf eine Temperatur von 13000C aufgeheizt. Während dieser Periode wurde ein Stickstoffdruck von 5mbar aufrechterhalten. Bei 13000C wurde ein Stickstoffdruck von 140mbar aufgegeben und die Ventile geschlossen. Innerhalb . ■ von 1 Stunde wurde auf 19ÜO°C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur hat sich ein Stickstoffdruck von l90mbar eingestellt. Nach einer zweistündigen Haltezei.t bei diesen Bedingungen wurde die Anlage abgeschaltet und innerhalb von ca. 12 Stunden' auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wurde die Anlage geflutet und der fertig gesinterte Träger entnommen. Der so hergestellte Träger kann unmittelbar eingesetzt oder gegebenenfalls·beschnitten und einseitig poliert werden.
B e i s ρ i ti 1 2 :
lüüg einur Pu !vormischung aus.90,0 Gow.-?u feinem Aluminiunin it r idpul vertj (Korngröße nach ITS 1,5 μπι) und.2,0 devi .-1Ji Y tt r iuiiiox id--in il uinor Korngröße im Submicronbe rc ich wurde in einer fiürsermühle au f gemahlen . Diese "Mischung, uurde durch ein Sieb dor Masclveno-o ito 60 μ in du rehqesicb t und in einoi Matrize zu P iii ttchen ο ine r Größe von 25 χ 25 χ 1 nimm bzw. zu Stäbchen mit der Abmessung von 5 χ 5 χ. 70 mm ve.rprei.it.
BAD ORIGINAL
Die Plättchen und Stäbe wurden unter Verwendung einer Unterlage von Molybdänblech in eine graphitbeheizte Sinteranlage eingebracht.
Nach Evakuieren der Sinteranlage auf 10 mbar wurde ein Stickstoffdruck von 5 mbar eingeregelt. Innerhalb von 2 Stunden wurde auf eine Temperatur von 110nC aufgeheizt. Während dieser Periode wurde ein Stickstoffdruck von 5 mbar aufrechterhalten. Bei 11000C wurde ein Stickstoffdruck von 120 mbar aufgegeben und die Ventile geschlossen. Innerhalb einer Stunde wurde auf 18OQ0C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur hat sich ein : Stickstoffdruck von 180 mbar eingestellt. Nach einer zweistündigen Haltezeit bei diesen Bedingungen wurde die Anlage abgeschaltet und innerhalb von ca. 12" Stunden auf Räumtemperaur abgekühlt. Danach wurde die Anlage belüftet und die gesinterten Plättchen und Stäbe entnommen. Die Plättchen werden unmittelbar oder nach einseitigem Polieren zur Dickschicht- \ paste-Beschichtung verwendet. Die Stäbe werden gegebenenfalls
j ringsherum überschliffen oder unmittelbar auf einer Innenlochsäge in dünne quadratische Plättschen geschnitten, die ihrerseits für die Bedampfung verwendet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit dieses Trägers beträgt 104 W/ink. Die Härte, qemessen in Knoop mit einer Belastung von 500 g, beträgt durchschnitttlieh 955.
Die gemessene Wärmeleitfähigkeit an dem or f indungsgenuißon Material liegt je nach Art und Plonge des Zusatzes- durchschnittlich zwischen 140 und 100 W-/ink und somit bis zu sechsmal höher wie bei reinem Aluminiumoxid. Diese Werte wurden an Materialproben mit einer relativen Dichte /wischen 90 und 98!/o der tlreo re t i:;ehen Dichte ermittelt. Him zunehmen de r Verdichtung und bei Einsatz eines reineren Mn türi a I ν, nimmt die Wit r nie-In i t f ;jh iijkei t weiter /u. Der tun e r Γ indunijstjomäLien Material
BAD ORIGINAL
höchste bisher gemessene llärtu/ert (Krvoop 50Ü g Belastung) liegt bei 1110, u/ohingegen bei demselben undotierten Ausgangsmateiial maximal eine Härte von 240 erreichbar ist.
BAD ORIGINAL

Claims (6)

  1. Q-
    Patentansprüche
    (1.) Keramischer Träger mit hoher thermischer Leitfähigkeit für Halbleiterbauelemente oder elektronische Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, dai3 er entweder aus polykristallinem Aluminiumnitrid hoher Dichte oder aus Aluminiumnitrid mit einem Zusatz aus Bornitrid oder aus.einem Oxid besteht.
  2. 2. Keramischer Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bornitridzusatz 0,1 bis 3 Gew.-?i beträgt.
  3. 3. Keramischer Träger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bornitridzusatz 0,5 bis 2 Gevi/.-?i beträgt.
  4. 4. Keramischer Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Oxidzusatz zwischen 0,1 und 5 Ge\i/.-?o beträgt.
  5. 5. Keramische Träger nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidzusatz aus den Oxiden C'alziuin, Magnesium, Aluminum, Titan, Zirkonium, Chrom und/oder Seltanerdmetallen besteht.
  6. 6. Keramischer Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus Y 11 r iumox j el besteht.
    BAD ORIGINAL
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