DE112021006684T5

DE112021006684T5 - Verbundmaterial, Halbleiterbaugruppe, und Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterial

Info

Publication number: DE112021006684T5
Application number: DE112021006684.6T
Authority: DE
Inventors: Toru Maeda; Miki Miyanaga; Daisuke Kondo; Kei Hirai; Masayuki Ito; Shin-ichi Yamagata
Original assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-10-26
Also published as: CN116648315A; KR20230122028A; WO2022138711A1; JPWO2022138711A1

Abstract

Ein Verbundmaterial hat eine Plattenform und weist eine erste und eine zweite Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Das Verbundmaterial beinhaltet eine Vielzahl von ersten Schichten und mindestens eine zweite Schicht. Die ersten Schichten und die zweite Schicht sind alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials geschichtet, so dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind. Jede der ersten Schichten ist eine Schicht, die Kupfer beinhaltet. Die zweite Schicht ist eine Schicht aus einem Molybdän-Pulverpresskörper, der mit Kupfer imprägniert ist. Auf die erste Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und die erste Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, wirkt jeweils eine Druckeigenspannung von 50 MPa oder weniger.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verbundmaterial, eine Halbleiterbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials. Die vorliegende Anmeldung beansprucht eine Priorität basierend auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-214612 , die am 24. Dezember 2020 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung wird hier durch Bezugnahme aufgenommen.
STAND DER TECHNIK
PTL 1 (Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2019-96654 ) beschreibt eine Wärmestrahlungsplatte. Die in PTL 1 beschriebene Wärmestrahlungsplatte hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Die in PTL 1 beschriebene Wärmestrahlungsplatte hat eine Vielzahl von Kupferschichten und eine Vielzahl von Kupfer-Molybdän-Schichten. Die Kupferschichten und die Kupfer-Molybdän-Schichten sind alternierend entlang einer Dickenrichtung der Wärmestrahlungsplatte geschichtet, so dass die Kupferschichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche der Wärmestrahlungsplatte lokalisiert sind. Die in PTL 1 beschriebene Wärmestrahlungsplatte wird durch Löten mit einem Baugruppenelement verbunden.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR
PTL 1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2019-96654
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verbundmaterial der vorliegenden Offenbarung hat eine Plattenform und weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Das Verbundmaterial beinhaltet: eine Vielzahl von ersten Schichten; und mindestens eine zweite Schicht. Die ersten Schichten und die zweite Schicht sind alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials geschichtet, so dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind. Jede der ersten Schichten ist eine Schicht, die Kupfer beinhaltet. Die zweite Schicht ist eine Schicht aus einem Molybdän-Pulverpresskörper, der mit Kupfer imprägniert ist. Auf die erste Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und die erste Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, wirkt jeweils eine Druckeigenspannung von 50 MPa oder weniger.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbundmaterials 10.
2 ist ein Querschnitt durch II-II von 1.
3A ist ein erstes erläuterndes Diagramm eines Verfahrens zur Anfertigung einer Probe für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in einer Dickenrichtung des Verbundmaterials 10.
3B ist ein zweites erklärendes Diagramm des Verfahrens zur Anfertigung der Probe für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung des Verbundmaterials 10.
3C ist ein drittes erklärendes Diagramm des Verfahrens zur Anfertigung der Probe für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung des Verbundmaterials 10.
4 ist ein erläuterndes Diagramm zu einem Verfahren zur Bewertung der Wärmestrahlungsleistung von Verbundmaterial 10.
5 ist ein Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Verbundmaterial 10.
6 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Schichtstruktur 20.
7 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Halbleiterbaugruppe 100.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
[Problem, das durch die vorliegende Offenbarung gelöst werden soll]
Nach einer Erkenntnis der vorliegenden Erfinder entsteht bei der in PTL 1 beschriebenen Wärmestrahlungsplatte beim Löten durch Wärmeeinwirkung ein Riss zwischen einer Kupferschicht und einer Kupfer-Molybdän-Schicht, was zu einem erhöhten linearen Ausdehnungskoeffizienten führt.
Die vorliegende Offenbarung stellt bereit: ein Verbundmaterial, das einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufrechterhalt kann, selbst nachdem Wärme zum Löten zugeführt wird; eine Halbleiterbaugruppe, die das Verbundmaterial verwendet; und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials.
[Vorteilhafter Effekt der vorliegenden Offenlegung]
Gemäß dem Verbundmaterial der vorliegenden Offenbarung können ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auch nach dem Erwärmen zum Löten aufrechterhalten werden.
[Beschreibung der Ausführungsformen]
Zunächst werden die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aufgeführt und beschrieben.

(1) Ein Verbundmaterial nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat eine Plattenform und weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Das Verbundmaterial beinhaltet: eine Vielzahl von ersten Schichten; und mindestens eine zweite Schicht. Die ersten Schichten und die zweite Schicht sind alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials geschichtet, so dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind. Jede der ersten Schichten ist eine Schicht, die Kupfer beinhaltet. Die zweite Schicht ist eine Schicht aus einem Molybdän-Pulverpresskörper, der mit Kupfer imprägniert ist. Auf die erste Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und die erste Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, wirkt jeweils eine Druckeigenspannung von 50 MPa oder weniger.

