DE112021004161T5

DE112021004161T5 - Kompositmaterial, Wärmeverteiler und Halbleitergehäuse

Info

Publication number: DE112021004161T5
Application number: DE112021004161.4T
Authority: DE
Inventors: Toru Maeda; Miki Miyanaga; Daisuke Kondo; Masayuki Ito; Shin-ichi Yamagata
Original assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2023-06-22
Also published as: CN116157258A; KR20230043122A; US20230352363A1; JPWO2022030197A1; WO2022030197A1

Abstract

Ein Kompositmaterial enthält eine Vielzahl von ersten Schichten und eine Vielzahl von zweiten Schichten. Die Gesamtzahl der ersten und zweiten Schichten beträgt 5 oder mehr. Die ersten und zweiten Schichten sind abwechselnd in der Dickenrichtung des Kompositmaterials gestapelt, so dass eine erste Schicht jeweils an der ersten und zweiten Oberfläche angeordnet ist. Die ersten Schichten sind aus einem Metallmaterial gebildet, das Kupfer als Hauptkomponente enthält. Die zweite Schicht enthält eine Molybdänplatte und einen Kupferfüllstoff. Die Molybdänplatte hat erste und zweite Flächen, die jeweils eine Endfläche in Dickenrichtung sind, und eine Vielzahl von Öffnungen, die sich durch die Molybdänplatte von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstrecken. Der Kupferfüllstoff ist innerhalb der Öffnungen angeordnet. Die Dicke der ersten Schicht, die sich an der ersten Oberfläche befindet, beträgt 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger der Dicke des Kompositmaterials. Die Dicke der zweiten Schicht, die an der ersten Schicht, die sich an der ersten Oberfläche befindet, anliegt, beträgt 0,05 mm oder mehr und 35 % oder weniger der Dicke des Kompositmaterials.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Kompositmaterial, einen Wärmeverteiler und ein Halbleitergehäuse. Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 6. August 2020 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-133776 . Die Offenbarung dieser japanischen Patentanmeldung ist hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten.
STAND DER TECHNIK
PTL 1 (Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2018-18976) offenbart ein Wärmeableitungssubstrat. Das in PTL 1 offenbarte Wärmeableitungssubstrat enthält eine Kernbasis, ein erstes wärmeleitendes Element und ein zweites wärmeleitendes Element. Die Kernbasis ist aus Molybdän (Mo) gebildet. Das erste wärmeleitende Element und das zweite wärmeleitende Element sind aus Kupfer (Cu) gebildet. Die Kernbasis hat eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche. Das erste wärmeleitende Element und das zweite wärmeleitende Element sind jeweils auf der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet.
Die Kernbasis hat eine Öffnung, die sich durch die Kernbasis in der Richtung von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt. Ein Einsatzelement ist im Inneren der Öffnung angeordnet. Das Einsatzelement ist aus Kupfer gebildet.
LISTE DER ZITIERTEN DOKUMENTE
PATENTLITERATUR
PTL 1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2018-18976
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Kompositmaterial der vorliegenden Offenbarung ist in einer Plattenform und weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die eine gegenüberliegende Oberfläche zu der ersten Oberfläche ist. Das Kompositmaterial enthält eine Vielzahl von ersten Schichten und eine Vielzahl von zweiten Schichten. Die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schichten beträgt 5 oder mehr. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten sind abwechselnd in Dickenrichtung des Kompositmaterials gestapelt, so dass sich eine erste Schicht an jeweils der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche befindet. Die ersten Schichten sind aus einem Metallmaterial gebildet, das Kupfer als Hauptkomponente enthält. Die zweiten Schichten enthalten eine Molybdänplatte und einen Kupferfüllstoff. Die Molybdänplatte hat eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die jeweils eine Endfläche in Dickenrichtung sind, und eine Vielzahl von Öffnungen, die sich durch die Molybdänplatte von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstrecken. Der Kupferfüllstoff ist innerhalb der Öffnungen angeordnet. Die Dicke der ersten Schicht, die sich an der ersten Oberfläche befindet, beträgt 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger einer Dicke des Kompositmaterials. Die Dicke der zweiten Schicht, die an die erste Schicht, die sich an der ersten Oberfläche befindet, angrenzt, beträgt 0,05 mm oder mehr und 35 Prozent oder weniger der Dicke des Kompositmaterials. Die Anzahl der Öffnungen beträgt 2 oder mehr und 12 oder weniger pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche. Das Verhältnis zwischen dem Mittelwert des Maximalwertes des äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen und der Dicke der zweiten Schicht beträgt 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kompositmaterials 10.
2 ist eine Schnittansicht des Kompositmaterials 10.
3 ist eine Draufsicht auf eine Molybdänplatte 13.
4A ist ein erstes illustratives Diagramm, das ein Verfahren zur Vorbereitung einer Messprobe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 darstellt.
4B ist ein zweites illustratives Diagramm, das das Verfahren zur Vorbereitung einer Messprobe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 darstellt.
4C ist ein drittes illustratives Diagramm, das das Verfahren zur Vorbereitung einer Messprobe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 darstellt.
5 ist ein illustratives Diagramm, das ein Verfahren zur Bewertung der Wärmeableitungskapazität des Kompositmaterials 10 darstellt.
6 ist eine Schnittansicht des Kompositmaterials 10 gemäß einer ersten Modifikation.
7 ist eine Schnittansicht des Kompositmaterials 10 gemäß einer zweiten Modifikation.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung von Kompositmaterial 10 zeigt.
9 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Halbleitergehäuses 100.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[Durch die vorliegende Offenbarung zu lösendes Problem]
Das in PTL 1 offenbarte Wärmeableitungssubstrat weist Verbesserungsmöglichkeiten auf, um sowohl einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine hohe Wärmeableitungskapazität zu erreichen.
Die vorliegende Offenbarung wird im Hinblick auf das oben beschriebene Problem des Standes derTechnik vorgenommen. Genauer gesagt, stellt die vorliegende Offenbarung ein Kompositmaterial bereit, das in der Lage ist, sowohl einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine hohe Wärmeableitungskapazität zu erreichen.
[Vorteilhafter Effekt der vorliegenden Offenbarung]
Das Kompositmaterial der vorliegenden Offenbarung ermöglicht es, sowohl einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine hohe Wärmeableitungskapazität zu erreichen.
[Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
Zunächst werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nacheinander beschrieben.
(1) Ein Kompositmaterial gemäß einer Ausführungsform ist in einer Plattenform und weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die eine gegenüberliegende Oberfläche zu der ersten Oberfläche ist. Das Kompositmaterial enthält eine Vielzahl von ersten Schichten und eine Vielzahl von zweiten Schichten. Die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schichten beträgt 5 oder mehr. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten sind abwechselnd in Dickenrichtung des Kompositmaterials gestapelt, so dass sich eine erste Schicht jeweils an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche befindet. Die ersten Schichten sind aus einem Metallmaterial gebildet, das Kupfer als Hauptkomponente enthält. Die zweiten Schichten enthalten eine Molybdänplatte und einen Kupferfüllstoff. Die Molybdänplatte hat eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die jeweils eine Endfläche in Dickenrichtung sind, und eine Vielzahl von Öffnungen, die sich durch die Molybdänplatte von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstrecken. Der Kupferfüllstoff ist innerhalb der Öffnungen angeordnet. Die Dicke der ersten Schicht, die sich an der ersten Oberfläche befindet, beträgt 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger einer Dicke des Kompositmaterials. Die Dicke der zweiten Schicht, die an die erste Schicht, die sich an der ersten Oberfläche befindet, angrenzt, beträgt 0,05 mm oder mehr und 35 Prozent oder weniger der Dicke des Kompositmaterials. Die Anzahl der Öffnungen beträgt 2 oder mehr und 12 oder weniger pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche. Das Verhältnis zwischen dem Mittelwert des Maximalwertes des äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen und der Dicke der zweiten Schicht beträgt 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger.
