DE102020103983A1

DE102020103983A1 - Wärmesenkenplatte

Info

Publication number: DE102020103983A1
Application number: DE102020103983.2A
Authority: DE
Inventors: Meoung-Whan Cho; Il-ho Kim; Seog-woo Lee; Young-Suk Kim; Hiroto Narieda; Tomotsugu Aoyama
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd; Goodsystem Corp
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd; Goodsystem Corp
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2040-02-15
Also published as: US11285701B2; CN111682002A; US20200290316A1; CN111682002B; JP2020150254A; DE102020103983B4; JP6786090B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmesenkenplatte, die eine große Menge an Wärme aufnehmen kann, wie ein elektronisches Hochleistungselement oder ein optisches Element, und die dazu in der Lage ist, die Bindung an ein Element, das aus einem Keramikmaterial besteht, während eines Verpackungsprozesses aufrechtzuerhalten und die im Einsatz ausgezeichnete Bindungseigenschaften aufweist. Die Wärmesenkenplatte umfasst eine erste Schicht, die aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung besteht, eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten beinhaltet, welche aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden, eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht, eine vierte Schicht, die auf der dritten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, welche Kupfer (Cu) und ein oder mehrere Komponenten beinhaltet, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden, und eine fünfte Schicht, die auf der vierten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht. Eine Cobaltdiffusionsschicht (Co) mit einer vorgegebenen

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmesenkenplatte und insbesondere eine Wärmesenkenplatte, die in geeigneter Weise für die Verpackung eines Hochleistungselements verwendet werden kann. Die Wärmesenkenplatte weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen eines Keramikmaterials auf, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) , um eine bevorzugte Bindung selbst dann zu erreichen, wenn die Bindung an ein Element erfolgt, welches das Keramikmaterial enthält, verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um eine große Menge an Wärme, die von dem Hochleistungselement erzeugt wird, schnell nach außen abzuleiten, und besitzt exzellente Bindungskräfte zwischen Schichten, die eine mehrlagige Struktur bilden.
In den letzten Jahren hat als Kerntechnologie auf den Gebieten der Information und Kommunikation sowie der nationalen Verteidigung ein Hochleistungsverstärkerelement Aufmerksamkeit erregt, für das ein GaN-basierter Verbindungshalbleiter verwendet wird.
Ein solches elektronisches Hochleistungselement oder optisches Element erzeugt eine größere Menge an Wärme als allgemein übliche Elemente, so dass eine Verpackungstechnologie zur effizienten Ableitung der großen Menge an erzeugter Wärme benötigt wird.
Gegenwärtig wird in dem Hochleistungshalbleiterelement, bei welchem der GaN-basierte Verbindungshalbleiter verwendet wird, eine Metallverbundplatte eingesetzt, die eine relativ günstige Wärmeleitfähigkeit sowie einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie beispielsweise ein zweilagiges Verbundmaterial aus Wolfram (W)/Kupfer (Cu), ein zweiphasiges Verbundmaterial aus Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo), ein dreilagiges Verbundmaterial aus Kupfer (Cu)/einer Kupfer-Molybdän-(Cu-Mo) Legierung/Kupfer (Cu), oder ein mehrlagiges Verbundmaterial aus Kupfer (Cu)/Molybdän (Mo)/Kupfer (Cu)/Molybdän (Mo)/Kupfer (Cu) .
Allerdings beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Verbundplatte in einer Dickenrichtung höchstens 200 W/mK bis 300 W/mK und es ist tatsächlich unmöglich, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als diese Werte zu erzielen. Daher wird ein neuartiges Wärmesenkenmaterial oder Wärmesenkensubstrat zur Verwendung in einem Element wie beispielsweise einem Leistungstransistor von mehreren Hundert Watt dringend auf dem Markt benötigt. Außerdem besteht im Falle eines mehrlagigen Verbundmaterials aus Kupfer (Cu)/Molybdän (Mo)/Kupfer (Cu)/Molybdän (Mo)/Kupfer (Cu) die Einschränkung, dass die Bindungskräfte zwischen den Schichten gering sind.
Darüber hinaus ist während eines Herstellungsprozesses eines Halbleiterelements ein Hartlötvorgang an das Keramikmaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) zwingend erforderlich.
