DE2653271A1

DE2653271A1 - Substrat mit waermeableitung

Info

Publication number: DE2653271A1
Application number: DE19762653271
Authority: DE
Inventors: Bruno Butti; Jeffrey Edward Gernitis
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-11-24
Publication date: 1977-07-14
Also published as: ES454530A1; US4025997A

Description

Patentanwalt
Dipl.Phys. Leo Thul
Stuttgart

J.Gernitis-B.Butti 1-1

International Standard Electric Corporation, New York

Substrat mit Wärmeableitung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeableitung, insbesondere eine aus mehreren Metallschichten zusammengesetzte Anordnung mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Verwendung bei keramischen Dickfilm-Hybridanordnungen hoher Leistung.

Es ist bekannt, metallische Wärmeableitungen mit keramischen Substraten zu verbinden. Damit während der nachfolgenden Temperaturbehandlung das Substrat nicht zerbricht, mußte der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Substrats an den der damit verbundenen, metallischen Wärmeableitung angepaßt sein. Es wurde eine als"Kovar" bekannte Legierung mit einer Wärmeausdehnungscharakteristik ähnlich der von Glas als Material für eine Wärmeableitung bei keramischen Substraten verwendet. Solche keramischen Substrate waren jedoch normalerweise ziemlich klein (in der Größenordnung von 2,5 χ 2,5 cm), so daß die geringe Wärmeleitfähigkeit von Kovar keine Schwierigkeiten bereitete, weil die kleinen Keramikhybridanordnungen nur für

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geringere Leistungen vorgesehen waren und daher keine großen Wärmemengen erzeugten. Der Trend zur Großflächenintegration (LSI), wo ganze Mikro-Prozesseinheiten auf einem einzigen keramischen Substrat angeordnet sind, hat es erforderlich gemacht, zu größeren keramischen Anordnungen überzugehen. Es ist notwendig, daß die mit Anordnung festhaftend verbundene Wärmeableitung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der etwa an den der Keramik angepaßt ist, um ein Zerbrechen zu vermeiden und daß bessere Wärmeleiteigenschaften vorhanden sind, die an die Hybridanordnung für höhere Leistungen angepaßt ist. Für größere Vorrichtungen mit höheren Leistungen hat sich Kovar als ungeeignet erwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete metallische Wärmeableitung für keramische Dickfilm-Hybridanordnungen höherer Leistung und größerer Ausdehnungs zu schaffen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wärmeableitung gemäß der Erfindung eine aus einem ersten Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete erste Schicht und aus jeweils einem zweiten Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete zweite und dritte Schicht besitzt, wobei die zweite und dritte Schicht jeweils auf gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Schicht angeordnet und mit dieser verbunden sind.

Gemäß der Erfindung sind weiterhin für eine dreischichtig zusammengesetzte Metallplatte zur Wärmeableitung bei einem zerbrechlichen Material mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten eine aus einem ersten Material mit

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einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete erste Schicht und eine aus einem zweiten Material mit einem zweiten vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete zweite und dritte Schicht vorgesehen, wobei die zweite und dritte Schicht jeweils mit gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Schicht verbunden sind. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des zerbrechlichen Materials liegt zwischen dem des ersten und dem des zweiten Materials und die Dicke X. der ersten Schicht und die Dicke X„ der zweiten und dritten Schicht sind bestimmt durch die Gleichung

^Xl = ⁰S - *3 . ^E2

^Ll

X₂ (X₁ - OC₃

mit OC als Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Materials, CC als Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials, E₁ als Elastizitätsmodul des ersten Materials und S„ als Elastizitätsmodul des zweiten Materials.

Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Figur la eine dreischichtige Platte im Schnitt;

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Figur Ib eine Variante zur Figur la; Figur 2 eine Wärmeableitung im Grundriß;

Figur 3a ein mit der Wärmeableitung gemäß der Figur 2 festhaftend verbundenes Keramiksubstrat im Grundr iß;

Figur 3b ein mit der Wärmeableitung fest haftend verbundenes Keramiksubstrat im Seitenriß.

Es hat sich gezeigt, daß durch eine fest haftende Verbindung ungleicher Metalle die physikalischen Eigenschaften der zusammengesetzten Struktur beeinflußt werden können. So wird beispielsweise durch die fest haftende Verbindung eines Metalles mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einem Metall mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten eine zusammengesetzte Struktur erhalten, deren WarmeausdehnungsCharakteristika zwischen denen der einzelnen Metalle liegen. Wenn eine Metallplatte als Unterlage für ein Substrat und zur guten Wärmeabgabe fest haftend mit dem Keramiksubstrat verbunden ist, so ist es erforderlich, daß die Metallplatte eine an die des Substrats angepaßte Wärmeausdehnungscharakteristik aufweist. Werden zwei Metalle mit unterschiedlichen Ausdehnungscharakteristiken miteinander fest verbunden, so erhält man eine bimetallische Struktur, die mechanische Spannungen in dem Substrat verursacht. Es läßt sich aber, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, eine dreischichtige Struktur mit geeigneten

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- tr

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Metallen, deren Schichtdicken in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen, herstellen, so daß zwischen den Schichten lediglich Scherkräfte hervorgerufen werden und die bimetallische Wirkung eliminiert ist.

