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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verbundmaterial und ein Verfahren
zur Herstellung dieses Verbundmaterials und genauer gesagt auf ein
Verbundmaterial, das für
ein Wärme
ableitendes Substrat geeignet ist, auf dem elektronische Komponenten wie
Halbleiterbauelemente befestigt werden, und ein Verfahren zur Herstellung
dieses Verbundmaterials.
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Da
elektronische Komponenten wie Halbleiterbauelemente während des
Betriebs Wärme
erzeugen, müssen
solche Komponenten gekühlt
werden, damit das Leistungsvermögen
nicht sinkt. Halbleiterbauelemente werden daher typischer Weise
auf einem Trägerbauteil
mit einer Wärmeabstrahlplatte
dazwischen (Wärme
ableitendes Substrat) befestigt.
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9 zeigt einen Aluminiumträger 41,
der ein Gehäuse
bildet, und eine Wärmesenke 42,
die an dem Aluminiumträger 41 durch
(nicht gezeigte) Schrauben oder durch Lötung angebracht ist. An der Wärmesenke 42 ist
durch Lötung
ein isolierendes Substrat 43 angebracht. Das isolierende
Substrat 43 hat an beiden Seiten metallische (Al-)Schichten 43a. Auf
der oberen Metallschicht 43a des isolierendes Substrats 43 ist
durch Lötung
eine elektronische Komponente 44 wie ein Halbleiterbauelement
installiert. Das isolierende Substrat 43 besteht aus Aluminiumnitrid
(AlN) und die Wärmesenke 42 aus
einem Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Wärmeleitfähigkeit.
Genauer gesagt besteht die Wärmesenke 42 aus
einem Metallmatrixverbund, bei dem in einer Metallmatrixschicht
Keramik verteilt ist. So kann beispielsweise ein Verbund aus einem
Material auf Aluminiumbasis mit darin verteilten SiC-Teilchen verwendet
werden.
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Das
für die
Wärmesenke 42 verwendete
Metallmatrixverbundmaterial ist teuer und hat eine schlechte Bearbeitbarkeit.
Daher wurden für
Wärme ableitende
Substrate bereits verschiedene andere Materialien vorgeschlagen,
die preiswert sind und eine gute Bearbeitbarkeit haben.
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So
offenbart zum Beispiel die
JP
6-77365 A ein Material für Wärme ableitende Substrate, das durch
Zusammenschließen
von Metallblechen und einer Drahtgewebelage gebildet wird. Die Metallbleche
bestehen aus Cu (Kupfer), Cu und W (Wolfram) oder Cu und Mo (Molybdän). Die
Drahtgewebelage ist aus dünnen
Metalldrähten
gewebt, die aus Mo oder W bestehen.
10(a) zeigt
ein Beispiel des Materials für
die Wärme
ableitenden Substrate dieser Veröffentlichung.
In diesem Beispiel werden Metallplatten
46 mit einer dazwischen
angeordneten Drahtgewebelage
45 übereinander geschichtet und
werden die Metallplatten
46 und die Drahtgewebelage
45 in
diesem Zustand erhitzt und gewalzt. Dies schließt die Metallplatten
46 mit
der Drahtgewebelage
45 zusammen und bildet eine Schichtplatte
47.
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Wenn
die in 10(a) gezeigte
Schichtplatte 47 jedoch unter Druckaufbringung ausgezogen
wird, bilden sich, wie in 10(b) gezeigt
ist, leicht Zwischenräume Δ an Abschnitten,
an denen sich die dünnen
Metalldrähte 45a überlappen,
sowie in der Umgebung der Überlappungsabschnitte.
Die Luft in den Zwischenräumen Δ verschlechtert
die Wärmeleitfähigkeit.
Außerdem
bilden sich an den Zwischenräumen Δ in der Drahtgewebelage 45 durch
die wiederholte Wärmeausdehnung
und Wärmekontraktion leicht
Risse. Dies senkt die Festigkeit der Schichtplatte 47.
Um die Festigkeit der Drahtgewebelage 45 zu verbessern,
können
die Berührungspunkte
der dünnen Metalldrähte 45a verschweißt werden.
Allerdings lassen sich die Berührungspunkte
der Drahtgewebelage 45 nur schwer verschweißen, da
die Drahtgewebelage 45 aus den dünnen Metalldrähten 45a gewebt wird
und feine Maschen bildet.
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Um
den Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Materials für
die Wärme
ableitenden Substrate zu reduzieren, muss der Volumenanteil des
Metalls mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten
maximiert werden. Allerdings kommt in einem Material, das die Drahtgewebelage 45 verwendet,
das Metall nicht nur in den Maschen vor, die den Löchern entsprechen,
sondern auch in den Abschnitten 47a (siehe 10(a)), die den gebogenen Abschnitten
der dünnen
Metalldrähte 45a der
Gewebelage 45 entsprechen. Es ist daher schwierig, den
Volumenanteil des Metalls mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu erhöhen.
