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Die
Erfindung betrifft ein Package, das zumindest aus einer Halbleiterkomponente,
einem Substrat und einer Umhüllung
besteht, wobei das Substrat die Funktion hat, die beim Betrieb der
Halbleiterkomponente(n) entstehende Wärme abzuführen.
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Substrat,
Halbleiterkomponente und die mechanisch stabile Umhüllung sind
die wesentlichen Bestandteile eines Package. Für das Substrat werden auch
des öfteren
die Bezeichnungen Wärmesenke,
Wärmespreizer
oder Trägerplatte
verwendet. Die Halbleiterkomponente besteht beispielsweise aus einkristallinem Silizium
oder Galliumarsenid. Diese ist mit dem Substrat verbunden, wobei
als Fügetechnik üblicherweise
Lötverfahren
zum Einsatz kommen. Das Substrat hat die Funktion, die beim Betrieb
der Halbleiterkomponente entstehende Wärme abzuleiten. Halbleiterkomponenten
mit besonders hoher Wärmeentwicklung
sind beispielsweise LDMOS (laterally diffused metal Oxide semiconductor),
Laserdioden, CPU (central processing unit), MPU (microprocessor
unit) oder HFAD (high frequency amplify device). Die geometrischen
Ausführungen
des Substrates sind anwendungsspezifisch und vielfältig. Einfache
Formen sind flache Plättchen.
Es werden jedoch auch komplex gestaltete Substrate mit Ausnehmungen
und Stufen eingesetzt. Das Substrat selbst wiederum ist mit einer
mechanisch stabilen Umhüllung
verbunden, die zum Beispiel in Form eines keramischen Rahmens ausgeführt sein
kann. Als Fügetechnik
werden auch zur Verbindung von Substrat und Umhüllung üblicherweise Lötverfahren
eingesetzt. Bei thermisch hochbelasteten Packages ist dabei folgender
Prozessablauf üblich.
Zuerst wird der keramische Rahmen bei einer Temperatur von ca. 700°C mit Hilfe
von Silberbasis-Loten auf dem Substrat aufgelötet. Auf der selben Substratseite
werden in einem zweiten Prozessschritt die elektronische(n) Komponente(n)
aufgelötet.
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Die
Wärmeausdehnungskoeffizienten
der zum Einsatz kommenden Halbleiterwerkstoffe sind im Vergleich
zu anderen Werkstoffen niedrig und werden in der Literatur für Silizium
mit 2,1 × 10–6 K–1 bis
4,1 × 10–6K–1 und
für Galliumarsenid
mit 5,6 × 10–6K–1 bis
5,8 × 10–6K–1 angegeben.
Auch andere Halbleiterwerkstoffe, die großtechnisch noch nicht breit
eingesetzt werden, wie z. B. Germanium, InGaAsP oder Siliziumkarbid,
weisen ähnlich
niedrige Ausdehnungskoeffizienten auf. Für die Umhüllung werden üblicherweise
keramische Werkstoffe, Werkstoffverbunde oder auch Kunststoffe eingesetzt.
Beispiele für
keramische Werkstoffe sind Al2O3 mit einem
Ausdehnungskoeffizienten von 6,5 × 10–6K–1 oder
Aluminiumnitrid mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 × 10–6K–1.
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Ist
das Ausdehnungsverhalten der beteiligten Komponenten unterschiedlich,
werden Spannungen im Verbund eingebaut, die zu Verwerfungen, zu
Ablösungen
oder zum Bruch der Komponente führen
können. Spannungen
können
dabei bereits bei der Herstellung des Package entstehen, und zwar
während
der Abkühlphase
von der Löttemperatur
auf Raumtemperatur. Jedoch auch beim Betrieb des Package treten
Temperaturschwankungen auf, die beispielsweise von –50°C bis 200°C reichen
können
und zu thermomechanischen Spannungen im Package führen können. Vergleicht
man die Spannungen, die durch das Verbinden von Umhüllung und
Substrat entstehen, mit denen, die durch das Verbinden von Substrat
und elektronischer Komponenten verursacht werden, so überwiegen
erstere bei weitem. Das heißt,
Verzug resultiert hauptsächlich
aus dem Verbinden von Umhüllung
und Substrat.