Da in dem Verbundmaterial (1) die Druckeigenspannung, die auf jede von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, gering ist, wird jede der ersten Schichten nicht stark verformt, selbst wenn die Druckeigenspannung zum Zeitpunkt des Aufbringens von Wärme zum Löten freigesetzt wird, mit dem Ergebnis, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass ein Riss an einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht erzeugt wird. Daher kann gemäß dem Verbundmaterial von (1) auch nach dem Erwärmen zum Löten ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient aufrechterhalt werden.
(2) In dem Verbundmaterial von (1) kann ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, nachdem es für 15 Minuten bei 800°C gehalten wurde, 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C kann 230 W/m·K oder mehr betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (2) können ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auch nach dem Erwärmen zum Löten aufrechterhalt werden.
(3) In dem Verbundmaterial von (1) oder (2) kann die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schicht 5 oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C kann 261 W/m·K oder mehr betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (3) kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit nach dem Erwärmen zum Löten aufrechterhalten werden.
(4) In dem Verbundmaterial von (1) bis (3) kann ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 800°C geändert wird, bevor es für 15 Minuten bei 800°C gehalten wird, 7,5 ppm/K oder mehr und 8,5 ppm/K oder weniger betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (4) kann beim Löten eines Gehäuseelements an das Verbundmaterial die Entstehung eines Risses im Lötmaterial aufgrund einer Differenz zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuseelements unterdrückt werden.
(5) In dem Verbundmaterial von (1) bis (4) kann jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 25% oder weniger einer Dicke des Verbundmaterials betragen. Die Dicke der zweiten Schicht kann mehr als 10% der Dicke des Verbundmaterials betragen. Das Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht kann 55% oder mehr betragen. Das Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial kann mehr als 13% und weniger als 43% betragen.
(6) In dem Verbundmaterial von (1) bis (5) kann ein Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 90% oder mehr betragen. Die Dicken der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, können jeweils 15% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials betragen.
In dem Verbundmaterial von (6) kann eine Temperaturdifferenz zwischen einem zentralen Abschnitt der ersten Oberfläche (zweiten Oberfläche) und einem Endabschnitt der ersten Oberfläche (zweiten Oberfläche) verringert werden.
(7) In dem Verbundmaterial von (1) bis (6) kann eine Dicke der zweiten Schicht 18% oder mehr einer Dicke des Verbundmaterials betragen. Eine Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C geändert wird, kann 0,3 ppm/K oder weniger betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (7) kann die Verschlechterung des linearen Ausdehnungskoeffizienten durch die Wärmezufuhr zum Löten weiter unterdrückt werden.
(8) Ein Verbundmaterial nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat eine Plattenform und weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Das Verbundmaterial beinhaltet eine Vielzahl von ersten Schichten und mindestens eine zweite Schicht. Die ersten Schichten und die zweite Schicht sind alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials geschichtet, so dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind. Jede der ersten Schichten ist eine Schicht, die Kupfer beinhaltet. Die zweite Schicht ist eine Schicht aus einem Molybdän-Pulverpresskörper, der mit Kupfer imprägniert ist. In dem Verbundmaterial beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, nachdem es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde, 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C beträgt 230 W/m·K oder mehr.
Gemäß dem Verbundmaterial von (8) können ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auch nach dem Erwärmen zum Löten aufrechterhalten werden.
(9) In dem Verbundmaterial von (8) kann der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in der Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von der Raumtemperatur auf 800°C geändert wird, bevor es für 15 Minuten bei 800°C gehalten wird, 7,5 ppm/K oder mehr und 8,5 ppm/K oder weniger betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (9) kann beim Löten eines Gehäuseelements an das Verbundmaterial das Entstehen eines Risses im Lötmaterial aufgrund einer Differenz zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuseelements unterdrückt werden.
(10) In dem Verbundmaterial von (8) oder (9) kann die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schicht 5 oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C kann 261 W/m·K oder mehr betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (10) kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalt werden, nachdem Wärme zum Löten aufgebracht wurde.
(11) In dem Verbundmaterial von (8) bis (10) kann jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 25% oder weniger einer Dicke des Verbundmaterials betragen. Eine Dicke der zweiten Schicht kann mehr als 10% der Dicke des Verbundmaterials betragen. Ein Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht kann 55% oder mehr betragen. Ein Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial kann mehr als 13% und weniger als 43% betragen.
(12) In dem Verbundmaterial von (8) bis (11) kann ein Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 90% oder mehr betragen. Die Dicken der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, können jeweils 15% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials betragen.
In dem Verbundmaterial von (12) kann eine Temperaturdifferenz zwischen einem zentralen Abschnitt der ersten Oberfläche (zweiten Oberfläche) und einem Endabschnitt der ersten Oberfläche (zweiten Oberfläche) verringert werden.
(13) In dem Verbundmaterial von (8) bis (12) kann eine Dicke der zweiten Schicht 18% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials betragen. Eine Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in der Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von der Raumtemperatur auf 200°C vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C geändert wird, kann 0,3 ppm/K oder weniger betragen.
Gemäß dem Verbundmaterial von (13) kann die Verschlechterung des linearen Ausdehnungskoeffizienten durch das Erwärmen zum Löten weiter unterdrückt werden.
(14) Eine Halbleiterbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: ein Verbundmaterial mit einer Plattenform, wobei das Verbundmaterial eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; und ein Gehäuseelement, das an eine der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche gelötet ist. Das Verbundmaterial weist eine Vielzahl von ersten Schichten und mindestens eine zweite Schicht auf. Die ersten Schichten und die zweite Schicht sind alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials geschichtet, so dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind. Jede der ersten Schichten ist eine Schicht, die Kupfer beinhaltet. Die zweite Schicht ist eine Schicht aus einem mit Kupfer imprägnierten Molybdän-Pulverpresskörper. Ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, beträgt 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger. Eine Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung beträgt 230 W/m·K oder mehr.
Gemäß der Halbleiterbaugruppe von (14) können ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials auch nach dem Erwärmen beim Löten aufrechterhalt werden.
(15) In der Halbleiterbaugruppe von (14) kann eine Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schicht 5 oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C kann 261 W/m·K oder mehr betragen.
Gemäß der Halbleiterbaugruppe von (15) kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials nach dem Erwärmen zum Löten aufrechterhalten werden.
(16) In der Halbleiterbaugruppe von (14) oder (15) kann jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 25% oder weniger einer Dicke des Verbundmaterials betragen. Eine Dicke der zweiten Schicht kann mehr als 10% der Dicke des Verbundmaterials betragen. Ein Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht kann 55% oder mehr betragen. Ein Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial kann mehr als 13% und weniger als 43% betragen.
(17) In der Halbleiterbaugruppe von (14) bis (16) kann ein Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 90% oder mehr betragen. Jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, kann 15% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials betragen.
Gemäß der Halbleiterbaugruppe von (17) kann eine Temperaturdifferenz zwischen einem zentralen Abschnitt der ersten Oberfläche (zweiten Oberfläche) und einem Endabschnitt der ersten Oberfläche (zweiten Oberfläche) verringert werden.
(18) In dem Verbundmaterial von (14) bis (17) kann eine Dicke der zweiten Schicht 18% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials betragen. Eine Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in der Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von der Raumtemperatur auf 200°C vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C geändert wird, kann 0,3 ppm/K oder weniger betragen.
