DE69912564T2

DE69912564T2 - Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und Wärmeableitungsanordnung, die diesen verwendet

Info

Publication number: DE69912564T2
Application number: DE1999612564
Authority: DE
Inventors: Hideki Machida-shi Hirotsuru; Kenji Machida-shi Nomura; Ryuichi Machida-shi Terasaki; Mitsuaki Machida-shi Saito; Kazuyuki Machida-shi Hiruta; Akira Machida-shi Miyai
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: KR20000035298A; EP1000915A2; EP1000915A3; DE69912564D1; JP2000281468A; EP1000915B1; US6447894B1; ATE253537T1; KR100637635B1; JP3468358B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochgradig thermisch leitendes Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffmaterial mit ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeitscharakteristika, mit einem leichten Gewicht und das geeignet ist als Kühlkörper für Halbleiterteile, wie ein keramisches Substrat oder eine IC-Baugruppe, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Wärmeableitungsvorrichtung, die dieses verwendet.
Die EP 646 958 A2 offenbart eine Erfindung einer elektronischen Baugruppe vom Boxentyp, umfassend Siliciumcarbid und Aluminium und in diese eingebaute elektronische Elemente.
Zusammen mit der Vergrößerung der Kapazität von Halbleiterelementen und der Hochintegration von Halbleiterelementen auf dem Halbleitersektor war in den letzten Jahren ein bedeutendes Thema, wie die von einem Halbleiterlement erzeugte Wärmeenergie effektiv nach außen abzuführen ist. Ein Halbleiterelement wird in der Regel auf einem isolierenden Substrat, wie einem keramischen Substrat, aufgebracht. In einem derartigen Fall wird die vom Halbleiterelement erzeugte Wärme nach außen mittels eines auf z. B. der Rückseite des Substrats vorgesehenen Kühlkörpers (Wärmeableitungsvorrichtung) abgegeben, um die Leistungsfähigkeitscharakteristika des Halbleiterelements sicherzustellen.
Herkömmlicherweise wurde hauptsächlich Kupfer (Cu) für das Material des Kühlkörpers verwendet. Obwohl Kupfer einen sehr hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 390 W/mK bei einer Temperatur in der Nähe der Raumtemperatur aufweist, hat es einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 17 × 10^–6 /K und demgemäß können sich auf einem keramischen Substrat aufgrund des Unterschieds bei der thermischen Expansion zwischen dem keramischen Substrat (Wärmeausdehnungskoeffizient: 7–8 × 10^–6 /K) und dem Kühlkörper durch zusätzliche thermische Kreisläufe Risse oder Brüche bilden. Wenn herkömmlicherweise ein keramisches Substrat für eine Wärmeableitvorrichtung in einem derartigen Bereich, wo Verläßlichkeit erforderlich ist, eingesetzt wurde, wurde z. B. Mo/W mit einem geringen Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber dem keramischen Substrat als Kühlkörper verwendet.
Obwohl der oben beschriebene Mo/W-Kühlkörper eine ausgezeichnete Verläßlichkeit aufweist, hat dieser einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 150 W/mK, was hinsichtlich der Wärmeableitungscharakteristika problematisch ist und ferner ist ein derartiger Kühlkörper kostspielig. Unter diesen Umständen wurde die Aufmerksamkeit auf einen metallkeramischen Verbundwerkstoff gerichtet, der keramische Fasern oder Teilchen und eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung, verstärkt durch die keramischen Fasern oder Teilchen aufweist, die in den jüngsten Jahren einfach als MMC (Metallmatrixcomposit) bezeichnet wurde. Ein derartiger Verbundwerkstoff wird in der Regel in einer derartigen Art und Weise hergestellt, dass keramische Fasern oder Teilchen als Verstärkungsmaterial zunächst gebildet werden, um eine Vorform herzustellen, und ein Metall als Basismaterial (Matrix) infiltriert in die Fasern oder Teilchen der Vorform. Als das verstärkende Material kann eine Keramik, wie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Kohlenstoff verwendet werden. Jedoch beeinträchtigen die Benetzbarkeit der Keramik als das Verstärkungsmaterial und der Legierung als der Matrix und der Reaktionsschicht an der Grenzfläche dazwischen signifikant den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten des Verbundwerkstoffs.
Um für den oben erwähnten Verbundwerkstoff den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zu erhöhen, ist es notwendig, ein Verstärkungsmaterial und eine Legierung mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten auszuwählen und um den Wärmeausdehnungskoeffizienten herabzusetzen, ist es notwendig, ein Verstärkungsmaterial mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszuwählen. Demgemäß wurde hauptsächlich ein Verbundwerkstoff von Siliciumcarbid mit Aluminiumlegierung untersucht.
Hinsichtlich der Wärmeableitungsvorrichtung, umfassend ein herkömmliches keramisches Substrat und einen Kühlkörper, die, wie oben erwähnt, miteinander verbunden sind, wenn ein Schwermetallmaterial, wie Mo oder W, für den Kühlkörper verwendet wird, wird die Wärmeableitungsvorichtung jedoch schwer und die Wärmeableitungseigenschaften sind ungenügend. Wenn andererseits z. B. Cu oder Al als Kühlkörper verwendet wird, die relativ leicht sind und ausgezeichnete Wärmeableitungseigenschaften aufweisen, wird der Unterschied bei der thermischen Expansion gegenüber dem keramischen Substrat groß, und um eine Struktur mit hoher Verläßlichkeit zu erhalten, wird die Bindungsstruktur an sich äußerst kompliziert, was zu erhöhten Produktionskosten und einem Anstieg der thermischen Widerstandsfähigkeit bei der Wärmeableitungsvorrichtung führt. Im Hinblick auf die herkömmliche Wärmeableitungsvorrichtung mit einer Bindungsstruktur des keramischen Substrats und des Kühlkörpers war es demgemäß ein Ziel, die Bindungsstruktur zu vereinfachen und die Verläßlichkeit und Wärmeableitungseigenschaften zu verbessern.
Um andererseits die oben erwähnten Probleme zu überwinden, wurde ein metallkeramischer Verbundwerkstoff untersucht. Um einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem keramischen Substrat zu erhalten, war es jedoch notwendig, den Anteil der Keramik als verstärkendem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhöhen. Um den Anteil der keramische Komponente zu erhöhen, war es notwendig, unter hohem Formungsdruck eine Vorform zu bilden, wodurch die Kosten hoch werden und eine darauffolgende Infiltration der Legierung nicht mehr in geeigneter Weise durchgeführt werden konnte. Demgemäß war es ein Ziel, Techniken zu entwickeln, um einen metallkeramischen Verbundwerkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem keramischen Substrat und mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten mit niedrigen Kosten bereitzustellen.
Wenn ferner ein derartiges Verbundwerkstoffmaterial als Wärmeableitungsvorrichtung verwendet wird, wird der Verbundwerkstoff auf ein Schaltungssubstrat aufgelötet und wenn demgemäß die Wölbung des Verbundwerkstoffs zu stark ist, wird das Löten schwierig. Wenn ein derartiger Verbundwerkstoff für die Wärmeableitungsvorrichtung verwendet wird, ist es daher erforderlich, die Wölbung in einem bestimmten Maß zu steuern. Andererseits wird eine Vorrichtung mit einer derartigen darin aufgenommenen Wärmeableitungsvorrichtung, wie einem Energiemodul, in der Regel z. B. auf Kühlrippen durch Schrauben befestigt. In einem derartigen Fall ist die Bindungsfläche zwischen der Vorrichtung, wie einem Energiemodul, und den Kühlrippen bevorzugt konvex, so dass eine Belastung auf die Bindungsfläche hinsichtlich der Wärmeableitungseigenschaften ausgeübt wird, da die Schraubungskraft nach dem Verschrauben hoch ist. Hinsichtlich eines herkömmlichen metallkeramischen Verbundwerkstoffes, um gegebenenfalls, wie oben erwähnt, eine Form, wie eine Wölbung, hinzuzufügen, gibt es jedoch keinen Weg, außer der Anpassung durch mechanische Bearbei tung. In einem derartigen Fall ist der metallkeramische Verbundwerkstoff extrem hart, die mechanischen Verarbeitungskosten werden hoch und die Vorrichtung an sich wird extrem teuer.
Unter diesen Umständen wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um einen Verbundwerkstoff bereitzustellen, der eine hohe thermische Leitfähigkeit, ein geringes spezifisches Gewicht und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem keramischen Substrat aufweist, der eine Wölbung hat und der z. B. an eine Wärmeableitungsvorrichtung fest gebunden werden kann, sowie eine diesen einsetzende Wärmeableitungsvorrichtung mit geringen Kosten.