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Aus
den bisherigen Aussagen ergeben sich die Anforderungen an das Substratmaterial.
Zum einen soll es eine möglichst
hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um den Temperaturanstieg der Halbleiterkomponente während des
Betriebes möglichst
gering zu halten. Zum anderen ist es erforderlich, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient
möglichst
gut sowohl an den der Halbleiterkomponente, als auch an den der
Umhüllung angepasst
ist. Einphasige, metallische Werkstoffe erfüllen das geforderte Eigenschaftsprofil
nicht ausreichend, da die Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzen. So beträgt
der Wärmeausdehnungskoeffizient
von Kupfer 1,7 × 10–5K–1,
der von Aluminium 3 × 10–5K–1.
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Um
dem Anforderungsprofil gerecht zu werden, werden für die Herstellung
des Substrates Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde eingesetzt.
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Ein
metallischer Verbundwerkstoff ist in der
EP 0 100 232 A2 beschrieben.
Dieser I besteht aus einem Wolframskelett und eingelagertem Kupfer.
Bei einer Zusammensetzung von beispielsweise W-10Gew.%Cu beträgt die Wärmeleitfähigkeit
in Abhängigkeit
vom Herstellverfahren 170 bis 200 W/mK, bei einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von ca. 6,5 × 10
–6K
–1.
Dieser Werkstoff wird heute verbreitet für Substrate eingesetzt, die
mit einer keramischen Umhüllung
verlötet
werden.
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Neben
Wolfram-Kupfer kommen auch Molybdän-Kupfer Verbundwerkstoffe
zur Anwendung. Während Wolfram-Kupfer
Werkstoffe nur durch pulvermetallurgische und spanende Verfahren
formgebend verarbeitet werden können,
werden Molybdän-Kupfer
Werkstoffe zumeist durch Walzen zu Blechen verarbeitet, aus denen
die Substrate durch Stanzen oder Laserschneiden gefertigt werden.
Molybdän-Kupfer
Werkstoffe sind sowohl als Verbundwerkstoffe, als auch als Laminat-Werkstoffverbunde
verfügbar.
Bei Molybdän-Kupfer
Verbundwerkstoffen liegen die zwei Phasen fein verteilt vor, während der
Laminat-Werkstoffverbund schichtförmig aufgebaut ist. Übliche Laminat-Werkstoffverbunde
bestehen aus drei Lagen, wobei die beiden äußeren Lagen aus Kupfer und
die mittlere Lage aus Molybdän
aufgebaut ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
eines Mo-30Gew.%Cu Verbundwerkstoffes liegt bei 7,5 × 10–6K–1,
bei einer Wärmeleitfähigkeit
senkrecht zur Substratoberfläche
von 195 W/mK (jeweils bei Raumtemperatur gemessen).
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Mo-Cu Laminat-Werkstoffverbunde
ist in der
US 4 950
554 A beschrieben. Der Aufbau ist immer symmetrisch, d.
h. die beiden äußeren Kupferlagen
weisen die gleiche Dicke auf. Bei einem Dickenverhältnis Kupfer/Mo/Kupfer
von 0,13/0,74/0,13 liegt die Wärmeleitfähigkeit
senkrecht zur Substratoberfläche
bei 170 W/mK, was für
viele Anwendungen nicht ausreichend ist. Erhöht man die Dicke der Kupferlagen,
steigt die Wärmeleitfähigkeit,
jedoch auch der Wärmeausdehnungskoeffizient.
Bei einem Dickenverhältnis
Cu/Mo/Cu von 0,33/0,33/0,33 beträgt
die Wärmeleitung
senkrecht zur Substratebene 251 W/mK und der Wärmeausdehnungskoeffizient 8,6 × 10
–6K
–1.
Dieser Wert ist für
die meisten Anwendungen bereits unzulässig hoch, sodass es beispielsweise
beim Verlöten
mit einer Aluminiumoxidumhüllung
zu Verwerfungen des Substrats kommt, die ein formschlüssiges Verbinden
mit der Halbleiterkomponente erschweren bzw. überhaupt unmöglich machen.