Gemäß der Halbleiterbaugruppe von (18) kann die Verschlechterung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials durch die Wärmezufuhr zum Löten weiter unterdrückt werden.
(19) Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: Anfertigen einer Schichtstruktur; Erwärmen der Schichtstruktur; und Walzen der Schichtstruktur in einem erwärmten Zustand. Die Schichtstruktur hat eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche. Die Schichtstruktur weist eine Vielzahl von ersten Plattenelementen und mindestens ein zweites Plattenelement auf. Die ersten Plattenelemente und das zweite Plattenelement sind alternierend entlang einer Dickenrichtung der Schichtstruktur angeordnet, so dass die ersten Plattenelemente an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind. Jedes der ersten Plattenelemente beinhaltet Kupfer. Das zweite Plattenelement ist ein Molybdänpulver, das mit Kupfer imprägniert ist.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials in (19) kann ein Verbundmaterial erhalten werden, das auch nach dem Erwärmen zum Löten einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufrechterhalt kann.
[Details der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
Details der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den nachstehend beschriebenen Figuren sind gleiche oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die gleiche Erklärung wird nicht wiederholt.
(Erste Ausführungsform)
Es wird ein Verbundmaterial (im Folgenden als „Verbundmaterial 10“ bezeichnet) nach einer ersten Ausführungsform beschrieben.
<Konfiguration des Verbundmaterials 10>
1 ist eine perspektivische Ansicht des Verbundmaterials 10. 2 ist eine Querschnittsansicht bei II-II von 1. Wie in 1 und 2 gezeigt, hat das Verbundmaterial 10 eine Plattenform. Das Verbundmaterial 10 weist eine erste Oberfläche 10a und eine zweite Oberfläche 10b auf. Die zweite Oberfläche 10b liegt der ersten Oberfläche 10a in der Dickenrichtung des Verbundmaterials 10 gegenüber.
Die Dicke des Verbundmaterials 10 ist als Dicke T1 definiert. Die Dicke T1 ist ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 10a und der zweiten Oberfläche 10b. Im Folgenden kann eine Richtung orthogonal zur Dickenrichtung des Verbundmaterials 10 (Richtung parallel zur ersten Oberfläche 10a und zur zweiten Oberfläche 10b) als In-Layer-Richtung bezeichnet werden.
Das Verbundmaterial 10 weist eine Vielzahl von ersten Schichten 11 und mindestens eine zweite Schicht 12 auf. Die Gesamtzahl der ersten Schichten 11 und der zweiten Schicht 12 beträgt 3 oder mehr. Die ersten Schichten 11 und die zweite Schicht 12 sind alternierend entlang der Dickenrichtung des Verbundmaterials 10 geschichtet. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, kann man sagen, dass die zweite Schicht 12 zwischen zwei ersten Schichten 11 angeordnet ist.
Die ersten Schichten 11 sind auf der ersten Oberfläche 10a und der zweiten Oberfläche 10b lokalisiert. Die erste Schicht 11, die an der ersten Oberfläche 10a lokalisiert ist, kann als erste Schicht 11a bezeichnet werden, und die erste Schicht 11, die an der zweiten Oberfläche 10b lokalisiert ist, kann als erste Schicht 11b bezeichnet werden.
Die Dicke jeder der ersten Schichten 11 ist als Dicke T2 definiert. Die Dicke T2 der ersten Schicht 11a und die Dicke T2 der ersten Schicht 11b betragen bevorzugt jeweils 15% oder mehr der Dicke T1. Die Dicke T2 der ersten Schicht 11a und die Dicke T2 der ersten Schicht 11b betragen z. B. jeweils 25% oder weniger der Dicke T1.
Jede der ersten Schichten 11 ist eine Schicht, die Kupfer beinhaltet. Die erste Schicht 11 kann neben dem Kupfer auch Molybdän beinhalten. Das Volumenverhältnis des Kupfers in jeder der ersten Schichten 11 beträgt z. B. 80% oder mehr. Das Volumenverhältnis des Kupfers in jeder der ersten Schichten 11 beträgt bevorzugt 90% oder mehr. Jede der ersten Schichten 11 kann aus reinem Kupfer bestehen (das Volumenverhältnis des Kupfers in jeder der ersten Schichten 11 kann 100% betragen).
Die auf die erste Schicht 11a wirkende Druckeigenspannung und die auf die erste Schicht 11b wirkende Druckeigenspannung betragen jeweils 50 MPa oder weniger. Die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a wirkt, und die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11b wirkt, betragen bevorzugt jeweils 40 MPa oder weniger. Die auf die erste Schicht 11a wirkende Druckeigenspannung und die auf die erste Schicht 11b wirkende Druckeigenspannung werden jeweils mit einem Röntgenbeugungsverfahren (genauer gesagt, einem sin²φ-Verfahren) gemessen.
Zur Anfertigung der Proben für die Messung der Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a (erste Schicht 11b) wirkt, werden zunächst Messproben mit einer Breite von jeweils 1 mm und einer Länge von 5 mm aus dem Verbundmaterial 10 ausgeschnitten. Die Breitenrichtung und die Längenrichtung jeder der Messproben sind orthogonal zur Dickenrichtung des Verbundmaterials 10.
Zweitens werden 20 Messproben in Kontakt miteinander auf einer Ebene angeordnet. Dabei ist jede der Messproben so angeordnet, dass ihr Querschnitt parallel zur Dickenrichtung des Verbundmaterials 10 nach oben zeigt. Außerdem sind die Messproben dabei in zwei Reihen in Längsrichtung der Messprobe angeordnet.
Drittens werden die oberen Oberflächen der angeordneten Messproben poliert. Dieses Polieren wird durchgeführt, um eine Höhendifferenz von 0,1 mm oder weniger zwischen den oberen Oberflächen der jeweiligen Messproben zu erreichen. Die Eigenspannung wird mit sin²φ Verfahren gemessen, indem die oberen Oberflächen der so angefertigten Messproben mit Röntgenstrahlen (CuKα-Strahlen) bestrahlt werden.
Die zweite Schicht 12 ist eine Schicht aus einem Kupfer-Molybdänimprägnierten Material. Das Kupfer-Molybdän-imprägnierte Material ist ein Material, das durch Füllen der Poren eines Molybdän-Pulverpresskörpers (erhalten durch Komprimieren und Formen eines Molybdänpulvers) mit Kupfer und anschließendes Walzen erhalten wird. Bevorzugt beträgt das Volumenverhältnis des Molybdäns in der zweiten Schicht 12 55% oder mehr. Das Volumenverhältnis des Molybdäns in der zweiten Schicht 12 beträgt zum Beispiel 85% oder weniger.
Die Dicke der zweiten Schicht 12 ist als Dicke T3 definiert. Die Dicke T3 beträgt bevorzugt mehr als 10% der Dicke T1. Die Dicke T3 beträgt z.B. 35% oder weniger der Dicke T1. Die Dicke T3 und das Volumenverhältnis des Molybdäns in der zweiten Schicht 12 werden bevorzugt so eingestellt, dass das Volumenverhältnis des Molybdäns im Verbundmaterial 10 mehr als 13% und weniger als 43% beträgt. Die Dicke T3 beträgt bevorzugt 18% oder mehr und 35% oder weniger der Dicke T1.
Ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur des Verbundmaterials 10 von 27°C (im Folgenden als „Raumtemperatur“ bezeichnet) auf 200°C geändert wird, nachdem es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde, beträgt bevorzugt 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung wird auf der Grundlage einer Ausdehnungsverschiebung des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung gemessen, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, weil eine Betriebstemperatur einer Halbleiterbaugruppe, in der das Verbundmaterial 10 verwendet werden soll, berücksichtigt wird. Außerdem wird der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C gemessen, da die Wärmezufuhr beim Löten des Verbundmaterials 10 berücksichtigt wird.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur des Verbundmaterials 10 von Raumtemperatur auf 800°C geändert wird, bevor es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wird, beträgt bevorzugt 7,5 ppm/K oder mehr und 8,5 ppm/K oder weniger. Dies erfolgt unter Berücksichtigung, dass ein Gehäuseelement, das an das Verbundmaterial 10 gelötet werden soll, häufig aus Aluminiumoxid zusammengesetzt ist und der lineare Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid bei einer Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 800°C etwa 8 ppm/K beträgt.
Ein Betrag der Änderung (des Anstiegs) des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur des Verbundmaterials 10 vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C von Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, beträgt bevorzugt 0,3 ppm/K oder weniger.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 200°C (800°C) geändert wird, wird durch Messung der Ausdehnungsverschiebung des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung mit dem TD5000SA (hergestellt von Bruker AXS) berechnet, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 200°C (800°C) geändert wird. Bei der Berechnung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, ist die planare Form des Verbundmaterials 10 eine viereckige Form von 3 mm × 15 mm. Der gemessene Wert ist ein Durchschnittswert von drei Proben.
Wenn die Größe des zu bewertenden Verbundmaterials 10 kleiner als 3 mm × 15 mm ist, kann der lineare Ausdehnungskoeffizient mit Hilfe eines Röntgenbeugungsverfahrens berechnet werden. Wenn mehrere Verbundmaterialien 10 in Form von kleinen Teilen zusammengefügt werden, um ihre Wärmestrahlungsflächen in derselben Ebene anzuordnen, wird die Fläche der Wärmestrahlungsflächen 100 mm² oder mehr. Die Wärmestrahlungsflächen der zusammengefügten Verbundmaterialien 10 sollten eine viereckige Form mit einer Seitenlänge von etwa 10 mm oder mehr aufweisen. Durch Bestrahlung der Wärmestrahlungsflächen mit Röntgenstrahlen bei Raumtemperatur und 800°C wird ein Beugungswinkel (2θ) aus einem Beugungspeak ermittelt, der Cu(331) entspricht. Unter Verwendung der folgenden Formel kann gemäß dem Beugungswinkel ein Verhältnis der Änderung des Gitterabstands als der lineare Ausdehnungskoeffizient verwendet werden. Bei Anisotropie in der Ebene des Materials werden die Proben so angeordnet, dass die Richtung für die Messung des linearen Ausdehnungskoeffizienten parallel zur Einfallsebene der Röntgenstrahlen liegt. Die Berechnungsformel für den linearen Ausdehnungskoeffizienten bei einer Raumtemperatur von 25°C lautet wie folgt: $\begin{array}{l} (Linear Ausdehnungskoeffizient) = (1 /sin (θ bei 800 ° C) - 1 /sin (θ bei \\ 25 ° C)) \times sin (θ bei 2 5 ° C) / (800 - 25) . \end{array}$