Die gegenwärtigen Erfinder haben umfangreiche Studien durchgeführt, um die oben erwähnten Ziele zu erreichen und als Ergebnis haben sie gefunden, dass Charakteristika, wie der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Form des Verbundwerkstoffs durch Einstellen der Zusammensetzung und der Struktur des Verbundwerkstoffs gesteuert werden können, und die vorliegende Erfindung wurde fertiggestellt.
D.h. die vorliegende Erfindung liefert einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, der einen flachen Verbundwerkstoff darstellt, umfassend eine poröse Vorform von Siliciumcarbid und ein Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, infiltriert in die poröse Vorform, wobei der Verbundwerkstoff eine Wölbung von höchstens 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs aufweist.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Siliciumcarbidverbundwerkstoff, der ein flacher Verbundwerkstoff ist, mit mindestens vier Öffnungen in dessen Ebene und mit einem Verhältnis von 50 ≤ Cx ≤ 250 und –50 ≤ Cy ≤ 200, worin Cx die Wölbung (μm) pro 10 cm in der Öffnungs-zu-Öffnungsrichtung (x-Richtung) ist und Cy die Wölbung (μm) pro 10 cm in einer dazu senkrechten Richtung (y-Richtung) darstellt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, wobei sowohl Front- als auch Rückseite mit einer Metallschicht, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, beschichtet sind mit einer durchschnittlichen Dicke von 10 bis 150 μm, mit einer Differenz der durchschnittlichen Dicke zwischen der Front- und Rückseitenmetallschichten von höchstens 140 μm.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, der einen flachen Verbundwerkstoff darstellt, umfassend einen Verbundwerkstoffteil (A) und eine Metallschicht (B), enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, vorgesehen an mindestens einer Seite des Verbundwerkstoffs und mit einem Verhältnis von TA/TB von 5 bis 30, worin TA die durchschnittliche Dicke (μm) des Verbundwerkstoffteils (A) und TB die gesamte durchschnittliche Dicke (μm) der Metallschichten (B) an beiden Seiten darstellen.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner den oben erwähnten Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, worin die Wölbung 50 bis 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs darstellt, und das Produkt von |TB1–TB2| und die maximale Länge des Verbundwerkstoffs (L; cm) 500 bis 2500 beträgt, worin |TB1–TB2| den Absolutwert der Differenz zwischen der durchschnittlichen Dicke der Frontmetallschicht (B) (TB1; μm) und der durchschnittlichen Dicke der rückwärtigen Metallschicht (B) (TB2; μm) darstellt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, umfassend eine poröse Vorform von Siliciumcarbid, und mit einem abgestuften Abschnitt an mindestens einer Hauptebene der Vorform.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, der einen Verbundwerkstoff mit zwei flachen Verbundwerkstoffen (C und D) und Metallschichten (E), enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, darstellt, laminiert, um eine Struktur ECEDE zu erhalten, worin der Unterschied des Kohlenstoffgehalts zwischen den flachen Verbundwerkstoffen (C) und (D) 0,5 bis 2,5 Gew.-% beträgt, und die Wölbung 50 bis 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs beträgt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs, das umfaßt: Ausüben einer Belastung auf einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff bei einer Temperatur von mindestens 350°C zur plastischen Deformation, um eine Wölbung zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, der einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 9 × 10^–6 /K aufweist, wenn von Raumtemperatur (25°C) auf 150°C erhitzt wird, sowie einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von mindestens 150 W/mK bei Raumtemperatur (25°C).
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Wärmeableitungsvorrichtung, die einen flachen Verbundwerkstoff und ein keramisches Substrat für einen daran gebundenen Halbleiter aufweist.
Die vorliegende Erfindung liefert ebenfalls eine Wärmeableitungsvorrichtung, die ein keramisches Substrat, hergestellt aus Aluminiumnitrid und/oder Siliciumnitrid, umfaßt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner die oben erwähnte Wärmeableitungsvorrichtung, worin, wenn die Seite ohne daran gebundenes keramisches Substrat mittels einer Wärmeleitpaste an eine Platte gebunden wird, mindestens 90% dieser Seite mit einer Schraubendrehkraft von mindestens 2N an der Platte anhaften.
1 ist eine Draufsicht und eine Seitenansicht, die eine in den Beispielen der vorliegenden Erfindung einzusetzende Form veranschaulicht.
2 veranschaulicht ein Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
3 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
4 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
5 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
6 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
7 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer für den Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung einzusetzenden porösen Vorform eines Siliciumcarbids.
9 ist eine Draufsicht, die einen Verbundwerkstoff in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 ist ein Diagramm, das eine in den Beispielen der vorliegenden Erfindung einzusetzende Vorrichtung erläutert.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des metallkeramischen Verbundwerkstoffs wird in der Regel durch die thermisch Expansionskoeffizienten der Keramik als Verstärkungsmaterial und des Metalls als einer Matrix sowie der Zusammensetzung hiervon bestimmt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Keramik ist bedeutend kleiner, verglichen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls, und es ist daher effektiv, den Anteil der Keramik zu erhöhen, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs herabzusetzen. Obwohl der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des metallkeramischen Verbundwerkstoffs grundsätzlich durch die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Keramik als Verstärkungsmaterial und des Metalls als einer Matrix sowie der Zusammensetzung hiervon bestimmt wird, wird andererseits der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient durch den Bindungszustand an der Grenzfläche zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Matrix signifikant beeinflußt. In der Regel hat ein Metall einen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als Keramik. Z. B. haben jedoch Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumnitrid (AlN) oder Bornitrid (BN) einen theroretischen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten gleich oder höher als ein Metall (mindestens 300 W/mK), und sie sind als Verstärkungsmaterialien außerordentlich vielversprechend. Jedoch im Falle der praktischen Herstellung eines Verbundwerkstoffs sind AlN und BN kostspielig, und demgemäß ist auch der erhaltene Verbundwerkstoff kostspielig. Ferner werden AlN und BN an Luft leicht oxidiert, und wenn sie in einen Verbundwerkstoff eingebracht werden, bildet sich wahrscheinlich eine Glasphase mit einem außerordentlich niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zwischen der Keramik als dem Verstärkungsmaterial und dem Metall als der Matrix aus, und demgemäß wird sich der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des erhaltenen Verbundwerkstoffs verringern.
Die gegenwärtigen Erfinder haben umfangreiche Studien hinsichtlich des Verstärkungsmaterials durchgeführt und haben folglich gefunden, dass eine Keramik, enthaltend Siliciumcarbid als Hauptkomponente, für die Herstellung eines metallkeramischen Verbundwerkstoffs mit sowohl hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizient als auch niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient geeignet ist.
Um andererseits einen derartigen Verbundwerkstoff herzustellen, ist die Benetzbarkeit zwischen dem Verstärkungsmaterial und dem Metall wichtig, um einen dichten Verbundwerkstoff zu erhalten. Wenn der Schmelzpunkt des einzubringenden Metalls hoch ist, wird die Temperatur während der Infiltration hoch, wodurch die Keramik oxidiert wird, oder die Keramik kann mit dem Metall reagieren, um eine Verbindung mit unerwünschten Charakteristika zu erzeugen. Wenn ferner der Schmelzpunkt des Metalls als der Matrix hoch ist, wird die Tem peratur zur Infiltration hoch, wodurch das Material, zum Beispiel ein Formungsmaterial, eingeschränkt wird, und die Formungskosten an sich werden ansteigen, und demgemäß wird der erhaltene Verbundwerkstoff kostspielig.
Die gegenwärtigen Erfinder haben umfangreiche Studien hinsichtlich des Metalls als der Matrix durchgeführt. Sie haben folglich gefunden, dass ein guter Verbundwerkstoff unter Verwendung einer Legierung, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, hergestellt werden kann. D.h. der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Siliciumcarbidpulver oder ein poröses Material von Siliciumcarbid und ein Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, das darin infiltriert ist.
Die Charakteristika des metallkeramischen Verbundwerkstoffs, wie der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, werden durch die Charakteristika der Keramik als dem Verstärkungsmaterial und dem Metall als der Matrix sowie der Zusammensetzung hiervon bestimmt. Der Gehalt an Siliciumcarbid im Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung beträgt bevorzugt 50 bis 80 Vol.-%, noch bevorzugter 60 bis 70 Vol.-%. Wenn der Gehalt an Siliciumcarbid weniger als 50 Vol.-% beträgt, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs hoch, und demgemäß ist es weniger wahrscheinlich, eine Wärmeableitungsvorrichtung mit einer hohen Verläßlichkeit zu erhalten, was ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist. Obwohl es ferner effektiv ist, den Gehalt an Siliciumcarbid hinsichtlich eines hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und eines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoff zu erhöhen, gibt es, wenn der Gehalt 80 Vol.-% übersteigt, ein derartiges Problem, dass ein extrem hoher Formungsdruck erforderlich wird, und daher sind die Kosten für den metallkeramischen Verbundwerkstoff außerordentlich hoch.
