DE112010004589T5

DE112010004589T5 - Laminat und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE112010004589T5
Application number: DE112010004589T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Suzuki; Atsushi Otaki; Shigeru Oyama
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2011065457A1; JPWO2011065457A1; CN102574361A; US9096471B2; CN102574361B; US20130004791A1; JP5759902B2

Abstract

Ein Schichtmaterial (1) umfaßt zwei Metallagen (2, 3) und eine Keramiklage (4), worin die Metallagen (2, 3) und die Keramiklage (4) so gestapelt sind, daß die Keramiklage (4) zwischen den beiden Metallagen (2, 3) angeordnet ist und dann durch Spark-Plasmabinden aneinander gebunden sind. Der Unterschied der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen (2) und (3) ist 140°C oder weniger. Das Schichtmaterial (1) wird durch Stapeln von zwei Metallagen (2, 3), die einen Unterschied bei der Schmelztemperatur von 140°C oder weniger haben, und der Keramiklage (4), so daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2, 3) angeordnet ist, anschließendes Anordnen der gestapelten Struktur der Metallagen (2, 3) und der Keramiklage (4) zwischen ein Paar Elektroden in einer Spark-Plasmasintervorrichtung und Binden der Metallagen (2, 3) und der Keramiklage (4) durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden unter Aufrechterhaltung der Leitung zwischen den Elektroden hergestellt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein geschichtetes Material und ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten Materials. Mehr spezifisch betrifft diese Erfindung ein geschichtetes Material, das zum Kühlen einer Halbleitervorrichtung wie LED oder Energievorrichtung verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten Materials.
In dieser Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen betrifft ein Material, dargestellt durch ein Elementsymbol oder eine Kombination von Elementsymbolen, ein absolut reines Material und ebenfalls ein im wesentlichen reines industrielles Material, das nicht-vermeidbare Verunreinigungen enthält.
Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, ist der Ausdruck ”Spark-Plasmasintern” nicht auf das Verfahren zum tatsächlichen Sintern von Pulver beschränkt und betrifft ein Verfahren unter Anwendung des Prinzips des Spark-Plasmasinterns.
Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, betrifft der Ausdruck ”Schmelzpunkt” einer Legierung die Solidus-Temperatur der Legierung.
Hintergrund der Erfindung
Diese Anmelder haben beispielsweise ein Schichtmaterial, umfassend eine Keramikschicht und eine Metallschicht, früher vorgeschlagen. Spezifisch haben diese Anmelder ein Schichtmaterial, umfassend eine Keramiklage, gebildet aus einem Spark-Plasmasinterkompakt aus Keramikpulver, und Metallschichten, die auf beiden Oberflächen der Keramiklage vorgesehen sind, wobei jede Metallschicht aus einem Spark-Plasmasinterkompakt aus Metallpulver gebildet ist, wobei das Schichtmaterial durch ein Verfahren erzeugt ist, worin die Metallschichten durch Spark-Plasmasintern des Metallpulvers auf beiden Oberflächen der Keramiklage, die zuvor gebildet ist, erzeugt werden, vorgeschlagen (siehe Patentdokument 1).
Bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen Schichtmaterial muß, weil die Metallschichten durch Spark-Plasmasintern des Metallpulvers auf beiden Oberflächen der Keramiklage, die zuerst gebildet wurde, erzeugt werden, die Volumenverminderung des Metallpulvers während des Spark-Plasmasinterns berücksichtigt werden, und die Produktivität kann angesichts der Verbesserung der Dimensionsgenauigkeit der Metallschichten in einer Dickenrichtung vermindert werden. Zusätzlich können beide Oberflächen des somit erzeugten Schichtmaterials eine geringe Flachheit entfalten aufgrund der Volumenverminderung des Metallpulvers während des Spark-Plasmasinterns. In einem solchen Fall erfordert das Schichtmaterial eine abschließende Behandlung durch ein Schlichteverfahren (z. B. Polieren).
Stand der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: Internationale Veröffentlichung WO 2009/119438
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Zur Lösung der oben genannten Probleme liegt ein Ziel dieser Erfindung darin, ein Schichtmaterial anzugeben, das eine ausgezeichnete Produktivität und verbesserte Flachheit entfaltet im Vergleich zum Schichtmaterial, das im Patentdokument 1 beschrieben ist. Ein anderes Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials dieser Erfindung anzugeben.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die oben genannten Ziele zu erreichen, gibt diese Erfindung folgendes an.

1) Schichtmaterial, umfassend eine Vielzahl von Metallagen und zumindest eine Keramiklage, worin die Metallagen und die Keramiklage so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist; die Keramiklage an die benachbarten Metallagen durch Spark-Plasmasintern gebunden ist; und der Unterschied bei der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen, die der Keramiklage benachbart sind, 140°C oder weniger ist.
2) Schichtmaterial gemäß Punkt 1), worin zwei Metallagen und eine Keramiklage so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage zwischen den beiden Metallagen angeordnet ist und der Unterschied zwischen der Schmelztemperatur von einer der Metallagen und der der anderen Metallage 140°C oder weniger ist.
3) Schichtmaterial gemäß 2), worin eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche von zumindest einer der beiden Metallagen an der Seite, die der Oberfläche gegenüberliegt, die an die Keramiklage gebunden ist, gebunden ist.
4) Schichtmaterial, umfassend eine Metallage und eine oder zwei Keramiklagen, worin die Metallage und die Keramiklage(n) so zusammengestapelt sind, daß die Metallage der/den Keramiklagen benachbart ist und die Metallage an die benachbarten Keramiklagen durch Spark-Plasmasintern gebunden ist.
5) Schichtmaterial gemäß Punkt 4), das aus einer Metallage und einer Keramiklage gebildet ist, worin eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche der Metallage auf der Seite gebunden ist, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage gebunden ist.
6) Schichtmaterial gemäß Punkt 1) oder 4), worin die Metallage(n) aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, Ni, Ti, einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung und einer Ti-Legierung gebildet sind.
7) Schichtmaterial gemäß 1) oder 4), worin die Keramiklagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO.
8) Schichtmaterial gemäß 1) oder 4), worin die obere als auch die untere Oberfläche eine Flachheit von 100 μm oder weniger haben.
9) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 1), wobei das Schichtmaterial eine Vielzahl von Metallagen und zumindest eine Keramiklage umfaßt, worin die Metallagen und die Keramiklage so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist, und die Keramiklage an die benachbarten Metallagen durch Spark-Plasmasintern gebunden sind, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Stapeln einer Vielzahl von Metallagen und zumindest einer Keramiklage miteinander, so daß die Keramiklage zu jeder der Metallagen benachbart ist, wobei der Unterschied bei der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen, die der Keramiklage benachbart ist, 140°C oder weniger ist; Anordnen des gestapelten Produkts aus den Metallagen und der Keramiklage zwischen ein Paar von Elektroden zum Spark-Plasmasintern; und Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden, während eine elektrische Leitung zwischen den Elektroden sichergestellt wird, um hierdurch die Keramiklage an die Metallagen, die hierzu benachbart sind, zu binden.
10) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9), worin die Bindung der Keramiklage an die Metallagen, die dazu benachbart sind, durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden unter Sicherstellung der elektrischen Leitung zwischen den Elektroden durch Erwärmen bei einer Temperatur zwischen der Temperatur, die um 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit höchster Schmelztemperatur aus den Metallagen, deren Unterschied bei der Schmelztemperatur 140°C oder weniger ist, und der Temperatur, die um 10°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit der niedrigsten Schmelztemperatur aus den Metallagen.
11) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 10), worin zwei Metallagen, deren Unterschied bei der Schmelztemperatur 140°C oder weniger ist, auf beide Oberflächen einer Keramiklage gestapelt werden, so daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist; worin zumindest eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, auf der Oberfläche von zumindest einer der beiden Metallagen auf der Seite gestapelt wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit der Keramiklage in Kontakt steht; und die zwei Metallagen an beide Oberflächen der Keramiklage gebunden werden, während die zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, an die Oberfläche von zumindest einer der beiden Metallagen auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegenliegt, die an die Keramiklage gebunden ist.
12) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 4), worin das Schichtmaterial eine Metallage und eine oder zwei Keramiklagen umfaßt, worin die Metallage und die Keramiklage(n) zusammen so gestapelt sind, daß die Metallage der Keramiklage(n) benachbart ist, und die Metallage an die benachbarten Keramiklagen durch Spark-Plasmasintern gebunden ist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Stapeln einer Metallage und einer oder zwei Keramiklagen miteinander, so daß die Metallage zu der Keramiklage benachbart ist; Anordnen des gestapelten Produktes aus der Metallage und den Keramiklagen zwischen ein Paar von Elektroden zum Spark-Plasmasintern; und Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden, unter Sicherstellung der elektrischen Leitung zwischen den Elektroden, um hierdurch die Metallage an die Keramiklagen, die hierzu benachbart sind, zu binden.
13) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 12), worin die Bindung der Metallage an die Keramiklage durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden durch Erwärmen bei einer Temperatur, die um 10 bis 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage, durchgeführt wird.
14) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 13), worin eine Metallage auf eine Oberfläche einer Keramiklage gestapelt wird; eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, auf der Oberfläche der Metallage auf der Seite gestapelt wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit der Keramiklage in Kontakt steht; und die Metallage an eine Oberfläche der Keramiklage gebunden wird, während die zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, an die Oberfläche der Metallage auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage gebunden ist.
15) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9) oder 12), worin die Metallagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, Ni, Ti, einer Al-Legierung, einer Cu-Legierung, einer Ag-Legierung, einer Au-Legierung, einer Ni-Legierung und einer Ti-Legierung.
16) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9) oder 12), worin die Keramiklagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO.
17) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9) oder 12), worin die arithmetische Mitteloberflächenrauhigkeit (Ra) der Metallagen 1,0 μm oder weniger ist.
18) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9) oder 12), worin die arithmetische Mitteloberflächenrauhigkeit (Ra) der Keramiklagen 1,5 μm oder weniger ist.
19) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9) oder 12), worin die Bindung zwischen den Metallagen und den Keramiklagen durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden durch Auferlegung eines Drucks von 10 bis 100 MPa auf beide Seiten des gestapelten Produktes aus den Metallagen und den Keramiklagen in einer Stapelrichtung durchgeführt wird.
20) Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Punkt 9) oder 12), worin die Bindung zwischen den Metallagen und den Keramiklagen durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden in einer Inertgas- oder Vakuumatmosphäre durchgeführt wird.

Wirkungen der Erfindung
In dem Schichtmaterial gemäß einem der Punkte 1) bis 3) und 6) bis 8) werden eine Vielzahl von Metallagen und zumindest eine Keramiklage zusammen gestapelt, so daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist, und die Keramiklage wird an die benachbarten Keramiklagen durch Spark-Plasmasintern gebunden. Somit gehen die Metallagen, die zuvor gebildet worden sind, eine geringe Dimensionsänderung bei Produktion des Schichtmaterials ein, und die Dimensionsgenauigkeit der Metallagen in einer Dickenrichtung kann verhältnismäßig einfach verbessert werden. Daher entfaltet das Schichtmaterial eine ausgezeichnete Produktivität im Vergleich zu der, die im Patentdokument 1 beschrieben ist. Weiterhin kann die Flachheit sowohl von der oberen als auch der unteren Oberfläche des Schichtmaterials beispielsweise auf 100 μm oder weniger reduziert werden. Somit entfalten sowohl die obere als auch die untere Oberfläche des Schichtmaterials eine verbesserte Flachheit im Vergleich zu dem Fall, der im Patentdokument 1 beschrieben ist, und das Schichtmaterial erfordert keine abschließende Behandlung durch ein Schlichteverfahren (z. B. Polieren).
Weil der Unterschied bei der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen, die zu der Keramiklage benachbart sind, 140°C oder weniger ist, kann die Keramiklage zuverlässig an die Metallagen, die dieser benachbart sind, durch Spark-Plasmasinterverfahren gebunden werden, und die Deformation der Metallage mit einer niedrigeren Schmelztemperatur beispielsweise aufgrund des partiellen Schmelzens kann während des Spark-Plasmasinterns verhindert werden.
In dem Schichtmaterial gemäß 2) kann, wenn die beiden Metallagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung und Au-Legierung, und die Keramiklage aus einem Material gebildet ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO, eine der Metallagen als Leitungsschicht verwendet werden, und die Keramiklage kann als elektrisch isolierende Schicht verwendet werden. Wenn daher ein Spannungsrelaxationsteil beispielsweise durch Löten an die Oberfläche der anderen Metallage auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage gebunden ist, und das Streßrelaxationsteil durch Löten an ein Wärmeabstrahlungsmaterial (z. B. Wärmeableiter) gebunden ist, das aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, einer Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung gebildet ist, wird eine Energiemodulbasis gebildet. Wenn eine Energievorrichtung auf der Leitungsschicht der Energiemodulbasis befestigt wird, wird ein Energiemodul erzeugt. Weil nur die beiden Metallagen, die eine Keramiklage und das Streßrelaxationsteil zwischen der Energievorrichtung und dem Wärmeabstrahlungsmaterial vorhanden sind, wird der thermische Leitungsweg von der Energievorrichtung zu dem Wärmeabstrahlungsmaterial verkürzt, und die Strahlungsleistung von Wärme, erzeugt von der Energievorrichtung, wird verbessert. Weil ein Lötmaterial mit niedriger thermischer Energie nicht zwischen den beiden Metallagen und der Keramiklage vorgesehen werden muß, wird eine ausgezeichnete thermische Leitung zwischen den Metallagen und der Keramiklage erzielt.
Bei dem Schichtmaterial gemäß einem der Punkte 4) bis 8) werden eine Metallage und eine oder zwei Keramiklagen zusammen gestapelt, so daß die Metallage der/den Keramiklagen) benachbart ist, und die Metallage wird an die benachbarten Keramiklagen durch Spark-Plasmasintern gebunden. Somit geht die Metallage, die zuvor gebildet worden ist, eine geringe Dimensionsänderung bei Erzeugung des Schichtmaterials ein und die Dimensionsgenauigkeit der Metallage in einer Dickenrichtung kann verhältnismäßig leicht verbessert werden. Daher entfaltet das Schichtmaterial eine ausgezeichnete Produktivität im Vergleich zu dem Material, das im Patentdokument 1 beschrieben ist. Weiterhin kann die Flachheit sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Schichtmaterials beispielsweise auf 100 μm oder weniger reduziert werden. Somit entfalten sowohl die obere als auch die untere Oberfläche des Schichtmaterials eine verbesserte Flachheit im Vergleich zu dem Fall, der im Patentdokument 1 beschrieben ist, und das Schichtmaterial erfordert keine abschließende Behandlung durch ein Schlichteverfahren (z. B. Polieren).
Wenn das Schichtmaterial gemäß 4) eine Metallage und eine Keramiklage umfaßt, wird die Metallage aus einem Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung und Au-Legierung; und die Keramiklage wird aus einem Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO, die Metallage kann als eine Leitungsschicht und die Keramiklage als elektrisch isolierende Schicht verwendet werden. Wenn ein Streßrelaxationsteil beispielsweise durch Löten an die Oberfläche der Keramiklage auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Metallage gebunden ist, und das Streßrelaxationsteil durch Löten an ein Wärmeabstrahlmaterial (z. B. Wärmeableiter) gebunden wird, das aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung gebildet ist, wird eine Energiemodulbasis erzeugt. Wenn eine Energievorrichtung auf der Leitungsschicht der Energiemodulbasis befestigt wird, wird ein Energiemodul erzeugt. Wenn nur die eine Metallage, die eine Keramiklage und das Streßrelaxationsteil zwischen der Energievorrichtung und dem Energieabstrahlmaterial vorhanden sind, wird der thermische Leitungsweg von der Energievorrichtung zum Wärmeableitungsmaterial verkürzt, und die Strahlungsleistung von Wärme, die von der Energievorrichtung erzeugt wird, wird verbessert. Weil ein Lötmaterial mit thermischer Leitfähigkeit nicht zwischen der Metallage und der Keramiklage vorgesehen werden muß, wird eine ausgezeichnete thermische Leitung zwischen der Metallage und der Keramiklage erzielt.
Gemäß dem Schichtmaterial-Produktionsverfahren gemäß einem der Punkte 9) bis 11) kann das Schichtmaterial gemäß 1) leicht erzeugt werden.
Gemäß dem Schichtmaterial-Herstellungsverfahren gemäß einem der Punkte 12) bis 14) kann das Schichtmaterial von 4) leicht erzeugt werden.
Gemäß dem Schichtmaterial-Produktionsverfahren gemäß den Punkten 17) oder 18) kann die Kontaktfläche zwischen der Metallage und der Keramiklage erhöht werden, und das Auftreten von Bindemängeln zwischen der Metallage und Keramiklage kann effektiv verhindert werden.
Gemäß dem Schichtmaterial-Produktionsverfahren gemäß Punkt 19) kann das Auftreten von Bindemängeln zwischen der Metallage und der Keramiklage effektiv verhindert werden.
Gemäß dem Schichtmaterial-Produktionsverfahren gemäß Punkt 20) kann das Auftreten von Bindemängeln zwischen der Metallage und der Keramiklage effektiv verhindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Schichtmaterials gemäß Ausführungsbeispiel 1 dieser Erfindung.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die das Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials gemäß 1 zeigt.
3 zeigt die Temperaturbereiche des Erwärmens bei Durchführung des Verfahrens von 2.
4 zeigt eine erste Modifizierung des Verfahrens zur Erzeugung des Schichtmaterials gemäß 1, wobei das Verfahren in 2 gezeigt ist.
5 zeigt eine zweite Modifizierung des Verfahrens zur Erzeugung des Schichtmaterials von 1, wobei das Verfahren in 2 dargestellt ist.
6 zeigt eine dritte Modifizierung des Verfahrens zur Erzeugung des Schichtmaterials von 1, wobei das Verfahren in 2 dargestellt ist.
7 zeigt eine vierte Modifizierung des Verfahrens zur Erzeugung des Schichtmaterials von 1, wobei das Verfahren in 2 dargestellt ist.
8 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Schichtmaterials gemäß Ausführungsbeispiel 2 dieser Erfindung.
9 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials gemäß 7 zeigt.
10 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Schichtmaterials gemäß Ausführungsbeispiel 3 dieser Erfindung.
11 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Schichtmaterials gemäß Ausführungsbeispiel 4 dieser Erfindung.
12 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials gemäß 11 zeigt.
13 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials von Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
14 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials von Vergleichsbeispiel 2 zeigt.
15 zeigt die Ergebnisse von Beispiel 10 und ist ein vergrößertes Photo, das zwei Metallagen und eine Keramiklage zeigt.
16 zeigt die Ergebnisse von Beispiel 10 und ist ein vergrößertes Photo, das die Bindezwischenfläche zwischen der Al-Metallage und der Keramiklage zeigt.