Dabei ist θ bei 25°C 1/2 des Beugungswinkels 2θ, wenn die Messung bei 25°C durchgeführt wird, und θ bei 800°C ist 1/2 des Beugungswinkels 2θ, wenn die Messung bei 800°C durchgeführt wird.
Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C beträgt bevorzugt 230 W/m·K oder mehr. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C beträgt stärker bevorzugt 261 W/m·K oder mehr. Die Wärmeleitfähigkeit wird bei der Raumtemperatur gemessen. Es ist zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C gemessen wird, weil die Wärmezufuhr beim Löten auf das Verbundmaterial 10 berücksichtigt wird.
Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung wird mit einem Laser-Flash-Verfahren gemessen. Genauer gesagt wird der Wärmediffusionskoeffizient des Verbundmaterials 10 mit dem LFA457 MicroFlash (hergestellt von NETZSCH) gemessen, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung wird auf der Grundlage des Wärmediffusionskoeffizienten sowie des Volumenverhältnisses und der spezifischen Wärme jedes Bestandteilmaterials des Verbundmaterials 10 berechnet.
Bei der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung wird das Verbundmaterial 10 so geschnitten, dass es eine kreisförmige, planare Form mit einem Durchmesser von 10 mm hat. Bei der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit wird die spezifische Wärme der einzelnen Bestandteilmaterialien auf der Grundlage von „Metal Databook, 4th edition“ (2004, Maruzen Publishing), herausgegeben vom Japan Institute of Metals and Materials, bestimmt. Außerdem wird vor der Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 die Wärmeleitfähigkeit einer Probe aus reinem Kupfer mit der gleichen Form unter den gleichen Bedingungen gemessen, und ein Ergebnis davon wird als Referenz verwendet, um ein Messergebnis der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 zu korrigieren.
3A ist ein erstes erklärendes Diagramm eines Verfahrens zur Anfertigung einer Probe für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung. Wie in 3A gezeigt, wird aus dem Verbundmaterial 10 ein dünnes Teil 15 ausgeschnitten, das als Messobjekt dient. Die Dicke, Länge und Breite des dünnen Teils 15 sind t (mm), B (mm) bzw. C (mm).
Eine Zahl, die man durch Aufrunden der Nachkommastelle(n) eines durch Division von 2 durch t erhaltenen Wertes erhält, wird als X definiert. Eine Zahl, die man durch Aufrunden der Nachkommastelle(n) eines durch Division von 10 durch B erhaltenen Wertes erhält, wird als Y1 definiert. Eine Zahl, die man durch Aufrunden der Nachkommastelle(n) eines Wertes erhält, der sich aus der Division von 10 durch C ergibt, wird als Y2 definiert. Aus dem Verbundmaterial 10, das als Messobjekt dient, wird eine Anzahl dünner Teile 15 ausgeschnitten, die dem Produkt aus X, Y1 und Y2 entspricht.
3B ist ein zweites erklärendes Diagramm des Verfahrens zur Anfertigung der Probe für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung. Wie in 3B gezeigt, wird ein Block 16 aus X dünnen Teilen 15 hergestellt. Die Dicke, Länge und Breite des Blocks 16 betragen etwa 2 (mm), B (mm) bzw. C (mm). Bei der Herstellung des Blocks 16 werden zunächst X dünne Teile 15 gestapelt. Dabei wird ein amorphes Pulver, das aus reinem Silber zusammengesetzt ist und eine durchschnittliche Teilchengröße von 4 µm aufweist, zwischen benachbarte dünne Teile 15 platziert. Die Menge des amorphen Pulvers zwischen benachbarten dünnen Teilen 15 beträgt 0,2 g±30% pro 100 mm².
Bei der Herstellung des Blocks 16 wird zweitens eine Form (nicht dargestellt), mit einer viereckigen Form und die mit einer Öffnung von B (mm) × C (mm) ausgestattet ist, angefertigt, und in die Öffnung werden gestapelte dünne Teile 15 platziert. Die Form ist aus Graphit zusammengesetzt. Bei der Herstellung des Blocks 16 werden drittens die gestapelten dünnen Teile 15 einer Wärmebehandlung unter Anwendung einer Last P unterzogen. Die Last P beträgt 4,9 N oder mehr und 9,8 N oder weniger. Die Wärmebehandlung erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre. Die Wärmebehandlung wird bei einer Haltetemperatur von 900°C und einer Haltezeit von 10 Minuten durchgeführt. Durch die Wärmebehandlung wird das amorphe Pulver erweicht und verformt, so dass benachbarte dünne Teile 15 aneinander haften, wodurch der Block 16 entsteht.
3C ist ein drittes erklärendes Diagramm des Verfahrens zur Herstellung der Probe für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung. Wie in 3C gezeigt, wird eine Messprobe 17 mit einer Höhe von ca. 10 mm, einer Breite von ca. 10 mm und einer Dicke von ca. 2 mm hergestellt, indem Y1-Blöcke 16 in Reihen und Y2-Blöcke 16 in Spalten angeordnet werden. Bei der Anordnung von Y1-Blöcken 16 in Reihen und Y2-Blöcken 16 in Spalten werden benachbarte Blöcke 16 durch ein Haftelement aneinander gehaftet. Als Haftelement wird ein Element verwendet, das einer Temperatur von bis zu etwa 800°C standhält, z. B. eine Silberlötfolie oder ein keramisches Haftmittel. Die in Reihen angeordneten Y1-Blöcke 16 und die in Spalten angeordneten Y2-Blöcke 16 können durch Aufwickeln eines Edelstahldrahtes oder dergleichen um ihre Außenränder befestigt werden.
Die Temperaturdifferenz zwischen den Endabschnitten des Verbundmaterials 10 beträgt bevorzugt 50°C oder weniger. 4 ist ein erklärendes Diagramm eines Verfahrens zur Bewertung der Wärmestrahlungsleistung des Verbundmaterials 10. 4 zeigt schematisch einen Zustand von einer Seitenfläche des Verbundmaterials 10 aus gesehen. Das Verbundmaterial 10 ist in eine viereckige Form geschnitten, die eine Länge von 10 mm und eine Breite von 10 mm aufweist, wenn man sie in einer Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 10a betrachtet. Ein Heizelement 90 wird mit dem Zentrum der ersten Oberfläche 10a des zugeschnittenen Verbundmaterials 10 in Kontakt gebracht. Das Heizelement 90 hat eine viereckige Form mit einer Länge von 10 mm und einer Breite von 10 mm, wenn man es in der Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 10a betrachtet. Die vom Heizelement 90 erzeugte Wärmemenge beträgt 50 W.
Eine Aluminiumlamelle 80 wird mit Silikonöl (G-751 von Shin-Etsu Chemical) auf die zweite Oberfläche 10b des zugeschnittenen Verbundmaterials 10 angehaftet. Dieses Anhaften erfolgt durch Aufbringen einer Last von 9,8 N, wobei das Silikonöl zwischen der zweiten Oberfläche 10b des zugeschnittenen Verbundmaterials 10 und der Aluminiumlamelle 80 angeordnet wird.
Eine Temperatur an der Grenzfläche zwischen der ersten Oberfläche 10a des zugeschnittenen Verbundmaterials 10 und dem Heizelement 90 wird als eine erste Temperatur definiert. Eine Temperatur an einem Endabschnitt (Eckabschnitt) der ersten Oberfläche 10a des zugeschnittenen Verbundmaterials 10 wird als eine zweite Temperatur definiert. Eine Temperatur an der Grenzfläche zwischen der zweiten Oberfläche 10b des zugeschnittenen Verbundmaterials 10 und der Aluminiumlamelle 80 wird als eine 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 beträgt. Eine Umgebungstemperatur als Messumgebung wird auf 25°C±5°C eingestellt.
Eine Differenz (erste Temperatur - zweite Temperatur) zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur nach dem Verstreichen von 30 Sekunden oder mehr nachdem das Heizelement 90 mit der ersten Oberfläche 10a des geschnittenen Verbundmaterials 10 in Kontakt gebracht wurde und die Temperatur in einen stabilen Zustand übergeht, ist die Endabschnitt-Temperaturdifferenz des Verbundmaterials 10. Die Endabschnitt-Temperaturdifferenz wird zehnmal gemessen, und es wird ein Durchschnittswert gebildet. Das heißt, die Endabschnitt-Temperaturdifferenz des Verbundmaterials 10 ist die Differenz zwischen der Temperatur am Endabschnitt (Eckabschnitt) der ersten Oberfläche 10a und der Temperatur an dem Bereich der ersten Oberfläche 10a, an dem das Heizelement 90 in Kontakt mit der ersten Oberfläche 10a ist, wobei die Aluminiumlamelle 80 an der zweiten Oberfläche 10b haftet. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen den Endabschnitten kleiner ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung besser.
<Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterial 10>
5 ist ein Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Verbundmaterial 10. Wie in 5 dargestellt, umfasst ein Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterial 10 einen Anfertigungsschritt S1, einen Erwärmungsschritt S2 und einen Walzschritt S3.
Im Anfertigungsschritt S1 wird eine Schichtstruktur 20 hergestellt. 6 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Schichtstruktur 20. Wie in 6 gezeigt, weist die Schichtstruktur 20 eine Vielzahl von ersten Plattenelementen 21 und mindestens ein zweites Plattenelement 22 auf. Jedes der ersten Plattenelemente 21 ist aus dem gleichen Material wie dem der ersten Schicht 11 zusammengesetzt, und das zweite Plattenelement 22 ist aus dem gleichen Material wie dem der zweiten Schicht 12 zusammengesetzt. Die ersten Plattenelemente 21 und die zweiten Plattenelemente 22 sind alternierend entlang der Dickenrichtung der Schichtstruktur 20 angeordnet.