Das Kompositmaterial von (1), wie oben spezifiziert, ermöglicht es, sowohl einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine hohe Wärmeableitungskapazität zu erreichen.
(2) Bei dem Kompositmaterial von (1), wie oben spezifiziert, kann das Verhältnis zwischen dem Mittelwert des Maximalwertes des äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen und der Dicke der zweiten Schicht 1,6 oder mehr und weniger als 5,0 betragen.
(3) Bei dem Kompositmaterial von (1) oder (2), wie oben spezifiziert, kann eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung bei Raumtemperatur 290 W/m·K oder mehr betragen. Ein linearer Ausdehnungskoeffizient in einer Intraschichtrichtung bzw. Richtung innerhalb der Schicht (engl. intra-layer direction) orthogonal zur Dickenrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, kann 9,0 ppm/K oder weniger betragen.
(4) Bei dem Kompositmaterial von (3), wie oben spezifiziert, kann eine Endtemperaturdifferenz 50°C oder weniger betragen.
(5) Bei dem Kompositmaterial von (1) oder (2), wie oben spezifiziert, kann die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung bei Raumtemperatur 300 W/m·K oder mehr betragen. Ein linearer Ausdehnungskoeffizient in einer Intraschichtrichtung orthogonal zur Dickenrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, kann 8,5 ppm/K oder weniger betragen.
(6) Bei dem Kompositmaterial von (5), wie oben spezifiziert, kann eine Endtemperaturdifferenz 40°C oder weniger betragen.
(7) Bei dem Kompositmaterial von (1) bis (6), wie oben spezifiziert, kann ein Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser der Öffnungen in der ersten Fläche und ein Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser der Öffnungen in der zweiten Fläche jeweils 0,05 mm oder mehr und 0,35 mm oder weniger betragen.
(8) Bei dem Kompositmaterial von (1) bis (7), wie oben spezifiziert, kann ein Mittelwert der jeweiligen minimalen Öffnungsflächen der Öffnung 57 Prozent oder mehr und 100 Prozent oder weniger betragen, relativ zu einem Mittelwert der jeweiligen maximalen Öffnungsflächen der Öffnungen.
(9) Bei dem Kompositmaterial von (1) bis (8), wie oben spezifiziert, kann die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schichten 9 oder weniger betragen.
(10) Ein Wärmeverteiler gemäß einer Ausführungsform enthält das Kompositmaterial von (1) bis (9) wie oben spezifiziert. Die erste Oberfläche des Kompositmaterials ist eine Kontaktfläche, die an einer Wärmeerzeugungsquelle anliegt.
(11) Ein Halbleitergehäuse gemäß einer Ausführungsform enthält das Kompositmaterial von (1) bis (9), wie oben spezifiziert, und ein Halbleiterbauelement, das auf der ersten Oberfläche des Kompositmaterials angeordnet ist.
(12) Das Halbleitergehäuse von (11), wie oben spezifiziert, kann ferner ein Gehäuseelement enthalten, das aus einem Keramikmaterial gebildet ist. Das Gehäuseelement ist auf der ersten Oberfläche angeordnet und umgibt das Halbleiterbauelement.
[Details der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung)
Nachfolgend werden Details der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine Beschreibung davon wird hierin nicht wiederholt.
(Konfiguration eines Kompositmaterials gemäß Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine Konfiguration eines Kompositmaterials gemäß einer Ausführungsform (im Folgenden als „Kompositmaterial 10“ bezeichnet) beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kompositmaterials 10. Wie in 1 gezeigt, hat das Kompositmaterial 10 eine plattenartige Form. Das Kompositmaterial 10 hat eine erste Oberfläche 10a und eine zweite Oberfläche 10b. Die erste Oberfläche 10a und die zweite Oberfläche 10b sind jeweils eine Endfläche in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10. Insbesondere ist die zweite Oberfläche 10b eine gegenüberliegende Oberfläche zu der ersten Oberfläche 10a in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10.
2 ist eine Schnittansicht des Kompositmaterials 10. Wie in 2 dargestellt, enthält das Kompositmaterial 10 eine Vielzahl von ersten Schichten 11 und eine Vielzahl von zweiten Schichten 12. In dem in 2 gezeigten Beispiel beträgt die Anzahl der ersten Schichten 11 vier und die Anzahl der zweiten Schichten 12 drei, so dass die Gesamtzahl der ersten Schichten 11 und zweiten Schichten 12 sieben beträgt.
Erste Schichten 11 und zweite Schichten 12 sind abwechselnd in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 gestapelt, so dass sich eine der ersten Schichten 11 an der ersten Oberfläche 10a und eine andere der ersten Schichten 11 an der zweiten Oberfläche 10b befindet. Zweite Schichten 12 sind zwischen den beiden ersten Schichten 11 in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 angeordnet. Die Dicke des Kompositmaterials 10 wird hierin als Dicke T1 bezeichnet.
Die ersten Schichten 11 sind aus einem Metallmaterial gebildet, das Kupfer als Hauptkomponente enthält. „Metallmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält“ bezieht sich hierin auf ein Metallmaterial mit einem Kupfergehalt von 50 Massenprozent oder mehr. Das Metallmaterial, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, ist vorzugsweise eine Kupferlegierung mit einem Kupfergehalt von 70 Massenprozent oder mehr. Die ersten Schichten 11 sind z. B. aus reinem Kupfer gebildet. Reines Kupfer bezieht sich auf ein Metallmaterial, das aus Kupfer und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, die den Rest bilden.
Unter den ersten Schichten 11 wird die erste Schicht, die sich an der ersten Oberfläche 10a befindet, hierin als erste Schicht 11a bezeichnet. Unter den ersten Schichten 11 wird die erste Schicht, die sich an der zweiten Oberfläche 10b befindet, hierin als erste Schicht 11b bezeichnet. Die Dicke der ersten Schicht 11 wird hierin als Dicke T2 bezeichnet. Die Dicke T2 der ersten Schicht 11a (erste Schicht 11b) beträgt 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger der Dicke T1.
Die zweite Schicht 12 enthält eine Molybdänplatte 13 und einen Kupferfüllstoff 14. Die Molybdänplatte 13 ist aus einem Metallmaterial gebildet, das Molybdän als Hauptkomponente enthält. „Metallmaterial, das Molybdän als Hauptkomponente enthält“ bezieht sich auf ein Metallmaterial mit einem Molybdängehalt von 50 Massenprozent oder mehr. Das Metallmaterial, das Molybdän als Hauptkomponente enthält, hat vorzugsweise einen Molybdängehalt von 70 Massenprozent oder mehr. Die Molybdänplatte 13 ist z. B. aus reinem Molybdän gebildet. Reines Molybdän bezieht sich auf ein Metallmaterial, das aus Molybdän und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, die den Rest bilden. Der Kupferfüllstoff 14 ist aus einem Metallmaterial gebildet, das Kupfer als Hauptkomponente enthält. Der Kupferfüllstoff 14 ist z. B. aus reinem Kupfer gebildet. Der Kupferfüllstoff 14 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet wie die ersten Schichten 11.
Die Molybdänplatte 13 ist ein plattenförmiger Körper. Die Molybdänplatte 13 hat eine erste Fläche 13a und eine zweite Fläche 13b. Die erste Fläche 13a und die zweite Fläche 13b sind jeweils eine Endfläche in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10. Insbesondere ist die zweite Fläche 13b eine gegenüberliegende Fläche zu der ersten Fläche 13a in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10.
Die Molybdänplatte 13 weist eine Vielzahl von Öffnungen 13c auf. Die Öffnungen 13c erstrecken sich jeweils durch die Molybdänplatte 13 in der Richtung von der ersten Fläche 13a zur zweiten Fläche 13b. Die Anzahl der Öffnungen 13c pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b) (der Wert, der durch Teilen der Gesamtzahl der Öffnungen 13c durch die Fläche der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b) bestimmt wird) beträgt 2 oder mehr und 12 oder weniger. Der Kupferfüllstoff 14 ist innerhalb der Öffnungen 13c angeordnet.