17 zeigt die Ergebnisse von Beispiel 10 und ist ein vergrößertes Photo, das die Bindezwischenfläche zwischen der Al-Si-Legierung-Metallage und der Keramiklage zeigt.
Bezugszeichenliste

1, 30, 35, 40: Schichtmaterial
2, 3, 31, 36, 41: Metallage
4, 42: Keramiklage

Beste Art zur Durchführung der Erfindung
Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
In der folgenden Beschreibung bedeuten die Ausdrücke ”oben” und ”unten” die obere Seite und die untere Seite einer jeden Zeichnung. Die gleichen Komponenten oder Elemente in den Zeichnungen werden durch die gleichen Bezugszeichen angegeben, und die wiederholte Beschreibung wird weggelassen.
Ausführungsbeispiel 1
Dieses Ausführungsbeispiel ist in den 1 bis 3 dargestellt. 1 zeigt ein Schichtmaterial gemäß Ausführungsbeispiel 1 dieser Erfindung, und 2 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials von 1. 3 zeigt Temperaturbereiche zum Erwärmen bei Durchführung des Verfahrens gemäß 2.
Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt das Schichtmaterial (1) eine Vielzahl von Metallagen (2) und (3) und zumindest eine Keramiklage (4), worin die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage (4) zu der Metallage (2) und (3) benachbart ist, und die Keramiklage (4) ist an die benachbarten Metallagen (2) und (3) durch Spark-Plasmasintern gebunden. In dem Schichtmaterial (1) sind die zwei (obere und untere) Metallagen (2) und (3) und die eine Keramiklage (4) so zusammengestapelt, daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2) und (3) angeordnet ist, und die Metallagen (2) und (3) sind an die Keramiklage durch Spark-Plasmasintern gebunden.
Jede der oberen und unteren Oberflächen des Schichtmaterials (1) (d. h. die obere Oberfläche der oberen Metallage (2) und die untere Oberfläche der unteren Metallage (3) hat eine Flachheit von 100 μm oder weniger.
Jede der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) ist aus einem Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, Ni, Ti, einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung und Au-Legierung. Das Material, das jeweils die obere und untere Metallage (2) und (3) ausmacht, wird angemessen ausgewählt aus den oben genannten, so daß der Unterschied zwischen der Schmelztemperatur der oberen Metallage (2) und der der unteren Metallage (3) 140°C oder weniger ist. Die Schmelzpunkte der verwendbaren Materialien zur Bildung der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) sind wie folgt: Al: 660°C, Cu: 1083°C, Ag: 961°C, Au: 1063°C, Ni: 1453°C und Ti: 1727°C. Allgemein sind die Schmelzpunkte einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung und Ti-Legierung jeweils niedriger als jene von Al, Cu, Ag, Au, Ni und Ti. Die obere und untere Metallage (2) und (3) kann aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Jede der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) hat bevorzugt eine Dicke von 3 mm oder weniger. Jede der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) wird durch irgendein bekanntes angemessenes Verfahren gebildet.
Die Keramiklage (4) wird aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO. Die Keramiklage (4) hat bevorzugt eine Dicke von 1 mm oder weniger. Die Keramiklage (4) wird beispielsweise durch Spark-Plasmasintern von Pulver aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO in der Gegenwart einer angemessenen Sinterhilfe gebildet. Die Keramiklage (4) kann durch heiß-isostatisches Pressen (HIP) von Pulver aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO gebildet werden.
Die Schmelzpunkte (oder Zersetzungspunkte) der jeweiligen Keramikmaterialien sind wie folgt: AlN: 2200°c, Al₂O₃: 2050°C, Si₃N₄: 1900°C, SiC: 2000°C, Y₂O₃: 2400°C, CaO: 2570°C, BN: 3000°C und BeO: 2570°C, die jeweils höher sind als die Schmelzpunkte der oben genannten Materialien zur Bildung der oberen und unteren Metallage (2) und (3).
Obwohl es nicht erläutert ist, wird das Schichtmaterial (1) zur Erzeugung einer Energiemodulbasis wie unten beschrieben verwendet.
Spezifisch wird die obere Metallage (2) einem Ätzen unterwarfen, um hierdurch einen Schaltkreis zu bilden, und die obere Metallage (2) wird als Leitungsschicht verwendet. Getrennt werden ein Wärmeabstrahlungsmaterial (z. B. Wärmeableiter), gebildet aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, eine Al-Legierung, Cu oder eine Cu-Legierung, ebenso wie ein Streßrelaxationsteil gebildet, das aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, einer Al-Legierung, Cu oder einer Cu-Legierung gebildet ist und einen Streß-Absorptionsraum hat. Das Streßrelaxationsteil wird beispielsweise aus einer Al- oder Al-Legierungs-Lage mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern gebildet, wobei jedes von diesen als Streß-Absorptionsraum dient.
Das Schichtmaterial (1) wird auf dem Wärmeabstrahlungsmaterial über das Streßrelaxationsteil angeordnet, und das Löten zwischen der unteren Metallage (2), (3) und dem Streßrelaxationsteil wird gleichzeitig mit dem Löten zwischen dem Streßrelaxationsteil und dem Wärmeabstrahlmaterial durchgeführt. Somit wird eine Energiemodulbasis erzeugt.
Das Wärmeabstrahlmaterial kann auf einer oberen Hohlwand mit einem Kühlfluid-Weg darin gebildet werden. Das Kühlfluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Das Wärmeabstrahlmaterial kann aus einem Wärmeabstrahlsubstrat mit einer Wärmeabstrahlnaht auf der Oberfläche, die entgegengesetzt zu der Oberfläche ist, die an das Streßrelaxationsteil gebunden ist, gebildet sein.
Eine Energievorrichtung wird auf der oberen Metallage (2) des Schichtmaterials (1) der Energiemodulbasis durch Löten befestigt, unter Erzeugung eines Energiemoduls. Beim Energiemodul wird Wärme, die von der Energievorrichtung erzeugt ist, zum Wärmeabstrahlmaterial über die obere Metallage (2), die Keramiklage (4), die untere Metallage (3) und das Streßrelaxationsteil transferiert, und die somit transferierte Wärme wird von dem Wärmeabstrahlmaterial abgestrahlt. Selbst wenn die thermische Beanspruchung in der Energiemodulbasis durch Biegung des Wärmeabstrahlmaterials zu der Keramiklage (4) auftritt, die dem Unterschied des thermischen Expansionskoefizienten zwischen der Keramiklage (4) des Schichtmaterials (1) und dem Wärmeabstrahlmaterial zuzuschreiben ist, wird, weil die thermische Beanspruchung durch die Wirkung des Streßrelaxationsteils reduziert wird, ein Riß in der Keramiklage (4) oder das Auftreten von Verbiegungen in der Bindeoberfläche zwischen dem Wärmeabstrahlmaterial und der unteren Metallage (3) verhindert.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials (1) unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Zunächst werden zwei Metallagen (2) und (3) vorgesehen, die jeweils durch eine allgemeine Technik von einem Material hergestellt sind, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, Ni, Ti einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung und Ti-Legierung, ebenso wie eine Keramiklage (4), erzeugt durch eine allgemeine Technik von einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO.
Das Material, das jede der beiden Metallagen (2) und (3) bildet, wird angemessen ausgewählt aus den oben erwähnten, so daß der Unterschied der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen (2) und (3) 140°C oder weniger ist. Bevorzugt hat jede der Metallagen (2) und (3) eine arithmetische Mitteloberflächenrauhigkeit (Ra) von 1,0 μm oder weniger und eine Dicke von 3 mm oder weniger. Bevorzugt hat die Keramiklage (4) eine arithmetische Mitteloberflächenrauhigkeit (Ra) von 1,5 μm oder weniger und eine Dicke von 1 mm oder weniger.
Anschließend werden die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) gestapelt und in einer elektrisch leitenden Graphit-Sinterdüse (10) einer Spark-Plasmasinteranlage angeordnet, so daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2) und (3) angeordnet ist. Die vertikale Höhe der Düse (10) ist größer als die Gesamtdicke der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) und sowohl das obere als auch das untere Ende der Düse (10) erstrecken sich auswärts von den oberen und unteren Metallagen (2) und (3) in vertikaler Richtung. Dann werden Graphitstempel (11) und (12) auf die obere und die untere Seite des gestapelten Produktes aus der oberen Metallage (2), der Keramiklage (4) und der unteren Metallage (3) in der Düse (10) angeordnet, und Elektroden (12) und (14) werden in elektrischem Kontakt mit der Oberfläche des oberen Stempels (11) und der Bodenoberfläche des unteren Stempels (12) gebracht. In diesem Zustand wird die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) mit Hilfe der Stempel (11) und (12) und der Düse (10) sichergestellt.
