DE2035767A1 - Electrical insulator with high thermal conductivity - Google Patents
Electrical insulator with high thermal conductivityInfo
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Description
PatentanwältePatent attorneys
Dr.-ing. WiJlielin ßeichel
Kipl-Ing. Wolfgang ßolclielDr.-ing. WiJlielin ßeichel
Kipl-Ing. Wolfgang ßolcliel
6 Frankfurt a. M. 1
Parksiraße 136 Frankfurt a. M. 1
Park street 13
GEIiERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectaäy,New York, V.St.A.GEIERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectaäy, New York, V.St.A.
Elektrischer Isolierkörper mit hoher WärmeleitfähigkeitElectrical insulator with high thermal conductivity
Die Erfindung "bezieht sich auf elektrische Isolierstoffe und Isolierkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit.The invention "relates to electrical insulating materials and Insulating body with high thermal conductivity.
Elektrische Isolierstoffe von hoher Wärmeleitfähigkeit haben ein großes Anwendungsgebiet. Sie werden vor allem in der Halb-r leitertechnik verwendet und finden dort bei vielen Bauelementen und,Bauteilen Anwendung, beispielsweise bei der Meß- und Vergleichsstelle von Thermoelementen, bei Gleichrichtern, Schaltelementen usw. Bekanntlich begrenzt die Wärmeverlustleistung in den stromführenden Halbleiterbauelementen, die bei oder über Zimmertemperatur betrieben werden, die Betriebsnennwerte. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere bei Halbleiterbauelementen auf, .die mit hohen Leistungen betrieben werden sollen. Um diesen Nachteilen abzuhelfen, ist es bekannt, Kühlkörper zu benutzen. \ So kann man beispielsweise zur Kühlung eines Silicifim-HaIbleiter.plättchensauf der Rückseite des Halbleiterbauelements einen Kühlkörper anbringen, der als Wärmeaustauscher dient und gas- oder flüssigkeitsgekühlt ist. Da die Kühlkörper oder T//ärmeaustauscher im allgemeinen aus einem Metall bestehen, muß man den Halbleiterkörper von dem metallischen Kühlkörper elektrisch _^ isolieren. Dadurch soll allerdings die Wärmeleitung von dem ο Halbleiter zum Kühlkörper so wenig wie möglich beeinträchtigtElectrical insulating materials with high thermal conductivity have a wide range of applications. They are mainly used in semiconductor technology and are used there in many components and components, for example in the measuring and reference junction of thermocouples, in rectifiers, switching elements, etc. It is known that the heat loss in the current-carrying semiconductor components that are used in or operated above room temperature, the nominal operating values. This difficulty occurs in particular with semiconductor components that are to be operated with high powers. In order to remedy these disadvantages, it is known to use heat sinks. \ Thus, for example, for cooling a Silicifim-HaIbleiter.plättchensauf attach the back of the semiconductor device a heat sink serving as a heat exchanger and is gas- or liquid-cooled. Since the cooling body or T ärmeaustauscher generally consist // of a metal, it is necessary to insulate the semiconductor body from the metal heat sink electrically _ ^. This should, however, affect the heat conduction from the ο semiconductor to the heat sink as little as possible
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cp v/erden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, elektrisch iKolierende Trennkörper mit einer verhältnismäßig hohen V/ärme— *"** leibffihigkeit zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper ta '.anzuordnen. Der Trennkörper wird aus Keramikkörpern, die im ' y, v/esentlichen Berylloxid enthalten, und aus Diamantkörpern ' • hergestellt. Die mit Diamanten verbundenen hohen Kosten lassencp v / earth. It has therefore already been proposed electrically icolating separators with a relatively high V / poor * "** flexibility between the semiconductor body and the heat sink ta '. to be assigned. The separating body is made of ceramic bodies, which are in the ' y, containing essential beryl oxide, and made of diamond bodies' • manufactured. Leave the high cost associated with diamonds
jedoch einen kommerziellen Gebrauch nicht zu. Die kommerzielle . Verwendung von Beryllerde oder Berylloxid ist infolge der Giftigkeit bestimmter Arten ebenfalls begrenzt. Die Entgiftung dieser Stoffe würde ebenfalls zu hohen Kosten führen.however, commercial use is not permitted. The commercial . Use of beryl alumina or beryl oxide is also limited due to the toxicity of certain species. The detox these substances would also lead to high costs.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Isolierstoff oder einen Isolierkörper zu finden, der zum einen billig herzustellen und anzuwenden und zum anderen eine Wärmeleitfähigkeit hat, die größer ist als diejenige von den heute üblichen Isolierstoffen, beispielsweise von A^Oy. Die Wärmeleitfähigkeit soll nach Möglichkeit sogar größer sein als die Wärmeleitfähigkeit von handelsüblichem rostfreiem Stahl. Ferner soll der zu schaffende Isolierkörper aus einem Stoff oder einem r-Iaterial bestehen, 'das sich sowohl physikalisch als auch chemisch mit dem Halbleitermaterial und dem Kühlkörpermaterial , verträgt.The object of the invention is to provide an insulating material or to find an insulating body that is cheap to manufacture on the one hand and to use and on the other hand has a thermal conductivity that is greater than that of the common today Insulating materials, for example from A ^ Oy. The thermal conductivity should, if possible, even be greater than the thermal conductivity made of commercially available stainless steel. Furthermore, the insulating body to be created should be made of a substance or a r-Iaterial exist that are both physically and chemically compatible with the semiconductor material and the heat sink material.
