DE102022113414A1

DE102022113414A1 - Verbundmaterial und Wärmeableitungsteil hieraus

Info

Publication number: DE102022113414A1
Application number: DE102022113414.8A
Authority: DE
Inventors: Meoung-Whan Cho; Seog-woo Lee; Young-Suk Kim
Original assignee: Goodsystem Corp
Current assignee: Goodsystem Corp
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2022-12-08
Also published as: KR20220165595A; JP7440944B2; JP2022187981A; KR102576792B1; US20220394882A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial und ein aus dem Verbundmaterial bestehendes Wärmeableitungsteil, wobei Partikel, die aus einem Material mit ausgezeichneten Wärmeleiteigenschaften, wie Diamant oder Siliziumkarbid (SiC), bestehen, in einer Metallmatrix zusammengesetzt sind, um eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zu erzielen und gleichzeitig einen Wärmeausdehnungskoeffizienten so zu kontrollieren, dass er in einem gewünschten Bereich liegt, und insbesondere die Wärmeleitfähigkeit selbst bei hoher Wärmezufuhr kaum verschlechtert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial aus einem Metall und einem Nichtmetall und ein aus dem Verbundmaterial bestehendes Wärmeableitungsteil. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verbundmaterial, bei dem Partikel aus einem Material mit ausgezeichneten Wärmeleiteigenschaften, wie Diamant oder Siliziumkarbid (SiC), gleichmäßig in einer Metallmatrix verteilt sind, und insbesondere auf ein Verbundmaterial, das in der Lage ist, die Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit zu verhindern, selbst wenn ein durch Erwärmung und Abkühlung verursachter Temperaturzyklus wiederholt angewendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Mit zunehmender Leistung einer elektronischen Vorrichtung nimmt die Wärmemenge, die während des Betriebs einer in der elektronischen Vorrichtung enthaltenen Halbleitervorrichtung erzeugt wird, tendenziell allmählich zu. Dementsprechend wird ein Wärmeableitungsteil in die Halbleitervorrichtung eingebaut, um die in der Halbleitervorrichtung erzeugte Wärme nach außen abzugeben. Das Wärmeableitungsteil muss eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zu der Halbleitervorrichtung aufweisen.
Um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Halbleitervorrichtung beizubehalten, wird häufig ein Wärmeableitungsteil aus einem Verbundmaterial verwendet, in dem Partikel mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit wie Diamant oder Siliziumkarbid (SiC) verteilt und in einer Metallmatrix wie Kupfer (Cu), Silber (Ag), Aluminium (Al) oder Magnesium (Mg) zusammengesetzt sind. Als Verbundmaterialien sind verschiedene Kombinationen wie ein Cu-Diamant-Verbundmaterial, ein Ag-Diamant-Verbundmaterial, ein Al-Diamant-Verbundmaterial, ein Mg-SiC-Verbundmaterial, ein Al-SiC-Verbundmaterial und dergleichen bekannt.
Gleichzeitig variieren die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizient, die für ein Wärmeableitungsteil erforderlich sind, je nach Produkt, auf das das Wärmeableitungsteil aufgebracht wird, so dass es notwendig ist, die Kombination aus einem Metall und wärmeleitenden Partikeln, die das Verbundmaterial bilden, oder das Volumenverhältnis der wärmeleitenden Partikeln anzupassen.
Wenn das Verbundmaterial jedoch auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, verschlechtert sich seine Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu der Wärmeleitfähigkeit vor der Erwärmung, so dass das Problem besteht, dass die Wärmeleitfähigkeit in der tatsächlichen Anwendung nicht wie ursprünglich geplant umgesetzt wird.
In diesem Zusammenhang offenbart das folgende Patentdokument ein Verfahren zur Unterdrückung der Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit auf 5 % oder weniger nach dem Erwärmen auf 800 °C durch Verringerung und Verdichtung der in einem Verbundmaterial enthaltenen Sauerstoffmenge. Aber auch wenn die Technik des Patentdokuments 1 angewandt wird, kann es zu einer raschen Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit kommen, wenn ein Temperaturzyklus zwei- oder dreimal oder öfter wiederholt wird.
[Dokument des Standes der Technik]
[Patentdokument]
(Patentdokument 1) Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-111883
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung sieht ein Verbundmaterial mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und einem kontrollierten Wärmeausdehnungskoeffizienten vor, der für ein Halbleiterbauelement erforderlich ist, ohne dass sich die Wärmeleitfähigkeit verschlechtert, selbst wenn ein Temperaturzyklus angewendet wird.
Die Erfindung sieht außerdem ein Wärmeableitungsteil vor, welches das oben genannte Verbundmaterial verwendet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix und einer Struktur vorgesehen, in der wärmeleitende Partikel innerhalb der Metallmatrix verteilt sind, wobei die Metallmatrix aus Cu, Ag, Al, Mg oder einer Legierung daraus besteht, die wärmeleitenden Partikel Diamant oder SiC beinhalten, die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 15 % bis 80 % enthalten sind und in einer Mikrostruktur des Verbundmaterials der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines wärmeleitenden Partikels, das dem beliebigen wärmeleitenden Partikel am nächsten ist, 200 µm oder mehr beträgt und die Wärmeleitfähigkeit, die nach dem Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur gemessen wird, die um 20 bis 30 % niedriger ist als der Schmelzpunkt der Metallmatrix, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix und einer Struktur vorgesehen, in der wärmeleitende Partikel in der Metallmatrix verteilt sind, wobei die Metallmatrix aus Cu, Ag, Al, Mg oder einer Legierung daraus besteht, die wärmeleitenden Partikel Diamant oder SiC einschließen, die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 15 % bis 80 % enthalten sind und in einer Mikrostruktur des Verbundmaterials die wärmeleitenden Partikel ein großes Partikel und ein kleines Partikel mit einer Partikelgrößendifferenz von 150 µm oder mehr beinhalten, wobei, wenn das große Partikel ein erstes Partikel ist und ein Partikel, das relativ kleiner als dieses ist, ein zweites Partikel ist, der Abstand zwischen dem Zentrum des ersten Partikels und dem Zentrum eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder dem zweiten Partikel am nächsten ist, 200 µm oder größer ist, und die Wärmeleitfähigkeit, die nach dem Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur gemessen wird, die um 20 bis 30 % niedriger ist als der Schmelzpunkt der Metallmatrix, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Wärmeableitungsteil vorgesehen, das aus dem Verbundmaterial gemäß dem einen Ausführungsbeispiel oder dem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht.
