DE19906875A1 - Halbleiterbaugruppe und Verfahren zur Herstellung eines wärmeabstrahlenden Substrats für diese - Google Patents

Halbleiterbaugruppe und Verfahren zur Herstellung eines wärmeabstrahlenden Substrats für diese

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Abstract

Eine mit Halbleiterchips zu bestückende Baugruppe hat ein wärmeabstrahlendes Substrat, welches eine Dicke von kleiner als 0,4 mm aus einem Cu-Mo-Verbundstoff hat, welcher durch Diffusionsmetallisieren von 30 bis 40 Massen-% Kupfer (Cu) in Schmelzenform in einen Vorpreßling aus Molybdän hergestellt wird. Das wärmeabstrahlende Substrat wird dadurch hergestellt, daß ein Mo-Vorpreßling mittels isostatischem Formpressen hergestellt wird, Cu an dem Mo-Vorpreßling angebracht wird, dieser zum Diffusionsmetallisieren von Kupfer in den Mo-Vorpreßling zum Erhalten eines Cu-Mo-Verbundstoffes erwärmt wird, und der Cu-Mo-Verbundstoff zu einem Flächensubstrat ausgewalzt wird. Beim isostatischen Formpreßverfahren werden wenigstens zwei oder mehr Platten benachbart zu der inneren Fläche einer Seitenwand bei einer Unterteilung in wenigstens zwei Abschnitte angeordnet, Mo-Pulver wird in den von diesen Platten gebildeten Raum eingefüllt und der Mo-Pulvervorpreßling wird mit einer flexiblen Abdeckung, wie einem Kautschukmedium oder dergleichen abgedeckt, um einen Verbundstoff bereitzustellen. Der erhaltene Verbundstoff wird in einen Druckbehälter eingebracht, und extern wird ein isostatischer Druck gegen die flexible Abdeckung zur Einwirkung gebracht. Die Platten führen eine Gleitbewegung über die Abdeckung entlang der Seitenwand aus, wodurch der Verbundstoff zwischen den so sich gleitend bewegenden Platten zu einem Mo-Vorpreßling komprimiert wird.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem isostatischen Formpreß­ verfahren für keramische Pulver, Metallpulver und Verbundstoffe hieraus, sowie insbesondere mit einer Halbleiterbaugruppe, für welche Metallpulver mit hohem Schmelzpunkt aus W, Mo und dergleichen, Verbundstoffe, wie Cu/W/Ni/Cu, W/Ni/Fe und der­ gleichen, oder Verbundstoffe, wie Mo/TiC, Al/SiC und dergleichen, eingesetzt werden, und auch mit einem isostatischen Formpreßver­ fahren zur Herstellung wärmeabstrahlender Substrate für Halblei­ terbaugruppen.
Die Wärmeabstrahlung von Baugruppen von Halbleitereinrichtungen, welche auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik, wie bei mobilen Telefonen und dergleichen eingesetzt werden, ist heutzutage auf diesem Gebiet von großer Bedeutung. Es besteht ein Bedürfnis nach wärmeabstrahlenden Teilen, auf denen derartige Halbleiter­ einrichtungen für Mikrowellen anzubringen sind. Für die wärme­ abstrahlenden Teile können metallische Materialien aus Aluminium, Kupfer und dergleichen im Hinblick auf ihr Wärmeleitvermögen in Betracht kommen. Im Hinblick auf das große Wärmedehnungsvermögen von Teilen von derartigen metallischen Materialien sind diese häufig problematisch dahingehend, daß, wenn diese mit Halbleiter­ chips aus Silizium und dergleichen oder mit isolierenden Teilen, wie Aluminiumnitridsubstraten und dergleichen in Verbindung mit Silizium verbunden werden, derartige Teile sich infolge der Wärmeänderung bei der Lötmittelhaftverbindung oder beim wie­ derholten Einsatz oder infolge des unterschiedlichen Wärmeexpan­ sionsvermögens zwischen den metallischen Teilen und dem Halblei­ ter oder der isolierenden Teile verformen oder reißen können. Daher sind Materialien mit einem guten Wärmeleitvermögen erwünscht, bei denen die Wärmeexpansion sich ähnlich wie jene der Halbleiter und der isolierenden keramischen Materialien verhält.
Aluminiumnitrid, welches an Halbleiterchips angebracht wird, wird im allgemeinen auf seiner Rückseite mit einer Cu-Folie versehen.
Als wärmeabstrahlende Substrate, welche die vorstehenden Erfordernisse erfüllen, wurden Verbundmaterialien aus Wolfram (W)-Kupfer(Cu) (nachstehend als W-Cu-Verbundstoffe bezeichnet) vorgeschlagen.
Um derartige W-Cu-Verbundstoffe herzustellen, wird beispielsweise das Verfahren eingesetzt: W-Pulver wird unter Verdichten geformt, um einen Vorpreßling zu erhalten. Der Vorpreßling wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre zu einem porösen Körper aus W gesintert, welcher eine vorbestimmte Porosität hat. Dann wird Kupfer in den porösen Körper unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur eingelagert, welche nicht niedriger als der Schmelzpunkt von Kupfer ist, um einen W-Cu-Verbundstoff zu erhalten.
Um die Probleme hinsichtlich der Wärmespannungen hierbei auszuräumen, müssen wärmeabstrahlende Substrate für IC (inte­ grierte Schaltungen)-Baugruppen, für welche keramische Materia­ lien eingesetzt werden, derart ausgelegt werden, daß ihr Wärmeexpansionsvermögen ähnlich zu jenem von Aluminiumoxid, Berylliumoxid und dergleichen ist. Hierzu werden W-Cu-Verbund­ stoffe mit 10 bis 15 Masse-% eingelagerten Kupfer eingesetzt.
