DE10334422A1

DE10334422A1 - Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnung sowie das Material mit geringer Ausdehnung verwendende Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10334422A1
Application number: DE10334422A
Authority: DE
Inventors: Tomohei Kariya Sugiyama; Kyoichi Kariya Kinoshita; Takashi Kariya Yoshida; Hidehiro Kariya Kudo; Eiji Kariya Kono
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2004-05-13
Also published as: JP2004128451A; FR2843108B1; FR2843108A1; US20040130018A1; US7196417B2; JP4113971B2

Abstract

Eine Gussform wird mit ungesinterten SiC-Teilchen gefüllt, und eine Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit Silizium wird in die Gussform für einen Hochdruckgussvorgang gegossen. Aufgrund der SiC-Teilchen und dem beim Gussvorgang ausgefällten Silizium wird ein Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Ein Wärmeübertragungspfad wird durch Aluminium ausgebildet, das Räume zwischen den SiC-Teilchen infiltriert, und daher wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnung, und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Materials mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines aus diesem Material mit geringer Ausdehnung ausgebildeten Substrat.
Der Aufbau einer bekannten Halbleitervorrichtung ist in 9 gezeigt. Auf einer Oberfläche eines aus Aluminium ausgebildeten Substrats sind eine isolierende Schicht 2 und eine Leiterbahnschicht 3 sequentiell ausgebildet, um eine Aluminiumschaltungsplatine A zu erhalten. Ein Halbleiterelement 5 ist durch ein Lötmittel 4 mit der oberen Fläche der Leiterbahnschicht 3 verbunden.
Weil das Substrat 1 aus Aluminium ausgebildet ist, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird in dem Halbleiterelement 5 erzeugte Wärme durch die Leiterbahnschicht 3 und die isolierende Schicht 2 an das Substrat 1 übertragen und sodann von dem Substrat 1 nach außen effizient abgestrahlt.
Es gibt jedoch eine große Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium und einem anderen bei dem Halbleiterelement 5 verwendeten Halbleitermaterial sowie dem das Substrat ausbildenden Aluminium. Diese Differenz erzeugt bekanntermaßen eine thermische Verspannung zwischen der Aluminiumschaltungsplatine A und dem Halbleiterelement 5 bei einer Temperaturverschiebung. Wenn die thermische Verspannung groß ist, könnte das Halbleiterelement 5 sich verwinden, und das Lötmittel 4 zum Verbinden des Halbleiterelements 5 kann zerbrechen.
Bei einem Versuch zum Abbau dieser thermischen Verspannung weisen in einer Umgebung mit einem breiten Temperaturbereich wie beispielsweise bei Automobilen verwendete Halbleitervorrichtungen ein Verspannungsabbauelement wie etwa eine zwischen dem Halbleiterelement 5 und der Aluminiumschaltungsplatine A eingebaute Wärmeverteilungseinrichtung auf.
Der Einbau eines derartigen Verspannungsabbauelementes erzeugt jedoch ein Problem bei der gesamten Halbleitervorrichtung sowie eine Verkomplizierung durch eine Erhöhung bei der Anzahl der Teile der Halbleitervorrichtung.
Die Druckschrift JP-A-2001-181066 schlägt den Abbau einer thermischen Verspannung bei einer Halbleitervorrichtung durch Verwendung eines Substrates vor, das aus einem Kompositmaterial mit einer geringen Wärmeausdehnung ausgebildet ist, welches durch Imprägnieren eines porösen SiC-Körpers mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erhalten wird. Dieses Verfahren weist jedoch Probleme eines komplizierten Herstellungsvorgangs und hoher Herstellungskosten auf, weil SiC-Teilchen geschmolzen und mit einem Bindemittel zusammengesintert werden müssen, um den porösen Körper zu erhalten, und der erhaltene poröse SiC-Körper muss mit geschmolzenem Aluminium oder einer geschmolzenen Aluminiumlegierung imprägniert werden.
Die vorliegende Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehenden Probleme, und ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Materials mit einer geringen Ausdehnung bereitzustellen, das es ermöglicht, bei geringen Kosten ein Material mit geringer Ausdehnung mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit leicht herzustellen.
Ferner wird eine Halbleitervorrichtung angegeben, die ein derartiges Material mit geringer Ausdehnung zum Abbau einer thermischen Verspannung verwendet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Materials mit geringer Ausdehnung beinhaltet die Schritte: Füllen einer Gussform mit ungesinterten SiC-Teilchen; und Gießen einer Schmelze aus einem Aluminiummaterial in die Gussform.