Da ein solcher Hartlötvorgang bei einer hohen Temperatur von etwa 800 °C oder mehr durchgeführt wird, entstehen während des Hartlötvorgangs aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einem Metall-Verbundsubstrat und einem Keramikmaterial Verbiegung oder Bruch. Die Verbiegung oder der Bruch haben fatale Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit eines Elements.
Aus diesem Grund schlagen die Erfinder der Erfindung eine Wärmesenkenplatte vor, die Deckschichten (erste und fünfte Schicht) aus Kupfer (Cu), Zwischenschichten (zweite und vierte Schicht) aus einer Legierung aus Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo), und eine Kernschicht enthält, welche eine Struktur aufweist, bei der eine Kupferschicht (Cu) und eine Molybdänschicht (Mo) abwechselnd entlang einer Richtung parallel zu der Ober- und Unterseite einer Wärmesenkenplatte wiederholt werden, wie in Patentdokument 2 unten offenbart. Auch wenn die Wärmesenkenplatte mit dem oben beschriebenen Aufbau eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit von 400 W/mK oder mehr aufweist und dabei gleichzeitig einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der gleich oder ähnlich demjenigen eines Keramikmaterials ist, besteht dahingehend eine Einschränkung, dass die Anzahl von Herstellungsprozessen und die Prozesskosten aufgrund der komplizierten Struktur zu nehmen.
Folglich ist die Entwicklung einer Wärmesenkenplatte erforderlich, die eine Struktur aufweist, welche mit einem einfacheren Verfahren hergestellt werden kann, hervorragende Bindungskräfte zwischen den Schichten besitzt, ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeitseigenschaften in einer Dickenrichtung an den Tag legt und einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie denjenigen eines Keramikmaterials in einer Oberflächenrichtung lotrecht zu der Dickenrichtung erzielt.
Als Dokumente zum Stand der Technik werden genannt:

JP-A 2016-127197 und KR-A 2018-0097021 .

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Wärmesenkenplatte bereitzustellen, die eine mehrlagige Struktur aufweist, wobei die Wärmesenkenplatte hervorragende Bindungskräfte zwischen Schichten besitzt, welche die mehrlagige Struktur bilden, und gleichzeitig ausgezeichnete Wärmeleitungseigenschaften von 300 W/mK oder mehr in einer Dickenrichtung und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K in einer Oberflächenrichtung lotrecht zu der Dickenrichtung erzielt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmesenkenplatte vorgesehen, die beinhaltet: eine erste Schicht, die aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht; eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten beinhaltet, welche aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden; eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht; eine vierte Schicht, die auf der dritten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, welche Kupfer (Cu) und ein oder mehrere Komponenten beinhaltet, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden; und eine fünfte Schicht, die auf der vierten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht, wobei eine Cobaltdiffusionsschicht (Co) jeweils an den Grenzschichten zwischen der ersten, dritten und fünften Schicht sowie der zweiten und vierten Schicht ausgebildet ist, die dazwischen angeordnet sind.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine Darstellung einer Dickenrichtung und einer Oberflächenrichtung einer Wärmesenkenplatte;
2 eine mehrlagige Struktur einer Wärmesenkenplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Analyseergebnis einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) für eine Grenzschicht einer Wärmesenkenplatte, die gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
4 ein Analyseergebnis einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) für eine Grenzschicht einer Wärmesenkenplatte, die gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Allerdings können die Ausführungsbeispiele der Erfindung in unterschiedlichen Formen ausgeführt werden, und der Geltungsbereich der Erfindung ist nicht auf die unten dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen zur noch vollständigeren Erläuterung der Erfindung für Fachleute, für welche die Erfindung vorgesehen ist.
Eine Wärmesenkenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine erste Schicht, die aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht, eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten beinhaltet, welche aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden, eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht, eine vierte Schicht, die auf der dritten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, welche Kupfer (Cu) und ein oder mehrere Komponenten beinhaltet, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden, und eine fünfte Schicht, die auf der vierten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht. Eine Cobaltdiffusionsschicht (Co) ist jeweils auf den Grenzschichten zwischen der ersten, dritten und fünften Schicht sowie der zweiten und vierten Schicht ausgebildet, die dazwischen angeordnet sind.
In der vorliegenden Erfindung zeigt die „Dickenrichtung“ eine Richtung lotrecht zu einer Oberfläche der Wärmesenkenplatte an, und die „Oberflächenrichtung“ kennzeichnet eine Richtung parallel zu der Oberfläche der Platte, wie in 1 dargestellt.