Das Metall im Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung ist eine Legierung, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, und diese enthält bevorzugt höchstens 20 Gew.-% Silicium und höchstens 5 Gew.-% Magnesium. Hinsichtlich der Metallkomponenten in der Legierung kann außer Aluminium, Silicium und Magnesium z. B. Kupfer in einem Bereich, in dem es die Charakteristika der Legierung nicht extrem ändert, darin enthalten sein. Durch Einstellen der Komponenten in der Legierung, außer Aluminium, kann der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient oder der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung an sich verändert werden, und der Wärmeausdehnungskoeffizient oder der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des zu erhaltenden Verbundwerkstoffs können ebenfalls eingestellt werden. Durch Legieren von Silicium und Magnesium mit Aluminiummetall wird ferner der Schmelzpunkt der Legierung abgesenkt, oder die Viskosität des geschmolzenen Metalls nimmt bei hoher Temperatur ab, wodurch es wahrscheinlich ist, einen dichten Verbundwerkstoff, z. B. durch ein Hochtemperaturformungsverfahren, zu erhalten. Durch Legieren des Aluminiummetalls wird ferner die Härte des Metalls an sich erhöht und folglich werden die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs, wie die Festigkeit, verbessert.
Ferner ist die Wölbung in der vorliegenden Erfindung höchstens 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs. Wenn die Wölbung 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs übersteigt, wenn der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt wird, wird ein Binden, z. B. an ein Schaltungssubstrat, beeinträchtigt oder eine übermäßige Biegebeanspruchung wird auf den Verbundwerkstoff ausgeübt, wenn der Verbundwerkstoff auf z. B. einer Kühlrippe durch Schrauben befestigt wird, was zum Brechen des Verbundwerkstoffs führt. Andererseits wird eine Vorrichtung, wie ein Energiemodul, mit einer aus einem darin eingebrachten Verbundwerkstoff zusammengesetzten Wärmeableitungsvorrichtung, z. B. auf Kühlrippen durch Schrauben befestigt. In einem derartigen Fall ist die Oberflächenbindung an die Vorrichtung, wie einem Energiemodul, und den Kühlrippen bevorzugt konvex, so dass eine Belastung auf die Bindungsfläche, hinsichtlich der Wärmeableitungseigenschaften ausgeübt wird, da die Schraubenkraft nach dem Verschrauben hoch ist.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf einem flachen Verbundwerkstoff mit mindestens vier Öffnungen in seiner Hauptebene, so dass der flache Verbundwerkstoff durch Schrauben auf einer weiteren Wärmeableitungsvorrichtung befestigt werden kann. Die Form der Öffnungen kann gegebenenfalls abhängig von der Größe von z. B. der Wärmeableitungsvorrichtung ausgewählt werden und in der Regel haben die Öffnungen eine derartige Größe, dass Schrauben von M6 bis M10 hindurchgebohrt werden können. Abhängig von der Größe einer Wärmeableitungsplatte können mindestens vier Öffnungen hergestellt werden. Jedoch kann die gesamte Fläche der Wärmeableitungsplatte nicht immer an die Wärmeableitungsvorrichtung mit höchstens drei Öffnungen befestigt werden.
In der vorliegenden Erfindung ist es essentiell, dass 50 ≤ Cx ≤ 250 und –50 ≤ Cy ≤ 200 ist, wobei Cx die Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Öffnungs-zu-Öffnungsrichtung (x-Richtung) ist und Cy die Wölbung (μm) pro 10 cm in einer dazu senkrechten Richtung (y-Richtung) darstellt. Hier ist die Öffnungs-zu-Öffnungsrichtung (x-Richtung) eine Richtung auf der Oberfläche der Wärmeableitungsplatte, und die y-Richtung ist eine Richtung senkrecht zur x-Richtung auf der oben erwähnten Oberfläche, wie in 9(a)–(d) veranschaulicht.
Die gegenwärtigen Erfinder haben verschiedene Versuche durchgeführt, um die oben erwähnten Probleme im Stand der Technik zu überwinden, und sie haben folglich gefunden, dass, wenn die Wölbungen (Cx; μm, und Cy; μm) innerhalb des oben spezifizierten Bereichs liegen, die aus dem Verbundwerkstoff zusammengesetzte Wärmeableitungsplatte an eine weitere Wärmeableitungsvorrichtung durch Schrauben befestigt werden kann, und die vorliegende Erfindung wurde fertiggestellt. Im Falle, wo die aus dem Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung zusammengesetzte Wärmeableitungsplatte an eine weitere Wärmeableitungsvorrichtung durch Schrauben befestigt wird, werden sie in der Regel mittels einer dazwischen eingebrachten Wärmeleitpaste befestigt. Demgemäß ist der absolute Wert der Wölbung (Cy) in y-Richtung bevorzugt kleiner als die Dicke der Wärmeleitpaste. Ferner ist die Wölbung (Cy) in y-Richtung bevorzugt kleiner als die Wölbung (Cx) in x-Richtung im Hinblick auf die Deformation der Wärmeableitungsplatte zum Zeitpunkt des Verschraubens. Wenn die oben erwähnten Wölbungen nicht innerhalb der oben spezifizierten Bereiche liegen, kann die Wärmeableitungsplatte in einigen Fällen nicht an eine weitere Wärmeableitungsvorrichtung durch Schrauben fest befestigt werden.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf einem flachen Verbundwerkstoff, umfassend einen flachen Verbundwerkstoff (A) und Legierungsschichten (B), enhaltend Aluminium als Hauptkomponente, gebunden an beiden Seiten des flachen Verbundwerkstoffs (A). Da die Oberfläche mit der Aluminium als Hauptkomponente enthaltenden Legierungsschicht bedeckt ist, ist das Bearbeiten des Metallabschnitts ausreichend, um die Oberfläche zu bearbeiten und demgemäß kann ein Aufladen während der Bearbeitung beträchtlich verringert werden. Das ist der Fall, weil, wenn ein metallkeramischer Verbund werkstoff auf der Oberfläche vorhanden ist, der Teil alleine hart ist, wodurch die Bearbeitung nicht einheitlich verläuft oder eine kostspielige Bearbeitungsvorrichtung aus z. B. Diamant wird notwendig. Da ferner die Oberfläche mit einer Metallschicht bedeckt ist, wird die Einheitlichkeit im Falle des Durchführens einer Plattierungsbehandlung verbessert. Aus den oben erwähnten Gründen beträgt die durchschnittliche Dicke der Metallschicht mindestens 10 μm.
Da andererseits die Metallschicht ein Metall umfaßt, das Aluminium als Hauptkomponente enthält, weist es einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, verglichen mit dem metallkeramischen Verbundwerkstoffteil auf. Demgemäß erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Verbundwerkstoffs mit der Zunahme der Dicke der Metallschicht. Die durchschnittliche Dicke der Metallschicht beträgt demnach höchstens 150 μm.
Ferner verursacht der Unterschied der durchschnittlichen Dicke zwischen den Front- und Rückseitenmetallschichten einen Unterschied der thermischen Expansion zwischen den Front- und Rückseiten des Verbundwerkstoffs an sich aufgrund des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallschicht und dem metallkeramischen Verbundwerkstoff und folglich bildet sich eine Wölbung auf dem Verbundwerkstoff. Wenn eine derartige Wölbung nicht kontrolliert wird, beeinträchtigt sie die Bindung des Verbundwerkstoffs, z. B. zu einem Schaltungssubstrat, wenn der Verbundwerkstoff z. B. für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt wird. Die Wölbung und die Differenz der Dicke zwischen den Front- und Rückseitenmetallschichten sind eng miteinander verbunden und wenn die Differenz der Dicken 140 um übersteigt, wird die Wölbung des Verbundwerkstoffs zu groß, wodurch der Verbundwerkstoff nicht länger geeignet ist, um z. B. für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt zu werden. Hinsichtlich eines flachen Verbundwerkstoffs mit Öffnungen in seiner Hauptebene, so dass der Verbundwerkstoff an eine andere Wärmeableitungsvorrichtung durch Schrauben befestigen werden kann, im Falle eines schmalen Verbundwerkstoffs mit einem Abstand zwischen den Öffnungen von höchstens 10 cm, beträgt die Wölbung bevorzugt höchstens 100 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs, um die Wärmeableitungsplatte an einer weiteren Wärmeableitungsvorrichtung durch Schrauben fest zu befestigen.
Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf einem Verbundwerkstoff mit einem Verhältnis von TA/TB von 5 bis 30, wobei TA die durchschnittliche Dicke des flachen Verbundwerkstoffs (A) ist und TB die gesamte durchschnittliche Dicke der Legierungsschichten an beiden Seiten darstellt. Wenn TA/TB weniger als 5 beträgt, neigt die Legierungsschicht dazu, zu dick zu sein, wodurch Charakteristika, wie der Wärmeausdehnungskoeffizient und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, abnehmen. Wenn andererseits TA/TB 30 übersteigt, neigt die Legierungsschicht auf der Oberfläche dazu, zu dünn zu sein, und demgemäß im Falle des Durchführens von z. B. einer mechanischen Bearbeitung der Oberfläche, wird der flache Verbundwerkstoff teilweise freigelegt, wodurch die Bearbeitungsvorrichtung zerbrochen wird oder die Plattierungscharakteristika beeinträchtigt werden. Ferner ist ein bestimmtes Maß an Legierungsschichtdicke ebenfalls im Falle des Einstellens der Dicke der Legierungschicht auf der Oberfläche, um die Form des Verbundwerkstoffs einzustellen, insbesondere die Wölbung, notwendig, und demgemäß ist es erforderlich, dass TA/TB höchstens 30 ist.
Ferner beträgt die Wölbung 50 bis 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs und die Differenz zwischen der durchschnittlichen Dicke der Frontlegierungsschicht (B) (TB1; μm) und der durchschnittlichen Dicke der rückwärtigen Legierungsschicht (B) (TB2; μm) und die maximale Länge des Verbundwerkstoffs (L; cm) sind derart, dass 500 < |TB1–TB2| × L < 2500. Wenn die Wölbung 250 um pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs übersteigt, im Falle der Verwendung des Verbundwerkstoffs der vorliegenden Erfindung als Wärmeableitungsvorrichtung, wird die Bindung z. B. an ein Schaltungssubstrat beeinträchtigt oder zum Zeitpunkt des Befestigens des Verbundwerkstoffs an z. B. dem Wärmeableitungsgrat durch Schrauben wird ein übermäßiges Maß an Biegebeanspruchung auf den Verbundwerkstoff ausgeübt, wodurch der Verbundwerkstoff zerbricht. Eine Vorrichtung, wie ein Energiemodul, mit einer aus einem derartigen darin eingebrachten Verbundwerkstoff zusammengesetzten Wärmeableitungsvorrichtung wird andererseits z. B. an Kühlrippen durch Schrauben befestigt. In einem derartigen Fall ist die Oberflächenbindung mit der Vorrichtung, wie einem Energiemodul, und den Kühlrippen bevorzugt konvex, so dass auf die Bindungsfläche eine Belastung hinsichtlich der Wärmeableitungseigenschaften ausgeübt wird, da die Schraubenkraft nach dem Verschrauben hoch ist. Wenn demgemäß die Wölbung weniger als 50 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs beträgt, wird die Wölbung in dem Falle ungeeignet, wo der Verbundwerkstoff beispielsweise für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt wird, und es gibt Probleme hinsichtlich der Wärmeableitungscharakteristika.
Hinsichtlich des Verbundwerkstoffs mit einer derartigen Struktur verursacht der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Legierungsschicht und dem flachen Verbundwerkstoff (metallkeramischer Verbundwerkstoff) einen Unterschied hinsichtlich der thermischen Expansion zwischen den Front- und Rückseiten des Verbundwerkstoffs an sich, wenn es einen Unterschied hinsichtlich der Dicke zwischen den frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten gibt und folglich wird auf dem Verbundwerkstoff eine Wölbung gebildet. Eine derartige Wölbung hängt eng mit der Differenz der Dicken der frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten und mit der Größe des flachen Verbundwerkstoffs zusammen und die Wölbung ist groß, wenn die Differenz der Dicke der frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten groß ist, oder die Größe des flachen Verbundwerkstoffs groß ist. Wenn |TB1–TB2| × L 2500 übersteigt, wird die Wölbung des Verbundwerkstoffs zu groß und wenn |TB1–TB2| × L weniger als 500 beträgt, wird die Wölbung des Verbundwerkstoffs zu klein, und dies verursacht Probleme wie oben erwähnt im Falle, wo der Verbundwerkstoff für die Wärmeableitungsvorrichtung verwendet wird.
In der vorliegenden Erfindung hat ferner mindestens eine Hauptebene der porösen Vorform von Siliciumcarbid einen abgesetzten Abschnitt. Wie oben erwähnt, hat der Verbundwerkstoff mit einer derartigen Struktur eine Wölbung aufgrund der Differenz der Dicke zwischen den frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten. Als Form des abgesetzten Abschnitts können eine mit der Seitenfläche verbundene Struktur, wie eine Nut, eine mit der Seitenfläche nicht verbundene Struktur, wie eine Kerbe, oder eine kombinierte Struktur hiervon erwähnt werden. Die Tiefe des abgesetzten Abschnitts variiert abhängig von dem Bereich des abgesetzten Abschnitts. Im Falle, wo der Bereich des abgesetzten Abschnitts groß ist, ist die durchschnittliche Tiefe des abgesetzten Bereichs notwendigerweise flach, und im Falle, wo der Bereich des abgesetzten Abschnitts klein ist, ist die durchschnittliche Tiefe des abgesetzten Bereichs notwendigerweise groß. Um demgemäß eine gewünschte Differenz hinsichtlich der durchschnittlichen Dicke zwischen den frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten zu erhalten, wird ein Unterschied hinsichtlich des Volumens des abgesetzten Abschnitts zwischen Front- und Rückseite notwendig. Der Unterschied im Volumen des abgesetzten Abschnitts zwischen Front- und Rückseite beträgt bevorzugt 3 bis 15% des Volumens des Verbundwerkstoffs. Wenn dieses weniger als 3% beträgt, wird die Differenz der Dicke zwischen den frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten klein, wodurch eine gewünschte Wölbung nicht erhalten wird. Wenn dieser ferner 15% übersteigt, wird die Differenz der Dicke zwischen den frontseitigen und rückwärtigen Legierungsschichten groß, wodurch die Wölbung des Verbundwerkstoffs zu groß wird, und demgemäß wird ein Binden z. B. eines Schaltungssubstrats im Falle, wo der Verbundwerkstoff z. B. für eine Wärmeableitungsvorrichtung verwendet wird, beeinträchtigt. Der Bereich des abgesetzten Abschnitts beträgt ferner bevorzugt 20 bis 80% der Hauptebene. Wenn er weniger als 20% beträgt, wird die durchschnittliche Tiefe des abgesetzten Bereichs notwendigerweise außerordentlich groß. Dies ist ungünstig hinsichtlich z. B. der Festigkeit des Verbundwerkstoffs. Wenn andererseits 80% überstiegen werden, wird die Uneinheitlichkeit der Dicke der Legierungsschicht auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs signifikant. Der abgesetzte Abschnitt kann auf einer Hauptebene der porösen Vorform von Siliciumcarbid oder an beiden Seiten hiervon vorgesehen sein, solange es einen Unterschied hinsichtlich des Volumens des abgesetzten Abschnitts zwischen der Front- und der Rückseite gibt.
In der vorliegenden Erfindung ist der Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff ferner ein Verbundwerkstoff mit flachen Verbundwerkstoffen (C und D) und Metallschichten (E), enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, laminiert, um eine Struktur ECEDE zu ergeben, worin der Unterschied im Kohlenstoffgehalt zwischen den flachen Verbundwerkstoffen (C) und (D) 0,5 bis 2,5 Gew.-% beträgt. Da der Verbundwerkstoff eine Fünfschichtstruktur aufweist, können die Zusammensetzungen der flachen Verbundwerkstoffe (C und D) eingestellt werden, und folglich kann die Wölbung dem Verbundwerkstoff zugefügt werden. Speziell der Unterschied des Kohlenstoffgehalts entsprechend dem Siliciumcarbidgehalt zwischen den flachen Verbundwerkstoffen (C und D) beträgt 0,5 bis 2,5 Gew.-%. Mit der Zunahme beim Siliciumcarbidgehalt im Verbundwerkstoff wird der Wärmeausdehnungskoeffizient gering, und der Unterschied bei der thermischen Expansion zwischen dem flachen Verbundwerkstoff (C) und dem flachen Verbundwerkstoff (D) wird hauptsächlich durch den Unterschied des Kohlenstoffgehalts kontrolliert und eine Wölbung resultiert. Wenn der Unterschied hin sichtlich des Kohlenstoffgehalts weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, wird der Unterschied bei der thermischen Expansion zwischen dem flachen Verbundwerkstoff (C) und dem flachen Verbundwerkstoff (D) zu klein, wodurch keine geeignete Wölbung erreichbar wird. Wenn ferner der Unterschied beim Kohlenstoffgehalt 2,5 Gew.-% übersteigt, wird der Unterschied bei der thermischen Expansion zwischen dem flachen Verbundwerkstoff (C) und dem flachen Verbundwerkstoff (D) zu groß, wodurch der Verbundwerkstoff nicht mehr geeignet ist, um beispielsweise für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt zu werden.