Unterden zweiten Schichten 12 wird die zweite Schicht, die an der ersten Schicht 11a anliegt, hierin als zweite Schicht 12a bezeichnet. Unter den zweiten Schichten 12 wird die zweite Schicht, die an der ersten Schicht 11b anliegt, hierin als zweite Schicht 12b bezeichnet. Die Dicke der zweiten Schicht 12 wird hierin als Dicke T3 bezeichnet. Die Dicke T3 der zweiten Schicht 12a (zweiten Schicht 12b) beträgt 0,05 mm oder mehr und 35 Prozent oder weniger der Dicke T1.
3 ist eine Draufsicht auf die Molybdänplatte 13. Wie in 3 gezeigt, haben die Öffnungen 13c in der Draufsicht jeweils eine Kreisform. Die Form jeder Öffnung 13c in der Draufsicht ist jedoch nicht auf die Kreisform beschränkt. Die Öffnungen 13c können z. B. eine elliptische Form, eine polygonale Form oder eine andere Form haben. Der äquivalente Kreisdurchmesser jeder Öffnung 13c in der Draufsicht wird hierin als Öffnungsdurchmesser D bezeichnet. Der Öffnungsdurchmesser D wird durch Berechnen der Quadratwurzel des Wertes ermittelt, der sich aus der Teilung der Fläche der Öffnung 13c in der Draufsicht durch π/4 ergibt.
Der Öffnungsdurchmesser D ist über den gesamten Bereich zwischen der ersten Fläche 13a und der zweiten Fläche 13b konstant. Der Öffnungsdurchmesser D kann zwischen der ersten Fläche 13a und der zweiten Fläche 13b variieren und kann daher zwischen der ersten Fläche 13a und der zweiten Fläche 13b nicht konstant sein. Wenn der Öffnungsdurchmesser D zwischen der ersten Fläche 13a und der zweiten Fläche 13b variiert, kann dieser Öffnungsdurchmesser D von einer der ersten Fläche 13a und der zweiten Fläche 13b in Richtung der anderen der ersten Fläche 13a und der zweiten Fläche 13b abnehmen. In einer bestimmten Öffnung wird der Maximalwert des Öffnungsdurchmessers D in der Dickenrichtung hierin als Öffnungsdurchmesser D_max bezeichnet.
Der Mittelwert des Öffnungsdurchmessers D_max (der Wert, der durch Teilen der Summe der jeweiligen Öffnungsdurchmesser D_max aller Öffnungen 13c durch die Gesamtzahl der Öffnungen 13c bestimmt wird) wird hierin als durchschnittlicher äquivalenter Kreisdurchmesser (engl. average equivalent circle diameter)definiert. Für eine zweite Schicht 12 beträgt der Wert, der durch Teilen des durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers durch die Dicke T3 bestimmt wird, d. h. das Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmesser und der Dicke T3, 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger. Das Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmesser und der Dicke T3 beträgt vorzugsweise 1,6 oder mehr und weniger als 5,0.
Vorzugsweise betragen der durchschnittliche Öffnungsdurchmesser D in der ersten Fläche 13a (der Wert, der durch Teilen der Summe der jeweiligen Öffnungsdurchmesser D aller Öffnungen 13c in der ersten Fläche 13a durch die Gesamtzahl der Öffnungen 13c bestimmt wird) und der durchschnittliche Öffnungsdurchmesser D in der zweiten Fläche 13b (der Wert, der durch Teilen der Summe der jeweiligen Öffnungsdurchmesser D aller Öffnungen 13c in der zweiten Fläche 13b durch die Gesamtzahl der Öffnungen 13c bestimmt wird) jeweils 0,05 mm oder mehr und 0,35 mm oder weniger.
Die Öffnungsfläche der Öffnung 13c wird in einer Ebene parallel zur ersten Fläche 13a gemessen. Der Minimalwert der Öffnungsfläche der Öffnung 13c, gemessen über den Bereich von der ersten Fläche 13a zur zweiten Fläche 13b in Dickenrichtung der Molybdänplatte 13, wird hierin als minimale Öffnungsfläche der Öffnung 13c bezeichnet. Der Maximalwert der Öffnungsfläche der Öffnung 13c, gemessen über den Bereich von der ersten Fläche 13a bis zur zweiten Fläche 13b in Dickenrichtung der Molybdänplatte 13, wird hierin als maximale Öffnungsfläche der Öffnung 13c bezeichnet. Weiter bevorzugt beträgt der Mittelwert der minimalen Öffnungsfläche der Öffnungen 13c (der Wert, der durch Teilen der Summe der jeweiligen minimalen Öffnungsflächen aller Öffnungen 13c durch die Gesamtzahl der Öffnungen 13c bestimmt wird) vorzugsweise 57 Prozent oder mehr und 100 Prozent oder weniger des Mittelwertes der maximalen Öffnungsfläche der Öffnungen 13c (der Wert, der durch Teilen der Summe der jeweiligen maximalen Öffnungsflächen aller Öffnungen 13c durch die Gesamtzahl der Öffnungen 13c bestimmt wird).
Die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 bei Raumtemperatur beträgt vorzugsweise 290 W/m·K oder mehr. Die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 bei Raumtemperatur beträgt vorzugsweise 300 W/m K oder mehr. „Raumtemperatur“ bezieht sich hierin auf 27°C.
Die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 wird mit Hilfe der Laser-Flash-Methode (eng. laser flash method) gemessen. Bei der Laser-Flash-Methode wird die Temperaturleitfähigkeit des Kompositmaterials 10 mit dem LFA 457 MicroFlash (hergestellt von NETZSCH) gemessen und die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 wird auf der Grundlage der Temperaturleitfähigkeit sowie des Volumens und der spezifischen Wärme der einzelnen Komponenten, aus denen das Kompositmaterial 10 gebildet ist, berechnet. Für die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit wird die spezifische Wärme der einzelnen Komponenten auf der Grundlage von „Metal Data Book 4th Edition“, The Japan Institute of Metals and Materials (Maruzen Publishing Co., Ltd., 2004) bestimmt. Vor der Messung der Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials 10 wird die Wärmeleitfähigkeit einer reinen Kupferprobe der gleichen Form unter den gleichen Bedingungen gemessen, und die gemessene Wärmeleitfähigkeit wird als Referenz zur Korrektur der gemessenen Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials verwendet.
4A ist ein erstes illustratives Diagramm, das ein Verfahren zur Vorbereitung einer Messprobe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 darstellt. Wie in 4A dargestellt, wird aus dem zu messenden Kompositmaterial 10 ein dünnes Stück 15 herausgeschnitten. Die Dicke, die Länge und die Breite des dünnen Stücks 15 werden als t (mm), B (mm) bzw. C (mm) bezeichnet.
Der Wert, der durch Teilen von 2 durch t bestimmt wird, wird auf die nächste ganze Zahl aufgerundet, und die resultierende Zahl wird hierin als X bezeichnet. Der Wert, der durch Teilen von 10 durch B bestimmt wird, wird auf die nächste ganze Zahl aufgerundet, und die resultierende Zahl wird hierin als Y1 bezeichnet. Der Wert, der durch Teilen von 10 durch C ermittelt wird, wird auf die nächste ganze Zahl aufgerundet, und die sich daraus ergebende Zahl wird hierin als Y2 bezeichnet. Aus dem zu messenden Kompositmaterial 10 werden dünne Stücke 15 herausgeschnitten, deren Anzahl gleich dem Produkt aus X, Y1 und Y2 ist.
4B ist ein zweites illustratives Diagramm, das das Verfahren zur Vorbereitung einer Messprobe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 darstellt. Wie in 4B gezeigt, wird ein Block 16 aus X Platten von dünnen Stücken 15 hergestellt. Die Dicke, die Länge und die Breite des Blocks 16 betragen jeweils etwa 2 (mm), B (mm) und C (mm). Zur Herstellung des Blocks 16 werden als erstes X Platten von dünnen Stücken 15 aufeinandergestapelt. Zu diesem Zeitpunkt wird reines Silberpulver mit unbestimmter Form und einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 µm zwischen die jeweils zueinander benachbarten dünnen Stücke 15 gegeben. Die Menge des Pulvers mit unbestimmter Form, das zwischen die zueinander benachbarten dünnen Stücke 15 eingebracht wird, beträgt 0,2 g ± 30 Prozent per 100 mm².
Zur Herstellung des Blocks 16 wird als zweites eine rechteckige Form (nicht dargestellt) hergestellt, in der eine Öffnung mit den Innenabmessungen von B (mm) × C (mm) gebildet ist, und in der Öffnung werden gestapelte dünne Stücke 15 angeordnet. Diese Form wird aus Graphit hergestellt. Zur Herstellung des Blocks 16 werden als drittes die gestapelten dünnen Stücke 15 einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei eine Last P darauf ausgeübt wird. Die Belastung P beträgt 4,9 N oder mehr und 9,8 N oder weniger. Die Wärmebehandlung wird in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Die Wärmebehandlung wird bei einer Haltetemperatur von 900°C und einer Haltezeit von 10 Minuten durchgeführt. Die Wärmebehandlung bewirkt, dass das Pulver mit unbestimmter Form erweicht und verformt wird, so dass benachbarte dünne Stücke 15 miteinander verbunden werden und somit ein Block 16 hergestellt wird.