Verwendet man beispielsweise eine Schichtenanordnung aus Kupfer und Molybdän und wählt die beiden Schichtdicken in einem zweckmäßigen Verhältnis zueinander, so kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schichtenanordnung dem der Keramik angepaßt werden.

Tafel I zeigt die Werte für den Wärmeausdehnungskoeffizienten, das Elastizitätsmodul und die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, Molybdän und Keramik.

Material

Wärmeausdehnungskoeffizient

(Grad"¹)

Elastizitätsmodul

cm

Wärmeleitfähigkeit

, ckal

m.h.Grad

Kupfer

Molybdän

Keramik

17,6 χ 10 4,9 χ 10 6,4 χ 10

-6 -6 -6

1 195 217 3 304 724 3 304 724

320 119,7 28,3

Es ist ersichtlich, daß Kupfer einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der von Keramik, wohingegen Molybdän einen Wärmeausdehnungskoeffizienten

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hat, der kleiner ist als der von Keramik. Kupfer und ^ Molybdän haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Keramik, die des Kupfers ist. größer als die des Molybdäns..

Werden zwei Metalle mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erhitzt, so wird _:eine bimetallische Wirkung hervorgerufen, weil die Ausdehnung des Metalls mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten größere sein wird als die des Metalls mit dem kleineren Wärme* . ausdehnungskoeffizienten. Zur Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungen muß das erste Metall zusammengepreßt werden, um die Wärmeausdehnung zu verringern, und/oder das zweite Metall muß gedehnt werden, um. die . = Wärmeausdehnung zu vergrößern. Die Formel zur Bestimmung der Materialverschiebung als Resultat einer von außen angewendeten Kraft geht aus der Gleichung (1) hervor:

(1)

worin (F die Materialverbiegung, P die Kraft,Mdie Länge, A die Querschnittsfläche (Dicke χ Breite) und E das Elastizitätsmodul, bedeuten. Die Wärmeausdehnung ist durch die Gleichung (2) gegeben:

<<* χΛ t (2)

worin *+ die Länge, o£ den Wärmeausdehnungskoeffizienten, At die Temperaturänderung undAc die Wärmeausdehnung in

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Abhängigkeit von der Temperaturänderung bedeuten. Wenn das Kupfer, festhafte.nd mit der Keramik verbunden ist, muß die Wärmeausdehnung des Kupfers begrenzt werden, um die Keramik nicht zu zerbrechen, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer,größer ist als der von Kerämik. Deshalb muß auf das Kupfer eine Kraft zur Begrenzung der Einwirkung seiner Ausdehnungskräfte auf die Keramik ausgeübt werden. Dies geht aus der Gleichung (3) hervor:

) Durch das Einsetzen geeigneter Werte aus der Tabelle I in die Gleichung (4) kann die zur Ausdehnungsbegrenzung von Kupfer notwendige Kraft ermittelt werden,.wobei Xp die Dicke des Kupfers mit der Breite von einer Einheit dar-

. stellt .· ·

^PKupfer ^{s n}'^{2 x 10}~^{6 (1 195 217)} * ^XCu

Auf die gleiche Weise kann nach Gleichung (5) die Kraft bestimmt werden, die notwendig ist, um die Wärmeausdehnung von Molybdän zu erhöhen :

Molybdän ^{= 1}^ ^{x 10}"^{6 (3} ^ZOk ^{m) X}Mo ^#Δ* ⁽⁵⁾

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Betrachtet man einen zusammengesetzten Körper, so muß die zur Begrenzung der Wärmeausdehnung von Kupfer notwendige Kraft gleich der Kraft zur Erhöhung der Wärmeausdehnung von Molybdän sein. Werden diese beiden Werte zueinander gleichgesetzt, so läßt sich das Verhältnis der Dicke des Kupfers zu der des Molybdäns nach der Gleichung (6) berechnen :

^XCu _ 0,3703 ^XMo

Dieses Verhältnis muß erhalten bleiben, damit der gesamte Wärmeausdehnungskoeffizient der Schichtanordnung gleich ist dem der Keramik. Setzt man beispielsweise eine Gesamtdicke der Schichtanordnung von 1,58 mm voraus, so muß in Übereinstimmung mit dem oben genannten Verhältnis die Dicke des Molybdäns 1,17 mm und die des Kupfers 0,41 mm betragen.

Um jegliche bimetallische Wirkung zu vermeiden, ist das Kernmaterial (Molybdän) zwischen zwei Schichten des äußeren Materials (Kupfer) angeordnet. Die zwei Schichten des äußeren Materials sind gleich dick ausgebildet. Dies ist in der Figur la. dargestellt. Eine Schicht 1 aus Molybdän mit einer Dicke von 1,17 mm ist zwischen zwei Schichten 2 und 3 aus Kupfer angeordnet. Jede Schicht aus Kupfer weist eine Dicke von 0,201 mm auf; die Zusammensetzung weist eine Gesamtdicke von 1,58 nun auf.