Die Seitenflächen der Schichtstruktur 20 sind mit demselben Material wie dem des ersten Plattenelements 21 bedeckt, wodurch die Schichtstruktur 20 fixiert wird, um zu verhindern, dass jede Schicht in Richtung einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung bewegt wird. Das Verfahren zur Fixierung ist nicht auf dieses Verfahren beschränkt, und die Fixierung kann durch ein Verfahren wie z. B. ein Verfahren zur Bereitstellung eines Durchgangslochs und Fixieren mit einer Niete durchgeführt werden. Ferner können die Schichten auf einem anderen Plattenelement befestigt werden, um zu verhindern, dass die Schichten relativ zueinander bewegt werden.
Im Erwärmungsschritt S2 wird die Schichtstruktur 20, in der die Schichten fixiert sind, erwärmt. Bei dieser Wärmebehandlung wird die Schichtstruktur 20 in einer Wasserstoffatmosphäre auf eine bestimmte Temperatur erwärmt. Diese bestimmte Temperatur ist eine Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Kupfer liegt. Diese bestimmte Temperatur beträgt z. B. 900°C.
Der Walzschritt S3 wird nach dem Erwärmungsschritt S2 durchgeführt. Im Walzschritt S3 wird die Schichtstruktur 20 durch eine Walze geführt. Auf diese Weise werden die ersten Plattenelemente 21 und das zweite Plattenelement 22 während des Walzens miteinander verbunden, wodurch das Verbundmaterial 10 mit der in 1 und 2 gezeigten Struktur hergestellt wird. Das heißt, im Verbundmaterial 10 werden die ersten Schichten 11 und die zweite Schicht 12 durch ein Heißwalzverfahren miteinander verbunden.
<Effekte des Verbundmaterials 10>
Wenn ein Verbundmaterial mit einer Plattenform mit Schichten, die Kupfer beinhalten (im Folgenden als „Kupferschichten“ bezeichnet), und einer Schicht, die Molybdän und Kupfer beinhaltet (im Folgenden als „Kupfer-Molybdän-Schicht“ bezeichnet), die alternierend geschichtet sind, als Wärmeverteiler einer Halbleiterbaugruppe verwendet wird, wird ein Gehäuseelement durch Löten an einer Oberfläche des Verbundmaterials angebracht. Während des Lötens wird in der Regel etwa 15 Minuten lang eine Wärme von etwa 800°C angewendet.
In dem oben beschriebenen Verbundmaterial werden die Kupferschichten und die Kupfer-Molybdän-Schicht normalerweise durch ein Diffusionsbondverfahren miteinander verbunden. Infolgedessen wirkt eine große Druckeigenspannung auf jede der Kupferschichten. Die Kupferschicht wird beim Löten durch Wärmezufuhr erweicht. Die auf die Kupferschicht wirkende Druckeigenspannung wird durch die Erweichung der Kupferschicht freigesetzt, so dass die Kupferschicht stark verformt wird und ein Riss in der Verbindungsfläche zwischen der Kupferschicht und der Kupfer-Molybdän-Schicht entsteht. Dieser Riss führt zu einem erhöhten linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in der In-Layer-Richtung.
Im Verbundmaterial 10 werden die erste Schicht 11 und die zweite Schicht 12 durch das Heißwalz-Bonding-Verfahren miteinander verbunden. Beim Verbinden unter Verwendung des Heißwalz-Bonding-Verfahrens wird das Abkühlen durchgeführt, während ein Zustand aufrechterhalten wird, in dem die Temperatur der ersten Schicht 11 höher ist als die Temperatur der zweiten Schicht 12, weil die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Molybdän, mit dem Ergebnis, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass eine Dehnung in der Nähe der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht 12 bleibt.
Daher wird bei dem Verbundmaterial 10 verhindert, dass nach dem Löten des Gehäuseelements ein Riss an der Verbindungsstelle zwischen der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht 12 entsteht. Das heißt, dass gemäß dem Verbundmaterial 10 der lineare Ausdehnungskoeffizient in der In-Layer-Richtung auch nach dem Löten des Gehäuseelements niedrig gehalten wird.
In dem Fall, in dem der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur des Verbundmaterials 10 von der Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, nachdem es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde, 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger beträgt, und in dem die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung 230 W/m·K oder mehr (bevorzugt 261 W/m·K oder mehr) beträgt, kann der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung reduziert werden, während die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung auch nach dem Löten des Gehäuseelements erhalten bleibt.
Wenn die Dicke T2 der ersten Schicht 11a und die Dicke T2 der ersten Schicht 11b jeweils 15% oder mehr der Dicke T1 beträgt und das Volumenverhältnis des Kupfers in der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b jeweils 90% oder mehr beträgt, ist es wahrscheinlich, dass sich die Wärme entlang der In-Layer-Richtung sowohl auf der Seite der ersten Oberfläche 10a als auch auf der Seite der zweiten Oberfläche 10b verteilt. Daher kann in diesem Fall die Temperaturdifferenz zwischen den Endabschnitten verringert werden.
Molybdän hat einen kleineren linearen Ausdehnungskoeffizienten als Kupfer und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer. Daher ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung kleiner und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung geringer, wenn das Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial 10 größer ist. Wenn die Dicke T3 größer ist, ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung kleiner und der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in In-Layer-Richtung kleiner. Je größer das Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 12 ist, desto kleiner ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung und desto kleiner ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung.
Außerdem hat Kupfer einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als Molybdän und eine größere Wärmeleitfähigkeit als Molybdän. Daher ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung größer und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung größer, wenn die Dicke T2 der ersten Schicht 11a und die Dicke T2 der ersten Schicht 11b jeweils größer ist.
Als Ergebnis sorgfältiger Untersuchungen der vorliegenden Erfinder kann in dem Fall, in dem das Volumenverhältnis von Molybdän mehr als 13% und weniger als 43% beträgt, in dem die Dicke T3 mehr als 10% der Dicke T1 beträgt, in dem das Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 12 55% oder mehr beträgt, und in dem die Dicke T2 der ersten Schicht 11a und die Dicke T2 der ersten Schicht 11b jeweils 25% oder weniger der Dicke T1 beträgt, der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung verringert werden, während die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung auch nach dem Löten des Gehäuseelements erhalten bleibt.
<Beispiele>
Die Proben 1 bis 37 wurden als Proben des Verbundmaterials angefertigt. Jede der Proben 1 bis 37 ist ein Verbundmaterial mit der in 2 dargestellten Struktur. Bei jeder der Proben 1 bis 30 sind die erste Schicht 11 und die zweite Schicht 12 nach dem Heißwalz-Bonding-Verfahren miteinander verbunden. Bei jeder der Proben 31 bis 37 werden die erste Schicht 11 und die zweite Schicht 12 mit Hilfe eines SPS-Verfahrens (Spark Plasma Sintering) miteinander verbunden. Das SPS-Verfahren ist ein Verfahren zum Verbinden einer Grenzfläche zwischen geformten Materialien wie etwa Metallen auf atomarer Ebene durch gleichzeitiges Joule-Erwärmen unter Stromzufuhr und Pressen mit einem Pressmechanismus und ermöglicht das Sintern und Verdichten eines Pulvermaterials sowie das Metallbonden (Diffusionsbonden) verschiedener Materialarten. Im vorliegenden Beispiel wird der letztgenannte Effekt ausgenutzt. Es ist zu bemerken, dass wenn das SPS-Verfahrens verwendet wird, die Schichtstruktur 20 in eine Graphitform mit einer röhrenförmigen Form platziert wird und die Schichtstruktur 20 auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und Druck unter Zufuhr von gepulstem Strom angewandt wird. Diese bestimmte Temperatur ist eine Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Kupfer liegt. Die bestimmte Temperatur beträgt z. B. 900°C. Für die angewandte Druckkraft wird eine Bedingung verwendet, sodass die relative Dichte des Verbundmaterials 99 Volumen-% oder mehr in einem solchen Ausmaß erreicht, dass die Haltbarkeit der Graphitform erhalten bleibt, und die angewandte Druckkraft kann durch entsprechende Erhöhung der Temperatur eingestellt werden, wenn sie bei der bestimmten Temperatur nicht erreicht werden kann.
Tabelle 1 zeigt jede der Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b, das Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b, die Dicke T3 der zweiten Schicht 12, das Volumenverhältnis des Molybdäns in der zweiten Schicht 12, die Anzahl der Schichten und die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b in jeder der Proben 1 bis 37 wirkt.
Obwohl in Tabelle 1 nicht gezeigt, beträgt die Dicke T1 in jeder der Proben 1 bis 37 1 mm. Ferner ist in jeder der Proben 1 bis 37 das Volumenverhältnis von Kupfer in einer ersten Schicht 11, die nicht die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b ist, 100%. Ferner ist die Dicke T2 der ersten Schicht 11, die nicht die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b ist, in Tabelle 1 nicht angegeben, da die Dicke T2 der ersten Schicht 11, die nicht die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b ist, normalerweise durch die Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b, der Dicke T3 der zweiten Schicht 12, der Anzahl der Schichten und der Dicke T1 bestimmt wird.
[Tabelle 1]