Eine erste erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung beinhaltet: ein Substrat, das aus einem Material mit einer geringen Ausdehnung ausgebildet ist, welches durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt ist; und ein Halbleiterelement, das auf dem Substrat befestigt ist.
Eine zweite erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung beinhaltet: eine Schaltungsplatine; eine Wärmeverteilungseinrichtung, die aus einem durch das vorstehend beschriebene Verfahren erzeugten Material mit geringer Ausdehnung ausgebildet ist und mit der oberen Fläche der Schaltungsplatine verbunden ist; und ein Halbleiterelement, das auf der Wärmeverteilungseinrichtung befestigt ist.
Eine dritte erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung beinhaltet: eine Schaltungsplatine; ein Halbleiterelement, das auf der Schaltungsplatine befestigt ist; und eine Wärmeabgabeplatte, die aus einem durch das vorstehend beschriebene Verfahren erzeugten Material mit geringer Ausdehnung ausgebildet ist, und mit der Unterseite der Schaltungsplatine verbunden ist.
1 zeigt eine Mikroskopaufnahme eines in Übereinstimmung mit Beispiel 1 bei Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung hergestellten Materials mit geringer Ausdehnung;
2 zeigt eine Mikroskopaufnahme eines in Übereinstimmung mit Beispiel 2 bei Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Material mit geringer Ausdehnung;
3 zeigt eine graphische Darstellung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials mit geringer Ausdehnung in Relation zu dem Siliziumgehalt eines Aluminiummaterials bei Beispiel 1;
4 zeigt ein Diagramm, das das Gleichgewicht für Aluminium/Silizium darstellt;
5 zeigt eine grafische Darstellung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials mit geringer Ausdehnung in Relation zu dem Volumenprozentsatz von SiC-Teilchen bei Beispiel 2;
6 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der Erfindung;
7 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus der Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung von Ausführungsbeispiel 2;
8 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Abwandlung von Ausführungsbeispiel 2; und
9 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus einer bekannten Halbleitervorrichtung.
Ausführungsbeispiel 1:
Bei einem Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsbeispiel 1 für ein Material mit geringer Ausdehnung werden zunächst ungesinterte SiC-Teilchen in eine Gussform gefüllt. Der Volumenprozentsatz der SiC-Teilchen in der Gussform wird hoch, falls eine dichteste Packungsweise verwendet wird, um die Gussform so dicht wie möglich mit zwei oder mehr Arten von SiC-Teilchen zu füllen, die voneinander verschiedene Korngrößen aufweisen. Ein Erhöhen des Volumenprozentsatzes der SiC-Teilchen ermöglicht die Erzeugung eines Materials mit einer geringen Ausdehnung mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC 4,5 × 10^–6/K beträgt, während reines Aluminium (Al050) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 25,0 × 10^–6/K aufweist.
In die gemäß vorstehender Beschreibung mit den SiC-Teilchen gefüllte Gussform wird eine Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, welche Silizium enthält, für einen Hochdruckgussvorgang eingegossen, um das Material mit geringer Ausdehnung zu erhalten. Das erhaltene Material weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, weil das Aluminium die Räume zwischen den SiC-Teilchen infiltriert und einen Wärmeübertragungspfad ausbildet.
Da eine Gussform mit ungesinterten SiC-Teilchen gefüllt wird, und sodann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung mit Silizium eingegossen wird, wird der Herstellungsvorgang vereinfacht sowie die Herstellungskosten reduziert.
Beispiel 1
Wenn SiC-Teilchen mit einer Durchschnittskorngröße von 100 μm und SiC-Teilchen mit einer Durchschnittskorngröße von 8 μm in einem Verhältnis von 7:3 gemischt werden, und jede von vier Gussformen mit der Mischung gefüllt wird, wird der Volumenprozentsatz der SiC-Teilchen 70%. In diesem Zustand wurden gemäß Tabelle 1 Materialien mit geringer Ausdehnung der Proben S1 bis S4 unter Verwendung von vier Aluminiummaterialien hergestellt, die sich im Siliziumgehalt voneinander unterscheiden, und indem eine Schmelze jedes Aluminiummaterials in eine der vier Gussformen für einen Hochdruckgussvorgang mit der entsprechenden Gussform-Vorwärmetemperatur (nachstehend mit Gussform/Schmelzetemperatur bezeichnet) gegossen wurde. Das Vorwärmen der Gussformen dient zur Verbesserung der Wärmeeffizienz beim Gussvorgang.