Anschließend wird in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) oder einer Inertgasatmosphäre (z. B. Stickstoff oder Argon) Druck auf beide Seiten (in einer Stapelrichtung) des gestapelten Produktes aus den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe der oberen und unteren Stempel (11) und (12) auferlegt, während ein Pulsstrom zwischen den Elektroden (13) und (14) auferlegt wird, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. Das gestapelte Produkt wird bei der Temperatur für eine spezifische Zeitperiode gehalten, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) zu binden. Wenn die Metallagen (2) und (3) die gleiche Schmelztemperatur haben, werden die Metallagen (2) und (3) auf eine Temperatur erwärmt, die um 10 bis 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur. Wenn die Metallagen (2) und (3) unterschiedliche Schmelztemperaturen haben, werden die Metallagen (2) und (3) auf eine Temperatur zwischen der Temperatur, die um 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit höherem Schmelzpunkt, und der Temperatur, die um 10°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit der niedrigeren Schmelztemperatur, erwärmt. Wie in 3 gezeigt ist, fällt, wenn spezifisch die Schmelztemperatur der Metallage mit höherer Schmelztemperatur durch T1°C und die Schmelztemperatur der Metallage mit geringerer Schmelztemperatur durch T2°C dargestellt wird, die Wärmetemperatur, bei der die Metallage mit höherer Schmelztemperatur an die Keramiklage durch Spark-Plasmasintern gebunden werden kann, innerhalb eines Bereichs von (T1 – 150)°C bis (T1 – 10)°C, und die Erwärmungstemperatur, bei der die Metallage mit niedrigerer Schmelztemperatur an die Keramiklage durch Spark-Plasmasintern gebunden werden kann, fällt innerhalb des Bereiches von (T2 – 150)°C bis (T2 – 10)°C. Daher können in einem Temperaturbereich TW von (T1 – 150)°C bis (T2 – 10)°C die beiden Metallagen gleichzeitig an die Keramiklage gebunden werden, ohne daß die Metallage mit dem niedrigeren Schmelzpunkt geschmolzen wird. Die Temperatur (T1 – 150)°C kann gleich zur Temperatur (T2 – 10)°C sein. Somit wird das Schichtmaterial (1) produziert.
Die Bedingungen zum Binden zwischen den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) durch das oben erwähnte Verfahren variiert mit den Arten der Materialien der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) oder den Dimensionen der Lagen.
Beispielsweise sind die Bindebedingungen wie folgt:
aufzulegender Pulsstrom: 1000 bis 30000 A, Druck: 10 bis 100 MPa und Retentionszeit bei der Bindetemperatur: 1 bis 30 min.
Der Mechanismus durch den die Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) gebunden werden, ist nicht geklärt. Der Mechanismus ist vermutlich wie folgt.
Spezifisch, wenn Druck auf beide Seiten (in einer Stapelrichtung) des gestapelten Produktes aus den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) auferlegt wird, dringen, weil die Metallagen (2) und (3) erhalten werden, die Materialien, die die Metallagen (2) und (3) bilden, in Mikrodellen auf der Oberfläche der Keramiklage (4) und somit wird die Kontaktfläche zwischen den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) erhöht. Wenn in diesem Zustand die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) der Spark-Plasmasinteranlage erzielt und ein Pulsstrom zwischen den Elektroden (13) und (14) auferlegt wird, um hierbei das gestapelte Produkt auf eine Temperatur zwischen der Temperatur, die um 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit der höheren Schmelztemperatur, und der Temperatur, die um 10°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit der niedrigeren Schmelztemperatur, werden die Metallagen (2) und (3) aufgeweicht und die Kontaktfläche zwischen den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) wird weiter erhöht. In diesem Fall wird, wenn Entladungsplasma in der Nähe des Kontaktbereiches zwischen den Oberflächen der Metallage (2) und (3) und der Oberfläche der Keramiklage (4) gestrahlt wird, ein Oxidfilm auf den Oberflächen der Metallagen (2) und (3) gebrochen und entfernt und somit werden aktive Oberflächen freigelegt. Wenn die somit freigelegten aktiven Oberflächen der Metallagen (2) und (3) mit der Oberfläche der Keramiklage (4) in Kontakt gelangen, werden die Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) mit Hilfe der Massendiffusion gebunden.
Die 4 bis 7 zeigen Modifizierungen des Verfahrens zur Erzeugung des Schichtmaterials (1).
Bei einem Verfahren, das in 4 gezeigt ist, werden keine Stempel zwischen den oberen und unteren Metallagen (2) und (3) und den oberen und unteren Elektroden (13) und (14) der Spark-Plasmasinteranlage vorgesehen. Die Höhe einer elektrisch leitenden Graphit-Sinterdüse (20) ist etwas größer als die Gesamtdicke der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4). Wenn daher ein Druck auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) mit Hilfe der oberen und unteren Elektroden (13) und (14) auferlegt wird, gelangen die oberen und unteren Elektroden (13) und (14) mit den oberen und unteren Metallagen (2) bzw. (3) in Kontakt. Somit wird in einem Druckzustand die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) mit Hilfe der Düse (20) sichergestellt. Das Schichtmaterial (1) wird auf gleiche Weise wie in 2 gezeigt hergestellt (mit der Ausnahme der Modifizierung der Spark-Plasmasinteranlage).
Bei einem Verfahren gemäß 5 werden keine Stempel zwischen den oberen und unteren Metallagen (2) und (3) und den oberen und unteren Elektroden (13) und (14) der Spark-Plasmasinteranlage vorgesehen. Die Höhe einer elektrisch leitenden Graphit-Sinterdüse (25) ist kleiner als die Gesamtdicke der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) und größer als die Dicke der Keramiklage (4). Wenn daher ein Druck auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes aus den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) durch die obere und untere Elektrode (13) und (14) auferlegt wird, kommt die Düse (25) nicht mit den Elektroden (13) und (14) in Kontakt und ist so angeordnet, daß sie sich über die obere und untere Metallage (2) und (3) erstreckt. Bei dem Druckzustand wird somit die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) mit Hilfe der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) und der Düse (25) sichergestellt. Das Schichtmaterial (1) wird auf gleiche Weise wie es gemäß 2 dargestellt ist, vorgesehen (mit der Ausnahme der Modifizierung der Spark-Plasmasinteranlage).
Bei einem Verfahren gemäß 6 wird die Spark-Plasmasinteranlage, die bei dem Verfahren gemäß 4 verwendet wurde, so modifiziert, daß elektrisch leitende Graphit-Spacer (26) und (27) zwischen der oberen Elektrode (13) und der oberen Metallage (2) und zwischen der unteren Elektrode (14) und der unteren Metallage (3) angeordnet werden. Die Größe der Spacer (26) und (27) ist größer als die der Öffnungen an dem oberen und unteren Ende der Düse (20). Wenn daher Druck auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe der oberen und unteren Elektrode (13) und (14) über die Spacer (26) und (27) auferlegt wird, kontaktieren die oberen und unteren Spacer (26) und (27) die obere und untere Metallage (2) bzw. (3). In dem Druckzustand wird somit die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) durch die Spacer (26) und (27) und die Düse (20) sichergestellt. Das Schichtmaterial (1) wird auf gleiche Weise wie es in 4 gezeigt ist, hergestellt (mit Ausnahme der Modifizierung der Spark-Plasmasinteranlage).
Bei einem Verfahren gemäß 7 wird die Spark-Plasmasinteranlage, die bei dem Verfahren gemäß 5 verwendet wird, so modifiziert, daß Graphit-Spacer (26) und (27) zwischen der oberen Elektrode (13) und der oberen Metallage (2) und zwischen der unteren Elektrode (14) und der unteren Metallage (3) vorgesehen sind. Die Größe der Spacer (26) und (27) ist größer als die der Öffnungen an dem oberen und unteren Ende der Düse (25). Wenn daher Druck auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes der Metallage (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe der oberen und unteren Elektrode (13) und (17) über Graphit-Spacer (26) und (27) auferlegt wird, kontaktiert die Düse (25) nicht die Elektroden (13) und (14), und sie wird so angeordnet, daß sie sich über die obere und untere Metallage (2) und (3) erstreckt. Bei dem Druckzustand wird somit eine elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) mit Hilfe der oberen und unteren Spacer (26) und (27), der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) und der Düse (25) sichergestellt, Das Schichtmaterial (1) wird auf gleiche Weise wie bei 5 hergestellt (mit Ausnahme der Modifizierung der Plasmasinteranlage.
Ausführungsbeispiel 2
Dieses Ausführungsbeispiel ist in den 8 und 9 dargestellt. 8 zeigt ein Schichtmaterial gemäß Ausführungsbeispiel 2 dieser Erfindung, und 9 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials von 8.
Wie in 8 gezeigt ist, ist das Schichtmaterial (30) eine Modifizierung des Schichtmaterials (1) gemäß dem Ausführungsbeispiel 1, worin eine Metallage (31) aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns zur Erzeugung des Schichtmaterials (30) nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche von zumindest einer der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) auf der Seite, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage (4) gebunden ist, gebunden (in diesem Fall die Bodenoberfläche der unteren Metallage (3)). Wenn die Metallagen (2) und (3) die gleiche Schmelztemperatur haben, wird die Metallage aus einem Material mit einer Schmelztemperatur gebildet, die höher ist als die der Metallagen (2) und (3), während dann, wenn die Metallagen (2) und (3) unterschiedliche Schmelztemperaturen haben, die Metallage (31) aus einem Material mit einer Schmelztemperatur gebildet wird, die höher ist als die der Metallage mit niedrigerer Schmelztemperatur. Wenn beispielsweise die Metallagen (2) und (3) aus Al oder einer Al-Legierung gebildet sind, wird die Metallage (31) aus einem Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag, Au, Ni, Ti, einer Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung und Ti-Legierung.
Obwohl nicht illustriert, wird das Schichtmaterial (30) zur Erzeugung einer Energiemodulbasis wie unten beschrieben verwendet.
Die obere Metallage (2) wird einem Ätzen unterworfen, um hierdurch einen Schaltkreis zu bilden, und dann wird die obere Metallage (2) als Leitungsschicht verwendet. Getrennt werden ein Wärmeabstrahlmaterial (z. B. Wärmeableiter), gebildet aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, einer Al-Legierung, Cu oder einer Cu-Legierung, ebenso wie ein Streßrelaxationsteil gebildet, das aus einem stark thermisch leitenden Material wie Al, Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung gebildet ist und einen Streß-Absorptionsraum hat. Das Streßrelaxationsteil wird beispielsweise aus einer Al- oder Al-Legierung-Lage mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern gebildet, wobei jedes von diesen als Streß-Absorptionsraum dient.