VORTEILHAFTE EFFEKTE
Ein Verbundmaterial gemäß der Erfindung kann einen für den Verwendungszweck, z. B. eine Halbleitervorrichtung, geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweisen und insbesondere die Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit unterdrücken, selbst wenn ein durch Erwärmung und Abkühlung verursachter Temperaturzyklus wiederholt angewendet wird, wodurch äußerst zuverlässige Wärmeableitungseigenschaften bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Prozess zur Ermittlung des Abstands zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines dem beliebigen wärmeleitenden Partikels am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikels auf einem Querschnitt eines Verbundmaterials gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt schematisch einen Prozess zur Ermittlung des Abstands zwischen dem Zentrum eines ersten Partikels und dem Zentrum eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder einem zweiten Partikel am nächsten liegt, auf einem Querschnitt eines Verbundmaterials gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung einer Querschnittsstruktur in einer Dickenrichtung eines plattenförmigen Verbundmaterials gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ist eine Draufsicht und eine Querschnittdarstellung eines Verbundmaterials gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 zeigt einen keramischen Verbindungsabschnitt und einen Chipbefestigungsabschnitt in einem Wärmeableitungsteil, das aus einem Verbundmaterial gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht;
6 ist eine Querschnittsstruktur eines Verbundmaterials gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine mikroskopische Fotografie eines Querschnitts einer Platte, die aus einem gemäß der Struktur hergestellten Verbundmaterial besteht;
7 ist eine mikroskopische Fotografie einer Ebene einer Verbundmaterialplatte gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 zeigt Querschnittsstrukturen von drei Beispielen (Beispiele 1-1 bis 1-3), die zum Geltungsbereich des Ausführungsbeispiels der Erfindung gehören, und die Querschnittsstruktur eines Beispiels (Vergleichsbeispiel 1), das nicht zum Geltungsbereich des Ausführungsbeispiels gehört;
9 zeigt den Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen nach Anwendung eines Temperaturzyklus des Erwärmens von Verbundmaterialien, die gemäß den Beispielen 1-1 bis 1-3 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, auf 850°C;
10 sind Bilder von Verbundmaterialien, die gemäß den Beispielen 1-4 und Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurden, in einem Ebenenquerschnitt betrachtet;
11 zeigt die Ergebnisse der Messung der Verteilung der Abstände zwischen den Zentren der Diamantpartikel auf den Ebenenquerschnitten der nach den Beispielen 1-4 und dem Vergleichsbeispiel 2 hergestellten Verbundmaterialien;
12 zeigt den Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen nach dem Anwenden von Wärme beim Erwärmen der Verbundmaterialien, die gemäß den Beispielen 1-1 bis 1-3 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, auf 850°C;
13 ist eine Querschnittsfotografie in Dickenrichtung einer Verbundmaterialplatte, die gemäß Beispiel 2 der Erfindung hergestellt wurde;
14 ist ein Diagramm, das den Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Volumenverhältnis der Diamanten zwischen der regelmäßigen Anordnung von Diamantpartikeln gleicher Größe und der Anordnung von Diamantpartikeln in einer schrägen Struktur gemäß Beispiel 2 zeigt;
15 zeigt den Vergleich der Biegezustände nach dem Erwärmen einer Verbundmaterialplatte, in der die gemäß Beispiel 2 der Erfindung hergestellten Diamantpartikel symmetrisch, bezogen auf die Mitte der Dicke, angeordnet sind, und dem Erwärmen einer Verbundmaterialplatte, in der die Diamantpartikel zufällig verteilt sind;
16 ist ein Querschnittsbild einer laminierten Platte mit einer Struktur, in der ein Kupfer-Diamant-Verbundmaterial in eine laminierte Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu-Platte eingebettet ist, die gemäß Beispiel 3 der Erfindung hergestellt wurde;
17 zeigt die Ergebnisse der Messung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der laminierten Platte, in die ein Kupfer-Diamant-Verbundmaterial eingebettet ist und das gemäß Beispiel 3 der Erfindung hergestellt wird, der laminierten Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu-Platte und des Kupfer-Diamant-Verbundmaterials in Abhängigkeit von den Temperaturen; und
18 sind Querschnittsbilder von Verbundmaterialplatten, die gemäß den Beispielen 4 bis 4 der Erfindung hergestellt wurden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden die Konfigurationen und Funktionsweisen der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Wenn in der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung bestimmt wird, dass ausführliche Beschreibungen von bekannten Funktionen oder Konfigurationen im Stand der Technik den Kern der vorliegenden Erfindung auf unnötige Weise verschleiern könnten, wird auf die ausführlichen Beschreibungen verzichtet. Außerdem gilt, wenn es heißt, dass ein Abschnitt eine Komponente „enthält“, dass dieser Abschnitt darüber hinaus weitere Komponenten enthalten kann, anstatt die anderen Komponenten auszuschließen, sofern nicht anders angegeben.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Metallmatrix und eine Struktur auf, in der wärmeleitende Partikel gleichmäßig innerhalb der Metallmatrix verteilt sind, wobei die Metallmatrix aus Cu, Ag, Al, Mg oder einer Legierung daraus besteht, die wärmeleitenden Partikel Diamant oder SiC beinhalten, die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 15 % bis 80 % enthalten sind und in einer Mikrostruktur des Verbundmaterials der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines wärmeleitenden Partikels, das dem beliebigen wärmeleitenden Partikel am nächsten ist, 200 µm oder mehr beträgt und die Wärmeleitfähigkeit, die nach dem Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur gemessen wird, die um 20 bis 30 % niedriger ist als der Schmelzpunkt der Metallmatrix, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen.
Die „Legierung davon“ bedeutet eine Cu-Legierung, eine Ag-Legierung, eine Al-Legierung und eine Mg-Legierung, und jede Legierung kann Cu, Ag, Al oder Mg, das ein Hauptelement ist, in einer Menge von 80 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 90 Gew.-% oder mehr, noch bevorzugter 95 Gew.-% oder mehr, enthalten und kann alle bekannten Elemente enthalten, die mit dem Hauptelement als Legierungselement legiert werden können, und kann vorzugsweise ein Element enthalten, das die Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit minimieren kann.
Wenn die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von weniger als 15 % enthalten sind, ist die Wärmeleitfähigkeit geringer und der Wärmeausdehnungskoeffizient schwer anzugleichen, und wenn sie in einem Volumenverhältnis von mehr als 80 % enthalten sind, ist die Wärmeleitfähigkeit ausgezeichnet, aber die wärmeleitenden Partikel lassen sich nicht leicht verbinden und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist zu niedrig, was nicht wünschenswert ist. Hinsichtlich der Produktivität und der Eigenschaften beträgt das Volumenverhältnis der wärmeleitenden Partikel vorzugsweise 15 bis 60 %, besonders bevorzugt 30 bis 50 %.
Wenn das Partikel eine kreisförmige Form hat, ist in der vorliegenden Erfindung mit dem „Mittelpunkt des wärmeleitenden Partikels“ der Mittelpunkt der Kreisform gemeint, und wenn das Partikel eine unregelmäßige Querschnittsform hat, ist der Mittelpunkt eines Inkreises mit dem maximalen Durchmesser gemeint, der in das Innere des Partikels gezogen werden kann. Wenn ein Verbundmaterial eine beliebige Form anstelle einer Plattenform hat, ist der „Querschnitt“ ein beliebiger Querschnitt, und wenn ein Verbundmaterial eine Plattenform hat, ist es ein Querschnitt in einer Richtung parallel zur Ebene oder ein Querschnitt parallel zur Dicke.
Darüber hinaus wird die „Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit“ nach [Gleichung 1] unten berechnet. $\begin{array}{l} Verschlechterungsrate der W \ddot{a} rmeleitf \ddot{a} higkeit (%) = (W \ddot{a} rmeleitf \ddot{a} higkeit vor dem Erw \ddot{a} rmen - \\ W \ddot{a} rmeleitf \ddot{a} higkeit nach dem Erw \ddot{a} rmen) / (W \ddot{a} rmeleitf \ddot{a} higkeit vor dem Erw \ddot{a} rmen) \times 100 \end{array}$
Wenn, wie in 1 dargestellt, der Volumenanteil der wärmeleitenden Partikel 15 % oder mehr beträgt und gleichzeitig ein Abstand D1 zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines wärmeleitenden Partikels, das dem beliebigen wärmeleitenden Partikel am nächsten ist, auf 200 µm oder mehr gehalten wird, kann die Wärmeleitfähigkeit, die nach dem Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur, die 20 bis 30 % niedriger als der Schmelzpunkt der Metallmatrix ist, aufrechterhalten werden, um eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen, zu haben. Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Wärmeleitfähigkeit durch einen Temperaturzyklus, der während eines Herstellungsverfahrens eines Wärmeableitungsteils aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial, eines Montageverfahrens des Wärmeableitungsteils oder der Verwendung des Wärmeableitungsteils angewendet wird, schnell verschlechtert wird.
Der Abstand D1 zwischen dem Mittelpunkt eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Mittelpunkt eines dem beliebigen wärmeleitenden Partikel am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikels beträgt vorzugsweise 300 µm oder mehr, noch bevorzugter 400 µm oder mehr und am bevorzugtesten 500 µm oder mehr. Das heißt, wenn der Abstand zwischen den Zentren der Partikel zunimmt, wird der Widerstand gegenüber der Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit für einen Temperaturzyklus erhöht, aber wenn der Abstand zwischen den wärmeleitenden Partikeln größer wird, kann die für eine Halbleiter-Vorrichtung und dergleichen erforderliche Wärmeleitfähigkeit nicht implementiert werden, so dass der Volumenanteil der wärmeleitenden Partikel 15% oder mehr betragen muss.
Darüber hinaus kann die Wärmeleitfähigkeit, die nach dreimaligem Erwärmen des erfindungsgemäßen Verbundmaterials auf eine Temperatur, die 20 bis 30 % unter dem Schmelzpunkt der Metallmatrix liegt, und nach dem Abkühlen des Verbundmaterials auf Raumtemperatur gemessen wird, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweisen, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem ersten Erwärmen.
Die Wärmeleitfähigkeit eines Verbundmaterials, das in einem typischen Wärmeableitungsteil verwendet wird, wird oft nicht nach einem Temperaturzyklus verschlechtert, sondern die Wärmeleitfähigkeit verschlechtert sich schnell (insbesondere im Fall eines Kupfer-Diamant-Verbundmaterials). Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann jedoch das oben genannte Phänomen verhindern und somit die Zuverlässigkeit eines Wärmeableitungsteils erheblich verbessern.
Betrachtet man die Verbesserung hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und die Erhöhung des Widerstands gegenüber einer Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit während eines Temperaturzyklus, so beträgt die Größe des wärmeleitenden Partikels vorzugsweise 300 µm oder mehr, vorzugsweise 400 µm oder mehr und am bevorzugtesten 500 µm oder mehr.
Darüber hinaus kann das Verbundmaterial eine Plattenform aufweisen, die Partikelgröße der wärmeleitenden Partikel kann 300 µm oder mehr betragen, und von einer Ebene der Platte aus gesehen kann der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines dem beliebigen wärmeleitenden Partikel am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikels einen Wert innerhalb von ±20 % des Medianwerts der Abstände zwischen dem Zentrum aller auf der Ebene der Platte beobachteten wärmeleitenden Partikel und dem Zentrum der dazu am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikel haben. Wenn Diamantpartikel der oben genannten Größe in einer einzigen Schicht angeordnet sind, und wenn die Diamantpartikel von der Ebene der Platte aus gesehen in der oben genannten Struktur angeordnet sind, kann der Widerstand gegenüber einer Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit verbessert werden, selbst wenn der Temperaturzyklus wiederholt angewendet wird.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat eine Metallmatrix und eine Struktur, in der wärmeleitende Partikel in der Metallmatrix verteilt sind, wobei die Metallmatrix aus Cu, Ag, Al, Mg oder einer Legierung daraus besteht, die wärmeleitenden Partikel Diamant oder SiC einschließen, die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 15 % bis 80 % enthalten sind und in einer Mikrostruktur des Verbundmaterials die wärmeleitenden Partikel ein großes Partikel und ein kleines Partikel mit einer Partikelgrößendifferenz von 150 µm oder mehr beinhalten, wobei, wenn das große Partikel ein erstes Partikel ist und ein Partikel, das relativ kleiner als dieses ist, ein zweites Partikel ist, der Abstand zwischen dem Zentrum des ersten Partikels und dem Zentrum eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder dem zweiten Partikel am nächsten ist, 200 µm oder größer ist, und die Wärmeleitfähigkeit, die nach dem Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur gemessen wird, die um 20 bis 30 % niedriger ist als der Schmelzpunkt der Metallmatrix, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen.