Diese W-Cu-Verbundstoffe werden in geeigneter Weise für wärme­ abstrahlende Substrate hergestellt, indem Cu in den porösen Körper aus W eingelagert wird. Im allgemeinen haben sie im wesentlichen einen Cu-Gehalt von 10 bis 20 Masse-% und haben gute Eigenschaften. Beispielsweise haben sie einen Wärmedehnungs­ koeffizienten von 7 bis 8 × 10-6/K, und ein Wärmeleitvermögen von 180 bis 200 W/m.K. Im Hinblick auf die heutzutage vorherrschende Entwicklungstendenz hinsichtlich eines geringen Eigengewichts sowie dünnen und kleinen Teilen stellen die Nachteile hinsicht­ lich der hohen Dichte und des großen Gewichts von W-Cu-Verbund­ stoffen eine große Schwierigkeit dar. Da zusätzlich W-Cu-Ver­ bundstoffe durch Zuschneiden zu Erzeugnisse verarbeitet werden, ergibt sich noch eine weitere Schwierigkeit dahingehend, daß sie sich nicht in ausreichendem Maße dünner machen lassen.
Spezielle Verfahren zum Herstellen von Mo-Cu-Vorpreßlingen werden nachstehend angegeben.
Ein Verfahren zum Herstellen von Vorpreßlingen aus üblichen keramischen Materialien, Metallpulvern und deren Verbundstoffe ist das isostatische Formpressen, bei dem ein formzupressendes Pulver, beispielsweise ein Pulver aus Mo oder dergleichen, in eine Kautschukbeutelform oder dergleichen eingebracht wird, die Form dicht verschlossen wird, dann die Form in einen hydrauli­ schen Druckbehälter, welcher mit Wasser gefüllt ist, eingebracht wird, und extern ein Hydraulikdruck auf die Kautschukform aufgebracht wird, um das Pulver zu einem Vorformling zu ver­ pressen.
Auch ist ein anderes Verfahren zur Herstellung von derartigen Vorpreßlingen mittels üblichem Pulverpressen bekannt, bei dem eine Preßvorrichtung eingesetzt wird. Die Preßvorrichtung weist Mörtel auf, welcher die innere Wandfläche für die Kavität bildet, und weist obere und untere Kolbenstangen auf, welche die oberen und unteren Flächen der Kavität bilden. Dann wird ein Pulver aus Mo oder dergleichen in die von Mörtel und den Kolbenstangen gebildete Kavität eingefüllt, diese wird mittels der oberen Kolbenstange dicht verschlossen und dann erfolgt ein Verdichten durch die oberen und unteren Kolbenstangen zu einem Vorpreßling.
Unter Einsatz von üblichen Cu-M-Verbundstoffen ist die Her­ stellung von wärmeabstrahlenden Substraten für Halbleitergruppen für Mikrowellen in mehrerlei Hinsicht problematisch, beispiels­ weise hinsichtlich der charakteristischen Eigenschaften der Verbundstoffe, der Verarbeitbarkeit derselben sowie auch hinsichtlich der Dicke der hieraus herzustellenden Erzeugnisse.
Zur Herstellung von wärmeabstrahlenden Substraten, welche beispielsweise vorstehend angegeben sind, werden Zwischenprodukte von Vorpreßlingen hierfür hergestellt. Bei üblichen isostatischen Formpreßverfahren kann man Vorpreßlinge erhalten, welche mit einem gleichmäßigen Druck preßgeformt sind. Da jedoch hierbei flexible Kautschukformen oder dergleichen eingesetzt werden, lassen sich genau ausgeformte Platten oder Vorpreßlinge mit einer spezifischen Gestalt nur äußerst schwer bereitstellen.
Andererseits wird bei den Pulverpreßformmethoden zur Herstellung von großbemessenen Vorpreßlingen unter Einwirkung von Druck auf das Pulver von den oberen und unteren Seiten her große Drücke benötigt, welche auf das Pulver einwirken. Daher muß bei diesen Verfahrensweisen die Form, insbesondere der hierfür eingesetzte Mörtel, derart gewählt werden, daß man eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit erhält. Aus diesen Gründen sind diese Verfahrensweise hinsichtlich den hohen Kosten für die Form ungünstig.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Halbleiterbaugruppe für Mikrowellen oder andere Leistungsgeräte bereitzustellen, bei denen ein dünnes, wärmeabstrahlendes Substrat mit guten Eigen­ schaften und guter Verarbeitbarkeit zum Einsatz kommt.
Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein isostatisches Formpreß­ verfahren zur Herstellung von billigen und formgetreu ausgestal­ teten Vorpreßlingen bereitzustellen.
Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren zum Her­ stellen von wärmeabstrahlenden Substraten für Halbleiterbau­ gruppen für Mikrowellen oder andere Leistungsgeräte bereitzustel­ len, bei welchen das isostatische Formpreßverfahren der vor­ stehend genannten Art eingesetzt wird.
Gemäß einem Aspekt nach der Erfindung wird eine Halbleiter­ baugruppe bereitgestellt, welche an Halbleiterchips anzubringen ist, und welche sich dadurch auszeichnet, daß sie ein wärme­ abstrahlendes Substrat mit einer Dicke von kleiner als 0,4 mm aus einem Cu-Mo-Verbundstoff hat, welcher dadurch hergestellt wird, daß 30 bis 40 Masse-% Kupfer (Cu) in einen Vorpreßling aus Molybdän mittels Diffussionsmetallisieren eingebracht werden.
