DE3817400A1 - Waermeleitender, elektrisch isolierender kleber - Google Patents

Waermeleitender, elektrisch isolierender kleber

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kleber nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Derartige Kleber sind bereits bekannt. Sie dienen zum elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden und mechanisch festen Verbinden von elektrisch leitenden Teilen, beispielsweise eines Metallteils mit einem anderen Metallteil oder eines Metallteils mit einem Halblei­ terkörper (Chip). Beim Verbinden solcher Teile soll einerseits die resultierende Klebeschicht möglichst dünn sein, um eine hohe Wärme­ leitfähigkeit zu erzielen. Andererseits darf zur Erzielung einer ausreichenden Isolationsspannung eine bestimmte, möglichst defi­ nierte Dicke nicht unterschritten werden. Dies bereitet bei einer Massenfertigung Schwierigkeiten, wenn nicht im Fertigungsablauf oder im Schichtaufbau der Klebeverbindung zusätzliche Maßnahmen zur Ein­ stellung einer konstanten Klebeschichtdicke ergriffen werden.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kleber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bietet demgegenüber den Vorteil, daß bei seiner Verwendung zur Erreichung einer definierten Isolationsspannung ein konstanter Abstand der miteinander zu verbindenden Teile bzw. eine Klebeschicht definierter Dicke ohne zusätzliche Maßnahmen im Ferti­ gungsablauf eingestellt werden kann. Durch die Verwendung des erfin­ dungsgemäßen Klebers entfallen auch besondere Maßnahmen im Schicht­ aufbau der miteinander zu verbindenden Teile, die bisher zur Er­ reichung einer definierten Isolationsspannung ergriffen werden mußten, beispielsweise die Anordnung isolierender Platten mit zu­ sätzlichen Klebeschichten zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Halbleiteranordnung, bei der ein erstes Metallteil, das als Träger eines Halbleiterkörpers dient, und ein zweites Metall­ teil, das als Kühlkörper für den Halbleiterkörper dient, unter Zwischenschaltung einer Keramikplatte isolierend und gut wärmelei­ tend miteinander verbunden sind, Fig. 2 eine Anordnung wie in Fig. 1, bei der jedoch zur elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Verbindung der beiden Metallteile eine Klebeschicht dient, die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Klebers hergestellt worden ist.
Beschreibung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 10 mittels einer Lotschicht 11 auf ein erstes Metallteil 12 aufgelötet, wobei das Metallteil 12 als Wärmeverteiler für die in dem Halbleiterkörper 10 entstehende Ver­ lustwärme dient. Als Kühlkörper für den Halbleiterkörper 10 dient ein zweites Metallteil 13. Die beiden Metallteile 12, 13 sind mit­ tels einer Keramikplatte 14 elektrisch isolierend und gut wärmelei­ tend miteinander verbunden, wobei die Keramikplatte 14 einerseits mit ihrer metallisierten Oberseite mit dem ersten Metallteil 12 über eine Lotschicht 15 verlötet und andererseits mit ihrer nicht metal­ lisierten Unterseite mit dem zweiten Metallteil 13 über eine Klebe­ schicht 16 bekannter Art verklebt ist. Durch besondere Maßnahmen, insbesondere durch die Wahl einer bestimmten Dicke und eines be­ stimmten Materials für die Keramikplatte 14, kann eine ausreichende und definierte Isolationsspannung zwischen den beiden Metallteilen 12 und 13 eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich der Anordnung nach Fig. 1. Hierbei ist jedoch das aus den Teilen 14, 15, 16 bestehende Verbin­ dungssystem durch eine einzige Klebeschicht 17 definierter Dicke er­ setzt.
Erfindungsgemäß ist die Klebeschicht 17 unter Verwendung eines gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Klebers hergestellt, bei dem dem Kleber-Grundmaterial ein hoher Anteil mindestens eines gut wär­ meleitenden Füllstoffs und ein Anteil eines festen Zusatzstoffs bei­ gemischt ist, der aus einer Vielzahl mindestens annähernd gleich großer Teile 18 besteht. Als fester Zusatzstoff wird bevorzugt Glas in Form kleiner Kugeln mit entsprechend geeignetem Durchmesser, bei­ spielsweise 200 µm, verwendet. Als Kleber-Grundmaterial kann Epoxidharz, als gut wärmeleitender Füllstoff eine oder verschiedene Verbindungen zwischen Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des periodischen Systems der Elemente, beispielsweise Aluminium­ nitrid (AlN) verwendet werden, wobei bei einem Epoxidharz-Kleber der Anteil des gut wärmeleitenden Füllstoffs, bezogen auf die gesamte Klebmasse, ungefähr 70% betragen kann.
Durch Wahl eines bestimmten Anteils des festen Zusatzstoffs kann die Dicke der Klebeschicht 17 und damit die Isolationsspannung zwischen den beiden Metallteilen 12 und 13 auf einen bestimmten, für den An­ wendungsfall geeigneten Wert eingestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß Fig. 2 gegenüber der gemäß Fig. 1 besteht darin, daß durch geeignete Wahl der Anteile des gut wärmeleitenden Füllstoffs und des festen Zusatzstoffs der thermische Ausdehnungskoeffizient der Klebeschicht 17 an den thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten der Metallteile 12 und 13 angepaßt werden kann, so daß in dem Mehrschichtaufbau Metall/Kleber/Metall bei Tem­ peraturänderungen keine hohen mechanischen Spannungen auftreten, die bei der Verwendung von Keramik als Verbindungsmittel zwischen den beiden Metallteilen (Fig. 1) häufig zu Problemen in der Temperatur­ wechselfestigkeit führen.

Claims (7)

1. Wärmeleitender, elektrisch isolierender Kleber aus einem Kle­ ber-Grundmaterial, dem ein hoher Anteil mindestens eines gut wärme­ leitenden Füllstoffs beigemischt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber als weitere Beimischung zur Einstellung einer bestimmten Klebeschichtdicke der miteinander zu verbindenden Teile (12, 13) einen Anteil eines festen Zusatzstoffs enthält, der aus einer Viel­ zahl mindestens annähernd gleich großer Teile (18) besteht.
2. Kleber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minde­ stens annähernd gleich großen Teile (18) des festen Zusatzstoffs Ku­ geln mit mindestens annähernd gleich großem Durchmesser sind.
3. Kleber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Zusatzstoff aus Glas besteht.
4. Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kleber-Grundmaterial aus Epoxidharz besteht.
5. Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als gut wärmeleitender Füllstoff mindestens eine Verbindung zwischen Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des perio­ dischen Systems der Elemente verwendet wird.
6. Kleber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als gut wär­ meleitender Füllstoff Aluminiumnitrid (AlN) verwendet wird.
7. Verfahren zur elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Ver­ bindung eines vorzugsweise als Wärmeverteiler für ein darauf aufge­ brachtes oder aufzubringendes elektronisches Bauteil (10) dienenden ersten Metallteils (12) mit einem vorzugsweise als Kühlkörper für das elektronische Bauteil (10) dienenden zweiten Metallteil (13), dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallteile (12, 13) unter Verwendung eines Klebers nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche miteinander verbunden werden.
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