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Die
JP 6-334074 A offenbart
ein Substrat für Halbleiterbauelemente,
das ein gelochtes Trägerbauteil
enthält.
Das Trägerbauteil
besteht aus einem Metall oder einer Legierung, dessen/deren Wärmeausdehnungskoeffizient
kleiner oder gleich 8 × 10
–6/°C ist. Die
Löcher
sind mit einem hochgradig wärmeleitfähigen Material
wie einem Metall oder einer Legierung gefüllt, dessen/deren Wärmeleitfähigkeit
größer oder
gleich 210 W/(m·K)
ist. Das hochgradig wärmeleitfähige Material
kann Cu, Al, Ag, Au oder eine hauptsächlich aus Cu, Al, Ag oder
Au bestehende Legierung sein. Das Trägerbauteil kann eine Invar-Platte
sein, die 30 bis 50 Gew.-% Ni, Rest Fe enthält, oder eine Superinvar-Platte,
die Co enthält.
Die Löcher
des Trägerbauteils
werden durch Ausstanzen gebildet, nachdem das Ausgangsmaterial in
eine flache Form gebracht wurde. Wahlweise können die Löcher auch durch Präzisionsformguss
(Wachsausschmelzguss) gebildet werden.
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Das
in der
JP 6-334074 A offenbarte
Substrat für
Halbleiterbauelemente hat nicht die Nachteile, die bei Verwendung
der Drahtgewebelage
45 entstehen. Wenn jedoch die Löcher durch
Ausstanzen gebildet werden, nachdem das Ausgangsmaterial in eine
flache Platte gearbeitet wurde, nimmt die Ausbeute ab, was die Materialkosten
erhöht.
Die Herstellungskosten werden auch erhöht, wenn die Löcher durch
Präzisionsformguss
(Wachsausschmelzen) ausgebildet werden.
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Der
Erfindung liegt dementsprechend zunächst die Aufgabe zugrunde,
ein Verbundmaterial zur Verfügung
zu stellen, das eine bessere Festigkeit und eine verlässlichere
Wärmeleitfähigkeit
hat und für
ein Wärme
ableitendes Substrat geeignet ist. Außerdem liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundmaterials
zur Verfügung
zu stellen, das die Herstellungskosten verringert.
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Um
die obigen Aufgaben zu lösen,
sieht die Erfindung zum einen ein Verbundmaterial vor, das durch
Kombination eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils gebildet
ist, wobei das erste Bauteil eine Platte aus einem Streckmetall
mit einer Vielzahl von Maschen ist, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient
des Streckmetalls kleiner oder gleich 8 × 10–6/°C ist, während das
zweite Bauteil eine Metallplatte ist, deren Wärmeleitfähigkeit größer oder gleich 200 W/(m·K) ist.
Die Maschen der Streckmetallplatte sind mit einem Material der Metallplatte
gefüllt,
und der Volumenanteil der Streckmetallplatte am Verbundmaterial
liegt in einem Bereich zwischen einschließlich 20% und 70%.
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Zum
anderen sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
Verbundmaterials vor, bei dem mindestens eine Platte aus einem Streckmetall und
mindestens eine Metallplatte übereinander
gelegt werden, wobei die Streckmetallplatte eine Vielzahl von Maschen
hat und der lineare Ausdehnungskoeffizient des Streckmetalls kleiner
oder gleich 8 × 10–6/°C ist, während die
Wärmeleitfähigkeit
der Metallplatte größer oder
gleich 200 W/(m·K)
ist. Bei diesem Verfahren werden die Streckmetallplatte und die Metallplatte
so gewalzt und verbunden, dass das Material der Metallplatte die
Maschen der Streckmetallplatte füllt.
Der Volumenanteil der Steckmetallplatte am Verbundmaterial liegt
in einem Bereich zwischen einschließlich 20% und 70%.
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Weitere
Ausgestaltungen, Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen zu lesen ist, die das der Erfindung zugrunde liegende
Prinzip anhand von Beispielen darstellen. Es zeigen:
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1(a) und 1(b) schematisch im Schnitt ein Verfahren
zur Herstellung einer aus einem Verbundmaterial bestehenden Platte
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 schematisch in Perspektivansicht
Metallplatten und eine Streckmetallplatte, die die Verbundmaterialplatte
bilden;
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3 schematisch in Perspektivansicht
ein Verfahren zur Herstellung der Streckmetallplatte;
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4(a) schematisch die Verbundmaterialplatte
im horizontalen Schnitt;
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4(b) schematisch die Verbundmaterialplatte
im vertikalen Schnitt;
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4(c) einen vergrößerten Ausschnitt
von 4(b);
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5(a) schematisch die Streckmetallplatte in
einer Teilperspektivansicht;
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5(b) einen Schnitt entlang
der Linie 5(b)-5(b) in 5(a);
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6 eine grafische Darstellung
des Zusammenhangs zwischen der Wärmeleitfähigkeit
des Verbundmaterials und des Flächenanteils
einer Invar-Platte;
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7 eine grafische Darstellung
des Zusammenhangs zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Verbundmaterials und dem Volumenanteil der Invar-Platte;
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8 schematisch im Schnitt
ein Verfahren zur Herstellung einer Platte aus einem Verbundmaterial
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel;
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9 schematisch im Schnitt
ein Aufbaumodul mit Wärmesenke;
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10(a) schematisch im Schnitt
ein Material für
Wärme ableitende
Substrate nach dem Stand der Technik; und
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10(b) einen vergrößerten Ausschnitt
von 10(a).