Vorzugsweise ist das wärmeabstrahlende Substrat nach der Erfindung ein äußerst zuverlässiges, wärmeabstrahlendes Substrat, welches sich dadurch auszeichnet, daß es einen Wärmedehnungs­ koeffizienten von 7,7 bis 9,0 × 10-6/K, ein Wärmeleitvermögen von 200 bis 220 W/m.K, einen Young'schen Modul von 220 bis 230 GPa und eine Dichte von nicht größer als 9,8 g/cm3 hat. Vorzugsweise sind die Halbleiterchips Mikrowellenhalbleiterchips.
Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird eine Leistungshalbleiterbaugruppe mit Halbleiterchips bereitgestellt, welche auf einem Verbundsubstrat aus Aluminiumnitrid als dazwischenliegendes wärmeabstrahlendes Substrat mit hohem Wärmeleitvermögen in Form von Metallplatten angebracht sind, wobei sich die Baugruppe dadurch auszeichnet, daß wenigstens eines der wärmeabstrahlenden Substrate: im wesentlichen einen Cu- Mo-Verbundstoff aufweist, welcher durch Diffusionsmetallisieren eines Vorpreßlings aus Mo-Pulver mit einer Kupferschmelze hergestellt wird, welches zuvor mit höchstens 5 Masse-% Cu gemischt ist, so daß der gesamte Cu-Gehalt eines solchen diffusionsmetallisierten Vorpreßlings innerhalb eines Bereiches zwischen 40 und 60 Masse-% liegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein iso-. statischen Formpreßverfahren zum Herstellen von Vorpreßlingen bereitgestellt, bei welchem wenigstens zwei Platten benachbart zu der inneren Fläche einer Seitenwand sowie wenigstens unterteilt in zwei Abschnitte angeordnet werden, ein Pulver in den Raum zwischen die Platten gebracht wird, wobei der Pulvervor­ preßling mit einer flexiblen Abdeckung abgedeckt wird, um einen Verbundstoff bereitzustellen, dann der erhaltene Verbundstoff in einen Druckbehälter eingebracht wird, ein externer isostatischer Preßdruck zur Einwirkung gegen die flexible Abdeckung gebracht wird, und dann die Platten über die Abdeckung entlang der Seitenwand eine Gleitbewegung ausführen, wodurch der Verbundstoff zwischen den derart gleitenden Platten zu einem Vorpreßling komprimiert wird.
Der Verbundstoff wird vorzugsweise bei der Erfindung in den Druckbehälter eingebracht, sowie in eine Druckkammer einer trockenarbeitenden isostatischen Formpreßvorrichtung eingebracht, und dann zu einem Vorpreßling komprimiert.
Ferner sind bei der Erfindung vorzugsweise die wenigstens zwei Platten derart angeordnet, daß ein Paar von Platten einander längs der inneren Fläche der Seitenwand zugewandt liegen, wenn diese in wenigstens zwei Abschnitte unterteilt ist, und daß ein Pulver in den Raum zwischen die Platten eingefüllt wird, um einen Pulverpreßling dazwischen zu bilden. In diesem Zustand ist wenigstens eine Trennplatte zwischen dem Paar von gegenüber­ liegenden Platten angeordnet, und ein Pulver wird in alle Räume eingefüllt, welche durch die gegenüberliegenden Platten und die Trennplatte gebildet werden, um immer eine Mehrzahl von Vor­ preßlingen in einem Arbeitsschritt zu erhalten.
Ferner ist bei der Erfindung vorzugsweise das Pulver aus Mo zubereitet, um einen Vorpreßling aus Mo zu bekommen.
Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von wärmeabstrahlenden Substraten bereitgestellt, bei dem wenigstens zwei Platten der inneren Fläche einer Seitenwand benachbart angeordnet sind, welche in wenigstens zwei Abschnitte unterteilt ist, ein Mo-Pulver in den Raum zwischen die Platten gebracht wird, und der Pulvervorpreßling mit einer flexiblen Abdeckung abgedeckt wird, um einen Verbundstoff zu bekommen, dann der erhaltene Verbundstoff in einen Druckbehälter eingebracht wird, ein externer isostatischer Druck gegen die flexible Abdeckung zur Einwirkung gebracht wird, die Platten über die Abdeckung längs der Seitenwand eine Gleitbewegung ausführen, wodurch der Verbundstoff zwischen den derartig sich gleitend bewegenden Platten zu einem Mo-Vorpreßling komprimiert wird, Cu an dem Mo-Vorpreßling angebracht wird und dann der Mo-Vorpreßling mit darauf angebrachtem Cu erwärmt wird, um Cu in den Mo- Vorpreßling mittels Diffusionsmetallisieren einzubringen und ein Wärmeabstrählungsvermögen dem Cu-Mo-Verbundsubstrat zu verleihen.