Das Schichtmaterial (30) wird auf dem Wärmeabstrahlmaterial über das Streßrelaxationsteil angeordnet, und das Löten zwischen der Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur und dem Streßrelaxationsteil wird gleichzeitig mit dem Löten zwischen dem Streßrelaxationsteil und dem Wärmeabstrahlmaterial durchgeführt. Somit wird eine Energiemodulbasis erzeugt.
Das Wärmeabstrahlmaterial kann aus einer oberen Hohlwand mit einem Kühlfluid-Weg darin gebildet werden. Das Kühlfluid kann flüssig oder gasförmig sein. Das Wärmeabstrahlmaterial kann aus einem Wärmestrahlungssubstrat mit einer Wärmestrahlungsdelle auf der Oberfläche, die entgegengesetzt zu der Oberfläche ist, die an das Streßrelaxationsteil gebunden ist, gebildet sein.
Eine Energievorrichtung wird auf der oberen Metallage (2) des Schichtmaterials (30) der Energiemodulbasis durch Löten befestigt, um hierdurch ein Energiemodul zu erzeugen. Bei dem Energiemodul wird Gas, erzeugt von der Energievorrichtung, auf das Wärmeabstrahlmaterial über die obere Metallage (2), die Keramiklage (4), die untere Metallage (3), die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur und das Streßrelaxationsteil transferiert, und die somit transferierte Wärme wird von dem Wärmeabstrahlmaterial abgestrahlt. In diesem Fall entfaltet die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur eine hohe thermische Leitfähigkeit und dient somit als Wärmeverteiler. Daher wird Wärme, die zu der Metallage mit hoher Schmelztemperatur transferiert ist, durch die Lage (31) diffundiert und dann zu dem Wärmeabstrahlmaterial über das Streßrelaxationsteil transferiert, wobei die Wärmeabstrahlleistung verbessert wird. Selbst wenn thermische Beanspruchung in der Energiemodulbasis durch Krümmung des Wärmeabstrahlmaterial in Richtung zu der Keramiklage (4) auftritt, was den Unterschied beim thermischen Expansionskoeffizienten zwischen der Keramiklage (4), des Schichtmaterials (30) und dem Wärmeabstrahlmaterial zuzuschreiben ist, wird, weil die thermische Beanspruchung durch die Wirkung des Streßrelaxationsteils reduziert wird, ein Reißen der Keramiklage (4) oder das Auftreten von Krümmung in der Bindeoberfläche zwischen dem Wärmeabstrahlmaterial und der Keramiklage (4) verhindert.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials (30) unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Zunächst werden die zwei Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4), verwendet zur Erzeugung des Schichtmaterials (1) gemäß Ausführungsbeispiel 1, ebenso wie die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur, gebildet aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cu, Ag, Au, Ni, Ti, Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung und einer Ti-Legierung vorgesehen.
Bevorzugt hat die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) im arithmetischen Mittel von 1,0 μm oder weniger und eine Dicke von 3 mm oder weniger.
Anschließend werden die Metallagen (2) und (3), die Keramiklage (4) und die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur gestapelt und in einer elektrisch leitenden Graphit-Sinterdüse (32) einer Spark-Plasmasinteranlage angeordnet, so daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2) und (3) und die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur unterhalb der unteren Metallage (3) angeordnet wird. Die vertikale Höhe der Düse (32) ist größer als die Gesamtdicke der Metallagen (2) und (3), der Keramiklage (4) und der Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur, und das obere und untere Ende der Düse (32) erstrecken sich auswärts von der oberen und unteren Metallage (2) und (3) in vertikaler Richtung. Dann werden Graphitstempel (11) und (12) auf der oberen und unteren Seite des gestapelten Produktes aus der oberen Metallage (2) und (3) der Keramiklage (4), der unteren Metallage (3) und der Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur in der Düse angeordnet, und Elektroden (13) und (14) werden in elektrischen Kontakt mit der oberen Oberfläche des oberen Stempels (11) und der unteren Oberfläche des unteren Stempels (12) gebracht. In diesem Zustand wird die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) mit Hilfe der Stempel (11) und (12) und der Düse (32) sichergestellt.
Anschließend wird in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) oder einer Inertgasatmosphäre (z. B. Stickstoff oder Argon) Druck auf beide Seiten (in einer Stapelrichtung) des gestapelten Produktes aus der Metallage (2) und (3), der Keramiklage (4) und der Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur mit Hilfe des oberen und des unteren Stempels (11) und 12) auferlegt, während ein Pulsstrom zwischen die Elektroden (13) und (14) auferlegt wird, um hierdurch das gestapelte Produkt auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. Wenn die Metallagen (2) und (3) die gleiche Schmelztemperatur haben, wird das gestapelte Produkt auf eine Temperatur erwärmt, die um 10 bis 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallagen (2) und (3). Wenn die Metallagen (2) und (3) unterschiedliche Schmelztemperaturen haben, wird das gestapelte Produkt auf eine Temperatur zwischen der Temperatur, die um 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit höherer Schmelztemperatur von den Metallagen (2) und (3), und der Temperatur, die um 10°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit niedrigerer Schmelztemperatur, erwärmt. Das gestapelte Produkt wird bei der Temperatur für eine bestimmte Zeitperiode gehalten, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) und um die untere Metallage (3) an die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur zu binden. Somit wird das Schichtmaterial (30) erzeugt.
Die Bedingungen zum Binden der Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) oder Binden der unteren Metallage (3) an die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur durch das genannte Verfahren variiert mit den Arten der Materialien der Metallagen (2) und (3), der Keramiklage (4) und der Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur oder den Dimensionen der Lagen. Beispielsweise sind die Bindebedingungen wie folgt: aufzuerlegender Pulsstrom: 1000 bis 30000 A, Druck: 10 bis 100 MPa und Retentionszeit bei der Bindetemperatur: 1 bis 30 Minuten.
Ausführungsbeispiel 3
Dieses Ausführungsbeispiel ist in 10 gezeigt. 10 zeigt ein Schichtmaterial gemäß Ausführungsbeispiel 3 dieser Erfindung.
Wie in 10 gezeigt ist, ist das Schichtmaterial (35) eine Modifizierung des Schichtmaterial (1) gemäß Ausführungsbeispiel 1, worin eine Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur, erzeugt aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns zur Erzeugung des Schichtmaterials (35) nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche von zum einer der oberen und unteren Metallagen (2) und (3) auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage (4) gebunden ist (in diesem Fall an die obere Oberfläche der oberen Metallage (2).
Die Metallagen (2) und (3) werden aus Al oder einer Al-Legierung gebildet und die Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur wird aus einem Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag, Au, Ni, Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung und Ni-Legierung. Ein solches Material entfaltet eine hohe thermische Leitfähigkeit und ausgezeichnete Lötfähigkeit.
Obwohl nicht erläutert, wird das Schichtmaterial (35) zur Erzeugung einer Energiemodulbasis verwendet, wie unten beschrieben.
Die Oberfläche der Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur wird einem Maskieren und Ätzen unterwarfen, um hierdurch einen Bereich der oberen Metallage (2) freizulegen, und der somit freigelegte Bereich der oberen Metallage (2) wird einem Ätzen unterworfen, um hierdurch einen Schaltkreis zu bilden. Dann wird die obere Metallage (2), die darauf die Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur hat, als Leitungsschicht verwendet. Getrennt wird ein Wärmeabstrahlmaterial (z. B. ein Wärmeableiter) wie Al, Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung, ebenso wie ein Streßrelaxationsteil vorgesehen, das aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung gebildet ist und einen Streß-Absorptionsraum hat, vorgesehen. Das Streßrelaxationsteil wird beispielsweise aus einer Al- oder Al-Legierungs-Lage mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern gebildet, die jeweils als Streßabsorptionsraum dienen.
Das Schichtmaterial (35) wird auf das Wärmeableitungsmaterial über das Streßrelaxationsteil angeordnet, und das Löten zwischen der unteren Metallage (3) und dem Streßrelaxationsteil wird gleichzeitig mit dem Löten zwischen dem Streßrelaxationsteil und dem Wärmeabstrahlmaterial durchgeführt. Somit wird eine Energiemodulbasis erzeugt.
Das Wärmeabstrahlmaterial kann aus einer oberen Hohlwand mit einem Kühlfluid-Weg darin gebildet werden. Das Kühlfluid kann flüssig oder gasförmig sein. Das Wärmeabstrahlmaterial kann aus einem Wärmeableitsubstrat mit einer Wärmeableitdelle auf der Oberfläche gebildet sein, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an das Streßrelaxationsteil gebunden ist.
Eine Energievorrichtung wird durch Löten auf die Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur befestigt, die auf der Oberfläche der oberen Metallage (2) des Schichtmaterials (35) der Energiemodulbasis gebildet ist, um hierdurch ein Energiemodul zu erzeugen. Weil die Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur aus einem Material gebildet ist, das eine ausgezeichnete Lötfähigkeit entfaltet, muß die Oberfläche der oberen Metallage (2) keiner Behandlung zur Verbesserung der Lötfähigkeit (z. B. Ni-Plattieren) unterworfen werden, und somit können die Produktionskosten reduziert werden.