Darüber hinaus können die wärmeleitenden Partikel in verschiedenen Größen gemischt und verwendet werden, und betrachtet man die Verbesserung hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und die Erhöhung des Widerstands gegenüber einer Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit während eines Temperaturzyklus, so beträgt die Größe des ersten Partikels vorzugsweise 300 µm oder mehr, vorzugsweise 400 µm oder mehr und am bevorzugtesten 500 µm oder mehr. Darüber hinaus beträgt der Volumenanteil des ersten Partikels an den gesamten wärmeleitenden Partikeln vorzugsweise 30 % oder mehr, vorzugsweise 40 % oder mehr und besonders bevorzugt 50 % oder mehr.
Darüber hinaus kann das zweite Partikel aus Partikeln mit einer einzigen Partikelgrößenverteilung oder aus einer Mischung von Partikeln mit unterschiedlichen durchschnittlichen Partikelgrößen bestehen. Dementsprechend kann die Größenverteilung der wärmeleitenden Partikel, die in dem Verbundmaterial des zweiten Ausführungsbeispiels enthalten sind, eine bimodale Verteilung oder eine multimodale Verteilung bilden.
Wenn ein Abstand D1 zwischen dem Zentrum des ersten Partikels und dem Zentrum eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder dem zweiten Partikel am nächsten ist, wie in 2 dargestellt, nicht 200 µm oder mehr beträgt, kann die Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit nach einem Temperaturzyklus nicht auf 5 % oder weniger gehalten werden, so dass es vorzuziehen ist, den oben genannten Bereich einzuhalten.
Der Abstand D1 zwischen dem Mittelpunkt des ersten Partikels und dem Mittelpunkt eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder dem zweiten Partikel am nächsten liegt, beträgt vorzugsweise 250 µm oder mehr, und noch bevorzugter 300 µm oder mehr.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Verbundmaterial eine Plattenform aufweisen und eine Form haben, bei der auf einem Querschnitt in einer Dickenrichtung das erste Partikel in einem zentralen Bereich der Dicke der Platte angeordnet ist und das zweite Partikel nahe einem Oberflächenbereich der Platte angeordnet ist, so dass die Größe des wärmeleitenden Partikels vom zentralen Bereich der Dicke zum Oberflächenbereich hin abnimmt.
Wenn das Verbundmaterial in Form einer Platte hergestellt wird, bedeutet im Rahmen der Erfindung die „Dickenrichtung“ eine Richtung parallel zur Dicke der Platte und die „Ebenenrichtung“ eine Richtung parallel zur Ebene der Platte.
Dabei kann das erste Partikel eine Form aufweisen, bei der es in vorgegebenen Abständen entlang einer Richtung vertikal zu der Dicke in einem zentralen Bereich der Dicke der Platte angeordnet ist.
Wenn, wie in 3 dargestellt, ein erstes Partikel D1 mit der größten Größe in der horizontalen Richtung in der Zeichnung entlang der Mitte eines Querschnitts in der Dickenrichtung in Schichten angeordnet ist, und ein zweites Partikel D2 um die Schichten des ersten Partikels D1 herum angeordnet ist, und ein drittes Partikel D3 mit der kleinsten Partikelgröße am nächsten zu der Oberfläche angeordnet ist und eine symmetrische Struktur gebildet wird, ist es möglich, den Volumenanteil der wärmeleitenden Partikel in der Metallmatrix zu erhöhen, so dass es für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft ist.
Im Vergleich zu einem Fall, in dem die wärmeleitenden Partikel willkürlich angeordnet sind, oder einem Fall, in dem Partikel mit einem Größenunterschied von 150 µm oder mehr regelmäßig in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, aber nicht die oben genannte symmetrische Struktur bilden, kann die oben genannte symmetrische Struktur außerdem die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Dicke der Plattenform verbessern, ein Verbiegen der Platte verhindern und Ähnliches bewirken.
Gleichzeitig sollte das, was in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, aber nicht in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, genauso interpretiert werden wie in dem ersten Ausführungsbeispiel und ist auch in den folgenden Ausführungsbeispielen gleich.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist so beschaffen, dass die Metallmatrix des Verbundmaterials gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem zweiten Ausführungsbeispiel aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht und das Verbundmaterial in eine laminierte Platte eingebettet ist, wobei die laminierte Platte eine erste Schicht aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer-(Cu) Legierung enthält, eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist und aus einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht gebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer-(Cu) Legierung besteht, eine vierte Schicht, die auf der dritten Schicht gebildet ist und aus einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, und eine fünfte Schicht, die auf der vierten Schicht gebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer- (Cu) Legierung besteht.
Die erste Schicht, die dritte Schicht und die fünfte Schicht können aus einer Kupfer- (Cu) Legierung bestehen, die reines Kupfer (Cu) in einer Menge von 99,9 Gew.-% oder mehr und verschiedene Legierungselemente in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr enthält, und wenn man die Wärmeableitungseigenschaften berücksichtigt, kann die Kupfer- (Cu) Legierung Kupfer (Cu) in einer Menge von 80 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 90 Gew.-% oder mehr und besonders bevorzugt 95 Gew.-% oder mehr enthalten.
Die zweite Schicht und die vierte Schicht bestehen aus einer Legierung, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, und es ist bevorzugt, dass die Legierung Kupfer (Cu) in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-% und Molybdän (Mo) in einer Menge von 60 bis 95 Gew.-% enthält, da es bei einem Gehalt an Kupfer (Cu) von weniger als 5 Gew.-% schwierig ist, eine gute Bindungskraft mit einer Kupferschicht (Cu) aufrechtzuerhalten, und die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung verringert wird, und wenn der Gehalt an Kupfer (Cu) mehr als 40 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Ebenenrichtung niedrig zu halten.
Wenn die Dicke der ersten Schicht, der dritten Schicht und der fünften Schicht jeweils im Bereich von 10 bis 1000 µm gehalten wird, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung einer Wärmeableitungsplatte im Bereich von 7 bis 12× 10-6/K gehalten werden, was dem eines keramischen Materials ähnlich ist, und die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung kann so implementiert werden, dass sie 300 W/mK oder mehr beträgt, so dass es vorzuziehen ist, den obigen Bereich einzuhalten. Wenn die Dicke der zweiten Schicht und der vierten Schicht jeweils weniger als 10 µm beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Ebenenrichtung im Bereich von 7 bis 12 x 10-6/K zu halten, und bei mehr als 60 µm ist es schwierig, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung im Bereich von 300 W/mK oder mehr zu halten, so dass es vorzuziehen ist, die Dicke im Bereich von 10 bis 60 µm zu halten. Wenn die Dicke der zweiten Schicht und der vierten Schicht jeweils weniger als 10 µm beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Ebenenrichtung im Bereich von 7 bis 12 x 10-6/K zu halten, und bei mehr als 60 µm ist es schwierig, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung im Bereich von 300 W/mK oder mehr zu halten, so dass es vorzuziehen ist, die Dicke im Bereich von 10 bis 60 µm zu halten.
Wie in 4 dargestellt, weist das Verbundmaterial gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ein Gefüge auf, bei der ein Verbundmaterial (ein Abschnitt, der in der Mitte mit schrägen Linien schraffiert ist), in dem Diamantpartikel in Cu oder einer Cu-Legierungsmatrix zusammengesetzt sind, in eine laminierte Platte aus Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu eingefügt ist. Dabei, wie in 4 dargestellt, ist es vorteilhaft, dass in einem Abschnitt, in dem ein Halbleiterchip montiert ist, nur eine Cu-Schicht auf der oberen und unteren Oberfläche eines Cu-Diamant-Verbundmaterials vorhanden ist, und andere Abschnitte außer dem Verbundmaterial aus Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu bestehen. In diesem Gefüge, wie in 5 dargestellt, besteht ein Abschnitt, an den die Keramik gebunden ist, aus einer Laminatstruktur aus Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu, so dass es einfach ist, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit der Keramik abzustimmen, und ein Abschnitt, der mit dem Halbleiterchip in Kontakt ist, ist ein Gefüge, das die Wärmeleitfähigkeit erhöhen kann.