4C ist ein drittes illustratives Diagramm, das das Verfahren zur Vorbereitung einer Messprobe zum Messen der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Kompositmaterials 10 darstellt. Wie in 4C gezeigt, werden die Blöcke 16 so angeordnet, dass Y1 Stücke von Blöcken 16 in Längsrichtung und Y2 Stücke von Blöcken 16 in Breitenrichtung angeordnet sind, was eine Messprobe 17 mit einer Höhe von etwa 10 mm, einer Breite von etwa 10 mm und einer Dicke von etwa 2 mm hervorbringt. Wenn Y1 Stücke von Blöcken 16 in Längsrichtung und Y2 Stücke von Blöcken 16 in Breitenrichtung angeordnet sind, werden die zueinander benachbarten Blöcke 16 durch ein Verbindungselement aneinander befestigt. Es wird ein Verbindungselement verwendet, das einer Temperatur von etwa 800°C standhält, z. B. eine Silberlötfolie, ein Keramikklebstoff oder ähnliches. Y1 Stücke von Blöcken 16, die in Längsrichtung angeordnet sind, und Y2 Stücke von Blöcken 16, die in Breitenrichtung angeordnet sind, können mit einem Edelstahldraht oder dergleichen befestigt werden, der um ihren äußeren Umfang gewickelt ist.
Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung (Richtung orthogonal zur Dickenrichtung) des Kompositmaterials 10, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, beträgt vorzugsweise 9,0 ppm/K oder weniger. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung des Kompositmaterials 10, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, beträgt weiter bevorzugt 8,5 ppm/K oder weniger.
Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung des Kompositmaterials 10, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, wird durch Messung der Ausdehnungsverschiebung in Intraschichtrichtung des Kompositmaterials 10 mittels TDS 5000SA (hergestellt von Bruker AXS) in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 800°C berechnet. Wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung des Kompositmaterials 10, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, berechnet wird, ist die Form des Kompositmaterials 10 in der Draufsicht gesehen eine rechteckige Form von 3 mm × 15 mm. Der Messwert ist der Mittelwert von drei Proben.
Die Endtemperaturdifferenz des Kompositmaterials 10 beträgt vorzugsweise 50°C oder weniger. Die Endtemperaturdifferenz des Kompositmaterials 10 ist weiter bevorzugt 40°C oder weniger. 5 ist ein illustratives Diagramm, das ein Verfahren zur Bewertung der Wärmeableitungskapazität des Kompositmaterials 10 darstellt. 5 zeigt schematisch einen Zustand von einer Seitenfläche des Kompositmaterials 10 aus gesehen. In der Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 10a gesehen, ist das Kompositmaterial 10 in eine rechteckige Form von 10 mm × 10 mm geschnitten. Ein Wärmeerzeuger 70 wird in Kontakt mit der Mitte der ersten Oberfläche 10a des geschnittenen Kompositmaterials 10 gebracht. Der Wärmeerzeuger 70 hat eine rechteckige Form von 10 mm × 10 mm, gesehen in der Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 10a. Die von dem Wärmeerzeuger 70 erzeugte Wärmemenge beträgt 50 W.
Eine Aluminiumrippe 80 wird an die zweite Oberfläche 10b des geschnittenen Kompositmaterials 10 geklebt, mit Silikonöl (G-751, hergestellt von Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). Diese Verklebung erfolgt mit dem Silikonöl, das zwischen der Aluminiumrippe 80 und der zweiten Oberfläche 10b des zugeschnittenen Kompositmaterials 10 angeordnet ist, auf das eine Last von 9,8 N aufgebracht wird.
Die Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeerzeuger 70 und der ersten Oberfläche 10a des zugeschnittenen Kompositmaterials 10 wird hierin als erste Temperatur bezeichnet. Die Temperatur an einem Ende (Ecke) der ersten Oberfläche 10a des zugeschnittenen Kompositmaterials 10 wird hierin als zweite Temperatur bezeichnet. Die Temperatur an der Grenzfläche zwischen der Aluminiumrippe 80 und der zweiten Oberfläche 10b des geschnittenen Kompositmaterials 10 wird hierin als dritte Temperatur bezeichnet. Die erste Temperatur, die zweite Temperatur und die dritte Temperatur werden mit einem Thermoelement (nicht dargestellt) gemessen. Die Luftkühlung der Aluminiumlamelle 80 wird so gesteuert, dass die dritte Temperatur 25°C ± 3°C. Die Umgebungstemperatur der Messumgebung ist 25°C ± 5°C.
Die Endtemperaturdifferenz des Kompositmaterials 10 ist die Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur (erste Temperatur - zweite Temperatur), wenn die Temperatur nach 30 Sekunden oder mehr ab dem Zeitpunkt, zu dem der Wärmeerzeuger 70 mit der ersten Oberfläche 10a des geschnittenen Kompositmaterials 10 in Kontakt gebracht wird, einen stationären Zustand (engl. steady state) erreicht. Als Endtemperaturdifferenz wird der Mittelwert der jeweiligen Endtemperaturdifferenzen verwendet, die durch zehnmalige Messung ermittelt wurden. Insbesondere ist die Endtemperaturdifferenz des Kompositmaterials 10 die Differenz zwischen der Temperatur eines Abschnitts der ersten Oberfläche 10a, an der der Wärmeerzeuger 70 anliegt, und der Temperatur eines Endes (Ecke) der ersten Oberfläche 10a, in dem Zustand, in dem der Wärmeerzeuger 70 an der ersten Oberfläche 10a anliegt und die Aluminiumrippe 80 an die zweite Oberfläche 10b geklebt ist. Je kleiner die Endtemperaturdifferenz ist, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials 10 in Intraschichtrichtung.
<Modifikationen>
6 ist eine Schnittansicht des Kompositmaterials 10 gemäß der Modifikation 1. 7 ist eine Schnittansicht des Kompositmaterials 10 gemäß der Modifikation 2. Wie in 6 gezeigt, kann die Gesamtheit der Anzahl der ersten Schichten 11 und der Anzahl der zweiten Schichten 12 5 betragen. Wie in 7 gezeigt, kann die Gesamtheit der Anzahl der ersten Schichten 11 und der Anzahl der zweiten Schichten 12 9 betragen.
(Verfahren zur Herstellung von Kompositmaterial gemäß Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials 10 beschrieben.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung von Kompositmaterial 10 zeigt. Das Verfahren zur Herstellung von Kompositmaterial 10 enthält, wie in 8 gezeigt, einen Vorbereitungsschritt 51, einen Bohrschritt S2 und einen Klebeschritt 53.
In dem Vorbereitungsschritt S1 werden eine erste Platte und eine zweite Platte vorbereitet. Die erste Platte ist eine Platte, die aus einem Metallmaterial gebildet ist, das Kupfer als Hauptkomponente enthält. Die zweite Platte ist aus einem Metallmaterial gebildet, das Molybdän als Hauptkomponente enthält.
In dem Bohrschritt S2 wird die zweite Platte gebohrt. Durch das Bohren wird eine Vielzahl von Öffnungen gebildet, die sich in der Dickenrichtung durch die zweite Platte erstrecken. Dadurch wird die zweite Platte bereitgestellt, um als Molybdänplatte 13 zu dienen. Das Bohren der zweiten Platte wird z. B. durch Ätzen oder Laserbestrahlung durchgeführt.
In dem Klebeschritt S3 werden als erstes die erste(n) Platte(n) und die Molybdänplatte(n) 13 abwechselnd in einer Form gestapelt (die erste(n) Platte(n) und die Molybdänplatte(n) 13, die abwechselnd gestapelt werden, werden im Folgenden als Mehrschichtkörper bezeichnet). Die Form ist z. B. aus Graphit gebildet. Die erste(n) Platte(n) und die Molybdänplatte(n) 13 werden so aufeinandergestapelt, dass sich die erste Platte an einer Oberfläche des Mehrschichtkörpers befindet.
In dem Klebeschritt S3 wird als zweites der Mehrschichtkörper erhitzt und unter Druck gesetzt. Die Heiztemperatur wird auf eine Temperatur eingestellt, die unter dem Schmelzpunkt der ersten Platte liegt und die erste Platte ausreichend erweicht. Die Heiztemperatur beträgt beispielsweise 1000°C. Die Druckbeaufschlagung erfolgt in Richtung der Dicke des mehrschichtigen Körpers. Die Druckbeaufschlagung erfolgt mit einem Druck, der für das Fließen der durch die Erhitzung erweichten ersten Platte erforderlich ist. Die Druckbeaufschlagung erfolgt z.B. mit einem Druck von 50 MPa.
Die Erhitzung und die Druckbeaufschlagung bewirken, dass die erste Platte fließt und veranlassen die erste Platte folglich dazu, die Öffnungen 13c der Molybdänplatte 13 zu füllen und somit als Kupferfüllstoff 14 zu dienen. Der Rest der ersten Platte, der die Öffnungen 13c nicht gefüllt hat, bildet die erste Schicht 11.
(Konfiguration eines Halbleitergehäuses gemäß Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine Konfiguration eines Halbleitergehäuses gemäß einer Ausführungsform (im Folgenden als „Halbleitergehäuse 100“ bezeichnet) beschrieben.
9 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Halbleitergehäuses 100. Wie in 9 gezeigt, enthält das Halbleitergehäuse 100 ein Kompositmaterial 10, eine Halbleiterbauelement 20, ein Gehäuseelement 30, einen Deckel 40, einen Anschluss 50a und einen Anschluss 50b.