Bei der Erfindung wird das Cu-Mo-Verbundsubstrat vorzugsweise zu einem wärmeabstrahlenden Substrat gewalzt, welches eine Dicke von kleiner als 0,4 mm hat.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht zur Erläuterung eines üblichen Pulverpreßverfahrens;
Fig. 2A eine Horizontalschnittansicht zur Erläuterung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines isostatischen Preßverfahrens nach der Erfindung;
Fig. 2B eine Vertikalschnittansicht zur Erläuterung der ersten bevorzugten Ausführungsform eines isostatischen Formpreßverfahrens nach der Erfindung;
Fig. 2C eine Schnittansicht zur Verdeutlichung der ersten bevorzugten Ausführungsform eines isostatischen Formpreßverfahrens nach der Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung eines Preßform­ verfahrens;
Fig. 4A eine Schnittansicht eines zu komprimierenden Körpers, welcher zur graphischen Erläuterung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines isostatischen Formpreßverfahrens nach der Erfindung bestimmt ist;
Fig. 4B eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer iso­ statischen Formpreßvorrichtung, wenn kein Druck einwirkt, um eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines isostatischen Formpreßverfahrens nach der Erfindung zu erläutern;
Fig. 4C eine schematische Ansicht der Anwendung eines nach Fig. 4A zu komprimierenden Körpers in Verbindung mit einem trockenarbeitenden isostatischen Formpreßver­ fahren, welches zur Erläuterung einer zweiten bevor­ zugten Ausführungsform eines isostatischen Formpreß­ verfahrens nach der Erfindung dient;
Fig. 5A eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines isostatischen Formpreßverfahrens nach der Erfindung, wobei kein Druck auf das System einwirkt; und
Fig. 5B eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines isostatischen Formpreßverfahrens nach der Erfindung, wobei Druck zur Einwirkung auf das System gebracht wird.
Vor der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen nach der Erfindung soll zuerst ein übliches, isostatisches Formpreßver­ fahren unter Bezugnahme auf Fig. 1 zum besseren Verständnis der Erfindung erläutert werden.
Fig. 1 verdeutlicht ein übliches Pulverpreßverfahren, welches an sich bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird eine Preßeinrich­ tung 21 eingesetzt, welche Mörtel 13 aufweist, um die innere Wandfläche der Kavität 11 zu bilden, und die obere und untere Kolbenstange 17 und 19 aufweist, um obere und untere Flächen der Kavität 11 zu bilden. Insbesondere wird ein Pulver 23 aus Mo oder dergleichen in den Raum eingefüllt, welcher vom Mörtel 13 und der unteren Kolbenstange 19 gebildet wird. Dann erfolgt ein dichter Abschluß mittels der oberen Kolbenstange 17. Anschließend wird mittels den oberen und unteren Kolbenstangen 17 und 19 unter Druck ein Komprimieren durchgeführt, wobei der Druck in die mit dem Pfeil 25 gezeigte Richtung wirkt, so daß man einen Vor­ preßling erhält.
Nunmehr werden die bevorzugten Ausführungsformen nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2A, 2B und 2C sowie auf die Fig. 5A und 5B erläutert.
Wie in Fig. 2A, 2B und 2C gezeigt ist, wird ein Ausgangspulver 23 beispielsweise aus Mo oder dergleichen in die Kavität eingefüllt, welche von den ersten bis vierten Seiten 27, 29, 31, und 33, der oberen Platte 35 und der unteren Platte 37 um­ schlossen wird. Alle diese Platten sind beispielsweise aus starrem Material, wie Werkzeugstahl, Schnellarbeitsstahl, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt. Diese Platten sind mit einem Kautschukmedium 39 überzogen. Wie dann in Fig. 3 gezeigt ist, wird dann diese Form in einen Druckbehälter 41 eines Wasserbehälters eingebracht, und es erfolgt ein Komprimieren unter Einwirkung eines externen hydraulischen Drucks von 0,5 bis 3,6 t/cm2 unter Zwischenschaltung des Kautschukmediums 39, wodurch das Pulver 23 zu einem Vorpreßling 43 komprimiert wird.
Gemäß dem Verfahren nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der erhaltene Vorpreßling eine genaue vorgebbare Form im Vergleich zu dem üblichen isostatischen Formpreßverfahren haben, bei dem Pulver in eine Kautschuk­ beutelform eingebracht wird, die Form mit dem Pulver in einen Wasserbehälter eingebracht wird, und ein Hydraulikdruck derart zur Einwirkung gebracht wird, daß das Pulver zu einem Vorpreßling komprimiert wird.
Bei dem Pulverformpreßverfahren gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung werden die Seitenplatten, welche als Mörtel bei dem üblichen Pulverformpreßverfahren gemäß der voranstehenden Ausführung eingesetzt werden, durch den Hydraulikdruck unter Zwischenschaltung des Kautschukmediums 39 gehalten. Daher benötigt man bei diesem Verfahren einfach ausgelegte, starre Platten, aber keine Einrichtungen zum Halten der Platten.
Der bei der ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung zu komprimierende Verbundstoff, welcher mit dem Kautschukmedium abgedeckt ist, kann zum Einsatz bei einem trockenarbeitenden isostatischen Formpreßverfahren, dem sogenannten trockenen CIP (dem trockenen isostatischen Kaltpressen) eingesetzt werden.
Wie in Fig. 4A gezeigt ist, wird ein Pulver 23 beispielsweise aus Mo oder dergleichen in die Kavität eingefüllt, welche man durch die Umschließung durch die ersten bis vierten Seitenplatten 27, 29, 31 und 33, die obere Platte 35 und die untere Platte 37 erhält, wie dies beispielsweise in den Fig. 2A bis 2C gezeigt ist. Hierbei erfolgt eine Abdeckung mittels eines Kautschuk­ mediums 37, um einen zu komprimierenden Körper 43 mit vorbestimm­ barer Form gesondert von der Formpreßvorrichtung zu erhalten.