Darüber hinaus weist das Verbundmaterial gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel trotz der Änderung der Erwärmungstemperatur (z. B. während der Erwärmung von 0 °C auf 800 °C) nur geringe Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und hat somit den Vorteil, dass es verschiedenen Prozesstemperaturen entsprechen kann, im Vergleich zu einem Material, bei dem sich der Wärmeausdehnungskoeffizient je nach Temperatur deutlich unterscheidet.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist so beschaffen, dass das Verbundmaterial gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist, die Metallmatrix aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht und auf jeder der oberen und unteren Oberflächen des plattenförmigen Verbundmaterials eine erste Schicht aus einer Legierung, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, gebildet ist und auf der äußeren Oberfläche jeder der ersten Schichten eine zweite Schicht aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer- (Cu) Legierung gebildet ist.
In dem Verbundmaterial gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel mit einer Laminatstruktur, wie sie in 6 dargestellt ist, besteht die erste Schicht aus einer Legierung, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, und es ist bevorzugt, dass die Legierung Kupfer (Cu) in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-% und Molybdän (Mo) in einer Menge von 60 bis 95 Gew.-% enthält, da es bei einem Gehalt an Kupfer (Cu) von weniger als 5 Gew.-% schwierig ist, eine gute Bindungskraft mit einer Kupferschicht (Cu) aufrechtzuerhalten, und die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung verringert wird, und wenn der Gehalt an Kupfer (Cu) mehr als 40 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Ebenenrichtung niedrig zu halten.
Die zweite Schicht kann aus einer Kupfer- (Cu) Legierung bestehen, die reines Kupfer (Cu) in einer Menge von 99,9 Gew.-% oder mehr und verschiedene Legierungselemente in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr enthält, und wenn man die Wärmeableitungseigenschaften berücksichtigt, kann die Kupfer- (Cu) Legierung Kupfer (Cu) in einer Menge von 80 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 90 Gew.-% oder mehr und noch bevorzugter 95 Gew.-% oder mehr enthalten.
Wenn die Dicke der ersten Schicht weniger als 10 µm beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Ebenenrichtung im Bereich von 7 bis 12 × 10-6/K zu halten, und bei mehr als 60 µm ist es schwierig, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung im Bereich von 300 W/mK oder mehr zu halten, so dass es vorzuziehen ist, die Dicke im Bereich von 10 bis 60 µm zu halten. Wenn die Dicke der zweiten Schicht und der vierten Schicht jeweils weniger als 10 µm beträgt, ist es schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Ebenenrichtung im Bereich von 7 bis 12 × 10-6/K zu halten, und bei mehr als 60 µm ist es schwierig, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung im Bereich von 300 W/mK oder mehr zu halten, so dass es vorzuziehen ist, die Dicke im Bereich von 10 bis 60 µm zu halten.
Wenn die Dicke der zweiten Schicht im Bereich von 10 bis 1.000 µm gehalten wird, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung einer Wärmeableitungsplatte im Bereich von 7 bis 12× 10-6/K gehalten werden, und die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung kann so implementiert werden, dass sie 300 W/mK oder mehr beträgt, so dass es vorzuziehen ist, den obigen Bereich einzuhalten.
Wie im Falle des dritten Ausführungsbeispiels weist das Verbundmaterial gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel trotz der Änderung der Erwärmungstemperatur (z. B. während der Erwärmung von 0 °C auf 800 °C) nur geringe Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und ist dahingehend zu bevorzugen, dass es verschiedenen Prozesstemperaturen entsprechen kann, im Vergleich zu einem Material, bei dem sich der Wärmeausdehnungskoeffizient je nach Temperatur deutlich unterscheidet.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass das Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bis zum vierten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist und eine Form hat, in der die wärmeleitenden Partikel regelmäßig in vorgegebenen Abständen auf einer Ebene der Plattenform angeordnet sind.
Wenn es, wie in 7 dargestellt, möglich ist, ein Muster zu bilden (graue Partikel in 7 sind Diamantpartikel), bei dem eine Anordnung aus vorgegebenen Abständen horizontal und vertikal bezüglich einer Ebene einer Platte besteht, ist es möglich, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten selektiv zu steuern und die Wärmeleitfähigkeit in einer Platte zu kontrollieren, die aus einem Verbundmaterial besteht. Wenn die wärmeleitenden Partikel regelmäßig angeordnet sind, kann außerdem die Menge an teuren wärmeleitenden Partikeln, wie z. B. Diamant, im Vergleich zu einer zufälligen Anordnung reduziert werden, und es können mehr als gleiche Eigenschaften im Vergleich zu einer zufälligen Anordnung erzielt werden.
Im Falle eines Gefüges, in dem wärmeleitende Partikel regelmäßig angeordnet sind, ist es wünschenswert, dass die Größe der wärmeleitenden Partikel einheitlich ist. Beispielsweise kann der Unterschied in der Partikelgröße innerhalb von ±20 %, bezogen auf einen Mittelwert, und vorzugsweise innerhalb von ± 10 % liegen.
[Sechstes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eines, bei dem in dem Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel zum fünften Ausführungsbeispiel die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel sind und eine Metallkarbidschicht an der Grenzfläche zwischen der Metallmatrix und den Diamantpartikeln gebildet wird.
Ein Metall und Diamantpartikel haben eine geringe Benetzung und können daher Defekte wie Poren oder Risse an der Grenzfläche verursachen, und da die Poren und Risse die Wärmeleitfähigkeit erheblich beeinträchtigen können, ist es vorzuziehen, die Poren und Risse so weit wie möglich zu unterdrücken. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, eine Metallkarbidschicht zu bilden, die die Benetzung zwischen der Metallmatrix und den Diamantpartikeln verbessern kann. Eine Metallkarbidschicht kann beispielsweise durch Aufbringen eines Metalls auf die Diamantoberfläche und anschließende Karbonisierung eines Teils des Metalls durch Wärmeeinwirkung während eines Wärmebehandlungs- oder Komplexierungsprozesses gebildet werden, ist aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und jedes bekannte Verfahren zur Bildung einer Metallkarbidschicht kann angewendet werden.
Bei der Metallkarbidschicht kann es sich um ein oder mehrere Karbide handeln, die aus Ti, Zr und Hf, den Metallen der Gruppe 4 des Periodensystems, ausgewählt werden, vorzugsweise TiC, und dabei kann ein Teil des Ti verbleiben, um eine Grenzflächenstruktur in Form einer Metallmatrix/Ti/TiC/Diamant zu bilden.
[Siebtes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eines, bei dem das Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bis zum sechsten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist, die Metallmatrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel sind, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 450 W/mK oder mehr beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der plattenförmigen Oberfläche 3 × 10-6/K bis 13 × 10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
[Achtes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem achten Ausführungsbeispiel ist eines, bei dem das Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bis zum sechsten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist, die Metallmatrix aus Silber oder einer Silberlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel sind, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 600 W/mK oder mehr beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der plattenförmigen Oberfläche 3 × 10-6/K bis 13 × 10-6/K bei 25 °C bis 200 °C beträgt.
[Neuntes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eines, bei dem das Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bis zum sechsten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist, die Metallmatrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel SiC-Partikel sind, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 300 W/mK oder mehr beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der plattenförmigen Oberfläche 3 × 10-6/K bis 13 × 10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
[Zehntes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eines, bei dem das Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bis zum sechsten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist, die Metallmatrix aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel und/oder SiC-Partikel sind, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 200 W/mK oder mehr beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der plattenförmigen Oberfläche 5 ×10-6/K bis 15 ×10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
[Elftes Ausführungsbeispiel]
Ein Verbundmaterial gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eines, bei dem das Verbundmaterial gemäß einem aus dem ersten Ausführungsbeispiel bis zum sechsten Ausführungsbeispiel eine Plattenform aufweist, die Metallmatrix aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel und/oder SiC-Partikel sind, die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 150 W/mK oder mehr beträgt und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der plattenförmigen Oberfläche 5 ×10-6/K bis 15 × 10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
Die Verbundmaterialien gemäß dem ersten bis elften Ausführungsbeispiel können nach den folgenden verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Beispielsweise wird ein metallisch-wärmeleitendes Verbundpartikel hergestellt, indem auf der Oberfläche des wärmeleitenden Partikels eine Metallüberzugsschicht mit einer vorgegebenen Dicke unter Verwendung eines bekannten Beschichtungsverfahrens wie stromloses Abscheiden, bei dem es sich um ein elektrochemisches Verfahren handelt, oder Sputtern oder Kugelmahlen, bei dem es sich um ein physisches Verfahren handelt, gebildet wird. Danach wird das hergestellte Verbundpartikel pressgeformt, so dass es eine Dicke vom 1,1- bis 1,3-fachen der maximalen Größe des Partikels hat, um eine einzelne Schicht zu bilden, damit zwei oder mehr Partikel nicht in einer Dickenrichtung laminiert sind, und dann wird ein Verbundblech, in dem die wärmeleitenden Partikel in einer einzelnen Schicht angeordnet sind, unter Verwendung des SPS-Sinterverfahrens hergestellt. Das Verbundblech, in dem die wärmeleitenden Partikel wie oben beschrieben in einer einzigen Schicht angeordnet sind, wird laminiert und gesintert, um eine Verbundstruktur zu bilden, in der die wärmeleitenden Partikel auch in Dickenrichtung angeordnet sind.