Bei der Probe S1 wurde reines Aluminium (Al050) verwendet, und die Gussform/Schmelzetemperatur wurde auf 700/800 °C für den Gussvorgang eingestellt. Bei der Probe S2 wurde eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt von 7 Gew.-% (AC4C) verwendet, und die Gussform/Schmelzetemperatur wurde auf 700/700 °C für den Gussvorgang eingestellt. Bei der Probe S3 wurde eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt von 17 Gew.-% (ADC14) verwendet, und die Gussform/Schmelzetemperatur wurde auf 800/800 °C für den Gussvorgang eingestellt. Bei der Probe S4 wurde eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt von 23 Gew.-% (AC9A) verwendet, und die Gussform/Schmelzetemperatur wurde auf 950/950 °C für den Gussvorgang eingestellt. Die Gussformvorwärmtemperatur und die Schmelzetemperatur sind bei der Probe S4 mit der Absicht zur Beschleunigung der Reaktion von Aluminium in SiC hoch eingestellt, um Silizium auszufällen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Eine Mikroskopaufnahme des Materials mit geringer Ausdehnung gemäß der Probe S1 ist in 1 gezeigt. Die Aufnahme zeigt die kleineren SiC-Teilchen, welche die größeren SiC-Teilchen umgeben, und das die Räume zwischen diesen SiC-Teilchen infiltrierende Aluminium. Die gemessenen physikalischen Eigenschaften des Materials mit geringer Ausdehnung gemäß der Probe S1 beinhalten einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8,07 × 10^–6/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 261 W/m·K. Im Vergleich zu reinem Aluminium (Al050), das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 25,00 × 10^–6/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 234 W/m·K aufweist, ist ersichtlich, dass das Material mit geringer Ausdehnung gemäß der Probe S1 einen stark reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, während es die hohe Wärmeleitfähigkeit von reinem Aluminium beibehält.
In ähnlicher Weise ist eine mikroskopische Aufnahme des Materials mit geringer Ausdehnung gemäß der Probe S4 in 2 gezeigt. Die Aufnahme zeigt die kleinen SiC-Teilchen, welche die größeren SiC-Teilchen umgeben, sowie die Existenz von ausgefälltem Silizium. Die Messung der physikalischen Eigenschaften des Materials mit geringer Ausdehnung gemäß der Probe S4 beinhaltet einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6,26 × 10^–6/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 204 W/m·K. Aufgrund des bei dem Gussvorgang ausgefällten Siliziums mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,6 × 10^–6/K wurde ein Material mit einer geringen Ausdehnung mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten erhalten.
Außerdem wurden die physikalischen Eigenschaften der Materialien mit geringer Ausdehnung gemäß den Proben S2 und S3 gemessen, um aufzuzeigen, dass sie geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohe Wärmeleitfähigkeiten gemäß Tabelle 1 aufweisen.
Der Zusammenhang zwischen den gemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten bezüglich des Siliziumgehaltes des Aluminiummaterials für jedes der Materialien mit geringer Ausdehnung der Proben S1 bis S4 ist in 3 gezeigt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für das erzeugte Material mit geringer Ausdehnung sinkt, wenn der Siliziumgehalt des Aluminiummaterials steigt, und der Wärmeausdehnungskoeffizient wurde erfolgreich zwischen 6 × 10^–6/K und 8 × 10^–6/K verändert, indem der Siliziumgehalt des Aluminiummaterials und die Gussform/Schmelzetemperatur eingestellt wurden.
4 zeigt ein Schaubild des Gleichgewichts für Al-Si. Wenn das Al-Si-Zusammensetzungsverhältnis in einem Aluminiummaterial den eutektischen Punkt überschreitet, dringt von SiC ausgefälltes Silizium in die Schmelze ein, um den Schmelzpunkt des Aluminiummaterials zu erhöhen. Unter Beachtung des Anstiegs beim Schmelzpunkt aufgrund des Ausfällens von Silizium wird die Schmelzetemperatur vorzugsweise höher als der Schmelzpunkt des Aluminiummaterials um beispielsweise 50 K oder mehr eingestellt.