Tabelle 1

	Erste Schicht 11a und erste Schicht 11b			Zweite Schicht 12		Gesamtes Verbundmaterial
	Dicke T2 (mm)	Volumenverhältnis von Cu (%)	Druckeigenspannung (MPa)	Dicke T3 (mm)	Volumenverhältnis von Mo (%)	Anzahl der Schichten	Volumenverhältnis von Mo (%)
Probe 1	0,18	100	32	0,65	66	3	43
Probe 2	0,30	100	30	0,40	66	3	26
Probe 3	0,15	100	33	0,20	66	5	26
Probe 4	0,20	100	32	0,20	66	5	26
Probe 5	0,20	90	26	0,20	66	5	29
Probe 6	0,25	100	30	0,20	66	5	26
Probe 7	0,20	100	31	0,25	66	5	33
Probe 8	0,20	100	28	0,28	66	5	36
Probe 9	0,20	100	30	0,20	55	5	22
Probe 10	0,20	100	25	0,20	75	5	30
Probe 11	0,20	100	20	0,20	85	5	34
Probe 12	0,20	100	43	0,15	66	5	43
Probe 13	0,10	100	34	0,20	66	5	26
Probe 14	0,20	80	21	0,20	66	5	32
Probe 15	0,30	100	29	0,20	66	5	26
Probe 16	0,20	100	47	0,10	66	5	13
Probe 17	0,20	100	32	0,20	50	5	20
Probe 18	0,19	100	35	0,18	66	7	36
Probe 19	0,19	100	32	0,20	66	7	40
Probe 20	0,15	100	43	0,17	66	7	33
Probe 21	0,19	100	42	0,17	66	7	33
Probe 22	0,22	100	41	0,17	66	7	33
Probe 23	0,19	100	43	0,15	66	7	30
Probe 24	0,10	100	44	0,17	66	7	33
Probe 25	0,19	100	44	0,10	66	7	20
Probe 26	0,15	100	43	0,13	66	9	33
Probe 27	0,20	100	42	0,13	66	9	33
Probe 28	0,21	100	41	0,13	66	9	33
Probe 29	0,10	100	45	0,13	66	9	33
Probe 30	0,20	100	42	0,10	66	9	26
Probe 31	0,30	100	103	0,40	66	3	26
Probe 32	0,20	100	125	0,20	66	5	26
Probe 33	0,20	100	125	0,15	66	5	20
Probe 34	0,20	100	125	0,20	55	5	20
Probe 35	0,19	100	126	0,17	66	7	33
Probe 36	0,19	100	126	0,15	66	7	30
Probe 37	0,20	100	125	0,13	66	9	33

Eine Bedingung A ist definiert als eine Bedingung, bei der die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b wirkt, jeweils 50 MPa oder weniger beträgt. Die Proben 1 bis 30 erfüllten die Bedingung A, während die Proben 31 bis 37 die Bedingung A nicht erfüllten.
Eine Bedingung B ist definiert als eine Bedingung, bei der jede der Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b 25% oder weniger der Dicke T1 beträgt. Eine Bedingung C ist definiert als eine Bedingung, bei der das Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial mehr als 13% und weniger als 43% beträgt.
Eine Bedingung D ist definiert als eine Bedingung, bei der die Dicke T3 der zweiten Schicht 12 mehr als 10% der Dicke T1 beträgt. Eine Bedingung E ist definiert als eine Bedingung, bei der das Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 12 55% oder mehr beträgt.
Die Proben 3 bis 14, 18 bis 24 und 26 bis 29 erfüllten ferner die Bedingungen B, C, D und E. Die Proben 1, 2, 15 bis 17, 25 und 30 erfüllten dagegen mindestens eine der Bedingungen B, C, D und E nicht.
Eine Bedingung F ist definiert als eine Bedingung, bei der das Volumenverhältnis des Kupfers in jeder der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b 90% oder mehr beträgt. Eine Bedingung G ist definiert als eine Bedingung, bei der die Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b jeweils 15% oder mehr der Dicke T1 betragen.
Die Proben 3 bis 12, 18 bis 23 und 26 bis 28 erfüllten ferner die Bedingungen F und G. Die Proben 13, 14, 24 und 29 erfüllten dagegen mindestens eine der Bedingungen F und G nicht.
Eine Bedingung H ist definiert als eine Bedingung, bei der die Anzahl der ersten Schichten 11 und die Anzahl der zweiten Schicht(en) 12 5 oder mehr beträgt und die Dicke T3 18% oder mehr der Dicke T1 beträgt. Die Proben 3 bis 11, 18 und 19 erfüllten ferner die Bedingung H. Die Proben 12, 20 bis 23 und 26 bis 28 erfüllten dagegen die Bedingung H nicht.
Tabelle 2 zeigt die Messergebnisse des linearen Ausdehnungskoeffizienten in In-Layer-Richtung, der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung und eine Endabschnitt-Temperaturdifferenz von jeder der Proben 1 bis 37. Für den linearen Ausdehnungskoeffizienten wurden die folgenden linearen Ausdehnungskoeffizienten gemessen: ein linearer Ausdehnungskoeffizient („erster linearer Ausdehnungskoeffizient“ in Tabelle 2) in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 200°C geändert wurde, nachdem 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde; ein linearer Ausdehnungskoeffizient („zweiter linearer Ausdehnungskoeffizient“ in Tabelle 2) in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 200°C geändert wurde, bevor 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde; und ein linearer Ausdehnungskoeffizient („dritter linearer Ausdehnungskoeffizient“ in Tabelle 2) in der In-Layer-Richtung, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur auf 800°C geändert wurde, bevor sie 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde, wurden gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit wurde nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C gemessen.
[Tabelle 2]