Die Wölbung des Verbundwerkstoffs beträgt bevorzugt 50 bis 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs. Wenn die Wölbung 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs übersteigt, wenn der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt wird, wird die Bindung z. B. an ein Schaltungssubstrat beeinträchtigt, oder wenn der Verbundwerkstoff auf Kühlrippen durch Schrauben befestigt wird, wird ein übermäßiges Maß an Biegebeanspruchung auf den Verbundwerkstoff ausgeübt, wodurch der Verbundwerkstoff zerbricht. Andererseits wird eine Vorrichtung, wie ein Energiemodul, mit einer aus einem darin eingebrachten Verbundwerkstoff zusammengesetzten Wärmeableitungsvorrichtung, beispielsweise auf Kühlrippen durch Schrauben befestigt. In einem solchen Fall sind die Oberflächenbindung an die Vorrichtung, wie ein Energiemodul, und den Kühlrippen bevorzugt konvex, so dass eine Belastung auf die Bindungsfläche hinsichtlich der Wärmeableitungseigenschaften ausgeübt wird, da die Schraubenkraft nach dem Verschrauben hoch ist. Wenn demgemäß die Wölbung weniger als 50 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs beträgt, wird die Wölbung ungeeignet, wenn der Verbundwerkstoff beispielsweise für eine Wärmeableitungsvorrichtung verwendet wird, und das Ziel der vorliegenden Erfindung kann in einigen Fällen nicht erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs, das umfaßt: Ausüben einer Belastung auf den oben erwähnten flachen Verbundwerkstoff bei einer Temperatur von mindestens 350°C zur plastischen Deformation, wobei die Belastung senkrecht zur Hauptebene des Verbundwerkstoffs erfolgt, um eine Wölbung zu erhalten. Durch das oben erwähnte Vorgehen kann ein flacher Verbundwerkstoff mit der oben erwähnten erwünschten Wölbung ohne weiteres erhalten werden. In einem derartigen Fall ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Verbundwerkstoff in eine Form mit einer inneren Fläche einer gewünschten Form gepreßt wird, da hohe Reproduzierbarkeit erreicht werden kann. Hierbei unterliegt das Metall im Verbundwerkstoff, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, bei einer Temperatur von weniger als 350°C keiner wesentlichen plastischen Deformation, wodurch das Ziel der vorliegenden Erfindung kaum erreicht werden kann. Hinsichtlich der Obergrenze der oben erwähnten Temperatur kann ein Teil der Aluminiumlegierung, wenn die Temperatur 600°C übersteigt, eine flüssige Phase bilden, und sich verflüssigen. Wenn der Verbundwerkstoff auf die Temperatur erhitzt wird, bei der die Legierung sich verflüssigt, kann aufgrund der Verfestigung, wenn abgekühlt wird, eine Deformation resultieren, und dies ist ungünstig.
Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung weist ferner einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von mindestens 150 W/mK bei Raumtemperatur (25°C) auf. Wenn der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient weniger als 150 W/mK beträgt, werden keine geeigneten Wärmeableitungscharakteristika erhältlich, wenn beispielsweise für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt, und die Verwendung des Verbundwerkstoffs wird begrenzt.
Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung weist ferner einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizient von höchstens 9 × 10^–6 /K auf, wenn von Raumtemperatur (25°C) auf 150°C erhitzt wird. Wenn der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient 9 × 10^–6 /K übersteigt, wenn von Raumtemperatur (25°C) auf 150°C erhitzt wird, wenn der Verbundwerkstoff für eine Wärmeableitungsvorrichtung, wie einen Energiemodul, eingesetzt wird, wird die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten mit dem keramischen Substrat zu groß, wodurch Risse oder Brüche auf dem keramischen Substrat durch zusätzliche thermische Zyklen gebildet werden, und demgemäß wird die Verwendung des Verbundwerkstoffs begrenzt, wenn dieser für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt wird, die Verläßlichkeit erfordert.
Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung weist ferner ein geringes Gewicht mit einer Dichte in einer Größenordnung von 3 g/cm³, verglichen mit einem Metall, wie Kupfer, auf, demgemäß ist der Verbundwerkstoff effektiv, um die Vorrichtung leichter zu machen, wenn sie beispielsweise für eine Wärmeableitungsvorrichtung verwendet wird. Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung weist an dererseits eine hohe Biegebeanspruchung von mindestens 300 MPa auf, und hat geeignete mechanische Charakteristika, um beispielsweise für eine Wärmeableitungsvorrichtung eingesetzt zu werden.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine den oben erwähnten Verbundwerkstoff einsetzende Wärmeableitungsvorrichtung. Die Wärmeableitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung hat ausgezeichnete thermische Leitfähigkeitscharakteristika und geeignete mechanische Charakteristika und ist geeignet, um beispielsweise als Kühlkörper eingesetzt zu werden. Ferner weist die Wärmeableitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein geringes Gewicht mit einer Dichte in einer Größenordnung von 3 g/cm³ auf und ist geeignet als Wärmeableitungsvorrichtung in einem Transportmittel eingesetzt zu werden. Die Wärmeableitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung hat ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeitscharakteristika und hat einen niedrigen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizient mit höchstens 9 × 10^–6 /K. Wenn diese daher als Wärmeleitfähigkeitsvorrichtung, wie ein Kühlkörper, verglichen mit dem Fall, wo z. B. herkömmliches Kupfer eingesetzt wird, verwendet wird, ist der Unterschied der thermischen Expansion zwischen der Wärmeableitungsvorrichtung und dem daran gebundenen keramischen Substrat klein, wodurch Risse oder Brüche auf dem keramischen Substrat aufgrund z. B. thermischer Zyklen, die während dem Betrieb eines Halbleiterelements auf der Oberfläche erzeugt werden, vermieden werden. Demgemäß ist die Wärmeableitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung für den Einsatz als Wärmeableitungsvorrichtung in einem Transportmittel, beispielsweise einem elektrischen Auto, was eine hohe Verläßlichkeit erfordert, geeignet.
Zusammen mit einer hohen Integration oder Erweiterung eines Halbleiterelements waren hohe Wärmeableitungscharakteristika für ein keramisches Substrat, auf dem das Halbleiterelement aufgebracht wird, erforderlich. Substrate aus Aluminiumnitrid und Siliciumnitrid haben ausgezeichnete Isolierungscharakteristika und Wärmeableitungscharakteristika und wenn sie verwendet werden, indem sie an die Wärmeableitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung gebunden werden, kann eine hohe Verläßlichkeit mit wenigen Rissen oder Brüchen aufgrund zusätzlicher z. B. thermischer Zyklen erreicht werden.
Ferner weist die Wärmeableitungsplatte der vorliegenden Erfindung einen derartigen Vorteil auf, dass, wenn die Seite, an die das keramische Substrat nicht gebunden ist, an eine Platte mittels einer Wärmeleitpaste gebunden wird, mindestens 90% dieser Seite an die Platte unter einer Schraubendrehkraft von mindestens 2N haftet und während des Betriebs eines Halbleiterelements auf dem keramischen Substrat erzeugte Wärme schnell abgeleitet werden kann, wodurch ein Modul mit einer hohen Verläßlichkeit erhalten werden kann.
Als Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffmaterials der vorliegenden Erfindung wird eine vorbestimmte Menge von z. B. Siliciumdioxidsol und/oder Aluminiumoxidsol als Bindemittel mit einem Siliciumcarbidpulver gemischt, gefolgt von Formen in eine gewünschte Form. Das Formungsverfahren kann beispielsweise ein Trockenpressformen, Naßpressformen, Extrusionsformen oder Gießformen sein und wie es der Fall erfordert, kann ein Bindemittel zum Aufrechterhalten einer Form zugegeben werden. Ferner kann als das Siliciumcarbidpulver ein Typ eines Pulvers verwendet werden, und es ist insbesondere bevorzugt mehrere Typen von Pulvern einzusetzen, um ohne weiteres eine Vorform mit einer hohen Dichte zu erhalten. Dann wird die erhaltene Vorform einem Calcinieren an Luft oder in einer inerten Gasatmosphäre von z. B. Stickstoff bei einer Temperatur von 700 bis 1600°C unterzogen, um ein poröses Material von Siliciumcarbid zu erzeugen. Das poröse Material kann ebenfalls in derselben Art und Weise durch Zugeben eines Siliciumpulvers als das Bindemittel zum Siliciumcarbidpulver, gefolgt von Mischen, hergestellt werden. Das poröse Material von Siliciumcarbid kann ebenfalls durch Calcinieren des Siliciumcarbidpulvers oder eines gemischten Pulvers eines Siliciumpulvers mit einem Kohlenstoffpulver in einer inerten Gasatmosphäre bei einer Temperatur von 1600 bis 2800°C hergestellt werden.