Beispiel 2
Materialien mit geringer Ausdehnungsfähigkeit wurden gemäß Tabelle 2 als Proben S5 bis S8 durch Mischen von SiC-Teilchen mit einer Durchschnittskorngröße von 100 μm und SiC-Teilchen mit einer Durchschnittskorngröße von 8 μm mit variierendem Volumenmischverhältnis erzeugt, Gussformen wurden mit den Mischungen gefüllt, und eine Schmelze aus reinem Aluminium (Al050) wurde in die Gussformen für einen Hochdruckgussvorgang gegossen. Die Mischverhältnisse der SiC-Teilchen mit einer Durchschnittskorngröße von 100 μm und der SiC-Teilchen mit einer Durchschnittskorngröße von 8 μm für die Proben S5 bis S8 wurden auf 7:3, 3:7, 9:1, bzw. 10:0 eingestellt. Die Gussform-/Schmelzetemperatur wurde für jede der Proben S5 bis S8 auf 700/800 °C eingestellt.
Die physikalischen Eigenschaften der Materialien mit geringer Ausdehnungsfähigkeit der Proben S5 bis S8 wurden gemessen, um deutlich zu machen, dass sie geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, wie es in Tabelle 2 gezeigt ist.
Gemäß Tabelle 2 steht der Volumenprozentsatz von SiC-Teilchen in einer Gussform in Abhängigkeit von dem Volumenmischverhältnis der SiC-Teilchen. Der Zusammenhang zwischen dem gemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten bezüglich dem Volumenprozentsatz von SiC-Teilchen für jede der Materialien mit geringer Ausdehnungsfähigkeit der Proben S5 bis S8 ist in 5 gezeigt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des erzeugten Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit verringert sich mit steigendem Volumenprozentsatz von SiC-Teilchen, und der Wärmeausdehnungskoeffizient wurde erfolgreich zwischen 8 × 10^–6/K und 12 × 10^–6/K durch Einstellen des Volumenmischverhältnisses der SiC-Teilchen verändert.
Wie in den Beispielen 1 und 2 gezeigt ist, werden durch Auswahl des Volumenprozentsatzes von SiC-Teilchen in einer Gussform, des Siliziumgehaltes einer Schmelze, genauer der Art der Schmelze und der Schmelzetemperatur, SiC mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von 4,5 × 10^–6/K, Aluminium mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 25,0 × 10^–6/K und abgelagertes Silizium mit einem Wärmemausdehnungskoeffizienten von 2,6 × 10^–6/K kombiniert, um ein Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit mit einem gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erzeugen, das für eine beabsichtigte Verwendung geeignet ist. Es kann beispielsweise ein Material mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 × 10^–6/K bis 12 × 10^–6/K und einer Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m·K oder größer hergestellt werden.
Der Wärmemausdehnungskoeffizient eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit, das bei Ausführungsbeispiel 1 hergestellt wird, hängt vom Volumenprozentsatz der SiC-Teilchen in einer Gussform, dem Siliziumgehalt einer Schmelze und der Schmelzetemperatur, nicht aber vom Gießverfahren ab. Folglich kann der vorstehend angeführte Hochdruckgussvorgang durch andere Verfahren wie etwa ein Druckgießen, Druckgießen in Sauerstoffumgebung (PF-Verfahren), sowie Gießen mit reduziertem Druck ersetzt werden.
Ausführungsbeispiel 2:
6 zeigt den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der Erfindung. Das vorstehend beschriebene Verfahren nach Ausführungsbeispiel 1 wird zur Ausbildung eines Substrats 6 aus einem Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit verwendet, das beispielsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 × 10^–6/K bis 12 × 10^–6/K und eine Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m·K oder mehr aufweist. Auf einer Oberfläche des Substrats 6 sind eine isolierende Schicht 2 und eine Leiterbahnschicht 3 sequentiell ausgebildet, um eine Al/SiC-Schaltungsplatine B zu erhalten. Ein Halbleiterelement 5 ist durch ein Lötmittel 4 mit der oberen Fläche der Leiterbahnschicht 3 verbunden.