Das Kompositmaterial 10 fungiert als Wärmeverteiler in dem Halbleitergehäuse 100. Das Halbleiterbauelement 20 ist auf der ersten Oberfläche 10a angeordnet. Ein Wärmeübertragungselement kann zwischen dem Halbleiterbauelement 20 und der ersten Oberfläche 10a zwischengeschaltet sein. In dem Betrieb ist das Halbleiterbauelement 20 eine Wärmeerzeugungsquelle.
Das Gehäuseelement 30 ist z.B. aus einem keramischen Material gebildet. Das keramische Material ist z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃). Das Gehäuseelement 30 ist auf der ersten Oberfläche 10a angeordnet und umgibt das Halbleiterbauelement 20. Das untere Ende des Gehäuseelements 30 (das Ende auf der Seite der ersten Oberfläche 10a) und die erste Oberfläche 10a sind z. B. durch Löten (engl. brazing) miteinander verbunden. Der Deckel 40 ist z. B. aus einem keramischen Material oder einem Metallmaterial gebildet. Der Deckel 40 verschließt die obere Endseite des Gehäuseteils 30.
Anschluss 50a und Anschluss 50b sind in das Gehäuseelement 30 eingesetzt. Infolgedessen befindet sich jeweils ein Ende des Anschlusses 50a und des Anschlusses 50b in dem durch die erste Oberfläche 10a, das Gehäuseelement 30 und den Deckel 40 definierten Raum, und das jeweils andere Ende des Anschlusses 50a und des Anschlusses 50b befindet sich außerhalb des oben identifizierten Raums. Anschluss 50a und Anschluss 50b sind zum Beispiel aus einem Metallmaterial gebildet. Das Metallmaterial ist zum Beispiel Kovar.
Das eine Ende jedes Anschlusses 50a und Anschlusses 50b ist elektrisch mit dem Halbleiterbauelement 20 verbunden (nicht dargestellt). An dem anderen Ende jedes der Anschlüsse 50a und 50b ist das Halbleitergehäuse 100 elektrisch mit einer Vorrichtung oder Schaltung verbunden, die sich von dem Halbleitergehäuse 100 unterscheidet.
Ein Wärmeableitungselement 60 ist an der zweiten Oberfläche 10b befestigt. Das Wärmeableitungselement 60 ist eine Metallplatte, in der ein Strömungskanal gebildet ist, durch den z.B. Kühlmittel fließen kann. Das Wärmeableitungselement 60 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Wärmeableitungselement 60 kann zum Beispiel eine Kühlrippe sein. Ein Wärmeübertragungselement kann zwischen dem Wärmeableitungselement 60 und der zweiten Oberfläche 10b angeordnet sein.
(Vorteilhafte Effekte des Kompositmaterials gemäß Ausführungsform)
Im Folgenden werden vorteilhafte Wirkungen des Kompositmaterials 10 beschrieben.
Um die von einer Wärmeerzeugungsquelle erzeugte Wärme effizient von der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b) abzuleiten, ist es effektiv, die Wärme von der Wärmeerzeugungsquelle in die Intraschichtrichtung zu verteilen, indem die Wärmeleitfähigkeit auf der Seite der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b) erhöht wird.
In dem Kompositmaterial 10 ist sichergestellt, dass die erste Schicht 11a (erste Schicht 11b) mit einer relativ höheren Wärmeleitfähigkeit eine Dicke T2 von 0,025 mm oder mehr aufweist. Daher ermöglicht das Kompositmaterial 10 eine effiziente Ableitung der Wärme von der Wärmeerzeugungsquelle von der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b).
Das Kompositmaterial 10 ist einer hohen Temperatur ausgesetzt (z.B. ungefähr 800°C), wenn das Gehäuseelement 30 z.B. gelötet wird. Daher ist es erforderlich, dass das Kompositmaterial 10 eine geringe Wärmeausdehnung aufweist, wenn es einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. In dem Kompositmaterial 10 ist sichergestellt, dass die zweite Schicht 12a (zweite Schicht 12b) mit einem relativ niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten eine Dicke T3 von 0,05 mm oder mehr aufweist. In dem Kompositmaterial 10 beträgt die Dicke T2 der ersten Schicht 11a (ersten Schicht 11b) 30 Prozent oder weniger der Dicke T1, und daher wird verhindert, dass die erste Schicht 11a (erste Schicht 11b) mit einem relativ höheren linearen Ausdehnungskoeffizienten übermäßig dick ist. Dadurch wird die thermische Ausdehnung des Kompositmaterials 10 unterdrückt, wenn es einer hohen Temperatur ausgesetzt wird.
Um die Wärmeableitung des Kompositmaterials 10 zu verbessern, muss nicht nur die Wärmeleitfähigkeit auf der Seite der ersten Oberfläche 10a (zweite Oberfläche 10b), sondern auch die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Kompositmaterials 10 verbessert werden. Ein höherer Anteil von Molybdän in dem Kompositmaterial 10 führt jedoch zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials 10 als Ganzes während der lineare Ausdehnungskoeffizient des Kompositmaterials 10 als Ganzes verringert wird.
Je größer die Anzahl der Öffnungen 13c pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche 10a (zweite Oberfläche 10b) ist, oder je größer der Wert ist, der durch Teilen des durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen 13c durch die Dicke T3 bestimmt wird, desto geringer ist der Anteil von Molybdän in dem Kompositmaterial 10 und desto geringer ist die Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials 10 als Ganzes. Ferner, je größer die Dicke T3 der zweiten Schicht 12a (zweite Schicht 12b) ist, desto größer ist der Anteil von Molybdän in dem Kompositmaterial 10 und desto geringer ist die Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials 10 als Ganzes.
In dem Kompositmaterial 10 beträgt die Anzahl der Öffnungen 13c pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b) 2 oder mehr und 12 oder weniger, und der Wert, der durch Teilen des durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen 13c durch die Dicke T3 bestimmt wird, beträgt 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger. In dem Kompositmaterial 10 beträgt die Dicke T3 der zweiten Schicht 12a (zweiten Schicht 12b) 35 Prozent oder weniger der Dicke T1, und somit wird verhindert, dass die Dicke T3 der zweiten Schicht 12a (zweiten Schicht 12b) übermäßig groß wird. Somit sind in dem Kompositmaterial 10 die Wärmeleitfähigkeit und der lineare Ausdehnungskoeffizient des Kompositmaterials 10 als Ganzes miteinander im Gleichgewicht.
Dementsprechend kann mit dem Kompositmaterial 10 sowohl ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient als auch eine hohe Wärmeableitungskapazität erreicht werden.
(Experimentelle Beispiele)
Um die vorteilhaften Wirkungen des Kompositmaterials 10 zu bestätigen, wurden die Proben 1 bis 48 hergestellt. In den Proben 1 bis 48 war die erste Schicht 11 aus reinem Kupfer gebildet. In den Proben 1 bis 48 war die Molybdänplatte 13 aus reinem Molybdän gebildet, und der Kupferfüllstoff 14 war aus reinem Kupfer gebildet.
Die Tabellen 1, 2 und 3 zeigen die Abmessungen des Kompositmaterials 10 in den Proben 1 bis 48. Die Dicke T2 der ersten Schicht, die nicht die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b ist, wird aus der Dicke T1 des Kompositmaterials 10, der Dicke T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b und der Dicke T3 der zweiten Schicht 12 bestimmt und ist daher in den Tabellen 1 bis 3 nicht angegeben. In den Proben 27 bis 48 ist die Dicke T3 der zweiten Schicht 12a und der zweiten Schicht 12b gleich der Dicke T3 der zweiten Schicht 12, die nicht die zweite Schicht 12a und die zweite Schicht 12b ist.
Die Tatsache, dass die Dicke T1 der ersten Schicht 11a (erste Schicht 11b) 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger der Dicke T3 beträgt, wird hierin als Bedingung A bezeichnet. Die Tatsache, dass die Dicke T2 der zweiten Schicht 12a (zweite Schicht 12b) 0,05 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger der Dicke T3 beträgt, wird hierin als Bedingung B bezeichnet.
Eine Bedingung, dass die Anzahl der Öffnungen 13c pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche 10a (zweiten Oberfläche 10b) 2 oder mehr und 12 oder weniger beträgt, wird hierin als Bedingung C bezeichnet. Eine Bedingung, dass der Wert, der durch Teilen des durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen 13c durch die Dicke T3 bestimmt wird, 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger beträgt, wird hierin als Bedingung D bezeichnet. Eine Bedingung, dass der Wert, der durch Teilen des durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen 13c durch die Dicke T3 bestimmt wird, 1,6 oder mehr und weniger als 5,0 beträgt, wird hierin als Bedingung E bezeichnet.
Die Proben 1 bis 3, 8, 12, 15, 27, 32, 39 und 43 erfüllen mindestens eine der Bedingungen A bis D nicht. Die anderen Proben erfüllen alle Bedingungen A bis D.