Als weiteres Verfahren werden in einem Metallblech mit einem vorgegebenen Muster oder Loch wärmeleitende Partikel gleichmäßig in einer vorgegebenen Position unter Verwendung des Musters oder Lochs des Blechs durch Sandstrahlen, Pressen, statische Elektrizität, Vakuum und dergleichen verteilt, und dann wird ein Verbundblech, das aus einer einzigen Schicht der wärmeleitenden Partikel besteht, durch Verbinden des Metallblechs und der wärmeleitenden Partikel durch ein Sinterverfahren hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Dicke des Metallblechs vorzugsweise das 1,1- bis 1,3-fache der maximalen Größe der wärmeleitenden Partikel. Die wie oben beschrieben hergestellten Verbundbleche werden laminiert, um eine Struktur zu bilden, in der die Partikel auch in Dickenrichtung angeordnet sind.
<Beispiel 1>
In Beispiel 1 wurde ein Verbundmaterial hergestellt, in dem Diamantpartikel gleichmäßig verteilt und in einer Kupfermatrix (Cu) zusammengesetzt waren.
Zunächst wurde Diamantpulver mit Partikelgrößen von 50 µm, 150 µm, 200 µm, 700 µm und 800 µm hergestellt. Es wurden Diamantpartikel mit einer einheitlichen Größe verwendet, bei welchen die Größe der Partikel, aus denen das Pulver besteht, innerhalb von ±20 % (vorzugsweise innerhalb von ±10 %) des repräsentativen Wertes (Durchschnitt) lag.
Titan (Ti) wurde mit Hilfe eines PVD-Verfahrens (Physical Vapor Deposition) auf die Oberfläche der Diamantpartikel aufgebracht, und an der Grenzfläche zwischen dem Diamant und dem Titan (Ti) reagierten der Kohlenstoff (C), aus dem der Diamant besteht, und ein Teil des Titans (Ti) zu Titancarbid (TiC). Die Titanschicht (Ti) ist eine Art Bindungsschicht, die die Benetzung zwischen Diamant, der eine schlechte Benetzung aufweist, und Kupfer (Cu) verbessert, um eine gute Bindungskraft zu erzielen, wenn sie zusammengesetzt werden.
Anschließend wurde mit Hilfe eines stromlosen Abscheidungsverfahrens eine Kupferschicht (Cu) auf der Oberfläche der mit Titan (Ti) beschichteten Diamantpartikel aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Dicke der Kupferschicht (Cu) etwa 50 bis 100 µm.
Danach wurden die Diamantpartikel auf eine Dicke von 1,1 bis 1,3-mal der maximalen Größe der Diamantpartikel innerhalb eines Druckbereichs, in dem die Diamantpartikel nicht zerbrachen, gepresst. Dabei wurde der Pressdruck der Presse auf 200 MPa eingestellt.
Durch die Pressformung wurde ein Formkörper erhalten, in dem die Diamantpartikel eine einzige Schicht bildeten. Ein Cu-Diamant-Verbundblech wurde durch Sintern des erhaltenen Formkörpers bei 1.000°C mit Hilfe eines Spark-Plasma-Sinterverfahrens (SPARK) hergestellt. Das hergestellte Verbundblech, wie oben beschrieben, wurde in Schichten verschiedener Anzahl, wie zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten, fünf Schichten und dergleichen, laminiert und dann erneut gesintert und verbunden, um ein Verbundblech (Wärmeableitungssubstrat) mit einer Struktur herzustellen, die eine vorgegebene Dicke aufweist und Diamantpartikel in einem Volumenverhältnis von etwa 15 % bis 80 % enthält, und bei der gleichzeitig der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen Diamantpartikels und dem Zentrum eines Diamantpartikels, das dem beliebigen Diamantpartikel am nächsten liegt, 200 µm oder mehr beträgt, und Kupfer (Cu), das eine Metallmatrix ist, notwendigerweise zwischen den Diamantpartikeln angeordnet ist.
Gleichzeitig wird in Beispiel 1 der Erfindung ein Beispiel vorgestellt, in dem ein Verbundblech als Wärmeableitungssubstrat verwendet wird, doch kann ein Kupferblech (Cu) oder ein Blech aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung (Cu-Mo) zwischen die Verbundbleche laminiert werden, um als Wärmeableitungssubstrat mit verschiedenen Laminatstrukturen von drei Schichten, fünf Schichten, sieben Schichten und dergleichen hergestellt zu werden.
Bei den gemäß Beispiel 1 hergestellten Substraten betrug die Wärmeleitfähigkeit in XY-Richtung (Richtung der Substratebene) und in Z-Richtung (Richtung der Substratdicke) bei einem Wärmeableitungssubstrat mit einem Diamantvolumenanteil von etwa 35 % und einer Dicke von etwa 1600 µm etwa 600 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in XY-Richtung (Richtung der Substratebene) wies bei 200 °C einen Wert von 10 × 10-6/K auf.
8 zeigt Querschnittsstrukturen von drei Beispielen (Beispiele 1-1 bis 1-3), die zum Geltungsbereich des in der Erfindung beanspruchten Mikrogefüges gehören, und die Querschnittsstruktur eines Beispiels (Vergleichsbeispiel 1), das nicht zum Geltungsbereich des in der Erfindung beanspruchten Mikrogefüges gehört, wobei Beispiele mithilfe des Verfahrens aus Beispiel 1 hergestellt wurden. In den Querschnittsstrukturen aus 8 sind die Ergebnisse der Messung des Abstands D1 zwischen dem Zentrum eines beliebigen Diamantpartikels und dem Zentrum eines Diamantpartikels, das dem beliebigen Diamantpartikel am nächsten liegt, die gleichen wie die in 8. Das heißt, im Fall der Beispiele 1-1 bis 1-3 der Erfindung wurden Diamantpartikel in einer signifikanten Menge mit einem Volumenverhältnis von 17,5 % bis 40 % eingeschlossen, und gleichzeitig wurde der Abstand D1 zwischen dem Zentrum eines beliebigen Diamantpartikels und dem Zentrum eines Diamantpartikels, das dem beliebigen Diamantpartikel am nächsten liegt, bei 200 µm oder mehr gehalten, während im Fall von Vergleichsbeispiel 1 das Volumenverhältnis der Diamantpartikel 40 % betrug, aber der Abstand D1 zwischen dem Zentrum eines beliebigen Diamantpartikels und dem Zentrum eines Diamantpartikels, das dem beliebigen Diamantpartikel am nächsten liegt, bei etwa 150 µm lag, was kürzer als die Abstände der Ausführungsbeispiele der Erfindung war.
9 zeigt den Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen nach dem Anwenden von Wärme beim Erwärmen der Verbundmaterialien, die gemäß den Beispielen 1-1 bis 1-3 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, auf 850°C. Wie in 9 dargestellt, gab es nach wiederholter Anwendung eines Temperaturzyklus zwei- bis dreimal, im Fall von Beispiel 1-3 eine leichte Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit (TC), aber im Fall der Beispiele 1-1 und 1-2 gab es im Wesentlichen keinen Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit (TC).
Andererseits wurde im Fall des Vergleichsbeispiels 1 die Wärmeleitfähigkeit mit 600 W/mK beibehalten, wenn ein Temperaturzyklus einmal angewendet wurde, da Diamantpartikel in einer signifikanten Menge mit einem Volumenverhältnis von 40 % enthalten waren, aber nachdem der Temperaturzyklus zwei- und dreimal wiederholt wurde, verschlechterte sich die Wärmeleitfähigkeit auf ein Niveau von etwa 300 W/mK, was zeigt, dass die hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften, die für einen Cu-Diamant-Verbundstoff erforderlich sind, nicht beibehalten wurden, als der Temperaturzyklus wiederholt angewendet wurde.
10 sind Bilder von Verbundmaterialien, die gemäß den Beispielen 1-4 und Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurden, in einem Ebenenquerschnitt betrachtet.
Beispiel 1-4 und Vergleichsbeispiel 2 wurden mit dem gleichen Volumenverhältnis der Diamantpartikel von 70 % hergestellt. Wie in 10 dargestellt, zeigen die Beispiele 1-4 einen Zustand, in dem die Partikel gleichmäßig verteilt sind und sich nicht auf einer Ebene berühren, aber Vergleichsbeispiel 2 weist eine Struktur auf, in der Partikel vorhanden sind, die sich berühren, wodurch die Gleichmäßigkeit im Vergleich zu der von Beispiel 1-4 schlecht ist.
11 zeigt die Ergebnisse der Messung der Verteilung der Abstände zwischen den Zentren der Diamantpartikel auf den Ebenenquerschnitten der nach den Beispielen 1-4 und dem Vergleichsbeispiel 2 hergestellten Verbundmaterialien.
Wie in 11 quantitativ bestätigt, ist im Fall von Beispiel 1-4 der Abstand zwischen dem Zentrum eines der Diamantpartikel und dem Zentrum eines Diamantpartikels, das dem einen der Diamantpartikel am nächsten liegt, innerhalb von ± 10 %, basierend auf einem Zentrumswert von 900 µm, vorhanden, während im Fall von Vergleichsbeispiel 2 der Abstand zwischen dem Zentrum eines der Diamantpartikels und dem Zentrum eines Diamantpartikels, das dem einen der Diamantpartikel am nächsten liegt, eine breite Verteilung aufweist.