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Für Packages
mit Kunststoffumhüllung
ist auch ein Laminat-Werkstoffverbund mit der Schichtfolge Cu-Mo-Cu-Cu
in der
US 5 493 153
A beschrieben. Damit werden tendenziell bessere Daten erzielt,
ohne jedoch für
sehr hoch belastete Halbleiterkomponenten eine zuverlässig gute
Wärmeabfuhr
zu gewährleisten.
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In
der
US 2001/0
038 140 A1 ist ein Substrat beschrieben, das eine Schicht
aus einem Werkstoff mit höherer
Steifigkeit aufweist, um Verzug, der bei den üblichen platierten Substraten
aus Cu/Mo/Cu und Ni/Mo/Ni auf den Einbau von Spannungen beim Walzprozess
zurückzuführen ist,
zu verhindern. Werkstoffe mit höherer Steifigkeit
sind dabei bevorzugt Metallmatrix-Verbundwerkstoffe. Die höhere Steifigkeit
dieser Schicht verhindert oder minimiert den Verzug, wenn das Substrat
mit der Umhüllung
oder der Halbleiterkomponente verbunden wird. Das Substrat ist dabei
symmetrisch ausgeführt,
dass heißt
die Ausdehnungskoeffizienten von Grund- und Fügefläche sind ident.
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Ein
Kühlkörper mit
einer Schichtstruktur ist auch aus der
DE 196 05 302 A1 bekannt.
Zwischen Kupferschichten ist eine Zwischenschicht eingelagert, die
aus Molybdän,
Wolfram, Aluminiumnitrid oder pyrolytischem Graphit besteht. Die
Dicke der Zwischenschicht ist so gewählt, dass an der Montagefläche, wo
das Substrat auf die Halbleiterkomponente aufgelötet wird, ein Wärmeausdehnungskoeffizient
eingestellt wird, der von dem der Halbleiterkomponente um maximal
10% abweicht. In den Beispielen ist ein symmetrisch aufgebauter Werkstoffverbund
erwähnt,
bei dem die Zwischenschicht aus Molybdän besteht und eine Dicke von
500 μm aufweist.
Beidseitig ist eine Kupferschicht mit jeweils 50 μm aufgebracht.
Damit gelingt es zwar das Wärmeausdehnungsverhalten
anzupassen, jedoch ist die Wärmeabfuhr
aufgrund der sehr dünnen
Kupferschicht nicht ausreichend.
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Die
gleiche. Einschränkung
gilt auch für
Substrate gemäß der
EP 0 482 812 A2 der
Multilagensubstrate beschrieben sind, bei denen die Kupferschichten über einen
Schmelz-/Infiltrationsprozess hergestellt werden.
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Die
Verwendung von gradierten Schichten, die zwischen Kupfer und Wolfram
gemäß der
US 5 988 488 A eingelagert
sind, reduziert zwar die Schubspannungen in der Übergangsfläche, verbessert jedoch nicht die
Wärmeabfuhr.
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Aus
dem gleichen Grund haben auch Substrate gemäß der
DE 42 40 843 A1 , in der
ein Mo-Cu/Al
2O
3/Mo-Cu
Laminat-Werkstoffverbund beschrieben ist, keine breite Anwendung
gefunden.
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In
der
US 5 681 663 A ist
ein Dreilagenschichtverbund beschrieben, bei dem die außenseitigen
Lagen aus Kupfer bestehen. Um bei einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit,
die durch entsprechend dicke Kupferlagen erreicht werden kann, Verzug
beim Verlöten
zu vermeiden, ist ein Trägerstreifen
mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten
mit dem Dreilagenschichtverbund verschweißt. Dies löst jedoch innerhalb des Substrates
thermomechanische Spannungen aus, die zu Verwerfungen führen können.
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In
der
EP 0 521 405 A1 ist
ein Substrat beschrieben, das auf der Seite, welche der Halbleiterkomponente
zugewandt ist, eine polykristalline Diamantschicht aufweist. Durch
die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
von Diamant bekommt man eine entsprechend gut Wärmespreizung in der Ebene parallel
zur Oberfläche.