Außerdem kennzeichnet der Begriff „Cobaltdiffusionsschicht (Co)“ eine Region, in der Cobalt (Co) in Matrizen der ersten, dritten und fünften Lage, die aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) bestehen, und der zweiten und vierten Schicht aufgelöst ist, die aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung bestehen, welche Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten enthält, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden, aufgrund der Diffusion des Cobaltelements (Co) aus der Grenzschicht, oder weil das Cobalt (Cu) als Verbindung mit Materialien vorliegt, aus welchem die Matrizen bestehen. Diese Region weist eine wesentlich höhere Cobaltkonzentration (Co) bis zu einem analysierbaren Niveau auf, im Vergleich zu einem Cobaltgehalt (Co), der in einem Material vorliegt, aus welchem die einzelnen Schichten bestehen.
Die Wärmesenkenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine fünflagige Struktur aus einer Kupferschicht (Cu)/einer Molybdänschicht (Mo) oder einer Legierungsschicht/einer Kupferschicht (Cu)/einer Molybdänschicht (Mo) oder einer Legierungsschicht/einer Kupferschicht (Cu). Da die Wärmesenkenplatte aus einer mindestens fünflagigen Struktur besteht, kann sie aufgrund dessen, dass die Molybdänschicht (Mo) und die Legierungsschicht einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Dickenrichtung aufweisen, der bei 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K liegt. Außerdem ist die Cobaltdiffusionsschicht (Co) mit einer vorgegebenen Dicke auf den Grenzschichten zwischen der ersten, dritten und fünften sowie der zweiten und vierten Schicht ausgebildet, die dazwischen angeordnet sind, so dass die Bindungskräfte zwischen den Schichten signifikant verbessert werden können.
Zwar ist in der vorliegenden Erfindung die fünflagige Struktur beschrieben, doch versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch zusätzliche Lagen aus weiteren Schichten auf der fünflagigen Struktur einschließt.
Die erste, dritte und fünfte Schicht können jeweils aus einer Kupferlegierung (Cu) bestehen, die verschiedene Legierungselemente sowie 99 Gew.-% oder mehr an Kupfer (Cu) enthält, und die Kupferlegierung (Cu) kann 80 Gew.-% oder mehr an Kupfer (Cu) enthalten, vorzugsweise 90 Gew.-% oder mehr und noch besser 95 Gew.-% oder mehr, wenn die Wärmeableitungseigenschaften berücksichtigt werden.
Die zweite und vierte Schicht können aus einer Legierung bestehen, die 5 - 40 Gew.-% an Kupfer (Co) enthält, wobei der Rest aus einer oder mehreren Komponenten, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt werden, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Unvermeidbare Verunreinigungen sind dabei Verunreinigungen, die während eines Herstellungsprozesses der Legierung unbeabsichtigt in die Legierung eingeführt werden. In bevorzugter Weise wird die Legierung, die, wie oben beschrieben, Kupfer (Cu) enthält, verwendet, da der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient erzielt werden kann, während gleichzeitig die Bindungskraft an die Kupferschicht (Cu) verbessert wird, wobei außerdem die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung verbessert werden kann.
Wenn die zweite und vierte Schicht jeweils aus einer Molybdän-Kupfer-Legierung (Mo, Cu) bestehen, die 60 - 95 Gew.-% an Molybdän (Mo) und 5 - 40 Gew.-% an Kupfer (Cu) enthält, ergeben sich beim Bilden der Cobaltdiffusionsschicht (Co) Vorteile, da Cobalt (Co) eine gute Löslichkeit an Molybdän (Mo) und Kupfer (Cu) aufweist, so dass die Bindungskräfte zwischen den Schichten auf bevorzugte Weise zunehmen. Wenn der Kupfergehalt (Cu) weniger als 5 Gew.-% ausmacht, nimmt die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung ab, doch wenn er sich auf mehr als 40 Gew.-% beläuft, kann die Beibehaltung eines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Oberflächenrichtung erschwert werden. Somit wird vorzugsweise der oben beschriebene Bereich eingehalten.