Das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid wird bearbeitet, um eine vorbestimmte Form zu erhalten, vorsorglich erhitzt, um z. B. Brüche aufgrund von Wärmeschock zu verhindern, und mit einem geschmolzenen Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, infiltriert, auf eine Temperatur von mindestens dem Schmelzpunkt unter einem hohen Druck erhitzt, um einen Verbundwerkstoff zu erhalten. Die Dicke der Legierungsschicht auf der Oberfläche des durch Infiltration erhaltenen Verbundwerkstoffs kann eingestellt werden, indem man z. B. Nuten auf der Oberfläche herstellt, wenn das poröse Material von Siliciumcarbid verarbeitet wird. Es kann ferner ebenfalls eingestellt werden, durch Laminieren einer dünnen Platte einer Al-Legierung auf die Oberfläche des porösen Materials, gefolgt von Infiltration. In einem derartigen Fall kann nicht nur das poröse Mate rial, sondern auch das Siliciumcarbidpulver verwendet werden. Die Dicke der Metallschicht auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffmaterials kann ferner auch durch mechanisches Bearbeiten der Metallschicht auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs eingestellt werden. Der Verbundwerkstoff kann ferner hergestellt werden unter Verwendung z. B. einer Form, Einbringen einer Vorform mit einer geringfügig kleineren Größe als die Raumgröße in einen Hohlraum der Form, und Injizieren eines geschmolzenen Metalls in den Leerraum in der Form. Das Verfahren des Infiltrierens von Metallkomponenten ist nicht besonders beschränkt, und ein Hochdruckgießen oder Formgießen kann beispielsweise angewendet werden.
Nun wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen in weiteren Einzelheiten erläutert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls hierauf beschränkt ist.
BEISPIELE 1 BIS 10 UND VERGLEICHSBEISPIEL 1
Ein Siliciumcarbidpulver A (NG-220, hergestellt von Thaiheiyo Random Co., Ltd., durchschnittliche Teilchengröße: 60 μm), ein Siliciumcarbidpulver B (GC-1000F, hergestellt von Yakushima Denko Co., Ltd., durchschnittliche Teilchengröße: 10 μm) und ein Siliciumdioxidsol (Snowtex, hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd.) wurden mit einer Zusammensetzung wie in Tabelle 1 gezeigt, vermischt, gefolgt von Mischen mit einem Rührmischer für 30 Minuten, und die Mischung wurde in einer Form von 100 mm × 100 mm × 5 mm unter einem Druck von 10 MPa geformt.
Die erhaltene Vorform wurde an Luft bei einer Temperatur von 850°C 2 Stunden erhitzt, um ein poröses Material von Siliciumcarbid zu erhalten. Das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid wurde in eine Form von 20 mm Durchmesser × 5 mm überführt und die relative Dichte (Schüttdichte) wurde aus der Größe und dem Gewicht berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Dann wurde das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid mit einer Diamantbearbeitungsvorrichtung zu einer Dicke wie in Tabelle 1 gezeigt, verarbeitet, 10 Probenlagen jeden porösen Materials wurden mit einem darauf beschichteten Trennmittel in einen Rahmen gesetzt (Material: Kohlenstoffstahl), wie in 1 veranschaulicht. Die Proben wurden durch Eisenplatten mit einer Dicke von 0,7 mm, beschichtet mit einem Trennmittel, abgeteilt und Eisenplatten mit einer Dicke von 12 mm wurden an beiden Seiten angeordnet, gefolgt von einer Fixierung durch Schrauben und Muttern von 10 mm Durchmesser, um einen Block zu bilden. Dann wurde der Block vorbereitend auf eine Temperatur von 700°C in einem elektrischen Ofen erhitzt und in einer vorbereiteten erwärmten Pressform mit einem Zwischenraum eines Innendurchmessers von 250 mm Durchmesser × 300 mm eingebracht, und eine Schmelze des Metalls, wie in Tabelle 1 gezeigt, erhitzt auf 850°C, wurde hineingegossen, gefolgt von Pressen mit einem Druck von 100 MPa für 10 Minuten, um das Metall in das poröse Material des Siliciumcarbids zu infiltrieren. Das Metallstück, enthaltend den erhaltenen Verbundwerkstoff, wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, gefolgt von Schneiden mit einer Naßbandsäge, um den Rahmen zu entfernen, und der Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff wurde aus dem Rahmen herausgelöst. Der erhaltene Verbundwerkstoff wurde einem Mahlen un ter Verwendung einer Diamantbearbeitungsvorrichtung unterzogen, um Testproben (3 × 4 × 10 mm) für die Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhalten, eine Testprobe (10 mm Durchmesser × 3 mm) für die Messung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bei Raumtemperatur und eine Testprobe (3 mm × 4 mm × 40 mm) für die Beurteilung der Drei-Punkt-Biegefestigkeit. Durch Verwendung eines Teils der Testproben zur Bewertung der Drei-Punkt-Biegefestigkeit wurde ferner der Abschnitt mit einem Mikroskop untersucht, und die Dicke der frontseitigen und rückwärtigen Metallschichten des Verbundwerkstoffs wurden jeweils an neun Punkten gemessen, um die durchschnittliche Dicke zu berechnen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Durch Verwendung der jeweiligen Testproben wurden ferner der Wärmeaudehnungskoeffizient von Raumtemperatur bis 250°C durch einen thermischen Expansionsmeter, der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bei Raumtemperatur durch einen Laserlichtblitz und die Drei-Punkt-Biegefestigkeit durch einen Biegetester gemessen. Ferner wurde eine Wölbung pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs durch einen dreidimensionalen Verdrängungszähler gemessen. Ferner wurde die Dichte des Verbundwerkstoffs aus der Größe und dem Gewicht der Testprobe für die Messung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
Die äußere periphere Größe von jedem der in den Beispielen 1 bis 10 und Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Verbundwerkstoffe betrug 102 × 102 mm und die Verteilung der Größe unter den Proben betrug höchstens 0,1 mm. Jede der Proben hatte ferner eine Dicke des Verbundwerkstoffs von 3,02 mm und hinsichtlich der Proben, außer Vergleichsbeispiel 1 war die Verteilung der Dicke in der Ebene ebenfalls höchstens 0,05 mm.
BEISPIEL 11
Es wurde genauso vorgegangem wie in Beispiel 2 wurde durchgeführt, außer, dass ein Rahmen, hergestellt aus Siliciumnitrid, anstelle des Rahmens in Beispiel 2 verwendet wurde und vier Öffnungen von 10 mm Durchmesser wurden an einem Teil der Vorform vorgesehen, um einen Verbundwerkstoff herzustellen, und die Charakteristika des erhaltenen Verbundwerkstoffs wurden beurteilt. Das Herausnehmen des Verbundwerkstoffs aus dem Rahmen nach der Infiltration war ausgezeichnet und keine Deformation des Rahmens oder dergleichen wurde gefunden. Die Dichte des Verbundwerkstoffs betrug 2,98 g/cm³, und die durchschnittlichen Dicken der frontseitigen und rückwärtigen Metallschichten waren beide 30 μm. Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient betrug ferner 210 W/mK, der Wärmeausdehnungskoeffizient betrug 7,1 × 10^–6 /K, die Biegefestigkeit betrug 400 MPa und die Wölbung betrug 40 um pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs. Die Größe des Verbundwerkstoffs betrug 101 × 101 mm × 3,01 mm und die Verteilung unter den Proben war sehr gering. Ferner wurden alle in der Vorform vorgesehenen Öffnungen mit der Metallschicht gefüllt und eine Öffnungsbearbeitung wurde ohne weiteres mit einem Bohrer aus Hochgeschwindigkeitsstahl durchgeführt.
BEISPIELE 12 bis 17 und VERGLEICHSBEISPIEL 2
Ein Siliciumcarbidpulver A (NG-220, hergestellt von Thaiheiyo Random Co., Ltd., durchschnittliche Teilchengröße: 60 μm), ein Siliciumcarbidpulver B (GC-1000F, hergestellt von Yakushima Denko Co., Ltd., durchschnittliche Teilchengröße: 10 μm) und ein Siliciumdioxidsol (Snowtex, hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd.) wurden mit einer Zusammensetzung wie in Tabelle 4 gezeigt, vermischt, gefolgt von Mischen mit einem Rührmischer für 30 Minuten, und die Mischung wurde dann in eine Form von 180 mm × 120 mm × 5 mm unter einem ebenflächigen Druck von 10 MPa geformt.
