DE2826252A1

DE2826252A1 - Vorgefertigte, waermeuebertragende platteneinrichtung aus verbundmetall

Info

Publication number: DE2826252A1
Application number: DE19782826252
Authority: DE
Inventors: Norman Hascoe
Original assignee: Semi-Alloys Inc
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1978-06-13
Publication date: 1979-01-04
Also published as: FR2396263A1; CA1083263A; JPS5412569A; IT7849996A0; GB1588477A; FR2396263B1; IT1105422B; NL7806751A

Description

- 4 - S 1731

Semi-Alloys, Inc, Mount Yernon, l\Tew York, Y.St₀A,

Vorgefertigte, warmeübertragende Platteneinrichtung aus Yerbundmetall

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Wärmeübertragen zwischen einem wärmeaufnehmenden Medium und einem Körper, der während eines normalen Arbeitsvorganges großen Temperaturänaerungen ausgesetzt ist und einen vorbestimmten Temperaturausdelmungskoeffizienten aufweist«

Bei der Wärmeübertragung zwischen einer Wärmeableitvorrichtung und einem anderen Gegenstand ist es häufig erwünscht oder in ' bestimmten Anwendungsfällen sogar notwendig, ein intermediäres : metallisches Element mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der annähernd gleich dem des Gegenstandes ist, und mit einer : verhältnismäßig großen Wärmeübertragungskennlinie zu verwenden. ; In der Halbleitertechnik werden die Halbleitervorrichtungen im allgemeinen aus einem einkristalligen Silizium hergestellt.

Es ist eine Eigenart dieser Vorrichtungen, daß in der Siliziumj ziehdüse Wärme erzeugt wird, wenn sie von dem durch sie

fließenden Strom in Betrieb gesetzt werden. Wenn diese Wärme

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von der Ziehdüse nicht abgeleitet wird, steigt die Temperatur

auf ein unerwünschtes Niveau, was den Setrieb.der Vorrichtung nachteilig beeinflußt oder letztere beschädigt. _:

Um die Wärme von dem Siliziumwerkzeug abzuleiten, ist letzteres üblicherweise an einer Metallhalterung angelötet, die als Wärmeableitvorrichtung wirkt« Da die Temperatur sowohl der Siliziumziehdüse, als auch der Metallhalterung steigt und beide Elemente starr aneinander angelötet sind, müssen die Temperaturausdehnungskoeffizienten der Ziehdüse für den Siliziumeinkristall und der Metallhalterung der Wärmeableitvorrichtung mit einander vereinbar sein, d.h. sie müssen über den gesamten Temperaturbereich, dem sie ausgesetzt sind, sehr eng beieinander liegen. Wenn dieser Zustand nicht erreicht wird, unterliegt die spröde Siliziumziehdüse einer Dehnung oder bricht, was eine Beschädigung der Vorrichtung zur Folge hat und eine schwerwiegende Beeinträchtigung der Betriebseigenschaften der elektrischen Schaltung in der Siliziumziehdüse in einem solchen Maße zur Folge hat, daß letztere unbrauchbar wird.

Metallegierungen, die sich angemessen an den Temperaturausdehnungskoeffizienten eines Siliziumeinkristalls über den

ο ο

Temperaturbereich von 2o G bis 4oo C im erforderlichen Maße anpassen, sind KOVAR, eine Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung, und ALLOY 42, eine primäre Nickel-Eisen-Legierung. Beide Legierungen weisen nachteiligerweise sehr geringe Wärmeübertragungs-

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koeffizienten auf und können für die Halterung einer Siliziumziehdüse nur dort verwendet werden, wo die Verlustleistung in dem Silizium vergleichsweise gering ist. Wenn die Verlustleistungskennziffern, die für die in die Siliziumziehdüse eingebaute elektronische Schaltung erforderlich sind, hoch sind, z.B. bei Leistungsverstärkern, Leistungsdioden und Gleichrichtern, können KOVAR und ALLOY 42 nicht verwendet werden, da ; der Temperaturanstieg der Siliziumziehdüse zu groß ist und die Halbleitervorrichtung beschädigt wird.

Molybdän genügt der erforderlichen Wärmeübertragung sowie dem erforderlichen Temperaturkoeffizienten für einen Siliziumeinkristall. Molybdän ist jedoch verhältnismäßig teuer, läßt sich mechanisch schwer verarbeiten und ist schwer elektroplattierbar.