Wenn der Gehalt an Cobalt (Co), das in der gesamten Wärmesenkenplatte enthalten ist, weniger als 0,003 Gew.-% beträgt, wird die ausreichende Verbesserung der Bindungskraft erschwert, da die Diffusionsschicht nicht hinreichend gebildet wird, doch wenn der Cobaltgehalt (Co) mehr als 5 Gew.-% ausmacht, ist die Festlegung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wärmesenkenplatte auf ein erwünschtes Maß erschwert. Somit wird vorzugsweise der oben beschriebene Bereich von 0,003 - 5 Gew.-% eingehalten.
Die Dicke der Cobaltdiffusionsschicht (Co) sollte 0,05 µm oder mehr betragen, um eine Verbesserung der Bindungskräfte über einem bestimmten Niveau zu erzielen. Um eine Dicke von mehr als 100 µm zu erzielen, werden eine große Menge an Cobalt (Co) oder eine lange Prozessdauer benötigt, doch ist die Verbesserung der Bindungskraft nicht beeindruckend. Somit beträgt sie vorzugsweise 100 µm oder weniger. Die bevorzugte Dicke der Cobaltdiffusionsschicht (Co) beträgt 0,1 µm bis 10 µm.
Eine Cobaltschicht (Co), in der Cobalt (Co) einphasig vorliegt, kann sich in der Cobaltdiffusionsschicht (Co) befinden. Hierbei ist das einphasige Cobalt (Co) eine Schicht, in der ein Cobalt (Co) nicht vollständig aufgelöst wird und somit nach einem Herstellungsprozess verbleibt.
Die Cobaltdiffusionsschicht (Co) ist vorzugsweise auf beiden Seiten der Grenzschicht ausgebildet, um die Bindungskraft zu verbessern.
Wenn die Dicke der ersten, dritten und fünften Schicht jeweils im Bereich von 10 µm bis 1000 µm liegt, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wärmesenkenplatte in der Oberflächenrichtung im Bereich von 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K gehalten werden, und die Wärmeleitfähigkeit von 300 W/mK oder mehr in der Dickenrichtung kann erzielt werden. Somit wird die Dicke vorzugsweise in dem oben beschriebenen Bereich gehalten.
Wenn die Gesamtdicke der Wärmesenkenplatte 1100 µm überschreitet, ist die Beibehaltung des Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Oberflächenrichtung im Bereich von 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K erschwert, wenn die Dicke der zweiten und vierten Schicht jeweils weniger als 10 µm beträgt, doch wenn sie sich auf mehr als 110 µm beläuft, ist es schwierig, die Wärmeleitfähigkeit von 300 W/mK in der Dickenrichtung zu erzielen. Somit wird die Dicke der zweiten und vierten Schicht vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 110 µm gehalten. Bei einer Variation der Gesamtdicke der Wärmesenkenplatte wird vorzugsweise nur die Dicke der zweiten und vierten Schicht proportional erhöht, wenn die Gesamtdicke erhöht wird, und wird die Dicke der zweiten und vierten Schicht proportional verringert, wenn die Gesamtdicke verringert wird.
Wenn der Gehalt an Molybdän (Mo) in der gesamten Wärmesenkenplatte weniger als 3 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12×10^-6/K oder weniger in der Oberflächenrichtung zu erzielen, doch wenn der Gehalt an Molybdän (Mo) 15 Gew.-% überschreitet, wird die Erzielung der Wärmeleitfähigkeit von 300 W/mK oder mehr in der Dickenrichtung erschwert. Somit wird der Gehalt von Molybdän (Mo) vorzugsweise im Bereich von 3 - 15 Gew.-% gehalten, wobei in noch bevorzugterer Weise der Gehalt an Molybdän (Mo) bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Oberflächenrichtung und der Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 5 -10 Gew.-% gehalten wird.
In der Wärmesenkenplatte beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wärmesenkenplatte in der Oberflächenrichtung vorzugsweise 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K, da, wenn er außerhalb des oben beschriebenen Bereiches liegt, leicht ein Versagen aufgrund einer Differenz der Wärmekoeffizienten bei der Bindung an ein Keramikelement oder bei der Verwendung auftritt.
In der Wärmesenkenplatte beträgt die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung 300 W/mK oder mehr und vorzugsweise 350 W/mK oder mehr.
Wenn die Gesamtdicke der Wärmesenkenplatte weniger als 0,5 mm oder mehr als 5 mm beträgt, kann es schwierig sein, den Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K in der Oberflächenrichtung und die Wärmeleitfähigkeit von 300 W/mK oder mehr durch die Wärmesenkenplatte mit der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Somit wird die Gesamtdicke vorzugsweise in dem oben beschriebenen Bereich gehalten.