In dem Energiemodul wird Wärme, die von der Energievorrichtung erzeugt ist, zu dem Wärmeabstrahlmaterial über die Metallage (36) mit hoher Schmelztemperatur, die obere Metallage (2), die Keramiklage (4), die untere Metallage (3) und das Streßrelaxationsteil transferiert, und die somit transferierte Wärme wird von dem Wärmeabstrahlmaterial abgestrahlt.
Die Metallage (31) mit hoher Schmelztemperatur, gebildet aus dem gleichen Material wie beim Ausführungsbeispiel 2 kann gestapelt und an die Bodenoberfläche der unteren Metallage (3) des Schichtmaterials (35) gemäß Ausführungsbeispiel 3 gebunden werden.
Ausführungsbeispiel 4
Dieses Ausführungsbeispiel ist in den 11 und 12 gezeigt. 11 zeigt ein Schichtmaterial gemäß Ausführungsbeispiel 4 dieser Erfindung, und 12 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials von 11.
Wie in 11 gezeigt ist, umfaßt das Schichtmaterial (40) eine Metallage (41) und eine Keramiklage (42), worin diese Lagen zusammen so gestapelt sind, daß die Metallage (41) oberhalb der Keramiklage (42) angeordnet ist und die Metallage (41) wird an die Keramiklage (42) durch Spark-Plasmasintern gebunden.
Die obere und die untere Fläche des Schichtmaterials (40) (d. h. die obere Oberfläche der Metallage (2) und die untere Oberfläche der Keramiklage (42)) hat eine Flachheit von 100 μm oder weniger.
Die Metallage (42) und die Keramiklage (42) werden jeweils aus den gleichen Materialien wie die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) des Schichtmaterials (1) gemäß Ausführungsbeispiel 1 gebildet. Beim Ausführungsbeispiel 3 muß die Schmelztemperatur der Metallage (41) nicht berücksichtigt werden.
Beim Schichtmaterial (40) gemäß Ausführungsbeispiel 4 kann eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche der Metallage (41) auf der Seite gebunden werden, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage gebunden ist.
Obwohl nicht erläutert, wird das Schichtmaterial (40) zur Erzeugung einer Energiemodulbasis wie unten beschrieben verwendet.
Die Metallage (41) wird einem Ätzen unterworfen, um hierdurch einen Schaltkreis zu bilden und die Metallage (41) wird als Leitungsschicht verwendet. Getrennt wird ein Wärmeabstrahlmaterial (z. B. Wärmeableiter), gebildet aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung, ebenso wie ein Streßrelaxationsteil, das aus einem sehr thermisch leitenden Material wie Al, Al-Legierung, Cu oder Cu-Legierung gebildet ist und einen Streß-Absorptionsraum hat, vorgesehen. Das Streßrelaxationsteil wird beispielsweise aus einer Al- oder Al-Legierungs-Lage mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern gebildet, die jeweils als Streß-Absorptionsraum dienen.
Das Schichtmaterial (40) wird auf das Wärmeabstrahlmaterial über das Streßrelaxationsteil angeordnet, und das Löten zwischen der Keramiklage (42) und dem Streßrelaxationsteil wird gleichzeitig mit dem Löten zwischen dem Streßrelaxationsteil und dem Wärmeableitmaterial durchgeführt. Somit wird eine Energiemodulbasis erzeugt.
Das Wärmeableitmaterial kann aus einer oberen Hohlwand mit einem Kühlfluid-Weg darin gebildet werden. Das Kühlfluid kann flüssig oder gasförmig sein. Das Wärmeableitmaterial kann aus einem Wärmeabstrahlsubstrat mit einer Wärmabstrahldelle auf der Oberfläche, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an das Streßrelaxationsteil gebunden ist, gebildet sein.
Eine Energievorrichtung wird auf die Metallage (41) des Schichtmaterials (40) der Energiemodulbasis durch Löten befestigt, unter Erzeugung eines Energiemoduls. Bei dem Energiemodul wird Wärme, erzeugt von der Energievorrichtung, zum Wärmeabstrahlmaterial über die Metallage (41), die Keramiklage (42) und das Streßrelaxationsteil transferiert, und die somit transferierte Wärme wird von dem Wärmeabstrahlmaterial abgestrahlt. Selbst wenn thermische Beanspruchung in der Energiemodulbasis durch Krümmung des Wärmeabstrahlmaterials in Richtung zur Keramiklage (42) auftritt, die dem Unterschied des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen der Keramiklage (42), des Schichtmaterials (40) und dem Wärmeabstrahlmaterial zuzuschreiben ist, wird, weil die thermische Beanspruchung durch die Wirkung des Streßrelaxationsteils reduziert wird, ein Reißen in der Keramiklage (42) oder das Auftreten von Krümmungen in der Bindeoberfläche zwischen dem Wärmeabstrahlmaterial und der Keramiklage (42) verhindert.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Erzeugung des Schichtmaterials (40) unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
Zunächst werden eine Metallage (41) und eine Keramiklage (42) vorgesehen, die jeweils aus den gleichen Materialien wie die obere und die untere Metallage (2) und (3) und die Keramiklage (4) gebildet sind, die zur Erzeugung des Schichtmaterials (1) gemäß Ausführungsbeispiel 1 verwendet werden.
Anschließend werden die Metallage (41) und die Keramiklage (42) gestapelt und in einer elektrisch leitenden Graphit-Sinterdüse (45) einer Spark-Plasmasinteranlage angeordnet, so daß die Metallage (41) oberhalb der Keramiklage (42) angeordnet wird. Die vertikale Höhe der Düse (45) ist größer als die Dicke der Keramiklage (42) und kleiner als die Gesamtdicke der Metallage (41) und der Keramiklage (42). Ein Bereich der Metallage (41) erstreckt sich aufwärts von der Düse (45). Dann werde Elektroden (13) und (14) auf der oberen bzw. unteren Seite des gestapelten Produktes aus der Metallage (41) und der Keramiklage (42) angeordnet, und die Elektroden (13) und (14) werden mit der Metallage (41) bzw. der Keramiklage (42) in Kontakt gebracht. In diesem Zustand wird die elektrische Leitung zwischen den Elektroden (13) und (14) mit Hilfe der Metallage (41) und der Düse (45) sichergestellt.
Anschließend wird in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) oder einer Inertgasatmosphäre (z. B. Stickstoff oder Argon) Druck auf die obere und die untere Seite des gestapelten Produktes der Metallage (41) und der Keramiklage (42) mit Hilfe der oberen und unteren Elektroden (13) und (14) auferlegt, während ein Pulsstrom zwischen die Elektroden (13) und (14) auferlegt wird, um hierdurch das gestapelte Produkt auf eine Temperatur zu erwärmen, die um 10 bis 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage (41). Das gestapelte Produkt wird bei der Temperatur für eine spezifische Zeitperiode aufrechterhalten, um hierdurch die Metallage (41) an die Keramiklage (42) zu binden. Somit wird das Schichtmaterial (40) erzeugt.
Die Bedingungen zum Binden der Metallage (41) an die Keramiklage (42) durch das oben genannte Verfahren variieren mit der Art der Materialien der Metallage (41) und der Keramiklage (42) oder den Dimensionen der Lagen. Beispielsweise sind die Bindebedingungen wie folgt: zu erlegender Pulsstrom: 1000 bis 30000 A, Druck: 10 bis 100 MPa und Retentionszeit bei der Bindetemperatur: 1 bis 30 min.
Bei den erwähnten Ausführungsbeispielen 2 bis 4 wird darin ausgegangen, daß der Mechanismus, durch den die Metallagen und die Keramiklage aneinander gebunden werden, gleich ist wie beim Ausführungsbeispiel 1.
Das Schichtmaterial dieser Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben. Die Schichtmaterialien der unten beschriebenen Beispiele entsprechen dem Schichtmaterial gemäß Ausführungsbeispiel 1.
Beispiele 1 bis 7 und Vergleichsbeispiele 1 und 2
Bei den Beispielen 1 bis 7 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden Metallagen und eine Keramiklage durch Spark-Plasmasintern bei unterschiedlichen Wärmetemperaturen gebunden.
Zwei Metallagen (2) und (3), die jeweils aus Al (Reinheit: 99,9 Gew.%) gebildet sind und eine Länge von 34 mm, eine Breite von 28 mm und eine Dicke von 1,0 mm haben, ebenso wie eine Keramiklage (4), gebildet aus AlN (umfassend Y₂O₃ in einer Menge von etwa 5 Gew.%) mit einer Länge von 34 mm, einer Breite von 28 mm und einer Dicke von 0,635 mm wurden vorgesehen. Die Oberflächen der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) wurden einer Entfettungsbehandlung mit einem organischen Lösungsmittel unterworfen. Die Behandlung zur Entfernung des Oxidfilms wurden nicht durchgeführt. Beide Oberflächen einer jeden Metallage (2) und (3) haben eine Oberflächenrauhigkeit von 0,3 μm, und beide Oberflächen der Keramiklage haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,8 μm.
Anschließend wurden die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) gestapelt und in einer Sinterdüse (10) wie in 2 gezeigt, angeordnet, so daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2) und (3) angeordnet wurde. Graphitstempel (11) und (12) wurden auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage in der Düse (10) angeordnet, und Elektroden (13) und (14) wurden mit der oberen Oberfläche des oberen Stempels (11) und der unteren Oberfläche des unteren Stempels (12) in Kontakt gebracht.