Ein Ziel der Erfindung ist es, für ein wärmeübertragendes Verbundmetallelement zu sorgen, daß die oben aufgezeigten Nachteile bei der Wärmeübertragung zwischen einem Gegenstand mit einem vorbestimmten Temperaturausdehnungskoeffizienten und einem wärmeaufnehmenden Medium, wie z.B. einer Wärmeableitvorrichtung, überwindet.

Ziel der Erfindung ist es weiterhin, für ein neues Verbundmetallelement zur Wärmeübertragung zwischen einem wärmeaufnehmenden Medium und einem Körper zu sorgen, der einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der annähernd gleich dem des Körpers

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ist, und einen ausreichenden Wärmeübertragungskoeffizienten aufweistο

Die Erfindung schafft daher eine vorgefertigte Verbundmetalleinrichtung zum Wärmeübertragen zwischen einem wärmeaufnehmenden Medium mit einer planen Oberfläche, Z₀B. einer Wärmeableitvorrichtung, und einem Gegenstand mit einer planen Oberfläche, die bei Normalbetrieb weiten Temperaturänderungen ausgesetzt ist und einen vorbestimmten Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist und sich kennzeichnet durch ein metallisches Plattenelement hoher Zugfestigkeit mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich dem des Gegenstandes ist, wobei eine Oberfläche des Elementes in Anlage an die plane Oberfläche des Gegenstandes und die andere überfläche in Anlage an die plane Oberfläche des Mediums bringbar sind, und wobei eine Anzahl Bohrungen sich durch das Element erstreckt, die von einem weichmetallartigen Material mit einem Wärmeüber-

tragungskoeffizienten von mindestens ungefähr o,3 cal./cm /cm/ sec./⁰O gefüllt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen erläutert. In letzteren sind:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise weggeschnitten, einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung, und

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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die den Einsatz der Wärmeübertragungseinrichtung gemäß Fig. 1 in einem Halter zur Befestigung einer leistungsartigen Halbleitervorrichtung zeigt.

Fig. 1 zeigt eine vorgefertigte, wärmeübertragende Yerbundmetallplatteneinrichtung mit einem Metallelement 1o hoher Zugfestigkeit und mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich dem des dem Metallelement zugeordneten Gegenstandes ist. Das Metallelement 1o weist einandergegenüberliegende, planparallele Oberflächen auf, von denen : eine mit der planen Oberfläche des Gegenstandes und die andere ^: mit einer Wärmeableiteinrichtung in Anlage bringbar sind. In dem Metallelement 1o ist eine Anzahl gleichmäßig verteilter ι Bohrungen 11 vorgesehen, die mindestens ungefähr 45 % der gesamten Oberfläche des Metallelementes 1o und mindestens ungefähr 45 % des Volumens des Metallelementes 1o einnehmen. Jede Bohrung 11 ist mit einem metallischen Material gefüllt, das einen Wärmeübertragungskoeffizienten von mindestens ungefähr o,3 cal./cm /cm/sec./°C aufweist und vorzugsweise ein Weichmetall aus der Gruppe Silber, Kupfer, Aluminium oder einer Legierung dieser Metalle ist.

Fig. 2 zeigt einen Krafthalter für eine leistungsartige Halbleitervorrichtung, bei der das erfindungsgemäße Wärmeüberträgungselement Anwendung findet. Der Halter weist einen Kontakt-'

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bolzen 2o mit einem einstückig ausgebildeten, vergrößerten, zylindrischen Kopf 21 auf und besteht aus einem Material, z.B. aus Kupfer, mit einem verhältnismäßig hohen Wärmeübertragungskoeffizienten. Der Kontaktbolzen 2o weist ein Gewinde auf und ist in einer herkömmlichen Wärmeableiteinrichtung einschraubbar. Ein scheibenförmiges Element 22 bildet ein Wärmeübertragungselement, das in der gleichen Weise wie das Plattenelement 1o gemäß Pig. 1 hergestellt ist. Es ist vorzugsweise goldplattiert und an dem Kopf 21 des Kontaktbolzens 21 hartverlöteto Eine leistungsartige Halbleitervorrichtung, wie z.B. ein Leistungsverstärker oder ein Gleichrichter, ist an dem Element 22 angelötet, wobei als Lötmittel eine eutektische Gold-Silber- oder Gold-Zinn-Legierung Anwendung findet.