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 7 wird zunächst ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die 1(b), 4(a) und 4(b) zeigen
eine Platte 11 aus einem Verbundmaterial gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
Die Verbundmaterialplatte 11 wird gebildet, indem ein erstes
Bauteil, nämlich
eine Platte 12 aus einem Streckmetall, zwischen zwei Seitenbauteilen,
nämlich
zwei Metallplatten 13, angeordnet wird und die Streckmetallplatte 12 und
die Metallplatten 13 so gewalzt werden, dass die Platte 12 und
die Platten 13 zusammengeschlossen werden. Und zwar werden
die Metallplatten 13 und die zwischen den Metallplatten 13 angeordnete
Streckmetallplatte 12 wie in den 1(a) und 1(b) gezeigt
erhitzt und von einem Paar Walzen 14 ausgezogen. Dadurch
schließen
sich die Metallplatten 13 und die Streckmetallplatte 12 zu
der Verbundmaterialplatte 11 zusammen. Der Begriff "Streckmetall" bezieht sich auf
einen Aufbau wie ein Drahtgeflecht, das durch Strecken einer Metallplatte
mit sich abwechselnden Schlitzen gebildet wurde.
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Das
Walzen und Verbinden erfolgt nicht in einer Stufe, sondern in zwei
oder mehr Stufen (zwei Stufen in diesem Ausführungsbeispiel). In einer ersten
Stufe bzw. einem Füllschritt
werden die Maschen 12a der Streckmetallplatte 12 wie
in 1(a) gezeigt mit
einem Teil der Metallplatten 13 gefüllt. In einer zweiten Stufe
werden die Streckmetallplatte 12 und die Metallplatten 13 verbunden,
indem sie wie in 1(b) gezeigt
auf eine vorbestimmte Dicke gewalzt werden. Der Verkleinerungsfaktor
in der letzten Stufe (in diesem Ausführungsbeispiel in der zweiten Stufe)
wird innerhalb eines zulässigen
Bereichs von Verkleinerungsfaktoren auf den Maximalwert eingestellt.
Der Verkleinerungsfaktor wird unter Berücksichtigung der Dicke des
Endprodukts vorzugsweise auf größer oder
gleich 30% eingestellt. Ein Verkleinerungsfaktor von weniger als
30% würde
zu einer unzureichenden Bindekraft zwischen der Streckmetallplatte 12 und
den Metallplatten 13 führen.
Außerdem würden nach
dem Warmwalzen in Teilen der Metallplatten 13 Zwischenräume auftreten,
was die Wärmeleitfähigkeit
senken würde.
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Wenn
die Dicke der Verbundmaterialplatte 11 und die Dicke der
Streckmetallplatte 12 nach dem Walzen und Verbinden wie
in 4(a) angegeben jeweils
als t1, t2 bezeichnet werden, werden die Dicke der Streckmetallplatte 12 und
der Metallplatten 13 vor dem Walzen und Verbinden und der
Verkleinerungsfaktor beim Walzen und Verbinden so festgelegt, dass
(t2)/(t1) zwischen einschließlich
0,2 und 0,8 liegt. Wenn (t2)/(t1) weniger als 0,2 beträgt, lässt sich der
Volumenanteil Vf der Streckmetallplatte 12 an der Verbundmaterialplatte 11 nur
schwer auf 20% oder mehr einstellen. Wenn (t2)/(t1) mehr als 0,8
beträgt, lässt sich
der Volumenanteil Vf nur schwer auf kleiner oder gleich 70% einstellen.
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Durch
die Kombination der Streckmetallplatte 12 und der Metallplatten 13 wird
die Verbundmaterialplatte 11 ausgebildet, die wie in den 1(b), 4(a) und 4(b) gezeigt
aus der Streckmetallplatte 12 und einem die Streckmetallplatte 12 umgebenden
Matrixmetall 15 besteht. Die Verbundmaterialplatte 11 kann als
ein Material für
ein Wärme
ableitendes Substrat (beispielsweise eine Wärmesenke) verwendet werden,
auf dem Halbleiterbauelemente befestigt werden.