Wie in Fig. 4B gezeigt ist, wird der zu komprimierende Körper 43 in die Druckkammer 47 in der isostatischen Formpreßvorrichtung 45 eingebracht. In dieser Druckkammer 47 ist ein Druckbehälter 55 vorgesehen, welcher darin Kautschuk 51 und Wasser 53 aufnimmt, welches den Kautschuk 51 umgibt, sowie einen oberen Preßstempel 57 und einen unteren Preßstempel 59 aufnimmt, welche Öffnungen 49, 49 des Druckbehälters 55 dicht verschließen, welche sich an den oberen und unteren Seiten bilden.
Wie in Fig. 4B gezeigt ist, wird der zu komprimierende Körper 43 in die Druckkammer 47 eingebracht, und der Hydraulikdruck in der isostatischen Formpreßvorrichtung 45 wird größer gemacht. Wie in Fig. 4C gezeigt ist, wird der Hydraulikdruck des unter Druck stehenden Wassers 53' zur Einwirkung auf den Körper 43 gebracht, welcher sich in der Druckkammer 47 bildet, und zwar über die Wand aus Kautschuk 51, wodurch das Pulver in dem Körper 43 durch die obere Platte 35 und die untere Platte 37 zu einem Vorpreßling 43 komprimiert wird. Der Hydraulikdruck in diesem Fall ist nahezu gleich groß wie bei der zuerst beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die Fig. 5A und 5B dienen zur Erläuterung des isostatischen Formpreßverfahrens gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungs­ form nach der Erfindung, bei der die Struktur des zu komprimie­ renden Körpers sich von dem zu komprimierenden Körper bei der ersten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet, aber ansonsten alle weiteren Einzelheiten wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform gewählt sind.
Bei der dritten bevorzugten Ausführungsform wird insbesondere wenigstens eine Trennplatte 63 aus einem starren Material, wie Werkzeugstahl, Schnellarbeitsstahl, rostfreiem Stahl oder dergleichen, zwischen der oberen Platte 35 und der unteren Platte 37 vorgesehen, und Pulver 65 und 67, beispielsweise aus Mo oder dergleichen, werden in die Räume zwischen den Platten eingefüllt, um einen zu komprimierenden Körper 61 zu bilden. Hierbei wird der Körper 61 isostatisch in einem Wasserbehälter 41 verdichtet, um eine Mehrzahl von Vorpreßlingen 69 und 71 bei einem Vorgang zu erhalten. Wenn sich die Menge des in die jeweiligen Räume ein­ zufüllenden Pulvers ändert, erhält man eine Mehrzahl von Vorpreßlingen, welche in einem Arbeitsgang unterschiedliche Dicken besitzen können.
Bei den ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsformen nach der Erfindung wurde Mo-Pulver als Ausgangspulver eingesetzt.
Selbstverständlich ist man bei der Erfindung bezüglich des Ausgangspulvers nicht nur auf Mo-Pulver beschränkt, sondern es können auch andere pulverförmige Materialien, beispielsweise keramische Pulvermaterialien, metallische Pulver mit hohem Schmelzpunkt, wie W und dergleichen, zur Ausformung derselben eingesetzt werden, sowie auch zur Herstellung von Verbundstoffen aus Cu/W, Cu/Mo, W/Ni/Cu, W/Ni/Fe und dergleichen aus Pulver­ materialien, und zur Herstellung von anderen Verbundstoffen aus Mo/TiC, Al/SiC und dergleichen aus Pulvermaterialien.
Bevorzugte Ausführungsformen der Halbleiterbaugruppe nach der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Halbleiterbaugruppe nach der Erfindung sind Halbleiterchips auf einem wärmeabstrah­ lenden Substrat entweder direkt oder über ein Verbundsubstrat aus Aluminiumnitrid als dazwischenliegende metallische Platten mit hohem Wärmeleitungsvermögen angebracht.
Die Halbleiterchips können Mikrowellenhalbleiterchips oder Leistungshalbleiterchips sein.
Das wärmeabstrahlende Substrat ist ein Cu-Mo-Verbundsubstrat mit einer dicke von kleiner als 0,4 mm, welche man dadurch erhält, daß 30 bis 40 Massen-% (Cu) in Schmelzenform in einen Molybdän- Vorpreßling mittels Diffusionsmetallisieren eingebracht werden. Das wärmeabstrahlende Substrat ist ein äußerst zuverlässig arbeitendes wärmeabstrahlendes Substrat, welches sich dadurch auszeichnet, daß es einen Wärmedehnuncrskoeffizienten von 7, 7 bis 9,0 × 10-6/K, ein Wärmeleitvermögen von 200 bis 200 w/m.K, einen Young'schen Modul von 220 bis 230 GPa, und eine Dichte von nicht größer als 9,8 g/cm3 hat.
Genauer gesagt wird das wärmeabstrahlende Substrat nach dem isostatischen Formpreßverfahren gemäß einem der bevorzugten zuvor erläuterten Ausführungsformen nach der Erfindung hergestellt. Kurz gesagt, wird ein Mo-Formpreßling aus Mo-Pulver hergestellt, Cu wird an dem Mo-Formpreßling angebracht, und es erfolgt eine Erwärmung, um schmelzflüssiges Cu in den Mo-Vorpreßling ein­ zudiffundieren, um und ein Cu-Mo-Verbundsubstrat zu erhalten. Anschließend wird das erhaltene Cu-Mo-Verbundsubstrat zur Bildung des gewünschten wärmeabstrahlenden Substrats gewalzt, welches eine Dicke von kleiner als 0,4 mm hat.