Durch das Fehlen einer plastischen Verformbarkeit der Diamantschicht
kann es bereits beim Abkühlen
von der Beschichtungstemperatur zu Rissen in der Diamantschicht
kommen.
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In
den letzten Jahren ist die Prozessgeschwindigkeit und der Integrationsgrad
der Halbleiterkomponenten stark angestiegen, was auch zu einer Zunahme
der Wärmeentwicklung
im Package geführt
hat. Ein optimales Wärmemanagement
im Package stellt daher ein immer wesentlicheres Kriterium dar.
Die Wärmeleitfähigkeit
der oben beschriebenen Wolfram-Kupfer Werkstoffe und Laminat-Werkstoffverbunde
reicht für eine
Vielzahl von Anwendungen nicht mehr aus. Die Verfügbarkeit
von verbesserten, kostengünstigen
Substraten stellt eine Voraussetzung für eine weitere Optimierung
von Packages dar.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Package bereitzustellen,
das ein Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit
enthält,
wobei sich das Substrat beim Fügeprozess
mit der Umhüllung
nicht in unzulässigem
Maße verwirft,
ablöst
oder sonstige Fehler auftreten.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Package in dem das Substrat als Schichtverbund
mit zwei oder mehreren, formschlüssig
verbundenen Lagen und/oder als gradiert aufgebauter Werkstoff ausgeführt ist,
wobei das Substrat eine asymmetrische Wärmeausdehnung aufweist, dergestalt,
dass sich der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Fügefläche und
der Grundfläche
um mindestens 2% unterscheiden.
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Bei
allen bis dato bekannt gewordenen Lösungen wurde versucht, durch
einen möglichst
symmetrischen Substrataufbau einen bei Temperaturänderungen
entstehenden Verzug des Substrates zu vermeiden. Bei einem Schichtverbund
wird der Verzug zunächst
von den Stärken
der einzelnen Lagen bestimmt. Bei einem Dreilagen-Schichtverbund,
bei dem die beiden äußeren Lagen
aus dem selben Material bestehen, ist dabei die Dickendifferenz
dieser äußeren Lagen
entscheidend. Stand der Technik ist es, diese Dickendifferenz möglichst
gering zu halten. Neben der Schichtstärke beeinflusst auch der Elastizitätsmodul,
die Querkontraktionszahl und der Ausdehnungskoeffizient den entstehenden
Verzug, was besonders bei einem Verbund zu berücksichtigen ist, der im Werkstoffaufbau
unsymmetrisch ausgeführt
ist. Bei einem Schichtverbund kann der, einem Temperaturunterschied
entsprechende Verzug durch einfache Modellrechnungen ermittelt werden.
Bei einem komplizierteren Aufbau, wie dies beispielsweise bei gradiert
ausgeführten
Werkstoffen der Fall ist, liefern Finit-Element Rechnungen die notwendigen Ergebnisse.
Die asymmetrische Wärmedehnung
eines Substrates kann man sehr einfach bestimmen, indem man die
Wärmedehnung
an den jeweiligen Oberflächen messtechnisch
ermittelt. Dies kann durch das Aufkleben von wärmebeständigen Dehnmessstreifen erfolgen oder
durch optische Dehnungsmessverfahren. Misst man die Wärmedehnung
an zwei gegenüberliegenden Flächen, so
ist die Differenz der so ermittelten Wärmedehnungen proportional dem
Verzug, der entsteht, wenn man ein Substrat erwärmt oder abkühlt.
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Diese
Differenz der Wärmedehnungswerte
ist bei Substraten, die derzeit für die Wärmeableitung in Packages eingesetzt
werden, annähernd
null. Auch sonstige, in der Patent- und wissenschaftlichen Literatur beschriebene
Substrate sind im wesentlichen symmetrisch aufgebaut. Eine Ausnahme
dabei stellen Substrate dar, auf denen Diamantschichten abgeschieden
wurden. Diese Schichten werden auf der Seite abgeschieden, wo die
Halbleiterkomponente aufgelötet
wird. Auf Grund des hohen Elastizitätsmodul und der nicht gegebenen Plastizität von Diamant
kommt es bereits beim Abkühlen
von der Beschichtungstemperatur zum Einbau von Zugspannungen und
in weiterer Folge zur Einleitung von Rissen. Dies ist auch mit ein
Grund, dass diamantbeschichtete Substrate nicht eingesetzt werden.