12 zeigt den Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen nach dem Anwenden von Wärme beim Erwärmen der Verbundmaterialien, die gemäß den Beispielen 1-3 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, auf 850°C. Wie in 12 dargestellt, gab es auch nach wiederholter Anwendung eines Temperaturzyklus zwei- bis dreimal im Fall von Beispiel 1-4 nahezu keine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit (TC), aber im Fall von Beispiel 2 gab es einen signifikanten Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit (TC). Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, dass das Verbundmaterial, das aus der Struktur gemäß Beispiel 1-4 der Erfindung besteht, dahingehend vorteilhaft ist, dass es die Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeitseigenschaften selbst dann verhindert, wenn eine Vielzahl von Temperaturzyklen angewendet wird.
<Beispiel 2>
In Beispiel 2 wurde ein plattenförmiges Verbundmaterial hergestellt, bei dem drei Arten von Diamantpartikeln unterschiedlicher Größe mit einer Kupfer- (Cu) Matrix zusammengesetzt wurden.
Für die drei Arten von Diamantpartikeln wurden jeweils 500 µm große Partikel, 200 µm große Partikel und 100 µm große Partikel verwendet, und auf einer Querschnittsstruktur in Dickenrichtung der Verbundmaterialplatte wurden 500 µm große Partikel ungefähr horizontal entlang der Mitte, 200 µm große Partikel ungefähr horizontal in einem Bereich leicht außerhalb der Mitte und 100 µm große Partikel ungefähr horizontal nahe der Oberfläche angeordnet.
Bei dem plattenförmigen Verbundmaterial gemäß Beispiel 2 wurde zunächst ein Cu-Diamant-Verbundblech, das aus einer einzigen Schicht von 500 µm großen Partikeln besteht, ein Cu-Diamant-Verbundblech, das aus einer einzigen Schicht von 200 µm großen Partikeln besteht, und ein Cu-Diamant-Verbundblech, das aus einer einzigen Schicht von 100 µm großen Partikeln besteht, nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt.
Dann wurde das Cu-Diamant-Verbundblech, das aus einer einzigen Schicht von 500 µm-Partikeln bestand, in der Mitte angeordnet, und auf beiden Seiten des Cu-Diamant-Verbundblechs wurden zwei der Cu-Diamant-Verbundbleche, die aus einer einzigen Schicht von 200 µm-Partikeln bestanden, laminiert und angeordnet, und auf der Außenseite des Cu-Diamant-Verbundblechs, das aus einer einzigen Schicht von 200 µm-Partikeln bestand, wurde das Cu-Diamant-Verbundblech, das aus einer einzigen Schicht von 100 µm-Partikeln bestand, laminiert und angeordnet.
Schließlich wurde das Laminat bei 1.000°C mit einem Spark-Plasma-Sinterverfahrens gesintert, um ein Cu-Diamant-Verbundblech gemäß Beispiel 2 herzustellen.
Bei den gemäß Beispiel 2 hergestellten Substraten betrug die Wärmeleitfähigkeit in XY-Richtung (Richtung der Substratebene) und in Z-Richtung (Richtung der Substratdicke) bei einem Wärmeableitungssubstrat mit einem Diamantvolumenanteil von etwa 55 % und einer Dicke von etwa 1600 µm etwa 750 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in XY-Richtung (Richtung der Substratebene) zeigte bei 200 °C einen Wert von 8 × 10-6/K.
13 ist eine Querschnittsfotografie in einer Dickenrichtung der Verbundmaterialplatte, die gemäß dem Verfahren nach Beispiel 2 hergestellt wurde. Wie in 13 bestätigt, weist die gemäß Beispiel 2 hergestellte Verbundmaterialplatte eine schräge Struktur mit einem Unterschied in der Größe der Diamantpartikel auf, wobei auf einem Querschnitt in einer Dickenrichtung das größte Partikel in der Mitte angeordnet ist und die Größe der Partikel zur Oberfläche hin abnimmt.
14 ist ein Diagramm, das den Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung in Abhängigkeit vom Volumenverhältnis der Diamanten zwischen der regelmäßigen Anordnung von Diamantpartikeln gleicher Größe und der Anordnung von Diamantpartikeln in der schrägen Struktur gemäß Beispiel 2 zeigt.
Wie in 14 bestätigt, ist zu erkennen, dass selbst bei gleichem Volumenverhältnis der Diamantpartikel eine große Partikelgröße einen signifikanten Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Daher ist es vorzuziehen, dass mindestens 50 % der als wärmeleitende Partikel verwendeten Diamantpartikel eine Größe von 300 µm oder mehr, vorzugsweise 400 µm oder mehr und am bevorzugtesten 500 µm oder mehr aufweisen.
Insbesondere ist es vorzuziehen, dass große Partikel von 300 µm oder mehr und kleine Partikel von 200 µm oder weniger eine schräge Struktur wie in Beispiel 2 bilden, um das Volumenverhältnis des Diamanten zu erhöhen und dadurch die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Darüber hinaus zeigte das Verbundmaterial gemäß Beispiel 2 wie in Beispiel 1 auch nach zweibis dreimaliger Anwendung eines Temperaturzyklus fast keine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit (TC).
15 zeigt den Vergleich der Biegezustände nach dem Erwärmen einer Verbundmaterialplatte, in der die Diamantpartikel gemäß Beispiel 2 der Erfindung symmetrisch angeordnet sind, und dem Erwärmen einer Verbundmaterialplatte, in der die Diamantpartikel willkürlich verteilt sind. Wenn, wie in 15 bestätigt, die Diamantpartikel symmetrisch (oder regelmäßig) angeordnet sind, gab es fast keine Biegung nach der Erwärmung, aber im Fall der Verbundmaterialplatte, in der die Diamantpartikel zufällig verteilt sind, gab es viele Fälle, in denen die Platte gebogen wurde.
<Beispiel 3>
In Beispiel 3 wurde eine Verbundmaterialplatte mit einer Struktur hergestellt, bei der ein Kupfer-Diamant-Verbundmaterial in eine laminierte Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu-Platte eingebettet wurde.
Zunächst wurden eine Kupfer- (Cu) Platte und eine Kupfer-Molybdän- (Cu-Mo) Platte in der Reihenfolge Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu laminiert und dann bei 1.000°C mittels eines Spark-Plasma-Sinterverfahrens gesintert, um eine laminierte Cu/Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu-Platte mit einer Dicke von 900 µm herzustellen. Die Dicke der einzelnen Schichten, aus denen die laminierte Platte besteht, betrug 200 µm für die äußeren Cu-Schichten, 200 µm für die Cu-Mo-Schichten und 100 µm für die mittlere Cu-Schicht.
Ein mittlerer Abschnitt der laminierten Platte wurde durch ein bekanntes Bearbeitungsverfahren wie Funkenerosion, Fräsen, Wasserstrahl- und Laserbearbeitung entfernt, um in der Mitte einen Fensterabschnitt zu bilden.
Eine Cu-Diamant-Verbundmaterialplatte wurde nach dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt und dann in eine Münzform geschnitten und bearbeitet, um eine ausreichende Toleranz für das Einsetzen in den Fensterabschnitt zu haben.
Die münzförmige Cu-Diamant-Verbundmaterialplatte wurde in den Fensterabschnitt der laminierten Platte eingesetzt, und dann wurde eine Cu-Platte mit einer Dicke von 200 µm auf beiden Seiten für die äußeren Cu-Schichten positioniert und bei 1.000°C unter Verwendung eines Spark-Plasma-Sinterverfahrens gesintert, um die Verbundmaterialplatte gemäß Beispiel 3 herzustellen.
Bei einer Cu-Diamant-Münzstruktur mit einem Diamant-Volumenverhältnis von 35 %, die gemäß Beispiel 3 hergestellt wurde, lag die Wärmeleitfähigkeit in Z-Richtung (Dickenrichtung) und in XY-Richtung (Ebenenrichtung) bei etwa 600 W/mk. Darüber hinaus, wie 16 zu entnehmen, zeigte der Wärmeausdehnungskoeffizient einen Wert von 8,6× 10-6/K bei 200°C, und der Wärmeausdehnungskoeffizient zeigte einen Wert von 7,6× 10-6/K bei 800°C, was dem von Keramik sehr ähnlich ist, der 7, 7×10-6/K beträgt. Diese Eigenschaften ermöglichen die Umsetzung stabiler Eigenschaften, bei denen es keine Biegung gibt, und die Hafteigenschaften sind aufgrund ähnlicher Wärmeausdehnungseigenschaften beim Verbinden mit Keramik bei 800 °C bei der Herstellung eines Halbleitergehäuses ausgezeichnet.
Da ein zentraler Abschnitt, in dem ein Halbleiterchip montiert ist, in Kontakt mit dem Cu-Diamant-Verbundmaterial stehen muss, das eine signifikant ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, und ein peripherer Abschnitt in Kontakt mit der Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu-Laminatstruktur stehen muss, die einen geringen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einem Keramikmaterial aufweist, hat eine Verbundplatte der Struktur dahingehend Vorteile, dass die Verbrauchsmenge von Diamant, bei dem es sich um ein teures Material handelt, reduziert werden kann, und außerdem der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zu dem keramischen Material signifikant reduziert werden kann, so dass Wärme, die in dem Halbleiterchip erzeugt wird, schnell abgeführt werden kann, während Defekte während des Bondens verhindert werden.