Diese Aufgabe wird nach der !Erfindung dadurch gelöst, daß der
Isolierstoff ein einheitlicher oder unitarischer, im wesentlichen aus Aluminiumnitrid bestehender Körper ist, daß die
Dichte des Körpers größer als etwa 80 fo der theoretischen Dichte
von Aluminiumnitrid ist, daß die Wärmeleitfähigkeit bei Zimmertemperatur größer als etwa 0,50 Watt/cm und Grad Kelvin ist
und daß der elektrii
Zentimeter beträgt.This object is achieved according to the invention in that the insulating material is a uniform or unitary body consisting essentially of aluminum nitride, that the density of the body is greater than about 80 % of the theoretical density of aluminum nitride, that the thermal conductivity at room temperature is greater than about 0.50 watt / cm and degrees Kelvin and that the electric
Centimeters.
und daß der elektrische spezifische Widerstand mehr als 10 0hm-and that the electrical specific resistance is more than 10 ohm
Zum Vergleich des erfindungsgemäßen Isolierstoffs mit anderen I'Iaterialien dient die folgende Tabelle; 'To compare the insulating material according to the invention with others The following table is used for materials; '
/1375/ 1375
- 3 - '.: ■■■■. '..■■ \- :- 3 - '.: ■■■■. '.. ■■ \ -:
Wärmeleitfähigkeit (Watt/cm 0K)Thermal conductivity (watt / cm 0 K)
■
Material.- ■ ■
■
Material.
Einkristall-
Single crystal
Rostfreier Stahl
■ Type 3®4Y 2 O 3 ;
Stainless steel
■ Type 3®4
Wie man der Tabelle entnimmt, hat Diamant die größte Warmeleitfähigkeit. Zur komme-rziellen Verwendung sind Siamanten jedoch zu teuer. Von den nichtmetallischen Materialien hat BeO vorzügliche Eigenschaften, nämlich eine hohe V/ärmeleit-As can be seen from the table, diamond has the greatest thermal conductivity. Siamonds are for commercial use but too expensive. Of the non-metallic materials has BeO excellent properties, namely a high V / thermal conductivity
und'einen elektrischen spezifischen. Widerstand von etwa 10 Ohmzentimeter, ist jedoch in fester Form giftig, was die ]?abrikationskosten erhöht» Von den Metallen hat zwar Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, jedoch wie alle anderen· Metalle für den genannten Zweck eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit. Austenitischer rostfreier Stahl der Type 304 ist sowohl ein schlechter.Wärmeleiter als auch ein verhältnismäßig guter elektrischer leiter. Die für kohärente oder zusammengebackene Körper geeigneten Oxide, beispielsweise lieraraiken oder G-Iasarten, haben bei Zimmertemperatur fast alle eine -Wärmeleitfähigkeit und einen elektrischen spezifischenand'an electrical specific. resistance of about 10 ohm centimeters, but is poisonous in solid form, what increases the "abration costs" of the metals Copper has a very high thermal conductivity, but like all other metals, too high an electrical conductivity for the stated purpose Conductivity. Type 304 austenitic stainless steel is both a poor conductor and proportionate good electrical conductor. The oxides suitable for coherent or bonded bodies, for example lieraraiken or G-Iasarten, almost all have one at room temperature -Thermal conductivity and an electrical specific
1Ö9&O0/13751Ö9 & O0 / 1375
Widerstand, deren Werte gleich oder ungünstiger als die ent-■-" sprechenden Werte von Aluminiumerde oder Aluminiumoxidsind. -Diese V/erte betragen etwa .0,3 Watt/cm und 0K oder weniger und etwa 1010 bis 1016 Ohmzentimeter.Resistance whose values are equal to or less favorable than the corresponding values of aluminum earth or aluminum oxide. These values are about 0.3 watts / cm and 0 K or less and about 10 10 to 10 16 ohm centimeters.