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Bei
den bis jetzt bekannt gewordenen Lösungen wurde das Substrat isoliert
von dessen Umfeld, im speziellen der Umhüllung, optimiert. Die Bestrebungen
gingen dahin, den Wärmeausdehnungskoeffizienten möglichst
gut an den der Umhüllung
anzupassen, bei möglichst
hoher Wärmeleitfähigkeit
in dem Bereich, wo die Halbleiterkomponente aufgelötet ist.
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Im
Package, gemäß der vorliegenden
Erfindung, werden nicht die Einzelkomponenten für sich optimiert, sondern die
Wärmedehnungseigenschaften
des Substrates auf die der Umhüllung
abgestimmt. Diese Abstimmung erfolgt so, dass der Gesamtverzug der
Verbundkomponente Substrat/Umhüllung
möglichst
gering ist.
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Dies
sei beispielhaft an einem Package erläutert, wo die Umhüllung als
keramischer Rahmen aus Aluminiumoxid ausgeführt ist. Aluminiumoxid weist
einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten, als die üblichen Substratwerkstoffe
auf. Bis dato kommen Substrate zur Anwendung, bei denen der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Fläche,
an der das Substrat mit der Umhüllung
verlötet
wird und der Wärmeausdehnungskoeffizient, der
dazu gegenüber
liegenden Seite, annähernd
gleich sind. Stand der Technik sind Substrate aus einem W-Cu Verbundwerkstoff
oder einem Cu/Mo/Cu Schichtverbund. Diese Substrate weisen einen
höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
als der keramische Rahmen auf. Beim Abkühlen von der Löttemperatur
kommt es nun im Substrat, und zwar auf der Seite, welche der Umhüllung gegenüber liegt,
zum Einbau von Zugspannungen. Diese führen in weiterer Folge zu einer
Verwerfung des Verbundes Rahmen/Substrat. Dieser Effekt limitiert
die Erhöhung
der Wärmeleitfähigkeit
des Substrats, durch beispielsweise Erhöhung des Cu-Gehalts im W-Cu
oder der Dicke der Kupferlagen beim Schichtverbund Cu/Mo/Cu, da
damit ein größerer Verzug
des Verbundes Rahmen/Substrat verbunden wäre.
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Ein
Package gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
nun jedoch ein Substrat, das eine, senkrecht zur Fügefläche mit
der Umhüllung,
asymmetrische Wärmedehnung
aufweist. Dadurch erreicht man, dass der Verzug in der Verbundkomponente
Substrat/Umhüllung/Halbleiterkomponente,
der im wesentlichen aus dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten Umhüllung/Substrat
resultiert, minimiert wird. Verwendet man beispielweise ein Substrat,
das einen, im Bereich der Fügefläche mit
der Umhüllung,
niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, als auf der gegenüberliegenden
Seite, so kommt es beim Aufheizvorgang während des Lötprozesses zu einem U-förmigen Verzug
des Substrates. Die Spannungen im Substrat werden durch Relaxationsvorgänge abgebaut.
Beim Abkühlprozess
kommt es nun im Substrat an der der Fügefläche gegenüberliegenden Seite zum Einbau
von Druckspannungen. Durch entsprechende Wahl des Schichtaufbaus
oder der Zusammensetzung bei einem gradierten Verbund kann nun erreicht
werden, dass es zu einer Rückbiegung
des Substrates kommt, sodass die Verbundkomponente nahezu plan vorliegt.
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Es
ist jedoch auch möglich,
die Lötung
als Planlötung
auszuführen.