Darüber hinaus, wie 17 dargestellt, hat eine laminierte Platte mit der oben beschriebenen Struktur den Vorteil, dass sie in verschiedenen Temperaturbereichen eingesetzt werden kann, da der Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 0°C bis 800°C nur geringfügig anders ist als bei einer laminierten Cu-Mo/Cu/Cu-Mo/Cu-Platte, bei der der Wärmeausdehnungskoeffizient je nach Erwärmungstemperatur deutlich unterschiedlich ist.
<Beispiel 4>
Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel und Magnesium- (Mg) Partikel wurden unter Verwendung eines Rührers gemischt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Diamantpartikelgröße der Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel 500 µm und die durchschnittliche Größe der Magnesium- (Mg) Partikel 100 µm.Anstelle der Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel können auch Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel mit der gleichen Partikelgröße verwendet werden.
Die gemischten Partikel wurden auf eine Dicke von 1,1 bis 1,3 mal der maximalen Größe der Diamantpartikel in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 pressgeformt, um einen Formkörper herzustellen, in dem die Diamantpartikel in einer einzigen Schicht angeordnet waren. Schließlich wurde der Formkörper unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gesintert, um ein Mg-Cu-Diamant-Verbundblech herzustellen.
Das Mg-Cu-Diamant-Verbundblech kann in Schichten unterschiedlicher Anzahl laminiert werden, z. B. zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten und dergleichen, um ein Wärmeableitungssubstrat mit einer vorgegebenen Dicke herzustellen. Darüber hinaus kann durch Laminieren mit einem Magnesiumblech ein Wärmeableitungssubstrat in verschiedenen Formen, z. B. mit drei, fünf oder sieben Schichten, hergestellt werden.
Gemäß Beispiel 4 wurde durch Laminieren und Anordnen von zwei Verbundblechen, in denen eine einzelne Diamantschicht angeordnet ist, und eines Magnesiumblechs zwischen den Verbundblechen und auf der Außenseite der Verbundbleche und anschließendes Sintern (SPC) ein Wärmeableitungssubstrat mit einem Diamant-Volumenverhältnis von 35 %, einer Dicke von 1500 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 4 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 500 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 13×10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 4 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 500°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
<Beispiel 5>
Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel und Silber- (Ag) Partikel wurden unter Verwendung eines Rührers gemischt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Diamantpartikelgröße der Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel 200 µm und die durchschnittliche Größe der Silber-(Ag) Partikel 100 µm.Anstelle der Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel können auch Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel mit der gleichen Partikelgröße verwendet werden.
Die gemischten Partikel wurden auf eine Dicke von 1,1 bis 1,3 mal der maximalen Größe der Diamantpartikel in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 pressgeformt, um einen Formkörper herzustellen, in dem die Diamantpartikel in einer einzigen Schicht angeordnet waren. Schließlich wurde der Formkörper unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gesintert, um ein Ag-Cu-Diamant-Verbundblech herzustellen.
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 4 kann das Ag-Cu-Diamant-Verbundblech in Schichten unterschiedlicher Anzahl laminiert werden, z. B. zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten und dergleichen, um ein Wärmeableitungssubstrat mit einer vorgegebenen Dicke herzustellen. Darüber hinaus kann durch Laminieren mit einem Silber- (Ag) Blech ein Wärmeableitungssubstrat in verschiedenen Formen, z. B. mit drei, fünf oder sieben Schichten, hergestellt werden.
Gemäß Beispiel 5 wurde durch Laminieren und Anordnen von sechs Verbundblechen, in denen eine einzelne Diamantschicht angeordnet ist, und eines Magnesiumblechs zwischen den Verbundblechen und auf der Außenseite der Verbundbleche und anschließendes Sintern (SPC) ein Wärmeableitungssubstrat mit einem Diamant-Volumenverhältnis von 35 %, einer Dicke von 1500 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 5 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 600 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 13 × 10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 5 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 900°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
<Beispiel 6>
Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel und Aluminium- (Al) Partikel wurden unter Verwendung eines Rührers gemischt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Diamantpartikelgröße der Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel 200 µm und die durchschnittliche Größe der Aluminium- (Al) Partikel 100 µm. Anstelle der Cu/Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel können auch Ti/TiC/Diamant-Verbundpartikel mit der gleichen Partikelgröße verwendet werden.
Die gemischten Partikel wurden auf eine Dicke von 1,1 bis 1,3 mal der maximalen Größe der Diamantpartikel in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 pressgeformt, um einen Formkörper herzustellen, in dem die Diamantpartikel in einer einzigen Schicht angeordnet waren. Schließlich wurde der Formkörper unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gesintert, um ein Al-Cu-Diamant-Verbundblech herzustellen.
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 4 kann das Al-Cu-Diamant-Verbundblech in Schichten unterschiedlicher Anzahl laminiert werden, z. B. zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten und dergleichen, um ein Wärmeableitungssubstrat mit einer vorgegebenen Dicke herzustellen. Darüber hinaus kann durch Laminieren mit einem Aluminium- (Al) Blech ein Wärmeableitungssubstrat in verschiedenen Formen, z. B. mit drei, fünf oder sieben Schichten, hergestellt werden.
Gemäß Beispiel 6 wurde durch Laminieren und Anordnen von sechs Verbundblechen, in denen eine einzelne Diamantschicht angeordnet ist, und eines Magnesiumblechs zwischen den Verbundblechen und auf der Außenseite der Verbundbleche und anschließendes Sintern (SPC) ein Wärmeableitungssubstrat mit einem Diamant-Volumenverhältnis von 35 %, einer Dicke von 1600 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 6 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 500 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 13 × 10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 6 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 500°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
<Beispiel 7>
In Beispiel 7 wurde ein Verbundmaterial hergestellt, in dem SiC-Partikel gleichmäßig verteilt und in einer Kupfermatrix (Cu) zusammengesetzt waren.
Zunächst wurde SiC-Pulver mit einer Partikelgröße von 500 µm hergestellt. Es wurden SiC-Partikel mit einer einheitlichen Größe verwendet, bei welchen die Größe der Partikel, aus denen das Pulver besteht, innerhalb von ±20 % (vorzugsweise innerhalb von ±10 %) des repräsentativen Wertes lag.
Mit Hilfe eines Kugelmühlenverfahrens wurden die Kupferpartikel und die SiC-Partikel stark gemischt, so dass die Kupferpartikel an der Oberfläche der SiC-Partikel haften.
Danach wurden die SiC-Partikel auf eine Dicke von 1,1 bis 1,3-mal der maximalen Größe der SiC-Partikel innerhalb eines Druckbereichs, in dem die SiC-Partikel nicht zerbrachen, gepresst. Der Pressdruck wurde auf 100 MPa eingestellt.
Durch die Pressformung wurde ein Formkörper erhalten, in dem die SiC-Partikel in einer einzigen Schicht angeordnet waren. Ein Cu-Diamant-Verbundblech wurde durch Sintern des erhaltenen Formkörpers bei 1.000°C mit Hilfe eines Spark-Plasma-Sinterverfahrens (SPARK) hergestellt. Das hergestellte Verbundblech, wie oben beschrieben, wurde in Schichten verschiedener Anzahl, wie zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten, fünf Schichten und dergleichen, laminiert und dann erneut gesintert und verbunden, um ein Verbundblech (Wärmeableitungssubstrat) mit einer Struktur herzustellen, die eine vorgegebene Dicke aufweist und SiC-Partikel in einem Volumenverhältnis von etwa 15 % bis 80 % enthält, und bei der gleichzeitig der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen SiC-Partikels und dem Zentrum eines SiC-Partikels, das dem jeweiligen SiC-Partikel am nächsten liegt, 200 µm oder mehr beträgt.
Darüber hinaus kann ein Verbundblech, in dem SiC-Partikel in einer einzigen Schicht angeordnet sind, mit einem Kupferblech (Cu) oder einem Blech aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung (Cu-Mo) laminiert werden, um als Wärmeableitungssubstrat mit verschiedenen Laminatstrukturen von drei Schichten, fünf Schichten, sieben Schichten und dergleichen hergestellt zu werden.
Gemäß Beispiel 7 wurde durch Laminieren und Anordnen von vier Verbundblechen, in denen eine einzelne SiC-Schicht angeordnet ist, und anschließendes SPC-Sintern ein Wärmeableitungssubstrat mit einem SiC-Volumenverhältnis von 45 %, einer Dicke von 2.500 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 7 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 350 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 12× 10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 7 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 850°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
<Beispiel 8>
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 7 wurde ein Verbundblech aus SiC-Partikeln und Magnesium- (Mg) Partikeln hergestellt. Dabei waren die Größe und das Volumenverhältnis der SiC-Partikel und die Größe und das Volumenverhältnis der verwendeten Magnesium- (Mg) Partikel gleich. Der Pressdruck wurde jedoch auf 100 MPa und die SPC-Sintertemperatur auf 550°C eingestellt.