Tabelle 2

	Erster linearer Expansionskoeffizient (ppm/K)	Zweiter linearer Expansionskoeffizient (ppm/K)	Dritter linearer Expansionskoeffizient (ppm/K)	Wärmeleitfähigkeit (W/m · K)	Endabschnitt-Temperaturdifferenz (°C)
Probe 1	8,2	8,1	7,6	233	48,2
Probe 2	9,6	9,4	8,3	258	39,4
Probe 3	9,0	8,8	7,7	313	49,9
Probe 4	9,2	9,0	7,9	316	46,4
Probe 5	8,7	8,6	7,7	304	48,2
Probe 6	9,3	9,2	8,0	320	42,9
Probe 7	8,9	8,7	7,8	306	46,4
Probe 8	8,3	8,2	7,5	261	46,4
Probe 9	9,5	9,3	8,0	328	46,4
Probe 10	8,9	8,7	7,7	308	46,4
Probe 11	8,5	8,3	7,6	304	46,4
Probe 12	9,9	9,4	8,4	332	46,4
Probe 13	8,7	8,5	7,6	309	53,4
Probe 14	8,6	8,5	7,7	301	50,6
Probe 15	11,1	10,5	8,9	323	39,4
Probe 16	10,9	10,4	8,6	340	46,4
Probe 17	10,4	10,3	8,6	332	46,4
Probe 18	9,0	8,8	7,9	300	47,1
Probe 19	8,8	8,6	7,9	295	47,1
Probe 20	9,4	8,7	7,9	302	49,9
Probe 21	9,7	8,9	8,0	304	47,1
Probe 22	9,8	9,0	8,0	306	45,0
Probe 23	9,9	9,0	8,0	309	47,1
Probe 24	9,2	8,7	7,7	299	53,4
Probe 25	10,7	9,8	8,6	328	47,1
Probe 26	9,3	8,5	7,7	301	49,9
Probe 27	9,5	8,7	7,8	303	46,4
Probe 28	9,6	8,7	7,9	304	45,7
Probe 29	9,1	8,7	7,5	299	53,4
Probe 30	10,8	9,8	8,6	316	46,4
Probe 31	12,9	9,5	8,3	225	37,3
Probe 32	12,4	8,9	7,8	282	46,3
Probe 33	13,0	9,4	7,9	291	46,1
Probe 34	12,8	9,2	7,8	294	46,2
Probe 35	12,3	8,8	7,9	276	46,8
Probe 36	12,1	8,7	7,7	278	46,9
Probe 37	12,4	8,5	7,6	283	46,1

Die ersten linearen Ausdehnungskoeffizienten der Proben 31 bis 37 waren größer als die ersten linearen Ausdehnungskoeffizienten der Proben 1 bis 30. Wie oben beschrieben, erfüllten die Proben 1 bis 30 die Bedingung A, während die Proben 31 bis 37 die Bedingung A nicht erfüllten.
Aus diesem Vergleich geht hervor, dass, wenn die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b wirkt, 50 MPa oder weniger beträgt, die Entstehung eines Risses an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht 12 unterdrückt werden kann, wenn Wärme zum Löten angewandt wurde (ein niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient wird auch nach dem Erwärmen zum Löten aufrechterhalt).
Jede der Proben 3 bis 14, 18 bis 24 und 26 bis 29 erfüllte ferner eine Bedingung, bei der der erste lineare Ausdehnungskoeffizient 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger beträgt und dass die Wärmeleitfähigkeit in der In-Layer-Richtung 261 W/m·K oder mehr beträgt. Wie oben beschrieben, erfüllten die Proben 3 bis 14, 18 bis 24 und 26 bis 29 ferner die Bedingungen B, C, D und E.
Aus diesem Vergleich geht hervor, dass, wenn das Volumenverhältnis von Molybdän mehr als 13% und weniger als 43% beträgt, die Dicke T3 mehr als 10% der Dicke T1 beträgt, jede der Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b 25% oder weniger der Dicke T1 beträgt, und das Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 12 55% oder mehr beträgt, der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials 10 in der In-Layer-Richtung verringert werden kann, während die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 10 in der Dickenrichtung aufrechterhalt wird, selbst nachdem die Wärme zum Löten aufgebracht wurde.
Jeder der dritten linearen Ausdehnungskoeffizienten der Proben 3 bis 14, 18 bis 24 und 26 bis 29 betrug 7,5 ppm/K oder mehr und 8,5 ppm/K oder weniger. Wie oben beschrieben, erfüllten die Proben 3 bis 14, 18 bis 23 und 26 bis 28 ferner die Bedingungen B, C, D und E.
Aus diesem Vergleich geht hervor, dass, wenn das Volumenverhältnis von Molybdän mehr als 13% und weniger als 43% beträgt, die Dicke T3 mehr als 10% der Dicke T1 beträgt, jede der Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b 25% oder weniger der Dicke T1 beträgt, und das Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 12 55% oder mehr beträgt, die Entstehung eines Risses im Lötmaterial aufgrund einer Differenz zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials 10 und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuseelements unterdrückt werden kann.
Die Endabschnitt-Temperaturdifferenz der Proben 3 bis 12, 18 bis 23 und 26 bis 28 betrug weniger als 50°C. Wie oben beschrieben, erfüllten die Proben 3 bis 12, 18 bis 23 und 26 bis 28 außerdem die Bedingungen F und G.
Aus diesem Vergleich geht hervor, dass die Endabschnitt-Temperaturdifferenz verringert werden kann, wenn die Dicken T2 der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b jeweils 15% oder mehr der Dicke T1 betragen und das Volumenverhältnis von Kupfer in der ersten Schicht 11a und der ersten Schicht 11b jeweils 90% oder mehr beträgt.
Eine Differenz zwischen dem ersten linearen Ausdehnungskoeffizienten und dem zweiten linearen Ausdehnungskoeffizienten betrug bei jeder der Proben 3 bis 11, 18 und 19 0,3 ppm/K oder weniger. Ferner betrug bei jeder der Proben 3 bis 11, 18 und 19 die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b wirkt, 40 MPa oder weniger. Aus diesem Vergleich geht hervor, dass, wenn die Gesamtzahl der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht(en) 12 5 oder mehr beträgt und die Dicke T3 18% oder mehr der Dicke T1 beträgt, die Druckeigenspannung, die auf die erste Schicht 11a und die erste Schicht 11b wirkt, weiter abnimmt, um zu verhindern, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient in der In-Layer-Richtung aufgrund der Wärmezufuhr zum Löten zunimmt.
(Zweite Ausführungsform)
Eine Halbleiterbaugruppe (im Folgenden als „Halbleiterbaugruppe 100“ bezeichnet) nach einer zweiten Ausführungsform wird beschrieben.
7 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Halbleiterbaugruppe 100. Wie in 7 gezeigt, hat die Halbleiterbaugruppe 100 ein Verbundmaterial 10, ein Halbleiterelement 30, ein Gehäuseelement 40, eine Abdeckung 50, einen Anschluss 60a und einen Anschluss 60b.
Das Verbundmaterial 10 fungiert als Wärmeverteiler in der Halbleiterbaugruppe 100. Das Halbleiterelement 30 ist auf der ersten Oberfläche 10a angeordnet. Ein Wärmetransferelement kann zwischen dem Halbleiterelement 30 und der ersten Oberfläche 10a angeordnet sein. Das Halbleiterelement 30 ist eine Quelle von Wärme, die während eines Betriebs erzeugt wird.
Das Gehäuseelement 40 ist z. B. aus einem keramischen Material zusammengesetzt. Das keramische Material ist z. B. Tonerde. Das Gehäuseelement 40 ist so auf der ersten Oberfläche 10a angeordnet, dass es das Halbleiterelement 30 umgibt. Das untere Ende (das Ende auf der Seite der ersten Oberfläche 10a) des Gehäuseelements 40 und die erste Oberfläche 10a sind z. B. durch Löten miteinander verbunden. Die Abdeckung 50 ist z. B. aus einem keramischen Material oder einem Metall zusammengesetzt. Die Abdeckung 50 verschließt die obere Stirnseite des Gehäuseelements 40.
Die Anschlüsse 60a und 60b sind in das Gehäuseelement 40 eingeführt. Als Ergebnis ist ein Ende von jedem der Anschlüsse 60a und 60b in einem Raum lokalisiert, der durch die erste Oberfläche 10a, das Gehäuseelement 40 und die Abdeckung 50 definiert ist, und das andere Ende von jedem der Anschlüsse 60a und 60b ist außerhalb des Raumes lokalisiert. Jeder der Anschlüsse 60a und 60b ist z. B. aus einem Metallmaterial zusammengesetzt. Das Metallmaterial ist z. B. Kovar.
Obwohl nicht dargestellt, ist die eine Endseite von jedem der Anschlüsse 60a und 60b elektrisch mit dem Halbleiterelement 30 verbunden. Die Halbleiterbaugruppe 100 ist elektrisch mit einer Vorrichtung oder einem Schaltkreis verbunden, die/der sich von der Halbleiterbaugruppe 100 an der anderen Endseite von jedem der Anschlüsse 60a und 60b unterscheidet.
An der zweiten Oberfläche 10b ist ein Wärmestrahlungselement 70 angebracht. Das Wärmestrahlungselement 70 ist z. B. eine Metallplatte, in der ein von einem Kühlmittel durchströmter Strömungsweg ausgebildet ist. Das Wärmestrahlungselement 70 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Wärmestrahlungselement 70 kann z. B. eine Kühlrippe sein. Zwischen dem Wärmestrahlungselement 70 und der zweiten Oberfläche 10b kann ein Wärmetransferelement eingefügt sein.
Die hier offenbarten Ausführungsformen sind illustrativ und in keiner Hinsicht einschränkend. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Begriffe der Ansprüche definiert, und nicht durch die oben beschriebenen Ausführungsformen, und soll alle Änderungen innerhalb des Schutzumfangs und der Bedeutung beinhalten, die den Begriffen der Ansprüche äquivalent sind.
BEZUGSZEICHENLISTE
10: Verbundmaterial; 10a: erste Oberfläche; 10b: zweite Oberfläche; 11, 11a, 11b: erste Schicht; 12: zweite Schicht; 15: dünnes Teil; 16: Block; 20: Schichtstruktur; 21: erstes Plattenelement; 22: zweites Plattenelement; 30: Halbleiterelement; 40: Gehäuseelement; 50: Deckel; 60a: Anschluss; 60b: Anschluss; 70: Wärmestrahlungselement; 80: Aluminiumrippe; 90: Heizelement; 100: Halbleiterbaugruppe; P: Last; S1: Anfertigungsschritt; S2: Erwärmungsschritt; S3: Walzschritt; T1, T2, T3: Dicke.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020214612 [0001]
JP 201996654 [0002]