Die erhaltene Vorform wurde an Luft bei einer Temperatur von 850°C 2 Stunden erhitzt, um ein poröses Material von Siliciumcarbid zu erhalten. Das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid wurde in einer Form von 20 mm Durchmesser × 5 mm verarbeitet und die relative Dichte wurde aus dessen Größe und Gewicht berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Dann wurde das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid mit einer Diamantbearbeitungsvorrichtung zu einer Platte mit einer Dicke, wie in Tabelle 5 gezeigt, bearbeitet, wobei die Vorform und eine Aluminiumplatte, wie gezeigt in Tabelle 5, in einen Eisenrahmen mit einer Dicke von 3 mm mit einem darauf beschichteten Trennmittel, gelegt wurde, und Eisenplatten mit einer Dicke von 12 mm wurden an beiden Seiten angeordnet, gefolgt von einer Fixierung durch Muttern und Schrauben von 10 mm Durchmesser, um einen Block zu bilden. Dann wurde der Block zunächst auf eine Temperatur von 700°C in einem elektrischen Ofen erhitzt und in einer vorbereiteten erwärmten Pressform von 250 mm Durchmesser × 300 mm eingebracht und eine Schmelze einer Legierung, wie in Tabelle 4 gezeigt, erhitzt auf 850°C, wurde hineingegossen, gefolgt von Pressen mit einem Druck von 100 MPa für 10 Minuten, um die Legierung in das poröse Material des Siliciumcarbids zu infiltrieren. Das Legierungsstück, enthaltend den erhaltenen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und der Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff wurde mit einer Diamantbearbeitungsvorrichtung ausgekratzt. Der erhaltene Verbundwerkstoff wurde einem Mahlen unter Verwendung einer Diamantbearbeitungsvorrichtung unterzogen, um Testproben (3 × 4 × 10 mm) für die Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhalten, eine Testprobe (10 mm Durchmesser × 3 mm) für die Messung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bei Raumtemperatur und eine Testprobe (3 mm × 4 mm × 40 mm) für die Beurteilung der Drei-Punkt-Biegefestigkeit. Durch Verwendung eines Teils der Testproben zur Bewertung der Drei-Punkt-Biegefestigkeit wurde ferner der Abschnitt mit einem Mikroskop untersucht und die Dicken der frontseitigen und rückwärtigen Metallschichten des Verbundwerkstoffs wurden hinsichtlich der neun Punkte gemessen, um die durchschnittliche Dicke zu berechnen.
Tabelle 5
Durch Verwendung der jeweiligen Testproben wurden ferner der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient von Raumtemperatur bis 250°C durch einen thermischen Expansionsmeter, der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bei Raumtemperatur durch einen Laserlichtblitz und die Drei-Punkt-Biegefestigkeit durch einen Biegetester gemessen. Ferner wurde die Dichte des Verbundwerkstoffs aus der Größe und dem Gewicht der Testprobe für die Messung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt. Ferner wurde die Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit einer Walzenpoliervorrichtung poliert, um die deformierte Schicht auf der Oberfläche zu polieren, und die Wölbung der Hauptebene des Verbundwerkstoffs wurde mit einem dreidimensionalen Verdrängungszähler gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Tabelle 6
BEISPIELE 18 bis 22
Das poröse Material von Siliciumcarbid in Beispiel 12 wurde bearbeitet, um eine Dicke von 2,95 mm unter Verwendung eines Diamantwerkzeugs zu haben, und die Oberfläche wurde bearbeitet, um eine Form, wie in 2 gezeigt, mit einer Tiefe und einem Bereich, wie in Tabelle 7 gezeigt, zu haben. Das erhaltene bearbeitete Produkt wurde mit einer Legierung unter denselben Infiltrationsbedingungen wie in Beispiel 12 infiltriert, um einen Verbundwerkstoff herzustellen. Der erhaltene Verbundwerkstoff wurde in derselben Art und Weise wie in Beispiel 12 beurteilt. Die Ergebnise sind in Tabelle 8 gezeigt.
Tabelle 7
Tabelle 8
BEISPIEL 23
Die porösen Materialien von Siliciumcarbid in den Beispielen 12 und 13 wurden unter Verwendung eines Diamantwerkzeugs bearbeitet, um eine Dicke von 1,9 mm zu haben, wobei die Vorformen in den Beispielen 12 und 13 in einen Eisenrahmen mit einer Dicke von 4 mm, beschichtet mit einem Trennmittel, gelegt wurden, und die Eisenplatten mit einer Dicke von 12 mm wurden auf beiden Seiten angeordnet, gefolgt von der Fixierung mit Muttern und Schrauben von 10 mm Durchmesser, um einen Block zu bilden. Dann wurde der Block einer Infiltration unter denselben Infiltrationsbedingungen wie in Beispiel 12 unterzogen, um einen Verbundwerkstoff herzustellen. Der erhaltene Verbundwerkstoff wurde mit einem Diamantschneider geschnitten und die geschnittene Oberfläche wurde durch ein Stereoskop untersucht, woraufhin eine 5-Schicht-Struktur von Legierungsschicht/Verbundwerkstoffschicht/Legierungsschicht/Verbundwerkstoffschicht/Legierungsschicht bestätigt wurde. Dann wurden die Beurteilungen in derselben Art und Weise wie in Beispiel 12 durchgeführt. Von dem erhaltenen Verbund werkstoff war die Dichte 2,98 g/cm³, der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient war 200 W/mK, der Wärmeausdehnungskoeffizient war 7,3 × 10^–6 /K, die Biegefestigkeit war 410 MPa und die Wölbung betrug 150 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs.
BEISPIELE 24 bis 31 und VERGLEICHSBEISPIELE 3 bis 6
Ein Siliciumcarbidpulver C (NG-150, hergestellt von Thaiheiyo Random Co., Ltd., durchschnittliche Teilchengröße: 100 μm), ein Siliciumcarbidpulver B (GC-1000F, hergestellt von Yakushima Denko Co., Ltd., durchschnittliche Teilchengröße: 10 μm) und ein Siliciumdioxidsol (Snowtex, hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd.) wurden mit einem Gewichtsverhältnis von 60 : 40 : 3 gemischt, gefolgt von Mischen mit einem Rührmischer für 30 Minuten, und die Mischung wurde dann in einer Form von 105 mm × 155 mm × 6 mm unter einem ebenflächigen Druck von 10 MPa geformt. Die erhaltene Vorform wurde dann an Luft bei 900°C 2 Stunden erhitzt, um ein poröses Material von Siliciumcarbid herzustellen. Das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid wurde in eine Form von 20 mm Durchmesser × 5 mm verarbeitet, und die relative Dichte wurde aus dessen Größe und Gewicht berechnet, die 66% betrug.
Dann wurde das erhaltene poröse Material von Siliciumcarbid unter Verwendung einer Diamantbearbeitungsvorrichtung bearbeitet, um eine Dicke von 5 mm zu erhalten, zunächst erhitzt auf 700°C in einem elektrischen Ofen, und dann in einer vorbereiteten erhitzten Pressform mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Höhe von 300 mm angeordnet. Eine Schmelze einer Aluminiumlegierung (AGC-12), erhitzt auf 850°C, wurde hineingegossen, gefolgt von Pressen mit einem Druck von 100 MPa für 10 min, um die Legierung in das poröse Material von Siliciumcarbid zu infiltrieren. Das Legierungsstück, enthaltend den Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und der Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff wurde unter Verwendung einer Diamantbearbeitungsvorrichtung ausgekratzt. Hinsichtlich des erhaltenen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs wurde die äußere Peripherie bearbeitet, um eine Form von 100 × 150 mm (Ecke: R3) und 6 Öffnungen von 7 mm Durchmesser in dem Verbundwerkstoff auszubilden ( 9(c)).
Dann wurde der Verbundwerkstoff einer Oberflächenbearbeitung durch eine dreidimensionale Mühle unterworfen, um eine vorbestimmte Form, Dicke und Wölbung zu haben.
Hinsichtlich des Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs wurden die Dicke und die Wölbung durch einen Mikrometer, einen dreidimensionalen Verdrängungszähler gemessen, und es wurde bestätigt, dass der Verbundwerkstoff bearbeitet war, um die gewünschte Form zu besitzen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt.
Tabelle 9
Hinsichtlich Cx und Cy bedeutet +, dass die mit Paste beschichtete Oberfläche konvex ist und –, dass sie konkav ist, und es sind Wölbungen pro 10 cm der Probenlänge.