Kohärente Körper,die hingegen im wesentlichen aus einphasigen ü-luminiumnitridpulvern (AlN) bestehen, haben eine, äußerst wünschenswerte Kombination der genannten Eigenschaften, wenn die Dichte des Körpers größer als 80 ^"der- theoretischen Dichte . von Aluminiumnitrid beträgt, obwohl höhere Dichten vorzuziehen sind, und wenn er aus einem Pulver hergestellt- ist, das im wesentlichen mehr als 95 Gewichtsprozent AlN enthält. Die Eigenschaften von Einkristallen aus AlN sind noch besser.Coherent bodies, which, however, essentially consist of single-phase ü-aluminum nitride powders (AlN) consist, have one, extremely A desirable combination of the properties mentioned if the density of the body is greater than 80 ^ "of the theoretical density . of aluminum nitride, although higher densities are preferable, and when made from a powder- which contains substantially more than 95 percent by weight AlN. The properties of single crystals made of AlN are even better.
Heißgepresste Körper, deren Dichte nahezu 100 0Jo der theoretischen Dichte beträgt, die jedoch aus handelsüblichen Pulvern hergestellt sind, die lediglich einen minimalen AIN-Gehalt von . 94 Gewichtsprozent haben, zeigen,, eine Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 0,3 Watt/cm und 0K bei Zimmertemperatur oder sogar weniger. Ähnliche Körper, deren Dichte etwa 97 °/o der theoretischen Dichte beträgt, die jedoch aus einphasigen Pulvern mit etwa 99 Gewichtsprozent AlN hergestellt sind, haben eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,6 Watt/cm, und 0K bei'""Zimmertemperatur. Einphasige Pulver kann man leicht durch !Röntgenstrahl-, Fluoreszenz- oder Diffraktionsanalysen feststellen. .Ein Einkristallkörper aus AlN von mittlerer Reinheit hat'sogar bei Zimmertemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von 1',95 Watt/cra und 0K. Der elektrische spezifische Widerstand von-AlN beträgt mehr als 10 Ohmzentimeter, also einen Wert der für die genannten Zwecke vollkommen ausreicht. · -Hot-pressed bodies, the density of which is almost 100 0 Jo of the theoretical density, but which are made from commercially available powders that only have a minimal AlN content of. 94 percent by weight show, a thermal conductivity of only about 0.3 watt / cm and 0 K at room temperature or even less. Similar body, the density of 97 / is approximately cent of theoretical density, but which are made of single-phase powders containing about 99 weight percent AlN having a thermal conductivity of more than 0.6 Watt / cm, and 0 K at '"" room temperature. Single-phase powders can easily be determined by X-ray, fluorescence or diffraction analysis. A single crystal body made of AlN of medium purity even at room temperature has a thermal conductivity of 1 ', 95 watts / cra and 0 K. The electrical resistivity of -AlN is more than 10 ohm centimeters, a value that is completely sufficient for the purposes mentioned . -
109809/13 7S109809/13 7S
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3247985A1 (en) * | 1982-12-24 | 1984-07-05 | W.C. Heraeus Gmbh, 6450 Hanau | CERAMIC CARRIER |
EP0133275A3 (en) * | 1983-08-01 | 1985-04-17 | General Electric Company | High thermal conductivity aluminum nitride ceramic body |
DE3337630A1 (en) * | 1983-10-15 | 1985-04-25 | W.C. Heraeus Gmbh, 6450 Hanau | TEMPERATURE COMPENSATING BODY |
-
1970
- 1970-07-18 DE DE19702035767 patent/DE2035767A1/en active Pending
- 1970-07-22 FR FR7027097A patent/FR2061591A1/en not_active Withdrawn
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EP0080213A3 (en) * | 1981-11-25 | 1983-06-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Highly heat-conductive ceramic material |
US4539298A (en) * | 1981-11-25 | 1985-09-03 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Highly heat-conductive ceramic material |
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Publication number | Publication date |
---|---|
FR2061591A1 (en) | 1971-06-25 |
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