Dann wurde in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) ein Druck von 20 MPa auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe der oberen und der unteren Stempel (11) und (12) auferlegt, während ein Pulsstrom (maximal: 2000 A) zwischen die Elektroden (13) und (14) auferlegt wurde, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) auf eine Temperatur, die in Tabelle 1 gezeigt ist, über 5 Minuten zu erwärmen. Das gestapelte Produkt wurde bei der Temperatur 5 Minuten gehalten, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) zu binden. Danach wurde die Auferlegung von Strom zwischen den Elektroden (13) und (14) gestoppt, mit anschließendem Kühlen, um hierdurch ein Schichtmaterial (1) mit einer Dreischichtstruktur zu bilden.
Bei den Beispielen 1 bis 7 wurde ein Schmelzen der Metallagen (2) und (3) in dem somit erzeugten Schichtmaterial (1) nicht beobachtet, und es wurde festgestellt, daß die Metallagen vollständig an die Keramiklage (4) gebunden waren. Im Gegensatz dazu war bei Vergleichsbeispiel 1 die Bindefläche zwischen den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) klein, und die Metallagen (2) und (3) wurden leicht von der Keramiklage (4) entfernt.

Tabelle 1 zeigt die Wärmetemperaturen und die Bindezustände. [Tabelle 1]

		Wärmetemperatur	Bindezustand	Bemerkung
Vergleichsbeispiel 1		500	X	kleine Bindefläche
Beispiel	1	510	o
	2	520	o
	3	550	o
	4	580	o
	5	600	o
	6	620	o
	7	650	o
Vergleichsbeispiel 2		660	X	Schmelzen der Metallagen

Beispiel 8
Bei Beispiel 8 wurde das Schichtmaterial (1) gemäß Ausführungsbeispiel (1) erzeugt.
Es wurden zwei Metallagen (2) und (3), die jeweils aus Al (Reinheit: 99,99 Gew.%) gebildet waren und eine Länge von 34 mm, eine Breite von 28 mm und eine Dicke von 0,6 mm aufwiesen, ebenso wie eine AlN-Keramiklage (4) mit einer Länge von 34 mm, einer Breite von 28 mm und einer Dicke von 0,635 mm vorgesehen. Die Oberflächen der Metallage (2) und (3) und der Keramiklage (4) wurden einer Entfettungsbehandlung mit einem organischen Lösungsmittel unterworfen. Die Behandlung zur Entfernung des Oxidfilmes wurde nicht durchgeführt. Beide Oberflächen einer jeden Metallage (2) und (3) haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,3 μm, und beide Oberflächen der Keramiklage (4) haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,8 μm.
Anschließend wurden die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) gestapelt und in einer Sinterdüse (10), wie in 2 gezeigt, angeordnet, so daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2) und (3) angeordnet wurde. Graphitstempel (11) und (12) wurden auf die obere und die untere Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) in der Düse (10) angeordnet, und Elektroden (13) und (14) wurden mit der oberen Oberfläche des oberen Stempels (11) und der unteren Oberfläche des unteren Stempels (12) in Kontakt gebracht.
Dann wurde in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) ein Druck von 20 MPa auf die obere und die untere Seite des gestapelten Produktes aus den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe des oberen und unteren Stempels (11) und (12) auferlegt, während ein Pulsstrom (Maximum: 1500 A) zwischen die Elektroden (13) und (14) auferlegt wurde, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) über 15 Minuten auf 575°C zu erwärmen. Das gestapelte Produkt wurde 5 Minuten bei 575°C gehalten, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) an die Keramiklage (4) zu binden. Die Erwärmungstemperatur von 575°C zum Binden entspricht einer Temperatur, die in einen Bereich fällt, der um 10 bis 150°C niedriger ist als der Schmelzpunkt (660°C) von Al (Reinheit: 99,99 Gew.%), das die Metallagen (2) und (3) bildet. Danach wurde die Auferlegung von Strom zwischen den Elektroden (13) und (14) gestoppt, mit anschließendem Kühlen, um hierdurch das Schichtmaterial (1) mit einer Dreischichtstruktur zu bilden.
Die Flachheit von beiden Oberflächen des somit erzeugten Schichtmaterials (1) wurde gemessen und war 44 μm. Ein Querschnitt des somit erzeugten Schichtmaterials (1) wurde beobachtet, unter Bestätigung des Bindezustandes zwischen den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4). Keine Mängel wurden an den Bindegrenzflächen beobachtet; d. h. ein vorteilhaftes Binden wurde zwischen diesen Lagen erzielt.
Beispiel 9
Die Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Auferlegung eines Pulsstroms zwischen den Elektroden (13) und (14) in einer Inertgasatmosphäre (Stickstoff) durchgeführt wurde, um hierdurch das Schichtmaterial (1) mit einer Dreischichtstruktur zu bilden.
Die Flachheit beider Oberflächen des somit erzeugten Schichtmaterials (1) wurde gemessen und war 53 μm. Der Querschnitt des somit erzeugten Schichtmaterials (1) wurde beobachtet, unter Bestätigung des Bindezustandes zwischen den Metallagen und der Keramiklage. Keine Mängel wurden an den Bindezwischenflächen beobachtet; d. h. ein vorteilhaftes Binden wurde zwischen diesen Lagen erzielt.
Vergleichsbeispiel 3
Auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 (mit der Ausnahme, daß eine elektrisch leitende Graphit-Sinterdüse einer Spark-Plasmasinteranlage nicht verwendet wurde, wie in 13 gezeigt ist) wurden zwei Metallagen (2) und (3) und eine Keramiklage (4) zusammen gestapelt; Graphitstempel (11) und (12) wurden auf die obere und die untere Seite des gestapelten Produktes aus den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) angeordnete und Elektroden (13) und (14) wurden mit der oberen Oberfläche des oberen Stempels (11) und der unteren Oberfläche des unteren Stempels (12) in elektrischen Kontakt gebracht.
Anschließend wurde in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) ein Druck von 20 MPa auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe des oberen und des unteren Stempels (11) und (12) auferlegt, während eine Spannung zwischen den Elektroden (13) und (14) auferlegt wurde.
Kein Strom floß zwischen den Elektroden (13) und (14), und somit wurde die Temperatur des gestapelten Produktes nicht erhöht. Daher waren die Metallagen (2) und (3) nicht an die Keramiklage (4) gebunden.
Vergleichsbeispiel 4
Eine AlN-Keramiklage (50) mit einer Länge von 34 mm, einer Breite von 28 mm und einer Dicke von 0,635 mm wurde vorgesehen. Die Oberflächen der Keramiklage (50) wurden einer Entfettungsbehandlung mit einem organischen Lösungsmittel unterworfen. Beide Oberflächen der Keramiklage haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,8 μm.
Zusätzlich wurde Al-Pulver (Reinheit: 99 Gew.%) mit einer mittleren Teilchengröße von 100 μm vorgesehen.
Wie in 14 gezeigt ist, wurde anschließend die Keramiklage (50) in einer Graphit-Sinterdüse (10) angeordnet, und das Al-Pulver (51) wurde auf die obere und die untere Oberfläche der Keramiklage (50) in der Düse (10) angeordnet. Dann wurden Graphitstempel (11) und (12) auf die obere und untere Seite des Produktes aus der Keramiklage (50) und dem Al-Pulver (51) in der Düse (10) angeordnet und Elektroden (13) und (14) wurden mit der oberen Oberfläche des oberen Stempels (11) und der unteren Oberfläche des unteren Stempels (12) in elektrischen Kontakt gebracht.
Anschließend wurde in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) ein Druck von 20 MPa auf die obere und die untere Seite des Produktes aus der Keramiklage (50) und dem Al-Pulver (51) mit Hilfe des oberen und unteren Stempels (11) und (12) auferlegt, während ein Pulsstrom (Maximum: 2000 A) zwischen den Elektroden (13) und (14) auferlegt wurde, um hierdurch die Keramiklage (50) und das Al-Pulver (51) auf 550°C über 15 Minuten zu erwärmen, mit anschließender Retention bei 550°C für 5 min. Somit wurde das Al-Pulver (51) zu einem Kompakt durch Spark-Plasmasintern gesintert und der Sinterkompakt wurde an beide Oberflächen der Keramiklage (50) gebunden. Danach wurde die Auferlegung von Strom zwischen den Elektroden (13) und (14) gestoppt, mit anschließendem Kühlen, um hierdurch ein Schichtmaterial mit einer Dreischichtstruktur zu bilden.
Die Flachheit von beiden Oberflächen des somit erzeugten Schichtmaterials wurde gemessen und war 123 μm, was ein solcher Wert ist, daß ein Schlichteverfahren (z. B. Polieren) erforderlich ist. Die Schüttdichte des somit erzeugten Schichtmaterials war 99,0% der wahren Dichte davon. Das Schichtmaterial entfaltete eine schwache Qualität aufgrund der hohen Porosität des Sinterkompaktes und des Vorhandenseins von Mängeln darin.
Beispiel 10
Bei Beispiel 10 wurde das Schichtmaterial (1) gemäß Ausführungsbeispiel 1 erzeugt.
Es wurde eine Metallage (2), gebildet aus Al (Reinheit: 99,9 Gew.%) und mit einer Länge von 34 mm, einer Breite von 28 mm und einer Dicke von 0,6 mm, eine Metallage (3), gebildet aus einer Al-Si-Legierung (Si-Gehalt: 10 Gew.%, Mengen an Al und unvermeidbaren Verunreinigungen: Rest) und mit einer Länge von 34 mm, einer Breite von 28 mm und einer Dicke von 1,0 mm und eine Keramiklage (4), gebildet aus AlN (umfassend Y₂O₃ in einer Menge von etwa 5 Gew.%) und mit einer Länge von 34 mm, einer Breite von 28 mm und einer Dicke von 0,635 mm zur Verfügung gestellt. Die Oberflächen der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) wurden einer Entfettungsbehandlung mit einem organischen Lösungsmittel unterworfen. Die Behandlung zur Entfernung des Oxidfilmes wurde nicht durchgeführt. Beide Oberflächen einer jeden Metallage (2) und (3) haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,3 μm, und beide Oberflächen der Keramiklage (4) haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,8 μm.