Gemäß Beispiel 8 wurde durch Laminieren und Anordnen von vier Verbundblechen, in denen eine einzelne SiC-Schicht angeordnet ist, und anschließendes SPC-Sintern ein Wärmeableitungssubstrat mit einem SiC-Volumenverhältnis von 45 %, einer Dicke von 2.500 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 8 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 250 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 13 × 10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 8 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 500°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
<Beispiel 9>
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 7 wurde ein Verbundblech aus SiC-Partikeln und Silber-(Ag) Partikeln hergestellt. Dabei waren die Größe und das Volumenverhältnis der SiC-Partikel und die Größe und das Volumenverhältnis der verwendeten Silber- (Ag) Partikel gleich. Der Pressdruck wurde jedoch auf 100 MPa und die SPC-Sintertemperatur auf 900°C eingestellt.
Gemäß Beispiel 9 wurde durch Laminieren und Anordnen von vier Verbundblechen, in denen eine einzelne SiC-Schicht angeordnet ist, und anschließendes SPC-Sintern ein Wärmeableitungssubstrat mit einem SiC-Volumenverhältnis von 45 %, einer Dicke von 2.500 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 9 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 350 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 13 × 10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 9 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 850°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
<Beispiel 10>
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 7 wurde ein Verbundblech aus SiC-Partikeln und Aluminium- (Al) Partikeln hergestellt. Dabei waren die Größe und das Volumenverhältnis der SiC-Partikel und die Größe und das Volumenverhältnis der verwendeten Aluminium- (Al) Partikel gleich. Der Pressdruck wurde jedoch auf 100 MPa und die SPC-Sintertemperatur auf 550°C eingestellt.
Gemäß Beispiel 10 wurde durch Laminieren und Anordnen von vier Verbundblechen, in denen eine einzelne SiC-Schicht angeordnet ist, und anschließendes SPC-Sintern ein Wärmeableitungssubstrat mit einem SiC-Volumenverhältnis von 45 %, einer Dicke von 2.500 µm und der in 18 gezeigten Struktur hergestellt. Bei dem Wärmeableitungssubstrat gemäß Beispiel 10 betrug die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung (Dickenrichtung) und in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) etwa 200 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der XY-Richtung (Ebenenrichtung) zeigte bei 200 °C einen Wert von 13 × 10-6/K.
Beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen und der Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen, nachdem das gemäß Beispiel 10 hergestellte Verbundmaterial in einem Temperaturzyklus auf 500°C erwärmt wurde, betrug die Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit selbst nach dreimaliger Wiederholung des Temperaturzyklus 5% oder weniger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018111883 [0007]

Claims

Verbundmaterial, umfassend eine Metallmatrix und eine Struktur, in der wärmeleitende Partikel innerhalb der Metallmatrix verteilt sind, wobei: die Metallmatrix aus Cu, Ag, Al, Mg oder einer Legierung davon besteht; die wärmeleitenden Partikel Diamant oder SiC umfassen; die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 15 % bis 80 % enthalten sind; in einer Mikrostruktur des Verbundmaterials der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines dem beliebigen wärmeleitenden Partikels am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikels 200 µm oder mehr beträgt; das beliebige wärmeleitende Partikel und das ihm am nächsten liegende wärmeleitende Partikel nicht miteinander in Kontakt sind, sondern die Metallmatrix dazwischen haben; und die Wärmeleitfähigkeit, die nach Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur, die 20 bis 30 % unter dem Schmelzpunkt der Metallmatrix liegt, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen.
Verbundmaterial, umfassend eine Metallmatrix und eine Struktur, in der wärmeleitende Partikel innerhalb der Metallmatrix verteilt sind, wobei: die Metallmatrix aus Cu, Ag, Al, Mg oder einer Legierung davon besteht; die wärmeleitenden Partikel Diamant oder SiC umfassen; die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 15 % bis 80 % enthalten sind; und in einer Mikrostruktur des Verbundmaterials die wärmeleitenden Partikel ein großes Partikel und ein kleines Partikel mit einer Partikelgrößendifferenz von 150 µm oder mehr enthalten, wobei: wenn das große Partikel ein erstes Partikel ist und ein Partikel, das relativ kleiner als dieses ist, ein zweites Partikel ist, der Abstand zwischen dem Zentrum des ersten Partikels und dem Zentrum eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder dem zweiten Partikel am nächsten liegt, 200 µm oder größer ist; das erste Partikel und das erste Partikel, das ihm am nächsten liegt, oder das zweite Partikel nicht miteinander in Kontakt sind, sondern die Metallmatrix dazwischen haben; und die Wärmeleitfähigkeit, die nach Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur, die 20 bis 30 % unter dem Schmelzpunkt der Metallmatrix liegt, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem Erwärmen.
Verbundmaterial nach Anspruch 2, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist und eine Form hat, bei der auf einem Querschnitt in einer Dickenrichtung das erste Partikel in einem zentralen Bereich der Dicke der Platte angeordnet ist und das zweite Partikel nahe einem Oberflächenbereich der Platte angeordnet ist, so dass die Größe des wärmeleitenden Partikels vom zentralen Bereich der Dicke zum Oberflächenbereich hin abnimmt.
Verbundmaterial nach Anspruch 3, wobei das erste Partikel eine Form aufweist, bei der es in vorgegebenen Abständen entlang einer vertikalen Richtung der Dicke in dem zentralen Bereich der Dicke der Platte angeordnet ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei: das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Partikelgröße des wärmeleitenden Partikels 300 µm oder mehr beträgt; und von einer Ebene der Platte aus gesehen der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines dem beliebigen wärmeleitenden Partikel am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikels einen Wert innerhalb von ±20 % des Medianwerts der Abstände zwischen dem Zentrum aller auf der Ebene der Platte beobachteten wärmeleitenden Partikel und dem Zentrum der dazu am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikel hat.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallmatrix aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht und das Verbundmaterial in eine laminierte Platte eingebettet ist, wobei die laminierte Platte eine erste Schicht aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer-(Cu) Legierung enthält, eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist und aus einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, eine dritte Schicht, die auf der zweiten Schicht gebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer- (Cu) Legierung besteht, eine vierte Schicht, die auf der dritten Schicht gebildet ist und aus einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, und eine fünfte Schicht, die auf der vierten Schicht gebildet ist und aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer- (Cu) Legierung besteht.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Metallmatrix aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht; und auf jeder der oberen und unteren Oberflächen des plattenförmigen Verbundmaterials eine erste Schicht gebildet wird, die aus einer Legierung besteht, die Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo) enthält, und auf der äußeren Oberfläche jeder der ersten Schichten eine zweite Schicht gebildet wird, die aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer (Cu)-Legierung besteht.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial plattenförmig ist und eine Form aufweist, bei der die wärmeleitenden Partikel entlang der Ebenenrichtung im Wesentlichen regelmäßig in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel sind und eine Metallkarbidschicht an der Grenzfläche zwischen der Metallmatrix und den Diamantpartikeln gebildet wird.
Verbundmaterial nach Anspruch 9, wobei das Metallkarbid TiC ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 20 % bis 80 % enthalten sind, und der Abstand zwischen dem Zentrum eines beliebigen wärmeleitenden Partikels und dem Zentrum eines dem beliebigen wärmeleitenden Partikels am nächsten liegenden wärmeleitenden Partikels 400 µm oder mehr beträgt.
Verbundmaterial nach Anspruch 2, wobei die wärmeleitenden Partikel in einem Volumenverhältnis von 20 % bis 80 % enthalten sind, und der Abstand zwischen dem Zentrum des ersten Partikels und dem Zentrum eines ersten Partikels, das dem ersten Partikel oder dem zweiten Partikel am nächsten ist, 250 µm oder größer ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmeleitfähigkeit, die nach dreimaligem Erwärmen des Verbundmaterials auf eine Temperatur, die 20 bis 30 % unter dem Schmelzpunkt der Metallmatrix liegt, und nach dem Abkühlen des Verbundmaterials auf Raumtemperatur gemessen wird, eine Verschlechterungsrate der Wärmeleitfähigkeit von 5 % oder weniger aufweist, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit vor dem ersten Erwärmen.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Metallmatrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel sind; die Wärmeleitfähigkeit in einer Dickenrichtung der Plattenform 400 W/mK oder mehr beträgt; und der Wärmeausdehnungskoeffizient in einer Ebenenrichtung der Plattenform 3 × 10-6/K bis 13 × 10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Metallmatrix aus Silber oder einer Silberlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel sind; die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 500 W/mK oder mehr beträgt; und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der Plattenform 3× 10-6/K bis 13 × 10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Metallmatrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel SiC-Partikel sind; die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 400 W/mK oder mehr beträgt; und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der Plattenform 3 × 10-6/K bis 13 × 10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Metallmatrix aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel und/oder SiC-Partikel sind; die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 150 W/mK oder mehr beträgt; und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der Plattenform 5 ×10-6/K bis 15 ×10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial eine Plattenform aufweist; die Metallmatrix aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die wärmeleitenden Partikel Diamantpartikel und/oder SiC-Partikel sind; die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung der Plattenform 400 W/mK oder mehr beträgt; und der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebenenrichtung der Plattenform 5 ×10-6/K bis 15 ×10-6/K bei 25° C bis 200° C beträgt.
Wärmeableitungsteil, umfassend das Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 18.