Wenn in der Wärmesenkenplatte eine Summe der Dicken der zweiten und vierten Schicht weniger als 5 % der Dicke der gesamten Wärmesenkenplatte beträgt, ist es nicht einfach, den Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K in der Oberflächenrichtung zu erzielen, und wenn sie mehr als 35 % beträgt, wird die Erzielung der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung erschwert. Somit wird vorzugsweise der Bereich von 5 bis 35 % eingehalten.
Ausführungsbeispiel
2 zeigt eine mehrlagige Struktur einer Wärmesenkenplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiel 1
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet eine Wärmesenkenplatte 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine erste Schicht 10 aus Kupfer (Cu), eine zweite Schicht 20, die auf der Oberseite der ersten Schicht 10 ausgebildet ist und aus einer Molybdän-Kupfer-Legierung (Mo, Cu) besteht, eine dritte Schicht 30, die auf der Oberseite der zweiten Schicht 20 ausgebildet ist und aus einem Kupfer (Cu) besteht, eine vierte Schicht 40, die auf der Oberseite der dritten Schicht 30 ausgebildet ist und aus einer Molybdän-Kupfer-Legierung (Mo, Cu) besteht, und eine fünfte Schicht 50, die auf der Oberseite der vierten Schicht 40 ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) besteht.
Außerdem ist eine erste Cobaltdiffusionsschicht 60 (eine Region, die in der Zeichnung mit schrägen Linien gekennzeichnet ist) jeweils auf den Grenzschichten der zweiten Schicht 20 ausgebildet, die zwischen der ersten Schicht 10 und der dritten Schicht 30 angeordnet ist, und eine zweite Cobaltdiffusionsschicht 70 (eine Region, die in der Zeichnung mit schrägen Linien gekennzeichnet ist) ist jeweils auf den Grenzschichten der vierten Schicht 40 ausgebildet, die zwischen der dritten Schicht 30 und der fünften Schicht 50 angeordnet ist.
Unter den Schichten bestehen jeweils die erste Schicht 10 und die fünfte Schicht 50 aus Kupfer (Cu), das 99 Gew.-% an Kupfer (Cu) enthält und die Dicke von etwa 200 µm aufweist, die dritte Schicht 30 besteht aus Kupfer (Cu), das 99 Gew.-% oder mehr an Kupfer (Cu) enthält und die Dicke von etwa 600 µm aufweist, und die zweite Schicht 20 und die vierte Schicht 40 bestehen jeweils aus einer Molybdän-Kupfer-Legierung (Mo: 80 Gew.-%, Cu: 20 Gew.-%) und weisen eine Dicke von etwa 50 µm auf. Die erste Cobaltdiffusionsschicht 60 und die zweite Cobaltdiffusionsschicht 70 weisen die Dicke von etwa 0,5 µm bis 5 µm auf, und die Dicken der Diffusionsschicht können entsprechend Prozessbedingungen wie beispielsweise einer Prozesstemperatur und einer Abkühlungsgeschwindigkeit variiert werden.
Die Wärmesenkenplatte 1 mit der oben beschriebenen Struktur wurde durch die nachfolgenden Prozesse hergestellt.
Zunächst wurde eine Kupferplatte (Cu) mit der Dicke von etwa 200 µm, der Länge von 100 mmm und der Breite von 100 mm als ein Rohmaterial für jeweils die erste Schicht 10 und die fünfte Schicht 50 vorbereitet, eine Kupferplatte (Cu) mit der Dicke von etwa 600 µm, der Länge von 100 mm und der Breite von 100 mm wurde als ein Rohmaterial für die dritte Schicht 30 hergestellt, und eine Molybdän-Kupfer-Legierungsplatte (Mo: 80 %, Cu: 20 Gew.-%) mit der Dicke von etwa 50 µm, der Länge von 100 mm und der Breite von 100 mm wurde als ein Rohmaterial für jeweils die zweite Schicht 20 und die vierte Schicht 40 vorbereitet.
Anschließend wurde eine Cobaltschicht (Co) auf einer Oberfläche von jeweils der ersten Schicht 10, der dritten Schicht 30 und der fünften Schicht 50 mit einer Dicke von etwa 500 nm unter Verwendung eines Sputterverfahrens aufgebracht und ausgebildet.