Die Befestigungsvorrichtung ist für gewöhnlich durch eine kappenförmige, am Umfang des Kopfes 21 angelötete Abdeckung hermetisch abgedichtet, und von der Halbleitervorrichtung kommenden Leitungen erstrecken sich durch die Abdeckung. Die abdichtende Abdeckung und die Leitungen von der Halbleitervorrichtung 23 sind nicht dargestellt und stellen keinen Teil der Erfindung dar.

Durch Verwendung des Wärmeübertragungselementes 22 mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten, der annähernd dem der Halbleitervorrichtung ist, und mit einem verhältnismäßig großen Wärmelitoertragungskoeffizienten wird die im wesentlichen in der

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- 1o -

Halbleitervorrichtung 23 erzeugte Wärmemenge über das Element 22 zu dem Kontaktbolzen 2o, 21 übertragen, während das Element 22 und die Halbleitervorrichtung 23 sich anpassungsmäßig ausdehnen und zusammenziehen kann, wodurch eine zerstörende Beanspruchung der Halbleitervorrichtung 23 vermieden wird.

Bei der Auswahl der Materialien für das Metallelement 1o sowie der Füllmaterialien für die Bohrungen 1ί sind folgende Kennwerte von Bedeutung:

Temperaturausdehnungskoeffizienten:

Nachfolgend finden sich näherungsweise die Temperaturausdehnungskoeffizienten einschlägiger Materialien bei einem Temperaturbereich von 2o°C bis 4oo°C in cm/cm/°C.

Halbleitersilizium 4_f 8 χ 1 o~

KOYAR.. 4,9 x 1o~⁶

AIrIOY 42 5,2 x 1o~⁶

Silber 19,7 x 1o~⁶

Kupfer 16,4 x 1o~

Verbundelement 1o:

AILOY 42 und 3o % Kupfer pro Volumen...,. 7,ο χ 1ο~

KOVAR und 3o % Kupfer...... 6,5 x 1o~⁶

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Während Kupfer und Silber einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweisen, unterscheiden sich ihre Temperaturausdehnungskoeffizienten so weitgehend von dem des Siliziums, daß, falls sie zwecks Wärmeaufnahme an dem Siliziumwerkzeug befestigt sind, die entgegengesetzten Wirkungen an dem Siliziumwerkzeug auftreten würden. Auf der anderen Seite weisen die Elemente aus KOVAR und ALLOY 42 mit den kupfergefüllten Bohrungen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, die eng an den des Siliziums angepaßt sind, so daß die Verwendung eines zusammengesetzten Elementes 22 nachteilige Wirkungen an dem Siliziumwerkzeug 23 bei sich über einen breiten Bereich ändernden Temperaturen verhindert .

Wärmeübertragungskoeffizienten:

Die Wärmeübertragungskoeffizienten einschlägiger Materialien

ergeben sich über den T'emper'aturTs'ereich von 2o 0 bis 4oo G wie

folgt in * calv/cnr'/era/sec'./^C: '

Kupfer ο, 9o

Zusammensetzung:

ALLOY 42 und 3o% o,25

KOVAR und 3o# Kupfer o,24

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ua i:X>Yti.l und h..-.i.uü'i 42 .,äriaeeiu3uehm.m₀sicoeffizieiiten aufweisen, die en^ ari den von oiliziuui an_oepf-J3t sina, sind ihre t/äriaeüber-•cr&^unjsKoeff izienten nur un_oefahr 4 , j aerJeiligen von Kupfer una Jilijer una völlig unaulän^licn, tun ,,arnie von dem Siliziuuv/eris:zeu_o 23 uoer einen aus^eaehiiten i'einperaturbereicn zu zer- «■creueri, wenn es ε Hein benutzt wird. Dg jeaocii aer Koeffizient des zusoiiUtien^eaetzten Elementes 22 aus kLuUI 42 und 3o y₀ Kupfer sowie aus ^o/Alt und 5o ,, tupfer './irmeüoertrs^uii^sicoeffizienten beinhalten, aie sechs ois sieben i.al jröuer als die von KUYAR und ALLOi 42 allein sind, laut sich cu-.s ausaüimen^esetzte Element für rile Anwendun^sfiille ^eei^net verwenden.