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Die
Dicken der Streckmetallplatte 12 und der damit kombinierten
Metallplatten 13 und die Größe der Maschen 12a der
Streckmetallplatte 12 werden so festgelegt, dass der Volumenanteil
Vf der Streckmetallplatte 12 an der Verbundmaterialplatte 11 zwischen
einschließlich
20% und 70% liegt. Wenn der Volumenanteil Vf kleiner als 20% ist,
ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials unzureichend.
Wenn der Volumenanteil Vf dagegen mehr als 70% beträgt, ist
die Wärmeleitfähigkeit
des Verbundmaterials unzureichend.
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Der
lineare Ausdehnungskoeffizient der Streckmetallplatte 12 ist
kleiner oder gleich 8 × 1– 6/°C,
wobei die Streckmetallplatte 12 in diesem Ausführungsbeispiel
aus einer Invar-Platte besteht, also aus einer Legierung auf Basis
von Fe und Ni mit 36 Gew.-% Ni. Die Wärmeleitfähigkeit der mit der Streckmetallplatte 12 kombinierten
Metallplatten 13 ist größer oder
gleich 200 W/(m·K),
wobei die Metallplatten 13 in diesem Ausführungsbeispiel
aus Cu bestehen.
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Zur
Herstellung der den gewünschten
Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Verbundmaterialplatte 11 werden
die Form der Streckmetallplatte 12, die Dicke der Streckmetallplatte 12 und
die Dicke der Metallplatten 13 wie folgt festgelegt. Und
zwar konnte durch Versuche untermauert werden, dass sich die Wärmeleitfähigkeit λ des Verbundmaterials ungefähr durch
die folgende Gleichung (1) ausdrücken
lässt,
die unter der Annahme formuliert wurde, dass das Mischungsgesetz
gilt. Die einzelnen Punkte in 6 zeigen
Versuchsergebnisse, die den Zusammenhang zwischen dem Flächenanteil
(%) einer Invar-Platte und der Wärmeleitfähigkeit λ (W/(m·K)) eines
Verbundmaterials darstellt, das durch Kombinieren einer aus der
Invar-Platte bestehenden Streckmetallplatte 12 und von
zwei aus Cu bestehenden Metallplatten 13 gebildet wurde. 6 zeigt auch die theoretischen
Werte der Gleichung (1). λ = λCu (λCu (1 – S) + λI vS)/ (λCu (1 – S
+ tS) + λIv (1 – t) S) (1)wobei t dem
Dickenanteil der Invar-Platte, S dem Flächenanteil der Invar-Platte, λCu der
Wärmeleitfähigkeit
von Cu und λIv der Wärmeleitfähigkeit
der Invar-Platte entspricht. Der Flächenanteil S der Invar-Platte entspricht
dem Anteil der Querschnittsfläche
der Streckmetallplatte 12 an der gesamten Querschnittsfläche der
in 4(a) gezeigten Verbundmaterialplatte 11.
Wenn die Verbundmaterialplatte 11 vollständig aus
der Invar-Platte
besteht, hat S den Wert eins, und wenn in der Verbundmaterialplatte 11 keine
Invar-Platte verwendet wird, hat S den Wert null.
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Der
Wärmeausdehnungskoeffizient β der Verbundmaterialplatte 11 entspricht
unter der Annahme, dass das Mischungsgesetz gilt, der folgenden Gleichung
(2). β = (1 – S) βCu +
S ((1 – νIv) βC uECu (1 – t) + (1 – δCu) βIvEIvt)/ ((1 – νIv)
ECu (1 – t)
+ (1 – νCu)
EIvt) (2)wobei βCu dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Cu und βIv dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Invar-Platte entspricht, ECu dem Elastizitätsmodul von
Cu und EIv dem Elastizitätsmodul der Invar-Platte entspricht
und νCu der Querkontraktionszahl von Cu und νIv der
Querkontraktionszahl der Invar-Platte entspricht.
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Durch
Versuche konnte untermauert werden, dass die Gleichung (2) ungefähr die gleiche
wie die den Volumenanteil VIV der Invar-Platte
enthaltende Kerner-Gleichung ist und dass der Wärmeausdehnungskoeffizient β der folgenden
Gleichung (3) entspricht. Die einzelnen Punkte in 7 zeigen Versuchsergebnisse, die den
Zusammenhang zwischen dem Volumenanteil (%) einer Invar-Platte und
dem Wärmeausdehnungskoeffizient
(x 10–6/°C) eines
Verbundmaterials darstellen, das durch Kombination einer aus der
Invar-Platte bestehenden Streckmetallplatte 12 und von
zwei aus Cu bestehenden Metallplatten 13 gebildet wurde. 7 zeigt auch die theoretischen
Werte der Gleichung (3). β =
((1 – νIv) βCuECu (1 – VIV) + (1 – νCu) βIvEIvVIV)/ (((1 – νIv)
ECu (1 – VIV) + (1 – νCu)
EIvVIV)) (3)
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Es
wird demnach als erstes ein Wert für den Volumenanteil VIV der Invar-Platte gewählt, der dem Zielwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten β der Verbundmaterialplatte 11 entspricht.