Anschließend wurden die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) gestapelt und in einer Sinterdüse (10) wie in 2 gezeigt angeordnet, so daß die Keramiklage (4) zwischen den Metallagen (2) und (3) angeordnet war. Graphitstempel (11) und (12) wurden auf der oberen und unteren Seite des gestapelten Produktes der Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) in der Düse (10) angeordnet, und Elektroden (13) und (14) wurden mit der oberen Oberfläche des oberen Stempels (11) bzw. der Bodenoberfläche des unteren Stempels (12) in Kontakt gebracht.
Dann wurde in einer Vakuumatmosphäre (1 bis 10 Pa) ein Druck von 20 MPa auf die obere und untere Seite des gestapelten Produktes aus den Metallagen (2) und (3) und der Keramiklage (4) mit Hilfe der oberen und unteren Stempel (11) und (12) auferlegt, während ein Pulsstrom (Maximum: 2000 A) zwischen den Elektroden (13) und (14) auferlegt wurde, um hierdurch die Metallagen (2) und (3) und die Keramiklage (4) über 10 Minuten auf 540°C zu erwärmen. Das gestapelte Produkt wurde 3 Minuten bei 540°C gehalten, um die Metallagen (2) und (3) mit der Keramiklage (4) zu binden. Die Erwärmungstemperatur von 540°C zum Binden entspricht einer Temperatur zwischen 510°C, die um 150°C niedriger ist als der Schmelzpunkt (660°C) von Al (Reinheit: 99,9 Gew.%), das die Metallage (2) bildet, und 567°C, die um 10°C niedriger ist als der Schmelzpunkt (577°C) der Al-Si-Legierung, die die Metallage (3) bildet. Danach wurde die Auferlegung von Strom zwischen den Elektroden (13) und (14) gestoppt, mit anschließendem Kühlen, unter Erzeugung des Schichtmaterials (1) mit einer Dreischichtstruktur.
Ein Querschnitt des Somit erzeugten Schichtmaterials (1) wurde beobachtet, zur Bestätigung des Zustandes der Bindegrenzflächen.
Die Ergebnisse sind in den 15 bis 17 gezeigt. Wie aufgrund der 15 bis 17 ersichtlich ist, wird die Al-Metallage zuverlässig an die Keramiklage gebunden, und die Al-Si-Legierung-Metallage wird ebenfalls zuverlässig an die Keramiklage gebunden.
Industrielle Abwendbarkeit
Das Schichtmaterial dieser Erfindung wird geeignet zum Kühlen einer Halbleitervorrichtung wie einer Energievorrichtung verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/119438 [0007]

Claims

Schichtmaterial, umfassend eine Vielzahl von Metallagen und zumindest eine Keramiklage, worin die Metallagen und die Keramiklage so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist; die Keramiklage an die benachbarten Metallagen durch Spark-Plasmasintern gebunden ist; und der Unterschied bei der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen, die der Keramiklage benachbart sind, 140°C oder weniger ist.
Schichtmaterial gemäß Anspruch 1, worin zwei Metallagen und eine Keramiklage so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage zwischen den beiden Metallagen angeordnet ist und der Unterschied zwischen der Schmelztemperatur von einer der Metallagen und der der anderen Metallage 140°C oder weniger ist.
Schichtmaterial gemäß Anspruch 2, worin eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche von zumindest einer der beiden Metallagen an der Seite, die der Oberfläche gegenüberliegt, die an die Keramiklage gebunden ist, gebunden ist.
Schichtmaterial, umfassend eine Metallage und eine oder zwei Keramiklagen, worin die Metallage und die Keramiklage(n) so zusammengestapelt sind, daß die Metallage der/den Keramiklagen benachbart ist und die Metallage an die benachbarten Keramiklagen durch Spark-Plasmasintern gebunden ist.
Schichtmaterial gemäß Anspruch 4, das aus einer Metallage und einer Keramiklage gebildet ist, worin eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, gestapelt und durch Spark-Plasmasintern an die Oberfläche der Metallage auf der Seite gebunden ist, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage gebunden ist.
Schichtmaterial gemäß Anspruch 1 oder 4, worin die Metallage(n) aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, Ni, Ti, einer Al-Legierung, Cu-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung und einer Ti-Legierung gebildet sind.
Schichtmaterial gemäß Anspruch 1 oder 4, worin die Keramiklagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO.
Schichtmaterial gemäß Anspruch 1 oder 4, worin die obere als auch die untere Oberfläche eine Flachheit von 100 μm oder weniger haben.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 1, wobei das Schichtmaterial eine Vielzahl von Metallagen und zumindest eine Keramiklage umfaßt, worin die Metallagen und die Keramiklage so zusammengestapelt sind, daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist, und die Keramiklage an die benachbarten Metallagen durch Spark-Plasmasintern gebunden sind, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Stapeln einer Vielzahl von Metallagen und zumindest einer Keramiklage miteinander, so daß die Keramiklage zu jeder der Metallagen benachbart ist, wobei der Unterschied bei der Schmelztemperatur zwischen den Metallagen, die der Keramiklage benachbart ist, 140°C oder weniger ist; Anordnen des gestapelten Produkts aus den Metallagen und der Keramiklage zwischen ein Paar von Elektroden zum Spark-Plasmasintern; und Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden, während eine elektrische Leitung zwischen den Elektroden sichergestellt wird, um hierdurch die Keramiklage an die Metallagen, die hierzu benachbart sind, zu binden.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9, worin die Bindung der Keramiklage an die Metallagen, die dazu benachbart sind, durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden unter Sicherstellung der elektrischen Leitung zwischen den Elektroden durch Erwärmen bei einer Temperatur zwischen der Temperatur, die um 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit höchster Schmelztemperatur aus den Metallagen, deren Unterschied bei der Schmelztemperatur 140°C oder weniger ist, und der Temperatur, die um 10°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage mit der niedrigsten Schmelztemperatur aus den Metallagen.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 10, worin zwei Metallagen, deren Unterschied bei der Schmelztemperatur 140°C oder weniger ist, auf beide Oberflächen einer Keramiklage gestapelt werden, so daß die Keramiklage einer jeden Metallage benachbart ist; worin zumindest eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, auf der Oberfläche von zumindest einer der beiden Metallagen auf der Seite gestapelt wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit der Keramiklage in Kontakt steht; und die zwei Metallagen an beide Oberflächen der Keramiklage gebunden werden, während die zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, an die Oberfläche von zumindest einer der beiden Metallagen auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegenliegt, die an die Keramiklage gebunden ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 4, worin das Schichtmaterial eine Metallage und eine oder zwei Keramiklagen umfaßt, worin die Metallage und die Keramiklage(n) zusammen so gestapelt sind, daß die Metallage der Keramiklage(n) benachbart ist, und die Metallage an die benachbarten Keramiklagen durch Spark-Plasmasintern gebunden ist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Stapeln einer Metallage und einer oder zwei Keramiklagen miteinander, so daß die Metallage zu der Keramiklage benachbart ist; Anordnen des gestapelten Produktes aus der Metallage und den Keramiklagen zwischen ein Paar von Elektroden zum Spark-Plasmasintern; und Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden, unter Sicherstellung der elektrischen Leitung zwischen den Elektroden, um hierdurch die Metallage an die Keramiklagen, die hierzu benachbart sind, zu binden.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 12, worin die Bindung der Metallage an die Keramiklage durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden durch Erwärmen bei einer Temperatur, die um 10 bis 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur der Metallage, durchgeführt wird.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 13, worin eine Metallage auf eine Oberfläche einer Keramiklage gestapelt wird; eine zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, auf der Oberfläche der Metallage auf der Seite gestapelt wird, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit der Keramiklage in Kontakt steht; und die Metallage an eine Oberfläche der Keramiklage gebunden wird, während die zusätzliche Metallage aus einem Material, das bei der Erwärmungstemperatur während des Spark-Plasmasinterns nicht schmilzt, an die Oberfläche der Metallage auf der Seite gebunden wird, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, die an die Keramiklage gebunden ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9 oder 12, worin die Metallagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ag, Au, Ni, Ti, einer Al-Legierung, einer Cu-Legierung, einer Ag-Legierung, einer Au-Legierung, einer Ni-Legierung und einer Ti-Legierung.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9 oder 12, worin die Keramiklagen aus einem Material gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, Y₂O₃, CaO, BN und BeO.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9 oder 12, worin die arithmetische Mitteloberflächenrauhigkeit (Ra) der Metallagen 1,0 μm oder weniger ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9 oder 12, worin die arithmetische Mitteloberflächenrauhigkeit (Ra) der Keramiklagen 1,5 μm oder weniger ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9 oder 12, worin die Bindung zwischen den Metallagen und den Keramiklagen durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden durch Auferlegung eines Drucks von 10 bis 100 MPa auf beide Seiten des gestapelten Produktes aus den Metallagen und den Keramiklagen in einer Stapelrichtung durchgeführt wird.
Verfahren zur Erzeugung eines Schichtmaterials gemäß Anspruch 9 oder 12, worin die Bindung zwischen den Metallagen und den Keramiklagen durch Auferlegung eines Pulsstromes zwischen den Elektroden in einer Inertgas- oder Vakuumatmosphäre durchgeführt wird.