DE3728096C1

DE3728096C1 - Flat body, especially for use as a heat sink for electronic power components

Info

Publication number: DE3728096C1
Application number: DE19873728096
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl-Phys Dr Martin; Brigitte Dipl-Ing Waibel
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1987-07-03
Filing date: 1987-08-22
Publication date: 1989-01-12

Description

Die Erfindung geht aus von einem flachen Körper mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Solche flachen Körper, welche aus einer dünnen Aluminiumoxidplatte bestehen, die beidseitig mit je einer Metallplatte bedeckt ist, sind als Wärmesenken für elektronische Leistungsbauelemente, z. B. in Zünd vorrichtungen für Ottomotoren in Automobilen, bekannt. Dort müssen diese Körper eine hohe Temperaturwechsel beständigkeit aufweisen. Die Temperaturwechselbeständigkeit ist bei den bisher bekannten Körpern unzureichend, weil die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikplatte einerseits und der Metallplatten andererseits sich stark unterscheiden, so daß bei Temperaturwechseln in dem Körper entsprechend stark wechselnde Zug- und Druckspannungen parallel zur Oberfläche entstehen, die zu einem Bruch in der Keramikplatte parallel zur Oberfläche (Muschelbruch) führen können. Mangelnde Temperaturwechselbeständigkeit ist insbesondere dann gegeben, wenn die Metallplatten ohne eine Zwischenschicht mit der Keramikplatte verbunden sind (Direct-Bonding-Verfahren). Eine Zwischenschicht aus einer Lotlegierung, die gute Duktilität aufweist, kann die auftretenden Wärmespannungen teilweise ausgleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei flachen Körpern der eingangs genannten Art die Temperaturwechselbeständigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch flache Körper mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es hat sich gezeigt, daß ein beidseitig von Metallplatten bedecktes Substrat eine beträchtlich erhöhte Temperaturwechselbeständigkeit hat, wenn die Metallplatten Randstreifen mit verminderter Dicke haben.

Die größte Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit erreicht man, wenn man die Metallplatten an allen Rändern, also umlaufend mit Randstreifen verminderter Dicke ausbildet. Will man das beispielsweise aus Gründen einer preiswerteren Fertigung jedoch nicht, dann empfiehlt es sich, die Metallplatten stets an einander entgegengesetzt gerichteten Rändern mit Randstreifen verminderter Dicke auszubilden. Fertigungstechnisch besonders günstig ist es, rechteckige Metallplatten einzusetzen, die an zwei parallelen Rändern abgestuft ausgebildet sind; solche Metallplatten kann man fortlaufend aus einem Metallband herstellen, an dessen beiden Längsrändern die dünneren Randstreifen durch Fräsen gebildet werden und welches anschließend in einzelne Metallplatten zerteilt wird.

Die Erfindung erlaubt es insbesondere, hoch temperatur wechselbeständige Körper herzustellen, die aus einer dünnen Keramikplatte bestehen, die mit Metallplatten aus einem besonders gut wärmeleitfähigen Metall, insbesondere aus Kupfer, direkt verbunden sind. Der Nachteil, den bekannte im Direct-Bonding-Verfahren beschichtete Körper gegenüber gelöteten Körpern hinsichtlich der Temperaturwechselbeständigkeit haben, wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Körper mehr als ausgeglichen und damit der Anwendungsbereich des Direct-Bonding-Verfahrens als Fügeverfahren erweitert. Die Erfindung ist aber natürlich auch anwendbar auf solche sandwichartig zusammengefügte Körper, die auf andere Weise als im Direct-Bonding-Verfahren, insbesondere durch Löten zusammengefügt worden sind. Als Werkstoff für die Keramikplatte wird man zweck mäßigerweise Aluminiumoxid wählen, es ist aber auch möglich, andere keramische Werkstoffe, insbesondere Aluminiumnitrid und Berylliumoxid zu verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, die in

Fig. 1 einen flachen Körper gemäß dem Stand der Technik in der Draufsicht, in

Fig. 2 denselben Körper in einer Seitenansicht, in

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Körpers mit abgeschrägten Metallplatten in der Draufsicht, in

Fig. 4 den Körper aus Fig. 3 in einer Seitenansicht, in

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Körpers mit abgestuften Rändern in der Draufsicht, und in

Fig. 6 den Körper aus Fig. 5 in einer Seitenansicht zeigt.

Zur Vereinfachung sind in den unterschiedlichen Figuren einander entsprechende Teile mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.