Außerdem
wird ein Wert für
den Flächenanteil
S der Invar-Platte gewählt,
der dem Zielwert der Wärmeleitfähigkeit λ der Verbundmaterialplatte 11 entspricht.
Wenn die Verbundmaterialplatte 11 so hergestellt wird,
dass sie diese Bedingungen erfüllt,
ist sie für
ein Wärme
ableitendes Substrat geeignet.
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Der
Volumenanteil VIV der Invar-Platte in der Verbundmaterialplatte 11 bestimmt
sich aus der Dicke der Streckmetallplatte 12 und der Dicke
der Metallplatten 13, die gewalzt und verbunden werden. Der
Volumenanteil VIV wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt. VIV = (Nettodicke der
Invar-Platte)/((Dicke von Cu) – (Dicke
des durch Oberflächenschleifen
entfernten Anteils von Cu) + (Nettodicke der Invar-Platte))
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Wenn
nach dem Walzen und Verbinden kein Oberflächenschleifen folgt, wird der
Volumenanteil VIV der Invar- Platte in der Verbundmaterialplatte 11 durch
die folgende Gleichung ausgedrückt. VIV = (Nettodicke der
Invar-Platte)/((Dicke von Cu) + (Nettodicke der Invar-Platte))
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Die
Nettodicke der Invar-Platte bezieht sich auf die Dicke der Invar-Platte
ohne Zwischenraum (Masche). Die Nettodicke der Invar-Platte wird
auf die folgende Weise entsprechend den Streckbedingungen berechnet. Nettodicke der Invar-Platte = T/(SW/2W)
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Wenn
zum Beispiel die Gleichung SW : LW : T : W : F = 2,7 : 6 : 11,2
: 1 erfüllt
ist und T1 mm beträgt,
beträgt
die Nettodicke der Invar-Platte 0,89 mm. SW entspricht dabei dem
Abstand (mm) zwischen den Mitten von zwei in Breitenrichtung der Streckmetallplatte
benachbarten Maschen (siehe 5(a))
und LW dem Abstand (mm) zwischen den Mitten von zwei in Längsrichtung
der Streckmetallplatte benachbarten Maschen (siehe 5(b)). W entspricht der Zuführbreite
(mm), F der Dicke (mm) nach dem Abflachen und T der Plattendicke
(mm) vor dem Strecken.
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Bei
der Herstellung der Streckmetallplatte 12 wird eine Vorrichtung
verwendet, von der ein Teil in 3 gezeigt
ist. Die Vorrichtung hat eine obere Klinge 16 mit einer
Anzahl V-förmiger
Kanten und eine untere Klinge 17 mit gerader Kante. An
einer Position unterhalb der oberen Klinge 16 wird jedes
Mal mit einer vorbestimmten Zuführbreite
W eine Materialplatte 18 zugeführt. Jedes Mal, wenn die Materialplatte 18 zugeführt wird,
wird die obere Klinge 16 abwechselnd um einen vorbestimmten
Betrag (LW/2) in einer zur Zuführrichtung
der Materialplatte 18 senkrechten Richtung (entlang der
Längsrichtung
der oberen Klinge 16) versetzt. Gleichzeitig wird die obere
Klinge 16 vertikal an die neue Stelle bewegt, so dass Linien
aus sich abwechselnden Schlitzen gebildet werden. Danach wird die
Materialplatte 18 gestreckt, um die Maschen 12a zu
bilden.
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5(a) zeigt schematisch eine
der Maschen 12a der Streckmetallplatte 12 in Teilperspektivansicht.
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5(b) zeigt den Schnitt entlang
der Linie 5(b)-5(b) in 5(a).
Der gefüllte
Abschnitt der Streckmetallplatte 12 enthält Stränge 12b und
Verbindungsabschnitte 12c. Die Breite jedes Strangs 12b entspricht
der Zuführbreite
W während
der Herstellung der Streckmetallplatte 12. Man kann davon ausgehen,
dass der Abstand SW zwischen den Mitten von zwei in Breitenrichtung
benachbarten Maschen 12a gleich dem Abstand zwischen zwei
in Breitenrichtung benachbarten Verbindungsabschnitten 12c ist.
Außerdem
kann man davon ausgehen, dass der Abstand LW zwischen den Mitten
von zwei in Längsrichtung
benachbarten Maschen 12a gleich dem Abstand zwischen zwei
in Längsrichtung
benachbarten Verbindungsabschnitten 12c ist.
