DE3032744A1 - Elektrisch isolierende unterlage mit hoher waermeleitfaehigkeit - Google Patents

Elektrisch isolierende unterlage mit hoher waermeleitfaehigkeit

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DE3032744A1 DE19803032744 DE3032744A DE3032744A1 DE 3032744 A1 DE3032744 A1 DE 3032744A1 DE 19803032744 DE19803032744 DE 19803032744 DE 3032744 A DE3032744 A DE 3032744A DE 3032744 A1 DE3032744 A1 DE 3032744A1
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Mitsuru Hasegawa
Iwao Shiojiri Nagano Hiramatsu
Naoaki Machida Tokyo Ohishi
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Description

SHOWA DENKO KABUSHIKI KAISHA
13-9, Shiba Daimon 1-chome,
Minato-ku, Tokyo, Japan
Elektrisch isolierende Unterlage mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende Unterlage mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die im Bereich der Elektronik für die Herstellung von Schaltungstafeln oder Wärmeableitungstafeln benutzbar ist.
Mehrschichtmateriale aus Unterlagen und organischen Polymeren, wie Schichtstoffe aus Papierunterlage und einem Phenolharz oder Glasunterlage mit Epoxydharz oder keramische Materialien, wie Aluminiumoxidplatten, sind bisher als Unterlagen von gedruckten Schaltungen und Wärmesümpfen benutzt worden. Solches Unterlagematerial ist jedoch insofern mangelhaft, als es eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine ungenügende Wärmestrahlung hat und Elemente, die viel Wärme erzeugen, wie IC^ MSI^und LSI^ nicht in großer Dichte auf solchen Unterlagen angeordnet oder aufgepackt werden können. Daher sind Unterlagen entwickelt worden, die als Basis ein Metall besitzen, das in hohem Grade wärmewiderstandsfähig und wärmeleitend ist. Beispielsweise ist ein Schichtstoff entwickelt worden, der ein Metall und ein organisches Polymerisat aufweist, und eine metall-keramische Schichtplatte, die einen elektrisch isolierendem Aluminit-Film ausweist, der auf einer Aluminiumplatte gebildet ist. Diese Unterlagen sind aber ebenfalls
34 249 +)IS = Integrated circuit
LSI= Large scale integration
C/w. MSI= Medium scale integration
mangelhaft. Eei der erstgenannten Unterlage wächst der thermische Widerstand wegen des vorhandenen organischen Polymerisates, bei der zweiten Unterlage erhält der Aluininitfilm bei Erhöhung der Temperatur Risse, was zur Verschlechterung der elektrischen Isoliereigenschaften führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Unterlage zu schaffen, die einen niedrigen thermischen Widerstand und eine hohe elektrische Isolierfähigkeit hat.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Unterlage aus einer thermisch gut leitenden Metallplatte und einem darauf gebildeten Film dieser Film aus einer Dispersion von Metalloxidteilchen besteht, deren Formfaktor 1 bis 1,4 ist und die eine Polyeder-Form mit glatten Flächen in einem organischen Oolymeren Klebstoff aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrisch isolierende Unterlagen gemäß der Erfindung,
Fig. 2 -(a) zeigt einen Querschnitt durch eine übliche elektrisch isolierende Unterlage,
Fig. 2 -(b) zeigt einen Querschnitt durch eine vergleichbare elektrisch isolierende Unterlage,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung zum Messen der thermischen Leitfähigkeit der Unterlage.
Wie bereits oben erwähnt, haben Unterlagen aus Metall und einem organischen Polymerisat den Mangel, daß der thermische Widerstand groß ist. Wenn das organische Polymerisat elektrisch isolierendes anorganisches Füllmaterial von guter
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Wärmeleitfähigkeit enthält, z.B. Aluminiumoxid oder Silikat, kann der thermische Widerstand verringert werden. Da jedoch üblicher anorganischer Füllstoff durch Trocken- oder Naß-Pulverisieren erzeugt wird, haben seine Partikel komplizierte Oberflächen mit Vorsprüngen und Höhlungen, so daß die Partikel die Unterlage in der Regel nur an einzelnen Punkten berühren. Das zeigt schematisch die Fig. 2 -(a), die eine Unterlage zeigt, die aus einer Aluminiumplatte 1 und einem organischen Polymerisatfilm 2 besteht, der Partikel 5 aus anorganischem Material, z.B. Aluminiumoxid oder Silikat enthält. Die Füllstoffpartikel 5 berühren die Aluminiumplatte 1 nur an Punkten 6. Daher wird, obwohl das Füllmaterial an sich eine gute thermische Leitfähigkeit hat, die Wärme nicht genügend zur Metallplatte geleitet.