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Αϊ

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In einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Figur Ib ist das Kupfer zwischen zwei Schichten aus Molybdän angeordnet. Der Kern 4 aus Kupfer ist 0,41 mm dick und zwischen zwei äußeren Schichten 5 und 6 aus Molybdän angeordnet. Jede Schicht aus Molybdän weist eine Dicke von 0,585 mm auf. Die Schichtanordnung ist so aufgebaut, daß nur Scherkräfte auftreten und sich keine Biegung ergibt.

Die Schichtanordnungen können mittels an sich bekannter Techniken, wie beispielsweise Schweißen, Plattieren, Galvanisieren u.a., hergestellt sein.

Das Substrat aus Aluminium-Oxid-Keramik kann mit der Schichtanordnung zur Wärmeableitung durch Auflöten auf eine metallisierte Schicht auf dem Substrat verbunden werden. Der sich hieraus ergebende Hybridaufbau stellt einen kompakten Modul mit extrem guten Wärmeableiteigenschaften dar, die bisher nicht zu erreichen waren.

Der Gegenstand der Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo wechselnde Wärmebelastungen unerwünschte Biegebeanspruchungen hervorrufen, und wo zwei Materialien festhaftend miteinander zu verbinden sind und eines dieser Materialien nicht mit dei/infolge der bimetallischen Wirkung auftretenden mechanischen Spannung beaufschlagt werden kann.

Die Metalle Kupfer und Molybdän sind lediglich als Beispiele genannt. Es können auch andere Metalle zur Anpassung an die Charakteristika von Keramik oder von anderen leicht zerbrechlichen Substanzen verwendet sein«

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λ"

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Die Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausbildung der Wärmeableitung mit dem Substrat 7 und gemäß der obigen Beschreibung. Zur Befestigung und Justierung sind aus dem Umfang ragende Teile 8, 10, 12 und 14 vorgesehen. Substratanordnung 7 weist Öffnungen 16, 18, 20, 22 und 24 zur Befestigung auf einer gedruckten Schaltungsplätte auf.

Die Figuren 3a und 3b zeigen die Anordnung 7 von miteinander verbundenen keramischem Substrat und Wärmeableitung. Hierbei ist beispielsweise die Wärmeableitung auf eine metallisierte Schicht 28 auf dem Keramiksubstrat 26 gelötet und so mit diesem festhaftend verbunden. Zur Besehaltung von außen sind Kontakte 30 vorgesehen.

Verzeichnis der Bezugszeichen

1	3, 4	ΐ.	Molybdänschicht
2,	ff	i	Kupferschicht
5,		24J	Molybdänschicht
7	10		Substrat mit Wärmeableitung
8,	14		Montage- bzw. Justierteil
12,	18 22,
16, 20,		Befestigungsöffnung
26		Substrat
28		Metallisierungsschicht
30		Kontakt

11 Patentansprüche
1 Blatt Zeichnung

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Leerseite

Claims

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Ansprüche

Mit einem Substrat verbundene Wärmeableitung, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem ersten Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete erste Schicht und aus einem zweiten Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete zweite und dritte Schicht vorgesehen sind, und daß die zweite und dritte Schicht jeweils mit der gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Schicht verbunden ist.
2.) Wärmeableitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie festhaftend mit einem Substrat verbunden ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem des ersten und dem des zweiten Materials liegt.
3.) Wärmeableitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Keramik besteht.
4.) Wärmeableitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus Kupfer und das zweite Material aus Molybdän besteht.
5.) Wärmeableitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus Molybdän und das zweite Material aus Kupfer besteht.

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6.) Wärmeableitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die dritte Schicht gleich dick sind.
7.) Wärmeableitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer gedruckten Schaltungsplatte verbunden ist.
8.) Wärmeableitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient der Schichtanordnung etwa gleich ist dem des keramischen Substrates.
9J) Wärmeableitung nach Anspruch ι+, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine Dicke von 0,41 mm und die zweite und dritte Schicht eine Dicke von je 0,58 5 mm hat.
10.) Wärmeableitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine 'Dicke von 0,201 mm hat.
11.) Dreischichtige metallische Wärmeableitung, die mit einem Substrat aus einem zerbrechlichen Material mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten verbunden ist nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem ersten Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete erste Schicht und aus einem zweiten Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildete zweite und dritte

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Schicht vorgesehen sind, daß die zweite und dritte Schicht jeweils mit der gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Schicht verbunden ist, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des zerbrechlichen Materials zwischen dem des ersten und dem des zweiten Materials liegt, und daß die Dicke X₁ der ersten Schicht und die Dicke X₂ der zweiten und dritten Schicht bestimmt sind durch die Gleichung

X₂

in der °C -, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Materials, OC den Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials, E₁ das Elastizitätsmodul des ersten Materials und E„ das Elastizitätsmodul des zweiten Materials bedeuten.

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