Nachstehend werden einige Beispiele zur Herstellung von wärme­ abstrahlenden Substraten gemäß dem isostatischen Formpreßver­ fahren bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung gemäß der voranstehenden Erläuterung beschrieben.
Beispiel 1
Wie in den Fig. 5A und Fig. 5B gezeigt ist, wurde Molybdän- Pulver mit einer mittleren Korngröße von 4 µm in eine geteilte Form (hergestellt aus Eisen) eingefüllt, welche eine Breite von 90 mm und eine Länge von 170 mm hat. In dieser Form ist eine Trennwand aus Eisen derart angeordnet, daß man eine geteilte Form erhält, welche zwei Vorpreßlinge in einem Arbeitsgang bereit­ stellen kann. Die so mit Mo-Pulver gefüllte Form wurde in ein Kautschukgehäuse eingeschlossen und mittels CIP (isostatisches Kaltpressen) unter einem Druck von 2,0 t/cm2 verdichtet. Die hierbei gebildeten Vorpreßlinge hatten Abmessungen von 90 × 170 × T10, und eine relative Dichte von etwa 60%.
Dann wurde eine Kupferplatte, welche 38 Massen-% Molydbän entspricht, auf den jeweiligen Molybdän-Preßling aufgebracht, welcher zuvor hergestellt worden ist. Dann erfolgte eine allmähliche Erwärmung ausgehend von 700°C bis zur höchsten Temperatur von 1.300°C in einem Wärmeofen mit einer Wasserstoff­ atmosphäre.
Für die Wärmebehandlung muß die abschließende Temperatur eine Temperatur sein, bei der Kupfer vollständig zum Schmelzen kommen kann. Aus den experimentellen Versuchen, welche von den Erfindern durchgeführt wurden, hat sich gezeigt, daß die abschließende Temperatur für die Wärmebehandlung etwa 1.150°C oder größer sein sollte, und daß die Temperatur für eine gleichmäßige Kupferdiffu­ sion zur Herstellung des Verbundstoffes mit einem vorbestimmten Kupfergehalt nicht größer als 1.300°C sein sollte.
Der mit Kupfer diffusionsmetallisierte Verbundstoff hatte Abmessungen von 86 × 163 × T9,6 und hatte einen Kupfergehalt von 35 bis 36 Masse-%.
Der Zusammenhang zwischen dem einwirkenden CIP-Druck und der Dichte der hergestellten Vorpreßlinge und der Zusammenhang zwischen dem CIP-Druck und dem Cu-Gehalt der hergestellten Verbundstoffe bei ein und dengleichen Kupferdiffusionsmetallisie­ ren (höchste Temperatur: 1.300°C) sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Zusammenhang zwischen CIP-Druck, Dichte und Cu-Gehalt
Nur wenig Kupfer ist auf der Oberfläche des jeweiligen Verbunds­ toffes verblieben, welches mittels Flüssighonens entfernt wird. Der Verbundstoff wurde warmgewalzt, wobei eine Erwärmung mit heißen Platten bei etwa 300°C erfolgte, und wobei das Reduktions­ verhältnis zwischen 10 und 30% lag. Nach dem Walzen auf eine reduzierte Dicke T = 3,3 mm, wurde der Verbundstoff zum Span­ nungsabbau in einer Wasserstoffatmosphäre in einem Ofen bei 800°C wärmebehandelt, wobei die Vickers-Härte Hv von 200 auf 160 abgesenkt wurde. Dann erfolgte ein Walzen bei Raumtemperatur auf ein Reduktionsverhältnis zwischen 5 und 10%, wodurch man eine weitere reduzierte Dicke T von 1,5 mm erhält. Anschließend erfolgte zum Spannungsabbau nochmals eine Wärmebehandlung in einem Ofen mit Wasserstoffatmosphäre bei 800°C. Dann erfolgte ein weiteres Walzen bei Raumtemperatur auf ein Reduktionsverhältnis von nicht größer als 10%, wodurch man eine weitere reduzierte Dicke T von 0,5 mm erhielt. Anschließend erfolgte nochmals zum Spannungsabbau eine Wärmebehandlung in einem Ofen mit Wasser­ stoffatmosphäre bei 800°c. Die Vickers-Härte Hv des so gewalzten Verbundstoffs lag zwischen 160 und 170. Der Verbundstoff wurde ferner auf ein Reduktionsverhältnis von nicht größer als 10% gewalzt, wodurch die Dicke T auf 0,5 mm bis 0,2 mm reduziert wurde.
Die gewalzten Flächengebilde des Verbundstoffes haben eine Dicke T von 0,8 mm, und sie zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen mittleren Wärmedehnungskoeffizienten von 8,5 × 10-6/K, ein Wärmeleitvermögen von 210 W/m.K und einen Young'schen Modul von 220 GPa hatten. Es wird angenommen, daß keine nennenswerte Änderung der Wärmeeigenschaften der Verbundstoff-Flächengebilde selbst dann auftritt, wenn Flächengebilde weiter bearbeitet werden, um eine reduzierte Dicke T von 0,2 mm zu haben, da die Wärmeeigenschaften stark durch den Kupfergehalt des Verbundstoffes beeinflußt werden.