Darunter versteht man, dass die zu verlötenden Komponenten beschwert
werden, sodass diese bei Löttemperatur
durch Kriechvorgänge
plan werden. Wird nun die Lötung
als Planlötung
ausgeführt
und ist der mittlere Ausdehnungskoeffizient der Umhüllung niedriger,
als der des Substrates, so erreicht man eine plane Verbundkomponente
Substrat/Umhüllung dann,
wenn der Ausdehnungskoeffizient der Seite des Substrates niedriger
ist, die der Fügefläche gegenüberliegt.
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Bei
einem Schichtverbund kann die Festlegung der Dicken der einzelnen
Lagen bzw. der Werkstoffe, um den erfindungsgemäßen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten
und die entsprechende Verzugsfreiheit des Verbundes Substrat/Umhüllung/Halbleiterbauteil
zu erreichen, einfach mit Hilfe des Berechnungsmodells der schubstarren
Platten erfolgen (siehe Jones, R.M.: Mechanics of Composite Materials,
Hemisphere Publishing Corporation (1975)). Für gradiert aufgebaute Substrate
sind Finet-Element Rechnungen durchzuführen.
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Damit
ist es möglich,
Substrate einzusetzen, die einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Dies gestattet daher beispielsweise den Einsatz von Substraten,
mit dickeren Cu-Schichten, durch die die Wärmeableitung aus der Halbleiterkomponente
verbessert wird. Die Herstellung von Schichtverbunden mit unterschiedlichen
Dicken der Schichtlagen kann beispielsweise einfach durch Walzplattieren
erfolgen, wobei die Dicken der verwendeten Ausgangsformate, die
Dicken der Schichtlagen im gewalzten Zustand bestimmen.
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Das
Konzept einer asymmetrischen Wärmedehnung
kann auch auf gradiert aufgebaute Werkstoffe angewandt werden. Dies
sei am Beispiel W-Cu erläutert.
Durch die Verwendung von W-Pulver mit unterschiedlichen Korngrößen und
entsprechenden Befüllungseinrichtungen
ist es möglich,
presstechnisch einen Grünling herzustellen,
der einen über
den Querschnitt kontinuierlichen Übergang von feinen Pulverteilchen
zu groben Pulverteilchen aufweist. Im Bereich feiner Pulverteilchen
ist die Gründichte
geringer und damit die Porosität höher, als
im Bereich grober Pulverteilchen. Sintert man nun diesen Grünling bei
einer Temperatur, wo nur Brückenbildung,
jedoch kein makroskopischer Schwund auftritt, bleibt die über den
Querschnitt unterschiedliche Porosität auch nach dem Sinterprozess
erhalten. Nach dem Infiltrationsprozess mit Kupfer ist der Kupfergehalt im
Bereich feiner W-Teilchen größer und
nimmt gradiert in Richtung grober W-Teilchen ab.
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Damit
ist es möglich,
gradierte Substrate herzustellen, die einen senkrecht zur Fügefläche asymmetrischen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist das Substrat als Dreilagen-Schichtverbund ausgeführt. Umhüllung und Halbleiterkomponente
sind auf der gleichen Substratseite aufgelötet. Die erste Substratlage,
die der Umhüllung
und Halbleiterkomponente benachbart ist, besteht dabei aus einem
Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
wie beispielsweise Cu oder einer Cu-Legierung. Für die mittlere Lage eignen
sich besonders Refraktärmetall-Kupfer-Verbundwerkstoffe.
Die dritte Lage besteht wiederum aus Kupfer. In welchem Verhältnis die
Dicken der Kupferlagen zueinander stehen, ist exemplarisch in den
Beispielen angeführt.
Als kostengünstiges
Herstellverfahren ist das Walzplattieren zu erwähnen.
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Im
folgenden sind Beispiele angeführt,
die exemplarisch die erfindungsgemäße Ausführung erläutern sollen. Zur Veranschaulichung
dienen dazu 1 und 2.
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1 zeigt
ein Package, wobei das Substrat mit (1), die Umhüllung mit (2) und die elektronische
Komponente mit (3) bezeichnet sind.