Claims

Verbundmaterial mit einer Plattenform, wobei das Verbundmaterial eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei das Verbundmaterial aufweist: eine Vielzahl von ersten Schichten und mindestens eine zweite Schicht, wobei die ersten Schichten und die zweite Schicht alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials so geschichtet sind, dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind, jede der ersten Schichten eine Schicht, die Kupfer enthält, ist, die zweite ist eine Schicht aus einem mit Kupfer imprägnierten Molybdän-Pulverpresskörper ist, und eine Druckeigenspannung von 50 MPa oder weniger auf jede von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisierten ist, wirkt.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, nachdem es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde, 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger beträgt, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C 230 W/m·K oder mehr beträgt.
Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schicht 5 oder mehr beträgt, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C 261 W/m·K oder mehr beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 800°C geändert wird, bevor es für 15 Minuten bei 800°C gehalten wird, 7,5 ppm/K oder mehr und 8,5 ppm/K oder weniger beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 25% oder weniger der Dicke des Verbundmaterials beträgt, eine Dicke der zweiten Schicht mehr als 10% der Dicke des Verbundmaterials beträgt, ein Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 55% oder mehr beträgt und ein Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial mehr als 13% und weniger als 43% beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 90% oder mehr beträgt, und jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 15% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Dicke der zweiten Schicht 18% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials beträgt, und eine Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C von Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, 0,3 ppm/K oder weniger beträgt.
Verbundmaterial mit einer Plattenform, wobei das Verbundmaterial eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei das Verbundmaterial aufweist: eine Vielzahl von ersten Schichten und mindestens eine zweite Schicht, wobei die ersten Schichten und die zweite Schicht alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials so geschichtet sind, dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind, jede der ersten Schichten eine Schicht, die Kupfer enthält, ist, die zweite Schicht eine Schicht aus einem mit Kupfer imprägnierten Molybdän-Pulverpresskörper ist, ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, nachdem es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wurde, 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger beträgt, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C 230 W/m·K oder mehr beträgt.
Verbundmaterial nach Anspruch 8, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in der Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von der Raumtemperatur auf 800°C geändert wird, bevor es 15 Minuten lang bei 800°C gehalten wird, 7,5 ppm/K oder mehr und 8,5 ppm/K oder weniger beträgt.
Verbundmaterial nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schicht 5 oder mehr beträgt, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C 261 W/m·K oder mehr beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 25% oder weniger der Dicke des Verbundmaterials beträgt, eine Dicke der zweiten Schicht mehr als 10% der Dicke des Verbundmaterials beträgt, ein Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 55% oder mehr beträgt und ein Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial mehr als 13% und weniger als 43% beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 90% oder mehr beträgt, und jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 15% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei eine Dicke der zweiten Schicht 18% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials beträgt, eine Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in der Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von der Raumtemperatur auf 200°C vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C geändert wird, 0,3 ppm/K oder weniger beträgt.
Halbleiterbaugruppe, die aufweist: ein Verbundmaterial mit einer Plattenform, wobei das Verbundmaterial eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; und ein Gehäuseelement, das an die erste oder die zweite Oberfläche gelötet ist, wobei das Verbundmaterial eine Vielzahl von ersten Schichten und mindestens eine zweite Schicht aufweist, die ersten Schichten und die zweite Schicht alternierend entlang einer Dickenrichtung des Verbundmaterials so geschichtet sind, dass die ersten Schichten an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind, jede der ersten Schichten eine Schicht, die Kupfer enthält, ist, die zweite Schicht eine Schicht aus einem mit Kupfer imprägnierten Molybdän-Pulverpresskörper ist, ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials in einer Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn eine Temperatur des Verbundmaterials von einer Raumtemperatur auf 200°C geändert wird, 6 ppm/K oder mehr und 10 ppm/K oder weniger beträgt, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung 230 W/m·K oder mehr beträgt.
Halbleiterbaugruppe nach Anspruch 14, wobei die Gesamtzahl der ersten Schichten und der zweiten Schicht 5 oder mehr beträgt, und die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Dickenrichtung nach 15-minütigem Halten bei 800°C 261 W/m·K oder mehr beträgt.
Halbleiterbaugruppe nach Anspruch 14 oder 15, wobei jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 25% oder weniger der Dicke des Verbundmaterials beträgt, die Dicke der zweiten Schicht mehr als 10% der Dicke des Verbundmaterials beträgt, ein Volumenverhältnis von Molybdän in der zweiten Schicht 55% oder mehr beträgt und ein Volumenverhältnis von Molybdän im Verbundmaterial mehr als 13% und weniger als 43% beträgt.
Halbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Volumenverhältnis des Kupfers in jeder von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 90% oder mehr beträgt, und jede der Dicken von der ersten Schicht, die an der ersten Oberfläche lokalisiert ist, und der ersten Schicht, die an der zweiten Oberfläche lokalisiert ist, 15% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials beträgt.
Halbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei eine Dicke der zweiten Schicht 18% oder mehr der Dicke des Verbundmaterials beträgt, und eine Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials in der Richtung parallel zu der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, wenn die Temperatur des Verbundmaterials von der Raumtemperatur auf 200°C vor und nach dem 15-minütigen Halten bei 800°C geändert wird, 0,3 ppm/K oder weniger beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, wobei das Verfahren aufweist: Anfertigen einer Schichtstruktur; Erwärmen der Schichtstruktur; und Walzen der Schichtstruktur in einem erwärmten Zustand, wobei die Schichtstruktur eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, die Schichtstruktur eine Vielzahl von ersten Plattenelementen und mindestens ein zweites Plattenelement aufweist, die ersten Plattenelemente und das zweite Plattenelement alternierend entlang einer Dickenrichtung der Schichtstruktur angeordnet sind, so dass die ersten Plattenelemente an der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche lokalisiert sind, jedes der ersten Plattenelemente Kupfer beinhaltet, und das zweite Plattenelement ein mit Kupfer imprägnierter Pulverpresskörper aus Molybdän ist.