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Die
Materialplatte 18 mit den Linien aus sich abwechselnden
Schlitzen wird gestreckt, um die Streckmetallplatte 12 mit
den Maschen 12a zu bilden. Da die Oberfläche der
Streckmetallplatte 12 uneben ist, wird die Streckmetallplatte 12 dann
durch Flachwalzen gewalzt, so dass die Stränge 12b und die Verbindungsabschnitte 12c in
der gleichen Ebene liegen. Daher sind die Seiten jedes Strangs 12b,
die in Dickenrichtung der aus der Streckmetallplatte 12 und den
Metallplatten 13 gebildeten Verbundmaterialplatte 11 verlaufen,
nicht senkrecht zu den Oberflächen der
Verbundmaterialplatte 11, sondern wie in 4(c) gezeigt geneigt. Wenn die Streckmetallplatte 12 und
die Metallplatten 13 mit den Walzen 14 gewalzt
werden, werden die Kontaktflächen
der Streckmetallplatte 12 und der Metallplatten 13 wahrscheinlich
eine zu den Kontaktflächen
senkrechte Kraft aufnehmen. Dies erhöht die Bindekraft zwischen
der Streckmetallplatte 12 und den Metallplatten 13.
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Der
Abstand SW zwischen den Mitten muss mindestens zweimal so groß wie die
Dicke der Invar-Platte sein. In einigen Bereichen der Verbundmaterialplatte 11 liegt
in Dickenrichtung nur das Matrixmaterial 15 vor, während in
anderen Bereichen in Dickenrichtung das Matrixmaterial 15 und
die Streckmetallplatte 12 vorliegen. Durch Versuche konnte
untermauert werden, dass dann, wenn die Maschen 12a zu
groß sind,
aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen diesen Bereichen der Wärmespannungseinfluss
zunimmt und dass der Abstand SW zwischen den Mitten vorzugsweise
zwei- bis fünfmal
so groß wie
die Dicke der Invar-Platte sein sollte.
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Das
Walzen erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel
durch Warmwalzen. Die Warmwalztemperatur muss größer oder gleich der Temperatur
sein, bei der es zwischen den Metallplatten 13 und zwischen der
jeweiligen Metallplatte 13 und der Streckmetallplatte 12 zu
einer Diffusionsverbindung kommt. Die Warmwalztemperatur muss also
einer Temperatur entsprechen, bei der es zu einer Gitterdiffusion
von Cu kommt, das die Metallplatten 13 bildet. Das heißt, dass
die Warmwalztemperatur auf Kelvinbasis mindestens dem 0,8-fachen
des Schmelzpunkts von Cu entsprechen muss. Die Warmwalztemperatur
ist vorzugsweise größer oder
gleich 800°C.
Wenn die Temperatur jedoch zu hoch ist, entstehen zwischen den aus
Cu bestehenden Metallplatten 13 und der aus Invar bestehenden
Streckmetallplatte 12 viele Cu-Ni-Fe Legierungsschichten,
deren Wärmeleitfähigkeit
etwa 50 W/(m·K)
beträgt.
Die Warmwalztemperatur muss daher so niedrig wie möglich sein.
Beim Warmwalzen ist es allerdings schwierig, eine konstante Temperatur
beizubehalten. Wenn die Zieltemperatur etwa 800°C beträgt, schwankt die tatsächliche
Temperatur in einem Bereich von ±50°C. Angesichts der Eigenschaften
der Vorrichtung beträgt
die Zieltemperatur daher vorzugsweise 850°C.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
hat die folgenden Vorteile.
- (1) Die Streckmetallplatte 12,
deren linearer Ausdehnungskoeffizient kleiner oder gleich 8 × 10–6/°C ist, und
die Metallplatten 13, deren Wärmeleitfähigkeit größer oder gleich 200 W/(m·K) ist, werden übereinander
gelegt und gewalzt und dadurch miteinander verbunden. Der Volumenanteil der
Streckmetallplatte 12 an der Verbundmaterialplatte 11 liegt
zwischen einschließlich
20% und 70%. Die auf diese hergestellte Verbundmaterialplatte 11 ist
daher für
ein Wärme
ableitendes Substrat geeignet, auf dem sich elektronische Komponenten
wie Halbleiterbauelemente befestigen lassen. Außerdem hat die Verbundmaterialplatte 11 verglichen
mit dem Fall, das eine Drahtgewebelage verwendet wird, eine bessere
Wärmeleitfähigkeit
und Festigkeit. Verglichen mit dem Fall, dass in einer flachen Metallplatte
durch Ausstanzen oder Präzisionsformguss
Löcher
ausgebildet werden, senkt das dargestellte Ausführungsbeispiel auch die Kosten.
- (2) Wenn die Dicke der Grundmaterialplatte 11 und die
Dicke der Streckmetallplatte 12 nach dem Walzen und Verbinden
jeweils t1 und t2 entsprechen, werden die Dicken der Streckmetallplatte 12 und
der Metallplatten 13 vor dem Walzen und Verbinden und
der Verkleinerungsfaktor durch das Walzen und Verbinden so festgelegt,
dass (t2)/(t1) zwischen einschließlich 0,2 und 0,8 liegt. Dadurch
fällt es
leicht, die Verbundmaterialplatte 11 mit einem linearen
Ausdehnungskoeffizienten und einer Wärmeleitfähigkeit herzustellen, die für ein Wärme ableitendes
Substrat geeignet sind, auf dem elektronische Komponenten wie Halbleiterbauelemente
befestigt werden.