Die Schichten werden jeweils übereinander gestapelt, um die Struktur aus 2 zu bilden, indem Abschnitte mit den Cobaltschichten (Co) in Kontakt mit der zweiten Schicht 20 und der vierten Schicht 40 gebracht werden und anschließend durch ein Verfahren zum Pressen und Sintern aneinander gebondet werden. Dabei wurde eine Sintertemperatur auf 900 °C eingestellt und die Abkühlung erfolgte nach dem Sintern in einem Sinterofen.
Komponentenzuordnung wurde unter Verwendung einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) für die Grenzschicht der Wärmesenkenplatte durchgeführt, die wie oben beschrieben hergestellt worden war, und das Ergebnis ist in 3 dargestellt.
Wie in 3 dargestellt, zeigt sich, dass auf der Grenzschicht zwischen einer Molybdän-Kupfer-Legierungsschicht (Mo, Cu) und einer Kupferschicht (Cu), die aus Kupfer (Cu) besteht, zumindest ein Teil der Cobaltschicht (Co), die vor dem Pressen und Sintern ausgebildet wird, sowohl in die Kupferschicht (Cu) als auch die Molybdän-Kupfer-Legierungsschicht (Mo, Cu) diffundiert ist. Die wie oben beschrieben hergestellte Cobaltdiffusionsschicht (Co) kann eine Bindungskraft zwischen der Kupferschicht (Cu) und der Molybdän-Kupfer-Schicht (Mo, Cu) verbessern.
Um die Bindungskräfte zwischen den Schichten der Wärmesenkenplatte, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, zu evaluieren, wurde ein Prüfkörper mit einer Länge von 10 mm und einer Breite von 20 mm aus der gepressten und gesinterten Wärmesenkenplatte ausgeschnitten. Eine Bodenfläche von Schrauben (M 16) wurde (unter einer Wasserstoffatmosphäre bei 800 °C) auf beide Oberflächen des Prüfkörpers unter Verwendung von Silberlöten (BAg-8) gebondet, und beide Seiten eines Schenkelteils der Schraube wurden unter Verwendung einer Universalprüfmaschine (AG-300kNX) eingespannt und der Test mit einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit (1 mm/Min) durchgeführt, bis die Grenzschicht brach. Der Test ergab eine Bindungsstärke von 352 MPa. Somit wurde bestätigt, dass die Bindungskräfte zwischen den Schichten der Wärmesenkenplatte, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gefertigt wurden, ausgezeichnet sind.
Ausführungsbeispiel 2
Eine Wärmesenkenplatte wurde mit demselben Verfahren wie in Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass die Dicke einer aufgebrachten Cobaltschicht (Co) etwa 70 nm betrug. Die Bindungsstärke von Ausführungsbeispiel 2 betrug 344 MPa. Eine Dicke von jeweils der ersten Cobaltdiffusionsschicht 60 und der zweiten Cobaltdiffusionsschicht 70 betrug 1 µm.
Komponentenzuordnung wurde unter Verwendung einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) für die Grenzschicht der Wärmesenkenplatte durchgeführt, die wie oben beschrieben hergestellt worden war, und das Ergebnis ist in 4 dargestellt. Wie in 4 dargestellt, kann Ausführungsbeispiel 2 entnommen werden, dass auf der Grenzschicht zwischen einer Molybdän-Kupfer-Legierungsschicht (Mo, Cu) und einer Kupferschicht (Cu), die aus Kupfer (Cu) besteht, zumindest ein Teil der Cobaltschicht (Co), die vor dem Pressen und Sintern ausgebildet wird, sowohl in die Kupferschicht (Cu) als auch die Molybdän-Kupfer-Legierungsschicht (Mo, Cu) diffundiert ist, wie in Ausführungsbeispiel 1.
Ausführungsbeispiel 3
Eine Wärmesenkenplatte wurde mit demselben Verfahren wie in Ausführungsbeispiel 2 hergestellt, mit dem Unterschied, dass eine Dicke von jeweils der ersten Schicht 10 und der fünften Schicht 50 etwa 400 µm betrug und eine Dicke der dritten Schicht 30 etwa 200 µm betrug. Die Bindungsstärke von Ausführungsbeispiel 3 betrug 321 MPa.