Gemäß der Erfindung besteht der anorganische Füllstoff aus Partikeln, die einen bestimmten Formfaktor und eine Polyeder-Form haben, z.B. rechteckigen, fünfeckigen, sechseckigen oder achteckigen Querschnitt, wobei die Flächen glatt sind. Infolgedessen ergeben sich Flächenberührungen zwischen den Partikeln und der Grundplatte, wodurch die thermische Leitfähigkeit wesentlich erhöht wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Unterlage gemäß der Erfindung zeigt eine Metallplatte 1, beispielsweise eine oberflächenoxidierte Aluminiumplatte, die eine Schicht 2 aus organischem Polymerisat trägt, die einen Füllstoff aus Metalloxidpartikeln 3 enthält, deren Formfaktor 1 bis 1,4 beträgt, und deren Flächen glatt sind. Eine der Flächen 4 der polyedrischen Partikel hat Flächenberührung mit der Aluminiumplatte 1.
Der vorgenannte "Formfaktor" wird in folgender Weise bestimmt. Partikel werden auf einer ebenen Fläche verteilt und an jedem Partikel wird die größte Länge und die dazu rechtwinklig liegende Breite gemessen entsprechend der mikroskopischen Vergrößerungsmethode gemäß JIS (Japanese Industrial Standard) R-6OO2. Darauf wird das Verhältnis dieser Werte errechnet. Die Anzahl der gemessenen Partikel ist in der Regel 200.
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Die Messung der Länge und Breite erfolgt in einem Zustand, in dem die Teilchen lagefest auf der ebenen Platte liegen. Wenn dies Verhältnis kleiner als 1,4 ist, werden auch plattenförmige Teilchen berücksichtigt. Wenn das Verhältnis den Wert von 1,4 überschreitet, ergibt sich eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit, so daß solche Teilchen für Unterlagen gemäß der Erfindung nicht benutzt werden. Fig. 2 -(b) zeigt, daß Partikel 7, die einen großen Formfaktor haben, einander teilweise überlappen, wobei die Überlappungsflächen in der Regel klein sind, so daß die Wärmeleitfähigkeit vermindert wird. Bei Verwendung von plattenförmigen Teilchen mit einem Formfaktor von weniger als 1,4 ergeben sich dagegen großflächige Kontakte zwischen den Partikeln und der Metallunterlage. Wenn solche Partikel einander teilweise überlappen, ist die Berührungsfläche zwischen ihnen groß, da die Fülleigenschaft der Partikel gut ist, und dadurch ergibt sich eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Die Fig. 1 und 2 -(a) zeigen einen Zustand, in dem die Partikel in dem organischen Polymerisat 1 in einer Lage angeordnet sind. Natürlich können die Partikel zufallsverteilt und in mehreren Lagen in der Polymerisatschicht 2 liegen, entsprechend der Größe der Partikel. In solchem Fall sollten die Flächen der Partikel einander berühren. Bei glatten Seitenflächen der Partikel ergeben sich natürlich größere Berührungsflächen zwischen den Partikeln und somit eine Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit.
Die Größe der Partikel soll ein gewisses Maß nicht überschreiten. In der Regel ist es zweckmäßig, Partikel zu verwenden, die nicht größer als 200 Mikron ist, wobei vorzugsweise Partikel benutzt werden, deren Größe unter 100 Mikron liegt. Andererseits soll die Größe der Partikel nicht zu gering sein, weil sonst der gewünschte Effekt verringert wird.. Vorzugsweise sollen die Partikel eine Größe haben, die nicht kleiner ist als 2 Mikron.