- (3) Das Walzen und Verbinden der Materialien erfolgt in zwei
oder mehr Stufen (in diesem Ausführungsbeispiel
in zwei Stufen). Nachdem die Maschen 12a der Streckmetallplatte 12 mit
dem Material der Metallplatten 13 gefüllt wurden, wird die letzte
Stufe so durchgeführt,
dass der Verkleinerungsfaktor innerhalb des zulässigen Bereichs von Verkleinerungsfaktoren
den Maximalwert einnimmt. Da auf die Walzen 14 keine unnötige Kraft aufgebracht
werden muss, bis das Material der Metallplatten 13 die
Maschen 12a der Streckmetallplatte 12 füllt, ist
die Vorrichtung verglichen mit dem Fall, dass das Walzen und Verbinden
in einer einzigen Stufe abgeschlossen wird, kleiner.
- (4) Für
die Streckmetallplatte 12 wird die Invar-Platte und für die Metallplatten 13 Cu
verwendet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbundmaterialplatte 11 kann
daher so eingestellt werden, dass die Platte 11 für ein Wärme ableitendes
Substrat geeignet ist, auf dem elektronische Bauteile wie Halbleiterbauelemente
befestigt werden.
- (5) Die Verbundmaterialplatte 11 ist eine Platte, in der
die Streckmetallplatte 12 von dem Matrixmaterial 15 umgeben
ist, dessen Wärmeleitfähigkeit größer oder
gleich 200 W/(m·K)
ist. Verglichen mit einem Aufbau, in dem ein Teil der Streckmetallplatte 12 an
der Oberfläche
der Verbundmaterialplatte 11 frei liegt, ist daher die
Wärmeleitfähigkeit in
Horizontalrichtung besser.
- (6) Für
das Metall, das eine Wärmeleitfähigkeit von
größer oder
gleich 200 W/(m·K)
hat, wird Cu verwendet. Verglichen mit einem Edelmetall ist Cu,
das eine Wärmeleitfähigkeit
von größer oder gleich
200 W/(m·K)
hat, preiswert. Außerdem
verbessert Cu das Wärmeabstrahlvermögen der
Verbundmaterialplatte 11.
- (7) In diesem Ausführungsbeispiel
wird für
die Streckmetallplatte 12 eine Invar-Platte und für die Metallplatten 13 Cu
verwendet. Das Warmwalzen erfolgt mit einer Zieltemperatur, die
auf eine Temperatur eingestellt ist, die durch Hinzuaddieren der
Schwankungsbreite der Temperatursteuerung der Warmwalzvorrichtung
zu 800°C
errechnet wurde. Daher wird auch dann, wenn die Warmwalztemperatur
schwankt, verhindert, dass sich zwischen den aus Cu bestehenden
Metallplatten 13 und der aus der Invar-Platte bestehenden Streckmetallplatte 12 viele
Cu-Ni-Fe Legierungsschichten
bilden, deren Wärmeleitfähigkeit
nur etwa 50 W/(m·K)
beträgt.
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Die
Erfindung kann wahlweise auch wie folgt ausgeführt werden.
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Das
Walzen und Verbinden der Streckmetallplatte 12 und der
Metallplatten 13 muss nicht in zwei Stufen, sondern kann
auch in drei oder mehr Stufen erfolgen. Wahlweise kann das Walzenverbinden auch
in nur einer Stufe erfolgen.
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In
den oben dargestellten Ausführungsbeispielen
werden eine einzelne Streckmetallplatte 12 und zwei Metallplatten 13 gewalzt
und verbunden. Allerdings kann die Erfindung auch in einem Fall
Anwendung finden, in dem die Anzahl an Streckmetallplatten 12 und
Metallplatten 13 von dem obigen Ausführungsbeispiel abweicht. So
kann die Erfindung zum Beispiel, wie in 8 gezeigt ist, in einem Fall Anwendung
finden, in dem eine einzelne Metallplatte 13 zwischen zwei
Streckmetallplatten 12 gehalten wird. In diesem Fall liegen
die Streckmetallplatten 12 an den Seiten der Verbundmaterialplatte 11 frei.
Verglichen mit dem Fall, das die gesamte Streckmetallplatte 12 von
dem Metall mit der Wärmeleitfähigkeit von
größer oder
gleich 200 W/(m·K)
umgeben ist, verhindert dies wirksam eine Wärmeausdehnung an den Oberflächen der
Verbundmaterialplatte 11.