Das gewalzte Flächengebilde, welches eine Dicke T von 0,2 mm hatte, wurde zu Streifen mit einer Breite von 40 mm und einer Länge von 150 mm geschnitten, welche dann zugeschnitten wurden, um Teile zu erhalten, welche eine Breite von 10 mm und eine Länge von 25 mm hatten. Bei den Verbundstoffstücken, welche auf diese Weise zugeschnitten wurden, konnte man keine Mängel hinsichtlich einer Ablösung, einer Rißbildung oder einer Feinrißbildung an ihren Seiten finden, und zusätzlich hatte man Oberflächen mit hoher Güte.
Das Verbundstoff-Flächengebilde wird dann mit Ag angelötet oder angebrannt, wenn es zu wärmeabstrahlenden Substraten verarbeitet wird. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das Verbundstoff- Flächengebilde mit Ni oder Ni-P mit 2 bis 3 µm dick einem chemischen Metallabscheidungsverfahren plattiert wurde, so konnte man dann auch feststellen, daß das plattierte Flächengebilde keine Mängel hinsichtlich Glühpockenbildungen oder dergleichen hatten. Hierdurch ist der Verbundstoff für wärmeabstrahlende Substrate in äußerst geeigneter Weise einsetzbar.
Beispiel 2
Wie bei den Fig. 4A bis 4C wurden Vorpreßlinge mittels trocken arbeitendem CIP hergestellt, wobei ein und die gleiche geteilte Form wie beim Beispiel 1 eingesetzt wurde. Der zu komprimierende Körper wurde in ein Kautschukgehäuse eingebracht und dann erfolgte ein trockenes CIP. Die Daten für die Dichte der Vorpreßlinge, welche man hierbei erhielt, relativ zu dem einwirkenden CIP-Druck und jene für den Cu-Gehalt der hierbei hergestellten Verbundstoffe relativ zu den einwirkenden CIP-Druck und unter ein und derselben Diffusionsmetallisierbedingungen (höchste Temperatur 1.300°C) waren nahezu diegleichen wie jene Werte, die in der Tabelle 1 gezeigt sind.
Die hierbei hergestellten Cu-diffusionsmetallisierten Verbundstoffe wurden gewalzt und wie beim Beispiel 1 entsprechend zugeschnitten. Hierbei ergab sich, daß die charaktersitischen Daten der gewalzten Flächengebilde und der abgeschnittenen Stücke nahezu gleich wie bei dem Beispiel 1 waren. Dies bedeutet, daß die hergestellten Verbundstoffe für wärmeabstrahlende Substrate für Halbleiterbaugruppen (PKG) äußerst geeignet sind.
Voranstehend wurde die Erfindung im Zusammenhang mit einem isostatischen Formpreßverfahren zum Herstellen von billigen Vorpreßlingen erläutert, welche eine gut einstellbare Formgebung haben.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung von dünnen, wärmeabstrahlenden Substraten bereit, welche gute Eigenschaften und eine gute Bearbeitbarkeit haben, wobei das isostatische Formpreßverfahren eingesetzt wird.
Die Erfindung stellt ferner Mikrowellenhalbleiterbaugruppen und Leistungshalbleiterbaugruppen bereit, bei denen dünne, wärme­ abstrahlende Substrate eingesetzt werden, welche gemäß dem Herstellungsverfahren für wärmeabstrahlenden Substrate herge­ stellt sind.
Obgleich die Erfindung voranstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsformen erläutert worden ist, sind selbstverständlich zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (11)

1. Halbleiterbaugruppe, welche mit Halbleiterchips zu bestücken ist, wobei die Halbleiterbaugruppe ein wärmeabstrahlendes Substrat aufweist, welches eine Dicke von kleiner als 0,4 mm aus einem Cu-Mo-Ver­ bundstoff hat, und mittels Diffusionsmetallisieren von 30 bis 40 Massen-% Kupfer (Cu) in Schmelzenform in einen Vorpreßling aus Molybdän gebildet wird.
2. Halbleiterbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wärmeabstrahlende Substrat ein äußerst zuverlässig arbeitendes wärmeabstrahlendes Substrat ist, und einen Wärmedehnungskoeffizienten von 7,7 bis 9,0 × 10-6/K, ein Wärmeleitvermögen von 200 bis 220 W/m.K, einen Young'schen Modul von 220 bis 230 GPa und eine Dichte von nicht größer als 9,8 g/cm3 hat.
3. Halbleiterbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterchips Mikrowellen- Halbleiterchips sind.
4. Leistungshalbleiterbaugruppe mit anzubringenden Halbleiterchips, welche auf einem Verbundsubstrat aus Aluminiumnitrid unter Zwischenlage von wärmeabstrah­ lenden Substraten aus stark wärmeleitenden Metall­ platten anzubringen sind, wobei wenigstens eines der wärmeabstrahlenden Substrate im wesentlichen von einem Cu-Mo-Verbundstoff gebildet wird, welchen man dadurch erhält, daß eine Kupferschmelze in einen Vorpreßling aus Mo-Pulver mittels Diffusionsmetalli­ sieren eingebracht wird, welches zuvor mit höchstens 5 Massen-% Cu in einer solchen Weise vermischt worden ist, daß der Gesamte Cu-Gehalt des so mit Diffusions­ metallisieren behandelten Vorpreßlings in einem Bereich zwischen 40 und 60 Massen-% liegt.