Die Proben 4 bis 7, 13, 14, 18 bis 22, 28 bis 31, 34, 36 bis 38, 40 bis 42 und 44 bis 48 erfüllen ferner die Bedingung E.
[Tabelle 1] Tabelle 1

	Anzahl von Schichten	Dicke T1 (mm)	1. Schichten 11a und 11b		2. Schicht 12
			Dicke T2 (mm)	Dicke T2 /Dicke T1	Dicke T3 (mm)	Dicke T3 /Dicke T1	Anzahl von Öffnungen 13c (/mm³)	Öffnungen 13c
			Dicke T2 (mm)	Dicke T2 /Dicke T1	Dicke T3 (mm)	Dicke T3 /Dicke T1	Anzahl von Öffnungen 13c (/mm³)	Durchschnittl, äquivalenter Kreisdurchmesser (mm)	Durchschnittl, äquivalenter Kreisdurchmesser/Dicke T3	Maximale Öffnungsfläche S1 (MM2)	Minimale Öffnungsfläche S2 (mm²)	52/51
Probe 1	5	0,30	0,017	0,055	0,13	0,417	15	0,15	1,20	0,020	0,016	0,82
Probe 2	5	0,56	0,017	0,030	0,25	0,455	3,8	0,30	1,20	0,080	0,066	0,82
Probe 3	5	1,00	0,020	0,020	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 4	5	1,00	0,040	0,040	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 5	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 6	5	1,00	0,250	0,250	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 7	5	1,00	0,300	0,300	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 8	5	1,00	0,100	0,100	0,03	0,030	5,7	0,25	8,33	0,054	0,044	0,82
Probe 9	5	1,00	0,100	0,100	0,05	0,050	5,7	0,25	5,00	0,054	0,044	0,82
Probe 10	5	1,00	0,100	0,100	0,30	0,030	5,7	0,25	0,83	0,054	0,044	0,82
Probe 11	5	1,00	0,100	0,100	0,35	0,035	5,7	0,25	0,71	0,054	0,044	0,82
Probe 12	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	1,0	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 13	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	2,0	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 14	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	12,0	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 15	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	15,0	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 16	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,05	0,33	0,0022	0,0018	0,82
Probe 17	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,13	0,87	0,015	0,012	0,82
Probe 18	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,33	2,20	0,094	0,077	0,82
Probe 19	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,35	2,33	0,106	0,087	0,82
Probe 20	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,054	1,00
Probe 21	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,043	0,82
Probe 22	5	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,032	0,82
Probe 23	5	0,70	0,100	0,143	0,20	0,286	5,7	0,25	1,25	0,054	0,044	0,82
Probe 24	5	0,85	0,100	0,118	0,20	0,235	5,7	0,25	1,25	0,054	0,044	0,82
Probe 25	5	1,90	0,100	0,053	0,20	0,105	5,7	0,25	1,25	0,054	0,044	0,82
Probe 26	5	2,00	0,100	0,050	0,20	0,100	5,7	0,25	1,25	0,054	0,044	0,82