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Wenn
bei der Herstellung der Streckmetallplatte 12 eine dünnere Metallplatte 18 verwendet wird,
lassen sich leichter die feinen Maschen 12a bilden. Wenn
der Volumenanteil der Streckmetallplatte 12 im Matrixmetall 15 konstant
sein soll, erleichtert daher die Verwendung von zwei oder mehr Streckmetallplatten 12,
wie es in 8 gezeigt
ist, feinere Maschen 12a zu bilden, als wenn nur eine einzelne Streckmetallplatte 12 verwendet
wird. Dadurch lässt sich
eine homogenere Verbundmaterialplatte 11 erzielen. Wenn
also versucht wird, entsprechend der Gleichung (3) auf Grundlage
des Volumenanteils VIv der Invar-Platte
an der Verbundmaterialplatte 11 eine Verbundmaterialplatte 11 mit
einem gewünschten Wert
des Wärmeausdehnungskoeffizienten
auszubilden, wird die Genauigkeit des tatsächlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der angefertigten Verbundmaterialplatte 11 verbessert.
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Das
Material für
die Streckmetallplatte 12 ist nicht auf Invar beschränkt. lind
zwar kann jede Art von Metallplatte verwendet werden, solange der
lineare Ausdehnungs koeffizient kleiner oder gleich 8 × 10–6/°C ist. So
kann zum Beispiel eine Platte aus einer anderen Invar-Legierung, etwa aus
Superinvar oder rostfreiem Invar, oder aus Fernico (54 Gew.-% Fe,
31 Gew.-% Ni, 15 Gew.-% Co, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient
5 × 10– 6/°C
beträgt)
verwendet werden.
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Wenn
zwei oder mehr Streckmetallplatten 12 verwendet werden,
können
die Streckmetallplatten 12 aus verschiedenen Materialien
bestehen. Allerdings sollten die Teile der Streckmetallplatten,
die sich bezüglich
der in Dickenrichtung durch die Mitte der Verbundmaterialplatte 11 gehenden
Ebene an symmetrischen Positionen befinden, vorzugsweise aus dem
gleichen Material bestehen. Diese Gestaltung verhindert, dass sich
die Verbundmaterialplatte 11 wellt, wenn es einen Unterschied
zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Materialien gibt.
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Das
Matrixmaterial 15 muss nicht aus Cu bestehen. Und zwar
kann das Matrixmaterial 15 jedes Metall sein, solange der
Wärmeleitfähigkeitskoeffizient
größer oder
gleich 200 W/(m·K)
ist. So kann zum Beispiel ein Metall auf Aluminiumbasis oder Silber verwendet
werden. Der Begriff "Metall
auf Aluminiumbasis" bezieht
sich auf Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Die Wärmeleitfähigkeit
des Metalls auf Aluminiumbasis ist zwar verglichen mit der von Cu
gering, doch liegt der Schmelzpunkt des Metalls auf Aluminiumbasis
(Aluminium) bei 660°C,
was deutlich geringer als der Schmelzpunkt von Kupfer ist, der bei
1085°C liegt.
Dies senkt gegenüber
Kupfer die Herstellungskosten. Ein Metall auf Aluminiumbasis hat
auch angesichts der Gewichtsreduzierung Vorteile.
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Die
Verbundmaterialplatte 11 kann auch bei anderen Wärmesenken
als einem Wärme
ableitenden Substrat Verwendung finden, auf dem Halbleitervorrichtungen
befestigt werden. Die angegebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele
dienen nur Darstellungszwecken und sind nicht als Einschränkung zu
verstehen. Die Erfindung ist demnach nicht auf die angegebenen Details
beschränkt,
sondern kann innerhalb des Schutzumfangs und Äquivalenzbereichs der beigefügten Patentansprüche abgewandelt
werden.
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Es
werden eine Platte aus einem Streckmetall und zwei Metallplatten übereinander
gelegt. Die Streckmetallplatte hat eine Vielzahl von Maschen. Der
lineare Ausdehnungskoeffizient des Streckmetalls ist größer oder
gleich 8 × 10–6/C
und die Wärmeleitfähigkeit
der Metallplatten größer oder
gleich 200 W/(m·K).
Die Metallplatten und die Streckmetallplatte werden dann einer Warmwalzung
unterzogen, um gewalzt und verbunden zu werden. Das Walzen und Verbinden
erfolgt in zwei Stufen. In der ersten Stufe werden die Maschen der
Streckmetallplatte mit dem Material der Metallplatten gefüllt, und
in der zweiten Stufe erfolgt das Walzen und Verbinden so, dass das Verbundmaterial
eine vorbestimmte Dicke hat. Der Volumenanteil der Streckmetallplatte
am Verbundmaterial liegt in einem Bereich zwischen einschließlich 20%
und 70%. Das Verbundmaterial, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit hat
und für ein
Wärme ableitendes
Substrat geeignet ist, lässt sich
zu geringen Kosten herstellen.