5. Isostatisches Formpreßverfahren zur Herstellung von Formpreßlingen, welches die Schritte aufweist, gemäß denen wenigstens zwei Platten benachbart der inneren Fläche einer Seitenwand sowie zur Unterteilung in wenigstens zwei Abschnitte angeordnet werden, ein Pulver in den Zwischenraum zwischen den Platten eingebracht wird, der Pulvervorpreßling mit einer flexiblen Abdeckung abgedeckt wird, um einen Ver­ bundstoff zu bilden, der erhaltene Verbundstoff in einen Druckbehälter eingebracht wird, extern ein isostatischer Preßdruck gegen die flexible Abdeckung zur Einwirkung gebracht wird und dann die Platten über die Abdeckung entlang der Seitenwand eine Gleitbewegung ausführen, wodurch der Verbundstoff zwischen den so sich gleitend bewegenden Platten zu einem Vorpreßling komprimiert wird.
6. Isostatisches Formpreßverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Platten derart angeordnet sind, daß ein Paar von Platten entlang der inneren Fläche der Seitenwand bei einer Unterteilung in wenigstens zwei Abschnitte sich gegenüberliegen, daß ein Pulver in den Zwischenraum zwischen den Platten eingefüllt wird, um dazwischen einen Pulvervorpreßling zu bilden, wenigstens eine Trennplatte zwischen dem Paar von gegenüberliegenden Platten angeordnet ist, und das Pulver in jeden Zwischenraum gebildet durch die gegenüberliegenden Platten und die Trennplatte eingefüllt wird, um eine Mehrzahl von Vorpreßlingen in einem Arbeitsgang zu erhalten.
7. Isostatisches Formpreßverfahren zum Herstellen von Vorpreßlingen, welches aufweist, daß wenigstens zwei Platten der inneren Fläche einer Seitenwand bei einer Unterteilung in wenigstens zwei Abschnitte gegenüber­ liegend angeordnet werden, ein Pulver in den Raum zwischen den Platten eingebracht wird, der Pulvervor­ preßling mit einer flexiblen Abdeckung abgedeckt wird, um einen Verbundstoff zu bilden, der so erhal­ tene Verbundstoff dann in einen Druckbehälter in einen trocken arbeitenden isostatischen Formpreß­ vorrichtung eingebracht wird, ein externer isostati­ scher Druck zur Einwirkung gegen die flexible Ab­ deckung gebracht wird und dann die Platten über der Abdeckung entlang der Seiten eine Gleitbewegung ausführen, wodurch der Verbundstoff zwischen den so sich gleitend bewegenden Platten zu einem Vorpreßling verdichtet wird.
8. Isostatisches Formpreßverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Platten derart angeordnet sind, daß ein Paar von Platten einander entlang der Innenfläche einer Seitenwand bei einer Unterteilung in wenigstens zwei Abschnitte zugewandt ist, ein Pulver in den Raum zwischen den Platten eingefüllt wird, um einen Pulvervorpreßling dazwischen zu bilden, wenigstens eine Trennplatte zwischen dem Paar von gegenüberliegenden Platten angeordnet wird, und das Pulver in alle Zwischenräume gebildet von den gegenüberliegenden Platten und der Trennplatte eingefüllt wird, um eine Mehrzahl von Vorpreßlingen in einem Arbeitsgang zu erhalten.
9. Verfahren zum Herstellen von wärmeabstrahlenden Substraten, welches die Schritte aufweist, gemäß denen wenigstens zwei Platten benachbart der Innen­ fläche einer Seitenwand und Unterteilung in wenig­ stens zwei Abschnitte angeordnet werden, ein Mo- Pulver in den Raum zwischen den Platten eingebracht wird, der Pulvervorpreßling mit eine flexiblen Abdeckung abgedeckt wird, um einen Verbundstoff zu bilden, der so erhaltene Verbundstoff in einen Druckbehälter oder in eine trocken arbeitende iso­ statische Formpreßvorrichtung eingebracht wird, ein externer isostatischer Druck zur Einwirkung gegen die flexible Abdeckung gebracht wird, die Platten über die Abdeckung entlang der Seitenwand eine Gleitbewe­ gung ausführen, wodurch der Verbundstoff zwischen den so sich gegenüberliegenden Platten zu einem Mo- Vorpreßling verdichtet wird, Cu auf den Mo-Vorpreß­ ling angebracht wird, und dann der Mo-Vorpreßling mit dem angebrachten Cu derart erwärmt wird, daß Cu in den Mo-Vorpreßling mittels Diffusionsmetallisieren eingebracht wird, um ein wärmeabstrahlendes Cu-Mo- Verbundsubstrat zu erhalten.
10. Verfahren zum Herstellen von wärmeabstrahlenden Substraten nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Cu-Mo-Verbundsubstrat zu einem wärmeabstrah­ lenden Substrat gewalzt wird, welches eine Dicke von kleiner als 0,4 mm hat.
11. Verfahren zum Herstellen von wärmeabstrahlenden Substraten nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens zwei Platten derart angeord­ net werden, daß ein Paar von Platten einander längs der inneren Fläche einer Seitenwand mit einer Unter­ teilung in wenigstens zwei Abschnitte gegenüberliegt, Mo-Pulver in den Zwischenraum zwischen den Platten eingefüllt wird, um dazwischen einen Mo-Pulvervor­ preßling zu bilden, wenigstens eine Trennplatte zwischen dem Paar von gegenüberliegenden Platten angeordnet wird, das Mo-Pulver in alle durch die gegenüberliegenden Platten und die Trennplatte gebildeten Räume eingefüllt wird, um eine Mehrzahl von Mo-Vorpreßlingen in einem Arbeitsgang zu erhal­ ten.
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