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Vorzugsweise werden Partikel aus einem Material verwendet, dessen thermische Leitfähigkeit hoch ist.
Als Material für die Partikel können insbesondere Metalloxide aus der Gruppe A1„O_, SiO„ und TiO2 verwendet werden. Korundum-Partikel (Al OJ sind besonders geeignet, weil polyedrische und plattenförmige Partikel leicht durch hydrothermische Synthese hergestellt werden können.
Als Platte 1 kann eine Platte aus Aluminium, Kupfer, Silber, Nickel, Titan oder Eisen benutzt werden. Aus Gründen des Preises und Gewichtes empfiehlt sich die Benutzung einer Platte aus Aluminium, oberflächenoxidiertes Aluminium oder Stahl. Solche Metallplatten haben vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 3 mm.
Als organischen Copolymer-Klebstoff können z.B. Kunstharze wie Epoxyd und Phenolharze sowie Kunstgummi, z.B. Silikongummi verwendet werden.
Wenn die in dem organischen Polymerisat dispergierten Metalloxid-Partikel gering ist, ist die thermische Leitfähigkeit gering. Andererseits ist es schwierig, einen Film ausreichender Festigkeit aus dem organischen Polymerisat herzustellen, wenn die darin dispergierte Menge von Metalloxid-Partikeln groß ist. Daher ist es zweckmäßig, in dem Polymerisat 5 bis 55 %, vorzugsweise 10 bis 50 % Partikel, berechnet auf das Gesamtvolumen zu dispergieren. Ein Volumen von 2 bis 30 % des von den Partikeln eingenommenen Volumens von 5 bis 55 % kann eingenommen werden von üblichem feinen Keramikpulver, z.B. hexagonalem Bornitrid, Berylliumoxid oder Siliziumoxid, deren Größer geringer ist als die der Metalloxid-Partikel, wobei zu beachten ist, daß durch die Beimischung die Festigkeit des Films nicht zu sehr verringert wird. Solche feinen Partikel können sich zwischen die Metalloxidteilchen legen und die thermische Leitfähigkeit des Films erhöhen.
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Die Dispersion der Metalloxidteilchen im organischen Polymerisat kann auf ein Glasfasermaterial, z.B. ein Glasfasergewebe aufgebracht werden. Ein solches Glasfasergewebe kann mit der Metallplatte derart verbunden werden, daß die Oberfläche, auf der die Dispersion aufgebracht ist, die Metallplatte berührt. Wenn die Dispersion auf dem Glasfasergewebe angebracht ist, ist die Dicke des Dispersionsfilms und daher der thermische Widerstand sowie die Durchschlagspannung des Gesamtfilms in vorteilhafter Weise gleichförmig. Die Dicke des Films kann entsprechend der beabsichtigten Benutzung der Unterlage verschieden sein; in der Regel wird sie zwischen 0,01 bis 0,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,1 mm liegen.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Films der Unterlage gemäß der Erfindung beschrieben. Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Titanoxid, polyederförmige Partikel, die körnig oder plattenförmig sind, und einen Formfaktor von 1 bis 1,4 haben, können durch hydrothermale Synthese hergestellt werden. Beispielsweise können solche Aluminiumoxid-Partikel, bei denen die meisten Flächen glatt sind, hergestellt werden mit dem Verfahren, das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 15498/77 (US-Patent 4 193 768) beschrieben ist, und plattenförmige Aluminiumoxid-Partikel können hergestellt werden nach dem in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7750/62 beschriebenen Verfahren.
Diese Partikel werden ausreichend gemischt und in dem vorgenannten organischen Polymerisat dispergiert und ein Härtemittel und gegebenenfalls andere Zusätze der Dispersion zugesetzt. Die Dispersion wird auf eine oder beide Seiten der Metallplatte durch Sprühen oder Drucken aufgebracht und dann getrocknet und gehärtet.