Ausführungsbeispiel 4
Eine Wärmesenkenplatte wurde mit demselben Verfahren wie in Ausführungsbeispiel 3 hergestellt, mit dem Unterschied, dass die zweite Schicht 20 und die vierte Schicht 40 jeweils aus Molybdän (Mo) bestanden, das 99 Gew.-% an Molybdän (Mo) enthielt, und eine Dicke von etwa 50 µm aufwiesen. Die Bindungsstärke von Ausführungsbeispiel 4 betrug 267 MPa.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Wärmesenkenplatte wurde mit demselben Verfahren wie in Ausführungsbeispiel 3 hergestellt, mit dem Unterschied, dass keine Cobaltschicht (Co) aufgebracht wurde. Die Bindungsstärke von Vergleichsbeispiel 1 betrug 294 MPa.
Vergleichsbeispiel 2
Eine Wärmesenkenplatte wurde mit demselben Verfahren wie in Ausführungsbeispiel 4 hergestellt, mit dem Unterschied, dass keine Cobaltschicht (Co) aufgebracht wurde. Die Bindungsstärke von Vergleichsbeispiel 2 betrug 139 MPa.
Ferner befindet sich in der Wärmesenkenplatte, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, die Kupferschicht (Cu) in einem erweiterten Zustand aufgrund von intensiver Zugspannung, die durch eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Kupferschicht (Cu) und der Molybdänschicht (Mo) oder der Molybdän-Kupfer-Legierungsschicht (Mo, Cu) verursacht wird. Wenn eine Temperatur der Wärmesenkenplatte während eines Prozesses (beispielsweise einem Lötprozess) zum Verbinden der Wärmesenkenplatte in einem Zustand, in dem die Zugspannung wirkt, ansteigt, lässt die Spannung nach und das Kupfer (Cu), das bereits auf eine gewisse Größe ausgedehnt ist, reduziert die Ausdehnungsrate zusätzlich, so dass der gesamte Wärmeausdehnungskoeffizient der Wärmesenkenplatte verringert wird. Außerdem ist die Molybdän-Kupfer-Legierungsschicht (Mo, Cu), die sich nachteilig auf die Wärmeleitfähigkeit auswirkt, in der gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigten Wärmesenkenplatte dünn ausgebildet und weist eine Dicke von 50 µm auf, was die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung erhöhen kann.
Gleichzeitig werden zwar die Platten in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorbereitet und durch Pressen und Sintern miteinander verbunden, doch kann die mehrlagige Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung durch verschiedene Verfahren wie beispielsweise Plattierung und Abscheidung erzielt werden.

In Tabelle 1 und werden die Ergebnisse, die durch Messen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Oberflächenrichtung und einer Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung (der Mittelwert, der durch Mitteln der Werte an 10 zufälligen Punkten erhalten wird, die auf der Wärmesenkenplatte ausgewählt wurden) in der Wärmesenkenplatte erhalten wurden, welche gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, mit Ergebnissen verglichen, die durch Messen der Wärmeleitfähigkeit und eines Wärmeausdehnungskoeffizienten einer reinen Kupferplatte erhalten wurden. Ferner wurde die Messung der Wärmeleitfähigkeit unter Verwendung von LFA467 (geliefert von NETZSCH) und DSC200F3 (geliefert von NETZSCH) unter einer Stickstoffatmosphäre bei 25 °C durchgeführt. Darüber hinaus wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient unter Verwendung von DIL402C (geliefert von NETZSCH) in dem Temperaturbereich ab Raumtemperatur bis 800 °C gemessen. Dabei betrug eine Erwärmungsgeschwindigkeit 10 °C/Min unter einer Argonatmosphäre. Tabelle 1

Klassifizierung	Dickenrichtung Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	800 °C Wärmeausdehnungskoeffizient
Klassifizierung	Dickenrichtung Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	(×10^-6/K)
Ausführungsbeispiel 1	355	10, 9
Ausführungsbeispiel 2	360	8,5
Ausführungsbeispiel 3	358	8,3
Ausführungsbeispiel 4	266	6, 4
Vergleichsbeispiel 1	356	8, 4
Vergleichsbeispiel 2	265	6, 5
Vergleichsbeispiel (reine Kupferplatte)	380	17

Wie in Tabelle 1 dargestellt, betragen die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wärmesenkenplatte gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung 6.4×10^-6/K bis 10.9×10^-6/K in der Oberflächenrichtung, und diese Werte ähneln einem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Keramikmaterials, aus welchem ein elektronisches Element wie beispielsweise ein Halbleiterelement und ein optisches Element besteht. Somit können eine Verformung und eine Schichtablösung, die bei der Montage solcher Elemente auftreten, reduziert werden.
Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Wärmesenkenplatte gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hervorragend, nahe denjenigen der Platte (Vergleichsbeispiel), die ausschließlich aus Kupfer besteht, und kann somit für eine Wärmesenkenplatte eines Hochleistungselementes eingesetzt werden, das eine große Menge an Wärme erzeugt.
Die Wärmesenkenplatte gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die mehrlagige Struktur auf, die aus der Kupferschicht (Cu), und der Molybdänschicht (Mo) oder der Legierung besteht, welche Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten enthält, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) ausgewählt werden. Die Bindungskräfte zwischen den Schichten, aus welchen die mehrlagige Struktur besteht, wird durch die Cobaltdiffusionsschicht (Co) signifikant verbessert, die an der Grenzschicht der jeweiligen Schichten ausgebildet ist, so dass die Schichtablösung zwischen den Schichten aufgrund einer ungenügenden Bindungskraft verhindert werden kann.
Ferner können mit der Wärmesenkenplatte gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von 300 W/mK oder höher (noch besser 350 W/mK oder höher) in der Dickenrichtung sowie der Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K in der Oberflächenrichtung erzielt werden, was mit einer vorhandenen fünflagigen Struktur nicht so einfach möglich ist, so dass die Wärmesenkenplatte als Verpackung für das elektronische Hochleistungselement oder das optische Element verwendet werden kann, das eine größere Menge an Wärme als allgemein übliche Elemente erzeugt.
Darüber hinaus weist die Wärmesenkenplatte gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die einfache mehrlagige Struktur auf, nicht die komplizierte Struktur, wie beispielsweise ein vertikal stehendes Gittergefüge, so dass sie ohne Probleme mit einfachen Verfahren hergestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016127197 A [0010]
KR 20180097021 A [0010]

Claims

Wärmesenkenplatte, umfassend: eine erste Schicht aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung; eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, welche Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten umfasst, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) ausgewählt sind; eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht; eine vierte Schicht, die auf der dritten Schicht ausgebildet ist und aus Molybdän (Mo) oder einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und eine oder mehrere Komponenten umfasst, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) ausgewählt sind; und eine fünfte Schicht, die auf der vierten Schicht ausgebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung (Cu) besteht, wobei eine Cobaltdiffusionsschicht (Co) mit einer vorgegebenen Dicke an jeder der Grenzschichten zwischen der ersten, dritten und fünften Schicht und der entsprechend dazwischenliegenden zweiten und vierten Schicht ausgebildet ist.
Wärmesenkenplatte nach Anspruch 1, wobei der Kupfergehalt von jeweils der ersten, dritten und fünften Schicht 90 Gew.-% oder mehr beträgt.
Wärmesenkenplatte nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 5 - 40 Gew.-% an Kupfer (Co) umfasst, wobei der Rest aus einer Komponente, die aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Beryllium (Be) gewählt wird, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gehalt an Cobalt (Co) in der gesamten Wärmesenkenplatte 0,003 - 5 Gew.-% beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite und vierte Schicht jeweils aus einer Legierung bestehen, die 5 - 40 Gew.-% an Kupfer (Cu) umfasst, wobei der Rest Molybdän (Mo) und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gehalt an Molybdän (Mo) in der gesamten Wärmesenkenplatte 3 - 15 Gew.-% beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dicke der Cobaltdiffusionsschicht (Co) 50 nm bis 100 µm beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Cobaltdiffusionsschicht (Co) jeweils auf beiden Seiten der Grenzschicht ausgebildet ist.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Dicke der zweiten und vierten Schicht jeweils 10 µm bis 110 µm beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Gesamtdicke der Wärmesenkenplatte 0,5 mm bis 5 mm beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei sich die Summe der Dicken der zweiten und vierten Schicht auf 5 - 35 % der Dicke der gesamten Wärmesenkenplatte beläuft.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wärmesenkenplatte in einer Oberflächenrichtung 6×10^-6/K bis 12×10^-6/K beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Wärmesenkenplatte in einer Dickenrichtung 200 W/mK oder mehr beträgt.
Wärmesenkenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Wärmesenkenplatte in einer Dickenrichtung 300 W/mK oder mehr beträgt.