Ferner wurde eine Siliciumpaste, hergestellt von Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. gewogen und aufgebracht, um eine Dicke von 50 μm auf einer Seite des durch oben erwähntes Vorgehen erhaltenen Verbundwerkstoffs zu haben, und der Verbundwerkstoff wurde mit einer Acrylplatte mit einer Dicke von 30 mm durch 6M-Schrauben unter einer Schraubendrehkraft von 3N verbunden. Die Anordnung wurde 1 Minute stehengelassen und dann wurden die Schrauben herausgenommen und das Adhäsionsverhältnis (Bereichsverhältnis) auf der Siliciumpastebeschichteten Oberfläche gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt.
BEISPIELE 32 bis 34
Die in Beispiel 29 hergestellten Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffe wurden in eine Vorrichtung SUS-304, wie in 10 gezeigt, gelegt, mit verschiedenen Verschiebungen mit einer M10-Schraube belastet, in einem elektrischen Ofen 30 Minuten auf 500°C erhitzt, dann auf Raumtemperatur abgekühlt und von der Last befreit. Die Wölbungen der erhaltenen Verbundwerkstoffe sind in Tabelle 10 gezeigt. Dann wurden die erhaltenen Verbundwerkstoffe in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 24 beurteilt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 10 gezeigt.
Tabelle 10
BEISPIELE 35 und 36 und VERGLEICHSBEISPIEL 7
Der in Beispiel 24 hergestellte Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff wurde einem stromlosen Nickelplattieren unterzogen, um eine Plattierschicht mit einer Dicke von 10 μm auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs zu bilden. Auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit der daran vorgenommenen Plattierung, wurde eine Lötpaste im Siebdruck mit einer Dicke von 100 μm aufgedruckt, und ein kommerziell erhältliches Aluminiumnitridsubstrat wurde in Beispiel 35 damit belastet oder ein kommerziell erhältliches Siliciumnitridsubstrat wurde in Beispiel 36 damit belastet, gefolgt von Wärmebehandlung in einem Rückstromofen, 5 Minuten bei 300°C, um das Keramiksubstrat an den Verbundwerkstoff zu binden. In Vergleichsbeispiel 7 wurde eine Plattierungsbehandlung in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 35 unter Verwendung einer Kupferplatte durchgeführt, und ein Aluminiumnitridsubstrat wurde an den Verbundwerkstoff gebunden.
Dann wurde unter Verwendung jedes Verbundwerkstoffs mit dem daran gebundenen Keramiksubstrat 3000mal ein thermischer Zyklustest bei einem Temperaturbereich von –40°C bis 150°C durchgeführt. In den Beispielen 35 und 36 wurden weder Risse in der Schaltung des Keramiksubstrats, noch Ablösungen der Schaltung nach den thermischen Zyklustests bestätigt. Jedoch wurden in Vergleichsbeispiel 7 Risse in der Schaltung auf dem Keramiksubstrat nach 30maligem thermischen Zyklus gebildet.
Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung umfaßt ein poröses Material von Siliciumcarbid und ein Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, infiltriert in das poröse Material. Der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung hat derartige Charakteristika, dass er einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten auf weist, er hat einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe einem keramischen Substrat, und er hat ein geringes Gewicht, und die Verarbeitungskosten des Verbundwerkstoffs können reduziert werden. Demgemäß kann der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung eine Wärmeableitungsvorrichtung bereitstellen, die hinsichtlich der Verläßlichkeit ausgezeichnet ist und geeignet ist, für eine mobile Vorrichtung, wie ein elektrisches Auto, durch Binden an ein keramisches Substrat für einen Halbleiter mit geringen Kosten. Ferner hat der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung eine bestimmte Wölbung und wenn dieser als Wärmeableitungsplatte beispielsweise verwendet wird, kann das keramische Substrat fest an eine Wärmeableitungsvorrichtung, wie eine Kühlrippe, mit Schrauben befestigt werden, wodurch ein Modul mit stabilen Wärmeableitungseigenschaften, d.h. einer hohen Verläßlichkeit, gebildet werden kann, und dieser ist industriell sehr geeignet.

Claims

Flacher Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, umfassend ein Siliciumcarbidpulver oder eine poröse Vorform von Siliciumcarbid, die durch ein Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente infiltriert ist, wobei der Verbundwerkstoff mindestens 4 Öffnungen in seiner Ebene aufweist und ein Verhältnis von 50 ≤ Cx ≤ 250 und –50 ≤ Cy ≤ 200 hat, wobei Cx eine Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Öffnungs-zu-Öffnungsrichtung (x-Richtung) ist und Cy eine Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Richtung senkrecht hierzu (y-Richtung) darstellt.
Flacher Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, der ein flacher Verbundwerkstoff ist, umfassend eine poröse Vorform von Siliciumcarbid und ein Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, infiltriert in die poröse Vorform, wobei der Verbundwerkstoff mindestens 4 Öffnungen in seiner Ebene aufweist und ein Verhältnis von 30 ≤ Cx ≤ 250 und –50 ≤ Cy ≤ 200 hat, wobei Cx eine Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Öffnungs-zu-Öffnungsrichtung (x-Richtung) ist und Cy eine Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Richtung senkrecht hierzu (y-Richtung) darstellt, wobei sowohl die frontseitigen als auch die rückwärtigen Seiten des Verbundwerkstoffs mit einer Metallschicht bedeckt sind, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, mit einer durchschnittlichen Dicke von 10 bis 150 μm und die Differenz der durchschnittlichen Dicke zwischen den frontseitigen und rückwärtigen Metallschichten höchstens 140 um beträgt und die Wölbung mindestens 30 μm ist.
Flacher Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff, der ein flacher Verbundwerkstoff ist, umfassend eine poröse Vorform von Siliciumcarbid und ein Metall, enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, infiltriert in die poröse Vorform, wobei der Verbundwerkstoff mindestens 4 Öffnungen in seiner Ebene aufweist und ein Verhältnis von 30 ≤ Cx ≤ 250 und –50 ≤ Cy ≤ 200 hat, wobei Cx eine Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Öffnungs-zu-Öffnungsrichtung (x-Richtung) ist und Cy eine Wölbung (μm) pro 10 cm in einer Richtung senkrecht hierzu (y-Richtung) darstellt, wobei der flache Verbundwerkstoff einen Verbundwerkstoffteil (A) und eine Metallschicht (B), enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, umfasst, vorgesehen auf mindestens einer Seite des Verbundwerkstoffs und das Verhältnis TA/TB 5 bis 30 beträgt, wobei TA die durchschnittliche Dicke (μm) des Verbundwerkstoffteils (A) ist, und TB die gesamte durchschnittliche Dicke (μm) der Metallschichten (B) auf beiden Seiten ist, und die Wölbung mindestens 30 μm beträgt.
Flacher Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, worin die Wölbung 50 bis 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs beträgt, und das Produkt von |TB1–TB2| und der maximalen Länge des Verbundwerkstoffs (L; cm) 500 bis 2500 beträgt, wobei |TB1–TB2| der Absolutwert der Differenz zwischen der durchschnittlichen Dicke der Frontmetallschicht (B) (TB1; μm) und der durchschnittlichen Dicke der rückwärtigen Metallschicht (B) (TB2; μm) ist.
Flacher Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4, worin mindestens eine Hauptebene der porösen Vorform von Siliciumcarbid einen abgestuften Abschnitt aufweist.
Siliciumcarbidverbundwerkstoff, der einen flachen Verbundwerkstoff mit zwei flachen Verbundwerkstoffen (C und D) und Metallschichten (E), enthaltend Aluminium als Hauptkomponente, aufweist, laminiert, um eine Struktur ECEDE aufzuweisen, worin der Unterschied im Kohlenstoffgehalt zwischen den flachen Verbundwerkstoffen (C) und (D) 0,5 bis 2,5 Gew.-% beträgt, und die Wölbung 50 bis 250 μm pro 10 cm der Länge der Hauptebene des Verbundwerkstoffs beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbid-Verbundwerkstoffs wie definiert nach Anspruch 1, das umfaßt: Ausüben einer Belastung auf einen Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff bei einer Temperatur von 350 bis 600°C zur plastischen Deformierung, um eine Wölbung zu erhalten.
Flacher Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, der einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungs koeffizienten von höchstens 9 ppm/K aufweist, wenn von Raumtemperatur (25°C) auf 150°C erhitzt wird, sowie einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von mindestens 150 W/mK bei Raumtemperatur (25°C).
Wärmeableitungsvorrichtung, die den flachen Verbundwerkstoff, wie definiert in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 sowie ein keramisches Substrat für einen daran gebundenen Halbleiter aufweist.
Wärmeableitungsvorrichtung nach Anspruch 9, worin das keramische Substrat aus Aluminiumnitrid und/oder Siliciumnitrid hergestellt ist.