Das Halbleiterelement 5 kann aus verschiedenen Elementen ausgewählt werden. Ein Chipwiderstand weist beispielsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 7 × 10^–6/K auf, ein Chipkondensator etwa 10 × 10^–6/K, und ein Siliziumhalbleiterschaltungschip etwa 2,6 × 10^–6/K. Das Substrat 6 wird daher so hergestellt, dass es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe bei dem des daran zu befestigenden Halbleiterelements 5 aufweist, und die von diesem Substrat 6 ausgebildete Al/SiC-Schaltungsplatine B wird verwendet, um das Halbleiterelement 5 darauf zu befestigen. Dies ermöglicht es, zu verhindern, dass eine Temperaturverschiebung eine große thermische Verspannung zwischen der Al/SiC-Schaltungsplatine B und dem Halbleiterelement 5 verursacht, ohne ein Verspannungsabbauelement wie etwa eine Wärmeverteilungseinrichtung dazwischen einzubauen. Folglich muss keine Verwindung des Halbleiterelementes 5 und ein brechendes Lötmittel 4 befürchtet werden, wenn die Halbleitervorrichtung bei einem Automobil oder in einer anderen Umgebung verwendet wird, das einen großen Temperaturbereich aufweist. Auf diese Weise wird eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung erhalten. Eine Wärmeverteilungseinrichtung nicht zu verwenden bedeutet außerdem, dass die Teileanzahl reduziert wird, und der Aufbau der Halbleitervorrichtung vereinfacht wird, was zu zusätzlichen Wirkungen wie etwa einer Reduktion bei der Anzahl der Zusammenbauschritte sowie einer Kostenverringerung führt.
Zudem weist die Halbleitervorrichtung eine ausgezeichnete Wärmeabbaubewegung auf, weil das Substrat 6 eine Wärmeleitfähigkeit in der Höhe von reinem Aluminium aufweist. Da insbesondere kein Verspannungsabbauelement wie etwa eine Wärmeverteilungseinrichtung benötigt wird, kann der Wärmewiderstand der gesamten Halbleitervorrichtung verringert werden.
7 zeigt den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung von Ausführungsbeispiel 2. Bei dieser Halbleitervorrichtung wird eine Wärmeverteilungseinrichtung 7 aus einem Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, durch das Verfahren nach Ausführungsbeispiel 1 ausgebildet. Die Wärmeverteilungseinrichtung 7 wird durch ein Niedertemperaturlötmittel 8 mit der oberen Fläche eines aus einem Substrat 1, einer isolierenden Schicht 2 und einer Leiterbahnschicht 3 gemäß 9 zusammengesetzten Aluminiumschaltungsplatine A verbunden. Ein Halbleiterelement 5 wird mit der oberen Oberfläche der Wärmeverteilungseinrichtung 7 durch ein Hochtemperaturlötmittel 9 verbunden. Die Wärmeverteilungseinrichtung 7 verbessert den Abbau von Wärme von dem Halbleiterelement 5 und verringert die zwischen der Aluminiumschaltungsplatine A und dem Halbleiterelement 5 erzeugte thermische Verspannung.
8 zeigt den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Abwandlung von Ausführungsbeispiel 2. Bei dieser Halbleitervorrichtung ist eine Wärmeabbauplatte 10 aus einem Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, durch das Verfahren nach Ausführungsbeispiel 2 ausgebildet. Die Wärmeabbauplatte 10 ist durch ein Lötmittel 11 mit der unteren Fläche einer keramischen Schaltungsplatine C verbunden. Ein Halbleiterelement 5 ist mit der oberen Fläche der keramischen Schaltungsplatine C durch ein Lötmittel 4 verbunden. Die keramische Schaltungsplatine C beinhaltet ein aus Keramiken wie etwa Aluminiumnitrit oder Aluminiumoxid ausgebildetes keramisches Substrat 12 sowie Aluminiumleiterbahnschichten 13 und 14, die auf den beiden Seiten des keramischen Substrats 12 ausgebildet sind.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der keramischen Schaltungsplatine C liegt bei etwa 5 × 10^–6/K. Die Wärmeabbauplatte 10 wird so hergestellt, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der nahe bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der keramischen Schaltungsplatine C liegt, indem der Volumenprozentsatz der SiC-Teilchen in einer Gussform, des Siliziumgehaltes einer Schmelze und die Schmelzetemperatur geeignet ausgewählt werden. Mit einer derartigen mit der keramischen Schaltungsplatine C verbundenen Wärmeabbauplatte 10 wird der Abbau von Wärme von dem Halbleiterelement 5 verbessert, und eine große thermische Verspannung zwischen der keramischen Schaltungsplatine C und der Wärmeabbauplatte 10 kann vermieden werden.
Gemäß vorstehender Beschreibung ermöglicht die vorliegende Erfindung die leichte Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit bei geringen Kosten, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, während sie eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zeigt, weil eine Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit Silizium in eine mit ungesinterten SiC-Teilchen gefüllte Gussform gegossen wird.
Eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung umfasst ein Substrat, eine Wärmeverteilungseinrichtung oder eine Wärmeabbauplatte, die aus dem vorstehend beschriebenen Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ausgebildet ist. Dies baut die thermische Verspannung in der Halbleitervorrichtung ab, und versieht die Halbleitervorrichtung mit einer ausgezeichneten Wärmeableitungsbefähigung, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Gemäß vorstehender Beschreibung wird eine Gussform mit ungesinterten SiC-Teilchen gefüllt, und eine Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit Silizium wird in die Gussform für einen Hochdruckgussvorgang gegossen. Aufgrund der SiC-Teilchen und dem während dem Gussvorgang ausgefällten Silizium wird ein Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Ein Wärmeübertragungspfad wird durch Aluminium ausgebildet, das Räume zwischen den SiC-Teilchen infiltriert, und daher wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit erhalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit mit den Schritten: Füllen einer Gussform mit ungesinterten SiC-Teilchen; und Gießen einer Schmelze aus einem Aluminiummaterial in der Gussform.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 1, wobei das Aluminiummaterial reines Aluminium ist.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 1, wobei das Aluminiummaterial eine Aluminiumlegierung mit Silizium ist.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 1, wobei das Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12 × 10^–6/K oder weniger und einer Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m·K oder mehr erhalten wird, indem der Volumenprozentsatz der SiC-Teilchen in der Gussform, des Siliziumgehalts in der Schmelze und die Schmelzetemperatur geeignet ausgewählt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 2, wobei die Schmelzetemperatur um 50K oder mehr auf ein höheres Niveau als der Schmelzpunkt des verwendeten Aluminiummaterials eingestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr Arten von SiC-Teilchen mit verschiedenen Korngrößen in die Gussform durch dichteste Packung gepackt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 1, wobei die Gussform vorgewärmt wird, um die Wärmeeffizienz während des Gussvorgangs zu verbessern.
Verfahren zur Herstellung eines Materials mit geringer Ausdehnungsfähigkeit nach Anspruch 7, wobei die Gussform aus Eisen ausgebildet ist, die Vorwärmtemperatur auf 700 bis 950°C eingestellt wird, und die Schmelzetemperatur auf 700 bis 950°C eingestellt wird.
Halbleitervorrichtung mit: einem Substrat, das aus einem Material mit einer geringen Ausdehnungsfähigkeit ausgebildet ist, welches durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt ist; und einem Halbleiterelement, das mit der oberen Oberfläche des Substrats verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, ferner mit: einer isolierenden Schicht und einer Leiterwandschicht, die auf einer Oberfläche des Substrats in dieser Reihenfolge ausgebildet sind, wobei das Halbleiterelement durch ein Lötmittel mit der oberen Oberfläche der Leiterbahnschicht verbunden ist.
Halbleitervorrichtung mit: einer Schaltungsplatine; einer Wärmeverteilungseinrichtung, die aus einem durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ausgebildet ist, und mit der oberen Oberfläche der Schaltungsplatine verbunden ist; und einem Halbleiterelement, das auf der Wärmeverteilungseinrichtung befestigt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Schaltungsplatine aus einem Metallsubstrat mit einer isolierenden Schicht und einer Leiterbahnschicht zusammengesetzt ist, die auf deren Oberfläche in dieser Reihenfolge ausgebildet sind, die Wärmeverteilungseinrichtung mit der oberen Oberfläche der Leiterbahnschicht durch ein Lötmittel verbunden ist, und das Halbleiterelement mit der oberen Oberfläche der Wärmeverteilungseinrichtung durch ein Lötmittel verbunden ist.
Halbleitervorrichtung mit: einer Schaltungsplatine; einem Halbleiterelement, das auf der Schaltungsplatine befestigt ist; und einer Wärmeabbauplatte, die aus einem durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Material mit geringer Ausdehnungsfähigkeit ausgebildet ist, und mit der Unterseite der Schaltungsplatine verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schaltungsplatine aus einem keramischen Substrat mit Aluminiumleiterbahnschichten auf seinen beiden Seiten zusammengesetzt ist, die Wärmeabbauplatte mit einer Oberfläche einer Aluminiumleiterbahnschicht durch ein Lötmittel verbunden ist, und das Halbleiterelement mit einer Oberfläche der anderen Aluminiumleiterbahnschicht durch ein Lötmittel verbunden ist.