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2 zeigt
ein Substrat mit der Länge
l, der Breite b und der Dicke h1, auf dem
eine Umhüllung
mit der Dicke h2, entsprechend den Ausführungsbeispielen,
aufgelötet
wurde. 2 zeigt auch, wie die Verwerfung des Package nach
dem Lötprozess
ermittelt wurde. Es wurde dazu der maximale Verzug, bezogen auf die
Länge I
der Substratgrundfläche,
bestimmt.
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Beispiele
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Molybdänpulver
wurde gepresst und der so hergestellte Grünling mit Kupfer infiltriert.
Der Kupfergehalt betrug 30Gew.%. Durch Walzplattieren wurden beidseitig
Kupferlagen aufgebracht, wobei die Gesamtdicke des Schichtverbundes
h1 jeweils 1 mm betrug. Die Dicken der einzelnen
Lagen sind in der nachstehenden Tabelle in den Beispielen 1, 2,
4 und 5 wiedergegeben. Die Beispiele 1 und 4 stellen dabei den Stand
der Technik dar. Die Beispiele 2 und 5 sind erfindungsgemäße Ausführungen.
Des weiteren wurde gemäß Beispiel
3 in einer ebenfalls erfindungsgemäßen Ausführung ein Mo-30Gew.%Cu Verbundwerkstoff
hergestellt auf dem einseitig Cu walzplattiert wurde. Auf der Mo-30Gew.%Cu – Seite
wurde ein Al-Blech aufgelötet.
Aus diesen so hergestellten Werkstoffverbunden wurden mittels Stanzen
Substrate gefertigt. Die Substrate hatten eine plättchenförmige Geometrie
mit einer Länge
l von 34 mm, einer Breite b von 14 mm und einer Dicke h1 von
1 mm. Die Dicken der einzelnen Lagen sind in nachstehender Tabelle
angeführt.
Auf jeweils drei Proben pro Variante wurden beidseitig Dehnmessstreifen
aufgeklebt, in einem indirekt beheizten Ofen die Wärmedehnungen
im Temperaturbereich 20°C–250°C gemessen
und die Wärmeausdehnungskoeffizienten
ermittelt. αSF bezeichnet den Wärmeausdehnungskoeffizient der
1. Lage und αSG den der 3. Lage.
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Die
jeweiligen Substrate wurden durch einen Lötprozess unter Verwendung eines
Silberbasis-Lotes bei einer Temperatur von 700°C mit einem Al
2O
3 Rahmen der Dicke 0,2 mm, der Länge 34 mm
und der Breite 14 mm verlötet.
Der Rahmen wurde dabei auf der Seite des Substrates, die den Wärmeausdehnungskoeffizienten α
SF aufweist,
aufgelötet.
Der Verzug des Verbundes Substrat/Umhüllung bei Raumtemperatur wurde
so bestimmt, dass der Betrag der maximalen Verwerfungstiefe des
Substrates ermittelt wurde, wie dies in
1 dargestellt
ist. Diese Werte sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben
und zeigen, dass die erfindungsgemäßen Substrate einen deutlich
geringeren Verzug aufweisen.
| Beispiel | Material 1.Lage
(benachbart Umhüllung) | Dicke 1.Lage [mm] | Material
2.Lage | Dicke 2. Lage [mm] | Material 3.Lage | Dicke 3. Lage [mm] | αSF [*10-6 K–1] | αSG [*10–6 K–1] | Betrag Verzug |[mm]| |
| 1 | Cu | 0.25 | Mo-30Gew.%Cu | 0.5 | Cu | 0.25 | 10.4 | 10.4 | 0.387 |
| 2 | Cu | 0.17 | Mo-30Gew.%Cu | 0.5 | Cu | 0.33 | 7.21 | 13.8 | < 0,01 |
| 3 | Cu | 0.175 | Mo-30Gew.%Cu | 0.5 | Al | 0.325 | 7.22 | 13.9 | < 0,01 |
| 4 | Cu | 0.125 | Mo-30Gew.%Cu | 0.75 | Cu | 0.125 | 7.96 | 7.96 | 0.137 |
| 5 | Cu | 0.1 | Mo-30Gew.%Cu | 0.75 | Cu | 0.15 | 6.76 | 9.21 | < 0,01 |