i'fis v.'irüieübGrtryjun^selement 1 ο Kann t.uf jede beliebige hericö.,:wilicne Art xier_oesteilt v/erden. .·iacndeüi axe Bohrungen 11 z.3. In dc-'S Jleuiont 1o ^eooart worden sind, icörnien sie mit tupfer oaer ^iloer durch eleictrolytisc^e Aoscneidun^ gefüllt werden. Alternativ Icann at ö ^lejieno 1o in einem nericöuuiilicJaen StreclcwGtall durcn ^inscnneiden purser i^eralleler jciilitze in das ijlejieiit ν.ηυ. durch ziehen aes letzteren ^eoilaet v/erden, um die Schlitze zu uffiLun^en. vußzui'oriiien,- die tt&nn mit Silber, Kupfer oder djl. gefüllt v/erden. ;Jei aieser Ausfüiirun^sform der Erfindun^ wird es bevorzug b, zwei rieche zwecks Jildun^, des Elementes Io derart zu scnicaten, ä.pß aie ilichtun^ der ^cxilitze in den oeiden Jlechen ungefähr senicrecht zueinander ist.

iio/.iJ.

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BAD ORIGlNAi

Claims

1. YVorgef ertigte Ver bundme tall einrichtung zum iiariaeüDertra_oen zwxschen einem wärmeaufnehmenden Medium mit einer planen Oberfläche und einem Gegenstand mit einer planen uberfiäciie, die bei Normalbetrieb weiten iemperaturänderun^en ausgesetzt ist und einen bestimmten Ternperaturausdehnungskoeffiaienten aufweist, gekennzeichnet durch ein metallisches Plattenelement hoher Zugfestigkeit mit einem Temperaturausdeiinun^skoeffizienten, der im wesentlichen gleich dem des Gegenstandes ist, wobei eine Oberfläche des Elementes in Anlage an die plane Oberfläche des Gegenstandes und die andere Oberfläche in Anla_öe an die plane Oberfläche des Mediums bringbar sind, und wobei eine Anzahl Bohrungen sich durch das Element erstreckt, die von einem weichmetallartigen Material mit einem Wärmeüber- ■ tragungskoeffizienten von mindestens ungefähr o,3 cal./cm /cm/ ^! seco/°C gefüllt sind. i

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ORIGINAL INSPECTED

'el. Einrichtung nach Ans£jruch 1, dadurcii gekennzeichnet, daß

das wärmeaufnehmende wedium eine närmeableitvorrichtung ist_o ;

3. i-iinrichtun^ nach Anspruch 1, dadurch ^Kennzeichnet, daß ^:

j sie auf aem warmeaufnehmenden medium lagerbar ist, und daß der ^[

•j-e_oenstana tragbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das metallische Clement eine Zugfestigkeit von mindestens

ρ ■

35 Kij,/iüm o.ufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß j

das die Bohrungen füllende i-iaterial ein »veichmetall aus der |

Gruppe Silber, Kupfer, Aluminium und einer Legierung eines ■ dieser fcetalle ist_o ;

ι 6. iiinrichtun^ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß !

die Anzahl der Johrun^en in dem metallischen Element gleich- !

formic in jezu^ auf seine planare üDerflachen verteilt ist,

und daß die Bohrungen mit dem metallischen Material gefüllt
sind.

Yo Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ascregatfläche aller Bohrungen auf den planen Oberflächen
des metallischen Elementes geringer als ungefähr 45 % der
gesamten .Fläche der planen überflächen ist.

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8p Einrichtung nach· Anspruch 6, dadurch ; ,ekennzeicij.net, daß
: das gesamte Volumen der Bohrungen geringer als ungefähr 45 '/-ί \ des Volumens des metallischen Elementes ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß
der zu tragende Gegenstand ein Halbleitergegenstimd ist, und - daß das Element eine Jickel->jisen-Legierun_o mit einein i'einpercturausdehnungskoeffizienten von ungefänr 5 χ 1o cm/cm/ Ci über den temperaturbereich von 2ο°ΰ bis 4oo°'J ist„

Ιο. Einrichtung naca Ansprucn 1, aadurcn geKonnzeicxinet, daiJ der zu tragende Gegenstand ein JaIbleiter^egenstand ist, und

^; daß das Element eine liiclcel-^ODalt-iiiisen-Leijierun^ üiit eineia

Temperaturausdehnungskoeffizienten von ungefähr 5 x 1o~^J cm/ ■ cm/°G über einen Temperaturbereich von 2o°0 ois 4oo°J ist»

11. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurcn ,-;ekennzsichnet,

das verhältnismäßig weiche, die .Bohrungen füllende λ et all
i

elektrolytisch abgeschiedenes kupfer ist«

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