[Tabelle 2] Tabelle 2

	Anzahl von Schichten	Dicke T1 (mm)	1. Schichten 11a und 11b		2. Schicht 12
			Dicke T2 (mm)	Dicke T2 /Dicke T1	Dicke T3 (mm)	Dicke T3 /Dicke T1	Anzahl von Öffnungen 13c (/mm²)	Öffnungen 13c
			Dicke T2 (mm)	Dicke T2 /Dicke T1	Dicke T3 (mm)	Dicke T3 /Dicke T1	Anzahl von Öffnungen 13c (/mm²)	Durchschnittl, äquivalenter Kreisdurchmesser (mm)	Durchschnittl, äquivalenter Kreisdurchmesser/Dicke T3	Maximale Öffnungsfläche S1 (mm²)	Minimale Öffnungsfläche S2 (mm²)	S2/S1
Probe 27	7	1,00	0,020	0,020	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 28	7	1,00	0,025	0,025	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 29	7	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 30	7	1,00	0,200	0,200	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 31	7	1,00	0,250	0,250	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 32	7	1,00	0,250	0,100	0,03	0,030	5,7	0,25	8,33	0,054	0,044	0,82
Probe 33	7	1,00	0,100	0,100	0,05	0,050	5,7	0,25	5,00	0,054	0,044	0,82
Probe 34	7	1,00	0,100	0,100	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 35	7	1,00	0,100	0,100	0,25	0,250	5,7	0,25	1,00	0,054	0,044	0,82
Probe 36	7	0,70	0,100	0,143	0,15	0,214	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 37	7	2,20	0,100	0,045	0,15	0,068	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 38	7	2,50	0,100	0,040	0,15	0,060	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82

[Tabelle 3] Tabelle 3

	Anzahl von Schichten	Dicke T1 (mm)	1. Schichten 11a und 11b		2. Schicht 12
			Dicke T2 (mm)	Dicke T2 /Dicke T1	Dicke T3 (mm)	Dicke T3 /Dicke T1	Anzahl von Öffnungen 13c (/mm²)	Öffnungen 13c
			Dicke T2 (mm)	Dicke T2 /Dicke T1	Dicke T3 (mm)	Dicke T3 /Dicke T1	Anzahl von Öffnungen 13c (/mm²)	Durchschnittl, äquivalenter Kreisdurchmesser (mm)	Durchschnittl, äquivalenter Kreisdurchmesser/Dicke T3	Maximale Öffnungsfläche S1 (mm²)	Minimale Öffnungsfläche S2 (mm²)	52/51
Probe 39	9	1,00	0,020	0,020	0,08	0,080	5,7	0,25	3,13	0,054	0,044	0,82
Probe 40	9	1,00	0,025	0,025	0,08	0,080	5,7	0,25	3,13	0,054	0,044	0,82
Probe 41	9	1,00	0,100	0,100	0,08	0,080	5,7	0,25	3,13	0,054	0,044	0,82
Probe 42	9	1,00	0,125	0,125	0,08	0,080	5,7	0,25	3,13	0,054	0,044	0,82
Probe 43	9	1,00	0,050	0,050	0,03	0,030	5,7	0,25	8,33	0,054	0,044	0,82
Probe 44	9	1,00	0,050	0,050	0,05	0,050	5,7	0,25	5,00	0,054	0,044	0,82
Probe 45	9	1,00	0,050	0,050	0,12	0,120	5,7	0,25	2,08	0,054	0,044	0,82
Probe 46	9	1,00	0,050	0,050	0,15	0,150	5,7	0,25	1,67	0,054	0,044	0,82
Probe 47	9	0,70	0,050	0,071	0,10	0,143	5,7	0,25	2,50	0,054	0,044	0,82
Probe 48	9	2,50	0,050	0,020	0,10	0,040	5,7	0,25	2,50	0,054	0,044	0,82

Für die Proben 1 bis 48 wurden die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung, der lineare Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C und die Endtemperaturdifferenz gemessen.

Die Tabellen 4, 5 und 6 zeigen die Ergebnisse der Messung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung, des linearen Ausdehnungskoeffizienten in Intraschichtrichtung für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C und der Endtemperaturdifferenz der Proben 1 bis 48.
[Tabelle 4] Tabelle 4

	Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung (W/m · K)	Linearer Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung bei Raumtemperatur zu 800°C (ppm/K)	Endabschnitt-Temperaturdifferenz (°C)
Probe 1	219	6,9	54,1
Probe 2	273	6,7	55,7
Probe 3	338	7,0	53,2
Probe 4	338	7,1	39,8
Probe 5	338	7,3	36,2
Probe 6	338	8,2	35,6
Probe 7	338	8,4	34,6
Probe 8	355	11,2	33,2
Probe 9	352	8,9	35,5
Probe 10	317	6,7	44,9
Probe 11	295	6,6	45,5
Probe 12	294	6,5	51,3
Probe 13	301	6,7	38,8
Probe 14	335	8,3	34,9
Probe 15	346	9,2	32,2
Probe 16	291	6,4	48,5
Probe 17	302	6,6	46,7
Probe 18	327	7,9	36,9
Probe 19	332	8,2	35,7
Probe 20	314	7,4	37,9
Probe 21	336	7,3	36,5
Probe 22	301	7,2	34,0
Probe 23	319	6,9	43,0
Probe 24	326	6,9	43,1
Probe 25	344	7,5	43,0
Probe 26	345	7,6	43,2

[Tabelle 5] Tabelle 5

	Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung (W/m · K)	Linearer Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung bei Raumtemperatur zu 800°C (ppm/K)	Endabschnitt-Temperaturdifferenz (°C)
Probe 27	327	6,7	53,2
Probe 28	327	6,7	39,6
Probe 29	327	7,2	38,1
Probe 30	327	7,9	36,8
Probe 31	327	8,1	35,6
Probe 32	353	9,3	33,2
Probe 33	349	8,9	35,5
Probe 34	327	7,2	37,7
Probe 35	306	6,8	44,1
Probe 36	314	7,1	38,5
Probe 37	345	7,5	38,8
Probe 38	347	7,6	38,6

[Tabelle 6] Tabelle 6

	Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung (W/m · K)	Linearer Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung bei Raumtemperatur zu 800°C (ppm/K)	Endabschnitt-Temperaturdifferenz (°C)
Probe 39	337	6,9	50,8
Probe 40	337	6,9	38,6
Probe 41	337	7,9	36,0
Probe 42	337	8,1	36,5
Probe 43	351	9,1	37,4
Probe 44	345	7,8	35,6
Probe 45	325	6,9	37,1
Probe 46	317	6,8	38,9
Probe 47	319	6,9	38,3
Probe 48	348	7,4	38,5

Eine Bedingung, dass die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung 290 W/m-K oder mehr beträgt, wird hierin als Bedingung F bezeichnet. Eine Bedingung, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, 9,0 ppm/K oder weniger beträgt, wird hierin als Bedingung G bezeichnet. Eine Bedingung, dass die Endtemperaturdifferenz 50°C oder weniger beträgt, wird hierin als Bedingung H bezeichnet.
Die Proben 1 bis 3, 8, 12, 15, 27, 32, 39 und 43 erfüllen mindestens eine der Bedingungen F bis H nicht. Im Gegensatz dazu erfüllen die anderen Proben alle Bedingungen F bis H. Anhand dieses Kontrasts dazwischen wird auch experimentell gezeigt, dass die Erfüllung aller Bedingungen A bis D es ermöglicht, sowohl einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine hohe Wärmeableitungskapazität des Kompositmaterials 10 zu erreichen.
Eine Bedingung, dass die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung 300 W/m·K oder mehr beträgt, wird hierin als Bedingung I bezeichnet. Eine Bedingung, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient in Intraschichtrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, 8,5 ppm/K oder weniger beträgt, wird hierin als Bedingung J bezeichnet. Eine Bedingung, dass die Endtemperaturdifferenz 40°C oder weniger beträgt, wird hierin als Bedingung K bezeichnet.
Die Proben 4 bis 7, 13, 14, 18 bis 22, 28 bis 31, 34, 36 bis 38, 40 bis 42 und 44 bis 48 erfüllen ferner die Bedingungen I bis K. Anhand dieses Kontrasts wird auch experimentell gezeigt, dass durch die weitere Erfüllung der Bedingung E sowohl ein noch niedrigerer linearer Ausdehnungskoeffizient als auch eine noch höhere Wärmeableitungskapazität des Kompositmaterials 10 erreicht werden kann.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen werden in jeder Hinsicht zur Veranschaulichung und nicht als Beschränkung dargestellt. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche definiert ist, nicht durch die obige Beschreibung, und alle Modifikationen und Variationen umfasst, die in Bedeutung und Umfang äquivalent zu den Ansprüchen sind.
Bezugszeichenliste