Wenn die erfindungsgemäße Unterlagen für eine gedruckte Schaltung benutzt werden soll, wird eine Kupferfolie oder
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eine mit Kupfer überzogene Schicht auf die Oberfläche des Films aufgebracht und darauf die Schaltung gedruckt. Wenn die Erfindungsgemäße Unterlage für einen Wärmesumpf benutzt werden soll, wird seine eine Seite oder beide Seiten mit einem wärmabgebenden Fett bedeckt und die Unterlage wird zwischen einem Transistor und einem Wärmesumpf befestigt. Wenn bei der erfxndungsgemäßen Unterlage der Film einen Gummiklebstoff enthält, kann für manche Benutzungsarten auf die Anwendung eines solchen Fettes verzichtet werden.
Beispiel 1
Korundum-Partikel werden mittels hydrothermischer Synthese hergestellt bei Benutzung von Aluminiumhydroxid als Rohmaterial und Bayer-Aluminiumoxid als Keimkristalle. Diese Korundum-Partikel werden als die Metalloxid-Partikel verwendet. Die meisten dieser Partikel sind Polyederkörper mit glatten Oberflächen. Ein solches Verfahren ist beschrieben in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 1549 8/77. Die Tabelle 1 zeigt Eigenschaften dieser Partikel.
25Og dieser Partikel werden sorgfältig gemischt mit 10Og Epoxydharz (Epikote 828 der Shell Chemicals Co). Die Partikel nehmen 38 % der Mischung ein. Ein Imidazole-Härter (hergestellt von Shikoku Kasei K.K.) wird der Mischung zugesetzt. Mit diesem Erzeugnis wird eine Seite einer Alumilit-behandelten Aluminiumplatte, die eine Dicke von 1 mm hat, beschichtet und zwar durch Aufsprühen und durch Aufstreichen. Die Dicke des so erzeugten Films war 0,06 mm.
Zum Vergleich wurde eine Unterlage in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben erzeugt, jeoch mit dem Unterschied, daß anstelle des Korundums ein elektrisch geschmolzenes Aluminiumoxid benutzt wird.
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Die sich bei der Verwendung dieser beiden Unterlagen ergebenden Temperaturdifferenzen wurden bestimmt mittels der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung, um so die Unterlagen bezüglich ihrer thermischen Leitfähigkeit zu vergleichen. In Fig. 3 ist ein Transistor 10 des Typs T03 auf der Oberseite der hergestellten Unterlage 11 aufgebracht. Die Unterseite der Auflage 11 war verbunden mit einem aus Aluminium bestehenden Wärmesumpf 12. Um eine dichte Anlage zu erhalten, wurde ein wärmeabgebendes Silikonfett zwischen dem Transistor 10 und der Unterlage 11 vorgeshen. Der Temperaturgradient der vom Transistor erzeugten Temperatur wurde bestimmt und die thermische Leitfähigkeit wurde abgeschätzt auf der Grundlage der Temperaturunterschiede zwischen den Punkten A und B der Fig. 3. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 1
Art der
Partikel
Größe der
Partikel (,u)
Oberfläche
der Partikel
Erfindung
Korund durch
hydrothermische
Synthese
4-16
Polyeder mit glatten Seiten
Formfaktor 1,10
Temperaturdifferenz (0C) 2,5
1,30
1,6
Vergleich
pulverisiertes elektrogeschmolzenes Aluminiumoxid
4-17
unregelmäßige Seiten mit Vorsprüngen und Höhlungen
1,65
3,5
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Beispiel 2
In 500 ecm eines Siliziumoxid-Sols mit einer Partikelgröße vo 15 m,u und einer Konzentration von 20% ist 3 g Siliziumoxid-Pulver, dessen Partikelgröße 3 η ist, zugesetzt; diese Mischung wird in einem Autoklaven auf 400°C unter einem Druck von 400 kg/cm erhitzt zur Herstellung von Hydrothermal-Synthese-Siliziumoxid. Eine Unterlage wurde in der gleichen Weise hergestellt, wie es im Beispiel 1 geschildert ist mit der Ausnahme, daß dies Siliziumoxid benutzt wurde anstatt des Korunds. Die thermische Leitfähigkeit wurde in gleicher Weise ermittelt wie beim Beispiel 1. Zum Vergleich wurde eine Unterlage in der gleichen Weise hergestellt, wie dies im Beispiel 1 beschrieben ist, jedoch mit der Ausnahme, daß pulverisiertes Siliziumoxid benutzt wurde anstelle des durch hydrothermale Synthese erzeugten Siliziums. Die Tabelle zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 2