In allen drei Beispielen besteht der Körper aus einer dünnen, rechteckigen Keramikplatte 1, mit deren Oberseite eine Metallplatte 2 und mit deren Unterseite eine mit der Metallplatte 2 übereinstimmende Metall platte 3 direkt verbunden ist. Die Metallplatten 2, 3 sind ebenfalls rechteckig ausgebildet, etwas kleiner als die Keramikplatte 1 und mittig auf der Keramikplatte 1 angeordnet, so daß zwischen den Metallplatten 2 und 3 ein Randstreifen 4 der Keramikplatte übersteht. Die Dicke der Metallplatten 2 und 3 liegt in derselben Größenordnung wie die Dicke der Keramikplatte 1.

Bei dem dem Stand der Technik angehörenden Körper in den Fig. 1 und 2 sind die Metallplatten 2 und 3 flache Quader, wohingegen bei den in den Fig. 3 bis 6 dargestellten beiden Ausführungsbeispielen die Metallplatten Randstreifen 5 bzw. 6 mit verminderter Dicke haben. Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Randstreifen 5 durch Schrägflächen begrenzt und an allen vier Rändern der Metallplatten 2 und 3 ausgebildet. Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an den beiden Schmalseiten der Metallplatten 2 und 3, zwischen denen die größten Wärme spannungen auftreten, zur Bildung des dünneren Randstreifens 6 jeweils eine Stufe ausgebildet, deren Dicke weniger als die Hälfte der Dicke der Metallplatten beträgt.

Zur Darstellung der verbesserten Temperaturwechselbeständigkeit sind nach stehend die Ergebnisse von Vergleichsversuchen angegeben, die mit Körpern durchgeführt wurden, wie sie in den Abbildungen 1 bis 6 dargestellt sind.

In allen Fällen wurden Aluminiumoxidkeramikplatten mit den Maßen

Länge23,2 mm Breite13,2 mm Dicke0,635 mm

verwendet, die mit Kupferplatten mit den Maßen

Länge21,0 mm Breite11,0 mm Dicke0,65 mm

im Direct-Bonding-Verfahren beschichtet waren.

Im Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 waren die Randstreifen 5 unter einem Winkel von 20° zur Oberfläche der Keramikplatte 1 abgeschrägt, im Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 waren Randstreifen 6 mit einer Breite von 1,0 mm und einer Dicke von 0,3 mm gebildet. Eine größere Anzahl von Prüflingen wurde einer Temperaturwechselbeanspruchung zwischen -40°C und +110°C unterworfen, wobei die Prüflinge jeweils 40 Minuten lang bei der unteren und bei der oberen Temperatur gehalten wurden und binnen einer Umlagerzeit von höchstens 10 s zwischen der unteren und der oberen Temperatur umgelagert wurden.

Die nachstehende Tabelle gibt die Ausfälle in % von Prüflingen an, die nach thermischen Lastwechseln beobachtet wurden.

Claims

1. Flacher Körper, insbesondere zur Verwendung als Wärmesenke für elektronische Leistungsbauelemente, bestehend aus einer Keramikplatte (Substrat), welche beidseitig von Metallplatten bedeckt ist, die auf ihrer gesamten Auflagefläche fest mit der Keramikplatte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (2, 3) Randstreifen (5, 6) mit verminderter Dicke haben.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallplatten (2, 3) ohne eine Zwischenschicht mit der Keramikplatte (1) verbunden sind.

3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Seiten der Keramikplatte angebrachten Metallplatten (2, 3) deckungsgleich angeordnet sind.

4. Körper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Seiten der Keramikplatte angebrachten Metallplatten (2, 3) gleich ausgebildet sind.

5. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (2, 3) aus Kupfer bestehen.

6. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Randstreifen (5) der Metallplatten (2, 3) abgeschrägt sind.

7. Körper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Randstreifen (5) unter einem Winkel von ungefähr 20° zur Oberfläche der Keramikplatte (1) abgeschrägt sind.

8. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randstreifen (6) der Metallplatten (2, 3) abgestuft sind.

9. Körper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Randstreifen (6) einfach abgestuft sind und ihre Dicke 40% bis 50%, vorzugsweise ungefähr 45% der Dicke der Metallplatten (2, 3) beträgt.

10. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Randstreifen (5, 6) mit verminderter Dicke das 1- bis 3fache, vorzugsweise das 1,5- bis 2fache der Dicke der Metallplatten (2, 3) beträgt.

11. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Metallplatten (2, 3) sowie der Keramikplatte (1) 0,5 mm bis 1 mm beträgt.