10: Kompositmaterial;
10a: erste Oberfläche
10b: zweite Oberfläche
11, 11a, 11b: erste Schicht;
12, 12a, 12b: zweite Schicht;
13: Molybdänplatte;
13a: erste Fläche;
13b: zweite Fläche;
13c: Öffnung;
14: Kupferfüllstoff;
15: dünnes Stück;
16: Block;
17: Messprobe;
20: Halbleiterbauelement;
30: Gehäuseteil;
40: Deckel;
50a, 50b: Anschluss;
60: Wärmeableitungselement;
70: Wärmeerzeuger;
80: Aluminiumrippe;
100: Halbleitergehäuse;
D: Öffnungsdurchmesser;
S1: Vorbereitungsschritt;
S2: Schritt;
S3: Klebeschritt;
T1, T2, T3: Dicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020133776 [0001]

Claims

Kompositmaterial in einer Plattenform mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die eine gegenüberliegende Oberfläche zu der ersten Oberfläche ist, wobei das Kompositmaterial aufweist: eine Vielzahl von ersten Schichten und eine Vielzahl von zweiten Schichten, wobei eine Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schichten 5 oder mehr beträgt, die ersten Schichten und die zweiten Schichten abwechselnd in einer Dickenrichtung des Kompositmaterials gestapelt sind, die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche jeweils durch die erste Schicht gebildet sind, die ersten Schichten aus einem Metallmaterial gebildet sind, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, die zweiten Schichten eine Molybdänplatte und einen Kupferfüllstoff enthalten, die Molybdänplatte eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die sich in Dickenrichtung durch die Molybdänplatte erstrecken, der Kupferfüllstoff so angeordnet ist, dass er ein Inneres der Öffnungen füllt, eine Dicke der ersten Schicht, die die erste Oberfläche bildet, 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger einer Dicke des Kompositmaterials beträgt, eine Dicke der zweiten Schicht, die an der ersten Schicht, die die erste Oberfläche bildet, anliegt, 0,05 mm oder mehr und 35 Prozent oder weniger der Dicke des Kompositmaterials beträgt, und in einer der zweiten Schichten, die Anzahl der Öffnungen 2 oder mehr und 12 oder weniger pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche beträgt, und ein Wert, der durch Teilen eines durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen durch die Dicke der zweiten Schicht bestimmt wird, 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger beträgt.
Kompositmaterial nach Anspruch 1, wobei der Wert, der durch Teilen des durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen durch die Dicke der zweiten Schicht bestimmt wird, 1,6 oder mehr und weniger als 5,0 beträgt.
Kompositmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung bei Raumtemperatur 290 W/m·K oder mehr beträgt, und ein linearer Ausdehnungskoeffizient in einer Intraschichtrichtung orthogonal zur Dickenrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, 9,0 ppm/K oder weniger beträgt.
Kompositmaterial nach Anspruch 3, wobei eine Endtemperaturdifferenz 50°C oder weniger beträgt.
Kompositmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung bei Raumtemperatur 300 W/m·K oder mehr beträgt, und ein linearer Ausdehnungskoeffizient in einer Intraschichtrichtung orthogonal zur Dickenrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, 8,5 ppm/K oder weniger beträgt.
Kompositmaterial nach Anspruch 5, wobei eine Endtemperaturdifferenz 40C oder weniger beträgt.
Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Molybdänplatte eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, die jeweils eine Endfläche in der Dickenrichtung sind, und ein Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser der Öffnungen in der ersten Fläche und ein Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser der Öffnungen in der zweiten Fläche jeweils 0,05 mm oder mehr und 0,35 mm oder weniger beträgt.
Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Mittelwert der jeweiligen minimalen Öffnungsflächen der Öffnung 57 Prozent oder mehr und 100 Prozent oder weniger beträgt, relativ zu einem Mittelwert der jeweiligen maximalen Öffnungsflächen der Öffnungen.
Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schichten 9 oder weniger beträgt.
Wärmeverteiler, der das Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei die erste Oberfläche eine Kontaktfläche ist, die an einer Wärmeerzeugungsquelle anliegt.
Halbleitergehäuse, aufweisend: das Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und ein Halbleiterbauelement, das auf der ersten Oberfläche angeordnet ist.
Halbleitergehäuse nach Anspruch 11, ferner aufweisend ein Gehäuseelement, das aus einem Keramikmaterial gebildet ist, wobei das Gehäuseelement auf der ersten Oberfläche angeordnet ist und das Halbleiterbauelement umgibt.
Kompositmaterial in einer Plattenform mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die eine gegenüberliegende Oberfläche zu der ersten Oberfläche ist, wobei das Kompositmaterial aufweist: eine Vielzahl von ersten Schichten und eine Vielzahl von zweiten Schichten, wobei eine Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schichten 5 oder mehr und 9 oder weniger beträgt, die ersten Schichten und die zweiten Schichten abwechselnd in einer Dickenrichtung des Kompositmaterials gestapelt sind, die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche jeweils durch die erste Schicht gebildet sind, die ersten Schichten aus einem Metallmaterial gebildet sind, das Kupfer als Hauptkomponente enthält, die zweiten Schichten eine Molybdänplatte und einen Kupferfüllstoff enthalten, die Molybdänplatte eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die sich in Dickenrichtung durch die Molybdänplatte erstrecken, der Kupferfüllstoff so angeordnet ist, dass er ein Inneres der Öffnungen füllt, eine Dicke der ersten Schicht, die die erste Oberfläche bildet, 0,025 mm oder mehr und 30 Prozent oder weniger einer Dicke des Kompositmaterials beträgt, eine Dicke der zweiten Schicht, die an der ersten Schicht, die die erste Oberfläche bildet, anliegt, 0,05 mm oder mehr und 35 Prozent oder weniger der Dicke des Kompositmaterials beträgt, und in einer der zweiten Schichten, die Anzahl der Öffnungen 2 oder mehr und 12 oder weniger pro einer Fläche von 1 mm² der ersten Oberfläche beträgt, und ein Wert, der durch Teilen eines durchschnittlichen äquivalenten Kreisdurchmessers der Öffnungen durch die Dicke der zweiten Schicht bestimmt wird, 0,3 oder mehr und 5,0 oder weniger beträgt. eine Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung bei Raumtemperatur 290 W/m·K oder mehr beträgt, ein linearer Ausdehnungskoeffizient in einer Intraschichtrichtung orthogonal zur Dickenrichtung, für eine Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C, 9.0 ppm/K oder weniger beträgt, die Molybdänplatte eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, die jeweils eine Endfläche in Dickenrichtung sind, ein Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser der Öffnungen in der ersten Fläche und ein Mittelwert der jeweiligen äquivalenten Kreisdurchmesser der Öffnungen in der zweiten Fläche jeweils 0,05 mm oder mehr und 0,35 mm oder weniger beträgt, und ein Mittelwert der jeweiligen minimalen Öffnungsflächen der Öffnung 57 Prozent oder mehr und 100 Prozent oder weniger beträgt, relativ zu einem Mittelwert der jeweiligen maximalen Öffnungsflächen der Öffnungen.