Erfindung Vergleich
Art der
Partikel		 Silizium durch
hydrothermische
Synthese		 pulverisiertes
Silizium
Größe der
Partikel (,u)		 6-14 6-14
Oberfläche
der Partikel		 glattes Polyeder unregelmäßige
Seiten mit Vor-
sprüngen und
Höhlungen
Formfaktor 1,15 1,35 1,5
Temperatur
differenz (0C)		 3,0 3,2 2,9
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Beispiel 3
Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem Beispiel 1 dadurch, daß eine 1 mm dicke Eisenplatte als Metallplatte benutzt wurde. Die Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 3
Erfindung Vergleich
Axt der
Partikel		 Silizium durch
hydrothermisehe
Synthese		 pulverisiertes
Silizium
Größe der
Partikel ( ,u)		 5-60 6-14
Oberfläche
der Partikel		 glattes Polyeder unregelmäßige
Seiten mit Vor
sprüngen und
Höhlungen
Formfaktor 1,10 1,30 1 ,65
lemperatur-
differenz (0C)		 3,0 3,1 4,2
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Claims (10)

  1. COHAUSZ & FLORACK 303 ! "44
    PATENTANWALTS BÜRO
    SCHUMANNSTR. 97 . D-4000 DÜSSELDORF
    Telefon: (0211) 683346 Telex.08586513 cop d
    PATENTANWÄLTE:
    Dipl-Ing. W. COHAUSZ - Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ · Dipl.-Ing. D. H. WERNER
    Ansprüche:
    ( 1 Λ Elektrisch isolierende Unterlage mit hoher Wärme- ^-^ leitfähigkeit, dadurch gekennz e i chnet, daß sie aus einer thermisch gut leitenden Metallplatte und einem darauf gebildeten Film besteht, und daß dieser Film aus einer Dispersion von Metalloxidteilchen besteht, deren Formfaktor 1 bis 1,4 ist und eine Polyeder-Form mit glatten Flächen in einem organisch polymeren Klebstoff aufweist.
  2. 2. Unterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid aus der die Verbindungen Al3O3, SiO3 und TiO3 umfassenden Gruppe stammt.
  3. 3. Unterlage nach Anspruch 2, d a d u>r c h gekennzeichnet, daß das Metalloxid ein durch hydrothermale Synthese erzeugtes Korund ist.
  4. 4. Unterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß die Partikel eine Größe von im wesentlichen 2 bis 200 Mikron haben.
    249
    C/w.
    130012/0808
    ORIGINAL INSPECTED
  5. 5. Unterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß das von den Metalloxid-Partikeln eingenommene Volumen des Films in der Größenordnung von 5 bis 55% liegt.
  6. 6. Unterlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 30% des von den Partikeln eingenommenen Volumens aus üblichem feinem keramischem Puder besteht, dessen Partikel kleiner sind als die Metalloxid-Partikel.
  7. 7. Unterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß die Dicke des Films in der Größenordnung von 0,01 bis 0,2 mm liegt.
  8. 8. Unterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a durch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Metallplatte aus Aluminium, aluminiumoxidbeschichtetem Aluminium oder Eisen besteht.
  9. 9. Unterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a durch gekennzeichnet, daß die Dispersion auf einem Glasfiebergewebe aufgebracht ist, das mit der gut wärmeleitenden Platte derart verbunden ist, daß die mit der Dispersion beschichtete Oberfläche auf der Platte liegt.
  10. 10. Unterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a durch gekennzeichnet, daß die auf der gut wärmeleitenden Metallplatte liegenden Metalloxidpartikel in Flächenberührung mit dieser Platte stehen.
    130012/0806
    INSPECTED
DE19803032744 1979-08-30 1980-08-30 Elektrisch isolierende unterlage mit hoher waermeleitfaehigkeit Withdrawn DE3032744A1 (de)

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